(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンとコネクティング・ロッドとを連結するピストンピンにおいて、
中空穴を有するピストンピン本体の軸方向両端から前記コネクティング・ロッドが連結される連結部分までの各区間において、該区間における前記中空穴の内周面形状を、それぞれ前記ピストンピン本体の軸方向両端で前記中空穴の内径が最大となり、前記連結部分に向かって順次内径が小さくなるように略テーパー形状に形成し、
前記テーパー形状は、前記ピストンピンの軸方向の断面が円弧状曲線を有する連続した凸曲面によって形成され、前記連結部分になだらかに連続しており、
前記区間における中空穴の内周面は、前記ピストンピン本体の前記区間内の中空穴内にパンチを打ち込んで、該中空穴を塑性加工することによって形成されることを特徴とするピストンピン。
【請求項２】
請求項１に記載のピストンピンにして、
前記連続曲面の範囲が、前記連結部分から少なくとも前記区間の略４分の１以上の範囲であることを特徴とするピストンピン。
【請求項３】
請求項１に記載のピストンピンにして、
前記塑性加工は、冷間鍛造であることを特徴とするピストンピン。
【請求項４】
ピストンとコネクティング・ロッドとを連結するピストンピンを冷間鍛造によって製造する方法において、
中空穴を有するピストンピン本体をダイス内にセットする工程と、
一対のパンチを前記ダイス内にセットされたピストンピン本体の中空穴の軸方向両端から押し込む工程とを有し、
前記一対のパンチは、前記中空穴の内径と略等しい外径を有する案内部と、該案内部から順次外径が大きくなるように案内部から連続した連続曲面によって略テーパー状に形成された成形部とを備えてなり、
前記案内部により前記パンチを前記ピストンピン本体の中空穴内に案内しつつ、前記成形部により、前記ピストンピン本体の軸方向端から前記コネクティング・ロッドが連結される連結部分までの各区間において、該区間における前記中空穴の内周面を、それぞれ前記ピストンピン本体の軸方向両端で前記中空穴の内径が最大となり、前記連結部分に向かって順次内径が小さくなるように、略テーパー形状に形成し、
前記テーパー形状は、前記ピストンピンの軸方向の断面が円弧状曲線を有する連続した凸曲面によって形成され、前記連結部分になだらかに連続していることを特徴とするピストンピンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車、農耕機械、航空機等に使用されるレシプロ型内燃機関のピストンとコネクティング・ロッドとを連結するピストンピンに係り、詳しくは軽量化を図り、エンジン運転時のピストン系の慣性力を低減する一方、加工性に優れたピストンピン及びその製造方法に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
軽量化を図り、エンジン運転時のピストン系の慣性力を低減するために、従来より種々のピストンピンが提案されている。例えば、図９乃至図１２に示すピストンピンがある。
【０００３】
図９に示すピストンピン５０は、クロム鋼等の鋼製の棒状素材を冷間鍛造、機械加工により、棒状素材の中心部に、外周面と同軸状に軽量化のための穴５１を形成した後、熱処理及び外周面の研削加工を施して製造される。また、図１０に示すピストンピン５０は、棒状素材の軸方向中央部分を残して、棒状素材の軸方向両端部分に軽量化のための穴５２を形成し、棒状素材の軸方向中央部分には穴５２よりも小径の穴５３をピアシングにより成形して製造される。
【０００４】
図１１に示すピストンピン５０は、図９に示すピストンピンの穴５１の軸方向両端部分（開口部付近）にテーパー状（円錐台状）穴５４を形成して更に軽量化を図ったものである。また、図１２に示すピストンピン５０は、同じく図１０に示すピストンピンの穴５２の開口部付近にテーパー状（円錐台状）穴５５を形成して更に軽量化を図ったものである。
【０００５】
図９乃至図１２に示す各ピストンピン５０は、材料歩留まり、生産性の観点から、通常、機械加工よりも冷間鍛造によって製造されている。なお、穴５４、５５をパンチを打ち込んで冷間鍛造により形成する場合、穴５４と穴５１との境界部分、穴５５と穴５２との境界部分には適当な丸みが形成され、パンチの打ち込み時、パンチのこれら境界部分に対応する箇所に応力集中が生じるのを回避するようにしている。
【０００６】
図１３及び図１４は、ピストンピン５０によってピストン６０とコネクティング・ロッド６５とを連結する状態を示している。ピストンピン５０を、ピストン６０の一方の取付穴６１からコネクティング・ロッド６５の挿通穴６６を通してピストン６０の他方の穴６２に挿入することにより、ピストン６０とコネクティング・ロッド６５とが連結される。ピストン６０の作動時に、ピストンピン５０は、その軸線と直角な断面にせん断応力、圧縮応力を受けるが、これら応力は、ピストンピン５０上のピストン６０とコネクティング・ロッド６５との境界部分（コネクティング・ロッド６５が連結されるピストンピン５０上の連結部分５６）で最大となり、該連結部分５６から離れるにしたがって小さくなる。したがって、強度上の観点からすると、ピストンピン５０上の連結部分５６において、最大せん断応力、最大圧縮応力に耐える肉厚があればよく、他の部分は軽量化を図るために肉厚を薄くすることが可能である。図１１、図１２に示すピストンピン５０において、テーパー状の穴５４、５５を形成するのはこの理由による。
【０００７】
図１５及び図１６は、ダイス７０とパンチ８０を利用して、図１１に示すピストンピン５０を製造する過程の一例を示している。
パンチ８０は、穴５４をテーパー状に成形する成形部８１と、案内部８２とを有する。案内部８２は、パンチ８０を穴５１内に押し込む過程で穴５１の内径が縮小するのを防止する。先ず図９に示すピストンピン５０をダイス７０の穴７１内に挿入してセットし（図１５参照）、次いで穴７１の軸方向両端からパンチ８０，８０をピストンピン５０の穴５１内に同時に押し込んで（図１６参照）、該穴５１の軸方向両端部分をそれぞれテーパー状に成形して穴５４を形成する（図１１参照）。
【０００８】
パンチ８０を穴５１内に押し込む過程では、図１７に示すように、先ず成形部８１と案内部８２との間の遷移部分８３が穴５１の開口端縁に接触し、次いで成形部８１が穴５１内に進入するにつれて穴５１を押し広げる。成形部８１が穴５１内に所定の加工距離Ｌだけ進入したら、それ以上の押し込みを停止する。このとき、成形部８１が受ける接触圧力は、成形部８１のテーパー面と穴５１の中心軸Ｘとの間の角度θにより決まり、角度θが大きいとそれだけ接触圧力が大きくなる。パンチ８０が受ける摩擦負荷は、接触圧力角θや摩擦距離が大きいほど大きくなり、遷移部分８３付近で最大となる。このことは、図１２に示すピストンピン５０を製造する場合にも同様にである。
【０００９】
上述したパンチ８０では、冷間鍛造時における摩擦負荷について、充分に注意が払われておらず、成形部８１と案内部８２との間の遷移部分８３における丸みの直径（図１８参照）が僅かであり（遷移部分８３に僅かに凸曲面が存在するだけで、この凸曲面が形成される範囲は、ピストンピン５０の連結部分５６から軸方向端までの距離の１０分の１程度であり）、上述した加工を長期間繰り返すことによって、遷移部分８３がピストンピン５０（穴５１の内周面）との摩擦によって摩耗したり、焼き付き等によって損傷したりするおそれがある。
【００１０】
パンチ８０の寿命を長くするには、摩擦負荷を軽減すればよく、この場合には角度θを小さくするか、加工距離Ｌを短くすることが考えられるが、これではピストンピンの穴の軸方向両端部でテーパー状に形成することによって必要な機械的強度を確保しつつ軽量化を図ることが出来なくなる。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、軽量化を図りつつ加工工具の寿命を長くすることができる、ピストンピン及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明は、ピストンとコネクティング・ロッドとを連結するピストンピンにおいて、中空穴を有するピストンピン本体の軸方向両端から前記コネクティング・ロッドが連結される連結部分までの各区間において、該区間における前記中空穴の内周面形状を、それぞれ前記ピストンピン本体の軸方向両端で前記中空穴の内径が最大となり、前記連結部分に向かって順次内径が小さくなるように、連続曲面によって略テーパー状に形成してなることを特徴とする。
【００１３】
本発明のピストンピンによれば、ピストンピンとしての機械的強度を維持しつつ軽量化を図ることが可能となる一方、ピストンピンを加工する加工工具の寿命を長くすることができる。すなわち、ピストンピン本体の軸方両向端で中空穴の内径が最大となり、連結部分に向かって順次内径が小さくなるように連続曲面によって略テーパー状に形成してなるので、加工工具としてパンチを使用して塑性加工（冷間鍛造）する場合、パンチはその外周面形状を中空穴の内周面形状これに合わせて形成する必要があるが、この場合、パンチが受ける摩擦負荷を一様にすることができると同時にパンチに作用する最大摩擦負荷を減少させることが出来る。
【００１４】
上記ピストンピンにおいて、前記連続曲面の範囲が、前記連結部分から少なくとも前記区間の略４分の１以上の範囲であれば、ピストンピン本体の軸方向両端部分の中空穴を加工する際にパンチが受ける摩擦負荷を一様にすることができ、また最大摩擦負荷を減少させることが可能となる。
【００１５】
また、上記目的を達成する本発明のピストンピンの製造方法は、ピストンとコネクティング・ロッドとを連結するピストンピンを冷間鍛造によって製造する方法において、中空穴を有するピストンピン本体をダイス内にセットする工程と、一対のパンチを前記ダイス内にセットされたピストンピン本体の中空穴の軸方向両端から押し込む工程とを有し、前記一対のパンチは、前記中空穴の内径と略等しい外径を有する案内部と、該案内部から順次外径が大きくなるように案内部から連続した連続曲面によって略テーパー状に形成された成形部とを備えてなり、前記案内部によりパンチを前記ピストンピン本体の中空穴内に案内しつつ、前記成形部により、前記ピストンピン本体の軸方向端から前記コネクティング・ロッドが連結される連結部分までの各区間において、該区間における前記中空穴の内周面を、それぞれ前記ピストンピン本体の軸方向両端で前記中空穴の内径が最大となり、前記連結部分に向かって順次内径が小さくなるように、連続曲面によって略テーパー状に形成することを特徴とする。
【００１６】
本発明のピストンピンの製造方法によれば、ピストンピンの軽量化を図ることが出来る一方、パンチの受ける負荷を軽減することが出来るので、長期間冷間鍛造を繰り返しても、パンチの摩耗や焼き付きが少なく、パンチの寿命を長くすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下本発明の一実施例について添付図面を参照して説明する。
図１乃至図６に本発明のピストンピンの一実施例を示す。図１は本発明のピストンピンの一実施例を示す縦断面図、図２は図１のＡ部分（区間１０ｃの部分）の部分拡大断面図、図３及び図４はピストンピンをダイスとパンチを使用して冷間鍛造により製造する工程を説明するための縦断面図、図５は図３及び図４に示す製造工程で使用するパンチの部分側面図、図６はパンチをピストンピン本体の中空穴内に押し込む過程を詳細に説明するための図である。
【００１８】
本実施例のピストンピンは、図１、図２に示すように、例えばクロム鋼等の鋼製の中空状ピストンピン本体１０から構成される。このピストンピン本体１０の中空穴１１の軸方向両端部分における内壁面は、それぞれ連続した凸曲面によって漏斗状に形成される。
【００１９】
すなわち、ピストンピン本体１０の軸方向端１０ａ、１０ａからコネクティング・ロッド４５（図８参照）が連結される連結部分１０ｂ、１０ｂまでの各区間１０ｃ、１０ｃにおいて、該区間１０ｃ全体の中空穴１１の内周面形状が、ピストンピン本体１０の軸方向端１０ａで中空穴１１の内径が最大となり、連結部分１０ｂに向かって順次内径が小さくなるように、連続した凸曲面により略テーパー状に形成されている。連結部分１０ｂの肉厚は、ピストン４０（図８参照）の作動時に、ピストンピン（ピストンピン本体１０）が受ける最大せん断応力や、最大圧縮応力等に耐えるように設定される。
【００２０】
区間１０ｃにおける中空穴１１の内周面形状を、図２を参照して詳細に説明すると、円弧状の曲線からなる連続した凸曲面によって形成され、また連結部分１０ｂ、１０ｂ間である中空穴１１の中央部分は、直線からなるストレートな円筒状曲面によって形成され、中空穴１１の区間１０ｃと中央部分は、連結部分１０ｂで滑らかに連続している。すなわち、ストレートな円筒状曲面を構成する直線は、連結部分１０ｂにおいて、連続凸曲面を構成する曲線から該曲線の接線方向に延びるようにして連続している。
【００２１】
次に、図３、図４を参照して上述したピストンピンを冷間鍛造によって製造する方法の一実施例を説明する。
先ず、第１工程で、図３に示すように、ダイス２０内にピストンピン本体１０をセットし、次いで、第２工程で、図４に示すように、ダイス２０内のピストンピン１０の中空穴１１の両端開口部から該中空穴１１内に、所定深さ、パンチ３０を圧入するが、これら工程は従来と同じである。
【００２２】
本実施例では、図５に示すパンチ３０を利用する点に特徴を有している。パンチ３０は、中空穴１１の連結部分１０ｂ、１０ｂ間の内径と略等しいか、若干小径に形成された円柱状の案内部３１と、該案内部３１に案内されつつ中空穴１１の区間１０ｃを成形するテーパー状（円錐台形状）の成形部３２とからなる。成形部３２の外周面は、曲線からなる連続した凹曲面によって形成され、この凹曲面により中空穴１１の区間１０ｃの連続凸曲面が成形される。案内部３１と成形部３２は、それらの間の遷移部分３３において滑らかに連続するように形成されている。すなわち、案内部３１の円柱状外周面を構成する直線は、遷移部分３３において、成形部３２の凹曲面を構成する曲線の接線方向に延びるように、成形部３２から連続している。
【００２３】
なお、案内部３１は、成形部３２によって中空穴１１を加工する際、該中空穴１１の内径が縮小するのを防止する。したがって、成形部３２によって中空穴１１の加工が進行するにつれて、ピストンピン本体１０の軸方向端１０ａが盛り上がる。
【００２４】
次に、図６を参照してパンチ３０をピストンピン本体１０の中空穴１１内に圧入する過程（軽量化のための穴の成形過程）を詳細に説明する。
案内部３１により案内されてパンチ３０がピストンピン本体１０の中空穴１１内に進入すると、まず案内部３１と成形部３２との間の遷移部分３３が中空穴１１の開口端縁１１ａに接触し、次いで成形部３２が中空穴１１の開口端部分を押し広げるように塑性加工しつつ、パンチ３０が加工距離Ｌだけ進入した時点（遷移部分３３が加工距離Ｌだけ進入した時点）で加工が終了する。加工終了時、中空穴１１の開口端縁１１ａは、ピストンピン本体１０の軸方向端１０ａの盛り上がりに伴って図６の一点鎖線に示す位置１１ａ’に移動する。
【００２５】
パンチ３０の成形部３２が最初に中空穴１１の開口端縁１１ａに接触するときの接触圧力角θは、遷移部分３３付近の成形部３２の凹曲面を構成する円弧の接線と、パンチ３０の中心軸線Ｘとの間の角度に等しいので、開口端縁１１ａ付近での接触圧力角θは極めて小さいものとなる。
【００２６】
また、パンチ３０が中空穴１１内に進入するにつれて、開口端縁１１ａは位置１１ａ’に移動して、パンチ３０の開口端縁１１ａに接触する部分での接触圧力角θは順次大きくなる一方、該部分の塑性加工終了時点までの摩擦距離は順次小さくなる。
【００２７】
したがって、パンチ３０とピストンピン本体１０との接触において、加工距離Ｌだけ移動する、遷移部分３３近傍が小さな接触角度θとなり、遷移部分３３付近（遷移部分３３及び該遷移部分３３近傍の成形部３２）が受ける摩擦負荷を、図１７に示す遷移部分８３近傍が受ける摩擦負荷に比して、小さくすることが出来る。また、パンチ３０の成形部３２全体の摩擦負荷は、図１７に示す成形部８１が受ける摩擦負荷に比して、局部的に大きくなる所がなく、略一様とすることができる。
【００２８】
図８は、図１に示すピストンピンを利用してピストン４０とコネクティング・ロッド４５とを接続して組み立てた、ピストン・アッセンブリである。
このピストン・アッセンブリでも、図１３に示す場合と同様に、ピストンピン本体１０を、ピストン４０の一方の取付穴４１からコネクティング・ロッド４５の挿通穴４６を通してピストン４０の他方の穴４２に挿入することにより、ピストン４０とコネクティング・ロッド４５とが連結される。ピストン４０の作動時に、ピストンピン本体１０は、その軸線と直角な断面にせん断応力、圧縮応力を受けるが、これら応力はピストンピン本体１０の連結部分１０ｂで最大となり、該連結部分１０ｂから離れるにしたがって小さくなる。連結部分１０ｂではピストンピン本体１０の肉厚が厚く形成されていることから、ピストン４０の作動時に作用するせん断応力、圧縮応力に耐えることができる。また、ピストンピン本体１０の連結部分１０ｂから軸方向端１０ａまでの区間１０ｃでは肉厚が順次薄くなって軽量化が図られており、エンジン運転時のピストン系の慣性力を低減することができる。
【００２９】
図７は本発明のピストンピンの他の実施例を示す、図２に対応する部分拡大断面図である。
図１に示す実施例では、ピストンピン本体１０の区間１０ｃ部分の中空穴１１の内周面を、連結部分１０ｂから軸方向端１０ａに至る全範囲で連続した凸曲面により構成した場合を示したが、図７に示す他の実施例では、ピストンピン本体１０の区間１０ｃ部分の中空穴１１の内周面を、連結部分１０ｂから軸方向端１０ａの手前まで、連続した凸曲面に構成するが、軸方向端１０ａ付近の点１０ｄから軸方向端１０ａにかけては、凸曲面を構成する曲線の接線方向に延びる直線Ｔ１に略近い直線Ｔ２からなる円錐面によって形成する。換言すれば、ピストンピン本体１０の区間１０ｃ部分の中空穴１１の内周面を、連結部分１０ｂから軸方向端１０ａまでの距離Ｌ１の略４分の３の範囲Ｌ２において、連続した凸曲面により形成している。
【００３０】
上記他の実施例に示す中空穴１１を加工する場合でも、中空穴１１の開口端縁１１ａに最初に接触する、パンチ３０の遷移部分３３及び該遷移部分３３近傍の成形部３２が受ける摩擦負荷を小さくすることができる。また、加工過程で、パンチ３０の成形部３２が受ける摩擦負荷を略一様とすることができる。
【００３１】
なお、図１に示す実施例では、ピストンピン本体１０の区間１０ｃ部分の中空穴１１の内周面を、連結部分１０ｂから軸方向端１０ａまでの距離の全範囲において、連続した凸曲面により形成し、また図７に示す実施例では、連結部分１０ｂから軸方向端１０ａまでの距離Ｌ１の略４分の３の範囲Ｌ２において、連続した凸曲面により形成した場合を示したが、少なくとも連結部分１０ｂから軸方向端１０ａまでの距離の略４分の１の範囲において連続した凸曲面を形成すれば、中空穴１１を加工するパンチ３０が受ける摩擦負荷を軽減することができる。
【００３２】
ちなみに、従来の場合、図１８に示すように、境界部分５６に僅かに凸曲面が存在するだけで、この凸曲面が形成される範囲Ｌ２は、連結部分から軸方向端までの距離Ｌ１の１０分の１程度である。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ピストンピン本体の軸方両向端で中空穴の内径が最大となり、連結部分に向かって順次内径が小さくなるように連続曲面によって略テーパー状に形成してなるので、ピストンピンとしての機械的強度を維持しつつ軽量化を図ることが可能となる一方、中空穴を塑性加工（冷間鍛造）する加工工具としてパンチを使用する場合、このパンチが受ける摩擦負荷を一様にすることができると同時に最大摩擦負荷を減少させることが出来、パンチの寿命を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のピストンピンの一実施例を示す縦断面図である。
【図２】図１のＡ部分（区間１０ｃの部分）の部分拡大断面図である。
【図３】図１のピストンピンをダイスとパンチを使用して冷間鍛造により製造する工程を説明するための縦断面図である。
【図４】図１のピストンピンをダイスとパンチを使用して冷間鍛造により製造する工程を説明するための縦断面図である。
【図５】図３及び図４に示す製造工程で使用するパンチの部分側面図である。
【図６】パンチをピストンピン本体の中空穴内に押し込む過程を詳細に説明するための図である。
【図７】本発明のピストンピンの他の実施例を示す、図２に対応する部分拡大断面図である。
【図８】図１に示すピストンピンを使用してピストンとコネクティング・ロッドとを接続して組み立てた、ピストン・アッセンブリの部分拡大縦断面図である。
【図９】従来のピストンピンの縦断面図である。
【図１０】従来の別のピストンピンの縦断面図である。
【図１１】従来の別のピストンピンの縦断面図である。
【図１２】従来の別のピストンピンの縦断面図である。
【図１３】図１１に示すピストンピンを使用してピストンとコネクティング・ロッドとを接続して組み立てた、ピストン・アッセンブリの部分拡大縦断面図である。
【図１４】図１１に示すピストンピンを使用してピストンとコネクティング・ロッドとを接続して組み立てた、ピストン・アッセンブリの一部切り欠いて示した斜視図である。
【図１５】図１１のピストンピンをダイスとパンチを使用して冷間鍛造により製造する工程を説明するための縦断面図である。
【図１６】図１１のピストンピンをダイスとパンチを使用して冷間鍛造により製造する工程を説明するための縦断面図  である。
【図１７】従来技術において、パンチをピストンピン本体の中空穴内に押し込む過程を詳細に説明するための図である。
【図１８】図１１に示すピストンピンのテーパー部と案内部との間の遷移部分を説明する部分断面図である。
【符号の説明】
１０  ピストンピン本体
１０ａ  軸方向端
１０ｂ  連結部分
１０ｃ  区間
１１  中空穴
１１ａ  開口端縁
２０  ダイス
３０  パンチ
３１  成形部
３２  案内部
３３  遷移部分
【図１】
0004536191.tif 000002
【図２】
0004536191.tif 000003
【図３】
0004536191.tif 000004
【図４】
0004536191.tif 000005
【図５】
0004536191.tif 000006
【図６】
0004536191.tif 000007
【図７】
0004536191.tif 000008
【図８】
0004536191.tif 000009
【図９】
0004536191.tif 000010
【図１０】
0004536191.tif 000011
【図１１】
0004536191.tif 000012
【図１２】
0004536191.tif 000013
【図１３】
0004536191.tif 000014
【図１４】
0004536191.tif 000015
【図１５】
0004536191.tif 000016
【図１６】
0004536191.tif 000017
【図１７】
0004536191.tif 000018
【図１８】
0004536191.tif 000019