(57)【要約】【課題】内燃機関用ピストンにおいて、ピストンの重量増加を抑制しながら爆発荷重によるピストンの変形を抑制する。【解決手段】ピストンヘッド11と、ピストンスカート12と、第１，第２ピンボス13，14と、平面視でピストンピン５に直交する方向に延びて第１，第２ピンボス13，14およびピストンスカート12とを連結する第１，第２側壁21，22とを有する内燃機関用ピストン10は、直交方向で第１，第２ピンボス13，14を挟む位置に、いずれも第１側壁21と第２側壁22とを連結する第１，第２連結壁23，24を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼ガスの圧力が作用するピストンヘッドと、前記ピストンヘッドから下方に延びるピストンスカートと、ピストンピンを支持する第１ピンボスおよび第２ピンボスと、平面視で前記第１ピンボスおよび前記第２ピンボスの中心軸線に直交する方向に延びて前記第１ピンボスと前記ピストンスカートとを連結する第１側壁と、前記直交方向に延びて前記第２ピンボスと前記ピストンスカートとを連結する第２側壁と、を有する内燃機関用ピストンにおいて、
前記直交方向で前記第１ピンボスおよび前記第２ピンボスを挟む位置に、いずれも前記第１側壁と前記第２側壁とを連結する第１連結部および第２連結部を有することを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項２】
前記各連結部と前記ピストンヘッドの裏面との間に空間部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関用ピストン。
【請求項３】
前記ピストンヘッド、前記ピストンスカート、前記各ピンボス、前記各側壁および前記各連結部は鋳造により一体成形され、前記空間部は鋳抜き孔により構成されることを特徴とする請求項２記載の内燃機関用ピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼ガスの圧力が作用するピストンヘッドを有する内燃機関用ピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼ガスの圧力が作用するピストンヘッドと、ピストンピンを支持する１対のピンボスと、ピストンピンに直交する方向に延びて各ピンボスおよびピストンスカートを連結する１対の側壁とを有する内燃機関用ピストンに知られている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開昭６２−９６７６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
内燃機関が運転されて燃焼による爆発荷重がピストンヘッドに作用すると、図１１に二点鎖線で示されるように、ピストンａは、両ピンボスｂの中心軸線（以下、「ピン軸線」という。）の方向（以下、「ピン軸方向」という。）で対向する１対の側壁および各側壁と一体の１対のピンボスｂがピン軸方向で広がるように変形して、ピストンａの円滑な運動が妨げられる。この変形の発生原因は、平面視でピン軸線に直交する方向（以下、「直交方向」という。）に沿って側壁およびピンボスが設けられていることにより、ピン軸線回りでの曲げ剛性に比べて、ピストンの中心軸線（以下、「ピストン軸線」という。）に直交すると共にピン軸線を含む平面上でピストン軸線を通りピン軸線に直交する軸線（以下、「直交軸線」という。）回りの曲げ剛性が小さいためと考えられる。ところが、この変形を抑制するために、ピストンヘッド、側壁またはピンボスの肉厚を大きくすると、ピストンの慣性質量が増加して、内燃機関の高速化が困難になり、また慣性質量に起因する振動も増大する。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、請求項１〜３記載の発明は、内燃機関用ピストンにおいて、ピストンの重量増加を抑制しながら爆発荷重によるピストンの変形を抑制することを目的とする。そして、請求項２記載の発明は、さらに、ピストンの軽量化および冷却性の向上を図ることを目的とし、請求項３記載の発明は、さらに、第１，第２側壁を連結する連結部とピストンヘッドとの間に空間部が形成されたピストンの製造コストの削減を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の発明は、燃焼ガスの圧力が作用するピストンヘッドと、前記ピストンヘッドから下方に延びるピストンスカートと、ピストンピンを支持する第１ピンボスおよび第２ピンボスと、平面視で前記第１ピンボスおよび前記第２ピンボスの中心軸線に直交する方向に延びて前記第１ピンボスと前記ピストンスカートとを連結する第１側壁と、前記直交方向に延びて前記第２ピンボスと前記ピストンスカートとを連結する第２側壁と、を有する内燃機関用ピストンにおいて、前記直交方向で前記第１ピンボスおよび前記第２ピンボスを挟む位置に、いずれも前記第１側壁と前記第２側壁とを連結する第１連結部および第２連結部を有する内燃機関用ピストンである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の内燃機関用ピストンにおいて、前記各連結部と前記ピストンヘッドの裏面との間に空間部が形成されているものである。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の内燃機関用ピストンにおいて、前記ピストンヘッド、前記ピストンスカート、前記各ピンボス、前記各側壁および前記各連結部は鋳造により一体成形され、前記空間部は鋳抜き孔により構成されるものである。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１記載の発明によれば、直交方向で両ボスの両側で第１，第２側壁を連結する第１，第２連結部により、ピストンにおいて、直交軸線回りの曲げ剛性が増加するので、爆発荷重により第１，第２ピンボスおよび第１，第２側壁が直交方向で広がるようなピストンの変形が抑制される。しかも、連結部は第１，第２側壁を部分的に連結するだけであるので、連結部を設けたことによるピストンの重量増加が抑制される。
請求項２記載の事項によれば、空間部が形成される分、連結部がピストンヘッドにも連結される場合に比べて、ピストンが軽量化される。しかも、空間部により、オイルが、ピストンヘッドの裏面を含むピストンの裏面に付着し易くなってオイルによる冷却効果が向上し、ピストンの冷却性が向上する。
請求項３記載の事項によれば、空間部がピストンの鋳造時に形成されることから、空間部を形成する機械加工が不要となるので、第１，第２側壁を連結する連結部とピストンヘッドとの間に空間部が形成されたピストンの製造コストが削減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施形態を図１〜図１０を参照して説明する。
図１〜図３を参照すると、本発明が適用された内燃機関用ピストン10は、４ストローク内燃機関に備えられるシリンダ１に往復運動可能に嵌合する。該シリンダ１と共に前記内燃機関の機関本体を構成するシリンダヘッド２には、ピストン10の中心軸線方向（シリンダ軸線方向でもあり、以下、「軸線方向」という。）でピストン10に対向して燃焼室３が設けられ、燃焼室３での混合気の燃焼により発生する燃焼ガスの圧力により駆動されて往復運動するピストン10は、コンロッド４を介してクランク軸を回転駆動する。
【０００８】
ピストン10は、燃焼圧力を受ける頂面11ａを有する円柱状のピストンヘッド11と、ピストンヘッド11から軸線方向に平行に下方に延びるピストンスカート12と、コンロッド４の小端部４ａの挿通孔に回動可能に挿入されて連結される１つのピストンピン５を支持する第１，第２ピンボス13，14と、直交方向（平面視で、ピストンピン５の中心軸線に直交する方向でもある。）に延びて第１ピンボス13とピストンスカート12とを連結する第１側壁21と、直交方向に延びて第２ピンボス14とピストンスカート12とを連結する第２側壁22と、直交方向で第１，第２ピンボス13，14を挟む位置に配置されていずれも１対の側壁21，22を連結する第１，第２連結部としての第１，第２連結壁23，24と、を有する。そして、ピストン10は、軽金属としてのアルミニウム合金から形成されて、鋳造としてのダイカストにより成形される。
【０００９】
なお、明細書または特許請求の範囲において、上下方向は、ピストン軸線Ｌ１に平行な方向であるとし、上方向は、上下方向において、ピストン10において頂面11ａが位置する方向であるとする。また、実施形態において、周方向および径方向とはピストン軸線Ｌ１を中心としたときのものである。
【００１０】
ピストンヘッド11の外周面には、圧縮リングおよびオイルリングがそれぞれ装着される第１リング溝11ｍおよび第２リング溝11ｎが設けられる。各ピンボス13，14および各側壁21，22はその上端部で、ピストンヘッド11にその裏面11ｂにて連結している。
シリンダ孔１ａの内周壁に摺接するピストンスカート12は、周方向に間隔をおいて形成された第１，第２スカート部分12ａ，12ｂから構成され、各スカート部分12ａ，12ｂは、ピン軸方向で、１対のボスの幅Ｗｂよりも小さい幅Ｗｓを有する。
【００１１】
併せて図７，図８を参照すると、直交方向で対向する第１，第２スカート部分12ａ，12ｂの周方向での一方の端部を第１ピンボス13を介して連結する第１側壁21は、直交方向で第１ピンボス13と第１スカート部分12ａとを連結する第１壁部分21ａと、直交方向で第１ピンボス13と第２スカート部分12ｂとを連結する第２壁部分21ｂとを有する。同様に、直交方向で対向する第１，第２スカート部分12ａ，12ｂの周方向での他方の端部を第２ピンボス14を介して連結する第２側壁22は、直交方向で第２ピンボス14と第１スカート部分12ａとを連結する第１壁部分22ａと、直交方向で第２ピンボス14と第２スカート部分12ｂとを連結する第２壁部分22ｂとを有する。
【００１２】
各ピンボス13，14には、ピストンピン５が回動可能に嵌合するピン孔13ａ，14ａが設けられる。ピン孔13ａ，14ａの周壁面には、ピストンピン５の抜止用クリップが装着される溝15およびオイルが溜まるオイル溝16，17が設けられる。
【００１３】
第１連結壁23は、直交方向で両ピンボス13，14と第１スカート部分12ａとの間に配置されて、ピン軸方向および軸線方向に平行に延びて第１壁部分21ａ，22ａ同士を連結し、第２連結壁24は、直交方向で両ピンボス13，14と第２スカート部分12ｂとの間に配置されて、ピン軸方向および軸線方向に平行に延びて第２壁部分21ｂ，22ｂ同士を連結する。両連結壁23，24は、ピストン軸線Ｌ１およびピン軸線Ｌ２を含む中心平面に対して面対称の位置にある。そして、径方向に平たい壁により構成される各連結壁23，24は、各側壁21，22において、少なくとも、軸線方向でピストンヘッド11とは反対側の端部である下端部21ｃ，22ｃを含む部位に連結される。
【００１４】
各連結壁23，24の上端部23ａ，24ａとピストンヘッド11の裏面11ｂとの上下方向での間には、直交方向に貫通する空間部25，26が形成されている。各空間部25，26はピストン10の鋳造時に後述する置き中子を利用した鋳抜き孔により構成される。そして、上下方向での各連結壁23，24の高さは、上下方向での各側壁21，22の下端面21ｅ，22ｅと裏面11ｂとの間隔の半分以下であり（図２参照）、各連結壁23，24の下端面23ｅ，24ｅは、各壁部分21ａ，22ａ；21ｂ，22ｂとの連結部位の下端面21ｅ，22ｅと同じ面上にある。
【００１５】
ピストン10には、シリンダ１などに設けられたオイルジェットから噴射されたオイルが供給される。そして、噴射されたオイルは、裏面11ｂや各ピンボス13，14などに当たり、かつ付着することにより、ピストン10を冷却すると共に、オイル溝16，17を通じて各ピンボス13，14とピストンピン５との摺動部を供給され、また小端部４ａに設けられた油孔４ｃからピストンピン５と小端部４ａとの摺動部に供給されて、それら摺動部を潤滑する。
【００１６】
次にピストン10の製造方法について説明する。
図４〜図６を参照すると、鋳型Ｄは、分割面Ｄａにより分割される固定金型40と可動金型50とからなる主型と、該主型に着脱可能に取り付けられる中子としての置き中子60とから構成される。固定金型40、可動金型50および置き中子60により形成されるキャビティＣに溶融したアルミニウム合金の溶湯が湯口（図示されず）を通じて注入されて、図７，図８に示されるように、ピストンヘッド11、ピストンスカート12、各ピンボス13，14、各側壁21，22および各連結壁23，24がダイカストにより一体成形されたピストン素材10１が成形される。
【００１７】
併せて図１，図２を参照すると、可動金型50は、ピン軸方向で、第１側壁21および第１ピンボス13と、第２側壁22および第２ピンボス14とに挟まれた内側空間31を形成する内側型部51と、ピン軸方向で内側空間31を挟む第１，第２外側空間32，33を形成する外側型部52，53とを有する。内側型部51は、直交方向で、置き中子60を境として、第１，第２端部型部51ａ，51ｂおよび中央型部51ｃからなり、それぞれ、直交方向に第１，第２連結壁23，24により仕切られた第１，第２端部空間31ａ，31ｂおよび中央空間31ｃを成形する。中央空間31ｃには、ピストンピン５およびコンロッド４（図３参照）が配置される。
第１，第２端部空間31ａ，31ｂおよび中央空間31ｃは、上下方向で裏面11ｂ寄りの部分である奥部において、空間部25，26により連通状態にある（図２参照）。
【００１８】
各連結壁23，24の上端部23ａ，24ａおよび各空間部25，26を形成する置き中子60は、空間部25，26と同数である２つの置き中子60から構成される。可動金型50に嵌合構造により着脱可能に取り付けられる各置き中子60は、１対の中子半体60ａ，60ｂから構成される。第１中子半体60ａには、各端部型部51ａ，51ｂの溝51ｅに嵌合する突条60ｅが設けられ、第２中子半体60ｂには、中央型部51ｃの２つの溝51ｆに嵌合する突条60ｆが設けられる。軸線方向に平行に直線状に形成された溝51ｅ，51ｆおよび突条60ｅ，60ｆから構成される前記嵌合構造により、置き中子60が可動金型50に位置決めされる。
【００１９】
それゆえ、キャビティＣ内への溶湯の注入が終了して、溶融したアルミニウム合金が冷えて固化してピストン素材10１（図７，図８参照）が成形された後に、先ず可動金型50が軸線方向に平行に引き抜かれる。次いで、中子半体60ａを直交方向でピストン軸線Ｌ１から遠ざかる方向に移動して各連結壁23，24から離し、また中子半体60ｂを直交方向でピストン軸線Ｌ１に近づく方向に移動して各連結壁23，24から離した後、各中子半体60ａ，60ｂが前記ピストン素材10１から軸線方向に引き抜かれる。次いで、固定金型40から前記ピストン素材10１（図７，図８参照）が取り出される。
【００２０】
その後、該ピストン素材10１に、ピン孔13ａ，14ａや溝11ｍ，11ｎ，15，16，17などを形成するための機械加工が施され、さらに仕上げ加工が施されて、図１〜図３に示されるピストン10が完成する。
【００２１】
次に、前述のように構成された実施形態の作用および効果について説明する。
ピストン10が、直交方向で第１，第２ピンボス13，14を挟む位置に、いずれも第１，第２側壁21，22を連結する第１，第２連結壁23，24を有することから、直交方向で両ピンボス13，14の両側で第１，第２側壁21，22を連結する第１，第２連結壁23，24により、ピストン10において、直交軸線回りの曲げ剛性が増加するので、爆発荷重により第１，第２ピンボス13，14および第１，第２側壁21，22が直交方向で広がるようなピストン10の変形が抑制される。しかも、各連結壁23，24は第１，第２側壁21，22を部分的に連結するだけであるので、各連結壁23，24を設けたことによるピストン10の重量増加が抑制される。
【００２２】
各連結壁23，24とピストンヘッド11の裏面11ｂとの間に空間部25，26が形成されていることにより、空間部25，26が形成される分、連結壁がピストンヘッド11にも連結される場合に比べて、ピストン10が軽量化される。しかも、空間部25，26により、オイルが、ピストンヘッド11の裏面11ｂを含むピストン10の裏面に付着し易くなってオイルによる冷却効果が向上し、ピストン10の冷却性が向上する。
【００２３】
ピストンヘッド11、ピストンスカート12、各ピンボス13，14、各側壁21，22および各連結壁23，24はダイカストにより一体成形され、空間部25，26は置き中子60を利用した鋳抜き孔により構成されることにより、空間部25，26がピストン10の鋳造時に形成されることから、空間部25，26を形成する機械加工が不要となるので、第１，第２側壁21，22を連結する各連結壁23，24とピストンヘッド11との間に空間部25，26が形成されたピストン10の製造コストが削減される。
【００２４】
各連結壁23，24は、各側壁21，22の下端部21ｃ，22ｃに連結されるので、各連結壁23，24の小型化によりピストン10の重量増加を一層抑制しながら、ピストン10の曲げ剛性を増加させることができる。
【００２５】
以下、前述した実施形態の一部の構成を変更した実施形態について、変更した構成に関して説明する。
図９，図１０に示されるように、置き中子が使用されることなく、ピストン10を成形するためにキャビティＣを形成する鋳型Ｄ１が固定金型40と可動金型70のみにより構成されてもよい。
併せて図２，３を参照すると、可動金型70は、内側空間31を形成する内側型部71と、第１，第２外側空間32，33を形成する第１，第２外側型部72，73とから構成される。
内側型部71は、直交方向に配列される第１〜第７型部71ａ〜71ｇにより構成される。第１，第２型部71ａ，71ｂにより第１端部空間31ａが形成され、第６，第７型部71ｆ，71ｇにより第２端部空間31ｂが形成され、第３〜第５型部71ｃ，71ｄ，71ｅにより中央空間31ｃが形成される。また、第１連結壁23および空間部25は第２，第３型部71ｂ，71ｃにより形成され、第２連結壁24および空間部26は第５，第６型部71ｅ，71ｆにより形成される。
そして、型開きは次のようにして行われる。先ず、第１，第２外側型部72，73および第１，第４，第７型部71ａ，71ｄ，71ｇが軸線方向に平行に引き抜かれる。次いで、第２，第３型部71ｂ，71ｃが第１連結壁23から離れるように直交方向に移動させられ、かつ第５，第６型部71ｅ，71ｆが第２連結壁24から離れるように直交方向に移動させられた後、第２，第３，第５，第６型部71ｂ，71ｃ，71ｅ，71ｆが軸線方向に平行に引き抜かれる。
この鋳型Ｄ１によれば、各連結壁23，24および空間部25，26が可動金型70により形成されるので、中子が使用される場合に比べて鋳型Ｄ１の構造が簡単化され、型開きも容易になるので、ピストン10の製造コストの削減に寄与する。
【００２６】
ピストンヘッド11と各連結壁23，24との間に空間部25，26が形成されることなく、各連結壁23，24の上端部23ａ，24ａが裏面11ｂに連結されていてもよい。また、第１，第２連結壁23，24のそれぞれは、直交方向に間隔をおいて配置される複数の連結壁により構成されてもよい。
前記連結部を構成する各連結壁23，24は、上下方向に平たい壁により形成されてもよく、また前記連結部は、柱状または棒状に形成されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明が適用された内燃機関用ピストンの下平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】図１のピストンを成形するための鋳型の、図２に相当する断面での断面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】図４の鋳型の可動金型の部分斜視図である。
【図７】図４の鋳型で成形されたピストン素材の斜視図である。
【図８】図７のピストン素材が、図２に相当する断面で切断されたときの斜視図である。
【図９】図１のピストンを成形するための別の鋳型を示し、図４に対応する断面図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ線断面図である。
【図１１】従来技術のピストンの断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
10…ピストン、13，14…ピンボス、21，22…側壁、23，24…連結壁、25，26…空間部、40，50，70…金型、60…置き中子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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