(57)【要約】【課題】低コストで良好な密着性を確保するに好適な内燃機関のピストンピンの製造方法及び製造装置を提供する。【解決手段】薄肉の金属筒１の内周に、多層の繊維部材を熱硬化性樹脂で相互に接着して結合することにより形成した繊維強化合成樹脂の筒状体２を前記熱硬化性樹脂が完全硬化させる前に挿入し、次いで、前記筒状体２の貫通穴内に耐熱性のある材料で形成した弾性体５を挿入し、前記弾性体５を軸方向両側若しくはいずれか一方から圧縮することによりその外径を拡径させて前記筒状体２を内側から拡径させて、筒状体２の外周を金属筒１に内側から圧接させ、前記筒状体２が内周に圧接された金属筒１を加熱炉１０に入れて外周側から加熱してその熱硬化性樹脂を加熱硬化させて、筒状体２を金属筒１に一体的に接着するようにした。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄肉の金属筒の内周に、多層の繊維部材を熱硬化性樹脂で相互に接着して結合することにより形成した繊維強化合成樹脂の筒状体を前記熱硬化性樹脂が完全硬化させる前に挿入し、
次いで、前記筒状体の貫通穴内に耐熱性のある材料で形成した弾性体を挿入し、前記弾性体を軸方向両側若しくはいずれか一方から圧縮することによりその外径を拡径させて前記筒状体を内側から拡径させて、筒状体の外周を金属筒に内側から圧接させ、
前記筒状体が内周に圧接された金属筒を加熱炉に入れて外周側から加熱してその熱硬化性樹脂を加熱硬化させて、筒状体を金属筒に一体的に接着することを特徴とする内燃機関のピストンピンの製造方法。
【請求項２】
前記弾性体は、その軸方向中央部の外径が両端部の外径より予め大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストンピンの製造方法。
【請求項３】
前記筒状体は、その貫通穴に挿入した弾性体の拡径作動時に、金属筒の両端に当接させて配置したガイドにより、軸方向外側へのはみ出しが抑制されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関のピストンピンの製造方法。
【請求項４】
前記弾性体は、円柱状若しくはそれに近似した中実体で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の内燃機関のピストンピンの製造方法。
【請求項５】
薄肉の金属筒の内周に、多層の繊維部材を熱硬化性樹脂で相互に接着して結合することにより形成した繊維強化合成樹脂の筒状体を前記熱硬化性樹脂が完全硬化させる前に挿入し、前記筒状体を内側から拡径させて、筒状体の外周を金属筒に内側から圧接させ、前記筒状体が内周に圧接された金属筒を加熱炉に入れて外周側から加熱してその熱硬化性樹脂を加熱硬化させて、筒状体を金属筒に一体的に接着する内燃機関のピストンピンの製造に使用される製造装置であり、
前記金属筒に挿入された筒状体の貫通穴内に挿入する耐熱性のある材料で形成した弾性体と、
前記弾性体を軸方向両側若しくはいずれか一方から圧縮することによりその外径を拡径させて前記筒状体を内側から拡径させて、筒状体の外周を金属筒に内側から圧接させる軸方向圧縮手段と、
前記弾性体の軸方向圧縮手段の圧縮状態を保持する保持手段と、から構成され、これらを順次金属筒および筒状体に組付けて加熱炉に挿入することを特徴とする内燃機関のピストンピンの製造装置。
【請求項６】
前記弾性体は、その軸方向中央部の外径が両端部の外径より予め大きく設定されていることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関のピストンピンの製造装置。
【請求項７】
前記金属筒の両端に当接して、筒状体の貫通穴に挿入した弾性体の拡径作動時に、筒状体の軸方向外側へのはみ出しを抑制するガイドを備えることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の内燃機関のピストンピンの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のピストンピンの製造方法及び製造装置に関し、特に、金属筒の内部に炭素繊維強化プラスチックの筒状体を嵌合させるに好適な内燃機関のピストンピンの製造方法及び製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から内燃機関の往復動部分を軽量化するため、ピストンピンのような筒状の製品に対して鋼管の肉厚を減らし、剛性補強のために炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）の筒状体を内挿することが提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
これは、薄肉の金属筒の内周に、多層の繊維部材を熱硬化性樹脂で相互に接着して結合することにより形成する繊維強化合成樹脂の筒状体を前記熱硬化性樹脂を完全硬化させる前に挿入し、この筒状体を挿入した金属筒を加熱炉に入れた状態で筒状体の外周を金属筒に内側から圧接しつつ熱硬化性樹脂を外周側から加熱硬化させて、筒状体を金属筒に一体的に接着するようにしている。
【０００４】
そして、筒状体の外周を金属筒に内側から圧接させ密着させる方法として、筒状体を挿入した金属筒の両端を閉塞して内部に加圧流体を供給し、筒状体の内側 から押圧する方法や金属筒に挿入した筒状体の内部から、一対の割型部材とくさびからなる機械的拡張手段により筒状体の内側から加圧する方法が紹介されている。
【特許文献１】特公昭６２−３２３４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来例で紹介されている方法では、下記に記載するように、設備や治具コストが高価なものとなったり、成形段取りに時間がかかる等の課題があった。
【０００６】
即ち、筒状体を挿入した金属筒の両端を閉塞して内部に加圧流体を供給し、筒状体の内側 から押圧する方法では、加熱炉内においても筒状体の内側へ加圧流体を供給する機構・装置を必要とし、成形段取り作業においてもセッティングに時間がかかるものであった。また、金属筒に挿入した筒状体の内部から、一対の割型部材とくさびからなる機械的拡張手段により筒状体の内側から加圧する方法では、筒状体の端部と中央部との押圧力にばらつきが発生して良好な密着性が得られない場合がある。
【０００７】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、低コストで良好な密着性を確保するに好適な内燃機関のピストンピンの製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、薄肉の金属筒の内周に、多層の繊維部材を熱硬化性樹脂で相互に接着して結合することにより形成した繊維強化合成樹脂の筒状体を前記熱硬化性樹脂が完全硬化させる前に挿入し、次いで、前記筒状体の貫通穴内に耐熱性のある材料で形成した弾性体を挿入し、前記弾性体を軸方向両側若しくはいずれか一方から圧縮することによりその外径を拡径させて前記筒状体を内側から拡径させて、筒状体の外周を金属筒に内側から圧接させ、前記筒状体が内周に圧接された金属筒を加熱炉に入れて外周側から加熱してその熱硬化性樹脂を加熱硬化させて、筒状体を金属筒に一体的に接着するようにした。
【発明の効果】
【０００９】
したがって、本発明では、低コストで準備が可能な、例えば、シリコンゴム等の耐熱性のある弾性体の軸方向からの圧縮により筒状体を内側から拡径させるため、ピストンピン中間製品に個々に装着して筒状体の外周を金属筒に内側から圧接させることができ、その状態のピストンピン中間製品の複数個をロット毎、若しくは、連続的に加熱炉に投入することができる。また、軸方向からの圧縮を解除すると弾性体は拡径状態から復帰するため、完成したピストンピンより容易に離脱させることができ、その後に製造するピストンピン中間製品に再利用できる。従って、繊維強化樹脂よりなる筒状体を内側に密着させて一体に備えるピストンピンを、低コストで効率的に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の内燃機関のピストンピンの製造方法及び製造装置を一実施形態に基づいて説明する。図１〜図６は、本発明を適用した内燃機関のピストンピンの製造方法及び製造装置の第１実施形態を示し、図１は本発明の製造方法により製造されるピストンピンの縦断面図、図２はピストンピンの中間製品の製造工程を示す工程図、図３〜図６は図２に続く製造工程を示す各工程図である。
【００１１】
まず、本発明によって製造されるピストンピンは、図１に示すように、比較的薄肉の金属筒１と、その内周に固着されるガラス繊維又は炭素織維層あるいは、炭素繊維とガラス繊維、ボロン繊維等とを交互に重ね熱硬化性樹脂を結合樹脂として相互に結合して円筒状に形成した繊維強化合成樹脂の筒状体２とから構成される。金属筒１の外周面には耐摩耗性を高めるように表面処理が施される。
【００１２】
繊維強化合成樹脂の筒状体２は、図２に示すように、一方向のみの方向性を与えないように、軸方向に繊維を配列するもの、軸方向にある角度をもって交差するもの、円周方向に配列するもの等を順次積層し（Ａ）、かつこれら互いの層間をエポキシ樹指、ポリイミド、ポリエステル等の熱硬化性樹脂を結合〈バインダ）樹脂としてシート状に成形し（Ｂ）、このシート状部材を図示しない円柱状部材に巻付けて筒状に形成して（Ｃ）半硬化状態に乾燥させて形成する。そして、この半硬化状態の筒状体２は、図示しない別工程（Ｄ）で形成したピストンピンの外周側を構成する金属筒１に挿入し（Ｅ）、後述するピストンピンの加熱処理過程にて硬化及び結合されることになる。
【００１３】
この織維強化合成樹脂の筒状体２と金属筒１の接着は、詳しくは後述するが、前記した熱硬化性樹脂からなる結合樹脂を硬化させる前に筒状体２を金属筒１に挿入した後、これを加熱炉に収容した状態で筒状体２の内側から加圧しつつ金属筒１の外側から熱を加えて結合樹脂を硬化させることにより行う。
【００１４】
炭素繊維強化合成樹脂は、鉄に比較して単位重量当りの機械的強度が約１０倍と極めて大きく、しかも耐疲労強度が約１．６倍で、さらに線膨張も非常に小さく寸法の安定性が良い。また振動に対する減衰特性が高いので、ピストンピンのように常に振動する部材には最適である。
【００１５】
このようにして、ピストンピンに要求される大きな機械的強度並びに耐疲労強度については、この繊維強化合成樹脂の筒状体２で受けもち、コンロッドとの接触面には耐摩耗性が大きくしかも寸法精度の高い金属筒１と対応させるので、全てを金属で形成する従来のピストンピンに比較して１／２−１／３の重量で、同等の強度を保つことが可能となる。
【００１６】
この場合、筒状体２と金属筒１との接着強度を高めることが、両素材のもつ機械的な強度をそれぞれ十分に発揮させるための条件となるが、そのために、本実施形態では次ぎのようにしてこのピストンピンを製造する。
【００１７】
すなわち、本実施形態の製造方法においては、図３（Ａ）に示す金属筒１内に筒状体２を挿入した状態において、筒状体２の貫通穴の内面および両端面に離型剤（剥離剤）を塗布し、次いで、図３（Ｂ）に示すように、筒状体２の穴内を貫通させて耐熱性のある円柱状の弾性体５を挿入する。
【００１８】
前記弾性体５は、例えば、シリコンゴム等の耐熱性のある素材で形成され、その外径は、前記筒状体２の内径に隙間を持って嵌り込む程度の外径を備え、その両端部が筒状体２の両側面から所定長さだけ突出する長さ寸法に設定されている。また、弾性体５の体積は、前記筒状体２を内周側から外周の金属筒１の内面に密着するよう拡張させた際の筒状体２の貫通穴の容積と同等となる体積を備える。これは、筒状体２から突出した両端部が軸方向の両側から圧縮してその長さ寸法を筒状体２の寸法まで縮小させた時に、その外径への拡径により筒状体２を外周側に拡径させて筒状体２の外周部を金属筒１の内面に密着させるためである。
【００１９】
次いで、図３（Ｃ）に示すように、筒状体２の両側から突出している弾性体５の両端部外周にそれぞれの貫通穴を嵌合させ、その側面を金属筒１および筒状体２の両側面に当接させてガイド６を装着する。前記ガイド６の外周形状は、円形（若しくは四角形）に形成されている。
【００２０】
次に、図４に示すように、図３（Ｃ）でアセンブリされた組立体を、ガイド６の外周形状の一部（約半周部分）に沿う断面形状に形成した案内溝７Ａを備える案内治具７の案内溝に両ガイド６を挿入する。次いで、案内治具７の案内溝７Ａ内を摺動可能に配置した一対の押込み治具８を互いに接近させて、その先端に配置した押込み突起８Ａの先端を組立体より突出している弾性体５の端部に当接させ、さらに接近方向に押圧することにより、弾性体５を軸方向に圧縮する。弾性体５は軸方向に圧縮されるにつれて軸方向寸法が縮小され且つ外径寸法が拡大される。弾性体５は圧縮されるにつれて外形寸法が拡大され、筒状体２の貫通穴の内面に接触し、筒状体２を拡径させてゆく。
【００２１】
そして、押込み治具８の押込み突起８Ａをガイド６の貫通穴に嵌り込ませてその根本の押込み治具８（軸方向圧縮手段）の側面をガイド６の側面に当接するまで弾性体５を圧縮すると、弾性体５による筒状体２に対する半径方向外周側への拡径により、筒状体２の外周面を金属筒１の内面に密着させる。同時に、両ガイド６の側面が金属筒１の側面に当接されるため、弾性体５により半径方向に圧縮される筒状体２の金属筒１の側面側から膨らみ出ることを防止する。
【００２２】
この状態において、両押込み治具８の外側からクランプ９を係合させて案内治具より取出し、図５に示すように、クランプ９（保持手段）で圧縮保持され、押込み治具８・ガイド６で圧縮された弾性体５で密着された状態の金属筒１・筒状体２のピストンピン組立体を得ることができる。前記弾性体５、押込み治具８、ガイド６、クランプ９は、前記ピストンピン組立体の加熱炉での保持具を構成する。
【００２３】
次いで、図６に示すように、クランプ９で圧縮保持され、押込み治具８・ガイド６で圧縮された弾性体５で密着された状態の金属筒１・筒状体２のピストンピン組立体を加熱炉１０に挿入して約１５０℃−２００℃に加熱する。クランプ９で圧縮保持され、押込み治具８・ガイド６で圧縮された弾性体５で密着された状態の金属筒１・筒状体２のピストンピン組立体は、図示するように、一個ずつ加熱処理することもできるが、複数のピストンピン組立体を前記した工程により作成し、複数のピストンピン組立体を、同時に加熱炉１０に挿入して同時に加熱、若しくは、順次加熱炉１０に投入して連続的に加熱することが効率的で望ましい。
【００２４】
このようにして、未硬化状態の筒状体２を内側から加圧して金属筒１の内面に良く密着させた状態で、外側つまり前記密着面側から加熱硬化させるので筒状体２と金属筒１とは互いに強固に接着され、ピストンピンとして十分な強度が得られる。なお、加熱炉１０として高周波加熱機構を備えるものを利用すると、短時間で効率よく加熱できる。
【００２５】
加熱を終えて加熱炉１０から取出されたピストンピン組立体は、繊維強化合成樹脂の筒状体２の外周が金属筒１に内側から圧接して加熱硬化されて金属筒１に一体的に接着された状態となっている。次いで、一体となっているピストンピン組立体からクランプ９を緩めると、弾性体５の弾性により押込み治具８が軸方向に押戻され、クランプ９を完全に緩めることにより、クランプ９および押込み治具８をピストンピンから取外すことができる。また、弾性体５およびガイド６は、予め筒状体２の貫通穴内面および両端面に離型剤が塗布されているため、ピストンピンから容易に離脱させることができる。
【００２６】
得られたピストンピンは、熱硬化性樹脂を加熱硬化させつつ繊維強化合成樹脂の筒状体２の外周を、金属筒１に内側から圧接し、筒状体２を金属筒１に一体的に接着され、両者の接着強度が非常に強く、互いに素材のもつ特性が相乗的に助長され、この結果、金属性のピストンピンに比べて、１／２〜１／３の重量で同等の機械的強度を保持し、しかも耐久性にすぐれた非常に軽量なピストンピンとすることができ、しかも効率よく製造することができる。
【００２７】
上記実施形態においては、弾性体５として、円柱状の形状を備えるものについて説明したが、図７に示すように、弾性体５の軸方向中央部の外径Ｄ１を両端部の外径Ｄ２より予め大きく設定するようにしてもよい。弾性体５は、両端部より圧縮荷重を加えて拡径させる際に、荷重点より最も遠い中央部の拡径が左右部分より遅れるが、予め中央部分の外径を大きくしておくことにより、筒状体２内で中央部分を左右部分の拡径と歩調を合わせて拡径させることができ、筒状体２に対する半径方向の部分的な圧力ばらつきを容易に改善できる特徴を備える。
【００２８】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００２９】
（ア）薄肉の金属筒１の内周に、多層の繊維部材を熱硬化性樹脂で相互に接着して結合することにより形成した繊維強化合成樹脂の筒状体２を前記熱硬化性樹脂が完全硬化させる前に挿入し、次いで、前記筒状体２の貫通穴内に耐熱性のある材料で形成した弾性体５を挿入し、前記弾性体５を軸方向両側若しくはいずれか一方から圧縮することによりその外径を拡径させて前記筒状体２を内側から拡径させて、筒状体２の外周を金属筒１に内側から圧接させ、前記筒状体２が内周に圧接された金属筒１を加熱炉１０に入れて外周側から加熱してその熱硬化性樹脂を加熱硬化させて、筒状体２を金属筒１に一体的に接着するようにした。即ち、低コストで準備が可能な、例えば、シリコンゴム等の耐熱性のある弾性体５の軸方向からの圧縮により筒状体２を内側から拡径させるため、ピストンピン中間製品に個々に装着して筒状体２の外周を金属筒１に内側から圧接させることができ、その状態のピストンピン中間製品の複数個をロット毎、若しくは、連続的に加熱炉１０に投入することができる。また、軸方向からの圧縮を解除すると弾性体５は拡径状態から復帰するため、完成したピストンピンより容易に離脱させることができ、その後に製造するピストンピン中間製品に再利用できる。従って、繊維強化樹脂よりなる筒状体２を内側に密着させて一体に備えるピストンピンを、低コストで効率的に製造することができる。
【００３０】
（イ）弾性体５として、その軸方向中央部の外径が両端部の外径より予め大きく設定されていることにより、筒状体２内で中央部分を左右部分の拡径と歩調を合わせて拡径させることができ、筒状体２に対する半径方向の部分的な圧力ばらつきを容易に改善できる。
【００３１】
（ウ）筒状体２は、その貫通穴に挿入した弾性体５の拡径作動時に、金属筒１の両端に当接させて配置したガイド６により、軸方向外側へのはみ出しが抑制されることにより、その外周を確実に金属筒１の内面に密着させることができる。
【００３２】
（エ）金属筒１に挿入された筒状体２の貫通穴内に挿入する耐熱性のある材料で形成した弾性体５と、前記弾性体５を軸方向両側若しくはいずれか一方から圧縮することによりその外径を拡径させて前記筒状体２を内側から拡径させて、筒状体２の外周を金属筒１に内側から圧接させる軸方向圧縮手段（押込み治具８）と、前記弾性体５の軸方向圧縮手段の圧縮状態を保持する保持手段（クランプ９）と、から保持具を構成し、これらを順次金属筒１および筒状体２に組付けて加熱炉１０に挿入することにより、ピストンピン中間製品への保持具のセッティングも容易で短時間に装着でき、加熱炉１０に投入可能な保持具の数量に限界がなく、ピストンピン中間製品の複数個をロット毎、若しくは、連続的に加熱炉１０に投入することができ、加熱炉１０の処理能力に応じた適切な数量のピストンピンを製造できる。従って、繊維強化樹脂よりなる筒状体２を内側に密着させて一体に備えるピストンピンを、低コストで効率的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の製造方法により製造されるピストンピンの縦断面図。
【図２】ピストンピンの中間製品の製造工程を示す工程図。
【図３】図２に続く製造工程（Ａ）〜（Ｃ）を示す各工程図。
【図４】図３に続く保持具の装着工程を示す説明図。
【図５】ピストンピン中間製品に保持具を装着した状態を示す説明図。
【図６】加熱炉での加熱工程を説明する説明図。
【図７】保持具の弾性体の第２実施例を示す説明図。
【符号の説明】
【００３４】
１  金属筒
２  筒状体
５  弾性体
６  ガイド
７  案内治具
８  押込み治具
９  クランプ
１０  加熱炉
【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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