JP2988372B2 - 内燃機関用ピストンの試験装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関に使用さ
れるピストンの試験装置に関し、実際の内燃機関の駆動
時に近い条件下でピストンの金属疲労を確認する内燃機
関用ピストンの試験装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の駆動時には、燃焼による燃焼
ガス圧力とピストンの往復運動による慣性力とがピスト
ンに作用する。これらの力は、特にピストンピンやピス
トンピンを支持するピンボス部に応力集中し、ピストン
ピンやピンボス部に曲げやせん断力を発生させる。これ
らの力を受けるピストンは、一般的に高温強度があり、
耐摩耗性に優れたアルミニウム合金で鋳造される場合が
多い。しかし、アルミニウム鋳物のピストンは、製造時
の冷却過程等の影響によって、各ピストン毎に少なから
ず強度のバラツキが発生し、各ピストンの強度を均一化
することが困難である。強度のバラツキとは、例えば、
同様に鋳造した複数のアルミニウム鋳物のピストンに対
して、同一条件下で同じ外力をそれぞれ加えた場合、こ
れらのピストンの中には、クラックが発生するピストン
もあれば、クラックが発生しないピストンもあるという
ことである。

【０００３】しかしながら、ピストンの強度にバラツキ
が発生しても、ピストンが内燃機関に組み込まれた場合
には、ピストン、特にピンボス部が燃焼ガス圧力及び慣
性力の力に耐える必要がある。したがって、ピンボス部
が十分な強度と剛性を持つように考慮するとともに、ピ
ストンの強度のバラツキを考慮してピストンの設計強度
を予め高く設定してピストンの設計を行わなければなら
ない。このときの設計強度をピストンの下限疲労強度と
呼び、この下限疲労強度の設定が正しいかどうかを確認
するために、実際の内燃機関の駆動時に近い条件下で、
複数のピストンの金属疲労、特にピンボス部に関する耐
久性の試験を行う。この試験をピストン高温疲労試験と
いう。ピストン高温疲労試験を行うためには、実際の内
燃機関の駆動時に近い条件下で試験を行わなければなら
ない、すなわち、次のことがらを満足した状態で試験を
行わなければならない。

【０００４】１．ピストンの頂面に燃焼圧相当の負荷
を、ピストンの下面に慣性力相当の負荷をそれぞれ加え
ること。 ２．ピストンが内燃機関に組み込まれているときには、
ピストンピンとピンボス部との間には油膜が介在してい
る。この間に油膜が介在していないと、ピンボス部に作
用する応力分布が内燃機関の駆動状態と異なるので、ピ
ストンピンとピンボス部との間に油膜を介在すること。 ３．内燃機関が駆動している状態では、ピストンは高温
（約２００度）となる。アルミニウム合金は温度によっ
て疲労強度が変化するので、ピンボス部の温度を内燃機
関が駆動している状態の温度と略同様にすること。 以上のことを満足した状態で、ピストンの高温疲労試験
が行われる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
試験装置では、一回の試験につきピストンを一個しか試
験することができないという問題点がある。したがっ
て、複数個のピストンを試験するためには、一つ目のピ
ストンの試験が終了した後、二つ目のピストンの試験を
行い、次々とピストンの試験を行わなければならなかっ
た。このような試験は、ピストンの耐久性を試験するも
のであるので、ピストン一個につき長時間を有する。ピ
ストンを一個試験するだけで長時間を必要とするので、
複数個試験するとさらに長時間必要となり、試験結果を
短時間で得ることは困難である。例えば、ピストンを一
個試験するために略１００時間必要であるすると、ピス
トンを五個試験する場合には略５００時間も必要となる
ので、試験時間の短縮が望まれている。

【０００６】また、毎回、同一条件下で試験を行わなけ
ればならないが、高温状態下で試験を行うので、ピスト
ンに負荷を作用させるための油の周波数応答性が不安定
になるおそれがあり、毎回、同一条件の試験状態を再現
することが困難であるという問題点がある。毎回、同一
条件の試験状態を再現できなくなると、試験状態による
バラツキが試験結果に影響を及ぼし、ピストンの高温疲
労強度の正確な確認が困難になる。

【０００７】よって、本発明の目的は、ピストンの高温
疲労強度を正確に測定できる装置を提供するとともに、
前述の問題点を解決し、試験時間を短縮でき、かつ、同
一条件下の元で複数のピストンの試験を行うことができ
る内燃機関用ピストンの試験装置を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、内燃
機関に使用されるピストンの疲労強度を確認するための
装置であって、ピストンを内部に挿嵌し該ピストンの上
部側及び下部側に第１及び第２の油室を有する複数の試
験体と、ピストンを試験体の内部に支持する支持部材
と、各第１の油室にそれぞれ連通し、各経路長さが互い
に略等しい第１の圧油供給路と、各第２の油室にそれぞ
れ連通する第２の圧油供給路と、常時略一定圧力の圧油
を各第２の圧油供給路を介して各第２の油室にそれぞれ
供給するとともに、この圧油よりも高圧力の圧油を各第
１の圧油供給路を介して所定のサイクルで各第１の油室
にそれぞれ供給する圧油供給源とを備えた構成である。

【０００９】請求項２の発明は、請求項１記載の内燃機
関用ピストンの試験装置において、各試験体を共に格納
するとともに、各試験体の温度を内燃機関の駆動時にお
けるピストン温度相当の温度に維持する恒温槽を具備し
た構成である。

【００１０】請求項３の発明は、請求項１または２記載
の内燃機関用ピストンの試験装置において、第１の油室
に供給される圧油を、内燃機関の駆動時における燃焼圧
相当の圧力とし、第２の油室に供給される圧油を、内燃
機関の駆動時にピストンに作用する慣性力相当の圧力と
して構成である。

【００１１】請求項４の発明は、請求項１，２または３
記載の内燃機関用ピストンの試験装置において、各試験
体を一つの円の円周上にそれぞれ配置するとともに、各
第１の圧油供給路の圧油供給側端部を円の中心で互いに
連結した構成である。

【００１２】

【実施例】まず、内燃機関に用いられるピストンの高温
疲労試験を行う試験装置の概略を図１を用いて説明す
る。同図において、試験装置は、試験されるピストン５
０が挿嵌され、このピストン５０の上部側及び下部側に
それぞれ形成される第１及び第２の油室５１，５２を有
するシリンダ５３と、ピストン５０をシリンダ内部に支
持する支持部材５４と、第１及び第２の油室５１，５２
にそれぞれ連通する第１及び第２の圧油供給路５５，５
６と、圧油を第１及び第２の油室５１，５２にそれぞれ
供給する第１及び第２の圧油供給源５７，５８と、シリ
ンダ５３を格納するとともに、シリンダ５３の温度を内
燃機関の駆動時における内燃機関のピストン温度相当の
温度に維持する恒温槽５９とから主に構成されている。

【００１３】そして、試験装置によれば、第２の圧油供
給源５８により慣性力相当の圧油を第２の油室５２に供
給し、第１の圧油供給源５７により燃焼圧相当の圧油を
所定の周波数で第１の油室５１に供給して、ピストン５
０に負荷を与えてピストン５０の高温疲労強度を確認す
る。

【００１４】以下、本発明の一実施例を図面を参照して
説明する。図１に内燃機関に用いられるピストンの高温
疲労試験を行う試験装置の概略構成図を示す。同図にお
いて、符号１は試験装置を示す。この試験装置１は、高
温疲労を試験される複数のピストン１６（図３参照）を
格納する試験治具２と、内燃機関の駆動時における燃焼
圧相当の圧油を試験治具２に供給する増圧装置３と、増
圧装置３による試験治具２への圧力を制御する圧力制御
装置４と、増圧装置３に圧油を供給する第１の油圧ポン
プ５と、内燃機関の駆動時にピストンに作用する慣性力
相当の圧油を試験治具２に供給する第２の油圧ポンプ６
と、試験治具２の温度を内燃機関の駆動時における内燃
機関のピストン温度相当の温度に維持する恒温槽７と、
恒温槽７内の温度を制御する温度制御装置８と、停電が
発生した場合でも各装置への電力供給する無停電電源装
置９とから主に構成されている。増圧装置３、第１の油
圧ポンプ５及び第２の油圧ポンプ６によって圧油供給源
が構成されている。試験治具２と増圧装置３とは、圧油
供給路１０によって互いに接続されている。試験治具２
と第２の油圧ポンプ６とは、圧油供給路１１によって互
いに接続されている。増圧装置３と第１の油圧ポンプ５
は、圧油供給路１２によって互いに接続されている。

【００１５】図２，３に示すように、試験治具２は、高
温疲労強度を試験されるピストン１６を格納する５つの
試験体２０と、これらの試験体２０がそれぞれ載置され
る試験体取付けマニホールド２１とから構成されてい
る。なお、図３において、試験体２０を一つだけ図示
し、他の試験体２０の図示を省略する。各試験体２０は
それぞれ同様の構造であるので、一つの試験体２０につ
いて説明する。試験体２０は、ピストン１６がそれぞれ
挿嵌される円筒形状のシリンダ２２と、このシリンダ２
２の前後にボルトによって一体的にそれぞれ固定される
前後プレート２３，２４と、ピストン１６を後プレート
２４に支持する支持部材２５とからなる。試験体２０の
内部には、シリンダ２２の内面とピストン１６の上面と
前プレート２３の内面とで囲われる第１の油室２６と、
シリンダ２２の内面とピストン１６の下面と後プレート
２４の内面とで囲われる第２の油室２７とが形成されて
いる。前後プレート２３，２４の内部には、第１の油室
２６及び第２の油室２７に連通する油路２３ａ，２４ａ
がそれぞれ形成されている。

【００１６】ピストン１６は、内燃機関に用いられるピ
ストンと同様のものが用いられている。すなわち、ピス
トン１６の周部には、二つのコンプレッションリング１
６ａ及びオイルリング１６ｂがそれぞれ配設され、ピス
トン１６の内部には、ピストンピン１７が挿嵌されるピ
ンボス部１６ｃが形成されている。ピストンピン１７に
は、コネクティングロッドに相当する支持部材２５の一
端が支持されている。支持部材２５の一端は、シリンダ
２２の軸線に対して略４度傾いている。支持部材２５の
他端には、ネジ部２５ａが形成されており、この他端は
ナット２８によって後プレート２４に締結されている。
従来の技術の欄でも説明したように、ピストン１６に
は、燃焼による燃焼ガス圧力とピストン１６の往復運動
による慣性力とが作用する。これらの力のうち燃焼ガス
圧力は強大であり、この圧力による応力は、特にピンボ
ス部１６ｃに集中する。また、燃焼ガス圧力のピストン
１６への作用は瞬間的に行われるので、瞬間的にはピス
トン１６は固定された状態とみなすことができる。よっ
て、ピストン１６を固定した状態としても、内燃機関に
組み込まれたピストンと実質的に同一状態であるとみな
せる。この固定位置は、内燃機関に組み込まれたピスト
ンが上死点から僅かに下降した位置、すなわち、支持部
材２５の一端がシリンダ２２の軸線に対して略４度傾い
ている位置である。

【００１７】ピストン１６は、コンプレッションリング
１６ａ，１６ａの取付用及びオイルリング１６ｂの取付
用の溝を省略した形状としても良い。この場合にはピス
トン１６の周部にリング状のオイルシールを取り付け
る。このようにピストン１６を形成しても同様の試験を
行うことができる。

【００１８】試験体取付けマニホールド２１の下面に
は、圧油供給路１０，１１の各一端が継手２５，２６を
介してそれぞれ接続されている。試験体取付けマニホー
ルド２１の上面には、各試験体２０が継手２５からの距
離が略等しくなるように継手２５を中心として扇状にそ
れぞれ配設され、ボルトによってそれぞれ固定されてい
る。試験体取付けマニホールド２１の内部には、各試験
体２０の第１の油室２６及び第２の油室２７にそれぞれ
連通する第１の圧油供給路３０及び第２の圧油供給路３
１が形成されている。図３のIV−IV断面を示す図４にお
いて、各第１の圧油供給路３０は、継手２５から各試験
体２０にそれぞれ対応して放射状にそれぞれ形成されて
いる。各第１の圧油供給路３０の途中部分には、各試験
体２０の油路２３ａに連通する接続油路３０ａがそれぞ
れ設けられている。図３のＶ−Ｖ断面を示す図５におい
て、第２の圧油供給路３１は、試験体取付けマニホール
ド２１との継手２６を通る略コ字状に形成されている。
第２の圧油供給路３１の途中部分にも、各試験体２０の
油路２４ａに連通する接続油路３１ａがそれぞれ設けら
れている。各第１の圧油供給路３０の試験体取付けマニ
ホールド２１の周壁に開口する開口部及び第２の圧油供
給路３１の試験体取付けマニホールド２１の周壁に開口
する開口部は、油漏れ防止のためにそれぞれ閉塞されて
いる。

【００１９】圧油供給路１０の他端は、増圧装置３に接
続されている。増圧装置３は、注射器と同様の構成であ
り、第１の油圧ポンプ５からの圧油が注射器のピストン
を押圧する。注射器のシリンダ部分には、圧油供給路１
０に送出される圧油が貯溜されており、注射器のピスト
ンの移動に伴って送出される。よって、第１の油圧ポン
プ５内の圧油と圧油供給路１０内の圧油とは互いに遮断
された別の油であり、二つの油圧回路から構成されてい
る。注射器のピストンの動作は、圧力制御装置４からの
信号に基づいて、注射器のピストンに付属しているアク
チュエータがピストンを移動させることにより行われ、
このピストンの移動量によって圧油供給路１０内の油圧
が決定され、ピストンの移動周期によって圧油供給路１
０への油圧供給サイクル、例えば、３０Ｈｚが決定され
る。圧油供給路１１の他端は、第２の油圧ポンプ６に接
続されている。第２の油圧ポンプ６は、試験治具２に対
して圧油を常時供給する。

【００２０】ここで、この試験装置１に使用される油に
ついて説明する。試験時には、試験治具２は、恒温槽１
１内において高温となるので、試験治具２内を流れる油
も高温となる。一般的に油温が高温となると、粘度が低
下して圧力伝達の応答性が低下する。そこで、本実施例
では、試験治具２内の第１及び第２の油室２６，２７及
びこれらの油室２６，２７に連通する油供給路２３ａ，
２４ａ，３０，３１，１０，１１に、高温状態下でも粘
度等の特性が変化しにくく、かつ、難燃性を有するシリ
コン油を使用している。第１のポンプ５から増圧装置３
までの間に使用される油は、高温になることはないの
で、この油には一般的な作動油を使用している。

【００２１】次に、試験装置２の試験動作について説明
する。まず、各試験体２０を分解して、高温疲労強度を
試験される五つのピストン１６を各シリンダ２２内にそ
れぞれ格納するとともに固定する。各試験体２０をそれ
ぞれ組立て、試験体取付けマニホールド２１にそれぞれ
固定し、試験治具２を組み立てる。試験治具２を恒温槽
７に格納するとともに恒温槽７に固定する。

【００２２】試験治具２の固定完了後、温度制御装置８
によって、恒温槽７内の温度設定が行われる。内燃機関
の駆動時のピストン温度は、内燃機関の駆動時の測定デ
ータから略２００度であることが判明しており、このデ
ータに基づいて恒温槽７内の温度は略２００度に設定さ
れる。恒温槽７内の温度を略２００度まで昇温させるこ
とは、ピストン１６の温度を内燃機関の駆動時の温度と
略同じ状態に保持するためである。

【００２３】試験治具２の温度を昇温させつつ、第２の
油圧ポンプ６によって、第２の油室２７に、ピストン１
６に作用する慣性力相当、例えば、１５〜２０Ｋｇ／ｃ
ｍ²の圧油を供給する。この圧油は第２の油室２７に常
時供給される。第２の油室２７に圧油を常時供給するこ
とにより、第１の油室２６に供給する燃焼圧相当の圧油
はその分だけ高めに設定し供給する必要がある。そこ
で、増圧装置３によって、第１の油室２６に、本来なら
ば燃焼圧相当の圧油、例えば、８０Ｋｇ／ｃｍ²の圧油
を供給する場合に、慣性力相当の圧油を補正する目的
で、９５〜１００Ｋｇ／ｃｍ²の圧油を供給する。この
第１の油室２６への圧油の圧力設定を、圧力制御装置４
によって行う。このときの第１の油室２６に圧油を供給
するサイクルは３０Ｈｚであり、このサイクルで略１０
０時間連続してピストン１６に負荷を与える。略１００
時間経過後、各試験体２０をそれぞれ分解して、各試験
体２０からピストン１６をそれぞれ取り出す。これらの
ピストン１６について、ピンボス部１６ｃ等の疲労強度
を確認する。

【００２４】前述の実施例では、恒温槽７内で各試験体
２０の温度を内燃機関の駆動時のピストンの温度相当に
昇温して試験を行ったが、常温で試験を行っても良い。
常温で試験を行う場合には、油室２６，２７への圧油を
高めて、温度によるピストンの強度変化を補正する必要
がある。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、ピストンが挿嵌される試験体を複数個設けたの
で、一回の試験で複数個のピストンが同時に試験され、
試験時間を短縮することができる。また、各試験体の内
部のピストンの上部側に形成される第１の油室に連通す
る各第１の圧油供給路の長さを互いに略等しくしたの
で、試験時の各第１の圧油供給路の脈動流の発生が防止
され、安定した圧油の周波数応答性を得ることができる
とともに、各第１の油室に均一な圧油を供給することが
できる。さらに、複数個のピストンが同一条件下で試験
されるので、試験状態による試験結果のバラツキを解消
することができ、ピストンの高温疲労強度の正確な確認
を行うことができる。

【００２６】請求項２の発明によれば、各試験体を共に
格納するとともに、各試験体の温度を内燃機関の駆動時
におけるピストン温度相当の温度に維持する恒温槽を具
備したので、実際の内燃機関の駆動時に近い条件下、す
なわち、ピストンの温度が高温である状態でピストン高
温疲労試験が行われる。したがって、実際の内燃機関の
駆動時に近い条件下でピストンの高温疲労強度の確認を
行うことができる。

【００２７】請求項３の発明によれば、第１の油室に供
給される圧油を、内燃機関の駆動時における燃焼圧相当
の圧力とし、第２の油室に供給される圧油を、内燃機関
の駆動時にピストンに作用する慣性力相当の圧力とした
ので、実際の内燃機関の駆動時に近い条件下、すなわ
ち、ピストンの頂面に燃焼圧相当の負荷を、ピストンの
下面に慣性力相当の負荷をそれぞれ加えてピストンの高
温疲労試験が行われる。したがって、実際の内燃機関の
駆動時に近い条件下でピストンの高温疲労強度の確認を
行うことができる。

【００２８】請求項４の発明によれば、各試験体を一つ
の円の円周上にそれぞれ配置するとともに、各第１の圧
油供給路の圧油供給側端部を円の中心で互いに連結し、
この連結部と圧油供給源とを共通の圧油供給路で連通し
たので、圧油供給源から各試験体までの各第１の圧油供
給路の長さ及び容量が互いに略同じになり、試験時に各
第１の油室に均一な圧油を供給することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】内燃機関用ピストンの試験装置を説明するため
の装置の概略構成図である。

【図２】本発明の内燃機関用ピストンの試験装置の概略
構成図である。

【図３】図１に示す試験治具の拡大平面図である。

【図４】試験体の拡大縦断面図である。

【図５】図３のIV断面の拡大図である。

【図６】図３のＶ断面の拡大図である。

【符号の説明】

１ 試験装置 ２ 試験治具 ３ 増圧装置 ５ 第１のポンプ ６ 第２のポンプ ７ 恒温槽 １０，１１，１２ 圧油供給路 １６ ピストン ２０ 試験体 ２１ 試験体取付けマニホールド ２３ａ、２４ａ 油路 ２５ 支持部材 ２６ 第１の油室 ２７ 第２の油室 ３０ 第１の圧油供給路 ３１ 第２の圧油供給路

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関に使用されるピストンの疲労強度
   を確認するための装置であって、 上記ピストンを内部に挿嵌し該ピストンの上部側及び下
   部側に第１及び第２の油室を有する複数の試験体と、 上記ピストンを上記試験体の内部に支持する支持部材
   と、 上記各第１の油室にそれぞれ連通し、各経路長さが互い
   に略等しい第１の圧油供給路と、 上記各第２の油室にそれぞれ連通する第２の圧油供給路
   と、 常時略一定圧力の圧油を上記各第２の圧油供給路を介し
   て上記各第２の油室にそれぞれ供給するとともに、この
   圧油よりも高圧力の圧油を上記各第１の圧油供給路を介
   して所定のサイクルで上記各第１の油室にそれぞれ供給
   する圧油供給源と、 を備えたことを特徴とする内燃機関用ピストンの試験装
   置。
2. 【請求項２】上記各試験体を共に格納するとともに、上
   記各試験体の温度を上記内燃機関の駆動時におけるピス
   トン温度相当の温度に維持する恒温槽を具備したことを
   特徴とする請求項１記載の内燃機関用ピストンの試験装
   置。
3. 【請求項３】上記第１の油室に供給される圧油が、上記
   内燃機関の駆動時における燃焼圧相当の圧力であり、上
   記第２の油室に供給される圧油が、上記内燃機関の駆動
   時に上記ピストンに作用する慣性力相当の圧力であるこ
   とを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関用ピス
   トンの試験装置。
4. 【請求項４】上記各試験体を一つの円の円周上にそれぞ
   れ配置するとともに、上記各第１の圧油供給路の圧油供
   給側端部を上記円の中心で互いに連結し、この連結部と
   上記圧油供給源とを共通の油路で連通したことを特徴と
   する請求項１，２または３記載の内燃機関用ピストンの
   試験装置。