JPH0631568B2 - 内燃機関用軽合金製ピストン - Google Patents

内燃機関用軽合金製ピストン

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JPH0631568B2
JPH0631568B2 JP5941685A JP5941685A JPH0631568B2 JP H0631568 B2 JPH0631568 B2 JP H0631568B2 JP 5941685 A JP5941685 A JP 5941685A JP 5941685 A JP5941685 A JP 5941685A JP H0631568 B2 JPH0631568 B2 JP H0631568B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は軽合金製の内燃機関用ピストンに関する。
〔従来技術〕
ピストンを軽量化するためアルミニウム合金の様な軽合
金でピストンを鋳造することは周知である。
軽合金は鋳鉄に較べ熱膨脹係数が大きいので、軽合金製
ピストンは機関冷間時と暖機時との間でスカート部の熱
変形が著しい。冷間時におけるスカート部外周とシリン
ダライナー内周との間のクリアランスを小さく設定する
と、暖機時にはスカート部の熱膨脹によりスカート部が
シリンダに焼付き易い。反対に、焼付きを防止するため
前記クリアランスを大きくすると、暖機前のピストンス
ラップが激しくなる。焼付きとピストンスラップの双方
の問題を同時に解決するためには、スカート部の熱膨脹
を防止する必要がある。そこで、従来技術においては、
ピストンスカート部にサーマルストラットと称する鋼鉄
製抗張力リングを設ける方法が知られている。また、ピ
ストンヘッドとスカート部との間においてピストン軸線
に垂直に複数のスリットを設け(これらのスリットは一
般にオイルリング溝に連通しており、オイルコントロー
ルリングで掻き取ったオイルをピストン内側に排出する
役割も受持つ)、スカート部をピストンヘッドから断熱
することも有効である。
鋼鉄製サーマルストラットは重量が大きく、ピストン軽
量化に限界がある。そこで、鋼鉄製サーマルストラット
に代え、炭素繊維、炭化ケイ素等の高抗張力繊維材料か
ら成るサーマルストラットを用いることが提案されてい
る(特願昭58-103637号、特願昭58-103638号、実願昭58
-104330号、実願昭58-121194号、実願昭58-121195号、
実願昭58-121196号、特願昭59-220443号)。この様な高
抗張力繊維はスカート肩部においてピストン母材中に鋳
ぐるみ鋳造される。
〔従来技術の問題点〕
吸気過給や機関回転数増加による機関の高出力化に伴
い、ピストンが受ける熱負荷は益々苛酷なものとなる傾
向にある。燃焼室からピストンクラウンに伝った熱の大
部分は一般にピストンリングを介してシリンダに放熱さ
れるのであるが、高出力機関においては更にピストンス
カート部からも放熱することが望ましい。このため、ピ
ストンヘッドとスカート部との間の前述した断熱用スリ
ットは廃止されるか、その面積が減少せられる傾向にあ
る。その結果、高出力機関のピストンにおいては、従来
の機関に較べ、スカート部の温度は約30〜40℃も上昇
し、スカート部は大きな熱変形を受ける。
サーマルストラットとして炭素繊維の様な無機質高抗張
力繊維を用いる場合には、アルミニウム合金の熱膨脹係
数が20×10-6/℃程度であるのに対して、炭素繊維では
−1.2×10-6/℃程度である。このため、機関の使用中
にピストンが繰り返し冷熱サイクルを受けると、熱膨脹
の差によりアルミニウム合金母材と繊維強化領域(サー
マルストラット領域)境界近傍に亀裂が生じ、ピストン
が破壊することがある。この傾向は前述した様に高出力
機関において特に著しい。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、高抗張力繊維から成るサーマルストラ
ットを備えた軽合金製ピストンの耐熱衝撃性を改善し、
破壊性亀裂の発生することの無い耐久性に優れた軽合金
製ピストンを提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
前記亀裂は熱膨脹によりピストンの各部位に応力が作用
した時に夫々の高抗張力繊維と軽合金母材との間の結合
が破れて両者の界面に沿って剥離が生じることに起因す
るものと考えられるのであるが、本発明は、この剥離に
より生じた微小亀裂が互いに併合連絡して大きな亀裂に
進展するのを防止するという考えに立脚するものであ
る。
このため、本発明は、サーマルストラットを構成する高
抗張力繊維に所定の撚りを与えることにより、互いに隣
接する2本の繊維に接する仮想面を繊維の長さ方向に沿
って螺旋状に捻回させ、もって、或る位置で生じた微小
亀裂の面とその近傍で生じた他の微小亀裂の面とが食い
違う様に構成し、もって、亀裂の発展を防止しようとす
るものである。
炭素繊維の様な高抗張力繊維は繊維長さ方向に関しては
極めて高い抗張力を呈する曲げ応力に対する強度は劣
る。従って、繊維の撚りは1m当り約10〜30回程度にす
るのが好ましい。
サーマルストラットは、例えば、撚りを与えた数千本の
高抗張力繊維で1本のヤーンを形成し、このヤーンの複
数本を撚りを与えながら1本の素線に形成し、この素線
を複数回にわたり巻回して構成することができる。ま
た、微小亀裂の相互連絡を阻止するためには、撚りは普
通撚りの方向(即ち、素線の撚りが繊維の撚りと異なる
方向)にする必要がある。
〔実施例〕
次に、添附図面を参照して本発明の実施例を説明する。
第1図は本発明のピストンの縦断面図で、ピストン10
はアルミニウム合金(例えば、JIS AC8A)の様な軽合金
を高圧鋳造して成り、ピストンヘッド部12と、トップ
ランド部14と、リングベルト部16と、スカート部1
8と、ピストンピンボス部20とを備えている。周知の
様に、リングベルト部16には、コンプレッションリン
グ嵌合用の第1および第2リング溝22,24が設けて
あると共に、オイルコントロールリングを嵌合するため
の第3リング溝26が設けてある。第3リング溝26は
半径方向スリット28を介してピストン内側空洞に連通
しており、オイルコントロールリングで掻き取ったオイ
ルを内側空洞に排出し得る様になっている。第3リング
溝26の下部側壁はスカート部18の肩部30を画定し
ている。第2図の拡大図から分る様に、スカート肩部に
は本発明に従い構成されたサーマルストラット32が鋳
ぐるみ鋳造により鋳込まれている。
サーマルストラット32は、小さなまたは負の熱膨脹係
数をもった高抗張力繊維、例えば、炭素繊維(熱膨脹係
数は−1.2×10-6/℃)、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊
維、アルミナシリカ繊維、等で構成することができる。
斯る高抗張力繊維は腰が弱く、即ち自己支持性に乏し
く、軽合金母材溶湯注入に際し所望形状を保持し得ない
ので鋳ぐるみ鋳造に適さない。そこで、実際には、アル
ミナシリカの短繊維等をコロイダルシリカの様な無機結
合剤により非常に小さな体積率(例えば、約7%)で成
形して成る第3図に示す様な溝付きリング状のホルダー
34を予め製作し、このホルダー34の溝に高抗張力繊
維を巻き付けてホルダー/繊維組立体とし、この組立体
を鋳型内にセットして高圧鋳造を行うのが好ましい。
本発明に従い、高抗張力繊維は撚りを与えながらホルダ
ー34に巻き付けられる。このためには、数千本の高抗
張力繊維に10〜30回/m当りの撚りを与えながら所定体
積率(例えば、60%)の1本のヤーンを形成し、この
ヤーン36を10〜30回にわたってホルダー34に巻き付
けてホルダー/繊維組立体を形成することができる。
好ましい実施態様においては、数千本の繊維で形成され
たヤーンを複数本用いてそれらに普通撚り方向に撚りを
加えながら素線を形成し、この素線をホルダー34にぐ
るぐると巻き付けて組立体を得る。第4図にはこの様に
形成した組立体を模式的に示した。
斯く準備したホルダー/繊維組立体を鋳型内にセットし
て高圧鋳造を行えば、軽合金溶湯は繊維間に含浸して、
繊維強化軽合金の領域が形成される。ホルダーの短繊維
の体積率は7%と極めて小さいので、ホルダー34の短
繊維間に溶湯が含浸すればこ領域は実質的に軽合金母材
で構成されることとなる。
実験例1 アルミナシリカ系短繊維(イソライトバブコック社製、
商品名カオウール)を成形し、外径72.5mm、内径65.5m
m、厚さ6mm、溝寸法3mm×2mmの第3図に示す様なホ
ルダーを製作した。このホルダーの溝に1m当り15回
の撚りを与えた炭素繊維ヤーン(1ヤーン=6000フィラ
メント、東レ社製、商標名トレカM40)を体積率が約
60%になる様に約20回巻き付けてホルダー/繊維組
立体とした。この組立体を 750℃に予熱した後、高圧鋳
造用鋳型にセットし、 740℃のアルミニウム合金(JIS
AC8A)の溶湯を注入し、プランジャーで加圧し冷却して
ピストン鋳造体を得た。この鋳造体を機械加工、熱処理
して第1図に示す様なピストンを得た。
また、比較例として、撚りの全くない同一種の炭素繊維
ヤーンを使用し、上記と同様にしてピストンを製作し
た。
上記2種のピストンを電気炉中で 350℃に加熱し、水中
で急冷する熱衝撃試験を行ったところ、比較例のピスト
ンでは12回の急冷で軽合金母材と炭素繊維強化軽合金
領域との境界(第2図に鎖線38で示した)に沿って円
柱面状の亀裂が生じたが、本実験例のピストンでは25
回まで亀裂の発生が認められなかった。
また、これら2種のピストンを6気筒、排気量2000ccの
ガソリンエンジンに装着し、冷間始動時の騒音低減効果
を比較したところ、両者に差はなかった。
実験例2 実験例1と同様のホルダーを用意した。次に、実験例1
と同様の撚りを与えた炭素繊維ヤーン(1ヤーン=6000
フィラメント)を3本用いて炭素繊維の撚り方向は反対
方向に組みながら1本の普通撚り素線を形成し、この素
線をホルダーの溝にぐるぐると数回巻き付けてホルダー
/繊維組立体とした。この組立体を用いて実験例1と全
く同様にしてピストンを製作した。このピストンを同様
にして熱衝撃試験したところ、35回まで亀裂の発生は
認められなかった。
〔発明の効果〕
本発明のピストンでは、サーマルストラットを構成する
夫々の高抗張力繊維に撚りを加えて螺旋状に延長させて
あるので、仮え繊維と軽合金母材との界面において微小
亀裂が発生してもその微小亀裂が隣りの微小亀裂につな
がることが無い。従って、ピストンを破壊する様な大き
な亀裂に微小亀裂が成長するのを効果的に阻止すること
ができ、ピストンの耐熱衝撃特性を著しく向上させるこ
とができる。
また、撚りの方向を普通撚りとした場合には、素線の表
面と高抗張力繊維の表面との接面が減少し、亀裂発展防
止効果が一層顕著となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のピストンの縦断面図、第2図は第1図
の円A内部分の拡大図、第3図はホルダーの斜視図、第
4図は第2実施例に係るサーマルストラットの斜視図で
ホルダーの一部を切り欠いて示したものである。 10……ピストン、 18……スカート部、 30……スカート肩部、 32……サーマルストラット、 34……ホルダー、 36……高抗張力繊維のヤーン。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 堂ノ本 忠 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 町田 史郎 愛知県刈谷市朝日町2丁目1番地 アイシ ン精機株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ピストンスカート部の肩部の熱膨脹を抑制
    するため、小さな又は負の熱膨脹係数をもった高抗張力
    繊維から成る円環状サーマルストラットをスカート肩部
    に沿って軽合金母材中に鋳ぐるみ鋳造して成る内燃機関
    用軽合金製ピストンにおいて、 前記高抗張力繊維は所定の撚りを有することを特徴とす
    る内燃機関用軽合金製ピストン。
  2. 【請求項2】撚りを持った多数本の高抗張力繊維で1本
    のヤーンが形成され、前記ヤーンの複数本を撚りを加え
    ながら組成して1本の素線が形成され、前記素線を撚り
    を加えながら複数回にわたり巻回して前記サーマルスト
    ラットが構成されている特許請求の範囲第1項記載の軽
    合金製ピストン。
  3. 【請求項3】前記撚りは普通撚りである特許請求の範囲
    第2項記載の軽合金製ピストン。
JP5941685A 1985-03-26 1985-03-26 内燃機関用軽合金製ピストン Expired - Lifetime JPH0631568B2 (ja)

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