JPH10246330A - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は内燃機関用ピストンに関し、ピンボ
ス部に亀裂破損が発生することを防止することを課題と
する。 【解決手段】 ピストン本体２０に形成されたピンボス
２２と、コネクティングロッド１６の小端部２４に形成
された取付孔２５とにピストンピン２１を嵌挿させるこ
とにより、ピストン本体２０をコネクティングロッド１
６に連結支持させる構成とされた内燃機関用ピストンに
おいて、ピンボス２２の内側端面近傍に応力印加部３０
を形成し、圧縮応力を残留応力として付加した構成とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関用ピストン
に係り、特にピンボスとコネクティングロッドの嵌合孔
とにピストンピンを嵌挿させることによりピストン本体
をコネクティングロッドに連結支持させる構成の内燃機
関用ピストンに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ディーゼルエンジン等の内燃機
関におけるピストンは、ピストン本体に形成されたピン
ボスと、コネクティングロッドの小端部に形成された嵌
合孔とにピストンピンを嵌挿させて連結支持した構造と
なっている。ところで、従来のピストンに形成されたピ
ンボスには、機関作動時にピストン上面に作用する爆発
圧力がピストン上面側のピンボス上面に集中応力として
作用し、ピンボス上面の面圧が過大となり、最悪の場合
には亀裂破損が発生するおそれがある。

【０００３】即ち、従来のピンボス部は、ピストン上面
と略平行に加工されていたため、ピストン上面に機関作
動時における爆発圧力が作用した場合、ピストンピンに
は少なからず曲げと楕円変形を伴い、この結果ピンボス
内壁面には過大応力が集中し、これによりピンボス部に
亀裂破損が生じるという問題点があった。そこで、この
亀裂対策の手段として、例えは、実開昭６１−５３５４
１号公報に開示されているように、ピンボスの内壁面を
ピストン中心側に向かって円弧状に形成した内燃機関ピ
ストンが提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の実開昭６１−５
３５４１号公報に開示された内燃機関ピストンによれ
ば、ピンボスの内壁面をピストン中心側に向かって円弧
状に切削加工したため、爆発圧力がピストンに作用しピ
ストンピンに変形が発生することにより、ピストンピン
は円弧状に加工されたピンボスの内壁面と密着した状態
となる。これにより、集中応力は平均化し、よってピン
ボス部に亀裂破損が発生することを防止することができ
る。

【０００５】しかるに、上記したピストン構造ではピス
トン本体の加工性が低下してしまう。即ち、周知のよう
にピンボスはピストン本体に貫通形成される孔である。
よって、このように孔であるピンボスの内壁面をピスト
ン中心側に向かって円弧状に形成する切削加工は非常に
困難となる。よって、所望する曲率の円弧形成を精度よ
く形成することができないという問題点がある。

【０００６】その結果、円弧の曲率が大きくなってしま
った場合には、集中応力を十分に平均化することができ
ずピンボス内壁面に過大応力が発生してしまう。また、
逆に円弧の曲率が小さくなってしまった場合には、爆発
圧力が作用した状態においてもピンボスとピストンピン
との間に間隙が生じた状態となり、応力を受ける面積が
小さくなり結果的に集中応力を十分に平均化することが
できなくなってしまう。

【０００７】本発明は上記の点に鑑みてなさたれもので
あり、ピンボス内側端面近傍に圧縮応力を残留応力とし
て付加することにより、ピンボス部に亀裂破損が発生す
ることを防止した内燃機関用ピストンを提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明では、下記の手段を講じたことを特徴とする
ものである。請求項１記載の発明では、ピストン本体に
形成されたピンボスと、コネクティングロッドの小端部
に形成された嵌合孔とにピストンピンを嵌挿させること
により、前記ピストン本体を前記コネクティングロッド
に連結支持させる構成とされた内燃機関用ピストンにお
いて、前記ピンボス内側端面近傍に、圧縮応力を残留応
力として付加した構成としたことを特徴とするものであ
る。

【０００９】また、請求項２記載の発明では、前記請求
項１記載の内燃機関用ピストンにおいて、前記圧縮応力
をショットピーニングを用いて付加したことを特徴とす
るものである。上記の各手段は、次にように作用する。

【００１０】請求項１記載の発明によれば、ピンボス内
側端面近傍に圧縮応力を残留応力として付加したことに
より、ピンボス内側端面近傍における耐引っ張り応力を
低減することができ、よってピンボス部に亀裂破損が発
生することを防止することができる。また、ピンボスの
形状を円弧状等に切削加工するする必要がなくなるため
加工性は向上し、よって内燃機関用ピストンの生産性を
向上させることができる。

【００１１】また、請求項２記載の発明によれば、圧縮
応力をショットピーニングを用いて付加したことによ
り、孔構造とされたピンボス内側端面に確実に圧縮応力
を印加させることができる。また、ピンボスがテーパ面
を有した構成とされていても、確実にピンボス内側端面
に圧縮応力を印加させることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例について図
面と共に説明する。図１乃至図４は本発明の第１実施例
である内燃機関用ピストン１０（以下、単にピストンと
いう）を示している。図１はピストン１０のピンボスの
軸線に沿った断面図であり、図２はピストン１０のピン
ボスの軸線に直交する方向に沿った断面図であり、図３
はピストン１０のコンロッドへの取付構造を示す分解斜
視図であり、更に図４はピストン１０の部分切截した斜
視図である。

【００１３】ピストン１０はアルミ合金等の軽量合金か
ら一体に鋳造された部材である。このピストン１０は、
そのピストン本体部２０の燃焼室側となる上端部分にピ
ストンヘッド１２を備えている。ピストンヘッド１２の
外周面には、複数の環状のリング溝１４が形成されてい
る。そして、このリング溝１４に図示しないピストンリ
ングを装着することにより、ピストン１０は燃焼室との
気密性を保ちつつシリンダ内を摺動しうる構成となって
いる。また、ピストンヘッド１２の下部には、１対のス
カート１８が対向するよう設けられている。このスカー
ト１８は、ピストンヘッド１２の外周に沿って下方に向
け延出するよう形成されている。

【００１４】一方、ピストン本体部２０の中央部には一
対のピンボス２２が形成されており、この一対のピンボ
ス２２の間には後述するコネクティングロッド１６が介
装される空間部１７が形成されている。また、ピンボス
２２には、その中央部分を貫通するピン孔２３が形成さ
れている。このピン孔２３には、後述するようにピスト
ンピン２１が嵌入される。

【００１５】尚、本実施例では、ピン孔２３の内径寸法
は全範囲にわたり同一寸法とされているが、ピン孔２３
の内径寸法を内側から外側に向け漸次拡がるよう形成し
てもよい。このように、ピン孔２３を内側から外側に向
け漸次拡がるテーパ面を有した形状とすることにより、
上記した従来技術と同様に集中応力を平均化することが
でき、よって亀裂破損の発生を防止することができる。

【００１６】上記構成とされたピストン１０は、コネク
ティングロッド１６に取り付けられる。以下、ピストン
１０のコネクティングロッド１６への取付構造について
説明する。コネクティングロッド１６はその上部に小端
部２４を有しており、この小端部２４には取付孔２５が
形成されている。この取付孔２５にはブッシュ１９が嵌
入された上で、ピストンピン２１が挿通される。また、
コネクティングロッド１６の下部には大端部２６が設け
られている。この大端部２６はベアリングキャッブ２８
と協働してクランクシャフトに設けられたクランクピン
（図示せず）の軸受けを構成するものである。このベア
リングキャッブ２８は、ボルト２９により大端部２６と
締結される。

【００１７】ピストン１０をコネクティングロッド１６
に取り付けるには、先ずコネクティングロッド１６の小
端部２４をピストン１０に形成された空間部１７に介装
する。そして、この介装状態において、小端部２４の取
付孔２５とピン孔２３とが同軸的となるよう位置決めす
る。そして、この状態を維持しつつピストンピン２１を
小端部２４及びピンボス２２に嵌入する。これにより、
ピストン１０はコネクティングロッド１６に取り付けら
れる。

【００１８】上記構成において、機関作動時にピストン
ヘッド１２に爆発圧力が作用すると、ピストン１０はシ
リンダボア内を下方に向け付勢され、この爆発圧力はピ
ストンピン２１を介してコネクティングロッド１６に伝
達される。また、コネクティングロッド１６はクランク
シャフトに接続されているため、上記爆発圧力によりク
ランクシャフトは回転付勢され、これにより爆発圧力を
クランクシャフトの回転力に変換することができる。

【００１９】ここで、上記のように機関作動時にピスト
ンヘッド１２の上面に爆発圧力が作用した場合におけ
る、ピストンピン２１に作用する各種力の関係に注目す
る。いま、爆発圧力をＦ１（図１に矢印で示す）とする
と、一対のピンボス２２を介して爆発圧力Ｆ１はピスト
ンピン２１に印加される。この際、各ピンボス２２は、
爆発圧力Ｆ１の略半分の印加力Ｆ２（Ｆ２≒Ｆ１／２：
図１に矢印で示す）にてピストンピン２１の両側部分を
下方向に向け押圧する。また、ピストンピン２１の中央
部はコネクティングロッド１６とも接続されており、ピ
ストンピン２１の中央部にはコネクティングロッド１６
からの反力Ｆ３（Ｆ３≒Ｆ１）が上方向に向け作用す
る。

【００２０】このように、ピストンヘッド１２の上面に
爆発圧力が作用した場合、ピストンピン２１の両側部分
に下方向に向け爆発圧力Ｆ２が作用し、その反力Ｆ３が
中央部分に作用することにより、ピストンピン２１は図
１に一点鎖線で示すように曲げ変形が発生する（図で
は、理解を容易とするため変形の様子を誇張して図示し
ている）。このため、各ピンボス２２の上面部分、特に
ピンボス２２の上面の内側端部（図１に矢印Ａで示す位
置：以下、応力集中部という）において応力が集中して
しまい、従来ではこの応力集中部Ａから亀裂破損が発生
することが多かった。

【００２１】そこで、本実施例ではピンボス２２の内側
端面近傍に、圧縮応力を残留応力として付加した構成と
した。以下、この圧縮応力を残留応力として付加した部
位を応力印加部３０といい、図には応力印加部３０を梨
地で示す。図１及び図２に示されるように、本実施例で
は応力印加部３０をピンボス２２の上面部に位置する応
力集中部Ａ、及びこの応力集中部Ａに近い位置に設けて
いる。この応力印加部３０をピンボス２２に形成するた
めには、ピン孔２３の内部よりピンボス２２に圧縮応力
を印加する必要がある。このように、ピン孔２３の内部
よりピンボス２２に圧縮応力を印加する方法としては、
例えばロールバニッシュ加工が考えられる。

【００２２】このロールバニッシュ加工は孔の内面仕上
げ加工に用いられるものであり、ロールを孔内壁に押圧
することにより表面の凹凸を潰し、これにより表面粗さ
の向上を図る加工法である。このように、ロールバニッ
シュ加工はロールにより孔内壁に押圧する加工であるた
め、この押圧力により孔の内壁部分に圧縮応力を残留応
力として付加することができる。

【００２３】本実施例のように、ピンボス２２に形成さ
れるピン孔２３の径寸法が均一である場合には、ロール
バニッシュ加工により所望の圧縮応力をピンボス２２に
付与することができる。しかるに、ピン孔２３の内径寸
法を内側から外側に向け漸次拡がるよう形成し集中応力
の平均化を図る構成では、ロールバニッシュ加工を用い
ることはできない。これは、ロールバニッシュ加工は同
一の径寸法を有した孔に対してのみ適用できる加工方法
であるからである。

【００２４】そこで、ピン孔２３の内部よりピンボス２
２に圧縮応力を印加する他の方法として、ショットピー
ニングが考えられる。ショットピーニングは、ショット
（鋼粒）を空圧または遠心力にて加速し、これを加工表
面に衝突させることにより圧縮応力を印加する方法であ
る。本実施例に係るショットピーニングでは、空圧によ
り先端部からショットを噴射しうる例えばノズル状のシ
ョットガンを用い、このショットガンをピン孔２３の内
部に挿入し、ピンボス２２の上面部に位置する応力集中
部Ａ、及びこの応力集中部Ａに近い位置にショットを衝
突させることにより圧縮応力を印加する方法を作用し
た。

【００２５】このように、圧縮応力を残留応力として付
加する手段としてショットピーニングを用いることによ
り、所望する部位に容易に圧縮応力を付加することがで
き、かつ付加する圧縮応力の大きさも空圧，ショットの
種類，噴射時間等を適宜選定することにより容易に制御
することができる。更に、被加工部分の形状に拘わらず
圧縮応力を付加できるため、上記したテーパ面を有する
ピン孔２３が形成されたピンボス２２に対しても確実か
つ容易に圧縮応力を付加することができる。

【００２６】続いて、上記のようにピンボス２２の上面
部に位置する応力集中部Ａ、及びこの応力集中部Ａに近
い位置に応力印加部３０を設けたことによる作用効果に
ついて、図５を用いて説明する。図５は、ピストン１０
の応力疲労限度線図を示している。同図において、縦軸
は応力振幅であり、横軸は平均応力を示している。特に
横軸において、原点Ｏより右側部分は平均引張応力であ
り、原点Ｏより左部分は平均圧縮応力である。また、同
図に実線で示すのがピストン１０の応力疲労限度線であ
る。従って、引張及び圧縮応力をこの実線で囲まれる領
域内に設定することにより、ピストン１０に亀裂が発生
することを抑制することができる。特に、引張応力は一
般に圧縮応力はより小さいため、引張応力を上記領域内
に設定することによりピストン１０に亀裂が発生するこ
とを抑制することができる。

【００２７】そこで、先ず応力印加部３０を設けない従
来構成のピストンの引張応力特性に注目する。応力印加
部３０を設けない、換言すると圧縮応力を残留応力とし
て付加していない構成のピストンでは、爆発圧力により
印加される応力に耐えうる引張応力（以下、これを耐引
張力という）の大きさは、原点Ｏ₁ を起点とする図中一
点鎖線で示す線分の長さＥ１として示される。

【００２８】これに対し、本実施例に係るピストン１０
のように、応力印加部３０を設けた構成では、耐引張力
の大きさは原点Ｏ₁ より左側（圧縮応力側）にずれた点
Ｏ₂を起点とする図中二点鎖線で示す線分の長さＥ２と
して示される。この起点Ｏ₁とＯ₂ との差分Δσは、応
力印加部３０を設けることによりピストン１０に付加し
た圧縮応力（残留応力）の大きさと対応する。

【００２９】ここで、従来における耐引張力の大きさＥ
１と、本実施例に係るピストン１０の耐引張力の大きさ
Ｅ２とを比べると、本実施例に係るピストン１０の耐引
張力Ｅ２の方が、従来の耐引張力Ｅ１に対して大きくな
っている（Ｅ２＞Ｅ１）。従って、図５に示される結果
より、従来構成のピストンに比べて本実施例に係るピス
トン１０の方が、爆発圧力印加時にピストン１０に亀裂
が発生することを抑制することができることが証明され
た。

【００３０】図６は、本発明の第２実施例であるピスト
ン１０Ａを示している。尚、図６において、図１乃至図
４を用いて説明した第１実施例に係るピストン１０と同
一構成については同一符号を付して、その説明を省略す
る。本実施例に係るピストン１０Ａは、ピンボス２２の
上面部に位置する応力集中部Ａにテーパ面３１を形成し
たことを特徴とするものである。このテーパ面３１の傾
斜角度は、前記したように爆発圧力がピストン１０Ａの
ピストンヘッド１２に印加されることによりピストンピ
ン２１が変形した際、この変形したピストンピン２１の
略全面がテーパ面３１と当接する角度に選定されてい
る。これにより、爆発圧力の印加時においてピストンピ
ン２１爆はピンボス２２の内壁面と広く密着した状態と
なり、よって応力は平均化するためピストン１０Ａに亀
裂破損が発生することを防止することができる。

【００３１】また、本実施例においても、ピンボス２２
の上面部に位置する応力集中部Ａ及びこの応力集中部Ａ
に近い位置にショットピーニングを実施することによ
り、応力印加部３０が形成されている。よって、第１実
施例で説明したと同様の理由によりピストン１０Ａに亀
裂破損が発生することを防止することができる。一方、
本実施例では、上記したテーパ面３１の形成をショット
ピーニングを利用して形成したことも特徴としている。
即ち、本実施例ではテーパ面３１の形成を応力印加部３
０の形成と同時に行う構成とている。前記したように、
ショットピーニングでは、ショットの強さを空圧，ショ
ットの種類，噴射時間等を適宜選定することにより制御
することができる。また、ショットの噴射位置もショッ
トガンのピン孔２３への挿入深さを調整うることにより
容易に位置決めすることができる。よって、テーパ面３
１の形成位置においては、ショットを強く噴射させるこ
と等により、容易にテーパ面３１を形成することができ
る。

【００３２】尚、上記した実施例では、本願発明を内燃
機関用ピストンに適用した例を示したが、本願発明は軸
部が応力を受ける軸受け構造に対して広く適用が可能な
ものである。

【００３３】

【発明の効果】上述の如く本発明によれば、下記の種々
の効果を実現することができる。請求項１記載の発明に
よれば、ピンボス内側端面近傍における耐引っ張り応力
を低減することができ、よってピンボス部に亀裂破損が
発生することを防止することができる。また、ピンボス
の形状を円弧状等に切削加工するする必要がなくなるた
め、内燃機関用ピストンの生産性を向上させることがで
きる。

【００３４】また、請求項２記載の発明によれば、孔構
造とされたピンボス内側端面に確実に圧縮応力を印加さ
せることができ、またピンボスがテーパ面を有した構成
とされていても、確実にピンボス内側端面に圧縮応力を
印加させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例であるピストンのピンボス
の軸線に沿った断面図である。

【図２】本発明の第１実施例であるピストンのピンボス
の軸線に直交する方向に沿った断面図である。

【図３】本発明の第１実施例であるピストンのコンロッ
ドへの取付構造を示す分解斜視図である。

【図４】本発明の第１実施例であるピストンの部分切截
した斜視図である。

【図５】本発明の第１実施例であるピストンの応力疲労
限度線図である。

【図６】本発明の第２実施例であるピストンのピンボス
の軸線に直交する方向に沿った断面図である。

【符号の説明】

１０ ピストン １２ ピストンヘッド １６ コンロッド １９ ブッシュ ２０ ピストン本体部 ２２ ピンボス ２３ ピン穴 ２４ 小端部 ２５ 取付孔 ２６ 大端部 ２８ ベアリングキャップ ３０ 応力印加部 ３１ テーパ面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストン本体に形成されたピンボスと、
   コネクティングロッドの小端部に形成された嵌合孔とに
   ピストンピンを嵌挿させることにより、前記ピストン本
   体を前記コネクティングロッドに連結支持させる構成と
   された内燃機関用ピストンにおいて、 前記ピンボス内側端面近傍に、圧縮応力を残留応力とし
   て付加した構成としたことを特徴とする内燃機関用ピス
   トン。
2. 【請求項２】 請求項１記載の内燃機関用ピストンにお
   いて、 前記圧縮応力をショットピーニングを用いて付加したこ
   とを特徴とする内燃機関用ピストン。