ピストンピン
【課題】筒状をなすピストンピンであって、該ピストンピンの外側面から内側面までを貫通する貫通孔の開口付近に生じる応力をピストンピンの外側面にて低減することの可能なピストンピンを提供する。
【解決手段】ピストンとコネクティングロッドとを連結する筒状をなすピストンピン２０であって、当該ピストンピン２０の外側面２０ａから内側面２０ｂまでを貫通する導入孔２３Ａは、外側面２０ａにおける開口２３Ｐが、当該ピストンピン２０の軸方向に延びる長円形状をなしている。
【解決手段】ピストンとコネクティングロッドとを連結する筒状をなすピストンピン２０であって、当該ピストンピン２０の外側面２０ａから内側面２０ｂまでを貫通する導入孔２３Ａは、外側面２０ａにおける開口２３Ｐが、当該ピストンピン２０の軸方向に延びる長円形状をなしている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンとコネクティングロッドとを連結するピストンピンであって、特にディーゼルエンジンに用いられるピストンピンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、シリンダー内を往復運動するピストンは、ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換するコネクティングロッドに対しピストンピンで連結されている。こうしたピストンピンとしては、例えば特許文献１に記載された構造のピストンピンが知られている。
【０００３】
図９は、ピストンとコネクティングロッドとの連結部分の断面構造を示す断面図であって、同図９では、ピストン１０とコネクティングロッド１５とが、特許文献１に記載されたピストンピンと同様の構造を有するピストンピン２０で連結されている。図９に示されるように、ピストンピン２０は、軸方向に延びる円筒形状をなしており、両端が拡径された多段円柱状の内部空間である貯留部２１を有している。貯留部２１の各開口は、プラグ２２によって塞がれている。ピストンピン２０は、ピストン１０に貫通形成された嵌入部１１に嵌入されている。ピストンピン２０は、軸方向における中央部に該軸方向に直交する径方向に沿って延び、外側面２０ａと内側面２０ｂとに開口する導入孔２３が貫通形成されており、また、軸方向における両端部に同じく径方向に沿って延びる供給孔２４が貫通形成されている。そして、上記中央部がコネクティングロッド１５の小端部１６にブッシュ１７を介して回動可能に支持され、上記両端部がピストン１０のピストンボス１２に回動可能に支持されている。
【０００４】
こうした構成によれば、コネクティングロッド１５の内部に形成された油路１８を通じて小端部１６にエンジンオイルが供給されると、そのエンジンオイルがブッシュ１７とピストンピン２０との接触部分に供給されるとともに導入孔２３を通じてピストンピン２０の貯留部２１へと導入される。貯留部２１に導入されたエンジンオイルは、供給孔２４を通じてピストンボス１２とピストンピン２０との接触部分に供給される。すなわち、ピストンピン２０とブッシュ１７との接触部分、及びピストンピン２０とピストンボス１２との接触部分にエンジンオイルが安定して供給されることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１２７２２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、例えば圧縮行程におけるピストン１０には、シリンダー内で圧縮された吸気から受ける押下力と、ピストンピン２０を介してコネクティングロッド１５から受ける押上力とが作用する。そのため、ピストン１０とコネクティングロッド１５とを連結するピストンピン２０には、上述した押下力が軸方向の両端部に作用し、かつ上述した押上力が軸方向の中央部に作用することになり、これら押下力及び押上力に基づく曲げモーメントが作用することとなる。特に、ディーゼルエンジンでは、ガソリンエンジンに比べて、圧縮時におけるシリンダー内の圧力が高いため、より大きな曲げモーメントがピストンピン２０に作用することになる。
【０００７】
こうした曲げモーメントは、ピストンピン２０の中央において最も大きくなるため、ピストンピン２０には、上記導入孔２３の開口付近、特に外側面における開口付近に大きな応力が生じることになる。しかし、特許文献１においては、こうした応力を緩和させる対策についての検討が十分にはなされていない。そのため、上記導入孔２３を有するピストンピン２０については、外側面の開口付近に生じる応力を緩和させる対策が強く望まれている。
【０００８】
本発明は、上記実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、筒状をなすピストンピンであって、該ピストンピンの外側面から内側面までを貫通する貫通孔の開口付近に生じる応力をピストンピンの外側面にて低減することの可能なピストンピンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の態様の一つは、ピストンとコネクティングロッドとを連結する筒状をなすピストンピンであって、当該ピストンピンの外側面から内側面までを貫通する貫通孔を有し、前記外側面における前記貫通孔の開口が、当該ピストンピンの軸方向に延びる長円形状である。
【００１０】
本発明者は、上記貫通孔を有するピストンピンの形状について鋭意研究した結果、外側面における開口がピストンピンの軸方向に延びる長円状であることにより、外側面における開口が真円状である場合に比べて開口付近に生じる応力が低減されることを見出した。
【００１１】
この点、上述した本発明の態様の一つでは、ピストンピンが有する貫通孔の開口が外側面にてピストンピンの軸方向に延びる長円形状であるため、外側面における開口が真円形状である場合に比べて開口の付近に生じる応力が抑えられることとなる。それゆえに、こうした開口の付近における応力に対してピストンピンが耐え得るように、ピストンピンの材質や形状に加えられる制限、すなわちピストンピンそのものの設計上の制限を軽減することができる。
【００１２】
本発明の態様の一つは、前記貫通孔の前記外側面における開口が、当該ピストンピンの径方向から見て楕円形状である。
ピストンピンの軸方向に延びる長円形状としては、軸方向に延びる楕円形状の他、同じく軸方向に延びる角丸長方形状がある。ここで、これら楕円形状の開口と角丸長方形状の開口とが互いに同じ面積であって、且つピストンピンの周方向における長さが略等しいという前提では、角丸長方形状の開口における角部の曲率半径は、楕円形状の開口における短径方向の端点での曲率半径よりも自ずと小さくなる。そのため、楕円形状の開口における面積と角丸長方形状の開口における面積とが互いに等しく、且つピストンピンの周方向における長さが略等しいという前提では、楕円形状の開口に生じる応力の方が角丸長方形状の開口に生じる応力よりも抑えられることとなる。
【００１３】
この点、本発明の態様の一つでは、ピストンピンの外側面における貫通孔の開口がピストンピンの軸方向に延びる楕円形状である。そのため、貫通孔の開口が角丸長方形状である場合と比較して、貫通孔の開口付近に生じる応力が分散されやすくなり、該開口付近に生じる応力の集中を抑えることが可能にもなる。
【００１４】
本発明の態様の一つは、前記貫通孔の延出方向が、前記軸方向に直交する方向である前記ピストンピンの径方向である。
本発明の態様の一つによれば、ピストンピンにて外側面から内側面までを貫通する各種の貫通孔のうち、該貫通孔の流路長が最も短くなる。そのため、外側面から内側面までを貫通する各種の貫通孔において、貫通孔の流路面積が互いに等しい前提では、貫通孔を通過するオイルの圧力損失が最も抑えられることとなる。
【００１５】
本発明の態様の一つは、前記貫通孔の延出方向が、前記軸方向、及び該軸方向と直交する方向である前記ピストンピンの径方向と交差する。
本発明の態様の一つによれば、例えば、ピストンピンの外側面に対して軸方向と径方向とに交差する方向にドリルを用いた穴あけ加工を施すことにより、上述した開口を有する貫通孔を形成することが可能である。すなわち、径方向に延びる貫通孔を形成する場合には、ドリルを用いた穴あけ加工に加えて他の加工が必要となるが、上述した構成によれば、長円形状の開口を形成する際にドリル加工のみで済ますことができる。
【００１６】
本発明の態様の一つは、前記貫通孔が、該貫通孔の流路面積が前記外側面から前記内側面に向けて小さくなる傾斜部を有する。
本発明の態様の一つによれば、外側面における開口が内側面における開口よりも大きくなるため、貫通孔における流路面積が外側面から内側面に向けて一定である場合よりも開口付近に生じる応力を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のピストンピンを具体化した第１実施形態において、ピストンピンに形成された導入孔の形状を示すとともに実施例１のピストンピンに形成された導入孔の寸法を示す図。
【図２】ピストンとコネクティングロッドとの連結部分の断面構造を示すとともに、ピストンピンに関する寸法を示す図。
【図３】比較例のピストンピンに形成された導入孔の形状を示すとともに、該導入孔の寸法を示す図。
【図４】実施例１のピストンピンに作用する応力分布の解析結果を示す応力分布図。
【図５】比較例のピストンピンに作用する応力分布の解析結果を示す応力分布図。
【図６】第２実施形態において、ピストンピンに形成された導入孔の形状を示すとともに、実施例２のピストンピンに形成された導入孔の寸法を示す図。
【図７】実施例２のピストンピンに作用する応力分布の解析結果を示す応力分布図。
【図８】（ａ）〜（ｄ）変形例における導入孔の形状を示す図。
【図９】従来例において、ピストンとコネクティングロッドとの連結部分の断面構造を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（第１実施形態）
以下、本発明のピストンピンを具体化した第１実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。なお、図１〜図３において、先の図９で示した部材と同様の機能を有した部材については、同じ符号を付すことによりその詳細な説明は省略する。
【００１９】
図１に示されるように、ピストンピン２０は、該ピストンピン２０の外側面２０ａから該ピストンピン２０の内側面２０ｂまでを貫通する貫通孔である導入孔２３Ａを有している。導入孔２３Ａにおける外側面２０ａでの開口２３Ｐは、ピストンピン２０の軸方向に延びる長円形状であり、詳しくはピストンピン２０の軸方向に延びる楕円形状である。この導入孔２３Ａの延出方向は、ピストンピン２０の軸方向と直交する方向である該ピストンピン２０の径方向であり、また、導入孔２３Ａにおける外側面２０ａでの開口２３Ｐには、Ｒ面取りが施されている。
【００２０】
導入孔２３Ａのうち外側面２０ａ側には、導入孔２３Ａの断面積である流路面積がピストンピン２０の外側面２０ａからピストンピン２０の内側面２０ｂに向けて徐々に小さくなる楕円錐孔状の傾斜部２３Ｄが径方向に形成されている。また、導入孔２３Ａのうち内側面２０ｂ側には、上記傾斜部２３Ｄの流路面積よりも小さい流路面積からなる円形孔が、上記傾斜部２３Ｄから内側面２０ｂに向けて径方向に形成されている。
【００２１】
（実施例１）
次に、上記実施形態のピストンピン２０に生じる応力について、有限要素法（ＦＥＭ：Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）による解析結果の一例を用いて説明する。まず、実施例１及び比較例のＦＥＭ法に用いられた解析条件について、図１〜４、及び表１〜４を参照して説明する。
【００２２】
ＦＥＭ法に用いられたピストン１０、コネクティングロッド１５、ピストンピン２０の各々について、図２に示される各部Ａ〜Ｋの寸法を表１に示し、ピストン１０、コネクティングロッド１５、ピストンピン２０の各々の材質（ＪＩＳ記号）を表２に示す。また、図１に示された実施例１の開口２３Ｐにおける長径Ｒｘと短径Ｒｙとを表３に示し、図３に示される比較例の導入孔２３Ｂにおける各部Ｌ〜Ｑの寸法を表４に示す。
【００２３】
なお、図３に示されるように、比較例における導入孔２３Ｂは、外側面２０ａにおける開口２３Ｑが真円形状をなす多段円形孔であり、内側面２０ｂ側に向けて縮径されている。また、実施例１の導入孔２３Ａは、比較例１の導入孔２３Ｂに対して、上記傾斜部２３Ｄを設けたものであり、外側面２０ａでの開口２３Ｑには、Ｒ面取りが施されている。
【００２４】
そして、各部材の配置に関する条件、及び各部材間の連結態様に関する条件を以下のように設定し、ピストン１０の上面１０ａ側からピストン１０に対して２０ＭＰａの負荷加重が作用する際のピストンピン２０における応力を解析した。実施例１のピストンピンにおける解析結果を図４に示し、比較例のピストンピンにおける解析結果を図５に示す。なお、図４、５では、ピストンピン２０のうちで最も大きな応力が発生した部分を抜粋してそれを図示する。
【００２５】
・プラグ２２は、ピストンピン２０と一体化
・ブッシュ１７は、コネクティングロッド１５と一体化
・ピストン１０とシリンダーライナーとの接触面を拘束
・ピストン１０とピストンピン２０は接触状態
・ブッシュ１７とピストンピン２０は接触状態
・コネクティングロッド１５の大端穴は固定
図４に示されるように、実施例１の導入孔２３Ａにおける開口２３Ｐの付近には、最大で約５６５ＭＰａの引張り応力が発生していることが確認された。これに対して、図５に示されるように、比較例の導入孔２３Ｂにおける開口２３Ｑの付近には、実施例１にて認められた応力よりも大きく、最大で約８４５ＭＰａの引張り応力が発生していることが確認された。これから明らかなように、ピストンピン２０の外側面２０ａにおける導入孔の開口を軸方向に延びる楕円形状にすることによって、同開口が真円状状である場合に比べて、外側面２０ａにおける開口の付近に生じる応力が抑えられることが確認された。
【００２６】
これは、軸方向の引張り応力を受けた外側面２０ａにおいて、開口の付近における周方向の変化が、円形状よりも楕円形状の方が小さいためであるものと考えられる。それゆえに、開口における軸方向の径が同じという前提であれば、扁平率が高い開口を有する導入孔ほど、同じ大きさの曲げモーメントが作用したときに生じる応力が小さくなるものと考えられる。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【表２】
【００２９】
【表３】
【表４】
【００３０】
上記第１実施形態によれば、以下に列挙する効果が得られる。
（１）ピストンピン２０の外側面２０ａでは、導入孔２３Ａの開口２３Ｐがピストンピン２０の軸方向に延びる長円形状である。そのため、外側面２０ａにおける開口が真円形状である場合に比べて開口の付近に生じる応力が抑えられることとなる。それゆえに、こうした開口の付近における応力に対してピストンピンが耐え得るように、ピストンピン２０の材質や形状に加えられる制限、すなわちピストンピン２０そのものの設計上の制限を軽減することができる。
【００３１】
（２）ピストンピン２０の軸方向に延びる長円形状としては、上述した開口２３Ｐのように軸方向に延びる楕円形状の他、同じく軸方向に延びる角丸長方形状がある。ここで、これら楕円形状の開口と角丸長方形状の開口とが互いに同じ面積であって、且つピストンピンの周方向における長さが略等しいという前提では、角丸長方形状の開口における角部の曲率半径は、楕円形状の開口２３Ｐにおける短径方向の端点での曲率半径よりも自ずと小さくなる。そのため、楕円形状の開口２３Ｐにおける面積と角丸長方形状の開口における面積とが互いに等しく、且つピストンピンの周方向における長さが略等しいという前提では、導入孔２３Ａのように開口２３Ｐが楕円形状であることによって、開口付近に生じる応力が分散されやすくなり、該応力をさらに抑えることが可能である。
【００３２】
（３）導入孔２３Ａの開口２３Ｐは、該導入孔２３Ａの流路面積が外側面２０ａから内側面２０ｂに向けて小さくなる傾斜部２３Ｄの開口である。このような構成であれば、導入孔における流路面積が外側面２０ａから内側面２０ｂに向けて一定である場合よりも開口の付近に生じる応力を抑えることができる。
【００３３】
（４）ピストンピン２０の外側面２０ａから内側面２０ｂまでを貫通する貫通孔には、上述した導入孔２３Ａのように径方向に延びる貫通孔の他、径方向と交差する方向に延びる貫通孔がある。ただし、上述した導入孔２３Ａのような径方向に延びる貫通孔であれば、外側面２０ａと内側面２０ｂとを結ぶ貫通孔のなかで、導入孔２３Ａにおける流路長が最も短くなる。そして、これら径方向に延びる貫通孔と径方向と交差する方向に延びる貫通孔とが互いに同じ流路面積であるという前提であれば、外側面２０ａと内側面２０ｂとを結ぶ導入孔のなかで、該導入孔を通過するオイルの圧力損失が最も抑えられることとなる。
【００３４】
（５）また、上述した形状の導入孔２３は、ピストンピン２０に対するドリルを用いた穴あけ加工によって形成することが可能であるが、導入孔２３がピストンピン２０の径方向に沿った形状であれば、外側面２０ａにおける開口２３Ｐの付近に対し、加工に伴う負荷を軽減することも可能である。
【００３５】
（第２実施形態）
次に、本発明のピストンピンを具体化した第２実施形態について、図６及び図７を参照して説明する。
【００３６】
図６に示されるように、ピストンピン２０の内部である貯留部２１は、ピストンピン２０の軸方向の両端部に段差を有した多段の円形孔状に形成されている。このピストンピン２０の外側面２０ａには、該ピストンピン２０の軸方向における中央部から軸方向及び径方向に交差する方向に延びる円形孔である導入孔２３Ｃが延出形成されている。外側面２０ａにおける導入孔２３Ｃの開口２３Ｐは、ピストンピン２０における軸方向の中央部に形成されるとともに、導入孔２３Ｃの延出方向が軸方向に対して傾く分、該軸方向に延びる楕円形状に形成されている。なお、内側面２０ｂにおける導入孔２３Ｃの開口は、貯留部２１における軸方向の端部に形成された段差面２１ａに形成されている。このような導入孔２３Ｃは、例えばドリルを用いた穴あけ加工を導入孔２３Ｃの延出方向に施すことによって形成される。
【００３７】
（実施例２）
次に、上記実施形態のピストンピン２０に生じる応力について、ＦＥＭ法による解析結果の一例を用いて説明する。まず、実施例２のＦＥＭ法に用いられた解析条件について、図６を参照して説明する。
【００３８】
図６に示されるように、導入孔２３Ｃの内径を流路径Ｖとし、導入孔２３Ｃが延出される方向と軸方向とのなす角度を延出方向Ｗとし、これら流路径Ｖを３ｍｍ、延出方向Ｗを２１．５°とした。なお、実施例１における開口２３Ｐの扁平率（＝短径／長径）は０．５であり、実施例２における開口２３Ｒの扁平率は０．５７７である。
【００３９】
そして、ピストン１０、コネクティングロッド１５、ピストンピン２０における各部Ａ〜Ｋの寸法、各部材の材質、各部材の配置に関する条件、各部材間の連結態様に関する条件、及びピストンに対する負荷加重を第１実施形態と同じくしてピストンピン２０における応力を解析した。実施例２のピストンピンにおける解析結果を図７に示す。なお、図７でも、先の図４、５と同じく、ピストンピン２０のうちで最も大きな応力が発生した部位を抜粋してそれを図示する。
【００４０】
図７に示されるように、実施例２の導入孔２３Ｃにおける開口２３Ｒの付近には、最大で約５１１ＭＰａの引張り応力が発生していることが確認された。これにより、実施例２における引張り応力も、実施例１の導入孔２３Ａと同じく、先の比較例における引張り応力と比較して大幅に抑えられていることが認められた。
【００４１】
上記第２実施形態によれば、上記第１実施形態に記載した（１）（２）に準ずる効果に加えて、以下に列挙する効果が得られる。
（６）軸方向及び径方向に交差する方向に延びる導入孔２３Ｃは、ピストンピン２０に対するドリル加工によって形成することが可能であり、この際、ピストンピン２０の軸方向にドリルを移動させることなく、楕円形状の開口２３Ｒを形成することが可能である。そのため、径方向に延びる導入孔２３Ａに比べて、導入孔２３Ｃの形状を高い精度で再現することが可能である。
【００４２】
なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・ピストンピン２０の外側面２０ａにおける導入孔の開口は、ピストンピン２０の軸方向に延びる長円形状であればよい。
【００４３】
例えば、図８（ａ）に示されるように、内側面２０ｂにおける導入孔２３の開口が楕円形状をなしていてもよい。また、導入孔２３は、傾斜部２３Ｄが割愛された形状であって、その流路面積が導入孔２３の延出方向にて等しい形状であってもよい。
【００４４】
また、図８（ｂ）に示されるように、内側面２０ｂにおける導入孔２３の開口が楕円形状であって、内側面２０ｂから外側面２０ａにかけて長径が徐々に大きくなるような形状であってもよい。また、導入孔２３は、外側面２０ａにおける開口が軸方向に延びる角丸長方形状であってもよく、図８（ｃ）に示されるように、外側面２０ａ及び内側面２０ｂにおける開口が軸方向に延びる角丸長方形状であってもよい。さらに、導入孔２３は、図８（ｄ）に示されるように、外側面２０ａ及び内側面２０ｂにおける開口が角丸長方形状であって、内側面２０ｂから外側面２０ａにかけて軸方向における径が徐々に大きくなるような形状であってもよい。なお、これら図８（ａ）〜（ｄ）に示される導入孔の延出方向は、ピストンピン２０の軸方向及び径方向と交差する方向であってもよい。
【００４５】
・導入孔２３は、ピストンピン２０の外側面２０ａにおける開口が、該ピストンピン２０の軸方向に延びる長円形状であればよく、その流路面積を外側面２０ａから内側面２０ｂに向けて大きくなる傾斜部を有していてもよい。
【００４６】
・導入孔２３の開口が形成される位置は、例えばピストンピン２０における軸方向の端部であってもよく、ピストンピン２０における軸方向の中央部に限られるものではない。
【符号の説明】
【００４７】
１０…ピストン、１０ａ…上面、１１…嵌入部、１２…ピストンボス、１５…コネクティングロッド、１６…小端部、１７…ブッシュ、１８…油路、２０…ピストンピン、２０ａ…外側面、２０ｂ…内側面、２１…貯留部、２１ａ…段差面、２２…プラグ、２３，２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ…導入孔、２３Ｄ…傾斜部、２３Ｐ，２３Ｑ，２３Ｒ…開口、２４…供給孔。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンとコネクティングロッドとを連結するピストンピンであって、特にディーゼルエンジンに用いられるピストンピンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、シリンダー内を往復運動するピストンは、ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換するコネクティングロッドに対しピストンピンで連結されている。こうしたピストンピンとしては、例えば特許文献１に記載された構造のピストンピンが知られている。
【０００３】
図９は、ピストンとコネクティングロッドとの連結部分の断面構造を示す断面図であって、同図９では、ピストン１０とコネクティングロッド１５とが、特許文献１に記載されたピストンピンと同様の構造を有するピストンピン２０で連結されている。図９に示されるように、ピストンピン２０は、軸方向に延びる円筒形状をなしており、両端が拡径された多段円柱状の内部空間である貯留部２１を有している。貯留部２１の各開口は、プラグ２２によって塞がれている。ピストンピン２０は、ピストン１０に貫通形成された嵌入部１１に嵌入されている。ピストンピン２０は、軸方向における中央部に該軸方向に直交する径方向に沿って延び、外側面２０ａと内側面２０ｂとに開口する導入孔２３が貫通形成されており、また、軸方向における両端部に同じく径方向に沿って延びる供給孔２４が貫通形成されている。そして、上記中央部がコネクティングロッド１５の小端部１６にブッシュ１７を介して回動可能に支持され、上記両端部がピストン１０のピストンボス１２に回動可能に支持されている。
【０００４】
こうした構成によれば、コネクティングロッド１５の内部に形成された油路１８を通じて小端部１６にエンジンオイルが供給されると、そのエンジンオイルがブッシュ１７とピストンピン２０との接触部分に供給されるとともに導入孔２３を通じてピストンピン２０の貯留部２１へと導入される。貯留部２１に導入されたエンジンオイルは、供給孔２４を通じてピストンボス１２とピストンピン２０との接触部分に供給される。すなわち、ピストンピン２０とブッシュ１７との接触部分、及びピストンピン２０とピストンボス１２との接触部分にエンジンオイルが安定して供給されることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１２７２２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、例えば圧縮行程におけるピストン１０には、シリンダー内で圧縮された吸気から受ける押下力と、ピストンピン２０を介してコネクティングロッド１５から受ける押上力とが作用する。そのため、ピストン１０とコネクティングロッド１５とを連結するピストンピン２０には、上述した押下力が軸方向の両端部に作用し、かつ上述した押上力が軸方向の中央部に作用することになり、これら押下力及び押上力に基づく曲げモーメントが作用することとなる。特に、ディーゼルエンジンでは、ガソリンエンジンに比べて、圧縮時におけるシリンダー内の圧力が高いため、より大きな曲げモーメントがピストンピン２０に作用することになる。
【０００７】
こうした曲げモーメントは、ピストンピン２０の中央において最も大きくなるため、ピストンピン２０には、上記導入孔２３の開口付近、特に外側面における開口付近に大きな応力が生じることになる。しかし、特許文献１においては、こうした応力を緩和させる対策についての検討が十分にはなされていない。そのため、上記導入孔２３を有するピストンピン２０については、外側面の開口付近に生じる応力を緩和させる対策が強く望まれている。
【０００８】
本発明は、上記実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、筒状をなすピストンピンであって、該ピストンピンの外側面から内側面までを貫通する貫通孔の開口付近に生じる応力をピストンピンの外側面にて低減することの可能なピストンピンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の態様の一つは、ピストンとコネクティングロッドとを連結する筒状をなすピストンピンであって、当該ピストンピンの外側面から内側面までを貫通する貫通孔を有し、前記外側面における前記貫通孔の開口が、当該ピストンピンの軸方向に延びる長円形状である。
【００１０】
本発明者は、上記貫通孔を有するピストンピンの形状について鋭意研究した結果、外側面における開口がピストンピンの軸方向に延びる長円状であることにより、外側面における開口が真円状である場合に比べて開口付近に生じる応力が低減されることを見出した。
【００１１】
この点、上述した本発明の態様の一つでは、ピストンピンが有する貫通孔の開口が外側面にてピストンピンの軸方向に延びる長円形状であるため、外側面における開口が真円形状である場合に比べて開口の付近に生じる応力が抑えられることとなる。それゆえに、こうした開口の付近における応力に対してピストンピンが耐え得るように、ピストンピンの材質や形状に加えられる制限、すなわちピストンピンそのものの設計上の制限を軽減することができる。
【００１２】
本発明の態様の一つは、前記貫通孔の前記外側面における開口が、当該ピストンピンの径方向から見て楕円形状である。
ピストンピンの軸方向に延びる長円形状としては、軸方向に延びる楕円形状の他、同じく軸方向に延びる角丸長方形状がある。ここで、これら楕円形状の開口と角丸長方形状の開口とが互いに同じ面積であって、且つピストンピンの周方向における長さが略等しいという前提では、角丸長方形状の開口における角部の曲率半径は、楕円形状の開口における短径方向の端点での曲率半径よりも自ずと小さくなる。そのため、楕円形状の開口における面積と角丸長方形状の開口における面積とが互いに等しく、且つピストンピンの周方向における長さが略等しいという前提では、楕円形状の開口に生じる応力の方が角丸長方形状の開口に生じる応力よりも抑えられることとなる。
【００１３】
この点、本発明の態様の一つでは、ピストンピンの外側面における貫通孔の開口がピストンピンの軸方向に延びる楕円形状である。そのため、貫通孔の開口が角丸長方形状である場合と比較して、貫通孔の開口付近に生じる応力が分散されやすくなり、該開口付近に生じる応力の集中を抑えることが可能にもなる。
【００１４】
本発明の態様の一つは、前記貫通孔の延出方向が、前記軸方向に直交する方向である前記ピストンピンの径方向である。
本発明の態様の一つによれば、ピストンピンにて外側面から内側面までを貫通する各種の貫通孔のうち、該貫通孔の流路長が最も短くなる。そのため、外側面から内側面までを貫通する各種の貫通孔において、貫通孔の流路面積が互いに等しい前提では、貫通孔を通過するオイルの圧力損失が最も抑えられることとなる。
【００１５】
本発明の態様の一つは、前記貫通孔の延出方向が、前記軸方向、及び該軸方向と直交する方向である前記ピストンピンの径方向と交差する。
本発明の態様の一つによれば、例えば、ピストンピンの外側面に対して軸方向と径方向とに交差する方向にドリルを用いた穴あけ加工を施すことにより、上述した開口を有する貫通孔を形成することが可能である。すなわち、径方向に延びる貫通孔を形成する場合には、ドリルを用いた穴あけ加工に加えて他の加工が必要となるが、上述した構成によれば、長円形状の開口を形成する際にドリル加工のみで済ますことができる。
【００１６】
本発明の態様の一つは、前記貫通孔が、該貫通孔の流路面積が前記外側面から前記内側面に向けて小さくなる傾斜部を有する。
本発明の態様の一つによれば、外側面における開口が内側面における開口よりも大きくなるため、貫通孔における流路面積が外側面から内側面に向けて一定である場合よりも開口付近に生じる応力を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のピストンピンを具体化した第１実施形態において、ピストンピンに形成された導入孔の形状を示すとともに実施例１のピストンピンに形成された導入孔の寸法を示す図。
【図２】ピストンとコネクティングロッドとの連結部分の断面構造を示すとともに、ピストンピンに関する寸法を示す図。
【図３】比較例のピストンピンに形成された導入孔の形状を示すとともに、該導入孔の寸法を示す図。
【図４】実施例１のピストンピンに作用する応力分布の解析結果を示す応力分布図。
【図５】比較例のピストンピンに作用する応力分布の解析結果を示す応力分布図。
【図６】第２実施形態において、ピストンピンに形成された導入孔の形状を示すとともに、実施例２のピストンピンに形成された導入孔の寸法を示す図。
【図７】実施例２のピストンピンに作用する応力分布の解析結果を示す応力分布図。
【図８】（ａ）〜（ｄ）変形例における導入孔の形状を示す図。
【図９】従来例において、ピストンとコネクティングロッドとの連結部分の断面構造を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（第１実施形態）
以下、本発明のピストンピンを具体化した第１実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。なお、図１〜図３において、先の図９で示した部材と同様の機能を有した部材については、同じ符号を付すことによりその詳細な説明は省略する。
【００１９】
図１に示されるように、ピストンピン２０は、該ピストンピン２０の外側面２０ａから該ピストンピン２０の内側面２０ｂまでを貫通する貫通孔である導入孔２３Ａを有している。導入孔２３Ａにおける外側面２０ａでの開口２３Ｐは、ピストンピン２０の軸方向に延びる長円形状であり、詳しくはピストンピン２０の軸方向に延びる楕円形状である。この導入孔２３Ａの延出方向は、ピストンピン２０の軸方向と直交する方向である該ピストンピン２０の径方向であり、また、導入孔２３Ａにおける外側面２０ａでの開口２３Ｐには、Ｒ面取りが施されている。
【００２０】
導入孔２３Ａのうち外側面２０ａ側には、導入孔２３Ａの断面積である流路面積がピストンピン２０の外側面２０ａからピストンピン２０の内側面２０ｂに向けて徐々に小さくなる楕円錐孔状の傾斜部２３Ｄが径方向に形成されている。また、導入孔２３Ａのうち内側面２０ｂ側には、上記傾斜部２３Ｄの流路面積よりも小さい流路面積からなる円形孔が、上記傾斜部２３Ｄから内側面２０ｂに向けて径方向に形成されている。
【００２１】
（実施例１）
次に、上記実施形態のピストンピン２０に生じる応力について、有限要素法（ＦＥＭ：Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）による解析結果の一例を用いて説明する。まず、実施例１及び比較例のＦＥＭ法に用いられた解析条件について、図１〜４、及び表１〜４を参照して説明する。
【００２２】
ＦＥＭ法に用いられたピストン１０、コネクティングロッド１５、ピストンピン２０の各々について、図２に示される各部Ａ〜Ｋの寸法を表１に示し、ピストン１０、コネクティングロッド１５、ピストンピン２０の各々の材質（ＪＩＳ記号）を表２に示す。また、図１に示された実施例１の開口２３Ｐにおける長径Ｒｘと短径Ｒｙとを表３に示し、図３に示される比較例の導入孔２３Ｂにおける各部Ｌ〜Ｑの寸法を表４に示す。
【００２３】
なお、図３に示されるように、比較例における導入孔２３Ｂは、外側面２０ａにおける開口２３Ｑが真円形状をなす多段円形孔であり、内側面２０ｂ側に向けて縮径されている。また、実施例１の導入孔２３Ａは、比較例１の導入孔２３Ｂに対して、上記傾斜部２３Ｄを設けたものであり、外側面２０ａでの開口２３Ｑには、Ｒ面取りが施されている。
【００２４】
そして、各部材の配置に関する条件、及び各部材間の連結態様に関する条件を以下のように設定し、ピストン１０の上面１０ａ側からピストン１０に対して２０ＭＰａの負荷加重が作用する際のピストンピン２０における応力を解析した。実施例１のピストンピンにおける解析結果を図４に示し、比較例のピストンピンにおける解析結果を図５に示す。なお、図４、５では、ピストンピン２０のうちで最も大きな応力が発生した部分を抜粋してそれを図示する。
【００２５】
・プラグ２２は、ピストンピン２０と一体化
・ブッシュ１７は、コネクティングロッド１５と一体化
・ピストン１０とシリンダーライナーとの接触面を拘束
・ピストン１０とピストンピン２０は接触状態
・ブッシュ１７とピストンピン２０は接触状態
・コネクティングロッド１５の大端穴は固定
図４に示されるように、実施例１の導入孔２３Ａにおける開口２３Ｐの付近には、最大で約５６５ＭＰａの引張り応力が発生していることが確認された。これに対して、図５に示されるように、比較例の導入孔２３Ｂにおける開口２３Ｑの付近には、実施例１にて認められた応力よりも大きく、最大で約８４５ＭＰａの引張り応力が発生していることが確認された。これから明らかなように、ピストンピン２０の外側面２０ａにおける導入孔の開口を軸方向に延びる楕円形状にすることによって、同開口が真円状状である場合に比べて、外側面２０ａにおける開口の付近に生じる応力が抑えられることが確認された。
【００２６】
これは、軸方向の引張り応力を受けた外側面２０ａにおいて、開口の付近における周方向の変化が、円形状よりも楕円形状の方が小さいためであるものと考えられる。それゆえに、開口における軸方向の径が同じという前提であれば、扁平率が高い開口を有する導入孔ほど、同じ大きさの曲げモーメントが作用したときに生じる応力が小さくなるものと考えられる。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【表２】
【００２９】
【表３】
【表４】
【００３０】
上記第１実施形態によれば、以下に列挙する効果が得られる。
（１）ピストンピン２０の外側面２０ａでは、導入孔２３Ａの開口２３Ｐがピストンピン２０の軸方向に延びる長円形状である。そのため、外側面２０ａにおける開口が真円形状である場合に比べて開口の付近に生じる応力が抑えられることとなる。それゆえに、こうした開口の付近における応力に対してピストンピンが耐え得るように、ピストンピン２０の材質や形状に加えられる制限、すなわちピストンピン２０そのものの設計上の制限を軽減することができる。
【００３１】
（２）ピストンピン２０の軸方向に延びる長円形状としては、上述した開口２３Ｐのように軸方向に延びる楕円形状の他、同じく軸方向に延びる角丸長方形状がある。ここで、これら楕円形状の開口と角丸長方形状の開口とが互いに同じ面積であって、且つピストンピンの周方向における長さが略等しいという前提では、角丸長方形状の開口における角部の曲率半径は、楕円形状の開口２３Ｐにおける短径方向の端点での曲率半径よりも自ずと小さくなる。そのため、楕円形状の開口２３Ｐにおける面積と角丸長方形状の開口における面積とが互いに等しく、且つピストンピンの周方向における長さが略等しいという前提では、導入孔２３Ａのように開口２３Ｐが楕円形状であることによって、開口付近に生じる応力が分散されやすくなり、該応力をさらに抑えることが可能である。
【００３２】
（３）導入孔２３Ａの開口２３Ｐは、該導入孔２３Ａの流路面積が外側面２０ａから内側面２０ｂに向けて小さくなる傾斜部２３Ｄの開口である。このような構成であれば、導入孔における流路面積が外側面２０ａから内側面２０ｂに向けて一定である場合よりも開口の付近に生じる応力を抑えることができる。
【００３３】
（４）ピストンピン２０の外側面２０ａから内側面２０ｂまでを貫通する貫通孔には、上述した導入孔２３Ａのように径方向に延びる貫通孔の他、径方向と交差する方向に延びる貫通孔がある。ただし、上述した導入孔２３Ａのような径方向に延びる貫通孔であれば、外側面２０ａと内側面２０ｂとを結ぶ貫通孔のなかで、導入孔２３Ａにおける流路長が最も短くなる。そして、これら径方向に延びる貫通孔と径方向と交差する方向に延びる貫通孔とが互いに同じ流路面積であるという前提であれば、外側面２０ａと内側面２０ｂとを結ぶ導入孔のなかで、該導入孔を通過するオイルの圧力損失が最も抑えられることとなる。
【００３４】
（５）また、上述した形状の導入孔２３は、ピストンピン２０に対するドリルを用いた穴あけ加工によって形成することが可能であるが、導入孔２３がピストンピン２０の径方向に沿った形状であれば、外側面２０ａにおける開口２３Ｐの付近に対し、加工に伴う負荷を軽減することも可能である。
【００３５】
（第２実施形態）
次に、本発明のピストンピンを具体化した第２実施形態について、図６及び図７を参照して説明する。
【００３６】
図６に示されるように、ピストンピン２０の内部である貯留部２１は、ピストンピン２０の軸方向の両端部に段差を有した多段の円形孔状に形成されている。このピストンピン２０の外側面２０ａには、該ピストンピン２０の軸方向における中央部から軸方向及び径方向に交差する方向に延びる円形孔である導入孔２３Ｃが延出形成されている。外側面２０ａにおける導入孔２３Ｃの開口２３Ｐは、ピストンピン２０における軸方向の中央部に形成されるとともに、導入孔２３Ｃの延出方向が軸方向に対して傾く分、該軸方向に延びる楕円形状に形成されている。なお、内側面２０ｂにおける導入孔２３Ｃの開口は、貯留部２１における軸方向の端部に形成された段差面２１ａに形成されている。このような導入孔２３Ｃは、例えばドリルを用いた穴あけ加工を導入孔２３Ｃの延出方向に施すことによって形成される。
【００３７】
（実施例２）
次に、上記実施形態のピストンピン２０に生じる応力について、ＦＥＭ法による解析結果の一例を用いて説明する。まず、実施例２のＦＥＭ法に用いられた解析条件について、図６を参照して説明する。
【００３８】
図６に示されるように、導入孔２３Ｃの内径を流路径Ｖとし、導入孔２３Ｃが延出される方向と軸方向とのなす角度を延出方向Ｗとし、これら流路径Ｖを３ｍｍ、延出方向Ｗを２１．５°とした。なお、実施例１における開口２３Ｐの扁平率（＝短径／長径）は０．５であり、実施例２における開口２３Ｒの扁平率は０．５７７である。
【００３９】
そして、ピストン１０、コネクティングロッド１５、ピストンピン２０における各部Ａ〜Ｋの寸法、各部材の材質、各部材の配置に関する条件、各部材間の連結態様に関する条件、及びピストンに対する負荷加重を第１実施形態と同じくしてピストンピン２０における応力を解析した。実施例２のピストンピンにおける解析結果を図７に示す。なお、図７でも、先の図４、５と同じく、ピストンピン２０のうちで最も大きな応力が発生した部位を抜粋してそれを図示する。
【００４０】
図７に示されるように、実施例２の導入孔２３Ｃにおける開口２３Ｒの付近には、最大で約５１１ＭＰａの引張り応力が発生していることが確認された。これにより、実施例２における引張り応力も、実施例１の導入孔２３Ａと同じく、先の比較例における引張り応力と比較して大幅に抑えられていることが認められた。
【００４１】
上記第２実施形態によれば、上記第１実施形態に記載した（１）（２）に準ずる効果に加えて、以下に列挙する効果が得られる。
（６）軸方向及び径方向に交差する方向に延びる導入孔２３Ｃは、ピストンピン２０に対するドリル加工によって形成することが可能であり、この際、ピストンピン２０の軸方向にドリルを移動させることなく、楕円形状の開口２３Ｒを形成することが可能である。そのため、径方向に延びる導入孔２３Ａに比べて、導入孔２３Ｃの形状を高い精度で再現することが可能である。
【００４２】
なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・ピストンピン２０の外側面２０ａにおける導入孔の開口は、ピストンピン２０の軸方向に延びる長円形状であればよい。
【００４３】
例えば、図８（ａ）に示されるように、内側面２０ｂにおける導入孔２３の開口が楕円形状をなしていてもよい。また、導入孔２３は、傾斜部２３Ｄが割愛された形状であって、その流路面積が導入孔２３の延出方向にて等しい形状であってもよい。
【００４４】
また、図８（ｂ）に示されるように、内側面２０ｂにおける導入孔２３の開口が楕円形状であって、内側面２０ｂから外側面２０ａにかけて長径が徐々に大きくなるような形状であってもよい。また、導入孔２３は、外側面２０ａにおける開口が軸方向に延びる角丸長方形状であってもよく、図８（ｃ）に示されるように、外側面２０ａ及び内側面２０ｂにおける開口が軸方向に延びる角丸長方形状であってもよい。さらに、導入孔２３は、図８（ｄ）に示されるように、外側面２０ａ及び内側面２０ｂにおける開口が角丸長方形状であって、内側面２０ｂから外側面２０ａにかけて軸方向における径が徐々に大きくなるような形状であってもよい。なお、これら図８（ａ）〜（ｄ）に示される導入孔の延出方向は、ピストンピン２０の軸方向及び径方向と交差する方向であってもよい。
【００４５】
・導入孔２３は、ピストンピン２０の外側面２０ａにおける開口が、該ピストンピン２０の軸方向に延びる長円形状であればよく、その流路面積を外側面２０ａから内側面２０ｂに向けて大きくなる傾斜部を有していてもよい。
【００４６】
・導入孔２３の開口が形成される位置は、例えばピストンピン２０における軸方向の端部であってもよく、ピストンピン２０における軸方向の中央部に限られるものではない。
【符号の説明】
【００４７】
１０…ピストン、１０ａ…上面、１１…嵌入部、１２…ピストンボス、１５…コネクティングロッド、１６…小端部、１７…ブッシュ、１８…油路、２０…ピストンピン、２０ａ…外側面、２０ｂ…内側面、２１…貯留部、２１ａ…段差面、２２…プラグ、２３，２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ…導入孔、２３Ｄ…傾斜部、２３Ｐ，２３Ｑ，２３Ｒ…開口、２４…供給孔。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンとコネクティングロッドとを連結する筒状をなすピストンピンであって、
当該ピストンピンの外側面から内側面までを貫通する貫通孔を有し、
前記外側面における前記貫通孔の開口が、当該ピストンピンの軸方向に延びる長円形状である
ことを特徴とするピストンピン。
【請求項２】
前記貫通孔の前記外側面における開口が、前記軸方向に延びる楕円形状である
請求項１に記載のピストンピン。
【請求項３】
前記貫通孔の延出方向が、前記軸方向に直交する方向である前記ピストンピンの径方向である
請求項１または２に記載のピストンピン。
【請求項４】
前記貫通孔の延出方向が、前記軸方向、及び該軸方向と直交する方向である前記ピストンピンの径方向と交差する
請求項１または２に記載のピストンピン。
【請求項５】
前記貫通孔が、該貫通孔の流路面積が前記外側面から前記内側面に向けて小さくなる傾斜部を有する
請求項１〜４のいずれか一項に記載のピストンピン。
【請求項１】
ピストンとコネクティングロッドとを連結する筒状をなすピストンピンであって、
当該ピストンピンの外側面から内側面までを貫通する貫通孔を有し、
前記外側面における前記貫通孔の開口が、当該ピストンピンの軸方向に延びる長円形状である
ことを特徴とするピストンピン。
【請求項２】
前記貫通孔の前記外側面における開口が、前記軸方向に延びる楕円形状である
請求項１に記載のピストンピン。
【請求項３】
前記貫通孔の延出方向が、前記軸方向に直交する方向である前記ピストンピンの径方向である
請求項１または２に記載のピストンピン。
【請求項４】
前記貫通孔の延出方向が、前記軸方向、及び該軸方向と直交する方向である前記ピストンピンの径方向と交差する
請求項１または２に記載のピストンピン。
【請求項５】
前記貫通孔が、該貫通孔の流路面積が前記外側面から前記内側面に向けて小さくなる傾斜部を有する
請求項１〜４のいずれか一項に記載のピストンピン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図６】
【図８】
【図９】
【図４】
【図５】
【図７】
【図２】
【図３】
【図６】
【図８】
【図９】
【図４】
【図５】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−５３７０９（Ｐ２０１３−５３７０９Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９３６５９（Ｐ２０１１−１９３６５９）
【出願日】平成２３年９月６日（２０１１．９．６）
【出願人】（０００００５４６３）日野自動車株式会社 (1,484)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月６日（２０１１．９．６）
【出願人】（０００００５４６３）日野自動車株式会社 (1,484)
【Ｆターム（参考）】
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