JP2575465Y2 - ピストンのリングランド構造 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、内燃機関のピストン構
造に係るものであり、特にＦＣＤ（球状黒鉛鋳鉄）一体
形構造のピストンにおいて、リング・ライナの摩耗低減
と、ボス部の応力低減を図るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術について、図９から図１５に
おいて図示している。そして、図９から図１５において
示す如く、従来は第１リング裏部の肉厚は周方向で一定
に構成されていたのである。即ち、コージェネ機関を除
く通常の機関では、負荷変動が比較的大きい為に、ピス
トン熱負荷や熱変形量も大きく変化する為に、従来構造
のピストンであっても、リング溝下面角度は負荷変動に
より、ピストンの変形状態が変化するので、リング摺動
面の摩耗形状は自然に円弧状に形成されていたのであ
る。その結果、リングやライナの摩耗量も少なかったの
である。

【０００３】図９は従来のピストンのリングランド構造
を示す側面断面図、図１０は従来のピストンの運転中熱
変形した時のピン軸断面とピン直角断面における第１リ
ング溝下面４ａの傾きを示す図面、図１１は従来のピス
トンのピストン頂面５に係る荷重のピン軸断面とピン直
角断面における状態を示す側面図、図１２は従来の爆発
上死点における第１リング溝下面とライナ内面に直角な
面の傾斜角度を示す図面、図１３は従来のガス圧の作用
していない状態における第１リング摺動面とライナ内面
の角度を示す図面、図１４は従来のピストンのピン軸断
面付近肉厚１とピン直角断面付近肉厚２が同じであるこ
とを示す平面図、図１５は従来構造でコージェネ機関に
用いられて一定回転負荷で運転された場合、リング先端
が鋭角状プロフィールとなる状態と鋭角状プロフィール
となった状態で最小油膜厚さが非常に小さくなることを
示す図面である。

【０００４】図９において示すピストン断面の如く、従
来はピン軸断面付近肉厚部１の厚さｔＰと、ピン直角断
面付近肉厚部２の厚さｔＴは同じ厚さに構成されていた
のである。故に、図１０に示す如く、ピストンが運転中
熱変形状態における第１リング溝４のリング溝下面４ａ
の傾斜角度である角度θＰと、角度θＴは同じとなって
いたのである。また図１１に示す如く、ピストン頂面５
に係る荷重も、内側のボス８に大部分が掛かっていたの
である。また、図１２に示す如く、爆発上死点付近にお
いて、ピストンが変形した状態の第１リング溝４のリン
グ溝下面４ａの角度は、「角度θＰ＝角度θＰ」となっ
ていたのである。故に、ガス圧の作用していない場合で
ある図１３においては、第一リング７が弾性力により水
平に戻った場合のライナ内面と第一リング７の先端断面
との角度θＰ’と角度θＴ’も同じとなっていたのであ
る。

【０００５】図１４において示す如く、従来は、ピン軸
断面付近肉厚部１の厚さｔＴと厚さｔＰが同じであった
ので、第一リング７の先端の摩耗角度である角度θＴ’
と角度θＰ’がほぼ同じとなり、第一リング７がエンジ
ンの運転と共に、３６０°回転したとしても、何時も同
じ角度でライナの内面に接当することとなり、先端形状
が円弧状プロフィール７ｂではなくて鋭角状プロフィー
ル７ａとなっていたのである。該鋭角状プロフィールと
なることにより、ライナ９内面の油膜層の削り取りが激
しく、最小油膜厚さが薄くなり、リングやライナの摩耗
が激しかったのである。またピストン頂面５に係る筒内
圧荷重が内側のボス８のみに掛り、内側ボス部は過負荷
状態となっていたのである。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】このように、コージェ
ネ機関のような一定回転・一定負荷で長時間運転される
エンジンの場合には、ピストンの変形状態が常時一定と
なるのでリング摺動面プロフィールがテーパ状となり易
く、油膜の形成が困難となってリング及びライナ９の摩
耗が大きくなるという不具合があったのである。本考案
は、リング摺動面の摩耗メカニズムとリング回転の特性
に、ピストン変形の周方向での変化を組み合わせて、一
定回転・一定負荷の元でのコージェネ機関の場合でも、
自動的に油膜形成に有利な円弧状プロフィールが形成で
きるように構成したのである。また従来のピストン構造
であると、ピストン頂部の筒内圧荷重のピンへの伝達が
内側のボスに集中し、応力過大となるのである。本考案
はこの不具合をも解消するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本考案の解決しようとす
る課題は以上の如くであり、次に該課題を解決するため
の手段を説明する。冷却空洞を有するＦＣＤ一体形構造
のピストンにおいて、該ピストンの第一リング７から下
方のリングランド部肉厚を、ピン軸断面付近の肉厚部１
の厚さｔＰを厚く、ピン直角断面付近の肉厚部２の厚さ
ｔＴを薄く構成し、円周方向に沿って厚さｔＴと厚さｔ
Ｐを徐々に変化させたものである。

【０００８】

【作用】次に作用を説明する。第１リング溝４のリング
溝下面４ａの角度は、負荷運転時に変形するのである
が、この変形時のピン軸断面側の角度θＰが、厚肉とし
て剛性大の為にピン直角断面側の角度θＴよりも小とな
るのである。このように、ピン軸断面側の角度θＰと、
ピン直角断面側の角度θＴが相違することにより、エン
ジンの運転と共に第一リング７が、ピストンの円周上で
回転すると、リング摺動面７ａの摩耗形状は図７に示す
如く、自然に円弧状に形成されていくのである。

【０００９】

【実施例】次に実施例を説明する。図１は本考案のピス
トンのリングランド構造を示す側面断面図、図２は本考
案のピストンのピン軸断面とピン直角断面における、運
転中熱変形した時第１リング摺動面４ａの傾きを示す図
面、図３は本考案のピストンのピストン頂面５に係る荷
重のピン軸断面とピン直角断面における状態を示す側面
図、図４は爆発上死点における第１リング溝下面とライ
ナ内面に直角な面との傾斜角度を示す図面、図５はガス
圧の作用していない状態における第１リング摺動面とラ
イナ内面の角度を示す図面、図６は本考案のピストンの
ピン軸断面付近肉厚１とピン直角断面付近肉厚２を相違
した状態を示す平面図、図７はリングがピストンの周囲
を回転することにより徐々に、リング先端が円弧状プロ
フィールとなる状態を示す図面、図８は該円弧状プロフ
ィールとなった状態で油膜厚さの変化を示す図面であ
る。

【００１０】図１において説明する。即ち、コージェネ
機関等に使用するエンジンのピストンにおいて、本考案
はピストンピン嵌入孔３に沿った方向の断面であるピン
軸断面付近で、第１リング溝４の裏側の肉厚部１の厚さ
ｔＰを、ピン直角断面の肉厚部２の厚さｔＴよりも大に
構成したのである。そして実際は、図６において図示す
る如く、円周方向に沿って厚さｔＴと厚さｔＰを徐々に
変化しているのである。

【００１１】このように構成することにより、第１リン
グ溝４のリング溝下面４ａの角度は、負荷運転時に熱変
形量により変形するのであるが、この変形時のピン軸断
面側の角度θＰが、ピン直角断面側の角度θＴよりも小
となるのである。このように、ピン軸断面側の角度θＰ
と、ピン直角断面側の角度θＴが相違することにより、
エンジンの運転と共に第一リング７が、ピストンの円周
上で回転すると、リング摺動面７ａの摩耗形状は図７に
示す如く、自然に円弧状に形成されていくのである。

【００１２】また図３と図６において、ピストン頂面５
に係る筒内圧荷重について説明する。従来のピストン構
造であると、ピストン頂面５の筒内圧荷重のピンへの伝
達が内側のボス８の部分に集中し、該内側のボス８の部
分が応力過大となっていたのである。本考案はこの不具
合をも解消することが出来るのである。即ち、従来はピ
ン軸断面付近肉厚部１やピン直角断面付近肉厚部２の部
分の厚さｔＰ及び厚さｔＴが同じであり、その厚さは薄
かったので、この部分において筒内圧荷重を受けること
が少なかったのである。本考案においては、このピン軸
断面付近肉厚部１の部分を、ピン直角断面付近肉厚部２
の部分よりも厚くすることにより、内側のボス８の部分
への応力過大状態をも解消することが出来たのである。

【００１３】図４においては、爆発上死点付近における
第一リング７の状態を示している。そして、ピン軸断面
付近肉厚部１の部分は、厚さｔＰと厚いので、変形量が
少なく、またピン直角断面付近肉厚部２の方は厚さｔＴ
を薄く構成しているので、変形量が多く、第一リング溝
下面４ａの傾斜角度である、「角度θＰ＜角度θＴ」と
なるのである。図５においては、ガス圧の作用してない
時を示している。この場合には、第一リング７は弾性力
により水平状態に戻り、ライナ９の内壁と第一リング７
の先端面との角度は、角度θＰ’と角度θＴ’となるの
である。この場合にも、「角度θＰ’＜角度θＴ’」の
状態を維持している。

【００１４】次に図７において説明する。図６に示す如
く、ピストンの円周において、ピン直角断面付近肉厚部
２の部分で「厚さｔＰ＞厚さｔＴ」に構成したことによ
り、「角度θＰ＜角度θＴ」となり、このように角度θ
Ｔと角度θＰが相違する円周上で、第一リング７がエン
ジンの運転に従い回転することにより、図７の如く、第
一リング７の先端面が、角度θＰ’と角度θＴ’の２段
で摩耗が繰り返されて、円弧状プロフィールが構成され
るのである。

【００１５】次に図８を説明する。このように、第一リ
ング７の先端外周面の断面形状が、鋭角状プロフィール
７ａではなくて、円弧状プロフィール７ｂに構成するこ
とにより、図８の如く、ライナ９の内面と円弧状プロフ
ィールとが接触しても、油膜面を掻き落とす作用は適度
となり、最小油膜厚を大きく残すことが可能となり、リ
ングやライナ９の摩耗量を減少させることが出来るので
ある。

【００１６】

【考案の効果】本考案は以上の如く構成したので、次の
ような効果を奏するのである。第１に、第１リング摺動
面は爆発上死点付近で、ガス圧力により溝下面に押しつ
けられて、ライナ９の内面により摩耗する。この為、第
１リング溝４の部分の肉厚を、本考案の如く変化させて
おけば、運転中の熱変形や筒内圧変形により第１リング
溝下面角度は周方向で変化し、リング摺動面の摩耗形状
であるテーパ角も周方向で変化する。そしてリングは運
転中においてピストンの周囲を回転する為、リング摺動
面形状は円弧状となり、油膜を形成し易く、リング及び
ライナの摩耗量が減少する。

【００１７】第２に、ピン軸断面付近の肉厚を厚くする
ことにより、頂面筒内圧荷重は内側ボスとリング裏部に
分散されて、ピン部に伝達されるのでボス部応力も低減
されるのである。

【００１８】第３に、コージェネ機関の場合に、従来構
造のピストンを使用すると、リングやライナの摩耗が早
い為に、ＬＯＣ・ブローバイ性能が短時間に悪化し易い
ので、リングやライナの交換を頻繁にするか、又は機関
寿命が短くなって、コージェネ機関に要求される耐久性
が満足されないという不具合が発生するのであるが、本
考案のピストンではこの不具合を解消出来るのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案のピストンのリングランド構造を示す側
面断面図。

【図２】本考案のピストンのピン軸断面とピン直角断面
における、第一リング溝下面４ａの傾きを示す図面。

【図３】本考案のピストンのピストン頂面５に係る荷重
のピン軸断面とピン直角断面における状態を示す側面
図。

【図４】爆発上死点における第１リング溝下面とライナ
内面に直角な面との傾斜角度を示す図面。

【図５】ガス圧の作用していない状態における第１リン
グ摺動面とライナ内面の角度を示す図面。

【図６】本考案のピストンのピン軸断面付近肉厚１とピ
ン直角断面付近肉厚２を相違した状態を示す平面図。

【図７】リングがピストンの周囲を回転することにより
徐々に、リング先端が円弧状プロフィールとなる状態を
示す図面。

【図８】該円弧状プロフィールとなった状態で油膜厚さ
の変化を示す図面である。

【図９】従来のピストンのリングランド構造を示す側面
断面図。

【図１０】従来のピストンのピン軸断面とピン直角断面
における第１リング溝下面４ａの運転時熱変形による傾
きを示す図面。

【図１１】従来のピストンのピストン頂面５に係る荷重
のピン軸断面とピン直角断面における状態を示す側面
図。

【図１２】従来の爆発上死点における第１リング溝下面
とライナ内面に直角な面との傾斜角度を示す図面。

【図１３】従来のガス圧の作用していない状態における
第１リング摺動面とライナ内面の角度を示す図面。

【図１４】従来のピストンのピン軸断面付近肉厚１とピ
ン直角断面付近肉厚２が同じであることを示す平面図。

【図１５】従来構造でコージェネ機関に用いられて、一
定回転負荷で運転された場合、リング先端が鋭角状プロ
フィールとなる状態と鋭角状プロフィールとなった状態
で最小油膜厚さが非常に小さくなることを示す図面であ
る。

【符号の説明】

１ ピン軸断面付近肉厚部 ２ ピン直角断面付近肉厚部 ３ ピストンピン嵌入孔 ４ 第１リング溝 ４ａ 第１リング溝下面 ５ ピストン頂面 ７ 第一リング ７ａ 鋭角状プロフィール ７ｂ 円弧状プロフィール ８ 内側のボス ９ ライナ

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷却空洞を有するＦＣＤ一体形構造のピ
   ストンにおいて、該ピストンの第一リング７から下方の
   リングランド部肉厚を、ピン軸断面付近の肉厚部１の厚
   さｔＰを厚く、ピン直角断面付近の肉厚部２の厚さｔＴ
   を薄く構成し、円周方向に沿って厚さｔＴと厚さｔＰを
   徐々に変化させたことを特徴とするピストンのリングラ
   ンド構造。