ピストン
ピストンはシリンダ内部を往復運動し、気体や液体の圧力を機械的な力へ、またはその逆へと変換する中核部品である。内燃機関では燃焼圧を受けてコンロッドを介しクランク軸にトルクを与え、油圧・空気圧機器では媒体圧で駆動力を得る。頭部（クラウン）、リング溝、スカート、ピンボスなどの要素で構成され、作動温度・荷重・潤滑条件に合わせた材料、寸法公差、表面処理が設計の要所となる。気密と潤滑の両立、熱膨張の管理、摩耗と応力集中の回避が、ピストン設計の基本原理である。
役割と作動原理
ピストンは上下死点間を往復し、圧縮・膨張・吸排気などの行程を実現する。クラウン面が受ける圧力はピンボスを通じピストンピンに伝達され、コンロッドからクランク機構で回転力へ変換される。油圧・空圧ではシールを介して圧力差を保持し、推力F＝圧力P×有効面積Aで直線運動を得る。往復時には側圧によりスカートがシリンダ壁を支持し、姿勢安定と摺動のバランスを取る。
基本構造
クラウンは燃焼熱と圧力を受ける耐熱部で、形状はディッシュ、ドーム、リセス付など目的に応じ最適化される。リング溝には一次・二次の圧縮リングとオイルリングを配し、気密保持と油膜制御を担う。スカートはガイド部であり、オーバル・テーパ形状で熱変形後の真円化を狙う。ピンボスは高応力部で、肉盗みやリブで剛性と軽量化を両立する。潤滑孔や冷却ギャラリーを備える場合もある。
材料と表面処理
内燃機関ではアルミ合金鋳造・鍛造が主流で、軽量・高熱伝導により応答性と冷却性を確保する。高負荷用途や大型機関では球状黒鉛鋳鉄が選ばれる。表面はスカートにモリブデン系固体潤滑膜やグラファイトコート、クラウンに耐熱皮膜、ピンボス周りにショットピーニングを適用することがある。熱膨張率差を考慮し、合金組成と熱処理で寸法安定性と高温強度を確保する。
ピストンリング
トップリングは主気密部で、面取りやバレル形状で初期なじみと油膜保持を両立する。セカンドリングは背圧制御とオイル掻き取りを補助し、ブローバイ低減に寄与する。オイルリングはサイドレールとエキスパンダの組合せが一般的で、油膜厚を適正化する。材質は合金鋳鉄や鋼が多く、表面にクロム、窒化、DLC等のコーティングを施し、耐摩耗・耐焼付き性を高める。
寸法・クリアランス設計
ピストンとシリンダの当たりは冷間時と熱間時で異なるため、オーバル（X-Y差）とテーパ（上下差）を付け、作動温度域での真円・直筒化を狙う。ピストン－シリンダのすきまは熱膨張、油膜厚、荷重、加工精度を総合して決定する。リング側隙間・背隙間はシール性能と動的追従性を左右し、端隙は熱膨張を見込んで設定する。ピン嵌合は浮動式・半浮動式など方式に合わせ、焼付き回避と騒音抑制を両立する。
潤滑と冷却
スカート部は流体潤滑～境界潤滑が混在するため、表面粗さと油溝配置、供給量の最適化が有効である。高負荷機ではオイルジェットによりクラウン裏面を直接冷却し、熱応力・リングランド温度を低減する。オイルリングの掻き取りとドレーン孔の配置は油消費に直結し、過剰供給は炭化堆積や失火を招くため系統全体で均衡を取る。
製造と加工
鋳造は複雑形状とコストに優れ、鍛造は高強度・高靱性を得られる。機械加工ではリング溝加工の直角度・面粗さ、ピンボスの同芯度、スカートの微細プロファイルが性能を左右する。最後に選択的なスカートコーティングや計測により、質量ばらつきと重心位置を規定範囲へ収め、エンジン全体のNVH低減に寄与させる。
故障モードと診断
- スカッフィング／シージャ：潤滑不良やクリアランス不足で発生。縦傷、焼付き痕が現れる。
- リングランド欠損：デトネーションや異常燃焼で溝部が破損。圧縮抜けとオイル消費増加を伴う。
- ピンボス割れ：高応力集中や過回転が原因。打音増加と異常摩耗が兆候。
- クラウン溶損：過熱・過進角で局所溶解。堆積物や噴霧悪化が誘因となる。
設計指針と最適化
軽量化は慣性力低減と高回転化に直結するが、剛性・熱容量・寿命のバランスが重要である。FEMで応力と温度場を評価し、ピンボス周りやリングランドの肉厚配分を最適化する。ブローバイと油消費はリング張力・端隙・溝形状・ホーニング面と相互作用するため、要因分離実験での同定が有効である。低摩擦化はスカートテクスチャ、低張力リング、低粘度油の組合せで段階的に進める。
用途とバリエーション
自動車・二輪・産業用発動機のほか、コンプレッサや油圧・空圧シリンダでもピストンは用いられる。ガソリン直噴や過給機付では局所温度が高く、冷却ギャラリーや耐熱コートを併用する。大型ディーゼルではロングストロークに合わせ、リング位置やピンオフセットを最適化する。近年は低フリクション化と排出ガス規制対応のため、軽量・高強度化と精密な表面設計が進展している。