피스톤에는 연소압력에 의한 폭발하중과 왕복운동에 의한 관성력이 작용하며, 고온의 연소가스에 의한 열변형이 발생하므로 피로파괴, 용손(溶損), 섭동부에서의 마모 및 융착과 같은 손상이 발생하기 쉬운 매우 예민한 부품이기 때문에 설계시 매우 신중을
기해야 하는 부품이다.

또한, 피스톤에 작용하는 상기의 여러 힘들에 의해 왕복운동 뿐만 아니라, 실린더 원주방향으로의 흔들림도 발생하며, 이러한 거동은 피스톤과 실린더를 충돌하게 하여 슬랩소음의 원인이 될 뿐만 아니라 오일소모에도 영향을 주게 되므로 설계시 반드시 염두에 두어야 한다.

따라서, 피스톤 아셈블리를 설계할 때에는 이러한 손상의 방지, 소음저감, 마찰손실 및 소음저감을 위한 경량화를 고려해야 하고, 최근에는 배기가스 규제가 엄격해 지고 있기 때문에 톱랜드 크레비스 체적 축소에 의한 배기가스 저감에도 유의해야 한다.

피스톤 재료로는 일반적으로 AC8A, AC8C와 같은 알루미늄 합금이 사용되며, 강도 향상 및 치수 안정성 향상을 위해 T5-T7의 열처리를 실시한다.

특별히 고부하 엔진에서는 알루미늄 단조 피스톤이나 주철제 피스톤이 사용되기도 한다. 피스톤 각부의 제원을 결정할 때 유의할 점은 다음과 같다.

■ 피스톤 크라운

연소실의 일부를 형성하므로 고온의 열을 효과적으로 주위에 전달해야 하며 폭발압력에 대하여 견디는 충분한 강도와 고온가스 및 신기에 의한 열적 충격에 견디는 강도도 확보해야한다.

■ 링홈 및 랜드부

- 피스톤 링이 기능을 유지하도록 하면서 링 스틱, 링 및 링홈의 이상마모, 슬러지 퇴적 방지
- 링 측면 간극은 손상을 일으키지 않는 최소로 설정하고, 링 거동이 안정되도록 설정
- 링 홈 가공면의 조도는 블로바이에 큰 영향을 줌
- 톱랜드 상부는 열변형을 억제하고, 2nd랜드는 가스압력에 의해 절단되지 않도록 설계
- 고부하 엔진에서는 톱링 홈 마모대책으로 알루마이트처리를 실시
- 디젤엔진에서는 링홈 및 랜드 부에 주철제 캐리어나 FRM을 인서트함.

■ 피스톤 핀 보스 및 핀 옵셋

- 피스톤 핀 보스에는 폭발압과 관성력이 작용하므로 높은 응력과 면압이 됨.
- 과도한 변형과 파손 방지를 위해 강성과 강도 확보 필요
- 응력 완화를 위해 리브 형상 및 피스톤 핀 구멍 면취를 둠.
- 핀 구멍 베어링 면은 핀의 상대속도가 작아 윤활상태가 가혹하므로 조도를 향상하고 오일 구멍 및 Side relief 고려 필요.
- 피스톤 거동 안정 및 슬랩음 저감을 위해 가솔린엔진의 경우는 핀을 트러스트 방향으로 약간 옵셋하는 것이 바람직 함.

■ 피스톤 스커트

- 피스톤 왕복운동시 가이드 역할
- 스커트 길이와 강성은 피스톤 핀 중심 상부의 중량에 상응하게 결정
- 스커트 형상은 슬랩음, 내스커프성, 마찰손실, 윤활유 긁어내림 등에 많은 요소에 영향을 줌.
- 스커트는 실린더와의 국소 접촉을 피하도록 트러스트가 긴 오발리티를 부여하며, 상하방향으로는 열팽창을 고려하여 상부의 직경
감소량이 큰 프로파일로 함.

■ 피스톤 조립간극

- 피스톤과 실린더 사이의 기밀유지, 윤활 및 슬랩음을 고려하여 설정함.
- 간극이 작으면 피스톤 거동이 안정되고 슬랩음이 감소하지만, 열팽창에 의한 스카프 우려가 커짐.
- 피스톤 조립간극을 작게 하기 위해 오일링 홈내에 슬릿을 두거나, 열팽창량이 작은 니켈합금강을 주입한 스트러트 피스톤도 있음.

■ 피스톤 냉각

- 열부하가 높은 디젤엔진이나 터보과급의 고출력 가솔린엔진에서는 윤활유를 피스톤 배면에 쏘아주는 Cooling jet이 사용됨.
- Cooling jet에서 쏜 오일이 순환하는 통로를 피스톤 크라운 내에 설치하는 Cooling gallery piston도있음.