CN111911311A - 发动机的活塞及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的发动机的活塞包括：活塞主体，气缸的轴向上往返移动；以及活塞销，将活塞主体和连杆连结。所述活塞主体包括：活塞头，具有形成燃烧室的壁面的局部的冠面；以及一对销座部，分别与所述活塞头的冠面侧的相反侧连接，并且在所述活塞头的径向所含的第一方向上隔开间隔排列，而且分别具有在所述第一方向上被贯通的所述活塞销用的销孔。所述活塞头包括：一对中空部，在所述轴向上所述冠面和各所述销孔之间的位置分别沿着与所述轴向及所述第一方向这两个方向正交的第二方向延伸；以及微粒状填充材料，被填充在所述一对中空部中。由此，既能够抑制重量增大又能够降低发动机的振动。

Description

发动机的活塞及其制造方法

技术领域

本发明涉及发动机的活塞及其制造方法。

背景技术

往复式发动机(以下简称为发动机)中，在气缸内往复移动的活塞与曲轴通过连杆连结。详细而言，活塞具有沿气缸的内壁面移动的活塞主体和将该活塞主体与连杆连结的活塞销，连杆的小头部连结于活塞销，连杆的大头部连结于曲轴。

在这样的发动机结构中，已知活塞随燃料的燃烧(膨胀冲程)而发生的振动会经由连杆而传递给曲轴，并且进一步从曲轴的轴承部传递到气缸体侧壁面。该振动会较大程度地影响搭载该发动机的车辆的NVH(Noise Vibration Harshness(噪声振动不平顺))性能。为此，近几年公开了如下的结构：在活塞销内部设置销阻尼器，由此来降低活塞的振动，进而降低发动机的振动(例如日本专利公开公报特开2015-161322号)。

然而，在采用在活塞销的内部设置销阻尼器的以往结构的情况下，因设置了销阻尼器而相应地增大了包含活塞销的活塞整体的重量，因此，在考虑提高发动机的热效率时，以往结构还存在着改善的余地。

发明内容

本发明鉴于上述的情况而作，其目的在于提供一种既能够抑制重量增大又能够降低发动机的振动的发动机的活塞及其制造方法。

本发明一个方面涉及一种发动机的活塞，该活塞包括：活塞主体，沿着气缸的内壁面在该气缸的轴向上往返移动；以及活塞销，将所述活塞主体和连杆连结；其中，所述活塞主体包括：活塞头，具有形成燃烧室的壁面的局部的冠面；以及一对销座部，分别与所述活塞头的冠面侧的相反侧连接，并且在所述活塞头的径向所含的第一方向上隔开间隔排列，而且分别具有在所述第一方向上被贯通的所述活塞销用的销孔；其中，所述活塞头包括：一对中空部，在所述轴向上所述冠面和各所述销孔之间的位置分别沿着与所述轴向及所述第一方向这两个方向正交的第二方向延伸；以及微粒状填充材料，被填充在所述一对中空部中。

本发明另一个方面涉及一种所述活塞的制造方法，该制造方法包括：准备工序，准备铸型和用于形成所述中空部的型芯；浇注工序，将所述型芯设置于所述铸型并且对该铸型浇注金属材料；产品取出工序，从所述铸型中取出所述活塞主体，而且从该活塞主体中去除所述型芯来形成所述中空部；以及填充材料填充工序，将所述微粒状填充材料填充到所述中空部中。

本发明另外一个方面涉及另一种所述活塞的制造方法，该制造方法包括：预装体制造工序，制造装入了所述微粒状填充材料的填充材料预装体；浇注工序，准备铸型和所述填充材料预装体，将所述填充材料预装体作为嵌入件设置于所述铸型并且对该铸型浇注金属材料；以及产品取出工序，从所述铸型中取出活塞主体。

本发明另外一个方面涉及另一种所述活塞的制造方法，该活塞的制造方法包括：将金属粉末铺在造型底座上的工序；使用激光对铺在所述造型底座上的所述金属粉末进行扫描而使该金属粉末熔融并且使之固化的工序；以及使所述造型底座下降指定量的工序，该活塞的制造方法中，按以上顺序反复进行以上工序，从而按所述指定量以层状依次一层一层地对所述活塞主体进行造型；并且，在所述造型中，对与所述中空部相当的部位不照射所述激光而使所述金属粉末就此存留，从而使装入有作为所述微粒状填充材料的所述金属粉末的所述中空部设置在所述活塞主体的内部。

本发明另外一个方面涉及另一种所述活塞的制造方法，该制造方法包括：第一部分制造工序，制造第一部分，该第一部分是所述活塞主体的一部分且包含所述冠面；第二部分制造工序，制造第二部分，该第二部分是所述活塞主体中所述第一部分以外的部分，该第二部分包含用于形成所述中空部的至少局部的部分并且包含所述一对销座部；以及一体化工序，使所述第一部分与所述第二部分一体化。

根据本发明，既能够抑制重量增大又能够降低发动机的振动。

附图说明

图1是应用了本发明的实施方式所涉及的活塞的发动机的剖视图。

图2是上述活塞的活塞主体的立体图。

图3是上述活塞的活塞主体的主视图。

图4是上述活塞的活塞主体的俯视图。

图5是上述活塞的活塞主体的侧视图。

图6是上述活塞的活塞主体的仰视图。

图7是上述活塞的活塞主体的剖视图(图3的VII-VII线剖视图)。

图8是上述活塞的活塞主体的表示中空部的简略图。

图9是上述活塞的活塞主体的表示中空部的俯视图。

图10是表示振动衰减特性测试的结果的图(图形)。

图11是表示频率响应分析测试的结果的图(图形)。

图12是表示微粒状填充材料的粒子形状及粒径与损失系数的关系的图(图形)。

图13是活塞的制造方法(第四制造方法)的说明图。

图14是表示微粒状填充材料的粒径及填充密度与损失系数的关系的图(图形)。

具体实施方式

以下，参照附图来详述本发明的一具体实施方式。

[1.发动机的结构]

图1是应用了本发明的实施方式所涉及的活塞的发动机的剖视图。该图所示的发动机1是作为行驶用的动力源而被搭载在车辆上的四冲程直列四缸直接喷射式发动机。该发动机1具有：气缸体3，在内部具备第一至第四这四个气缸2；气缸盖4，以从上方封盖气缸2的方式安装在气缸体3的上表面；曲轴箱5，安装于气缸体3的下表面，与该气缸体3一起形成曲轴室；本发明所涉及的活塞6，能够往返滑动地插入在气缸2中。

活塞6的上方划分有燃烧室7，该燃烧室7被供应从图外的喷射器喷射来的以汽油作为主成分的燃料。而且，被供应来的燃料在燃烧室7中与空气混合并且基于图外的火花塞的点火而燃烧，活塞6受此燃烧而产生的膨胀力而在上下方向上往返运动。

在活塞6的下方设置有作为发动机1的输出轴的曲轴8。曲轴8经由连杆9而与活塞6连结，与活塞6的往返运动(上下运动)对应地围绕轴心而被转动驱动。详细而言，活塞6具备活塞主体6a和活塞销6b，活塞主体6a经由活塞销6b而连结于连杆9的小头部，连杆9的小头部相反侧的大头部连结于曲轴8。

气缸盖4中设有：用于将空气导入到燃烧室7的进气道10；用于导出在燃烧室7中生成的排气气体的排气道11；对进气道10的燃烧室7侧的开口进行开闭的进气门12；对排气道11的燃烧室7侧的开口进行开闭的排气门13。本实施方式的发动机1的气门形式是两进气门×两排气门的四气门形式。即，气缸盖4中按每一气缸2而设有：两个进气道10；对该两个进气道的开口分别进行开闭的两个进气门12；两个排气道11；对该两个排气道的开口分别进行开闭的两个排气门13。

进气门12和排气门13通过包含设置在气缸盖4上的一对凸轮轴等的气门传动机构的驱动而与曲轴8的转动联动地进行开闭。

气缸体3中设有在各气缸2的排气侧的侧壁内沿气缸列方向延伸的主油道14。该主油道14中流通着从发动机1所设置的机油泵(省略图示)排出的机油。在主油道14的下侧近傍处按每一气缸2而设有与该主油道14连通的活塞冷却用的喷油器15。该喷油器15具有配置在活塞主体6a的下侧的喷嘴15a，通过该喷嘴15a而朝后述的活塞头20的下侧面喷射发动机油(以下简称为机油)。本实施方式中，在发动机1的工作中，机油始终从喷油器15被喷射。

[2.活塞的具体的结构]

参照图2至图7来说明活塞6中主要是活塞主体6a的结构。图2至图7分别表示了活塞6的活塞主体6a，该活塞主体6a在图2中以立体图，在图3中以主视图，在图4中以俯视图，在图5中以侧视图，在图6中以仰视图，在图7中以剖视图(图3的VII-VII线剖视图)而被表示。

在以下的活塞主体6a的说明中，“上下方向”的定义与气缸2的轴向(气缸轴向)相同，“上”为燃烧室7侧，“下”为曲轴室侧。此外，“前后方向”(相当于本发明的“第一方向”)是指与曲轴8平行的方向，“前”与发动机1的前侧相对应，“后”与发动机1的后侧相对应。此外，“左右方向”(相当于本发明的“第二方向”)是指与“上下方向”及“前后方向”这两个方向正交的方向，“左”为与排气道11相向的一侧，“右”为与进气道10相向的一侧。各图中，以F侧、R侧的标记来表示发动机1的前侧、后侧的含义，以IN侧、EX侧的标记来表示分别与进气道10及排气道11相向的一侧的含义。

所述活塞主体6a包含活塞头20和通过让活塞头20的外周向下方延伸设置而成的一对裙部26a、26b。

活塞头20由圆柱体形成，其在上侧面具备形成燃烧室7的壁面的局部(底面)的冠面22，并且具备与气缸2的内壁面滑接的外周面24。所述冠面22是与屋脊型的燃烧室7的顶面相向的面，其以除了外缘部分以外的其他区域与该顶面相对应地向上侧(呈山形)突出的方式而被形成。冠面22包含配置在其径向大致中央部分的碗状的腔室23。腔室23是接受来自配置在燃烧室7的顶面上的图外的喷射器的燃料喷射的部分，是冠面22的局部向下方凹设而成的部分。

在活塞头20的外周面24上设有多个让活塞环嵌入的环槽25。本实施方式中，设有三个环槽25。各环槽25上，从靠近冠面22的环槽25起依次安装第一、第二压缩环(头道环、第二道环)及油环(均省略图示)。压缩环是为了使燃烧室7中所产生的燃烧气体不会窜漏到曲轴室侧而将活塞6与气缸2的内壁面之间密封的构件。此外，油环是用于将附着在气缸2的内壁面上的多余的机油刮去的构件。

一对裙部26a、26b中的一侧的裙部26a设于活塞头20的外周面24中的IN侧(右侧)，另一侧的裙部26b设于活塞头20的外周面24中的EX侧(左侧)。通过让这些裙部26a、26b与气缸2的内壁面滑接，能够抑制活塞6往返运动时的头部摆动。

在活塞头20的下侧面(与冠面相反侧的面)且所述一对裙部26a、26b之间的位置处设有前后一对销座部28a、28b。这些销座部28a、28b中的F侧(前侧)的销座部28a配置在所述一对裙部26a、26b的彼此的前端部之间。该销座部28a经由壁部27a而与裙部26a、26b的前端部相连。此外，R侧(后侧)的销座部28b配置在一对裙部26a、26b的彼此的后端部之间。该销座部28b经由壁部27b而与该裙部26a、26b的后端部相连。即，在活塞主体6a的仰视下，一对销座部28a、28b与一对裙部26a、26b经由壁部27a、27b而呈环状地相连续(参照图6)。

各销座部28a、28b中设有沿前后方向贯通的销孔29。活塞销6b(省略图示)以横跨于这些销座部28a、28b的销孔29的状态而穿设在各销座部28a、28b的销孔29中，活塞主体6a和连杆9经由该活塞销6b而被连结。

活塞头20的内部形成有中空部30，该中空部30中被填充有微粒状填充材料31。以下，对此进行详述。

图8及图9表示了活塞头20的中空部30，在该图中，以型芯的状态间接地表示了中空部30。即，活塞主体6a如后述的第一制造方法那样，通过铸造而被制造，中空部30通过型芯而形成。为此，在图8及图9中，为了方便图示，将中空部30替代为型芯来进行图示(说明时并非以型芯而是以中空部30来进行)。

如图3至图9所示，中空部30包含：中央中空部32(相当于本发明的“第二中空部”)，通过活塞头20的中心而在左右方向(活塞主体6a的径向)上延伸；一对侧中空部36a、36b(相当于本发明的“第一中空部”)，在中央中空部32的前后两侧的位置处，沿着中央中空部32而在左右方向上延伸；环状中空部40，沿着活塞头20的外缘部而在周向上延伸。中央中空部32的长边方向两端及一对侧中空部36a、36b的各长边方向两端与环状中空部40相连接，由此，中央中空部32及一对侧中空部36a、36b与环状中空部40彼此相连通。

中央中空部32是在上下方向上稍为扁平的剖面长方形的中空部。中央中空部32具有在俯视下随着从其长边方向两端往中央延伸而宽度逐渐增大的形状，在其中央部设有宽度比其他部分窄的窄幅部32a。

中央中空部32以与冠面22之间保持大致一定间隔且在左右方向上通过腔室23下方的方式而被设置。因此，中央中空部32在正视下(从F侧观察时)具有整体上形成上凸的拱形，且其的与腔室23对应的位置具体而言为所述窄幅部32a及其两侧的部分沿着腔室23而朝下凹陷地弯曲的形状(参照图7、图8)。

如图7及图8所示，在中央中空部32的内部且在其长边方向的多个位置处设有沿上下方向延伸且将该中央中空部32的上壁面和下壁面相连接的加强用的多个柱部33。多个柱部33的其中之一设置于中央中空部32的长边方向中央部也就是冠面22的中央部，而其他的柱部33在中央中空部32的长边方向上以按指定间隔排列成一列的方式而被设置。

所述一对侧中空部36a、36b是在前后方向上扁平的剖面长方形的中空部。该一对侧中空部36a、36b的各两端在中央中空部32的两端的近傍位置与环状中空部40相连接。

上述的一对侧中空部36a、36b中，F侧(前侧)的侧中空部36a在俯视下具有以向活塞头20的径向前侧凸出的方式弯曲且通过腔室23前方的形状。由此，该F侧的侧中空部36a以位于F侧(前侧)的销座部28a的销孔29上方的方式而被设置(参照图6、图7)。另一方面，R侧(后侧)的侧中空部36b在俯视下具有以向活塞头20的径向后侧凸出的方式弯曲且通过腔室23后方的形状。由该，该R侧的侧中空部36b以位于R侧(后侧)的销座部28b的销孔29上方的方式而被设置。

如图7所示，各个侧中空部36a、36b以位于各销座部28a、28b的销孔29的大致轴向中央部详细而言位于销孔29的上壁面上的轴向的大致中央部的上方的方式而被设置。如图3所示，在各个侧中空部36a、36b的长边方向上，且在与所述销孔29的中心O相对应的位置处设有从其他的部分向下方突出地延伸的延设部37。由此，在销孔29的近傍且其上方位置处设有各个侧中空部36a、36b的一部分(延设部37)。

此外，在侧中空部36a(36b)的内部设有沿前后方向延伸并且将该侧中空部36a(36b)的前壁面和后壁面相连接的加强用的多个柱部38。在从F侧或R侧观察侧中空部36a(36b)时，上述多个柱部38集中地设置在该侧中空部36a(36b)中主要与腔室23重合的区域。即，该侧中空部36a(36b)中与腔室23重合的区域上的柱部38的设置密度相比于其他部分的设置密度较高(参照图8)。

如上所述，所述中空部30中填充有微粒状填充材料31(图7所示)。微粒状填充材料31是金属粉末，本实施方式中，中空部30被填充由粒径(直径)30μm的真球状的铝合金制的粒子构成的金属粉末。有关微粒状填充材料31的最合适的填充密度在后面详述。

[3.作用效果]

根据上述的实施方式的活塞6，由于在活塞主体6a中设有中空部30，且在该中空部30中填充有微粒状填充材料31，因此，能够有效地抑制因燃烧室7内的燃料燃烧时(膨胀冲程)所发生的振动从活塞6往连杆9的传递。即，基于被填充在中空部30中的微粒状填充材料31的粒子彼此的摩擦以及中空部30的内壁面与粒子的摩擦，而将振动能转换为热能。因此，基于该能转换(减振作用)，能够抑制从活塞主体6a往活塞销6b的振动传递。此情况下，由于中空部30中的侧中空部36a、36b被配置在冠面22和各销孔29之间的位置，亦即被配置在活塞头20中因燃烧而产生的振动主要被传递到活塞销6b的路径内，因此，能够有效地抑制往活塞销6b的振动传递。因此，根据本实施方式的活塞6，能够有效地抑制从该活塞6往连杆9的振动传递。

而且，上述活塞6采用了在以往为实心结构的活塞主体6a(活塞头20)的局部中设置中空部30并且在该中空部30中填充微粒状填充材料31的结构，因此，与以往的一般的活塞(活塞主体)相比，在结构上难以伴随重量增大。因此，根据本实施方式的活塞6，既能够抑制重量增大，又能够抑制因燃烧而从活塞6往连杆9的振动传递，进而能够降低发动机1的振动。

尤其是由于实施方式的活塞主体6a不仅包含侧中空部36a、36b，而且还包含中央中空部32及环状中空部40，因此能够在更宽广的范围抑制因燃烧而从冠面22往活塞销6b的振动传递。具体而言，在冠面22上形成有腔室23且燃料朝着该腔室23喷射的实施方式的发动机1中，燃烧室7(冠面22)中，燃烧主要以腔室23为中心而扩大。因此，根据在与腔室23相对应的位置处设置中央中空部32且在该中央中空部32中填充微粒状填充材料31的实施方式的活塞6的结构，便能够有效地抑制因燃烧而在腔室23中产生的振动被传达给活塞销6b的情况。因此，能够更有效地抑制因燃烧而从活塞6往连杆9的振动传递。

而且，由于在位于腔室23近傍的侧中空部36a、36b和中央中空部32中分别设有加强用的多个柱部33、38，因此，具有如下优点：即使在活塞主体6a中设置中空部32、36a、36b，也能够恰当地确保活塞主体6a的耐用性。

详细而言，燃烧室7中的燃料的燃烧时，朝下方的燃烧压力作为一个整体作用于冠面22，并且在腔室23的内部，如图7中的空心箭头所示，朝下方的燃烧压力F1作用于腔室23的内底面，朝外方的燃烧压力F2作用于前后的内壁面。然而，中央中空部32的与腔室23相对应的中央部分为窄幅的部分(设有窄幅部32a)，而且在中央中空部32内设有多个将上壁面和下壁面相连接的加强用的柱部33。根据该结构，能够防止因燃烧压力F1而导致中央中空部32发生变形(被压溃)的情况。另一方面，有关侧中空部36a、36b，该侧中空部36a、36b自身为相对于来自上方的燃烧压力难以变形的在前后方向上扁平的剖面形状(剖面长方形)，而且在侧中空部36a、36b内设有多个将其前壁面和后壁面相连接的加强用的柱部38。尤其是上述的多个柱部38集中地设置在侧中空部36a、36b中与腔室23重合的区域。根据该结构，能够防止因燃烧压力F2而导致侧中空部36a、36b发生变形(被压溃)的情况。

所述中央中空部32和所述侧中空部36a、36b内被填充了微粒状填充材料31，因而会相对较难发生因燃烧压力F1、F2而导致的该中空部32、36a、36b的变形。然而，根据本实施方式的活塞6，由于采用了设置有柱部33、38的上述结构，因此，能够更高度地防止中央中空部32和侧中空部36a、36b的变形。因此，根据本实施方式的活塞6，既能够在活塞主体6a中设置中央中空部32和侧中空部36a、36b，又能够恰当地确保活塞主体6a的耐用性。

此外，根据上述活塞6(活塞主体6a)，基于填充在中空部30中的微粒状填充材料31的粒子彼此的摩擦和中空部30的内壁面与粒子的摩擦，振动能被转换为热能，因此，随着该能转换(减振作用)而有可能发生粒子彼此的烧结。然而，上述发动机1中，由于通过喷油器15将机油喷射给活塞6，因此，微粒状填充材料31间接地被冷却，由此，能够抑制粒子彼此的烧结。因此，根据该活塞6，能够通过所述能转换(减振作用)长久地抑制从活塞6往连杆9的振动传递。

[4.比较测试]

图10表示了为了验证本发明所涉及的活塞6的结构所起到的振动衰减效果(减振效果)而使用的模型(试样)的测试结果。该图所示的测试结果表示了：利用被假定为活塞主体的铝合金(A2017)制的试样#1～#4，根据无约束型阻尼复合梁的振动衰减特性测试方法(JISK7391)，而使试样#1～#4振动来测定其损失系数的结果。

此处，试样#1是由铝合金构成的实心结构的长方体状的金属体，试样#2是将试样#1的金属体设为晶格结构而成的试样。试样#3是在试样#2的金属体的中空部分中填充了金属粉末(铝合金制的微粒状填充材料)而成的试样。试样#4是在试样#3中填充了将金属粉末的粒子形状最优化后的亦即损失系数最高的金属粉末而成的试样，具体而言，是填充了由与上述微粒状填充材料31同样的粒径(直径)30μm的铝合金的真球状的粒子构成的金属粉末而成的试样。此外，测试结果以试样#1的损失系数为基准，用相对值来表示了试样#2至#4的损失系数，且表示了损失系数越大则振动的衰减效果越大的情况。

如图10所示，被填充有金属粉末的试样#3、#4相比于单纯地为实心结构的试样#1，损失系数大200倍至500倍左右，可以说基于试样#3、#4能够获得高的衰减效果。这可以考察到如下情况：基于金属粉末的粒子彼此的摩擦及金属体的内部壁面和粒子的摩擦而将振动能转换为热能，从而使试样#3、#4的振动得以衰减。

图11表示了针对上述实施方式(实施例)所涉及的活塞主体6a和以往的具有一般结构的活塞的活塞主体(比较例)来实施频率响应分析测试而得的结果。横轴是频率(Hz)，纵轴表示惰性(dB)的大小。此外，测试是通过脉冲锤对活塞主体的冠面施加规定值的激振力(N)且在销座部测定加速度(m/s²)并且根据测定结果来计算惰性(dB)而被进行。

如图11所示，实施例和比较例的惰性值在5900Hz前后均为最大，实施例的活塞主体的惰性的最大值相比于比较例的活塞主体较低。具体而言，低7％至9％左右。从该结果可考察到如下情况：根据填充了微粒状填充材料31的上述实施方式的活塞主体6a，利用从上述的振动能转换为热能的减振效果，能够有效地抑制从活塞主体6a往活塞销6b的振动传递。

[5.制造方法]

其次，对活塞主体6a的制造方法进行说明。作为上述的活塞主体6a的制造方法，较为理想的是以下的第一至第三制造方法。

<第一制造方法>

第一制造方法是通过铸造来制造活塞主体6a的方法，是最基本的制造方法。该方法包含准备工序、浇注工序、产品取出工序及填充材料填充工序。即，首先，准备用于形成活塞主体6a的外观的铸型和用于形成中空部30的型芯(准备工序)。作为型芯而准备在中空部30的说明中所用的图8所示那样的型芯。其次，对设置有型芯的铸型浇注呈熔融状态的铝合金(熔液)并使之凝固(浇注工序)，之后从铸型中取出铸件也就是活塞主体，而且进一步从该活塞主体中去除型芯从而形成中空部(产品取出工序)，并且对该中空部填充微粒状填充材料也就是填充由铝合金的真球状的粒子构成的金属粉末(填充材料填充工序)。此外，在铸造时在活塞主体中预先形成使所述中空部和外部连通的通道，通过该通道进行型芯的去除及微粒状填充材料的填充。在微粒状填充材料的填充后，通过用金属材料(铝合金)进行焊接而将该通道闭塞。由此，填充有微粒状填充材料31的上述活塞主体6a完成。

<第二制造方法>

第二制造方法在通过铸造来制造活塞主体6a这一点与第一制造方法相同。但是，第二制造方法中在如下这一点与第一制造方法有所不同，亦即，预先制造装入有微粒状填充材料的填充材料预装体(预装体制造工序)，以该填充材料预装体作为嵌入件，通过嵌入式铸造法来铸造(成型)活塞主体6a。即，第二制造方法包含所述预装体制造工序、浇注工序、产品取出工序。

所述预装体制造工序中的填充材料预装体的制造较为理想的是利用金属粉末层叠造型机(例如金属立体打印机)来进行。具体而言，利用金属粉末层叠造型机，以层状一层一层地按顺序进行形成，并且使这些层层叠来形成图8所示的型芯亦即在内部装入有金属粉末(由铝合金的真球状的粒子构成的粉末)的型芯。即，按照下面的顺序反复进行如下工序：将所述金属粉末铺在能够上下移动的造型底座上的工序；利用激光对铺在造型底座上的金属粉末进行扫描从而使金属粉末熔融，并且使之固化的工序；使造型底座下降规定量的工序。此时，对与所述中空部30相当的部位不照射激光而使金属粉末就此存留。由此，制造出与在内部装入有金属粉末(也就是微粒状填充材料31)的所述型芯相同形状的填充材料预装体。

在浇注工序中，准备用于形成活塞主体6a的外观的铸型和所述填充材料预装体，将填充材料预装体作为嵌入件设置于铸型，并且对该铸型浇注铝合金(熔液)并且使之凝固。在产品取出工序中，从铸型中取出内含有填充材料预装体的铸件亦即活塞主体。由此，完成具有填充有微粒状填充材料31的中空部30的上述活塞主体6a。

预装体制造工序的填充材料预装体的制造方法并不仅限于使用金属粉末层叠造型机的方法。例如，也可以通过铸造与图8所示那样的型芯相同形状且空心的的铸件，并且对该铸件填充微粒状填充材料也就是填充由铝合金制的真球状的粒子构成的金属粉末，来制造所述填充材料预装体。

<第三制造方法>

第三制造方法是利用金属粉末层叠造型机(例如金属立体打印机)来对活塞主体6a的整体进行造型的方法。例如通过从活塞主体6a的下端部(与冠面22相反的一侧的端部)开始以层状逐层地依次进行形成，并且使这些层重叠。即，按照下面的顺序反复进行如下工序：将所述金属粉末(由铝合金的真球状的粒子构成的粉末)铺在能够上下移动的造型底座上的工序；利用激光对铺在造型底座上的金属粉末进行扫描从而使金属粉末熔融，并且使之固化的工序；使造型底座下降规定量的工序。此时，对与所述中空部30相当的部位不照射激光而使金属粉末就此存留。由此，能够制造出具备在内部装入有金属粉末也就是微粒状填充材料31的中空部30的上述活塞主体6a。在采用该制造方法的情况下，活塞主体6a和被填充于中空部30的微粒状填充材料31便由相同的材料构成。

<第四制造方法>

第四制造方法是如下的方法：使活塞主体6a中的例如如图13中以虚线所示那样沿着将中空部30上下分割的线L的两个部分也就是包含冠面22的上侧的第一部分P1和相对于该第一部分P1而位于下侧的第二部分P2个别地形成，并且使它们一体化。

具体而言，可以采用如下方法中的任一方法：(A)在单个独立地制造了第一部分P1和第二部分P2后，通过将第一部分P1与第二部分P2焊接而成一体化的方法；(B)首先制造第二部分P2，然后，将第二部分P2作为嵌入件嵌入第一部分P1来进行铸造(成型)的方法。此情况下，在(A)方法中的两个部分P1、P2的制造时、以及(B)方法中的第二部分P2的制造时，可以利用铸造的方法，也可以利用金属粉末层叠造型机(例如、金属立体打印机)来进行造型的方法，只要根据活塞主体6a的具体的形状、结构适宜地进行选定便可。例如，利用金属粉末层叠造型机来制造形状及结构比较复杂的第二部分P2，通过铸造来制造第一部分P1，便可以缩短利用金属粉末层叠造型机进行制造时的时间。因此，能够合理地且效率良好地制造活塞主体6a。此外，在采用(B)方法的情况下，为了提高第一部分P1对第二部分P2的密合性，较为理想的是预先对第二部分P2中与第一部分P1接合的面实施喷沙等喷砂处理(喷砂加工)。

在采用(A)方法的情况下，能够按照上述的第一制造方法来填充微粒状填充材料。例如，在第二部分P2中预先形成连通中空部30与外部的通道，通过该通道来填充微粒状填充材料。此外，在采用(B)方法的情况下，能够按照第三制造方法来填充微粒状填充材料。即，通过预先制造装入有微粒状填充材料的填充材料预装体，将该填充材料预装体和第二部分P2作为嵌入件来铸造第一部分P1，便能够填充微粒状填充材料。

在第四制造方法中，将活塞主体6a分为第一部分P1和第二部分P2的所述线L的位置并不仅限于图13所示的位置。但是，线L的位置较为理想的是被设定在：以使第二部分包含中空部30的至少一部分和销座部28a、28b的方式来上下分割活塞主体6a的位置。

制造第一部分P1的工序、制造第二部分P2的工序、以及使第一部分P1和第二部分P2一体化的工序分别相当于本发明的第一部分制造工序、第二部分制造工序及一体化工序。因此，在以第二部分P2作为嵌入件而通过嵌入式铸造法来铸造(成型)第一部分P1的上述(B)方法中，便可以说第一部分制造工序和一体化工序通过一个工序而被执行。

[6.变形例等]

以上，对本发明的实施方式所涉及的活塞6及其制造方法进行了说明，但是，上述活塞6及其制造方法只不过是本发明所涉及的发动机的活塞及其制造方法的优选实施方式的例示，其的具体的结构及制造方法是可以在不脱离本发明主旨的范围内进行适当变更的。例如，还可以采用以下的方案。

(1)实施方式中，作为填充到活塞主体6a的中空部30中的微粒状填充材料31，而被填充由粒径(直径)30μm的真球状的铝合金的粒子构成的金属粉末。但是，金属粉末的粒子的形状及粒径并不仅限于此。例如也可以应用由椭圆形状的粒子构成的金属粉末。

图12是表示微粒状填充材料31的粒子的形状及粒径与损失系数的关系的图(图形)。该图表示了：利用在被假定为活塞主体的铝合金(A2017)制的容器中填充了铝合金的金属粉末的试样，根据无约束型阻尼复合梁的振动衰减特性测试方法(JISK7391)，而使该试样振动来测量其损失系数的结果。测试是针对由真球状的粒子构成的金属粉末和由椭圆形状的粒子构成的金属粉末这两个种类，分别改变粒子的粒径而被实施的。

如图12所示，在真球状的粒子和椭圆形状的粒子的任一情况下，均存在如下倾向：粒径相对较大，则损失系数也相对较大。此外，还存在如下倾向：不管粒径如何，真球状的粒子的损失系数相对于椭圆形状的粒子的损失系数相对地较大，这有可能是由于真球状的粒子相比于椭圆形状的粒子易于运动，从而相应地易于促进从振动能往热能的转换。

如该图所示，在由真球状的粒子构成的金属粉末的情况下，在粒径为10μm至100μm的范围，损失系数高，尤其是在粒径为30μm的情况下损失系数最大。因此，在作为微粒状填充材料31而应用由真球状的粒子构成的金属粉末时，较为理想的是将由粒径为10μm至100μm的范围的粒子构成的更较为理想的是将由粒径为30μm左右的粒子构成的金属粉末用作微粒状填充材料31。

图14是表示中空部30中的粒子填充材料31的填充密度(体积占有率)(％)和损失系数的关系的图(图形)。该图与获得图12的结果的测试同样地表示了：利用在被假定为活塞主体的铝合金(A2017)制的容器中填充了铝合金的金属粉末的试样，根据无约束型阻尼复合梁的振动衰减特性测试方法(JISK7391)，而使该试样振动来测量其损失系数的结果。测试是针对由真球状的粒径30μm的粒子构成的金属粉末和由真球状的粒径100μm的粒子构成的金属粉末，分别施加大小强度不同的激振力而被实施的。

在激振力小的情况下，如图14中的虚线所示，粒径的差而产生的对损失系数的影响比较小。粒径30μm和粒径100μm的任一者的金属粉末均在填充密度大致50％处的损失系数为最大，填充密度40％至60％的范围的损失系数相比于其余的范围的损失系数较大。

另一方面，在激振力大的情况下，如图14中的实线所示，在粒径30μm的金属粉末的情况下，与激振力小的情形同样地，在填充密度大致50％处的损失系数为最大，填充密度40％至60％的范围的损失系数相比于其余的范围的损失系数较大。对此，在粒径100μm的金属粉末的情况下，在填充密度35％处的损失系数为最大，填充密度25％至40％的范围的损失系数相比于其余的范围的损失系数较大。

根据以上的情况，可以说：在将由真球状的粒子构成的金属粉末作为微粒状填充材料31来应用的情况下，若中空部30中的粒子填充材料31的填充密度设定在25％至60％的范围，在获得减振效果这一方面上较为理想。

(2)实施方式中，应用了由铝合金构成的微粒状填充材料31，但是，微粒状填充材料31的材质并不仅限定于铝合金，其还可以应用由其他的材料构成的微粒状填充材料31。例如，其还可以应用由铜等导热系数大于铝合金的金属材料构成的微粒状填充材料31。此情况下，易于促进从振动能往热能的转换，能够期待更高程度的振动衰减效果。此外，还可以应用由陶瓷构成的微粒状填充材料31，此情况下，不仅能够期待振动衰减效果，而且还能够期待绝热效果。由此，在降低例如发动机的暖机运转时或稀薄燃烧运转时的热损失这一方面上有用。

此外，中空部30中所填充的微粒状填充材料31的粒子的材质并不仅限于一个种类，其还可以应用由材质或形状彼此不同的两个种类以上的粒子构成的微粒状填充材料31。例如可以应用混合铝合金的粒子和陶瓷或/及铜的粒子而成的微粒状填充材料31。

(3)实施方式中，中空部30是包含中央中空部32、一对侧中空部36a、36b、环状中空部40并且使之连通而成的结构。但是，中空部30的形状并不仅限于此。例如，其也可以是由中央中空部32、一对侧中空部36a、36b、环状中空部40互相分离独立而成的中空部。在此情况下，作为被填充于至少一部分的中空部中的微粒状填充材料31，也可以填充与其它的中空部的微粒状填充材料31不同种类(材质)的微粒状填充材料31。总之，考虑到活塞主体6a的形状等，中空部30只要被设置在能够有效地抑制振动传递的位置便可，此情况下所被填充的微粒状填充材料31的材质也只要按每一中空部来应用最佳的材质便可。

以上所说明的本发明总结如下。

本发明的一个方面所涉及的发动机的活塞包括：活塞主体，沿着气缸的内壁面在该气缸的轴向上往返移动；以及活塞销，将所述活塞主体和连杆连结；其中，所述活塞主体包括：活塞头，具有形成燃烧室的壁面的局部的冠面；以及一对销座部，分别与所述活塞头的冠面侧的相反侧连接，并且在所述活塞头的径向所含的第一方向上隔开间隔排列，而且分别具有在所述第一方向上被贯通的所述活塞销用的销孔；其中，所述活塞头包括：一对中空部，在所述轴向上所述冠面和各销孔之间的位置分别沿着与所述轴向及所述第一方向这两个方向正交的第二方向延伸；以及微粒状填充材料，被填充在所述一对中空部中。

根据该活塞的结构，基于被填充在活塞主体的中空部中的微粒状填充材料的粒子彼此的摩擦以及中空部内壁面和粒子的摩擦，因燃料的燃烧(膨胀冲程)而产生的活塞主体的振动能被转换为热能。由此，能够抑制从活塞主体往活塞销的振动传递。尤其是由于所述中空部被设置在冠面和各销孔之间的位置，因此能够有效地抑制从冠面往活塞销的振动传递。

而且，该活塞的结构是在以往被设为实心结构的活塞头的局部设置了所述中空部并且在该中空部中填充了微粒状填充材料的结构，因此，难以导致活塞主体的重量增大。因此，根据该活塞，既能够抑制重量增大，又能够降低发动机的振动。

上述活塞中较为理想的是，所述中空部的所述第二方向上的两端分别位于所述活塞头的外缘部。

根据该结构，能够在更宽广的范围抑制从冠面往活塞销的振动传递。由此，在降低发动机的振动的方面上更为有利。

上述各技术方案的活塞中较为理想的是，所述中空部内形成有沿所述第一方向延伸的柱部。

根据该结构，通过柱部来抑制基于燃烧压力的中空部的变形，由此能够良好地确保活塞主体的刚性。

上述各技术方案的活塞中较为理想的是，所述一对中空部分别被定义为第一中空部时，所述活塞头还包括：腔室，形成在所述冠面上；第二中空部，被设置在所述一对第一中空部之间且至少与所述腔室对应的位置上；以及微粒状填充材料，被填充在所述第二中空部中。

近几年的发动机中，例如为了进行在高压缩比下的层状燃烧，而有时会在活塞主体的冠面上设置腔室(凹部)，并且使燃料朝着该腔室喷射，来使其点火。在这样的发动机中，燃烧便以燃烧室(冠面)中的腔室的位置为中心而扩大。因此，根据在与腔室相对应的位置上设置被填充有微粒状填充材料的第二中空部的上述结构，能够更有效地抑制因燃烧而产生的从冠面往活塞销的振动传递。

上述各技术方案的活塞中较为理想的是，所述活塞头还包括：环状中空部，沿着所述活塞头的外缘在周向上延伸；以及微粒状填充材料，被填充在所述环状中空部中。

根据该结构，能够在活塞主体的外缘部(周缘部)抑制从冠面往活塞销的振动传递。由此，在实现降低发动机的振动的方面上更为有利。

上述各技术方案的活塞中较为理想的是，所述微粒状填充材料的粒子的形状为球状。

微粒状填充材料的粒子的形状例如也可以为椭圆形状，但如果是球状，则粒子自身变得更易于运动，粒子彼此的摩擦及粒子和中空部内壁面的摩擦得以促进。即，根据球状的微粒状填充材料，能够使振动能更效率良好地转换为热能，能够更高程度地抑制从活塞主体往活塞销的振动传递。

此情况下，较为理想的是所述粒子的粒径为10μm至100μm。此外，较为理想的是所述中空部中的所述微粒状填充材料的填充密度为25％至60％。

通过将微粒状填充材料的粒子的粒径和中空部中的填充密度设定在这样的范围内，如前述的测试结果所示，能够获得高的振动抑制效果，能够高度地抑制度从活塞主体往活塞销的振动传递。

本发明的另一个方面所涉及的活塞的制造方法是制造上述的活塞主体的方法，该活塞的制造方法包括：准备工序，准备铸型和用于形成所述中空部的型芯；浇注工序，将所述型芯设置于所述铸型并且对该铸型浇注金属材料；产品取出工序，从所述铸型中取出所述活塞主体，而且从该活塞主体中去除所述型芯来形成所述中空部；以及填充材料填充工序，将所述微粒状填充材料填充到所述中空部中。

根据该制造方法，通过利用铸型和型芯这样的一般的铸造方法便能够制造上述的活塞主体。

此外，本发明的另一个方面所涉及的活塞的制造方法是制造上述的活塞主体的方法，该活塞的制造方法包括：预装体制造工序，制造装入了所述微粒状填充材料的填充材料预装体；浇注工序，准备铸型和所述填充材料预装体，将所述填充材料预装体作为嵌入件设置于所述铸型并且对该铸型浇注金属材料；以及产品取出工序，从所述铸型中取出活塞主体。

根据该制造方法，通过将预先制造的填充材料预装体作为嵌入件的所谓的嵌入式铸造法来进行铸造(成型)，能够制造出上述的活塞主体。

此外，本发明的另一个方面所涉及的活塞的制造方法是制造上述的活塞主体的方法，该活塞的制造方法包括：将金属粉末铺在造型底座上的工序；使用激光对铺在所述造型底座上的所述金属粉末进行扫描而使该金属粉末熔融并且使之固化的工序；以及使所述造型底座下降指定量的工序，该活塞的制造方法中，按以上顺序反复进行以上工序，从而按所述指定量以层状依次一层一层地对所述活塞主体进行造型；并且，在所述造型中，对与所述中空部相当的部位不照射所述激光而使所述金属粉末就此存留，从而使装入有作为所述微粒状填充材料的所述金属粉末的所述中空部设置在所述活塞主体的内部。

根据该制造方法，利用金属立体打印机等金属粉末层叠造型机，能够制造出上述的活塞主体。

此外，本发明的另一个方面所涉及的活塞的制造方法是制造上述的活塞主体的方法，该活塞的制造方法包括：第一部分制造工序，制造第一部分，该第一部分是所述活塞主体的一部分且包含所述冠面；第二部分制造工序，制造第二部分，该第二部分是所述活塞主体中所述第一部分以外的部分，该第二部分包含用于形成所述中空部的至少局部的部分并且包含所述一对销座部；以及一体化工序，使所述第一部分与所述第二部分一体化。

根据如此将活塞主体分为第一部分和第二向部分来进行制造的方法，能够以彼此不同的方法来制造出第一部分和第二部分。由此，通过根据活塞主体的具体的形状来选择第一部分和第二部分的制造方法，能够合理地且效率良好地制造出上述的活塞主体。

Claims (12)

1.一种发动机的活塞，其特征在于包括：

活塞主体，沿着气缸的内壁面在该气缸的轴向上往返移动；以及

活塞销，将所述活塞主体和连杆连结；其中，

所述活塞主体包括：

活塞头，具有形成燃烧室的壁面的局部的冠面；以及

一对销座部，分别与所述活塞头的冠面侧的相反侧连接，并且在所述活塞头的径向所含的第一方向上隔开间隔排列，而且分别具有在所述第一方向上被贯通的所述活塞销用的销孔；其中，

所述活塞头包括：

一对中空部，在所述轴向上所述冠面和各所述销孔之间的位置分别沿着与所述轴向及所述第一方向这两个方向正交的第二方向延伸；以及

微粒状填充材料，被填充在所述一对中空部中。

2.根据权利要求1所述的发动机的活塞，其特征在于：

所述中空部的所述第二方向上的两端分别位于所述活塞头的外缘部。

3.根据权利要求1或2所述的发动机的活塞，其特征在于：

所述中空部内形成有沿所述第一方向延伸的柱部。

4.根据权利要求1所述的发动机的活塞，其特征在于：

所述一对中空部分别被定义为第一中空部时，

所述活塞头还包括：

腔室，形成在所述冠面上；

第二中空部，被设置在所述一对第一中空部之间且至少与所述腔室对应的位置上；以及

微粒状填充材料，被填充在所述第二中空部中。

5.根据权利要求1所述的发动机的活塞，其特征在于：

所述活塞头还包括：

环状中空部，沿着所述活塞头的外缘在周向上延伸；以及

微粒状填充材料，被填充在所述环状中空部中。

6.根据权利要求1所述的发动机的活塞，其特征在于：

所述微粒状填充材料的粒子的形状为球状。

7.根据权利要求6所述的发动机的活塞，其特征在于：

所述粒子的粒径为10μm至100μm。

8.根据权利要求1所述的发动机的活塞，其特征在于：

所述中空部中的所述微粒状填充材料的填充密度为25％至60％。

9.一种活塞的制造方法，其特征是制造权利要求1至8中任一项所述的活塞主体的方法，该活塞的制造方法包括：

准备工序，准备铸型和用于形成所述中空部的型芯；

浇注工序，将所述型芯设置于所述铸型并且对该铸型浇注金属材料；

产品取出工序，从所述铸型中取出所述活塞主体，而且从该活塞主体中去除所述型芯来形成所述中空部；以及

填充材料填充工序，将所述微粒状填充材料填充到所述中空部中。

10.一种活塞的制造方法，其特征是制造权利要求1至8中任一项所述的活塞主体的方法，该活塞的制造方法包括：

预装体制造工序，制造装入了所述微粒状填充材料的填充材料预装体；

浇注工序，准备铸型和所述填充材料预装体，将所述填充材料预装体作为嵌入件设置于所述铸型并且对该铸型浇注金属材料；以及

产品取出工序，从所述铸型中取出活塞主体。

11.一种活塞的制造方法，其特征是制造权利要求1至8中任一项所述的活塞主体的方法，该活塞的制造方法包括：

将金属粉末铺在造型底座上的工序；

使用激光对铺在所述造型底座上的所述金属粉末进行扫描而使该金属粉末熔融并且.使之固化的工序；以及

使所述造型底座下降指定量的工序，

该活塞的制造方法中，按以上顺序反复进行以上工序，从而按所述指定量以层状依次一层一层地对所述活塞主体进行造型；并且，在所述造型中，对与所述中空部相当的部位不照射所述激光而使所述金属粉末就此存留，从而使装入有作为所述微粒状填充材料的所述金属粉末的所述中空部设置在所述活塞主体的内部。

12.一种活塞的制造方法，其特征是制造权利要求1至8中任一项所述的活塞主体的方法，该活塞的制造方法包括：

第一部分制造工序，制造第一部分，该第一部分是所述活塞主体的一部分且包含所述冠面；

第二部分制造工序，制造第二部分，该第二部分是所述活塞主体中所述第一部分以外的部分，该第二部分包含用于形成所述中空部的至少局部的部分并且包含所述一对销座部；以及

一体化工序，使所述第一部分与所述第二部分一体化。

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