JP2009523942A - 内燃機関用の冷却通路ピストン - Google Patents

Abstract

本発明は、小さなコンプレッションハイト用の冷却通路ピストンとして構成された、内燃機関用のピストン（１）を製造する方法に関する。このピストン（１）は、下側部分（２）と上側部分（３）とを有しており、該下側部分（２）と上側部分（３）とは、単数又は複数の対応する接合平面（１０，１１，１２）を介して互いに支持されていて、摩擦溶接を用いて結合されている。ピストン（１）は、パン形状に形成された内側冷却通路（８）と、リング領域（４）に対して軸方向間隔をおいて配置された外側冷却通路（９）とを有している。内側冷却通路（８）は、機械的な加工、特に鍛造によって、ピストン（１）の下側部分（２）に形成される。冷却通路（８，９）に配属されたオーバフロー開口（２２，２３）は、接合平面（１０，１１，１２）の摩擦溶接の前に形成される。

Description

本発明は、特許請求の範囲における独立請求項の上位概念部に記載された形式の、鋼製の冷却通路ピストン及びその製造方法に関する。

従来の技術
ＵＳ６１５５１５７に開示された冷却通路ピストンは、互いに別個に製造可能な２つの構成部材を有しており、両構成部材は一体的な冷却通路ピストンを形成するために、摩擦溶接法を介して素材結合式に接合されている。冷却通路としては、ピストンのリング領域に対して間隔をおいて位置していて細く寸法設計された環状のリング通路が設けられており、このリング通路は、供給兼排出孔を介してピストン内部形状に向かって開放している。位置固定に位置決めされた噴射ノズルを介して、冷却通路には、冷却媒体、特にオイルが供給される。比較的簡単に実現可能なこの冷却通路は、その設けられている位置に基づいて、ピストンを十分に冷却することができない。

発明の課題
ゆえに本発明の課題は、高負荷可能な鋼製の冷却通路ピストンのための最適な冷却作用を実現することである。

この課題を解決するために、本発明では、各独立請求項の特徴部に記載のようにした。

第１の発明は、鋼から鋳造又は鍛造されていて少なくとも２つの部分から少なくとも１つの接合箇所において摩擦溶接によって結合された冷却通路ピストンを製造する方法であって、冷却通路ピストンが外側冷却通路の他に、少なくとも１つの別の内側冷却通路を有していて、該内側冷却通路が少なくとも１つのパン形状の凹設部を備えており、内側冷却通路のこのパン形状の部分領域、つまり機械的な加工、鍛造又は鋳造法によって製造された、内側冷却通路のパン形状の部分領域は、ピストンのリング領域に対して軸方向で間隔をおいて配置された外側冷却通路と、少なくとも１つのオーバフロー開口を介して接続されている。内側冷却通路の部分的にパン形状の構成は、冷却オイル中空室、ひいては冷却オイル受容部を有利に増大させ、これによってピストンのシェーカ作用を改善し、ひいては全体としてピストンの冷却作用を著しく高めることができる。

部分的にパン形状の内側冷却通路の形状付与は、有利には孔として形成される、冷却通路間のオーバフロー開口の形成を簡単化する。本発明によれば、冷却通路間のオーバフロー開口は、少なくとも１つ（実施例では３つ）の接合平面の摩擦溶接の前に、下側部分に形成され、この接合平面を介しては上側部分と下側部分とが互いに支持されている。オーバフロー開口はこの場合有利にはパン形状の凹設部の領域において開口することができる。オーバフロー開口の位置決めに対する自由度は、オーバフロー開口の位置決定、つまりもっぱら冷却媒体の最適な供給と十分な量との観点から行うことができる、オーバフロー開口の位置決定を可能にする。この場合、上側部分と下側部分との間における接合平面に対して十分な間隔を保つことができ、有利である。

三次元的な間隔に基づいて、既に形成されているオーバフロー開口は、次いで行われる少なくとも１つの接合平面の摩擦溶接及びこの際に生じる溶接ビードによって妨げられない。本発明のように短いコンプレッションハイトのピストンに組み込まれた冷却通路は、燃焼室凹部の全面にわたって最適な冷却作用を生ぜしめる。この場合大きなボリュームをもって形成された冷却通路は、ピストン重量を減じることができ、有利である。パン形状の拡大部の分だけピン孔の上において拡大されている内側冷却通路及び外側冷却通路の壁厚を合わせるもしくは調整することによって、極めて高い要求にも耐えかつ安価に製造可能な、構造強度の高いピストンが実現される。

本発明による冷却通路の有利な構成では、冷却通路が、ピストンの最大の熱負荷を受ける領域にも延在している。そのために、部分的にパン形状の内側冷却通路はピン孔の領域に、鉛直方向に方向付けられた区分を有しており、この区分には端部側に、ピストンの対称軸線に対して斜めに方向付けられたＬ字形に曲げられた回転対称的な区分が接続している。内側冷却通路の、斜めに延びるこの区分は、ピストンの燃焼室凹部の輪郭に対して間隔をおいて該輪郭に追従している。半径方向外側において内側冷却通路には、外側冷却通路が接続している。ピストンリング領域に対して平行に間隔をおいて配置された外側冷却通路は、リング領域の長手方向寸法を上回って延びている。内側冷却通路及び外側冷却通路は、該冷却通路がほぼ等しい壁厚の壁によって取り囲まれているように、ピストン内に配置されている。加工及び製造を簡単化するために、特に、短いコンプレッションハイトの場合には、冷却通路に配属されたオーバフロー開口がすべてピストン下側部分に形成されていると有利である。

第２の発明は、中央の内側冷却通路を備えた鋼製の冷却通路ピストンを製造する方法であって、該方法が転圧法を含んでおり、凹部形状に追従するドーム状に形成された中央のピストン内部領域に、機械的な加工を用いてカバーエレメントとの関連において、内側冷却室又は内側冷却通路が形成されており、該内側冷却室又は内側冷却通路に、半径方向間隔をおいてもしくは半径方向にずらされて、外側冷却通路が配属もしくは対応配置されており、ピストンの製造プロセスは、供給孔とも呼ぶことができる冷却オイル用のオーバフロー開口が、外側冷却通路と内側冷却通路との間に形成された後で、転圧法が用いられるようになっている。転圧法は、ピストンリング領域を内方への曲げによって最終位置にもたらすために、用いられる。

本発明は、内側冷却室を形成するために、内部領域を下方に向かって閉鎖するカバーエレメント又は成形部材を有している。そのためには円板状又はポット状に形成されたカバーエレメントが使用されると有利である。カバーエレメントを固定するためには、有利には形状結合式及び／又は摩擦力結合式の固定、例えばプレス結合が適している。しかしながら択一的に、溶接結合又はろう接結合を、冷却媒体用の少なくとも１つの流出開口を備えたカバーエレメントを固定するために使用することもできる。

ＤＥ３７１３１９１Ｃ１に基づいて公知の、２部分から成るピストンの鍛造されたヘッドを製造する方法では、最終位置にリング区分を曲げる方法ステップが開示されている。このピストンは単に、外側に配置された細い冷却通路を有しているだけであり、この冷却通路はピストンを部分的にしか冷却することができず、その結果ピストンに対する大面積にわたる十分な冷却作用を保証することができない。例えば公知のピストンでは、内側の燃焼室凹部の領域に所望のように冷却媒体が供給されることはない。

このような公知の構成とは異なり、本発明によるピストンの構成は、最適な冷却作用を可能にする。中央の凹部形状に追従する内側冷却通路又は内側冷却室を介して、該内側冷却通路又は内側冷却室に対して半径方向間隔をおいて配置された外側冷却通路との関連において、熱負荷を強く受けるすべてのピストン領域が、内外の冷却通路による冷却作用を受ける。冷却通路の所望の配置形式に関連した転圧法によって、ピストン頂部全体をカバーする最適化された冷却作用有しかつ高い構造強度をもつ鋼製ピストンを実現することができる。従って本発明によるピストンは、極めて高い負荷耐性を有していて、高出力密度の内燃機関において使用することができる。

本発明によるコンセプトは、ピストンの製造を、特に、有利には孔として形成されるオーバフロー開口の形成を簡単にもしくは最適にする。従来の鋼製ピストンにおける孔の形成は、かなりの製作費を必要とした。ピストン内部における接近が困難なことに基づいて、常に斜めに延びる孔を、長いドリルを用いてしか製造することができなかった。本発明による方法は、内側冷却通路又は内側冷却室から延びていて外側冷却通路に開口するオーバフロー開口を配置するために、大きな構造空間を提供する。オーバフロー開口の位置、延在方向及び数は、もっぱら冷却通路の改善された冷却媒体供給を目的として、ピストンの最適な冷却作用のために、有利に決定することができる。

本発明によるピストンの別の有利な構成では、内側冷却室を形成するために、燃焼室凹部の形状に追従する中央の内部領域が、冷却液のための保持容積室として働く環状のリング溝を有している。このリング溝は有利には、機械的な加工を用いて製造される。

本発明の別の観点によれば、上側部分と下側部分とを有する鋼製の冷却通路ピストンを製造するために、少なくとも１つの主溶接結合部と組み合わせられた転圧法が用いられている。この方法は以下のステップを有している。すなわちピストン内に内側冷却通路又は内側冷却室を形成した後で、そこで下側部分と上側部分とが互いに支持し合う対応する接合領域が、溶接される。そのためには有利には摩擦溶接が行われる。次いで、内側冷却通路と外側冷却通路とを接続するオーバフロー開口が形成される。このようなオーバフロー開口も溶接の前に形成すると有利である。最後に、転圧法のような変形プロセスによって、ピストンリング領域がその最終位置へと内方に曲げられる。

次に図１〜図７を参照しながら、本発明による冷却通路ピストンの種々異なった実施例を説明する。

図１は、冷却通路ピストンの第１実施例を示す断面図であり、
図２は、図１に示された冷却通路ピストンを９０°回動させて示す断面図であり、
図３は、冷却通路ピストンの第２実施例を示す断面図であり、
図４は、冷却通路ピストンの第３実施例を示す断面図であり、
図５は、冷却通路ピストンの第４実施例を示す断面図であり、
図６は、冷却通路ピストンの第５実施例を示す断面図であり、
図７は、図６に示された冷却通路ピストンを９０°回動させて示す断面図である。

図１及び図２にはそれぞれ、冷却通路ピストン、つまり内部に冷却通路を備えたピストンとして形成されている、内燃機関用のピストン１が、半分の縦断面図で示されており、このピストン１は下側部分２と上側部分３とから形成されている。このピストン１はさらに、３つのピストンリングのためのリング領域４と燃焼室凹部５とピストンスカート６とピン孔７とを有している。下側部分２と上側部分３とが組み立てられた後で、ピストン１は内側冷却通路８と外側冷却通路９とを形成する。この場合下側部分２と上側部分３とは、軸線方向及び半径方向において互いにずらされて配置された３つの接合平面１０，１１，１２を介して支持されており、これらの接合平面１０，１１，１２は１つの構成ユニットを形成するために、摩擦溶接によって結合される。しかしながらまた、接合平面の数は他の数でもよい。

溶接部についてさらに説明すると、各接合平面１０，１１，１２には冷却通路８，９に向かって溶接ビード１３，１４，１５，１６が形成されている。下側部分２の接合領域１７ａ，１７ｂ，１７ｃと対応する上側部分３の接合領域１８ａ，１８ｂ，１８ｃとの共働によって、個々の接合平面１０，１１，１２が形成され、これらの接合平面１０，１１，１２は同時にピストン１内において冷却通路８，９を画成している。ボトル状に成形された外側の冷却通路９は、リング領域４を上回る長手方向長さを有している。内側冷却通路８のパン形状の構造は、図１に示されているように、ピン孔７の領域に鉛直方向に延びる区分１９を形成しており、この区分１９にはその端部に、ピストン１の対称軸線２０に対して斜めに延びているほぼＬ字形に屈曲された区分２１が接続している。ピン孔７の上側の領域の外側において、冷却通路８は区分２１に限定されており、この区分２１は、燃焼室凹部５の輪郭に追従して、該輪郭に対して間隔をおいて延びている。冷却媒体供給のために、ピストン１の下側部分２及び上側部分３内において部分的に延びている冷却通路８，９には、オーバフロー開口２２，２３が配属されている。この場合冷却通路８は対称軸線２０の近傍に、流出開口とも呼ぶことができるオーバフロー開口２２を有している。接合平面１１の下における中間壁には、冷却通路８を冷却通路９と接続するオーバフロー開口２３が設けられている。

ピストン１の構造及び製造方法は、下側部分２と上側部分３との摩擦溶接の前におけるオーバフロー開口２２，２３の製造を可能にし、これによってオーバフロー開口２２，２３の形成は簡単になる。オーバフロー開口２２の位置及び数は、制限されておらず、冷却媒体供給に関する要求に応じてほぼ任意に選択することができる。オーバフロー開口２３の位置及び数は、パン形状の凹設部１９に制限されている。図１及び図２に示されているように、冷却通路８，９は、ほぼ均一な壁厚を有する壁によって取り囲まれる。このように構成されていることによって、熱の排出が改善され、ピストン１の構造強度が最適化される。

図３〜図７には、図１及び図２に示されたピストン１に対して択一的に構成されたピストン３１が示されている。

図３に示されたピストン３１を製造するために、始めに、上側部分３３の中央の内部領域５３内に、内側冷却室３８ａが形成される。この冷却室３８ａの内壁はこの場合、燃焼室凹部３５の輪郭に対して間隔をおいて延びている。さらに、冷却室３８ａを冷却通路３９と接続する少なくとも１つのオーバフロー開口４５が、内側冷却室３８ａを画成する壁に形成される。斜めに上昇するように形成されたオーバフロー開口４５の代わりに、任意の形状又は位置でオーバフロー開口を形成することも可能である。下側部分３２及び上側部分３３はそれぞれ接合領域４１ａ，４１ｂを有しており、両接合領域４１ａ，４１ｂは共働して１つの接合平面４０を形成しており、この接合平面４０を介して下側部分３２と上側部分３３とは摩擦溶接によって結合される。

接合平面４０に対して十分な間隔を有していることに基づいて、オーバフロー開口４５は、摩擦溶接の溶接ビード４２，４３による影響を受けることはない。溶接を行った後で、リング領域３４は、図３には示されていない外方旋回させられたポジションから最終位置に向かって内方に曲げられ、この最終位置においてリング領域３４の周面はピストン３１の対称軸線５２に対して同心的に延びており、このリング領域３４の周面は同時に、ピストンスカート３６の外輪郭と合致する。これにより、リング領域３４は外側冷却通路３９の外側を画成することになる。転圧法（Waelzdrueckverfahren）は、リング領域３４とピストンスカート３６との間において生ぜしめられる円弧状に延びる接合部４６のシールを保証する。内側冷却室３８ａは、下方にピン孔３７に向かっては、下側部分２と一体に結合された底部４７によって画成される。冷却室３８ａへの冷却媒体供給のために、底部４７には、少なくとも１つの同心的なオーバフロー開口４４が設けられている。

図４に示された実施形態ではピストン３１は接合平面を有していない。製造方法の中間段階（図示せず）において、リング領域３４は旋回させられているので、オーバフロー開口４５は、内方へのリング領域３４の曲げ込みが行われる前に、特殊な工具なしに形成することができる。内側冷却室３８ｂの下側を画成するために、有利には金属薄板から円板状に製造されたカバーエレメント４８が設けられており、このカバーエレメント４８は溶接又はクランプによってピストン壁に持続的に固定される。冷却媒体供給のために、カバーエレメント４８には少なくとも１つのオーバフロー開口４４が形成されている。

図５に示されたピストン３１は、図４の実施形態とは異なり、ポット形状に成形されたカバーエレメント４９を有していて、内側冷却室３８ｂを閉鎖している。有利には切削加工なしに深絞り法によって製造可能なカバーエレメント４９は、ピストン３１の上側のボス領域５０に配属もしくは対応配置されている。固定のためには、溶接又は硬ろう接又は択一的に、カバーエレメント４９を摩擦力結合式（kraftschluessig）にボス５０に固定することができるクランプ結合が適している。

図６に示された実施形態ではピストン３１は、有利には機械的に製造された内側冷却通路３８ｃを有している。そのために上側のボス領域及び該ボス領域に対して垂直な領域５１にはリング通路が形成されており、このリング通路は燃焼室凹部３５に向かって開放されている。図７は、図６に示されたピストン３１が、９０°ずらされた半分の縦断面図で示されている。この図６及び図７から、領域５１及び冷却通路３８ｃが環状に配置されていることが明らかである。さらに図６及び図７から、ピストン３１は異なった方向に延びる複数のオーバフロー開口４５を有していることが分かる。

冷却通路ピストンの第１実施例を示す断面図である。 図１に示された冷却通路ピストンを９０°回動させて示す断面図である。 冷却通路ピストンの第２実施例を示す断面図である。 冷却通路ピストンの第３実施例を示す断面図である。 冷却通路ピストンの第４実施例を示す断面図である。 冷却通路ピストンの第５実施例を示す断面図である。 図６に示された冷却通路ピストンを９０°回動させて示す断面図である。

符号の説明

１ ピストン、 ２ 下側部分、 ３ 上側部分、 ４ リング領域、 ５ 燃焼室凹部、 ６ ピストンスカート、 ７ ピン孔、 ８ 内側冷却通路、 ９ 外側冷却通路、 １０，１１，１２ 接合平面、 １３，１４，１５，１６ 溶接ビード、 １７ａ，１７ｂ，１７ｃ 溶接領域、 １８ａ，１８ｂ，１８ｃ 溶接領域、 １９ 区分、 ２０ 対称軸線、 ２１ 区分、 ２２，２３ オーバフロー開口、 ３１ ピストン、 ３２ 下側部分、 ３３ 上側部分、 ３４ リング領域、 ３５ 燃焼室凹部、 ３６ ピストンスカート、 ３７ ピン孔、 ３８ａ，３８ｂ 冷却室、 ３８ｃ 冷却通路、 ３９ 冷却通路、 ４０ 接合平面、 ４１ａ，４１ｂ 接合領域、 ４２，４３ 溶接ビード、 ４４，４５ オーバフロー開口、 ４６ 接合部、 ４７ 底部、 ４８，４９ カバーエレメント、 ５０，５１ 凹部縁、 ５２ 対称軸線、 ５３ 内部領域

Claims (14)

1. 内燃機関用の鋼製のピストン（１）を製造する方法であって、ピストン（１）が、少なくとも２つの冷却通路（８，９）を備えた小さなコンプレッションハイト用の一体的な冷却通路ピストンとして構成されていて、下側部分（２）と上側部分（３）とを有しており、該下側部分（２）と上側部分（３）とが、少なくとも１つの対応する接合平面（１１）を介して互いに支持されていて、接合法、特に摩擦溶接を用いて結合されている、内燃機関用のピストン（１）を製造する方法において、ピストン（１）が、ピン孔（７）の上側領域においてパン形状のジオメトリ（１９）を有していて機械的な加工、鍛造又は鋳造によって製造された内側冷却通路（８）と、ピストン（１）のリング領域（４）に対して間隔をおいて位置する外側冷却通路（９）とを有しており、内側冷却通路（８）が、外側冷却通路（９）に通じる少なくとも１つのオーバフロー開口（２３）を有していて、該オーバフロー開口（２３）が、内側冷却通路（８）のパン形状の部分領域に開口しており、内側冷却通路（８）がさらに、ピストン内部形状に開口する少なくとも１つのオーバフロー開口（２２）を有しており、孔を、少なくとも１つの接合平面（１１）の摩擦溶接の前にピストン（１）に形成することを特徴とする、内燃機関用のピストンを製造する方法。
2. 請求項１記載の方法に基づいて製造されたピストン（１）であって、上側部分（３）と下側部分（２）とが、正確に３つの対応する接合平面（１０，１１，１２）を介して、接合法、特に摩擦溶接によって、結合されており、接合平面の壁が、両方の冷却通路（８，９）の壁の部分領域を形成していることを特徴とするピストン。
3. 請求項１記載の方法に基づいて製造されたピストン（１）であって、内側冷却通路（８）のパン形状の部分領域（１９）が、ピン孔（７）の領域においてほぼ鉛直方向に方向付けられていて、該部分領域（１９）の端部側に、ピストン（１）の対称軸線（２０）に対して斜めに方向付けられた屈曲された区分（２１）が接続していることを特徴とするピストン。
4. 冷却通路（８，９）が部分的にピストン（１）の下側部分（２）及び上側部分（３）に配置されている、請求項２又は３記載のピストン。
5. 冷却通路（８，９）が、ほぼ等しい壁厚の壁によって取り囲まれている、請求項２又は３記載のピストン。
6. 冷却通路（８，９）が、燃焼室凹部（５）の輪郭に対して間隔をおいて該輪郭に追従してピストン（１）内に形成されている、請求項２又は３記載のピストン。
7. 冷却通路（８，９）に配属もしくは対応配置されたオーバフロー開口（２２，２３）が、ピストン（１）の下側部分（２）に配属もしくは対応配置されている、請求項２又は３記載のピストン。
8. 内燃機関用の鋼製の、特に鍛造された一体的な冷却通路ピストンを製造する方法であって、該方法が転圧法を含んでおり、冷却通路ピストンが、少なくとも１つの内側冷却通路（８）と外側冷却通路（９）とを有するピストン（３１）が、リング領域（３４）を有しており、該リング領域（３４）が内方への曲げによって最終的な位置にもたらされる形式のものにおいて、機械的な加工を用いて又はカバーエレメント（４８，４９）との関連において、ピストン（３１）の内部領域（５３）に、内側冷却室（３８ａ，３８ｂ）又は内側冷却通路（３８ｃ）を形成し、該内側冷却室（３８ａ，３８ｂ）又は内側冷却通路（３８ｃ）に、半径方向間隔をおいて外側冷却通路（３９）が配属もしくは対応配置されており、さらに少なくとも１つのオーバフロー開口（４５）が外側冷却通路（３９）を内側冷却室（３８ａ，３８ｂ）又は内側冷却通路（３８ｃ）と接続していることを特徴とする、内燃機関用のピストンを製造する方法。
9. 請求項８記載の方法であって、ピストン（３１）が下側部分（２）と上側部分（３）とを有しており、ピストン（３１）を製造するために下記のステップ、すなわち、
   内側冷却通路（３８ｃ）又は内側冷却室（３８ａ，３８ｂ）を形成し、
   下側部分（３２）と上側部分（３３）との間における少なくとも１つの接合平面（４０）を溶接し、
   内側冷却室（３８ａ，３８ｂ）又は内側冷却通路（３８ｃ）を外側冷却通路（３９）と接続する少なくとも１つのオーバフロー開口（４５）を形成し、
   リング領域（３４）をその最終位置へと内方に曲げる、
   というステップを特徴とする、請求項８記載の方法。
10. 請求項８又は９記載の方法に基づいて製造されたピストンであって、溝を取り囲む環状のカラー（５１）が、ドーム状に形成された内部領域に、内側冷却通路（３８ｃ）を形成していることを特徴とするピストン。
11. 請求項８、９又は１０記載の方法に基づいて製造されたピストンであって、内側冷却室（３８ａ，３８ｂ）を形成するために、ピストン（３１）の内部領域（５３）が、ピン孔（３７）に向かって、ピストン（３１）内に挿入されていて少なくとも１つのオーバフロー開口（４４）を有するカバーエレメント（４８，４９）によって画成されていることを特徴とするピストン。
12. カバーエレメント（４８，４９）を固定するために、形状結合式及び／又は摩擦力結合式又は素材結合式の結合部が設けられている、請求項１１記載のピストン。
13. 円板状に又はポット状に形成されたカバーエレメント（４８，４９）が、内側冷却室（３８ａ，３８ｂ）を閉鎖している、請求項１１記載のピストン。
14. 外側冷却通路（９，３９）が、リング領域（４，３４）を越える長手方向長さを有している、請求項２又は３記載のピストン。

Images