JP2011506816A - 内燃機関のための２つの部分から成るピストン - Google Patents

Abstract

内燃機関のための２つの部分から成るピストン（１）であって、ピストン頂面（４）の下面に、雄ねじ山（３２）を有したピン（３１）を備えた上方部分（２）と、底部部分（２５）を有する下方部分（３）とを有しており、前記底部部分（２５）には、半径方向内側で、軸方向で弾性的に伸長可能な伸長スリーブ（２６）が一体成形されており、該伸長スリーブ（２６）に、上方部分（２）を下方部分（３）にねじ固定するためにピン（３１）が導入され、伸長スリーブ（２６）が軸方向で伸長する形式のものに関する。伸長スリーブ（２６）の材料は強度を改善するために、それ以外のピストン材料よりも高い降伏点を有している。降伏点は、伸長スリーブの長さを約１％軸方向で永久伸長させることにより高められる。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の形式の内燃機関のための２つ部分から成るピストンに関する。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００５０６０５４８号明細書により公知の、内燃機関のための２つ部分から成るピストンは、上方部分と下方部分とから成っていて、上方部分は、ピストン頂面の下面に同心的に配置された、雄ねじ山を有するピンを有しており、下方部分の底部部分には、半径方向内側に、同心的に配置された軸方向で弾性的に伸長可能な伸長スリーブが一体成形されている。上方部分を下方部分にねじ込む際には、ピンが伸長スリーブ内に導入されて、その後ナットがピンにねじ込まれ、ピンが伸長スリーブを軸方向で伸長させる。この場合の欠点は、エンジン運転中に伸長スリーブに、伸長スリーブ材料の降伏点を超える軸方向の力が加えられる恐れがあることであり、これにより、伸長スリーブの永久長さ伸長が生じ、ピストンの上方部分と下方部分との間のねじ結合が緩むことにある。

本発明の課題は、先行技術のこのような欠点を回避することである。この課題は、請求項１の特徴部に記載の特徴により解決される。本発明の有利な構成は請求項２以下に記載されている。

この場合、伸長スリーブを軸方向で塑性変形させることにより、伸長スリーブ材料の降伏点が、エンジン運転中に通常である伸長スリーブに加えられる引張負荷のもとでも、伸長スリーブ材料の可塑化の危険が生じず、ひいてはピストン上方部分とピストン下方部分との間のねじ結合がもはや緩む恐れがない程度に高められる。

以下に本発明を図面につき詳しく説明する。

ピストンの上方部分と下方部分とが、一体成形された圧縮スリーブを備えたナットによって互いにねじ固定されている、２つの部分から成るピストンの断面図である。 ピストン下方部分に取り付けられた伸長スリーブの降伏点を永久伸長により高めるための組み付け補助手段を示した図である。

図１には、２つの部分から構成された冷却されるピストン１が示されている。このピストンは上方部分２と下方部分３とから成っている。上方部分２と下方部分３とは鋼又は別の金属材料から製造することができる。ピストン頂面４は上方部分２の軸方向上面を制限していて、この上方部分２の半径方向内側領域は燃焼凹部５を有している。ピストン頂面４の外側縁部には、リング壁６が一体成形されており、リング壁６の外面はピストン頂面側でトップランド７を形成している。このトップランド７には、スカート側で、ピストンリング（図示せず）を収容するための複数のリング溝を有したリング部分８が続いている。

ピストン頂面４とは反対側の、下方部分３の下面には、それぞれ１つのピン孔１０，１０′を備えた２つのピンボス９，９′が配置されている。ピンボス９，９′の端面１１は、リング壁６よりも、ピストン軸線１２の方向に後退して配置されている。両ピンボス９，９′はピストンスカートエレメント１３，１３′によって互いに結合されている。

ピストン１の上方部分２と下方部分３とは、内側の載置部１４と、これに対して同心的に配置された外側の載置部１５とを介して互いに結合されている。内側の載置部１４は、上方部分２の、燃焼凹部５とは反対の側に配置された載置面１６と、下方部分３の、ピストン頂面側のリング状の支持リブ１７に配置された載置面１８とから成っている。外側の載置部１５は、リング壁６の下面を制限する載置面１９と、下方部分３の、ピストン頂面側で、リング状の支持ウエブ２０に配置された載置面２１とから成っている。

ピストン１の上方部分２と下方部分３とによって、ピストン１の、ピストン頂面側の縁部領域に配置された冷却通路２２が形成されている。この冷却通路２２の半径方向外側の制限部はリング壁６によって、半径方向内側の制限部は部分的には支持リブ１７と、部分的にはピストン頂面４とによって、その軸方向下方の制限部は、ピストン１の下方部分３によって形成されている。入口開口２３を介して、冷却オイルが冷却通路２２内に導入される。

ピストン１は、ピストン軸線１２に対して同心的に配置された別のリング状の冷却通路２４を有しており、該冷却通路２４は、外側の冷却通路２２よりも小さい半径方向直径を有していて、半径方向で見て外側の冷却通路２２の内側に配置されている。内側の冷却通路２４は、軸方向上方ではピストン頂面４によって、半径方向外側では支持リブ１７によって、半径方向下方では肉薄かつ弾性的に可撓性に形成された下方部分３の上方底部部分２５によって制限されており、この上方底部部分２５には半径方向内側で、軸方向上方に向けられた伸長スリーブ２６が一体成形されていて、該伸長スリーブ２６の軸方向上方に位置する第１の開口２７には、半径方向内側に向けられた縁曲げ部２８が設けられており、これにより縁曲げ部２８の下面が、ナット２９に一体成形された圧縮スリーブ３０のためのストッパとして働くことができるようになっている。この場合、伸長スリーブ２６は、内側の冷却通路２４の半径方向内側の制限部を形成している。伸長スリーブ２６は、軸方向では第１の開口２７の反対側に第２の開口４３を有している（図２参照）。

ピストン軸線１２に対して同心的に、ピストン頂面４の下面に円筒状のピン３１が一体成形されていて、このピン３１の周面の、ピストン頂面とは反対側の端部領域には雄ねじ山３２が設けられている。この雄ねじ山３２は、ナット２９の雌ねじ山に対応しているので、ナット２９を前記雄ねじ山３２にねじ込むことができる。ピン３１の軸方向の長さは、圧縮スリーブ３０が設けられたナット２９の軸方向の長さにほぼ相当する。ピン３１の半径方向直径と、特にその雄ねじ山３２とは、伸長スリーブ２６の第１の開口２７の半径方向直径よりも小さいので、ピン３１は問題なく開口２７内に導入可能である。圧縮スリーブ３０の半径方向の内径は、ピン３１の雄ねじ山３２の半径方向外径よりも大きい。

この実施例では、ピン３１の雄ねじ山３２とピストン頂面４の下面との間の領域におけるピン３１の半径方向直径は、雄ねじ山３２の直径よりも小さく、かつ、圧縮スリーブ３０の内径よりも小さく形成されているので、圧縮スリーブ３０とピン３１との間に僅かな冷却スペース３３が生じる。

入口開口２３を介して冷却オイルが外側の冷却通路２２内に導入され、この冷却オイルは接続通路３４を介して内側の冷却通路２４内に流れ、ここからオイルの一部は、下方部分３の上方底部部分２５における開口３５を介して再びクランクケーシング内に流れる。オイルの少量部分は、縁曲げ部２８とピストン頂面４の下面との間のギャップ３６と、伸長スリーブ２６の第１の開口２７とを介して冷却スペース３３へと流れる。この冷却スペース３３から冷却オイルは、ピン３１の雄ねじ山３２に加工成形された、ピストン軸線１２に対して平行に位置する複数の流出通路を介してクランクケーシングに戻される。図１には、これらの流出通路のうち１つの流出通路３７が示されている。これにより、高い熱的負荷を受けるピストン１の上方部分２が極めて良好に冷却される。

ピストン１の上方部分２と下方部分３とを組み付ける際、まず、ピストン頂面４の下面に配置されたピン３１を、伸長スリーブ２６の第１の開口２７を通して案内する。この第１の開口２７は、ピストン下方部分３の上方底部部分２５の第２の開口４３に一体成形されている。ピストン１の組み付けの続く過程では、ピストン１の上方部分２と下方部分３とを互いに同心的に方向付ける。このような方向付けは、支持ウエブ２０が断面図で、半径方向内側及び軸方向で、ピストン頂面４の方向に向けられた段部の形状を有していて、リング壁６の下端面の内面に、円筒状の切欠３８が設けられており、該切欠３８の内側形状が、支持ウエブ２０の外側形状に相応しているので、ピストン１の上方部分２と下方部分３とを組み付ける際に、支持ウエブ２０がこの切欠３８内に導入され、これにより上方部分２と下方部分３とが同心的に方向付けられることにより得られる。

これに続いて、ナット２９の圧縮スリーブ３０がピン３１の雄ねじ山３２上に、ナット２９の雌ねじ山が、ピン３１の雄ねじ山３２に接触するまで被せ嵌められる。ナット２９は、圧縮スリーブ３０の上端面が、伸長スリーブ２６の縁曲げ部２８に当接するまで、雄ねじ山３２にねじ込まれる。

所定のトルクをかけてナット２９をさらに堅固にねじ込むことにより、弾性的に可撓性に形成された上方底部部分２５が皿ばね式にピストン頂面４の方向に変形し、これにより肉薄に形成された伸長スリーブ２６が軸方向で伸び、同様に肉薄に形成された圧縮スリーブ３０が軸方向で圧縮され、半径方向直径が減じられているピン３１の中央部分は伸び、燃焼凹部５を制限するピストン頂面４の部分は皿ばね式にスカート方向に変形する。ピストン部分２５，２６，３０，３１，４のこのような弾性変形により、ナット２９とピン３１との間のねじ結合の極めて平らな特性線が得られ、これによりこのようなねじ結合は、ピストン１への熱的な影響及び機械的な影響とは関係ない大きな強度を得る。

この場合、エンジン運転時には、特に吸気時に、伸長スリーブ２６に、伸長スリーブ材料の降伏点を超えた力が、矢印４０の方向に加わり、これにより、この材料の永久長さ伸長が生じてしまい、ひいてはピストン１の上方部分２と下方部分３との間のねじ結合が緩む危険が生じる。従って、本発明によれば、伸長スリーブ材料の降伏点を、伸長スリーブを常温で、制御された引張負荷にさらすことにより高めている。これにより、伸長スリーブ２６は軸方向で、その長さのほぼ１％の永久伸長を受け、この際に伸長スリーブの材料延性が損なわれることはない。

伸長スリーブ２６に、上記のような引張負荷を加えるために、図２に示したように、伸長スリーブ２６をピストン側で制限する縁曲げ部２８に設けられた第１の開口２７の内径よりも幾分小さい外径を有するねじ山付きボルト４１を使用する。これにより、ねじ山付きボルト４１は問題なく、第１の開口２７と第２の開口４３とを通ることができる。ねじ山付きボルト４１の下端部には、円筒状の外面を有したナット４２がねじ込まれる。ナット４２の外径は、伸長スリーブ２６の内径より幾分小さいが、第１の開口２７の内径よりも幾分大きいので、ねじ込まれたナット４２を有するねじ山付きボルト４１は、ナット４２の上端面が縁曲げ部２８の下端部に当接するまで、第２の開口４３と伸長スリーブ２６の内室を通ってガイドされる。

これに続いて、ねじ山付きボルト４１に、矢印４０の方向の引張負荷を加えると、ねじ山付きボルト４１は、縁曲げ部２８に接しているナット４２を介して、伸長スリーブ２６に制御された引張負荷を加え、これにより伸長スリーブ２６は軸方向で、その長さが約１％だけ伸びる。ピストン１はこの場合、図２に示されていない組み付け装置に固定されている。

これにより、伸長スリーブ２６の領域におけるピストン材料の降伏点は、エンジン運転時に伸長スリーブ２６に引張負荷がかけられる際に伸長スリーブ材料の塑性変形の危険がもはや生じず、ひいては、プレロードの喪失の危険、もしくは、上方部分２と下方部分３との間のねじ結合の緩みの危険が生じない程度に高められる。

伸長スリーブ２６の材料の降伏点を高めるためには、伸長スリーブ２６を、組み付け装置（図示せず）によって、伸長スリーブ２６をその長さの約１％だけ軸方向で圧縮するように制御された押圧力で負荷することもできる。

同様に、圧縮スリーブ３０の材料の降伏点は、圧縮スリーブ３０に、その長さの約１％だけ圧縮スリーブ３０を圧縮するように制御された押圧力を加えることにより高めることができる。

１ ピストン、 ２ 上方部分、 ３ 下方部分、 ４ ピストン頂面、 ５ 燃焼凹部、 ６ リング壁、 ７ トップランド、 ８ リング部分、 ９，９´ ピンボス、 １０，１０´ ピン孔、 １１ ピンボス９，９´の端面、 １２ ピストン軸線、 １３，１３´ ピストンスカートエレメント、 １４ 内側の載置部、 １５ 外側の載置部、 １６ 上方部分２の載置面、 １７ 下方部分３の支持リブ、 １８ 下方部分の載置面、 １９ 載置面、 ２０ 支持ウエブ、 ２１ 載置面、 ２２ 外側の冷却通路、 ２３ 入口開口、 ２４ 内側の冷却通路、 ２５ 下方部分３の上方底部部分、 ２６ 伸長スリーブ、 ２７ 第１の開口、 ２８ 縁曲げ部、 ２９ ナット、 ３０ 圧縮スリーブ、 ３１ ピン、 ３２ 雄ねじ山、 ３３ 冷却スペース、 ３４ 接続通路、 ３５ 開口、 ３６ ギャップ、 ３７，３７´，３７´´ 流出通路、 ３８ 切欠、 ３９ 孔、 ４０ 矢印、 ４１ ねじ山付きボルト、 ４２ ナット、 ４３ 第２の開口

Claims (7)

1. 内燃機関のための２つの部分から成るピストン（１）であって、
   ピストン頂面（４）を形成する上方部分（２）を有しており、該上方部分（２）の、前記ピストン頂面（４）とは反対側の下面には、ピストン軸線（１２）に対して同心的に位置する、雄ねじ山（３２）を有する円筒状のピン（３１）が一体成形されていて、
   底部部分（２５）を有する下方部分（３）を有しており、該下方部分（３）の下方側には、ピン孔（１０，１０′）を有したピンボス（９，９′）と、これらピンボス（９，９′）を互いに結合するスカートエレメント（１３，１３′）とが配置されていて、
   前記底部部分（２５）は、ピストン軸線（１２）に対して同心的に位置する第２の開口（４３）を有していて、該第２の開口の縁部には、上方に向けられた軸方向で弾性的に伸長可能な伸長スリーブ（２６）が一体成形されており、該伸長スリーブは、ピストン頂面側の端部に第１の開口（２７）を有しており、前記ピン（３１）が、前記第１の開口（２７）と第２の開口（４３）とに導入されていて、
   第１の開口（２７）には、半径方向内側に向けられた縁曲げ部（２８）が設けられており、該縁曲げ部の内径は、前記ピン（３１）の外径よりも大きく、
   上方部分（２）と下方部分（３）とは、前記ピン（３１）の雄ねじ山（３２）にねじ込まれ、ピストン頂面側で縁曲げ部（２８）に当接しているナット（２９）によって互いに結合されている形式のものにおいて、
   伸長スリーブ（２６）を形成する材料が、その他のピストン材料に比べて高い降伏点を有していることを特徴とする、内燃機関のための２つの部分から成るピストン。
2. 前記降伏点を高めるために、伸長スリーブ（２６）が、完成したピストン下方部分（３）を基準として伸長スリーブ（２６）の長さの０．５〜５％だけ軸方向で塑性変形されている、請求項１記載のピストン。
3. 前記降伏点を高めるために、伸長スリーブ（２６）が、完成したピストン下方部分（３）を基準として伸長スリーブ（２６）の長さの約１％だけ軸方向で塑性変形されている、請求項１又は２記載のピストン。
4. 前記降伏点を高めるために、伸長スリーブ（２６）が、完成したピストン下方部分（３）の状態から、軸方向で伸長されている、請求項２又は３記載のピストン。
5. 前記降伏点を高めるために、伸長スリーブ（２６）が、完成したピストン下方部分（３）の状態から、軸方向で圧縮されている、請求項２又は３記載のピストン。
6. ナット（２９）がピストン頂面側で、ピストン軸線（１２）に対して同心的に位置する、軸方向で弾性的な圧縮スリーブ（３０）を有していて、該圧縮スリーブは、ピストン（１）の完成組み付け状態で、ピストン頂面側で縁曲げ部（２８）に当接していて、前記圧縮スリーブの材料は、ナット（２９）のその他の材料と比較して高い降伏点を有している、請求項１記載のピストン。
7. 前記降伏点を高めるために、圧縮スリーブ（３０）が軸方向で、圧縮スリーブ（３０）の長さの約１％だけ圧縮されている、請求項６記載のピストン。

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