JP2011506831A - 内燃機関に用いられるピストンに環状エレメントを固定するための方法 - Google Patents

Abstract

内燃機関に用いられるピストン（１）に環状エレメント（６）を固定するための方法が提案される。環状エレメント（６）をピストン頂部（９）の半径方向内側の部分（２３）の半径方向の外面に形成されたねじ山（５）を介して、前記ピストン基体（４）に螺合式に被せ、ピストン頂部（９）のねじ山５の領域に上方に向かって開いた溝（２４）を形成し、溝（２４）をろう接材（２６）で充填し、ろう接材（２６，２６’）が液状化して、ねじ山（５）のねじ山螺条の間に流れ込むまでピストン（１）を加熱し、次いでピストン（１）を冷却する。これによって、ピストン基体（４）と環状エレメント（６）との間の確実なねじ結合が得られる。さらにこれによって、環状エレメントとピストン基体とにより形成された冷却通路が、高い圧力下にある、ピストン頂部に作用する燃焼ガスに対してシールされる。

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式の、内燃機関に用いられるピストンに環状エレメントを固定するための方法、すなわち、内燃機関に用いられるピストンであって、ピストン基体が設けられており、該ピストン基体が、ピストン頂部の半径方向内側の部分を形成していて、それぞれ１つのボス支持部を介してピストン頂部に結合された２つのピンボスを有しており、該ピンボスが、２つのスカートエレメントを介して互いに結合されており、環状エレメントが設けられており、該環状エレメントが、前記ピストン基体に、ピストン頂部の半径方向内側の部分の半径方向の外面に形成されたねじ山を介して結合されており、前記環状エレメントが、ピストン頂部の、半径方向外側に位置する部分を形成していて、かつピストン基体と共に、ピストン頂部の近傍に配置された半径方向外側の環状の冷却通路を形成しており、環状エレメントの下端面が、ボス支持部の高さでピストンの半径方向の外面に設けられた環状の一体成形部の、ピストン頂部側の表面と接触している形式のピストンに環状エレメントを固定するための方法に関する。

ＰＣＴ出願、国際公開第２００４／１１１４２０号パンフレットに基づき、環状エレメントをピストン基体と螺合させることが公知である。この環状エレメントは、ピストン頂部の、半径方向外側に位置する部分を形成し、さらにはピストン基体と共に、ピストン頂部の近傍に配置された半径方向外側の環状の冷却通路を形成している。この場合、ピストンへ持続的に高い熱的および機械的な負荷が加えられると、ピストン基体と環状エレメントとの間のねじ結合が緩む虞があり、このことはシリンダ摺動面の損傷につながり得る。

本発明の課題は、公知先行技術の上記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、すなわち、一体成形部の、ピストン頂部側の前記表面を半径方向外側に向かって拡張する突出部を一体成形部に設け、ピストン頂部の、半径方向内側の部分の半径方向外側の縁部と、ピストン頂部の半径方向外側に位置する部分の半径方向内側の縁部とにそれぞれ１つの面取り部を備え、環状エレメントを、ねじ山を介してピストン基体に螺合式に被せ、ピストン頂部の半径方向内側の部分および半径方向外側の部分の両面取り部により、断面Ｖ字形の溝を形成し、該溝をろう接材で充填し、前記突出部のピストン頂部側の表面をろう接材で被覆し、前記ろう接材が液状化して、ねじ山のねじ山螺条の間、かつ環状エレメントの下端面と、前記一体成形部のピストン頂部側の表面との間に流れ込むまでピストンを加熱し、ピストンを冷却し、突出部の、環状エレメントの半径方向の外面を超えて突出した部分を除去する、方法ステップを有することを特徴とする方法により解決される。

本発明による付加的なろう付け結合により、ピストン基体における環状エレメントの確実な固定がもたらされる。さらにこれによって、環状エレメントとピストン基体とにより形成された冷却通路が、高い圧力下にある、ピストン頂部に作用する燃焼ガスに対してシールされる。

以下に本発明を図面につき詳しく説明する。

内燃機関に用いられるピストンを、ピストンの、９０°ずらされた２つの縦断面を示す２つの半部から成る断面図で示す図である。

図１は、内燃機関に用いられるピストン１を２つの半部から成る断面図で示している。２つの半部のうち左半部は、ボス孔３の長手方向軸線２に沿ったピストン１の断面を示し、右半部は、左半部に対して９０°ずらされたピストン１の縦断面を示している。ピストン１はピストン基体４を有しており、このピストン基体４には、ピストン頂部側のねじ山５を介して１つの環状エレメント６が螺合されている。この環状エレメント６は、ピストン１のトップランド（Feuersteg）７とリング部分８とを支持している。ピストン基体４と環状エレメント６とは、鋼、たとえば本実施例では析出硬化されたフェライト−パーライト系のＡＦＰ鋼、または鋳鉄から製造されていてよい。

ピストン基体４は、一体に、つまりワンピースに形成されていて、ピストン頂部９の領域に燃焼キャビティ１０を有している。それぞれ１つのボス支持部１１，１１’を介して、ピストン頂部９には、それぞれ１つのボス孔３，３’を備えた２つのピンボス１２，１２’が一体に成形されている。これらのピンボス１２，１２’の端面１６は、環状エレメント６に対して、ピストン長手方向軸線１７の方向へセットバックされて配置されている。ピンボス１２，１２’は、スカートエレメント１３，１３’を介して互いに結合されている。スカートエレメント１３，１３’と、ピストン１の、環状エレメント６を支持する上側領域との間では、ピストン基体４が切欠き１８を有している。これらの切欠き１８は、本実施例では、ピストン基体４のスカートエレメント１３，１３’の領域に、部分的に環状に延びて配置されている。

ピストン基体４は、ピストン頂部９の領域において、環状エレメント６と一緒に１つの環状の冷却通路１４を形成している。この冷却通路１４は、一部がピストン基体４内に、一部が環状エレメント６内にそれぞれ加工形成されている。ピンボス１２の方向で、冷却通路１４は、ピストン基体４の、ボス支持部１１，１１’の高さに配置された半径方向外側の一体成形部１５によって覆われる。この一体成形部１５はピストン頂部側で半径方向外側にカラー形の突出部２１を備えている。この突出部２１の半径方向の寸法は、リング部分８の半径方向の外寸よりも大きく形成されている。図面には、冷却通路１４の流出開口２０も認められる。

ピストン１の製造時では、まずピストン基部４と、環状エレメント６との互いに接触する面に、ろう接材を塗布することができる。そのあとに、環状エレメント６はピストン基部４に螺合装着されて、ピストン１は、ろう接材を液化するために炉内で加熱される。

しかし、ピストン１の製造時に、まず、ピストン頂部９の、環状エレメント６により形成された半径方向外側の部分２２の、半径方向内側のピストン頂部側の縁部にも、ピストン基体４により形成されたピストン頂部９の半径方向内側の部分２３の、半径方向外側のピストン頂部側の縁部にも面取り部が備えられると、製造プロセスは簡略化されて廉価にされる。面取り部を設けることによって、ピストン頂部９の半径方向外側の部分２２がピストン頂部９の半径方向内側の部分２３と共に１つの平面に沿って位置するようになるまで、環状エレメント６がねじ山５を介してピストン基体４に螺合されていると、横断面Ｖ字形の環状の溝２４が生ぜしめられる。この場合、環状エレメント６の下端面は、一体成形部１５の表面２５に当て付けられる。

引き続き、溝２４がろう接材２６’で充填され、突出部２１もピストン頂部側でろう接材２６で被覆される。この場合、銅またはニッケルを主体として製造された高融点のろう接ペーストが適していることが判った。また、溝２４内と、突出部２１の表面とに、同じく銅またはニッケルを主体として製造されたろう接線材またはろう接材シートを設置することも可能である。

次いで、炉内でピストン１が９００℃〜１３００℃の温度、もしくは本実施例では１０５０℃〜１２５０℃の温度にまで加熱される。この場合、ろう接材２６’は、このようなろう接材がねじ山５のねじ山螺条内に流れ込むまで液状化する。この場合、突出部２１の表面上に存在するろう接材２６も液状化して、一体成形部１５の表面２５と環状エレメント６の下端面との間に侵入する。

引き続き、ピストン１は炉から取り出されて、この場合、５〜５０°Ｋ／分の冷却速度を用いて、６００℃よりも低い温度へのピストン１の制御された冷却の枠内で、ねじ山５内に存在するろう接材２６’および一体成形部１５の面と環状エレメント６の面との間に存在するろう接材２６が硬化して、ピストン基体４と環状エレメント６との間の確実なねじ結合が得られ、ひいては一体成形部１５における環状エレメント６の固定が得られる。本実施例では、ピストン基体４と環状エレメント６とを形成するＡＦＰ鋼が、冷却時に析出硬化を受ける。鋼表面での酸化被覆形成を回避するために、冷却過程は、無酸素雰囲気中で、有利には真空下または還元雰囲気中で行われる。

引き続き、突出部２１の、環状エレメント６の半径方向の外面を超えて突出した部分が、旋削除去される。

ろう接材２６’により確実にされたねじ結合の別の利点は、これによって、熱的に高負荷された燃焼キャビティ１０と環状エレメント６との間での熱の流れが改善されて、これによって、ピストン頂部９の半径方向内側の部分２３への熱負荷が減じられることにある。さらに、ねじ山５内のろう接材により、冷却通路１４は、高い圧力下にある、ピストン頂部９に作用する燃焼ガスに対してシールされる。

１ ピストン
２ ボス孔の長手方向軸線
３ ボス孔
４ ピストン基体
５ ねじ山
６ 環状エレメント
７ トップランド
８ リング部分
９ ピストン頂部
１０ 燃焼キャビティ
１１，１１’ ボス支持部
１２，１２’ ピンボス
１３，１３’ スカートエレメント
１４ 冷却通路
１５ 一体成形部
１６ 端面
１７ ピストン長手方向軸線
１８ 切欠き
１９ 流入開口
２０ 流出開口
２１ 突出部
２２ ピストン頂部９の半径方向外側の部分
２３ ピストン頂部９の半径方向内側の部分
２４ 溝
２５ 一体成形部１５の表面
２６，２６’ ろう接材

Claims (7)

1. 内燃機関に用いられるピストン（１）であって、
   −ピストン基体（４）が設けられており、該ピストン基体（４）が、ピストン頂部（９）の半径方向内側の部分（２３）を形成していて、それぞれ１つのボス支持部（１１，１１’）を介してピストン頂部（９）に結合された２つのピンボス（１２，１２’）を有しており、該ピンボス（１２，１２’）が、２つのスカートエレメント（１３，１３’）を介して互いに結合されており、
   −環状エレメント（６）が設けられており、該環状エレメント（６）が、前記ピストン基体（４）に、ピストン頂部（９）の半径方向内側の部分（２３）の半径方向の外面に形成されたねじ山（５）を介して結合されており、前記環状エレメント（６）が、ピストン頂部（９）の、半径方向外側に位置する部分（２２）を形成していて、かつピストン基体（４）と共に、ピストン頂部（９）の近傍に配置された半径方向外側の環状の冷却通路（１４）を形成しており、
   −環状エレメント（６）の下端面が、ボス支持部（１１，１１’）の高さでピストン（１）の半径方向の外面に設けられた環状の一体成形部（１５）の、ピストン頂部側の表面（２５）と接触している形式のピストン（１）に環状エレメント（６）を固定するための方法において、
   以下の方法ステップ、すなわち、
   −前記一体成形部（１５）の、ピストン頂部側の前記表面（２５）を半径方向外側に向かって拡張する突出部（２１）を前記一体成形部（１５）に設け、
   −ピストン頂部（９）の、半径方向内側の部分（２３）の半径方向外側の縁部と、ピストン頂部（９）の半径方向外側に位置する部分（２２）の半径方向内側の縁部とにそれぞれ１つの面取り部を備え、
   −環状エレメント（６）を、前記ねじ山（５）を介してピストン基体（４）に螺合式に被せ、ピストン頂部（９）の半径方向内側の部分（２３）および半径方向外側の部分（２２）の両面取り部により、断面Ｖ字形の溝（２４）を形成し、
   −該溝（２４）をろう接材（２６’）で充填し、前記突出部（２１）のピストン頂部側の表面をろう接材（２６）で被覆し、
   −前記ろう接材（２６，２６’）が液状化して、ねじ山（５）のねじ山螺条の間、かつ環状エレメント（６）の下端面と、前記一体成形部（１５）のピストン頂部側の表面（２５）との間に流れ込むまでピストン（１）を加熱し、
   −ピストン（１）を冷却し、
   −前記突出部（２１）の、環状エレメント（６）の半径方向の外面を超えて突出した部分を除去する、
   方法ステップを有することを特徴とする、内燃機関に用いられるピストンに環状エレメントを固定するための方法。
2. −析出硬化型のフェライト−パーライト系の鋼から成るピストン基体（４）と環状エレメント（６）とを使用し、
   −銅またはニッケルを主体としたろう接材（２６，２６’）を使用し、
   −ピストン（１）を１０５０℃〜１２５０℃の温度にまで加熱し、
   −ピストン（１）を無酸素雰囲気中で６００℃よりも低い温度にまで５〜５０°Ｋ／分の冷却速度で冷却する、請求項１記載の方法。
3. ピストン（１）を真空下で冷却する、請求項２記載の方法。
4. ピストン（１）を還元雰囲気中で冷却する、請求項２記載の方法。
5. ろう接ペーストの形のろう接材（２６，２６’）を使用する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. ろう接線材の形のろう接材（２６，２６’）を使用する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
7. ろう接シートの形のろう接材（２６，２６’）を使用する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。

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