JP2013542355A

JP2013542355A - 内燃機関用のピストンを製造する方法並びに内燃機関用のピストン

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Publication number: JP2013542355A
Application number: JP2013523486A
Authority: JP
Inventors: シュナイターフランク; シャープライナー; ビングカールハインツ
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2013-11-21
Also published as: BR112013004071A2; DE102010033879A1; CN103118831A; KR20140007791A; US20120037115A1; EP2603348A1; WO2012019593A1

Abstract

本発明は、内燃機関用のピストン（１０，１１０，２１０）を製造する方法であって、下記の方法ステップ、すなわち、
ａ）少なくとも１つの接合面（２１，２２；１２１，１２２）を備えるピストン上側部分（１１，１１１，２１１）を製造し、
ｂ）少なくとも１つの接合面（２３，２４；１２３，１２４）を備えるピストン下側部分（１２，１１２，２１２）を製造し、
ｃ）前記ピストン上側部分（１１，１１１，２１１）の少なくとも１つの接合面（２１，２２；１２１，１２２）と前記ピストン下側部分（１２，１１２，２１２）の少なくとも１つの接合面（２３，２４；１２３，１２４）との間における直接的な接触部を形成し、
ｄ）前記ピストン上側部分（１１，１１１，２１１）と前記ピストン下側部分（１２，１１２，２１２）とを、互いに直接的に接触させられた前記接合面（２１，２３；２２，２４；１２１，１２３；１２２，１２４）の領域において、誘導加熱によって又は前記接合面（２１，２３；２２，２４；１２１，１２３；１２２，１２４）を直接流れる電流によって、加熱し、
ｅ）前記ピストン上側部分（１１，１１１，２１１）と前記ピストン下側部分（１２，１１２，２１２）とを、プレス工程によって互いに結合して１つのピストン（１０，１１０，２１０）を形成し、かつ場合によっては該ピストン（１０，１１０，２１０）を仕上げ加工する。

Description

本発明は、内燃機関用のピストンを製造する方法に関する。

このような方法は、例えばＵＳ６８２５４５０Ｂ２に記載されている。ピストン上側部分及びピストン下側部分は、誘導溶接によって互いに結合され、この場合誘導コイルは、ピストン上側部分とピストン下側部分との接合面の間に位置決めされる。接合面の加熱後、誘導コイルは除去され、溶接結合部が形成される。

しかしながらこの方法では、誘導コイルが除去された後で、接合面が冷えるので、最適な溶接結合部が得られない。さらにこの方法では、加熱された接合面が例えば空気中の酸素との反応によって、損なわれるもしくは不都合に変化することを回避するために、保護ガス雰囲気において作業を行う必要がある。

ゆえに本発明の課題は、可能な限り簡単に、改善された溶接結合部が得られる、内燃機関用のピストンを製造する方法を提供することである。

この課題を解決するために本発明の方法では、内燃機関用のピストンを製造する方法において、下記の方法ステップ、すなわち、
ａ）少なくとも１つの接合面を備えるピストン上側部分を製造し、
ｂ）少なくとも１つの接合面を備えるピストン下側部分を製造し、
ｃ）前記ピストン上側部分の少なくとも１つの接合面と前記ピストン下側部分の少なくとも１つの接合面との間における直接的な接触部を形成し、
ｄ）前記ピストン上側部分と前記ピストン下側部分とを、互いに直接的に接触させられた前記接合面の領域において、誘導加熱によって又は前記接合面を直接流れる電流によって、加熱し、
ｅ）前記ピストン上側部分と前記ピストン下側部分とを、プレス工程によって互いに結合して１つのピストンを形成し、かつ場合によっては該ピストンを仕上げ加工するようにした。

すなわち本発明による方法では、最初にステップａ）において、少なくとも１つの接合面を備えるピストン上側部分を製造し、ステップｂ）において、少なくとも１つの接合面を備えるピストン下側部分を製造し、ステップｃ）において、前記ピストン上側部分の少なくとも１つの接合面と前記ピストン下側部分の少なくとも１つの接合面との間における直接的な接触部を形成し、ステップｄ）において、前記ピストン上側部分と前記ピストン下側部分とを、互いに直接的に接触させられた前記接合面の領域において、誘導加熱によって又は前記接合面を直接流れる電流によって、加熱し、そしてステップｅ）において、前記ピストン上側部分と前記ピストン下側部分とを、プレス工程によって互いに結合して１つのピストンを形成する。

このようにすることによって、本発明によれば、ピストン上側部分とピストン下側部分とをその加熱された接合面の領域において互いに結合するために、接合面の領域における加熱を行う前に、ピストン上側部分の接合面とピストン下側部分の接合面との間における直接的な接触部が形成される。これによってピストン上側部分とピストン下側部分との結合前における接合面の冷却が、回避され、その結果溶接結合部が、従来技術に比べて品質的に改善される。さらに、加熱された接触面が周囲空気と接触しないので、保護雰囲気下における作業を省くことができる。接合面は、誘導加熱によって、つまり誘導された渦電流によって、又は直接流れる電流によって、加熱され、次いで、プレス工程によって、つまり機械式の力作用によって、互いに結合される。ピストンは、場合によっては仕上げ加工されてもよい。

本発明の対象は、さらに、本発明によって製造可能なピストンに関する。

すなわち本発明の対象は、ピストン上側部分とピストン下側部分とを備え、前記ピストン上側部分は、燃焼凹部と、内側の接合面及び外側の接合面とを有し、前記ピストン下側部分は、内側の接合面及び外側の接合面を有し、前記ピストン上側部分と前記ピストン下側部分とは環状の冷却通路を形成している、内燃機関用のピストンであって、前記内側の接合面は所定の幅ａを有し、前記ピストン下側部分の前記内側の接合面は、式ｂ≧１.５・ａが成り立つ軸方向長さｂを有する環状の支持エレメントによって形成され、該環状の支持エレメントの下には、式ｃ≦０.８・ａが成り立つ深さｃを有する冷却通路側の環状の狭窄部が、設けられている。

従って本発明によれば、燃焼凹部を環状の冷却通路から隔てている、燃焼凹部の環状の壁は、ピストン上側部分及びピストン下側部分の内側の接合面の所定の幅ａから生ぜしめられる所定の厚さを有している。ピストン下側部分の内側の接合面は、ピストン下側部分の環状の支持エレメントから形成され、この支持エレメントの軸方向長さｂは、少なくとも、ピストン上側部分及びピストン下側部分の内側の接合面の幅ａの１.５倍の値である。ピストン下側部分の環状の支持面の下には、さらに冷却通路側の環状の狭窄部が設けられており、この狭窄部の深さｃは、最大でも、ピストン下側部分及びピストン上側部分の支持面の幅ａの０.８倍の値である。

幅ａは、個々のピストンの大きさ及び寸法に関連している。重要なことは、支持エレメントの長さａ及び狭窄部の深さｃが、支持面の幅ａに関連して設定されていることである。この構造は、ピストンの安定性に対する要求と、溶接すべき支持面を小さく寸法設定する必要性との間における最適な妥協策であり、これによって、溶接工程中における熱及び圧力の供給もしくは排出を最適化することができる。本発明による構成によって、燃焼凹部の環状の壁が溶接工程中に撓むことが回避され、その結果圧着圧の除去時に溶接シームにおいて亀裂が発生することがなくなる。さらに本発明による構成によって、エンジン運転時に点火圧及び点火熱が、特に良好に、下側のピストン領域に導かれるようになる。

本発明の好適な態様は、従属請求項に記載されている。

本発明による方法の好適な態様では、ピストン上側部分の少なくとも１つの接合面及び／又はピストン下側部分の少なくとも１つの接合面の領域に、先細部が設けられ、該先細部を、ステップｅ）においてピストン上側部分もしくはピストン下側部分の材料によって満たし、好ましくは接合面の公称横断面にする。これによって、溶接シームに沿ったビードの形成を回避することができ、好適である。先細部は例えば、溝、切欠き、狭窄部として形成することができる。

好適な態様では、ステップｄ）及び／又はステップｅ）を周囲雰囲気内において実施することができ、すなわち保護ガスを省くこと、又は部材、つまりピストン上側部分及びピストン下側部分を接合面の加熱前に真空内に入れることを、省くことができる。これによって本発明による方法は、さらに簡単化され、好適である。

さらに好適には、ステップｅ）においてプレス工程を回転動作と関連付けて実施する、つまりピストン上側部分とピストン下側部分とは、例えば僅かな角度だけ相対的に回転させられ、これにより溶接結合部をさらに堅固にすることができる。

本発明による方法の別の好適な態様では、ピストン上側部分は、燃焼凹部と、内側の接合面及び外側の接合面とを有し、ピストン下側部分は、内側の接合面及び外側の接合面を有し、ピストン上側部分とピストン下側部分との結合時に、環状の冷却通路を形成する。このようにすると、冷却通路を備えるピストンを、簡単に製造することができる。この場合ピストン上側部分の接合面は、ピストン上側部分の外側面から又は燃焼凹部から接近することができるので、本発明による方法は、このような冷却通路を備えるピストンを製造するのに、良好に適している。

本発明の別の好適な態様では、ピストン上側部分もしくはピストン下側部分の内側及び外側の接合面は、同一平面に配置されるか又は、少なくとも２つの異なった平面に配置される。これによって接合面のずれは問題にならない。

ピストン上側部分及び／又はピストン下側部分は、例えば鋳造品又は鍛造品であってよく、かつ例えば鋼材料又は鋳鉄材料から製造されてよい。

狭窄部は好ましくは、冷却通路の底にまで延びており、このようになっていると、熱及び圧力の導出を、材料容量を考慮しながら、さらに最適化することができる。

次に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。

本発明によるピストンの第１実施形態の、溶接前の状態を示す断面図である。図１に示したピストンを、図１に対して９０°回転させて示す図である。図１に示したピストンの、溶接後における状態を示す図である。図３に示したピストンを、図３に対して９０°回転させて示す図である。本発明によるピストンの別の実施形態の、溶接前の状態を示す断面図である。図５に示したピストンを、図５に対して９０°回転させて示す図である。図５に示したピストンの、溶接後における状態を示す図である。図７に示したピストンを、図７に対して９０°回転させて示す図である。本発明によるピストンのさらに別の実施形態を示す断面図である。図９に示したピストンの一部を拡大して示す図である。

図１〜図４は、ピストン１０を用いて本発明による方法の第１実施形態を示す。ピストン１０は図示の実施形態では、環状の冷却通路を備える２部分から成るボックス型ピストンである。しかしながらもちろん本発明は、他のピストン型式に対しても適している。

ピストン１０は、ピストン上側部分１１とピストン下側部分１２とから成っており、両ピストン部分１１，１２は、例えば鋳造又は鍛造によって、鋼材料又は鋳鉄材料から製造することができる。ピストン１０は、燃焼凹部１４を備えるピストン頂部１３を有しており、この場合ピストン頂部１３及び燃焼凹部１４は一部がピストン上側部分１１から、かつ一部がピストン下側部分１２から形成される。外側の壁領域１８に沿って設けられたトップランド（Feuersteg）及びリング溝は、図面を見易くするために示されていない。ピストン下側部分１２はピストンスカート１５と、ピストンピン（図示せず）を受容するためのボス孔１７を備えるピストンボス１６とを有している。

ピストン上側部分１１は、内側の接合面２１と外側の接合面２２とを有している。内側の接合面２１は、燃焼凹部１４の領域にリング状に一周するように形成されている。外側の接合面２２は、図示の実施形態では、壁領域１８の下に形成されている。

ピストン下側部分１２もまた同様に内側の接合面２３と外側の接合面２４とを有している。内側の接合面２３は、ピストン上側部分１１の内側の接合面２１に対応して、燃焼凹部１４の領域においてリング状に一周するように形成されている。外側の接合面２４は図示の実施形態では、ピストンスカート１５の延長部に形成されている。ピストン上側部分１１もしくはピストン下側部分１２の内側の接合面２１，２３は、図示の実施形態では、ピストン上側部分１１もしくはピストン下側部分１２の外側の接合面２２，２４に対してずらされて配置されている。ピストン上側部分１１とピストン下側部分１２とは、１つの環状の冷却通路２５を形成している。

ピストン１０は、以下に記載のようにピストン上側部分１１とピストン下側部分１２とから製造される。最初に、図１及び図２から分かるように、ピストン上側部分１１もしくはピストン下側部分１２の対応する内側の接合面２１，２３の間と、ピストン上側部分１１もしくはピストン下側部分１２の対応する外側の接合面２２，２４の間とにおいて、直接的な接触部が形成される。これによって内側の接合面２１，２３もしくは外側の接合面２２，２４は互いに直接的に上下に位置することになる。１つの誘導コイル３１が燃焼凹部１４の領域に位置決めされ、ピストン上側部分１１及びピストン下側部分１２の内側の接合面２１，２３に対応配置される。別の誘導コイル３２が外壁１８の領域に位置決めされ、ピストン上側部分１１及びピストン下側部分１２の外側の接合面２２，２４に対応配置される。ピストン上側部分１１及びピストン下側部分１２は、その接合面２１，２３；２２，２４の領域において、当該領域における材料が塑性変形可能になるまで、誘導加熱される。次いでピストン上側部分１１とピストン下側部分１２とは、プレス工程によって互いに結合され、この際にピストン上側部分１１とピストン下側部分１２とは僅かな角度だけ相対的に回動されてよい。

図３及び図４には、ピストン上側部分１１とピストン下側部分１２との結合後に得られるピストン１０が示されている。溶接シームに沿って、小さな環状のビード２６が形成されており、このビード２６はプレス工程中にピストン上側部分１１とピストン下側部分１２との結合時に、側部において流出する材料によって生ぜしめられている。ピストン１０は、特にリング溝の形成及び外側から接近可能なビード２６の除去によって、後加工されることできる。

図５〜図８には、ピストン上側部分１１１とピストン下側部分１１２とから成るピストン１１０を用いた本発明による方法の別の実施形態が示されている。ピストン１１０は、図１〜図４に示したピストン１０とほぼ同じであるので、同じ部材もしくは構造物には同じ符号が用いられていて、これについては図１〜図４に対する上記記載を参照するものとする。

図１〜図４に示したピストン１０と図５〜図８に示したピストン１１０との間における大きな相違、及び当該ピストンの製造のために使用される本発明による方法の間における大きな相違は、ピストン上側部分１１１及びピストン下側部分１１２がその接合面１２１，１２３；１２２，１２４の領域に、組み立てられてはいるがまだ溶接されていない状態において、先細部１２７，１２８を有していることにある。これらの先細部１２７，１２８は、図示の実施形態では狭窄部として形成されていて、図示の実施形態では、互いに合致する接合面１２１，１２３；１２２，１２４に面取り部もしくは斜面１２９を形成することによって生ぜしめられる。ピストン上側部分１１１とピストン下側部分１１２との結合時におけるプレス工程中に、先細部は、溶接シームから側方に流出する材料によって満たされる。図７及び図８から分かるように、ピストン上側部分１１１とピストン下側部分１１２との結合後に溶接シームの領域には、ビードは存在しておらず、十分に滑らかな表面が生じている。

図９及び図１０には、本発明によるピストン２１０の別の実施形態が示されている。このピストン２１０は、図１〜図４に示したピストン１０にほぼ相当するので、その構造については図１〜図４に対する上記記載を参照するものとする。同じ部材もしくは構造物に対しては同じ符号が用いられている。

ピストン２１０は、ピストン上側部分２１１とピストン下側部分２１２とから成っており、両ピストン部分２１１，２１２は、例えば鋳造又は鍛造によって、鋼材料又は鋳鉄材料から製造することができる。ピストン２１０は、燃焼凹部１４を備えるピストン頂部１３を有していて、このピストン頂部１３及び燃焼凹部１４は、一部がピストン上側部分１１から、かつ一部がピストンピストン下側部分１２から形成される。外側の壁領域１８に沿って設けられたトップランド及びリング溝は、図面を見易くするために示されていない。ピストン下側部分１２はピストンスカート１５と、ピストンピン（図示せず）を受容するためのボス孔１７を備えるピストンボス１６とを有している。

ピストン上側部分２１１は、内側の接合面２１と外側の接合面２２とを有している。内側の接合面２１は、燃焼凹部１４の領域にリング状に一周するように形成されている。外側の接合面２２は、図示の実施形態では、壁領域１８の下に形成されている。

ピストン下側部分２１２もまた同様に内側の接合面２３と外側の接合面２４とを有している。内側の接合面２３は、ピストン上側部分２１１の内側の接合面２１に対応して、燃焼凹部１４の領域においてリング状に一周するように形成されている。外側の接合面２４は図示の実施形態では、ピストンスカート１５の延長部に形成されている。ピストン上側部分２１１もしくはピストン下側部分２１２の内側の接合面２１，２３は、図示の実施形態では、ピストン上側部分１１もしくはピストン下側部分１２の外側の接合面２２，２４に対してずらされて配置されている。ピストン上側部分２１１とピストン下側部分２１２とは、１つの環状の冷却通路２５を形成している。

ピストン上側部分２１１もしくはピストン下側部分２１２の内側の接合面２１，２３は、予め定められた幅ａを有している。ピストン下側部分２１２の内側の接合面２３は、環状の支持エレメント２３３によって形成される。この支持エレメント２３３は軸方向長さｂを有しており、この軸方向長さｂは、内側の接合面２１，２３の幅ａの少なくとも１.５倍の値、つまり式ｂ≧１.５・ａが成り立つような値である。支持エレメント２３３は一方では冷却通路２５を画定し、かつ他方では燃焼凹部１４を画定している。支持エレメント２３３の下には、冷却通路側の狭窄部２３４が設けられている。この狭窄部２３４の深さｃは最大でも、内側の接合面２１，２３の幅ａの０.８倍の値、つまり式ｃ≦０.８・ａが成り立つような値である。

このような構成は、本発明によるピストン２１０の安定性を保証するのみならず、同時に、接合面２１，２３及び支持エレメント２３３の可能な限り細い構成を保証し、これにより最適なプレス溶接結合部を得ることができる。

Claims

内燃機関用のピストン（１０，１１０，２１０）を製造する方法であって、下記の方法ステップ、すなわち、
ａ）少なくとも１つの接合面（２１，２２；１２１，１２２）を備えるピストン上側部分（１１，１１１，２１１）を製造し、
ｂ）少なくとも１つの接合面（２３，２４；１２３，１２４）を備えるピストン下側部分（１２，１１２，２１２）を製造し、
ｃ）前記ピストン上側部分（１１，１１１，２１１）の少なくとも１つの接合面（２１，２２；１２１，１２２）と前記ピストン下側部分（１２，１１２，２１２）の少なくとも１つの接合面（２３，２４；１２３，１２４）との間における直接的な接触部を形成し、
ｄ）前記ピストン上側部分（１１，１１１，２１１）と前記ピストン下側部分（１２，１１２，２１２）とを、互いに直接的に接触させられた前記接合面（２１，２３；２２，２４；１２１，１２３；１２２，１２４）の領域において、誘導加熱によって又は前記接合面（２１，２３；２２，２４；１２１，１２３；１２２，１２４）を直接流れる電流によって、加熱し、
ｅ）前記ピストン上側部分（１１，１１１，２１１）と前記ピストン下側部分（１２，１１２，２１２）とを、プレス工程によって互いに結合して１つのピストン（１０，１１０，２１０）を形成し、かつ場合によっては該ピストン（１０，１１０，２１０）を仕上げ加工する
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。
前記ピストン上側部分（１１１）の少なくとも１つの接合面（１２１，１２２）及び／又は前記ピストン下側部分（１１２）の少なくとも１つの接合面（１２３，１２４）の領域に、先細部（１２７，１２８）が設けられ、該先細部（１２７，１２８）を、ステップｅ）において前記ピストン上側部分（１１１）もしくは前記ピストン下側部分（１１２）の材料によって満たす、請求項１記載の方法。
前記先細部（１２７，１２８）を、溝、切欠き、狭窄部及びこれに類したものとして形成する、請求項２記載の方法。
ステップｄ）及び／又はステップｅ）を周囲雰囲気内において実施する、請求項１記載の方法。
ステップｅ）においてプレス工程を回転動作と関連付けて実施する、請求項１記載の方法。
前記ピストン上側部分（１１，１１１，２１１）は、燃焼凹部（１４）と、内側の接合面（２１，１２１）及び外側の接合面（２２，１２２）とを有し、前記ピストン下側部分（１２，１１２，２１２）は、内側の接合面（２３，１２３）及び外側の接合面（２４，１２４）を有し、前記ピストン上側部分（１１，１１１，２１１）と前記ピストン下側部分（１２，１１２，２１２）との結合時に、環状の冷却通路（２５）を形成する、請求項１記載の方法。
前記ピストン上側部分（１１，１１１，２１１）もしくは前記ピストン下側部分（１２，１１２，２１２）の前記内側及び外側の接合面（２１，１２１，２２，１２２；２３，１２３，２４，１２４）は、同一平面に配置されるか又は、少なくとも２つの異なった平面に配置される、請求項６記載の方法。
前記ピストン上側部分（１１，１１１，２１１）及び／又は前記ピストン下側部分（１２，１１２，２１２）を、鋼材料又は鋳鉄材料から製造する、請求項１記載の方法。
前記ピストン上側部分（１１，１１１，２１１）及び／又は前記ピストン下側部分（１２，１１２，２１２）を、鋳造品又は鍛造品として製造する、請求項１記載の方法。
請求項１から９までのいずれか１項記載の方法によって製造可能な、内燃機関用のピストン。
ピストン上側部分（２１１）とピストン下側部分（２１２）とを備え、前記ピストン上側部分（２１１）は、燃焼凹部（１４）と、内側の接合面（２１）及び外側の接合面（２２）とを有し、前記ピストン下側部分（２１２）は、内側の接合面（２３）及び外側の接合面（２４）を有し、前記ピストン上側部分（２１１）と前記ピストン下側部分（２１２）とは環状の冷却通路（２５）を形成している、内燃機関用のピストン（２１０）であって、
前記内側の接合面（２１，２３）は所定の幅（ａ）を有し、前記ピストン下側部分（１２）の前記内側の接合面（２３）は、式ｂ≧１.５・ａが成り立つ軸方向長さ（ｂ）を有する環状の支持エレメント（２３３）によって形成され、該環状の支持エレメント（２３３）の下には、式ｃ≦０.８・ａが成り立つ深さ（ｃ）を有する冷却通路側の環状の狭窄部（２３４）が、設けられていることを特徴とする、内燃機関用のピストン。
前記狭窄部（２３４）は、前記冷却通路（２５）の底まで延びている、請求項１１記載のピストン。
前記ピストン上側部分（２１１）もしくは前記ピストン下側部分（２１２）の前記内側及び外側の接合面（２１，２２，２３，２４）は、同一平面に配置されているか又は、少なくとも２つの異なった平面に配置されている、請求項１１記載のピストン。
前記ピストン上側部分（２１１）及び／又は前記ピストン下側部分（２１２）は、鋼材料又は鋳鉄材料から製造されている、請求項１１記載のピストン。
前記ピストン上側部分（２１１）及び／又は前記ピストン下側部分（２１２）は、鋳造品又は鍛造品として製造されている、請求項１１記載のピストン。