JP2014521001A - 内燃機関用のピストンおよび該ピストンの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関用のピストン（１０，１１０，２１０）であって、該ピストン（１０，１１０，２１０）はピストンヘッド（１６）を備え、該ピストンヘッド（１６）が、環状に延びるクーリングチャンネル（１９，１１９）と、環状に延びるキャビティ壁（１５ｂ）を有する燃焼キャビティ（１５）とを有し、前記キャビティ壁（１５ｂ）は、キャビティ縁部領域（１５ｃ）を介してピストン頂面（１２，１１２）に移行しており、前記燃焼キャビティ（１５）は、少なくとも部分的にピストン基体（１１）から成っており、前記キャビティ壁（１５ｂ）は、少なくとも部分的に挿入体（１８）から形成されている、内燃機関用のピストン（１０，１１０，２１０）に関する。本発明によれば、前記挿入体（１８）は、ビーム溶接により前記ピストン基体（１１）に結合されており、下側の溶接シーム（２１）は、前記キャビティ壁（１５ｂ）内に形成されており、前記下側の溶接シーム（２１）は、ピストン中心軸線（Ｍ）と鋭角（α）を成していて、前記クーリングチャンネル（１９）の下側の半部に通じており、上側の溶接シーム（２２，２２２）は、クーリングチャンネル天井部（１９ｂ、１１９ｂ）から前記ピストン頂面（１２，１１２）にまで延びており、前記クーリングチャンネル（１９）の内法幅（Ｗ）に関して中心に配置されているかまたは半径方向外方に向かってずらされて配置されていることが提案される。本発明はさらにこのようなピストン（１０，１１０，２１０）を製造する方法に関する。

Description

本発明は、内燃機関用のピストンであって、該ピストンはピストンヘッドを備え、該ピストンヘッドは、環状に延びるクーリングチャンネルと、環状に延びるキャビティ壁を有する燃焼キャビティとを備え、キャビティ壁は、キャビティ縁部領域を介してピストン頂面に移行しており、燃焼キャビティが、少なくとも部分的にピストン基体から形成されていて、キャビティ壁が少なくとも部分的に挿入体から形成されている、内燃機関用のピストンに関する。さらに本発明はこのようなピストンの製造方法に関する。

このような形式のピストンは、独国特許出願公開第３０３２６７１号明細書に記載されている。このピストンは、押出しもしくはプレス加工（fliesspressen）された鋼から成るピストン基体と、該ピストン基体に溶接またはろう接された耐熱性の高い材料から成る挿入体とを有している。ピストン基体は、ピストンヘッドの領域に燃焼キャビティを備えている。燃焼キャビティは、環状に延びるキャビティ壁により画定されている。キャビティ壁は、キャビティ縁部領域を介してピストン頂面に移行する。ピストン基体および挿入体は、環状に延びる１つのクーリングチャンネルを形成する。

キャビティ壁および特にキャビティ縁部領域は運転中に特に高い機械的かつ熱的な負荷にさらされる。この機械的かつ熱的な負荷は、時間の経過とともに材料疲労をもたらし、材料疲労によってさらに亀裂が発生することがある。したがって、キャビティ縁部領域に作用する負荷を回避するかまたは無効にするために、数々の挿入体が提案されてきた。しかしエンジン技術の発展により、これらの提案は、エンジン運転時のピストンへの高まる機械的かつ熱的な負荷におくれをとっている。

本発明の課題は、冒頭で述べたピストンおよび該ピストンの製造方法を改良して、ピストンが高められた機械的かつ熱的な負荷に耐えるようにすることである。

この課題を解決した本発明による構成では、挿入体がビーム溶接によりピストン基体に結合されており、下側の溶接シームがキャビティ壁内に形成されており、該下側の溶接シームは、ピストン中心軸線と鋭角を成していて、クーリングチャンネルの下側の半部に通じており、上側の溶接シームは、クーリングチャンネル天井部からピストン頂面に向かって延びており、クーリングチャンネルの内法幅に関して中心に配置されているかまたは半径方向外方にずらされて配置されているようにした。

本発明に係る方法は、以下の方法ステップにより優れている。すなわち、（ａ）ピストン基体（１１）および挿入体（１８）を少なくとも接合面の領域において予備加工するステップ；（ｂ）ピストン基体（１１）と挿入体（１８）とを組み立てるステップ；（ｃ）ピストン基体（１１）と挿入体（１８）とを対応する接合面に沿ってビーム溶接により結合させるステップおよび（ｄ）ピストンを仕上げ加工するステップにより優れている。

本発明に係るピストンは、高い熱的かつ機械的な負荷に極めて良好に耐える。なぜならば、ビーム溶接によるピストン基体と挿入体との結合は、特に堅固でありかつ耐久性を有するからである。さらに、複数の溶接シームは、エンジン運転時の熱的かつ機械的な負荷に基づいて材料中に小さな応力しか発生しないピストンヘッドの領域に配置されているので、これらの溶接シームの領域における亀裂形成のおそれは最小限にされている。さらにピストン基体の接合面および挿入体の接合面の位置は、これらの接合面にビーム溶接のために容易にアクセス可能となるように選択されているので、結果として生じる溶接シームの位置は最適化されている。

好適な実施の形態は従属請求項に記載されている。

特に好適には、ピストン基体と挿入体とは、レーザ溶接により互いに結合されている。これにより、両構成部材の間で特に堅固で確実な結合を得ることができる。

下側の溶接シームと上側の溶接シームとは、好適には鋭角を成しているので、ピストン基体と挿入体との結合前に、対応する接合面には極めて容易にアクセス可能である。

特に好適な態様では、下側の溶接シームはクーリングチャンネル底部の領域でクーリングチャンネル内に通じている。この領域では、エンジン運転中に材料中に小さな応力しか生じないので、下側の溶接シームの領域における亀裂形成のおそれは最小限にされている。

下側の溶接シームは、好適にはピストン直径の３．５％〜５．５％の長さを有している。上側の溶接シームは、好適にはピストン中心軸線に対して平行に延びていて、かつ好適にはピストン直径の４．５％〜６．０％の長さを有している。

本発明の好適な態様では、ピストン頂面の厚さは、クーリングチャンネルの上方で半径方向外方に向かって増大している。これによって、第１のピストンリングを介した熱導出が促進される。

構造的に特に簡単でかつ効率的な態様は、挿入体がキャビティ壁全体を形成していることにある。ピストン基体と挿入体とは、好適には互いに異なる材料から成っている。したがって、同一のピストン基体を、適切な材料を選択することだけで、種々異なる多数の内燃機械用の様々な種類のピストンに使用するために加工することができる。

本発明のさらに好適な態様は、ピストンピンの直径とピストンの直径との比が０．３３〜０．３８であることにある。この比は、特に鋼から成る、乗用車用のピストンに特に好適である。なぜならば、上記構成により特に有利なコンプレッションハイトが実現されるからである。

さらなる有利な態様では、ピストンピンの長さとピストンの直径との比が、０．５７〜０．６３である。この比も、特に鋼から成る、乗用車用ピストンに特に有利である。なぜならば、ボックス型ピストンはこの寸法設定でもって特に軽量であるにもかかわらず、頑丈であるからである。

挿入体は、好適には高温耐性、腐食耐性、耐熱性の鋼、特にバルブ鋼から成っている。挿入体とは異なり、ピストン基体はたとえば調質鋼から成っていてよい。

本発明に係る方法の別の態様は、ステップ（ａ）において、ピストン基体の接合面および挿入体の接合面をクリーニングしかつ平滑化することにある。これにより特に堅固で確実な溶接シームを得ることができる。ステップ（ａ）に次いで、ステップ（ｂ）において、ピストン基体および挿入体を、たとえばプレス嵌めにより、かつ／または固着（Haften）により組み立てる。これにより、これらの構成部材を実際の溶接工程中に特に確実に互いに対して位置固定させることができる。

ピストン基体および挿入体は、好適には電子ビーム溶接により、特に好適にはレーザ溶接により互いに結合される。溶接工程の前に、ピストン基体および／または挿入体を４００℃〜５５０℃の温度に予備加熱する。これにより、溶接工程中の熱負荷により材料中に応力が発生する危険を減じることができる。

本発明の実施の形態を以下に添付の図面につき詳しく説明する。図面は概略的であり、縮尺通りではない。

本発明に係るピストンの第１の実施の形態を示す断面図である。 図１に示したピストンを９０°回転させた位置で示す図である。 本発明に係るピストンの別の実施の形態を示す詳細図である。 本発明に係るピストンのさらに別の実施の形態を、図３に相当する図で示す詳細図である。

図１および図２は、本発明に係るピストン１０の第１の実施の形態を示している。ピストン１０は、たとえば４２ＣｒＭｏ４のような調質鋼、またはＡＦＰ鋼、または０．４重量％のモリブデンでドープされたベイナイトＡＦＰ鋼から製造されたピストン基体１１を有している。ピストン基体１１は、ピストン頂面１２の一部と、環状に延びるトップランド１３と、環状に延びるリング部分１４とを有している。リング部分１４は、複数のピストンリング（図示せず）を収容する複数のリング溝を備えている。ピストン基体１１は、さらに燃焼キャビティ１５の底部１５ａを有している。

したがってピストン基体１１は、ピストン１０のピストンヘッド１６の主な部分を形成している。さらにピストン基体１１は、自体公知の形式で、本発明に係るピストン１０のピストンスカート１７を形成している。

ピストン１０のコンプレッションハイトＫＨは、ボス孔の中心からピストン頂面まで測定されるピストン１０の高さとして定義されている（図２を参照）。ピストン１０の直径Ｄに対するコンプレッションハイトＫＨの比は、本実施の形態では０．３８〜０．４５（３８％〜４５％）である。

さらに本発明に係るピストン１０は、挿入体１８を有している。挿入体１８は、図示された実施の形態では、燃焼キャビティ１５のキャビティ壁１５ｂ全体およびキャビティ縁部領域１５ｃならびにピストン頂面１２の一部を形成している。挿入体１８は、好適には特に耐久性のある材料から成っている。このためには、特に、高温耐性、腐食耐性、耐熱性の鋼が適している。バルブ鋼、たとえばＣｒＳｉ−鋼（Ｘ４５ＣｒＳｉ９３）、Ｃｈｒｏｍｏ１９３−鋼（Ｘ８５ＣｒＭｏＶ１８２）、２１−４ Ｎ−鋼（Ｘ５３ＣｒＭｎＮｉＮ２１９）、２１−２−鋼（Ｘ５５ＣｒＭｎＮｉＮ２０８）、Ｎｉｍｏｎｉｃ８０Ａ−鋼（ＮｉＣｒ２０ＴｉＡｌ）、Ｒｅｓｉｓ ＴＥＬ−鋼またはＶＭＳ−５１３−鋼が特に適している。

ピストン基体１１および挿入体１８は、環状に延びる外側のクーリングチャンネル１９を形成する。クーリングチャンネル１９は、一方ではリング部分１４の高さに延びており、他方では燃焼キャビティ１５のキャビティ壁１５ｂの高さに延びている。クーリングチャンネル１９は、クーリングチャンネル底部１９ａ、クーリングチャンネル天井部１９ｂ、外側の側壁１９ｃおよび内側の側壁１９ｄを有している。クーリングチャンネル底部１９ａおよび外側の側壁１９ｃは、本実施の形態ではピストン基体１１により形成されている。内側の側壁１９ｄが挿入体１８により形成されるのに対して、クーリングチャンネル天井部１９ｂは、ピストン基体１１と挿入体１８とが一緒に形成している。

挿入体１８は、環状に延びる下側の接合面を有している。挿入体１８の下側の接合面は、ピストン基体１１に設けられた、燃焼キャビティ１５の底部１５ａを包囲する環状に延びる接合面と共に、下側の溶接シーム２１を形成する。下側の溶接シーム２１は、ピストン直径Ｄの３．５％〜５．５％の長さを有していて、ピストン中心軸線Ｍと鋭角αを成している。つまり、下側の溶接シーム２１は、キャビティ壁１５ｂを起点として半径方向外方にかつ（ピストンスカート１７の方向に）下方に向かって延びており、クーリングチャンネル底部１９ａの領域でクーリングチャンネル１９内に通じている。ピストン１０のこの領域では、エンジン運転中に、材料中には最小の応力しか発生しないので、溶接シーム２１の領域における亀裂形成のおそれは最小限にされている。

挿入体１８は、さらに環状に延びる上側の接合面を有している。挿入体１８の上側の接合面は、ピストン基体１１に設けられた、トップランド１３の領域で環状に延びる接合面と共に、上側の溶接シーム２２を形成する。上側の溶接シーム２２は、ピストン直径Ｄの４．５％〜６．０％の長さを有している。上側の溶接シーム２２は、本実施の形態では、クーリングチャンネル天井部１９ａからピストン頂面１２に向かって、かつピストン中心軸線Ｍに対して平行に延びていて、下側の溶接シーム２１と鋭角βを成している。上側の溶接シーム２２は、クーリングチャンネル１９の内法幅Ｗに関して、本実施の形態では中心に配置されている（図３を参照）。本発明によれば、上側の溶接シーム２２は、キャビティ縁部領域１５ｃから十分に離間して配置されているので、上側の溶接シーム２２の領域における熱的かつ機械的な負荷に基づく亀裂形成のおそれは低減されている。ピストン頂面１２の、上側の溶接シーム２２が配置されている領域では、エンジン運転中に材料中には比較的小さな応力しか発生しない。

組み立てられた状態では、図１および図２に一点破線で示されているように、ピストンピン２４が公知の形式でピストンスカート１７内のピン孔２３内に収容されている。この実施の形態では、ピストンピンの直径ＢＤと、ピストンの直径Ｄとの比は、０．３３〜０．３８（３３％〜３８％）であり、つまりＢＤ／Ｄ＝０．３３〜０．３８である。さらに、この実施の形態では、ピストンピンの長さＢＬと、ピストンの直径Ｄとの間の比は、０．５７〜０．６３（５７％〜６３％）であり、つまりＢＬ／Ｄ＝０．５７〜０．６３である。各寸法設定は、当然ながら必ずしも同時に満たされていなくてもよい。

図３は、本発明に係るピストン１１０の別の実施の形態を詳細図で示している。このピストン１１０は、図１および図２に示したピストン１０とは、ピストン頂面１１２の厚さがクーリングチャンネル１１９の領域で半径方向外方に向かって増大していることによってのみ相違している。つまり、クーリングチャンネル１１９のクーリングチャンネル天井部１１９ｂは、半径方向外方にかつ（ピストンスカート１７の方向に）下方に向かって延びている。

図４は、本発明に係るピストン２１０のさらに別の実施の形態を、図３に比類する詳細図で示している。このピストン２１０は、図１および図２に示したピストン１０とは、上側の溶接シーム２２２がトップランド１３の領域に配置されていて、斜めに延びている、つまりピストン頂面１２の外側の縁部を起点として、半径方向内方にかつ（ピストンスカート１７の方向に）下方に向かって延びていることによってのみ相違している。上側の溶接シーム２２２は、クーリングチャンネル天井部１９ｂと、外側の側壁１９ｃとの間でクーリングチャンネル１９内に通じている。上側の溶接シーム２２２と下側の溶接シーム２１とは、鋭角γを成している。

ピストン基体１１と挿入体１８とは、公知の形式でビーム溶接によって、特に好適にはレーザ溶接によって互いに結合されている。典型的には、ピストン基体１１と挿入体１８とは、自体公知の形式で予備加工されている。特に、両接合面はクリーニングされ、平滑化される。次いで、ピストン基体１１および挿入体１８は、たとえばプレス嵌めによって互いに接合される。次のステップで、溶接シーム２１，２２，２２２が点状にまたは環状に小さな溶込み深さで固着され得る。次いで、ピストン１０，１１０，２１０は４００℃〜５５０℃の温度にまで加熱される。その後に、溶接シーム２１，２２，２２２は、完全に溶接される。最後に、ピストン１０，１１０，２１０は冷却後に自体公知の形式で仕上げ加工される。

Claims (18)

1. 内燃機関用のピストン（１０，１１０，２１０）であって、該ピストン（１０，１１０，２１０）はピストンヘッド（１６）を備え、該ピストンヘッド（１６）は、環状に延びるクーリングチャンネル（１９，１１９）と、環状に延びるキャビティ壁（１５ｂ）を備えた燃焼キャビティ（１５）とを有し、前記キャビティ壁（１５ｂ）は、キャビティ縁部領域（１５ｃ）を介してピストン頂面（１２，１１２）に移行しており、前記燃焼キャビティ（１５）は、少なくとも部分的にピストン基体（１１）から成っており、前記キャビティ壁（１５ｂ）は、少なくとも部分的に挿入体（１８）から形成されている、内燃機関用のピストン（１０，１１０，２１０）において、
   前記挿入体（１８）は、ビーム溶接により前記ピストン基体（１１）に結合されており、下側の溶接シーム（２１）は、前記キャビティ壁（１５ｂ）内に形成されており、前記下側の溶接シーム（２１）は、ピストン中心軸線（Ｍ）と鋭角（α）を成していて、前記クーリングチャンネル（１９）の下側の半部に通じており、
   上側の溶接シーム（２２，２２２）は、クーリングチャンネル天井部（１９ｂ、１１９ｂ）から前記ピストン頂面（１２，１１２）にまで延びており、前記クーリングチャンネル（１９）の内法幅（Ｗ）に関して中心に配置されているかまたは半径方向外方に向かってずらされて配置されていることを特徴とする、内燃機関用のピストン。
2. 前記ピストン基体（１１）と前記挿入体（１８）とは、レーザ溶接により互いに結合されている、請求項１記載のピストン。
3. 前記下側の溶接シーム（２１）と前記上側の溶接シーム（２２，２２２）とは、鋭角（β，γ）を成している、請求項１記載のピストン。
4. 前記下側の溶接シーム（２１）は、クーリングチャンネル底部（１９ａ）の領域で前記クーリングチャンネル（１９，１１９）内に通じている、請求項１記載のピストン。
5. 前記下側の溶接シーム（２１）は、ピストン直径（Ｄ）の３．５％〜５．５％の長さを有している、請求項１記載のピストン。
6. 前記上側の溶接シーム（２２，２２２）は、前記ピストン中心軸線（Ｍ）に対して平行に延びている、請求項１記載のピストン。
7. 前記上側の溶接シーム（２２，２２２）は、前記ピストン直径（Ｄ）の４．５％〜６．０％の長さを有している、請求項１記載のピストン。
8. 前記ピストン頂面（１１２）の厚さは、前記クーリングチャンネル（１１９）の上方で半径方向外方に向かって増大している、請求項１記載のピストン。
9. 前記キャビティ壁（１５ｂ）全体が、前記挿入体（１８）から形成されている、請求項１記載のピストン。
10. ピストンピン（２４）の直径（ＢＤ）と、前記ピストン（１０，１１０，２１０）の直径（Ｄ）との比が０．３３〜０．３８である、請求項１記載のピストン。
11. ピストンピン（２４）の長さ（ＢＬ）と、前記ピストン（１０，１１０，２１０）の直径（Ｄ）との比が０．５７〜０．６３である、請求項１記載のピストン。
12. 前記ピストン基体（１１）と前記挿入体（１８）とは、互いに異なる材料から成っている、請求項１記載のピストン。
13. 前記挿入体（１８）は、高温耐性、腐食耐性、耐熱性の鋼、特にバルブ鋼から成っている、請求項１記載のピストン。
14. ピストンヘッド（１６）を備えるピストン（１０，１１０，２１０）であって、前記ピストンヘッド（１６）は、環状に延びるクーリングチャンネル（１９，１１９）と、環状に延びるキャビティ壁（１５ｂ）を備えた燃焼キャビティ（１５）とを有し、前記キャビティ壁（１５ｂ）は、キャビティ縁部領域（１５ｃ）を介してピストン頂面（１２，１１２）に移行しており、前記燃焼キャビティ（１５）は、少なくとも部分的にピストン基体（１１）から成っており、前記キャビティ壁（１５ｂ）は、少なくとも部分的に挿入体（１８）から成っている、ピストン（１０，１１０，２１０）の製造方法であって、
    （ａ）前記ピストン基体（１１）と前記挿入体（１８）とを少なくとも接合面の領域において予備加工するステップと、
    （ｂ）前記ピストン基体（１１）と前記挿入体（１８）とを組み立てるステップと、
    （ｃ）前記ピストン基体（１１）と前記挿入体（１８）とを対応する接合面に沿ってビーム溶接により結合させるステップと、
    （ｄ）前記ピストンを仕上げ加工するステップと
    を含む方法ステップを有することを特徴とする、ピストンの製造方法。
15. 前記ステップ（ａ）において、前記ピストン基体（１１）の接合面と前記挿入体（１８）の接合面とをクリーニングしかつ平滑化する、請求項１４記載の方法。
16. 前記ステップ（ｂ）において、前記ピストン基体（１１）と前記挿入体（１８）とをプレス嵌めにより、かつ／または固着により組み立てる、請求項１４記載の方法。
17. 前記ステップ（ｃ）において、前記ピストン基体（１１）と前記挿入体（１８）とを電子ビーム溶接またはレーザ溶接により結合させる、請求項１４記載の方法。
18. 前記ステップ（ｃ）の前に、ピストン基体（１１）および／または前記挿入体（１８）を４００℃〜５５０℃に予備加熱する、請求項１４記載の方法。

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