JP2015529779A - カウンターボアのデザインを有するスチール製ピストン - Google Patents

Abstract

内燃機関用ピストンを提供する。ピストンは、スチール製ピストン本体を含む。ピストン本体は、上方燃焼面を有する冠状部を有し、冠状部の面から垂下する一対のスカートと、リストピンを受けるための一対ピンボスと、スカートにピンボスから延びる複数のピンボスブリッジとを有する。 各ピンボスブリッジは、冠状部に対向する下端部に軸方向に延び、下端部の厚みを増加させたリブを有する。ピンボスブリッジの少なくとも１つは、ピストン本体の機械加工のための基準位置を提供するための概ね平坦なカウンターボア面を有する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年９月１８日に出願された米国仮出願第６１／７０２，５４９号の利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

発明の背景
１．発明の属する技術分野
本発明は、概してスチール製ピストンと、スチール製ピストンを形成する方法に関する。

２．関連技術
多くの従来の一体鋳造のピストン本体はアルミニウム製であり、冠状部と、一対のスカート部と、一対のピンボスと、複数のピンボスブリッジと、を含み、複数のピンボスブリッジは、スカート部とピンボスとの間に延びる。このような一体鋳造のピストン本体は、典型的には、最初に鋳造または鍛造プロセスによって大まかな形状に形成され、続いてその最終形状に機械加工される。機械加工操作は、通常、ピストン上に鋳放または鍛造後のものにデータムまたは基準点を位置決めすることと、概ね平らな表面を有するカウンタボアを提供するために、各ピストンのスカートの下端（下端全体ではない）内部を機械加工することと、によって開始する。一旦これらのカウンターボアが形成されると、それらは、すべてではないが多くのその後のピストン本体の加工工程、およびピストン本体がその意図された機能を実行可能であることを保証するためのピストン本体の最終検査のためのデータムおよび／または基準点としても使用される。

多くの現代のエンジンメーカは、直接噴射やターボチャージングなどの高度な技術を、燃費を向上させるために採用する。結果として、これらのおよびその他の高度な技術は、しばしば、アルミピストンを損傷する可能性のある、燃焼温度および圧力の増加をもたらす。これらの増加された燃焼温度および圧力に耐久するために、いくつかのピストンメーカーはアルミニウムではなくスチールのピストンの製造を始めている。スチールの強度はアルミニウムと比較して増加するため、軽量化の目的にはより薄いスカートと壁厚のピンボスブリッジを有するピストンを形成することが望ましい。しかし、スカートの壁厚の減少は典型的には、そこからカウンタボア面の機械加工を行うべき材料を削減し、それによって特定の機械加工作業をより困難にするという、マイナスの効果を有する。いくつかのピストンメーカーが、壁厚が減少したスカートにカウンターボア面を機械加工することを試みてきた。図１及び図２に、スカートに機械加工されたカウンターボア面を有するようなピストン本体を図示する。しかしこのアプローチは、非常に薄く、脆く、鋭い、外側の未加工部分をもたらす可能性があり、その後の機械加工作業中または機械加工作業の前後での取り扱い中に容易に破損しうる。これらの欠点を回避するために、他のピストンの製造業者は、そこから機械加工するのに十分な厚さのカウンタボア面とスカートを提供するためだけに、スカート上に薄く脆く鋭い外側の未加工の面を作成することなく、構造的に必要であるよりも厚いスカートのスチールピストンを製造する。

本発明の一態様は、内燃機関用ピストンを提供する。ピストンは、スチール製ピストン本体を含む。ピストン本体は、上方燃焼面を有する冠状部と、冠状部から垂下する一対のスカートと、リストピンを受けるための一対のピンボスと、ピンボスからスカートに延びて、冠状部と対向する下端に軸方向に延びる複数のピンボスブリッジと、を有する。各ピンボスブリッジは、それぞれの下端に厚さを増加させたリブを有する。ピンボスブリッジの少なくとも１つは、ピストン本体の加工のための基準位置を提供するための概ね平坦なカウンターボア面を有する。

ピンボスブリッジの下端のリブ上にカウンターボア面を配置することは、多くの理由で有利である。たとえば、スカートの厚さは、それらがカウンターボア面を有するのに十分な厚さである必要はないため、最適化されてもよい。このため、他の既知のスチールピストンに比べて、ピストン本体の総重量または質量を減少させることができる。 さらに、ピンボスブリッジの厚みを増した領域（すなわちリブ）は、ピンボスブリッジのブリッジ下端のみに局在する。このため、リブによってピストン本体に追加される重量または質量は、特にスカートの壁厚を最適化することによって節約された重量または質量と比較した場合、非常に小さい。このように、ピストン本体は、他の公知のスチールピストン本体よりも軽量である。これは、内燃機関の性能向上だけでなく、製造中に削減された材料費を提供するので、有益である。

本発明の別の態様は、ピストンの製造方法を提供する。この方法は、冠状部と、一対のスカートと、一対のピンボスと、ピンボスとスカートとを相互に接続する一対のピンボスブリッジと、を有する非最終形状にピストン本体を形成する工程を含む。方法は、カウンターボア表面をピンボスブリッジのブリッジ下端に機械加工する工程に進む。方法は、カウンタボア面の少なくとも１つを参照する工程に続く。方法は、カウンターボア面の少なくとも１つを参照または配置するステップに進む。方法は、参照したカウンタボア表面に基づいてピストン本体を機械加工する工程に続く。

図面の簡単な説明
本発明のこれらおよび他の特徴および利点が、以下に容易に理解されるだろう。また同じく、以下の図面と説明を参照することによってより容易に理解されるであろう。

ある既知の種類のスチール製の一体鋳造ピストンの底面図である。 図１の従来の一体鋳造ピストンの正面斜視図である。図２は、図１のピストンの底面図である。 本発明の一態様に従って構成されたピストンの正面斜視図である。 図３のピストンの底面図である。 図３のピストンの側面図である。

実施可能とするための実施の形態の記述
図中の同様の番号は複数の図面を通して対応する部分を示す。内燃機関（図示せず）のための一体鋳造ピストン本体２０の例示的な実施形態を、一般に図３から図５に示す。ピストン本体２０の例示的な実施形態は、スチール製であり、鋳造および／または鍛造操作後にピンボスブリッジ２２へと機械加工される概ね平坦なカウンターボア面２４を有する複数のピンボスブリッジ２２を有する。ピンボスブリッジ２２上の概ね平坦なカウンターボア面２４は、ピストン本体２０上への後続の機械加工作業のためのデータムおよび／または基準位置として使用することができる。さらに、概ね平坦なカウンターボア面２４が、ピストン本体２０のスカート２６ではなく、ピンボスブリッジ２２上に形成されるため、スカート２６は、スチール製の他の公知のピストン本体と比較して削減または最適化された壁厚で形成することができる。

ここで図３を参照すると、例示的な実施形態のピストン本体２０は、上方燃焼面を有する冠状部２８とリング状ベルト３０とを含む。リング状ベルト３０は、ピストン本体２０の外側リング状面に凹設され、複数のピストンリング（図示せず）を収容するために互いから軸方向に離間する複数のリング状溝を含む。上方のリング状溝は、好ましくは、ピストン本体２０の上方の燃焼室の燃焼ガスを封入するための圧縮リング（図示せず）を収容するように構成され、また、最下部のリング状溝は、好ましくは、潤滑と冷却オイルを、ピストン本体２０の下方のクランクケース（図示せず）とオイルパン（図示せず）内に密封するために、オイルスクラッパーリングまたはリングの組（図示せず）を収容するように構成されている。図５に最もよく示されるように、ピストン本体２０はまた、オイル排出溝３４を有して形成され、オイル排出溝３４はリング状溝の下に軸方向に離間しており、ピストンリングを超えるオイルの通過を最小限にするために、内燃機関におけるシリンダ壁から廃棄されるオイルの流れを管理するように構成される。このオイル排出溝３４は、スカート２６の外周面に延び、ピンボスブリッジ２２を外側の平坦面に開口する。

図３を再び参照すると、ピストン本体２０のスカート２６は、直径方向に互いに対向し、冠状部２８から垂下し、冠状部２８からそれぞれスカートの下端３６に軸方向に延びる。各スカート２６は、冠状部２８からスカート下端部３６までの実質的に高さ全体に概ね均一な壁厚を有する。ピストン本体２０はまた、直径方向に対向する一対のピンボス３８を含み、ピンボス３８は、内燃機関のコネクティングロッド（図示せず）とピストン本体２０とを接続するリストピン（図示せず）を受けるための互いに整列した開口部を有する。各ピンボスブリッジ２２は、ピンボス３８の一方とスカート２６の一方との間で一体に接続され、延在する。スカート２６は内燃機関におけるシリンダ壁の形状に対応するように丸くなっているが、リブ４０（以下でさらに詳細に説明する）を除いて、ピンボスブリッジ２２は、概ね平面または平坦である。

ピストン本体２０の例示的な実施形態では、ピンボスブリッジ２２は、冠状部２８から垂下し、そこから軸方向にそれぞれブリッジ下端まで延びる。各ピンボスブリッジ２２はリブ４０を有する。リブ４０は、そのそれぞれのブリッジ下端で壁厚が増加する、すなわちブリッジ下端がピンボスブリッジ２２の他の部分よりも大きな厚みを有する。例示的な実施形態では、各ピンボスブリッジ２２のリブ４０は、実質的にそれぞれのスカート２６とそれぞれのピンボス３８との間の全距離だけ延在する。しかし、ピストン本体は代替的に、実質的にそれぞれのスカート２６とそれぞれのピンボス３８との間の全距離より短く延在するリブを用いて形成可能であることを理解すべきである。

ここで図４の底面図を参照すると、リブ４０の下面は、複数の平坦なカウンターボア面２４を提示するために機械加工される。複数の平坦なカウンターボア面２４は、ピストン本体２０への後続の機械加工工程および最終的な検査工程が適用された場合のための、基準および／またはデータム点／位置としての役目をしてもよい。例示的な実施形態では、機械加工されたカウンターボア面２４は、ピンボス３８のいずれかの側、すなわち、ピンボスブリッジ２２がスカート２６に接する遷移領域の４つすべての、ピンボスブリッジ２２の底面に配置される。例示的な実施形態に示されるように、カウンタボア面２４はスカート２６のスカート下端３６の鉛直上方に隆起する。すなわち、カウンターボア面２４は、スカート下端３６とピストン本体２０の冠状部２８との間に軸方向（又は垂直方向）に配置される。

ピストン本体２０は、好ましくはスチールの一つの一体部品で作られており、鋳造プロセスまたは鍛造プロセスによって大まかな非最終形状に形成される。鋳造または鍛造プロセスの完了後に、カウンタボア面２４は、ピンボスブリッジ２２のリブ４０に機械加工される。次にカウンターボア面２４は、例えば、ピンボス３８の機械加工、リング溝３２の機械加工、および／または冠状部２８の上方燃焼面の機械加工といった、その後の加工プロセスのための基準またはデータムの位置として使用される。

ピストン本体２０が、鋳造工程を経て、大まかな非最終形状に形成される場合には、ピンボスブリッジ２２のブリッジ下端のリブ４０が、ピストン本体２０に直接鋳造されてもよい。代替的に、ピストン本体２０が鍛造工程を経て、大まかな非最終形状に形成される場合は、ピンボスブリッジ２２は、初期にはより厚く形成して、ピンボスブリッジ２２のブリッジ下端で厚みを増したリブ４０を残したまま、カウンタボア面２４の機械加工の前後いずれかにそれらの最終的な厚さに機械加工されてもよい。

ピンボスブリッジ２２のリブ４０上にカウンターボア面を配置することは、多くの理由のために有利である。例えば、ピストン本体２０の総重量又は質量は、他の既知のスチールピストンに比べて低減することができる。これは、カウンターボア面２４がスカート２６上にあるためにスカート２６の厚さを最適化することができるためである。材料の節約に加えて、これは、改善された性能を有する内燃機関を提供することができる。さらに、ピンボスブリッジ２２の厚みを増した領域（すなわちリブ４０）が、ピンボスブリッジ２２のブリッジ下端のみに局在しているので、リブ４０によりピストンに追加される重量または質量は、特にスカート２６の壁厚を最適化することにより節約された重量または質量と比較した場合に、非常に小さい。

ピンボスブリッジ２２の下端にカウンターボア面２４を形成する別の利点は、ピン方向にピストンをセンタリングする容認角度が最大化されことである。カウンターボア面２４がピストンに形成された後、ディスク（図示せず）が典型的には、ピストン本体２０へカウンターボア面２４に取り付けられる。このディスクは、ピン方向の基準データム点を特定するために使用可能である。ピンの長さを含む様々な要因に依存して、いくつかのピストンではスカートの長さは非常に短いかもしれず、したがって、他の既知のピストン本体のカウンタボア面が延在する角度は、従来の方法（すなわち、スカートの底面上）で形成されるカウンターボアを有するピストン内でピストン本体をピン方向に正確に配置するのに十分な長さではないかもしれない。しかし、例示的な実施形態のピストン本体２０のカウンターボア面２４は、スカート２６内ではなくピンボスブリッジに形成される。このため、カウンターボア面２４がスカート２６の端部に隣接するよう（または可能には通過して）形成されるので、対抗するカウンターボア面２４の間のより広い角度が、ピストン本体２０をピン方向により正確に配置するために測定されてもよい。

本発明の別の態様は、内燃機関用ピストンの製造方法を提供する。例示的な方法は、ピストン本体２０を非最終形状に形成する工程を含み、ピストン本体は、冠状部２８と、一対のスカート２６と、一対のピンボス３８と、ピンボス３８にスカート２６を相互接続するリブ４０を有する複数のピンボスブリッジ２２とを有する。形成工程は、たとえば、ピストン本体２０の鋳造またはピストン本体２０の鍛造を含む。ピストン本体が非最終形状に鋳造されている場合は、リブ４０はピストン本体２０に直接鋳造してもよい。一方、ピストン本体が非最終形状に鍛造される場合、方法は追加的に、ピンボスブリッジ２２をリブ４０を提供するよう機械加工する工程を含んでもよい。

例示的な方法は、カウンターボア面２４をピンボスブリッジ２２のブリッジ下端に機械加工する工程に進む。そして例示的な方法は、（たとえば、ＣＮＣマシンで）少なくとも１つのピンボスブリッジ２２上の少なくとも１つのカウンターボア面２４を参照する工程に進む。次に方法は、参照したカウンターボア面２４または少なくとも１つのピンボスブリッジ２２の上の表面に基づいて、ピストン本体２０を機械加工するステップに進む。 参照したカウンターボア面２４または表面に基づいてピストン本体を機械加工することは、たとえば、冠状部２８にリング溝を加工すること、ピンボス３８に開口を加工すること、または冠状部２８の上方燃焼面を加工することであってもよい。

明らかに、本発明の多くの修正および変形が上記の教示に照らして可能であり、特定的に説明した以外の方法で添付の特許請求の範囲内において実施することができる。

Claims (13)

1. スチール製のピストン本体を備え、
   前記ピストン本体は、上方燃焼面を有する冠状部と、前記冠状部から垂下する一対のスカートと、リストピンを受けるための一対のピンボスと、前記ピンボスから前記スカートに延びる複数のピンボスブリッジと、を有し、
   各前記ピンボスブリッジは、前記冠状部と反対側の下端に向かって軸方向に延び、その下端に厚さを増加させたリブを有し、
   前記ピンボスブリッジの少なくとも１つは、前記ピストン本体の加工のための基準位置を提供するための概ね平坦なカウンターボア面を有する、内燃機関用ピストン。
2. 前記ピンボスブリッジの前記下端はブリッジ下端であり、前記スカートはスカート下端に軸方向に延び、前記ピンボスブリッジの前記カウンターボア面は前記冠状部と前記スカート下端との間に軸方向に配置される、請求項１に記載のピストン。
3. 各前記スカートは、前記冠状部から前記スカート下端に概ね連続する壁厚を有する、請求項２に記載のピストン。
4. 前記ピンボスブリッジは前記ピストン本体の前記冠状部から垂下し、前記冠状部から前記ブリッジ下端に延びる、請求項２に記載のピストン。
5. 前記ピストン本体は１つのスチール製の一体部品からなる、請求項１に記載のピストン。
6. 前記冠状部は、複数のピストンリングを受けるための複数の軸方向に離間したリング溝を含む、請求項１に記載のピストン。
7. 前記リング溝から軸方向に離間するオイル排出溝をさらに含む、請求項６に記載のピストン。
8. ピストン本体を、冠状部と、一対のスカートと、一対のピンボスと、前記ピンボスに前記スカートを相互に接続するピンボスブリッジの対と、を有する非最終形状に形成する工程と、
   カウンターボア面を前記ピンボスブリッジの下端に機械加工する工程と、
   前記カウンタボア面の少なくとも１つを参照する工程と、
   前記参照したカウンタボア面に基づいて前記ピストン本体を機械加工する工程と、を備える、ピストンの製造方法。
9. 前記ピストン本体は、前記形成工程の後、前記ピンボスブリッジの前記ブリッジ下端にリブを有する、請求項８に記載の方法。
10. 前記形成工程は、非最終形状に前記ピストン本体を鋳造するようにさらに規定される、請求項９に記載の方法。
11. 前記形成工程は、非最終形状に前記ピストン本体を鍛造するようにさらに規定される、請求項９に記載の方法。
12. 前記ピンボスブリッジの前記ブリッジ下端に前記リブを加工する工程をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記形成工程は、ニアネットシェイプに前記ピストン本体を鍛造するようにさらに規定される、請求項８に記載の方法。
    

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