JP2016505107A - ピストンとピストンの製造方法 - Google Patents

Abstract

内燃機関のためのモノブロックピストンアセンブリが提供される。ピストンアセンブリは、軸に沿って延びており、軸の周りに環状に連続的に延びる少なくとも１つの摩擦溶接接合部でともに接合される少なくとも２つの材料の部分で形成されたピストン本体を含む。１つの部分は、その中に形成された軸を中心に回転非対称な形状を持つ燃焼ボウルを有する上面を有する。別の部分は、連結ロッドの一部を摺動して受けるための軸の周りに回転対称なドーム形状の受け面を有する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年１月２１日付の出願番号第６１／７５４６６８号の出願の利益を主張し、その開示を参照により本明細書に組み込む。

発明の背景
１．発明の属する技術分野
本発明は、概して内燃機関用のピストンに関する。

２．関連技術
内燃機関のための電力生産と内燃機関の燃料効率を改善するための継続的努力において、モノブロック設計の、または１体の、ピストン本体は、冷却孔および独自の燃焼ボウル形状などの機能に対応するためにますます複雑になってきている。多くの場合、それは、単一の材料の一体片から、このような複雑なピストン設計を形成するのは、コスト効果的ではない。したがって、多くのピストンの製造業者は、２つ以上の部品のピストン体を形成し、続いてこれらの部品をともに接合する。たとえば、いくつかのモノブロックピストンの設計は、クラウン状部を含む第１の部分と、対向するスカート状部およびリストピンを受けるための対向するピンボアを含む第２の部分とを含む。第１および第２の部分は、次いで、たとえば、様々な種の溶接、ボルト、締結具、等を含む種々の異なる接合方法を介してともに接合されてもよい。

モノブロックピストン本体の第１および第２の部分をともに接合するための１つの特にコスト効果的なアプローチは、他に対して１つの部分を高速で回転させ、これらの部分を互いの部分に接触させ、これによりこれらの２つの部分の間の摩擦からの熱が接合部における材料を塑性状態に加熱することを引き起こし、これらの２つの部分をともに摩擦溶接することである。接合部における材料の高い圧力は、部分をともに接合させる効果を有する。この溶融材料のその後の冷却は、モノブロックピストン本体の第１および第２の部分の間の特に強い溶接接合部を生むことが知られている。しかし、このアプローチの１つの問題は、回転摩擦溶接中に互いに対して正確に第１および第２の部分を位置合わせすることが非常に困難であることである。このため、一般的には、摩擦溶接は、第１および第２の部分の１つ（または両方）が回転対称であり、その回転配置が他の部分に対してピストン本体の形状に影響を与えないような場合のみに、実用的である。リストピンボアは、その性質上、回転対称であることができないので、ピストンの製造業者は、典型的に、回転対称の燃焼ボウルを有するピストン本体の部分を接合するために摩擦溶接を用いるのみによって、摩擦のこの制限を克服する。

発明の概要
本発明の一態様は、内燃機関のための改良されたモノブロックピストンアセンブリである。ピストンアセンブリは、軸に沿って延び、軸の周りに環状に連続的に延びる少なくとも１つの溶接部でともに接合される少なくとも２つの材料の部分で形成されるピストン本体を含む。部分の１つは、その中に形成される燃焼ボウルと上面とを有し、燃焼ボウルは、軸を中心に回転非対称な形状を有している。別の部分は、連結ロッドの一部を摺動して受けるためのドーム形状の受け面を有し、ドーム形状の受け面は、軸の周りに回転対称である。

回転対称のドーム形状の受け面が、異なる種別の動作の領域を通して互いに接合される部分の能力を損なうことなく、燃焼ボウルが回転非対称な形状で形成されることを可能にするため、改良されたピストンアセンブリは有利である。このように、改善された性能を可能にすることに加えて、ピストンアセンブリは、コスト効果的に製造することができる。

本発明の別の態様によれば、溶接部は、摩擦溶接部である。
本発明の別の態様は、ピストンを製造する方法を提供する。方法は、ピストン本体の第１の部分を準備するステップを含み、第１の部分は、その上面に形成される燃焼ボウルを有し、燃焼ボウルは軸に対して回転非対称な形状を有する。方法は、ピストン本体の第２の部分を準備するステップを含み、第２の部分は連結ロッドの端部を受けるための軸の周りに回転対称形状のドーム形状の受け面を有する。方法は、ピストン本体の第１および第２の部分をともに摩擦溶接するステップを続ける。

図面の簡単な説明
これらおよび他の本発明の特徴および利点は、以下に容易に理解され、同様に添付図面を関連して考慮されるとき、以下の詳細な説明を参照することによって、理解されるであろう。

ピストンおよび連結ロッドアセンブリの例示的な実施形態の断面図である。 図１のピストンおよび連結ロッドアセンブリの断面図である。 図１のアセンブリのピストン本体の断面図である。 ピストン本体の断面図である。 図４の断面図とは異なる場所から見たピストン本体の別の断面図である。 ピストン本体と係合するキャップを示す断面図である。 図６の断面図とは異なる場所から見たピストン本体と係合するキャップの別の断面図である。 キャップの底面立面図である。 キャップの斜視立面図である。 キャップの別の斜視立面図である。 キャップの上面立面図である。 図１のアセンブリの連結ロッドの正面図である。 連結ロッドの斜視立面図である。 連結ロッドの側面図である。 ピストンおよび連結ロッドアセンブリの別の断面図である。 連結ロッドの代替の実施形態の透視部分図である。 連結ロッドの代替の実施形態の側面部分図である。 連結ロッドの代替の実施形態の正面部分図である。 キャップの代替の実施形態の斜視図である。 ピストンおよび連結ロッドの代替の実施形態の断面部分図である。 図２０とは別の場所から見た代替の実施形態のピストンおよび連結ロッドアセンブリの断面部分図である。

実施態様の説明
図を参照して、同様の数字はいくつかの図、および改善されたピストンの例示的な実施形態を通して対応する部品を示し、一般的に本発明の一態様に従って構成された連結ロッドアセンブリ２０を図１において示す。ピストンおよび連結ロッドアセンブリ２０は、４ストロークエンジン、２ストロークエンジン、スパーク点火エンジン、圧縮点火エンジン、シリンダエンジンごとの水平対向ピストンを含む内燃機関の異なる種類の範囲で使用するために構成されることができる。

さらに図１を参照すると、例示的な実施形態のアセンブリはピストン本体２２を備え、ピストン本体２２は、軸Ａと、ピストン本体２２と動作可能に接合される連結ロッド２４とに沿って延びる。典型的なピストン本体２２および連結ロッド２４とは対照的に、例示的なピストン本体２２および連結ロッド２４は、リストまたはガジオンピンなしに接合されている。むしろ、図２に示すように、ピストン本体２２は、ピストン本体２２の上面から離れる方を向く、ドーム形状または半球形状の受け面２６を有しており、連結ロッド２４の端部２８は、受け面２６の形状と一致する形状を有する。具体的には、連結ロッド２４の端部２８は、受け面２６のドーム形状に一致するように概ね球状である。球状の連結ロッド２４の端部２８は、球状の連結ロッド２４の端部２８がピストン本体２２の半球面状の受け面２６に係合させられた後、ピストン本体２２に連結されたキャップ３０によってピストン本体２２に係合保持されている。キャップ３０およびドーム形状のピストン本体２２の受け面２６は両方、連結ロッド２４の球状の端部２８と摺動可能に係合し、これにより、連結ロッド２４がエンジン（図示せず）の運転中にピストン本体２２に対して回転または前後に関節のように動作することを可能にする。

図１に戻って参照すると、ピストン本体２２は、クラウン状部３２と、クラウン状部３２からぶら下がってそこから下方に軸方向に延びるスカート状部３４を含む。例示的な実施形態では、エンジンのシリンダボア内の改善された安定性を有するピストン本体２２を提供するために、軸Ａの周りに３６０°にわたって連続的かつ実質的に均一に延びる点において、スカート状部３４は完全かつ周方向に連続したスカート状部である。例示的なピストン本体２２の外面はまた、エンジンのシリンダ壁にピストン本体２２を密封するための（図示しない）ピストンリングを受けるための環状溝３６ａ、３６ｂを備える。具体的には、例示的なピストン本体２２は、クラウン状部３２を囲む複数の環状溝３６ａと、スカート状部３４の下端に隣接して配置される複数の環状溝３６ｂとを含む。特定の種類のエンジンでは、例示的なピストン本体２２のスカート状部３４上の環状溝３６ｂからの、クラウン状部３２上の複数の環状溝３６ａのリングの軸方向の間隔は、エンジンの運転中にエンジンのシリンダ壁内の１つまたは複数の取り入れ口（図示せず）からの空気がピストン本体２２を過ぎていずれかの軸方向に漏れるのを制限してもよい。しかし、ピストン本体２２は、任意の所望の数の環状溝を含むことができ、環状溝は、ピストン本体上の任意の適切な位置に配置されてもよいことを理解すべきである。また、スカート状部は代替的に開放されまたは円周方向に非連続であり、すなわち、３６０度未満の曲線を通って連続的に拡張することができることが理解されるべきである。

図３および４を参照すると、例示的な実施形態のピストン本体２２は互いに別々に形成された２つの部分３８、４０から構成され、（たとえば、鍛造、および／または鋳造操作によって）その後ともに接合される。具体的には、例示的なピストン本体２２は、上部分３８と下部分４０とを含み、これらの部分３８、４０はたとえば、摩擦溶接操作またはハイブリッド誘導溶接などを含む他の任意の適切な溶接作業よって互いに接合される。例示的な実施形態では、上部分３８は、クラウン状部３２の部分を含み、その中に形成された燃焼ボウル４２を含む上面を有し、下部分４０は、その中に形成されたドーム形状の受け面２６を含む。部分３８、４０の両方は鋼から形成されることが望ましいが、代替的に、たとえば、アルミニウム、マグネシウム、またはそれらの様々な合金を含む他の金属の範囲で形成することができる。

図３を参照すると、ピストン本体２２のクラウン状部３２の上面における燃焼ボウル４２は、軸Ａの周りに円周方向に（または回転）非対称的な形状で形成され、ピストン本体２２のドーム形状の受け面２６は、概ね円周方向に（または回転）対称の形状を有している。このため、下部分４０は上部分３８に対して任意の所望の回転の向きを有し得る。これは、一般的な円周方向に非対称形の燃焼ボウルを有する他の既知の２部分ピストンのように、上部分、下部分３８、４０が正確に互いに対して回転配向される必要がないため、製造上の利点を可能にする。したがって、摩擦溶接などの特定の製造作業は、上下部部分３８、４０を接合するために使用されることができる。したがって、非対称状の燃焼ボウルおよび摩擦溶接の両方の利点は、ピストン本体２２の例示的な実施形態で実現される。

ともに接合されると、例示的な実施形態の上下部分３８、４０は互いに協働して、エンジンの動作中にピストン本体２２を冷却するために冷却流体を受けるための１つまたは複数の油孔４４を有するピストン本体２２を提供する。上下部分３８、４０のそれぞれは、互いに半径方向に離間される内側と外側の接合面を有している。摩擦溶接動作中、内側の接合面が溶接され、外側の接合面が接合される。油孔４４は、内側と外側の接合面との間に形成される。例示的な実施形態のピストン本体２２には、オイルがクランクケースから油孔４４に投射され、オイルが油孔４４から排出されるための通路を提供する複数の開口部が形成される。これらの開口部は、たとえば、下部分４０の初期形成中に形成されることができ、またはそれらは、下部分４０が上部分３８と接合される前または後のいずれかに下部分４０に穿孔されることができる。ピストン本体２２は代替的に、完全に封入された油孔またはまったくいずれの油孔なしに形成され得ることが理解されるべきである。

例示的な概ねドーム形状のピストン本体２２の受け面２６は、軸Ａに沿って配置され、燃焼ボウル４２とは反対の軸方向に向く。複数の支持部４６は、ピストン本体２２のスカート状部から、受け面２６を有するピストン本体２２の部分に、放射状に延びる。支持部４６は、エンジンの運転中に油孔４４へのまたは油孔４４からの油（または任意の他の冷却流体）を流すために、隣接する支持部４６の間の通路を提供するように互いに周方向に離間されている。たとえば、例示的な実施形態では、ピストン本体２２は、これらの支持部４６を６つ含む。支持部４６はまた、ドーム形状の受け面２６に構造的補強を提供する。

図８〜１１を参照して、キャップの例示的な実施形態が大まかに示される。キャップ３０は、ドーム形状の受け面２６とキャップ３０との間の連結ロッド２４の端部２８を捕捉するためにキャップ３０をピストン本体２２に固定するためにボルト４８を受けるための複数のボルト穴を含む。特に、ピストン本体２２の上下部分３８、４０が互いに接合された後に、ピストン本体２２に穴が穿設され、穴はねじボルト４８に螺合して係合するためにねじ切りされる。キャップ３０の上面は、連結ロッド２４の端部２８に摺動して係合するように湾曲している。

例示的なキャップ３０は、そこを通って延びる概ねＵ字状の開口部５０を有し、図１２および図１３に示すように、例示的な連結ロッド２４は、キャップ３０におけるＵ字型の開口部５０の幅と同様の距離だけ互いから離間する、その球形の端部２８に隣接する１対の対向する平坦面５２を有する。ピストン本体２２にキャップ３０が連結されたとき、それは、エンジンの運転中にピストン本体２２に対する連結ロッド２４の関節運動を制限することなく、垂直軸の周りの連結ロッド２４に対するピストン本体２２のねじれを制限するための平坦面５２を有する連結ロッド２４の一部に少なくとも部分的にまたがる。キャップ３０は、ピストン本体２２とキャップ３０とを相互接続するために、ボルト４８を受けるための互いに離間したボルト穴を複数有している。

ピストンを作成し、ロッドアセンブリを接続するプロセスまたは方法２０も提供される。プロセスは、軸Ａの周りに円周方向に非対称な形状を有する燃焼ボウル４２を持つ上部または第１の部分３８と、軸Ａの周りに回転対称の湾曲したまたはドーム形状の受け面２６を有するスカート状部３４を持つ下部または第２の部分４０とを準備することから始まる。例示的な実施形態では、スカート状部３４は、円周方向に連続するスカート状部を有する。上下部分３８、４０の各々は、半径方向に離間した接合面の対を有しており、この方法は、接合面の対において上下部分３８、４０をともに摩擦溶接するステップに続く。例示的な方法は、ピストン本体２２のドーム形状の受け面２６に係合するように、連結ロッド２４の端部２８を配置するステップに続く。例示的な方法は、そして、ドーム形状の受け面２６とキャップ３０との間に連結ロッド２４の端部２８を捕捉しながら、ピストン本体２２とキャップ３０とを接合するステップに進む。キャップ３０は、連結ロッド２４の回転、関節運動をピストン本体２２に対して１つのみの回転方向にすることを可能とするように、概ねＵ字状の開口部５０を有してもよい。ピストン本体２２とキャップ３０とを接合するステップは、ピストン本体２２にボルト穴を穿孔してタップ加工することと、ピストン本体２２にキャップ３０をボルト締めすることとを含んでもよい。

ピストンおよび連結ロッドアセンブリ１２０の代替的な実施形態およびアセンブリ１２０の様々な構成要素は、上述した実施形態に対応する部品を示す、要素１００によって分けられた同様の数字を用いて図１６〜２１に示されている。

図１６〜１８を参照して、この別の実施形態の連結ロッド１２４は、平坦面１５２の間に湾曲するまたは概ね半球状の外面のロリポップ形状を端部１２８に与えるために端部１２８の一部に上方に延びる平坦面１５２によって上述の連結ロッド２４と区別される。この特定の構成は、連結ロッドの他のデザインよりも製造が容易である。

図１９を参照すると、代替の実施形態のキャップ１３０は、２つの部分で構成されており、部分のそれぞれはノッチされている。部分がともに接合されるときに、ノッチは互いに対向し、Ｕ字型の開口部１５２を規定する。キャップ１３０は、任意の所望の数であってもよいことが理解されるべきである。

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、具体的に添付の特許請求の範囲内において説明された以外の方法で実施することができる。

Claims (20)

1. 内燃機関のためのモノブロックピストンアセンブリであって、
   軸に沿って延びるピストン本体を備え、前記ピストン本体は前記軸の周りに環状に連続的に延びる少なくとも１つの溶接部によってともに連結される少なくとも２つの材料の部分で形成され、
   前記部分の１つは、その中に形成される燃焼ボウルを有する上面を有し、前記燃焼ボウルは、前記軸の周りに回転非対称形状を有し、
   別の前記部分は、連結ロッドの一部を摺動自在に受けるためのドーム形状の受け面を有し、前記ドーム形状の受け面は、前記軸の周りに回転対称である、モノブロックピストンアセンブリ。
2. 前記少なくとも１つの溶接部は、摩擦溶接部である、請求項１に記載のモノブロックピストンアセンブリ。
3. 前記ピストン本体の前記ドーム形状の受け面の形状と少なくとも部分的に一致する形状を有する端部を有する連結ロッドをさらに含む、請求項１に記載のモノブロックピストンアセンブリ。
4. 前記ピストン本体に接合され、そこから少なくとも１つの回転方向に回動可能としながら前記連結ロッドの前記端部を捉えるキャップをさらに含む、請求項２に記載のモノブロックピストンアセンブリ。
5. 前記キャップは前記ピストン本体に対して前記連結ロッドを１つの回転方向のみに回転可能とする、請求項４に記載のモノブロックピストンアセンブリ。
6. 前記キャップは、前記連結ロッドが前記ピストン本体に対して前記１つの回転方向のみに回転することを可能とするための概ねＵ字状の開口部を有する、請求項５に記載のモノブロックピストンアセンブリ。
7. 前記キャップは少なくとも１つの締結具を介して前記ピストン本体に接合される、請求項４に記載のモノブロックピストンアセンブリ。
8. 前記連結ロッドの前記端部は概ね球状である、請求項４に記載のモノブロックピストンアセンブリ。
9. 前記連結ロッドの前記端部は概ねロリポップ形状である、請求項４に記載のモノブロックピストンアセンブリ。
10. 前記連結ロッドの前記端部は、対向する平坦面の間に延びる半球状の面を有する部分を有する、請求項４に記載のモノブロックピストンアセンブリ。
11. 前記少なくとも１つの摩擦溶接部は、冷却油孔の反対側に互いに半径方向に離間した摩擦溶接部の対である、請求項１に記載のモノブロックピストンアセンブリ。
12. 前記ドーム形状の受け面を有する前記第１および第２の部分の少なくとも１つは、周方向に連続したスカート状部をさらに有する、請求項１に記載のモノブロックピストンアセンブリ。
13. ピストンの製造方法であって、
    ピストン本体の第１の部分を準備するステップを備え、前記第１の部分はその上面に形成された燃焼ボウルを有し、前記燃焼ボウルは軸に対して回転非対称な形状を有し、前記方法は、
    前記ピストン本体の第２の部分を準備するステップと、
    前記ピストン本体の前記第１および第２の部分をともに溶接するステップと、をさらに備える、方法。
14. 前記ピストン本体の前記第１および第２の部分をともに溶接する前記ステップの前に、前記第２の部分は回転対称形状のドーム形状の受け面を有する、請求項１３に記載の方法。
15. 前記ピストン本体の前記第１および第２の部分をともに溶接する前記ステップは、前記ピストン本体の前記第１および第２の部分をともに摩擦溶接することとして規定される、請求項１３に記載の方法。
16. 前記第２の部分は、円周方向に連続するスカート状部を有する、請求項１３に記載の方法。
17. 前記第１のおよび第２の部分の各々は互いに半径方向に離間した対の接合面を有し、前記ピストン本体の前記第１および第２の部分をともに摩擦溶接する前記ステップは、前記部分を接合面の前記対においてともに摩擦溶接することを含む、請求項１３に記載の方法。
18. 前記ピストン本体の前記ドーム形状の受け面と係合するように連結ロッドの端部を配置するステップをさらに含み、前記連結ロッドの端部は前記ピストン本体に対して連結ロッドを回転させることを可能にするために前記ドーム形状の受け面の形状に少なくとも部分的に一致する形状を有する、請求項１３に記載の方法。
19. 前記連結ロッドの前記端部をキャップと前記ピストン本体上の前記ドーム形状の受け面との間に捕捉しながら、前記キャップを前記ピストン本体に接合するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記キャップは、前記ピストン本体に対する前記連結ロッドの１つの回転方向のみの回転を可能とするためにＵ字型の開口部を有する、請求項１９に記載の方法。

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