JP2016538510A - ギャラリを有するピンレスピストン - Google Patents

Abstract

ピストン部と連結ロッドとを有するピストンアセンブリである。ピストン部は、クラウン部分と、それらの間に形成される冷却ギャラリに接合された下側部分とを有している。連結ロッドは、ピストン部内のソケット内に配置されたボール端部を有する。一実施形態では、ボール端部は、２つの平坦面を有することができ、Ｃクリップによって所定の位置に保持される。別の実施形態では、ボール端部は円筒形であり、ソケットは、対応する形状を有している。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年９月１６日出願された米国仮出願第６１／８７８５０７号と、２０１４年９月１６日に出願された米国特許出願第１４／４８７４９８号の利益を主張し、そのどちらも全体が参照により本明細書に組み込まれる。

技術分野
本発明は、内燃機関に関し、特に内燃機関用のピストンと連結部とに関する。

背景
内燃機関は、ピストンおよび連結ロッドの小端部の動作可能な接続のためにリストピンの使用が必要とされるピストンおよび連結ロッドアセンブリを有することが知られている。具体的には、ピストン構造は、本体のクラウンから、互いに横方向に離間される軸方向に整列されたピンボアの対まで垂下するピンボスの対を有するピストン本体を含むことが知られている。ピストンの直線運動に回転運動を伝達するために、連結ロッドの大端部は、エンジンのクランクシャフトに取り付けられ、連結ロッドの小端部は、リストピンを介してピストンへの動作可能な取り付けのためにピンボス間に受けられる。リストピンとピンボアとの間の摩擦を低減容易にするために、ピンボア内にジャーナル軸受を挿入することが知られている。これらのピストンおよび連結ロッドアセンブリは、広く受け入れられており有用であるが、たとえば、重量を減らすために、製造効率を向上させ、部品コストを低減するためといった、特定の目標を達成するために、継続的な努力が行われている。

連結ロッドとピストン本体との間のリストピン接続の必要性を排除するピストンが知られている。これらのピストン構造は、連結ロッドへのピストン本体の直接接続を提供する。ピストンは、その中に形成される円筒状または球状のポケットを有する単一のボアを有するピストン本体のクラウン部分から垂下するボスを有する。連結ロッドは一般的に、小端部まで延びるシャンクを有する従来のピストンと同様に構成されている。しかし、小端部は、リストピンボアを設けるよりもむしろ、ボアポケットに受けるために円筒形または球形の表面を提供するシャンクの側面から横方向に外側に延びる外側面を有している。

本発明に従って構成されたピストンは、リストピンの必要性を排除し、上述した目標の達成にさらなる進歩を提供し、さらにピストンアセンブリの当業者によって容易に認識されるであろう。また、重量が比較的軽量であり（すなわち、少ない質量を有し）、過熱を十分に防止するために冷却されることができる、改良されたスチールピストンを提供することが本発明の目的である。

発明の概要
ピストンと連結ロッドアセンブリは、上部クラウンと中心軸に沿ってクラウン部分から垂下するボスとを有する、中心軸に沿って延びるピストン本体を含む。ボスは、中心軸の対向する側部に沿って自由端まで延びる対向する側部、および連結ロッドの小端部を受けるためのポケットを有する。ボスはさらに、自由端を通ってポケット内に延びる開口部を含む。アセンブリはさらに、ポケット内に受け入れ可能となるように構成されたボール型形状を有する小端部で終端し、クランクシャフトへの動作可能に取り付けられるように構成されもう一方の端部まで延びるシャンクを有する連結ロッドを含んでいる。

ピストンは強度および耐久性を提供するスチール材で作られ、かつ、非スチールピストンよりも高い温度および圧力に耐えることができる。ピストンは、２つの部分、すなわち上部のクラウン部分と下部ボスまたは本体部分とで作られている。一方または両方の部分は、鍛造または同等の製造工程によって製造されることができる。上部クラウン部分は、燃焼ボウルのすべてまたは一部を含み、かつ側壁部に１つまたは複数のリング溝を含むことができる。下部本体部分は、側壁部を含み、１つまたは複数のリング溝を含むことができる。

２つの部分は、摩擦溶接または誘導溶接などによって永久的に接合される。冷却ギャラリは、クラウン部分と本体部分との間に設けられている。冷却ギャラリ内にまたは冷却ギャラリを通って循環するオイルは、上部クラウン部分とその縁が過熱されないよう維持している。

本発明の一実施形態によるピストンおよび連結ロッドの組み立て中に、ボール端部は、接続ロッドの動作位置から９０°回転され、ボスの下側の開いた端部から挿入される。これは、ボール端部の平らな部分がポケットに入ることを可能にする。ロッドは、そして、その動作位置へ９０°回転される。Ｃクリップの対は、ピストンがロッドに対して回転することを防止するために、所定の位置に設置される。

本発明の別の実施形態は、上部または小端において円筒部を有する連結ロッドと、円筒状のソケットを有するピストン部とを含む。本実施形態では、連結ロッドは、連結ロッドの長手方向に横切って小端部をソケットへと摺動させることにより、ピストン部に接続される。

本発明に従って製造されたピストンおよび連結ロッドアセンブリは、とりわけピストンの当業者によって容易に認識されるように、ピストンアセンブリ内のコンポーネントの数を減少させ、ピストンアセンブリの圧縮高を低減し、ピストンアセンブリの往復質量を減少させ、長い耐用年数を有するピストンアセンブリおよび関連するコンポーネントを提供する。

添付の図面および添付の特許請求の範囲に従って見られると、本発明の他の特徴および詳細は、本発明の以下の説明から明らかになるであろう。

図面の簡単な説明
本発明のこれらおよび他の態様、特徴および利点は、ここで、現在好ましい実施形態、添付の特許請求の範囲、および添付図面の以下の詳細な説明に鑑みて当業者に容易に明らかになるであろう。

本発明によるピストンの例示的な実施形態および連結ロッドの部分切断斜視図である。 図１に示す本発明の例示的な実施形態の断面図である。 図１に示す本発明の例示的な実施形態の断面図である。 図３に示す実施形態の断面図であり、断面は図３の矢印の方向で４−４線に沿ってとられている。 図１の本発明によるピストンおよび連結ロッドの例示的な実施形態の別の斜視図である。 本発明の代替の実施形態を示す。 本発明の代替の実施形態を示す。 本発明の代替の実施形態を示す。 本発明の別の代替の実施形態を示す。 本発明の別の代替の実施形態を示す。 本発明の別の代替の実施形態を示す。

発明の実施の形態
図面を参照すると、同様の数字は、いくつかの図を通して対応する部分を示しており、ピストンおよび連結ロッドアセンブリ１０が示されている。このアセンブリ１０は、本発明の単に例示的な実施形態であり、本発明の唯一の実施例とみなすべきではない。本発明は、図面に示され、または、以下の説明に具体的に記載されるような、任意の特徴または細部によってだけではなく、それらは最終的に特許に発行される特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

アセンブリ１０は、ピストン３０と、連結ロッド２０と、を備える。ピストン３０は中心の細長い軸４０を有している。連結ロッド２０もまた、中心の細長い軸５０を有している。連結ロッドがピストンに垂直に配置されている場合、図３に示すように、２つの軸は、整列している。

図面において、図１は、アセンブリ１０の例示的な実施形態の部分切断である。描写は、より明確な方法でピストンと連結ロッドとの接続を露出させるために、切り欠き部を有する。図２および図３は、互いに９０°ずれた２つの断面を有する、図１に示す例示的な実施形態の断面図である。図４は、図３の線４−４に沿った断面図であり、ピストンの底部からクラウンに向かって見上げている。図５は、一般にピストンの底部からアセンブリ１０を見た、図１の実施形態の斜視図である。

連結ロッド２０は、エンジン（図示せず）のクランクシャフトにピストンを接続するために使用される。連結ロッドはクランクシャフトにロッドを取り付ける大端部（図示せず）を有している。連結ロッドの大端部は、周知の連結ロッドと同じまたは同様またはであり、ここではこれ以上の説明を必要としない。

連結ロッド２０の上部または小端部２２は、図１〜３および図５に示されている。小端部２２は、連結ロッドの「ボール端部」とも呼ばれる。ボール端部２２は、２つの平坦な側面２４および２６を有し、２つの平坦な側面の間に球状部分２８を有する。連結ロッド２０はまた、好ましくは、ロッド２０の主ステム２１とボール端部２２との間の狭い「ネック型」部分２９を有している。

連結ロッド２０は、例示的には、スチールまたは耐久性のある金属材料で作られており、業界ですべて知られている、機械加工、鍛造または動力金属プロセスから製造されることができる。

ピストン部３０は、２つの部分、すなわち上部またはクラウン部分３２と、下側または本体部分３４とから作られる。本体部分は、スカート部とも呼ばれる。両方の部分は、スチール材料から作られ、好ましくは、鍛造プロセスによって製造される。２つの部分３２および３４は、２つの部分が、機械加工され、必要に応じて完成された後、ピストン部３０を形成するためにともに永久に接合される。２つの部分は、好ましくは、摩擦溶接または誘導溶接により接合されている。図１−３に示されている湾曲したテーリング３６は、摩擦溶接プロセスの典型である。

クラウン部分３２と本体部分３４とが接合されている場合、冷却ギャラリ６０は、ピストン部３０に形成される。冷却ギャラリの上部６２は、クラウン部分３２に形成され、下側部分６４は、本体部分３４に形成される。図示される例示的な実施形態では、燃焼ボウル７０は、２つのピストン部分３２、３４中に含まれる２つの部分７２および７４によって形成される。他の実施形態では、燃焼ボウルは全体として、クラウン部分、または下側部分内に形成されることができる。

また、図示される例次的な実施形態では、ピストンリングのための溝８０、８１、８２は、２つの部分３２および３４のそれぞれに部分的に設けられる。他の実施形態では、１つまたは他のクラウン部分またはスカート部にすべてのリング溝を含むことが可能である。

クラウン部分と下側部分とをともに効果的に摩擦溶接するために、嵌合する環状面９２および９４が設けられている。これは、特に、図２および図３に示されている。

一旦、２つの部分が互いに接合されると、外側の側壁面と燃焼ボウル面とが機械加工され、接合工程で形成されるテーリング残渣を除去する。冷却ギャラリ６０内の湾曲されたテーリング３６は除去されない。

冷却オイルが冷却ギャラリ内に導入され、そこから排出されることを可能にするために、開口部１００および１０２が設けられる。ピストンの２つの部分が接合される前に、これらは、例示的には、穿孔または機械加工される。これらはまた、図４に示されている。開口部１０２は、入口開口部であり、オイルを供給するオイルジェットが角度をもってオイルを噴霧する場合は特に、図示のように楕円形の形状を有することができる。

下側部分が形成されるとき、それは、好ましくは２つの対向する細長いボス部１１０および１２０を有する。図５に示すように、これらは好ましくは中空であり、一般的に円筒形の部材である。部材は、ピストン３０を形成するのに必要な構造および側壁を追加し、主にピストンの重量や質量を減少させるために、中空である。中空ボス部１１０および１２０はまた、オイル入口および出口開口部１００と１０２とを形成するために、冷却ギャラリへのアクセスを可能にする。

冷却ギャラリにおいて２つの開口部がオイルを導入し排出するよう示されているが、正確な数は重要ではない。開口部の数、大きさおよび形状は、また、オイルの入口および出口に対して同じである必要はない。

好ましい実施形態に示される冷却ギャラリ６０は、「閉じた」オイルギャラリである。本発明の代替の実施形態により、床部なしの「開いた」ギャラリを提供することも可能である。

複数のスロット１２０は、最下リング溝８１からオイルを排出するために、ピストン３０に設けられている。これらは、図４および図５に示されている。

連結ロッド２０のボール端部２２からのピストン内のソケット１４０（「ポケット」ととも呼ばれる）は、ピストンの下側部分３４に、かつ燃焼ボウル７０の直下に機械加工される。図に示すように、ポケットは、ボール端部上の湾曲面２８に適合するために球形に成形される。ピストンアセンブリ１０がエンジン内で使用されているときに、ポケット内のボール端は、各ストロークの間、旋回する。

Ｃクリップの対１５０、１５２は、連結ロッド２０がピストン部３０から分離するのを防止するために設けられる。Ｃクリップは、動力部３４内に形成される溝１５１，１５３に配置される。連結ロッドをピストン本体に固定および保持する他の方法もまた、使用することができる。

ピストンアセンブリ１０が組み立てられると、ボール端部がポケット１４０内に配置されることができるように、連結ロッド２０がその動作位置から９０°の長手方向に回転される。ボール端部２２の端部がポケット内に配置されると、ロッド２０は、その動作位置に長手方向に９０°回転される。これは、図１〜３および５に示されている。その後、Ｃクリップ１５０、１５２は、ピストン部３０に対するロッド２０の任意のさらなる長手方向の相対的な回転を防止する位置に設置される。

図６〜８は、本発明の代替実施形態を示す。図６は、断面図であり、図７は、図６の線７−７に沿っている矢印の方向の図であり、図８は、ピストンの底面図である。

代替的なピストンの実施形態は、数字２００によって参照される。ピストン２００は、主に冷却ギャラリ２１０の大きさあるいは構造に関して、上述されたピストンの実施形態１０とは異なる。２つの鍛造されたセクション（クラウン部分２２０と下部本体部分２３０）をともに接合することと、連結ロッドのボール型端部用のポケット２４０を提供することと、部材を保持することによりピストン内にボール型の端部を保持することと、を含むピストン２００の他の特徴は、上述とすべて同じである。

冷却ギャラリ２１０は、実質的にボス部２０４と２０６の全長（高さ）を延びる。冷却ギャラリ２１０の底壁２４０は、クラウン部分２００と燃焼ボウル２５０とからピストンの反対側の端部にある、ボス部２０４、２０６の下端部に配置されている。

開口部２６０および２７０は、冷却ギャラリ２１０に冷却オイルを流入および流出させるために底部壁２４０内に生成される。これらは、図１〜５に関して上述された開口部１００および１０２と実質的に同様である。

ボス部２０４および２０６の下側壁部２４０の位置は、冷却ギャラリ２１０内のオイルが、冷却ギャラリの上面と衝突または接触する前に、より高い速度に達することを可能にし、このことは、オイルの冷却効果を高めることができる。

また、冷却ギャラリの下側の壁部２４０は、スカート部の底部付近に位置しているので、スカートは堅固になるだろう。スカートの底部を堅固とし、ピストンの動作中の揺動を抑えるべきである。

スカート部の底部またはその近くで下側のギャラリ壁を位置決めすることは、また、ピストンの加工に有利である。スカートの底部の撓みが低減されるので、それはよりよい公差を可能にする。

本発明の別の実施形態が、図９〜１１に示されており、一般に３００で示されている。アセンブリ３００は、ピストン部３１０と連結ロッド３２０とを含む。

ピストン部３１０は、それがどのように形成されるかおよびそれがどの材料から作られるかに関して、上述のピストン部と同様である。ピストン部３１０は、上述され上記に図示された冷却ギャラリと実質的に同じであって同じ方法で作られる冷却ギャラリ３１２を有する。

ピストン部３１０は、ソケット３１４（または「ポケット」）および連結ロッド３２０が接続される方法に関して上述のピストン部とは異なる。ソケットは、円筒形であり、連結ロッド３２０の小端部上の円筒形のボール３２２と一致する開口部を有する。

連結ロッド３２０は、一部のみが示される、細長いシャフト部３２４と、その小端部にボール部３２２とを有している。図に示すように、ボールは、円筒形状を有している。

連結ロッド３２０がピストン部３１０に組み立てられると、ボール部３２２は、側部から、すなわち、接続ロッドの長手方向を横切る方向において、ソケット３１４に挿入される。図９では、ボール部３２２は、ソケットに部分的にのみ挿入される。

ソケットの下端部３１５、３１６は、長手方向に所定の位置に連結ロッドを保持する。端部３１５は、３１６は、連結ロッドのネック３２６によって形成される領域内に延びる。

好ましくは、円筒形のボール３２２の２つの側部３２８は、１つまたは複数の凹部または窪み３３０を有している。凹部は、連結ロッドの重さと質量とを減少させる。

本発明は、好ましい実施形態に関して説明されてきたが、その変更および修正が行われることが可能であるので、そのように限定されないものであり、以下の特許請求の範囲によって詳述される本発明の完全な範囲内であることを、また理解されるべきである。

Claims (22)

1. ピストンおよび連結ロッドアセンブリであって、
   上部クラウン部および下側側壁部を有するピストン本体を備え、前記上部クラウン部および下部クラウン部は、一体のピストン本体を形成するために一体的にともに接合され、
   前記ピストン本体は、前記上部クラウン部と前記下側側壁部との間に形成される冷却ギャラリを有し、
   前記下側側壁部は、ピストンボスを有し、前記ボスは連結ロッドを受けるためのポケットを含み、前記ピストンおよび前記連結ロッドアセンブリはさらに、
   ボール型端部を有する連結ロッドを備え、前記ボール型端部は前記ポケット内に配置される、ピストンおよび連結ロッドアセンブリ。
2. 前記冷却ギャラリは、閉じたギャラリを備える、請求項１に記載のピストンおよび連結ロッドアセンブリ。
3. オイルの入口および出口ための前記冷却システム内の複数の開口部をさらに備える、請求項２に記載のピストンおよび連結ロッドアセンブリ。
4. 前記冷却ギャラリは、開いたギャラリを備える、請求項１に記載のピストンおよび連結ロッドアセンブリ。
5. 前記連結ロッドの前記ボール型端部は、２つの対向する平面およびその間の第１の曲面を有する、請求項１に記載のピストンおよび連結ロッドアセンブリ。
6. 前記ボス内の前記ポケットは、前記第１の曲面の形状に対応する第２の曲面を有する、請求項５に記載のピストンおよび連結ロッドアセンブリ。
7. 前記ボール型端部は、前記ポケットの幅に実質的に等しい幅を有する、請求項１に記載のピストンおよび連結ロッドアセンブリ。
8. 前記ボール型端部は、一対の平面を有し、前記ポケット内において最終的な動作位置から９０°の位置に初期的に配置されるように適合される、請求項１に記載のピストンおよび連結ロッドアセンブリ。
9. 前記ポケット内に前記連結ロッドの前記ボール型端部を固定し、前記連結ロッドが長手軸の周りに前記ピストン本体の回転することを防止するための、締結部をさらに備える、請求項１に記載のピストンおよび連結ロッドアセンブリ。
10. 前記締結部は、Ｃクリップを備え、前記ボス内の溝内に配置される、請求項９に記載のピストンおよび連結ロッドアセンブリ。
11. 前記ピストン本体内に複数のピストンリング溝をさらに備える、請求項１に記載のピストンおよび連結ロッド。
12. 少なくともの１つの前記ピストンリング溝は、前記クラウン部内に位置される、請求項１に記載のピストンおよび連結ロッド。
13. 前記ボール型端部は円筒形である、請求項１に記載のピストンおよび連結ロッド。
14. 前記ボール型端部は、実質的に平らな２つの側面および湾曲した円筒形の外周面を有する、請求項１３に記載のピストンおよび連結ロッド。
15. 前記２つの側面の少なくとも１つに、少なくとも１つの凹部をさらに備える、請求項１４に記載のピストンおよび連結ロッド。
16. 前記側面の各々に、少なくとも１つの凹部をさらに備える、請求項１４に記載のピストンおよび連結ロッド。
17. 上部クラウン部および下側側壁部を有するピストン本体を備え、前記上部クラウン部および下部クラウン部は、一体のピストン本体を形成するために一体的にともに接合され、
    前記ピストン本体は、前記上部クラウン部と前記下側側壁部との間に形成される冷却ギャラリを有し、
    前記下側側壁部は、ピストンボスを有し、前記ボスは連結ロッドを受けるためのポケットを含む、ピストン。
18. 前記冷却ギャラリは、閉じたギャラリを備える、請求項１７に記載のピストン。
19. オイルの入口および出口ための前記冷却システム内の複数の開口部をさらに備える、請求項１８に記載のピストン。
20. 前記冷却ギャラリは、開いたギャラリを備える、請求項１７に記載のピストン。
21. 前記ポケットに隣接する少なくとも１つの溝をさらに備え、前記溝は、連結ロッドを所定の位置に固定し、その回転を防止するために、締結部を受けるように適合される、請求項１７に記載のピストン。
22. 前記ポケットは、円筒形である、請求項１７に記載のピストンおよび連結ロッド。

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