JP2017072133A - ピストンボルト - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンボルトのための改善されたあるいは少なくとも代替的なピストンボルトを提示する。
【解決手段】軸方向開口３を備え、この軸方向開口３の内周面に少なくとも１つの補強リブ４が設けられたピストンボルト１において、少なくとも１つの補強リブ４は螺旋状に構成され、または、開口３を通って一様に延びるように構成されている。さらにハニカム構造を形成する複数の補強リブが設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の前提部に係る、軸方向開口を有するピストンボルトに関するものである。

特許文献１より、軸方向開口を有するこの種のピストンボルトが知られている。ここで、少なくとも１つの補強リブが開口の内周面に設けられている。これは負荷の最適化を実現するものと考えられる。

ピストンボルトは、ピストンとコネクティングロッドとの間の動力伝達接続要素を構成する。ピストンボルトには、曲げおよび横方向への楕円化を伴うガス力および質量力が作用してストレスがかかり、また特定の断面における剪断力も作用する。それらの作用下では、ピストンボルトとピストンやコネクティングロッドのボルトボスとの両方が弾性的に変形する。ピンボアとボルトボスとの接触面は、往々にして円筒状で負荷のかかっていない状態では互いに平行であるが、上記ストレス等の作用下では湾曲して傾斜する。そのため、局所的な面圧ピークが生じ得る。ボルトボスの周方向に作用する張力に加えて、この接触ストレスはピストン材料の疲労強度を超過し得、ボルトボスの頂点における疲労亀裂、いわゆるボスギャップ亀裂につながる。これを防止するために、低変形ピストンボルト、すなわち大きな壁圧を有するボルトが必要とされる。しかし、こうしたボルトの採用は、運動質量をより小さくしたいという要望と相容れない。

米国特許出願公開第４７５６２４０号明細書

一般に、曲げ抵抗は軸方向に延びる補強リブによって向上される一方、このような補強リブによるとボルトの横方向への楕円化への抵抗は向上されない。逆に、リング状に補強リブを設けた場合、横方向への楕円化に対する抵抗は向上されるが、曲げ抵抗は低減される。よって、いずれの場合にも、２つの特性のうち一方のみが改善されて他方が改善されない。

本発明は、したがって、この種のピストンボルトのための改善されたあるいは少なくとも代替的な実施形態を提示するという問題に関する。当該実施形態は、重量の最適化と低減された曲げおよび横方向への楕円化とによって特徴付けられる。

この問題は、独立請求項１の主題によって本発明にしたがって解決される。有利な実施形態は従属請求項の主題である。

本発明は、従来より知られている環状補強リブまたは軸方向補強リブに代えて、少なくとも１つの斜方向へ延びる補強リブまたはハニカム構造を形成する複数の補強リブを設けるという一般的概念に基づいている。本発明に係るピストンボルトは、重量低減のための公知の態様の軸方向開口を有していて、少なくとも１つの上述のような補強リブは当該開口の内周面に配設されている。本発明によると、この少なくとも１つの補強リブは螺旋状に構成されているか、あるいは第２の代替的な実施形態によるとハニカム構造を形成する複数の補強リブが設けられる。よって、本発明によって完全に再設計された補強リブによると、横方向への楕円化に対する向上された抵抗とピストンボルトの向上された曲げ抵抗との両方が初めて実現され得る。このことは、従前の軸方向のみまたは周方向のみに延びる補強リブでは実現され得なかった。補強リブは、さらに、ピストンボルトの内側表面積を増大させる。そのため、ピストンボルトがより良好に冷却され得、またピストンにおけるピストンボルトボスのより良好な冷却も可能となる。このことは、また特に、そのようなピストンを実装した内燃エンジンの動作信頼性を高めることを可能とする。さらに、少なくとも１つの螺旋状に構成された補強リブはボルトボス内でのピストンボルトの回転運動を促進し得、そのことがいわゆる「つっかえボルト」を防止してそれにより一方側のみにおける摩耗を抑制する。

本発明に係る解決策のある有利な変形例では、少なくとも１つの補強リブが開口を通って同一方向に、すなわち右回り螺旋または左回り螺旋として延びている。その代わりに、互いに逆方向に延びる少なくとも２つの螺旋状の補強リブを設けることも考えられ、当該補強リブはピストンボルトの中間領域において互いに離間し、したがって互いに接触しない。

第２の代替例における本発明に係る解決策の別の有利な実施形態では、環状の補強リブと軸方向に延びる補強リブとが設けられ、これらが交差して共にハニカム構造を形成している。しかしながら、環状の補強リブと軸方向に延びる補強リブとは厳密に軸方向または周方向に向いている必要はなく、そのため個々の補強リブの向きが角度に関して異なっていてもよく、菱形のハニカム構造が形成され得る。他方で、正確に環状である補強リブと正確に軸方向に延びる補強リブとによると、矩形のハニカム構造が得られる。軸方向に延びる補強リブと環状の補強リブとの間の直角からずらすことで、特定の負荷要求に影響を与えることができ、またハニカム構造を形成している補強リブをそれらの高さおよび／または幅に関して開口の全長にわたって変化させ、それにより異なる耐負荷性能を有する領域を作り出すことがもちろん考えられる。もちろん、ハニカムが小さいほど、すなわち補強リブ同士の間隔が小さいほど、より大きな負荷に耐える領域が形成され得る。

本発明に係る解決策のある有利な変形例では、少なくとも１つの補強リブは台形状、矩形状、円形部分を含む形状、または正弦波状の断面を有している。特に、正弦波状の断面は丸みを帯びた断面形状を構成し、そのことはノッチ効果の低減によって特徴付けられる。

本発明に係る解決策のある有利な変形例では、少なくとも１つの補強リブは、また硬化されていてもよく、そのことは少なくとも１つの補強リブの拡張表面のために、開口の内周面と比較して比較的より容易に実現可能である。

本発明に係る解決策の別の有利な実施形態では、少なくとも１つの補強リブの高さｈの、ピストンボルトの残部の壁厚さＲに対する比率は、０．１＜ｈ／Ｒ＜２．０、および好ましくは０．３＜ｈ／Ｒ＜０．７によって規定される。そのような比率は、リブが大きいほど、動作中におけるピストンボルトならびにボスのより良好な冷却が実現され得るという主な利点をもたらす。

本発明に係る解決策の別の有利な実施形態では、少なくとも１つの補強リブの高さｈの、補強リブの幅ｂに対する比率は、０．１＜ｈ／ｂ＜２．０、好ましくは０．１＜ｈ／ｂ＜０．３によって規定される。もちろん、この比率および前段落で述べた比率の両方がピストンボルトの軸方向長さに沿って変化してもよいことは明らかである。ここで、上述した範囲は特にピストンボルトの剛性に関して利点をもたらす。なぜなら、補強リブの幅が広いほど、ピストンボルトの剛性が高まるためである。

少なくとも１つの補強リブが螺旋状構造を有している場合、当該補強リブは０〜９０°のピッチ角、すなわち、非常に緩やかなピッチまたは非常に急峻なピッチを有していてもよい。

本発明の他の重要な特徴および利点は、従属請求項から、図面から、および図面を参照した図の対応する説明から明らかになるだろう。

もちろん、上述したあるいは後述する特徴は、特に提示する組み合わせにおいてのみでなく、本発明の範囲を逸脱することなく、他の組み合わせにおいてまたは単独でも使用され得ることを理解されたい。

図１は、軸方向開口と同一方向に延びる螺旋状の補強リブとを有する本発明に係るピストンボルトの概略断面図である。 図２は、図１と同様の図であって、補強リブのねじ山高さが小さいものを示す図である。 図３は、同一方向に延びる螺旋状の補強リブの別の実施形態を示す図である。 図４は、補強リブの断面形態の例を示す図である。 図５は、互いに逆方向に延びる２つの螺旋状の補強リブを有する本発明に係るピストンボルトの実施形態を示す図である。 図６は、図５と同様の図であって、補強リブのねじ山高さが小さいものを示す図である。 図７は、ハニカム構造を形成する複数の補強リブを有する本発明に係るピストンボルトの第２の代替的な実施形態を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。以下の説明において、同一の参照符号は、同一のもしくは類似のまたは機能的に同一の構成要素を示す。

図１〜図７によると、通常はピストン（図示せず）を内燃エンジン２のコネクティングロッドに連結させる本発明に係るピストンボルト１は、軸方向開口３を備えている。この軸方向開口３の内周面には、少なくとも１つの補強リブ４が配設されている。本発明によると、この少なくとも１つの補強リブ４は螺旋状の構造をしているか（図１〜３および図５，６を参照）、あるいはハニカム構造５（図７を参照）を形成する複数の補強リブ４が設けられる。

図１〜図３に示すように、少なくとも１つの補強リブ４は、螺旋状の補強リブとして構成されていてもよく、また開口３を通って一様に延びていてもよい。その代わりに、図５および図６に示すように、互いに逆方向に延びる２つ以上の螺旋状の補強リブ４を設けることも考えられる。

開口３に関して、それがピストンボルト１の全体を通って延びる連続開口７として構成されているか、あるいは２つの開口３を互いに分離する中間ウェブ８が設けられて各開口３が止まり穴として構成されているものが想定できるだろう。そのような中間ウェブ８は、例えば、図５に示されている。

図７に示すように、補強リブ４によって形成されるハニカム構造５について考慮すると、環状補強リブ４’と軸方向に延びる補強リブ４”とがハニカム構造５を形成するように設けられていることがわかる。ハニカム構造５を形成する補強リブ４’，４”は、もちろん、高さｈに関して、および／または開口３の長さに沿った幅ｂに関して変更されてもよい。ハニカム構造５は、例えば、異なったサイズおよび／または異なった間隔を有するハニカム６によって構成されていてもよく、そのためハニカム構造５はピストンボルト１の領域ごとに異なる個々の負荷に応じて設計されてもよい。

図１〜図３および図５〜図７に係る個々の補強リブ４について見ると、それらが部分的に丸みを帯びた角部を有する矩形断面を実質的に有していることに気付くだろう。その代わりに、例えば図４に示すように、少なくとも１つの補強リブ４が台形状または正弦波状の断面を有していることも考えられる。さらに、補強リブ４が焼き入れされていてもよく、それは高速冷却プロセスによる補強リブ４の拡張表面のために問題なく可能である。

本発明に係る解決策のある有利な変形例では、少なくとも１つの補強リブの高さｈの、ピストンボルト１の残部の壁厚さＲに対する比率は、０．１＜ｈ／Ｒ＜２．０、好ましくは０．３＜ｈ／Ｒ＜０．７によって規定されてもよい。

さらに、少なくとも１つの補強リブ４の高さｈの、同補強リブ４の幅ｂに対する比率は、０．１＜ｈ／ｂ＜２．０、好ましくは０．１＜ｈ／ｂ＜０．３によって規定されてもよい。

上述のサイズ比率においては、最適な折り合いは常に高さｈ、壁厚さＲおよび幅ｂの間で実現され得る。そのため、強度、変形挙動および重量が影響され得る。ここで特定される本発明の１つの利点は、したがって、３つのパラメータｈ，Ｒ，ｂ（および材料）の適切な調節による要求にしたがってピストンボルト１が設計され得ることである。

本発明にしたがって構成された補強リブ４は、曲げ抵抗と横方向への楕円化に対する抵抗との両方を高め得、また同時にピストンボルト１の重量を低減する。そのため、運動質量が低減され得、同時に耐負荷性能が向上され得る。

補強リブ４は、例えば、内周面の機械加工によって、コールドフロープロセスによって、あるいはインテリアモールドによるプレス加工によって作られてもよく、一方で特に、個々のハニカム６を含むハニカム構造５の作製は特定のソルトコアまたはサンドコアを用いることで可能である。そのようなハニカム構造は、好ましくはまた、金属射出成形法（金属マトリクス複合材）によって作製されてもよい。これは（例えば、内歯車への適用にあたって）僅かな公差を伴う高精度を可能とする。材料および複合材の選択に応じて、硬度や熱伝導率等がまた調節されてもよい。

１ ピストンボルト
２ 内燃エンジン
３ 軸方向開口
４，４’，４” 補強リブ
５ ハニカム構造
７ 連続開口
８ 中央ウェブ
ｂ 幅
ｈ 高さ
Ｒ 壁厚さ

Claims (10)

1. 軸方向開口（３）を備え、該軸方向開口（３）の内周面に少なくとも１つの補強リブ（４）が設けられたピストンボルト（１）であって、
   上記少なくとも１つの補強リブ（４）は、螺旋状に構成され、
   または、
   ハニカム構造（５）を形成する複数の上記補強リブ（４，４’，４”）が設けられている
   ことを特徴とするピストンボルト。
2. 請求項１において、
   上記少なくとも１つの補強リブ（４）は、上記軸方向開口（３）を通って同一方向に延びている
   ことを特徴とするピストンボルト。
3. 請求項１において、
   少なくとも２つの螺旋状の上記補強リブ（４）が設けられ、
   上記少なくとも２つの補強リブ（４）は、互いに逆方向に延びている
   ことを特徴とするピストンボルト。
4. 請求項１において、
   環状の上記補強リブ（４’）および軸方向に延びる上記補強リブ（４”）が設けられ、
   上記環状の補強リブ（４’）と上記軸方向に延びる補強リブ（４”）とは、互いに交差して上記ハニカム構造（５）を形成している
   ことを特徴とするピストンボルト。
5. 請求項１または４において、
   上記ハニカム構造（５）を形成する上記補強リブ（４，４’，４”）は、上記軸方向開口（３）の全長にわたって高さ（ｈ）および／または幅（ｂ）に関して変化している
   ことを特徴とするピストンボルト。
6. 請求項１〜５のいずれか１項において、
   上記少なくとも１つの補強リブ（４）の断面は、台形状、矩形状、丸みを帯びた部分を有する形状、または正弦波状に形成されている
   ことを特徴とするピストンボルト。
7. 請求項１〜６のいずれか１項において、
   上記少なくとも１つの補強リブ（４）の高さ（ｈ）の、上記ピストンボルト（１）の残部の壁厚さ（Ｒ）に対する比率は、０．１＜ｈ／Ｒ＜２．０により規定される
   ことを特徴とするピストンボルト。
8. 請求項１〜７のいずれか１項において、
   上記少なくとも１つの補強リブ（４）の高さ（ｈ）の、上記補強リブ（４）の幅（ｂ）に対する比率は、０．１＜ｈ／ｂ＜２．０により規定される
   ことを特徴とするピストンボルト。
9. 請求項１〜８のいずれか１項において、
   上記軸方向開口（３）は、上記ピストンボルト（１）の全体を通って延びる連続開口（７）として構成され、
   または、
   ２つの上記軸方向開口（３）を互いに分離する中央ウェブ（８）が設けられ、各上記軸方向開口が止まり穴として構成されている
   ことを特徴とするピストンボルト。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の少なくとも１つの上記ピストンボルト（１）を備えた内燃エンジン（２）。