JP2019015288A - ピストンの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】いわゆる「ゼロギャップ」に関連する欠点を克服する。【解決手段】本発明は、ピストン（１）の製造方法に関する。この方法は、内側接合面（７，７’）を含む内側支持要素（４）をそれぞれ有しかつ外側接合面（８，８’）を含む外側支持要素（５）をそれぞれ有するピストン上側部および下側部（２，３）を製造する一方、接合面（７，７’，８，８’）にろう材保持部（１０）を設けるステップと、ろう材保持部（１０）にろう材（１２）を導入するステップと、各内側接合面（７，７’）間と各外側接合面（８，８’）間に環状かつ線状の接触部（１３）が作られるようにピストン上側部および下側部（２，３）を組み立ててピストン（１）を形成する一方、ギャップ幅ｗを２０〜１５０μｍとするステップと、ピストン（１）をろう付け炉に入れて加熱するステップと、ろう付けされたピストン（１）をろう材（１２）が凝固するまで冷却するステップとを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の前提部に係る、それぞれが内側支持要素および外側支持要素を有するピストン上側部およびピストン下側部を備えたピストンを製造するための方法に関する。本発明は、また、そのような方法によって製造されたピストンと、そのようなピストンを備えた内燃エンジンとに関する。

内燃エンジン用のマルチパーツ型ピストンを製造するための一般的な方法として、次の方法ステップを含むものが特許文献１から知られている。その方法ステップとは、接合面を含む内側支持要素および接合面を含む外側支持要素をそれぞれ有するピストン上側部およびピストン下側部を製造するステップと、少なくとも１つの接合面の領域に高温ろう材を塗布するステップと、接合面同士を接触させることでピストン上側部とピストン下側部とを組み立ててピストン本体を形成するステップと、ピストン本体を真空炉に入れて当該真空炉を真空にするステップと、最高１０^-2ミリバールの圧力下で最高１３００℃のろう付け温度までピストン本体を加熱するステップと、ろう付けされたピストンを高温ろう材が完全に凝固するまで冷却するステップとである。公知のろう付け方法の目的は、ピストン上側部とピストン下側部との間の信頼性の高いろう付け接合を、できるだけ低コストに実現することにある。

独国特許出願公開第１０２００９０３２９４１号明細書

従来技術から公知のろう付け方法では、ろう材が接合面に塗布されるところ、当該接合面は、互いに対して平行に向けられていて、よって接続状態において互いに対してフラットに当接する。しかしながら、この場合、いわゆる「ゼロギャップ」の問題が生じる。ゼロギャップは、２つの予備加工された接合面が正確に平行に、よって互いに対してフラットに当接する場合に生じ、その結果として、ろう材が均一に広がることができず、また最悪な場合には全く広がることができない。それにより、２つの部品間に欠陥やろう材不足の接合が生じる。

したがって、本発明の目的は、一般的なタイプの方法に関して、従来技術から公知の欠点、特にいわゆる「ゼロギャップ」に関連する欠点を克服する、改善されたまたは少なくとも従来のものに代わる実施形態を提示することである。

本発明によると、上記の目的は、独立請求項１の主題によって達成される。有利な実施形態は、従属請求項の主題である。

本発明は、接合される２つの構成要素の間に所定のろう付けギャップを設けるという基本思想に基づく。当該ろう付けギャップによると、信頼性が高く、安定したプロセスによるろう付けが実現される。本発明に係る方法では、内側接合面を含む内側支持要素と、外側接合面を含む外側支持要素とを有するピストン上側部が、まず製造されるかまたは利用可能とされる。同様に、内側接合面を含む内側支持要素と、外側接合面を含む外側支持要素とを有するピストン下側部も利用可能とされる。ここで、少なくとも１つのろう材保持部が、少なくとも１つの内側接合面および／または少なくとも１つの外側接合面に設けられる。そして、高温ろう材が、少なくとも１つのろう材保持部に導入される。この後、ピストン上側部およびピストン下側部の組立てが行われてピストン本体が形成され、ここで、各内側接合面と各外側接合面との間に、それぞれ環状の接触部が形成される。２つのピストン部品は、したがって、環状線を介して接触する。この結果、例えば従来技術から公知の接合面間のフラットな接触を回避することができる。ここで、２つの対向配置された接合面間のギャップ幅は、２０〜１５０μｍであり、その結果、従来は生じていたゼロギャップのリスクや、瑕疵あるろう付け接合のリスクを回避することができる。このようにするために、ピストン上側部および／またはピストン下側部の各接合面は、これらが接続状態において互いに対してフラットに接触してゼロギャップを形成することがないように予備加工される。したがって、ピストン上側部またはピストン下側部の少なくとも１つの内側接合面および／または少なくとも１つの外側接合面は、ピストン下側部またはピストン上側部の対応する接合面に対して傾斜している。２つの対応する接合面間に存在するギャップは、したがって、例えばくさび状である。次に、ピストン本体は、ろう付け炉に入れられ、そこで最高で１３００℃の温度でろう付けされ、その結果、高温ろう材が溶けてピストン上側部およびピストン下側部の接合面間に材料的な接続が作り出される。ろう付けされたピストン本体またはピストンは、その後、高温ろう材が完全に凝固するまで冷却される。このピストン本体またはピストンは、続けて追加的に、後加工、すなわち切削または研削プロセスに供されてもよい。所定の接合面の設計によって所定のろう付けギャップを設けることにより、毛細管効果を調節的に利用すること、および接合面の全体を完全にぬらすことを実現でき、その結果、「ゼロギャップ」接合面において頻繁に生じ得る欠陥を確実に回避することができる。ろう付けギャップの形状に応じて、所望または所定のろう付け継目の形状をプロセスにおいて作り出すことができ、その結果、例えば、ろう付けギャップのうちより広い部分を、ピストンにかかる負荷がより低い箇所に配置することができる。また、ろう材保持部の構成に応じて、流れ方向をまたは特定の方向における毛細管効果の利用を調節することができる。本発明に係る方法によると、例えば、マルチパーツ型ピストン、すなわち少なくともろう付けによって接合された１つのピストン上側部および１つのピストン下側部を備えたピストンを、安定したプロセスで高品質に製造することができる。２０〜１５０μｍの間からギャップ幅ｗを選択することにより、接合面の全体において特に良好かつ均一なぬれを実現することができ、それにより、最適なろう付け接合および高品質なピストンが実現される。

本発明に係る解決策の有利な態様では、上述したピストン本体またはピストンを形成するためのピストン上側部およびピストン下側部の組立ては、各内側接合面間および各外側接合面間に線状かつ特に環状の接触部を作るように実行され、ここで、ギャップ幅ｗは２０〜８０μｍとされる。これは、前段落におけるギャップ幅をわずかに限定するものであり、ギャップ幅ｗを最大で８０μｍに制限することによって特に耐負荷性能に優れたろう付け接合を実現できることが試験によって実証されている。

好適には、ろう付けプロセスにおいて、すなわち上記の加熱ステップにおいて、ろう付け炉内に最高で１０^-2ミリバールの圧力が作られる。このことは、負圧を作り出すことにより、ガス成分などのろう付けプロセスを妨げる物質が取り除かれ、それによりろう付け接合に対するネガティブな影響を排除できるという優れた利点をもたらす。

また、本発明は、上記の方法によって製造されたピストンを導入するという基本思想に基づく。当該ピストンは、本発明にしたがって設計されるろう付けギャップのために、特に信頼性が高く、耐負荷性能に優れ、かつ安全なプロセスによるろう付け接合を可能とする。本発明に係るピストンの有利な態様では、２つのろう材保持部が、１つの接合面に設けられる。ここで、もちろん、所望のろう材の量に応じて、特にろう材の流れを良好にコントロールできるように、１つまたはそれ以上のろう材保持部が１つまたはそれ以上の接合面に設けられていてもよい。純粋に理論的に、ろう材保持部は、接合面内に設けられずに、例えば拡張された下側の接合面に設けられていることも当然に考えられ、後者における突出部は切削によって除去される。

本発明に係る解決策の有利な態様では、一方の接合面は、ピストン軸に対して垂直にまたは径方向に取り囲む態様でピストン軸に対して垂直に延びており、他方の対向配置された接合面は、ピストン軸に対して傾斜して延びている。これにより、ろう付け継目のくさび形状が形成され、ここで、ろう付け継目の他の形状も当然に考えられる。例えば、一方の接合面が、ピストン軸に対して垂直に延び、他方の接合面が、折れた設計を有して、すなわち、例えば溝状の構成を有していてもよい。ここで、折れ部にろう材保持部が設けられていることが好ましく、そのような接合面に、径方向に大きさが異なりかつ径方向に離間した複数の溝であって、それぞれがろう材保持部を有した溝が設けられていてもよい。これにより、ピストン上側部とピストン下側部との間に複数の環状または円形状のろう付け継目が作り出され、したがってピストン上側部とピストン下側部との間において特に耐負荷性能に優れたろう付け接合が作り出されるという優れた利点が得られる。

本発明に係る解決策の別の有利な実施形態では、一方の接合面は、ピストン軸に対して垂直に延びており、他方の接合面は、凹状または凸状の設計を有する。これにより、初期状態で円形の接触部が２つのピストン部品の間に作り出され、ここで、凹状設計の接合面の場合には２つの線状接触リングが形成される。このことは、凸状設計の接合面において、接触領域にろう材保持部が設けられている場合にも同様である。凹形状によると、接合面間の特にきれいな移行が実現され、また２つの接合面の接触領域の間に好ましいろう材メニスカスが形成されるという利点がもたらされる。凸形状によると、高い負荷のかかる支持要素の端部領域において狭く好ましいろう付け継目が形成される。

本発明は、また、上述の方法によって製造された少なくとも１つのピストンを内燃エンジンに設けるという基本思想に基づく。その結果、重量的に最適化されかつ耐負荷性能に優れた内燃エンジンを構成することができる。

本発明の別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関連する図の説明から明らかになるだろう。

上述したまたは後述する特徴は、それぞれに示す組合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、他の組合せにおいてまたは単独でも利用可能であることを理解されたい。

図１は、本発明に係るピストンの断面図である。 図２は、２つの対向して配置された接合面の領域における図１の細部図であり、一方の接合面はピストン軸に対して垂直に延び、他方の接合面はピストン軸に対して傾斜して延びている。 図３は、図２と同様の図であるが、傾斜した接合面に２つのろう材保持部が存在している。 図４は、ピストン軸に対して垂直に延びる１つの接合面と、これに対向配置された１つの凹状の接合面とを示す図である。 図５は、図４と同様の図であるが、１つの凸状の接合面が存在している。 図６は、図１の細部図であり、ピストン軸に対して垂直に延びる１つの接合面と、これに対向配置されかつろう材保持部を有する１つの溝状の接合面とが存在している。 図７は、図６と同様の図であるが、２つの溝状の接合面が存在している。 図８は、図６の変形例を示す図である。 図９は、ピストン軸に対して平行に延びる接合面を示す図であり、局所的な突起が存在している。 図１０は、図９から９０°だけ回転させたような図であり、局所的な突起を有して径方向に延びる接合面が存在している。

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、ある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。なお、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は、本発明に係るピストン１を示している。ピストン１は、ピストン上側部２と、ピストン下側部３とを備える。ここで、ピストン上側部２およびピストン下側部３は、それぞれ、内側支持要素４および外側支持要素５を有する。ここで、ピストン上側部２は、その内側支持要素４を介してピストン下側部３の内側支持要素４に対して支持され、その外側支持要素５を介してピストン下側部３の外側支持要素５に対して支持されている。ここで、２つの内側支持要素４と２つの外側支持要素５との間には、クーリングチャンネル６が区画されている。本発明によると、ピストン上側部２は、その内側支持要素４により、内側接合面７を介して、これに対応するピストン下側部３の内側支持要素４の内側接合面７’に対して支持されている。同様に、ピストン上側部２は、その外側支持要素５により、外側接合面８を介して、これに対応するピストン下側部３の外側支持要素５の外側接合面８’に対して支持されている。ここで、それぞれに対向して配置された内側接合面７，７’間および外側接合面８，８’間には、ろう付けギャップ９（図２〜図１０を参照）が形成されている。

ここで、ピストン上側部２および／またはピストン下側部３の各接合面７，７’，８，８’は、一体的に接続された状態でこれらが互いに対してフラットに当接しないように、すなわちゼロギャップを生じないように、特に角度をつけて、作られている。したがって、ろう付けギャップ９は、例えばくさび状である。

上記のピストン上側部２およびピストン下側部３は、もちろん、第１および第２ピストン部として言及されてもよい。第１ピストン部は、例えばピストン本体に相当し、第２ピストン部は、例えばリングベルトに相当する。

本発明に係るピストン１は、次の方法ステップに分けられる本発明に係る方法によって製造される。まず、内側接合面７，７’を含む内側支持要素４と、外側接合面８，８’を含む外側支持要素５とをそれぞれ有するピストン上側部２およびピストン下側部３を製造し、ここで、少なくとも１つの内側接合面７，７’および／または少なくとも１つの外側接合面８，８’に少なくとも１つのろう材保持部１０（図２〜図１０を参照）を設ける。純粋に理論的に、図２〜図１０に係るろう材保持部１０は、常に各接合面７，７’，８，８’の領域に設けられており、ここで、当該接合面７，７’，８，８’の１つが径方向に、すなわちピストン軸１１に対して垂直に突出して延び、そこにろう材保持部１０が設けられていることも当然に考えられる。ここで、径方向に延びる接合面７，７’，８，８’の突出部は、例えば金属切削プロセスによって、ろう付け後に取り除かれてもよい。

次に、少なくとも１つのろう材保持部１０に、高温ろう材１２を導入する。そして、ピストン上側部２をピストン下側部３と共に組み立ててピストン本体またはピストン１を形成し、この過程で各内側接合面７，７’間および各外側接合面８，８’間に少なくとも１つの環状かつ線状の接触部１３が形成され、ここで、ギャップ幅ｗは、２０〜１５０μｍであり、好ましくは２０〜８０μｍである。ここで、ピストン上側部２および／またはピストン下側部３の少なくとも１つの内側接合面７，７’および／または少なくとも１つの外側接合面８，８’は、ピストン下側部３またはピストン上側部２の対応する接合面７’，７，８’，８に対して傾斜している。したがって、２つの関連付いた接合面７，７’，８，８’間に存在するろう付けギャップ９は、少なくとも断面視においてくさび状である。次に、ピストン１を、ろう付け炉に入れ、最高で１３００℃のろう付け温度まで、通常は１０１０〜１１８０℃のろう付け温度まで加熱し、それにより高温ろう材１２を溶かす。ろう材１２は、溶けることでろう付けギャップ９内に分散し、また毛細管効果によってギャップの最小部まで進入する。２つの対向配置された接合面７，７’，８，８’間における線状または環状の接触部１３により、従来はよく生じていたゼロギャップが回避され、その結果、接合品質が著しく向上する。

ろう付け炉内でのろう付けプロセスの間、例えば最高で１０^-2ミリバールの圧力が作り出され、ここで、排気することによって、ろう付けプロセスにネガティブな影響を及ぼし得るろう付け炉ガスを特に取り除くことができ、その結果、ろう付け接合の品質を高めることができる。

図２〜図１０では、接合面に符号７，７’または８，８’が付されており、ここで、当該接合面がそれぞれに対応する内側または外側支持要素４，５に関連付けられていることは明らかである。

個々のろう付けギャップ９について検討する。図２によると、２つの対向配置された接合面７，７’，８，８’によって形成されたろう付けギャップ９を確認することができ、ここで、一方の接合面７’，８’は、ピストン軸１１に対して垂直にまたは径方向に取り囲む態様でピストン軸に対して垂直に延びており、他方の接合面７，８は、ピストン軸１１に対して傾斜して延びている。この例では、ピストン軸１１に対して傾斜して延びる接合面７，８に１つのろう材保持部１０が設けられている。ここで、ろう付けギャップ９は、内側支持要素４間のろう付けギャップであってもよいし、または外側支持要素５間のろう付けギャップであってもよい。図３に係るろう付けギャップ９について検討すると、当該ギャップ９は、図２に係るろう付けギャップ９と概ね同様に設計されているが、ピストン軸１１に対して傾斜して延びる接合面７，８に２つのろう材保持部１０が設けられている。

図４および図５に係るろう付けギャップ９について検討すると、接合面７’，８’は、ピストン軸１１に対して垂直に延びている一方、対向配置された接合面７，８は、図４では凹状に設計され、図５では凸状に設計されている。しかしながら、両方の場合において、２つの接合面７，７’および８，８’の間には線状接触部１３が形成されている。

図６には、ピストン軸１１に対して垂直に延びる一方の接合面７’，８’と、折れた設計を有する他方の接合面７，８とによって形成されたろう付けギャップ９が示されている（図７も同様）。他方の接合面７，８は、図６において破線のみで示された折れ部１４の領域にろう材保持部１０を有する。図７に係るろう付けギャップ９も同様に設計されているが、こちらの場合、２つの折れ状の接合面７，８が設けられている。

図８について検討すると、これに示されているろう付けギャップ９では、接合面７，８がピストン軸１１に対して垂直に向いている一方、対向配置された接合面７’，８’は折れた設計を有している。しかしながら、この場合、ろう材保持部１０は、折れ部１４に対向する径方向に向いた接合面７，８の領域に設けられている。

図９について検討すると、ピストン軸１１に対して平行に延びるろう付けギャップ９が、局所的な突起の突端面を含む環状の接触部１３（図１０も同様）を有するものとして示されている。しかしながら、図１０に係るろう付けギャップ９は、ピストン軸１１に対して垂直に向いている。

ピストン上側部２およびピストン下側部３の基礎材料として、例えば、ＤＩＮ ＥＮ１０２６７において材料番号１．１３０３が付されたＡＦＰ鋼３８ＭＮＶＳ６が選択されてもよい一方、高温ろう材１２に対しては、例えば、ＥＮ１０４４またはＤＩＮ８５１３におけるニッケルベースろう材Ｌ−ＢＮ１２が選択されてもよい。

ここで、本発明に係るピストン１および本発明に係る製造方法の全ての実施形態は、従来技術から公知の平行かつフラットな当接面の結果として生じるゼロギャップを完全に回避することができるという共通因子をそれぞれ有しており、その結果、接合品質が著しく向上する。

本発明に係るピストン１は、例えば、内燃エンジン１５のシリンダにおいて使用される。

１ ピストン
２ ピストン上側部
３ ピストン下側部
４ 内側支持要素
５ 外側支持要素
７，７’ 内側接合面
８，８’ 外側接合面
１０ ろう材保持部
１１ ピストン軸
１２ ろう材
１３ 接触部
１５ 内燃エンジン

Claims (10)

1. 内側支持要素（４）および外側支持要素（５）をそれぞれ有するピストン上側部（２）およびピストン下側部（３）を備えたピストン（１）を製造するための方法であって、
   内側接合面（７，７’）を含む上記内側支持要素（４）をそれぞれ有し、かつ外側接合面（８，８’）を含む上記外側支持要素（５）をそれぞれ有する上記ピストン上側部（２）および上記ピストン下側部（３）を製造するステップであって、少なくとも１つの上記内側接合面（７，７’）および／または少なくとも１つの上記外側接合面（８，８’）にろう材保持部（１０）を設けるステップと、
   上記ピストン上側部（２）および／または上記ピストン下側部（３）の各上記接合面（７，７’，８，８’）を、これらの接合面（７，７’，８，８’）が接続状態で互いに対してフラットに当接してゼロギャップを形成することがないよう予備加工するステップと、
   少なくとも１つの上記ろう材保持部（１０）にろう材（１２）を導入するステップと、
   各上記内側接合面（７，７’）間および各上記外側接合面（８，８’）間に少なくとも１つの環状かつ線状の接触部（１３）を作り出すように上記ピストン上側部（２）および上記ピストン下側部（３）を組み立てて上記ピストン（１）を形成する一方、ギャップ幅ｗを２０〜１５０μｍとするステップと、
   上記ピストン（１）を、ろう付け炉に入れるステップと、
   上記ピストン（１）を、最高で１３００℃のろう付け温度まで加熱するステップと、
   ろう付けされた上記ピストン（１）を、上記ろう材（１２）が凝固するまで冷却するステップとを含む
   ことを特徴とする方法。
2. 請求項１において、
   上記ピストン上側部（２）および上記ピストン下側部（３）を組み立てて上記ピストン（１）を形成するステップにおいて、上記ギャップ幅ｗを２０〜８０μｍとする
   ことを特徴とする方法。
3. 請求項１または２において、
   上記加熱するステップにおいて、上記ろう付け炉内に最高で１０^-2ミリバールの圧力を作る
   ことを特徴とする方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法で製造されたピストン（１）。
5. 請求項４において、
   １つの上記接合面（７，７’，８，８’）に、２つの上記ろう材保持部（１０）が設けられている
   ことを特徴とするピストン。
6. 請求項４または５において、
   互いに対向する上記接合面（７，７’，８，８’）は、一方がピストン軸（１１）に対して垂直に延びている一方、他方が上記ピストン軸（１１）に対して傾斜して延びている
   ことを特徴とするピストン。
7. 請求項４〜６のいずれか１項において、
   互いに対向する上記接合面（７，７’，８，８’）は、一方がピストン軸（１１）に対して垂直に延びている一方、他方が折れた設計を有する
   ことを特徴とするピストン。
8. 請求項４〜７のいずれか１項において、
   互いに対向する上記接合面（７，７’，８，８’）は、一方がピストン軸（１１）に対して垂直に延びている一方、他方が凹状または凸状の設計を有する
   ことを特徴とするピストン。
9. 請求項４〜８のいずれか１項において、
   少なくとも１つの上記接合面（７，７’，８，８’）は、ピストン軸（１１）に対して平行に延びていて、局所的な突起を有する
   ことを特徴とするピストン。
10. 少なくとも１つのシリンダと、
    上記シリンダ内に設けられた請求項４〜９のいずれか１項に記載のピストンとを備える
    ことを特徴とする内燃エンジン（１５）。
    
    

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