JP3190439U - 内燃機関用のピストン - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関用のピストンであって、摺動面の特に負荷をかけられる領域の潤滑が、できるだけ長い運転時間にわたって確保されるようにした内燃機関用のピストンを提供する。
【解決手段】ピストンヘッド１１と、下側のスカート縁部１８により画定されるピストンスカート１５とを備え、ピストンスカート１５は、スラスト側ＤＳの摺動面１６と、反スラスト側の摺動面とを備え、摺動面１６には、第１の区域２１が対応し、反スラスト側の摺動面には第２の区域が対応し、第１の区域２１および第２の区域は、下側のスカート縁部１８を起点として延び、第１の区域２１および第２の区域は、内燃機関の運転中に負荷にさらされている、内燃機関用のピストン１０において、スラスト側ＤＳの摺動面１６の区域２１および／または反スラスト側の摺動面の区域が、鉛直方向に延びる溝２４を有するコーティング部２３を備えていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本考案は、内燃機関用のピストンであって、ピストンヘッドと、下側のスカート縁部により画定されたピストンスカートとを備え、ピストンスカートは、スラスト側に対応配置された摺動面と、反スラスト側に対応配置された摺動面とを備え、両摺動面に、下側のスカート縁部を起点とし、内燃機関の運転中に最大の負荷にさらされるそれぞれ１つの区域が対応配置されている、内燃機関用のピストンに関する。

このような種類のピストンは、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８２９３４９号明細書に開示されている。ピストンのスラスト側の領域にも、反スラスト側の領域にも、潤滑材封入部が設けられている。これによって、ピストンの摺動面の、運転中にコネクティングロッドの変位によって引き起こされる側圧に基づいて特に負荷をかけられる領域が潤滑される。

しかし、このような潤滑材封入部は、ある程度の時間の経過後にその作用を失う。なぜならば、このコーティング部は、内燃機関の運転中に生じる負荷によって次第に除去されるからである。

本考案の課題は、上述の形式のピストンを改良して、摺動面の特に負荷をかけられる領域の潤滑が、できるだけ長い運転時間にわたって確保されるようにすることである。

この課題を解決するために、スラスト側に対応配置された摺動面の区域および／または反スラスト側に対応配置された摺動面の区域が、鉛直方向に延びる溝を有するコーティング部を備えているようにした。

本考案は、摺動面の、運転中に最大の負荷にさらされている区域が、潤滑油の増大された供給により潤滑されるという認識に基づいている。この増大された供給は、小さな負荷をかけられる区域に、鉛直方向の複数の溝を加工形成することによって強制的に行われる。これにより、いわゆるペクレニック係数（Peklenik Faktor）は、この領域において１よりも大きな値に高められる。これによって、摺動面の軸方向の潤滑油の流れは阻止されない。

本考案によるピストンは、運転中に、ピストン下死点の範囲で、高められた壁油膜を有する領域に進入する。潤滑油は溝内に侵入し、かつ溝内で上方に向かってピストンヘッドの方向に移動する。このようにして、摺動面の、運転中に最大の負荷にさらされる区域は、確実に潤滑油による付加的な潤滑を受ける。運転中の潤滑材層の損耗は、これにより大幅に減じられるので、溝構造は長い運転時間にわたって存在したままである。

本考案の枠内で、「溝（Rillen）」という概念は、凸部および凹部を有する全ての構造体であると理解される。溝の形状および横断面は任意に形成されていてよい。重要なのは、小さな負荷をかけられる区域の本考案による構造により、この領域におけるペクレニック係数が１よりも大きくなることであるだけである。

有利な別の態様は請求項２以下に記載されている。

特に有利な別の態様は、反スラスト側に対応配置された摺動面に、ピストンヘッドの近傍で、内燃機関の運転中に最大の負荷にさらされる別の区域が対応配置されていて、この別の区域は、水平方向に延びる溝またはクロスハッチング模様または孔列模様を有するコーティング部を備えていることにある。

本考案によるピストンには、運転中に、自体公知の形式で潤滑油が供給される。しかし潤滑油は、比較的迅速に摺動面の上側領域、つまりピストンヘッドの近傍の領域からスカート下縁部の方向に流出する。この上側領域において、反スラスト側の摺動面は、最大の負荷をかけられる別の区域を有している。水平方向に延びる溝、クロスハッチング模様または孔列模様を備えた別の区域の本考案による構成によって、この領域におけるペクレニック係数は１よりも小さい値を取るようになる。これによって、摺動面の軸方向での潤滑油の流れは阻止される。潤滑油は、溝また上述の模様内に侵入し、かつ摺動面の周方向で溝また上述の模様内に留まる。これによって、反スラスト側の領域における摺動面の、運転中に最大の負荷にさらされるこの別の区域は、確実に潤滑油による付加的な潤滑を受ける。運転中の潤滑材層の損耗はこれによって大幅に減じられるので、溝構造は、長い運転期間にわたって存在したままである。

別の有利な別の態様では、複数のコーティング部のうちの少なくとも１つのコーティング部は、該コーティング部が、摺動面の、内燃機関の運転中に高められた負荷にさらされる領域を付加的に覆うように寸法設定されている。この高められた負荷は最大の負荷よりも小さいが、摺動面の残りの領域における負荷よりも高い。したがって、摺動面の、最大の負荷をかけられる領域だけではなく、比較的高い負荷をかけられる領域にも、付加的に潤滑油が供給され、このことは、本考案によるピストンの寿命をさらに増大させる。

溝は、特にＵ字形、Ｖ字形、台形または方形の横断面を有していてよい。溝の幅は、最適な場合には１ｍｍよりも小さい。溝の深さは、コーティング部の厚さに相当してよいが、コーティング部の厚さよりも小さく寸法設定されていてもよい。コーティング部は、印刷されるか、吹き付けられるか、または塗り付けられていてよい。溝は、任意の形式でコーティング部に加工形成されていてよく、たとえば自体公知の形式で機械加工により、またはたとえばレーザ光線を用いるような照射により加工形成されていてよい。

コーティング部は、有利には固形潤滑材から成っている。区域外の摺動面も有利には固形潤滑材から成るコーティング部を有している。

本考案による実施形態を以下に図面につき詳しく説明する。図面は概略的であり、正確な縮尺ではない。

本考案によるピストンの実施形態のスラスト側を示す図である。 図１に示したピストンの反スラスト側を示す図である。 γ＞１の値のペクレニック係数γを有する表面構造を示す図である。 γ＝１の値のペクレニック係数γを有する表面構造を示す図である。 γ＜１の値のペクレニック係数γを有する表面構造を示す図である。

図１および図２には、本考案に係るピストン１０の実施形態が示されている。ピストン１０は、一部分から成るピストンであっても、複数の部分から成るピストンであってもよく、たとえば組み立てられたピストンであるか、またはスカート揺動形のピストン（Pendelschaftkolben）もしくはアーティキュレイトタイプピストンであってもよい。ピストン１０は、鋼材料からかつ／または軽金属材料から製造されていてよい。図１および図２は、たとえば単一部分から成るピストン１０を示している。このピストン１０は、ピストン頂面１２と、環状に延びるトップランド（Feuersteg）１３と、ピストンリング（図示せず）を収容するリング溝部分１４とを備えたピストンヘッド１１を有している。さらにピストン１０は、摺動面１６，１７を備えたピストンスカート１５を有している。ピストンスカート１５は、スカート下縁部１８により画定されている。摺動面１６が、ピストン１０のスラスト側ＤＳ（図１を参照）に対応配置されているのに対して、摺動面１７は、ピストン１０の反スラスト側ＧＤＳ（図２を参照）に対応配置されている。さらに、ハブおよびハブ孔のようなピストンスカートの自体公知の構成は、見易くするために図示されていない。スラスト側および反スラスト側の特性および負荷分布は、欧州特許第１６９２３８４号明細書に詳細に記載されている。

ピストン１０のスラスト側ＤＳに対応配置された摺動面１６は、スカート下縁部１８を起点とし、運転中に小さな負荷にさらされる区域２１を有している。この区域２１は、運転中に高められた負荷にさらされる領域２２によって取り囲まれている。本実施形態では、区域２１は、鉛直方向に延びる溝２１の形態のコーティング部２３を備えている。

コーティング部２３は、本実施形態では、固体潤滑材、たとえばＧｒａｆａｌ（登録商標）、黒鉛、二硫化モリブデン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等から成っている。コーティングは、自体公知の形式で特に、たとえばスクリーン印刷法による印刷によって、固体潤滑材の吹き付け塗布またはドクタ塗布（Aufrakeln）により行われる。溝２４は、任意の形式でコーティング部２３に加工形成され得る。コーティング部２３は、均一に塗装され、溝２４が、次いで機械加工によって、またはたとえばレーザ光線による照射によってコーティング部２３に加工形成され得る。しかし、溝２４を備えたコーティング部２３は、１つの作業ステップにおいて、たとえば固形潤滑材を、テンプレートを用いて摺動面１６に塗布することによって設けられてもよい。溝２４の横断面は、任意に選択され得る。溝２４の深さは、最大でコーティング部２３の厚さに相当する。溝２４の幅は、最適な場合には１ｍｍよりも小さい。

ピストン１０の反スラスト側ＧＤＳに対応配置された摺動面１７は、同じくスカート下縁部１８を起点とし、運転中に小さな負荷にさらされる区域２１’を有している。この区域２１’は、運転中に高められた負荷にさらされる領域２２’により取り囲まれている。本実施形態では、区域２１’は、鉛直方向に延びる溝２４’の形態のコーティング部２３’を有している。溝２４’を有するコーティング部２３’は、ピストン１０のスラスト側ＤＳに対応配置された摺動面に塗布された、溝２４を有するコーティング部２３に相当する。したがって、溝２４’を備えたコーティング部２３’に関しては、ピストン１０のスラスト側ＤＳの上記説明が参照される。

ピストン１０の反スラスト側ＧＤＳに対応配置された摺動面１７は、ピストンヘッド１１の近傍に配置された運転中に小さな負荷にさらされる別の区域２５を有している。本実施形態では、この区域２５は、水平方向に延びる溝２８の形態のコーティング部２７を有している。溝２８を有するコーティング部２７は、ピストン１０のスラスト側ＤＳに対応配置された摺動面に塗布された、溝２４を有するコーティング部２３に相当する。したがって、溝２８を有するコーティング部２７に関しては、ピストン１０のスラスト側ＤＳの上記説明が参照される。

摺動面１６；１７の領域２２；２２’は、運転中に最大の負荷にさらされ、かつ本考案により潤滑油を増大して供給されることにより、潤滑される。この増大された供給は、区域２１；２１’に鉛直方向の溝２４；２４’を加工形成することにより強制的に行われる。このことは、いわゆるペクレニック係数（Peklenik Faktor）がこれらの領域において、１よりも大きな値に高められることを生ぜしめる。本考案によるピストン１０は、運転中に、その下死点の範囲で、高められた壁油膜を有する領域に沈み込む。潤滑油は、溝２４，２４’内に侵入し、溝２４，２４’内で毛細管力に基づいてピストンヘッド１１の方向に向かって上方に移動する。このようにして、摺動面１６；１７の、運転中に最大の負荷にさらされる領域２２；２２’は確実に付加的な潤滑油による潤滑を被る。運転中の潤滑材層の損耗は、これによって大幅に減じられるので、溝構造は長い運転期間にわたって存在したままである。

摺動面１７の区域２５も、運転中に最大の負荷にさらされている。水平方向の溝２８を有するこの区域２５の本考案による構成により、ペクレニック係数がこの領域において１よりも小さな値を占めるようになる。これにより、摺動面の軸方向での潤滑油の流れは阻止される。潤滑油は、溝２８内に侵入し、該溝２８内で摺動面１７の周方向に分配される。このようにして、反スラスト側の領域における摺動面１７の、運転中に最大の負荷にさらされるこの別の区域２５は、確実に潤滑油による付加的な潤滑を被る。運転中の潤滑材層の損耗は、これによって大幅に減じられるので、溝構造は長い運転期間にわたって存在したままである。

ペクレニック係数γは、表面に存在する粗さピーク（Rauigkeitsspitzen）２９ａ，２９ｂ，２９ｃの軸方向の半半径と、周方向の半半径との比である。１よりも大きな値は、楕円形の粗さピーク２９ａの、摺動面の軸方向に向いた配向に相当し（図３ａ）、１よりも小さな値は、楕円形の粗さピーク２９ｃの、摺動面の周方向に向いた配向に相当し（図３ｃ）、１に等しい値は、ほぼ球状の表面粗さピーク２９ｂが存在している（図３ｂ）ことを意味している（「Benutzerhandbuch Spaltstroemungssimulation ２．０版」Instotut fuer fluidtechnische Antriebe und Steuerungen der RWTH，アーヘン，２００８年，第１３−１４頁を参照）。１よりも大きなペクレニック係数γを有する表面に沿った流体力学的な圧力は小さく、つまり流体Ｆは、有利には妨げられずに流れる。これに対して、１よりも小さなペクレニック係数γを有する表面に沿った流体力学的な圧力は高く、つまり流体Ｆはその流れを阻止される。ペクレニック係数γ＝１を有する表面にわたる流体力学的な圧力は、これの両極の間に位置している。

摺動面１６，１７の、区域２１，２１’，２５もしくは領域２２，２２’外の残りの領域は、本実施形態では同様に固形潤滑材、たとえばＧｒａｆａｌ（登録商標）、黒鉛、二硫化モリブデン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等から成る、図１および図２に破線で示されているようなコーティング部３１を備えている。

本考案は、内燃機関用のピストンであって、ピストンヘッドと、下側のスカート縁部により画定されたピストンスカートとを備え、ピストンスカートは、スラスト側に対応配置された摺動面と、反スラスト側に対応配置された摺動面とを備え、前記摺動面（１６）には、第１の区域（２１）が対応配置されていて、前記摺動面（１７）には第２の区域（２１’）が対応配置されており、前記第１の区域（２１）および前記第２の区域（２１’）は、前記下側のスカート縁部（１８）を起点として延びており、前記第１の区域（２１）および前記第２の区域（２１’）は、内燃機関の運転中に負荷にさらされている、内燃機関用のピストンに関する。

ピストン１０の反スラスト側ＧＤＳに対応配置された摺動面１７は、ピストンヘッド１１の近傍に配置された運転中に最大の負荷にさらされる別の区域２５を有している。本実施形態では、この区域２５は、水平方向に延びる溝２８の形態のコーティング部２７を有している。溝２８を有するコーティング部２７は、ピストン１０のスラスト側ＤＳに対応配置された摺動面に塗布された、溝２４を有するコーティング部２３に相当する。したがって、溝２８を有するコーティング部２７に関しては、ピストン１０のスラスト側ＤＳの上記説明が参照される。

摺動面１６；１７の領域２２；２２’は、運転中に高められた負荷にさらされ、かつ本考案により潤滑油を増大して供給されることにより、潤滑される。この増大された供給は、区域２１；２１’に鉛直方向の溝２４；２４’を加工形成することにより強制的に行われる。このことは、いわゆるペクレニック係数（Peklenik Faktor）がこれらの領域において、１よりも大きな値に高められることを生ぜしめる。本考案によるピストン１０は、運転中に、その下死点の範囲で、高められた壁油膜を有する領域に沈み込む。潤滑油は、溝２４，２４’内に侵入し、溝２４，２４’内で毛細管力に基づいてピストンヘッド１１の方向に向かって上方に移動する。このようにして、摺動面１６；１７の、運転中に高められた負荷にさらされる領域２２；２２’は確実に付加的な潤滑油による潤滑を被る。運転中の潤滑材層の損耗は、これによって大幅に減じられるので、溝構造は長い運転期間にわたって存在したままである。

摺動面１７の区域２５は、運転中に最大の負荷にさらされている。水平方向の溝２８を有するこの区域２５の本考案による構成により、ペクレニック係数がこの領域において１よりも小さな値を占めるようになる。これにより、摺動面の軸方向での潤滑油の流れは阻止される。潤滑油は、溝２８内に侵入し、該溝２８内で摺動面１７の周方向に分配される。このようにして、反スラスト側の領域における摺動面１７の、運転中に最大の負荷にさらされるこの別の区域２５は、確実に潤滑油による付加的な潤滑を被る。運転中の潤滑材層の損耗は、これによって大幅に減じられるので、溝構造は長い運転期間にわたって存在したままである。

Claims (10)

1. 内燃機関用のピストン（１０）であって、ピストンヘッド（１１）と、下側のスカート縁部（１８）により画定されるピストンスカート（１５）とを備え、
   前記ピストンスカート（１５）は、スラスト側（ＤＳ）に対応配置された摺動面（１６）と、反スラスト側（ＧＤＳ）に対応配置された摺動面（１７）とを備え、両摺動面（１６，１７）に、前記下側のスカート縁部（１８）を起点とし、内燃機関の運転中に小さな負荷にさらされるそれぞれ１つの区域（２１，２１’）が対応配置されている、内燃機関用のピストン（１０）において、
   スラスト側（ＤＳ）に対応配置された前記摺動面（１６）の前記区域（２１）および／または反スラスト側（ＧＤＳ）に対応配置された前記摺動面（１７）の前記区域（２１’）が、鉛直方向に延びる溝（２４，２４’）を有するコーティング部（２３，２３’）を備えていることを特徴とする、内燃機関用のピストン。
2. 反スラスト側（ＧＤＳ）に対応配置された前記摺動面（１７）に、前記ピストンヘッド（１１）の近傍で、内燃機関の運転中に最大負荷にさらされる別の区域（２５）が対応配置されていて、該区域（２５）は、水平方向に延びる溝（２８）を有するコーティング部（２７）を備える、請求項１記載の内燃機関用のピストン。
3. 前記コーティング部（２３，２３’，２７）の内の少なくとも１つのコーティング部は、該コーティング部が、前記摺動面（１６，１７）の、内燃機関の運転中に高められた負荷にさらされる領域（２２，２２’）を付加的に覆うように寸法設定されている、請求項１または２記載の内燃機関用のピストン。
4. 前記溝（２４，２４’，２８）は、Ｕ字形、Ｖ字形、台形または方形の横断面を有している、請求項１または２記載の内燃機関用のピストン。
5. 前記溝（２４，２４’，２８）は、１ｍｍよりも小さな幅を有している、請求項１または２記載の内燃機関用のピストン。
6. 前記溝（２４，２４’，２８）の深さは、前記コーティング部（２３，２７）の厚さに相当する、請求項１または２記載の内燃機関用のピストン。
7. 前記コーティング部（２３，２７）は、印刷されるか、吹き付け塗布されるか、またはドクタ塗布される、請求項１または２記載の内燃機関用のピストン。
8. 前記溝（２４，２４’，２８）は、機械加工によって、または照射によってコーティング部に加工形成される、請求項１または２記載の内燃機関用のピストン。
9. 前記コーティング部（２３，２７）は、固体潤滑材から成っている、請求項１または２記載の内燃機関用のピストン。
10. 前記摺動面（１６，１７）は、前記区域外で、固形潤滑材から成るコーティング部（３１）を有している、請求項１または２記載の内燃機関用のピストン。

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