JP3984788B2 - 内燃機関用のピストン及びピストンロッド - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、ピストン頂部（ピストン・トップ）が、ピストンの長手方向中心軸線からある距離にて、ピストンの周方向に向けて伸びる当接面を有しており、該当接面が、ピストンロッドの当接面に対してクランプ止めし得るようにされている、該ピストン頂部を有する内燃機関用のピストンに関する。
【０００２】
特開平８−２１８９４０号公報には、ピストンのピストン頂部がボルトによってピストン・ロッドに対してクランプ止めされる、下方に突き出す内側の周縁リブを有する、ディーゼルエンジン用のピストンが記載されている。縦断面図において、周縁リブは、ピストンロッドの相応する半円形のリセス部に当接する半円形の突起を有している（同公報の図１、図２参照）。ピストン頂部の加熱によって該ピストン頂部が膨張する結果として、周縁リブは、ピストンロッドに対して角回転し、半円形の突起はリセス部内で回転し、これにより、リブとピストンロッドとの間にて力を伝達するため最大の当接面が常時維持される。その結果、リブには一定の均一な力が加わり、これにより、特に、ボルトのねじ部周辺の疲労破損を防止することができる。
【０００３】
特開平８−２１０１８０号公報には、ピストン頂部が内側の周縁リブによりピストンロッドに対してクランプ止めされることに加えて、ピストン頂部の外壁の下向きの当接面にてクランプ止めされて、これにより、これら２つのクランプ止め位置を亙ってピストンとピストンロッドとの間で荷重を分配する、ディーゼルエンジン用のピストンが示されている。外壁における該当接面の断面形状は、特開平８−２１８９４０号に記載されたものと同一の効果を有するように半円形である。
【０００４】
しかし、極めて大きい動的荷重がピストン頂部からピストンロッドに伝達される結果として、従来技術のピストン頂部とピストンロッドとの間における接触面の材料がある程度、変質する傾向がある。
【０００５】
本発明の目的は、ピストン頂部からピストンロッドまで荷重を伝達する当接面が一層優れた安定性を有するようにしたピストンを提供することである。
このことに鑑みて、本発明によるピストンは、ピストン頂部の当接面が、その半径方向断面図でみたとき（ピストンの中心から半径方向に延びる所定の線の箇所でピストンをその長手方向中心軸に沿って切断したときの縦断面図でみたとき）、直線状に伸び且つピストンの長手方向中心軸線に対する直角面に対し２°乃至８８°の範囲の角度を形成する第一の面と、該第一の面に対し１７８°、又は１８２°以上の角度を形成する第二の面とを備えることを特徴とする。
【０００６】
このように、当接面は、２つの面を備えることができ、その面の各々がピストンの半径方向断面図（縦断面図）で見たとき、少なくとも２°だけ相互に角度を付けた直線により画定される。このことは、ピストン頂部の当接面とピストンロッドの当接面がそれぞれ僅かでも相互に変位する可能性が少なくなり、また、これら当接面（接触面）における材料の変質の虞れが大幅に少なくなるから、ピストン頂部からピストンロッドまで動的荷重を極めて安定的に伝達することを可能にする。
【０００７】
作動中、ピストン頂部に作用する動的影響力がピストンロッドの当接面に対してピストンの長手方向中心軸線に向けてその当接面を押し付けようとする場合にあって、ピストン頂部の第一の面が、半径方向外方に向けて、燃焼室に面するピストンの頂部側から傾斜して離れているので、これにより、ピストンロッドの当接面に対するピストン頂部の当接面の変位を打ち消すことができる。
【０００８】
本発明は、また、ピストンロッドが長手方向中心軸線からある距離に配置された当接面を有し、該当接面がピストンロッドの周方向に伸び且つピストン頂部の当接面に対してクランプ止めし得るようにされた、内燃機関用のピストンロッドにも関する。
【０００９】
本発明によるピストンロッドは、該ピストンロッドの当接面が、その半径方向断面図（ピストンロッドの中心から半径方向に延びる所定の線の箇所でピストンロッドをその長手方向中心軸に沿って切断したときの縦断面図）で見たとき、直線状に伸び且つピストンの長手方向中心軸線に対する直角面に対して２°乃至８８°の範囲の角度を形成する第一の面と、該第一の面に対して１７８°以下又は１８２°以上の角度を形成する第二の面とを備えることを特徴とする。半径方向外方において、第一の面は、ピストンロッドの他端に向けて傾斜するようにすることができる。これにより、上述した有利な点が実現される。
【００１０】
ピストン又はピストンロッドは、その半径方向断面図（ピストンロッドの中心から半径方向に延びる所定の線の箇所でピストンロッドの長手方向中心軸に沿って切断したときの縦断面図）において、その第一の面がピストン又はピストンロッドの長手方向中心軸線に対する直角面に対して３°乃至２０°、好ましくは、５°乃至１３°の角度を形成するようにすることができる。このことは、中心軸線の方向及び半径方向に向けてそれぞれピストン頂部とピストンロッドとの間の接触面の広がり（伸び）程度を適宜に釣合わせることを許容する。軸方向に最大の荷重が生ずるため、当接面は、中心軸線の方向に広がり（伸び）、材料の弾性に起因してその相互の接触面に沿って異なった状態で変形する。このため、中心軸線の方向への接触面の広がり（伸び）程度を制限することが望ましい。
【００１１】
更に、前記第二の面は、ピストン又はピストンロッドの長手方向中心軸線に対する直角面に対し実質的に平行であるようにすることができる。このことは、軸方向の力と半径方向の力との間の伝達量を良好に釣合わせることを可能にする。上述したように、軸方向力が大きいため、中心軸線に対する直角な面がこれらの力を伝達する程度が最良となる。更に、かかる面は、例えば、円錐形面の場合よりも経済的に製造できる。
【００１２】
前記第一の面は、前記第二の面に対して半径方向最外側となるようにすることができる。
更に、前記当接面は、半径方向に向けて伸びる距離の０．５倍以下、好ましくは０．２倍以下の距離にわたって、中心軸線方向において広がることができる。このことは、中心軸線の方向への接触面の伸びを制限し、更に、互いに対してクランプ止めされた当接面の相互の変位は、上述したように少なくなる。
【００１３】
第一の面と第二の面との間に、緩やかな丸味を有するリセス部を形成することができる。
本発明は、更に、ピストンとピストンロッドとの間にクランプ止めされるリング又は環状部材に関する。この環状部材は、ピストンの当接面の形状に実質的に相応する形状をした第一の当接面と、ピストンロッドの当接面の形状に実質的に相応する形状をした第二の当接面とを備えることを特徴とする。
【００１４】
リング又は環状部材は、ピストン頂部又はピストンロッド以外の材料にて製造し、ピストン頂部又はピストンロッドの材料に対して特に好ましい接触特性を有する材料を使用することを許容する。このリングの材料は、例えば、ピストン頂部又はピストンロッドの材料よりも軟質又は硬質とすることができる。
【００１５】
以下に、概略図的な図面を参照しつつ、実施の形態の例によって本発明をより詳細に説明する。
図１には、ピストンロッド２上に取り付けた通常のピストン１が図示されている。このピストンは、２行程エンジン用とすることを目的とするものであり、エンジンの寸法に依存して、典型的に、２５０ｍｍ乃至１０００ｍｍの範囲内の直径の異なる寸法にて製造することができる。
【００１６】
エンジン内で燃焼する間、ピストン上方のシリンダ圧力は、例えば、１６．０乃至２０．０ＭＰａ（１６０乃至２００バール）の範囲となる最高燃焼圧力まで上昇し、これと同時に、シリンダ上端における温度は、５００°Ｃ以上まで上昇する。ピストンは、ピストンロッドに極めて大きい荷重を伝達し、このため、ピストン１とピストンロッド２との間の継手には苛酷な要求が課される。
【００１７】
ピストン１は、頂部壁４（その上面は、凹形又は凸形とし、特殊な耐熱面が溶接された表面とすることができる）を備える、一体形要素として鋳造により形成された円筒形状（シリンダ形状）のピストン頂部３と、ピストンの外面の上方部分を形成する、下方に伸びる円筒形状（シリンダ形状）の外壁５（その下方部分には、図示しない幾つかのピストンリングが環状溝内に既知の仕方にて埋め込まれている）と、外壁５の内側に配置された、下方に伸びる円筒状のリブ形状領域６とを備え、該リブ形状領域６は、多数のボルト８によってピストンロッド２の当接上面９に対して既知の仕方にてクランプ止めされた下方の水平当接面７を有している。このため、該リブ６は、エンジンの作動中、ピストン１とピストンロッド２との間で大きい力を伝達する支持部材となる。
【００１８】
ピストン頂部３及びピストンロッド２の当接面７、９は、それぞれ従来通り、ピストンの中心軸線に対して直角に形成されるが、一方の当接面又は双方の当接面を僅かに円錐形とする場合にあっては、リブ６の当接面７及びピストンロッド２の当接面９が、ピストン１が低温状態で、ピストンロッド２に対してクランプ止めされていないとき、その半径方向最外側縁部に数μｍの空隙が存在する。明確化のため、この空隙を誇張して示す図１０を参照するとよい。この空隙は、ピストン頂部３がピストンロッドに対してクランプ止めされたとき、部分的に均一とされ、また、ピストン頂部３は、作動温度まで加熱されたとき、頂部壁４の中央領域内で最も膨張するから、矢印の方向へリブ形状領域６の小さな角度の回転が生じ、これにより、空隙を完全に均一にし、均一な接触圧力が当接面７、９の全体にわたって広がり、また、リブ形状領域６の荷重を均一にする。更に、ピストン頂部３の当接面７には、典型的に、環状リセス部１０が形成されるため、リセス部１０内のリブの材料は、ピストンロッドの当接面９に当接せず、このためにより粗い製造許容公差で機械加工することが可能となる。図１０を参照。クランプ止めボルト８用の複数の貫通穴のうちの幾つかは、図示しない穴によってピストン頂部３とスカート部との間のオイル室と連通することができ、また、ボルト穴がリセス部１０を介して相互に連通するから、ボルト穴及びリセス部１０内に捕捉された全てのオイルを逃がすことができ、このことは、リセス部１０内での圧力の不適切な蓄積を防止することになる。
【００１９】
図２乃至図７には、本発明によるピストン頂部３及びピストンロッド２のそれぞれ当接面７，９の異なる実施の形態が図示されており、図１の通常のピストンに対するものに相応する要素は同一の参照番号で表示してある。ピストン頂部３の当接面７は半径方向最外側の第一の面１１と、半径方向最内側の第二の面１２とを備えていることが分かる。ピストンロッド２の当接面９は、ピストン頂部３の第一の面１１と反対側で且つその形状に相応する第一の面１３と、ピストン頂部３の第二の面１２と反対側で且つその形状に相応する第二の面１４とを備えている。従来の設計に相応して、面１１、１２、１３、１４は、図１１に示すように、実際にはより粗い製造許容公差で機械加工した中間のリセス部１０を有しており、これにより、より経済的な製造を可能にすることが可能となる。リセス部１０は、図６及び図７に図示するように、第一の面と第二の面との間にて応力を減少させる緩やかな遷移部分を形成する丸味部分１６を備え又は該丸味部分内に拡張するようにすることができる。同様に、第一の面１１、１３及び第二の面１２、１４は、それぞれ、ピストン頂部３が低温及び非クランプ止め状態にあるとき、それらの間に各々薄くなる空隙を伴って広がるように形成することができ、このため、図１１に示すように、当接面７、９の半径方向最外側縁部にて数μｍの空隙が生ずる。作動中、このことは、上述したように、リブ形状領域６内で応力が均一に分布することを可能にする。
【００２０】
ピストン１の半径方向断面図（ピストン１の中心から半径方向に延びる所定の線の箇所でピストン１をその長手方向中心軸に沿って切断したときのピストン１の縦断面図）において、第一の面１１、１３及び第二の面１２、１４は、直線状に伸び且つ互いに角度が付けられ、これにより、極めて安定的にクランプ止めする当接面７，９を提供することが出来る。このため、当接面７、９の僅かに数μｍ程度の小さい相互の動きを打ち消すことができる結果、作動中にピストンに極めて大きい動荷重が加わることに起因する当接面への影響を小さくすることができ、このことは、当接面７、９に対する擦過（フレッチング）のような、好ましくない有害な作用の虞れを少なくすることができる。
【００２１】
図２には、半径方向外方に向けて、第一の半径方向最外側面１１、１３がピストン頂部の頂部壁４から傾斜して離れ、第二の面１２、１４がピストン１の中心軸線に対して実質的に直角であり、このためリブ６の当接面７で、リブ６の半径方向内方への変位が打ち消されるようにした、１つの実施の形態が図示されている。この効果は、また、第二の半径方向最内側面１２、１４がピストン頂部の頂部壁４から傾斜して離れるようにした、図４に図示する実施の形態により得ることができる。
【００２２】
図３には、リブ６の当接面７の、ピストン１の中心軸線から半径方向に変位して離れる動きが、打ち消されるようにした、実施の形態が図示されている。これらの実施の形態における当接面７、９は、半径方向断面図（縦断面図）において、図２及び図４の実施の形態と比較して、ピストン１の中心軸線に対し平行にリブ形状領域６を貫通して伸びる軸線の周りで実質的に鏡像となる。
【００２３】
図５乃至図７には、リブ形状領域６の当接面７は、第一の面１１、１３、第二の面１２、１４の双方が相互に角度が設けられ且つピストン１の中心軸線に対する直角面に対し角度が付けられているため、ピストンロッド２の当接面９に対して、双方の方向（半径方向内側、外側）への移動が防止されるようにした実施の形態が図示されている。図７には、第二の半径方向最内側面１２、１４が、第一の面１１、１３よりも中心軸線に対する直角面に対しより急勾配であり、これにより、リブ６の当接面７が実質的に半径方向内方に移動するのを打ち消すようにした実施の形態が図示されている。ピストンの軸方向への第二の面１２、１４の広がり程度は、ピストン頂部材料及びピストンロッド材料の異なる動的圧縮に起因して生じる可能な相互移動を少なくし得るように、制限されることを認識すべきである。
【００２４】
図８及び図９には、ピストン頂部３の当接面７とピストンロッド２の当接面９との間で環状部材１５がクランプ止めされるようにした実施の形態が図示されている。環状部材１５は、ピストン頂部３及びピストンロッド２の当接面７、９の形状に相応する形状の当接面を有しており、また、例えば、冷却剤等のノズルを保持する挿入物とすることができ、又は、ピストン頂部３及びピストンロッド２の材料に対して特に優れた接触特性を有する材料から成るリングとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ピストンロッドに取り付けられた従来のピストンの断面図である。
【図２】 本発明による当接面を有する、ピストンロッドに取り付けられたピストンの拡張部分を示す半径方向断面図（縦断面図）である。
【図３】 別の実施の形態を示す図２に相応する断面図である。
【図４】 更に別の実施の形態を示す図２に相応する断面図である。
【図５】 更に別の実施の形態を示す図２に相応する断面図である。
【図６】 更に別の実施の形態を示す図２に相応する断面図である。
【図７】 更に別の実施の形態を示す図２に相応する断面図である。
【図８】 ピストン頂部とピストンロッドとの間にクランプ止めされた環状部材を有する実施の形態を示す図２に相応する断面図である。
【図９】 ピストン頂部とピストンロッドとの間にクランプ止めされた環状部材を有する別の実施の形態を示す図２に相応する断面図である。
【図１０】 図１に図示した従来のピストンが低温状態にあるときのピストン頂部及びピストンロッドの当接面の断面図である。
【図１１】 同様に、低温状態にある、本発明によるピストン及びピストンロッドの当接面を示す、図１０に相応する断面図である。

Claims (16)

1. 下方に伸びるシリンダ形状の外壁（５）と、ピストンの長手方向中心軸線から所定の距離に配置され、前記外壁（５）の内側に位置し且つピストンの周方向に向けて伸びる当接面（７）を有する下方に伸びる円筒状のリブ形状領域（６）とを備えたピストン頂部（３）であって、ピストンロッド（２）の当接面（９）に対してクランプ止めし得るようにされた前記ピストン頂部（３）を有する、内燃機関用のピストン（１）において、
   ピストン頂部の当接面（７）が、その半径方向断面図（縦断面図）でみたときに、直線状に伸び且つピストンの長手方向中心軸線に対する直角面に対して３°乃至２０°の範囲の角度を形成する第一の面（１１）と、該第一の面（１１）に対して１７８°以下、又は１８２°以上の角度を形成する第二の面（１２）とを備え、
   前記第一の面（１１）は、前記第二の面（１２）に対して半径方向最外側に位置することを特徴とする、内燃機関用のピストン。
2. 請求項１によるピストン（１）において、半径方向外方に向けて、第一の面（１１）が、燃焼室に面するピストン（１）の頂側部（４）から傾斜して離れることを特徴とする、ピストン。
3. ピストンロッドの長手方向中心軸線から所定の距離に配置された当接面（９）を有するピストンロッドであって、該当接面がピストンロッドの周方向に伸び且つピストン頂部（３）に備えられた下方に伸びる円筒状のリブ形状領域（６）上の当接面（７）に対して複数のボルトによりクランプ止めし得るようにされた、内燃機関用のピストンロッド（２）において、
   ピストンロッド（２）の当接面（９）が、その半径方向断面図（縦断面図）でみたときに、直線状に伸び且つピストンロッド（２）の長手方向中心軸線に対する直角面に対し３°乃至２０°の範囲の角度を形成する第一の面（１３）と、該第一の面（１３）に対し１７８°以下又は１８２°以上の角度を形成する第二の面（１４）とを備え、
   前記第一の面（１３）は、前記第二の面（１４）に対して半径方向最外側に位置することを特徴とする、内燃機関用のピストンロッド。
4. 請求項３によるピストンロッド（２）において、半径方向外方に向けて、第一の面（１３）が、ピストンロッド（２）の他端側に傾斜することを特徴とする、ピストンロッド。
5. 請求項１又は２によるピストン（１）において、半径方向断面図（縦断面図）でみたときに、第一の面（１１、１３）が、ピストン（１）の長手方向中心軸線に対する直角面に対し、５°乃至１３°の角度を形成することを特徴とする、ピストン。
6. 請求項１、２、５の何れか１つによるピストン（１）において、第二の面（１２、１４）が、ピストン（１）の長手方向中心軸線に対する直角面に対し実質的に平行であることを特徴とする、ピストン。
7. 請求項１、２、５、６の何れか１つによるピストン（１）において、前記当接面（７、９）は、半径方向への長さに対する中心軸方向への長さの比が０．５倍以下となる形状を有していることを特徴とする、ピストン。
8. 請求項１、２、５、６の何れか１つによるピストン（１）において、前記当接面（７、９）は、半径方向への長さに対する中心軸方向への長さの比が０．２倍以下となる形状を有していることを特徴とする、ピストン。
9. 請求項１、２又は５乃至８の何れか１つによるピストン（１）において、緩やかな丸味部分（１６）を有するリセス部（１０）が、第一の面（１１、１３）と第二の面（１２、１４）との間に形成されることを特徴とする、ピストン。
10. 請求項３又は４によるピストンロッド（２）において、半径方向断面図（縦断面図）でみたときに、第一の面（１１、１３）が、ピストンロッド（２）の長手方向中心軸線に対する直角面に対し、５°乃至１３°の角度を形成することを特徴とする、ピストンロッド。
11. 請求項３、４、１０の何れか１つによるピストンロッド（２）において、第二の面（１２、１４）が、ピストンロッド（２）の長手方向中心軸線に対する直角面に対し実質的に平行であることを特徴とする、ピストンロッド。
12. 請求項３、４、１０、１１の何れか１つによるピストンロッド（２）において、前記当接面（７、９）は、半径方向への長さに対する中心軸方向への長さの比が０．５倍以下となる形状を有していることを特徴とする、ピストンロッド。
13. 請求項３、４、１０、１１の何れか１つによるピストンロッド（２）において、前記当接面（７、９）は、半径方向への長さに対する中心軸方向への長さの比が０．２倍以下となる形状を有していることを特徴とする、ピストンロッド。
14. 請求項３、４又は１０乃至１３の何れか１つによるピストンロッド（２）において、緩やかな丸味部分（１６）を有するリセス部（１０）が、第一の面（１１、１３）と第二の面（１２、１４）との間に形成されることを特徴とする、ピストンロッド。
15. 請求項１、２又は５乃至９によるピストン（１）と、請求項３又は１０乃至１４によるピストンロッド（２）との間にクランプ止めされるリング又は環状部材（１５）において、ピストン（１）の当接面（７）の形状に実質的に相応する形状の第一の当接面（１７）と、ピストンロッド（２）の当接面（９）の形状に実質的に相応する形状の第二の当接面（１８）とを備えることを特徴とする、リング又は環状部材。
16. 請求項１５によるリング又は環状部材（１５）において、ピストン頂部（３）又はピストンロッド（２）以外の材料にて、好ましくは、ピストン頂部（３）又はピストンロッド（２）の材料よりも軟質又は硬質材料にて製造されることを特徴とする、リング又は環状部材。

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