JP4203296B2 - シリンダライナの外側周囲面の造形方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、シリンダライナの外側周囲面の造形方法に係り、特にアンダカットされた輪郭を金属成形することによってシリンダライナの外側周囲面を造形する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日内燃エンジンのクランクケースは軽量化のために一般的にアルミニウム合金から製造されている。しかしながら、低価格で鋳造し易くかつ加工し易いアルミニウム合金は比較的低い耐熱性ならびにシリンダボアのピストン摺動面に対する低い耐摩耗性を伴っている。この種の摺動面はピストンリングを有するピストンとの直接的な被摺動部材としては不適切である。
【０００３】
ピストン摺動面の耐摩耗性を強化するために、シリンダライナを一般的に耐摩耗性の高い主に鉄を含んでいるねずみ鋳鉄等の鋳造材、あるいは超共昌アルミニウム珪素合金から製造することが知られている。しかしながら、この際シリンダライナをクランクケース内にずれまたは回転が生じないように固定することが問題となる。このため、完全に加工されたクランクケース内に後から特に圧入あるいは熱接合によって装着するか、またはクランクケースの鋳造に際してアルミニウム合金によって周りから鋳造する。
【０００４】
圧入方式において、固定のためシリンダライナは収容される鋳造ボア部に対して一定の超過外径を有している。しかしながら、この圧入方式は、特に圧入に際してシリンダ壁またはライナが損傷するあるいは影響を受け、特に歪みが生じる危険性があるという大きな問題点を伴っている。さらに、形状の許容誤差が小さい場合はシリンダライナと鋳造ボア部に対して精密に整合する形成寸法が必要となるが、これは温度変化または不純物によって影響を受け易いものである。
【０００５】
シリンダライナの熱接合においても、シリンダライナの外径を鋳造ボア部より大きくすることによって必要な固定圧力が達成される。接合を行うためにこの寸法超過分が機械的な圧力ではなく熱変形によって克服され、このためにシリンダブロックを加熱するとともにライナが冷却される。しかしながら、この熱接合においても圧入の際と同様な加工不良が生じる可能性があり、これにおいては部品を加熱および冷却することによってより高い負荷が発生する。
【０００６】
シリンダライナの鋳込みが結果として最も確実な加工方法と見られている。この場合、例えばねずみ鋳鉄からなるシリンダライナをクランクケースの鋳型内に挿入し、その後アルミニウム合金によって鋳込みを行う。しかしながら、この方式においても何も予防措置を取らないと、特にライナ外周面とクランクケース材料との間の不充分な接合により技術的な問題が生じる可能性がある。
【０００７】
クランクケースをダイカスト方式によってアルミニウム合金から製造し、シリンダライナを特に吹付け圧縮したアルミニウムシリコン合金によって鋳込む場合、鋳型に渦流充填を行うことによって極めて持続的な少なくとも部分的に金属的な結合がシリンダライナと周囲の鋳物との間に生じる。しかしながら、ねずみ鋳鉄製のシリンダライナを使用する場合、基本的にはアルミニウムとねずみ鋳鉄との間に金属結合は発生しない。従って、この種のシリンダライナにおいて周囲の鋳物との間におけるインタロックのために充分な予防措置を施す必要がある。
【０００８】
さらに、特にダイカスト方式において“粗鋳造ライナ”を鋳込むことができ、すなわち外側周囲部分に粗鋳造構造を有するねずみ鋳鉄製のシリンダライナを鋳込むことが知られている。クランクケースのアルミニウム材料によって周囲から鋳込む際に、粗鋳造ライナを取り囲んだアルミニウム材料とライナの粗表面部との間に機械的な噛合が生じる。しかしながら、粗鋳造ライナの使用は圧力付加された鋳造方式に限定され、これは鋳型の充填および硬化に際して外からの圧力を付加することによってのみ大きく拡大された粗表面の微細な空洞内に溶融材料を完全に圧入させそれによってこの表面との間における完全なインタロックが達成されるからである。
【０００９】
永久鋳型鋳造および砂型鋳造等のゆっくり充填する鋳造方式においては、溶融物を被覆している酸化膜がクランクケースのアルミニウム合金とシリンダライナのアルミニウムシリコン合金との間の金属結合を妨害する。このことを防止するためには溶融材料の温度を増加させる必要があるが、これによって一般的に少なくとも部分的なシリンダライナの溶解破損が生じる。少なくとも部分的なシリンダライナの溶解破損を伴うことなく両方の材料の間の充分な結合を形成する方式は、既製生産用としては達成されていない。従って、ゆっくり充填する鋳造方式において、基本的に金属結合が形成されない例えばねずみ鋳鉄製のシリンダライナ等の場合と同様に、アルミニウムシリコン合金製のシリンダライナを使用する場合、周囲の鋳物との間に充分なインタロックが生じるように留意する必要がある。従って、粗表面の微細な空洞内に溶融材料が充分に浸透しないため、粗鋳造ライナの使用は不可能である。
【００１０】
従って、シリンダライナの鋳込みをシリンダライナとクランクケースとの間に良好な金属結合が形成される少ないケースのみ依存しないために、クランクケースのアルミニウム合金とシリンダライナの材料との間に充分なインタロックが生じるように留意する必要があり、これによってシリンダライナを回転およびずれの生じないようにクランクケース内に固定することが保証される。一般的にこのことは形状要素を使用するか、あるいはシリンダライナの外側周囲面を適宜に造形することによって達成される。
【００１１】
この種の形状要素は一般的に切削加工によって形成されるが、これは大きな難点を伴っており、特に極めて有用なアンダカットの形成がこの場合不可能になることである。加えて、この種の造形は裂け目および割れ目の形成を伴うことがあり、これによって熱伝導が妨害されるか、最悪の場合シリンダライナがクランクケース内において緩む危険性もある。さらに、ねずみ鋳鉄または鋳造アルミニウムシリコン合金からシリンダライナを製造する際にはいずれにしても切削加工が必要となるため比較的に低コストに実施することができるが、これは吹付け成形されたアルミニウムシリコン合金製のシリンダライナには該当せず、これにおいては通常の加工ステップは吹付け形成、熱チューブ押出成形、熱圧伸成形、仕上げ加工からなり、切削加工は含まれていない。経済的に競争力のあるものとするためには、吹付け加工によって製造された極めて高価な材料を極めて高い材料効率によって最終製品に加工する必要がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、従来の技術の問題点を克服することができる請求項１前段に記載の方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記の課題は請求項１に記載されている特徴によって解決される。下位請求項には好適な追加構成が示されている。
【００１４】
本発明によれば、クランクケース内に鋳込みするシリンダライナの外側周囲面にアンダカットされた輪郭を以下に記述する特徴を有する金属成形によって形成する方法が提供される。
【００１５】
本発明に係る方法の第１のステップにおいてはシリンダライナの空洞部内に内心棒が挿入される。この内心棒はシリンダライナの内周面に対してこれを支承するように着合する。この内心棒の目的は、その後のシリンダライナの外周面の造形に際して付加された力によるライナの変形を防止することである。同時に、この内心棒によってシリンダライナの内腔部の較正を行いこれによって許容度の改善を達成することである。
【００１６】
続いて、第２のステップにおいて支承している内心棒を備えたシリンダライナが第１の切り溝形状の作用面を備えた金属成形工具内に装着される。
【００１７】
この種の金属成形工具は作用面に切り溝形状を備えた複数の金型から構成され、この複数の金型はシリンダライナに対して共通の軸に従った半径方向に調節することができる。これらの金型は特に部分シリンダ形状の被覆部材として形成することができる。その放射方向の位置関係は、各被覆部材が小さな間隔をおいて互いに近接し実質的に閉鎖されたシリンダ形状を形成するようなものであることが好適である。この場合２つより多い金型を備えることが好適である。金型はシリンダライナに対して軸方向に延在しているリブの形状の輪郭を有する。この際リブ間の空間はリブの横幅よりも小さいことが好適である。さらに、リブおよびリブ間の空間は丸み付けられていることが好適である。しかしながら、原則的にリブおよびリブ間の空間は任意の断面を有することができる。
【００１８】
次に、第３のステップにおいて、切り溝形状を有する金属成形工具によってシリンダライナの外周面がプレス加工され、これによってシリンダライナの外周面内に相補的輪郭が形成される。
【００１９】
第１の金属成形工具の輪郭は軸方向に延在するリブ形状であるため、シリンダライナの外周面内にはこれと対になった輪郭として軸方向に延在する溝部が形成される。プレス加工されたシリンダライナの輪郭内において溝部を互いに離間させているブリッジ部分は第１の金属成形工具のリブ間の空間部分に相応する。第１の金属成形工具においてリブ間の空間をリブの横幅よりも小さくなるように選定すると、プレス加工されたシリンダライナ内においてブリッジ部の横幅が溝部の横幅よりも小さくなる。
【００２０】
次に、本発明に係る方法の第４のステップにおいて、支承している内心棒を備えその外周面には相補的輪郭が形成されたシリンダライナが平滑な作用面を備える第２の金属成形工具内に装入される。
【００２１】
第５のステップにおいて、この平滑な作用面を備える第２の金属成形工具が相補的輪郭が形成されたシリンダライナの外周面に対してプレスされ、これによってシリンダライナの相補的輪郭が沈められてアンダカットされた輪郭に変形される。これに続いてアンダカットして造形されたシリンダライナが第２の金属成形工具から取り出され、別の処理をすることなくクランクケース内に鋳込まれる。第２の工具も半径方向に調節可能な特に部分シリンダ被覆部材の形状の複数の金型からなる。第１の金属成形工具と同様に、金型は半径方向内側の位置において小さな間隔をおいて互いに近接し実質的に閉鎖されたシリンダ形状を形成することが好適である。第２の金属成形工具は２つより多い金型を備えることが好適である。
【００２２】
本発明の好適な実施形態において、第１の金属成形工具ならびに必要に応じて第２の金属成形工具は周囲温度よりも高い温度下において使用され、シリンダライナならびに必要に応じて金属成形工具はこのために過熱することができる。これによって造形が容易になり、すなわち造形のために付加されるプレス圧力を低減することが可能になる。この作業時におけるシリンダライナまたは金属成形工具の温度は２００ないし４２０℃とすることが好適である。
【００２３】
本発明により金属成形のみによって形成されたアンダカットされたシリンダ外周面の輪郭は、既知の全ての鋳造方法において軸方向ならびに放射方向においてシリンダライナとクランクケースがインタロックして隙間が無く確実な固定が達成される。本発明に係る方法によれば、吹付け成形されたアルミニウムシリコン合金製シリンダライナにおいてもダイカスト工程における接合が改善され、これは金属結合が形成されない問題の領域においてもインタロック式の隙間の無い固定が達成されるためである。他方、永久鋳型鋳造および砂型鋳造等のゆっくり充填する鋳造方式においても鋳造パラメータがシリンダライナの溶解破損が生じかねない危険な領域に移行することなく、インタロック式の隙間の無い固定が有効に達成される。リブ間の空間がリブの横幅よりも小さくなるように第１の金属成形工具の輪郭を選定すると、比較的薄いアンダカットが形成され、これによって軸方向および半径方向のインタロックに加えて追加的な金属結合を達成することができる。その理由は、シリンダライナの輪郭の細いブリッジ部は鋳造に際して溶融し、これによって溶解破損する危険を伴うことなく周囲の鋳物との間に金属結合が形成されることが可能になるためである。シリンダライナの外周面を金属成形のみによって造形することにより、大幅に材料を節約し従って低コストなシリンダライナとクランクケースとの間のアンダカットによるインタロックが達成される。
【００２４】
本発明のその他の詳細、特徴、ならびに利点は、添付図面を参照しながら以下に記す実施例の説明によって理解される。
【００２５】
【実施例】
まず図１を参照する。図１においてシリンダライナ１は本発明に係る方法の第１のステップによってその空洞部内に挿入された内心棒２と共に示されている。内心棒２によってシリンダライナ１の内周面が支承されている。内心棒２を備えたシリンダライナ１は半径方向に調節可能な金型３の形式の第１の金属成形工具内に設置されており、この金型はその作用面に切り溝輪郭を備えている。
【００２６】
図２には金属成形工具の１つの金型３が詳細に示されている。金型３の切り溝輪郭はシリンダ軸に沿って配置された多数のリブ４を備えている。リブ４はその上端が丸み付けられている。リブ４は中間の空間５によって互いに離間しており、これも同様に丸み付けられている。隣接するリブ４の間の距離ａはリブ４の横幅ｂよりも小さくなるように選定されている。
【００２７】
図３には、内心棒２を備えたシリンダライナ１が第１の工具内に設置され、切り溝輪郭を有する金型３が共通の軸に関してシリンダライナ１の外周面に対して半径方向にプレスされた状態が示されている。金型３はその半径方向内側位置において互いに接合しており、実質的に閉鎖されたシリンダ形状を形成している。
【００２８】
図４にはこのプレス工程の結果としてシリンダライナ１がその外周面にプレス加工された相補的輪郭の拡大部について示されている。シリンダライナ１の相補的輪郭はシリンダ軸に沿った溝部６を備えており、これはブリッジ部７によって互いに離間している。第１の金属成形工具の金型３の輪郭の特殊な構造従ってシリンダライナ１の外周面上の相補的輪郭が形成され、これにおいてブリッジ部７の横幅ｃはこのブリッジ部７に隣接している溝部６の横幅ｄより小さくなる。
【００２９】
図５には、内心棒２を備え、相補的輪郭が形成されたシリンダライナ１が、平滑な作用面を有するとともに共通の軸に関して半径方向に調節可能な金型８の形式の第２の金属成形工具内に設置された状態が示されている。
【００３０】
図６には、内心棒２を備えるとともに外周面上に相補的輪郭が形成されたシリンダライナ１が第２の金属成形工具内においてプレスされた状態が示されている。金型８はその半径方向内側位置において互いに接合しており、実質的に閉鎖されたシリンダ形状を形成している。
【００３１】
図７には図６のプレス工程の結果としてシリンダライナ１がその外周面にプレス加工された相補的輪郭の拡大部について示されている。シリンダライナ１の外周面の低没した相補的輪郭はシリンダ軸に沿って配置されたアンダカットを有する溝部６を備えており、これはアンダカット状のブリッジ部７によって互いに離間している。この低没した相補的輪郭を備えたシリンダライナ１は、金属成形工具内から取り出して内燃エンジンのクランクケース内に鋳込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の金属成形工具内に設置された内心棒を備えたシリンダライナを示す断面図である。
【図２】 図１の第１の金属成形工具の部分拡大を示す断面図である。
【図３】 図１に示された輪郭形成された金属成形工具のプレス状態を示す断面図である。
【図４】 図３においてプレス成形された相補的輪郭を有するシリンダライナの部分拡大を示す断面図である。
【図５】 平滑な作用面を備える第２の金属成形工具内に設置された、内心棒を備え相補的輪郭を形成されたシリンダライナを示す断面図である。
【図６】 図５に示された平滑な作用面を備える第２の金属成形工具のプレス状態を示す断面図である。
【図７】 図６の低没した相補的輪郭を有するシリンダライナの部分拡大を示す断面図である。
【符号の説明】
１ シリンダライナ
２ 内心棒
３，８ 金型
４ リブ
５ 空間
６ 溝部
７ ブリッジ部

Claims (8)

1. クランクケース内に鋳込みするシリンダライナ（１）の外側周囲面にアンダカットされた輪郭を金属成形によって形成する方法であり：
   シリンダライナ（１）の空洞部内に内心棒（２）を挿入し；
   支承している内心棒（２）を備えたシリンダライナ（１）を切り溝輪郭を作用面に備えた第１の金属成形工具内に装着し、この金属成形工具は複数の金型（３；８）から構成され、この複数の金型はシリンダライナに対して共通の軸に従って半径方向に閉鎖するように構成され、ここで金型（３）は軸方向に延在するリブの形状からなり；
   金属成形工具の切り溝輪郭によってシリンダライナ（１）の外周面をプレス加工し、これによってシリンダライナ（１）の外周面内に前記金属成形工具の切り溝輪郭に対応する相補的輪郭を形成し；
   支承している内心棒（２）を備えその外周面には相補的輪郭が形成されたシリンダライナ（１）を作用面に平滑な表面を備える第２の金属成形工具内に装入し、この金属成形工具は複数の金型（３；８）から構成され、この複数の金型は共通の軸に従って半径方向に閉鎖するように構成され；
   第２の金属成形工具を前記相補的輪郭が形成されたシリンダライナ（１）の外周面に対してプレスし、これによってシリンダライナ（１）の相補的輪郭が押しつぶされてアンダカットされた輪郭に変形される、
   ステップからなることを特徴とする方法。
2. 第１の金属成形工具は周囲温度よりも高い温度下において使用することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. シリンダライナ（１）の温度は２００ないし４２０℃とすることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. シリンダライナ（１）はねずみ鋳鉄から製造することを特徴とする請求項１記載の方法。
5. シリンダライナ（１）はアルミニウムまたはアルミニウム合金から製造することを特徴とする請求項１記載の方法。
6. アルミニウム合金として鋳造または溶射成形された、特に超共昌アルミニウムシリコン合金を使用することを特徴とする請求項５記載の方法。
7. シリンダライナ（１）の空洞部の内径を内心棒（２）によって画定することを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の方法によって造形された外周面を有する１つまたは複数のシリンダライナを有するクランクケース。

Images