JP4950046B2 - 一体鋳鋼による一体鋳造ピストン - Google Patents

Description

本出願は、２００４年７月２１日に出願された米国仮出願第６０／５８９，７７９号に基づき優先権を主張する。

１．技術分野
本発明は、一般にディーゼルエンジン用の高負荷に耐えられるピストン、より詳細には、スカートおよびピストンヘッド内のオイル冷却空洞と共に一体的に製造される一体鋳造ピストンに関する。

２．関連技術
高負荷に耐えられるピストン用の一体鋳造ピストンは産業上公知であり、これは、凹型の燃焼室領域を囲む外側のリングベルト領域が形成されており、リングベルトと燃焼室との間に、作動中にピストンの上部分を冷却するために冷却オイルが供給される環状のオイル冷却空洞が形成されているピストンヘッドの上部分を含むことを特徴とする。このようなピストンには、ピストンをコンロッドと結合するためのリストピンを受容する位置合わせされた孔として横方向に離間する１組のピンボスがさらに形成される。ピンボスは、ピストンのヘッドの下部分内に設けられる。一体鋳造ピストンはさらに、スカートが個別に形成されリストピンによりピンボスに連結して作動するよう結合される連結式ピストンとは異なり、ピンボスに対して動かないようにピンボスと一体的に形成されるピストンスカート領域を含む。

従来、一体鋳造ピストンは、アルミニウムまたは鋳鉄からなる一体鋳造、もしくは鉄および鋼を含む様々な材料からなる２つまたはそれ以上の部品からなる構造として製造される。後者では、材料は鋳造および／または鍛造され、続いてボルト締め、ろう付けまたは溶接を含む様々な手段により、一体的に結合された構造になる。様々な通路および凹部、また特に冷却空洞領域の複雑さにより、材料の選択肢はアルミニウムまたは鋳鉄に制限されてきた。複数の部品が結合される構造では、ピストンの構造を個別に製造してから１つの部品に組み合わせることが可能である個々の部品に分けられるという長所がある。典型的な多部品からなる一体鋳造ピストンは、オイル冷却室を通る分割線で分けられる。こうして、冷却室の部分は上方のヘッド、つまり「上方クラウン」区分内に形成され、冷却室の残りの部分は下方のピンボス、つまり「下方クラウン」区分内に形成される。上方クラウンは、鋼または鋳鉄から鋳造または鍛造されることが多く、鋳鉄または鍛造アルミニウムからなることがある下方クラウンと分割線に沿って組み合わされる。鋼は鉄より弾性係数が高く、このため熱および燃焼による周期的負荷にさらされる上方クラウン区分に使用する際に有利である。下方クラウンは、上方クラウンのような熱および負荷にさらされないため、鋳鉄以外の材料で形成する理由はあまりない。

本発明の上記のおよびその他の特徴および長所は、以下の詳細な説明および添付の図面を参照することにより明らかになる。

好適な実施形態の詳細な説明
本発明の１実施形態により構成されたピストンが、符号１０で図面に示される。ピストンは一体鋳造型であり、鋼、好適にはＳＡＥ ４１４０Ｈによる鋼から全体的に一体的に
鋳造される。ピストンは、概ね平坦である上方壁１４を有する上ヘッド部分１２を有する。またピストンは、上方壁１４内に凹部として設けられるとともに輪郭部分となる燃焼室壁１８により囲まれている燃焼室１６を含む。燃焼室壁１８は、燃焼室１６への再入口または垂直構造を設けるために、燃焼室１６の上方リップ２２の径方向外側へ延伸するアンダカット角領域２０を含む。アンダカット領域２０の内方では燃焼室壁１８はドーム形であり、ドーム形壁１８の中央は上方壁１４に向かってアンダカット領域２０上方へ盛り上がっており、リップ２２の下方で終端する。

ヘッド部分１２は、外側環状リングベルト壁２４をさらに含む。これは、上方壁１４から下方へ延伸し、リングベルト内に鋳造されてから機械加工されるか、または全体的に鋳造してから機械加工することにより形成される複数のリング溝２６が形成されている。リング溝２６は、従来通り対応する複数のピストンリング（図示せず）を収容する。

ヘッド部分１２には、リングベルト２４の内側、燃焼室１６下方にある鋳放しのオイル冷却空洞２８が形成される。オイル冷却空洞２８は、リングベルト２４により画定される外側環状壁と、燃焼室壁１８のアンダカット領域２０により画定される上方壁とを有する。空洞２８の内側環状壁３０は、リングベルト２４の径方向内側に離間しており、アンダカット領域２０の径方向内側の位置で、燃焼室壁１８から下方へ延伸する。リングベルト２４は、内側環状壁３０より相対的に厚く、内側環状壁もやはり燃焼室１８の壁より相対的に厚い。

オイル冷却空洞２８は底壁または床３２を含み、これは、以下で詳細に説明するように、ピストンの冷却効率および構造を向上させるため、オイル冷却空洞２８を下方で閉じるようにリングベルト２４と内側環状壁３０との間で延伸する。

ピストンは、１組の横方向に離間するピンボス３４をさらに含む。これは、ヘッド部分１２と一体的に鋳造されており、ヘッド部分の底壁３２から下方へ延伸する。ピンボス３４は、通常通りピストン１０をコンロッド（図示せず）と接続するためのリストピン（図示せず）を受けるために、ピン軸線３８に沿って位置合わせされる１組のピン孔３６と鋳造される。

ピストン１０には、ヘッド部分１２およびピンボス３４と一体的に鋳造されているピストンスカート４０がさらに形成される。このスカート４０は、リングベルト２４およびピンボス３４いずれにも接続しており、これらに接続されていない場合は支持されていない。スカート４０には１組の窓または開口４２が形成されており、これは、ピンボス３４の、スカート４０の横方向に対向する各側面に鋳造されており、合計で４個またはそれ以下の窓４２がある。窓４２により材料質量が減らされ、これによりスカートが不要である領域内でピストンの重量が低減する。

オイル冷却空洞２８を再度参照すると、比較的薄い断面の内側環状壁３０と、燃焼室壁１８のアンダカット領域２０には、ピストンの全体的な重量を低減させるためにリブのない、隣接する領域の壁の厚さを最小限にしつつ燃焼による力に耐え得るよう壁部分の構造的剛性を向上させるために局所的に厚くされた壁領域を設けるための補強リブ４４が形成されている。リブ４４はリングベルト２４の後方で延伸し、部分的にのみオイル空洞２８内へ延伸していることが見てとれる。したがって、空洞を周方向に閉鎖せず、空洞は開放しており、周方向に連続したままである。リブ４４の大きさは異なっており、最も厚いリブはピンボス３４上方にあり、ピン軸線３８に合わせられる。

リブ４６も、ドーム領域内の燃焼室壁１８の薄い壁構造を補強するために、燃焼室壁１８の下側に、内側壁３０の径方向内側に設けられている。

ピンボス３４には中空領域またはくぼみ４８が形成されており、これは、材料の質量を低減し、冷却オイルがオイル冷却空洞２８からピンボス３４の中空領域２８へ流れるために、底壁３２の下方でオイル冷却空洞２８の延長部として延伸している概ねサドル形の室を形成する。中空領域４８は、ピン孔３６の両側でピンボス３４内へと下方へ延伸し、ピン軸線３８の手前で終端する。底壁３２は、中空領域４８にはなく、これによりオイル冷却空洞２８に直接連通する。

ピンボス３４の間の領域内では、好適には底壁３２に少なくとも１つの、好適には複数の開口５０が形成される。開口５０によって、オイル冷却空洞およびその他の関連する中空領域および空洞内のリブが、鋳造時に中子により形成可能になる。この中子は、鋳造後に開口５０から完全に除去されることが可能である。さらに、開口５０は、ピストン１０の全体の質量の低減に貢献する。図示されるように、好適にはこのような開口が４つあり、開口の各組は、底壁３２の介在するリッジ部分により隔てられている。ただし、本発明では、必要に応じて、一方または両方の開口の組のブリッジ部５２を除去することも考えられる。開口５０はさらに、作動中に冷却オイルをピストン内へ供給し、少なくとも部分的にオイルを空洞から逃がすため、オイル冷却空洞２８を到達可能にする役割も有する。中空領域４８も、リストピンとコンロッドの接触面の潤滑促進のために、ピン孔３６および／またはピンボス３４の内面を潤滑するためのオイル流出口（図示せず）を含むことが可能である。

ピストンは好適には、ＳＡＥ ４１４０Ｈによる鋼から鋳造される。特定の工程に限られてはいないが、低速充填の吸引鋳造技術によりピストンを鋳造することが考えられる。これにより、これ以外の場合は異物混入、固形化、収縮および孔が生じる傾向がある鋼を、ピストン１０に見られるような複雑かつ薄い断面および複雑な形状を有する状態に、完成した鋳造物の許容範囲を越える孔や固形化による不具合が生じることなく鋳造することが可能になる。

上述の教示に照らして、本発明に関して多くの修正および変形が可能であることは自明である。したがって、本発明は、添付の請求項の範囲内で、具体的に説明した方法以外でも実施可能である。

本発明の現時点において好適な実施形態によって構成されるピストンの部分的に切り取られた状態の斜視図である。 図１のピストンの、部分的に切り取られた状態の、別の角度から見た斜視図である。 図１のピストンの別の角度から見た斜視図である。 ピストンの平面図である。 図４の線５−５に沿って切られた断面図である。 図５の線６−６に沿って切られた断面図である。 図４の線７−７に沿って切られた断面図である。

Claims (16)

1. 燃焼室と、環状リングベルトと、環状オイル空洞とを有するピストンヘッドと、
   位置合わせされたピン孔を有する前記ピストンヘッドに応じた１組のピンボスと、
   ピストンスカートとを備え、
   前記ピストンヘッドと、前記ピンボスと、前記ピストンスカートとが、何らの継ぎ目をも含まない単一物として鋼から一体的に鋳造されており、
   環状オイル空洞内においてその内側へ突出する複数のリブが互いに円周方向に隔てられて設けられている、ピストン。
2. オイル空洞床を含む、請求項１に記載のピストン。
3. 前記オイル空洞床が、前記鋼から一体的に鋳造される、請求項２に記載のピストン。
4. 前記オイル空洞床内に少なくとも１つの開口鋳造を含む、請求項３に記載のピストン。
5. 前記ピストンヘッドが燃焼室壁を含み、前記リブが前記燃焼室壁の下面に沿って前記オイル空洞内を延伸する、請求項１に記載のピストン。
6. 外側の前記リングベルトの径方向の内側に隔てられた内側環状壁を含む、請求項５に記載のピストン。
7. 前記リブが、前記燃焼室壁の前記下面から前記内側環状壁に沿って延伸する、請求項６に記載のピストン。
8. 前記燃焼室壁の下面に沿って、前記内側環状壁の径方向内側へ延伸する複数のリブを含む、請求項７に記載のピストン。
9. 前記ピンボスが、前記オイル空洞と連通する中空領域を含む、請求項１に記載のピストン。
10. 前記中空領域が、サドル形状を有し、前記オイル空洞の前記床の下方で、各ピンボス内に形成された一方の側のピン孔の前記ピンボス内へ延伸する、請求項９に記載のピストン。
11. 前記内側環状壁の断面が、前記リングベルトの断面より薄い、請求項７に記載のピストン。
12. 前記内側環状壁の断面が、前記燃焼室壁の断面より相対的に薄い、請求項１１に記載のピストン。
13. 前記ピストンスカート内に少なくとも１つの窓鋳造を含む、請求項１に記載のピストン。
14. 前記窓を４つ含む、請求項１３に記載のピストン。
15. 前記リブの径方向の厚さが異なる、請求項１に記載のピストン。
16. 前記リブのうち最も厚いリブが、前記ピンボス内に鋳造される１組の孔の共通の軸線を
    含む平面内にある、請求項１５に記載のピストン。

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