JP5204784B2 - 内燃機関のためのピストンピン及びピストンピンを製造する方法 - Google Patents

Description

１．発明の分野
本発明は、ピストンピン、及び、内燃機関のピストンにコネクティングロッドの小さなコネクティングロッド穴を結合するための方法に関する。ピストンは、ピストンピンを受容するための小さなコネクティングロッド穴と整合したボス穴を有する。

２．従来技術
ピストンピンはコネクティングロッドを内燃機関のピストンに結合し、コネクティングロッド自体はピストンをクランクシャフトに結合する。コネクティングロッドには、小さなコネクティングロッド穴と、大きなコネクティングロッド穴とが設けられている。小さなコネクティングロッド穴はピストンピンを受容するのに対し、大きなコネクティングロッド穴はクランクピンを包囲する。小さなコネクティングロッド穴は、ピストンにおけるピンボスにおけるボス穴と整合するように配置されている。ピストンピンは、ボス穴に取り付けられ、小さなコネクティングロッド穴を貫通する。ピンボス及びコネクティングロッド穴は、ピストンの最も大きな応力を受ける部分である。なぜならば、ピストンピンは、ピストンに作用する極めて大きな力によりピストンの往復運動の間に曲がるだけではなく、ボス穴及び小さなコネクティングロッド穴の内側においてこすられることができるからである。

発明の概要
したがって、本発明の目的は、ボス穴又は小さなコネクティングロッド穴における膠着の危険性を減じるピストンピンを提供することである。

本発明の別の目的は、この形式のピストンピンを製造するための方法を提供することである。

これらの目的は、本発明によれば、ピストンピン及びピストンピンを形成するための方法によって達成され、この場合、ピストンピンの表面に、懸濁された固体潤滑粒子をから成る樹脂を含む被膜が塗布されている。

本発明は、ボス穴及び小さなコネクティングロッド穴における摩擦を防止又は少なくとも低減する被膜を単純な形式でピストンピンに提供する。被膜は、前もって接着剤被膜を塗布することなく塗布されることができる。所要の寸法精度が確実に得られる。ピストンピン、及びボス穴及び小さなコネクティングロッド穴におけるピストンの取付部の、耐久性ひいては寿命は、より優れた潤滑特性の結果、著しく改善される。

１つの実施形態において、取付部の潤滑をさらに改善しかつ小さな粒子の形式の不純物を吸収するために、被膜に少なくとも１つの油収集領域が提供されることができる。油収集領域は例えば、ピンの長手方向軸線方向で波形に延びた油溝として設計されることができる。

被膜の最小厚さは、特定の場合の要求に依存し、例えば５μｍ〜１５μｍであることができる。被膜に含まれた樹脂は好適には熱硬化性樹脂、特に、極めて耐熱性のポリアミドイミド樹脂であり、運転中に取付部が受けるひずみに耐えることができる。

被膜における固体潤滑粒子の５０重量％〜６０重量％の比は、特に有利な潤滑特性を提供する。固体潤滑粒子はここでは、黒鉛、硫化モリブデン、硫化タングステン、六方晶系窒化ホウ素又はＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を含むことができる。固体潤滑粒子は好適には、ただ１つの材料から成る。全ての固体潤滑粒子が同じ材料を含む場合、又は固体潤滑粒子が２つの異なる材料を含み混合されている場合、例えば黒鉛の固体潤滑粒子が、金属硫化物から成る固体潤滑粒子と混合されている場合、特に好適である。特に有効な潤滑のために、固体潤滑粒子は、１μｍ〜３μｍの粒子寸法を有している。

本発明による方法は、スクリーン印刷法又は噴霧又は霧化法として実施されることができる。回転霧化法は特に適している。

被膜材料は特に、特に良好な付着を達成するために、０．８μｍのＲａ（平均粗さ値）の表面粗さを備えたピストンピンの表面に塗布されることができる。ピストンピンの表面における被膜の付着をさらに改良するために、ピストンピンの表面は、被膜の塗布の前及び／又は塗布の間、好適には５０℃〜８０℃の温度まで予熱されることができる。

本発明による方法の好適な実施形態は、熱硬化性被膜の使用、及び塗布の完了の直後に被膜を好適には２００℃の温度において熱処理することを含む。

ピストンピンの表面は、表面への被膜の付着をさらに改良するために被膜の塗布の前にリン酸塩処理されることができる。

本発明のその他の目的及び特徴は、添付の図面に関連した考えられた以下の詳細な説明から明らかになるであろう。しかしながら、図面は単に例として示されており、発明の限定の定義として示されていない。

図面において、同じ参照符号は複数の図面を通じて同じ構成要素を示している。

ピストンの部分的な断面図である。 コネクティングロッドの正面図である。 本発明の実施形態によるピストンピンの断面図である。 本発明の実施形態による被膜における油溝の幾何学的な図である。 被膜を有する図４に示された、本発明の実施形態による被膜の正面図である。 被膜形成工具の概略図である。

好適な実施形態の詳細な説明
ここで図面を詳細に参照すると、図１は、本発明によるピストンピンが設けられることができる例としてのピストン１０を示している。一体型のピストン１０は、非制限的な例として選択された。ピストン１０は、例えば公知の形式で、鋼又は軽金属合金から成る。ピストン１０は、燃焼凹部１２を備えたピストンヘッド１１と、上部区分１３と図示されていないピストンリングを受容するための環状帯状部１４とを備えた、環状の、全周に延びた側壁とを有している。ピストン１０はさらに、ピストンヘッド１１の下方にピストンスカート１５を有している。ピストンスカート１５は、２つのボス結合部１６を有しており、これらのボス結合部は、ピストンヘッド１１の下側に支持されておりかつ２つのピストンボス１７へ移行している。ピストンボス１７は室２１を包囲している。各ピストンボスにはボス穴１８が設けられており、このボス穴には、ピストンリング（図示せず）のための固定環状溝１９が設けられている。ピストン設計に応じて（二部構成又は三部以上の構成）、もちろん、適当なボス穴を備えた３つ以上のピストンボスを提供することも可能である。

実施形態におけるボス穴１８は、必要であれば、例えば国際公開第９６／０７８４１号パンフレットに開示されたような、円筒状とは異なる規定された内部輪郭２３を備えた、被膜が形成された成形された穴である。この設計は、運転中にピストンピンにおけるひずみを解放し、これにより、ボスにおける初期き裂の危険性を回避する。同じ目的を果たすボス穴のためのその他の設計は例えば、だ円形（上下方向及び／又は横方向のだ円形）又はひずみ解放凹所（図示せず）を備えたボス穴である。これらの設計は自体公知である。

図２は、例としてのコネクティングロッド３０を示している。コネクティングロッド３０は例えば鋼から成り、コネクティングロッドシャンク３１と、小さなコネクティングロッド穴３２と、大きなコネクティングロッド穴３３とを有している。大きなコネクティングロッド穴３３はクランクシャフト（図示せず）のクランクピンを受容するのに対し、小さなコネクティングロッド穴３２はピストン１０のピストンピン（図示せず）を受容する。そのために、小さなコネクティングロッド穴はピストンボス１７によって包囲された室２１においてピストン１０のボス穴１８と整合させられている。

コネクティングロッド穴３２，３３もまた、実施形態に示されているように、必要であるならば、例えば国際公開第９６／０７８４１号パンフレットにおけるボス穴のために開示されているように、円筒形とは異なる規定された内部輪郭を備えた被膜形成された成形された穴であることができる。この設計は、コネクティングロッド穴３２，３３の周囲における初期き裂の危険性を回避するために、作動中に、ピストンピンと、コネクティングロッド３０と、クランクピンとを含む機械的システムにおけるひずみを解放する。同じ目的を果たすコネクティングロッド穴のためのその他の設計は、例えば、だ円形の穴（上下方向及び／又は横方向のだ円）又はひずみ解放凹所（図示せず）が設けられた穴である。これらの設計は自体公知である。

図３は、本発明によるピストンピン４０の実施形態と、ピストンピン４０が例えばどのようにピストン１０及びコネクティングロッド３０と協働することができるかを示している。ピストンピン４０は例えば鋼から成り、中空の円筒体として設計されている。ピストンピンには、表面４１に沿って被膜４２が設けられている。被膜４２は実質的に、懸濁された固体潤滑粒子を含む樹脂から成り、したがって自己潤滑被膜である。

実施形態において、図４及び図５に示されているように、被膜４２には、ピストンピン４０の長手方向軸線Lの方向に波形に延びた油溝４３の形式の油収集領域が設けられている。これらの油収集領域は、小さなコネクティングロッド穴３２の内部又はボス穴１８におけるピストンピン４０の個々の取付部の潤滑をさらに改良しかつ小さな粒子の形式の不純物を受容するために使用される。油収集領域は、もちろん、全ての所要の用途のためにあらゆる寸法及び形状で設計され、所要のあらゆる構成で配列されることができる。

ピストンピン４０の製造のために、中空円筒体の第１の面４１は公知の形式で仕上げ加工される。表面粗さＲａ（平均粗さ値）は、独国特許出願公開第４１１１３６８号明細書に特定されたものと等しいことができ、この場合、概して、Ｒａ値は３０ｍｍ未満の外径のために０．６３μｍであり、３０〜６０ｍｍの外径のために０．８μｍのＲａ値が達成される。実施形態における外径は、小さなコネクティングロッド穴３２又はそれぞれのボス穴１８における仕上げされたピストンピン４０に１０μｍ〜４０μｍの直径遊びが設けられるように、被膜形成の前に選択される。中空円筒体の表面４１は、小片、その他の粒子、機械加工油等が完全に除去されるように洗浄されるべきである。表面４１は、表面４１における被膜４２の付着を更に改良するために、被膜形成の前に自体公知の形式でリン酸塩処理されることができる。

本発明による被膜４２は、例えば、ピストンスカートの被膜のための、独国特許出願公開第１９８２４８５９号明細書、特開平０３−２０２１７５号公報、又は国際公開第２００５／０４２９５３号パンフレットから知られているような、スクリーン印刷法を使用して表面４１に塗布されることができる。しかしながら、本発明による被膜４２は、噴霧又は霧化によって塗布されることもできる。例えば油溝４３の形式の付加的な油収集領域を提供しようとする場合、被膜４２の前に噴霧又は霧化の間に公知の形式で表面４１に適切な被覆テンプレートが配置される。被覆テンプレートは、表面４１の被覆された領域の被膜を阻止する。択一例として、仕上げされた被膜４２が、再加工され、この形式において油収集領域が提供されることができる。

実施形態において選択された被膜は、黒鉛、硫化モリブデン、硫化タングステン、六方晶系窒化ホウ素又はＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）の材料のうちの１つ又は２つ以上の、懸濁された固体潤滑粒子を含む熱硬化性樹脂から形成されている。実施形態において、樹脂は極めて耐熱性のポリアミドイミドであり、固体潤滑材は、１μｍ〜３μｍの粒子寸法を備えた硫化モリブデン粒子と黒鉛粒子との混合物である。固体潤滑材の品質は、仕上げられた被膜が５０〜６０重量％の固体潤滑粒子を含むように、実施形態において選択されている。被膜の粘度は、十分な塗布と共に滴下が回避されるように設定される。この形式の被膜形成手段は、Grafal^(R)の表品名で知られている。

ピストンピン４０の表面４１への本発明による被膜４２の塗布のために、例えば、ピストンスカートの被膜のための、独国特許出願公開第１９８２４８５９号明細書、特開平０３−２０２１７５号公報、又は国際公開第２００５／０４２９５３号パンフレットから知られているような、標準的なスクリーン印刷装置が使用される。

被膜４２は、回転霧化によって噴霧又は霧化することによって塗布されることができる。図６はこの目的に適した回転霧化のための装置５０を示している。装置５０はノズル部材５２に接続された基本部材５１を有している。ノズル部材５２は軸受５３によって基本部材に回転可能に取り付けられている。ノズル部材５２は出口開口５５を有するノズル５４を有している。基本部材５１は、液体被膜材料及び圧縮空気のためのそれぞれの供給ダクト５６，５７を有しており、これらの供給ダクト５６，５７は、混合及び調量のための混合室５８において終わっている。混合室５８から、出口ダクト５９がノズル部材５２を貫通して延びており、出口開口５５において終わっている。そらせ板６１とノズル部材５２との間に実施形態において０．５ｍｍの幅を備えた環状間隙６２が得られるように、そらせ板６１は出口開口５５に対して垂直に配置されている。これらの被膜材料／空気混合物は、ノズル部材５２から間隔を置いて、間隙６２を通る噴霧ジェット６３の形式で半径方向に噴出する。

ノズル部材５２は、駆動装置６４によって回転させられ、実施形態において毎分１４０００〜１８０００回転の速度範囲で回転する。出口開口５５から噴出する被膜材料／空気混合物は、出口開口５５において生ぜしめられる遠心力によって加速され、ファン状の噴霧ジェット６３として半径方向に排出される。長手方向軸線Ｌの方向で噴霧ジェット６３は狭幅なので、ピストンピン４０の被膜４２は、被膜材料／空気混合物の単純な供給制御によって長手方向軸線Ｌの方向で正確に制限されることができる。実施形態において、５〜２５ｍｍの直径及び５０ｍｍまでの深さを備えたノズル５４が利用可能であり、これにより、装置５０は、全てのエンジン形式のためのピストンピン４０を被膜形成するために使用されることができる。ノズル５４の直径は、概して、ピストンピン４０の外径の半分に相当するように選択されている。

被膜形成過程の実行のために、ドイツ連邦共和国キルヒハイムに所在するSprimagによって製造された遠心装置Ｓ−５２０が適切である。

被膜材料／空気混合物は、実施形態において、ピストンピン４０の、５０℃〜８０℃に予熱された表面４１に塗布される。必要ならば、ノズル５４の出口開口５から出る被膜材料／空気混合物の品質が変化させられることができる。ここでは装置５０はコンピュータ制御されながら作動することが好ましい。

被膜が塗布される場合、被膜は、ピストンピン４０を２００℃の温度で１０〜２０分間炉内に配置することによって熱硬化させられる。

仕上げられた被膜４２は、約５μｍ〜２０μｍの厚さであり、小さなコネクティングロッド穴３２又はボス穴１８におけるピストンピン３０の直径遊びは、約１０μｍ〜２０μｍである。この狭い遊びは特に騒音を回避するために有利である。被膜４２はさらに、狭い遊びにかかわらず膠着が生じないことを保証する。

したがって、本発明の幾つかの実施形態だけが示されかつ説明されたが、発明の精神及び範囲から逸脱することなく、前記実施形態に変更が加えられることができることが明らかである。

１０ ピストン、 １１ ピストンヘッド、 １２ 燃焼凹部、 １３ 上部区分、 １４ 環状帯上部、 １５ ピストンスカート、 １６ ボス結合部、 １７ ピストンボス、 １８ ボス穴、 １９ 固定環状溝、 ２１ 室、 ２３ 内部輪郭、 ３０ コネクティングロッド、 ３１ コネクティングロッドシャンク、 ３２ 小さなコネクティングロッド穴、 ３３ 大きなコネクティングロッド穴、 ４０ ピストンピン、 ４１ 表面、 ４２ 被膜、 ４３ 油溝、 ５０ 回転霧化のための装置、 ５１ 基本部材、 ５２ ノズル部材、 ５３ 軸受、 ５４ ノズル、 ５５ 出口開口、 ５６，５７ 供給ダクト、 ５８ 混合室、 ５９ 出口ダクト、 ６１ そらせ板、 ６２ 環状間隙、 ６３ 噴霧ジェット、 ６４ 駆動装置

Claims (14)

1. 内燃機関のピストンにコネクティングロッドの小さなコネクティングロッド穴を結合するためのピストンピンにおいて、前記ピストンが、前記ピストンピンを受容するための前記小さなコネクティングロッド穴と整合したボス穴を有しており、前記ピストンピンの表面が、懸濁された固体潤滑粒子を含む樹脂から成る被膜によって被覆され、前記被膜に少なくとも１つの油収集領域が設けられており、
   前記少なくとも１つの油収集領域が、波形に延びた油溝として設計され、該油溝は、前記波形の振動中心を結ぶ直線が前記ピンの長手方向軸線の方向に対して平行となるように波形に形成されていることを特徴とする、ピストンピン。
2. 前記被膜が、５μｍ〜２０μｍの最小厚さを有している、請求項１記載のピストンピン。
3. 前記樹脂が、熱硬化性樹脂である、請求項１記載のピストンピン。
4. 前記被膜が、５０〜６０重量％の固体潤滑粒子を含む、請求項１記載のピストンピン。
5. 前記固体潤滑粒子が、黒鉛、硫化モリブデン、硫化タングステン、六方晶系窒化ホウ素又はＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）から成るグループから選択された材料から成る、請求項１記載のピストンピン。
6. 前記固体潤滑粒子が、１μｍ〜３μｍの粒子寸法を有している、請求項１記載のピストンピン。
7. 内燃機関のピストンにコネクティングロッドの小さなコネクティングロッド穴を結合するためのピストンピンを製造する方法において、ピストンが、ピストンピンを受容するための小さなコネクティングロッド穴と整合したボス穴を有しており、前記方法が、ピストンピンの表面に、懸濁した固体潤滑粒子を含む樹脂から成る被膜を塗布し、該被膜に少なくとも１つの油収集領域を設けるものであって、前記少なくとも１つの油収集領域を、波形に延びた油溝として設計し、該波形の該油溝を、該波形の振動中心を結ぶ直線がピンの長手方向軸線の方向に対して平行となるように形成することを含むことを特徴とする、ピストンピンを製造する方法。
8. 前記被膜が、Ｒａ（平均粗さ値）０．８μｍの表面粗さを備えた前記ピストンピンの前記表面に塗布される、請求項７記載の方法。
9. 前記被膜が、スクリーン印刷法を用いて塗布される、請求項７記載の方法。
10. 前記被膜が、噴霧又は霧化によって塗布される、請求項７記載の方法。
11. 前記被膜が、回転霧化によって塗布される、請求項１０記載の方法。
12. 前記ピストンピンの前記表面が、前記被膜を塗布するステップの前又は該ステップの間に予熱される、請求項７記載の方法。
13. 塗布の完了直後に熱処理される熱硬化性被膜が使用される、請求項７記載の方法。
14. ピストンピンの表面が被膜の前にリン酸塩処理される、請求項７記載の方法。

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