JP5260306B2 - 内燃機関のためのコンロッドおよびこれを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のためのコンロッドであって、ピストンピンを収容するためのコンロッド小端部のアイ（軸受け）と、クランクピンを収容するためのコンロッド大端部のアイ（軸受け）とを有しており、少なくとも一方のアイが、円筒形の内部輪郭からの少なくとも１つの幾何学的な逸脱を有している形式のものに関する。さらに本発明は、このようなコンロッドを製造する方法に関する。

コンロッドは内燃機関のピストンをクランク軸に結合する。このとき、コンロッド小端部のアイはピストンピンを収容し、コンロッド大端部のアイはクランクピンを包囲する。大小のコンロッドアイには、滑り軸受面、例えば滑り軸受層の形式の滑り軸受面が設けられている。これらの構成部材の滑り軸受面は、機械的に極めて強く負荷されている。特にピストンピンは、ピストンの往復運動時に、ピストンに作用する巨大な力に基づいて撓むことができる。これにより、コンロッドのアイも強く負荷される。それゆえ、コンロッドのアイの応力を軽減する方法が求められている。このことは例えば、通常は円筒形のアイの幾何学形状を局所的に変更することにより行われる。この幾何学形状の変更は、機械的な負荷を減じる。この種の幾何学形状の変更は例えば、負荷軽減ポケット、だ円、コニカル形状またはクラウニング形状の孔であることができる。この原理はボス孔に関して既に公知である（例えば国際公開第９６／０７８４１号参照）。この種の幾何学形状の変更はこれまで、アイの手間のかかる精密加工により製作されていた。

ドイツの特許出願（１０２００４０５９４９０．２）から、滑り軸受面を有するアイを備えるコンロッドが公知である。滑り軸受面は、固体潤滑剤粒子を含む樹脂からなる自己潤滑性のコーティングで被覆されている。

本発明の課題は、コンロッドの少なくとも１つのアイに特に簡単に局所的な幾何学的な逸脱を設けることができるコンロッドを提供することである。

解決策は、請求項１の特徴部に記載の特徴を有するコンロッドおよび請求項１２の特徴部に記載の特徴を有する方法にある。本発明によれば、少なくとも一方のアイが、円筒形の内部輪郭を備える孔から形成されており、該孔に、固体潤滑剤粒子を含む樹脂を有するコーティングが設けられており、該コーティングが、前記少なくとも１つのアイの円筒形の内部輪郭からの少なくとも１つの幾何学的な逸脱を形成するようにした。本発明による方法は、まず、円筒形の内部輪郭を有する孔を製作し、引き続いて、この孔の内面に、コーティング手段により、固体潤滑剤粒子を含む樹脂を有するコーティング剤を被着し、結果として生じるコーティングが、少なくとも１つのアイの円筒形の内部輪郭からの少なくとも１つの幾何学的な逸脱を形成するようにすることを特徴とする。

本発明により、コンロッドのアイを、円筒形の内部輪郭からの少なくとも１つの幾何学的な逸脱と、その内面の自己潤滑性のコーティングとを伴って、１回の同じ作業工程で製作することが可能である。このことは、かなりの時間的かつコスト的な節減を意味する。少なくとも１つの幾何学的な逸脱を付与するために、アイの内面の金属を手間をかけて極めて複雑に切削しなければならない加工は、省略される。さらに、アイの十分な潤滑性および抗スカッフ性を達成するために、軸受ブシュもしくは軸受シェルはもはや不要である。コーティングは付着層の事前の被着なしに行われ得る。アイの所望の寸法安定性は高信頼性に達成される。ピストンピンもしくはクランクピンの支承部の耐性、ひいては寿命は、改善された潤滑特性の結果、従来公知の金属合金からなるコーティングに対してかなり改善される。

有利な構成は従属請求項にある。

前記少なくとも１つの幾何学的な逸脱は、少なくとも１つの負荷軽減ポケットおよび／またはだ円値（例えば高さ方向および／または横幅方向のだ円値）および／または成形孔として形成されていることができる。このことは例えば国際公開第９６／０７８４１号にボス孔に関して開示されている。

有利には、支承部の潤滑をさらに改善するために、前記コーティング内に、少なくとも１つのオイル集合室が設けられていることができる。前記少なくとも１つのオイル集合室は、長手軸線の方向で延びる通路として、長手軸線の方向に対して半径方向で完全にまたは部分的に環状に延びる通路としてかつ／またはポケット状の切欠きとして形成されていることができる。

前記コーティングの最小厚さは、個々の事例の要求に依存しており、例えば５μｍ〜１５μｍであることができる。

有利には、コーティング内に含まれる樹脂が、熱硬化性の樹脂、特にポリアミドイミド樹脂である。ポリアミドイミド樹脂は、耐熱性に優れ、支承部が運転中に曝される負荷に特に良好に耐えることができる。

コーティング内の５０質量％〜６０質量％が固体潤滑剤粒子であるとき、特に有利な潤滑特性を示すことが判っている。この場合、前記固体潤滑剤粒子が、グラファイト、硫化モリブデン、二硫化タングステン、六方晶系の窒化ホウ素およびＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を有する材料群から選択されている材料からなることができる。固体潤滑剤粒子は有利には唯一の材料からなる。すべての固体潤滑剤粒子が同じ材料からなるか、または２つの異なる材料からなる固体潤滑剤粒子が混合、例えばグラファイトからなる固体潤滑剤粒子が金属硫化物からなる固体潤滑剤粒子と混合されると特に有利である。特に効果的な潤滑のために、前記固体潤滑剤粒子は、１μｍ〜３μｍの粒径を有する。

本発明による方法では、前記少なくとも１つの幾何学的な逸脱を、コーティング手段から放出されるコーティング剤の量の調節および／またはコーティングしたい孔内でのコーティング手段の送りの調節により形成することができる。

択一的な可能性はもちろん、コーティング剤を均一な厚さで被着し、少なくとも１つの幾何学的な逸脱を、結果的に生じたコーティングの後加工により形成することにある。この方法は、当然のことながら、少なくとも１つの幾何学的な逸脱をコーティングプロセスの最中に設ける場合に比べて遥かに手間がかかる。しかし、結果物、つまり、コンロッドのアイの円筒形の内部輪郭からの少なくとも１つの幾何学的な逸脱を形成するコーティングを備えるアイを有するコンロッドは、同じである。

有利には、特に良好な付着を達成するために、前記コーティング剤を孔の内面に、≦０．８μｍの表面粗さＲａ（平均粗さ値）で被着する。孔の内面へのコーティング剤の付着をさらに改善するために、孔の内面をコーティング剤の被着前かつ／または被着中に予熱、有利には５０℃〜８０℃の温度まで予熱することができる。

前記コーティング剤を、例えば、孔内に導入された回転するノズルからの回転噴霧により被着することができる。この場合、前記回転噴霧を、１４０００〜１８０００ｒｐｍのノズルの回転速度で実施すると特に実用的であることが判っている。

本発明による方法の有利な構成は、熱により硬化可能なコーティング剤を使用し、被着終了直後に熱処理、有利には２００℃の温度での熱処理にかけることにある。

本発明の一実施例について以下に添付図面を参照しながら詳説する。図面は、縮尺に非忠実な概略図である。
図１：本発明によるコンロッドの一実施形態の正面図である。
図２：図１に示した線ＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。
図３：コーティング手段の概略図である。

図１および図２は、本発明によるコンロッド１０の一実施例を示す。コンロッド１０は自体公知の形式で例えば鋼からなる。コンロッド１０は、コンロッド軸部１１と、コンロッド小端部のアイ２０と、コンロッド大端部のアイ３０とを有する。コンロッド小端部のアイ２０が、ピストンのピストンピンを収容する（図示せず）一方、コンロッド大端部のアイ３０は、クランク軸のクランクピンを収容する（図示せず）。

コンロッドのアイ２０，３０は、本実施例では、円筒形状から外れた所定の内部輪郭２１，３１を備える成形孔であり、このような内部輪郭はボス孔に関して例えば国際公開第９６／０７８４１号に開示されている。この構成は、アイ２０，３０の周りのき裂の危険を回避するために、運転中の、ピストンピン、コンロッド１０およびクランクピンからなる機械的な系の負荷軽減のために役立つ。同じ目的に役立つアイの別の構成は、例えばだ円値（高さ方向および／または横幅方向のだ円）または負荷軽減ポケット（Ｅｎｔｌａｓｔｕｎｇｓｔａｓｃｈｅ）を備える孔である（図示せず）。これらの構成はボス孔に関して既に公知である。

本実施例では、両アイ２０，３０は、本発明により、円筒形の孔２２もしくは３２とコーティング２３もしくは３３とからなるように構成されている。この場合、コーティング２３もしくは３３の表面輪郭は、それぞれのアイ２０もしくは３０の、円筒形状から外れた所望の内部輪郭２１もしくは３１が生じるように構成されている。比較可能な形式で、だ円値もしくは負荷軽減ポケットが、コーティング２３もしくは３３の表面輪郭により形成されていてもよい（図示せず）。コーティング２３もしくは３３は、主として、固体潤滑剤粒子を含む樹脂からなり、これにより、自己潤滑性のコーティングである。

本実施例では、さらにコーティング２３もしくは３３に、それぞれのアイ２０もしくは３０の長手軸線Ｌの方向で延在する通路２４もしくは３４の形のオイル集合室が設けられている。通路２４もしくは３４からポケット２５もしくは３５が半径方向で延在している。これらのオイル集合室は、ピストンピンもしくはクランクピンのそれぞれの支承部の潤滑をさらに改善するために役立つ。もちろん、オイル集合室はそれぞれの所望の使用のために任意の形状およびサイズで形成され、互いに任意に配置されていることができる。

コンロッドのアイ２０もしくは３０の製作のために、まず、円筒形の孔２２もしくは３２をコンロッド軸部１１内に設け、公知の形式で機械的な仕上げ加工を施す。表面粗さＲａ（平均粗さ値）は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第４１１１３６８号明細書に記載されるものに相当することができる。この場合、一般には、３０ｍｍより小さな孔直径で、Ｒａ値は０．６３μｍ以下であり、３０〜６０ｍｍの孔直径で、Ｒａ値は０．８μｍ以下である。孔直径は本実施例ではコーティング前、ピストンピンもしくはクランクピンが、完成したアイ２０もしくは３０内で、１０μｍ〜４０μｍの直径方向の遊びを有するように選択される。円筒形の孔２２もしくは３２は、切りくず、その他の粒子、加工油およびこれに類するものが完全に除去されているようにクリーニングされているべきである。円筒形の孔２２もしくは３２の内面はリン酸塩処理されていてもよい。

付加的なオイル集合室、例えば通路２４，３４またはポケット２５，３５の形のオイル集合室が設けられているべきであれば、コーティング前に、自体公知の形式で、相応のカバーテンプレート（Ａｂｄｅｃｋｓｃｈａｂｌｏｎｅ）が円筒形の孔２２もしくは３２内に取り付けられる。カバーテンプレートは、円筒形の孔２２もしくは３２の被覆された領域のコーティングを阻止する。択一的には、完成したコーティング２３もしくは３３を後加工し、こうしてオイル集合室を設けることができる。

本実施例で選択されるコーティング剤は、単数または複数の材料、グラファイト、硫化モリブデン、二硫化タングステン、六方晶系の窒化ホウ素、ＰＴＦＥからなる固体潤滑剤粒子を含む、熱で硬化可能な樹脂から形成されている。本実施例では、樹脂は優れた耐熱性を有するポリアミドイミドであり、固体潤滑剤は、１μｍ〜３μｍの粒径を有する硫化モリブデン粒子およびグラファイト粒子の混合物である。固体潤滑剤の量は本実施例では、完成したコーティングが約５０〜６０質量％の固体潤滑剤粒子を含有するように選択されている。コーティング剤の粘性は、十分な塗布時、滴形成が回避されるように調節されている。

円筒形の孔２２もしくは３２の内面にコーティング２３もしくは３３を被着するために、本実施例では、回転噴霧のための装置４０が役立つ。この装置４０は、ノズル体４２に接続されている基体４１を有する。ノズル体４２は基体上に軸受４３により回転可能に支承されている。ノズル体４２は、流出開口４５を備えるノズル４４を備える。基体４１はそれぞれ供給通路４６，４７を有し、供給通路４６，４７は液状のコーティング材料用ならびに圧縮空気用に決められており、混合および調量のための混合チャンバ４８で終わっている。混合チャンバ３８から流出通路４９がノズル体４２を通って延在し、流出開口４５に開口する。流出開口４５に対して垂直にバッフルプレート５１が配置されている。その結果、バッフルプレート５１とノズル体４２との間に、本実施例では０．５ｍｍの幅を有する環状のギャップ５２が生じる。ギャップ５２を通してコーティング剤／空気混合物が噴流５３の形で半径方向に、かつノズル体４２から間隔を置いて流出する。

駆動装置５４によりノズル体４２は回転させられ、本実施例では１４０００〜１８０００ｒｐｍの回転数領域で回転する。流出開口４５から流出するコーティング剤／空気混合物は、流出開口４５で発生する遠心力により、ディスク状の噴流５３として半径方向で流出するように加速される。噴流５３が長手軸線Ｌの方向で狭く形成されているので、円筒形の孔２２もしくは３２の、コーティングしたい内面は、長手軸線Ｌの方向でコーティング剤／空気混合物の簡単な供給管理によりシャープに制限され得る。本実施例では、５〜２５ｍｍの範囲の直径および５０ｍｍまでの深さを有するノズル４４が使用可能である。その結果、装置４０により、すべてのエンジンタイプのコンロッドのアイのための円筒形の孔２２，３２がコーティングされ得る。ノズル４４の直径は、一般に、円筒形の孔２２もしくは３２の半径にほぼ相当するように選択される。

コーティング法を実施するために、Ｓｐｒｉｍａｇ社（在キルヒハイム）の遠心機Ｓ‐５２０も適している。

コーティング剤／空気混合物の塗布は、本実施例では、円筒形の孔２２もしくは３２の、５０℃〜８０℃に予熱された内面に行われる。ノズル４４は外部から内部に円筒形の孔２２もしくは３２内に中心的に挿入される。例えば図２に示した成形孔の、円筒形の内部輪郭からの幾何学的な逸脱を構成するために、ノズル４４の送りは、例えば１０〜２０ｍｍ／ｓの範囲で変更される。付加的にまたは択一的に、ノズル４４の流出開口４５から流出するコーティング剤／空気混合物の量が変更され得る。このために、装置４０がコンピュータ制御されて作業するようになっていると有利である。ノズル４４が円筒形の孔２２もしくは３２の端部に達すると、装置４０はオフにされ、引き戻される。

円筒形の孔２２もしくは３２内に、オイル集合室を製作するためのカバーテンプレートが設けられている場合、コーティング剤／空気混合物の供給は、この種のテンプレートに達すると停止される。その結果、噴流の残りがカバーテンプレートに吹付けられる。カバーテンプレートの終わりに達すると、コーティング剤／空気混合物の供給が再び行われる。

コーティング剤が被着されたら、コンロッド、もしくはコーティングされたアイ２０もしくは３０を有するコンロッド構成部材をオーブンに入れ、その中で本実施例では１０〜２０分間２００℃の温度に維持されることにより熱処理され硬化される。

完成したコーティング２３もしくは３３は、本実施例では、最も薄い箇所で約５μｍ〜２０μｍの厚さであり、ピストンピンもしくはクランクピンの直径方向の遊びは約１０μｍ〜２０μｍである。この狭小な遊びは、ノイズ発生を回避するために特に有利である。さらにコーティング２３もしくは３３は、狭小な遊びにもかかわらず焼付き（Ｆｒｅｓｓｅｒ）が発生しないことを保証する。

本発明によるコンロッドの一実施形態の正面図である。 図１に示した線ＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。 コーティング手段の概略図である。

Claims (17)

1. 内燃機関のためのコンロッド（１０）であって、ピストンピンを収容するためのコンロッド小端部の軸受け（２０）と、クランクピンを収容するためのコンロッド大端部の軸受け（３０）とを有しており、少なくとも一方の軸受け（２０；３０）が非円筒形の形状を有している形式のものにおいて、
   少なくとも一方の軸受け（２０；３０）が、円筒形の内部輪郭を備える孔（２２；３２）に直接、固体潤滑剤粒子を含む樹脂を有するコーティング（２３；３３）が設けられることにより形成されており、該コーティング（２３；３３）が、前記孔（２２；３２）の円筒形の内部輪郭から外れただ円または成形孔として形成されており、
   前記コーティング（２３；３３）内に、長手軸線（Ｌ）の方向で延びる通路（２４；３４）及び該通路から軸受け周方向で相互に反対方向に延びるポケット状の切欠き（２５；３５）として形成されたオイル集合室（２４；３４；２５；３５）が設けられており、
   前記コーティングは、長手軸線（Ｌ）の開放端側に向けて厚みが減少したクラウニング形状に形成されていることを特徴とする、内燃機関のためのコンロッド。
2. 前記ポケット状の切欠きが、軸受け周方向で完全にまたは部分的に環状に延びる通路として形成されている、請求項１記載のコンロッド。
3. 前記コーティング（２３；３３）の最小厚さが、５μｍ〜２０μｍである、請求項１または２記載のコンロッド。
4. 前記樹脂が、熱硬化性の樹脂である、請求項１から３までのいずれか１項記載のコンロッド。
5. 前記樹脂が、ポリアミドイミド樹脂である、請求項４記載のコンロッド。
6. 前記コーティング（２３；３３）が、５０質量％〜６０質量％の固体潤滑剤粒子を含む、請求項１から５までのいずれか１項記載のコンロッド。
7. 前記固体潤滑剤粒子が、グラファイト、硫化モリブデン、二硫化タングステン、六方晶系の窒化ホウ素およびＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を有する材料群から選択されている材料からなる、請求項１から６までのいずれか１項記載のコンロッド。
8. 前記固体潤滑剤粒子が、１μｍ〜３μｍの粒径を有する、請求項１から７までのいずれか１項記載のコンロッド。
9. ピストンピンを収容するためのコンロッド小端部の軸受け（２０）およびクランクピンを収容するためのコンロッド大端部の軸受け（３０）の少なくとも一方が非円筒形の形状を有する内燃機関のためのコンロッド（１０）を製造する方法において、
   少なくとも一方の軸受け（２０；３０）を形成するために、まず、円筒形の内部輪郭を有する孔（２２；３２）を製作し、引き続いて、この孔（２２；３２）の内面に直接、コーティング手段（４０）により、固体潤滑剤粒子を含む樹脂を有するコーティング剤を被着し、結果として生じるコーティング（２３；３３）を、前記孔（２２；３２）の円筒形の内部輪郭から外れただ円または成形孔として形成し、
   前記コーティング（２３；３３）内に、長手軸線（Ｌ）の方向で延びる通路（２４；３４）及び該通路から軸受け周方向で相互に反対方向に延びるポケット状の切欠き（２５；３５）として形成されたオイル集合室（２４；３４；２５；３５）を設け、
   前記コーティングを、長手軸線（Ｌ）の開放端側に向けて厚みが減少したクラウニング形状に形成することを特徴とする、内燃機関のためのコンロッドを製造する方法。
10. 前記だ円または成形孔、前記オイル集合室、及び前記クラウニング形状のうちの少なくとも１つを、コーティング手段（４０）から放出されるコーティング剤の量の調節および／またはコーティング手段（４０）の送りの調節により形成する、請求項９記載の方法。
11. 前記コーティング剤を孔（２２；３２）の内面に、≦０．８μｍの表面粗さＲａ（平均粗さ値）で被着する、請求項９または１０記載の方法。
12. 前記コーティング剤を、孔（２２；３２）内に導入された回転するノズル（４４）からの回転噴霧により被着する、請求項９から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. 前記回転噴霧を、１４０００〜１８０００ｒｐｍのノズル（４４）の回転速度で実施する、請求項１２記載の方法。
14. 孔（２２；３２）の内面をコーティング剤の被着前かつ／または被着中に予熱する、請求項９から１３までのいずれか１項記載の方法。
15. 孔（２２；３２）の内面をコーティング剤の被着前かつ／または被着中に５０℃〜８０℃の温度まで予熱する、請求項１４記載の方法。
16. 熱により硬化可能なコーティング剤を使用し、被着終了直後に熱処理にかける、請求項９から１５までのいずれか１項記載の方法。
17. 熱により硬化可能なコーティング剤を使用し、被着終了直後に２００℃の温度での熱処理にかける、請求項１６記載の方法。

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