JP5631314B2 - 内燃機関用のピストン - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用のピストンであって、ピストン下側部分とピストン上側部分とが設けられており、両ピストン部分は、摩擦溶接によって互いに結合されていて、外側の環状の冷却通路を形成しており、ピストン上側部分は、リング溝を備えた環状のリング部分を有しており、該リング部分の内壁が環状の外側の冷却通路を画成している形式のものに関する。

このような形式のピストンはＵＳ６５５７５１４Ｂ１に開示されている。ピストン下側部分とピストン上側部分との間における外側の環状の摩擦溶接シームは、リング部分の領域において２つのリング溝の間に配置されている。この場合にはしかしながら、ピストンの安定性を損なう応力が摩擦溶接時に形成される、というおそれがある。

ゆえに本発明の課題は、冒頭に述べた形式のピストンを改良して、応力発生のおそれを減じ、かつピストンの安定性を改善することである。

この課題を解決するために本発明の構成では、請求項１の特徴部記載のように、すなわちリング部分の下に、外側の環状の摩擦溶接シームが設けられており、該摩擦溶接シームの幅が最大でも、リング溝の各溝底部とリング部分の内壁との間における壁厚と、同じ大きさであるようにした。

上記本発明の構成において、記載「最大でも・・・同じ大きさ」というのは、通常の製作誤差が一緒に含まれているということである。つまり外側の環状の摩擦溶接シームの幅と壁厚とは、通常の製作誤差の範囲内に位置しているということである。

本発明によるピストンは、従来技術に対して著しく減じられた、摩擦溶接シームの幅（及びそれに伴って、摩擦溶接シームの領域におけるリング部分の著しく減じられた壁厚）を有しているにもかかわらず、極めて安定的である。そして同時に本発明によるピストンは、改善されたフレキシビリティを有している。これにより本発明によるピストンは、燃焼過程時においてピストン頂部に対して作用する力を良好に受け止めることができ、かつピストン構造にわたって均一に導くことができる。本発明によるピストンの別の大きな利点は、外側の環状の摩擦溶接シームの領域における壁厚が減じられていることによって、材料の節約と重量の低減が達成される、ということにある。

本発明の有利な構成は、請求項２以下に記載されている。

外側の環状の摩擦溶接シームの幅は有利には、リング溝の各溝底部とリング部分の内壁との間における壁厚と、同じ大きさであり、これによって、最適な材料利用時における最適な力伝達経路が得られる。

本発明によるピストンは、その内側領域と外側の環状の冷却通路との間に支持エレメントを有しており、これらの支持エレメントは、内側の環状の摩擦溶接シームを介して互いに結合されている。

内側の環状の摩擦溶接シームの幅は、外側の環状の摩擦溶接シームの幅以上であっても、又は外側の環状の摩擦溶接シームの幅より小さくてもよい。そして両方の摩擦溶接結合部は１回の作業工程において形成される。

本発明の上記有利な構成においても、内側の摩擦溶接シームの幅は、従来技術において知られている値よりも小さい。しかしながら本発明によるピストンは、既に述べた理由に基づいて大きな安定性を有している。

本発明の別の有利な構成では、ピストン下側部分とピストン上側部分とが少なくとも１つの摩擦溶接シームに沿って凹部を形成しており、該凹部内に、場合によっては形成される溶接隆起部が受容されており、このように構成されていると、摩擦溶接シームに沿って可能な限り均一な表面を得ることができ、特に、冷却通路の容積が減じられることも、冷却オイル流が渦流等によって損なわれることもなくなる。

次に図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

本発明によるピストンの第１実施形態を示す断面図であって、左半部と右半部とが互いに９０°回動させられて示された断面図である。 図１に示したピストンの一部を拡大して示す断面図である。 本発明によるピストンの別の実施形態を示す、図２Ａに相当する断面図である。

図１及び図２Ａには本発明によるピストン１０の第１実施形態が示されている。このピストン１０はピストン下側部分１５とピストン上側部分１２とを有しており、両ピストン部分１５，１２は摩擦溶接によって互いに結合されている。ピストン下側部分１５及びピストン上側部分１２はそれぞれ、摩擦溶接による加工が可能な金属材料から成っていることができる。

ピストン下側部分１５はピストンスカート１４と、ボス孔１７を備えたピンボス１６とを有している。ピストン上側部分１２はピストン頂部１３を有しており、このピストン頂部１３は図示の実施形態では燃焼室凹部１１を備えている。ピストン頂部１３には、外側に設けられた環状のファイアランドもしくはトップランド（Feuersteg）１８が続いている。このトップランド１８の下には、環状のリング部分２０が設けられており、このリング部分２０は図示の実施形態では、ピストンリング（図示せず）のための３つの環状のリング溝２１，２２，２３を備えている。さらにピストン下側部分１５とピストン上側部分１２とは一緒に、外側の環状の冷却通路１９を形成している。

摩擦溶接結合部を形成するために、ピストン上側部分１２は、環状の外側の支持エレメント２５と環状の内側の支持エレメント２７とを備えている。これに対応してピストン下側部分１５も同様に、環状の外側の支持エレメント２６と環状の内側の支持エレメント２８とを備えている。外側の支持エレメント２５，２６がリング部分２０の下に外側の環状のリング溶接シーム２９を形成しているのに対して、内側の支持エレメント２７，２８はピストン頂部１３の下において、内側の環状の摩擦溶接シーム３０を形成している。内側の支持エレメント２７，２８は外側の環状の冷却通路１９を、ピストン１０の内側領域２４から切り離している。リング部分２０の内壁２０′は、外側の環状の冷却通路１９の外壁を形成している。

外側の摩擦溶接シーム２９は幅ｂ１を有しており、この幅ｂ１は図示の実施形態では、通常の製作誤差の範囲内において、リング溝２１，２２，２３の各溝底部２１′，２２′，２３′とリング部分２０の内壁２０′との間における、リング部分２０の厚さｄと同じ大きさである。

内側の摩擦溶接シーム３０は幅ｂ２を有しており、この幅ｂ２は図１及び図２Ａの実施形態では、通常の製作誤差の範囲内において、外側の摩擦溶接シーム２９の幅ｂ１よりも小さい。しかしながらまたこの幅ｂ２は幅ｂ１と正確に同じ大きさでもよい。

ピストン下側部分１５及びピストン上側部分１２の外側の支持エレメント２５，２６及び内側の支持エレメント２７，２８は、図示の実施形態では摩擦溶接シーム２９，３０の範囲において次のように、すなわち外側の環状の冷却通路１９もしくは内側領域２４に向かって方向付けられた環状の凹部３１が形成されるように、構成されている。そしてこの凹部３１には、場合によっては摩擦溶接工程中に発生する溶接隆起部３２が受容されている。このようにして図示の実施形態では、冷却通路１９の壁の表面は滑らかになる。これによって冷却オイルを収容する冷却通路１９の容積が損なわれずに維持される。さらに冷却通路１９内において冷却オイルは、ほとんど妨害されることなく流れることができる。冷却オイルの冷却作用はこれにより、本発明によるピストンの上記有利な実施形態では損なわれることなく維持される。

図２Ｂには、図２Ａと同様な断面図でピストン１１０の別の実施形態が示されている。このピストン１１０がピストン１０と異なっている点は次のことにある。すなわちこのピストン１１０では、内側の摩擦溶接シーム１３０は幅ｂ３を有しており、この幅ｂ３は、通常の製作誤差の範囲内で、外側の摩擦溶接シーム２９の幅ｂ１よりも大きい。

Claims (6)

1. 内燃機関用のピストン（１０，１１０）であって、ピストン下側部分（１５）とピストン上側部分（１２）とが設けられており、両ピストン部分は、摩擦溶接によって互いに結合されていて、外側の環状の冷却通路（１９）を形成しており、ピストン上側部分（１２）は、リング溝（２１，２２，２３）を備えた環状のリング部分（２０）を有しており、該リング部分（２０）の内壁（２０′）が環状の外側の冷却通路（１９）を画成している形式のものにおいて、リング部分（２０）の下に、外側の環状の摩擦溶接シーム（２９）が設けられており、該摩擦溶接シーム（２９）の幅（ｂ１）が、リング部分（２０）の環状の下端面の半径方向幅に相当し、かつ最大でも、リング溝（２１，２２，２３）の各溝底部（２１′，２２′，２３′）とリング部分（２０）の内壁（２０′）との間における壁厚（ｄ）と、同じ大きさであることを特徴とする、内燃機関用のピストン。
2. 外側の環状の摩擦溶接シーム（２９）の幅（ｂ１）は、リング溝（２１，２２，２３）の各溝底部（２１′，２２′，２３′）とリング部分（２０）の内壁（２０′）との間における壁厚（ｄ）と、同じ大きさである、請求項１記載のピストン。
3. ピストン（１０，１１０）の内側領域（２４）と外側の環状の冷却通路（１９）との間に、内側の環状の摩擦溶接シーム（３０，１３０）が設けられている、請求項１又は２記載のピストン。
4. 内側の環状の摩擦溶接シーム（１３０）の幅（ｂ３）が最小でも、外側の環状の摩擦溶接シーム（２９）の幅（ｂ１）と同じ大きさである、請求項３記載のピストン。
5. 内側の環状の摩擦溶接シーム（３０）の幅（ｂ２）が、外側の環状の摩擦溶接シーム（２９）の幅（ｂ１）よりも小さい、請求項３記載のピストン。
6. ピストン下側部分（１５）とピストン上側部分（１２）とが少なくとも１つの摩擦溶接シーム（２９；３０，１３０）に沿って凹部（３１）を形成しており、該凹部（３１）内に溶接隆起部（３２）が受容されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のピストン。

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