JP5748770B2 - 強化デュアルギャラリピストン及び構成方法 - Google Patents

Description

発明の背景
１．技術分野
本発明は一般に内燃機関のピストンに関し、より特定的にはオイル冷却ギャラリを有するピストンに関する。

２．関連技術
二つの実質的に閉鎖されたオイル冷却ギャラリを有するピストンの構成が知られている。これらのピストンは、上側及び下側クラウン部の間に形成された環状の径方向外側ギャラリと、開放された中央ギャラリとを有する。外側及び中央ギャラリは、互いに分離または油路を介して互いに流体連通することができる。さらに、一方または両方のギャラリからリストピンに延在するピン潤滑油路を設けることが知られている。潤滑油路は、ピンボスのリストピン穴に向かって延在、および／または横方向に間隔を空けたピンボスの間に延在することができる。外側ギャラリは、ピストンのリングベルト領域を冷却するのに特に有効であるのに対して、中央ギャラリは、高温の燃焼ガスにさらされる燃焼ボウル壁により一部が形成される中央クラウン領域を冷却するのに特に有効である。

燃焼ボウル壁は極度の熱にさらされるだけでなく、極度の燃焼力にもさらされる。したがって、燃焼ボウル壁は極度の燃焼力に耐える必要がある。中央キャビティが燃焼ボウル壁の下に開いていることから、中央ギャラリの直上には燃焼ボウル壁の支持されていない中央領域がある。このため、中央領域は、外側及び中央ギャラリの間に形成された径方向外側の環状壁によって構造的に支持される。これにより、使用時に発生する燃焼力に耐えるために、燃焼ボウルの中央領域と環状壁の両方は適切な厚みと構造を有するよう構成されなければならない。

ピストンを構成する方法が提供される。この方法は、中心軸を有するピストン本体を設けるステップを含み、ピストン本体はこの中心軸に沿ってシリンダボア内を往復運動する。ピストン本体には、シリンダボア内において燃焼力が直接作用する上側燃焼壁と、上側燃焼壁から自由端に延在する環状の上側リブとを有する上側クラウン部が設けられる。ピストン本体は、下側クラウン部をさらに有する。下側クラウン部は、上側リブと係合するように配置された自由端に延在する環状の下側リブを有する。下側クラウン部は、下側リブから径方向内側に配置される内側ギャラリフロアと、概して内側ギャラリフロアから延在する一対のピンボスとをさらに有する。ピンボスの間には空間が設けられ、ピンボス接続棒の小端部が受けられる。さらに、上側クラウン部および／または下側クラウン部の少なくとも一方は、中心軸に沿って自由端に延在する中央支持ポストを有する。この方法は、中央支持部材の自由端と中央支持部材の自由端に対向する対応面との間の摩擦溶接接合を開始するステップをさらに含む。そして、中央支持部の自由端における摩擦溶接接合を開始した後に、上側リブの自由端と下側リブの自由端との間に摩擦溶接接合を形成する。そして、中央支持部材の自由端と中央支持部材の自由端に対向する対応面との間の摩擦溶接接合を完成させる。

本発明のこれらの局面および他の局面、特徴、ならびに利点は、以下の好ましい実施例および最良モードの詳細な記載、添付の請求項、ならびに添付の図面と関連付けて考慮されることで、より容易に理解される。

本発明の好ましい一局面により構成されたピストンの断面図である。 上側及び下側クラウン部の間の摩擦溶接接合が形成される前の図１のピストンを示す図である。 本発明の他の局面により構成されたピストンの断面図である。 本発明のさらなる他の局面により構成されたピストンの断面図である。 上側及び下側クラウン部の間の摩擦溶接接合が形成される前の図３のピストンを示す図である。 本発明のさらなる他の局面により構成されたピストンの断面図である。

好ましい実施例の詳細な記載
より詳細に図面を参照すると、図１は本発明の好ましい局面により構成されたピストン１０を示す。ピストン１０は、本発明の範囲内で他の材料も考えられるが、好ましくは鉄鋼で構成されたピストン本体１２を有する。ピストン本体１２は、中心軸１４に沿って延在し、この中心軸に沿ってシリンダボア（図示せず）内で往復運動をする。ピストン本体１２は、上側燃焼壁１８を有する上側クラウン部１６を有する。例示であって限定されるものではないが、ここでは上側燃焼壁１８が凹型の燃焼ボウル２０を有して示され、シリンダボア内の燃焼力が燃焼ボウル２０に直接作用する。上側クラウン部１６は、少なくとも１つのリブを有し、ここでリブは一対の環状の上方内側リブとして示される。一対の環状の上方リブは、上側燃焼壁１８から各自由端２６、２８に延在する。以下では、一対の環状リブを上方内側リブ２２及び上方外側リブ２４という。ピストン本体１２は、下側クラウン部３０をさらに有する。下側クラウン部３０は、少なくとも１つのリブを有し、ここでリブは一対の環状の下方リブとして示される。一対の環状の下方リブは、自由端２６、２８と係合するために整列配置された自由端３６、３８に延在する。以下では、一対の環状の下方リブを、下方内側リブ３２及び下方外側リブ３４という。下側クラウン部３０は、内側ギャラリフロア４０と一対のピンボス４２、４４とを有する。内側ギャラリフロア４０は、下方内側リブ３２から径方向内側に配置される。ピンボス４２、４４は、概して内側ギャラリフロア４０から延在する。接続棒（図示せず）の小端部を受けるために、ピンボス４２、４４の間には空間４６が設けられる。さらに、上側クラウン部１６および／または下側クラウン部３０は、中心軸１４に沿ってそれぞれの自由端５２、５４に延在する中央支持ポスト４８、５０を有する。ここでは、上側クラウン部１６および下側クラウン部３０の両方が中央支持ポストを有して示される。ピストン１０の構成方法によれば、最初のステップでは、上側中央支持ポスト４８及び下側中央支持ポスト５０の自由端５２、５４の間で摩擦溶接接合５６が開始される。そして、摩擦溶接接合５６を開始した後、次のステップでは、上方内側リブの自由端２６及び下方内側リブの自由端３６と上方外側リブの自由端２８及び下方外側リブの自由端３８との間で摩擦溶接接合５８、６０が形成され、そして中央支持部材の自由端５２、５４の間の摩擦溶接接合５６を完成させる。

上側クラウン部１６は、ピストンの冷却を促す油流路を有して構成することができ、ここでは上方内側リブ２２を通って延在する一対の油流路６２を有して示される。油流路６２は、中心軸１４から径方向外側に延在する若干の上昇姿勢を有して形成される。油流路６２の位置、形状、角度は、オイルギャラリの大きさ及びオイルの可給性／量に応じて変更することができる。上側クラウン部１６は、環状外側オイルギャラリポケット６４を有して形成される。環状外側オイルギャラリポケット６４は、内側リブの自由端２６及び外側リブの自由端２８から上側リングベルト領域６６へ上方向に伸び、上側燃焼壁１８に隣接して設けられる。また、上側クラウン部１６は、環状内側オイルギャラリポケット６８を有して形成される。環状内側オイルギャラリポケット６８は、内側自由端２６及び中央支持ポストの自由端５２から上方向に伸び、燃焼ボウル２０の直下に設けられる。図１Ａに示されるように、上側クラウン部１６を下側クラウン部３０に固定する前に、上側中央支持ポストの自由端５２には、例示であって限定されるものではないが、テーパ状、球形、円錐形、またはピラミッド形の端部６９が設けられ、下側中央支持ポストの自由端５４には、例示であって限定されるものではないが、テーパ状、球形、円錐形、またはピラミッド形の端部８１が設けられる。

下側クラウン部３０は、ピストンの冷却を促す油流路を有して構成することができ、ここではＴ字型の油流路７０を有して示される。油流路７０は、部分的に中心軸１４に沿って、部分的に中央支持ポスト５０を通って延在する。また、油流路７０は、中央支持ポスト５０を通って中心軸１４に対して略直角に延在して形成される横断開口７１を有する。油流路７０は、ピンボス４２、４４のピンボア７２を介して受けられるリストピン（図示せず）の潤滑化を促す。下側クラウン部３０は、環状の外側オイルギャラリポケット７４を有して形成される。環状の外側オイルギャラリポケット７４は、内側リブの自由端３６及び下側リブの自由端３８から下側リングベルト領域７６へ下方向に延在する。また、下側クラウン部３０は、環状の内側オイルギャラリポケット７８を有して形成される。環状の内側オイルギャラリポケット７８は、内側自由端３６及び中央支持ポストの自由端５４から下方向に延在する。さらに、その全体が引用によりここに援用される米国特許第６，４７７，９４１号に開示されるような油流路８０は、ピンボア７２の１つから外側オイルギャラリポケット７４の底へ上方向に延在して形成される。このため、オイルはピンボア７２からオイルギャラリポケット７４へ上方向に吸い出され（オイルは、図示されていないオイル冷却ジェットノズルを介して吸い出すことができ）、合流して単一の外側オイルギャラリを形成する外側オイルギャラリポケット６４、７４内を循環し、油流路６２を通って内側オイルギャラリポケット６８、７８へ内方向に導かれ、合流して単一の内側オイルギャラリを形成する内側オイルギャラリポケット６８、７８を循環し、横断開口７１及び油流路７０を通ってリストピンへ中心方向に導かれ、リストピン及び連動する接続棒の小端部の潤滑化を促す。

上述のように、構成方法は二段階の処理を伴い、軸方向に並んだ中央支持ポスト４８、５０の間の摩擦溶接接合５６を先に開始する第一ステップと、内側リブの自由端２６、３６と外側リブの自由端２８、３８との間の摩擦溶接接合５８、６０を開始する第二ステップとを含む。上側中央支持ポスト４８及び下側中央支持ポスト５０の端部６９、８１の間の摩擦溶接接合を開始する時、上側クラウン部１６及び下側クラウン部３０は、第一の高回転速度で互いに相対的に回転する。図１Ａに示されるように、最初に端部６９、８１が互いに接触するが、内側リブの自由端２６、３６と外側リブの自由端２８、３８とは、距離Ｙをおいて互いに軸方向に間隔が空いたままであり、この領域では摩擦溶接は始まらない。これにより、内側リブの自由端２６、３６および外側リブの自由端２８、３８の溶解が始まる前に、中央支持ポスト４８、５０の溶解を開始することができる。これは、径方向外側領域における回転速度と、これに比して比較的遅い内側中央部における回転速度との違いに起因するものであり、中央支持ポスト４８、５０において良好な摩擦溶接を行うために必要である。中央支持ポスト４８、５０の間で摩擦溶接が始まった後、Ｘが距離Ｙと略等しいとして、端部６９、８１の高さが例えば距離Ｘの分だけ減り、これにより、内側リブの自由端２６、３６と外側リブの自由端２８、３８との間の隙間がなくなり、内側リブの自由端２６、３６と外側リブの自由端２８、３８とが互いに摩擦接触する。これにより、内側リブの自由端２６、３６と外側リブの自由端２８、３８との間の摩擦溶接接合５８、６０を開始して溶接接合５６、５８、６０を完成させる、第二ステップが開始される。

図２において、本発明の他の局面によるピストン１１０が示される。同様のそれぞれの部分を識別するために、上記と同じ参照番号に１００番台を付けた番号が使用される。ピストン１１０は、上述のものと類似の二段階の溶接処理を使用して下側クラウン部１３０に摩擦溶接された上側クラウン部１１６を有する。摩擦溶接処理は、まず一対の軸方向に並んだ中央支持ポスト１４８、１５０の間で始まり、つぎに、上方外側リブ１２４及び下方外側リブ１３４の自由端１２８、１３８が摩擦溶接される。しかし、前の実施例とは異なり、ピストン１１０は一対の上方内側リブ１２２及び下方内側リブ１３２を摩擦溶接せず、外側冷却ギャラリ９１と中央冷却ギャラリ９３との間に延びる環状オイルギャップ９０を設けるために上方内側リブ１２２及び下方内側リブ１３２の間の隙間を維持する。このため、外側冷却ギャラリ９１内のオイルは容易にアクセス可能で連続した環状経路を通じて中央冷却ギャラリ９３に流れ込む。これにより、ピストン本体１１２の均一な冷却が促される一方で、オイルの貯留を回避しながら、それぞれの冷却ギャラリ内における貯留したオイルの加熱を回避する。留意すべきは、軸方向に沿った環状のオイルギャップ９０の厚みは、所望の厚みの範囲を有することができる。例えば、環状のオイルギャップ９０を比較的狭くしたい場合は、上方外側リブ１２４及び下方外側リブ１３４の間の軸方向の隙間をそれよりも小さくする。所望の環状のオイルギャップ９０を比較的広くしたい場合は、逆もまた同様である。さらに、下側中央支持ポスト１５０を通る油流路を設けるのではなく、一対の油流路９２、９４をリストピン（図示せず）の中央部分より上の内側ギャラリフロア１４０を通して形成することができる。

図３において、本発明の他の局面よるピストン２１０が示される。同様のそれぞれの部分を識別するために、上記と同じ参照番号に２００番台をつけた番号が使用される。ピストン２１０は、上述のものと類似の二段階の溶接処理を使用して下側クラウン部２３０に摩擦溶接された上側クラウン部２１６を有する。摩擦溶接処理は、まず一対の軸方向に並んだ中央支持ポストに沿って開始されるが、前述のピストン１０、１１０のように一対の軸方向に並んだ中央支持ポストを使用するのではなく、ピストン２１０は全体が下側クラウン部２３０と一体的に形成された単一の中央支持ポスト２５０を有する。中央支持ポスト２５０は、上側燃焼壁２１８の下側９６に直接的に摩擦溶接される。図３Ａに示されるように、中央支持ポスト２５０は、自由端として示され、テーパ状の自由端２５４として示された自由端を有し、上述のように、最初の溶接ステップを容易にする。また、テーパ状の自由端２５４は、上方内側リブ２２２及び下方内側リブ２３２の自由端２２６、２３６の間ならびに上方外側リブ２２４及び下方外側リブ２３４の自由端２２８、２３８の間で生じる摩擦係合の前に上側燃焼壁２１８の下側９６と係合するために十分な長さを有する。これにより、上述の理由と同じ理由により、上方内側リブ２２２及び下方内側リブ２３２と上方外側リブ２２４及び下方外側リブ２３４との間でそれぞれの摩擦溶接接合２５８、２６０を開始する前に、中央支持ポスト２５０と燃焼壁２１８の下側９６との間で摩擦溶接接合２５６が開始される。当然ながら、中央支持ポスト２５０と燃焼壁２１８との間の溶接接合２５６は加速した第一の回転速度で開始され、第二ステップでは、上方内側リブ２２２及び下方内側リブ２３２の間、及び上方外側リブ２２４及び下方外側リブ２３４の間の摩擦溶接接合２５８、２６０は、上述のように、減速した第二の回転速度で開始される。その他の点において、ピストン２１０は、ピンボアから環状の外側オイルギャラリ２９１に延在する油流路２８０と、内側ギャラリフロア２４０を通って環状の中央オイルギャラリ２９３に延在する一対の油流路２９２、２９４とを有する。

図４において、本発明の他の局面によるピストン３１０が示される。同様のそれぞれの部分を識別するために、上記と同じ参照番号に３００番台をつけた番号が使用される。ピストン３１０は、上述のものと類似の二段階の溶接処理を使用して下側クラウン部３３０に溶接された上側クラウン部３１６を有する。摩擦溶接処理は、まず軸方向に並んだ中央支持ポスト３５０に沿って開始される。中央支持ポスト３５０の全体は、上側クラウン部３１６と一体的に形成されている。中央支持ポスト３５０は、下側クラウン部３３０の内側ギャラリフロア３４０に直接的に摩擦溶接されている。図３Ａに示される実施例のように、中央支持ポスト３５０は、溶接の前に、上方内側リブ３２２及び下方内側リブ３３２の自由端３２６、３３６の間、及び上方外側リブ３２４及び下方外側リブ３３４の自由端３２８、３３８の間に生じる摩擦係合の前に、下側クラウン部３３０の内側ギャラリフロア３４０と係合するために十分な長さを有している。これにより、上述の理由と同じ理由により、上方内側リブ３２２及び下方内側リブ３３２と上方外側リブ３２４及び下方外側リブ３３４との間のそれぞれの摩擦溶接接合３５８、３６０を開始する前に、中央支持ポスト３５０の自由端と下側クラウン部３３０の内側ギャラリフロア３４０との間で摩擦溶接接合３５６が開始される。当然ながら、中央支持ポスト３５０と内側ギャラリフロア３４０との間の溶接接合３５６は加速した第一の速度で開始され、第二ステップでは、上方内側リブ３２２及び下方内側リブ３３２と上方外側リブ３２４及び下方外側リブ３３４との間の摩擦溶接接合３５８、３６０は、上述のとおり、減速した第二の速度で行われる。その他の点において、ピストン３１０は、ピンボアから環状の外側オイルギャラリ３９１に延在する油流路３８０、及び中央ポスト３５０から径方向外側の内側ギャラリフロア３４０を通って環状の中央オイルギャラリ３９３に延在する一対の油流路３９２、３９４を有する。

あきらかに、上記の教示に鑑みて本発明の様々な変更や変形が可能である。従って、添付の特許請求の範囲内において、本発明は上記の詳細な説明以外の形で実施することができる。

Claims (16)

1. ピストンを製造する方法であって、
   中心軸を有するピストン本体を供給するステップを備え、前記ピストン本体は中心軸に沿ってシリンダボア内を往復運動し、前記ピストン本体は上側クラウン部を含み、前記上側クラウン部は、前記シリンダボア内において燃焼力が直接的に作用する上側燃焼壁と、前記上側燃焼壁から自由端に延在する環状の上方リブとを有し、前記ピストン本体はさらに下側クラウン部を含み、前記下側クラウン部は、前記上方リブと係合するために配置された自由端に延在する環状の下方リブを有し、前記下側クラウンは、前記下方リブから径方向内側に配置された内側ギャラリフロアを有し、前記上側クラウン部および／または前記下側クラウン部の少なくとも一方は、前記中心軸に沿って自由端に延在する中央支持ポストを有し、方法はさらに、
   前記中央支持ポストの自由端と前記中央支持ポストの自由端に対向する対応面との間で摩擦溶接接合を開始するステップと、
   前記中央支持ポストの自由端における摩擦溶接接合を開始した後に前記上方リブの自由端と前記下方リブの自由端との間に摩擦溶接接合を形成し、前記中央支持ポストの自由端と前記中央支持ポストの自由端に対向する前記対応面との間の摩擦溶接接合を完成させるステップと、
   前記摩擦溶接接合を開始するステップの間に前記上側クラウン部と前記下側クラウン部とを第一の回転速度で互いに相対的に回転させ、前記摩擦溶接接合を形成するステップの間に前記上側クラウン部と前記下側クラウン部とを前記第一の回転速度より遅い第二の回転速度で互いに相対的に回転させるステップとを備える、方法。
2. 前記摩擦溶接接合を開始するステップの前に、前記中央支持ポストに円錐形の自由端を設けるステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記上側クラウン部および前記下側クラウン部に、前記中心軸に沿って互いに同軸方向に配置された前記中央支持ポストを設けるステップをさらに備える、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記摩擦溶接接合を開始するステップの前に、両方の前記中央支持ポストに円錐形の自由端を設けるステップをさらに備える、請求項３に記載の方法。
5. 前記対向する対応面を前記上側燃焼壁の底面として設けるステップをさらに備える、請求項１または２に記載の方法。
6. 前記中央支持ポストの全体を前記下側クラウン部と一体的に形成するステップをさらに備える、請求項５に記載の方法。
7. 前記中央支持ポストを通る油流路を形成するステップをさらに備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記上側燃焼室から延在する一対の環状の上方リブを前記上側クラウン部に設けるステップを備え、上方内側リブである前記環状の上方リブの一方は自由端へ延在し、上方外側リブである前記環状上方リブの他方は自由端へ延在し、さらに、
   一対の環状の下方リブを前記下側クラウン部に設けるステップを備え、下方内側リブである前記環状下方リブの一方は内側ギャラリを画して自由端へ延在し、下方外側リブである前記環状下方リブの他方は自由端へ延在し、前記上方および下方外側リブは前記上方および下方内側リブから径方向外側に互いに間隔を空けて設けられ、方法はさらに、
   前記中央支持ポストの自由端で摩擦溶接接合を開始した後に前記上方外側自由端及び前記下方外側自由端の間に摩擦溶接接合を形成するステップを備える、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記中央支持ポストの自由端における摩擦溶接接合を開始した後に前記上方内側リブの自由端及び前記下方内側リブの自由端の間に摩擦溶接接合を形成するステップをさらに備える、請求項８に記載の方法。
10. 前記上側クラウン部及び前記下側クラウン部の前記上方および下方内側リブと前記上方および下方外側リブとの間に環状の外側冷却ギャラリを形成し、前記上側クラウン部及び前記下側クラウン部の前記上方および下方内側リブと前記中央支持ポストとの間に環状の中央冷却ギャラリを形成し、前記外側冷却ギャラリと前記中央冷却ギャラリとの間に油流路を形成するステップをさらに備える、請求項８または９に記載の方法。
11. 前記内側ギャラリフロアを通る前記中央冷却ギャラリへの油流路を形成するステップをさらに備える、請求項１０に記載の方法。
12. 前記中央支持ポストを通る前記中央冷却ギャラリへの油流路を形成するステップをさらに備える、請求項１０に記載の方法。
13. 前記上側クラウン部及び前記下側クラウン部の前記上方および下方内側リブと前記上方および下方外側リブとの間に環状の外側冷却ギャラリを形成し、前記上側クラウン部及び前記下側クラウン部の前記上方および下方内側リブと前記中央支持ポストとの間に環状の中央冷却ギャラリを形成し、前記上方外側リブの自由端と前記下方外側リブの自由端との間の摩擦溶接接合を形成する際に前記上側クラウン部の前記上方内側リブと前記下側クラウン部の前記下方内側リブとを互いに径方向に間隔を空けた関係に維持して、前記外側冷却ギャラリと前記中央冷却ギャラリとの間に延在する環状のオイルギャップを設けるステップをさらに備える、請求項８に記載の方法。
14. 前記対向する対応面を前記下側クラウン部の前記内側ギャラリフロアとして設けるステップをさらに備える、請求項１、２、１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記中央支持ポストの全体を前記上側クラウン部と一体的に形成するステップをさらに備える、請求項１、２、１３、１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記下側クラウンは、さらに前記内側ギャラリフロアから延在する一対のピンボスを有し、前記ピンボスの間には接続棒の小端部を受けるための空間が設けられる、請求項１から１５のいずれか１項に記載の方法。

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