JP5825776B2

JP5825776B2 - シリンダライナ

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Publication number: JP5825776B2
Application number: JP2010270519A
Authority: JP
Inventors: ビショフベルガーウルリッヒ; ガイゼルマンシュテファン
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2030-12-03
Also published as: DE102009056919B4; DE102009056919A1; US8720319B2; JP2011117604A; US20110154983A1

Description

本発明は、表面構造体を有する外周面を備えたシリンダライナに関する。

内燃機関に用いられるシリンダライナは、一般にクランクケースの鋳造時に一緒に鋳込まれる。このためには、シリンダライナが鋳造型内に装入されて、クランクハウジングの材料によって鋳包まれる。

内燃機関に用いられるクランクケースを軽金属材料から製造するためには、一般に延性でかつ高強度のアルミニウム合金が使用される。シリンダライナは有利には鋳鉄または耐摩耗性のアルミニウム合金から成っている。しかしこの場合、両材料の間に素材締結式（stoffschluessig）の結合は生じない。すなわち、クランクケースの材料とシリンダライナの材料との間に金属結合は生じない。したがって、シリンダライナとクランクケースとの間の十分な形状締結（Formschluss）、つまり形状に基づいた十分な係合による結合が配慮されなければならない。

米国特許第３１６５９８３号明細書に基づき公知のシリンダライナは、その外周面に沿って放射状に形成された複数のリブを有している。これらのリブはシリンダライナの中心軸線の方向に延びていて、機械的な加工によって外周面に加工成形される。この場合、半径方向における引張り負荷を受けると、シリンダライナとクランクケースの材料との間にギャップもしくは間隙が形成される恐れがあることが不都合であることが判った。したがって、エンジン運転中に、シリンダライナとクランクケースとの間の熱伝達の局所的な妨害が生じる恐れがある。その結果、シリンダ内での不均一な温度分布が生じ、このような不均一な温度分布はシリンダ歪み、すなわちシリンダの変形を招く恐れがある。これによって、ピストンヘッドの上方に存在する燃焼室の、ピストンリングによるシールも損なわれる。公知の防止手段としては、ピストンリングが、接線方向の特に高い当付け力を用いて形成される。しかし、このことは、高められた摩擦出力を招き、ひいてはエンジン運転中での高められた燃料消費量を招く。

この問題を阻止するためには、シリンダライナとクランクケースとの間に、半径方向における引張負荷を受けても結合が解離されないように形状締結式の結合を形成することが望ましい。欧州特許第０９１９７１５号明細書に基づき、シリンダライナの外周面に、横断面平行四辺形または横断面台形または横断面Ｔ字形に形成されたリブ状の隆起部を設けることが知られている。このようなシリンダライナの鋳包みによって、クランプ締結効果に基づいて、シリンダライナとクランクケースとの間に形状締結式の結合が生ぜしめられる。このような表面構造体を切削加工および／または塑性変形加工により形成することが提案されている。しかし、このような表面構造体を変形加工法によって製作することは、極めて手間がかかる。切削加工による製作には、これに加えて、所望のアンダカット部を得るために適当な輪郭工具が必要となるという欠点がある。さらに、このような工具は局所的な過熱に基づき特に角隅範囲において早期に摩耗してしまうことも判っている。

米国特許第３１６５９８３号明細書欧州特許第０９１９７１５号明細書

したがって、本発明の課題は、できるだけ僅かな手間をかけるだけで製造することができ、しかも信頼性の良い形状締結ならびにクランクケースに対するできるだけ高い熱伝達を保証し、ひいてはシリンダ内での均一な温度分布を保証するような、表面構造体を有する外周面を備えたシリンダライナを提供することである。

この課題を解決するために本発明の構成では、前記外周面が複数の隆起部を備えており、各隆起部が、その基部もしくはベースの範囲に少なくとも１つの丸み付け部を有しており、前記隆起部の一部が、少なくとも１つのアンダカット部を有しており、該アンダカット部を備えた２つの隆起部の間に、アンダカット部を有しない少なくとも１つの隆起部が配置されているようにした。

意想外にも、隆起部の一部にのみ少なくとも１つのアンダカット部を設ければ十分であることが判った。このような手段により、極めて良好な機械的なクランプ締結効果が得られ、シリンダライナの材料とクランクケースの材料との間でのギャップ形成が信頼性良く回避される。シリンダライナとクランクケースとの間の熱伝導性の接触も、極めて良好な熱伝達において極めて均一に行われる。なぜならば、シリンダライナの有効表面の増大が、全ての隆起部にアンダカット部を施与する必要なしに十分であるからである。したがって、エンジンの燃焼室内に生じた熱は、シリンダ壁を通じて極めて容易に冷却水へ放出され得るようになる。接線方向におけるクランクケース内でのシリンダライナの保持力も、極めて満足し得るものとなる。鋳込みに続き切削加工により実施されるシリンダライナの内部加工は、シリンダライナがその最初の位置から回転してしまうことなく、著しく高い切削出力を用いて実施され得る。少数のアンダカット部が製作されるだけで済むので、本発明によるシリンダライナの製作はあまり手間がかからない。そして、やはり意想外にも、各隆起部のベースの範囲に丸み付け部を形成することにより、このために必要とされる工具はあまり強力に負荷されなくなり、この工具の耐用年数が著しく改善されることが判った。すなわち、本発明によるシリンダライナは、クランクケース内での極めて良好な形状締結を求める要求と、あまり手間のかからない製作を求める要求とを、特に経済的に同時に満たす。

請求項２以下には、本発明の有利な改良形が記載されている。

少なくとも１つの丸み付け部は、少なくとも０．２ｍｍ、特に有利には０．４〜０．８ｍｍの丸み半径を有していると有利である。これによって、シリンダライナとクランクケースとの間の形状締結式の結合に関しても、使用される工具の耐用年数に関しても、特に良好な加工結果を得ることができる。

アンダカット部を備えた隆起部は、０．７〜１．６ｍｍの半径方向の高さを有していると有利であり、この高さは、それぞれアンダカット部を有しない隆起部の半径方向の高さよりも大きく形成されている。これにより、シリンダライナとクランクケースとの間の形状締結が一層改善され、ひいてはシリンダライナとクランクケースとの間の密着力が一層改善される。この結果は、アンダカット部を備えた隆起部の半径方向の高さが、それぞれアンダカット部を有しない隆起部の半径方向の高さよりも１．５〜１５倍だけ大きく設定されていることによっても達成され得るか、もしくは増幅され得る。

隆起部は任意に形成されていてよいが、しかしウェブ形、ビード形、リブ形またはバリ形（Grat）として形成されていると有利である。隆起部はさらに、シリンダライナの外周面に沿って環状に形成されていると有利である。なぜならば、このような隆起部は特に簡単に製作され得るからである。隆起部は特にシリンダライナの外周面に沿って螺旋を描くように環状に形成されていてよい。

前記隆起部はさらに軸方向でシリンダライナの外周面の部分範囲にわたって形成されていてよい。これにより、製作は一層簡単化され、そして製作時間は、形状締結および熱伝導率に著しい損失が生じることなしに短縮される。たとえば、隆起部はシリンダライナの外周面の中央の範囲に形成されていてよい。

隆起部はさらに、少なくとも１つの開始ゾーン（Einlaufzone）および／または少なくとも１つの終結ゾーン（Auslaufzone）を有していてよい。これにより、クランクケースの材料はシリンダライナの鋳込みの際に問題なくかつ完全に隆起部を被覆することができる。

隆起部は切削加工法によって製作されていると有利である。なぜならば、低減された製作手間に基づき、このために必要とされる工具は、従来公知のものほど著しく負荷されなくなるからである。

本発明において設けられた表面構造体は、あらゆるタイプのシリンダライナ、たとえばその外周面が、部分的に先細りになっているか、もしくは断面減少されており、かつ／または部分的に断面拡張されており、かつ／または横断面で見て楕円形に形成されているようなシリンダライナのために適している。

本発明によるシリンダライナの第１実施形態を部分的に断面して示す拡大斜視図である。図１に示したシリンダライナの全体図である。図１に示した隆起部の拡大図である。隆起部の別の実施形態を示す拡大図である。隆起部のさらに別の実施形態を示す拡大図である。

以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。

図１〜図３には、本発明における表面構造体１２を備えた本発明によるシリンダライナ１０の第１実施形態が示されている。シリンダライナ１０は、たとえば鋳鉄または耐摩耗性のアルミニウム合金から製造されている。シリンダライナ１０の外周面１１は、部分的に横断面減少されかつ／または部分的に横断面拡張されかつ／または横断面楕円形に形成されていてよい。本実施形態では、外周面１１が、均一なピッチを有する螺旋状に延びる表面構造体１２を備えている。図２には、シリンダライナ１０の全体図が示されている。この場合、図面の左半部は外観図、右半部は断面図を示している。本実施形態では、シリンダライナ１０の外周面１１全体が表面構造体１２を備えている。当然ながら、表面構造体は軸方向において外周面１１の部分範囲にわたってのみ、たとえば外周面１１の中央範囲にのみ形成されていてもよい（図示しない）。

表面構造体１２は２種の隆起部１３，１４を有している。第１の隆起部１３は、ほぼウェブ形に形成されていて、アンダカット部１５を備えている。第２の隆起部１４は、ほぼ稜線形もしくはバリ形（gratfoermig）に形成されていて、アンダカット部を有していない。アンダカット部１５を備えた２つの第１の隆起部１３の間に、本実施形態では、アンダカット部を有しない２つの第２の隆起部１４が配置されている。隆起部１３，１４はその基部もしくはベースＢ（図３参照）の範囲にラウンディング部もしくは丸み付け部１６を備えている。第１の隆起部１３は１．０ｍｍの半径方向の高さｈ_１を有しており、第２の隆起部１４は０．１ｍｍの半径方向の高さｈ_２を有している。丸み付け部１６の丸み半径ｒは０．４ｍｍである。表面構造体１２は切削加工法を用いて製作されている。表面構造体１２の上端部では、隆起部１３，１４が終結ゾーン１７を形成している。こうして、亀裂を発生させる恐れのあるシャープなエッジの発生が回避される。さらに、クランクケースのための材料はシリンダライナ１０を鋳込む際に、この終結ゾーン１７を介して均一にかつ渦流形成なしに表面構造体１２内に流入することができる。表面構造体１２の反対の側の端部（図示しない）には、相応する開始ゾーンが設けられていてよい。

図４には、たとえば図１および図２に示したシリンダライナのために適している表面構造体１１２の別の実施形態が示されている。この表面構造体１１２はやはり２種の隆起部１１３，１１８を有している。第１の隆起部１１３は、ほぼウェブ形に形成されていて、アンダカット部１１５を備えている。第２の隆起部１１８は、ほぼビード形（wulstfoermig）に形成されていて、アンダカット部を有していない。アンダカット部１１５を備えた２つの第１の隆起部１１３の間に、本実施形態では、アンダカット部を有しない１つの第２の隆起部１１８が配置されている。両隆起部１１３，１１８はそのベースＢの範囲にラウンディング部もしくは丸み付け部１１６を備えている。第１の隆起部１１３は０．９ｍｍの半径方向の高さｈ_１を有しており、第２の隆起部１１８は０．４ｍｍの半径方向の高さｈ_３を有している。丸み付け部１１６の丸み半径ｒは０．３ｍｍである。表面構造体１１２は切削加工法を用いて製作されている。第１実施形態において図１につき説明したような開始ゾーンおよび終結ゾーンが設けられていてよい。

図５には、たとえば図１および図２に示したシリンダライナのために適している表面構造体２１２のさらに別の実施形態が示されている。この表面構造体２１２はやはり２種の隆起部２１３，２１９を有している。第１の隆起部２１３は、ほぼウェブ形に形成されていて、アンダカット部２１５を備えている。第２の隆起部２１９は、ほぼビード形に形成されていて、アンダカット部を有していない。アンダカット部２１５を備えた２つの第１の隆起部２１３の間に、本実施形態では、アンダカット部を有しない３つの第２の隆起部２１９が配置されている。両隆起部２１３，２１９はそのベースＢの範囲にラウンディング部もしくは丸み付け部２１６を備えている。第１の隆起部２１３は１．５ｍｍの半径方向の高さｈ_１を有しており、第２の隆起部２１９は０．４ｍｍの半径方向の高さｈ_４を有している。丸み付け部２１６の丸み半径ｒは０．２ｍｍである。表面構造体２１２は切削加工法を用いて製作されている。第１実施形態において図１につき説明したような開始ゾーンおよび終結ゾーンが設けられていてよい。

１０シリンダライナ
１１外周面
１２表面構造体
１３隆起部
１４隆起部
１５アンダカット部
１６丸み付け部
１７終結ゾーン
１１２表面構造体
１１３隆起部
１１５アンダカット部
１１６丸み付け部
１１８隆起部
２１２表面構造体
２１３隆起部
２１５アンダカット部
２１６丸み付け部
２１９隆起部

Claims

表面構造体（１２，２１２）を有する外周面（１１）を備えたシリンダライナ（１０）において、前記外周面（１１）が複数の隆起部（１３，２１３；１４，２１９）を備えており、各隆起部（１３，２１３；１４，２１９）が、そのベース（Ｂ）の範囲に２つの丸み付け部（１６，２１６）を有しており、前記隆起部の一部（１３，２１３）が、２つのアンダカット部（１５，２１５）を有しており、該アンダカット部（１５，２１５）を備えた２つの隆起部（１３，２１３）の間に、アンダカット部を有しない２つの隆起部（１４，２１９）が配置されていることを特徴とするシリンダライナ。
アンダカット部（１５，２１５）を備えた隆起部（１３，２１３）が、０．７〜１．６ｍｍの高さ（ｈ_１）を有している、請求項１記載のシリンダライナ。
前記丸み付け部（１６，２１６）が、少なくとも０．２ｍｍの丸み半径（ｒ）を有している、請求項１記載のシリンダライナ。
前記丸み付け部（１６，２１６）が、０．４〜０．８ｍｍの丸み半径（ｒ）を有している、請求項３記載のシリンダライナ。
アンダカット部（１５，２１５）を備えた隆起部（１３，２１３）が、それぞれアンダカット部を有しない隆起部（１４，２１９）の半径方向の高さ（ｈ_２，ｈ_４）よりも大きく形成された半径方向の高さ（ｈ_１）を有している、請求項１記載のシリンダライナ。
アンダカット部（１５，２１５）を備えた隆起部（１３，２１３）の半径方向の高さ（ｈ１）が、それぞれアンダカット部を有しない隆起部（１４，２１９）の半径方向の高さ（ｈ_２，ｈ_４）よりも１．５〜１５倍だけ大きく設定されている、請求項５記載のシリンダライナ。
前記隆起部（１３，２１３；１４，２１９）が、ウェブ形、ビード形またはバリ形に形成されている、請求項１記載のシリンダライナ。
前記隆起部（１３，２１３；１４，２１９）が、前記外周面（１１）に沿って環状に形成されている、請求項１記載のシリンダライナ。
前記隆起部（１３，２１３；１４，２１９）が、前記外周面（１１）に沿って螺旋を描くように環状に形成されている、請求項８記載のシリンダライナ。
前記隆起部（１３，２１３；１４，２１９）が、軸方向で前記外周面（１１）の部分範囲にわたって形成されている、請求項１記載のシリンダライナ。
前記隆起部（１３，２１３；１４，２１９）が、前記外周面（１１）の中央の範囲に形成されている、請求項１０記載のシリンダライナ。
前記隆起部（１３，２１３；１４，２１９）が、少なくとも１つの開始ゾーンおよび／または少なくとも１つの終結ゾーン（１７）を有している、請求項１記載のシリンダライナ。
アンダカット部（１５）を備えた隆起部（１３）が、ウェブとして形成されており、アンダカット部を有しない隆起部（１４）が、バリとして形成されており、アンダカット部を有しない２つの隆起部（１４）が、アンダカット部（１５）を備えた２つの隆起部（１３）の間に配置されている、請求項１記載のシリンダライナ。
アンダカット部（２１５）を備えた隆起部（２１３）が、ウェブとして形成されており、アンダカット部を有しない隆起部（２１９）が、ビードとして形成されており、アンダカット部を有しない３つの隆起部（２１９）が、アンダカット部（２１５）を備えた２つの隆起部（２１３）の間に配置されている、請求項１記載のシリンダライナ。