JP6455870B2 - ピストンを受け入れるための切抜き部を有するワークピース - Google Patents

ピストンを受け入れるための切抜き部を有するワークピース

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Description

本発明は、請求項1の前文に記載された、ピストンを受け入れるための切抜き部を有するワークピースに係るものである。
軸線方向に沿って往復運動可能なピストンを受け入れるための複数の切抜き部を有する内燃機関のエンジン・ブロック又はクランク室の形態をなすワークピースが、欧州特許出願公開第1022351号に記載されている。シリンダの形態をなす切抜き部は、ピストンのための滑り面を形成する被覆を有し、この滑り面は、中空円筒形状である。被覆は、ピストンとシリンダとの間の摩擦係数を可能な限り小さくするために、さらにはスカッフィング傾向を非常に小さくするために付着される。
このような効果に加えて、被覆は、シリンダとその周りを流れる冷却剤との間の熱交換にも影響を及ぼす。通常は、被覆が厚くなるほど、この熱交換は小さくなる。したがって、熱交換は、被覆の厚さの選択に影響を受ける。
欧州特許出願公開第1022351号明細書
こうした背景をふまえ、本発明の目的は、とりわけ、切抜き部の領域からワークピースの周辺部への所望の熱伝達を非常に正確に設定することの可能な、ピストンを受け入れるための切抜き部を有するワークピースを提案することである。本発明によれば、この目的は、請求項1に記載の特徴を有するワークピースによって満たされる。
本発明によるワークピースは、軸線方向に沿って往復運動可能なピストンを受け入れるための切抜き部を有する基体を備える。切抜き部は、ピストンのための滑り面を形成する被覆を有する。この点に関して、滑り面は中空円筒形状である。
本発明によれば、基体の切抜き部は、滑り面の領域において中空円筒の形状とは異なる形状を有する。ピストンのための滑り面は中空円筒形状であるので、滑り面の領域において被覆の厚さに違いが生じる。しがたって、切抜き部は、どの場合においても、ピストンが往復運動する中軸部において、中空円筒の形状とは異なる形状を有する。切抜き部の輪郭、したがって被覆の厚さを適切に選択することにより、切抜き部のどの領域に対しても理想的な熱伝達を設定することができる。
さらに、被覆は、摩耗が大きい領域において、より厚くすることができる。
言及したワークピースは、とりわけ、内燃機関用のアルミニウム合金若しくはマグネシウム合金若しくは鋳鉄を含むエンジン・ブロック又はクランク室として、或いは特に鋳鉄を含むシリンダ・ライナとして設計される。
滑り面は、被覆を付着した後のワークピースの動作のために必要とされる寸法を正確に有するので、ピストンのための滑り面は、後加工され、とりわけホーニング加工される。
被覆は、例えば、本出願人の欧州特許出願公開第1022351号に記載されているような鉄を含有する層として設計することができる。この層は、例えば、本出願人の欧州特許出願公開第1507020号又は欧州特許出願公開第1174524号に記載されているような材料を含むこともできる。さらに、被覆に適切な他の材料も当然ながら考えられる。
層の厚さは、とりわけ、層が移行領域を除いて2つの異なる厚さしか持たない場合、30μm〜約2mmにできる。一方では、第1の領域が30μm〜200μmの第1の厚さを持つ薄い被覆を有し、他方では、第2の領域が0.5mm〜2mmの第2の厚さを持つ厚い被覆を有する。したがって、ワークピースの周りを流れる冷却剤への熱伝達は、第1の領域よりも大幅に異なり、具体的には小さくなる。この点に関して、第2の領域における熱伝達が減少するか増大するかどうかは、被覆の材料の熱伝導率とワークピースの材料の熱伝導率との比較に依存する。被覆の材料の熱伝導率がワークピースの材料の熱伝導率よりも小さい場合、第2の領域における熱伝達は減少する。そうでない場合、熱伝達は増大する。
本発明の一態様によれば、基体の切抜き部は、中空円筒形状の基本形状、及び半径方向への少なくとも1つの切開部を有する。軸線方向における縁部の移行領域を除いて、切開部は、とりわけ、同じ半径方向深さを有する。移行領域は、とりわけ、傾斜部、斜角面、円弧、又は様々な円弧の組み合わせとして設計することができる。切開部は、切抜き部の縁部に配置することができ、又は、縁部から離間させることもできる。切抜き部は、1つの又はより多くの切開部を軸線方向に有することもできる。したがって、基体の切抜き部の製造が簡単に行える。
切開部又は複数の切開部は、とりわけ、周囲を完全に一周し、円環形状になっている。したがって、切開部は、非常に簡単に作ることができる。被覆は、とりわけ、切抜き部の中に導入された回転プラズマ・トーチによって付着される。基体を回転させて固定トーチを使用することも可能である。切開部が周囲を完全に一周している場合、最初に切開部内だけに被覆を付着させ、切開部が満たされたら、切抜き部全体に被覆を広げることができる。したがって、後の作業ステップにおいて再び取り除かなければならない材料を被覆の製造時に最初に付着させる必要がない。これにより、ワークピースの迅速且つ安価な製造が可能になる。
さらに、シリンダ・ライナとしてワークピースを設計する際は、シリンダ・ライナは、その長手方向軸線に対して対称に設計することができ、それにより、エンジン・ブロック又はクランク室内へのシリンダ・ライナの設置が非常に簡単にできる。
本発明の一態様では、切開部は様々な深さを有する。その深さは、上記で言及した移行領域以外の切開部の半径方向の範囲に関している。切開部は、とりわけ、切開部の軸線方向縁部領域内に配置された凹部を有する。切開部の軸線方向縁部領域は、言及した移行領域のうちの1つに隣接する領域として理解されるべきである。被覆の付着の際にできるだけ少量の材料で間に合わせるためには、切抜き部の軸線方向の範囲全体にわたって被覆を付着させることが必ずしも理にかなっているとは限らず、切開部の領域だけに局所的に制限する方法が理にかなっている。したがって、プラズマ・トーチは、切抜き部内で、また実際には言及した切開部の軸線方向縁部領域において反転させればよい。これにより、縁部領域の外側よりも、反転位置の領域内に、したがって縁部領域内に、より多くの材料が付着することになる。切抜き部が一定の深さを有する場合、この縁部領域内の材料は、後処理において再び取り除かれなければならない。それとは対照的に、切開部が縁部領域に凹部を有する場合、少なくとも付加的材料を凹部に受け入れることができ、それにより、労力をより少なくすることが可能になり、安価な後処理が可能になる。
切開部は、切抜き部の縁部に、又は切抜き部内に配置することができる。切抜き部の縁部への配置では、切開部は、とりわけ、切抜き部の縁部の反対側に配置された移行領域にのみ凹部を有する。そうでない場合、切開部は、とりわけ、両方の移行領域に個別の凹部を有する。
本発明の一態様では、切開部は、0.5mm〜2mmの深さ、および5mm〜50mmの軸線方向高さを有する。
本発明の一態様では、被覆は、第1の層及び第2の層を有し、第1の層は、少なくとも部分的には第2の層上に配置される。この点に関して、2つの層は、異なる特性を有し、とりわけ異なる材料を含む。例えば、遮熱被覆の形態をなす第2の層が、滑り面を形成する第1の層と基体との間に配置される。この点に関して、遮熱被覆は、ピストンのための滑り面の領域全体に形成されてもよく、又は、滑り面の領域の1つ又は複数の部分だけに形成されてもよい。遮熱被覆は、例えば、上記で言及した切開部の内部だけに形成されてもよい。第2の層の材料は、熱伝達が増大するように選択することもできる。第2の層は、ワークピースと第1の層との間の著しく強い接続を可能にする、いわゆるアンダーコートとして設計することもできる。アンダーコートは、熱伝達に対する効果を有することもできる。
切抜き部から周囲への熱伝達は、第2の層を備えることにより、とりわけ遮熱被覆を備えることにより、非常に正確に設定できる。
被覆は、2つ以上の層、即ち、例えば3つ又は4つの異なる層を有することもできる。
本発明の一態様では、第1の層だけが、ピストンのための滑り面を形成する。したがって、第2の層は、滑り面の領域全体において、第1の層とワークピースとの間に配置される。
切開部の縁部領域に位置する上記の凹部は、被覆が2つの層を有し第1の層だけがピストンのための滑り面を形成しなくてはならない場合に、特に有利である。言及した凹部無しでは、切開部の縁部領域における後処理の際に、第1の層が容認できないほどに薄くなるか又はもはや第2の層を覆うことすらなくなるほどの多量の材料を除去しなければならないという虞がある。この場合、ピストンと第2の層との望ましくない、さらには容認できない接触が生じうる。したがって、言及した凹部により、この場合にも所望の被覆を確実に作ることが可能になる。
本発明の一態様では、第2の層が切開部の領域において滑り面を形成し、他の領域においては第1の層が滑り面を形成する。これは、とりわけ、最初に第2の層が一定の厚さで付着され、続いて第1の層が第2の層を覆って付着されることにより実現される。したがって、各層は、切開部の輪郭をたどる。滑り面の後処理を行うと、すなわちとりわけホーニング加工を行うと、第1の層が切開部のあたりの所望の領域において滑り面を形成し、他の領域においては第2の層が滑り面を形成するようにして、処理面、すなわち滑り面の位置及び輪郭が固定される。したがって、簡単且つ安価な方法で、部分的に異なる特性を有する滑り面を提供することができる。
第2の層は、例えば、長い耐用寿命を持った強靱な金属材料で構成することができ、一方で、第1の層は、例えばセラミック特性を有することができる。セラミック特性は、摩擦の軽減において利点を有する。第1の層は、第2の層に比べて粗く且つ約30μm〜60μmの粒径を有する粉末で製造される金属層として設計することもでき、それにより、通常は表面気孔率がより大きくなる。この点に関して、表面気孔率が大きいと、例えば、ピストンのピストン・リングがいわゆる流体潤滑の状態により速く達することや、スカッフィング傾向を少なくすることを助けることができる。
遮熱被覆は、とりわけセラミック材料を含む。セラミック材料は、例えば、75重量パーセントの酸化ジルコニウム(ZrO)、18〜22重量パーセントの酸化イットリウム(Y)及び残部として他の酸化物を含む粉末から製造することができる。そのような粉末は、本出願人により「Metco 202NS」の販売名で販売されている。遮熱被覆は、例えば0.5mm〜2mmの厚さを有する。したがって、遮熱被覆を含む領域では、切抜き部から周囲への熱伝達を非常に小さくすることができる。
第2の層は、いわゆるMCrAlY合金として知られているクロム、アルミニウム及びイットリウムの合金だけでなく、鉄又はコバルト及び/又はニッケルの合金などの他の適切な材料を含むこともできる。そのような合金は、アンダーコートとして頻繁に使用されている。
被覆は、異なる特性及び/又は組成を含む2つよりも多くの異なる層を有することもできる。
本発明の一態様では、被覆は、溶射法によって付着され、とりわけプラズマ溶射法によって付着される。したがって、被覆は、非常に安価に付着させることができる。さらに、非常に耐久性のある被覆を付着させることができる。
被覆の付着は、とりわけ、大気圧でのプラズマ溶射法によって、即ち、いわゆるAPS被覆法によって行われる。したがって、高品質の被覆を非常に安価に製造できる。被覆材料は、例えば、粉末形状で存在することができる。この点に関して、粒径は、5μm〜90μmとできる。
高速フレーム溶射又はアーク溶射などの他の熱被覆法も使用できる。
以下の実施例の説明を参照することにより、また、同一であるか又は同一の特徴を有する部材に同じ符号が付された図面を参照することにより、本発明のさらなる利点、特徴及び詳細が得られる。
2つの内面被覆シリンダを持つクランク室の断面図。 内面被覆シリンダ・ライナの部分図。 第1の実施例における2層の被覆を持つシリンダ・ライナの断面図。 第2の実施例における2層の被覆を持つシリンダ・ライナの断面図。 第3の実施例における2層の被覆を持つシリンダ・ライナの断面図。 第2の実施例における単層の被覆を持つシリンダ・ライナの断面図。 第4の実施例における2層の被覆を持つシリンダ・ライナの断面図。 図7の被覆とは異なって設計された2層の被覆を持つ、図7によるシリンダ・ライナの断面図。 第5の実施例における2層の被覆を持つシリンダ・ライナの断面図。
図1に、内燃機関のクランク室10として設計されたワークピースの断面を示す(他には示されない)。クランク室10は、原寸に比例しておらず、非常に概略的にのみ示されている。とりわけ、ここで関連する部品は、大幅に拡大されて示されている。
クランク室10はアルミニウムを含み、シリンダの形態をなす全部で4つの切抜き部を有する基体11を備えるが、4つの切抜き部のうちの2つの切抜き部12a、12bだけが示されている。示されている2つの切抜き部12a、12bは同じ設計のものであり、そのため、説明は切抜き部12a、12bのうちのどちらにも等しく当てはまる。
切抜き部12a、12bは、切開部14を有する中空円筒形状の基本形状を備え、切開部14は、軸線方向13に関してほぼ中央に配置され、且つ外方にしたがって半径方向に向けられている。したがって、基体11の切抜き部12a、12bは、中空円筒形状とは異なる形状を有することになる。切開部14は、周囲を完全に一周し、したがって円環形状の断面を有する。中空円筒形状の基本形状から切開部14への各移行部は、それぞれ傾斜部として設計される。切開部14は、中空円筒形状の基本形状に対して、半径方向に0.5mm〜2mm、例えば1mmの深さ15を有する。例えば中空円筒形状の基本形状の直径を80mmにできるのであれば、切開部14の高さ16は5mm〜50mm、例えば20mmになる。この点に関して、切開部14の高さ16は、中空円筒形状の基本形状とは異なる領域の軸線方向の大きさと考えられる。
切抜き部12a、12bは、切抜き部12a、12b内に配置されるピストン19のための滑り面18を形成する被覆17を有する。滑り面18は、中空円筒形状であり、ピストン19は、切抜き部12a、12b内で軸線方向13に既知の方法で移動できる。この点に関して、ピストン19は、内燃機関の動作中に切開部14を越えて移動する。被覆17は、APSプラズマ溶射法を使用して付着され、続いてホーニング法を使用して後処理される。被覆17は、本出願人の欧州特許出願公開第1022351号で説明されているような鉄含有材料を使用して製造される。被覆17の付着においては、被覆17は、まず、切抜き部12a、12bの内部全体に付着される。切開部14の外部に十分な層厚さが達成されると、切開部14の領域だけを対象として被覆が続けられる。
しかし、最初に切開部内部の被覆だけを付着させ、切開部が満たされて初めて切開部の外部に被覆を付着させることもできる。その他、厚い被覆を全被覆過程中に切抜き部全体に付着させて後処理により中空円筒形状の滑り面を形成することも可能である。
中空円筒形状の滑り面18と、中空円筒形状とは異なる切抜き部12a、12bの形状との組み合わせにより、半径方向において被覆17の不均一な厚さが生じる。被覆17は、確かに特定の軸線方向位置においては全周にわたって同一の厚さである。しかし、この厚さは、別の軸線方向位置においては異なりうる。
切開部14外の軸線方向13において、被覆17は、100μm〜200μm、例えば150μmの第1の厚さD1を有する。厚さは、切開部14の傾斜部を越えて、0.5mm〜21mm、例えば1mmの最大限の第2の厚さD2まで増大する。
クランク室10の基体11はさらに冷却剤チャネル20を有し、冷却剤チャネル20は、内燃機関の動作時にその中を冷却剤が循環してクランク室10から離れる方向に熱を運ぶ。冷却剤チャネル20は、切抜き部12a、12bの周囲に延在し、且つ、切開部14の領域内に配置される。
図2に、シリンダ・ライナ110として設計されたワークピースを示す。シリンダ・ライナ110は、内燃機関のクランク室(図示されていない)内で使用されるために提供される。シリンダ・ライナ110は、原寸に比例しておらず、非常に概略的にのみ示されている。とりわけ、ここで関連する部品は、大幅に拡大されて示されている。
シリンダ・ライナ110は、鋳鉄を含み、切抜き部112を有する基体111を備える。切抜き部112は、切開部114を有する中空円筒形状の基本形状を備える。切開部114は、軸線方向113に関して縁部において外方に向けられており、したがって半径方向に向けられている。したがって、基体111の切抜き部112は中空円筒形状の形状とは異なる形状を有することになる。切開部114は同様に、周囲を完全に一周し、したがって円環形状の断面を有する。切開部114から中空円筒形状の基本形状への移行部は、傾斜部として設計される。切開部114の深さ及び長さは、図1の切開部14のものと同等である。
切抜き部112は、図示されていないが切抜き部112内に配置することのできるピストンのための中空円筒形状の滑り面118を形成する被覆117を有する。被覆117は、図1の被覆17と同じ材料を含み、また、図1の被覆17と同じ方法を使用して製造される。
中空円筒形状の滑り面118と、中空円筒形状の形状とは異なる切抜き部112の形状との組み合わせにより、半径方向において被覆117の厚さが不均一になる。この点に関して、被覆117の厚さは、図1の被覆17の厚さと同等である。
図2によるシリンダ・ライナの一部分が、図3、図4及び図5にそれぞれ示されている。この点に関して、それぞれの部分は、切抜き部の切開部とともに示されている。図3、図4及び図5における基体並びに切抜き部は、同一の設計である。各実施例は被覆の仕方においてのみ異なり、3つの被覆は全て、重なり合った2つの異なる層を含む。
図3に対応する実施例によれば、切抜き部212の被覆217は、図示されていないピストンのための滑り面218を形成する第1の層221を有する。層221は、図1の被覆17と同じ材料を含み、また、図1の被覆17と同じ方法で製造される。この点に関して、被覆217の厚さもまた、図1の被覆17の厚さと同等である。
遮熱被覆222の形態をなす第2の層が、第1の層と基体211との間に、軸線方向の範囲全体にわたって配置される。遮熱被覆222は、セラミック材料を含み、また実際のところ、「Metco 202NS」の販売名で本出願人によって販売されている粉末を含む。遮熱被覆は、0.5mm〜2mm、例えば1mmの均一な厚さを有する。遮熱被覆222は同様に、APSプラズマ溶射法によって付着される。
滑り面218が中空円筒形状の設計となるように、第1の層221は、図2の被覆117と同様に軸線方向に厚さが変化する。したがって、切抜き部212の切開部214、及び遮熱被覆222の均一な厚さが、補償される。
図4による実施例は、図3による実施例とは僅かにしか違わないため、その相違のみを見る。図4による実施例では、被覆317の第1の層321が、均一な厚さを有し、遮熱被覆322の厚さが変化する。遮熱被覆322は、切抜き部312の切開部314を補償するように設計され、その結果、第1の層321をすでに中空円筒形状の輪郭に付着させることができる。
図5による実施例は、図4による実施例とは僅かにしか違わないため、その相違のみを見る。図5による実施例では、被覆417の遮熱被覆422が切抜き部412の切開部414だけを埋めるように設計され、それにより、均一な厚さの第1の層421を付着させられる中空円筒形状の輪郭が形成される。
図6による実施例は、図2による実施例とは僅かにしか違わないため、その相違のみを見る。図6による実施例では、切開部514は異なる深さを有する。切開部514は、軸線方向縁部領域523に周辺凹部524を有する。凹部524は、一定の斜角面526を介して切開部514の縁部526に接続されるように配置される。凹部524は同様に、縁部526の反対側に配置された側に斜角面527を有する。凹部524は、切開部514の領域内だけに被覆517を付着させる際にプラズマ・トーチの反転により付加的に堆積される材料を受け入れる働きをする。
図7による実施例では、切抜き部612の切開部614が、図1による切開部14と概ね同等の配置及び輪郭を有する。それに加えて、切開部614が、その2つの軸線方向縁部領域623a、623bに、図6による凹部524に相当する凹部624a、624bを有する。被覆617は、第1の層621及び第2の層622を有し、第2の層622は、切開部614の領域だけに付着されている。
図8による実施例は、第2の層722が、切開部714の領域内だけでなくその外側にも付着されるという点においてのみ、図7による実施例とは異なる。
図9による実施例は、図1による実施例とは僅かにしか違わないため、その相違のみを見る。切開部814は同様に、一定の深さを有する。最初に第2の層822が付着され、それを覆って第1の層821が付着され、それぞれがほぼ一定の厚さを有する。したがって、2つの層821、822は、主として切開部814の輪郭をたどる。続く後処理により、第1の層821が切開部814において滑り面818を形成し、他の場所においては第2の層822が滑り面818を形成するように、処理面が固定される。

Claims (13)

  1. 軸線方向(13)に沿って往復運動可能なピストン(19)を受け入れるための切抜き部(12a、12b、112、212、312、412、612)を有する基体(11、111、211)を備え、前記切抜き部(12a、12b、112、212、312、412、612)が前記ピストン(19)のための滑り面(18、118、218、818)を形成する被覆(17、117、217、317、417、517、617)を有し、前記滑り面(18、118、218、818)が中空円筒形状である、ワークピースにおいて、
    前記基体(11、111、211)の前記切抜き部(12a、12b、112、212、312、412、612)が、前記滑り面(18、118、218、818)の領域において中空円筒形状とは異なる形状を有し、
    前記被覆(217、317、417、617)が、第1の層(221、321、421、621、821)及び第2の層(222、322、422、622、722、822)を有し、前記第1の層(221、321、421、621、821)が、少なくとも部分的には前記第2の層(222、322、422、622、722、822)上に配置されることを特徴とするワークピース。
  2. 前記基体(11、111、211)の前記切抜き部(12a、12b、112、212、312、412、612)が、中空円筒形状の基本形状、及び半径方向への少なくとも1つの切開部(14、114、214、314、414、514、614、714、814)を有することを特徴とする、請求項1に記載されたワークピース。
  3. 前記切開部(14、114、214、314、414、514、614、714、814)が、周囲を完全に一周していることを特徴とする、請求項2に記載されたワークピース。
  4. 前記切開部(514、614、714)が、異なる深さを有することを特徴とする、請求項2又は請求項3に記載されたワークピース。
  5. 前記切開部(514、614、714)が、前記切開部(514、614、714)の軸線方向縁部領域(523、623a、623b)に配置された凹部(524、624a、624b)を有することを特徴とする、請求項4に記載されたワークピース。
  6. 前記切開部(14、114、214、314、414、514、614、714、814)が、0.5mm〜2mmの深さ(15)を有することを特徴とする、請求項2から請求項5までのいずれか一項に記載されたワークピース。
  7. 前記切開部(14、114、214、314、414、514、614、714、814)が、5mm〜50mmの軸線方向高さ(16)を有することを特徴とする、請求項2から請求項6までのいずれか一項に記載されたワークピース。
  8. 前記第1の層(221、321、421、621)のみが前記滑り面(218)を形成することを特徴とする、請求項に記載されたワークピース。
  9. 前記第1の層(821)が、前記切開部(814)の領域で前記滑り面(818)を形成し、他の領域では前記第2の層(822)が滑り面(818)を形成することを特徴とする、請求項に記載されたワークピース。
  10. 前記第2の層(222、322、422、622、722、822)が、セラミック材料を含むことを特徴とする、請求項1または請求項8または請求項9に記載されたワークピース。
  11. 前記第2の層(222、322、422、622、722、822)が0.5mm〜2mmの厚さを有することを特徴とする、請求項1または請求項8または請求項9または請求項10に記載されたワークピース。
  12. 前記被覆(17、117、217、317、417、517、617)が、溶射法によって付着されることを特徴とする、請求項1から請求項11までのいずれか一項に記載されたワークピース。
  13. 前記被覆(17、117、217、317、417、517、617)が、プラズマ溶射法によって付着されることを特徴とする、請求項12に記載されたワークピース。
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