JPH08508324A - 少なくとも部分的な摺動面補強部を備えた、内燃機関の行程ピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 内燃機関の行程ピストン、特にアルミニウム合金から形成されたシリンダ摺動面を備えたエンジンのために構成された、基礎材料としてアルミニウム合金から成る行程ピストンにおいては、低廉かつ良好に保持可能な摺動面補強部が設けられるのが望ましい。これを目的として、従来使用されていた電気めっき式に被着された鉄層、ニッケル層またはクロム層の代わりに、金属粒子が導入された、合成樹脂に結合された黒鉛層が使用されるのが望ましい。この金属粒子は、ニッケル、鉄、青銅、クロム、銀またはこれらの金属の合金から成っていてよい。摺動層は、接着された薄い金属シートであってもよい。さらに選択的に、ピストン軸に機械的に固定された金属プレートによって、または、鋳造時に取囲まれることにより固定された金属プレートによって、摺動層を形成してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】 少なくとも部分的な摺動面補強部を備えた、内燃機関の行程ピストン 摺動面補強部を備えたアルミニウム製ピストンは公知である。このような補強 部は、多くの場合電気めっき的に被着され、例えば鉄層、ニッケル層またはクロ ム層から成っている。このような層の被着は技術的に手間がかかり、ひいてはコ ストも比較的高くなってしまう。 別の形式の補強部としては、合成樹脂に結合された黒鉛層がある。これらの黒 鉛層は例えばスクリーン印刷法で被着することができる。 特に後者の合成樹脂に結合された黒鉛層の場合には、このような層の耐用寿命 を高めることが望まれる。 本発明の課題は、このような従来技術から出発して、低廉に製造が行われると 共に長い耐用寿命を有するような、ピストンのための摺動面補強部を出来る限り 低廉に提供することである。 この課題の根本的な解決手段は、請求項１、請求項７および請求項１８に記載 された特徴により得られる。 さらに、他の請求項により本発明の具体的な解決手段の有利な構成が得られる 。本発明の詳細な説明と、 本発明により得られる利点とを、図面に示した種々の実施例に基づき以下にさら に詳しく説明する。 第１図は、ピストン軸の局部的な摺動面被覆部を備えたピストンの図である。 第２図は、トップランドを含めたピストンリングランドの領域に付加的な被覆 部を備えたピストンの図である。 第３図は、局部的にシート被覆されたピストン軸を備えたピストンの図である 。 第４図は、一部を拡大した状態で示した、ピストン軸領域の縦断面図である 。 第５図は、種々の穿孔を備えたシートの一部を示した図である。 第６図は、ピストン軸に、形状により係合したプレート状の補強部を備えたピ ストンの図である。 第７図は、第６図の補強部を、ピストンへの組付け前の状態で示した図である 。 第８図は、第７図のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った、補強部の断面図である。 第９図は、プレート状の補強部を備えた、ピストンの別の実施例を示した図で ある。 第１０図は、第９図のＸ−Ｘ線に沿った、ピストン軸半部の断面図である。 第１１図は、第９図のプレート状の補強部を、ピストンへの組付け前の状態で 示した図である。 第１２図は、第１１図のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った、補強部の断面図である。 第１３図は、一体成形されたボスと、このボスに固定された自己支持式の補強 部とを備えたピストンヘッドの図である。 第１４図は、第１３図のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿った、ピストンのボスの半部の 断面図である。 第１５図および第１６図は、鋳造時に側方の端部に挿入されることにより固定 されたプレート状の補強エレメントを備えたピストンを、一部を断面した状態で 、互いに直角を成す方向で見た図である。 第１７図は、第１５図のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った、ピストンの断面図である 。 第１８図および第１９図は、鋳造時に側方の端部に挿入されることにより固定 されたプレート状の補強エレメントを備えた、第１５図および第１６図とは別の ピストンの実施例を、第１５図および第１６図と同じ形式で示した図である。 第２０図は、第１８図のＸＸ−ＸＸ線に沿ったピストンの断面図である。 第２１図および第２２図は、第１５図および第１６図、もしくは、第１８図お よび第１９図と比較可能な別のピストンの実施例を示した図である。 第２３図は、第２１図のＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ線に沿ったピストンの断面図 である。 第２４図および第２５図は、第２１図および第２２図に類似のピストンの実施 例を同様の形式で示した図である。 第２６図は、第２４図のＸＸＶＩ−ＸＸＶＩ線に沿ったピストンの断面図であ る。 全ての図面においては、以下に説明する本発明の全ての実施例の補強部、つま り、層、シートまたは補強プレートがそれぞれ点描されており、固有の符号を有 してはいない。 第１図に示されたピストンの場合、適宜に前加工されたピストン軸の支持面に それぞれ摺動面層が被着されている。この摺動面層は、金属粒子が導入された合 成樹脂から成っている。このような金属粒子は、ニッケル、鉄、青銅、クロム、 銅、または銀から成っている。これらは個別に存在しても、または合金の形で互 いに組合わされてもよい。金属酸化物、他の金属化合物、または、有利な摺動特 性および摩耗特性を有する物質も含まれる。 合成樹脂は、例えば硬化可能なポリイミド樹脂またはポリアミド・イミド樹脂 であってよい。さらにこの層には付加的に、例えば黒鉛のような固体潤滑剤が含 有されていてもよい。この層はほぼ１５〜２５μｍの厚さを有している。この層 における金属粒子の直径は、ほぼ１５μｍを上回らないことが望ましい。これに より金属粒子は層に完全に埋込まれる。金属粒子は、最 大ほぼ５０μｍの全長を有する積層状であっても有利である。このような積層の 幅はほぼ１５μｍに制限される。このような層面は被着後にはもはや加工されな いことが望ましい。この層の被着は、例えば公知のスクリーン印刷法で、適宜に 前加工されたピストンに対して行われてよい。ピストンにおいてリングランドと 場合によってはトップランドとがシリンダ摺動面に接触するような場合には、こ のような領域が、第２図で示したように被覆されてよい。 第３図に示されたピストンの場合、摺動面補強部は、ほぼ２０〜４０μｍの厚 さを備えた、比較的薄い接着されたシートから成っている。この接着は、耐熱性 接着において公知の接着剤系で行われる。 ピストン基礎材料は、説明したいずれの実施例の場合においてもアルミニウム である。接着しようとするシートは、例えばニッケル、鉄、クロム、鋼または青 銅から成っていてよい。個々のエレメントが単独で存在しても、合金の形で互い に組合わされてもよい。シートとしては、特に精密シートが使用されることが望 ましい。このような精密シートにおいてはその厚さの製造誤差は極めて小さい。 これらのシートはピストン軸に局部的にのみ被着され、しかもこの被着が、支 持側に対して、ピストン軸の加圧側および対圧側で行われるのが望ましい。 これらのシートは、第５図に示したように、異なる 形式で穿孔されるか、もしくは片面の圧刻加工部を備えていてよく、これにより 、トライボロジーの改善が得られる。 シート接着後にピストンシャフトの後加工を行うことは望ましくない。このた めには、精密に規定されかつ維持された厚さを備えた精密シートが使用されなけ ればならない。さらに、接着シートが寸法不正確さをもたらす訳にはいかない。 接着剤に起因した寸法変化を回避するために、シートを接着しようとする、基礎 材料アルミニウムの面に裂け目が形成され、接着剤が塗布される。この場合、こ の接着剤は裂け目の谷部においてのみシートに接触し、これに対してシートは裂 け目の外側の頂部に載着されている。この裂け目は、実際には旋削加工成形によ って形成されると有利である。この旋削加工成形は旋盤で、適宜に調節された送 りにより、旋削チゼルによって行われる。このような形式の旋削加工成形は、粗 面度値によって規定される。この場合、旋削加工成形は５〜５０μｍの粗面度値 によって規定されていることが望ましい。シートが旋削成形部分の頂部にどのよ うに載着されればよいかは第４図に示されている。旋削溝の谷部には、シートに 接触する接着剤が充填されている。使用しようとする接着剤は、少なくとも１８ ０℃まで耐熱性であることが望ましい。 第６図に示されたピストンの場合、シートの代わり に、プレート状の補強部が設けられている。この補強部はばねクロージャを介し てピストン軸にその形状により係合している。ばねクロージャのばね弾性的な部 分は、プレート状の補強部に一体成形されている。これを目的として、ピストン の行程方向において上下に位置する補強部のラグが、第８図に示したようなばね フックとして形成されている。 第１１図および１２図に示された実施例の場合、プレート状の加工部分が、水 平方向に取付けられたラグを介して、ピストン軸の収容スリット（第１０図）に スナップ結合されている。 第１１図に示されたプレート状の補強部の出発形状が第１２図に示されている 。この取付けは、プレート状の補強部がピストン軸の対応する収容スリットに簡 単に差込まれるように行われる。これによりこの補強部はピストン軸の外側形状 に適合される。 第１３図および第１４図に示された実施例の場合、ピストン軸は、専らボスに 差込まれた補強部によって形成されている。このピストン軸は２つの部分から構 成されている。これらの部分のうち一方の補強部は加圧側で、他方の補強部は対 圧側で、ピストンヘッドのボスに固定されている。当該補強部は強度の点で、こ れらの補強部がエンジン運転時にピストンに生じる横方向力を確実に受止めるこ とができるように構成されて固定されている。 第６図〜第１４図に示した実施例の場合、これらの補強部はそれぞればね鋼か ら成っている。これによりばね弾性的な固定が達成される。使用するばね鋼の厚 さは、ほぼ０．３〜１．０ｍｍである。 第１５図〜第１７図に示されたピストンの場合、各補強プレートが、ピストン 鋳造時にボスの領域の側方に挿入されることによって固定されている。このボス の領域においては、これらの補強プレートに各１つの開口が設けられている。こ れらの両補強プレートはそれぞれ、ピストン軸の支持側に突入している。しかし ながらこの場所では両補強プレートは、周方向で互いに所定の間隔を置いて終わ っている。 この実施例の場合、これらの補強プレートはピストン横方向力の受止めのため に十分な強度を有していなければならない。補強プレートの厚さはほぼ２ｍｍの 範囲内にある。ストリップと見做すこともできる、ピストンのこれらの補強プレ ートは、外側に位置する表面に加工を施される。外側に位置する表面の形状は、 ピストン形状に相当する。 第１８図〜第２０図に示されたピストンの場合、ピストン軸の加圧側と対圧側 とに各１つの補強プレートが、ボスの領域のピストン基礎材料内部に固定するこ とによってピストン基礎材料に載着されている。このような固定は、ピストン鋳 造時に、補強プレートの水平方向端部を挿入することにより達成される。このた めにこれらの補強プレートは、ほぼ直角に屈曲されて、半径方向で見てアンダカ ット部を備えている。これらのアンダカット部は、補強プレートを適当に成形す ることによって得られる。このためにこれらの補強プレートは、波形に形成され るか孔を備えていてよい。 これらの補強プレートは事実上、軸の全高にわたって延びており、側方の切欠 きを有していてよい。これにより、これらの補強プレートは、図示されたピスト ン軸支持側において、上下に位置する水平方向のＴ字形バーを備えたダブルＴ字 形の輸郭形状を有していてよい。機能上重要なのは、ピストンにおいて、補強プ レートだけしかエンジンのシリンダ摺動構造に接触しないことである。すなわち 、ピストン基礎材料は、補強プレートの側方の切欠き内に半径方向に後退させら れていなければならない。 第２１図〜第２３図に示されたピストンが、第１８図〜第２０図に示したピス トンと事実上異なっている点は、補強プレートがピストンの支持領域において、 縁部だけでフレーム状にピストン基礎材料に載着されていることである。これに 対してピストン基礎材料はこのようなフレーム領域内部において切欠かれている 。ピストン基礎材料が切欠かれたこのような領域においては、補強プレートだけ がピストン横方向力を受止めなければならない。すなわちピストン基礎材料への 力の伝達は、補強プレートの縁部載着域を介してのみ行 われる。 第２４図〜第２６図に示されたピストンの場合、ピストン軸下端部における水 平方向の載着部が全く形成されていないことにより、ピストン基礎材料における 補強プレートの縁部載着域がさらに減じられている。しかしながらこの場合、補 強プレートは、側方で全高にわたってボス領域の基礎材料に固定されている。補 強プレートはそれぞれの周面域において切欠きを有している。これらの切欠きは コネクティングロッド揺動平面が軸外周面輪郭と交差するような領域に対して側 方に僅かな間隔を置いて配置されていると有利である。これにより、ピストン軸 はこのような交差域において、シリンダ摺動路に対する支持機能を有することが できる。 本発明によるピストンの構成は、全体的に見て特に、シリンダ摺動面とピスト ン基礎材料とが同じくアルミニウムであるようなエンジンにおける使用に適して いる。特に、アルミニウムから成るシリンダ摺動面が被覆されていない場合、ア ルミニウム製ピストンの補強がどうしても必要となる。従来被着された電気めっ き式の金属層は技術的には機能性良好であるものの、コスト高を招くような製造 手間がかかる。これに対して本発明によるピストンは、同じく良好な機能が得ら れるとともに、低廉に製造可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．内燃機関の行程ピストン、特に基礎材料としてアルミニウム合金から成る 行程ピストンであって、該行程ピストンが、特に、アルミ合金から形成されたシ リンダ摺動面を備えたエンジンのために構成されており、少なくとも部分的に摺 動面補強部が設けられている形式のものにおいて、 補強部が、少なくとも補強しようとする領域で前加工されたピストンに被着さ れた合成樹脂層であり、該合成樹脂層に金属粒子が導入されていることを特徴と する、少なくとも部分的な摺動面補強部を備えた、内燃機関の行程ピストン。 ２．金属粒子が、ニッケル、鉄、青銅、クロム、銀、銅またはこれらの金属の 合金から成っており、それぞれ単独で導入されるかまたは互いに組合わせて導入 されている、請求項１記載の行程ピストン。 ３．金属粒子が、他の物質（固体潤滑剤）と組合せ可能である、請求項１また は２記載の行程ピストン。 ４．金属粒子が、最大１５μｍの粒子直径を有しているか、５０μｍよりも短 い長さと、最大ほぼ１５μｍの幅の広がりとを有する積層として形成されている 、請求項１から３までのいずれか１項記載の行程ピストン。 ５．完成した、つまり硬化された層における金属粒 子の含有率がほぼ１０〜６０ｗｔ％である、請求項１から４までのいずれか１項 記載の行程ピストン。 ６．摺動層の厚さが、ほぼ１０〜４０μｍ、特に１５〜２５μｍである、請求 項１から５までのいずれか１項記載の行程ピストン。 ７．内燃機関の行程ピストン、特に基礎材料としてアルミニウム合金から成る 行程ピストンであって、該行程ピストンが、特に、アルミ合金から形成されたシ リンダ摺動面を備えたエンジンのために構成されており、少なくとも部分的に摺 動面補強部が設けられている形式のものにおいて、 摺動層が、接着された薄いシートであることを特徴とする、少なくとも部分的 な摺動面補強部を備えた、内燃機関の行程ピストン。 ８．シートが金属から成っている、請求項７記載の行程ピストン。 ９．シートが１５〜８０μｍ、特に２０〜４０μｍの厚さを有している、請求 項８記載の行程ピストン。 １０．接着が耐熱性の接着剤系で行われている、請求項７から９までのいずれ か１項記載の行程ピストン。 １１．ピストンの基礎材料によって形成されたシート載着面が、裂け目を備え た表面を有しており、シートが、裂け目を備えた表面の頂部に載着されており、 これに対して、接着剤が、この表面の谷部に位置している、請求項７から１０ま でのいずれか１項記載の行 程ピストン。 １２．裂け目を備えた表面が、旋盤で旋削チゼルによって生ぜしめられた旋削 成形体である、請求項７から１１までのいずれか１項記載の行程ピストン。 １３．旋削成形体が、５〜５０μｍの粗面度によって規定されている、請求項 ７から１２までのいずれか１項記載の行程ピストン。 １４．シートが貫通部を有している、請求項７から１３までのいずれか１項記 載の行程ピストン。 １５．貫通部が穿孔である、請求項７から１４までのいずれか１項記載の行程 ピストン。 １６．シートが片面の凹部を有しており、該凹部が圧刻によって生ぜしめられ ている、請求項７から１３までのいずれか１項記載の行程ピストン。 １７．補強部が後加工なしに取付けられている、請求項１から１６までのいず れか１項記載の行程ピストン。 １８．内燃機関の行程ピストン、特に基礎材料としてアルミニウム合金から成 る行程ピストンであって、該行程ピストンが、特に、アルミ合金から形成された シリンダ摺動面を備えたエンジンのために構成されており、少なくとも部分的に 摺動面補強部が設けられている形式のものにおいて、 補強部がプレート状であり、その形状によりピストン基礎材料に係合している ことを特徴とする、少なく とも部分的な摺動面補強部を備えた、内燃機関の行程ピストン。 １９．別個に固定された複数のプレート状の補強部が設けられている、請求項 １８記載の行程ピストン。 ２０．加圧側および／または対圧側に、それぞれ少なくとも１つのプレート状 の補強エレメントが固定されている、請求項１８または１９記載の行程ピストン 。 ２１．補強部とピストン基礎材料との係合が、ばねクロージャによってもたら されており、該ばねクロージャのばね弾性的な部分が、補強部の構成部分である 、請求項１８から２０までのいずれか１項記載の行程ピストン。 ２２．プレート状の補強部が自己支持式に設けられており、ピストンボスの領 域にだけ固定されている、請求項１８から２１記載の行程ピストン。 ２３．プレート状の補強部の周面端部が、ピストン鋳造時にピストン基礎材料 によって取囲まれることによって該ピストン基礎材料に固定されている、請求項 １８から２２までのいずれか１項記載の行程ピストン。 ２４．プレート状の補強部の周面端部が、ピストン鋳造時にピストン基礎材料 によって取囲まれることによって、その形状により該ピストン基礎材料に係合し ている、請求項２３記載の行程ピストン。