JP2006500541A - 支持腹部を備えた粉末冶金法で製造されるピストン本体、およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、粉末冶金法で製造されるピストン・シリンダ装置用ピストン本体、特にショックアブソーバピストンであって、一体なピストン本体（６）を有し、このピストン本体がその周面に、一方のピストン端面（４．１）に隣接する領域で、周面から張り出す周方向周設腹部（１２）を備えており、この周設腹部に、他方のピストン端面（５．１）にまで延びて平行に離間して並置される縦延設支持腹部（１０）が続いており、支持腹部のうち少なくとも一部が両方のピストン端面（４．１、５．１）の間で少なくとも１つの横溝（１１．１）を備えており、それぞれ２つの隣接する支持腹部（１０）が溝状凹部（１１）を限定し、これらの凹部は周設腹部（１２）から離れた方の末端が縦方向で開口しており、熱間成形可能なシール材料からなるカフス状シール（９）がピストン本体（６）上に、周設腹部（１２）も支持腹部（１０）も少なくとも高さの一部にわたってカフス状シール（９）の材料内に一体に形成されるように成形可能であるピストン本体に関する。

Description

特許文献１により公知のショックアブソーバピストンはピストン本体を有し、このピストン本体がその周面に周方向腹部を備えており、この腹部に、軸線方向に延びる多数の腹部が周方向腹部の片側で続いている。このピストン本体に射出成形法で熱可塑性プラスチックからなるシールが射出して被着されており、特に軸線方向に延びる腹部はその間にあってシール材を完全に満たされたその溝でもってシール材の確実な係止とピストンの案内とに役立つ。射出成形で被着されるシールは、いわゆる「ブローバイ」を防止し、こうして相付設されたシリンダ室の確実な密封を引き起こすために狭い公差を可能とする。このような射出成形されたシールを製造するための方法は比較的支出を要する。

特許文献２により公知のピストン・シリンダ装置はそのピストン本体が周面に多数の周方向条溝を有する。シールを被着するためにＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）からなる鉢状予備成形品が設けられており、この予備成形品はまずピストン本体に緩く載置される。このように準備されたピストン本体は次にまず、高温に加熱された成形兼サイジングシリンダに押し込まれ、熱の影響を受けてＰＴＦＥ材料はピストン本体周面の条溝に押し込まれる。引き続きピストン本体は圧着されたシールと共に、相応に形成された冷却シリンダ内で冷却される。条溝はシール材が完全に充填されており、こうしてシールとピストン本体周面との形状嵌合式固定結合がもたらされる。ショックアブソーバピストンとして利用するには引き続きなお、ピストン本体の正面を片側で覆う予備成形品の底面を取り除かねばならない。

特許文献３により公知のショックアブソーバピストンはその製造において、シール被着のために鉢状予備成形品の代りに打抜き円環板が利用される点で前記方法と実質的に相違しているにすぎない。この円環板はピストン本体の一端に装着される。このように準備されたピストン本体はやはり加熱された成形兼サイジングシリンダに押し込まれ、円環板は帯材としてピストン本体の周面に巻付けられ、引き続きピストン本体の周方向に延びる条溝に熱の影響下に押し込まれる。引き続き、圧着されたシールを備えたピストンは冷却管に通される。シール材はその際にも条溝を事実上完全に満たし、シールはピストン本体の周面と形状嵌合式に固定結合されている。

前記両方の方法は、シール材料の成形とピストン本体周面の条溝内への完全押込みとにかなりの押付圧力が必要となることがあり、シールを形成するシール材料が強い変形を受け、これがシール材の構造に不利に影響する欠点を有する。

特許文献４により公知のピストン・シリンダ装置用ピストン、特にショックアブソーバピストンはピストン本体を有し、このピストン本体がその周面に、一方のピストン端に隣接する領域で、周面から張り出す周方向周設腹部を備えており、この周設腹部に、他方のピストン端の方向に延びる平行に離間して並置される縦延設支持腹部が続いており、それぞれ２つの隣接する支持腹部が溝状凹部を限定し、これらの凹部は周設腹部から離れた方の末端が縦方向で開口しており、熱間成形可能なシール材料からなるカフス状シールがピストン本体に、周設腹部も支持腹部も高さの一部にわたってのみシール材料内に一体に形成されるように成形されている。

この公知解決は、一方でピストンのカフス状シールと他方でピストン本体の外輪郭との間を良好に密封するのに、シールが全周にわたってピストン本体に密着している必要のないことを示した。一連の利用事例にとって、密封カフスが周方向で単に比較的狭い周設腹部にしっかり当接すれば十分である。意外なことにさらに、シールとピストン本体との間を問題なく確実に結合するのに、縦延設支持腹部の間の溝状凹部をシール材料で完全に充填しておく必要のないことが判明した。それとともに、温度上昇の結果として膨張するときシール材料を逃がすことのできる十分な自由空間が残存し、ピストンは縦延設支持腹部を介して問題なく案内されている。

カフス状シールを固定するための周面から張り出す周設腹部を１つだけ配置すると状況によっては十分でないことがあり、それぞれ末端側の２つの周設腹部を配置するのが望ましく、周設腹部は互いに平行に離間配置される縦延設支持腹部によって結合されている。しかしながらこのようなピストン本体を焼結性金属粉末からなる圧粉体の加圧によって粉末冶金法で製造し引き続き焼結することはかなりの成形技術上の問題を生じるので、特許文献５ではピストン本体を２つの部分本体に分割することが提案された。部分本体がそれぞれ一端に１つの周設腹部を有し、互いに離間配置される縦延設支持腹部がこの周設腹部から出発している。両方の部分本体は大きな困難なしにそれぞれ焼結性金属粉末から圧粉体へと成形し次に焼結することができる。完全なピストンはこの場合、両方の仕上げ焼結された部材から、分割平面から離れた方のピストン末端にそれぞれ周設腹部が配置されているように組立てられる。分割平面に近い方の末端で支持腹部を斜めにすることによって次になお付加的横溝を設けることが可能である。この構想の欠点は、両方の部分本体を互いに限定的関係で組立てねばならないとき、両方の部分本体の手間のかかる組立法にある。これは例えばショックアブソーバピストン用ピストン本体の場合に該当する。というのもその場合両方の部分本体内に存在する部分通路が正確に一直線に並んでいなければならないからである。
欧州特許出願公開第０６５８６１１号明細書 米国特許第３２１２４１１号明細書 欧州特許出願公開第６８２１９０号明細書 独国特許出願公開第１９８４７３４２号明細書 独国特許出願公開第１０１０８２４６号明細書

本発明の課題は、簡単に製造することのできるピストン、特にショックアブソーバピストンを提供することである。

この課題は本発明によれば請求項１の特徴を有する一体なピストン本体によって解決される。

本発明に係るピストン本体を製造するための方法は請求項３に明示されている。

本発明のその他の諸構成は、実施例についての以下の説明と従属請求項とに明示されている。

本発明は１実施例の略図面を基に詳しく解説される。

図１が機能図式として軸線方向断面図で示すショックアブソーバは２つの相対移動可能な部材、例えば車軸と車両フレームとを互いに結合する。ショックアブソーバがシリンダ部１を有し、このシリンダ部は両方の相対移動可能な部材の一方と結合されている。シリンダ１内で案内されるピストン２がピストンロッド３に固着されており、このピストンロッドはその自由端が、両方の相対移動可能な部材の他方の部材に固定されている。シリンダ１はその際両側を密閉され、作動液を充填されており、ピストン・シリンダ装置は複動式に設計されており、ピストンは２つのシリンダ室４、５を相互に分離する。

ピストン２のピストン本体６は複数の並べて延設される貫通路７、８を有する。貫通路７、８は機能の点でなお解説するその出口側をそれぞれ絞り弁７．１もしくは８．１で覆われている。その際、それぞれ複数の貫通路７と複数の貫通路８が交互にシリンダ軸線の周りに配置して設けられているように、配置はなされている。

ピストン２の周面がカフス状シール９を備えており、このシールはシリンダ室４をシリンダ室５に対して密封する。ピストン２がシリンダ室４内に移動すると液体は貫通路７を通して絞り弁７．１の復帰力に抗して加圧される。貫通路８はその際、絞り弁８．１に付加される液体室４の圧力によって閉鎖保持される。逆方向に動くと貫通路７が絞り弁７．１によって閉鎖される一方、液体は貫通路８を通してシリンダ室５からシリンダ室４へと流れて戻ることができる。

ところでこのようなピストン本体が前記の如くに往復動され、荷重が高い場合カフス状シール９は戻り運動時にも相応に負荷されるので、ピストン本体の一端の端側周設腹部は、状況によっては、軸線方向における負荷に対してカフス状シールを確実に固定するのにもはや十分でない。ところでこのようなピストン本体を一体な態様で、カフス状シールを固定するための付加的横溝が設けられているように製造できるようにするために、まず焼結性金属粉末から圧粉体が、図２に示し以下なお詳しく解説する形状で加圧され、引き続きブランク６．１へと仕上げ焼結される。

ブランク６．１がその周面に多数の縦延設支持腹部１０を備えており、支持腹部はそれぞれ相応する溝状凹部１１を限定し、周設腹部１２の付設されている正面４．１から正面５．１近傍領域のブランク６．１の他端まで延びている。周設腹部１２と、ピストン本体６の外面を形成する縦延設支持腹部１０は同一レベルにある。見易くする理由からこの外面はハッチングが付けてある。支持腹部１０は、そして相応に溝１１は、軸線平行に延びている。

図３にはピストン本体６が図２のＩＩＩ‐ＩＩＩ線に沿った水平断面で示してあり、支持腹部１０および溝１１の構造を認めることができる。

図４ではピストン本体６は部分的に断面図で、そしてシール９を省き、縦腹部１０の表面に横溝１１．１を設けたのちのその最終的形状において側面図で示してある。横溝１１．１はコイニング法によって、以下でなお解説するように、焼結ブランク６．１に設けられ、ブランクは次にコイニング法によりなおサイジングされる。こうして仕上げられたサイジング済みピストン本体６に次にシール９が被着される。

ピストン本体６の周面に配置されるカフス状シール９は熱間成形可能なプラスチック、主にＰＴＦＥからなる。ここに示した実施例ではカフス状シール９が熱間成形によってピストン本体６に形成されている。

予め作製した円環板または予め作製した管部材で構成することのできるシール材料の熱間成形時、支持腹部１０と周設腹部１２は高さの一部にわたってのみカフス状シール９の材料内に一体に形成され、シール９の材料と溝状凹部１１の底との間になお一定の自由空間が残存し、シール９の成形時にシール材料は自由に、強制なしに溝１１に流れ込むことができる。この成形過程のときシール９の円筒形外面１３は同時にサイジングされ、シリンダ１の内径に対する所要の公差は守ることができる。特にこのようなピストン・シリンダ装置をショックアブソーバとして使用する場合運転時にシステム全体の加熱が現れるので、溝底に残存するこの自由空間は一定の限界内でシール材料が溝内に膨張することも可能とし、シール９の縁に隣接する円筒形周面でシール摩耗は減少する。ピストン２はその高さにわたって全体として事実上傾動なしに支持されている。シール９は周設腹部１２の内面の一方の溝端で支えられる。

図５にはシール９の位置決めが著しく拡大して図４に相当する部分断面図で示してある。シール９はこの場合均質な材料からなり、この材料は前記熱間成形時に部分的に縦延設溝１１および横溝１１．１内に一体に形成される一方、他方で縦延設支持腹部１０および周設腹部１２は相応に材料内に一体に形成される。明確化のために、縦延設溝１１内に一体に形成される材料にクロスハッチングを付けて、縦延設溝１１が完全には充填されていないことが明確にされている。

その際、熱間成形時に周設腹部１２への移行領域Ｂにおいて縦延設溝１１内でシール９の材料が過荷重を受けないようにするために、縦延設溝１１の深さがこの領域において周設腹部１２の方向で減少し、すなわち低減している。周設腹部１２のシール材料用の軸線方向支持面がこうして低減されることは、横溝１１．１の軸線方向で作用する付加的支持面によって補償され、後の運転時に高荷重を受けるこの領域において材料が熱間成形によってその組織に僅かな荷重を受け、こうして一層高い安定性を有するという利点が得られる。

図６、図７、図８を基に、図４に示す形状のピストン本体を製造するための本発明に係る方法が詳しく解説される。まず第１ステップでは焼結性金属冶金粉末から圧粉体が図２に示すように加圧され、引き続きブランク６．１が仕上げ焼結されたのち、図６に示すように、ブランク６．１ａの備蓄品Ｓ１からその都度１つのブランク６．１ａが取り出され、第１プレス部Ｉと第２プレス部ＩＩとを有するプレス装置Ｐに供給される。

第１プレス部Ｉは通常の上パンチ１５．１および下パンチ１６の他に、半径方向で案内されるコイニングダイ１４を備えており、以下でなお詳しく解説されるように、コイニングダイを介して横溝１１．１が支持腹部１０に設けられる。

先行するコイニングステップにおいてプレス部Ｉ内で横溝を備えられたブランク６．１ｂは次に第２プレス部ＩＩに供給され、そこで、このように準備されたブランク６．１ｂはピストン端面に関しても、周設腹部および支持腹部の外周面に関しても、完成ピストン本体６に合わせてサイジングされる。この過程が図７に示してある。

プレス部ＩＩでは可動上パンチ１５．２に下パンチ１６．２が付設されており、下パンチの形状表面は挿入されるブランク６．１ａもしくは６．１ｂの形状表面に一致している。第１プレス部Ｉでは可動パンチ１５．１と固定相手パンチ１６．１とによってブランク６．１ａが事実上保持されているだけである一方、第２プレス部ＩＩでは加圧パンチ１５．２に圧力が付加され、挿入されるブランク６．１ｂをサイジングする最終的成形が行われ、完成ピストン本体６が形成される。

図８に示すように、引き続き加圧パンチ１５は引き戻され、両方のプレス部で突出し工具１７を介していまや横溝を備えたブランク６．１ｂと仕上げサイジングされたピストン本体６はプレス金型から突き出され、ブランク６．１ｂはプレス部ＩＩへと輸送することができ、完成ピストン本体６は倉庫Ｓ２に下ろすことができ、そこから次に完成ピストン本体はカフス状シール９の被着用に取り出される。

図９には挿入されたブランク６．１ａを有する配置が第１プレス部Ｉの垂直断面図で示してある。進入した上パンチ１５．１はこの場合図示されていない。コイニングダイ１４は支持腹部１０の材料に押し込まれ、横溝１１．１が形成されている。そのことは図１０の拡大図から読み取ることができる。

半径方向で送り可能なコイニングダイ１４は滑り子状に構成されており、図６、図７、図１０、図１１から明らかとなるように半径方向でブランク６．１ａに向かって送り可能である。ここに図示した実施形態では３つのコイニングダイ１４が設けられ、相互に同じ角度距離に配置されている。寸法に応じて４つ以上のコイニングダイの配置を設けることができる。単に２つの直径上で向き合うコイニングダイの配置も基本的に可能ではある。

図１０の拡大図から明らかとなるように、各コイニングダイ１４は各２つの横溝１１．１をブランク６．１の支持腹部１０に設けるために２つの平行な切刃状コイニング稜１８を有し、コイニングダイ１４の圧力付加時このコイニング稜によって焼結材料の冷間成形下に図７に示すように材料が排除され、横溝１１．１が形成される。図１０から認めることができるように、この冷間成形は支持腹部１０の全高の一部にわたってのみ行われ、溝１１よりも小さな深さを有する横溝１１．１が生じる。

成形兼サイジング過程は単に１つのプレス部で行うこともでき、このプレス部は構造がプレス部Ｉに実質的に一致する。但し上パンチと下パンチは上パンチ１５．２および下パンチ１６．２に合わせて構成されている。それに応じて第１ステップではブランク６．１ａが上パンチと下パンチとによって固定されるだけであり、横溝１１．１を設けることができる。引き続きコイニングダイ１４が引き戻され、上パンチおよび下パンチに対する圧力が高められ、ブランクがサイジングされ、次にはじめて金型から完成ピストン本体として取り出される。

ショックアブソーバ用ピストン・シリンダ装置の軸線方向部分断面図である。 仕上げ焼結されたショックアブソーバ用ブランクを一部断面で示す側面図である。 密封カフスを取り除いた図２のＩＩＩ‐ＩＩＩ線に沿ったブランクの略水平断面図である。 仕上げ成形されたピストン本体と被着された密封カフスとを一部断面で示す側面図である。 図４の拡大部分断面図である。 製造方法のステップとして横溝を設けてピストン本体ブランクをサイジングするための装置を示す。 成形兼サイジングステップ中の図６の装置を示す。 成形兼サイジングステップの最後における図６の装置を示す。 成形プロセス時にブランクを挿入された図６のダイ成形部の垂直断面図である。 コイニングダイの構成を拡大図で示す。 コイニングダイの配置を有する図９の成形部の平面図である。

Claims (5)

1. 粉末冶金法で製造されるピストン・シリンダ装置用ピストン本体、特にショックアブソーバピストンであって、一体なピストン本体（６）を有し、このピストン本体がその周面に、一方のピストン端面（４．１）に隣接する領域で、周面から張り出す周方向周設腹部（１２）を備えており、この周設腹部に、他方のピストン端面（５．１）にまで延びて平行に離間して並置される縦延設支持腹部（１０）が続いており、支持腹部のうち少なくとも一部が両方のピストン端面（４．１、５．１）の間で少なくとも１つの横溝（１１．１）を備えており、それぞれ２つの隣接する支持腹部（１０）が溝状凹部（１１）を限定し、これらの凹部は周設腹部（１２）から離れた方の末端が縦方向で開口しており、熱間成形可能なシール材料からなるカフス状シール（９）がピストン本体（６）上に、周設腹部（１２）も支持腹部（１０）も少なくとも高さの一部にわたってカフス状シール（９）の材料内に一体に形成されるように成形可能であるピストン本体。
2. 溝状凹部（１１）の深さが、周設腹部（１２）に隣接する領域（Ｂ）では周設腹部（１２）から離れた方の端面（５．１）領域内よりも小さいことを特徴とする、請求項１記載のピストン本体。
3. ピストン・シリンダ装置用の一体なピストン本体、特にショックアブソーバピストンを製造するための方法であって、ピストン本体がその周面に、一方のピストン端面（４．１）に隣接する領域で、周面から張り出す周方向周設腹部（１２）を備えており、この周設腹部に、他方のピストン端面（５．１）にまで延びて平行に離間して並置される縦延設支持腹部（１０）が続いており、それぞれ２つの隣接する支持腹部（１０）が溝状凹部（１１）を限定し、これらの凹部は周設腹部から離れた方の末端が縦方向で開口しているものにおいて、第１ステップでは焼結性金属冶金粉末から、周設腹部と縦延設支持腹部とを有する圧粉体が加圧され、第２ステップではこの圧粉体がブランク（６．１）へと仕上げ焼結され、第３ステップでは支持腹部（１０）の少なくとも一部に、半径方向で案内されるコイニングダイ（１４）を用いて冷間成形によって、材料を排除しながら横溝（１１．１）が一体に形成され、第４ステップではこうして横溝（１１．１）を備えたブランク（６．１）がサイジングダイで加圧することによってその最終形状にサイジングされることを特徴とする方法。
4. 半径方向でブランクに加圧可能な少なくとも２つのコイニングダイ（１４）が使用され、コイニングダイがそれぞれ少なくとも１つの切刃状コイニング稜を有することを特徴とする、請求項３記載の方法。
5. 少なくとも２つのプレス部（Ｉ、ＩＩ）を有するプレス装置（Ｐ）が使用され、第１プレス部（Ｉ）ではブランク（６．１ａ）に横溝（１１．１）が備えられ、同時に第２プレス部（ＩＩ）では横溝（１１．１）を備えたブランク（６．１ｂ）がサイジングされることを特徴とする、請求項３または４記載の方法。

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