JP2007529699A - 被覆ピストンピン - Google Patents

Abstract

ピストンピン（１０）が、円筒形外周マージンを備えた管状本体（１２）を有し、外周マージンは、コネクティングロッド（２０）のピンボア（２８）の内周マージンとシフト可能に嵌合でき、ピンボア（２８）の内周マージンは、コネクティングロッド（２０）を形成する材料で作られた表面（１６）を有し、前記嵌合は、表面と表面の係合である。ピストンピン（１０）の製造方法も又、開示される。

Description

本発明は、内燃エンジン（内燃機関）に関する。特に、本発明は、コネクティングロッドをピストンにシフト可能に連結する被覆（コーテッド）ピストンピンに関する。

内燃エンジンの可動部品は、熱エネルギーを機械エネルギーに変換する際に重要な機能を果たす。往復ピストンを有する従来型内燃エンジンでは、エンジンの可動部品は、往復運動を回転運動に更に変換する。内燃エンジンの主要な可動部品の中には、ピストン組立体、コネクティングロッド及びクランクシャフト組立体がある。シリンダ内で混合気を燃やすと、圧力が生じ、この圧力により、ピストンがシリンダ内で往復動する。ピストンの往復動は、コネクティングロッドによりクランクシャフトに伝えられる。コネクティングロッド及びクランクシャフトの動作により、ピストンの往復動が回転運動に変換される。

先行技術のピストン、ピストンピン及びコネクティングロッドが、先行技術と表示された図１に示されている。図２に示すように、典型的なピストンは、ヘッド及びスカートを有している。ヘッドは、ピストンリングをそれぞれ支持する複数個のランドを有する。ピストンピンボスは、ピストンのスカート内に形成されている。ピストンピンをピストン内に固定するためのピストンピンスナップリングを係止する溝をスカートに形成するのがよい。変形例として、ピストンピンボアと交差するねじ山付き穴をピストンピン止めねじのために設けてもよい。

ピストンは、ピストンピン（リストピン）によってコネクティングロッドに取り付けられている（先行技術と表示された図３ａ及び図３ｂ参照）。ピンは、このピストンのピストンピンボスを貫通し、そしてコネクティングロッドの上端部を貫通している。コネクティングロッドの上端部は、ピストンピンの中間でピストン内に位置する。ピストンピンは、典型的には、合金鋼から高精度仕上げで作られ、はだ焼きされ、場合によっては、これらの耐摩耗性を向上させるためにクロムめっきされる。

再び図１を参照すると、コネクティングロッドは、軽量でなければならず、しかも、ピストンのスラスト（推力）をクランクシャフトに伝達するのに十分強固でなければならない。コネクティングロッドは典型的には、曲げ又は捩じれを生じないで大きな荷重に耐えることができる合金鋼から落とし鍛造される。コネクティングロッドの上端部（スモールエンド）及び下端部（ビッグエンド）は、軸受の正確な嵌め合いを可能にするよう機械加工される。コネクティングロッドの上端部は、ピストンピンによりピストンに連結される。先行技術では、コネクティングロッドの上側ボア（ピンボア）内には、青銅又はこれに類似した材料の一体軸受（ブッシュ）が設けられ、この軸受は、ピストンピンと接触状態にある。コネクティングロッドの下端部がクランクシャフトと共に回転すると、上端部は、ピストンピン上で前後にシフトする。この運動は僅かではあるが、生じる高圧及び高温に鑑みて従来、ブッシュが必要であることが分かっている。

当業界では、内燃エンジンの可動部品を含むコンポーネントの数を最小限に抑えると共にこれらの製造に必要なステップの数を最小限に抑えることが必要である。コネクティングロッドの上側バー内の一体軸受を省くことができれば非常に有利であろう。従来、ブッシュは典型的には、外部から購入され、次にコネクティングロッドのピンボア内に圧入されなければならない。さらに、次に、ブッシュの内径を機械加工して必要な最終表面を得なければならない。ブッシュを不要にし、更にブッシュの内径の機械加工ステップを不要にすることは、決定的に有利であろう。

本発明は、当業界の上述の要望に実質的に応える。適当な被膜をピストンピンに被着させることにより、コネクティングロッドのピンボア内の一体ブッシュが不要になる。これにより、ピストンピンは、コネクティングロッド及びピストンと直接的な表面間（表面と表面の）接触状態になることができる。好ましくは、被膜は、窒化クロム（Ｃｒ−窒化物又はＣｒ−Ｎ）である。Ｃｒ−窒化物被膜は好ましくは、物理蒸着法（ＰＶＤ）により、被着される。好ましくは、取付けに先だって、心なしバフ磨き作業を被覆ピストンピンに対して行うのがよい。被覆ピストンピンを使用できるピストンの型式についての制約は知られていない。したがって、被覆ピストンピンを様々な強度のアルミニウムピストン並びにスチールピストンに使用することができる。

本発明は、ピストンピンであって、円筒形外周マージンを備えた管状本体を有し、外周マージンは、コネクティングロッドのピンボアの内周マージンとシフト可能に嵌合でき、ピンボアの内周マージンは、コネクティングロッドを形成する材料で作られた表面を有し、嵌合は、表面と表面の係合であるピストンピンである。本発明は更に、ピストンピン及びピストンピンとコネクティングロッドの組合せの製造方法である。

本発明のピストンピン及びコネクティングロッドは、図４及び図５にそれぞれ全体が１０，２０で示されている。

ピストンピン１０は、全体として管状の本体１２を有している。軽量化ボア１４が、ピストンピン１０の長手方向軸線と同心状に本体１２内に形成されている。

被膜１６が、管状本体１２の外周マージンに被着されている。被膜１６につき以下に詳細に説明する。被膜１６は、被着されると、ピストンピン１０の外周マージンになる。

図５に示されたコネクティングロッド２０は、細長いロッドアーム２２を有している。ビッグエンド２４が、ロッドアーム２２の第１の端部のところに設けられている。ビッグエンド２４は、エンジンのクランクシャフトに取り付けられたジャーナルと回転自在に嵌合するよう設計されている。

スモールエンド２６が、ロッドアーム２２の第２の端部のところに設けられている。スモールエンド２６を貫通して、ピンボア２８が形成されている。ピンボア２８は、スモールエンド２６の長手方向軸線と同心に形成されている。注目すべきこととして、ピンボア２８の内周マージンは、ブッシュを備えておらず、この内周マージンは、コネクティングロッド２０の構造の残部を形成する材料と同じ材料で作られている。したがって、ピンボア２８の内周マージンは、ピストンピン１０が軸受の介在無しにコネクティングロッド２０のピンボア２８に挿入されると、ピストンピン１０の被膜１６と直接的な表面間接触状態になる。

被膜１６は好ましくは、窒化クロム（Ｃｒ−Ｎ）である。窒化クロム被膜は、物理蒸着法によりピストンピン１０の管状本体１２の外周マージン上に形成された耐摩耗性被膜である。窒化クロム被膜は、高い硬度、優れた耐酸化性及び低い摩擦係数を有している。被膜１６は代表的には、色がメタリックシルバーであり、磨きステンレス鋼と外観がほぼ同じである。窒化クロム被膜１６は、ピストンピン１０に対して優れた付着性を有している。被膜１６は代表的には、比較的低温の蒸着法で被着される。これにより、歪みを生じさせることなくピストンピン１０の被覆が可能であり、厳密な公差の高精度ピストンピン１０の被覆が可能である。

上述したように、被膜１６は好ましくは、物理蒸着法（ＰＶＤ）により被着される。ＰＶＤは、物理的に蒸発又はスパッタリングにより材料をソースから取出し、蒸気粒子のエネルギーにより真空又は部分真空を介して運搬し、そして基板（この場合、ピストンピン１０）の表面上にフィルムとして凝縮させる種類として広範な真空めっき法に及ぶ。類似のソース材料を用いるかＰＶＤ源からの金属と反応する所望の反応体を含むガス（窒素、酸素又は単純な水素）を導入するかのいずれかにより被着させる。

ＰＶＤ法により、基板の窒化クロム被膜を与えるための代表的なチャンバの略図が、図６に示されている。この被着法は、多数の段階、即ち、
チャンバ排気、
基板の加熱及びクリーニング、
基板の状態調節、
基板の被覆、
被覆された基板の冷却及び取り出し、
から成る。

考えられる汚染要因物の全てを除去し、ＰＶＤ法に関する正確な動作圧力を達成するためにチャンバを排気する。輻射加熱器か吸着した汚染要因物を表面から取り除くのに役立つ「イオン衝撃」かのいずれかを用いて基板を加熱する。クリーニングは、「イオン衝撃（スパッタリング）」と水素を用いる活性化学的クリーニングの組合せにより行われる。高電圧（約１，０００ボルト）をピストンピン１０に印加しながら蒸発源を短時間稼働させることにより高温（代表的には、２００℃〜４５０℃）のピストンピン１０を「状態調節」する。このプロセスは、被膜１６の付着性の向上をもたらす混合層を表面のところに生じさせる。被覆は、全ての蒸発源をオンに切り換え、電圧を約２００ボルトに減少させ、そして必要なガスを導入して所要の化合物を生じさせることにより行われる。ピストンピン１０は、被覆サイクルの終わりでは高温なので、非被覆領域の変色を回避するためにピストンピン１０をチャンバから取り出す前にピストンピン１０を約２００℃以下に冷却することが必要である。

好ましい実施形態では、窒化クロム被膜１０は、１〜１０ミクロンの厚さまでピストンピン１０に被着され、この被膜の厚さは、好ましくは約５ミクロンである。

被膜１６をピストンピン１０に被着させた後、ピストンピン１０に好ましくは心なしバフ磨き作業を施す。心なしバフ磨き作業では、ピストンピン１０を図７に示すように対向した回転バフ磨きホイル相互間に支持する。かかるバフ磨きは、鏡面仕上げに近い仕上げ状態を被膜１６の外周マージンに与える。

本発明の多くの現時点において好ましい実施形態を説明したが、本発明の原理は、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲に属する他の実施形態に利用できることは理解されるべきである。

先行技術におけるピストン組立体、ピストンピン及びコネクティングロッドの分解組立図である。 先行技術におけるピストンの切除図である。 先行技術におけるピストン内に部分的に設けられたピストンピンの図である。 先行技術におけるピストン内に部分的に配置されたピストンピンの図である。 本発明に従って作られたピストンピンの斜視図である。 本発明に従って作られたコネクティングロッドの斜視図である。 本発明の被膜を被着させるための被着チャンバの切除図である。 心なしバフ磨き作業の斜視図である。

Claims (15)

1. ピストンピンであって、
   円筒形の外周マージンを備えた管状本体を有し、
   前記外周マージンは、コネクティングロッドのピンボアの内周マージンとシフト可能に嵌合でき、
   前記ピンボアの前記マージンは、前記コネクティングロッドを形成する材料で作られた表面を有し、
   前記嵌合は、表面と表面の係合である、
   ことを特徴とするピストンピン。
2. 前記管状本体と嵌合関係をなして設けられたコネクティングロッドを更に有する、
   請求項１記載のピストンピン。
3. 前記管状本体に被着された窒化クロム被膜を有し、該被膜は、前記ピストンピンの前記円筒形外周マージンを構成している、
   請求項１又は２記載のピストンピン。
4. 前記窒化クロム被膜は、物理蒸着法により被着されている、
   請求項３記載のピストンピン。
5. 前記窒化クロム被膜は、１〜１０ミクロンの深さで被着されている、
   請求項３記載のピストンピン。
6. 前記窒化クロム被膜は、実質的に５ミクロンの深さで被着されている、
   請求項３記載のピストンピン。
7. 前記窒化クロム被膜は、蒸着後、バフ磨き作業でバフ磨きされている、
   請求項３記載のピストンピン。
8. 前記窒化クロム被膜は、心なしバフ磨きされている、
   請求項７記載のピストンピン。
9. ピストンピンを製造する方法であって、
   コネクティングロッドのピンボアの内周マージンとシフト可能に嵌合する円筒形外周マージンを備えた管状本体を形成するステップと、
   前記コネクティングロッドを或る材料で形成するステップと、
   前記ピンボアの前記内周マージンを前記コネクティングロッドの形成に用いられた前記或る材料で形成するステップと、
   前記ピストンピンの前記外周マージンと前記ピンボアの前記内周マージンを表面と表面の係合方式で嵌合させるステップと、を有する、
   ことを特徴とする方法。
10. 窒化クロム被膜を前記管状本体に被着させるステップを有し、前記被膜は、前記ピンの前記円筒形外周マージンを構成する、
    請求項９記載の方法。
11. 前記窒化クロム被膜を物理蒸着法により被着させるステップを有する、
    請求項１０記載の方法。
12. 前記窒化クロム被膜を１〜１０ミクロンの深さまで被着させるステップを有する、
    請求項１０記載の方法。
13. 前記窒化クロム被膜を実質的に５ミクロンの深さまで被着させるステップを有する、
    請求項１０記載の方法。
14. 前記窒化クロム被膜を被着後にバフ磨きするステップを有する、
    請求項１０記載の方法。
15. 前記窒化クロム被膜を心なしバフ磨き作業でバフ磨きするステップを有する、
    請求項１４記載の方法。

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