JP2009503374A - 鋳込インサート付連接棒 - Google Patents

Abstract

往復ピストンエンジンに使用される型の鋳造金属連接棒は２端部間にビーム部を有する。ビーム部と端部は互いに一体的であり、少なくとも部分的に鋳造金属材料で製造される。連接棒の少なくともビーム部は焼結粉末金属材料からなるインサートを有する。このインサートは連接棒の鋳造金属材料により少なくとも部分的に封入されている。挿入部は連接棒を強化し、連接棒の鋳造金属よりインサートの材料により類似する材料からなるエンジンの周辺部品又は嵌合部品の特性を合わせるのに役立つ。連接棒の鋳造金属材料、例えば、アルミ合金も、必要であれば、高機械加工性の局部領域を提供できる。

Description

関連出願の相互参照
本願は２００５年７月２１日に出願された米国仮特許出願第６０／７０１，１５３号に関する。

連邦政府委託研究に関する申立て
適用なし。

本発明は、例えば、往復ピストンエンジンに使用される型のコネクティングロッド（連接棒）に関し、特に、鋳造連接棒に関する。

往復ピストン／内燃エンジンに使用される連接棒はエンジンの動作中にロッドに掛かる大きなストレスを受けるので、非常に強力で、好ましくは、軽量でなければならない。連接棒の場合において、連接棒の両端部はベアリングボア（孔）、即ち、一方はクランクピン用に他方はリストピン用に、機械加工されなければならない、典型的には、連接棒のクランク端部は連接棒の残部に対して連接棒のクランクシャフト・ベアリング・キャップを固定するようにドリル穴明けされ且つタップ立てされなければならない。

強度と重量の要求された組合せを有する従来の材料で連接棒を形成することは連接棒の機械加工を困難にし、特に、機械加工に使用される工具及び工具類の磨耗と引裂を増加させる。従って、従来技術の連接棒における典型的な解決法は機械加工性のために強度と重量で妥協することであった。

より小型のエンジンにおいて、連接棒の材料は鋳造アルミ合金である。このような材料は機械加工できるが、強度において不十分であり、クランクシャフト又はリストピンより著しく異なる熱膨張係数を有する。

このように、機械加工可能であり、強力且つ軽量であり、且つクランクシャフト及びリストピン材料と熱的に適合し、且つ製造において経済的である連接棒構造を求める需要がある。

本発明は粉末金属インサートを有する鋳造金属連接棒を提供する。インサートは連接棒を強化し、連接棒の鋳造金属よりインサートの材料とより類似する材料からなるエンジンの周辺又は嵌め合い部品の特性を一致させるのに役立つ。

連接棒の鋳造材料、例えば、アルミ合金は、必要なら、高機械加工性の局所領域を提供できる。ここで使用されるように、機械加工性は金属の機械加工の相対的な容易さを言及しており、特定の標準条件でエンジニアリング材料の機械加工性の相対的測定を提供する種々の機械加工性指標は既知である。鋳造処理中にモールド（金型）内に置かれるインサートは好ましくは包まれ、少なくとも部分的にアルミ合金材料により浸透される。完成した連接棒内でアルミ合金と機械的に一体化されたインサートは連接棒の強度を増加させ、連接棒複合材料がクランクシャフトとリストピンの材料特性を、最も顕著には、クランクシャフトとリストピンの熱膨張係数を一致させるのに役立つ。

鋳造アルミで含浸された比較的高強度の焼結粉末金属インサートを有する本発明の複合連接棒はより大型又は高性能のエンジンに対する鋳造アルミ連接棒の適用性を増加させる可能性を有する。従来では、このようなエンジンの連接棒は主として重く機械加工に困難である第１鉄材料で製造された。

一態様において、本発明は２つの端部間ビーム部を有する鋳造金属連接棒を提供するものである。ビーム部と端部は互いに一体しており、少なくとも部分的に鋳造金属材料から製造される。少なくとも連接部のビーム部は焼結粉末金属材料からなるインサートを含んでいる。インサートは連接棒の鋳造金属材料により少なくとも部分的に封入されている。

連接棒の鋳造金属材料はインサートの焼結粉末金属材料よりより機械加工可能である金属からなる。例えば、鋳造金属材料はアルミ合金であり、インサートの焼結粉末金属材料はほとんど鉄粉末からなる。鋳造金属材料は少なくとも部分的にインサートの孔に浸透する。インサートは有孔ビーム部を有し、連接棒の端部の一つに伸びる指部を有する。インサートは連接棒内の端部の一つの穴を少なくとも部分的に包囲している。連接棒の端部の一つはエンジンのピストンに固定されるように寸法決めされ、インサートはピストンに固定されるように寸法決めされた端部に拡大部を有する。連接棒内の端部の一つはエンジンのクランクシャフトに固定されるように寸法決めされ、インサートはクランクシャフトに固定されるように寸法決めされた端部に拡大部を有する。

他の態様において、本発明は２つの端部間にビーム部を有し、ビーム部と２つの端部が互いに一体化されている鋳造連接棒を形成する方法を提供する。この方法において、焼結粉末金属インサートはモールド（金型）内に置かれ、金属材料は少なくとも鋳造連接棒のビーム部が鋳造金属材料により部分的に封入されたインサートからなるように金型内に導入される。金属材料は焼結粉末金属インサートよりより機械加工可能である材料からなる。例えば、金属材料はアルミ合金であり、焼結粉末金属インサートは多数の鉄からなる。本方法において、焼結粉末金属インサートは孔を含むように形成され、鋳造金属材料は少なくとも部分的に鋳造中にインサートの孔に浸透する。本方法において、インサートは指部を有するように形成され、インサートは指部が鋳造連接棒の端部の一つに伸びるように金型内に配置される。この方法において、インサートはインサートが少なくとも部分的に鋳造連接棒内の端部の一つの穴を包囲するように金型内に配置される。

本発明の追加の目的と利点は詳細な説明と図面から明らかになるであろう。

同一参照番号は以下の図面説明で各図での同一部品を参照するために使用される。

図１−図３を参照すると、本発明の連接棒１０は中央ビーム部１２を有し、その一端で一体的に接続されたピストン端部１４と、他端で一体的に接続されたクランク端部１６を有する。ピストン端部１４はピストンのリストピン（及び適用可能であればベアリング）を受けるためのより小さい孔１８を有し、クランク端部１６はクランクシャフト及びベアリングのジャーナル（軸顎）を受けるために少なくとも部分的に形成されたより大きな孔２０を有する。クランク端部１６にボルト留めされたベアリングキャップ（図示せず）は孔２０の他方の半部を提供する。孔２０が端部１６内に完全に形成される場合、端部１６はストレスが集中する孔２０の両側に対向する切込みを設けられ、それにより、端部１６のクランクシャフトキャップ部が高位置精度でキャップの残部への再取付を可能にするキャップと連接棒の残部間に界面を形成する端部１６の残部又はベース部からの破壊分離により分離可能となる。ネジ切りされる孔２７は孔２０内の対向側の端部１６に形成されるので、ナット付又はナット無しボルトがベアリングキャップを端部１６に固定するために使用できる。

図１−図４において、より薄いグレー材料はアルミ合金のような鋳造金属材料であり、より濃いグレーの材料は焼結粉末金属材料、例えば、大部分は鉄からなる粉末金属材料から形成されたインサート（挿入部）３４である。インサートはどの機械加工操作にも受ける必要はなく、ＭＰＩＦ（金属粉末産業組合）Ｐ／Ｆ４６６０調整材料のような比較的強力で剛性の材料から製造できる。ＭＰＩＦ Ｐ／Ｆ４６６０調整材料の成分は鉄、ニッケル１．７５−２．００ｗｔ．％、モリブデン０．５０−０．６０ｗｔ．％、マンガン０．１０−０．２５ｗｔ．％、及び（ほぼ０．６０ｗｔ．％のグラファイトのような）炭素である。このように、ＭＰＩＦ Ｐ／Ｆ４６６０調整材料は典型的には少なくとも９５％の鉄を含んでいる。完成部品のＭＰＩＦ Ｐ／Ｆ４６６０調整材料の硬度はほぼＨＲＣ４５であり、完成部品のＭＰＩＦ Ｐ／Ｆ４６６０調整材料の引張強度はほぼ１６５０ＭＰａである。完成部品のＭＰＩＦ Ｐ／Ｆ４６６０調整材料の密度はほぼ７．８０ｇ／ｃｃである。もしインサート３４が機械加工に掛けられると、例えば、もし穴がドリル開けされるかネジ山が切削されると、インサートは焼結粉末金属連接棒を形成できる現在の連接棒粉末金属材料であるＭＰＩＦ Ｐ／Ｆ１１Ｃ６０から製造可能である。ＭＰＩＦＰ／Ｆ１１Ｃ６０は鉄、銅１．８−２．２ｗｔ．％、硫化マンガン０．３−０．５ｗｔ．％、マンガン０．１０−０．２５ｗｔ．％、及び（ほぼ０．６０ｗｔ．％のグラファイト）炭素を含有する。完成部品の硬度はほぼＨＲＣ２５であり、引張強度はほぼ９００ＭＰａであり、密度はほぼ７．８０ｇ／ｃｃである。このように、ＭＰＩＦＰ／Ｆ１１Ｃ６０は典型的には少なくとも９５％の鉄を含有する。

ほとんどの現在の連接棒は主としてビーム部で破損し、従って、ビーム部は増強した強度になる。２端部１４及び１６は孔１８及び２０の機械加工を可能にしクランク端部ボルト穴２７をドリル形成及び／又はタップ形成するためより軟質な材料である必要がある。

他の材料がインサートのために使用可能である。米国特許第５，５０１，５２９号は焼結粉末金属がアルミ合金エンジンブロックに鋳入され、鋳造処理中に鋳造アルミで含浸されるベアリング支持インサートについて記載している。ここで言及されるこの特許及び全ての他の特許及び刊行物は参照のために添付される。

インサート３４は以下のように粉末金属焼結処理で製造される。完成インサート３４の浸透性を増加させ又は最大化するようにインサート３４が比較的狭い範囲で製造される粉末金属の粒径分布範囲を制限することはインサート３４の製造プロセスにおいて望ましい。これを達成するため、粉末材料が適切な粒径範囲に選別される。粗材料のために、−３０メッシュから＋１００メッシュ（ＡＳＴＭ標準メッシュサイズ）の粒径範囲が好ましい。中間粒径範囲で、−１００メッシュから＋３２５メッシュの粒径範囲を使用することが可能であり、微材料において、−３２５メッシュのサイズが使用できる。

選別された材料は、１−６重量％の非金属粉末、例えば、孔形成体である有機ステアレート粉末及び焼結処理で焼散する噴出滑剤で混合される。この混合材料は比較的低圧力で、例えば、５−１５トン／インチでインサートの（任意の形状である）所望の形状に圧縮される。他の選択肢はより高圧力で圧縮されたより高パーセンテージの非金属粉末を含んでいる。圧縮されたインサートはモールド（金型）から取り出される。本工程のこの段階で、インサートは通常“グリーン（未加工）”と称される。

この未加工インサートは当技術界で既知のように保護雰囲気中で加熱することにより焼結される。名目上、この処理は華氏２０５０度で１５分間実施される。焼結インサートは室温まで冷却される。完成インサート３４はＡＳＴＭ（米国試験材料協会）標準Ｎｏ．Ｂ３２８により測定されるように１５−６０％間で全体にランダムに且つ均一に分布された開口相互結合気孔率を有する。インサート３４の焼結材料の完全密度は典型的には７．８グラム／立方センチであるが、本発明のインサート３４の密度は随意的にはほぼ５グラム／立方センチである。しかしながら、鋳造処理（成形処理）中にインサート３４を含浸させるため溶融アルミ合金に充分な開口相互結合気孔率の任意のパーセンテージも本発明の範囲以内である。さらに、本発明は砂モールド、ロストフォーム、ダイキャスト、又は他の処理を含む適切な鋳造処理に組み込まれ、且つ、重力供給又は低圧鋳造処理又はインサート３４の空隙部に材料を含浸させるために充分な任意の他の鋳造処理に適用できる。

鋳造処理において、インサート３４は他の型のインサートが鋳造処理で配置される既知の同様な方法で、ロッド（棒）１０のためのモールド（金型）に配置され、溶融材料が金型内に導入される。インサート３４が溶融材料に含浸するので、溶融材料は挿入部３４に流れ、インサート３４の相互結合された空隙部の多くを、そうでなければ、そのほとんど又は全てを満たす。溶融材料が冷却すると、インサート３４は実質的により固体であり、インサート３４の材料とアルミ合金材料の金属マトリクス複合材料からなる。

溶融材料に対して浸透可能であるインサート３４はインサート３４の空隙部を充填する溶融材料によりインサート３４を強固にし、インサート３４とインサート３４を鋳型内に保持するロッド１０間に機械的な相互結合体を形成する。さらに、インサート３４は望ましい機械加工性とロッド１０に対する熱膨張特性を与える。

図５−図９はインサート周辺で且つインサートを浸透しない鋳造アルミを持たないインサート３４自身を示している。インサートはビーム部３６、ピストン端部３８、及びクランクシャフト端部４０を有する。ビーム部は内部に強度に重大な悪影響を与えずに材料と重量を減少させるように内部に形成された孔部４２を有する。ビーム３６は連接棒１０の包絡線内に組み込むために連接棒１０のようにピストン端部３８に比べて比較的薄く、完全密閉は本発明の実施において絶対的に必須ではないが、アルミ合金材料で完全に密閉される。端部３８の端面４４は凹面であり、孔１８から内方向に離間し、端面４４と孔１８間にアルミ合金材料の厚みがある。端部３８は孔１８を強化し、端部３８とビーム３６間の肩部はアルミ合金材料に対して縦方向にインサートを固定するのに役立つ。

同様に、他端部４０で、端部４０の一部が幅広部を有する肩部が形成される。２つのスロット５２及び５４を有する端部４０が形成される。スロット５２及び５４は端部４０の反対側に開いており、スロットが交差する場所に材料を欠き、端部４０の中間で交差しており、穴２７が端部を貫通して伸びるのを可能にする隙間を持った状態で且つ穴２７とスロット５２及び５４間にある厚みのアルミ合金材料を持った状態で、端部４０を貫通して延びる穴５６を形成する。このような穴を粉末金属成形体内に形成する方法はＰＣＴ国際公開公報ＷＯ２００４／１１２９９６Ａ１に開示されている。ＷＯ２００４／１１２９９６Ａ１の方法において、水平孔又はスロットは加圧サイクル中に形成される。

特に、金型及び穿孔機と称される上部及び下部工具部材を含む粉末成形ツーリング金型セットが用意される。金型と上部及び下部工具部材は粉末金属圧縮プレス機に配置される場合に機械、油圧又は他の動力手段により可動される。開始位置において、金型は下部工具部材と整合され、全ての下部工具部材は互いに上部表面準位を有する。第２の工程で、下部工具部材は互いに対して動き、コンポーネントの下部表面及び外部表面を形成する空洞部を形成する。この工程は穿孔機を下方に及び／又は金型を上方に動かす事により生じる。コンポーネントの上部及び内部表面は穿孔機の下端部により形成される。第３工程において、得られた空洞部は粉末金属で満たされる。第４工程において、上部工具部材が上部側からの粉末の圧縮を開始するために金型キャビティに移動し、同時に、下部工具部材が底部から粉末を圧縮する金型に対して移動し、または異なる角度から、穿孔機は金型によりキャビティ内に含まれる穿孔機間の粉末を圧縮するように互いに対して移動する。第５工程において、穿孔機は上部工具部材が下部工具部材を通過するまで互いに対して移動させる工程を継続する。第６工程において、上部工具部材は下部工具部材に対して上方に且つから離間するように移動する。

図５−図９を参照すると、端部４０は連接棒のクランクシャフト端部１６を強化するために細孔２０の周囲に部分的に伸びる指状湾曲延長部６０を含み、挿入部３４のように第１鉄材料からなる、穿孔部２０の熱膨張係数をクランクシャフトの熱膨張係数に均等化させるのに役立つ。延長部６０はクランクシャフト端部１６の形状に一致させるため孔２０に向けて凹状であり、連接棒１０の鋳造アルミ材料により完全に密閉するのに充分に小さい。

特に、機械加工された連接棒１０、例えば、孔１８及び２０及び穴２７の領域において、適正な厚みの鋳造材料でなければならないので、もしインサート３４が機械加工可能な粉末金属材料からならず且つ機械加工を意図していなければ、機械加工を行う切削工具はインサート３４に接触しない。

上述のように、ベアリングキャップは穿孔部２０を完成させる端部１６にボルト留めされる。ベアリングキャップは、上述のインサートのように、キャップに鋳入された焼結粉末金属インサートを有する鋳造アルミ材料から形成される。これによりベアリングキャップを強化し、クランクシャフトの熱膨張係数を一致させるのに役立つ。

図４はインサート７２を除けば連接棒１０と同一である連接棒７０の変形実施例を示す。インサート７２は、インサート７２が端部４０を持たないことを除いて、インサート３４と同一である。所定の応用において、主にビーム部でストレスを受ける連接棒は知られており、端部４０の強化は必須でないので、インサート部７２が適用できる。

本発明の連接棒とインサートが相当詳細に説明された。記載された好ましい実施例に対する多くの改造と変更は通常の当業者にとって明らかであろう。例えば、異なる粉末金属材料がビーム部又はインサートの端部に使用でき、端部自身が異なる材料で形成できる。さらに、任意の数の異なる部分があり、例えば、中央ビーム部は異なる材料からなる部分を持てる。さらに、部品は焼結粉末金属（Ｐ／Ｍ）材料又は粉末鍛造（Ｐ／Ｆ）材料が可能であり、又は、ここで使用されるように、用語“粉末金属”又は“焼結粉末金属”は鍛造又は非鍛造に関わらず（例えば、焼結のみであれば）粉末金属材料を含む。さらに、ビーム部は空気焼入れ粉末金属材料又はそれ以外で製造でき、端部は非空気焼入の粉末金属材料又はそれ以外で製造できる。従って、本発明は記載された好ましい実施例に限定されるべきでなく、特許請求の範囲により規定されるべきである。

本発明は往復ピストンエンジンに使用される型の連接棒を提供できる。

図１は薄いグレーで示される（インサートを浸透する）鋳造アルミ及びダークグレーで示されるインサートを含む本発明を内蔵する連接棒を示す立体モデル斜視図である。 図２は異なる角度から見た図１と同様な連接棒を示す斜視図である。 図３は図１の連接棒を示す側面図である。 図４は図１と同様な連接棒を示し、第２実施例である斜視図である。 図５は図１−図３のインサートを示す斜視図である。 図６は異なる角度から見た図５と同様なインサートを示す斜視図である。 図７は図５のインサートを示す側面図である。 図８は図５のインサートを示す前面図である。 図９は図５のインサートを示す端面図である。

符号の説明

１０、７０ 連接棒
１２ 中央ビーム部
１４ ピストン端部
１６ クランク端部
２０ ボア（孔）
２７ 穴
３４、７２ インサート（挿入部）
６０ 延長部

Claims (18)

1. ２つの端部間のビーム部であり、前記ビーム部と前記２つの端部が互いに一体的であり、且つ少なくとも部分的に鋳造金属材料から製造されているビーム部を具備し、
   少なくとも前記ビーム部は焼結粉末金属材料から製造されたインサートを含み、前記インサートは少なくとも部分的に前記鋳造金属材料により封入されていることを特徴とする連接棒。
2. 前記鋳造金属材料は前記インサートの前記焼結粉末金属材料よりより機械加工可能な金属であることを特徴とする請求項１記載の連接棒。
3. 前記鋳造金属材料がアルミ合金であることを特徴とする請求項１記載の連接棒。
4. 前記インサートは細孔を有し、前記鋳造金属材料は少なくとも部分的に前記インサートの細孔に浸透することを特徴とする請求項１記載の連接棒。
5. 前記インサートの前記焼結粉末金属材料が多数の鉄粉末からなることを特徴とする請求項１記載の連接棒。
6. 前記インサートが有孔ビーム部を有することを特徴とする請求項１記載の連接棒。
7. 前記インサートは前記連接棒の端部の一方に延びる指部を有することを特徴とする請求項１記載の連接棒。
8. 前記インサートは少なくとも部分的に前記連接棒の端部の一方の穴部を包囲することを特徴とする請求項１記載の連接棒。
9. 前記連接棒の端部の一方はピストンに固定されるように寸法決めされ、前記インサートは前記ピストンに固定されるように寸法決めされた前記端部の拡大部を有することを特徴とする請求項１記載の連接棒。
10. 前記連接棒の端部の一方はクランクシャフトに固定されるように寸法決めされ、前記インサートは前記クランクシャフトに固定されるように寸法決めされる前記端部で拡大部を有することを特徴とする請求項１記載の連接棒。
11. 前記端部の一方は少なくとも部分的に鋳造金属材料により封入された焼結粉末金属インサートからなるベアリングキャップを有することを特徴とする請求項１記載の連接棒。
12. ２つの端部間にビーム部を有し、前記ビーム部と前記２つの端部が互いに一体的である鋳造連接棒を形成する方法において、
    焼結粉末金属インサートを金型内に配置する工程と；
    前記連接棒の少なくとも前記ビーム部が鋳造金属材料により部分的に封入された前記インサートを含むように溶融金属材料を前記金型内に導入する工程と；
    を具備することを特徴とする方法。
13. 前記鋳造金属材料が前記焼結粉末金属材料よりより機械加工可能な材料であることを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 前記金属材料がアルミ合金であることを特徴とする請求項１２記載の方法。
15. 前記焼結粉末金属インサートが大多数の鉄からなることを特徴とする請求項１２記載の方法。
16. 前記焼結粉末金属インサートが細孔を含むように形成され、前記溶融金属材料が少なくとも部分的に前記インサートの細孔を浸透することを特徴とする請求項１２記載の方法。
17. 前記インサートが指部を含むように形成され、前記指部は前記指部が前記鋳造連接棒の端部の一方に延びるように前記金型内に配置されることを特徴とする請求項１２記載の方法。
18. 前記インサートは前記インサートが少なくとも部分的に前記鋳造連接棒の端部の一方の穴を包囲するように前記金型内に配置されることを特徴とする請求項１２記載の方法。

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