JP5295245B2 - 内燃機関の２分割されたピストン - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載した内燃機関のための２分割されたピストンに関する。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第２４３４９０２号明細書には、ベース体を有し、該ベース体の下側に２つのピンボス部が一体成形された、内燃機関の複数部分より成るピストンについて開示されている。ベース体は下部にピストンスカート有し、上部が半径方向外側でリングエレメントに接続されている。上記ドイツ連邦共和国特許出願公開第２４３４９０２号明細書によれば、ベース体をピストンスカート及びリングエレメントに接続するために、ブレイズ溶接法（Loetschweissverfahren）、つまりろう付け結合法が使用される。この場合、リングエレメントは、前記リングエレメントによって形成された、ピストンクラウン部の部分の半径方向内側に第１のはんだ接続部を有している。ベース体によっても、またリングエレメントによって形成された、ピストンクラウン部の部分によっても、壁厚が非常に薄くなるので、はんだ接続部の軸方向長さは非常に短くなり、ひいては強度が低くなる。

しかも、リングエレメントは、ピストンクラウン部とは反対側が、半径方向で見て比較的長い下部のはんだ接続部を介してベース体に接続されている。この場合、ピストンクラウン部は、燃焼凹部内で行われる燃料空気混合気の爆発的な燃焼による圧力負荷に基づいて、並びにピストンクラウン部の領域内に発生する非常に高い温度によって、半径方向で部分的に圧力負荷により、かつ部分的に温度により伸張し、リングエレメントは漏斗状に拡張し、下部のはんだ接続部は強い引張負荷にさらされる。従来技術により公知のピストンは、下部のはんだ接続部に作用する前記のような引張負荷を減少させるための構造的な手段を、下部のはんだ接続部の領域内に設けることができない、という欠点がある。

本発明の課題は、このような従来技術の欠点を避けることである。この課題を解決した本発明の手段は、請求項１の特徴部に記載されている。本発明の有利な実施態様は、従属請求項に記載されている。

本発明によれば、リングエレメントの漏斗状の拡張部において、はんだ接続部の近傍に配置された、壁厚の薄い環状の壁部領域がヒンジ状に変形し、これによって、エンジン運転中にはんだ接続部に作用する引張負荷が著しく減少される。

以下に図面を用いて本発明の実施例を説明する。

ピストンベース体とリングエレメントとから成る、本発明によるピストンの分解図である。 本発明によるピストンの組立後の斜視図である。 図２のIII−III線、及びピストン軸線に沿った、ピストンの断面図である。 はんだ接続部の構成を示す、冷却通路の領域内におけるピストンの部分断面図である。 変化実施例によるはんだ接続部の構成を示す、冷却通路の領域内におけるピストンの部分断面図である。 冷却通路の領域内におけるピストンブランク（ピストンの未加工鋳造品）の部分断面図である。

図１は、ピストンベース体２とリングエレメント３とから成るピストン１の分解図を示す。ピストンベース体２及びリングエレメント３は、ＡＦＰ鋼より形成されている。つまり、ＤＩＮ ＥＮ１０２６７によるマンガン−バナジウムをベースとするマイクロアロイ型の析出硬化されたフェライトパーライト鋼より成っている。ピストンベース体２とリングエレメント３とは、ピストン１の組立範囲内で互いにはんだ付けされる。

リングエレメント３は、リング（環）状に形成されたピストンクラウン部４を形成していて、その半径方向外側に、図示していないピストンリングを受容するためのピストンリング部５を有している。リングエレメント３の中央部に、及びピストン軸線６に対して回転対称的に円形の開口７が形成されており、この開口７は、ピストンクラウン部４の近傍で、ピストン１を組み立てる際にはんだ付け面として用いられる円筒形の第１の面８によって区切られている。

ピストンベース体２は、ほぼ板状の丸い中央部９より成っており、この中央部９の、前記ピストンクラウン部４とは反対側の下側に、互いに向き合う２つのスカート部１０と、互いに向き合いかつ前記スカート部１０を互いに接続するピンボス部１１とが、一体成形されている。ピンボス部１１の半径方向外側の端面側１２は、中央部９の半径方向外側の周面１３に対してピストン軸線６方向に引っ込んでいる。

中央部９の上側で半径方向外側に、環状に延びる通路状の切欠１４が一体成形されており、この通路状の切欠１４によって、半径方向内側に位置し、中央部９の上側に配置された環状に延在する環状リブ１５が包囲されており、該環状リブ１５の内室が、ピストン１の燃焼凹部１６を形成している。

ピストン１の有利な実施例によれば、環状リブ１５と燃焼凹部１６とは、ピストン軸線６に対して回転対称に構成されているのではなく、半径方向外側で窪み１７を有しており、これによって燃焼凹部１６内での燃料空気混合物の燃焼が改善される。

ピストンクラウン部側で、環状リブ１５の境界部は、環状に構成されており、これによってピストンクラウン部４′の一部が形成されている。しかもこれによって、半径方向外側に位置する円筒形の第２の面１８が形成されており、この第２の面１８は、リングエレメント３の前記第１の面８に対する対抗部材として同様にはんだ付け面として用いられ、前記第１の面８と、リングエレメント３とピストンベース体２との間の上部のはんだ接続部（２３、図３参照）を形成している。

半径方向外側で、前記中央部９はその上側に、はんだ付けとして用いられる環状の第３の面１９を有しており、この第３の面１９は、図１には図示されていない、リングエレメント３の下側の端面側に配置された、同様にはんだ付け面として用いられる第４の面２０と共に、リングエレメント３とピストンベース体２との間の下部のはんだ接続部を形成している。

リングエレメント３がピストンベース体２上に載せられて、このピストンベース体２にはんだ付けされると、ピストンクラウン部４，４′と燃焼凹部１６とピストンリング部５とスカート部１０とピンボス部１１とから成る、図２に示されたピストン１が得られる。

ピストン軸線６及び図２のIII−III線に沿った図３の断面図は、半径方向外側でリングエレメント３によって区切られ、半径方向内側で環状リブ１５によって区切られ、かつ下側でピストンベース体２の中央部９の切欠１４によって区切られた、環状の冷却通路２１を示す。この冷却通路２１は、図示していない、ピストン内室２２内に開口するオイル供給及びオイル導出通路を有している。図面には、第１の面８と第２の面１８とによって形成された、軸方向に向けられた上部のはんだ接続部２３と、第３の面１９と第４の面２０とによって形成された、半径方向に向けられた、ピストンベース体２とリングエレメント３との間の下部のはんだ接続部２４とが示されている。

この場合、第１の面８は、ピストンクラウン部４を形成する、リングエレメント３のカバー部２５の半径方向内側を区切っており、この場合、カバー部２５の、ピストンクラウン部と反対側には、上方に向けられた環状の切欠２６が一体成形されており、この環状の切欠２６は、壁厚の薄い上部の壁部領域４９を形成している。この場合、上部のはんだ接続部２３の長さｂと、壁厚の薄い上部の壁部領域４９の最小厚さａとの間の比は、１乃至３つまり１＜ｂ／ａ＜３である。

ピストンクラウン部側で、リングエレメントの下側の端面側を形成する第４の面２０に、リングエレメント３の半径方向内側に一体成形され、かつ半径方向外側に向けられた別の環状の切欠２７が続いており、この環状の切欠２７は、壁厚の薄い下部の壁部領域５０を形成している。この場合、下部のはんだ接続部の長さｃと壁厚の薄い下部の壁部領域５０の最小厚さｄとの間の比は、同様に１乃至３、つまり１＜ｃ／ｄ＜３である。切欠２７は、ピストンリング部５と下部のはんだ接続部２４との間に配置されている。

ピストン１，１′，１″が温度負荷及び／又は圧力負荷を受けると、図５の拡大図に示されているように、ピストン１，１′，１″の上部が拡張する。この場合、切欠２６及び２７によって形成され、かつピストン上部の拡張部２８をヒンジ状に変形させる、リングエレメント３，３′の弾性的に可撓性である薄壁状の領域が設けられていることによって、はんだ接続部２３，２４，２４′に作用する引張負荷は、はんだ接続部２３，２４，２４′が長時間のエンジン運転後にも維持される程度に減少される。

図４には、冷却通路２１′の領域内におけるピストン１′の構成が示されており、この場合、リングエレメント３″の上部のカバー領域２５′は、壁厚の薄い上部の壁部領域４９内で半径方向内方に、最小の壁厚ａの範囲まで達していて、ここで半径方向内側に位置する円筒形の面３１を形成している。この円筒形の面３１は、ピストンクラウン部側で環状リブ１５に一体成形され、かつ半径方向外側に向けられた環状のカラー部３０の、半径方向外側に位置する円筒形の面２９と共に、上部のはんだ接続部３２を形成している。

ピストンクラウン部とは反対側で、前記円筒形の面２９は、環状に延在する段状の一体成形部３４によって区切られており、この一体成形部３４にカバー部２５′の半径方向内側の端部が載っている。

リングエレメント３″の、ピストンクラウン部とは反対側の端面側２０′は、図４の実施例では、半径方向内側に環状に延びる段状の切欠３５を有しており、この切欠３５は、ピストンクラウン部側で、中央部９′の半径方向外側の周面１３′に一体成形された環状のカラー部３６に嵌合するようになっているので、ピストン１′を組み立てる際に、リングエレメント３″は、カラー部３６が切欠３５内に設置され、リングエレメント３″のカバー部２５′が前記一体成形部３４に当接するまで、カラー部３６に沿ってずらされる。下部のはんだ接続部３３は、リングエレメント３″の、ピストンクラウン部とは反対側の端面側で、カラー部３６と切欠３５のピストンスカート側の内側面５２とによって形成される。

これによって、リングエレメント″は、ピストンベース体２′に被せ嵌められる際に上部のはんだ接続部３２の面２９及び３１を介してガイドされ、かつセンタリングされるのではなく、ピストン１′の組み付け時に、下部のはんだ接続部３３のカラー部３６を介してリングエレメント３″の付加的なガイド及びセンタリングも得られるようになっている。図３及び図５に示したピストン１，１″の実施例による、半径方向内側に配置された唯一の切欠２７の代わりに、図４に示したピストン１′の実施例は、下部のはんだ接続部３３の上側においてリングエレメント３″の内側にも外側にもそれぞれ１つの環状の切欠４７及び４８を有しており、これらの切欠４７及び４８はこの実施例では壁厚ｄを有する下部の壁厚の薄い下部の壁部領域５０′を形成している。この下部の壁部領域５０′は、ピストン上部を拡張部２８（図５参照）において拡張させる際にヒンジ状に変形し、それによって下部のはんだ接続部３３に作用する引っ張り負荷を減少させるようになっている。切欠４７及び４８は、下部のはんだ接続部３３とピストンリング部５との間に配置されている。

図５に示したピストン１″の構成では、はんだ接続部２４′は、円錐形に下方に先細りする、リングエレメント３′の下側の面３７と、同様に円錐形に下方に向かって先細りする、中央部９″の面３８とから形成されており、この場合、前記面３８は、中央部９″の半径方向外側の領域のピストンクラウン側を仕切っている。前記下側の面３７と前記中央部９″の面３８とを大きくすることによって、円錐形に下方に先細りする、長さｃを有するはんだ接続部２４′が大きくなり、ひいては、下側のはんだ接続部２４′の強度がさらに改善される。

図６に示されているように、本発明によるピストン１は、まず、ピストンベース体２のためのブランク３９とリングエレメント３のためのブランク４０とを鍛造することによって製作される。この図６では、２つのブランク３９及び４０がハッチングによって示され、最終的に製作されたピストン１が、前記ハッチングでしめされた面内に破線で示されている。リングエレメント３は、圧延法又は引き抜き法によって製作されてもよい。この場合、ブランク４０の、ピストンクラウン部側の半径方向内側の縁部は面取り部４１を備え、ブランク３９の、ピストンクラウン部側の半径方向外側の縁部は面取り部４２を備えている。これらの面取り部４１，４２によって、２つのブランク３９，４０が組み立てられた時に、断面図で見て環状の楔型の切欠４３が形成される。

さらに、ブランク３９の鍛造工程時に、第３の面１９の、ピストンクラウン部側の半径方向外側の縁部に、断面図で見て少なくともほぼ方形の、環状に延びる突起４４が一体成形される。前記切欠４３及び突起４４は、２つのブランクをはんだ付けによって接続する際に、次のような目的（以下に詳しく説明されている）を有している。

次いで、ブランク３９の環状リブ１５の半径方向外側面、及び中央部９の表面に、回転切削によって特に図１に示された回転対称的な輪郭形状が与えられ、この場合、切欠１４が形成される。図１に示した窪み１７は、環状リブ１５の半径方向外側にフライス切削によって製作される。次いで回転切削によって、リングエレメント３の半径方向の内側面４５の回転対称的な輪郭形状及び特に切欠２６，２７，４７，４８が形成される。

次いで、２つのブランク３９，４０が互いにはんだ付けされる。この場合、まず、ブランク３９，４０は、前記第１の面８と第２の面１８との間、及び前記第３の面１９と第４の面２０との間に、それぞれ１０μｍ乃至２００μｍの幅を有するギャップが得られる。ブランク３９と４０とを組み合わせる際に、幅１０μｍ乃至２００μｍを有する前記ギャップは、前記第１の面８と第２の面１８、及び第３の面１９と第４の面２０は、形状結合（形状による束縛）することなしに互いに接触せしめられる。

次いで、前記切欠４３と前記突起４４のピストンクラウン部側の面とに、ニッケルをベースとしたはんだペーストが塗布され、次いで２つのブランク３９，４０は、はんだペーストと共に１１５０℃に加熱される。この場合、はんだペーストは液化し、毛管現象に基づいて前記第１の面８と第２の面１８との間、及び前記第３の面と第４の面２０との間に侵入し、液化したはんだは、毛管現象に基づいて前記第１の面８と第２の面１８との間及び前記第３の面と第４の面２０との間に、前記寸法（幅１０μｍ乃至２００μｍ）を有するギャップを形成する。これによって、前記第１の面８，第２の面１８、第３の面及び第４の面２０は完全に濡らされる。次いで行われるピストン１の冷却工程中に、はんだペーストは硬化し、部分的に加工された２つのブランク３９と４０とに間に確実なはんだ接続が得られる。

図４に示したリングエレメント３″及びピストンクベース体２′の構成において、面２９と面３１とが精密回転切削加工によって加工され、前記カラー部３６が切欠３５内に狭いギャプを保って固定された後で、前記２つの面２９と３１との間のギャップが前記１０μｍ乃至２００μｍの寸法を有することによって、上部のはんだ接続部３２の面２９と面３１との間に、確実なはんだ接続を得るために十分な寸法（１０μｍ乃至２００μｍ）を有するギャップが得られる。

この場合、ピストン１′を組み立てる際に、リングエレメント３″のカバー部２５′に当て付けられる一体成形部３４が設けられていることによって、カラー部３６のピストンクラウン部側の端面５１及び、切欠３５のピストンスカート側の内側面５２とが、ピストンの組み立て後に、互いに１０μｍ乃至２００μｍの間隔を有するようになっているので、確実なはんだ接続のために十分に広い幅を有するギャップが得られる。

図５に示したリングエレメント３′及びピストンベース体２″の構成において、第１の面８及び第２の面１８を相応に微細加工した後で、リングエレメント３′が該リングエレメント３′の円錐形に調整された下側の面３７を介して、ピストンベース体２″の、一様に円錐形に成形された半径方向外側の、ピストンクラウン側の面３８上に載せられ、この際に、リングエレメント３′だけが、前記２つの面３７及び３８の円錐性によって、ピストン軸線を中心にして左右対称に調整されることによって、上部の確実なはんだ接続部２３のための、第１の面８と第２の面１８との間の１０μｍ乃至２００μｍの一定な幅を有するギャップが得られる。この場合、毛管現象に基づいて、加熱後に液状になったはんだが前記面３７と面３８との間に侵入し、それによってこれらの面３７と３８との間の確実なはんだ付けがえられる。

２つのピストン部分を接続するためにはんだ付けを用いることによって、１１５０℃のはんだ付け温度（この温度にピストンが加熱される）は、２つのブランク３９及び４０を鍛造する鍛造温度でもあるので、冷却時に、ＡＦＰ鋼のために典型的である材料特性を効果的に調整することができる、という利点が得られる。

次いで、図６に破線で示された、ピストン１の回転対称的な外側輪郭形状が、回転切削によって形成され、また同様に破線で示された非回転対称的な、燃焼凹部１６の内側面４６がフライス切削によって製作される。この場合、ピストンベース体２，２′，２″とリングエレメント３，３′，３″とを互いに溶接することもできる。

ａ 壁厚の薄い上部の壁部領域４９の厚さ
ｂ 上部のはんだ接続部の長さ
ｃ 下部のはんだ接続部の長さ
ｄ 壁厚の薄い下部の壁部領域５０，５０′の厚さ
１，１′，１″ ピストン
２，２′，２″ ピストンベース体
３，３′，３″ リングエレメント
４，４′ ピストンクラウン部
５ ピストンリング部
６ ピストン軸線
７ 開口
８ 第１の面
９，９′，９″ 丸い中央部
１０ スカート部
１１ ピンボス部
１２ ピンボス１１の端面側
１３，１３′ 中央部９の周面
１４ 切欠
１５ 環状リブ
１６ 燃焼凹部
１７ 窪み
１８ 第２の面
１９ 第３の面
２０，２０′ 第４の面
２１，２１′ 冷却通路
２２ ピストン内室
２３ 上部のはんだ接続部
２４，２４′ 下部のはんだ接続部
２５，２５′ カバー部
２６，２７ 切欠
２８ 拡張部
２９ 面
３０ カラー部
３１ 面
３２ 上部のはんだ接続部
３３ 下部のはんだ接続部
３４ 一体成形部
３５ 切欠
３６ カラー部
３７ リングエレメント３′の下側の面
３８ 中央部９″の面
３９ ピストンベース体２のためのブランク（未加工鋳造品）
４０ リングエレメント３のためのブランク
４１，４２ 面取り部
４３ 切欠
４４ 突起
４５ リングエレメント３の内側面
４６ 燃焼凹部１６の内側面
４７，４８ 切欠
４９ 壁厚の薄い上部の壁部領域
５０，５０′ 壁厚の薄い下部の壁部領域
５１ カラー３６のピストンクラウン側の端面
５２ 切欠３５のスカート側の内側面

Claims (2)

1. 内燃機関の２分割されたピストン（１，１′，１″）であって、ピストンベース体（２，２′，２″）とリングエレメント（３，３′，３″）とから成っており、
   前記ピストンベース体（２，２′，２″）が、実質的に板状の丸い中央部（９，９′，９″）を有しており、該中央部の半径方向で見た直径寸法が、ピストン（１，１′，１″）の半径方向で見た直径寸法と少なくともほぼ同じであって、
   前記中央部（９，９′，９″）の下側に、互いに向き合う２つのスカート部（１０）と、これらのスカート部（１０）を互いに接続する、互いに向き合う２つのピンボス部（１１）とが一体成形されており、
   前記中央部（９，９′，９″）の上側に、該中央部（９，９′，９″）の半径方向外側の縁部に対して半径方向内側に引っ込んでいる、環状に延在する環状リブ（１５）が一体成形されていて、該環状リブ（１５）が燃焼凹部（１６）の半径方向外側の境界部を形成しており、
   前記リングエレメント（３，３′，３″）が、該リングエレメントの半径方向で外側の面にピストンリング部（５）を有しており、
   前記リングエレメント（３，３′，３″）が、該リングエレメント（３，３′，３″）によって少なくとも部分的に形成されたピストンクラウン部（４）の半径方向内側に配置された、ピストン軸線に沿った断面における長さｂを有する上部のはんだ接続部（２３，３２）と、半径方向外側で前記中央部（９，９′，９″）の上側に配置された、ピストン軸線に沿った断面における長さｃを有する下部のはんだ接続部（２４，２４′，３３）とを介して、前記ピストンベース体（２，２′，２″）にはんだ付けされている形式のものにおいて、
   前記リングエレメント（３，３′，３″）が、一方では前記ピストンクラウン部（４）の領域内で前記上部のはんだ接続部（２３，３２）の半径方向外側に、環状に延在する壁厚の薄い上部の壁部領域（４９）を有し、他方では、前記ピストンリング部（５）と下部のはんだ接続部（２４，２４′，３３）との間に、環状に延在する壁厚の薄い下部の壁部領域（５０，５０′）を有しており、前記壁厚の薄い上部の壁部領域（４９）の厚さ（ａ）寸法が上部のはんだ接続部（２３，３２）の長さ（ｂ）寸法よりも小さく、前記壁厚の薄い下部の壁部領域（５０，５０′）の厚さ（ｄ）寸法が下部のはんだ接続部（２４，２４′，３３）の長さ（ｃ）寸法よりも小さく、これにより、前記壁厚の薄い上部の壁部領域（４９）及び前記壁厚の薄い下部の壁部領域（５０，５０′）は、ピストンが温度負荷及び／又は圧力負荷を受けた際に、ピストン上部をヒンジ状に拡張変形させるよう構成されており、
   下部のはんだ接続部（２４，２４′）とピストンリング部（５）との間で、前記リングエレメント（３，３′）の半径方向内側に、半径方向外方に向けられた環状の切欠（２７）が一体成形されていて、該切欠（２７）が前記壁厚の薄い下部の壁部領域（５０）を形成していることを特徴とする、内燃機関の２分割されたピストン（１，１′，１″）。
2. 前記下部のはんだ接続部（２４′）が、リングエレメント（３′）の、下方に向かって円錐形に先細りする下側の面（３７）と、下方に向かって同様に円錐形に先細りし、かつ中央部（９″）の半径方向外側の領域を、ピストンクラウン側で仕切る面（３８）とから形成されている、請求項１記載のピストン（１″）。

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