JPS61126358A - Built up piston for engine - Google Patents

Built up piston for engine

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JPS61126358A
JPS61126358A JP24832684A JP24832684A JPS61126358A JP S61126358 A JPS61126358 A JP S61126358A JP 24832684 A JP24832684 A JP 24832684A JP 24832684 A JP24832684 A JP 24832684A JP S61126358 A JPS61126358 A JP S61126358A
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JP
Japan
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piston
piston head
metal alloy
strength metal
alloy thin
Prior art date
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Application number
JP24832684A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshihiko Tsuzuki
都築　義彦
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Filing date
Publication date
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Publication of JPS61126358A publication Critical patent/JPS61126358A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)

Abstract

PURPOSE:To both enhance mass productivity of a piston and reduce its size and weight, by combining a small thickness member of high strength metal alloy with a piston main unit part and a piston head part and connecting these parts by shrinkage fit due to a high temperature. CONSTITUTION:A small thickness member 3, 4 of high strength metal alloy is combined by junction means of cast wrapping or the like with a connection portion between a piston main unit part 1 consisting of light alloy material and a piston head part 2 consisting of ceramic material, respectively. The small thickness member 3, being made of material in an equal system to the small thickness member 4 and formed in a small thickness cylindrical shape with a flange, is integrally connected by cast wrapping with the piston main unit 1. A connection fixed part 6 is finished by processing work with a necessary fitting margin. And the piston main unit part 1, being heated to a high temperature just below the normally applied temperature of a light alloy material, forcedly inserts by temperature difference fit the cooled piston head part 2 of ceramic material to be fitted. In this way, a piston, enhancing its mass productivity, can be formed in small size and in light weight.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、エンジン用組立式ピストンに関し、詳しく、
は、軽合金材料からなるピストン本体部とセラミック材
料からなるピストンヘッド部との、それぞれに同系材質
の高強度金属合金薄肉部材を一体的に接合もしくは結合
させ、ピストン本体部とピストンヘッド部を通常より高
温の焼ノ＼メによるプリロードを付与さすた弾性変形状
態に結合・固定することによって、軽量かつ耐久信頼性
及び耐衝撃性に優れ、しかも、固有振動数特性をも向上
することのできるエンジン用組立式ピストンにかかる。[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a prefabricated piston for an engine.
The piston body made of a light alloy material and the piston head made of a ceramic material are integrally joined or combined with high-strength metal alloy thin-walled members made of the same material, respectively, and the piston body and the piston head are normally connected. An engine that is lightweight, has excellent durability, reliability, and impact resistance, and also has improved natural frequency characteristics by being bonded and fixed in an elastically deformed state with preload applied by baking at a higher temperature. It depends on the prefabricated piston.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

エンジン用ピストンにおいて、ピストンヘッド部にセラ
ミック材料を配設して耐熱特性を改善することによって
、エンジンの性能を向上することのできることは既に周
知の事実である。It is already well known that engine performance can be improved by disposing a ceramic material in the piston head of an engine piston to improve heat resistance.

とりわけ、直接噴射式のディーゼルエンジン用のピスト
ンにおいて、その効果が著しいことが知られている。It is known that this effect is particularly remarkable in pistons for direct injection diesel engines.

また、ピストン全体を金属材料により形成して、耐熱性
の要求されるピストン頂面に対してセラミック溶射層を
形成させる方法も試みられているものの、量産性に劣る
という問題点がある。Furthermore, attempts have been made to form the entire piston from a metal material and form a ceramic sprayed layer on the top surface of the piston, which requires heat resistance, but this method has the problem of poor mass productivity.

また、従来における高性能ピストンの開発の経過におい
て、実験室段階においてはスペース的な制約を考慮する
必要がないことから、スペースを大きく採った構成とす
ることによって自由に設計することができ、耐久信頼性
の観点からすると問題ないものの、量産性、コンパクト
性、低価格性を備えたピストンとする技術は未だ完成さ
れていないのが現状である。In addition, in the process of conventional development of high-performance pistons, there is no need to consider space constraints at the laboratory stage, so by creating a configuration that takes up a large space, it is possible to design freely and increase durability. Although there is no problem from a reliability standpoint, the technology to create a piston that is mass-producible, compact, and inexpensive has not yet been perfected.

さて、エンジン用組立式ピストンに関しては、古くは、
カミンズ社において開発された、鉄基合金材料からなる
ピストン本体部の中央部にセラミック材料からなるピス
トンヘッド部を、単にボルトにより固定する方法が試み
られているが、軽合金材料とセラミック材料とにおける
熱膨脹係数に対する対策が充分でないことから実用化さ
れるにいたっていない。Now, regarding engine pistons, in the old days,
A method developed by Cummins Inc. in which a piston head made of a ceramic material is simply fixed with bolts to the center of a piston body made of an iron-based alloy material has been attempted; It has not been put into practical use because measures against the coefficient of thermal expansion are insufficient.

一方、最近のセラミック材料は強度に優れ鉄基合金に匹
敵するといわれており、ピストン本体部となるＡ１合金
等の軽合金材料により、ピストンヘッド部となるセラミ
ック材料を鋳ぐるんで高性能ピストンを製造しようとい
う試みも実施されているが、鋳ぐるみ後の冷却による熱
収縮時におけるＡ１合金とセラミック材料との間に生成
される過大熱応力を無視することができず、加えて、セ
ラミック材料の耐衝撃性に劣る特性に基づく亀裂の発生
、もしくは、セラミック材料の弾性変形量が小さいこと
から、軽合金材料とセラミック材料　　　　゛とにおけ
る熱膨脹係数の差が大きいことに基づく当接弾力性不足
等による長時間の耐久信頼性不足の問題等から、実用化
にいたっていないのが現状である。On the other hand, recent ceramic materials are said to have excellent strength and are comparable to iron-based alloys, and high-performance pistons are manufactured by casting light alloy materials such as A1 alloy that form the piston body into ceramic materials that form the piston head. However, the excessive thermal stress generated between the A1 alloy and the ceramic material during heat shrinkage due to cooling after casting cannot be ignored, and in addition, the resistance of the ceramic material cannot be ignored. Cracks may occur due to poor impact resistance, or due to the small amount of elastic deformation of ceramic materials, the length may be due to insufficient contact elasticity due to the large difference in coefficient of thermal expansion between light alloy materials and ceramic materials. Currently, it has not been put into practical use due to problems such as insufficient durability and reliability over time.

また、セラミック材料の中には、ＺｒＯ２のように鉄基
合金の熱膨脹係数に近似したものを利用して、鉄系合金
鋳物のピストン本体部にセラミック材料からなるピスト
ンヘッド部を組合わせる方式も有力であるが、ピストン
を軽量化しようというピストン本来の目的からすると不
利となることはいなめない。Another promising method is to combine a piston head made of ceramic material with a piston body made of iron-based alloy casting by using ceramic materials such as ZrO2, which has a thermal expansion coefficient similar to that of iron-based alloys. However, considering the original purpose of the piston, which is to reduce the weight of the piston, this is not a disadvantage.

上述のように、ピストン自体としては、軽量であること
が本来の目的であることから、Ａ１合金がピストン本体
部としては望ましいものとすると、ピストンヘッド部の
セラミック材料と熱膨脹係数の差が大きい（約１８Ｘ１
０／”Ｃ）という問題点があり、従って、別部材構成と
して軽合金材料からなるピストン本体部とセラミック材
料からなるピストンヘッド部を結合・固定したエンジン
用組立式ピストンを具体的に構成することが困難であっ
た。As mentioned above, the original purpose of the piston itself is to be lightweight, so if A1 alloy is desirable for the piston body, there is a large difference in coefficient of thermal expansion from the ceramic material of the piston head ( Approximately 18X1
Therefore, it is necessary to specifically construct an assembled piston for an engine in which a piston body made of a light alloy material and a piston head made of a ceramic material are combined and fixed as separate parts. was difficult.

ところで、発明者は既に上述のようなピストン本体部と
ピストンヘッド部とを別部材として構成するという思想
に基づいて「エンジン用組立式ピストン」を提案してお
り、特に、軽合金材料からなるピストン本体部に対して
セラミック材料からなるピストンヘッド部の係止手段と
して、「ねじ部構成」としたものも既に提案している（
ＵＳＰ。By the way, the inventor has already proposed an "assembly-type piston for engines" based on the idea of configuring the piston body and the piston head as separate members, as described above, and in particular, the inventor has proposed a piston made of a light alloy material. We have already proposed a screw structure as a means of locking the piston head made of ceramic material to the main body (
U.S.P.

４３４３２２９号）。No. 4343229).

本発明は、上記既提案の発明を利用してさらに実用性を
高めるべく改善を加えたものである。The present invention utilizes the above-mentioned previously proposed inventions and makes improvements to further improve its practicality.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

上述のような従来の技術の現状に鑑み、本発明が解決し
ようとする問題点は、軽合金材料からなるピストン本体
部とセラミック材料からなるピストンヘッド部を別部材
として形成し、両者を一体的に結合・固定した従来のエ
ンジン用組立式ピストンにおいては、両者の熱膨脹係数
の差及びピストンヘッド部としてのセラミック材料の耐
衝撃性。In view of the current state of the prior art as described above, the problem to be solved by the present invention is to form the piston body made of a light alloy material and the piston head part made of a ceramic material as separate members, and to integrate them into one piece. In conventional assembled pistons for engines that are connected and fixed to the piston, there is a difference in the coefficient of thermal expansion between the two, and the impact resistance of the ceramic material used as the piston head.

低塑性変形性等のため、実験室的には充分な耐久信頼性
を確保できていながら、実用的なエンジン用ピストンと
して、量産性、コンパクト性、低価格性という観点から
すると技術的に未だ完成されていないことである。Although it has sufficient durability and reliability in the laboratory due to its low plastic deformability, it has not yet been technically perfected as a practical engine piston in terms of mass production, compactness, and low cost. This is something that has not been done.

従って、本発明の技術的課題とするところは、従来の異
種材料間の焼バメ法等による直接的な結合・固定手段を
採用するのではなく、高強度金属合金薄肉部材の結合さ
れたピストン本体部と高強度金属合金薄肉部材の結合さ
れたピストンヘッド部を用いた、高強度金属合金薄肉部
材同士による通常より高温における焼バメの結合・固定
手段とすることにより、エンジン用組立式ピストンの量
産性、コンパクト性、低価格性を確保して実用性を高め
るとともに、軽量かつ耐衝撃性及び長時間の耐久信頼性
及び耐衝撃性に優れ、しかも、固有振動数特性をも向上
することにある。Therefore, the technical problem of the present invention is that instead of employing the conventional direct coupling and fixing means such as shrink fitting between different materials, the piston body is made of a thin-walled high-strength metal alloy member. mass production of assembled pistons for engines by using a piston head section in which a high-strength metal alloy thin-walled member is combined with a high-strength metal alloy thin-walled member as a means for connecting and fixing the high-strength metal alloy thin-walled members by shrink-fitting at higher temperatures than usual. In addition to increasing its practicality by ensuring flexibility, compactness, and low cost, it is also lightweight, has excellent impact resistance, long-term durability reliability, and impact resistance, and also improves natural frequency characteristics. .

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

このような従来の技術における問題点に鑑み、本発明に
おける従来の技術の問題点を解決するための手段は、軽
合金材料からなるピストン本体部と、セラミック材料か
らなるピストンヘッド部とを結合・固定してなるエンジ
ン用組立式ピストンであって、 前記軽合金材料からなるピストン本体部におけるピスト
ンヘッド部との結合・固定部位に、軽合金材料とセラミ
ック材料の中間的な熱膨脹係数を有する高強度金属合金
薄肉部材を鋳ぐるみ等の接合手段により結合させるとと
もに、他方、セラミツタ材料からなるピストンヘッド部
における当該結合・固定部位に、焼バメ等の結合手段に
より上記ピストン本体部に結合した金属合金と同系材質
の高強度金属合金薄肉部材を結合させ、上記高強度金属
合金薄肉部材を結合させたピストン本体部と上記高強度
金属合金薄肉部材を結合させたピストンヘッド部に対し
て、軽合金材料からなるピストン本体部を加熱変形温度
直下の高温とするとともにピストンヘッド部を冷却する
ことによって、ピストンヘッド部の圧入・嵌合可能とす
る温度差嵌め用の嵌合代を兵役して、ピストンヘッド部
をピストン本体部に圧入・嵌合して固定・結合したこと
を特徴とするエンジン用組立式ピストンから　　　　　
　！なっている。In view of these problems in the conventional technology, the present invention provides means for solving the problems in the conventional technology by combining a piston body made of a light alloy material and a piston head part made of a ceramic material. A fixed assembly type piston for an engine, wherein the piston main body made of the light alloy material has a high strength material having a coefficient of thermal expansion intermediate between that of the light alloy material and the ceramic material at the joint/fixation part with the piston head part. The metal alloy thin-walled member is joined by a joining means such as a casting, and on the other hand, the metal alloy joined to the piston body by a joining means such as a shrinkage fit is attached to the joining/fixing part of the piston head made of ceramic ivy material. High-strength metal alloy thin-walled members of the same type of material are combined, and a light alloy material is used for the piston body to which the above-mentioned high-strength metal alloy thin-walled members are combined and the piston head to which the above-mentioned high-strength metal alloy thin-walled members are combined. By heating the piston body to a high temperature just below the heating deformation temperature and cooling the piston head, the piston head can be press-fitted by reducing the fitting allowance for temperature difference fitting. From an assembly type piston for an engine, which is characterized by being press-fitted into the piston body and fixed and connected.
! It has become.

〔作用〕[Effect]

以下、本発明の作用について説明する。 Hereinafter, the effects of the present invention will be explained.

本発明において、軽合金材料からなるピストン本体部と
、セラミック材料からなるピストンヘッド部とを結合・
固定してなるエンジン用組立式ピストンであって、 前記軽合金材料からなるピストン本体部におけるピスト
ンヘッド部との結合・固定部位に、軽合金材料とセラミ
ック材料の中間的な熱膨脹係数を有する高強度金属合金
薄肉部材を鋳ぐるみ等の接合手段により結合させるとと
もに、他方、セラミック材料からなるピストンヘッド部
における当該結合・固定部位に、焼バメ等の結合手段に
より上記ピストン本体部に結合した金属合金と同系材質
の高強度金属合金薄肉部材を結合させ１．上記高強度金
属合金薄肉部材を結合させたピストン本体部と上記高強
度金属合金薄肉部材を結合させることとしているのは、
ピストン本体部とピストンヘッド部との結合・固定時に
おいて、ピストン本体部の高強度金属合金薄肉部材とピ
ストンヘッド部の高強度金属合金薄肉部材とにより一体
的なピストンとして結合・固定とすることによって、ピ
ストン本体部を構成する軽合金材料とピストンヘッド部
を構成するセラミック材料との直接的な結合・固定を避
けるためである。In the present invention, a piston body made of a light alloy material and a piston head made of a ceramic material are combined and
A fixed assembly type piston for an engine, wherein the piston main body made of the light alloy material has a high strength material having a coefficient of thermal expansion intermediate between that of the light alloy material and the ceramic material at the joint/fixation part with the piston head part. The metal alloy thin-walled member is connected by a joining means such as a casting, and on the other hand, the metal alloy is connected to the piston body by a joining means such as a shrinkage fit to the joining/fixing part of the piston head made of a ceramic material. 1. Join high-strength metal alloy thin-walled members made of similar materials. The piston main body to which the high-strength metal alloy thin-walled member is combined is coupled to the high-strength metal alloy thin-walled member because:
When the piston body and the piston head are connected and fixed, the high-strength metal alloy thin-walled member of the piston body and the high-strength metal alloy thin-walled member of the piston head are combined and fixed as an integral piston. This is to avoid direct bonding and fixation between the light alloy material that makes up the piston body and the ceramic material that makes up the piston head.

なお、本発明において、ピストン本体部に結合された高
強度金属合金薄肉部材とピストンヘッド部に結合された
高強度金属合金薄肉部材を同系材質の高強度金属合金と
し、薄肉部材構成としているのは、ピストン本体部とピ
ストンヘッド部における温度差嵌めにより圧入・嵌合す
るに当たって、周囲の温度変化に対してピストン本体部
とピストンヘッド部との間に温度差を発生しに（＜、従
って、焼バメ時におけるプリロード状態が維持されるか
らである。In addition, in the present invention, the high-strength metal alloy thin-walled member connected to the piston body and the high-strength metal alloy thin-walled member connected to the piston head are made of high-strength metal alloys of similar materials, and the thin-walled member structure is When press-fitting and fitting the piston body and piston head by temperature difference fitting, a temperature difference is generated between the piston body and the piston head due to changes in ambient temperature (<, therefore, This is because the preloaded state at the time of fitting is maintained.

また、本発明において、高強度金属合金薄肉部材とする
金属合金は、高強度であって熱膨脹係数が軽合金材料と
セラミック材料の中間的なものであればよく、高強度鉄
基合金、高強度チタン合金等を好適に通用することがで
きる。In addition, in the present invention, the metal alloy used as the high-strength metal alloy thin-walled member only needs to be high-strength and have a coefficient of thermal expansion intermediate between light alloy materials and ceramic materials, such as high-strength iron-based alloys, high-strength Titanium alloy or the like can be suitably used.

また、高強度金属合金薄肉部材は形状的には、薄肉部材
であればよく、ピストン本体部及びピストンヘッド部と
強固に接合もしくは結合される形状であればよい。In addition, the high-strength metal alloy thin member may be a thin member in terms of shape, as long as it is a shape that can be firmly joined or coupled to the piston body and the piston head.

また、本発明において、高強度金属合金薄肉部材を結合
させたピストン本体部と上記高強度金属合金薄肉部材を
結合させたピストンヘッド部に対して、軽合金材料から
なるピストン本体部を加熱変形温度直下の高温とすると
ともにピストンヘッド部を冷却することによって、ピス
トンヘッド部の圧入・嵌合可能とする温度差嵌め用の嵌
合代を兵役して、ピストンヘッド部をピストン本体部に
圧入・嵌合して固定・結合することとしているの６よ、
ピストン本体部とピストンヘッド部の温度差嵌めにより
圧入・嵌合することによって、熱膨脹係数の等しいピス
トン本体部の高強度金属合金薄肉部材とピストンヘッド
部の高強度金属合金薄肉部材とにより、ピストン本体部
とピストンヘッド部を通常より高温の焼バメによるプリ
ロードを付与させた弾性変形状態に結合・固定するため
である。Further, in the present invention, the piston body made of a light alloy material is heated to a deformation temperature for the piston body to which a high-strength metal alloy thin-walled member is combined and the piston head to which the above-mentioned high-strength metal alloy thin-walled member is combined. The piston head is press-fitted and fitted into the piston body by using a fitting allowance for temperature difference fitting, which allows the piston head to be press-fitted and fitted by cooling the piston head and making it directly below the high temperature. 6, which is supposed to be fixed and connected together.
By press-fitting and fitting the piston body and the piston head through temperature differential fitting, the high-strength metal alloy thin-walled member of the piston body and the high-strength metal alloy thin-walled member of the piston head, which have the same coefficient of thermal expansion, form the piston body. This is to connect and fix the piston head part and the piston head part in an elastically deformed state with a preload applied by shrink fitting at a higher temperature than usual.

また、本発明において、軽合金材料からなるピストン本
体部とセラミック材料からなるピストンヘッド部に、結
合させる高強度金属合金薄肉部材を、軽合金材料とセラ
ミック材料の中間的熱膨脹係数を有する材料としている
のは、ピストン本体部とピストンヘッド部との熱膨脹係
数差を緩和して、組立られたピストンにおける両者の結
合・固定状態を良好なものとするためである。Furthermore, in the present invention, the high-strength metal alloy thin member to be joined to the piston body made of a light alloy material and the piston head made of a ceramic material is made of a material having a coefficient of thermal expansion intermediate between that of the light alloy material and the ceramic material. This is to alleviate the difference in thermal expansion coefficients between the piston body and the piston head, and to improve the state of connection and fixation between the two in the assembled piston.

また、本発明において、上記ピストン本体部とピストン
ヘッド部とを結合・固定した後、高強度金属合金薄肉部
材同士の結合・固定部に対してレーザビーム等の高密度
エネルギによる溶接を付加することは、両者の結合・固
定状態をより強固なものとして、ピストンの固有振動数
特、性をも向上することから有効である。Further, in the present invention, after the piston main body and the piston head are joined and fixed, welding is performed using high-density energy such as a laser beam on the joint and fixed parts of the high-strength metal alloy thin-walled members. This is effective because it strengthens the connection and fixation between the two and improves the natural frequency characteristics and properties of the piston.

また、本発明において、ピストンヘッド部を構成するセ
ラミック材料の材質としては特に限定されるものでなく
、いわゆる、ファインセラミック　　　　ゞスとして周
知のｓｉ、Ｎ４．ＳｉＣ，ＺｒＯ２゜ＡＩ　２０．等の
種々のセラミック材料を好適に適用することができる。Further, in the present invention, the material of the ceramic material constituting the piston head portion is not particularly limited, and may include Si, N4, well-known so-called fine ceramics. SiC, ZrO2゜AI 20. Various ceramic materials such as can be suitably applied.

〔実施例〕〔Example〕

以下、添付図面に基づいて、本発明の詳細な説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the accompanying drawings.

（第１実施例） 第１図は、本発明のエンジン用組立式ピストンの第１実
施例を示す図である。(First Embodiment) FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of an assembly type piston for an engine according to the present invention.

第１図において、・１はピストン本体部、２はピストン
ヘッド部、２ａはピストン頂部のキャビティ部、３はピ
ストン本体部１におけるピストンヘッド部２との結合・
固定部６に鋳ぐるみにより結合された軽合金材料とセラ
ミック材料の中間的熱膨脹係数を有する高強度金属合金
薄肉部材、４はピストンヘッド部２におけるピストン本
体部１との結合・固定部６に、焼バメにより結合された
高強度金属合金薄肉部材、４ａはピストンヘッド部２の
高強度金属合金薄肉部材４を嵌合するためのねじ山部、
４ｂはピストンヘッド部２と高強度金属合金薄肉部材４
との焼へメ嵌合部、５は一体的鋳ぐるみ部、６は温度差
嵌めにより圧入・嵌合されたピストン本体部１とピスト
ンヘッド部２との結合・固定部、７ａは部分溶接部、８
は受圧平面部＋９ａはピストン本体部１の上方開口部で
ある。In Fig. 1, 1 is the piston body, 2 is the piston head, 2a is the cavity at the top of the piston, and 3 is the connection between the piston body 1 and the piston head 2.
A high-strength metal alloy thin-walled member having an intermediate coefficient of thermal expansion between a light alloy material and a ceramic material is connected to the fixing part 6 by casting, 4 is a connecting/fixing part 6 with the piston body part 1 in the piston head part 2, A high-strength metal alloy thin-walled member coupled by shrink fit; 4a is a threaded portion for fitting the high-strength metal alloy thin-walled member 4 of the piston head portion 2;
4b is a piston head portion 2 and a high-strength metal alloy thin-walled member 4
5 is an integrated casting part, 6 is a joining/fixing part between the piston body part 1 and the piston head part 2 which are press-fitted and fitted by temperature difference fitting, and 7a is a partial welding part. , 8
The pressure receiving plane portion +9a is the upper opening of the piston body portion 1.

そして、この実施例において、ピストン本体部ｌのピス
トンヘッド部２との結合・固定部６には、軽合金材料と
セラミック材料の中間的熱膨脹係数を有する高強度金属
合金薄肉部材３が、鋳ぐるみにより結合されている。In this embodiment, a thin-walled high-strength metal alloy member 3 having a thermal expansion coefficient intermediate between that of a light alloy material and a ceramic material is attached to the connecting/fixing part 6 of the piston body part l to the piston head part 2. are connected by.

また、ピストンヘッド部２には、ピストン本体部１との
結合・固定部６にピストン本体部１に結合させた金属合
金と同系材質の高強度金属合金薄肉部材４がねし構造を
なして結合されている。In addition, a high-strength metal alloy thin-walled member 4 made of the same type of metal alloy as the metal alloy bonded to the piston body 1 is connected to the piston head 2 in a screw structure to a connection/fixation portion 6 with the piston body 1. has been done.

本発明は従来のエンジン用組立式ピストンの実用化の可
能性を向上したものであり、４の実施例はピストンヘッ
ド部２と高強度金属合金薄肉部材４とをねじ締結構造と
して締結をより強固なものとしたものである。The present invention improves the possibility of practical application of the conventional assembled piston for engines, and the fourth embodiment has a screw fastening structure between the piston head portion 2 and the high-strength metal alloy thin member 4 to further strengthen the fastening. It was made into something.

さらに、上記高強度金属合金薄肉部材３の結合されたピ
ストン本体部１と高強度金属合金薄肉部材４の結合され
たピストンヘッド部２が直径φＤの円筒部（結合・固定
部６）で温度差嵌めにより圧入・嵌合（例えば、焼バメ
により）、結合されている。Further, there is a temperature difference between the piston body 1 to which the high-strength metal alloy thin-walled member 3 is connected and the piston head 2 to which the high-strength metal alloy thin-walled member 4 is connected at the cylindrical portion (joint/fixed portion 6) having a diameter φD. They are press-fitted and connected by fitting (for example, by shrink fitting).

次に、第２図に基づいて第１図に示すエンジン用組立式
ピストンの製造方法を説明する。Next, a method for manufacturing the assembly type piston for an engine shown in FIG. 1 will be explained based on FIG. 2.

まず、第２図（ａ）に示すように、いわゆる、ファイン
セラミンクスとして周知のＳｔ　ｚＮａ、ＳｉＣ，Ｚｒ
０ｚ、ＡｌｚＯｉ等のセラミック材料からなるピストン
ヘッド部２が、成形・焼成されて、受圧平面部８とねじ
形状部４ｂを基準寸法範囲となるように僅かに仕上加工
する。First, as shown in FIG. 2(a), St zNa, SiC, Zr
A piston head portion 2 made of a ceramic material such as OzOi or AlzOi is molded and fired, and the pressure-receiving flat portion 8 and threaded portion 4b are slightly finished so as to fall within the standard dimension range.

なお、この工程は、シム部を介在させて仕上加工を省略
してもよい。Note that in this step, the finishing process may be omitted by interposing a shim portion.

次に、第２図（ｂ）に示すように、ピストンヘッド部２
に螺合される高強度金属合金薄肉部材４を製作する。Next, as shown in FIG. 2(b), the piston head portion 2
A high-strength metal alloy thin-walled member 4 to be screwed together is manufactured.

この場合、通常においては高強度金属合金薄肉部材４と
してばね鋼を使用するのが望ましいが、通常の鋼であっ
ても充分弾性変形を利用しうる範囲にあり適用可能であ
る。In this case, it is usually desirable to use spring steel as the high-strength metal alloy thin member 4, but even ordinary steel can be used as it is within the range where sufficient elastic deformation can be utilized.

ついで、この高強度金属合金薄肉部材４がピストンヘッ
ド部２のねじ形状に適合させた形状に加工される。Next, this high-strength metal alloy thin member 4 is processed into a shape that matches the thread shape of the piston head portion 2.

なお、この加工において注意すべきことは、通常のねじ
形状ではなく、焼バメに通した嵌合代を有するねじ形状
とする必要がある。What should be noted in this process is that it is not a normal thread shape, but a thread shape that has a fit allowance for shrink fit.

また、高強度金属合金薄肉部材４の肉厚は、焼バメ温度
と引張締結のために必要な応力のバランスから自ずと定
まるものである。Further, the thickness of the high-strength metal alloy thin member 4 is naturally determined by the balance between the shrink fit temperature and the stress required for tensile fastening.

一方、高強度金属合金薄肉部材３は、第２図（Ｃ）に示
すように、高強度金属合金薄肉部材４と同系材質のフラ
ンジ付きの薄肉円筒形状で、ピストン本体部１に鋳ぐる
みにより一体的に結合されている。On the other hand, as shown in FIG. 2(C), the high-strength metal alloy thin member 3 has a thin cylindrical shape with a flange made of the same material as the high-strength metal alloy thin member 4, and is integrated into the piston body 1 by casting. are connected to each other.

また、結合・固定部６は必要とされる嵌合代にて仕上加
工される。Further, the coupling/fixing portion 6 is finished with a required fitting allowance.

特に、結合・固定部６の温度差嵌め用の圧入・嵌合代は
、本発明のポイントでもあり通正に管理　　　　　ｉす
ることが必要である。In particular, the press-fitting/fitting allowance for temperature differential fitting of the coupling/fixing part 6 is also a key point of the present invention, and must be properly managed.

このようにして軽合金材料の加熱温度直下の高温に加熱
されたピストン本体部１に、ドライアイス等により冷却
されたセラミック材料からなるピストンヘッド部２を温
度差嵌めにより圧入・嵌合するのである。In this way, the piston head section 2 made of a ceramic material cooled with dry ice or the like is press-fitted and fitted into the piston body section 1 heated to a high temperature just below the heating temperature of the light alloy material by temperature differential fitting. .

この時、ピストンヘッド部２をドライアイス等の冷却手
段により低温に冷却しても、ピストン本体部１がＡ１合
金であれば、その加熱温度が実質的に加熱変形温度直下
とする高温度に設定されても、高強度金属合金薄肉部材
３及び４は充分その応力に耐えることができる。At this time, even if the piston head part 2 is cooled to a low temperature by a cooling means such as dry ice, if the piston body part 1 is an A1 alloy, the heating temperature is set to a high temperature that is substantially just below the heating deformation temperature. Even if the stress is applied, the high-strength metal alloy thin members 3 and 4 can sufficiently withstand the stress.

しかも、ピストンの作動温度範囲においては、残留応力
が解放されることがなく、締結力を充分に確保すること
ができるのである。Moreover, within the operating temperature range of the piston, residual stress is not released, and sufficient fastening force can be ensured.

また、第１図の開口ピストン本体部構成であれば、飛散
する潤滑油１１により充分に一定温度に油冷却し得るも
のである。Further, with the open piston main body structure shown in FIG. 1, the oil can be sufficiently cooled to a constant temperature by the lubricating oil 11 that scatters.

なお、７ａに部分溶接部が示されているが、これは、補
強のためのもので必ずしも必要なものではなく、レーザ
ビーム溶接等により結合・固定部６となる円筒部に対し
て等分して数点の部分溶接をすればよく、この溶接によ
る補強をすることにより固有振動数特性からもピストン
の共振を防止してを効に寄与するものである。Although a partial welded part is shown in 7a, this is for reinforcement and is not necessarily necessary.The cylindrical part that will become the joining/fixing part 6 is divided into equal parts by laser beam welding or the like. It is only necessary to perform partial welding at several points, and this reinforcement by welding prevents resonance of the piston due to its natural frequency characteristics and contributes to its effectiveness.

（第２実施例） 第３図は、本発明のエンジン用組立式ピストンの第２実
施例を示す図である。(Second Embodiment) FIG. 3 is a diagram showing a second embodiment of an assembly type piston for an engine according to the present invention.

なお、この第２実施例において、前記第１図の第１実施
例と同一もしくは相当部分については、前記第１図と同
一の符合を付することにより説明を省略する。In this second embodiment, the same or corresponding parts as those in the first embodiment shown in FIG. 1 are given the same reference numerals as in FIG. 1, and the explanation thereof will be omitted.

第２実施例は第１実施例と比較すると、第３図に示すよ
うに、ピストンヘッド部２におけるピストン本体部１と
結合・固定する部位に第１実施例におけるねじ形状に対
して、ストレートな円筒面となっているものである。When compared with the first embodiment, the second embodiment has a straight thread in the portion of the piston head 2 that is connected and fixed to the piston body 1, as shown in FIG. It has a cylindrical surface.

薄肉円筒体４としては、例えば、鉄系合金を用いて通常
の焼バメに比較して高温となる高温加熱の焼バメが施こ
されている。The thin cylindrical body 4 is made of, for example, an iron-based alloy, and subjected to a high-temperature heating shrink fit, which is higher than that of a normal shrink fit.

このように、通常より高温の加熱による焼バメとするこ
とによって、焼ハメ後の冷却過程において過大の熱応力
を発生し、弾性変形による弾性伸びした状態でプリロー
ドの残留圧縮応力をセラミック材料からなるピストンヘ
ッド部２に及ぼすものである。In this way, by shrink-fitting by heating at a higher temperature than usual, excessive thermal stress is generated in the cooling process after shrink-fitting, and the residual compressive stress of the preload is absorbed by the ceramic material in an elastically stretched state due to elastic deformation. This applies to the piston head portion 2.

しかも、５ｉｉＮ４等のファインセラミックスは、圧縮
強度に優れた材料であることから、上述の残留圧縮応力
に充分たえることができるのである。Moreover, since fine ceramics such as 5iiN4 are materials with excellent compressive strength, they can sufficiently withstand the above-mentioned residual compressive stress.

なお、前述のセラミック材料の鋳ぐるみ時における残留
圧縮応力と比較すると、加熱温度の低い分だけ、また、
薄肉であるだけ有利であることはいうまでもない。In addition, compared to the residual compressive stress during casting of the ceramic material mentioned above, due to the lower heating temperature,
Needless to say, the thinner the wall, the more advantageous it is.

上述のようにして焼バメして室温に冷却した後、再び仕
上加工を施して、次の工程である高強度金属合金薄肉部
材４を結合したピストンヘッド部２をドライアイス等の
冷却剤により冷却し、一方高強度金属合金薄肉部材３を
結合させたピストン本体部１をＡ１合金の加熱変形温度
直下まで加熱して、ピストン本体部１にピストンヘッド
部２を温度差嵌めにより圧入・嵌合（例えば、焼ハメに
より結合）するのである。After shrink-fitting and cooling to room temperature as described above, finishing is performed again, and in the next step, the piston head portion 2 to which the high-strength metal alloy thin-walled member 4 is joined is cooled with a coolant such as dry ice. On the other hand, the piston body 1 to which the high-strength metal alloy thin member 3 is bonded is heated to just below the heating deformation temperature of the A1 alloy, and the piston head 2 is press-fitted into the piston body 1 by temperature differential fitting ( For example, they are joined by sintering.

なお、嵌合部位４ｃ及びピストン本体部ｌとピストンヘ
ッド部２との結合・固定部６における焼ハメ用面粗度に
ついては、本発明においては高強度金属合金薄肉部材３
及び４が同系材質であること、並びに、通常の焼バメに
比較すると高温焼ハメであることから問題となるもので
はない。In addition, in the present invention, the surface roughness for shrinkage in the fitting part 4c and the joining/fixing part 6 between the piston body part l and the piston head part 2 is determined by the high-strength metal alloy thin-walled member 3.
This does not pose a problem because 4 and 4 are of the same type of material, and because the shrink fit is a high temperature shrink fit compared to a normal shrink fit.

なお、第１実施例が第１図に示すようにピストン本体部
１のスカート部側が開口部９ａとなっているのに対して
、第２実施例においては第３図に示すように閉じた底付
き形状となっていることから、レーザビーム溶接等によ
る部分溶接部７ｂにより補強するためには、ドリル孔１
０を数箇所穿設して、レーザビーム溶接等の部分溶接を
実施する必要がある。In addition, as shown in FIG. 1 in the first embodiment, the skirt side of the piston main body 1 has an opening 9a, whereas in the second embodiment, the bottom is closed as shown in FIG. Since the shape is attached, in order to strengthen the partial welded part 7b by laser beam welding etc., it is necessary to drill the drill hole 1.
It is necessary to drill holes in several locations and perform partial welding such as laser beam welding.

また、第１実施例の結合・固定部６の高強度金属合金薄
肉部材３，４を冷却油１１により冷却し得るようにピス
トン本体部ｌを第１実施例のように開口部構成とするこ
とができることはもちろん、逆に、第１実施例のピスト
ン本体部１の開口部を第２実施例のように密閉タイプと
して補強の構成とすることも、条件次第により可能であ
ることは、いうまでもない。Further, the piston main body l has an opening structure as in the first embodiment so that the high-strength metal alloy thin-walled members 3 and 4 of the coupling/fixing part 6 of the first embodiment can be cooled by the cooling oil 11. Needless to say, depending on the conditions, it is possible to make the opening of the piston body 1 of the first embodiment into a closed type reinforcement structure as in the second embodiment. Nor.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上により明らかなように、本発明にかかるエンジン用
組立式ピストンによれば、従来の異種材料間の焼ハメ法
等による直接的な結合・固定手段を採用するのではなく
、高強度金属合金薄肉部材の結合されたピストン本体部
と高強度金属合金薄肉部材の結合されたピストンヘッド
部を用いた、高強度金属合金薄肉部材同士による通常よ
り高温における焼へメの結合・固定手段とすることによ
り、エンジン用組立式ピストンの量産性、コンパクト性
、低価格性を確保して実用性を高めるとともに、軽量か
つ耐衝撃性及び長時間の耐久信頼性及び耐衝撃性に優れ
、しかも、固有振動数特性をも向上することかできる利
点がある。As is clear from the above, according to the engine assembly type piston according to the present invention, instead of employing a direct connection and fixing means such as the conventional heat-fitting method between different materials, the high-strength metal alloy thin wall By using a piston body part with joined parts and a piston head part joined with a high-strength metal alloy thin-walled member, the high-strength metal alloy thin-walled members are used as a means for joining and fixing the shrinkage at higher temperatures than usual. In addition to ensuring mass production, compactness, and low cost of assembly-type engine pistons, they have increased practicality, are lightweight, have excellent impact resistance, long-term durability, reliability, and impact resistance, and have a low natural frequency. There is an advantage that the characteristics can also be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第１図は、本発明のエンジン用組立式ピストンの第１実
施例を示す縦断面図。 第２図は、本発明の第１実施例の組立式ピストンを製造
する工程を示す説明図。 第３図は、本発明のエンジン用組立式ピストンの第２実
施例を示す縦断面図である。 １−−−−−−ピストン本体部。 ２・−−−−−ピストンヘッド部。 ２ａ−−−−−−キャビティ部。 ３．４−−−−−一高強度金属合金薄肉部材。 ４　ａ　−−−−−−ねじ山部。 ４ｂ・−−−−−ねじ形状嵌合部位。 ４ｃｍ−−−−一円筒形状嵌合部位。 ５−−−−−・鋳ぐるみ部。 ６−−−−−一結合・固定・部。 ７　ａ、　　７　ｂ−−−−−一部分溶接部。 ８−・−・−受圧平面部。 ９ａ・−・−ピストン開口部。 ９ｂ−−−−−−ピストン中央底板部。 １０−−−−−−ドリル孔。 １１−・・・−冷却油。 Ｄ−−−−・−嵌合直径。 出願人　　トヨタ自動車株式会社 第１図 第２図 （ｂ） 第３図FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a first embodiment of an assembled piston for an engine according to the present invention. FIG. 2 is an explanatory diagram showing the process of manufacturing the assembly type piston according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a longitudinal cross-sectional view showing a second embodiment of an assembled piston for an engine according to the present invention. 1------ Piston main body. 2・----Piston head part. 2a------Cavity part. 3.4 - High strength metal alloy thin wall member. 4 a -------- Threaded portion. 4b・----Threaded fitting part. 4cm --- One cylindrical fitting part. 5-------・Casting part. 6-----One connection/fixation/part. 7 a, 7 b---Partially welded part. 8-・-・-Pressure receiving flat part. 9a -- Piston opening. 9b---Piston center bottom plate part. 10------Drill hole. 11-...-Cooling oil. D-----Fitting diameter. Applicant: Toyota Motor Corporation Figure 1 Figure 2 (b) Figure 3

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １、軽合金材料からなるピストン本体部と、セラミック
材料からなるピストンヘッド部とを結合固定してなるエ
ンジン用組立式ピストンであって、 前記軽合金材料からなるピストン本体部におけるピスト
ンヘッド部との結合・固定部位に、軽合金材料とセラミ
ック材料の中間的な熱膨脹係数を有する高強度金属合金
薄肉部材を鋳ぐるみ等の接合手段により結合させるとと
もに、他方、セラミック材料からなるピストンヘッド部
における当該結合・固定部位に、焼バメ等の結合手段に
より上記ピストン本体部に結合した金属合金と同系材質
の高強度金属合金薄肉部材を結合させ、上記高強度金属
合金薄肉部材を結合させたピストン本体部と上記高強度
金属合金薄肉部材を結合させたピストンヘッド部に対し
て、軽合金材料からなるピストン本体部を加熱変形温度
直下の高温とするとともにピストンヘッド部を冷却する
ことによって、ピストンヘッド部の圧入・嵌合可能とす
る温度差嵌め用の嵌合代を具設して、ピストンヘッド部
をピストン本体部に圧入・嵌合して固定・結合したこと
を特徴とするエンジン用組立式ピストン。[Scope of Claims] 1. An assembled piston for an engine comprising a piston body made of a light alloy material and a piston head made of a ceramic material, the piston body made of the light alloy material. A high-strength metal alloy thin-walled member having a coefficient of thermal expansion intermediate between that of a light alloy material and a ceramic material is connected to the joining/fixing part with the piston head part by a joining means such as a casting, and the other part is made of a ceramic material. A high-strength metal alloy thin-walled member made of the same material as the metal alloy bonded to the piston body is connected to the connecting/fixing portion of the piston head by a connecting means such as shrinkage fit, and the high-strength metal alloy thin-walled member is connected to the piston head at the connecting/fixing portion. By heating the piston body made of a light alloy material to a high temperature just below the heating deformation temperature and cooling the piston head, , an engine characterized in that the piston head is press-fitted and fitted into the piston body to be fixed and connected by providing a fitting allowance for temperature difference fitting that allows the piston head to be press-fitted and fitted. Assembly type piston.
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