JP6104237B2 - 内燃機関用のピストンおよび該ピストンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ピストン頂面と、当該ピストン頂面の近傍に、ピストンの半径方向の外側面に配置されたリング部分と、ピストン頂面とは反対の方向でリング部分に続く、互いに反対の側に位置する、スカートエレメントを介して互いに結合された２つのピンボスと、該ピンボスに加工されたそれぞれ１つのピン孔とを備え、該ピン孔の天底領域および赤道領域にはそれぞれ少なくとも１つの潤滑溝が形成されている、内燃機関用のピストンに関する。

冒頭で述べた形態のピストンは、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２５５７３１号明細書から公知である。このピストンにおいて不都合なのは、潤滑溝がピン孔の真ん中の領域に配置されているので、エンジン運転時にこれらの潤滑溝に緩慢にしか潤滑油が充填されないことである。先行技術から公知の潤滑溝の別の欠点は、該潤滑溝を製造するために、回転させられた旋削バイトが使用され、該旋削バイトはそれぞれ個々の回転時に潤滑溝の領域において、潤滑溝の要求された深さが達成されるまで、変位されなければならないことにある。

したがって、本発明の課題は、先行技術の欠点を回避し、一方ではピストンに、容易に潤滑材で充填可能である潤滑溝を備えることである。他方では、本発明の課題は、潤滑溝の製造を簡単にすることである。

上記課題は一方では以下の構成により解決される。すなわち、少なくとも１つの潤滑溝が、各ピン孔の半径方向内側の縁領域および／または半径方向外側の縁領域に配置されていて、潤滑溝平面が、ピストン軸線に対して傾斜して位置しているので、前記少なくとも１つの潤滑溝が、各ピンボスの半径方向の内側面および／または半径方向の外側面に開口している。ピンがピン孔内に位置している場合、ピンボスの内側面および／または外側面に複数の開口が生じ、これらの開口を通じて潤滑油がピン孔内に流入することができ、ひいてはピンの潤滑が改善される。

他方では、上記課題は以下のように解決される。すなわち、潤滑溝を製造するために、回転可能に支持された従来の旋削バイトがピン孔内に導入されるだけでよく、その後に旋削バイトが、ピン孔の、１つの潤滑溝が加工されるべき箇所に位置決めされる。引き続き、潤滑溝が所望の深さを有するまで、回転している旋削バイトを、ピストン頂面から離れる方向に移動させるか、またはピストンを旋削バイトに向かって移動させることしか要しない。場合によっては、旋削バイトの回転軸線がピン孔軸線に対して所定の小さな角度だけ傾けられるか、ピストンが旋削バイトの回転軸線に対して所定の小さな角度だけ傾けられてよく、これにより、ピンボスの半径方向の内側面または半径方向の外側面に開口する潤滑溝を形成することができる。

本発明の有利な実施の形態は、従属請求項に記載されている。

本発明の幾つかの実施の形態を以下に図面に付き詳しく説明する。

それぞれ１つの潤滑溝を有する２つのピン孔を備えるピストンの断面図である。 図１に示したピン孔の拡大図である。 ピストンの断面図であり、該ピストンのピン孔は、内側に位置するそれぞれ１つの開口を備えたそれぞれ１つの潤滑溝を有している。 図３に示したピン孔の拡大図である。 平行に配置された複数の潤滑溝と、ピストン軸線に対して傾斜して位置する潤滑溝とをそれぞれ有するピン孔を備えたピストンの断面図である。 図５に示したピン孔の拡大図である。

図１，図３および図５は、燃焼凹部３が加工成形されたピストン頂面２を有するそれぞれ１つのピストン１，１’，１''を断面で示している。ピストン１，１’，１''は、ピストン頂面２の近傍で半径方向外側に、３つのリング溝５，６，７を備えたリング部分４を有している。これらのリング溝５，６，７のうち、ピストン頂面２に最も近いリング溝５は、コンプレッションリングのために設けられていて、リング支持部８を有している。このリング支持部８には、半径方向内側に、環状に延びるクーリングチャンネル９が一体成形されている。

ピストン頂面２とは反対の方向で、リング部分４には、それぞれ１つのピン孔１２，１２’，１２''，１３，１３’，１３''を備えた２つのピンボス１０，１０’，１０''，１１，１１’，１１''が続いている。この場合、両ピン孔１２，１２’，１２''および１３，１３’，１３''は同軸的に配置されている。半径方向外側では、ピンボス１０，１０’，１０''，１１，１１’，１１''は、環状に延びるスカートエレメント１４により結合される。これらのスカートエレメントのうち、図１，図３および図５には、断面の位置に基づいて一方のスカートエレメント１４の内面しか見えていない。

図１に示したピン孔１２，１３の内面の中央に、それぞれ１つの潤滑溝１５，１６が加工成形されている。これらの潤滑溝１５，１６は、各ピン孔１２，１３の天底および赤道にわたって延びている。本実施の形態では、潤滑溝１５，１６はそれぞれ、約２７０°の角度領域にわたって延びている。この角度領域は、１８０°〜３６０°であってよい。潤滑溝１５，１６の深さは、１μｍ〜５００μｍであってよい。潤滑溝１５，１６は、ピストン軸線１７に対して平行に、かつピン孔軸線１８（図２）に対して垂直方向に位置する平面に配置されている。

潤滑溝１５，１６を製造するためには、回転可能に支持されたである旋削バイト（回転切削バイト：Drehmeissel）を備える従来の旋盤（回転切削機械）が使用される。この旋削バイトの、上記課題に適した切削面は半径方向外側に配置されている。

潤滑溝１５，１６の製造を詳しく説明するために図２が参照される。たとえば図２に示されているような潤滑溝１６を製造するためには、まず、旋削バイトの回転軸線がピン孔軸線１８に重なって位置しているように、旋削バイトがピン孔１３内に配置される。旋削バイトは回転させられて、この場合、旋削バイトの半径方向の寸法は、ピン孔１３の内壁に対する接触が生じないようになっている。

次いで、旋削バイトの回転軸線は、潤滑溝１６が予定されている方向に移動される。この移動の方向は、ピストン軸線１７に対して平行であり、かつ潤滑溝がピン孔１３の天底領域および赤道領域にわたって延びていることが望ましい場合には、ピストン頂面２から離れる方向に向けられていてよい。

しかし移動の方向は、ピストン軸線１７に対して傾斜していてもよく、この場合、エンジン運転時に作動行程の点火圧最大値がピストン１、ひいてはコンロッドに作用する位置にコンロッドが位置している場合に、この方向がコンロッド軸線に一致するようになっていると有利である。このことは、ピン孔１３の、作業行程時に最大の圧力負荷にさらされている天頂領域が潤滑溝１６を備えず、したがって最大の載置面積を有しているので、この天頂領域においてピン孔１３および該ピン孔１３内に位置しているピンの摩耗が最小限にされるという利点を有している。

旋削プロセスの終了後に潤滑溝１６が最後まで形成されている場合、旋削バイトの回転軸線１９は、たとえば、図２に記載されているような位置にある。この場合、ピン孔軸線１８と旋削バイトの回転軸線１９との間の間隔"Ｘ"は、潤滑溝１６の深さの半分と全深さとの間にある大きさを有している。

このことは、旋削バイトの切削面と旋削バイトの回転軸線１９との間の距離が、旋削バイトの回転軸線の移動時にどの程度増大されるかに関連していて、この場合、この距離の増大の程度は、一方ではピン孔内面のどの角度領域にわたって潤滑溝１６が延びているかにとって重要である。他方では、距離の増大は潤滑溝１６の深さを規定する。

たとえば、旋削バイトの切削面と旋削バイトの回転軸線１９との間の距離の増大が、まさにピン孔軸線１８と旋削バイトの回転軸線１９との間の間隔Ｘに一致する場合、潤滑溝１６は、３６０°の角度領域にわたって延びていて、天低領域における潤滑溝１６の深さは間隔Ｘの二倍である。

旋削バイトの切削面と旋削バイトの回転軸線１９との間の距離が一定に保たれている場合、潤滑溝１６は、天底および赤道領域にわたって１８０°延びていて、天底領域における潤滑溝１６の深さは、ピン孔軸線１８と旋削バイトの回転軸線１９との間の間隔Ｘにまさに一致する。この場合、実際には、旋削バイトが、潤滑溝１５，１６が延びる、調節される所望の角度領域に応じた必要条件を得るために簡単な試験が必要である。

この場合、旋削バイトの代わりに、ピストン１を移動させることも可能であり、これによって旋削バイトの切削面をピン孔の内面に接触させて、ピン孔の内面に潤滑溝を加工成形することが生じ得る。この場合、ピストン１は、回転軸線１９とピストン頂面２との間の間隔が増大される方向に移動させられる。

図３および図４には、ピン孔１２’，１３’の半径方向の内側面に配置された潤滑溝２０，２１が示されている。これらの潤滑溝２０，２１は、ピストン軸線１７に対して傾斜して位置する２つの平面に配置されている。この場合、これら両平面は、ピストン頂面とは反対の方向で互いに接近する方向に延びているので、潤滑溝２０，２１は、ピン孔１２’，１３’の天底の近傍でピンボス１０’，１１’の半径方向の内側面に開口している。ピンがピン孔１２’，１３’内に位置している場合、潤滑溝２０，２１の終端領域２２，２３で開口が形成され、これらの開口を通じて毛細管効果かつピン孔内でのピンの運動に基づいて、油が潤滑溝２０，２１内に流入し、ひいてはピン孔１２’，１３’内におけるピンの潤滑が改善される。

潤滑溝２０，２１の製造に関しては、図４が参照される。たとえば、潤滑溝２１の製造時に、旋削バイトがピン孔１３’内に導入され、旋削バイトの回転軸線１９’は、本実施の形態では５°である所定の角度αだけ傾けられる。この角度αは、５°〜３０°であってよい。次いで、旋削バイトは回転させられ、潤滑溝１５，１６の製造に関して上記で説明したように、ピストン軸線１７の方向にまたはピストン軸線１７に対して傾斜してずらされる。

この場合、旋削バイトの代わりに、ピストンが所定の角度αだけ傾けられてもよい。引き続き、潤滑溝１５，１６をピン孔の内面に旋削加工するために、旋削バイトの切削面がピン孔の内面に接触するまで、ピストンまたは旋削バイトが移動させられてよく、潤滑溝１５，１６がピン孔内に旋削加工され得る。

図５および図６では、本発明の実施の形態によるピン孔１２''，１３''は、それぞれ４つの潤滑溝２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１を有している。

この実施の形態の利点は、潤滑溝の個数の増大によって、ピン孔１２''および１３''の潤滑材収容能力が増大することにあり、ひいてはピストンピンの潤滑が改善されることにある。さらに、真ん中の潤滑溝２５，２６，２９，３０内には油が集まり、この油は、エンジンの停止時にも潤滑溝２５，２６，２９，３０内に留まり、これによりエンジンのコールドスタート条件を改善する。

製造は、潤滑溝１５，１６，２０，２１で説明したように行われるが、旋削バイトがピン孔１２''，１３''毎に複数回当てつけられなければならず、各潤滑溝２４〜３１を上述のようにピン孔１２''，１３''内に加工成形する、という差異がある。

相並んで位置する複数の潤滑溝２４〜３１をピン孔１２''，１３''内に旋削加工する別の手段は、まず、旋削バイトの回転軸線がピン孔軸線１８に対して同軸的に位置するまで、旋削バイトをピン孔１２''，１３''の手前に位置決めし、次いで、ピン孔軸線と旋削バイトの回転軸線との間に十分な間隔が生じるまで、旋削バイトの回転軸線をピストンに対して移動させるか、またはピストンを旋削バイトに対して移動させることにある。これにより、引き続き、回転する旋削バイトを当該旋削バイトの回転軸線の方向でピン孔を通して案内することができる。

この場合、旋削バイトの切削面と旋削バイトの回転軸線との間の間隔が、旋削バイトの切削面がピン孔の天底および赤道にのみ接触するように選択されなければならない。ピン孔の、ピストン頂面とは反対の側に位置する相並んで位置する複数の潤滑溝がピン孔の内面に加工成形される。これにより形成された潤滑溝の個数は、この場合、旋削バイトの回転速度および送り速度に関連しており、この場合、これらの速度は潤滑溝の所望の個数に相応して調節されなければならない。

この場合、ピン孔内には、軸受けブシュが圧入されていてもよいので、潤滑溝は軸受けブシュの内面にも加工成形される。軸受けブシュの孔は、潤滑溝の配置および製造に関して、ピン孔に対応する。

Ｘ ピン孔軸線１８と旋削バイトの回転軸線１９との間の間隔
１，１’，１'' ピストン
２ ピストン頂面
３ 燃焼凹部
４ リング部分
５，６，７ リング溝
８ リング支持体
９ クーリングチャンネル
１０，１０’，１０''，１１，１１’，１１'' ピンボス
１２，１２’，１２''，１３，１３’，１３'' ピン孔
１４ スカートエレメント
１５，１６ 潤滑溝
１７ ピストン軸線
１８ ピン孔軸線
１９，１９’ 旋削バイトの回転軸線
２０，２１ 潤滑溝
２２，２３ 潤滑溝２０，２１の終端領域
２４〜３１ 潤滑溝

Claims (9)

1. ピストン頂面（２）と、
   該ピストン頂面の近傍に、ピストン（１’）の半径方向の外側面に配置されたリング部分（４）と、
   前記ピストン頂面とは反対の方向で前記リング部分（４）に続く、互いに反対の側に位置した、スカートエレメント（１４）を介して結合された２つのピンボス（１０’，１１’）と、
   前記ピンボス（１０’，１１’）に加工されたそれぞれ１つのピン孔（１２’，１３’）と
   を備え、
   該ピン孔（１２’，１３’）の天底領域にそれぞれ少なくとも１つの潤滑溝（２０，２１）が加工成形されている、内燃機関用のピストン（１’）であって、
   前記少なくとも１つの潤滑溝（２０，２１）が、前記各ピン孔（１２’，１３’）におけるピン孔軸線（１８）方向内側に配置されており、かつ前記潤滑溝（２０，２１）が、ピストン軸線（１７）に対して傾斜して位置しており、さらに、前記潤滑溝（２０，２１）は、前記ピストン頂面とは反対の方向で互いに接近する方向に延びているので、前記潤滑溝（２０，２１）は、前記ピン孔（１２’，１３’）の天底の近傍で、前記各ピン孔（１２’，１３’）におけるピン孔軸線（１８）方向内側に開口しており、
   前記潤滑溝（２０，２１）は、前記ピン孔（１２’，１３’）の１８０°〜３００°の角度領域にわたって延びており、各ピン孔（１２’，１３’）の天頂領域に設けられていないことを特徴とする、内燃機関用のピストン。
2. 前記潤滑溝（２０，２１）は、前記ピン孔（１２’，１３’）の１８０°〜２４０°の角度領域にわたって延びている、請求項１記載のピストン。
3. 前記潤滑溝（２０，２１）は、１μｍ〜５００μｍの深さを有している、請求項１又は２記載のピストン。
4. 前記潤滑溝（２０，２１）は、１００μｍ〜２００μｍの深さを有している、請求項１から３までのいずれか１項記載のピストン。
5. ピストン頂面（２）と、
   該ピストン頂面の近傍に、ピストン（１’）の半径方向の外側面に配置されたリング部分（４）と、
   前記ピストン頂面とは反対の方向で前記リング部分（４）に続く、互いに反対の側に位置した、スカートエレメント（１４）を介して互いに結合された２つのピンボス（１０’，１１’）と、
   前記ピンボス（１０’，１１’）に加工されたそれぞれ１つのピン孔（１２’，１３’）と
   を備えた内燃機関用のピストン（１’）の製造方法であって、
   旋盤の、半径方向外側に配置された切削面を備える回転可能に支持された旋削バイトを、前記ピン孔（１２’，１３’）内に導入するステップと、
   前記ピン孔（１２’，１３’）の、１つの潤滑溝（２０，２１）が加工されるべき箇所に前記旋削バイトを位置決めするステップと、
   前記ピストン頂面（２）から離れる方向で、前記潤滑溝（２０，２１）が所望の深さを有するまで、回転している前記旋削バイトを移動させるステップと
   を有し、
   前記少なくとも１つの潤滑溝（２０，２１）が、前記各ピン孔（１２’，１３’）におけるピン孔軸線（１８）方向内側に配置され、かつ前記潤滑溝（２０，２１）が、ピストン軸線（１７）に対して傾斜して位置し、さらに、前記潤滑溝（２０，２１）は、前記ピストン頂面とは反対の方向で互いに接近する方向に延びており、前記潤滑溝（２０，２１）は、前記ピン孔（１２’，１３’）の天底の近傍で、前記各ピン孔（１２’，１３’）におけるピン孔軸線（１８）方向内側に開口するように回転している前記旋削バイトを移動させ、
   前記潤滑溝（２０，２１）が、前記ピン孔（１２’，１３’）の１８０°〜３００°の角度領域にわたって延びるように、かつ、各ピン孔（１２’，１３’）の天頂領域に設けられないように、回転している前記旋削バイトを移動させることを特徴とする、内燃機関用のピストンの製造方法。
6. 回転している前記旋削バイトの回転軸線（１９’）を、前記旋削バイトが移動されるステップの前に、ピン孔軸線（１８）に対して５°〜３０°の所定の角度αだけ傾斜させる、請求項５記載の方法。
7. ピストン頂面（２）と、
   該ピストン頂面の近傍に、ピストン（１’）の半径方向の外側面に配置されたリング部分（４）と、
   ピストン頂面から離れる方向で前記リング部分（４）に続く、互いに反対の側に位置した、スカートエレメント（１４）を介して互いに結合された２つのピンボス（１０’，１１’）と、
   前記ピンボス（１０’，１１’）に加工されたそれぞれ１つのピン孔（１２’，１３’）と
   を備えた内燃機関用のピストン（１’）の製造方法であって、
   旋盤の、半径方向外側に配置された切削面を備える回転可能に支持された旋削バイトを、前記ピン孔（１２’，１３’）内に導入するステップと、
   前記ピン孔（１２’，１３’）の、１つの潤滑溝（２０，２１）が加工されるべき箇所に前記旋削バイトを位置決めするステップと、
   前記潤滑溝（２０，２１）が所望の深さを有するまで、前記旋削バイトと前記ピストン頂面（２）との間の間隔が増大する方向で、前記ピストン（１’）を回転している前記旋削バイトに対して移動させるステップと
   を有し、
   前記少なくとも１つの潤滑溝（２０，２１）が、前記各ピン孔（１２’，１３’）におけるピン孔軸線（１８）方向内側に配置され、かつ前記潤滑溝（２０，２１）が、ピストン軸線（１７）に対して傾斜して位置し、さらに、前記潤滑溝（２０，２１）は、前記ピストン頂面とは反対の方向で互いに接近する方向に延びており、前記潤滑溝（２０，２１）は、前記ピン孔（１２’，１３’）の天底の近傍で、前記各ピン孔（１２’，１３’）におけるピン孔軸線（１８）方向内側に開口するように、前記ピストン（１’）を回転している前記旋削バイトに対して移動させ、
   前記潤滑溝（２０，２１）が、前記ピン孔（１２’，１３’）の１８０°〜３００°の角度領域にわたって延びるように、かつ、各ピン孔（１２’，１３’）の天頂領域に設けられないように、前記ピストン（１’）を回転している前記旋削バイトに対して移動させることを特徴とする、内燃機関用のピストンの製造方法。
8. 当該ピストン（１’）を移動させるステップの前に、前記ピストン（１’）を、回転している前記旋削バイトに対して５°〜３０°の所定の角度αだけ傾斜させる、請求項７記載の方法。
9. エンジン運転時に点火圧最大値がコンロッドに作用する位置にコンロッドが位置している場合、前記ピストン（１’）に結合されたコンロッドの長手方向軸線の方向に一致する方向で、前記ピストン（１’）を回転している前記旋削バイトに対して移動させる、請求項７又は８記載の方法。

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