JPH02501758A - 一体構造型の軽量・低摩擦の軽金属ピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 内燃機関用の一体構造の軽量かつ低摩擦の軽金属ピストン 技術分野 本発明は、請求の範囲第１項の上位概念に記載の軽金属ピストンに関する。

軽量かつ低摩擦のピストンの構造は、例えば西独国特許出願公開第３４３０２５ ８号明細書及び西独国特許出願公開第３４４６１２１号明細書によシ公知である 。これらのピストンの騒音特性はたいてい不十分なものである。そこに実現され た極端に短い細部長さのために、シリンダ指動面へのピストンヘッドの衛突を伴 うピストンの傾転を全ての運転状態において確実に回避し得るようにピストンを 正確に案内することはできない。このシリンダ摺動面へのピストンヘッドの衝突 は、またもや望ましくないピストンの大きな摺動騒音を生せしめる。これは、特 に、ならし運転状態及び部分負荷状態におけるエンジン運転に当てはまる。この 運転状態においては、細部の隙間は、同運転状態時の低い細部温度のために、エ ンジンの負荷運転時のような小さな値にはまた゛到達していない。この負荷運転 時における小さな値は、軸部材料の熱に起因する膨張から生じる。この場合ピス トンの加圧一対向圧方向に沿つｆｃ膨張を、膨張を規制するはめ込みストライプ によってざらに付加的に減少させることができる。

これを基にした本発明の基礎とする課題は、前記公知の極端に短い軸部長さを有 する軽量かつ低摩擦のピストンにおいて、作動騒音を、それも特にならし運転領 域及び部分負荷領域において貴著に低減せしめることにある。

発明の開示 この課題は、請求の範囲第１項の特徴事項に記載の形状及び寸法を備えるピスト ンによって解決される。

有利な構成は従属請求項に記載されておシ、この場合待に請求項１９〜２２に記 載の構成は、嘔らに付加的な改良をもたらす。

請求項１９〜２２において提案されたピストンヘッドのリングインサートは、欧 州特許出願公開第０２１０６４９号明細書に記載の類似のインサートと比較して 特に、同リングインサートがその公知の偽来技術のようにリング溝の上部のトッ プランド領域に配置されているのではなくて、もっばらリング溝の半径方向の内 側領域に配置でれている点で相違している。

これによって、リングインサートはリングランドの領域に直接影響を及ぼすよう になシ、同リングランドにおいては、熱膨張が制限されるために、低温状態にお いてすでに可能な限シ狭い指勤原間七与えることができよう。

本発明のよシ詳細な説明及びそれに伴う達成可能な利点の説明は、図面に示され た実施例に基づいて為ざ纂１図は、ピストンの線１−１に沿った縦半分の断面図 と矢印１−１の方向から見た他の半分の側面図、第２図は、線■−］に沿ったぎ ストンの断面図、第３図は、線１−１に沿ったピストンの縦半分の断面図及び矢 印１−１の方向から見ｆｃｆストンの他の半分の側面図、 第４図は、加圧一対向圧方向ＤＲ−ＧＤＲ及びぎン方向ＢＲにおけるピストン外 形とシリンダ滑シ面間の低温隙間Ｓ１ 第５ａ、ｂ図は、ピストンヘッドにリングインサートを有する各ピストン半休の 縦断面図、第６ａ、ｂ図は、第５図の矢印Ｖｌ−Ｖｌに沿ったざストンヘッドの 断面図、 ・　第７図は、ピストンヘッドのピストンリング溝の半径方向内側の領域内にリ ンゲイ／？−トを有するピストンの他の実施例の縦断面図、 第８ａ、ｂ図は、２つの択一的なピストン構造でちって、ピストンヘッドにおい て周囲的に分割芒れたリングインサートを有し、かつ、軸部において周囲的に同 様に分割されｆｃ膨＠を規制するインテートを有していて、両インサートはその 都度互いに一体的に結合されているピストンの縦断面図、 第９図は、第８図の線ＩＸ−■に沿ったピストンヘッドの断面図、 第１０図は、第８図の＋５Ｘ−Ｘに沿ったピストン軸部の断面図を示す。

発明を実施するための最良の形態 ピストンはアルミニウムーシリコン系合金から成る。、ピストンの頭部には、圧 縮リング用のリング溝２，３と油かきリングを収容するためのその下に位置する リング溝４とが備えられている。

本発明の本質である、図面特に第４図に記載てれたピストン寸法は、以下のよう に定義される。

Ｌ＝（０，４５〜０．６５　）　Ｄ Ｈ＝（０，２５〜０．４）Ｄ Ａ２Ｂ Ｔ＝（０，４５〜０．８　）　Ｄ Ｃ２０，１Ａ Ｅ≧０．１人 Ｆ≧０．２５Ａ Ｌ＝ぎストンの全長 Ｄ＝ピストンの最大直径 旦＝圧縮高さ Ａ＝ピストンの両支持面においてそれぞれ少々くとも４５度の、はぼ同一の細部 高さを有する周囲領域（ざストンボス６間の周囲領域〕における最下位のリング 溝の下方の平均的な細部高さ Ｂ＝高さＡを有する軸部領域の外側の最大軸部高さ〔軸部が全周にわたって同一 の高さを有しているので、図面には示てれていない。〕 Ｔ＝半径方向外側に位置するボス孔端部の相互の直径上の距離 Ｃ＝高さＡを有する細部領域の上方の軸端部における軸線方向の高さ領域（この 高さ領域は、少なくとも加圧一対向三方向（ＤＲ−ＧＤＲ）に位置する細部領域 内において流体動力学的な油膜のくさびを形成するべく半径方向に円錐状に引っ 込められている。）Ｅ＝高さＡを有する軸部領域の下方の軸端部における軸線方 向の領域（この領域は、少なくとも加圧一対向三方向（ＤＲ−ＧＤＲ）に位置す る細部領域内において流体動力学的な油膜のくさびを形成するべく半径方向に円 錐状に引っ込められている。〕 Ｆ＝高−ｇｅｔ−有する軸部領域内の高さＣ及びＥによって限定された細部領域 の中間の少なくとも加圧一対向圧力同（ＤＲ−Ｃ）ＤＲ）に位置する領域の軸線 方向の高さ さらに、ピストンリングｆＰ＃２，３．４の間のリングランド及び細部領域Ｆは 、エンシンの連転によυピストンが加熱された時に、シリンダの摺動面に対して ほぼ同一の摺動隙間を有する。

軸部５の内側のボス６の間には、膨張を規制するインサー）７として鋼鉄のスト ライプが周方向に沿って付設されている。軸部５は、ざス６の間の領域内の半径 方向の横スリット８によってぎストンヘッドから分　′離されている。

トップランド領域までは、ピストンのシリンダ状の基本形状として楕円が層状に 与えられておシ、同楕円の長軸は加圧一対向三方向（第２図におけるＤＲ−ＧＤ Ｒ）にあシ、短軸はビン方向にある。

ピストンの外面の正確が推移は第４図に再現されている。同図に記載されたぎス トンの輪郭は、同時に示された領域表示Ａ＝３０剪冨、　Ｃ＝　１０．５ｍｍ　 、　Ｅ＝６．５罰＋　Ｆ＝　１３ｍｍ　＊　Ｈ＝３０ＨＩ　＋　Ｌ＝４９ｍｒｎ を伴って、縮尺に忠実に描かれている。直径はＤ＝８６ｍｍ、Ｔ＝６３３！１″ ′Ｃある。この場合これらの値は、第１〜３図に示されたねずみ鋳鉄製のシリン ダ内で使用するための将に有利なぎストンの形状に関係している。不発明におい ては、加圧一対向三方向（ＤＲ−ＧＤＲ）のピストンの外形が特に重要であシ、 この外形に請求項に記載てれた摺動隙間が適合せしめられている。

エンジンが加熱されると、ピストンは、領域Ｆ並びに第１及び第２リングランド において同時に、シリンダ指動面上を滑動する。即ちピストンはこれらの領域に おいて案内部分を備えるようになる。軸線方向において互いに離れて存在する２ つの領域に生じているとのざストン案内部分は、低騒音のピストン動作にとって 極めて重要でちる。というのは、低騒音の動作を達成するためには、連接棒の＠ シによって引き起こされるぎストンの傾転が十分に回避され得るように、ピスト ンを軸方向に沿って十分な高ざの領域において案内しなければならないからであ る。相当に低い軸部高さを有する平担なピストンの場合、この要請はほとんど解 決し得ない課題をもたらす。そこで本発明は、リングランドにざストンの案内を 分担させるという解決策を講じている。これは、公知の従来技術とは対照的に、 リングランドの高温隙間が領域Ｆの高温隙間とほぼ一致するように、同リングラ ンドの低温隙間を決めることによって実現される。

低騒音のピストン摺動ｔ−ｇらに助長する目的で、ピストン摺動領域Ｆの上下に 位置する細部領域が、同領域でピストン軸部の流体動力学的な浮上を引き起こす べく、第４図に記載された程度に円錐状に選定でれる。

第４図には、加圧一対向三方向並びにビン方向におけるそれぞれのピストン外形 が記載とれている。ピストン外形のこれらの中間に位置する領域は、両方の主軸 方向のそれぞれの寸法へ連続的に移行している。

その他の改良によれば、閉じた銅表リング９か又は一対のリングセグメントイン サート１０の形態のストライブ状のインサートが、ピストンヘッドのリング溝２ ，３．４の半径方向後方の領域内に収容される。一対のリングセグメント状のイ ンサート１０を使用する場合、この対の各部材は、ボス間のピストン支持面内に おいてボス内に入シ込んで配設されている。

閉じているか又はセグメント状の形態のこのインサートによって、ピストンが加 熱嘔れた時のざストンリングランド領域の膨張は、著しく減少せしめられる。

インサートｓ、ｉｏは、本質的にトップランド領域の下方の領域に限定されてい る。軸端部の方向において、インサー）９．１０をその都度ピストンヘッド材料 から突出させることができる。これは有利な方法であって、ピストンを製造する ために必要な＠型内にインサートラこのようにして比較的簡単に固定することが できる。

第５〜７図には、ぎストンの頭部に収容てれた閉じたリング９のてまざまな配置 状態が示されている。この配置状態において、リング９Ｆ１半径方向内側に向け て多かれ少なかれ露出せしめられている。第６図は、ピストンのボス６の領域に おいて異なる延び方をしたリング９を示している。第６ａ図を選択した場合、リ ング９は外周近傍においてボス６の内部を通過し、他方の第６ｂ図の場合には、 同リングはでらに半径方向内側のボス領域を直線的に弦のように通過している。

第８図に記載の構成においては、閉じたリング９１Ｃ代えてリングセグメント１ ０が、ボス６間に位置するピストンヘッド領域に収容されている。この場合この リングセグメント１０はその都度ボス６内まで達している。その上さらにこのリ ングセグメント１０は、細部インサート７と一体的に結合している。

第３ａ、ｂ図に記載の各構成は、単に、第８ｂ図に記載のぎストンのピストンヘ ッドとぎストン軸部が半径方向のスリット８によって互いに分離されている点で 相違しているにすぎない。

インサート９．１０の熱膨張抑制効果は、本質的には、同インサートに半径方向 外側で隣接するぎストンヘッド材料が、ピストンの製造時に、例えば同ピストン が鋳造てれた時に、ぎストン材料の冷却にょシ同インサートに対して収縮するこ とに起因している。ピストン材料が再び加熱でれると、冥際に膨張する前に、ま ず最初に収縮応力が消失されなければならない。

インサー）９．１０かぎストンヘッド表面から陥れていることは、熱をピストン ヘッドからピストンリングへ流動させるために必要不可欠である。

ピストンヘッドと軸部間の半径方向のスリットは細部隙間を少なくするために有 効である。

第７図に示されたピストン軸部方向に沿って比較的幅広く延びるす／グ９を用い れば、ざらに同時に規制作用が細部に対しても及ぼされることになる。

第５〜１０図のｍ１Ｋ８１拍するインサー）９．１０を用いれば、ピストンヘッ ドの下方のリングランド（リング溝３の下方）と上方のリングランド（リング＃ １１．２の中間〕において、それぞれぎストンの直径の１０００分の１．５と１ ０００分の２．２の低温隙間を達成することができる。ピストンヘッドのトップ ランドが、その都度ピストンの案内に一緒に関与せしめられることはない。

Ｆ７ｇ、フ Ｒｇ、３ 〜・９ Ｆ秒、　７０ 国際調査報告 国際調査報告 ＤＥε７ＣＯ５９３ ＳＡ　１９９６８

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. １．ボス孔の上方のみに配置されたピストンリング溝を備える、内燃機関用の軽 量かつ低摩擦の一体的な軽金属ピストンにして、 ａ）Ｌ＝（０．４５〜０．６５）Ｄ ｂ）Ｈ＝（０．２５〜０．４）Ｄ ｃ）Ａ＝（０．３〜０．４）Ｄ ｄ）Ａ≧Ｂ ｅ）Ｔ＝（０．４５〜０．８）Ｄ ｆ）前記ピストンリング溝（２，３，４）間のリングランドと最小の摺動隙間を 有する軸部領域とが、エンジンの運転によりピストンが加熱された際に、シリン ダ摺動面に対してほぼ同一の摺動隙間を有しており、 ここに、 Ｌ＝ピストンの全長 Ｄ＝ピストンの最大直径 Ｈ＝圧縮高さ Ａ＝ピストンの両支持面においてそれぞれ少なくとも４５度の、ほぼ同一の軸部 高さを有する周囲領域（ピストンボス（６）間の周囲領域）における最下位の前 記リング溝の下方の平均的な軸部高さ Ｂ＝高さＡを有する軸部領域の外側の最大軸部高さＴ＝半径方向外側に位置する ボス孔端部の相互の直径上の距離 を特徴とするピストン。
2. ２． ａ）Ｌ＝（０．５〜０．６）Ｄ ｂ）Ｈ＝（０．２５〜０．３６）Ｄ ｃ）Ａ＝（０．３２〜０．３８）Ｄ を特徴とする請求項１に記載のピストン。
3. ３． ａ）Ｃ≧０．１Ａ ｂ）Ｅ≧０．１Ａ ｃ）Ｆ≧０．２５Ａ ≦０．７５Ａ であつて、ここに、 Ｃ＝高さＡを有する軸部領域の上方の軸端部における軸線方向の高さ領域（この 高さ領域は、少なくとも加圧−対向圧方向（ＤＲ−ＧＤＲ）に位置する軸部領域 内において流体動力学的な油膜のくさびを形成するべく半径方向に円錐状に引つ 込められている。） Ｅ＝高さＡを有する軸部領域の下方の軸端部における軸線方向の領域（この領域 は、少なくとも加圧−対向圧方向（ＤＲ−ＧＤＲ）に位置する軸部領域内におい て流体動力学的な油膜のくさびを形成するべく半径方向に円錐状に引つ込められ ている。） Ｆ＝高さＡを有する軸部領域内の高さＣ及びＥによつて限定された軸部領域の中 間の少なくとも加圧−対向圧方向（ＤＲ−ＧＤＲ）に位置する領域の軸線方向の 高さ であることを特徴とする請求項１又は２に記載のピストン。
4. ４． ａ）Ｃ≧０．１２Ａ ｂ）Ｅ≧０．１２Ａ であることを特徴とする前記各請求項のいずれか１つに記載のピストン。
5. ５． ａ）ｃ≧０．１５Ａ ｂ）Ｅ≧０．１５Ａ ｃ）Ｆ≧０．２５Ａ ≦０．６５Ａ であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のピストン。
6. ６． ａ）Ｃ≧０．１８Ａ ｂ）Ｅ≧０．１８Ａ ｃ）Ｆ≧０．２５Ａ ≦０．６Ａ であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のピストン。
7. ７．（前記リング溝（２，３，４）の中間の）前記リングランドと最小の摺動隙 間を備える前記軸部領域とにおける、前記シリンダ摺動面に対する各摺動隙間が 、エンジンの運転によりピストンが加熱された時に、最大で５倍だけ互いに異な ることを特徴とする前記各請求項のいづれか１つに記載のピストン。
8. ８．前記摺動隙間が、最大で４倍だけ互いに異なることを特徴とする請求項７に 記載のピストン。
9. ９．前記摺動隙間が、最大で３倍だけ互いに異なることを特徴とする請求項８に 記載のピストン。
10. １０．前記シリンダ摺動面と直接的に又は油膜を介して間接的に作動的に係合し ているピストン外表面は、楕円を層状に重ねたシリンダ状の表面を成していて、 この場合前記楕円の長軸は加圧−対向圧方向（ＤＲ−ＧＤＲ）に沿つて延び、そ して該楕円の短軸はピン孔方向に沿つて延びることを特徴とする前記各請求項の いずれか１つに記載のピストン。
11. １１．前記ピストンの前記軸部（５）は下端部において閉じたシリンダ状の外形 を有しており、該下端部において低温隙間は軸線方向及び周方向に沿つて変化す るが、いずれの箇所においても約０．０１Ｄの値を越えないことを特徴とする前 記各請求項のいずれか１つに記載のピストン。
12. １２．前記ピンボス（６）間に位置する軸部の内面に、膨脹を規制するストライ プ状の金属インサート（７）が係合しており、該金属インサートは、ピストンが 加熱した際の加圧−対向圧方向の前記軸部の膨脹を阻止することを特徴とする前 記各請求項のいずれか１つに記載のピストン。
13. １３．対向摺動面を構成するシリンダ材料が鉄の場合に、前記低温隙間は、支持 を為す前記軸部領域の加圧−対向圧方向に隣接する部分においては、約（０．０ ００１〜０．０００６）Ｄの間の値であることを特徴とする請求項１２に記載の ピストン。
14. １４．対向摺動面を構成するシリンダ材料が軽金属の場合に、前記低温隙間は、 支持を為す前記軸部領域の加圧−対向圧方向に隣接する部分においては、約（０ 〜０．０００４）Ｄの間の値であることを特徴とする請求項１２に記載のピスト ン。
15. １５．膨脹を規制するインサートが備えられていないピストンにおいて、 対向摺動面を構成するシリンダ材料が鉄の場合に、前記低温隙間は、支持を為す 前記軸部領域の加圧−対向圧方向に隣接する部分においては、約（０．０００４ 〜０．００１）Ｄの間の値であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の ピストン。
16. １６．対向摺動面を構成するシリンダ材料が軽金属の場合に、前記低温隙間は、 前記軸部領域の加圧−対向圧方向に隣接する部分においては、約（０．０００１ 〜０．０００５）Ｄの間の値であることを特徴とする請求項１５の上位概念に記 載のピストン。
17. １７．前記軸部（５）には、前記最下位のリング溝の下方の前記ピンボス（６） 間に位置する周囲領域において、半径方向のスリツトが設けられていることを特 徴とする前記各請求項のいずれか１つに記載のピストン。
18. １８．２つの圧縮リングと１つの油かきリングを収容ためのリング溝（２，３， ４）が備えられていることを特徴とすろ前記各請求項のいずれか１つに記載のピ ストン。
19. １９．前記ピストンのヘツド部分における前記リング溝（２，３，４）の半径方 向後方の、前記ボス（６）間の領域に、前記ピストンの基礎材料よりも熱膨脹係 数の小さい材料から成るストライプ状のインサート（９，１０）が周方向に沿つ て収容されていることを特徴とする前記各請求項のいずれか１つに記載のピスト ン。
20. ２０．前記ストライプ状のインサート（９，１０）は閉じたリング（９）である ことを特徴とする請求項１１９に記載のピストン。
21. ２１．前記インサート（９，１０）は前記ピストンヘツド表面から離れているこ とを特徴とする前記各請求項のいずれか１つに記載のピストン。
22. ２２．前記シリンダ摺動面に対する（前記リング溝（２，３，４）間の）前記リ ングランドにおける摺動隙間と、最小の摺動隙間を持つ前記軸部領域における該 摺動隙間とが、エンジンの運転によりピストンが加熱された際に、最大で２〜３ 倍だけ互いに異なることを特徴とする請求項１９〜２１のいずれか１つに記載の ピストン。