JP6291564B2 - 溶接ピストンアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、溶接ピストンアセンブリに関するものである。

内燃機関の製造者は、常にその製品の出力および燃料効率を向上させることを追求している。おおむね効率や出力を向上させるための一つの方法は、内燃エンジンの振動質量、例えばピストン、コネクティングロッド、およびその他のエンジンの可動部分の振動質量を低減させることである。エンジン出力は、また、エンジンの圧縮比を上げることにより向上され得る。エンジンの圧縮比を上げることは、また、動作中における燃焼室内の圧力および温度を概して上昇させる。

動作に関連して上昇した圧力および温度との組合せにおける重量の低減の結果として、エンジン、および特にエンジンのピストンは増大したストレスの下に置かれる。ピストンの冷却は、したがって、エンジンの耐用期間におけるそのような動作状態の増大したストレスに耐えるために非常に重要である。

ピストンの構成要素の動作温度を下げるために、ピストンの外周部の近くに冷却空洞が設けられ得る。例えばクランクケースオイルのような冷却液が、冷却空洞に案内されてもよいし、ピストンの往復運動により冷却空洞に分配されてもよく、そのことがピストンの動作温度を下げる。

同時に、冷却空洞は、ピストンアセンブリおよびピストンアセンブリの製造の全体的な複雑性を増大させ得る。例えば、冷却空洞は、冷却空洞を通って循環する冷却液（例えば、オイル）を一時的に貯留することにより、冷却空洞を通る冷却液の適切な循環を促進するために、例えば冷却空洞カバーのような追加的な構成要素を必要とし得る。しかしながら、例えばカバープレートのような追加的な構成要素は、また、複雑性を増す。加えて、冷却空洞は、高価であり得るか、および／または、例えば軽量のまたは低負荷用のピストンのようなより小さなピストンアプリケーションを形成するのが困難であり得る。

したがって、大量生産環境における製造のために実用的である一方、また、例えば冷却空洞を設けることにより十分な冷却を許容するピストンが必要である。

図１Ａは、代表的なピストンアセンブリの斜視図である。 図１Ｂは、図１Ａの代表的なピストンアセンブリの部分断面図である。 図１Ｃは、図１Ａの代表的なピストンアセンブリの断面図であって、図１Ｂの断面から９０°回転させたものである。 図２Ａは、代表的なピストン上側部とピストン下側部の部分断面図である。 図２Ｂは、代表的なピストン上側部とピストン下側部の部分断面図であって、図１Ｂの断面から９０°回転させたものである。 図３Ａは、ピストン上側部および下側部の冷却空洞領域の拡大断面図である。 図３Ｂは、図３Ａのピストン上側部および下側部の冷却空洞領域の拡大断面図であって、代表的な溶接プロセスの後のものである。 図４Ａは、代表的な溶接プロセスの後における代表的なピストン上側部および下側部の断面図である。 図４Ｂは、代表的な溶接プロセスの後における代表的なピストン上側部および下側部の断面図であって、図４Ａの断面から９０°回転させたものである。 図５は、代表的な溶接プロセスの後における代表的なピストン上側部および下側部の断面図である。 図６は、代表的な例に係る、完成前のピストンの製造方法のためのプロセスフロー図である。

以下、図面を参照して、説明に役立つ実例を詳細に示す。図面は後述する代表的な例を表しているが、図面は必ずしも正確な縮尺ではなく、一定の特徴は、代表例の革新的な面のより良い例示や説明のために強調されている。さらに、後述する代表的な例は、網羅的なものを意図してはおらず、あるいは図面に示す構成および以下の詳細な説明で開示する構成に制限または限定するものではない。本発明の代表例を図面を参照して詳細に説明する。

本明細書における「代表的な例」や「例」または似たような語は、代表的な方法を伴う特定の特性、構造、または特徴が少なくとも１つの例に含まれていることを意味する。本明細書におけるさまざまな場所での「例において」というフレーズまたは似たタイプの言葉の出現は、必ずしも同じ例に言及しているわけではない。

本明細書には、ピストンアセンブリを形成するために使用され得る完成前のピストン部品のさまざまな代表的な例が示されている。完成前のピストンは、ピストン軸を規定する下側部を有し得、この下側部は、スカートを有しかつ冷却空洞の下側面を形成する。下側部は、下側の径方向内側接合面を規定する径方向内側ボウル面と、径方向外側接合面を規定する径方向外側壁部とを有し得る。完成前のピストンアセンブリは、さらに、径方向内側接合部において径方向内側ボウル面と接触する径方向外側ボウル面を含む上側部を有し得る。上側部は、径方向内側の上側接合面を規定する径方向内側壁部と、上側の径方向外側接合面を規定する径方向外側壁部とを有し得る。径方向内側壁部は、径方向内側ボウル面が径方向内側接合面の径方向最内側端部に接触するところにおいて径方向内側ボウル面に対して非平行な角度をなす径方向内側対向面を規定し得る。

代表的な方法は、完成前のピストンアセンブリを形成する方法を含み得る。代表的な方法は、ピストン軸を規定する下側部を提供することを含み得、下側部は、スカートを有しかつ冷却空洞の下面を形成し、下側部は、下側の径方向内側接合面を規定する径方向内側ボウル面を有し、下側部は、径方向外側接合面を規定する径方向外側壁部を有している。方法は、さらに、下側部を上側部に対して接触させることを含み得、上側部は、径方向内側接合部において径方向内側ボウル面と接触する径方向外側ボウル面を有し、上側部は、上側の径方向内側接合面を定めるために放射状に延びる下面を規定する径方向内側壁部を有し、上側部は、上側の径方向外側接合面を規定する径方向外側壁部を有している。方法は、さらに、径方向内側接合面を一体的に溶接することを含み得、上側部の径方向内側対向面は、径方向内側ボウル面が径方向内側接合面の径方向最内側端部に接触するところにおいて径方向内側ボウル面に対して非平行な角度をなす。

図１Ａ、図１Ｂおよび図１Ｃを参照すると、代表的なピストンアセンブリ１００が図示されている。ピストンアセンブリ１００は、ピストン本体１０２と、本体１０２と接合された冷却空洞リング１０４とを有し得る。ピストン本体１０２および冷却空洞リング１０４は、燃焼ボウル１２２を規定するために協働し得る。本体１０２は、ピストンアセンブリ１００を収容するエンジンボア（図示せず）に対してシールするように構成されたリングベルト部１０６を有し得る。例えば、リングベルト部１０６は、ピストンリング（図示せず）を収容する１つ以上の円周溝を規定し得、当該ピストンリングは、エンジンボア内におけるピストンアセンブリ１００の往復運動の間、エンジンボア面に対してシールする。燃焼ボウル１２２の規定における冷却空洞リング１０４と本体１０２との協働は、後述するピストン１００の他の特徴と同様に、ピストン１００およびその構成要素、例えば冷却空洞リング１０４、および／または、ピストン本体１０２の大きさおよび形状に関して柔軟性を概して許容し得る。単なる一例として、ピストンアセンブリ１００のより低いコンプレッションハイト、および／または、重心は、後述するように、関連する形成プロセスにおける冷却空洞リング１０４と本体１０２との間の径方向内側接合部の構成の結果として実現され得る。

ピストン本体１０２は、例えばボア内での往復運動においてピストンアセンブリ１００を安定させるためにエンジンボア（図示せず）の表面と相互作用することにより、エンジンの動作中にピストンアセンブリ１００を概して支持するスカート面１０３を有し得る。例えば、スカート面１０３は、ピストンアセンブリ１００の外周部の少なくとも一部における環状の外形を概して規定し得る。外形は、エンジンボア面に対応し得、このエンジンボア面は概して円筒形であり得る。

本体１０２は、また、ピストンピンボス１０５を規定し得る。ピストンピンボス１０５は、ピストンピン（図示せず）を収容するように構成された開口部１０７により概して形成され得る。例えば、ピストンピンは、開口部を通ってピストンピンボス１０５に挿入され得、それによりピストン１００をコネクティングロッド（図示せず）に概して固定する。

図１Ｂおよび図１Ｃを参照すると、本体１０２および冷却空洞リング１０４は、冷却空洞１０８を規定するために協働し得る。冷却空洞１０８は、ピストンクラウンの外周部周りに概して延びていて、動作中に冷却液、例えばエンジンオイルを循環させ得、それによりピストンの動作温度を下げる。加えて、冷却液の循環は、ピストン１００、特にピストンアセンブリ１００の上部、例えば燃焼ボウル１２２に隣接する部分のより安定したまたは一定の温度の維持を容易にし得る。

ピストン本体１０２およびリング１０４は、例えば溶接プロセスにおいて固定的に接合され得る。ピストン本体１０２とリング１０４とを固定的に接合することにより、ピストンアセンブリ１００は一体型のまたは「一体鋳造の」アセンブリとして概して形成される。後述するように、本体１０２およびリング１０４の構成要素は、溶接プロセスにおいて径方向内側および外側の界面領域Ｉ，Ｏの両方に沿って接合され得る。したがって、ピストン本体１０２は、冷却空洞リング１０４と概して一体化され得、そのため、本体１０２とリング１０４とは別個の構成要素であるが、各々はクラウンへの固定後に他方に対して移動できない。

冷却空洞リング１０４は、クラウン１０２とスカート１０４とがピストンアセンブリ１００の概して連続的な上側燃焼ボウル面１２２を形成するために協働するように、本体１０２に固定され得る。例えば、後述するように、本体１０２および冷却空洞リング１０４の対応する接合面は、ピストン本体１０２が燃焼ボウル１２２の径方向内側部分１２２ａを規定する一方、冷却空洞リング１０４が燃焼ボウル１２２の径方向外側部分１２２ｂを規定するように、径方向内側の界面領域Ｉに沿って燃焼ボウル１２２内で接触し得る。径方向外側の界面領域Ｏは、リングベルト部１０６に沿って配置され得る。

ピストン本体１０２および冷却空洞リング１０４は、以下に限定されるものでないが、単なる例として、例えば摩擦溶接、ビーム溶接、レーザ溶接、はんだ付けのような溶接手法、または例えば接着のような非溶接手法を含む都合のよい任意の態様で互いに固定されまたは固定的に接合されてもよい。ある例では、ピストンクラウンおよびスカートは、溶接プロセス、例えば摩擦溶接において接合される。別の代表的な例では、ピストン本体１０２に相当する下側ピストン部、および、冷却空洞リング１０４に相当する上側ピストン部の各々の接合面は、単なる例として、摩擦溶接プロセスまたは接着プロセスにおいて接合され得、それによりピストン本体１０２と冷却空洞リング１０４とを一体的に固定する。

図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、ピストン１００に関連する代表的な摩擦溶接プロセスが詳細に説明されている。ピストン１００は、冷却空洞リング１０４に相当する上側ピストン部１０４’と、ピストン本体１０２に相当する下側ピストン部１０２’とから概して形成され得る。例えば、上側および下側ピストン部１０４’，１０２’は、ピストン１００に対応して見られる特徴、例えば冷却空洞１０８に対応する上側および下側内側面１１１，１１３を概して有し得る。さらに、上側および下側ピストン部１０４’，１０２’は、例えば摩擦溶接プロセスによって互いに接合することに好適である一方、それらは、例えば、上記のピストンアセンブリ１００において見られたリング溝、燃焼ボウル１２２等のピストン１００の外側の表面または特徴をまだ完成させていない。

したがって、上側および下側ピストン部１０４’，１０２’は、後述するように、および図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、図４Ｂおよび図５に最もよく見られるように、完成前のピストン要素１００’を形成するために、例えば摩擦溶接プロセスにおいて概して一体的に接合され得る。完成前のピストン要素は、その後、例えば機械加工作業において、ピストン１００に必要とされる仕上げられた表面細部、例えばリング溝および燃焼ボウル１２２の最終的な形状または輪郭を提供するために完成され得る。したがって、最終的なピストンアセンブリ１００の全体形状が、完成前のピストン部１００’により規定される初期形状と対比して、図４Ａ、図４Ｂおよび図５において仮想線で図示されている。

図２Ａおよび図２Ｂに最もよく見られるように、上側ピストン部１０４’の接合面１１４，１１６は、下側ピストン部１０２’の各々の接合面１１８，１２０に、好都合な任意の態様で、例えば単なる例として、摩擦溶接または接着のような溶接作業の方法により固定され得、それにより上側ピストン部１０４’と下側ピストン部１０２’とを一体的に固定する。代表的な摩擦溶接プロセスの後におけるピストン部１０２’，１０４’が、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、図４Ｂおよび図５にさらに詳しく図示されている。

上側部１０４’および下側部１０２’は、まず、互いに対して高速で回転され得、そして図３Ａに示すように共に高圧下におかれる。そのような摩擦溶接プロセスは、図３Ｂ、図４Ａおよび図４Ｂに最もよく見られるように、上側ピストン部１０４’と下側ピストン部１０２’との間に溶接カール１２４，１２６，１２８，１３０を形成し得る。すなわち、溶接カール１２４，１２６は、径方向内側の界面領域Ｉから、それぞれ、径方向内側および外側へ延びるように形成され得る。加えて、溶接カール１２８，１３０は、径方向外側の界面領域Ｏから、それぞれ径方向内側および外側に延びるように形成され得る。

図３Ｂ、図４Ａ、図４Ｂおよび図５に最もよく見られるように、径方向内側の界面領域Ｉから径方向内側へ延びる溶接カール１２４は、ピストン上側部および下側部１０４’，１０２’の接合面１１８，１２０から径方向内側および上側へ延びる単一のカール１２４を概して形成し得る。一方、溶接カール１２６，１２８，１３０は、各々がそれぞれの上側および下側カール部を有している。すなわち、図３Ｂに最もよく見られるように、溶接カール１２８は上側カール１２８ａおよび下側カール１２８ｂを含み、溶接カール１３０は上側カール１３０ａおよび下側カール１３０ｂを含んでいる。典型的に、摩擦溶接プロセスの間、上側および下側カール、例えば上側カール１２８ａおよび下側カール１２８ｂは、関連する接合面、例えば接合面１１４，１１６の材料から、等しい寸法および形状において概して形成し得る。概して同等の溶接カール部１２８ａ，１２８ｂ，１３０ａ，１３０ｂは、一つには、関連する接合面１１４，１１６の概して等しい径方向幅、およびピストン軸（図３Ｂには示していない）に対して実質的に垂直な接合面１１４，１１６の配列に起因し得る。

一方、概して単一の上側に延びる溶接カール１２４は、一つには、それぞれ径方向内側の界面領域に沿った関連する接合面１１６，１２０の間における幅Ｗ_１，Ｗ_２の違いに起因し得る。接合面１１６，１２０は、ピストン上側部１０４’およびピストン下側部１０２’の各々の対応する壁部材１７０，１７２により規定され得る。加えて、接合面１１４，１１８は、ピストン上側部１０４’およびピストン下側部１０２’の各々の対応する壁部材１７４，１７６により規定され得る。すなわち、接合面１１８，１２０から径方向外側に延びる溶接カール１２６は、溶接カール１２８，１３０と似た態様で２つの別個の上側および下側カール部１２６ａ，１２６ｂを形成し得る一方、溶接カール１２４は、関連する接合面１１８，１２０から上側および径方向内側に延びる単一のカールを概して有する。溶接カール１２４は、径方向内側に延びる接合面１２０によって上側へ流れるように強いられた接合面１１８，１２０からの溶接された材料の結果として、単一のカール部１２４ａを形成し得る。すなわち、摩擦溶接プロセスにおいて接合面１１８，１２０からの材料が溶けるとき、溶接カール１２４を形成する材料は、径方向内側に延びる接合面１２０のために上側に流れるように強いられかつ下側にカールできない。よって、溶接カール１２４を形成する材料は、接合面１１８から上側へかつ径方向内側へ流れるように強いられて単一の溶接カール１２４を形成する。

別の代表的な例では、図３Ａに最もよく見られるように、接合面１２０は、径方向内側の界面領域Ｉから径方向内側へ延びている。すなわち、接合面１２０は、上側部１０４の接合面１１８の径方向最内側端部から径方向内側へ延び得る。径方向内側へ延びる接合面１２０は、溶接継ぎ手からの材料流れを上側へ流れるように概して強制し得、径方向内側の界面領域Ｉから径方向内側へ延びる単一の溶接カール１２４をもたらす。さらに、接合面１２０は、図３Ａおよび図３Ｂに最もよく見られるように、ピストン上側部１０４’の径方向内側壁部１４０によって規定される径方向内側面１３２に対して概して垂直に延び得る。

図５を参照すると、当該図は代表的なピストン１００および完成前のピストンアセンブリ１００’の上側部分の拡大図であって、浅いボウル構造が詳細に図示されている。上述したように、図５に示す外面形状は、仮想線で図示されたピストンアセンブリ１００の最終的な構成を形成するために用いられる何らかの仕上げ作業、例えば機械加工に先立った完成前のピストンアセンブリ１００’の輪郭を表している。径方向内側接合面１１８，１２０の不釣り合いな幅のために、すなわち界面領域Ｉから延びる径方向内側接合面１２０の結果として、簡潔に上述したように、径方向内側の界面領域Ｉから上側および径方向内側に概してカールする単一の溶接カール１２４が形成される。

さらに、図５に示すように、冷却空洞１０８は、ピストンアセンブリ１００の最終的な構成の燃焼ボウル１２２に沿った径方向最外側箇所１５２を基準として径方向内側に概して延びている。換言すれば、冷却空洞１０８の径方向最内側箇所１５０は、ピストンアセンブリ１００の燃焼ボウル１２２の径方向最外側箇所１５２から、径方向距離Ｄをもって径方向内側に配置されている。拡張された冷却空洞１０８は、それによりピストン１００に向上された冷却を提供する。

箇所１５０，１５２の間における径方向内側の間隔Ｄは、少なくとも部分的に、図示された下側の冷却空洞面１１３の形状および径方向内側の界面領域Ｉの配置により容易にされ得る。すなわち、図５に示すように、下側部１０２’の冷却空洞面１１３の最上部領域１５４は、ピストン１００の軸Ａ−Ａに対して第１角度αをもって軸方向下側に延びている。図５に示すように、最上部領域１５４は、完成前のピストン１００’に関して角度αをもって接合面１２０から下側へ直接的に通じる直線状のまたは実質的に直線状の経路を規定し得る。冷却空洞面１１３は、ピストン軸Ａ−Ａに対して第２角度βに移行し得、頂点１８０において第２角度βに移行する。すなわち、冷却空洞面１１３の第２領域１５６は、完成前のピストン１００’に関して角度βをもって頂点１８０から下方への直線的なまたは実質的に直線的な経路を規定し得る。頂点１８０は、例えば図５に示すように、完成前のピストン１００’に関して、外側接合面１１４，１１８の軸方向位置にほぼ対応する軸方向高さを有し得る。角度βは、ピストン軸Ａ−Ａに関して第１角度αよりも大きくてもよい。ある代表的な例では、角度αは２０°以下であり、一方、角度βは角度αよりも大きいが約４５°以下である。

一方、ピストンのための従前の摩擦溶接方法では、ピストンを形成するために使用される上側および下側部の接合面に隣接する壁部材の表面は、典型的には、接合面に作用する概して非常に大きな力および接合面を最大限に支持する必要性のために、接合面の上下に実質的に平行な態様で延びる。しかしながら、接合部の上下に平行に延びる壁部は、また、上側ピストン部の全体的な高さを概して増大させ、ピストン全体のより大きなコンプレッションハイトをもたらす。加えて、ピストンにおける従前の摩擦溶接方法は、円筒形の部品を高速回転により接合することを許容するために構成要素が回転対称であることを概して必要としてきた。比較すると、接合面１１６，１２０の異なる幅Ｗ_１，Ｗ_２は、それぞれが本明細書中で用いられ得るものであって、後述するように、引き続いて除去される単一の溶接カール１２４の形成をもたらす。

代表的な完成前のピストン部１００’および関連するピストン１００に再び言及すると、代表的な角度αおよびβは、径方向内側の界面領域Ｉの接合面１１６，１２０の十分な支持を概して提供することが見出される一方、冷却空洞１０８の増大した全体的な容積、およびまた、上側ピストン部１０４’のより低い全体的な高さを許容している。より低い全体的な高さは、接合面１２０が接合面１１６，１２０の間の界面領域Ｉから径方向内側に延びかつ従前のピストン溶接方法のようにはピストン軸に対して平行でないため、ピストン１００の頂面１６０に対して軸方向においてより高く径方向内側接合面１１６，１２０を配置できることに概して起因し得る。さらに、径方向内側に延びる接合面１２０は、径方向内側の界面領域Ｉに対する支持を増大し、それにより、傾斜した表面１５４，１５６に起因する接合面１１６，１２０の間における力の作用の不均衡に起因し得るピストン上側部１０４’またはピストン下側部１０２’のいかなる変形をも抑制する。したがって、下側ピストン部１０２’の壁部材１７２は、径方向内側接合面１１６，１２０の間の接合部から離れて延びる非平行な表面を概して規定し得る。一方、径方向外側の界面領域Ｏにおいて接触する壁部材１７４，１７６は、各々が、接合面１１４，１１８の間の接合部に隣接するピストン軸に対して同様に平行な態様で概して延び得、実質的に等しい大きさであって概して対応するピストン部の溶接カールの鏡像である溶接カール１２８ａ，１２８ｂ，１３０ａ，１３０ｂをもたらす。

別の代表的な例では、上側部１０４’の径方向内側対向面１３２は、下側部１０２’によって規定される径方向内側ボウル面１２２ｂ’と非平行な角度をなし得、当該ボウル面は、燃焼ボウル面１２２を例えば機械加工において仕上げていないこととは別にして、燃焼ボウル面輪郭１２２に対応している。すなわち、径方向内側ボウル面１２２ｂ’は、径方向内側接合面１１６の径方向最内側端部１８５に接触するように延びており、当該箇所において、径方向内側ボウル面１２２ｂ’は上側部１０４’の径方向内側対向面１３２と非平行な角度をなしている。さらに、ある代表的な方法では、径方向内側ボウル面１２２ｂ’は、上側部１０４’の径方向内側対向面１３２と直角をなすか、または、上側部１０４’の径方向内側対向面１３２と実質的に直角をなす。

ピストン上側部１０４’のより低い全体的な高さは、ピストンのコンプレッションハイトを低減し、ここで当該コンプレッションハイトは、（ａ）ピストンの頂面からピンボア軸（図５には示していない）までの距離と（ｂ）ピストン径Ｄとの間の比率として定義される。さらに、ピストン上側部１０４’の低減された全体的な高さは、完成したピストン１００の燃焼ボウル１２２のより低い高さＨをもたらす。ある代表的な例では、燃焼ボウル１２２の高さＨは、ピストンの上面１６０から燃焼ボウル１２２の最も低い箇所までを測定したものであって、ピストン径Ｄの１５％以下である。したがって、接合面１１６，１２０に隣接する下側の冷却空洞面１１３の傾斜した構造、ならびに径方向内側に延びる接合面１２０は、従前の方法と比較して比較的浅い燃焼ボウル１２２を容易にし、一方でまた、ピストン１００の低減された全体的なコンプレッションハイトを容易にする。

摩擦溶接プロセスが完了すると、溶接バリ、例えば溶接カール１２４，１３０が、引き続き、ピストンアセンブリ１００の比較的滑らかな外面を形成するために、ピストン上側部１０４’およびピストン下側部１０２’の外面から除去され得る。例えば、溶接バリは、機械加工により除去され得る。したがって、燃焼ボウル面１２２は、冷却空洞リング１０４とピストン本体１０２との間の境界面を横切って実質的に滑らかであり得、例えば、そのため面１２２における分断、および／または、裂け目が最小限に抑えられる。さらに、リングベルト部１０６は、また、溶接カール１３０を除去してリング溝を形成するために機械加工されるかまたは加工され得る。そのような分断または裂け目を最小限に抑えることは、通常の長時間運転における界面領域Ｉ，Ｏに沿った本体１０２とリング１０４との間の境界面のひび割れまたは他の弛みを概して低減する。したがって、例えばピストンアセンブリ１００を使用するエンジンの動作中に生じる消耗に起因する、燃焼ボウル面１２２、および／または、リングベルト部１０６におけるいかなる欠陥または故障も最小限に抑えられ得る。

冷却空洞１０８は、有利には、摩擦溶接プロセスの間にガスが逃げるのを許容する少なくとも１つの開口部（図示せず）を規定し得る。加えて、開口部は、動作中に冷却液、例えばオイルが冷却空洞を通って循環するのを許容し得る。

ピストン本体１０２および冷却空洞リング１０４は、好都合な任意の材料から構成されていてもよい。ある代表的な例では、本体１０２および冷却空洞リング１０４は、異なる材料で形成されている。別の例では、本体１０２および冷却空洞リング１０４は、同じ材料、例えば鋼で形成されている。したがって、構成要素に使用される材料は、一般的な必要条件と動作条件との各々に関連して、より密接に適合され得る。ピストン本体１０２は、単なる例として、冷却空洞リング１０４と異なった機械的特性、例えば降伏点、引っ張り強さ、または切欠き粘さを有していてもよい。都合のよい任意の材料または組合せが、本体１０２および冷却空洞リング１０４のために用いられ得る。単なる例として、本体１０２、および／または、冷却空洞リング１０４は、鋼材料、鋳鉄、アルミニウム材料、複合材、または粉末金属材料で形成されていてもよい。本体１０２、および／または、冷却空洞リング１０４は、また、同じ形成プロセスタイプで形成されてもよく、例えば、各々は、高速鍛造または冷間加工プロセスにおいて形成されてもよい。代わりに、冷却空洞リング１０４および本体１０２は、異なるプロセスで形成されてもよく、例えば、本体１０２は概して単一の鍛造部品である一方、冷却空洞リング１０４は鍛造されていてもよい。都合のよい任意の材料、および／または、成形の組合せが用いられてもよい。

図６を参照すると、完成前のピストンアセンブリ１００’、および／または、ピストンアセンブリ１００を製造するための代表的なプロセス６００が図示されている。プロセス６００は、概してブロック６０２で始まり、ここではピストン上側部が提供される。例えば、上述したように、ピストン上側部１０４’は、径方向内側および外側接合面１１６，１１４を有し得る。加えて、ピストン上側部１０４’は、例えば上側の冷却空洞面１１と共に、ピストン上側部１０２’の周縁部周りに延びる冷却空洞１０８を少なくとも部分的に規定し得る。プロセス６００は、その後ブロック６０４に進む。

ブロック６０４では、ピストン上側部の内側および外側接合面が、ピストン下側部の対応する内側および外側接合面と接触させられ得る。例えば、上述したように、径方向内側の界面領域Ｉが内側接合面１１６，１２０の間で形成され得、径方向外側の界面領域Ｏが上側部１０４’および下側部１０２’の外側接合面１１４，１１８の間で形成され得る。さらに、冷却空洞１０８は、径方向内側および外側の界面領域Ｉ，Ｏの間に配置され得、および、ピストン下側部１０２’によって規定される冷却空洞下側面１１３により部分的に規定され得る。加えて、下側部１０２’は、それぞれがピンボア１０７を規定する一対の対向して配置されたピンボス１０５を有し得る。プロセス６００は、その後ブロック６０６に進む。

ブロック６０６では、径方向内側の界面領域の外形が作られ得る。例えば、上述したように、下側ピストン部１０２’の径方向内側接合面１２０は、径方向内側接合面１１６，１２０の間における径方向内側の界面領域Ｉ、および／または、接合部から径方向内側へ延び得る。上述したある代表的な例では、径方向内側接合面１２０は、接合面１１６，１２０の間における径方向内側の界面領域Ｉ、および／または、接合部から離れて延びる、ピストン上側部１０４’の径方向内側対向面１３２に対して実質的に直角をなす。代わりにまたは加えて、下側部１０２’によって規定される冷却空洞の表面は、接合部、すなわち接合面１２０から傾斜した態様で離れて延び得、それにより冷却空洞１０８の増大した容積を容易にし、冷却空洞１０８の少なくとも一部は、得られるピストン１００の燃焼ボウル１２２の少なくとも一部の径方向内側へ延びている。さらに、ピストン１００およびその構成要素の低減された全体的な高さが、また達成され得る。

ブロック６０８に進むと、上側および下側ピストン部１０４’，１０２’が、１つ以上の径方向内側および外側の界面領域に沿って一体的に固定され得る。例えば、上述したように、上側および下側ピストン部１０４’，１０２’は、クラウンおよびスカートの径方向内側、および／または、外側接合面に沿って、摩擦溶接、接着または他の好都合な任意の方法により一体的に固定され得る。摩擦溶接が用いられる場合には、上述したように、接合面１１４，１１６，１１８，１２０に隣接して溶接バリが形成され得る。ある代表的な例では、径方向内側接合面１１６，１２０から径方向内側へ延びる溶接バリは、径方向内側および軸方向上側へ延びる単一の溶接カール１２４を形成し得る。プロセス６００は、その後ブロック６１０に進む。

ブロック６１０では、ピストン１００の外面形状が形成され得る。例えば、上述したように、完成前のピストンアセンブリ１００’は、燃焼ボウル１２２、および／または、リングベルト部１０６を形成するために機械加工され得る。さらに、完成前のピストンアセンブリ１００’の外側面の機械加工は、完成前のピストンアセンブリ１００’の外側面に配された溶接バリを除去し得る。

得られるピストン１００の浅いボウル構造は、有利には、ピストン１００のより小さな全体的な外形を許容し得る。コンプレッションハイト、ピストンの全体的な高さ、および頂面１６０に対する燃焼ボウル１２２の高さが低減され得る。さらに、より短いコンプレッションハイトは、ピストン１００の大きさおよび重量を低減し、より小さなエンジンブロックおよびより小さな全体的な構成要素を許容し、エンジンブロック周辺の自動車パッケージングにおけるより高い自由度を許容する。コンプレッションハイトが最小限に抑えられるとより長いコネクティングロッドがまた用いられ得、エンジンの動作中におけるエンジンボアに対する横力を低減し、それによりピストン１００とボアとの間の摩擦を低減し、そしてエンジン効率を向上させる。

本明細書に記載されたプロセス、システム、方法、発見的方法等に関しては、そのようなプロセス等のステップは一定の順序に従って起こるように記載されているが、そのようなプロセスは本明細書に記載された順序以外の順序でも実行され得る。さらに、一定のステップが同時に実行されてもよく、他のステップが追加されてもよく、あるいは本明細書に記載された一定のステップが省略されてもよい。換言すれば、本明細書におけるプロセスの説明は、一定の実施形態を例示するためのものであり、クレームされた発明を限定するものと解釈されてはならない。

したがって、上記の説明は、説明的なものであって限定的なものではないことを意図していることを理解されたい。提供された例以外の多くの実施形態およびアプリケーションが、上記の説明の中に存在するだろう。発明の範囲は、上記の説明を参照して決められるものではなく、その代わりに添付されたクレームを参照して決められるべきであり、そのようなクレームによって権利が与えられる均等物の全範囲に沿って決められるべきである。本明細書で述べた技術における将来的な開発が予想されまたは意図されるが、開示されたシステムおよび方法はそのような将来的な実施形態にも含まれる。要するに、本発明は、変更および変形が可能であって、下記のクレームによってのみ限定されることが理解されるべきである。

クレームで用いられる全ての用語は、本明細書における相容れない明白な指示がない限り、その最も広い妥当な構成、および、当業者によって理解されるその通常の意味を与えるように意図されている。特に、クレームにおける明確な相容れない限定がない限り、名詞は、単数および複数の両方を含む。

Claims (22)

1. ピストン（１００）を作るための完成前アセンブリ（１００’）であって、
   縦軸を規定する下側部（１０２）を備え、該下側部（１０２）は、スカート（１０３）を有しかつ冷却空洞（１０８）の下面を形成し、
   上記下側部（１０２）は、下側の径方向内側接合面（１２０）を規定する径方向内側ボウル面（１２２ｂ’）を有し、
   上記径方向内側ボウル面（１２２ｂ’）は、上記径方向内側接合面（１２０）の径方向最内側端部から上記アセンブリ（１００’）の中央部に向かって延び、
   上記下側部（１０２）は、径方向外側接合面（１１８）を規定する径方向外側壁部（１７６）を有し、
   上記径方向内側ボウル面（１２２ｂ’）と径方向内側接合部において接触する径方向外側ボウル面（１２２ｂ）を有する上側部（１０４）を備え、
   上記上側部（１０４）は、上側の径方向内側接合面（１１６）を規定する径方向内側壁部（１７０）を有し、
   上記径方向内側壁部（１７０）が、上記上側の径方向内側接合面（１１６）から上側へ離れて延びる径方向内側対向面（１３２）を規定し、
   上記上側部（１０４）は、上側の径方向外側接合面（１１４）を規定する径方向外側壁部（１７４）を有し、
   上記上側部（１０４）の上記径方向内側対向面（１３２）は、上記径方向内側ボウル面（１２２ｂ’）が上記上側部（１０４）の上記径方向内側接合面（１１６）の径方向最内側端部に接触するところにおいて、上記径方向内側ボウル面（１２２ｂ’）と非平行な角度をなしており、
   上記冷却空洞（１０８）の径方向最内側箇所（１５０）は、上記径方向外側ボウル面（１２２ｂ）よりも径方向内側に位置しており、
   上記径方向内側接合面（１１６，１２０）が、一体的に摩擦溶接されており、
   上記下側部（１０２）は、該下側部（１０２）の上記径方向内側接合面（１２０）下に設けられて上記摩擦溶接における上記上側部（１０４）および上記下側部（１０２）の変形を抑制する径方向内側壁部（１７２）であって、中央頂部および該中央頂部よりも径方向外側に配置された谷部を有するピストン燃焼ボウル面（１２２）を規定するために上記径方向内側および外側ボウル面（１２２ｂ，１２２ｂ’）を機械加工するときには、上記径方向内側壁部（１７２）のうち上記谷部に対応する部分が、上記径方向内側ボウル面（１２２ｂ’）のうち上記中央頂部に対応する部分よりも分厚く除去される径方向内側壁部（１７２）を有する
   ことを特徴とする完成前アセンブリ。
2. 請求項１において、
   上記上側の径方向内側接合面（１１６）が、該上側の径方向内側接合面（１１６）に対応する第１の径方向幅（Ｗ _１ ）を有する上側の径方向内側壁部（１７０）により規定され、
   上記下側部（１０２）の上記径方向内側ボウル面（１２２ｂ’）が、上記第１の径方向幅（Ｗ _１ ）よりも大きい第２の径方向幅（Ｗ _２ ）を規定している
   ことを特徴とする完成前アセンブリ。
3. 請求項１において、
   上記上側の径方向内側接合面（１１６）が、該上側の径方向内側接合面（１１６）に対応する第１の径方向幅（Ｗ _１ ）を有する上側の径方向内側壁部（１７０）により規定され、
   上記下側部（１０２）の上記径方向内側ボウル面（１２２ｂ’）が、上記上側の径方向内側壁部（１７０）から径方向内側へ離れて延びている
   ことを特徴とする完成前アセンブリ。
4. 請求項１において、
   上記上側部（１０４）の上記径方向外側接合面（１１４）は、上記冷却空洞（１０８）が実質的に閉塞されるように、上記下側部（１０２）の上記径方向外側接合面（１１８）と接合されている
   ことを特徴とする完成前アセンブリ。
5. 請求項１において、
   上記下側部（１０２）によって規定されかつ上記下側部（１０２）の上記径方向内側接合面（１２０）から延びる冷却空洞面（１１３）が、上記ピストン（１００）の軸と第１の非平行角度（α）をなしている
   ことを特徴とする完成前アセンブリ。
6. 請求項５において、
   上記冷却空洞面（１１３）が、上記下側部（１０２）の上記径方向内側接合面（１２０）よりも軸方向下側において、上記第１の非平行角度（α）から第２の非平行角度（β）へ移行する
   ことを特徴とする完成前アセンブリ。
7. 請求項６において、
   上記第２の非平行角度（β）が、上記第１の非平行角度（α）よりも大きい
   ことを特徴とする完成前アセンブリ。
8. 請求項７において、
   上記第１の非平行角度（α）が、２０°以下であり、
   上記第２の非平行角度（β）が、４５°以下である
   ことを特徴とする完成前アセンブリ。
9. 請求項１において、
   上記下側部（１０２）の上記径方向内側接合面（１２０）が、上記ピストン（１００）の軸に対して実質的に直角をなしている
   ことを特徴とする完成前アセンブリ。
10. 請求項１において、
    上記下側部（１０２）の上記径方向内側接合面（１２０）が、上記上側部（１０４）の上記径方向内側対向面（１３２）に対して実質的に直角をなしている
    ことを特徴とする完成前アセンブリ。
11. 請求項１において、
    上記２つの径方向内側接合面（１１６，１２０）から生じる溶接された材料が、上記径方向内側接合面（１１６，１２０）から径方向外側に延びる２つの溶接カール（１２６ａ，１２６ｂ）を形成している
    ことを特徴とする完成前アセンブリ。
12. 請求項１において、
    上記上側部（１０４）および上記下側部（１０２）が、それぞれ鋼材料で形成されている
    ことを特徴とする完成前アセンブリ。
13. 請求項１において、
    上記上側部（１０４）および上記下側部（１０２）が、それぞれ同じ材料で形成されている
    ことを特徴とする完成前アセンブリ。
14. 請求項１において、
    上記径方向内側接合面（１１６，１２０）は、上記２つの径方向内側接合面（１１６，１２０）から生じる溶接された材料が上記径方向内側接合面（１１６，１２０）から径方向内側に延びる１つだけの溶接カール（１２４）を形成するように、一体的に溶接されている
    ことを特徴とする完成前アセンブリ。
15. 請求項１に記載の完成前アセンブリ（１００’）を接合するための方法であって、
    上記下側部（１０２）を提供することと、
    上記下側部（１０２）を上側部（１０４）に対して接触させることと、
    上記径方向内側接合面（１１６，１２０）を一体的に溶接することとを含み、
    上記径方向内側接合面（１１６，１２０）を一体的に溶接することが、上記径方向内側接合面（１１６，１２０）を摩擦溶接することを含んでいる
    ことを特徴とする方法。
16. 請求項１５において、
    上記下側部（１０２）の上記径方向内側ボウル面（１２２ｂ’）を、上記上側部（１０４）の径方向内側壁部（１７０）から径方向内側に離れて延びるように作ることをさらに含んでいる
    ことを特徴とする方法。
17. 請求項１５において、
    上記下側部（１０２）によって規定される冷却空洞面（１１３）を、ピストン軸と第１の非平行角度（α）をなすために上記下側部（１０２）の上記径方向内側接合面（１２０）から延びるように作ることをさらに含んでいる
    ことを特徴とする方法。
18. 請求項１７において、
    上記冷却空洞面（１１３）を、上記下側部（１０２）の上記径方向内側接合面（１２０）よりも軸方向下側において、上記第１の非平行角度（α）から第２の非平行角度（β）へ移行するように作ることをさらに含んでいる
    ことを特徴とする方法。
19. 請求項１８において、
    上記第２の非平行角度（β）が、上記第１の非平行角度（α）よりも大きい
    ことを特徴とする方法。
20. 請求項１５において、
    上記下側部（１０２）の上記径方向内側接合面（１２０）を、ピストン軸に対して実質的に直角をなすように作ることをさらに含んでいる
    ことを特徴とする方法。
21. 請求項１５において、
    上記径方向内側接合面（１１６，１２０）を一体的に溶接することが、上記径方向内側接合面（１１６，１２０）から径方向内側に延びる１つだけの溶接カール（１２４）を形成するように、上記２つの径方向内側接合面（１１６，１２０）から溶接された材料を生じさせることを含んでいる
    ことを特徴とする方法。
22. 請求項１５において、
    上記径方向内側および外側ボウル面（１２２ｂ，１２２ｂ’）を、ピストン燃焼ボウル面（１２２）を規定するために機械加工することをさらに含み、
    上記ピストン燃焼ボウル面（１２２）が、ピストン（１００）の頂面（１６０）からの最大高さ（Ｈ）を規定し、
    上記最大高さ（Ｈ）のピストン径（Ｄ）に対する比率が、１５％以下である
    ことを特徴とする方法。