(57)【要約】  本発明は、内燃機関のためのピストン（１０）であって、ピストンピンを収容するための少なくとも２つのボス孔（１８）を有しており、これらのボス孔（１８）が、円筒形の内部輪郭からの少なくとも１つの幾何学的な逸脱を有している形式のものに関する。本発明では、ボス孔（１８）が、円筒形の内部輪郭を備える孔（２１）から形成されており、該孔（２１）に、固体潤滑剤粒子を含む樹脂を有するコーティング（２２）が設けられており、該コーティング（２２）が、前記ボス孔（１８）の円筒形の内部輪郭からの少なくとも１つの幾何学的な逸脱を形成するようにした。さらに本発明は、この種のピストン（１０）を製造する方法に関する。本発明では、まず、円筒形の内部輪郭を有する孔（２１）を製作し、引き続いて、この孔（２１）の内面に、コーティング手段（３０）により、固体潤滑剤粒子を含む樹脂を有するコーティング剤を被着し、結果として生じるコーティング（２２）が、ボス孔（１８）の円筒形の内部輪郭からの少なくとも１つの幾何学的な逸脱を形成するようにした。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のためのピストン（１０）であって、ピストンピンを収容するための少なくとも２つのボス孔（１８）を有しており、これらのボス孔（１８）が、円筒形の内部輪郭からの少なくとも１つの幾何学的な逸脱を有している形式のものにおいて、ボス孔（１８）が、円筒形の内部輪郭を備える孔（２１）から形成されており、該孔（２１）に、固体潤滑剤粒子を含む樹脂を有するコーティング（２２）が設けられており、該コーティング（２２）が、前記ボス孔（１８）の円筒形の内部輪郭からの少なくとも１つの幾何学的な逸脱を形成することを特徴とする、内燃機関のためのピストン。
【請求項２】
前記少なくとも１つの幾何学的な逸脱が、少なくとも１つの負荷軽減ポケットおよび／またはだ円値および／または成形孔として形成されている、請求項１記載のピストン。
【請求項３】
前記コーティング（２２）内に、少なくとも１つのオイル集合室（２４，２５）が設けられている、請求項１または２記載のピストン。
【請求項４】
前記少なくとも１つのオイル集合室が、ボス軸方向で延びる通路（２４）として形成されている、請求項３記載のピストン。
【請求項５】
前記少なくとも１つのオイル集合室が、ボス軸方向に対して半径方向で完全にまたは部分的に環状に延びる通路として形成されている、請求項３記載のピストン。
【請求項６】
前記少なくとも１つのオイル集合室が、ポケット状の切欠き（２５）として形成されている、請求項３記載のピストン。
【請求項７】
前記コーティング（２２）の最小厚さが、５μｍ〜２０μｍである、請求項１から６までのいずれか１項記載のピストン。
【請求項８】
前記樹脂が、熱硬化性の樹脂、特にポリアミドイミド樹脂である、請求項１から７までのいずれか１項記載のピストン。
【請求項９】
前記コーティング（２２）が、５０質量％〜６０質量％の固体潤滑剤粒子を含む、請求項１から８までのいずれか１項記載のピストン。
【請求項１０】
前記固体潤滑剤粒子が、グラファイト、硫化モリブデン、二硫化タングステン、六方晶系の窒化ホウ素およびＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を有する材料群から選択されている材料からなる、請求項１から９までのいずれか１項記載のピストン。
【請求項１１】
前記固体潤滑剤粒子が、１μｍ〜３μｍの粒径を有する、請求項１から１０までのいずれか１項記載のピストン。
【請求項１２】
円筒形の内部輪郭からの少なくとも１つの幾何学的な逸脱を有する、ピストンピンを収容するための少なくとも２つのボス孔（１８）を備える、内燃機関のためのピストン（１０）を製造する方法において、まず、円筒形の内部輪郭を有する孔（２１）を製作し、引き続いて、この孔（２１）の内面に、コーティング手段（３０）により、固体潤滑剤粒子を含む樹脂を有するコーティング剤を被着し、結果として生じるコーティング（２２）が、ボス孔（１８）の円筒形の内部輪郭からの少なくとも１つの幾何学的な逸脱を形成するようにすることを特徴とする、内燃機関のためのピストンを製造する方法。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの幾何学的な逸脱を、コーティング手段（３０）から放出されるコーティング剤の量の調節および／またはコーティング手段（３０）の送りの調節により形成する、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記コーティング剤を孔（２１）の内面に、≦０．８μｍの表面粗さＲａ（平均粗さ値）で被着する、請求項１２または１３記載の方法。
【請求項１５】
前記コーティング剤を、孔（２１）内に導入された回転するノズル（３４）からの回転噴霧により被着する、請求項１２から１４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１６】
前記回転噴霧を、１４０００〜１８０００ｒｐｍのノズルの回転速度で実施する、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
孔（２１）の内面をコーティング剤の被着前かつ／または被着中に予熱、有利には５０℃〜８０℃の温度まで予熱する、請求項１２から１６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１８】
熱により硬化可能なコーティング剤を使用し、被着終了直後に熱処理、有利には２００℃の温度での熱処理にかける、請求項１２から１７までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のためのピストン、厳密に言えば、内燃機関のためのピストンであって、ピストンピンを収容するための少なくとも２つのボス孔を有しており、これらのボス孔が、円筒形の内部輪郭からの少なくとも１つの幾何学的な逸脱を有している形式のものに関する。さらに本発明は、この種のピストンを製造する方法に関する。
【０００２】
ピストンピンはピストンをコンロッドを介して内燃機関のクランク軸に結合する。ピストンピンは、ピンボスに設けられたボス孔内に支承されており、ピストンの往復運動時に、ピストンに作用する巨大な力に基づいて撓むことができる。ピンボスは、ピストンの、最も強く負荷される部分に数えられる。高いピストン負荷時、ボス孔に亀裂が形成される恐れが生じる。それゆえ、特に軽金属製ピストンにおいて、ボス孔の応力を軽減する方法が求められている。このことは例えば、通常は円筒形のボス孔の幾何学形状を局所的に変更することにより行われる。この幾何学形状の変更は、ピストンピンの変形により惹起される応力を減じる。この種の幾何学形状の変更は例えば、負荷軽減ポケット、だ円のボス孔またはコニカル形状またはクラウニング形状の、ピストンピンの撓み線に適合された孔であることができる（後者については例えば国際公開第９６／０７８４１号参照）。この種の幾何学形状の変更はこれまで、ボス孔の手間のかかる精密加工により製作されていた。
【０００３】
ドイツの特許出願（１０２００４０５９３９２．９）から、滑り軸受面を有するボス孔を備えるピストンが公知である。滑り軸受面は、固体潤滑剤粒子を含む樹脂からなる自己潤滑性のコーティングで被覆されている。
【０００４】
本発明の課題は、ボス孔に特に簡単に局所的な幾何学的な逸脱を設けることができるピストンを提供することである。
【０００５】
解決策は、請求項１の特徴部に記載の特徴を有するピストンおよび請求項１２の特徴部に記載の特徴を有する方法にある。本発明によれば、ボス孔が、円筒形の内部輪郭を備える孔から形成されており、該孔に、固体潤滑剤粒子を含む樹脂を有するコーティングが設けられており、該コーティングが、前記ボス孔の円筒形の内部輪郭からの少なくとも１つの幾何学的な逸脱を形成するようにした。本発明による方法は、まず、円筒形の内部輪郭を有する孔を製作し、引き続いて、この孔の内面に、コーティング手段により、固体潤滑剤粒子を含む樹脂を有するコーティング剤を被着し、結果として生じるコーティングが、ボス孔の円筒形の内部輪郭からの少なくとも１つの幾何学的な逸脱を形成するようにすることを特徴とする。
【０００６】
本発明により、ボス孔を、円筒形の内部輪郭からの少なくとも１つの幾何学的な逸脱と、その内面の自己潤滑性のコーティングとを伴って、１回の同じ作業工程で製作することが可能である。このことは、かなりの時間的かつコスト的な節減を意味する。少なくとも１つの幾何学的な逸脱を付与するために、ボス孔の内面の金属を手間をかけて極めて複雑に切削しなければならない加工は、省略される。さらに、ボス孔の十分な潤滑性および抗スカッフ性を達成するために、軸受ブシュはもはや不要である。コーティングは付着層の事前の被着なしに行われ得る。ボス孔の所望の寸法安定性は高信頼性に達成される。ピストンピン支承部の耐性、ひいては寿命は、改善された潤滑特性の結果、従来公知の金属合金からなるコーティングに対してかなり改善される。
【０００７】
有利な構成は従属請求項にある。
【０００８】
前記少なくとも１つの幾何学的な逸脱は、少なくとも１つの負荷軽減ポケットおよび／またはだ円値（例えば高さ方向および／または横幅方向のだ円値）および／または成形孔として形成されていることができる。このことは例えば国際公開第９６／０７８４１号に開示されている。
【０００９】
有利には、ピストンピン支承部の潤滑をさらに改善するために、前記コーティング内に、少なくとも１つのオイル集合室が設けられていることができる。前記少なくとも１つのオイル集合室は、ボス軸方向で延びる通路として、ボス軸方向に対して半径方向で完全にまたは部分的に環状に延びる通路としてかつ／またはポケット状の切欠きとして形成されていることができる。
【００１０】
前記コーティングの最小厚さは、個々の事例の要求に依存しており、例えば５μｍ〜１５μｍであることができる。
【００１１】
有利には、コーティング内に含まれる樹脂が、熱硬化性の樹脂、特にポリアミドイミド樹脂である。ポリアミドイミド樹脂は、耐熱性に優れ、ピストンピン支承部が運転中に曝される負荷に特に良好に耐えることができる。
【００１２】
コーティング内の５０質量％〜６０質量％が固体潤滑剤粒子であるとき、特に有利な潤滑特性を示すことが判っている。この場合、前記固体潤滑剤粒子が、グラファイト、硫化モリブデン、二硫化タングステン、六方晶系の窒化ホウ素およびＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を有する材料群から選択されている材料からなることができる。固体潤滑剤粒子は有利には唯一の材料からなる。すべての固体潤滑剤粒子が同じ材料からなるか、または２つの異なる材料からなる固体潤滑剤粒子が混合、例えばグラファイトからなる固体潤滑剤粒子が金属硫化物からなる固体潤滑剤粒子と混合されると特に有利である。特に効果的な潤滑のために、前記固体潤滑剤粒子は、１μｍ〜３μｍの粒径を有する。
【００１３】
本発明による方法では、前記少なくとも１つの幾何学的な逸脱を、コーティング手段から放出されるコーティング剤の量の調節および／またはコーティングしたい孔内でのコーティング手段の送りの調節により形成することができる。
【００１４】
択一的な可能性はもちろん、コーティング剤を均一な厚さで被着し、少なくとも１つの幾何学的な逸脱を、結果的に生じたコーティングの後加工により形成することにある。この方法は、当然のことながら、少なくとも１つの幾何学的な逸脱をコーティングプロセスの最中に設ける場合に比べて遥かに手間がかかる。しかし、結果物、つまり、ボス孔の円筒形の内部輪郭からの少なくとも１つの幾何学的な逸脱を形成するコーティングを備えるボス孔を有するピストンは、同じである。
【００１５】
請求項１２から１４までのいずれか１項に記載の方法は、前記コーティング剤を孔の内面に、≦０．８μｍの表面粗さＲａ（平均粗さ値）で被着することを特徴とする。
【００１６】
請求項１２から１５までのいずれか１項に記載の方法は、前記コーティング剤を、孔内に導入された回転するノズルからの回転噴霧により被着することを特徴とする。
【００１７】
請求項１６に記載の方法は、前記回転噴霧を、１４０００〜１８０００ｒｐｍのノズルの回転速度で実施することを特徴とする。
【００１８】
孔の内面へのコーティング剤の付着をさらに改善するために、孔の内面をコーティング剤の被着前かつ／または被着中に予熱、有利には５０℃〜８０℃の温度まで予熱することができる。
【００１９】
本発明による方法の有利な構成は、熱により硬化可能なコーティング剤を使用し、被着終了直後に熱処理、有利には２００℃の温度での熱処理にかけることにある。
【００２０】
本発明の一実施例について以下に添付図面を参照しながら詳説する。図面は、縮尺に非忠実な概略図である。
図１：本発明によるピストンの一実施形態の部分断面図である。
図２：図１に示したピストンのボス孔の部分の断面図である。
図３：図２に示したボス孔を矢印Ａの方向で見た図である。
図４：コーティング手段の概略図である。
【００２１】
図１は、本発明によるピストン１０の一実施例、この場合は一体形のピストン１０を示す。ピストン１０は自体公知の形式で例えば軽合金からなる。ピストン１０は、燃焼室くぼみ１２と、トップランド１３、およびピストンリング（図示せず）を収容するためのリング部１４を備える環状に延びる側壁とを備えるピストンヘッド１１を有する。さらにピストン１０は、ピストンヘッド１１の下にピストンスカート１５を有する。ピストンスカート１５は、ピストンヘッド１１の下面に支持される２つのボス連結部１６を有する。ボス連結部１６は２つのピストンボス１７に移行する。各ピストンボスには、ピストンリング（図示せず）のためのリテーナリング溝１９を備えるボス孔１８が設けられている。もちろん、ピストンの構造形式（二分割式または多分割式）次第で、２つより多くのピストンボスが、相応のボス孔を備えて設けられていてもよい。
【００２２】
ボス孔１８は、本実施例では、円筒形状から外れた所定の内部輪郭２３を備える成形孔であり、このような内部輪郭は例えば国際公開第９６／０７８４１号に開示されている。この構成は、ボスのき裂の危険を回避するために、運転中のピストンピンの負荷軽減のために役立つ。同じ目的に役立つボス孔の別の構成は、例えばだ円値（高さ方向および／または横幅方向のだ円）または負荷軽減ポケット（Ｅｎｔｌａｓｔｕｎｇｓｔａｓｃｈｅ）を備えるボス孔である（図示せず）。これらの構成は自体公知である。
【００２３】
ボス孔１８は本発明により、円筒形の孔２１とコーティング２２とからなるように構成されている。この場合、コーティング２２の表面輪郭は、成形孔の、円筒形状から外れた所望の内部輪郭２３が生じるように構成されている。比較可能な形式で、だ円値もしくは負荷軽減ポケットが、コーティング２２の表面輪郭により形成されていてもよい（図示せず）。コーティング２２は、主として、固体潤滑剤粒子を含む樹脂からなり、これにより、自己潤滑性のコーティングである。
【００２４】
本実施例では、さらにコーティングに、ボス軸方向で延在する通路２４の形のオイル集合室が設けられている。通路２４からポケット２５が半径方向で延在している。これらのオイル集合室は、ピストンピン支承部の潤滑をさらに改善するために役立つ。もちろん、オイル集合室はそれぞれの所望の使用のために任意の形状およびサイズで形成され、互いに任意に配置されていることができる。
【００２５】
ボス孔１８の製作のために、まず、円筒形の孔２１をピストンボス１７内に設け、公知の形式で機械的な仕上げ加工を施す。表面粗さＲａ（平均粗さ値）は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第４１１１３６８号明細書に記載されるものに相当することができる。この場合、一般には、３０ｍｍより小さな孔直径で、Ｒａ値は０．６３μｍ以下であり、３０〜６０ｍｍの孔直径で、Ｒａ値は０．８μｍ以下である。孔直径は本実施例ではコーティング前、ピストンピンが、完成したボス孔１８内で、１０μｍ〜４０μｍの直径方向の遊びを有するように選択される。円筒形の孔２１は、切りくず、その他の粒子、加工油およびこれに類するものが完全に除去されているようにクリーニングされているべきである。円筒形の孔２１の内面はリン酸塩処理されていてもよい。
【００２６】
付加的なオイル集合室、例えば通路２４またはポケット２５の形のオイル集合室が設けられているべきであれば、コーティング前に、自体公知の形式で、相応のカバーテンプレート（Ａｂｄｅｃｋｓｃｈａｂｌｏｎｅ）が円筒形の孔２１内に取り付けられる。カバーテンプレートは、円筒形の孔２１の被覆された領域のコーティングを阻止する。択一的には、完成したコーティングを後加工し、こうしてオイル集合室を設けることができる。
【００２７】
本実施例で選択されるコーティング剤は、単数または複数の材料、グラファイト、硫化モリブデン、二硫化タングステン、六方晶系の窒化ホウ素、ＰＴＦＥからなる固体潤滑剤粒子を含む、熱で硬化可能な樹脂から形成されている。本実施例では、樹脂は優れた耐熱性を有するポリアミドイミドであり、固体潤滑剤は、１μｍ〜３μｍの粒径を有する硫化モリブデン粒子およびグラファイト粒子の混合物である。固体潤滑剤の量は本実施例では、完成したコーティングが約５０〜６０質量％の固体潤滑剤粒子を含有するように選択されている。コーティング剤の粘性は、十分な塗布時、滴形成が回避されるように調節されている。
【００２８】
円筒形の孔２１の内面にコーティングを被着するために、本実施例では、回転噴霧のための装置３０が役立つ。この装置３０は、ノズル体３２に接続されている基体３１を有する。ノズル体３２は基体上に軸受３３により回転可能に支承されている。ノズル体３２は、流出開口３５を備えるノズル３４を備える。基体３１はそれぞれ供給通路３６，３７を有し、供給通路３６，３７は液状のコーティング材料用ならびに圧縮空気用に決められており、混合および調量のための混合チャンバ３８で終わっている。混合チャンバ３８から流出通路３９がノズル体３２を通って延在し、流出開口３５に開口する。流出開口３５に対して垂直にバッフルプレート４１が配置されている。その結果、バッフルプレート４１とノズル体３２との間に、本実施例では０．５ｍｍの幅を有する環状のギャップ４２が生じる。ギャップ４２を通してコーティング剤／空気混合物が噴流４３の形で半径方向に、かつノズル体３２から間隔を置いて流出する。
【００２９】
駆動装置４４によりノズル体３２は回転させられ、本実施例では１４０００〜１８０００ｒｐｍの回転数領域で回転する。流出開口３５から流出するコーティング剤／空気混合物は、流出開口３５で発生する遠心力により、ディスク状の噴流４３として半径方向で流出するように加速される。噴流４３がピン軸方向で狭く形成されているので、円筒形の孔２１の、コーティングしたい内面は、ピン軸方向でコーティング剤／空気混合物の簡単な供給管理によりシャープに制限され得る。本実施例では、５〜２５ｍｍの範囲の直径および５０ｍｍまでの深さを有するノズル３４が使用可能である。その結果、装置３０により、すべてのエンジンタイプのピストンのための円筒形の孔２１がコーティングされ得る。ノズル３４の直径は、一般に、円筒形の孔２１の半径にほぼ相当するように選択される。
【００３０】
コーティング法を実施するために、Ｓｐｒｉｍａｇ社（在キルヒハイム）の遠心機Ｓ‐５２０も適している。
【００３１】
コーティング剤／空気混合物の塗布は、本実施例では、円筒形の孔２１の、５０℃〜８０℃に予熱された内面に行われる。ノズル３４は外部から内部に円筒形の孔２１内に中心的に挿入される。例えば図１に示した成形孔の、円筒形の内部輪郭からの幾何学的な逸脱を構成するために、ノズル３４の送りは、例えば１０〜２０ｍｍ／ｓの範囲で変更される。付加的にまたは択一的に、ノズル３４の流出開口３５から流出するコーティング剤／空気混合物の量が変更され得る。このために、装置３０がコンピュータ制御されて作業するようになっていると有利である。ノズル３４が円筒形の孔２１の端部に達すると、装置３０はオフにされ、引き戻される。
【００３２】
円筒形の孔２１内に、オイル集合室を製作するためのカバーテンプレートが設けられている場合、コーティング剤／空気混合物の供給は、この種のテンプレートに達すると停止される。その結果、噴流の残りがカバーテンプレートに吹付けられる。カバーテンプレートの終わりに達すると、コーティング剤／空気混合物の供給が再び行われる。
【００３３】
コーティング剤が被着されたら、ピストン、もしくはコーティングされたボス孔１８を有するピストン構成部材をオーブンに入れ、その中で本実施例では１０〜２０分間２００℃の温度に維持されることにより熱処理され硬化される。
【００３４】
完成したコーティング２２は、本実施例では、最も薄い箇所で約５μｍ〜２０μｍの厚さであり、直径方向のピン遊びは約１０μｍ〜２０μｍである。この狭小な遊びは、ピン打音によるノイズを回避するために特に有利である。さらにコーティング２２は、狭小な遊びにもかかわらず焼付き（Ｆｒｅｓｓｅｒ）が発生しないことを保証する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明によるピストンの一実施形態の部分断面図である。
【図２】図１に示したピストンのボス孔の部分の断面図である。
【図３】図２に示したボス孔を矢印Ａの方向で見た図である。
【図４】コーティング手段の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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2009520903.tif 000010
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