(57)【要約】  本発明は特に、ピストンヘッド（３）とリング区域（６）とピストンスカート（２）とを備えたピストン（１）であって、ピストンスカート（２）が、支持性のある複数のスカート壁区分（７）と、これらのスカート壁区分（７）を互いに結合させる、後退して位置した結合壁（５）と、ピン軸線に沿った方向でピストン軸線に向かってセットバックされたピンボス（４）とから成っており、該ピンボス（４）が、前記結合壁（５）を貫通しており、前記結合壁（５）の環状の下縁部（８）の範囲が、軸線（１０）に対して凸面状に、前記結合壁（５）の上縁部（９）の範囲が、有利にはリング区域（６）の下方で前記軸線（１０）に対して凹面状にそれぞれ形成されている形式のものに関する。本発明の構成では、ピストンヘッド（３）の範囲においてリング区域（６）の背後に半径方向で環状に補強部（１５）が設けられている。
2009507173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンヘッド（３）とリング区域（６）とピストンスカート（２）とを備えたピストン（１）であって、ピストンスカート（２）が、支持性のある複数のスカート壁区分（７）と、これらのスカート壁区分（７）を互いに結合させる、後退して位置した結合壁（５）と、ピン軸線に沿った方向でピストン軸線に向かってセットバックされたピンボス（４）とから成っており、該ピンボス（４）が、前記結合壁（５）を貫通しており、前記結合壁（５）の環状の下縁部（８）の範囲が、軸線（１０）に対して凸面状に、前記結合壁（５）の上縁部（９）の範囲が、有利にはリング区域（６）の下方で前記軸線（１０）に対して凹面状にそれぞれ形成されている形式のものにおいて、ピストンヘッド（３）の範囲においてリング区域（６）の背後に半径方向で環状に補強部（１５）が設けられていることを特徴とするピストン。
【請求項２】
ピストンヘッド（３）とリング区域（６）とピストンスカート（２）とを備えたピストン（１）であって、ピストンスカート（２）が、支持性のある複数のスカート壁区分（７）と、これらのスカート壁区分（７）を互いに結合させる、後退して位置した結合壁（５）と、ピン軸線に沿った方向でピストン軸線に向かってセットバックされたピンボス（４）とから成っており、該ピンボス（４）が、前記結合壁（５）を貫通しており、前記結合壁（５）の環状の下縁部（８）の範囲が、軸線（１０）に対して凸面状に、前記結合壁（５）の上縁部（９）の範囲が、有利にはリング区域（６）の下方で真っ直ぐにそれぞれ形成されている形式のものにおいて、ピストンヘッド（３）の範囲においてリング区域（６）の背後に半径方向で環状に補強部（１５）が設けられていることを特徴とするピストン。
【請求項３】
ピストンヘッド（３）とリング区域（６）とピストンスカート（２）とを備えたピストン（１）であって、ピストンスカート（２）が、支持性のある複数のスカート壁区分（７）と、これらのスカート壁区分（７）を互いに結合させる、後退して位置した結合壁（５）と、ピン軸線に沿った方向でピストン軸線に向かってセットバックされたピンボス（４）とから成っており、該ピンボス（４）が、前記結合壁（５）を貫通しており、前記結合壁（５）の環状の下縁部（８）の範囲が真っ直ぐに、前記結合壁（５）の上縁部（９）の範囲が、有利にはリング区域（６）の下方で前記軸線（１０）に対して凹面状にそれぞれ形成されている形式のものにおいて、ピストンヘッド（３）の範囲においてリング区域（６）の背後に半径方向で環状に補強部（１５）が設けられていることを特徴とするピストン。
【請求項４】
結合壁（５）の範囲でリング区域（６）の下縁部（９）が、結合壁（５）を越えて張り出していて（張出し部（１１））、該張出し（１１）で特に少なくとも部分的に空洞化されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のピストン。
【請求項５】
リング溝の背後で前記張出し部（１１）の面に空洞鋳造部が形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のピストン。
【請求項６】
前記補強部（１５）が、封入部分として形成されており、該封入部分が、ピストン素材の鋳造前に鋳造型内へ挿入され、該鋳造型内に位置固定され、かつ鋳造溶融液によって取り囲まれるようになっている、請求項１から５までのいずれか１項記載のピストン。
【請求項７】
封入部分が、単一部分または複数部分から、有利には単一部分から環状に形成されている、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】
封入部分は、鋳造型内への挿入前に、該鋳造型の、当該封入部分が位置固定される個所の内径よりも小さいか、またはそれに等しく形成された外径を有しており、封入部分の内径が、空洞鋳造部（１２）の外径よりも大きいか、またはそれに等しく形成されている、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】
封入部分が、リング区域（６）の範囲で当該ピストン（１）の半径方向の表面に現れており、しかも封入部分の軸方向高さは、該封入部分が、少なくとも１つのリング溝、有利には最上位のリング溝（１６）の上方および下方に延びるように設定されている、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】
封入部分が、冷却通路を形成する、単一部分または複数部分から成る冷却通路金属薄板を有しており、該冷却通路金属薄板が封入部分に一体成形されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１、請求項２および請求項３の各上位概念部に記載の形式の、内燃機関に用いられるピストン、すなわちピストンヘッドとリング区域とピストンスカートとを備えたピストンであって、ピストンスカートが、支持性のある複数のスカート壁区分と、これらのスカート壁区分を互いに結合させる、後退して位置した結合壁と、ピン軸線に沿った方向でピストン軸線に向かってセットバックされたピンボスとから成っており、該ピンボスが、前記結合壁を貫通しており、前記結合壁の環状の下縁部の範囲が、軸線に対して凸面状に、前記結合壁の上縁部の範囲が、有利にはリング区域の下方で前記軸線に対して凹面状にそれぞれ形成されているか、もしくは前記結合壁の環状の下縁部の範囲が、軸線に対して凸面状に、前記結合壁の上縁部の範囲が、有利にはリング区域の下方で真っ直ぐにそれぞれ形成されているか、もしくは前記結合壁の環状の下縁部の範囲が真っ直ぐに、前記結合壁の上縁部の範囲が、有利にはリング区域の下方で前記軸線に対して凹面状にそれぞれ形成されている形式のものに関する。
【０００２】
欧州特許出願公開第０９０２１８０号明細書に基づき、このような形式の、内燃機関に用いられるピストンが公知である。この公知のピストンでは、ボスがピン軸方向にセットバックされており、この場合、外側のボス間隔はピストン直径の６０〜６５％またはそれ以下となる。両滑り面を互いに結合するボス外面は、滑り面の高さにわたって見て直線状（リニア）の延在形状を有している。このようなピストンでは、ボス外面（「ボックスウォール」とも呼ばれる）が基本的に平坦に形成されているのではなく、断面で見てピストン軸線に対して平行な方向でも垂直な方向でも湾曲させられている。しかし、断面で見てピストン軸線に対して垂直な方向での面の湾曲方向はボックスウォールの面全体に関して常に等しいままである。これにより、ボックスウォールの間隔が上方（ピストンヘッドの方向）へ向かって小さくなる場合には、支持滑り面の、上方へ向かって減少した幅が生ぜしめられる。この場合に不都合となるのは、ボックスウォールの相互間隔が上方へ向かって拡幅する場合には、ピン方向におけるリング区域のアンダカット部による重量節約のポテンシャルを十分に利用することができないことである。ピストンヘッドの支持はボックスウォールによってヘッド引張応力の低下に基づき最適であるとは云えない。ボックスウォールの間隔が上方（ピストンヘッドの方向）へ向かって減少する場合には、スカート上縁において、ピストン直線案内およびスカッフィング防止部の形成のために必要とされるスカート面が失われる。さらに、ピストンスカートとリング区域鋳くるみ部（Ringfeldumguss）との間には、ピストンスカートによるリング区域の支持の欠如に基づき、移行範囲における高い応力が生ぜしめられる。
【０００３】
また、ピストンにおける、互いに平行な平面または１つの曲率半径および１つの湾曲方向しか有しない湾曲させられた面として形成されている結合壁も知られている。
【０００４】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１４５５８９号明細書に基づき知られているようなピストンにより改良形が提供されている。この公知のピストンはピストンヘッドにフリーキャスト部、つまり空洞鋳造部（アンダカット部）を有している。この空洞鋳造部はリング区域の背後で半径方向に環状に延びている。このような空洞鋳造部はたしかに重量節約の利点を有しているが、しかしそれと同時に、これによってピストンヘッドの範囲が弱められるという欠点をも有している。
【０００５】
したがって、本発明の根底を成す課題は、上記欠点が回避されるようなピストンを提供することである。
【０００６】
この課題は、請求項１、請求項２および請求項３の各特徴部にそれぞれ記載の特徴により解決される。
【０００７】
本発明の構成では、スカート壁区分およびその結合壁（その利点はドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１４５５８９号明細書に記載されている）の延在形状に関するピストンの種々の構造において、ピストンヘッドの範囲においてリング区域の背後に半径方向で環状に補強部が設けられている。この補強部には次のような利点がある。すなわち、この補強部においては、内燃機関のシリンダ室内でのピストンの運転時における燃焼温度および燃焼圧から生ぜしめられる負荷に耐えるために、空洞鋳造部が存在するピストンヘッド範囲が補強される。この範囲には空洞鋳造部（アンダカット部）が存在しているので、前記補強部は特に有利でかつ特に重要となり、しかもこのことは、スカートがリング区域の下で自由懸吊されて配置されていて、補強（支持）のためには寄与し得ないのでなおさらである。
【０００８】
本発明の改良形では、前記補強部が、封入部分として形成されており、該封入部分が、ピストン素材の鋳造前に鋳造工具、つまり鋳造型内へ挿入され、該鋳造型内に位置固定され、かつ鋳造溶融液によって取り囲まれるようになっている。この封入部分は、ピストン素材を鋳造するために使用される材料と同じ材料またはこれとは異なる材料から形成されている。これにより、空洞鋳造部による重量節約と、封入部分による補強とを互いに最適に調和させることができる。
【０００９】
本発明の改良形では、封入部分が、単一部分または複数部分から、有利には単一部分から環状に形成されている。封入部分が複数部分から形成されていると、次のような利点が得られる。すなわち、リング区域の背後でかつほぼ空洞鋳造部の高さにおいて、特別な補強を行いたい個所に封入部分を配置することができる。封入部分が単一部分から環状に形成されていると特に有利である。これにより鋳造型内への挿入時に封入部分を極めて簡単に取り扱うことができる。さらに、これにより、リング区域の範囲において特に良好な一貫した補強、とりわけ半径方向の支持が与えられている。
【００１０】
本発明の別の改良形では、封入部分が、鋳造型内への挿入前に、該鋳造型の、当該封入部分が位置固定される個所の内径よりも小さいか、またはそれに等しく形成された外径を有している。封入部分の内径は空洞鋳造部の外径よりも大きいか、またはそれに等しく形成されている。有利には、補強および鋳造時の問題の回避の目的で、封入部分と空洞鋳造部との間に間隔が設けられている。この場合、この間隔は、鋳造型内への鋳造溶融液の装入時に封入部分と空洞鋳造部との間に鋳造溶融液が十分に分配され得るように、そして隙間が回避されるように選択されなければならない。空洞鋳造部（アンダカット部）はこの場合、鋳造型の相応して形成された成形部分（スライダ）によって形成される。この成形部分は鋳造溶融液の凝固後に空洞鋳造部の形状に応じて垂直に、斜めにまたはピストンストローク軸線に対して直角に引き出される。ようするに本発明によれば、封入部分は、該封入部分がピストンヘッドの補強のために働き、かつピストンの製造（ピストン素材を鋳造し、最終加工する）後にリング区域の範囲においてピストンの半径方向の表面に現れるように形成されている。この場合、封入部分の軸方向の高さは、該封入部分が、少なくとも１つのリング溝の上下に、有利には最上位のリング溝の上下に延びるか、または複数のリング溝にわたっても延びるように設定されている。この場合、封入部分が既に鋳造の前に、オイルリングを収容するための溝を有しているか、またはこの溝（リング溝）がピストン素材の最終加工時に導入されることが可能となる。
【００１１】
本発明のさらに別の改良形では、封入部分が、クーリングチャンネル、つまり冷却通路を形成する、単一部分または複数部分から成る冷却通路金属薄板を有しており、該冷却通路金属薄板が封入部分に一体成形されている。これによって、冷却通路内を循環する冷却媒体、特にエンジンオイルによるピストンヘッドの冷却が可能となり、これにより運転時にピストンに課せられる高い負荷要求に応えられるようになる。
【００１２】
本発明のさらに別の改良形では、結合壁の範囲でリング区域の下縁部が結合壁を越えて張り出していて（張出し部）、この張出し部で少なくとも部分的に空洞化されている。この張出し部ならびに該張出し部の空洞化によって、ピストンの強度にとって問題とならない範囲において一層の重量低減が得られる。空洞化されている範囲は特にピンボスおよびピストンヘッドからピストンスカートへの移行範囲の配置に左右される。
【００１３】
以下に、本発明によるピストンの実施例を図面につき詳しく説明するが、ただし本発明は図示の実施例に限定されるものではない。
【００１４】
図１は、本発明によるピストンの斜視図であり、
図２は、ピストンの内側範囲を下方から見た図であり、
図３は、ピストンをピストン軸線に沿って断面した断面図である。
【００１５】
図１に示したピストン１は、特に軽金属ピストンであり、このような軽金属ピストンは特に内燃機関に用いられる。このピストン１はピストンスカート２と、円筒状に成形されたピストンヘッド３とを有しており、このピストンヘッド３は特に内燃機関のタイプ（ディーゼル内燃機関またはオット内燃機関）に適合されている。任意であってよいピストンヘッドの構成は本発明においてあまり重要ではない。
【００１６】
さらにピンボス４が設けられている。このピストンボス４はピン軸線に沿った方向でピストン軸線に向かってセットバック（後退）されていて、ピストンスカート２の構成要素である。ピンボス４は後退して位置する２つの結合壁５に設けられており、両結合壁５は互いに向かい合って位置する２つのスカート壁区分７を互いに結合している。さらに、ピストンヘッド３にはリング区域６が設けられている。符号８では、結合壁５の下縁部が示されており、符号９では、ピストンヘッド３の下縁部もしくはリング区域６の下縁部が示されている。ピストン１の構造は、ピストン長手方向において一定のスカート幅または上方あるいは下方へ向かって先細りになるスカート幅を持ったスカート壁区分７の面が生ぜしめられるように曲率関数、ピン方向におけるその互いに相対的なずれおよびピストン長手方向におけるその結合部の形式が設定されるように形成されている。
【００１７】
図２には、本発明を明瞭にすべく、下方からピストン１の内側範囲を見た図が示されている。この場合、図面から判るように、結合壁５の環状の下縁部８は軸線１０（ピン軸線に対して垂直）に関して凸面状の曲率半径を有している（実線）。リング区域６の下縁部９の範囲において、結合壁５は軸線１０に関して凹面状の曲率半径を有している（破線）。
【００１８】
符号１１で、リング区域６の下縁部が結合壁５を越えて張り出した張出し部（リング区域張出し部）が示されている。この場合、この範囲は特に少なくとも部分的に空洞化されており、これにより一層の重量節約が実現される。張出し部１１のこのような空洞化は、スカート壁区分７が配置されている範囲にまで延びていてよく、さらに場合によってはリング区域６の、内側に位置する範囲にまで、つまりピストンヘッド３の端部のすぐ手前にまで延びていてもよい。有利には、空洞化はリング区域６の背後で張出し部１１の面において、ピストン１の強度、特にピストンヘッド３の強度のために寄与しないか、または僅かにしか寄与しないような個所に空洞鋳造部（Freiguss）１２（図３参照）として行われる（符号１３＝ピストン軸線、符号１４＝ピン軸線）。
【００１９】
さらに図２および図３から判るように、ピストンヘッド３の範囲では、リング区域６の背後において半径方向で環状に補強部１５が設けられている。この補強部１５はピストンヘッド３の補強のために役立つ。したがって、自由鋳造部１２と補強部１５とから成る組合せによって、一方では重量が節約され、他方では強度が高められる。このことは特に、自由鋳造部１２の体積の成す重量が、補強部の重量、つまり単一部分または複数部分より成る封入部分よりも大きい場合に云える。このことは、たとえばこの封入部分の材料が、この封入部分を取り囲むピストン材料の固有密度（spezifisch. Dichte）よりも小さな固有密度を有することによって達成され得る。択一的または補足的に、この効果は同じ材料の場合でも、互いに異なる体積（封入部分の体積が、自由鋳造部の体積よりも小さい）により達成され得る。
【００２０】
（符号１６＝最上位のリング溝）。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明によるピストンの斜視図である。
【図２】ピストンの内側範囲を下方から見た図である。
【図３】ピストンをピストン軸線に沿って断面した断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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