(57)【要約】  典型的なピストンアセンブリ及びピストンアセンブリを製造する方法が開示される。典型的なピストンアセンブリは、ピストンクラウンと、ピストンクラウンの開口に収容されたピストンスカートとを含む。ピストンクラウンは、冷却通路を少なくとも部分的に形成するリングベルト部を有する。ピストンクラウン及びピストンスカートは、それぞれ、さらに、ピストンクラウン及びピストンスカートの周縁に沿って延びる、対応する係合面を有する。クラウンとスカートとが連続的な上側燃焼ボウル面を形成するように、スカート係合面及びクラウン係合面は、概して、互いに固定される。ピストンスカートとピストンクラウンとは協働して、ピストンクラウンの周縁に沿って半径方向外側の間隙を形成する。
2013538982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却通路を少なくとも部分的に形成するリングベルト部を有するピストンクラウンを提供し、
前記ピストンクラウンとピストンスカートとが協働して連続的な上部燃焼ボウル面を形成するように、前記ピストンスカートを前記ピストンクラウンの中央開口に収容し、
前記ピストンクラウンと前記ピストンスカートとの間の境界面領域に沿って前記ピストンスカートを前記ピストンクラウンに固定し、前記境界面領域は、前記ピストンスカートと前記ピストンクラウンとの対応する係合面を含んでおり、前記ピストンスカートと前記ピストンクラウンとは協働して、該ピストンクラウンの外周部に沿って半径方向外側の間隙を形成することを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記対応する係合面は、前記ピストンクラウンと前記ピストンスカートとの間の唯一の結合部を形成する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
さらに、前記ピストンスカートを前記ピストンクラウンに固定することを、前記ピストンスカートを前記ピストンクラウンに溶接することとして確立することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
さらに、前記ピストンスカートを前記ピストンクラウンに溶接することを、前記ピストンスカートを前記ピストンクラウンにレーザ溶接することとして確立することを含む、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記ピストンスカートを前記ピストンクラウンにレーザ溶接することは、前記対応する係合面に向かって半径方向内方へレーザビームを方向付けることを含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記対応する係合面は、協働して接合深さを規定し、前記レーザビームは、前記対応する係合面に沿って、前記接合深さと実質的に等しいビーム深さまで前記ピストンクラウン及び前記ピストンスカートを貫通する、請求項５記載の方法。
【請求項７】
さらに、前記対応する係合面に隣接して燃焼ボウルの実質的に平滑な面を形成するために燃焼ボウル面を機械加工することを含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記ピストンスカートを前記ピストンクラウンにレーザ溶接することは、前記対応する係合面に向かって半径方向外方にレーザビームを方向付けることを含む、請求項４記載の方法。
【請求項９】
前記対応する係合面は、協働して接合深さを規定し、前記レーザビームは、前記対応する係合面に沿って、前記接合深さよりも小さなビーム深さまで前記ピストンクラウン及び前記ピストンスカートを貫通する、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記ピストンクラウンは、冷間成形プロセスにおいて前記ピストンクラウンを成形することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記ピストンクラウンは、中央開口を形成するブランクから前記ピストンクラウンを成形することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記ピストンクラウンが前記燃焼ボウル面の半径方向外側部分を形成しかつ前記ピストンスカートが前記燃焼ボウル面の半径方向内側部分を形成するように、前記対応する係合面は前記燃焼ボウル内で当接する、請求項１記載の方法。
【請求項１３】
冷却通路を少なくとも部分的に形成するリングベルト部を有するピストンクラウンを提供し、
該ピストンクラウンとピストンスカートとが協働して連続的な上部燃焼ボウル面を形成するように、前記ピストンスカートを前記ピストンクラウンの中央開口に収容し、
前記ピストンクラウンと前記ピストンスカートとの間の境界面領域に向かってレーザを方向付け、前記境界面領域は、前記ピストンスカートと前記ピストンクラウンとの対応する係合面を含んでおり、これにより、前記対応する係合面に沿って前記ピストンスカートを前記ピストンクラウンに溶接し、前記ピストンスカートと前記ピストンクラウンとは協働して、該ピストンクラウンの外周部に沿って半径方向外側の間隙を形成することを特徴とする、方法。
【請求項１４】
前記対応する係合面は、前記ピストンクラウンと前記ピストンスカートとの間の唯一の結合部を形成する、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記ピストンスカートを前記ピストンクラウンに溶接することは、前記対応する係合面に向かって半径方向外方へレーザを方向付けることを含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
前記ピストンクラウンが前記燃焼ボウル面の半径方向外側部分を形成しかつ前記ピストンスカートが前記燃焼ボウル面の半径方向内側部分を形成するように、前記対応する係合面は前記燃焼ボウル内で当接する、請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
ピストンアセンブリであって、
冷却通路を少なくとも部分的に形成するリングベルト部を有するピストンクラウンであって、該ピストンクラウンの外周部に沿って延びるクラウン係合面を有する、ピストンクラウンと、
該ピストンクラウンの中央開口に収容されるピストンスカートであって、該ピストンスカートの外周部に沿って延びるスカート係合面を有するピストンスカートとを備え、前記クラウン係合面及び前記スカート係合面は、前記ピストンクラウン及び前記ピストンスカートの間の境界面領域に含まれており、前記ピストンクラウン及び前記ピストンスカートが協働して連続的な上部燃焼ボウル面を形成するように前記ピストンスカートは前記ピストンクラウンに前記境界面領域によって固定され、前記ピストンスカート及び前記ピストンクラウンは協働して前記ピストンクラウンの外周部に沿って半径方向外側の間隙を形成することを特徴とする、ピストンアセンブリ。
【請求項１８】
さらに、前記冷却通路の下側の境界を形成する冷却通路カバープレートを備え、前記冷却通路は、概して前記ピストンクラウンと前記冷却通路カバープレートとによって閉鎖されている、請求項１７記載のピストンアセンブリ。
【請求項１９】
前記ピストンクラウンが前記燃焼ボウル面の半径方向外側部分を形成しかつ前記ピストンスカートが前記燃焼ボウル面の半径方向内側部分を形成するように、前記対応する係合面は燃焼ボウル内で当接する、請求項１７記載のピストンアセンブリ。
【請求項２０】
前記燃焼ボウル面は、前記境界面領域にわたって実質的に平滑である、請求項１９記載のピストンアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景
内燃機関製造業者は、絶えず、製品の出力及び燃費を高めようとしている。一般的に効率及び出力を高める１つの方法は、エンジン、例えばピストン、コネクティングロッド及びエンジンのその他の可動部品の振動する質量を低減することである。エンジン出力は、エンジンの圧縮比を高めることによっても増大される。エンジンの圧縮比を高めることは、一般に、運転中の燃焼室内の圧力及び温度をも上昇させる。
【０００２】
したがって、エンジン、特にエンジンのピストンは、このような重量の減少、及びエンジン運転に関連した上昇した圧力及び温度の結果、増大した応力を受ける。したがって、エンジンの寿命にわたってこのような運転条件の増大した応力に耐えるために、ピストン冷却はますます重要である。
【０００３】
ピストン構成部材の動作温度を低下させるために、ピストンの外周部に沿って冷却通路が設けられる。クランクケースオイルのような冷却材が、冷却通路に導入され、ピストンの往復運動によって冷却通路に沿って分配され、これにより、ピストンの動作温度を低下させる。
【０００４】
これと同時に、冷却通路は、ピストンアセンブリの全体的な複雑さを増大させる。例えば、冷却通路は、冷却通路を通る冷却材の適切な循環を促進するために、冷却通路カバーのような付加的な構成部材を必要とする。冷却通路は、冷却通路内に冷却材（例えばオイル）を概して捕捉する、ピストンクラウンに取り付けられたカバープレートに頼り、これにより、冷却通路の冷却効果を高める。しかしながら、付加的な構成部材も複雑さを追加する。さらに、冷却通路は、軽量又は軽負荷ピストンの場合など、より小さなピストン用途において形成することは高価及び／又は困難である。
【０００５】
したがって、冷却通路を提供することなどによって十分な冷却をも許容しつつ、全体的なピストン重量及び製造の複雑さを最小限に減じるピストンが必要とされている。
【０００６】
請求の範囲は、例示された例に限定されるわけではないが、様々な態様は、態様の様々な例を検討することによって最もよく認識される。ここで図面を参照すると、例示的な実施の形態が詳細に示されている。図面は複数の実施の形態を示しているが、図面は必ずしも実寸で描かれておらず、ある特徴は、実施の形態の革新的な態様をよりよく例示及び説明するために誇張されている。さらに、ここに説明された実施の形態は、網羅的であること、又はさもなければ、図面に示されかつ以下の詳細な説明に開示された形態及び構成自体に限定又は制限されることは、意図されていない。本発明の典型的な実施の形態は、以下の図面を参照しながら詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】典型的なピストンアセンブリの斜視図である。
【図２Ａ】典型的なピストンアセンブリの部分的な断面図である。
【図２Ｂ】ピストンピンボアに沿った典型的なピストンアセンブリの部分的な断面図である。
【図２Ｃ】図２Ａの断面図の拡大図である。
【図３】典型的なピストンクラウンブランクの斜視図である。
【図４Ａ】典型的なピストンスカートブランクの下側の斜視図である。
【図４Ｂ】図４Ａの典型的なピストンスカートブランクの上側の斜視図である。
【図５Ａ】ピストンを組み立てる典型的な方法のプロセス流れ図である。
【図５Ｂ】ピストンクラウンをピストンスカートに固定する典型的なサブプロセスの典型的なプロセス流れ図である。
【０００８】
詳細な説明
明細書において"典型的な例示"、"例"又は同様の言語への言及は、典型的なアプローチに関して説明される特定の特徴、構造又は特性が少なくとも１つの例示に含まれることを意味する。明細書における様々な場所における"例示において"というフレーズ又は同様のタイプの言語の出現は、必ずしも全てが同じ例示又は例に言及しているわけではない。
【０００９】
ここで、ピストンアセンブリ及びこのようなアセンブリを製造する方法の様々な典型的な例示が提供される。典型的なピストンアセンブリは、ピストンクラウンと、クラウンの中央開口に収容されたピストンスカートとを有する。ピストンクラウンは、冷却通路を少なくとも部分的に形成するリングベルト部を有する。クラウン及びスカートはそれぞれ、さらに、クラウン及びスカートの外周部に沿って延びる、対応する係合面を有する。スカート係合面及びクラウン係合面は、概して、互いに固定されており、クラウン及びスカートは協働して、連続的な上部燃焼ボウル面を形成している。スカート及びクラウンは協働して、ピストンクラウンの外周部に沿って、半径方向外側の間隙を形成している。
【００１０】
ピストンアセンブリを製造する典型的な方法は、冷却通路を少なくとも部分的に形成するリングベルト部を有するピストンクラウンを提供することを含む。典型的な方法は、さらに、クラウン及びスカートが協働して連続的な上部燃焼ボウル面を形成するようにクラウンの中央開口にピストンスカートを収容することを含む。典型的な方法は、さらに、スカート及びクラウンの対応する係合面に沿ってスカートをクラウンに固定することを含む。スカート及びクラウンは、一般に、協働してピストンクラウンの外周部に沿って半径方向外側の間隙を形成する。
【００１１】
ここで図１、図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、典型的なピストンアセンブリ１００が例示されている。ピストンアセンブリ１００は、ピストンクラウン１０２と、クラウン１０２の中央開口１１２に収容されたピストンスカート１０４とを有する。これにより、ピストンクラウン１０２及びスカート１０４は、燃焼ボウル１２０を形成している。クラウン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を有する。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つ以上の周方向溝１０７を形成しており、ピストンリング自体は、エンジンボア内でのピストンアセンブリ１００の往復運動中にエンジンボア面に対してシールする。クラウン１０２内へのスカート１０４の収容は、クラウン１０２及び／又はピストンアセンブリ１００の寸法及び形状に関して自由度を提供し、例えば、より低い全体クラウン高さ及び／又はより低いピストンアセンブリ１００の重心を提供する。
【００１２】
ピストンスカート１０４は、概して、ボア内での往復運動中にピストンアセンブリ１００を安定させるために、例えばエンジンボア（図示せず）の面と係合することによって、エンジン運転中にクラウン１０２を支持する。例えば、スカート１０４は外面１２６を有する。この外面１２６は、概して、ピストンアセンブリ１００の外周部の少なくとも一部に沿って円形の外部形状を形成している。外部形状は、エンジンボア面に対応しており、エンジンボア面は概して円筒状であってよい。円形のスカート面１２６は、ピストンがボア内を往復移動する際に、概してボア面に沿って摺動する。スカート１０４は、好適なあらゆる形式で、例えば鍛造、冷間成形、機械加工又は同様のものによって形成される。
【００１３】
スカート１０４は、ピストンピンボス１０５も形成している。ピストンピンボス１０５は、概して、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を備えて形成されている。例えば、ピストンピンは、ピストンピンボス１０５における開口に挿入され、これにより、概してスカート１０４をコンタクティングロッド（図示せず）に固定する。
【００１４】
クラウン１０２のリングベルト部１０６は、図２Ａ及び図２Ｂに最も詳細に示したように、冷却通路１０８を少なくとも部分的に形成している。冷却通路１０８は、概してピストンクラウンの外周部に沿って延びており、運転中に、冷却材、例えばエンジンオイルを循環させ、これにより、ピストンの動作温度を低下させる。さらに、冷却材の循環は、ピストン１００における、特にピストンアセンブリ１００の上側部分、例えばクラウン１０２及び燃焼ボウル１２０において、より安定した若しくは均一な温度の維持を促進する。
【００１５】
冷却通路１０８は、概して、クラウン１０２内で完全に閉鎖されている。例えば、冷却通路１０８は、冷却通路カバープレート１１６（図２Ａ及び図２Ｂに示されているが、図１には示されていない）によって閉鎖されている。より具体的に言うと、カバープレート１１６は、冷却通路１０８の下側の境界を形成しており、これにより、クラウン１０２内で冷却通路１０８を閉鎖しており、冷却材が冷却通路１０８に自由に進入したり、冷却通路１０８から自由に逃げ出したりすることを防止する。それと同時に、オイル又はその他の冷却材が冷却通路１０８を通ってエンジン（図示せず）へ又はエンジンから、制御された状態で循環させられることができるように、１つ以上の入口（図示せず）及び／又は出口（図示せず）が設けられており、これにより、ピストン１００及びピストン１００の構成部材に関連した動作温度を低下させ及び／又は安定させる。
【００１６】
図２Ａに最も詳しく示したように、クラウン１０２とスカート１０４との間に周方向間隙Ｇが設けられている。以下でさらに説明するように、クラウン１０２とスカート１０４とが互いに固定された後、間隙Ｇがあることにより、概して、例えばあらゆる仕上げ作業、例えば機械加工のために及び／又はカバープレート１１６の装着のために冷却通路１０８へアクセスすることができる。１つの例示において、間隙は約８ｍｍ〜約１５ｍｍである。以下でさらに説明するように、このような間隙は、概して、冷却通路１０８へのカバープレート１１６の挿入及び／又は組付けのための十分なスペースを提供する。
【００１７】
ピストンクラウン１０２とピストンスカート１０４とを固定接合することにより、ピストンアセンブリ１００は概して一片若しくは"モノブロック"アセンブリとして形成される。以下でさらに説明するように、クラウン１０２及びスカート１０４である構成部材は係合面１１０，１１４において接合され、係合面１１０，１１４は、クラウン１０２とスカート１０４との間の唯一の結合部を形成する。１つの典型的な例において、図２Ａ及び図２Ｂに最も詳しく示したように、境界面領域１９０は係合面１１０，１１４を含んでいる。したがって、クラウン１０２とスカート１０４とは別個の構成部材であるにもかかわらず、クラウンへの固定後にはピストンスカート１０４はピストンクラウン１０２に対して不動となるように、ピストンクラウン１０２は概してピストンスカート１０４とともに利用される。
【００１８】
ピストンクラウン１０２及びピストンスカート１０４は、好適なあらゆる材料から構成されてよい。１つの典型的な例において、クラウン１０２及びスカート１０４は、同じ材料、例えば鋼から形成されている。別の例において、ピストンクラウン１０２は、ピストンスカート１０４と異なる材料から形成されていてもよい。したがって、ピストンクラウン１０２のために使用される材料は、ピストンスカート１０４とは異なる機械的特性、例えば、降伏点、引張強さ又は切欠靱性を有してよい。クラウン１０２及びスカート１０４のために、好適なあらゆる材料又は組合せが用いられてよい。単に例として、クラウン１０２及び／又はスカート１０４は、鋼材料、鋳鉄、アルミニウム材料、複合材又は粉末金属材料から形成されていてよい。クラウン１０２及びスカート１０４は、互いに異なるプロセスで形成されてよい。例えば、クラウン１０２は、概して一つの鋳造片であってよいのに対し、スカートは鍛造されてよい。好適なあらゆる材料及び／又は製造方法の組合せが用いられてよい。
【００１９】
クラウン１０２及びスカート１０４は、好適なあらゆる形式で互いに固定されてよい。１つの典型的な例において、クラウン１０２及びスカート１０４は、クラウン１０２及びスカート１０４のそれぞれの円周に沿って延びた対応する係合面を形成している。より具体的に言えば、クラウン１０２は、概してクラウン１０２の外周部に沿って延びたクラウン係合面１１０を形成している。図１、図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃに最も詳しく示したように、クラウン係合面１１０は、少なくとも図２Ａ及び図２Ｂにおける断面図で見た場合に、概して平坦な面を形成しており、この面は、ピストンスカート１０４の対応する係合面１１４と一致する。以下でさらに説明するように、スカート係合面１１４とクラウン係合面１１０とは、面１１０，１１４が互いに隣接して配置されるように、概して平行に一致させられている。係合面１１０，１１４は、単に例としての溶接作業又は接着剤結合などによって互いに固定され、これにより、クラウン１０２とスカート１０４とを互いに固定する。
【００２０】
ピストンアセンブリ１００の燃焼ボウル領域１２０において連続的な上部燃焼ボウル面Ｓを形成するようにクラウン１０２及びスカート１０４が協働するように、スカート１０４がクラウン１０２に固定される。例えば、図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃに最も詳しく示したように、クラウン１０２が燃焼ボウル面Ｓの第１の半径方向外側部分１２２を形成するように、対応する係合面１１０及び１１４は燃焼ボウル１２０内で当接する。さらに、スカート１０４は、燃焼ボウル面Ｓの半径方向内側部分１２４を形成する。
【００２１】
例えば面Ｓにおける分断及び／又は不連続が最小限になるように、燃焼ボウル面Ｓはスカート１０４とクラウン１０２との間の境界面をまたぐところで実質的に平滑である。このような分断若しくは不連続を最小限にすることは、概して、通常の長期運転中に係合面１１０及び１１４に沿ったクラウン１０２とスカート１０４との間の境界面のき裂又はその他の緩みを低減する。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運転中に生じる摩耗による、燃焼ボウル面Ｓにおけるあらゆる欠陥又は故障が最小限に減じられる。以下でさらに説明するように、ピストンアセンブリ１００の製造において用いられる溶接及び／又は機械加工作業は、燃焼ボウル面Ｓにおける表面凹凸を減じる。
【００２２】
ピストンクラウン１０２とピストンスカート１０４とは、好適なあらゆる形式で互いに固定又は固定接合される。この形式は、単に例として、ビーム溶接、レーザ溶接、はんだ付けのような溶接方法、又は接着剤結合のような非溶接方法を含むが、これらに限定されない。１つの例において、ピストンクラウンとスカートとは、溶接プロセス、例えばレーザ溶接において接合され、この溶接プロセスにより、溶接ツールは、クラウン１０２とスカート１０４とを接合することに関連した溶接プロセスの前及び／又は後における最小限の機械加工作業を用いて、概して平滑な燃焼ボウル面１２０を形成する。
【００２３】
レーザ溶接作業は、概して、関連する熱影響域のサイズを最小限にしながらも、クラウン１０２とスカート１０４との間の固体金属溶接を形成する。より具体的には、図２Ａ及び図２Ｂに最も詳しく示したように、係合面１１０，１１４を含む境界面領域１９０は、溶接ツールによって作用され、これにより、境界面領域１９０においてクラウン１０２とスカート１０４とを接合する。１つの典型的な例において、約２００μｍ〜約４００μｍの波長を有する溶接レーザが用いられる。溶接レーザは、概して、係合面１１０，１１４が溶接の関連する熱影響域に含まれるように、係合面１１０及び１１４を含む又は係合面１１０及び１１４にすぐ隣接した境界面領域１９０において熱影響域を伝播させるように用いられる。これにより、クラウン１０２とスカート１０４とは、係合面１１０，１１４に沿って互いに溶接される。１つの例示的な例において、係合面１１０，１１４の周方向範囲に沿って一連の複数の溶接部が形成される。別の典型的な例において、実質的にクラウン１０２及びスカート１０４の全体に沿って溶接部が延びるように、実質的に係合面１１０，１１４の全周に沿って延びる、概して連続的な溶接プロセスにおいて溶接レーザが使用される。
【００２４】
レーザ溶接作業は、好適なあらゆる形式で行われてよい。２つの典型的な例が図２Ｃに示されている。１つの例によれば、溶接レーザＬAは、ピストンアセンブリ１００に関して半径方向内側位置から係合面１１０，１１４に向かって方向付けられる。例えば、レーザＬAは、燃焼ボウル領域１２０から半径方向外方へ係合面１１０及び１１４に向かって方向付けられる。溶接ゾーンは、概して、両方の係合面１１０，１１４を包囲しており、これにより、それぞれを互いに溶接する。言い換えれば、レーザＬAは、レーザによって伝播させられる熱影響域がクラウン１０２とスカート１０４とを接合するように方向付けられる。図２Ａ及び図２Ｂに最も詳しく示したように、レーザＬAは、概して平坦な係合面１１０，１１４に対して概して平行に向けられるが、クラウン１０２とスカート１０４とを接合するために、少なくとも係合面１１０，１１４のそれぞれを含む境界面領域１９０において熱影響域を形成するのに十分なあらゆる角度が用いられてよい。以下でさらに説明するように、レーザＬAは、レーザＬAが接合深さを完全に貫通せず、これによりあらゆる溶接スパッタが減じられる又は完全に排除されるようなパワーであってよい。
【００２５】
図２Ｃに示した択一的な典型的な例において、溶接レーザＬBは、係合面１１０，１１４に向かって半径方向内方へ向けられる。より具体的に言えば、溶接レーザＬBは、ピストンアセンブリ１００の半径方向外方の位置から伝播させられ、係合面１１０，１１４に向かって方向付けられる。以下でさらに説明するように、レーザＬBは、レーザＬBが、係合面１１０，１１４に関連した接合深さ全体を貫通し、これにより、燃焼ボウル１２０内で、反対側の面において溶接スパッタが発生されるようなパワーであってよい。
【００２６】
溶接レーザＬA，ＬBは、係合面１１０及び１１４に関連した接合深さと概して等しいか又は接合深さよりも小さい貫通深さにおいて係合面１１０，１１４に向かって方向付けられる。例えば、図２Ｃに示したように、溶接レーザＬAは、係合面１１０及び１１４に関連した接合深さ全体よりも小さな溶接深さにおいて係合面１１０，１１４に向かって方向付けられる。言い換えれば、図２Ｃに示したように、レーザＬAに関連した最大貫通深さと、冷却通路１０８の境界を形成する、接合部の反対側の面との間に、間隙Ｄ1が提供されている。したがって、溶接部は、概して、係合面１１０，１１４の間の接合部を完全に通って延びていない。さらに、これは、冷却通路１０８における、又はカバープレート１１６（図２Ｃには示されていない）の半径方向内側部分に関連した座面１４０のための、あらゆる溶接スパッタ又はその他の表面不連続を減じるか又は完全に排除する。これにより、座面１４０は比較的平滑なままであり、溶接作業後の冷却通路１０８の表面のさらなる機械加工のあらゆる必要性を最小限に減じる。１つの典型的な例において、間隙Ｄ1は約１ｍｍである。この例において、約１ｍｍの間隙は、概して、溶接部によって影響されかつ接合される材料の量を最大限にする。同時に、間隙は、溶接スパッタが、接合部の反対側に、例えば座面１４０に隣接して蓄積するのを妨げるのに十分である。
【００２７】
択一的に、接合深さ全体を貫通し、溶接接合部の反対側において、すなわち燃焼ボウル面１２０に沿って少なくとも少量の溶接スパッタを結果として生じる溶接レーザＬBが示されている。溶接作業によって引き起こされる溶接スパッタの全体的な量又はその他の表面不連続を最小限に減じることが概して望ましいが、幾つかの例においては、ある量の溶接スパッタは許容できる。例えば、あらゆるスパッタの除去を容易にするために溶接作業後に燃焼ボウル面１２０は機械加工工具によって概して容易にアクセスされる。対照的に、溶接スパッタは、冷却通路１０８の比較的閉じられた空間内において容易に除去しにくく、したがって、半径方向外方へ方向付けられる場合には、レーザ、例えばレーザＬAの貫通深さをより厳密に制御することがより望ましい。
【００２８】
さらに加えて、溶接作業後の仕上げ機械加工プロセスのあらゆる必要性は、溶接作業の前に、例えば冷却通路１０８及びスカート１０４の周囲における、ピストンアセンブリ１００の事前機械加工によって減じられる。例えば、クラウン１０２とスカート１０４とを接合する前にクラウン１０２とスカート１０４とを概して正確に製造することは、採用される様々な製造及び固定作業から生じる材料バリ、溶接スパッタ又はその他の不連続の除去の必要性を最小限に減じる。したがって、スカート１０４とクラウン１０２とを溶接した後のあらゆる所要の仕上げ機械加工作業は、複雑さ、程度及びコストが減じられる。
【００２９】
ここで図３、図４Ａ及び図４Ｂを参照すると、固定後の機械加工作業の必要性を減じるピストンアセンブリ１００の典型的な構成部材が示されている。より具体的に言えば、図３は、ピストンクラウンブランク１０２′を示している。ピストンクラウンブランク１０２′は、最初に、鋳造又は機械加工される。ピストンクラウンブランク１０２′は、概して、予め形成された中央開口１１２′を有するドーナッツ状を形成している。さらに、ピストンクラウンブランク１０２′には、冷却通路１０８が予め成形される。例えば、ピストンクラウンブランク１０２′に、凹部１０８′、若しくは完成した通路１０８のその他の前段階が提供されてよい。ピストンクラウンブランク１０２′は、好適なあらゆる成形プロセス、例えば、鍛造、冷間鍛造、機械加工などを用いて、初期のドーナッツ形状から、ピストンクラウン１０２の最終形状に成形される。クラウンブランク１０２′の初期の"ドーナッツ"形状は、概して、クラウン１０２を完成させるための広範囲な成形作業、例えば鍛造又は機械加工の必要性を最小限に減じる。
【００３０】
ここで図４Ａ及び図４Ｂを参照すると、ピストンスカート１０４を形成するために使用されるピストンスカートブランク１０４′が示されている。スカートブランク１０４′は、最初、好適なあらゆる形式で、例えば鍛造及び／又は機械加工によって成形される。図４Ａ及び図４Ｂに示したように、ピストンスカートブランク１０４′は、スカートブランク１０４′のそれぞれの側においてピンボス延長部１０５′を有する。ピンボス延長部１０５′は、最終的に、例えば鍛造作業によってピンボス１０５に成形される。さらに加えて、ピストンスカートブランク１０４′の上側は、概して、半径方向内側延長部１２４′を形成している。半径方向内側延長部１２４′は、最終的に、燃焼ボウル面Ｓの半径方向内側部分に成形される。ピストンスカートブランク１０４′は、外側面１２６′をも形成している。外側面１２６′は、最終的に、ピストンスカート１０４の概して円形の外面１２６に成形される。スカートブランク１０４′は、概して、冷却通路特徴部、例えばスカート１０４と一体のカバープレートを成形するために必要な余分な材料を少なくとも部分的に排除することによって、複雑さが単純化されかつ重量が減じられる。
【００３１】
ここで図５Ａ及び図５Ｂを参照して、ピストンを組み立てる方法の典型例が説明される。プロセス５００は概してブロック５０２において開始し、ピストンクラウンが提供される。例えば、上記で説明したように、冷却通路１０８を少なくとも部分的に形成するリングベルト部１０６を有するピストンクラウン１０２が提供される。
【００３２】
上記のように、ピストンクラウン１０２は、好適なあらゆるプロセスで形成されてよい。１つの典型的な例において、ピストンクラウン１０２は、ピストンクラウンブランク１０２′から成形される。例えば、ピストンクラウン１０２は、冷間成形プロセスにおいてピストンクラウンブランク１０２′から成形される。冷間成形プロセスにより、仕上げられたピストンクラウン１０２は加工硬化させられ、これにより、冷間成形プロセスによって強化される。さらに、上記で説明したように、ピストンクラウンブランク１０２′は、概して中央開口１１２′を形成している。中央開口１１２′は、最終的に、ピストンクラウン１０２の中央開口１１２に成形される。これにより、中央開口１１２′を提供することは、ピストンブランク１０２′の中央から材料を除去するための作業、例えば打抜きのあらゆる必要性を減じる又は排除する。プロセス５００は次いでブロック５０４へ進む。
【００３３】
ブロック５０４において、ピストンスカートは、クラウンの中央開口内に収容される。例えば、上記で説明したように、ピストンスカート１０４が提供され、ピストンスカート１０４は、ピストンクラウン１０２の中央開口１１２に収容される。さらに、クラウン１０２とスカート１０４とは、スカート１０４がクラウン１０２に収容された後に連続的な上部燃焼ボウル面Ｓを形成するように概して協働する。上述のように、スカート１０４は、好適なあらゆる形式において、例えば、鍛造、冷間成形等によって成形されてよい。
【００３４】
クラウン１０２の開口１１２にスカート１０４を収容すると、対応する係合面１１０，１１４は、概して、燃焼ボウル１２０内で当接する。例えば、上記で説明したように、クラウン１０２は、燃焼ボウル面Ｓの半径方向外側部分を形成するのに対し、スカート１０４は、燃焼ボウル面Ｓの半径方向内側部分を形成する。さらに、スカート１０４とクラウン１０２とは、ピストンクラウン１０２の外周部に沿って延びた、半径方向外側の間隙Ｇを形成するように協働する。プロセスは次いでブロック５０６へ進む。
【００３５】
ブロック５０６において、クラウン１０２は、対応する係合面１１０，１１４に沿ってスカート１０４に固定される。１つの典型的な例において、対応する係合面１１０，１１４は、概して、クラウン１０２とスカート１０４との間の唯一の結合部を形成し、これにより、ピストンアセンブリ１００の組立てを単純化する。上述のように、クラウン１０２及びスカート１０４は、好適なあらゆる形式において互いに固定される。例えば、スカートとクラウンとは、溶接作業、例えばレーザ溶接において接合される。
【００３６】
ここで図５Ｂを参照すると、典型的なレーザ溶接プロセスが例示されている。例えば、ブロック６００において、溶接レーザＬAは、係合面１１０，１１４に向かって半径方向外方に、すなわち係合面１１０，１１４に関して半径方向内側位置から方向付けられる。これに代えて、ブロック６０６において、溶接レーザ、例えばレーザＬBは、係合面１１０，１１４に関して半径方向外側位置から係合面１１０，１１４に向かって半径方向内方へ方向付けられる。その他の状況において、両方又は他のプロセスを同時に使用することが望ましい。
【００３７】
上記でも述べたように、１つ以上の溶接レーザは、係合面１１０及び１１４に関連した接合深さと等しいか又は接合深さよりも小さい貫通深さで、係合面１１０，１１４に向かって方向付けられる。例えば、上記で説明された溶接レーザＬAは、概して係合面１１０，１１４に沿った接合深さを完全に貫通していない溶接を形成する。これは、有利には、冷却通路１０８及び／又はカバープレート１１６（図２Ｃには示されていない）の座面１４０におけるあらゆる溶接スパッタ又はその他の表面不連続を減じるか又は完全に排除する。これに代えて、溶接レーザ、例えばレーザＬBは、接合部全体を貫通してよく、溶接接合部の反対側において少なくとも少量の溶接スパッタを結果として生じる。
【００３８】
概して上記で説明したように、溶接接合部全体を貫通することにより、より多くの溶接スパッタが生じ、ひいては、機械加工などの付加的な溶接後の除去作業が要求される。しかしながら、溶接接合部全体の貫通は、２つの材料の間の接合の強度も高める。さらに、係合面１１０，１１４によって形成された残留する"シーム"は、ピストン作動中に温度及び／又は圧力が最大となる燃焼ボウル面Ｓから離れてシームが位置決めされる場合には、より許容可能である。したがって、より高い強度又は最小限の溶接後機械加工のどちらに高い優先度を与えるか応じて、溶接は、与えられた用途に対して最適化される。
【００３９】
したがって、ブロック６００において溶接が半径方向内方に向けられる図５Ｂの典型的な例において、その後、ブロック６０２において燃焼ボウル面Ｓを機械加工する必要がある。この付加的なステップ（ブロック６０２）は、例えばブロック６０６において溶接が半径方向外方へ向けられる場合には不要である。
【００４０】
ブロック６０６における溶接又はブロック６０２におけるボウル機械加工が完了すると、ブロック６０６において仕上げ機械加工作業が行われ、カバープレート１１６の装着を許容するために、冷却通路１０８における及び／又はカバープレート１１６に隣接するあらゆる所要の特徴を完成させる。例えば、溶接作業の完了時、さもなければピストンアセンブリ１００の完全な最終組立て時に、表面欠陥を除去するために、ピストンアセンブリ１００に僅かな機械加工作業が提供される。例えば、レーザ溶接作業に関連した溶接ゾーンの周囲の包含物（inclusion）は、機械加工作業によって除去される。１つの典型的な例において、冷却通路１０８を閉鎖するためにカバープレート１１６を保持するために使用される座面１４０をも仕上げながら、溶接作業によって生ぜしめられる包含物を除去するために、機械加工作業が用いられる。
【００４１】
溶接作業後の仕上げ機械加工プロセスのためのあらゆる必要性は、溶接作業前の、ピストンアセンブリ１００の、例えば冷却通路１０８及びスカート１０４の周囲における予備機械加工によって減じられる。例えば、クラウン１０２とスカート１０４とを接合する前のクラウン１０２及びスカート１０４の概して正確な成形は、用いられる様々な成形及び固定作業から結果として生じる材料バリ、溶接スパッタ又はその他の表面不連続の除去の必要性を最小限に減じる。したがって、スカート１０４及びクラウン１０２の溶接後のあらゆる所要の仕上げ機械加工作業は、複雑さ、程度及び／又はコストが減じられる。
【００４２】
クラウン１０２とスカート１０４とが溶接されるところで、クラウン１０２とスカート１０４との間の溶接接合部は、溶接プロセス後の熱処理によって弛緩させられてよい。その代わりに、熱処理のあらゆる必要性を概して減じるために溶接作業中に溶加材材料、例えば溶加材ワイヤが使用されてよい。
【００４３】
再び図５Ａを参照すると、ブロック５０８において、カバープレート１１６はピストンアセンブリ１００に組み付けられ、これにより、概して冷却通路１０８を閉鎖する。より具体的に言えば、カバープレート１１６は、半径方向外側部分においてピストンクラウン１０２に固定され、半径方向内側部分においてスカート１０４の座面に固定されるように組み付けられる。
【００４４】
したがって、ピストンアセンブリ１００、及びアセンブリを形成する典型的な方法５００は、概して、軽量ピストンアセンブリ１００の単純化された製造を可能にする。さらに加えて、材料の選択における自由度、燃焼ボウルにおける溶接接合部の構成によって可能にされる、スカートとクラウンとの間の比較的小さな間隙、及び結果として生じる改良されたピストン動力学及び機能的動作により、ピストンアセンブリ１００は、概して、改善された騒音／振動／ハーシュネス（ＮＶＨ）特性を有する。例えば、減じられた摩擦は、エンジンボア面に沿った往復運動及び摺動により、ピストンアセンブリ１００の振動の対応する減少を生じる。さらに加えて、ピストンアセンブリは、概してピストンアセンブリ１００の剛性、及び材料選択における付加的な自由度の結果、より高い最大燃焼圧力を許容することもできる。さらに加えて、ある典型的な例において使用される、単純化された鍛造及び溶接プロセスにより、製造コストが減じられる。
【００４５】
ここで説明されたプロセス、システム、方法、発見等に関し、このようなプロセス等のステップは、ある順序の連続にしたがって行われるものとして説明されているが、このようなプロセスは、説明されたステップが、ここに説明された順序以外の順序で行われることによって実施することができることを理解すべきである。さらに、複数のステップを同時に行うことができ、他のステップを加えることができ、又はここで説明されたあるステップを省略することができることを理解すべきである。言い換えれば、ここでのプロセスの説明は、ある実施の形態を例示する目的で提供されており、請求項に記載の発明を限定するものと解釈すべきではない。
【００４６】
したがって、上記説明は、例示的であり、限定的でないことが意図されていると理解すべきである。提供された例以外の多くの実施の形態及び適用例が、上記説明を読むことにより明らかになるであろう。発明の範囲は、上記の説明に関して決定されるのではなく、その代わりに、添付の請求項に関して、これらの請求項が委任された均等物の全範囲とともに、決定されるべきである。将来の発展が、ここで検討された技術において生じるであろうこと、及び開示されたシステム及び方法はこのような将来の実施の形態に包含されることは予期及び意図されている。要するに、発明は、改良及び変更が可能であり、以下の請求項によってのみ限定されることを理解すべきである。
【００４７】
請求の範囲で用いられる全ての用語は、ここで反対の明示がなされない限り、それらの最も広い合理的な構成、及び当業者によって理解される通常の意味が与えられていることが意図されている。特に、"ａ"、"ｔｈｅ"、"ｓａｉｄ"のような単数の冠詞の使用は、請求項が反対の明確な限定を述べていない限り、示された構成要素の１つ以上を述べているものとして読まれるべきである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【国際調査報告】
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