(57)【要約】【課題】シリンダブロック本体にボアを形成するライナが接合される構造のシリンダブロックにおいて、熱負荷によるライナの変形を防止あるいは低減する上で有効な技術を提供する。【解決手段】ライナ本体３１の上端部外周面にフランジ部３２を設け、このフランジ部３２をシリンダブロック本体２の筒孔２１の上端に形成した環状段部２６に嵌め込む。その状態で、環状段部２６の周りに突設された環状突起部２７を押圧体４で摩擦加圧して塑性変形させ、その塑性変形部によりフランジ部３２を加圧して固着する構成とした。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダブロック本体にボアを形成するライナが接合される構造のシリンダブロックであって、
前記ライナは、前記シリンダブロック本体に接合されるライナ本体と、そのライナ本体の上端部外周面に前記ライナの外周を連続して一周するように形成されたフランジ部とを有するとともに、前記フランジ部上面上に前記シリンダブロック本体に形成された塑性変形部を埋め込み、前記フランジ部の下面が前記シリンダブロック本体に係合されることで前記シリンダブロック本体に固着されていることを特徴とするシリンダブロック。
【請求項２】
請求項１に記載のシリンダブロックであって、前記フランジ部は、縮径部と該縮径部の下側に配置され該縮径部より外径の大きい拡径部を有することを特徴とするシリンダブロック。
【請求項３】
請求項２に記載のシリンダブロックであって、前記拡径部と縮径部は、前記フランジ部の外周側を上面側が外側に向かって先細りとなる斜面に形成することで構成されていることを特徴とするシリンダブロック。
【請求項４】
請求項２に記載のシリンダブロックであって、前記拡径部と縮径部は、前記フランジ部の外周側を階段状に形成することで構成されていることを特徴とするシリンダブロック。
【請求項５】
請求項２に記載のシリンダブロックであって、前記拡径部と縮径部は、前記フランジ部の外周側を階段状に形成するとともに、拡径側上面が内側に向かって下り斜面に形成することで構成されていることを特徴とするシリンダブロック。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のシリンダブロックであって、前記ライナ本体は、前記シリンダブロック本体の筒孔内に圧入することで接合されていることを特徴とするシリンダブロック。
【請求項７】
シリンダブロック本体にボアを形成するライナが接合される構造のシリンダブロックの製造方法であって、
上端部外周面に前記ライナの外周を連続して一周するように形成されたフランジ部を有するライナを準備する第１のステップと、前記フランジ部の下面が前記シリンダブロック本体に係合するように前記ライナを前記シリンダブロック本体に接合する第２のステップと、前記シリンダブロック本体の上端部を塑性変形させるとともに、前記フランジ部上面上に塑性変形された塑性変形部を埋め込むことで前記ライナを前記シリンダブロック本体に固着する第３のステップとを有するシリンダブロックの製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載のシリンダブロックの製造方法であって、前記第２のステップにおけるシリンダブロック本体に対するライナの接合は、前記シリンダブロック本体に形成された筒孔内に前記ライナを圧入することで行う構成であるシリンダブロックの製造方法。
【請求項９】
請求項７に記載のシリンダブロックの製造方法であって、前記第２のステップにおけるシリンダブロック本体に対するライナの接合は、前記シリンダブロック本体の鋳造時に、前記ライナの前記フランジ部を除いた外周面を鋳ぐるむことによって行うことを特徴とするシリンダブロックの製造方法。
【請求項１０】
請求項７に記載のシリンダブロックの製造方法であって、前記第２のステップにおけるシリンダブロック本体に対するライナの接合は、前記シリンダブロック本体の筒孔内に前記ライナを両者間に摩擦熱が発生するように摺接させつつ押し込む摩擦溶接によって行うことを特徴とするシリンダブロックの製造方法。
【請求項１１】
請求項７〜１０のいずれかに記載のシリンダブロックの製造方法であって、第３のステップにおける前記シリンダブロック本体の塑性変形は、該シリンダブロック本体の上端部を押圧体で摩擦加圧することにより行うことを特徴とするシリンダブロックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関のシリンダブロックおよびその製造方法に関し、詳しくは、シリンダブロック本体に対するライナの接合技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関のシリンダブロックとして、シリンダブロック本体内に鋳鉄製のライナをアルミニウム合金で鋳ぐるんだ構造のものが知られている。このような構造のシリンダブロックは、例えば板状部材に複数の透孔を所定間隔で形成し、各透孔にそれぞれライナを嵌め込むことによって複数のライナを所定間隔に保持した状態で鋳型内にセットし、その後、溶湯を鋳型に注湯することによって製造される。このような、鋳造によるシリンダブロックの製造方法は、例えば、特許文献１に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−１５７０５７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、シリンダブロック本体内にシリンダライナを鋳ぐるむ構造のシリンダブロックの場合、実機運転の熱負荷によりライナが内径方向へ変形してシリンダブロック本体から剥離することがある。このような熱負荷によるライナの変形は、特に高熱にさらされるシリンダ上端部に発生し易いものであり、そして、ライナの変形は、ピストン当り、オイル消費、ノッキングの制御性等に関して悪影響を及ぼすことになる。
シリンダブロック本体内にシリンダライナを鋳ぐるむ構造のシリンダブロックを製造する場合、鋳型内にセットされるライナの内側（筒孔内）には砂中子を配置する。このため、中子およびシリンダライナの強度を考慮すると、鋳造時の圧力を高圧に設定できず、その結果として、シリンダブロック本体に対するライナの接合力が弱くなり、このことが原因で上記のライナの熱負荷による変形が生ずるものと考えられる。
【０００５】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、シリンダブロック本体にボアを形成するライナが接合される構造のシリンダブロックにおいて、熱負荷によるライナの変形を防止あるいは低減する上で有効な技術を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するため、本発明に係るシリンダブロックは、特許請求の範囲の請求項１〜６に記載の通りに構成される。また、本発明に係るシリンダブロックの製造方法は、請求項７〜１１に記載の通りである。なお、これら各請求項に係る発明は、シリンダブロック本体内にボアを形成するライナが接合される構造のシリンダブロックにおいて、ライナの熱負荷による変形を防止あるいは低減できるようにした技術である。
【０００７】
請求項１に記載したシリンダブロックでは、ライナは、シリンダブロック本体に接合されるライナ本体と、そのライナ本体の上端部外周面にライナの外周を連続して一周するように形成されたフランジ部とを有するとともに、フランジ部上面上にシリンダブロック本体に形成された塑性変形部を埋め込み、フランジ部の下面がシリンダブロック本体に係合されることでシリンダブロック本体に固着されていることを特徴としている。
上記のように構成された請求項１の発明によれば、フランジ部によってライナ上端部の内径方向に関する強度を高めることができるとともに、フランジ部をシリンダブロック本体に対して塑性変形部により強固に固着することができる。このことにより、シリンダブロック本体に対するライナの接合力が強化されることになり、実機運転時における熱負荷によるライナの内径方向へ変形を防止あるいは低減することが可能となる。なお、フランジ部は、ライナの外周を連続して一周するように形成されているので、ライナ上端部の内径方向に関する強度を確保することができる。
【０００８】
ライナ本体に形成されるフランジ部は、請求項２に記載したように、縮径部と該縮径部の下側に配置され該縮径部より外径の大きい拡径部を有することが好ましい。この場合、フランジ部の拡径部と縮径部は、請求項３に記載したように、フランジ部の外周面を上面側が外側に向かって先細りとなる斜面に形成することで構成することが可能であり、このような構成によれば、斜面を塑性変形部で被覆することによりフランジ部をシリンダブロック本体内に効率良く埋め込むことができる。
【０００９】
また、請求項４に記載したように、フランジ部の拡径部と縮径部は、フランジ部の外周面を階段状に形成することで構成することが可能であり、このような構成によれば、フランジ部と塑性変形部との接合面面積を広くして接合力を高めることが可能となる。
また、請求項５に記載したように、フランジ部の拡径部と縮径部は、フランジ部の外周側を階段状に形成するとともに、拡径側上面が内側に向かって下り斜面に形成することで構成することが可能であり、このような構成によれば、塑性変形部がフランジ部に対して楔状に食い込み、内径方向への変形に対して効果的な抗力が付加される。すなわち、請求項１〜５の発明によれば、ライナのフランジ部がシリンダブロック本体に対して強固に固着されることになり、熱負荷による内径方向への変形に対して大きな抵抗力を有する接合構造のライナを備えたシリンダブロックが提供される。
【００１０】
請求項６に記載のシリンダブロックでは、ライナ本体は、シリンダブロック本体の筒孔内に圧入することで接合されていることを特徴としている。圧入による接合の場合、ライナ内周面の仕上げ加工を接合作業に先行して行うことが可能なため、接合後にライナ内周面に仕上げ加工を施す場合に比べて加工作業を楽に行うことができる。
【００１１】
また、請求項７に記載の製造方法は、上端部外周面にライナの外周を連続して一周するように形成されたフランジ部を有するライナを準備する第１のステップと、フランジ部の下面がシリンダブロック本体に係合するようにライナをシリンダブロック本体に接合する第２のステップと、シリンダブロック本体の上端部を塑性変形させるとともに、フランジ部上面上に塑性変形された塑性変形部を埋め込むことでライナをシリンダブロック本体に固着する第３のステップとを有する方法である。このような製造方法によれば、熱負荷によるライナの内径方向への変形を防止あるいは低減する上で有効な接合構造のシリンダブロックを得ることができる。
【００１２】
なお、上記の第２のステップにおいて、シリンダブロック本体に対するライナの接合は、請求項８に記載したように、シリンダブロック本体に形成された筒孔内にライナを圧入することで実現でき、また請求項９に記載したように、シリンダブロック本体の鋳造時に、ライナのフランジ部を除いた外周面を鋳ぐるむことで実現でき、さらには請求項１０に記載したように、シリンダブロック本体の筒孔内にライナを両者間に摩擦熱が発生するように摺接させつつ押し込む摩擦溶接によっても実現することができる。
【００１３】
また、請求項１１に記載したように、シリンダブロックの製造方法において、第３のステップにおけるシリンダブロック本体の塑性変形は、該シリンダブロック本体の上端部を押圧体で摩擦加圧することにより行うことが好ましい。これによりシリンダブロック本体に対してライナが強固に固着された接合構造のシリンダブロックを製造することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図３に基づいて説明する。本実施の形態に係るエンジン用のシリンダブロック１は、図１に示すように、シリンダブロック本体２と、ボアを形成する円筒形状のライナ３とから構成されている。
シリンダブロック本体２は、軽量化のためにアルミニューム系合金からなる鋳造品であり、ライナ３が圧入される円形の筒孔２１と、リング状の基部２２と、冷却水が供給されるウオータージャケット２３を形成する内壁部２４および外壁部２５を有している。なお、基部２２および内壁部２４の内周面により筒孔２１が形成されている。また、内壁部２４の内周面上端部にはライナ３を筒孔２１に圧入する際に、圧入方向の位置決め基準となる環状段部（座繰り孔）２６が形成されている。さらに、内壁部２４の上面には、環状段部２６を取り囲むようにしてライナ固定用の環状突起部２７が所定高さで突出形成されている。
【００１５】
ボアを形成するライナ３は、例えば鋳鉄製あるいは鋳鋼製であり、シリンダブロック本体２の筒孔２１内に圧入される円筒形のライナ本体３１と、シリンダブロック本体２の環状段部２６に嵌め込まれる環状のフランジ部３２とを有する。ライナ本体３１の外径は、シリンダブロック本体２の筒孔２１の内径よりもやや大きく形成されて圧入嵌めに必要な圧入代が設定されている。
環状のフランジ部３２は、ライナ本体３１の外周上端部に一体に形成されている。フランジ部３２の外周側は、その上面が外側（外周側）に向かって先細りとなる斜面とされており、これにより下部側には拡径部３２ａが形成され、上部側には縮径部３２ｂが形成されている。最大外径部３２ｃは、環状段部２６の内径と等しいかまたはやや小さく形成され、最小外径部３２ｄは、ライナ本体３１の外径よりも大きく形成されている。
【００１６】
そして、上記のような形状および構造を有するライナ３は、鋳造後において、ライナ本体３１およびフランジ部３２の内周面および外周面等が所定寸法に仕上げ加工される。このようなライナ３の準備工程が本発明の請求項７でいう第１のステップに対応する。上記のように形成されたライナ３は、ライナ本体３１が加工後のシリンダブロック本体２の筒孔２１内に所定の加圧冶具（図示省略）を用いて圧入され、これによりライナ本体３１がシリンダブロック本体２に接合される。この圧入工程が本発明の請求項７でいう第２のステップに対応する。図２にはシリンダブロック本体２にライナ３が圧入された状態が示されている。図示のように、ライナ３がシリンダブロック本体２の筒孔２１内に圧入された状態では、フランジ部３２が環状段部２６に嵌め込まれ、フランジ部３２の下面３２ｅが環状段部２６の上面２６ａに係合される。フランジ部３２の下面３２ｅと環状段部２６の上面２６ａは共に平面である。
【００１７】
ライナ３の圧入後において、環状段部２６の周りに突設された環状突起部２７が図２に示す押圧体４による摩擦加圧により塑性変形されてライナ３のフランジ部３２と接合される。すなわち、押圧体４は、回転可能かつ加圧可能な工作機械の駆動軸に取り付けられた回転冶具であり、その下面が加圧方向（回転軸線方向）に直角な作用面４ａとされている。押圧体４は回転しつつその作用面４ａによってシリンダブロック本体２の環状突起部２７の上面（平面）２７ａを加圧する。これにより、環状突起部２７が摩擦熱で加熱され、環状突起部２７の上部の金属が固相流動を起す。環状突起部２７の上部に生じた固相流動部分が、フランジ部３２の外周面とシリンダブロック本体２の環状段部２６の内周面（すなわち環状突起部２７の内周面）との間の空間を外側から内側に向かって順に埋めていき、それに伴い空間にある空気は、フランジ部３２の斜面に沿って上面３２ｆ側へと押し出される。なお、本明細書において、固相流動部分とは、温度上昇により軟化し、固相状態のまま流動可能な状態になったものをいう。
【００１８】
押圧体４による摩擦加圧動作の継続により、フランジ部３２の外周部と環状段部２６の内周面との空間が固相流動部分により隙間なく埋められ、完全に埋め尽くされた状態で押圧体４による摩擦加圧動作が終わる。すなわち、シリンダブロック本体２の環状突起部２７は、図２に二点鎖線で示す如く塑性変形されることになり、そして固化後の塑性変形部２８によってライナ３のフランジ部３２が環状段部２６の上面に加圧された状態で固着される。上記の押圧体４により摩擦加圧工程が本発明の請求項７でいう第３のステップに対応する。
押圧体４による摩擦加圧が完了すると、押圧体４はシリンダブロック本体２の塑性変形部２８から引き離される。その後は、図３に示すように、摩擦加圧によって生じたバリ等が除去されるとともに、塑性変形部２８の上面がシリンダブロック本体２の上面２ａおよびフランジ部３２の上面３２ｆと面一に仕上げ加工される。
この場合、押圧体４の作用面４ａの塑性変形部２８との剥離性を向上するために、少なくとも押圧体４の作用面４ａは、シリンダブロック本体２の材質と比較して、高融点で硬質な金属またはセラミックで形成するか、あるいはシリンダブロック本体２の材質と比較して、高融点で硬質な金属またはセラミックの溶射層を有する構成とすることが好ましい。
【００１９】
以上のように、本実施の形態に係るシリンダブロック１では、シリンダブロック本体２の筒孔２１に圧入されるライナ本体３１の上端部外周面にフランジ部３２を形成し、そのフランジ部３２をシリンダブロック本体２の塑性変形部２８により加圧して固着する構成としたものである。このため、フランジ部３２によってライナ上端部の内径方向に関する強度が高めることができるとともに、フランジ部３２をシリンダブロック本体２に対して強固に固着してシリンダブロック本体２に対するライナ３の接合力を高めることができる。このことにより、実機運転時における熱負荷によるライナ３の内径方向への変形を防止あるいは低減することが可能となる。その結果、ライナ３の変形に起因する、ピストン当り、オイル消費、ノッキングの制御性等に関する悪影響を回避することができる。
【００２０】
また、本実施の形態では、フランジ部３２の外周面を斜面にして拡径部３２ａと縮径部３２ｂを形成したので、押圧体４によるシリンダブロック本体２の環状突起部２７の摩擦加圧時において、環状突起部２７の固相流動部がフランジ部３２と環状段部２６の内周面との空間を埋めるときに、該空間に存在する空気が斜面沿いに上面側へ押し出されることになり、塑性変形部２８内にガスが混入することを回避することが可能となる。
また、本実施の形態では、シリンダブロック本体２に対するライナ３の接合を圧入により行う構成である。この圧入による接合構造によると、ライナ３の内周面の仕上げ加工を接合作業に先行して行うことが可能なため、接合後にライナ３の内周面の仕上げ加工を行う場合に比べて、仕上げ加工の作業性が良い。また、圧入方式は、例えばライナ３を回転させつつ筒孔２１内に押し込んでシリンダブロック本体２に接合する摩擦溶接に比べると、精度や圧力を低く設定できることから、小型の設備での対応が可能となり、コストを削減でき、しかもライナ３を非金属材で形成することも可能である。
【００２１】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図４に示す他の実施形態では、ライナ本体３１とフランジ部３２とから構成されるライナ３において、ライナ本体３１の上端部外周面に形成されるフランジ部３２の外周側を階段状（断面Ｌ形）に形成することで、拡径部３２ａと縮径部３２ｂを構成している。このような構成によれば、図４の（Ａ）に示すように、押圧体４でシリンダブロック本体２の環状突起部２７を摩擦加圧することにより、図４の（Ｂ）に示すように、拡径部３２ａの上面の上方の空間を塑性変形部２８によって埋め込むことができる。これにより、塑性変形部２８とフランジ部３２の接触面積が前述した実施の形態における斜面に比べて増大されるため、シリンダブロック本体２に対するライナ３の接合力をより高めることができる。
【００２２】
また、図５に示す他の実施形態では、ライナ本体３１とフランジ部３２とから構成されるライナ３において、ライナ本体３１の上端部外周面に形成されるフランジ部３２の外周側を、階段状に形成することで、拡径部３２ａと縮径部３２ｂを形成するとともに、該拡径部３２ａの上面を、内側に向かって下り傾斜となるように形成する。このような構成によれば、図５の（Ａ）に示すように、押圧体４でシリンダブロック本体２の環状突起部２７を摩擦加圧することにより、図５の（Ｂ）に示すように、拡径部３２ａの傾斜上面および縮径部３２ｂの外周面を塑性変形部２８によって埋め込むことができる。拡径部３２ａの傾斜上面に塑性変形部２８が楔状に食い込み、これによりライナ３の内径方向への変形に対して大きな抗力を発揮する。なお、上記の斜面は、周方向において、部分的に形成されていてもよい。
【００２３】
上述した図４に示す他の実施形態、また図５に示す他の実施形態では、そのいずれの場合も、縮径部３２ｂの外周面が軸方向に平行に形成されている。このため、圧入冶具でライナ３を掴んでシリンダブロック本体２に圧入する場合において、縮径部３２ｂの外周面を圧入冶具により容易に掴むことができる。
【００２４】
次に、図６に示す他の実施形態では、ライナ本体３１とフランジ部３２とから構成されるライナ３において、ライナ本体３１の上端部外周面に形成されるフランジ部３２を、ライナ本体３１の上端面３１ａよりも僅かに低い位置に形成したものである。このような構成によれば、図示省略の押圧体でシリンダブロック本体２の環状突起部２７（二点鎖線で示す）を摩擦加圧することにより、フランジ部３２上面の上方の空間を塑性変形部２８によって埋め込むことができる。これにより、この場合も図４および図５に示した実施形態の場合と同様に、塑性変形部２８とフランジ部３２の接触面積が前述した実施の形態における斜面に比べて増大されるため、シリンダブロック本体２に対するライナ３の接合力をより高めることができる。
【００２５】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更することが可能である。
例えば、ライナ３の材質は、鉄材・鋼材に限定されず、また金属、非金属のいずれであっても差し支えない。また、シリンダブロック本体２の材質もアルミニューム合金に限定されず、金属材料ならば可能である。
また、ライナ３のフランジ部３２の形状は、３通りの場合を図示したが、これに限られない。例えば図３に示した外周側に向かって先細りとなる斜面に、図４に示したようなＬ形の切欠き部を周方向に点在的に設けた形状、あるいは図４に示した拡径部３２ａの上面に、図５に示したような楔状の切欠き部を周方向に点在的に設けた形状に変更してもよい。
【００２６】
また、本発明でいう第２のステップに相当する、シリンダブロック本体２に対するライナ本体３１の接合は、前述した実施の形態では、圧入方式としたが、これに限定するものではなく、鋳造または摩擦溶接による接合であってもよい。
例えば、鋳造による接合は、シリンダブロック本体２を鋳造する際に、ライナ３のフランジ部３２を除いた外周面、つまりライナ本体３１の外周面を鋳ぐるむことによって実現される。すなわち、シリンダブロック本体２を鋳造する場合において、予め所定形状に形成されたフランジ部を有するライナを、例えば砂中子により保持して鋳型内にセットする。その後、鋳型内に溶湯を注湯することでシリンダブロック本体２を形成し、ライナ本体３１の外周面を鋳ぐるむことができる。その後において、シリンダブロック本体２に形成された環状突起部２７を塑性変形させてフランジ部３２を埋め込むことにより、ライナ本体３１の接合が鋳造の場合であってもライナ３の熱負荷による内径方向への変形を防止あるいは軽減することができる。
【００２７】
また、摩擦溶接による接合は、シリンダブロック本体２の筒孔２１内にライナ本体３１を両者間に摩擦熱が発生するように摺接させつつ押し込むことで実現される。すなわち、摩擦溶接による接合は、例えばホルダーによりライナ本体３１の筒孔内周面またはフランジ部３２の外周面を保持し、このホルダーによりライナ３を回転させつつシリンダブロック本体２の筒孔２１内に押し込むという形態、あるいはライナ３を筒孔２１内に打ち込んでから回転させる形態で行うことが可能である。
また、フランジ部３２と塑性変形部２８は溶着してもよいし、また、例えばライナが非金属製の場合等には、フランジ部３２と塑性変形部２８は溶着していなくても、単に密着しているだけでもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、シリンダブロック本体にボアを形成するライナが接合される構造のシリンダブロックにおいて、熱負荷によるライナの変形を防止あるいは低減する上で有効な技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る圧入前のシリンダブロック本体とライナを示す縦断面図である。
【図２】シリンダブロック本体にライナが圧入された状態の縦断面図である。
【図３】シリンダブロック本体の塑性変形部によりフランジ部が固着された状態を示す縦断面図である。
【図４】他の実施形態のシリンダブロック本体とライナの縦断面図であり、（Ａ）はシリンダブロック本体の塑性変形前の状態を示し、（Ｂ）は塑性変形後の状態を示す。
【図５】他の実施形態のシリンダブロック本体とライナの縦断面図であり、（Ａ）はシリンダブロック本体の塑性変形前の状態を示し、（Ｂ）は塑性変形後の状態を示す。
【図６】他の実施形態のシリンダブロック本体とライナの縦断面図である。
【符号の説明】
１…シリンダブロック
２…シリンダブロック本体
３…ライナ
４…押圧体
２１…筒孔
２６…環状段部
２７…環状突起部
２８…塑性変形部
３１…ライナ本体
３２…フランジ部
３２ａ…拡径部
３２ｂ…縮径部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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