(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン・ピストン（１０；１１０；２１０）であって、ピストン縦軸（１８）に中心を合わせたクラウン（１６；１１６；２１６）、そして該クラウンの周縁部に対して軸線方向へ開放端（２４；１２４；２２４）まで伸びる筒状側壁（２０；１２０；２２０）を含む予め作製した外側シェル（１２；１１２；２１２）と、このシェルの筒状側壁内で、縦軸に対して横断方向に伸びるように配置され、クラウンおよび該クラウンから離間した側壁の双方と界面を接する予め作製した取り付け部材（１４；１１４；２１４）とを有し、該取り付け部材がガジオン・ピン・ボス手段（６０；１６０；２６０）を担持する、エンジン・ピストンにおいて、前記取り付け部材が前記ガジオン・ピン・ボス手段（６０；１６０；２６０）と共に一つの部品として構成され、すなわち、前記取付け部品が横断方向に延びた閉鎖板状部材を形成し、該閉鎖板状部材は、径方向に延びた、クラウンとの界面（７１；２７１）であって、共通の軸線方向位置基準として働く界面と、少なくとも１つの、軸線方向へ延びた、外方に位置する周囲界面（５７；１５７；２５７）であって、取り付け部材が取り外せないように冶金結合される前記側壁との周囲界面とによって、クラウン（１６）内の周囲チャンバ（８０、１８０、２８０）を下から部分的に閉鎖する、すなわち前記取り付け部材が径方向に伸びた界面においてクラウンと取り外せないように冶金結合され、前記取付け部材が軸線方向へ延びた界面において前記側壁と取り外せないように冶金結合されることを特徴とする、エンジン・ピストン。
【請求項２】
請求項１に記載のピストンにおいて、前記取り付け部材と筒状側壁の結合部（５７；１５７；２５７）が、取り付け部材とクラウンの結合部（７１；１７１；２７１）とほぼ同一の縦方向位置にあることを特徴とする、エンジン・ピストン。
【請求項３】
請求項１または２に記載のピストンにおいて、前記筒状側壁が、クラウンに隣接して、軸線方向に離間した、周方向に伸びるリング溝（４０；１４０；２４０）の領域を含み、取り付け部材が、クラウンから離れたリング溝領域（４６）の端部で、側壁に結合されることを特徴とする、エンジン・ピストン。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載のピストン（１０；２１０）において、前記クラウンが、周縁領域によって囲まれた中央領域（２６；２２６）を有し、周縁領域が筒状側壁と一体形成され、中央領域が、ボウル壁（３４；２３４）と、該ボウル壁によって、クラウン周縁領域から軸線方向にずらされたボウル床（３２；２３２）とを有する燃焼ボウルを備え、燃焼ボウル床がボウル壁と一体に形成され、取り付け部材が燃焼ボウル（７１；２７１）にてクラウンに結合されることを特徴とする、エンジン・ピストン。
【請求項５】
請求項４に記載のピストンにおいて、共通の軸線方向位置の基準として働らく、取り付け部材とクラウンの間の、前記径方向に伸びた界面（７１；２７１）が、取り付け部材とクラウンの間に、燃焼ボウル壁（３４；２３４）とボウル床（３２；２３２）の間の接合部において画定されることを特徴とする、エンジン・ピストン。
【請求項６】
請求項４または５に記載のピストンにおいて、前記径方向に伸びた界面が、燃焼ボウル壁への軸線方向の延長部（７０；２７０１；２７０２）によって画定されることを特徴とする、エンジン・ピストン。
【請求項７】
請求項４から６のいずれか一項に記載のピストンにおいて、ガジオン・ピン・ボス手段が、シェルの開放端と、取り付け部材および側壁の結合部との間に軸線方向に配置され、ガジオン・ピン・ボア（６２；２６２）を含み、このガジオン・ピン・ボアは、ピストン縦軸（１８；２１８）を横切る方向に延び、該ボアの軸線に沿って離間され、取り付け部材が連結ロッド開口部（６４；２６４）を含み、この連結ロッド開口部は、ピストン縦軸に沿って該取り付け部材を貫いて延び、前記ピン・ボア軸線に沿って離間した２つのガジオン・ピン・ボス（６６；６８；２６６；２）を前記ガジオン・ピン・ボス手段から形成し、クラウンの中央領域を筒状側壁の開放端に露出させることを特徴とする、エンジン・ピストン。
【請求項８】
請求項７に記載のピストンにおいて、前記取り付け部材（２１４）は、断面が、前記ガジオン・ピン・ボア（２６２）の方向で、連結ロッド開口部を除いて、ほぼ均一であることを特徴とする、エンジン・ピストン。
【請求項９】
請求項１から３のいずれか一項に記載のピストン（１１０）において、前記クラウンが、周縁領域によって囲まれた中央領域を有し、周縁領域が、筒状側壁と一体形成され、中央領域が、ボウル壁（１３４）と、クラウン周縁領域から該ボウル壁によって軸線方向にずらされたボウル床（１３２）とを有する燃焼ボウル（１３０）を備え、ボウル床（１３２）が、ボウル壁に結合された取り付け部材（１１４）によって形成されることを特徴とする、エンジン・ピストン。
【請求項１０】
請求項９に記載のピストンにおいて、前記燃焼ボウル床およびボウル壁が、これら燃焼ボウル床とボウル壁の間の、ほぼ軸線方向に延びた結合界面（１３３）にて互いに結合されることを特徴とする、エンジン・ピストン。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載のピストンにおいて、共通の軸線方向位置の基準として働らく、取り付け部材とクラウンの間の、前記径方向に伸びた界面が、取り付け部材（１１４）とボウル壁の端部領域（１７０）との間に配置されることを特徴とする、エンジン・ピストン。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか一項に記載のピストンにおいて、前記外側シェルが、固体状態で変形可能な金属合金からつくられ、取り付け部材および外側シェルは同一材料から作られることを特徴とする、エンジン・ピストン。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか一項に記載のピストンにおいて、前記筒状側壁が該筒状側壁内にショルダ手段（４４；１４４；２４４）を有し、このショルダ手段は、壁の内径の変化によって設けられ、側壁の開放端（２４；１２４；２２４）の方を向いていて、取り付け部材の周縁部がショルダ手段において側壁に結合されることを特徴とする、エンジン・ピストン。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか一項に記載のピストンにおいて、冶金結合される前記取り付け部材と外側シェル部の間の外方に位置する周囲界面（５７；１５７；２５７）が筒状側壁の開放端部に整合していることを特徴とする、エンジン・ピストン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、内燃焼エンジンのピストンおよびその製造に関する。本発明は、特に、軽量でもあり、小容量・高圧縮エンジンのコスト効率の良い大量生産に適した頑丈なピストンの製造に関する。
【０００２】
大量市場向け自動車用の内燃焼エンジン・ピストンは、大量に製造され、コストの制約を受けるため、製造プロセスを制限する。このようなピストンは、必ずという訳ではないが、通常、一般にアルミニウムをベースにした軽金属合金から鋳造し、一連の機械加工工程にかけて最終的に精密部品となる。
【０００３】
例えば圧縮点火エンジンなど苛酷な用途では、通常鍛造した鋼からピストンを製造することが知られているが、そのようなピストンは、付着した金属を除去するための多大な機械加工作業を行うのにもかかわらず、重量のハンディを有する傾向があり、これまでは、トラックなどに見受けられる大容量で低速回転のエンジンに限定されてきた。
【０００４】
最近では、高速で、高圧縮圧力を用いて動作することが必要な小型の自動車エンジンに使用するために、そのような圧縮点火エンジンを供給することが要望されている。鋼は、適切な特性を有する材料であり、重量ハンディの全てとはいかないまでもその大部分を軽減する比較的細い区域に使用し得る強度を有しているが、そのような可能性を実現することのできる小型の一体形成ピストンを製造するには困難がある。一般に、そのようなピストンは、鍛造によって鋼で製造しなくてはならず、壁の厚みと形状への制限が伴い、それが重量削減を制限する。
【０００５】
ＵＳ−Ａ−１６６７２０２およびＵＳ−Ａ−２２４４００８のように、個別に作った部品から鋼ピストンを組み立て、または構築することが提案されている。しかしそこに示されたピストンのクラウンの形態は、比較的単純な構造をしており、最新式エンジンでしばしば必要となるクラウン内燃焼ボウル（椀）がついていない。そのような追加の複雑さがなくとも、多数の個別部品および必要となる組み立て作業は、最新式小型エンジン内でコスト効率良く作動することのできる小さなピストンを提供するのに、役立つことはないと考えられる。
ＦＲ−５２  ７６８  Ａは、軽量で製造の簡単な、航空機エンジン用のピストンを開示しているが、これは、スカートおよびクラウン周縁部を備えた外側筒状シェルと、クラウン中央領域およびガジオン・ピン・ボスの少なくとも一部を備えた内側取り付け部材とを備える。この２つの部分は、共軸に配設され、テーパ嵌合され、ピストンの両端部におけるそれらの界面によって、１つまたは複数の冷却チャンバを、それらの間に画定し、これらの部分はまた、それらの間に、燃焼ガスの漏れを防止する密閉リングを有する。この構造は、双方の部分が、ガジオン・ピンによって相対的な位置に保たれ、ガジオン・ピンと燃焼ガスによって、力を軸線方向にかけられるようになっている。
【０００６】
大量生産用の小型ピストンが主にコストの制約を受けるにもかかわらず、苛酷な用途の大型ピストンは、主に重量による制約を受ける。したがって、軽量ピストンをコスト効率良く生産できる能力は、適用範囲を制限されない。このことに留意して、本発明の目的は、簡単な形態で強度と軽量を実現することのできる、組み立て形態のエンジン・ピストンと、これまでよりコスト効率良く実施することのできるピストンを生産する方法とを提供することにある。
【０００７】
本発明の第１の態様によると、エンジン・ピストンは、ピストン縦軸に心合わせしたクラウン、およびクラウンの周縁部に対して軸線方向に開放端まで伸びる筒状側壁を含む外側シェルと、シェルの筒状側壁内に、縦軸に対して横断方向に伸びるように配置され、クラウンおよびクラウンから離間した側壁の双方に結合される取り付け部材と、取り付け部材によって担持するガジオン（zudzeon）・ピン・ボス手段とを備える。
【０００８】
「縦軸」という用語は、クラウンの幾何学的中心に対してピストンを定義することに関して用いるが、ピストンの断面が、例えば若干楕円形または卵形の、円形以外のものであるのにもかかわらず使用している。
【０００９】
好ましくは、筒状の側壁は、クラウンに隣接して、軸線方向に離間した、周方向に伸びるリング溝の領域を含み、取り付け部材は、クラウンから離れたリング溝領域の端部で側壁に結合され、取り付け部材の周縁部は、少なくとも１つのリング溝とほぼ同一の軸線方向位置で周囲側壁に結合される。
【００１０】
より好ましくは、クラウンの周縁領域、筒状側壁、そして結合した取り付け部材が、それらの間に環状の冷却チャンバを画定する。
【００１１】
ガジオン・ピン・ボス手段を、取り付け部材と一体に設けることが好ましいが、それにもかかわらず、取り付け部材を、クラウンおよびクラウンからずらした側壁に結合すると、リング溝領域を含み、かなりの壁の厚みを必要とせずに、リング溝領域に大きな圧力抵抗をもたらす、モノコック・タイプの構造が生み出される。
【００１２】
本発明の第２の態様によると、エンジン・ピストンの製造方法は、縦軸に心合わせしたクラウンと、クラウンの周縁部に対して軸線方向に開放端まで伸びる筒状側壁とを備える外側シェル部分を形成することと、ガジオン・ピン・ボス手段を担持する取り付け部材であって、筒状側壁内に嵌め合わされ、それと界面を接するように寸法決めした周縁部を備える取り付け部材を形成することと、取り付け部材を、クラウンの界面でクラウンと界面を接し、壁の界面で側壁と界面を接するように筒状側壁内に配設することと、取り付け部材を、クラウンの界面と壁の界面とでシェルに結合することとを含む。
【００１３】
この方法は、一体シェル本体として、筒状側壁と、クラウンの中央領域に境界を定めるクラウンの少なくとも周縁部分とを形成することを含むことが好ましい。
【００１４】
外側シェルおよび取り付け部材は、単一体または予め組み立てた本体として個別に設けられ、次いで冶金術的に結合してピストンを形成することが好ましい。
【００１５】
本明細書では、冶金術的結合とは、金属本体同士を直接または介在金属によって接合するのに使用する全ての周知の技法を意味し、蝋付けと、摩擦溶接や、レーザもしくは他の光線による溶接、またはジェット溶接など、様々な形の溶接とを含む。
【００１６】
外部シェル本体は、後方押出し加工または鍛造によって形成することができる。これに代えて、外側シェル本体をフロー形成で形成することもできる。
【００１７】
基準から考えられる様に、燃焼ボウル手段がクラウン内に必要な場合、これを、形状の制約を伴って、シェル本体と一体形成することができ、あるいは個別に形成して冶金術的に結合することができる。
【００１８】
外側シェル部分および／または取り付け部材は、適切に延性である鋼から作製することができるが、この方法は、非鉄性材料の延性合金類に同等に適用することができる。
【００１９】
本発明の実施形態を、例証として、添付の図を参照して次に説明する。
【００２０】
図１（ａ）から１（ｄ）を参照すると、内燃焼エンジン用ピストン１０は、高炭素鋼から形成される。これは、外側シェル１２と、それに、蝋付けによって冶金術的に結合される取り付け部材１４とを備える。
【００２１】
外側シェル１２は、ピストン縦軸１８に心合わせしたクラウン１６と、クラウンの周縁領域２２に対して軸線方向に開放端２４まで伸びる筒状側壁２０とを備える。
【００２２】
クラウンの中心にあり、周縁領域２２に囲まれている、燃焼ボウル３０の形態をした（境界線２８で表示する）中央領域２６は、ボウル壁３４によって、クラウン周縁領域に対して軸線方向に、筒状側壁の開放端に向かってずらされたボウル床３２を有する。３６で示すように、このボウル壁は、好都合には径方向に内曲した形態である。
【００２３】
中央領域２６および周縁領域２２のいずれをも含むクラウン１６は、以下に述べるように、後方押出し加工によって筒状側壁と一体でマンドレル上で形成されて、単体の外側シェル本体を画定する。
【００２４】
筒状側壁２０は、軸線方向に離間する、壁内に加工され、周方向に伸びるリング溝４２の領域４０をクラウンに隣接して含み、リング溝領域と開放端２４の間に、壁の内径の変化によってもたらされる、開放端の方に面するショルダ（肩部）手段４４が備えられる。
【００２５】
図１（ｃ）および１（ｄ）で最も良く分かるように、ショルダ手段４４は、４６で、第１ショルダ４８を画定する、第１の、リング溝領域の厚みの小幅な減少と、第２番目として、５０で、第２ショルダ５２を画定する、リング溝領域と開放端２４の間の、厚みの大幅な減少とを備える。
【００２６】
筒状側壁は、リング溝を除いて、クラウンとショルダ手段の間の溝領域でほぼ均一な厚みとなっており、ショルダ手段と開放端の間でも、減少するがほぼ均一な厚みとなっている。厚みの減少は、主にショルダ手段によって画定されるが、クラウンから開放端までの、壁の厚みの僅かなテーパリングもあり、小さな強度しか必要ないところで、壁の厚みをより少なくすることによって、全体の重量を最小限にする。
【００２７】
領域４６は、不利になることなく、１つまたは複数のリング溝と同一の軸線方向位置にあることができる。
【００２８】
取り付け部材１４は、焼流し精密鋳造などによって鋳造され、筒状側壁の開放端内に嵌め合わさるように寸法決めした、軸線方向に薄いプレート５４を含む。その周縁部５６の少なくともいくつかの点、好ましくはその周縁部の全てが、壁界面５７で壁ショルダ領域４６と界面を接し、その界面によって、プレート５４が外側シェルに結合される。この実施形態では、プレート５４はその周縁部のほぼ全体で筒状壁に結合するが、この目的のために、プレートはその周縁部で軸線方向の厚みを増して、クラウンに向かって軸線方向にプレートの片側へ伸びるフランジ５８を画定する。
【００２９】
取り付け部材プレート５４は、開放端２４の方に面した側で、フランジ５８と開放端の間で軸線方向に、それと一体形成されるガジオン・ボス手段も担持する。ガジオン・ピン・ボス手段は、縦軸１８を横切って従来型のガジオン・ピン（図示せず）を通すためのボア６２を含む。取り付け部材プレート５４はさらに、取り付け部材内をピストンの縦軸に沿って伸びる開口部６４の形をした連結ロッド・スペースを含み、この開口部は、ガジオン・ピン・ボス手段から、２つのガジオン・ピン・ボス６６および６８を画定するが、これらは、ボアに沿って離間し、所定位置のプレートによってクラウンの中央領域を筒状側壁の開放端に露出する。
【００３０】
クラウンの中央領域、特に燃焼ボウル床３２と壁３４の接合部は、好都合には周方向に途切れないフランジ７０として、ボウル壁へ至る少なくとも１つの軸線方向延長部を有し、この延長部は、ピストン軸を横切る方向に伸びる均一な表面をもたらし、この延長部に対して、取り付け部材プレート５４がクラウン界面７１にて当接して、筒状壁内におけるその軸線方向位置を画定する。この実施形態では、フランジ７０の軸線方向位置は、プレートの周囲フランジ５８が第１ショルダ４８から離れるようなところにある。即ち、取り付け部材は、１つの基準軸に対して位置決めしているだけである。
【００３１】
取り付け部材は、界面５７で側壁に冶金術的に、界面７１でクラウンに蝋付けによって結合する。これは、それらを組み合わせる際に、蝋付け用材料を、取り付け部材と外側シェルの間の界面に塗布し、それらを、蝋付け材料が融解するのに充分な温度まで過熱し、続いて、蝋付けする構成要素に所望の物理的特性を与えるのに望ましい任意の加熱処理、冷却および／または焼き入れ処方を行うことによって行う。取り付け部材および外側シェルが完全に加熱される限り、個々の構成要素は応力緩和をうけることができ、その後、組み立て、一緒の加熱が行われる。
【００３２】
燃焼ボウル床を囲むフランジ７０は、連結ロッド開口部６４も囲み、それによって、クラウン、筒状側壁、そして結合した取り付け部材が、それらの間に、クラウンおよび取り付け部材によって軸線方向に実質的に閉じる環状冷却チャンバ８０を画定する。８２に概略を示すチャネル（流路）手段によって、冷却流体が環状チャンバに流入し、そこから流出することができる。チャネル手段は流体進入開口部８４を備えるが、これは、取り付け部材の中をほぼ軸線方向に伸び、ピストン・ストロークの少なくとも一部分で、噴流が開口部を通ってチャンバに導かれるように配設される。進入開口部から縦軸の周りにずらした流体排出開口部８６は、取り付け部材内を伸びる。
【００３３】
軽量ピストンを生産することを踏まえて、筒状側壁は、開放端２４で、ピストン縦軸の周りで、ガジオン・ピン・ボアの端部と同一線上で、ガジオン・ピン・ボアの端部とリング溝領域の間の軸線方向レベルに切り払う。また、側壁を、図示するものより大幅に、ショルダ手段、またはリング溝領域端部の、他の境界のレベルまで切り取り、それによって、ピン・ボス手段の各側それぞれに、本質的に互いに隔てられた、周囲が分離した２つのスカート部分が存在するようにし得ることを理解されたい。
【００３４】
シェル１２と取り付け部材１４を形成してしまうと、取り付け部材を外側シェル内に配置し、それをそこに、すなわち、側壁およびクラウン燃焼ボウルに、結合することについて、本質的に１つの組み合わせ作業しかないことを理解されたいが、また、比較的薄片の外側シェル構成要素および取り付け部材構成要素を使用しても、その結果生まれる構造は、リング溝領域内の側壁の変形に対してかなりの強度と抵抗性を有することを理解されたい。いわゆるモノコック構造が、車体に強度と剛性を与えるのと同様に、本明細書の構造も類似しており、モノコック・タイプの構造と見なすことができる。この強度は、構造的形状ならびに材料に起因し、したがってピストンを、比較的低コストの高炭素鋼もしくは中炭素鋼、即ち低合金鋼によって形成することができる。
【００３５】
非鉄合金類が、このような外側シェルおよび取り付け部材に成形され、互いに結合されることが可能であるならば、この構造は実に非鉄合金類に適したものとなる。さらに、金属類をうまく結合することができ、またはそれらが、強度、熱膨張、および合金同士の冶金術的結合を形成する機能の点で互換性があるならば、外側シェルおよび取り付け部材を、異なった金属で作製することができることを了解されたい。既述の蝋付けは、同種または異種の金属を用いて行うことができる。取り付け部材と外側シェルを、冶金術的ではない結合によって結合することが可能な場合もある。また、上記の結合基準に従って、非金属材料による外側シェル構成要素および取り付け部材構成要の、一方または両方を設けることもできる。外側シェルを、別個の燃焼ボウルまたは他の中央領域を備えて構築する場合は、その部分も非金属であることができる。
【００３６】
上述の通り、外側シェル１２は、後方押出し加工によって、一体の本体として形成される。図４を参照すると、同図は、筒状側壁２０の内部形状および内部の大きさに一致する外側表面４０４を有するマンドレル４０２を含み、ショルダ手段４０４に対応する段４０６と、強度要件に従う最小限の壁の厚みをもたらす浅い縦方向テーパ、ならびに燃焼ボウル３０に対応する陥凹部４０８を含む、後方押出し加工装置４００の概略を示す。円筒状スリーブ４１０は、ギャップ４１８によって隔てられるマンドレルを囲み、それらの相対的な動きが、金属スラグ４２０に圧力を及ぼし、これが変形し、ギャップ内に流れ込み、マンドレルと一致して、シェル本体を画定する。上記の内部側壁テーパを創出する、既述のマンドレル表面４０４の小さなテーパは、押出し加工シェルの取り外しも容易にする。このようなテーパは、それが強度と相反しない限り、最小限に抑えることができるが、マンドレルからの取り出しに影響を与えることなく、全て無くすこともできる。
【００３７】
このような押出し加工は、鍛造、鋳造、および同様の作業とは対照的に、比較的均一な厚みの比較的薄い壁の形成を可能にする精密作業であり、これは、モノコック・タイプの構造によってもたらされる強度および剛性と併せて、鋼などの高密度材料から軽量ピストンを形成することを可能にすることを理解されたい。しかし、鍛造または他の金属変形処理法によって外側本体シェルを設けることも充分に可能である。
【００３８】
上に記述した通り、燃焼ボウル壁は、フランジ７０の形の軸線方向拡張部を有する。取り付け部材は、燃焼ボウルの床と直接界面を接することもでき、またはそのような軸線方向への拡張部を、取り付け部材上に形成し、ボウル床まで伸ばすことも可能であることを理解されたい。また、燃焼ボウルを完全に除外すること、即ち、ほぼ方形の、またはドーム形のクラウンを設けることも可能であることを理解されたい。そうしたフランジは、取り付け部材プレートからクラウン表面の底に伸びるが、そのような配置もなお、クラウン、ガジオン・ピン・ボス手段、および環状冷却チャンバの間に支持をもたらす。
【００３９】
クラウンの中央領域２６が周縁領域２２と一体であることは好都合であるものの、一体である必要はなく、個別に製造し、溶接して周縁領域を作って、単体の外側シェルを得ることができる。燃焼ボウルをこのように個別に形成することは、径方向に内曲した形状を内部に加工することをせずに済ませるには適切であるが、当然ながら、燃焼ボウルがそのような内曲した形状を有する必要はなく、完全に押出し加工処理法だけで形成するのに適した側壁を有することもでき、それがシェルを画定する。
【００４０】
ピストン１０は、本質的には、２つの構成要素を一つの結合作業で互いに合わせて構築するが、側壁およびクラウンの外部表面に対して、加工作業を行う必要の尚あることが予想される。それらには、燃焼ボウルの内曲形状の画定、クラウン正面へのポケットまたは陥凹部の形成、リング溝の形成、壁端の切断、最終表面仕上げの実施などがあり、最終表面仕上げは、精密誤差内に外側寸法も画定する。これらのいくつかは、外側シェルと取り付け部材の組み立ておよび結合の前または後に実行することができ、また、いくつかは、例えば外側シェル、クラウン正面のバルブ・ポケット９０、および押出し加工マンドレルによって画定される断面の楕円率などを形成する押出し加工の間に達成することができる。ピストンに必要とされる楕円の度合いは、通常、その全体直径の関数である。小さな直径のピストンに必要とする楕円の度合いは、外側表面を最終加工することによって達成することができると予想されるが、一方大きな直径のピストンでは、このような楕円率は、そのような断面を有する外側シェルを、適切に成形したマンドレル上に形成することによって、よりうまく達成することができる。また、バルブ・ポケット、またはシェルを備えた、他の浅いクラウンの正面形状を形成することによって、比較的費用のかかる加工作業が少なくとも１つ不要になる。
【００４１】
マンドレルの周りで逆押出することによって外側シェルを形成すると、筒状壁の内部表面をさらに加工することなく、適切な精度に画定することができる。軽量ピストンを形成することに関して特に重要なのは、筒状側壁の不必要な部分を切り払うことができることに加え、壁の全ての区域を、ピストンに求められる機能のために、できる限り薄くすることである。横断方向取り付け部材の支持があるので、この目的を達成するため、（ショルダ手段のところ以外で）端から端まで厚みが僅かしか変化しない側壁であって、そのリング溝領域も、受容可能と考えられるよりも薄い側壁を押出すことが可能である。
【００４２】
組み立てて結合する際、取り付け部材と側壁の間の界面５７が軸線方向に伸び、取り付け部材が径方向に配置されるのに対し、クラウン界面７１は径方向に伸び、取り付け部材が軸線方向に配置されることが、ここで記述する実施形態の特徴である。取り付け部材とクラウンに囲まれているクラウン界面７１での結合は、上記の蝋付け、またはそれに接近しなくてもよい他の技法によって行わなければならない。１つの選択肢として摩擦圧接があるが、これは、軸線方向に伸びる壁界面５７には不適切と考えられる場合があり、また、界面５７は開放端から接近することができ、異なった技法による結合の影響を受け易いので、異なった結合システムを共に使用しないことが好ましい。
【００４３】
上記その他の代替構造の可能性を、図２（ａ）から２（ｄ）の１１０に示す、本発明によるピストンの第２の例示的実施形態で扱う。部品の多くがピストン１０のものと類似しており、その違いに焦点を合わせて説明する。参照を容易にするため、対応する部分には１００を加算した参照番号を付す。ピストン１１０は、外側シェル１１２と取り付け部材１１４の結合組立体であり、ピストン・クラウンは中に燃焼ボウル１３０を含む。外側シェル１１２は、それが、リング溝領域１４０とショルダ手段１４４、そしてそれと一体のクラウン周縁領域１２２を含む筒状側壁１２０を有する限り、概ねシェル１２に類似している。周縁領域は、側壁からずらして、軸線方向に伸びる燃焼ボウル壁１３４を含む。縦軸１８の周りに境界線１２８によって画定される、クラウンの中央領域１２６は、燃焼ボウル床１３２を備えるが、これは、周縁領域とは別個に形成し、界面１３３でそれに結合される。界面１３３は、この中央領域の周縁部の周りに伸び、縦軸１８にほぼ平行である。
【００４４】
燃焼ボウル床１３２は、取り付け部材１１４によって担持され、それと一体に形成され、ピストン１０の部材１４の連結ロッド開口部６４に対応する連結ロッド・スペース１６４の上にあり、ボウル床がボウル壁と作る界面１３３は、クラウン界面を備える。
【００４５】
取り付け部材１１４が備えるプレート１５４は、燃焼ボウルの反対側表面上に、ガジオン・ピン・ボス手段１６０を担持し、これが、横断方向ボア１６２と、連結ロッド・スペース１６４によって離間したボス１６６および１６８を含む。部材の外側周縁部は、１５６で、筒状側壁内にぴったりと嵌め合わさるように画定され、特に、ほぼ縦方向に伸びる壁界面１５７で壁領域１４６と界面を接する。
【００４６】
床に隣接する、燃焼ボウル壁の基部が有する軸線方向拡張部１７０は、取り付け部材プレートの上側表面に当接し、これによってクラウン周縁部に対して軸線方向に位置づけられる。径方向位置は、クラウン界面１３３および壁界面１５７によって得られるが、壁界面１５７は、ショルダ手段で画定される限り、軸線方向位置をもたらすことができる。
【００４７】
取り付け部材は、界面１５７で筒状側壁に、界面１３３でクラウンに結合されることを理解されたい。しかし、注目に値すべきは、壁界面１５７が側壁の開放端と同一線上にあるのに加えて、クラウン界面１３３も燃焼ボウルの開放端と同一線上にあることである。
【００４８】
各界面それぞれが、軸線方向から接近可能であるので、各界面を、レーザ光線、粒子線、プラズマ・ジェットなどを用いて、ピストン縦軸の周りでピストン組立体または溶接装置を回転することにより、溶接することが可能である。このような溶接結合を容易にするため、各界面を結合する表面は、そのような溶接を行う方向に僅かに逸れるように形成される。
【００４９】
各界面それぞれが、それらの線に沿った遠隔エネルギー源によって溶接される限り、界面の一方または両方の線を縦軸に対して傾斜することができ、界面の一方または両方が、ピストンなしで目に見えるだけでなく、取り付け部材および外側シェルの間の径方向と軸線方向との両方の位置を決定するテーパを持つことができる。当然ながら、外側シェルと取り付け部材の結合を、界面において上記のように蝋付けによって行うことも可能である。
【００５０】
冷却チャンバ１８０が、外側シェルと取り付け部材プレート１５４の間で画定され、プレート１５４は、該プレートを貫いた流体流入チャネル１８４と排出チャネル１８６を有する。この構成は、チャンバ１８０がガジオン・ピン・ボア１６２と同一線上に、より大きな軸線方向の拡がりをもつ、つまり、１６７および１６９で示す通り、ボス１６６および１６８の上に横たわるという点で、ピストン１０のものとは異なって示している。流入チャネルと排出チャネルが動作上、より高いレベルにある限り、これらの拡張した領域は、冷却流体用のタンクとなる。
【００５１】
上記の変更例として、流体排出チャネルが、冷却チャンバから連結ロッド・スペース１６４までほぼ径方向に伸びる１つまたは複数のチャネル１８８を備えることができる。冷却チャンバ・タンクおよび排出チャネルのこのような構成は、ピストン１０に適用することができる。
【００５２】
中央領域１２６を、燃焼ボウル床のほぼ全体とは異なるものとして画定することができることを理解されたい。中央領域１２６は、例えば床より、より小さな領域であることができ、またはより大きな領域であり、ボウル壁１３４を組み込むこともでき、中央領域と周縁領域の境界が、境界線１２８’およびそれに一致する取り付け部材／クラウン界面１３３で示すように上側クラウン表面にあり、前記中央領域および周縁領域は、共に合わさって、本質的に平らな表面のクラウン、またはドーム形のクラウンを画定する。
【００５３】
別の変更例として、具体的には示さないが、クラウンの中央領域を、ピストン１０のように、外側シェルの一部としてのクラウンの周縁領域を備えて形成することができ、取り付け部材は、ピストン１１０のように、連結ロッド・スペースに対して直立したふたを有することができ、それによってそのふたが、上述した直立したフランジ手段を提供して、冷却チャンバを画定するだけでなく、クラウン中央領域の上に横たわり、そこからの負荷を拡散することができる。
【００５４】
本発明によるピストン２１０の、第３の例示的実施形態の断面図を、図３（ａ）から３（ｄ）に示すが、図１（ａ）から１（ｄ）に対応する部分には、２００を加算した参照番号を付す。ピストン２１０は、互いに結合した外側シェル２１２と取り付け部材２１４を備える。
【００５５】
外側シェル２１２は、クラウン周縁領域２２２、燃焼ボウル２３０の形態をしたクラウン中央領域２２６、および筒状側壁２２０から成る単一本体を備える。筒状側壁は、クラウンに隣接したより厚みのあるリング溝領域２４０と、２２４で開放端となり、簡単なショルダ手段２４４によってリング溝から分離されるより薄いスカート領域とから成る。燃焼ボウル２３０は、ボウル壁２３４によって周縁領域から軸線方向にずらしたボウル床２３２を備え、壁は、互いにギャップがあり、おそらくは僅かに軸線方向長さの異なる、いくつかの軸線方向拡張部２７０1、２７０2を床との接合部に有する。
【００５６】
取り付け部材２１４は、比較的薄い取り付け部材プレート２５４を備え、その周縁部は、ショルダ手段２４４に隣接する側壁の、より薄い部分の中に嵌め合わさるように寸法決めされる。プレートの周縁部２５６は、筒状壁との界面２５７を画定し、軸線方向のフランジまたは同様の突起部を有さず、界面の軸線方向長さが増加することはない。
【００５７】
開放端２４４に面するプレートの下側面は、貫通した横断方向ガジオン・ピン・ボア２６２を有する一体のガジオン・ピン・ボス手段２６０を担持するが、このプレートを貫いてピストン軸１８に沿って連結ロッド開口部２６４が通過し、これによって、分離したガジオン・ピン・ボス２６６および２６８の形成も行っている。
【００５８】
２５５で示すプレートの上側面は、クラウンに面し、ほぼ平坦で、ボウル壁拡張部２７０1および２７０2に当接し、そこで、ピストン軸１８に対して横断方向に伸びる界面２７１を画定する。界面２５７と２７１が、位置と向きとで、ピストン１０の界面５７および７１に対応する限り、図示する配置での外側シェルと取り付け部材は、上述のように蝋付けによって互いに結合され、強力なモノコック・タイプの構造を画定する。この構造は、クラウンと、側壁のリング溝領域と、取り付け部材プレート２５４の上側表面２５５との間の、閉じた環状冷却チャンバ２８０を含む。流体チャネル手段２８４によって、冷却流体がチャンバ内に流入することができ、チャネル２８８によって、連結ロッド開口部へのボウル壁の軸線方向拡張部２７０1と２７０2のギャップを経由する排出が可能となる。
【００５９】
ピストン１０および１１０について示す程度の、同等に適用可能な、側壁開放端の切り払いの代替例として、ガジオン・ピン・ボス２６６および２６８が側壁と当接するように伸び、側壁が、ガジオン・ピン・ボア２６２と整合した貫通開口部２９０および２９２を含むことができる。さらに、各ボスがそれぞれ側壁との界面２９４、２９６を画定する限り、ボスを、開口部に隣接して側壁に結合することができる。
【００６０】
取り付け部材を、直接接近を必要としない蝋付けその他によって結合するならば、この、より長い、開口部を備えた側壁と、任意選択による、側壁まで伸びるガジオン・ピン・ボスの構成は、ピストン１０およびピストン１１０に適用することができる。
【００６１】
取り付け部材２１４の断面は、当然ながら２６４が切られているところを除いて、ガジオン・ピン・ボア２６２の方向でほぼ均一、つまり、図３（ａ）で見られる通りである。取り付け部材は、鋳造する代りに、押出し加工材料から切断して形成され、次いで筒状側壁内に嵌合するように成形され、軸線方向に伸びる開口部２６４および２８４が該部材に切削される。
【００６２】
上記の実施形態に見られるような、より複雑な表面を有する鋳造取り付け部材は、ピストン２１０に使用することができ、またはそのような押出し加工取り付け部材は、ピストン１０および１１０に使用することができることを理解されたい。
【００６３】
この実施形態で示す別の相違点は、筒状側壁であるが、これは、ショルダ手段２４４の各側それぞれで、厚みが均一であり、つまり、押出し加工または鍛造に特徴的な、通常の僅かなテーパリングがない。外側シェル２１２は、押出し加工または鍛造によって形成することもできるが、いわゆるフロー形成によって生産され、そこでは、図５に示す通り、ディスク様の金属スラグ５０２が、リング郭マンドレル５０４と共に回転するようになっている。回転中、ディスクの周縁領域が軸線方向に変位されて、それぞれの壁の厚みとショルダ手段を画定するマンドレルに沿い、該マンドレルの形に従う。上記の後方押出し加工の場合と同様に、筒状側壁をマンドレル上に形成し、これを内部壁テーパなしで取り外すことができるが、その場合、これにより重量を節約できる。
【００６４】
外側シェルのこのようなフロー形成は、ピストン１０および１１０で使用することができる。筒状側壁を、後でリング溝を加工するより厚みのある領域をつけて画定することが好ましい場合があるが、このようなフロー形成は、径方向に収縮性のあるマンドレルを使用することにより、端から端までほぼ均等な厚みがあるが、図６で示す通り、リング溝２４２’およびショルダ手段２４４’を画定する軸線方向位置に応じて、半径が変動する側壁２２０’の形成を可能にすることを理解されたい。
【００６５】
上記実施形態は、取り付け部材を、その周縁部全体の周りで、ショルダ手段のところの側壁に結合するものとして記述しているが、取り付け部材を複数の別個の点だけで結合することもでき、取り付け部材の周縁部は、結合点だけで壁に接触するように伸びて、筒状側壁と形が一緒のもの以外にすることもできる。
【００６６】
組立てるには、リング溝領域と、より中身の軽いスカートとの境界を画するショルダ手段のところで、結合界面を、取り付け部材の周縁部と側壁の間に画定することが好都合であるが、それは必須ではなく、界面を他のところに配置することによって応力パターンが向上する場合は、そうしたショルダ以外の側壁に結合することもできる。
【００６７】
本発明によるピストンの様々な実施形態は、大きさおよび構造で制限されることはなく、その製造方法も、多種多様の大きさに拡大縮小することが可能であることを、重ねて強調する。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】  本発明によるエンジン・ピストンの、第１の実施形態の、図１（ｂ）の方向１ａ−１ａに沿った断面図であり、外側シェル部分と取り付け部材を互いに結合した組立体を含む。
【図１ｂ】  図１ａのピストンの、同図の方向１ｂ−１ｂにおける、図面の平面に対して直角の断面図である。
【図１ｃ】  図１（ａ）の外側シェルの片側断面図である。
【図１ｄ】  図１（ｂ）の外側シェルの片側断面図である。
【図２ａ】  本発明によるエンジン・ピストンの、第２の実施形態の、図２（ｂ）の方向２ａ−２ａによる断面図であり、外側シェル部分と取り付け部材を互いに結合した組立体を含む。
【図２ｂ】  図２（ａ）のピストンの、同図の方向２ｂ−２ｂにおける、図面の平面に対して直角の断面図である。
【図２ｃ】  図２（ａ）の外側シェルの片側断面図である。
【図２ｄ】  図２（ｂ）の外側シェルの片側断面図である。
【図３ａ】  本発明によるエンジン・ピストンの、第３の実施形態の、図３（ｂ）の方向３ａ−３ａによる断面図であり、外側シェル部分と取り付け部材を互いに結合した組立体を含む。
【図３ｂ】  図３（ａ）のピストンの、同図の方向３ｂ−３ｂにおける、図面の平面に対して直角の断面図である。
【図３ｃ】  図３（ａ）の外側シェルの片側断面図である。
【図３ｄ】  図３（ｂ）の外側シェルの片側断面図である。
【図４】  後方押出し加工によって金属スラグから外側シェル本体を形成する装置の概略断面図である。
【図５】  クラウンに心合わせした金属ディスクを、ピストン縦軸の周りでフロー形成することによって、外側シェル本体を形成する装置の概略断面図である。
【図６】  本発明によるピストンの、第３の実施形態の一部であって、筒状の側壁がほぼ均一な厚みであり、リング溝および取り付け用ショルダが、ピストン軸沿の距離に応じて壁の金属を径方向に曲げることによって画定される、実施形態の一部の断面図である。
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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【図１（ｃ）−（ｄ）】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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【図２（ｃ）−（ｄ）】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図３（ｃ）−（ｄ）】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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