(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉キャビティピストンを製造する方法であって、
内側キャビティと、閉端部と、開端部と、前記キャビティのまわりに延び、前記ピストン本体の開端部で第１接触表面として終端する外側壁とを有する細長いピストン本体を取り出す工程と、
前記第１接触表面から長手方向に離間した第２接触表面を前記キャビティ内に設ける工程と、
先端が円錐形または平面状の表面を有する細長いステムと該ステムの上に設けられたヘッドとを有し、かつピストン本体の第１および第２接触表面にそれぞれ整合する第３および第４接触表面を有するキャップ要素を取り出し、
慣性摩擦溶接により第１表面を第３表面に対し、第２表面を第４表面に対し、同時に溶接し、よってピストン本体およびキャップ要素に長手方向の圧力を加え、それぞれの接触表面を長手方向に密に係合した状態に維持し、次にピストン本体およびキャップ要素の一方を他方に対して回転し、係合した接触表面の間に十分な熱を発生させ、これら表面を共に溶着させる工程とを備えた、閉キャビティピストンを製造する方法。
【請求項２】
慣性摩擦溶接を行う前に、係合した接触表面を予熱する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
印加する長手方向の圧力に対するパラメータが１４００〜１６００ｐｓｉであり、回転する部材の回転速度に対するパラメータが４７００〜４９００ｒｐｍである、請求項１記載の方法。
【請求項４】
慣性摩擦溶接を行う前に、係合した接触表面を予熱する、請求項３記載の方法。
【請求項５】
Ｋｗを単位とする予熱量のパラメータが８．１〜９．５である、請求項４記載の方法。
【請求項６】
低（Ｌ）、中（Ｍ）および高（Ｈ）の値が速度に関して（Ｌ）：４７００ｒｐｍ；（Ｍ）：４８００ｒｐｍ；および（Ｈ）：４９００ｒｐｍであり、圧力に関して（Ｌ）：１４００ｐｓｉ；（Ｍ）：１５００ｐｓｉ；および（Ｈ）：１６００ｐｓｉ、加える熱量に関して（Ｌ）：８．１Ｋｗ；（Ｍ）：８．８Ｋｗ；および（Ｈ）：９．５Ｋｗであり、速度、圧力および熱量のパラメータレベルがＨＨＨ；ＨＨＬ；ＬＨＬ；ＬＨＨ；ＭＭＭ；ＬＬＬ；ＬＬＨ；ＨＬＨおよびＨＬＬのうちの１つの組み合わせ範囲内にほぼある、請求項５記載の方法
【請求項７】
内部溶接境界部を有し、先端が円錐形または平面状の表面を有する細長いステムと該ステムの上に設けられたヘッドを備えたキャップ要素とピストン本体との間に、慣性摩擦溶接によって内部溶接部を形成する方法において、
前記内部溶接インターフェースを予熱する工程と、
前記キャップ要素および前記ピストン本体に対向する長手方向の圧力を加え、境界部において前記キャップ要素と前記ピストン本体とを摩擦係合させる工程と、
前記キャップ要素または前記ピストン本体を回転させ、係合した接触表面の間に十分な熱を発生させ、これら表面を共に溶着する工程とを備えた、内部接続部を形成する方法。
【請求項８】
印加する長手方向の圧力に対するパラメータが１４００〜１６００ｐｓｉであり、回転する部材の回転速度に対するパラメータが４７００〜４９００ｒｐｍである、請求項７記載の方法。
【請求項９】
慣性摩擦溶接を行う前に、係合した接触表面を予熱する、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
Ｋｗを単位とする予熱量のパラメータが８．１〜９．５である、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
低（Ｌ）、中（Ｍ）および高（Ｈ）の値が速度に関して（Ｌ）：４７００ｒｐｍ；（Ｍ）：４８００ｒｐｍ；および（Ｈ）：４９００ｒｐｍであり、圧力に関して（Ｌ）：１４００ｐｓｉ；（Ｍ）：１５００ｐｓｉ；および（Ｈ）：１６００ｐｓｉ、加える熱量に関して（Ｌ）：８．１Ｋｗ；（Ｍ）：８．８Ｋｗ；および（Ｈ）：９．５Ｋｗであり、速度、圧力および熱のパラメータレベルはＨＨＨ；ＨＨＬ；ＬＨＬ；ＬＨＨ；ＭＭＭ；ＬＬＬ；ＬＬＨ；ＨＬＨおよびＨＬＬのうちの１つの組み合わせ範囲内にほぼある、請求項１０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体力学的ユニット、例えばトランスミッション、ポンプ、またはモータの分野に関し、より詳細には、本発明は、流体力学的ユニットのシリンダボア内でスライド可能に往復動する閉キャビティ、またはオイル容積低減ピストンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
種々の農業機械、芝刈機、および建設機械のための流体力学的ユニット内では、公知の閉キャビティピストンが使用されている。
【０００３】
従来のあるタイプの閉キャビティ、またはオイル容積低減ピストンは、細長い円筒形主本体と、切頭円筒キャップとを有する。主本体の一端は、閉じられており、他端部は、比較的コストの高い「ターゲットドリル」作業によって内部に形成された深いターゲット状の、または環状のキャビティを有する。ターゲットドリル作業により、中心にステムが残る。このステムは主本体の閉じた端部と一体的であり、開端部に向かって突出している。
【０００４】
キャップは、冷間形成され、対向する閉端部と開端部とを有する。開端部において、キャップは、主本体のステムおよび外側壁と整合し、かつ嵌合するように、キャップの開端部は、環状の溝と切頭ステム部分とを有する。
【０００５】
この従来のピストンは、ステムと開端部に近い主本体の内側壁との間に、ワッシャーを増設することによって組み立てらる。このワッシャーは、溶接中にステムをセンタリングし、安定化するのを助けるようになっている。次に、キャップと主本体とは、それぞれの開端部が一致する単一の横方向平面に沿って慣性摩擦溶接される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この結果、軽量の中空の閉キャビティピストンが得られるが、ターゲットドリル作業のコスト、および複雑さによって、ピストンは、比較的高価ものとなっている。
【０００７】
流体力学的ユニットは、各ユニットに対して、一般にいくつかのピストンを必要とすることを考慮すると、ピストンのコストは、ユニットおよびこれらユニットが設けられる流体力学的トランスミッションの全体のコストに大きい影響を与える。
【０００８】
従って、ターゲットドリル作業を必要とせず、コストを低減した閉キャビティピストン、およびその製造方法が求められている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、流体力学的ユニットのための閉キャビティピストン、およびその製造方法に関する。
【００１０】
本発明の閉キャビティピストンは、細長いピストン本体と、細長いステムおよびその上に設けられたヘッドを有する、別個に形成されたピストンキャップとを備えている。ピストン本体は、閉端部と、キャビティを備えた開端部とを有する。キャビティは、閉端部に隣接する底部壁と、開端部でリムとして終端する外側壁とを有する。
【００１１】
ピストンのキャップのステムは、ピストン本体の底部壁に慣性摩擦溶接され、ピストンキャップのヘッドは、ピストン本体のリムに溶接され、入口開口部をカバーし、内側キャビティをシール状態で閉じている。
【００１２】
ピストン部品の双方は、公知の比較的安価な冷間形成技術によって形成できる。キャップのステムは、底部壁に係合するまで本体のキャビティ内に挿入され、次に、キャップの予熱後、ステムと底部壁との境界部、およびヘッドとリムとの境界部において、ピストン本体に慣性摩擦溶接される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１および図２には、従来の慣性摩擦溶接によって形成されたピストンリムが示されている。これまで簡単に説明したように、ピストン１０は、スチールピストン本体１２と、冷間形成されたスチールピストンキャップ１４と、金属ワッシャー１６とを有する。ピストン本体１２は、閉端部と、開端部と、環状内側キャビティ１８とを有する。ピストン本体の閉端部からステム２０が突出しており、このステム２０の自由端２２は、ピストン本体１２のリム２４と同じ平面内にある。ピストンキャップ１４は、ピストン本体１２と同様に円筒形であり、冷間形成される。
【００１４】
しかし、細長いステム２０のために、ピストン本体１２を冷間形成することはできない。その代わりに、キャビティ１８およびステム２０を形成するのにコストが高くつくターゲットドリル作業が必要である。リム２４とステム２０の端部２２とを含む単一の横方向平面内において、ピストン本体１２にキャップ１４が慣性溶接される。
【００１５】
図３および図４を参照すると、本発明のピストン３０は、スチールピストン本体３２と、スチールピストンキャップ３４とを含む。ピストン本体３２は、細長くなっており、更に対向する開端部３２Ａと閉端部３２Ｂとを有する（図４）。ピストン本体３２は、円筒形であり、中心に位置するほぼ円筒形の内側キャビティ３８を有し、このキャビティのまわりには円筒形の壁が延びている。
【００１６】
ピストン本体３２の開端部３２Ａは、内部に入口開口部３９を有し、この入口開口部から、内側に内側キャビティ３８が伸び、閉端部に隣接する底部壁４０と、入口開口部３９に隣接するピストン本体３２の開端部３２Ａにおいて、リム４４、すなわち接触部分として終端する外側壁４２を構成している。
【００１７】
底部壁４０は、内部にソケット、または接触表面４６を有し、この接触表面は、リセス状の中心部分４８と、この部分内で延びるカウンターシンク５０とを有する。
【００１８】
図３および図４に示す実施例では、リセス状の中心部分４８は円錐形であり、９０度〜１６５度、より好ましくは、部品を完全な底部壁形状に冷間形成しない場合には、１１８度のドリルポイントを有する標準ドリルによる形成が可能な、約１２０度までの傾斜角とされている。
【００１９】
カウンターシンク５０は、ピストン本体３２の長手方向の中心軸線に直角な平面に対して、ほぼ１５度の角度Ｂを形成している。
【００２０】
キャップ３４は、中心長手方向軸線、対向する第１端部、および第２端部を備えた細長く円筒形ステム５２と、第１端部に設けられたヘッド５４とを有する。ステムの長手方向軸線に対して、横方向にステム５２から外側にヘッド５４が突出している。ヘッド５４はピストン本体３２の入口開口部４９をカバーするような十分大きい寸法となっている。
【００２１】
このキャップ３４のヘッド５４は、ピストン３０を更に軽量にするように、ステム５２を囲むオプションの環状リセスまたは溝４８を備えていてもよい。キャップ３４は、ピストン本体３２上の接触表面４４に一致するリム、または接触表面５５（図４）を有する。
【００２２】
図３および図４に示す実施例では、ステム５２の第２端部、すなわち接触表面５６は、ピストン本体３２の底部壁内の同様な形状のリセス状中心部分４８、すなわちソケット４６の表面とほぼ一致し、係合するように円錐形となっている。
【００２３】
ソケット４６のカウンターシンク５０は、第２ステム端部５６をリセス４８内にガイドするのを助ける。このステムの円錐形第２端部５６は、約９０度〜１６５度、より好ましくは、約１２０度までの傾斜角を有する。
【００２４】
図５に示す実施例では、ピストン本体３２にピストンキャップ３４Ａが取り付けられており、ピストン本体３２が、内部に中心ボア、すなわち内側キャビティ３８Ａと、リム、すなわち接触表面４４Ａを備えた外側壁４２Ａと、底部壁４０Ａとを有するという点で、図３および図４の実施例と類似している。
【００２５】
しかし、ステム５２Ａの第２端部、すなわち接触表面５６Ａは、ステムの長手方向軸線に直角に延びる平面状の表面を有する。同様に、ソケット４６Ａのリセス状中心部分４８Ａは、ピストン本体３２Ａの長手方向軸線に直角に延びる平面状の接触表面によって構成された丸い領域を有する。リセス４８Ａの丸い領域は、ステム５２Ａの第２端部５６Ａの直径とほぼ同じ直径を有する。
【００２６】
ステムをリセス４８Ａ内にガイドするためのカウンターシンク５０Ａが設けられている。
【００２７】
本発明のピストン３０または３０’を製造するための方法は、基本的には同じである。ピストン本体３２、３２’およびピストンキャップ３４、３４Ａの双方には、既に冷間形成方法によって形成されたステム、および底部壁を容易に溶接できるような状態で設けることが好ましい。
【００２８】
これとは異なり、最初から、部品を機械加工することもできる。従って、いずれのケースにおいても、比較的高価なターゲットドリル作業は不要となっている。
【００２９】
ステム５２、５２Ａは、底部壁４０、４０Ａに係合するまで、内側キャビティ３８、３８Ａに挿入される。次に、部品３２と３４、または３２’と３４Ａとを互いに回転させ、摩擦慣性溶接によってこれらを接合する。
【００３０】
ステム５２、５２Ａの長さは、慣性溶接に関連する長さの通常の損失を考慮して、キャビティ３８、３８Ａの深さよりも若干長くなっている。従って、ステムの長さＬＳは、ステムと底部壁との境界部および平面とリムの境界部の双方における材料の損失を考慮した十分な長さだけ、キャビティの深さＣＤよりも長くなっている。
【００３１】
しかし、ＬＳはＣＤよりも過度に長くないように注意しなければならない。そのようにした場合、リムにおける溶接部に悪影響が及び、ステムが屈曲してしまうことになる。後にステムを介して、ピストンを貫通するように従来の小さい長手方向のオリフィス孔をドリル加工しようとする際に、屈曲したステムによって問題が生じる。
【００３２】
少なくとも２つの異なる平面にある、２つの異なる境界部（５５および４４；５６および４８Ａ）に摩擦慣性溶接部が形成される。このようなピストン本体（３２および３２’）、およびキャップ（３４および３４Ａ）を冷間形成することによって、機械加工をすることなく、これらの部品の真の形状を得ることが可能となり、そのため、かなりコストを節約できる。
【００３３】
しかし、これらの部品を冷間形成するには、２つの境界部の表面（図４および図５では、キャップ５５とピストン本体のリム表面４４との間、更に図４および図５の５６および５６Ａと４８および４８Ａとの間）を溶接しなければならない。これらの表面は、長手方向に離間しており、内外に位置している。内側境界部（例えば５６および４８はこれらの相互の面積が狭く、回転中の発熱量が少ないため、慣性により、溶接することが特に困難である。
【００３４】
従って、本体３２とキャップ３４に逆方向に長手方向の力を加え、他の固定された部材に対して、一方の部材を回転しなければならない慣性方法によって、本発明に係わるピストン構造体を溶接できるようにするには、許容しうる溶接を行うために、重要な領域において部品を予熱しなければならないことが判った。許容しうる溶接とは、接合すべき最小横断面の厚さ（すなわち、内部溶接部に対してはステムの太さ）において欠陥のない溶接をすることを意味する。
【００３５】
許容しうる溶接部の分析は、冶金方法で行なわれ、空隙、割れ、または他の従来の要素、他の強度および耐久性の点での欠点を有する溶接部を除くよう行なわれる。
【００３６】
更に、本発明の装置での有効な溶接部、特に内側溶接部を許容できるようにするには、熱、圧力および回転速度の条件を所定のパラメータとバランスさせなければならないことが判った。実験によれば、許容できる慣性溶接を行うには、温度、圧力、および速度からの次の高（Ｈ）、中（Ｍ）および低（Ｌ）の次の値を満たさなければならないことが判った。
【００３７】
表Ｉ  −  内側溶接部のための流体力学的ピストンにおける許容しうる溶接
部に対する速度、圧力、および熱のパラメータ
低（Ｌ）      中（Ｍ）      高（Ｈ）
速度（ｒｐｍ）        ４７００      ４８００      ４９００
圧力（ｐｓｉ）        １４００      １５００      １６００
加える熱量（Ｋｗ）      ８．１       ８．８        ９．５
【００３８】
表２  −  流体力学的ピストンにおける内部溶接部に対して許容しうる溶接
部を製造するために許容できることが判った。（１）速度、（２）            圧力および（３）熱量のパラメータからの組み合わせ
ＨＨＨ      ＬＨＨ      ＬＬＨ
ＨＨＬ      ＭＭＭ      ＨＬＨ
ＬＨＬ      ＬＬＬ      ＨＬＬ
【００３９】
図面および上記記載から、キャップ、ステム端部、ピストン本体のそれぞれの幾何学的属性は、摩擦慣性溶接の完全性を最適にするように調節できるパラメータであることが分かる。
【００４０】
上記に基づき、本発明は、少なくともこれまで説明した目的を満足できることが理解できよう。
【００４１】
関連出願とのクロスレファレンス
本願は、２０００年１１月２７日に米国特許庁に出願された継続中の特許出願第０９／７２２，６１７号の一部継続出願に基づく出願である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来のピストンの長手方向中心横断面図である。
【図２】  図１のピストンの長手方向横断面における分解組み立て図である。
【図３】  本発明に従って製造されたピストンの長手方向中心横断面図である。
【図４】  図３のピストンの長手方向断面における分解組み立て図である。
【図５】  別のステムおよび底部壁構造を示す図４に類似した分解組み立て図である。
【符号の説明】
１０    ピストン
１２    ピストン本体
１４    ピストンキャップ
１６    ワッシャー
１８    キャビティ
２０    ステム
２２    自由端
２４    リム
３０    ピストン
３０Ａ    ピストン
３２    ピストン本体
３２’  ピストン本体
３２Ａ  開端部
３２Ｂ  閉端部
３４    ピストンキャップ
３４Ａ    ピストンキャップ
３８    キャビティ
３８Ａ    キャビティ
３９    入口開口部
４０    底部壁
４０Ａ    底部壁
４２    外側壁
４２Ａ  外側壁
４４    リム
４４Ａ    リム
４６    接触表面
４６Ａ    接触表面
４８      リセス状中心部分
４８Ａ    リセス状中心部分
５０    カウンターシンク
５０Ａ    カウンターシンク
５２    ステム
５２Ａ    ステム
５４    ヘッド
５４Ａ    ヘッド
５５    接触表面
５５Ａ    接触表面
５６    第２端部
５６Ａ  第２端部
５８    溝
５８Ａ    溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
0003980336.tif 000004
【図４】
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【図５】
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