(57)【要約】代表的なピストンアセンブリとその製造方法が開示されている。代表的なピストンは、ピストン軸を規定するピストン本体を備え得、ピストン本体は、スカートを有しかつ冷却空洞の下面を形成している。本体は、径方向内側および外側の本体接合面を有し得る。ピストンは、冷却空洞を形成するためにピストン本体と協働する冷却空洞リングをさらに備え得る。ピストン本体および冷却空洞リングは、概して一体型のピストンアセンブリをを形成するために、径方向内側および径方向外側の界面領域に沿って一体的に接合され得る。ある代表的な方法では、本体およびリングの接合面は、リングおよび本体を接合するプロセスにおいて生じる溶接スパッタを冷却空洞から妨げまたは防止するように構成された支持面に隣接して配置されている。【選択図】図１
2016510859.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン軸および上側の燃焼ボウル面の少なくとも一部を規定しかつ冷却空洞の下面を形成し、径方向内側および外側の本体接合面を有するピストン本体を提供することと、
上記ピストン本体に、径方向内側のリング接合面および径方向外側のリング接合面を有する冷却空洞リングを取り付けることと、
上記ピストン本体および上記冷却空洞リングの径方向内側の接合面を有する径方向内側の界面領域に沿って、上記ピストン本体を上記冷却空洞リングにレーザ溶接することと、
上記ピストン本体および上記冷却空洞リングの径方向外側の接合面を有する径方向外側の界面領域に沿って、上記ピストン本体を上記冷却空洞リングにレーザ溶接することとを含み、
上記接合面の少なくとも１つが、上記冷却空洞リングと上記ピストン本体との間の隣接する界面領域を支持する段差部を有している
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１において、
上記レーザ溶接することが、上記ピストン本体および上記冷却空洞リングの上記径方向内側および径方向外側の接合面の一方に向けて、上記ピストン軸と平行に溶接レーザを向けることを含んでいる
ことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１において、
上記レーザ溶接することが、上記ピストン本体および上記冷却空洞リングの上記径方向内側および径方向外側の接合面の一方に向けて、上記ピストン軸に対して非平行な角度を規定する方向に溶接レーザを向けることを含んでいる
ことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１において、
上記ピストン本体が、エンジンボア面と整合するように構成されたスカートを有している
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１において、
上記レーザ溶接することの前に、上記ピストン本体および上記冷却空洞リングの少なくとも一方を加熱することをさらに含んでいる
ことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１において、
上記段差部が、溶接スパッタを受容するように構成されかつ上記径方向内側および外側の界面領域の一方に関連する溶接箇所に隣接する閉塞容積を規定するスパッタトラップを有している
ことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１において、
上記ピストン本体および上記冷却空洞リングが、それぞれアルミニウム材料で形成されている
ことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１において、
上記径方向外側の界面領域が、上記ピストン軸と平行な向きに延びている
ことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１において、
上記接合面の少なくとも１つに隣接する少なくとも１つの支持面を提供することをさらに含んでいる
ことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９において、
上記支持面が、上記接合面の少なくとも１つと上記冷却空洞との間の蛇行路を少なくとも部分的に規定している
ことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項９において、
上記支持面は、溶接スパッタが上記冷却空洞に到達するのを妨げるように構成されている
ことを特徴とする方法。
【請求項１２】
ピストン軸および上側の燃焼ボウル面の少なくとも一部を規定しかつスカートを有して冷却空洞の下面を形成し、径方向内側および外側の本体接合面を有するピストン本体と、
上記冷却空洞が実質的に閉塞されるように、上記径方向内側の本体接合面と径方向内側の界面領域に沿って隣接する径方向内側のリング接合面と、上記径方向外側の本体接合面と径方向外側の界面領域に沿って隣接する径方向外側のリング接合面とを有する冷却空洞リングとを備え、
上記ピストン本体と上記冷却空洞リングとが、上記径方向内側および径方向外側の界面領域に沿って一体的に溶接され、
上記接合面の少なくとも１つが、上記冷却空洞リングと上記ピストン本体との間の隣接する界面領域を支持する段差部を有している
ことを特徴とするピストンアセンブリ。
【請求項１３】
請求項１２において、
上記ピストン本体が、上記燃焼ボウル面の径方向外側部を規定し、
上記冷却空洞リングが、上記燃焼ボウル面の径方向内側部を規定している
ことを特徴とするピストンアセンブリ。
【請求項１４】
請求項１２において、
上記ピストン本体が、上記燃焼ボウル面の全体を規定している
ことを特徴とするピストンアセンブリ。
【請求項１５】
請求項１２において、
上記段差部が、溶接スパッタを受容するように構成されたスパッタトラップを有している
ことを特徴とするピストンアセンブリ。
【請求項１６】
請求項１５において、
上記スパッタトラップが、上記径方向内側および外側の界面領域の一方に関連する溶接箇所に隣接する閉塞容積を規定している
ことを特徴とするピストンアセンブリ。
【請求項１７】
請求項１２において、
ピストンリング溝に収容され、ピストンリングを保持するように構成されたくぼみを規定するリング挿入物をさらに備えている
ことを特徴とするピストンアセンブリ。
【請求項１８】
請求項１２において、
上記ピストン本体および上記冷却空洞リングが、それぞれアルミニウム材料で形成されている
ことを特徴とするピストンアセンブリ。
【請求項１９】
請求項１２において、
上記冷却空洞リングと上記ピストン本体との少なくとも一方が、上記接合面の少なくとも１つに隣接する支持面を規定している
ことを特徴とするピストンアセンブリ。
【請求項２０】
請求項１９において、
上記支持面が、上記接合面の少なくとも１つと上記冷却空洞との間の蛇行路を少なくとも部分的に規定している
ことを特徴とするピストンアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、参照により本明細書に組み込まれる２０１３年２月２２日出願の米国仮出願第６１／７６８１８２号の利益を主張するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の製造者は、常にその製品の出力および燃料効率を向上させることを追求している。おおむね効率や出力を向上させる一つの方法は、エンジンの振動質量、例えばピストン、コネクティングロッド、およびその他のエンジンの可動部分の振動質量を低減させることである。エンジンの出力および効率の少なくとも一方を向上させる努力は、動作中の燃焼室における圧力および温度の少なくとも一方の増大にもつながり得る。
【０００３】
エンジン、および特にエンジンのピストンは、したがってこれらの重量の低減の結果として、エンジンの動作に関連して、増大した重圧、圧力および温度の下におかれる。したがって、エンジンの寿命期間中にわたって、そのような動作状態の増大した重圧に耐えるために、ピストンの冷却がいっそう重要である。
【０００４】
ピストンの構成要素の動作温度を下げるために、ピストンの外周部の近くに冷却空洞が設けられ得る。例えばクランクケースオイルのような冷却液が、冷却空洞に案内されてもよいし、ピストンの往復運動により冷却空洞に分配されてもよく、そのことがピストンの動作温度を下げる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
同時に、冷却空洞は、ピストンアセンブリおよびピストンアセンブリの製造の全体的な複雑性を増大させ得る。例えば、冷却空洞は、冷却空洞を通って循環する冷却液（例えば、オイル）を一時的に貯留することにより、冷却空洞を通る冷却液の適切な循環を促進するために、例えば冷却空洞カバーのような追加的な構成要素を必要とし得る。しかしながら、例えばカバープレートのような追加的な構成要素は、また、複雑性を増す。加えて、冷却空洞は、高価であり得るか、および／または、例えば軽量のまたは低負荷用のピストンのようなより小さなピストンアプリケーションを形成するのが困難であり得る。例えば摩擦溶接のような、一体型のピストン内に密閉された冷却空洞を形成するための既知の方法は、摩擦溶接プロセスにおいて意図しない変形が生じることなくピストンと冷却空洞の機構を適切に形成するために、非常に高い強度のピストンの構成要素を必要とし、そのために結果としてできるピストンのサイズおよび重量が増大する。摩擦溶接においてピストンの構成要素に加えられる非常に大きな力は、また、どこに溶接継ぎ手が配置され得るかを制限する。
【０００６】
したがって、全体的なピストン重量および製造の複雑性を最小限に抑える一方、例えば冷却空洞を設けることにより十分な冷却を許容するピストンが必要である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、代表的なピストンアセンブリの断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、例えば図１に示すような代表的なピストンアセンブリの冷却空洞の拡大断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、別の代表的なピストンアセンブリの冷却空洞の拡大断面図である。
【図３】図３は、別の代表的なピストンアセンブリの冷却空洞の拡大断面図である。
【図４】図４は、別の代表的なピストンアセンブリの断面図である。
【図５】図５は、別の代表的なピストンアセンブリの断面図である。
【図６】図６は、ピストンアセンブリを製造する代表的な方法のプロセスフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して、説明に役立つ実例を詳細に示す。図面は以下に記載する代表的な例を表しているが、図面は必ずしも正確な縮尺ではなく、一定の特徴は、代表例の革新的な面のより良い例示や説明のために強調されている。さらに、以下に記載する代表的な例は、網羅的なものを意図してはおらず、あるいは図面に示す構成および以下の詳細な説明で開示する構成に制限または限定するものではない。本発明の代表例を図面を参照して詳細に説明する。
【０００９】
本明細書における「代表的な例」や「例」または似たような語は、代表的な方法を伴う特定の特性、構造、または特徴が少なくとも１つの例に含まれていることを意味する。本明細書におけるさまざまな場所での「例において」というフレーズまたは似たタイプの言葉の出現は、必ずしも同じ例に言及しているわけではない。
【００１０】
本明細書には、ピストンアセンブリやその製造方法のさまざまな代表的な例が示されている。代表的なピストンは、ピストン軸を規定するピストン本体を有しており、このピストン本体は、スカートを有しかつ冷却空洞の下側面を形成している。本体は、径方向内側および径方向外側の本体接合面を有していてもよい。ピストンは、冷却空洞を形成するためにピストン本体と協働する冷却空洞リングをさらに有していてもよい。ピストン本体と冷却空洞リングとは、概して一体型のピストンアセンブリを形成するために、径方向内側および径方向外側の領域に沿って一体的に接合されていてもよい。ある代表的な方法では、本体およびリングの接合面は、リングおよび本体を接合するプロセスにおいて冷却空洞から形成される溶接スパッタを抑制しまたは防止するように構成された支持体表面の近くに配置されてもよい。
【００１１】
例えば図１および図２Ａに示して以下にさらに記載されるように、ある代表的な例では、冷却空洞リングは、ピストンの上側面に沿った径方向内側の本体接合面に隣接する径方向内側のリング接合面を有している。よって、径方向内側のリング接合面と径方向内側の本体接合面との接合部は、燃焼ボウルの径方向外側に位置し得る。冷却空洞リングとの間における径方向外側の接合部は、径方向内側の接合部よりも径方向外側に、例えばピストンのリングベルト壁に沿って位置し得る。すなわち、径方向外側の界面領域は、径方向外側の本体接合面に隣接する、冷却空洞リングの径方向外側のリング接合面により概して規定され得る。冷却空洞は、冷却空洞に関連する入口／出口を除いて、冷却空洞リング部とピストン本体部とにより実質的に密閉され得る。
【００１２】
例えば図２Ｂに示して以下にさらに記載するように、他の代表的な方法では、冷却空洞リングとピストン本体との間の径方向内側および外側の界面領域は、それぞれ、燃焼ボウル内およびピストンの頂面に沿って配置されている。すなわち、これらの例では、冷却空洞リングは、燃焼ボウル内の径方向内側の界面領域に沿って径方向内側の本体接合面と隣接する径方向内側のリング接合面を有し得、冷却空洞リングは、冷却空洞が実質的に密閉されるように、径方向外側の界面領域に沿って径方向外側の本体接合面と隣接する径方向外側のリング接合面を有している。
【００１３】
ある代表的な例では、ピストンは、溶接プロセス、例えばレーザ溶接プロセスにおいて接合されてもよい。代表的なレーザ溶接プロセスは、以下にさらに記載するように、生産柔軟性の実質的な向上を促進し得る。ある例では、径方向内側および外側の接合面の少なくとも一方は、ピストン軸に対して垂直に並べられていない。例えば、概して鉛直な溶接継ぎ手が可能であって、すなわち、２つのピストン構成要素の対応する接合面が接合されている部分は、ピストンの縦軸に概して平行に並べられている。さらには、レーザ溶接継ぎ手の隣接する表面は、接合部が衝突するレーザ溶接ビームにより到達可能である限り、実質的に任意の角度を規定し得る。引き延ばされた溶接継ぎ手は、ある代表的な例では、ピストン本体および冷却空洞リングの対応する接合面に対してレーザビームが概して平行に衝突するレーザ溶接プロセスに概して起因する。
【００１４】
図１を参照すると、代表的なピストンアセンブリ１００が断面図にて示されている。すなわち、図１の左半分に示された断面はピストンアセンブリ１００のピンボス１０５を通るように描かれており、一方、同図の右半分に示された断面は左半分のものから９０°の位置で描かれている。ピストンアセンブリ１００は、ピストン本体１０２と、本体１０２の上部の周りに収容される冷却空洞リング１０４を有していてもよい。ピストン本体１０２は、燃焼ボウル１２０を規定し得る。冷却空洞リング１０４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を規定し得る。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つまたは複数の円周溝１０７を規定してもよく、当該ピストンリングは、エンジンボア内におけるピストンアセンブリ１００の往復運動の間、エンジンボア面に対してシールする。ピストンアセンブリ１００の概して２つの部分からなる構成、すなわち、冷却空洞リング１０４および本体１０２からなる構成は、冷却空洞リング１０４、および／または、ピストンアセンブリ１００の大きさおよび形状に関して柔軟性を許容し、例えば、より低い全体的な圧縮高さ、および／または、ピストンアセンブリ１００の重心を許容する。さらに、２つの部分からなる構成は、また、向上した冷却性能を提供する効果的なサイズの空洞のより容易な製造を可能にするための、冷却空洞のより複雑な形状の形成を容易にし得る。
【００１５】
ピストン本体１０２は、例えばボア内における往復運動の間にわたってピストンアセンブリ１００を安定させるためのエンジンボア（図示せず）の表面と整合することにより、エンジンの動作中にピストンアセンブリ１００を概して支持するスカート面１０３を有していてもよい。例えば、スカート面１０３は、ピストンアセンブリ１００の外周部の少なくとも一部における環状の外形を概して規定し得る。外形は、エンジンボア面に対応し得、このエンジンボア面は概して円筒形であり得る。
【００１６】
本体１０２は、また、ピストンピンボス１０５を規定し得る。ピストンピンボス１０５は、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部またはピンボア１０９により概して形成され得る。例えば、ピストンピンは、ピンボア１０９を通ってピストンピンボス１０５に挿入され得、それによりピストン１００をコネクティングロッド（図示せず）に概して固定する。
【００１７】
上述したように、ピストン１００は、少なくとも部分的に冷却空洞１０８を規定するリングベルト部１０６を有していてもよい。冷却空洞１０８は、ピストンクラウンの外周部周りに概して延びていて、動作中に冷却液、例えばオイルを循環させ得、それによりピストンの動作温度を低下させる。加えて、冷却液の循環は、ピストン１００、特にピストンアセンブリ１００の上部、例えば燃焼ボウル１２０に隣接する部分のより安定したまたは一定の温度の維持を容易にする。
【００１８】
ピストン本体１０２およびリング１０４は、例えばレーザ溶接プロセスにおいて、固定的に接合されていてもよい。ピストン本体１０２およびリング１０４を固定的に接合することにより、ピストンアセンブリ１００は一体型のアセンブリとして概して形成される。
【００１９】
図１、図２Ａ、図２Ｂ、図３、図４および図５に示すように、そして以下にさらに記載するように、本体１０２およびリング１０４の構成要素は、例えばレーザ溶接プロセスにおいて、径方向内側の界面領域Ｉおよび径方向外側の界面領域Ｏの両方に沿って接合されていてもよい。したがって、ピストン本体１０２は、本体１０２とリング１０４とは別個の構成要素であるが、クラウンへの固定後はそれぞれ他方に対して動けないように、それぞれの冷却空洞リング１０４と概して一体化されていてもよい。
【００２０】
冷却空洞リング１０４は、本体１０２およびリング１０４がピストンアセンブリ１００の連続的な上側の燃焼ボウル面１２０を形成するために協働するように、本体１０２に固定されていてもよい。
【００２１】
図２Ａおよび図２Ｂに示す代表的なピストン１００ａ，１００ｂを参照すると、本体１０２ａ，１０２ｂ（一括して、１０２）およびリング１０４ａ，１０４ｂ（一括して、１０４）の対応する径方向外側の接合面１９０，１９２は、それぞれ、ピストン１００ａ，１００ｂのリングベルト部１０６に沿って、径方向外側の界面領域Ｏにおいて接触していてもよい。加えて、本体１０２およびリング１０４の対応する径方向内側の接合面１９４，１９６は、それぞれ、ピストン１００ａ，１００ｂの頂面１１０に沿って接触していてもよく、それにより径方向内側の界面領域Ｉを規定している。図２Ａおよび図２Ｂに示す例では、冷却空洞リング１０４と本体１０２との間の溶接継ぎ手は、ピストン１００ａ，１００ｂの燃焼ボウル１２０内に全く配置されていない。
【００２２】
図３に示す代表的なピストン１００ｃを参照すると、図２Ａおよび図２Ｂに示した代表的な方法とは対照的に、本体１０２ｃおよびリング１０４ｃの対応する径方向外側の接合面１４４，１４６は、それぞれ、ピストンの上面１１０に沿って、ピストン１００の径方向外側の界面領域Ｏにおいて接触しており、一方、本体１０２ｃおよびリング１０４ｃの対応する径方向内側の接合面１４０，１４２は、それぞれ、燃焼ボウル１２０内において径方向内側の界面領域Ｉに沿って接触している。したがって、径方向内側の界面領域Ｉおよび冷却空洞リング１０４ｃと本体１０２ｃとの間の関連する溶接継ぎ手は、燃焼ボウル１２０内に配置されており、冷却空洞リング１０４ｃは、燃焼ボウル１２０の第１の径方向外側部１２０ａを規定している。さらに、本体１０２ｃは、径方向内側の界面領域Ｉの径方向内側に配置された、燃焼ボウル面１２０の径方向内側部１２０ｂを規定していてもよい。
【００２３】
代表的なピストン１００は、それぞれの界面領域ＩまたはＯを安定させるための、径方向内側、および／または、外側の界面領域Ｉ，Ｏに沿った１つまたは複数の支持面を概して必要とする。例えば、図２Ａに示すように、本体１０２ａの径方向内側の接合面１９４は、リング１０４ａの径方向内側の接合面１９６の下に延びる段差部２０１を有している。段差部２０１は、径方向内側の界面領域Ｉに向かって上向きに面する側方伸長面２０２を規定する。加えて、冷却空洞リング１０４ａの径方向外側の接合面１９２は、鉛直伸長面２０４を有する第２の段差部２０３を規定する。側方伸長面２０２および鉛直伸長面２０４は、それぞれ本体１０２とリング１０４ａとの間のそれぞれの接合部を支持している径方向内側および外側の界面領域Ｉ，Ｏをそれぞれ支持している。さらに、面２０２，２０４は、また、溶接スパッタが冷却空洞１０８に侵入するのを抑制しており（または完全に防止しており）、例えば、それにより溶接スパッタが冷却空洞１０８の内側面に付着するのを防止している。
【００２４】
図３を参照すると、本体１０２の径方向外側の接合面１４４は、側方伸長面２０６を規定する段差部２０８を有している。面２０６は、径方向外側の界面領域Ｏを概して支持し得、および／または、溶接スパッタが冷却空洞内に侵入するのを防止しまたは抑制し得る。さらに、溶接作業の間にわたって溶接スパッタを概して捕集するスパッタトラップ１７０が設けられており、それにより溶接スパッタが冷却空洞１０８に到達するのを最小限に抑えるかまたは完全に防止する。すなわち、スパッタトラップ１７０は、溶接箇所の後ろに空の容積またはくぼみ１７１を規定し、そのため、衝突するレーザビーム、および／または、接合部から、例えば図３において縦の下方向において、飛散する溶接スパッタは、スパッタトラップ１７０のくぼみ１７１内で概して捕集され得る。
【００２５】
図３に示す代表的な冷却空洞リング１０４ｃは、また、冷却空洞１０８の上部が冷却空洞１０８の内側面１０８’よりもさらに径方向内側に延びるような切り取り部４００を有している。例えばリング１０４ｃを機械加工することにより切り取り部４００を形成することは、径方向内側の溶接継ぎ手および界面領域Ｉが燃焼ボウル１２０内に配置されている構成において容易化され得る。そのような形状の製造が非常に容易であることは、工具、例えば機械加工工具によってより接近しやすいリング１０４ｃの領域に切り取り部４００が配置されているという事実に起因する。したがって、切り取り部４００は、例えば機械加工工具による冷却空洞１０８への接近がより制限される本体１０２ｃとは対照的に、冷却空洞リング１０４ｃにおいてより容易に形成され得る。
【００２６】
さらに、図２Ｂに示すように、他の代表的な方法では、切り取り部４００’は、この切り取り部４００’が冷却空洞１０８の径方向外側に位置するように、冷却空洞リング１０４ｂに形成されていてもよい。
【００２７】
例えば図２Ａおよび図２Ｂに示すように、ピストン１００がリングランド部分に径方向外側の界面領域を有する場合、リング溝１０８の強度を高めてそこにおけるピストンリング（図示せず）の保持力を向上させるために、リング挿入物３００（図２Ｂを参照）が設けられてもよい。さらに、リング挿入物３００により提供される増大した強度は、鋼以外の材料、例えばアルミニウムで形成されたピストンにおいて特に有利である。リング挿入物３００は、都合のよい任意の材料、例えば金属材料で形成されていてもよい。
【００２８】
図１、図２Ａ、図２Ｂおよび図３に示された例の各々では、燃焼ボウル面１２０は、リング１０４と本体１０２との間の界面、例えば径方向内側の界面領域Ｉ、および／または、径方向外側の界面領域Ｏを横切って実質的に滑らかであって、それにより面１２０における分断、および／または、切れ目を最小限に抑えている。例えば、図２Ａおよび図２Ｂの例では、燃焼ボウル１２０内に溶接継ぎ手が存在しておらず、よって燃焼ボウルは比較的滑らかである。一方、燃焼ボウルがリング１０４と本体１０２との間の継ぎ手を含んでいる図３に示す例では、ピストンアセンブリ１００を形成するために使用される溶接、および／または、機械加工の実施は、燃焼ボウル面１２０における表面のむらを低減するように概して図られる。そのような分断または切れ目を最小限に抑えることは、通常の長時間稼働において、界面領域Ｉ，Ｏに沿った本体１０２とリング１０４との間の界面の亀裂または他の弛みを概して低減し得る。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動作中に生じる消耗に起因する、燃焼ボウル面１２０におけるいかなる欠陥または故障も最小限に抑えられ得る。
【００２９】
図４を参照すると、他の代表的なピストンアセンブリ１００ｄが図示されており、本体１０２ｄおよび冷却リング１０４ｄを有している。冷却リング１０４ｄは、径方向内側および外側の接合面４５２，４５４をそれぞれ規定している。冷却リング１０４ｄの内側および外側の接合面４５２，４５４は、ピストン本体１０２ｄの対応する径方向内側および外側の接合面４５６，４５８と連結されている。内側および外側の接合面４５２，４５４，４５６，４５８は、それぞれ、ピストンアセンブリ１００ｄに関して実質的に鉛直な方向に、すなわちピストンアセンブリ１００ｄの縦軸Ｄ−Ｄに対して実質的に平行に並んでいる。冷却空洞リング１０４ｄは、本体１０２ｄの径方向内側および外側の接合面４５６，４５８により形成された溝内に収容されていてもよい。その後、冷却空洞リング１０４ｄは、例えば、径方向内側の接合面４５２，４５６によって規定される径方向内側の界面領域Ｉ、および、径方向外側の接合面４５４，４５８によって規定される径方向外側の界面領域Ｏに沿ったレーザ溶接によって本体１０２ｄに接合され得る。
【００３０】
上述したように、冷却空洞リング１０４ｄは、まず、本体１０２ｄの径方向内側および外側の接合面４５６，４５８の間に規定される溝内に収容され得る。冷却空洞リング１０４ｄは、側方伸長支持面４６０，４６２によって支持され得、この側方伸長支持面は、冷却空洞リング１０４ｄおよび本体１０２ｄの任意の接合作業に先立って、本体１０２ｄの径方向内側および外側の接合面４５６，４５８の間に規定される溝内に冷却空洞リング１０４ｄが静止しておくことを可能とする。すなわち、側方伸長支持面は、径方向内側の支持面４６０と径方向外側の支持面４６２とを含んでいる。支持面４６０，４６２は、それぞれ、ピストンアセンブリ１００ｄに対して横方向に、すなわちピストンアセンブリ１００ｄの軸Ｄ−Ｄに対して実質的に垂直な方向に延びている。
【００３１】
ある代表的な方法では、冷却空洞リング１０４ｄは、レーザ溶接プロセスにおいて本体１０２ｄに溶接され得る。そのような例では、支持面４６０，４６２は、それぞれ、レーザ溶接作業において形成される溶接スパッタが冷却空洞１０８内へ侵入するのを抑制するかまたは防止する。すなわち、溶接スパッタは、側方伸長支持面４６０，４６２によって冷却空洞１０８に到達することを妨げられ得、側方伸長支持面は、冷却空洞１０８から横に離れた接合面４５２，４５４，４５６，４５８、および／または、接合面４５２，４５４，４５６，４５８から冷却空洞１０８への入口を区切っている。加えて、支持面４６０，４６２は、溶接スパッタが冷却空洞１０８に到達するのを妨げる起伏または蛇行路（ｔｏｒｔｕｏｕｓ  ｐａｔｈ）を形成するために、冷却空洞リング１０４ｄの背面４６４と協働する。
【００３２】
図５を参照すると、別の代表的なピストンアセンブリ１００ｅが図示されており、本体１０２ｅおよび冷却リング１０４ｅを有している。冷却リング１０４ｅは、径方向内側および外側の接合面５５２，５５４をそれぞれ規定する。冷却リング１０４ｅの内側および外側の接合面５５２，５５４は、ピストン本体１０２ｅの対応する径方向内側および外側の接合面５５６，５５８と連結されている。ピストンアセンブリ１００ｅの内側の接合面５５２，５５４は、ピストンアセンブリ１００ｅの縦軸Ｅ−Ｅに対して実質的に平行に並んでおり、一方、径方向外側の接合面５５６，５５８は、軸Ｅ−Ｅに対して実質的に垂直に並んでいる。冷却空洞リング１０４ｅは、接合面５５２，５５４が本体１０２ｅの対応する接合面５５６，５５８とそれぞれ整合するように、本体１０２ｄ上に置かれ得る。その後、冷却空洞リング１０４ｅは、例えば、径方向内側の接合面５５２，５５６によって規定される径方向内側の界面領域Ｉ、および、径方向外側の接合面５５４，５５８によって規定される径方向外側の界面領域Ｏに沿ったレーザ溶接によって本体１０２ｅに接合され得る。
【００３３】
冷却空洞リング１０４ｅは、ピストンアセンブリ１００ｅに関して径方向外側に面する鉛直伸長支持面５８２を規定する鉛直伸長支持部５８０を有していてもよい。加えて、ピストン本体１０２ｅは、側方伸長支持面５８６を規定する側方伸長支持部５８４を規定していてもよい。
【００３４】
ある代表的な方法では、冷却空洞リング１０４ｅは、レーザ溶接プロセスにおいて本体１０２ｅに溶接され得る。そのような例では、支持面５８２，５８６は、それぞれ、レーザ溶接作業において形成される溶接スパッタが冷却空洞１０８内へ侵入するのを抑制するかまたは防止する。すなわち、溶接スパッタは、鉛直伸長支持面５８２によって径方向外側の界面領域Ｏから冷却空洞１０８に到達することを防止されるかまたは妨げられ得、鉛直伸長支持面は、冷却空洞１０８への入口から鉛直方向に離間した接合面５５４，５５８を概して区切っている。同様に、径方向内側の界面領域Ｉからの溶接スパッタは、側方伸長支持面５８６によって冷却空洞１０８に到達することを防止されるかまたは妨げられ得る。本体１０２ｅの支持面５８６は、接合面５５２，５５６と冷却空洞１０８との間に配置された起伏または蛇行路を形成するために、冷却空洞リング１０４ｅの背面５８８と協働し得、それにより溶接スパッタが径方向内側の界面領域Ｉから冷却空洞１０８に到達するのを妨げるかまたは防止する。加えて、冷却空洞リング１０４ｅの支持面５８２は、接合面５５４，５５８と冷却空洞１０８との間に配置された起伏または蛇行路を形成するために、本体１０２ｅの背面５９０と協働し得、それにより溶接スパッタが径方向外側の界面領域Ｏから冷却空洞１０８に到達するのを妨げるかまたは防止する。
【００３５】
図１、図２Ａ、図２Ｂ、図３、図４および図５に示された代表的な例の各々では、ピストン本体１０２と冷却空洞リング１０４とは、例えばレーザ溶接のような溶接作業において互いに固定されるかまたは固定的に接合され得る。ある代表的な例では、ピストン本体１０２と冷却空洞リング１０４とは、径方向内側および外側の界面領域Ｉ，Ｏの両方に沿って互いに固定される。レーザ溶接は、界面領域Ｉ，Ｏに隣接するピストン１００の外面に沿って、溶接工具が概して滑らかな表面を形成することを許容し得る。このことは、燃焼ボウル１２０において接合部が配置される、比較的滑らかな燃焼ボウル面１２０を提供することにおいて特に有利であり得、したがって、例えば燃焼ボウル面１２０のような外側のピストン表面をその後に機械加工するいかなる必要性をも低減し得る。ある代表的な例では、本体１０２と冷却空洞リング１０４との接合に関する溶接プロセスの前、および／または、後における最低限の機械加工作業が必要とされ得る。さらには、機械加工が全く必要とされない例もある。
【００３６】
レーザ溶接作業は、本体１０２とリング１０４との間における固体金属溶接部の形成を概して許容する一方、関連する熱影響部の大きさを最小限度に抑える。すなわち、溶接レーザは、径方向内側の界面領域Ｉ、および／または、径方向外側の界面領域Ｏにおける熱影響部を広めるために概して使用され得、当該熱影響部は本体１０２およびリング１０４の接合面を含むかまたはこれと直接的に隣接し、それにより界面領域Ｉ，Ｏにおける接合面に沿って本体１０２とリング１０４とを一体的に溶接する。
【００３７】
代表的な熱影響部（ＨＡＺ）６００，６０２は、図１において、径方向内側および外側の界面領域Ｉ，Ｏに、それぞれ、網掛け領域により示されて図示されている。ＨＡＺ６００，６０２は、冷却空洞リング１０４および本体１０２の材料が溶けるかまたは当該２つの構成要素を接合するために影響を受けた領域を概して表している。図１に最もよく示されているように、熱影響部６００，６０２は、接合部の内部へさらに延びて狭まっていく幅を概して規定しており、それは、接合部の内部のより深い方向に動くレーザから横方向に離れた材料に影響を与えるための、レーザの減少していく能力に概して対応している。
【００３８】
リング１０４と本体１０２とがレーザ溶接プロセスを用いて接合される場合、溶接レーザは、界面領域Ｉ、および／または、Ｏの全体的な周縁部周りに実質的に延びる概して連続的な溶接プロセスにおいて使用され得、そのため溶接部は全体のピストン１００周りに実質的に延びている。代わりに、一連の不連続な溶接部が、界面領域Ｉ、および／または、Ｏの外周の範囲に沿って作られてもよい。
【００３９】
本体１０２と冷却空洞リング１０４とを接合するために用いられるレーザ溶接作業は、例えば摩擦溶接のような他の溶接手法に比べて、複数の利点を有し得る。レーザ溶接作業は、典型的に、比較的小さな熱影響部をもたらし、それは往々にして数ミリ程度である。とは言え、熱影響部は、以下にさらに記載するように、本体１０２の接合面のみでなくリング１０４の対応する接合面を有利には含み得る。加えて、レーザ溶接は、実質的に、衝突するレーザビームが到達できる、ピストン１００における任意の箇所で実施され得る。したがって、レーザ溶接作業は、ピストン１００における本体１０２とリング１０４との間の界面領域、例えば径方向内側および外側の界面領域Ｉ，Ｏの配置の選択において実質的な柔軟性を許容し得る。
【００４０】
比較すると、既知の摩擦溶接の方法は、接合される構成要素の接合面が溶接部、および／または、ピストン軸に対して垂直であることを概して必要とする。すなわち、一体的に摩擦溶接される表面は、摩擦溶接プロセスの間における溶接される構成要素の動きに関する方向に対して概して垂直になっている必要があり、当該動きの方向は典型的にはピストン軸に対して平行である。加えて、一体的に摩擦溶接される構成要素を動かすために用いられる非常に大きな力は、溶接の間における構成要素の損傷を防ぐために、対応する大きな程度の溶接面の支持を必要とする。最後に、摩擦溶接は、高速回転により円筒形の部品を接合することを許容するために構成要素が回転対称であることを必ず必要とする。一方、レーザ溶接プロセスは、ピストンの構成要素、例えば本体１０２およびリング１０４が例えば摩擦溶接において適用されるような非常に大きな力に耐えることを必要としない。加えて、レーザ溶接プロセスは、レーザ溶接プロセスの間において一つの部品も動かされるかまたは回転させられる必要がないため、回転対称性を必要としない。実際、非対称なまたは離間した界面領域が使用され得、例えば非対称な燃焼ボウル（図示せず）をもたらす。
【００４１】
冷却空洞１０８は、有利には、レーザ溶接プロセスの間にガスが逃げるのを許容する１つまたはそれ以上の開口部（図示せず）を規定していてもよい。少なくとも１つの開口部を設けることは、冷却空洞１０８の内部に存在する何らかのガスまたは空気が急速に膨張する傾向がある場合に、溶接プロセスにおいて有益であり得る。開口部は、それによりガスまたは空気の膨張による、冷却空洞１０８および隣接するピストン１００の表面の損傷を防止し得る。さらに、膨張するガスの「キーホール効果」は、界面領域Ｉ，Ｏに沿って溶接部を損傷し得る。すなわち、溶接部は冷却空洞１０８をシールするので、例えば開口部により、膨張するガスのために逃げ道が設けられない限り、膨張するガスは材料が十分に硬化する前に溶けた材料を通って逃げることにより溶接領域を損傷する傾向にある。加えて、開口部は、作動中に冷却液、例えばオイルが冷却空洞を通って循環するのを許容するために必要とされ得る。さらに、以下にさらに記載するように、任意の開口部は、レーザ溶接プロセスからの溶接スパッタの除去をも許容し得る。ある代表的な例では、１つまたはそれ以上の開口部、例えば開口部１５０が、冷却空洞１０８の下面に設けられており、それにより、開口部が、ピストン１００の動作中においてオイル／冷却の循環の入口または出口として使用されることを許容する。
【００４２】
代表的なピストン１００のピストン本体１０２および冷却空洞リング１０４は、都合のよい、例えばレーザ溶接することが可能な任意の材料により構成されていてもよい。単なる一例として、レーザ溶接を受け入れる任意の金属含有化合物が使用されてもよい。ある代表的な例では、本体１０２および冷却空洞リング１０４は、同じ材料、例えばアルミニウムで形成されている。別の例では、本体１０２および冷却空洞リング１０４は、それぞれ鋼材料で形成されている。さらに、本体１０２および冷却空洞リング１０４は、同じ材料で形成されていなくてもよい。したがって、構成要素に使用される材料は、一般的な必要条件と動作条件のそれぞれに関連して、よりぴったりと適合され得る。ピストン本体１０２は、単なる例として、冷却空洞リング１０４と異なった機械的特性、例えば降伏点、引っ張り強さ、または切欠き粘さを有していてもよい。都合のよい任意の材料または組合せが、本体１０２および冷却空洞リング１０４のために用いられ得る。単なる例として、本体１０２、および／または、冷却空洞リング１０４は、アルミニウム材料、鋼材料、鋳鉄、複合材、または粉末金属材料で形成されていてもよい。本体１０２、および／または、冷却空洞リング１０４は、また、異なるプロセスで形成されていてもよく、例えば、本体１０２は単一の鋳造部品である一方、冷却空洞リング１０４は鍛造されていてもよい。都合のよい任意の材料、および／または、成形の組合せが用いられてもよい。上述したように、特定の材料の選択、例えば本体１０２および冷却空洞リング１０４へのアルミニウムの選択は、例えばピストンリング挿入物３００、および／または、ピストン１００の界面領域Ｉ，Ｏの一方または両方における支持面のような、増大されて局所化された剛性または強度を提供する本明細書に記載された特徴にプラスになり得る。
【００４３】
本体１０２とリング１０４とを例えばレーザ溶接により一体的に固定する前に、本体１０２およびリング１０４は、固定されるが非永久的な態様で予備組み立てされてもよい。例えば、２つの構成要素の間における焼きばめまたは締まりばめが用いられてもよい。ある例では、本体１０２は、上昇した温度下に置かれ、本体１０２内へのリング１０４の挿入を許容するのに十分な熱膨張を始める。本体１０２をより低い温度まで冷却すると、本体１０２の熱膨張は反転し、それによりリング１０４を所定の位置に拘束する。別の代表的な例では、本体１０２とリング１０４とは異なる熱膨張係数を有する材料で形成されており、そのため両構成要素への熱の適用は本体１０２のより大きな程度の熱膨張をもたらし、リング１０４の挿入を許容する。
【００４４】
上述した焼きばめまたは締まりばめに代えてまたは追加しての小さな溶接仮付けは、例えばレーザ溶接プロセスにおいて本体１０２とリング１０４とを永久的に接合するのに先立って、本体１０２とリング１０４とを一体的にさらに固定するために用いられ得る。
【００４５】
レーザ溶接プロセスは、有利には、上述したように、一体的に溶接される構成要素におけるより小さな、例えば数ミリのみの熱影響部を許容し得る。しかしながら、比較的小さな熱影響部は、また、熱影響部または溶接部に隣接する材料における過度の温度勾配をもたらし得る。したがって、材料内における非常に小さな距離での大きな温度変化によって、溶接される材料内でひび割れが広がり得る。そのため、溶接される構成要素を、例えば炉においてまたは電磁誘導によって予備加熱することにより、この勾配を低減させることが好ましい。ある代表的な例では、本体１０２とリング１０４との両方が、およそセ氏２００〜６００°まで加熱される。
【００４６】
任意の種類のレーザ溶接システムが、代表的なレーザ溶接プロセスの一部として用いられてもよい。例えば、固体レーザ、ディスクレーザ、炭酸ガスレーザ、またはファイバーレーザが用いられ得る。炭酸ガスレーザシステムは、よく知られており、そのため例えばより新しく開発されたファイバーレーザシステムよりも大量生産設定に適合し得る。しかしながら、炭酸ガスレーザプロセスは、また、例えば製造設備一帯のような容易に移動できない大きな機械を典型的に必要とし、一方、固体レーザは、ファイバまたは光伝達媒体を広げることができる任意の場所で用いることができる。
【００４７】
典型的には、より厚い溶接継ぎ手は、接合される材料を適切に溶かすためにより大きな出力のレーザを必要とし得る。ある代表的な例では、接合される６ミリ厚の材料は、２．０メートル毎分の送り速度で３００〜４００μｍのビーム幅または厚みを用いる６ｋＷのレーザにより適切に溶接される。別の代表的な例では、レーザ溶接プロセスを実行するために複数のレーザビームが用いられ得る。すなわち、一方のビームが他方の後方に続くように、ピストン１００の界面領域ＩまたはＯ周りを共に移動する２つのビームが使用されてもよい。レーザの出力は、２つのビームに概して均等に配分されてもよい。ある例では、レーザビーム間における０．２〜０．５ｍｍの間隔が採用されてもよい。別の例では、０．３９ｍｍの間隔が使用される。レーザビームの焦点距離は、およそ１５０〜４００ｍｍであってもよく、ある例では、およそ３００ｍｍである。さらに、レーザは、およそ３．５〜６．０ｋＷの出力レベルで、１．０〜２．０メートル毎秒の送り速度（すなわち、溶接作業においてレーザビームが界面領域Ｉ、および／または、Ｏに沿って移動する速度）で使用されてもよい。
【００４８】
本体１０２とリング１０４とを一体的に溶接した後、いかなる溶接スパッタも冷却空洞１０８から除去されてもよい。ある代表的な例では、高圧洗浄作業が用いられてもよく、その場合には冷却空洞１０８を通って高圧で流れが循環する。上述したように、溶接スパッタの除去は、冷却空洞１０８の内面の被覆、例えば炭素被覆により促進され得る。ピストン１００に関する上述した代表的な支持面は、溶接スパッタの除去の必要性を概して低減し、その必要性を完全に解消する場合もある。
【００４９】
図６を参照すると、ピストンアセンブリを製造するための代表的なプロセス６００が図示されている。プロセス６００はブロック６０２で始まり、そこではピストン本体が提供される。例えば、上述したように、ピストン本体１０２は、単なる例として、例えば鋳造、鍛造、または機械加工プロセスにおいて形成され得る。さらに、ピストン本体１０２は、例えば上述したように、ピストンアセンブリ１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ、または１００ｅのための径方向内側および外側の接合面を有し得る。プロセス６００は、そしてブロック６０４へ進み得る。
【００５０】
ブロック６０４では、冷却空洞リングが本体へ取り付けられ得る。例えば、上述したように、冷却空洞リング１０４は、単なる例として、例えば鋳造、鍛造、または機械加工プロセスにおいて形成され得る。さらに、冷却空洞リング１０４は、ピストン本体１０２の接合面に対応する、径方向内側および外側の接合面を有し得る。ある代表的な方法では、リング１０４は、２つの構成要素を永久的に一体的に固定することなく、本体１０２に対するリング１０４の配置を固定することを容易にする態様で本体１０２に取り付けられ得る。例えば、例として、リング１０４が本体１０２内に入り込むかその逆になるように本体１０２の温度を十分に高い温度まで至らせることにより、焼きばめが使用され得る。さらに、本体１０２とリング１０４との間における比較的小さな機械的結合、例えば溶接仮付けが用いられてもよい。加えて、上述したように、リング１０４は、本体１０２と同じ材料または異なる材料で形成されていてもよい。プロセス６００は、そしてブロック６０６へ進み得る。
【００５１】
ブロック４０６では、本体１０２は、少なくとも１つの界面領域に沿ってリング１０４に接合され得る。例えば、上述したように、ある代表的な方法では、径方向内側の界面領域Ｉ、および／または、径方向外側の界面領域Ｏに沿って、リング１０４および本体１０２の対応する接合面を接合するためにレーザ溶接が用いられ得る。冷却空洞リング１０４および本体１０２の少なくとも一方は、例えば、リング１０４と本体１０２との予備組み付けを容易にするのみでなく、レーザ溶接プロセスの結果生じるリング１０４、および／または、本体１０２における温度勾配を低減するために予備加熱され得る。
【００５２】
ブロック４０８に進むと、冷却空洞リング１０４、および／または、本体１０２の接合面に隣接する少なくとも１つの支持面が提供される。単なる例として、上述したように、ピストンアセンブリ１００ａの面２０２、および／または、２０４、ピストンアセンブリ１００ｃの面２０６、ピストンアセンブリ１００ｄの面４６０，４６２、およびピストンアセンブリ１００ｅの面５８２，５８６は、冷却空洞リング１０４、および／または、本体１０２の隣接する接合面からの溶接スパッタが冷却空洞１０８に到達するのを概して妨げる傾斜路または蛇行路、および／または、起伏を部分的に概して規定し得る。
【００５３】
ある例では、溶接スパッタは、その後、例えば、レーザ溶接に先だって冷却空洞１０８内に配置された耐熱材料または耐燃性材料でスパッタを「捕獲」することにより、または冷却空洞１０８の内面に付着したいかなる溶接スパッタをも取り除きまたは除去するための高圧洗浄作業を使用することにより、ピストンから、特に冷却空洞１０８から除去され得る。とは言え、支持面は、冷却空洞１０８内で生じた溶接スパッタを抑制するかまたは完全に除去し得、ある例では、溶接スパッタ除去の必要性を低減するかまたは解消する。
【００５４】
本明細書で開示される代表的なピストン１００は、概して制限なく、大小のボア径の用途において用いられ得る。低減された材料バリおよび溶接継ぎ手の大きさは、有利には、ピストン１００のより小さな全体的な構造を許容し得る。コンプレッションハイト、すなわち、上面１１０とピンボス１０５によって規定されるボアの中心との間の距離に対するピストン径の比率が低減され得る。ある代表的な例では、ピストン１００は、（同等の摩擦溶接される設計のためのおよそ５５〜７０パーセントの既知のコンプレッションハイトと比較して、）およそ２５〜５５パーセントのコンプレッションハイトを有し得る。最小限のまたは存在しない溶接バリは、また、浅いボウル構造を容易にし得る。最後に、より小さなコンプレッションハイトは、ピストン１００の大きさおよび重量を低減し、全体としてより小さなエンジンブロックおよびより小さな構成要素を許容し、エンジンブロックの周囲における車両実装のより大きな自由度を許容する。より長いコネクティングロッドは、また、コンプレッションハイトが最小限度に抑えられた場合に用いられ得、エンジン作動中のエンジンボアに対する横力を低減する。このことは、ひいては、ピストン１００とボアとの間の摩擦を低減し、エンジン効率を向上させる。
【００５５】
加えて、ピストンアセンブリ１００は、また、ピストンアセンブリ１００の剛性および材料選択の追加的な柔軟性の結果として、増大したピーク燃焼圧力を許容し得る。製造コストは、また、いくつかの代表的な例において使用される簡素化された鍛造および溶接プロセスのために低減され得る。
【００５６】
本明細書に記載されたプロセス、システム、方法、発見的方法等に関しては、そのようなプロセス等のステップは一定の順序に従って起こるように記載されているが、そのようなプロセスは本明細書に記載された順序以外の順序でも実行され得る。さらに、一定のステップが同時に実行されてもよく、他のステップが追加されてもよく、あるいは本明細書に記載された一定のステップが省略されてもよい。換言すれば、本明細書におけるプロセスの説明は、一定の実施形態を例示するためのものであり、クレームされた発明を限定するものと解釈されてはならない。
【００５７】
したがって、上記の説明は、説明的なものであって限定的なものではないことを意図していることを理解されたい。提供された例以外の多くの実施形態およびアプリケーションが、上記の説明の中に存在するだろう。発明の範囲は、上記の説明を参照して決められるものではなく、その代わりに添付されたクレームを参照して決められるべきであり、そのようなクレームによって権利が与えられる均等物の全範囲に沿って決められるべきである。本明細書で述べた技術における将来的な開発が予想されまたは意図されるが、開示されたシステムおよび方法はそのような将来的な実施形態にも含まれる。要するに、本発明は、変更および変形が可能であって、下記のクレームによってのみ限定されることが理解されるべきである。
【００５８】
クレームで用いられる全ての用語は、本明細書における相容れない明白な指示がない限り、その最も広い妥当な構成、および、当業者によって理解されるその通常の意味を与えるように意図されている。特に、クレームにおける明確な相容れない限定がない限り、名詞は、単数および複数の両方を含む。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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