(57)【要約】  本発明は、内燃エンジン用のガジョンピンに関する。ガジョンピンは、表面硬化鋼で構成され、表面硬化層の全厚さに対するガジョンピンの残留壁厚さの比は、2未満であり、ガジョンピンの内径と外径の比は、60%超である。また、本発明は、本発明によるガジョンピンと、ピストンとを有するシステムに関する。ピストンは、ピストンボスを有し、横方向のオーバリティは、最大点火圧力下におけるガジョンピンの楕円化に対応する。また、本発明は、ガジョンピン、またはガジョンピンとピストンとを有するシステムを有するエンジンを有し、特に内燃エンジンを有し、さらにエンジン用、特に内燃エンジン用のこれらの使用を有する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃エンジン用のガジョンピンであって、
表面硬化鋼で構成され、
表面硬化層の全厚さに対する当該ガジョンピンの残留壁厚さの比は、2未満であり、
当該ガジョンピンの内径と外径の比は、60%超である、ガジョンピン。
【請求項２】
前記表面硬化層の全厚さに対する当該ガジョンピンの残留壁厚さの比は、1.5未満であり、および／または
前記表面硬化層の全厚さに対する当該ガジョンピンの残留壁厚さの比の最小値は、約1.0である、請求項1に記載のガジョンピン。
【請求項３】
前記表面硬化層の全厚さに対する当該ガジョンピンの残留壁厚さの比は、1.0以上2未満の範囲であり、
好ましくは、1.0以上1.5未満である、請求項1または2に記載のガジョンピン。
【請求項４】
前記表面硬化鋼は、18CrNi8、18CrNiMo7-6、20MnCr5、および20MnCrS5からなる群から選定された表面硬化層鋼である、請求項1乃至3のいずれか一つに記載のガジョンピン。
【請求項５】
当該ガジョンピンは、DLC、ta-CまたはMoNの表面コーティングを有する、請求項1乃至4のいずれか一つに記載のガジョンピン。
【請求項６】
当該ガジョンピンの内径と外径の比は、60％超、80%以下である、請求項1乃至5のいずれか一つに記載のガジョンピン。
【請求項７】
当該ガジョンピンは、インサートを含まず、もしくは単一のピースであり、および／または
少なくともインナーベベルを有する、請求項1乃至6のいずれか一つに記載のガジョンピン。
【請求項８】
ガジョンピン壁は、当該ガジョンピンの内側および外側から表面硬化されており、未硬化コアが前記ガジョンピン壁に残留している、請求項1乃至7のいずれか一つに記載のガジョンピン。
【請求項９】
請求項1乃至8のいずれか一つに記載のガジョンピンと、ピストンとを有するシステムであって、
前記ピストンは、ピストンボスを有し、横方向のオーバリティは、最大点火圧力下における前記ガジョンピンの楕円化に対応する、システム。
【請求項１０】
前記ピストンボスの横方向のオーバリティは、ピストンボスの直径の0.1%以上である、請求項9に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ガジョンピンは、抑制された長さを有する、請求項9または10に記載のシステム。
【請求項１２】
エンジン、特に内燃エンジンであって、
請求項1乃至8のいずれか一つに記載のガジョンピンを有し、または
請求項9乃至11のいずれか一つに記載のシステムを有する、エンジン。
【請求項１３】
請求項1乃至8のいずれか一つに記載のガジョンピンの使用、またはエンジン、特に内燃エンジン用の請求項9乃至11のいずれか一つに記載のシステムの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃エンジン用のガジョンピン、ガジョンピンおよびピストンを有するシステム、ガジョンピンまたはガジョンピンとピストンとを有するシステムを有するエンジン、ならびにガジョンピン、または特に内燃エンジンにおけるエンジン用のガジョンピンおよびピストンを有するシステムの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの観点のうち、特に効率における内燃エンジンの設計に対する継続的な試みに関し、広範な最適化経路が探索されている。
【０００３】
調査されているオプションの一つは、ガジョンピン／ピストンシステムの最適化である。内燃エンジンでは、振動質量は、必要なバランス質量およびエンジンの原動力に大きな影響を及ぼす。特に、小さな容積の3気筒ガソリンエンジンの場合、ピストンおよびガジョンピンの振動質量の顕著な抑制により、バランスシャフトを排除することが可能となり、その結果、コストの望ましい削減ができる。
【０００４】
従って、ガジョンピン／ピストンシステムの重量の低減は、本発明の技術的に関連する課題である。しかしながら、ピストン群の全質量を削減する場合、現状では、ピストンの最適化に大きな焦点が当てられ、問題は、例えば、より軽い材料の開発および使用によって対処される。しかしながら、比較的軽いアルミニウム材料で構成されたピストンの強度は、必要な重量が維持されたまま、特性が継続的に増加しているため、今やその限界に達しており、ガジョンピンに目を向けることが賢明であると思われる。
【０００５】
現在、内燃エンジン用のガジョンピンは、ほとんどが表面硬化された16MnCr5および17Cr3鋼から製造されている。硬質鋼から構成されたガジョンピンの製造は、例えば、独国DE950297B号に一般的に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】独国特許第DE950297B号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、ガジョンピンの機能上の特性に悪影響を及ぼさずに、質量が低減されたガジョンピンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、請求項1に記載のガジョンピンにより達成される。
【０００９】
本発明による内燃エンジン用のガジョンピンは、表面硬化鋼で構成され、表面硬化層の全厚さに対する当該ガジョンピンの残留壁厚さの比は、2未満であり、さらに、当該ガジョンピンの内径と外径の比は、60%超であるという特徴を有する。通常の当業者には理解可能なように、本発明によるガジョンピンは、円筒状で中空であり、細長い部材であることが好ましく、ピストンとコネクティングロッドを取り付けるように使用され、このため、適切に設計された開口を介して誘導される。また、ガジョンピンは、ガジョンピンの目と、コネクティングロッドの間で、力の伝達を実現するように機能する。従って、本発明によるガジョンピンは、この円筒状の中空で細長い部材のみで構成されることが好ましい。円筒状の中空構造とは、ガジョンピンの断面が内径と外径とで表すことができることを意味する。また、外径と内径の間の差を2で除した値は、ガジョンピンの壁厚さを定める。従来技術に対する本発明のガジョンピンのある有意な特徴は、外径と内径の間の差が、通常よりも小さいことである。ガジョンピンの内径は、外径の60%超である。一方、これは、通常、60%未満である。本発明は、この値の上限に限定されるものではない。ガジョンピンが実質的にその機能を保持する限り、内径は、60%よりも大きく高めることも可能である。内径は、60%超から、最大80%以下の範囲であることが好ましい。ここで、80%は、技術的に好適な値であり得るが、上限を限定するものではない。この結果、ガジョンピンの小さな壁厚さが得られ、従ってガジョンピンの質量が抑制され、対応する材料の節約が可能になる。また、本発明によるガジョンピンは、表面硬化鋼で構成され、これは、当業者には普通に理解されるように、ガジョンピン材料が、炭化、硬化／焼き入れ、および熱処理のような通常の表面硬化処理ステップに供することができる、好適な表面硬化材料であり、このことから本発明のガジョンピンが、通常の製造方法を用いて製造できることを意味する。本発明によるガジョンピンの利点は、表面硬化層の全体厚さ（すなわち、表面硬化されたガジョンピンの壁の深さ／厚さの合計）に対する、ガジョンピンの残留壁厚さ（すなわち、表面硬化されなかった材料、または表面硬化されなかったガジョンピンの厚さの部分）の定められた比が、2未満であることである。ピンの表面硬化深さは、ISO18669-1（内燃エンジン−ピストンピン−一般的仕様）により、定めることができる。本発明では、表面硬化処理は、ほとんどの場合、従来の方法を用いて、未研磨状態における円筒状中空ガジョンピンに対して直接実施される。これは、表面硬化層が円筒状中空ガジョンピンの外側と内側の両方に形成されることを意味する。従って、本発明によるガジョンピンは、ガジョンピンの外側および内側に、外側および内側の表面から始まるように形成された、表面硬化層を有することが好ましい。次に、表面硬化は、ガジョンピンの外側および内側から、ガジョンピン壁の深さ方向に延伸する。前述の実質的に表面硬化されていない全壁厚さの部分に対する、これらの表面硬化層の漸増する厚さ／深さの延伸の比は、2未満である。換言すれば、ガジョンピン壁の表面硬化領域または表面硬化層は、ある最小全厚を有する。ただし、本発明は���ガジョンピン壁の未硬化「コア」を残すことに限定されない。そのような全体またはほぼ全体が硬化されたガジョンピン壁の結果、特に、比較的大きな内径が得られ、すなわち本発明による特に薄い壁を有するガジョンピンも想定される。次に、その結果、表面硬化層の全厚さに対するガジョンピンの残留壁の割合がほぼ０となる。また、本発明は、ガジョンピン壁の等しい外側および内側表面硬化深さ、または表面硬化層厚さに限定されない。場合によっては、ガジョンピンの外側および内側の特定の負荷に対して、表面硬化深さまたは層厚さを適合させ、それらを独立に調整することが想定される。また、これは、ガジョンピンの外側または内側が硬化されていないと言うオプションを有する。従って、全体の結果として、機能を犠牲にせず、または作動特性に悪影響を及ぼさずに、十分に抑制された質量を有するガジョンピンが得られる。従ってこれにより、通常、ガソリンおよびディーゼルピストンの場合、いかなる追加のコストも発生させずに、ガジョンピンの重量を、10%乃至20%だけ低減することが可能になる。ある場合には、あるエンジン種において、バランスシャフト等の使用の必要性を排除することも可能になる。
【００１０】
本発明に範囲において、ガジョンピンは、ハイブリッド（ガジョン）ピンでないことが好ましい。これは、本発明によるガジョンピンが円筒中空状の、シェル状部材のみで構成され、通常のハイブリッドピンのような、コアまたはインサートなどのいかなる別の部材／（挿入された）素子も追加で有さないことを意味する。本発明によるガジョンピンは、インサートを含まず、すなわち円筒中空ピンに挿入された、他の部材（インサート）を有さないことが好ましく、単一のピースであることが好ましい。従って、概して、軽量および高強度の有意な特徴、ならびにガジョンピンの機能は、単に円筒状中空部材の設計により、すなわち前述の材料、表面硬化処理および寸法の選択を介して、達成される。
【００１１】
オプションとして、概して、前述のピンは、少なくともインナーベベルを有し、またはインナーベベルが提供されてもよい。これは、重量のさらなる軽量につながる。
【００１２】
ガジョンピンの好適実施例では、表面硬化層の全厚さに対するガジョンピンの残留壁厚さの比は、1.5未満である。厚さ比の好ましい下限は、約1.0である。これは、具体的に少なくとも、1.0以上2.0未満、1.0以上1.5未満、および1.5以上2.0未満の範囲を含んでもよい。この選定により、全体的に前述の効果がさらに最適化される。
【００１３】
また、本発明によるガジョンピンの表面硬化鋼は、18CrNi8、18CrNiMo7-6、20MnCr5、および20MnCrS5を含む群から選定された表面硬化鋼であることが好ましい。これは、本発明と従来技術の間の別の差異を表す。後者では、一般に17Cr3および16MnCr5の鋼のグレードが使用される。20MnCr5／20MnCrS5（1.7147／1.7149）、18CrNi8（1.5920）または18CrNiMo7-6（1.6587）のような高強度鋼材料の使用により、本発明によるガジョンピンの実質的に薄い壁厚さが可能となり、従って、同じ耐久強度を維持したまま、移動質量の有意な低減を実現できる。それにも関わらず、評価された製造方法が依然として使用でき、この点に関し、必要となる方法または追加投資の変更はない。
【００１４】
オプションとして、本発明によるガジョンピンは、DLC、ta-CまたはMoNの表面コーティングを有する。この表面コーティングは、必要なガジョンピンの全ての関連する表面に提供され、例えばガジョンピンの外側および／または内側に提供され得る。これは、例えば、ガジョンピンがピストンボスにおける摩耗から有意に保護されることを意味し、ピストン群のシステム部材の間の摩擦的相互作用によい影響が生じる。
【００１５】
本発明の別の目的は、ガジョンピンとピストンとを有するシステムを提供することである。
【００１６】
この目的は、請求項9に記載のガジョンピンと、ピストンとを有するシステムにより達成される。
【００１７】
本発明によるシステムは、前述の全ての想定される記載および好適実施例に記載のガジョンピンと、ピストンとを有し、前記ピストンは、横方向のオーバリティを有するピストンボスを有し、すなわちシリンダ軸に垂直なピストンボスの直径は、シリンダ軸の方向における直径よりもある量だけ、大きい。従って、定められた横方向のオーバリティは、理想上、最大点火圧力下におけるガジョンピンの楕円化に対応する。前述のガジョンピンの質量を低減するための本発明による手段は、完全な孤立概念とは解されず、これらは、ガジョンピンと作用する部材、特に、ピストン自体に影響を及ぼす。従って、これに関する技術的な利点を十分に実現するため、相互作用する部材を含むシステムアプローチが必要となる。本発明によるガジョンピンの高められた直径比および低減された壁厚さのため、ガジョンピンは、作動の間、ある楕円化を示すことができる。ただし、その曲げ挙動は、従来のガジョンピンと同様に維持される。楕円化は、ガジョンピンの円断面からの楕円的なずれとして理解される。このガジョンピンの断面形状の変化は、対応する横方向のオーバリティの提供により、相互作用するピストンボス／ガジョンピン穴の高められた強度に関して反対に作用する。従って、本発明によるシステムでは、システム全体の重量、および動的な質量の低減が可能となり、これによる利点がもたらされ、あるいは、システムの全重量が同等に維持される場合、補強されたピストンにより、システムの全体的な信頼性が高められる。
【００１８】
ピストンボスの横方向のオーバリティは、ピストンボスの直径の0.1%以上であることが好ましく、本発明によるガジョンピンと相互作用するピストンボスの耐久強度の点で、特に有意である。
【００１９】
ガジョンピンおよびピストンを有する本発明によるシステムの好適実施例では、ガジョンピンは、抑制された長さを有する。これは、ガジョンピンは、従来のガジョンピンとはその長さが異なることを意味するものと理解される必要がある。この利点は、ガジョンピンの短長化により、ガジョンピンの質量のさらなる低減、さらには、ガジョンピンおよびピストンを有するシステム全体の軽量化が得られることである。
【００２０】
本発明の別の部材は、エンジンであり、特に、ガジョンピンを有する、または本発明によるガジョンピンおよびピストンを有するシステムを有する内燃エンジンである。本発明の最後の要素は、本発明によるピストンの使用、またはエンジン、特に内燃エンジン用の、本発明によるガジョンピンとピストンとを有するシステムの使用である。前述のガジョンピン、ならびにガジョンピンとピストンとを有するシステムの全ての利点は、エンジン自体のためにおよび前述の使用のために、実施され使用される。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、特に本発明によるガジョンピンのいくつかの特定の実施例について簡単に説明する。
【００２２】
本発明によるディーゼルエンジン用の重量が抑制された特定のガジョンピンは、20MnCr5で構成され、これは、約30mmの外径、約19.5mmの内径、約68mmの全長、および約0.218kgの重量を有する。この結果、約16.8mmの異なる内径のみを有するガジョンピンに対して、直径の比は、約65％であり、重量の抑制は、約11%である。前述のピストンタイプは、ガジョンピンの外側で、約1.08mmの表面硬化深さ（500HV）を有し、ガジョンピンの内側で、約1.06mmの表面硬化深さ（500HV）を有する。この結果、表面硬化層の全厚さに対するガジョンピンの残留壁厚さの比は、いずれの側においても約1.45である。また、ガジョンピンの表面硬化は、約82HRAであり、ガジョンピンのコアの硬度、すなわち実質的に表面硬化されていないガジョンピン壁の中心ゾーンは、約43HRCである。
【００２３】
従って、本発明によるガソリンエンジン用の抑制された重量を有する別の特定のガジョンピンは、20MnCr5で構成され、これは、約22mmの外径、約14.5mmの内径、約52mmの全長、および約0.088kgの重量を有する。この結果、約12mmの異なる内径のみを有するガジョンピンに対して、直径比は、約66%であり、重量減少は、約14.6%である。
【００２４】
本発明によるガジョンピンの2つの別の特定の好適実施例は、20MnCr5で構成され、これらは、いずれも約20mmの外径、いずれも約14.3mmの内径、約54mmの全長を有する。ピストンの内径は、外径の約72%である。第1のガジョンピンは、ガジョンピンの外側で、約0.65mmの表面硬化深さ（500HV）を有し、ガジョンピンの内側で、約0.66mmの表面硬化深さ（500HV）を有する。第2のガジョンピンの場合、これらの測定の値は、それぞれ、約0.70mm、および約0.72mmである。この結果、表面硬化層の全厚さに対するガジョンピンの残留壁厚さの比は、いずれの側においても、それぞれ、約1.18および約1.01である。また、第1のガジョンピンは、約79HRAの表面硬度を有し、約47HRAのコア硬度を有する。第2のガジョンピンの場合、これらの値は、80HRAおよび40HRCである。
【国際調査報告】
2020511617.tif 000002
2020511617.tif 000003
2020511617.tif 000004
2020511617.tif 000005
2020511617.tif 000006
2020511617.tif 000007