用于大型內(nèi)燃機的活塞的制作方法
【專利摘要】一種用于內(nèi)燃柴油機的活塞（1），該活塞（1）具有180至650mm的活塞直徑（D），活塞（1）包括可彼此連接的頂部部分（2）和主體部分（3），-頂部部分（2）當(dāng)安裝于發(fā)動機的缸中時限定燃燒腔室的活塞（1）側(cè)；以及-主體部分（3）具有用于活塞銷（4）的孔口（30），當(dāng)使用時在活塞（1）與活塞銷（4）之間分配力的凸臺（32），主體部分（3）具有內(nèi)部（33）、外表面（34）和可操作的連接表面（35）。主體部分（3）的內(nèi)部（33）包括內(nèi)壁（或表面）（330），內(nèi)壁具有波狀（331）表面的宏觀幾何形狀，其中波（331）的長度（L）為3至25mm并且波（331）的高度（h）為0.3至3mm，其中波狀表面具有測量為5至9μm表面粗糙度的微觀幾何形狀。
【專利說明】用于大型內(nèi)燃機的活塞

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃柴油機的活塞，活塞具有180至650mm的活塞直徑，活塞包括可彼此連接的頂部部分和主體部分，
-頂部部分當(dāng)安裝于發(fā)動機的缸中時限定一種燃燒腔室的活塞側(cè)；以及-主體部分具有用于活塞銷(gudgeon pin)的孔口，當(dāng)使用時在活塞與活塞銷之間分配力的凸臺，主體部分具有內(nèi)部、外表面和可操作的連接表面。

【背景技術(shù)】
[0002]大型內(nèi)燃機廣泛地用于電廠中要求較高的供電任務(wù)中，用作船只推進(jìn)系統(tǒng)的動力源等。
[0003]在大型內(nèi)燃機中，越來越需要從具有相同缸排量的發(fā)動機生成更多功率。目的是為了增加功率比率(power rate)并且同時減少由于發(fā)動機造成的排放。取得這些結(jié)果的一種方式是當(dāng)操作時增加缸壓力。另一方面，這些大型發(fā)動機的可靠性必須也得到改進(jìn)，即，在操作中的任何故障是特別不希望的。這造成了需要發(fā)展這些發(fā)動機的所有零件，包括活塞。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種用于大型內(nèi)燃柴油機的活塞，其具有在180 mm至650mm范圍的活塞直徑。本發(fā)明的目的在于提供一種活塞，活塞能夠耐受操作中增加的缸壓力持續(xù)較長時段。
[0005]特別地，在內(nèi)燃柴油機的高功率比率下耐受疲勞的能力為本發(fā)明的一個目的。雖然為了這些增加的需求而發(fā)展活塞是一項具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)任務(wù)，但也要考慮活塞生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)方面?；钊麅?yōu)選地被制造成使得一個活塞的單價不太高。因此，必須要考慮制造成本與技術(shù)卓越性之間的權(quán)衡。在大型活塞的當(dāng)前市場上，仍然需要不應(yīng)太昂貴且同時在技術(shù)上盡可能不難理解的產(chǎn)品，其在發(fā)動機的整個壽命期間工作而不造成任何麻煩。
[0006]本發(fā)明的特征在于主體部分的內(nèi)部包括內(nèi)壁(或表面)，內(nèi)壁具有波狀表面的宏觀幾何形狀，其中波的長度為3至25mm，并且波的高度是0.3至3mm，波狀表面具有可測量為5至9 μ m表面粗糙度的微觀幾何形狀。此處，表面粗糙度被測量為Ra，即表面粗糙度的算術(shù)平均值。
[0007]本
【發(fā)明者】已注意到的具有這種類型的內(nèi)部幾何形狀的活塞與具有鑄造或鍛造表面的常規(guī)大型活塞相比，抗疲勞性顯著增加，并且仍然能保持制造成本在合理水平。具有所要求保護(hù)的幾何形狀的活塞對于疲勞條件做出響應(yīng)，使得宏觀幾何形狀和微觀幾何形狀的組合實際上排除了在常規(guī)活塞中初始裂紋可能開始發(fā)展的那些點。
[0008]根據(jù)一優(yōu)選實施例，波狀表面在內(nèi)壁中的定向使得波的峰部在活塞的軸向方向上。這允許良好的固體結(jié)構(gòu)而同時可能有最低復(fù)雜性的制造。
[0009]根據(jù)一實施例，形成這種宏觀幾何形狀使得波的峰部由凸臺指向內(nèi)部的一個或多個拱頂。換言之，波的峰部朝向主體部分內(nèi)部的一個或多個拱頂伸展。這個特點能允許實現(xiàn)幾何上平坦或徑向?qū)ΨQ的幾何形狀，這種幾何形狀朝向內(nèi)部的拱頂會聚。這個特點具有以下效果:其幫助防止那些應(yīng)力集中，應(yīng)力集中可能會充當(dāng)疲勞裂紋的初始點。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一實施例，微觀幾何形狀的表面圖案為各向同性的。這意味著主體部分內(nèi)部的表面包括圖案，圖案在表面平面的兩個方向上基本上類似。這種各向同性表面圖案例如可以通過噴丸處理或拋丸處理而獲得。這種特點的效果在于使表面平坦從而使得并不存在由于先前的制造階段所造成的取向標(biāo)記(諸如由于宏觀幾何形狀的銑削可能造成)。此外，那些提到的方法向主體部分內(nèi)部的最表層造成顯著壓縮應(yīng)力，并且因此也積極地影響活塞的抗疲勞性。因此，根據(jù)本發(fā)明的實施例，主體部分的內(nèi)壁包括具有壓縮應(yīng)力的表面層。
[0011]定義:
在此上下文中，可操作的連接表面表示活塞的表面,該表面與活塞的其它部分或發(fā)動機本身接觸或相關(guān)地相互作用。例如，當(dāng)安裝時活塞銷孔口的觸及活塞銷的表面是一種可操作的連接表面。而且，主體部分的外側(cè)，在小空隙中滑動并且由來自缸表面的薄油層分開的套筒部分，被認(rèn)為是可操作的連接表面。而且，在活塞的頂部部分與主體部分之間的連接表面為一種這樣的可操作的連接表面?？赡艽嬖诟?，取決于活塞的實際結(jié)構(gòu)。
[0012]而且，在此上下文中，微觀幾何形狀的表面圖案各向同性的特點表示該表面在平面方向上，在表面平面的兩個方向上類似。此處活塞的軸向方向為當(dāng)活塞操作時移動的方向?；钊ǔ閳A形或接近圓形并且因此軸向方向平行于該圓的中心軸線。
[0013]關(guān)于波狀表面的宏觀幾何形狀，波的長度可以例如從波的峰部到相鄰波的峰部測量。同樣，可以垂直于將波的兩個相鄰峰部相連接的線段從波的底部測量波的高度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]在下文中結(jié)合附圖更詳細(xì)地解釋本發(fā)明，在附圖中:
圖1表示活塞的總體概觀和局部截面圖。
[0015]圖2表示活塞主體部分內(nèi)部的更詳細(xì)視圖。
[0016]圖3表示主體部分內(nèi)部中的波狀幾何形狀的實施例和作為圖示的顯微圖像的微觀幾何形狀的實施例。
[0017]圖4表示在主體部分內(nèi)部和凸臺處的波狀幾何形狀的實施例。
[0018]附圖中使用的附圖標(biāo)記 I活塞
D活塞直徑 2頂部部分 3主體部分 30孔口 32凸臺 33內(nèi)部 330內(nèi)壁 331波，波狀表面 3311波的峰部 3312波的底部 L波的長度 h波的高度 R波的半徑 34外表面
35可操作的連接表面 36拱頂 4活塞銷。

【具體實施方式】
[0019]在圖1中，展示了用于內(nèi)燃柴油機的活塞1，活塞I具有180至650mm的活塞直徑D，活塞I包括連接到彼此的頂部部分2和主體部分3，
-頂部部分2，當(dāng)安裝于發(fā)動機缸中時限定燃燒腔室的活塞側(cè)；以及-主體部分3，其具有用于活塞銷4 (未圖示，僅示出了位置)的孔口 30，用于當(dāng)使用時在活塞I與活塞銷之間分配力的凸臺32，主體部分3具有內(nèi)部33、外表面34和可操作的連接表面35。出于圖示目的，活塞I在此處以局部截面圖展示從而使得不同的零件能更容易看到。
[0020]在圖2中，展示了活塞I的主體部分3從而可以看到主體部分的內(nèi)部。主體部分3的內(nèi)部33包括內(nèi)壁330 (或表面)，內(nèi)壁330具有波狀表面331的宏觀幾何形狀，其中波331的長度L為3至25mm并且波331的高度h為0.3至3mm，波狀表面331具有可測量為5至9μπι (即，表面粗糙度的算術(shù)平均值)的表面粗糙度Ra的微觀幾何形狀。
[0021]根據(jù)活塞I的一實施例，當(dāng)活塞I的直徑D為180至300mm時，波331的長度L是3至15mm并且波331的高度h是0.3至1.0mm。還根據(jù)另一實施例，當(dāng)活塞I的直徑D大于300mm時,波331長度L顯著大于15 mm并且波高度h大于1.0mm。然而,在某些區(qū)域中，諸如由凸臺32或由拱頂36，波長度L也可以小于所述15_，甚至?xí)蹫榱?。這使得與活塞I的總大小相比，波331的大小能非常合適，并且同時可制造性保持在可接受的水平。在圖2的實施例中，拱頂36形成為用于緊固器件(諸如螺栓)的表面，以將活塞的頂部部分附連到活塞的主體部分3。
[0022]關(guān)于波狀表面的宏觀幾何形狀，可以用常規(guī)方式，如圖2和/或圖3所示，確定波的測量?？梢岳鐝牟ǖ姆宀?311到相鄰波的峰部3311測量波的長度L。同樣，可以垂直于將兩個相鄰峰部連接的線段從波的底部3312測量波的高度h。
[0023]在圖3 (和圖2)，展示了活塞內(nèi)部的一實施例，其中波的半徑R為10至30mm，優(yōu)選地12.5至25 _。波的半徑R為可能影響到表面對抗裂紋起始或初始裂紋生長的耐受性的一種因素。
[0024]圖3也將微觀幾何形狀的實施例展示為圖示的顯微圖像(作為在圖3中的正方形放大圖)。在圖像中可以注意到，微觀幾何形狀的表面圖案是各向同性的。這意味著主體部分內(nèi)部的表面包括圖案，其在表面的平面中在兩個方向上基本上類似。這種各向同性表面圖案可以例如通過噴丸處理或拋丸處理而獲得。這種特點的效果在于使得表面平坦從而使得并不存在由于先前的制造階段(諸如宏觀幾何形狀的銑削)造成的定向標(biāo)記。此外，那些提到的精整方法向主體部分內(nèi)部的最表層造成顯著壓縮應(yīng)力并且也積極地影響活塞的抗疲勞性。
[0025]表面粗糙度范圍對于抗疲勞性具有影響。如果表面太粗糙，其可能已經(jīng)具有使初始裂紋生長的那些點。如果表面使得其由于例如銑削操作而具有較小但尖銳的定向標(biāo)記，因此其可能不足以抗疲勞。在關(guān)于抗疲勞目的的最佳表面的研究中，本申請者已注意到最佳的各向同性表面粗糙度在5-9 μ m的范圍，測量為Ra，即，表面粗糙度的算術(shù)平均值。
[0026]在圖4中，其展示了在一個或多個凸臺32處的波狀幾何形狀的實施例。波的峰部3311由凸臺322指向內(nèi)部的一個或多個拱頂36。主體部分的內(nèi)部優(yōu)選地被設(shè)計成使得并不存在小半徑的拐角或類似物，而是大半徑彎曲和轉(zhuǎn)彎。一種特定形狀是類似拱頂?shù)男螤?。如果活塞的頂部部分可以由多個螺栓從主體部分的內(nèi)部附連，優(yōu)選地將內(nèi)部成形使得每個螺栓附連位置存在類似拱頂形狀。為了使內(nèi)壁還盡可能對抗由交變應(yīng)力造成的初始裂紋，波狀表面被成形為使得那些波朝向拱頂?shù)捻敳繒?。而且在圖4中可能注意到的是波狀表面在內(nèi)壁中定向使得波的大部分峰部3311在活塞的軸向方向上。
[0027]下文是用于生產(chǎn)如上文所描述的活塞的一種制造方法。通過鑄造或鍛造形成活塞坯件?；钊骷ㄏ喈?dāng)接近活塞的最終、準(zhǔn)備操作的幾何形狀的總體幾何形狀，但其仍在整個活塞上包括制造空隙使得在完成活塞之前對基本上所有表面進(jìn)行機械加工。利用軸向銑削工具對活塞主體部分的內(nèi)部進(jìn)行機械加工(諸如通過插銑/切入式銑削(plungemilling))使得選擇銑削路徑，使得實現(xiàn)如上文所要求保護(hù)的宏觀幾何形狀。在一優(yōu)選實施例中，選擇直徑為50mm (已知波的半徑25mm)的機械加工頭，并且其被編程(在數(shù)控(NC)銑削機中的工具路徑)使得實現(xiàn)所提到的宏觀幾何形狀。在已經(jīng)銑削了宏觀幾何形狀之后，活塞的主體部分經(jīng)受噴丸處理或拋丸處理使得在主體部分內(nèi)部實現(xiàn)微觀幾何形狀。優(yōu)選地，那些可操作的連接表面不經(jīng)受噴丸處理或拋丸處理。
【權(quán)利要求】
1.一種用于內(nèi)燃柴油機的活塞(1)，所述活塞(I)具有180至650mm的活塞直徑(D)，所述活塞(I)包括可彼此連接的頂部部分(2)和主體部分(3)， 所述頂部部分(2)當(dāng)安裝于所述發(fā)動機的缸中時限定燃燒腔室的活塞(I)側(cè)；以及 -所述主體部分(3 )具有用于活塞銷(4)的孔口( 30 )，當(dāng)使用時在所述活塞(I)與所述活塞銷(4)之間分配力的凸臺(32)，所述主體部分(3)具有內(nèi)部(33)、外表面(34)和可操作的連接表面(35)， 其特征在于， 所述主體部分(3 )的內(nèi)部(33 )包括內(nèi)壁(或表面)(330 )，所述內(nèi)壁具有波狀(331)表面的宏觀幾何形狀，其中波(331)的長度(L)為3至25mm并且波(331)的高度(h)為0.3至3mm，所述波狀表面具有可測量為5-9 μ m表面粗糙度的微觀幾何形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞(1)，其特征在于，所述波狀表面在所述內(nèi)壁中定向使得所述波的峰部(3311)在所述活塞(I)的軸向方向上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞(1)，其特征在于，所述波的峰部(3311)由凸臺指向所述內(nèi)部的一個或多個拱頂(36)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的活塞(1)，其特征在于，所述波的峰部(3311)由凸臺指向所述內(nèi)部的一個或多個拱頂(36 )。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞(I)，其特征在于，當(dāng)所述活塞的所述直徑(D)為180至300mm時,所述波長度(L)為3至15mm,并且波高度(h)為0.3至1.0_。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞(1)，其特征在于，當(dāng)所述活塞的所述直徑(D)大于300mm時,所述波長度(L)顯著地大于15mm并且波高度(h)超過1.0mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞(I)，其特征在于，所述波的半徑(R)為1mm至30mm，優(yōu)選地12.5至25mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，所述微觀幾何形狀的表面圖案為各向同性的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，所述主體部分(3)的所述內(nèi)壁(330)包括具有壓縮應(yīng)力的表面層。
【文檔編號】F02F3/00GK104204485SQ201180076143
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月30日
【發(fā)明者】S.皮斯雷, T.雷恩斯科格 申請人:康珀倫塔芬蘭有限公司