具有冷卻通道的鋼活塞及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種活塞及其制造方法。該活塞包括固定至底部的頂部。該頂部具有一最上表面以及從該最上表面下垂的環(huán)形內(nèi)上連接表面和外上連接表面。該底部具有一對(duì)銷(xiāo)座，該對(duì)銷(xiāo)座帶有沿銷(xiāo)孔軸彼此對(duì)齊的銷(xiāo)孔；一對(duì)向上延伸的環(huán)形內(nèi)下連接表面和外下連接表面；以及一燃燒碗壁。內(nèi)焊縫和外焊縫將內(nèi)上連接表面和內(nèi)下連接表明彼此固定，并將外上連接表面和外下連接表面彼此固定。環(huán)形冷卻通道橫向形成于上連接表面和下連接表面之間。將頂部連接至底部的內(nèi)焊縫位于燃燒碗壁之內(nèi)并且用于使活塞的壓縮高度最小化。
【專利說(shuō)明】具有冷卻通道的鋼活塞及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及內(nèi)燃機(jī)，更具體地涉及活塞及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)動(dòng)機(jī)制造商面臨著增長(zhǎng)的對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和性能的需求，該需求包括但不局限于，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，減少耗油量，改善燃油系統(tǒng)，增加缸膛內(nèi)的壓縮荷載，減少通過(guò)活塞的熱損耗，減少摩擦損耗，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量并且使發(fā)動(dòng)機(jī)更緊湊。為了達(dá)到這些目標(biāo)，需要減小活塞尺寸并降低它們的壓縮高度。但是，當(dāng)希望增加燃燒室內(nèi)的壓縮荷載時(shí)，仍需要將活塞保持在切實(shí)可行的范圍內(nèi)。因此，雖然希望增加燃燒室內(nèi)的壓縮荷載，但是需要權(quán)衡需要權(quán)衡這些“增加”限制了壓縮高度可被降低的程度以及由此造成的總體發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸可被減小的程度。進(jìn)一步，由于施加在活塞上的機(jī)械荷載和熱荷載增加時(shí)需要它們由鋼制成，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)重量可被減少的程度有限。
[0003]根據(jù)本發(fā)明制造的活塞克服了已知活塞結(jié)構(gòu)的上述缺點(diǎn)以及其他缺點(diǎn)，此處，在閱讀本公開(kāi)內(nèi)容并參閱附圖后，這對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將更易于理解。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的活塞由鋼制成，從而提高了活塞的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以承受缸膛內(nèi)增加的壓縮荷載(例如在現(xiàn)代高性能發(fā)動(dòng)機(jī)中可以見(jiàn)到的壓縮載荷)。進(jìn)一步地，由于該活塞的新穎結(jié)構(gòu)，使得活塞的壓縮高度(CH)和重量能夠最小化，從而使得采用了該活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)可以制造得更為緊湊，且重量更輕。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，用于內(nèi)燃機(jī)的活塞包括:上活塞部分；下活塞部分；至少下活塞部分由鐵基材料制成；下活塞部分具有一對(duì)形成有相應(yīng)銷(xiāo)孔的銷(xiāo)座，該兩個(gè)銷(xiāo)孔沿一銷(xiāo)孔軸對(duì)齊；下活塞部分進(jìn)一步包括一對(duì)由相同材料與銷(xiāo)座形成一體的活塞裙部；上活塞部分和下活塞部分各自包括彼此徑向隔開(kāi)的環(huán)形外壁和環(huán)形內(nèi)壁，且在各自的內(nèi)壁和外壁之間形成通道部分；上活塞部分的內(nèi)壁和外壁分別穿過(guò)內(nèi)焊縫和外焊縫永久地連接至下活塞部分的內(nèi)壁和外壁，以在內(nèi)壁和外壁之間形成一環(huán)形冷卻通道，該冷卻通道具有兩個(gè)由連接在一起的內(nèi)壁和外壁提供的側(cè)壁、由上活塞部分形成的環(huán)形頂壁以及由下活塞部分形成的下壁；連接在一起的上活塞部分和下活塞部分包括部分地由連接在一起的內(nèi)壁的內(nèi)表面圍成的燃燒碗，并且進(jìn)一步包括燃燒碗的基本呈圓頂狀的底壁，該底壁自下活塞部分的內(nèi)壁徑向向內(nèi)延伸；內(nèi)焊縫曝露于燃燒碗；連接在一起的活塞部分包括從銷(xiāo)座的底部邊緣至上壁的頂面所測(cè)得的活塞高度尺寸PH ;連接在一起的活塞部分包括從銷(xiāo)孔軸至上壁的頂面所測(cè)得的壓縮高度尺寸CH ;連接在一起的活塞部分包括測(cè)量作為上壁的外直徑的活塞直徑ro ;其中，D約為103mm，CH約為40mm，并且CH/PH的比值約為2/3。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，活塞構(gòu)造為包括一頂部，該頂部具有一最上表面，以及從該最上表面下垂的環(huán)形內(nèi)上連接表面和外上連接表面。該活塞進(jìn)一步包括底部，該底部具有一對(duì)銷(xiāo)座，該對(duì)銷(xiāo)座設(shè)有一對(duì)沿銷(xiāo)孔軸彼此對(duì)齊的橫向隔開(kāi)的銷(xiāo)孔，該底部還具有一對(duì)向上延伸的環(huán)形內(nèi)下連接表面和外下連接表面，該內(nèi)下連接表面和外下連接表面分別通過(guò)單獨(dú)的內(nèi)焊縫和外焊縫連接至內(nèi)上連接表面和外上連接表面，且在上連接表面和下連接表面之間橫向延伸有一環(huán)形冷卻通道。該底部具有凹入最上表面下方的燃燒碗壁，其中燃燒碗壁具有在上頂點(diǎn)和位于上頂點(diǎn)之下的下頂點(diǎn)之間延伸的厚度，且一環(huán)形凹部圍繞上頂點(diǎn)和下頂點(diǎn)，其中，燃燒碗壁的厚度基本恒定。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，活塞構(gòu)造為包括一頂部，該頂部具有最上表面以及從該最上表面下垂的環(huán)形內(nèi)上連接表面和外上連接表面。該活塞進(jìn)一步包括一底部，該底部具有一對(duì)銷(xiāo)座，該對(duì)銷(xiāo)座設(shè)有一對(duì)沿銷(xiāo)孔軸軸向?qū)R的橫向隔開(kāi)的銷(xiāo)孔，該底部還具有一對(duì)向上延伸的環(huán)形內(nèi)下連接表面和外下連接表面，該內(nèi)下連接表面和外下連接表面分別通過(guò)單獨(dú)的內(nèi)焊縫和外焊縫連接至內(nèi)上連接表面和外上連接表面，且在上連接表面和下連接表面之間形成有一環(huán)形冷卻通道。該頂部和底部形成了一具有外直徑的活塞頭部區(qū)域，其中活塞的壓縮高度在頂部的最上表面和銷(xiāo)孔軸之間延伸。該壓縮高度的范圍約在活塞外直徑的38%-45%之間。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，用于內(nèi)燃機(jī)的活塞包括:具有徑向隔開(kāi)的內(nèi)連接表面和外連接表面的上活塞部分；具有徑向隔開(kāi)的連接表面并且由鐵基材料制成的下活塞部分；內(nèi)焊縫和外焊縫，該內(nèi)焊縫和外焊縫分別永久連接上活塞部分和下活塞部分的內(nèi)連接表面以及上活塞部分和下活塞部分的外連接表面，并且在內(nèi)連接表面和外連接表面之間形成一冷卻通道，以及自冷卻通道向內(nèi)的且向活塞的頂部敞開(kāi)的燃燒碗；內(nèi)焊縫在冷卻通道和燃燒碗之間延伸；下活塞部分包括一對(duì)銷(xiāo)座和相應(yīng)的沿共同的銷(xiāo)孔軸對(duì)齊的銷(xiāo)孔，以及一對(duì)由相同材料與銷(xiāo)座形成一體的裙部；該活塞具有頂面，并具有外活塞直徑ro以及從銷(xiāo)孔軸至活塞的頂面所測(cè)得的距離一壓縮高度CH ;其中CH在ro的38%-45%之間。
這種活塞的優(yōu)點(diǎn)在于，它使得制造出非常牢固而又緊湊的活塞成為可能，并且具有通常與重型活塞應(yīng)用有關(guān)的大尺寸冷卻活塞的所有性能優(yōu)勢(shì)，而又以小型尺寸應(yīng)用于小型發(fā)動(dòng)機(jī)中。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]結(jié)合以下對(duì)當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例和最佳模型的說(shuō)明、所附權(quán)利要求和附圖，本發(fā)明的這些和其它方面、特征和優(yōu)點(diǎn)將更易于理解，其中:
[0009]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面構(gòu)造的活塞的局部剖面立體圖；
[0010]圖2是圖1的活塞的側(cè)視圖；
[0011]圖3是圖1的活塞大致穿過(guò)縱向中心軸且垂直于活塞的銷(xiāo)孔軸剖開(kāi)的剖視圖；
[0012]圖3A是圖1的活塞的底部大致沿與圖3相同的軸剖開(kāi)的剖視圖；
[0013]圖4是圖1的活塞大致沿著銷(xiāo)孔軸剖開(kāi)的剖視圖；
[0014]圖4A是圖1的活塞的底部大致沿與圖4相同的軸剖開(kāi)的剖視圖；
[0015]圖5是圖1的活塞的仰視圖；
[0016]圖6是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面構(gòu)造的活塞的類(lèi)似于圖1的視圖；
[0017]圖7是圖6的活塞大致穿過(guò)縱向中心軸且垂直于活塞的銷(xiāo)孔軸剖開(kāi)的剖視圖；
[0018]圖7A是圖6的活塞大致沿與圖7相同的軸剖開(kāi)的剖視圖；
[0019]圖8是圖6的活塞大致沿銷(xiāo)孔軸剖開(kāi)的剖視圖；[0020]圖8A是圖6的活塞的底部大致沿與圖8相同的軸剖開(kāi)的剖視圖；
[0021]圖9是圖6的活塞的底部的俯視圖；
[0022]圖10是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面構(gòu)造的活塞大致穿過(guò)縱向中心軸且垂直于活塞的銷(xiāo)孔軸剖開(kāi)的剖視圖；
[0023]圖11是圖10的活塞大致沿銷(xiāo)孔軸剖開(kāi)的剖視圖；
[0024]圖12是圖10的活塞的仰視圖；
[0025]圖13是圖10的活塞的俯視圖；
[0026]圖14是本發(fā)明的一個(gè)可選實(shí)施例的俯視圖；
[0027]圖15是大致沿圖14的線15-15剖開(kāi)的剖視圖；
[0028]圖16是大致沿圖14的線16-16剖開(kāi)的剖視圖；以及
[0029]圖17是圖14的活塞的仰視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]更詳細(xì)的參閱附圖，圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例的活塞10的局部剖面立體圖，該活塞用于在內(nèi)燃機(jī)(例如現(xiàn)代的、緊湊的、高性能車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī))的缸膛或燃燒室(圖中未示)中往復(fù)運(yùn)動(dòng)。該活塞10具有一本體12，該本體由至少兩個(gè)單塊構(gòu)成，這些塊首先構(gòu)造為單獨(dú)的部分，隨后在頭部區(qū)域14中穿過(guò)某個(gè)形式的焊縫(例如感應(yīng)焊接、摩擦焊接、硬釬接合、電荷載體射線、激光、電阻等)互相連接。這兩部分包括底部16和頂部
18。此處提到的“頂”、“底”、“上”和“下”是指活塞沿垂直的縱向中心活塞軸A的指向，在使用中，活塞10沿該縱向中心活塞軸A往復(fù)運(yùn)動(dòng)方向。這是為了方便起見(jiàn)而不是限制，這是因?yàn)榛钊梢砸砸粋€(gè)角度或者并不純粹垂直地安裝和運(yùn)行。至少活塞10的底部16由鋼鑄造以近凈成形(例如以熔模鑄造工藝實(shí)現(xiàn))。活塞10的頂部18也可由鋼制成為與底部16相獨(dú)立的單塊。根據(jù)活塞10在特殊發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中的要求，用于制造底部16和頂部18的材料(例如合金鋼)可以是相同的(例如SAE4140級(jí))或者不同的。頂部18可以鑄造而成，可以用原料機(jī)械加工而成，可以通過(guò)許多工藝燒結(jié)、鍛造或制造而成。由鋼制造的底部16和頂部18為活塞10提高了活塞10的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以承受缸膛內(nèi)增加的壓縮荷載，并且由于其新穎結(jié)構(gòu)，使得活塞10的重量和壓縮高度(CH)能夠最小化，從而使得采用了活塞10的發(fā)動(dòng)機(jī)的重量減輕，且制造得更為緊湊。
[0031]如圖1、3和4所示，活塞10的頭部區(qū)域14具有一圍繞環(huán)形燃燒碗22的環(huán)形頂壁20，該燃燒碗22凹入頂壁20的最上燃燒表面下方。該燃燒碗22由壁24圍成，該壁24包括一位于中心的具有均勻或恒定厚度的薄壁底部或底層26，該厚度在上表面28與下方的頂部底面(也稱為底面30)之間延伸。燃燒碗22的輪廓由上表面28形成，其中，上表面28示為波狀外形，以提供一上部頂點(diǎn)或中心頂峰32，該中心頂峰可以沿活塞10的中心軸A同軸設(shè)置或者可以相對(duì)于活塞中心軸A徑向偏置(例如以下關(guān)于圖6-圖9所進(jìn)一步討論的)。燃燒碗壁24的輪廓還具有圍繞頂峰32的環(huán)形凹部34，該凹部34示為與頂峰32同軸，并形成了燃燒碗24最底部分。由于底層26具有恒定或基本恒定的厚度(該厚度的范圍約在活塞頭部外直徑的2.5%-4.0%之間)，因此，底面30沿著或基本沿著燃燒碗上表面28的輪廓。因此，升高的下部頂點(diǎn)或頂峰36直接形成于上部頂點(diǎn)32的下方，以提供最大的可利用空間，從而容納連接桿(圖中未示)的活塞銷(xiāo)末端(也稱為小端)。所以，連接桿的小端的尺寸可以增大，以在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中提高活塞的引導(dǎo)性或穩(wěn)定性。
[0032]最佳如圖3A和4A所示，活塞10的底部16構(gòu)造為包括底層26，并由此包括燃燒碗22的頂峰32和凹部34。再次參見(jiàn)圖1、3和4，燃燒碗22進(jìn)一步包括外圍環(huán)形直立的側(cè)壁38，該側(cè)壁圍繞燃燒碗22的底層26，并且從燃燒碗22的底層26的接近凹部34處向上延伸至頭部區(qū)域14的頂壁20。燃燒碗側(cè)壁38部分由活塞10的底部16形成，且部分由活塞10的頂部18形成。因此，側(cè)壁38包括一由底部16提供的下側(cè)壁部分37 (圖3A和圖4A)以及由頂部18提供的上側(cè)壁部分39 (圖1、3和4)。燃燒碗上側(cè)壁部分39的最上區(qū)域提供了一完全由頂部18形成的燃燒碗22的環(huán)形徑向向內(nèi)突出的唇部或邊緣40，從而使得燃燒碗22的側(cè)壁38底切，以在活塞10的頂部18中形成環(huán)形凹腔42。環(huán)形的下側(cè)壁部分37和上側(cè)壁部分39各自分別具有下端連接表面41和上端連接表面43，在活塞10的制造中，下端連接表面41和上端連接表面43彼此焊接。作為示例而非限制，下端連接表面41示為與燃燒碗底層26的位于下方的頂峰36共面或基本共面，因此，中心頂峰32在下端連接表面41的平面之上延伸。
[0033]活塞10的頭部區(qū)域14進(jìn)一步包括形成在活塞10的環(huán)形外壁46中的環(huán)形環(huán)帶44。外壁46從頂壁20向下延伸，其中，外壁46的上部由頂部18提供，且外壁的剩余底部由底部16提供。外壁46的上部從頂壁20下垂至環(huán)形的、外部的上連接表面47，同時(shí)外壁46的下部向上延伸至環(huán)形的、外部的下連接表面49。環(huán)帶44的上部示為形成于活塞10的頂部18內(nèi)的外壁46的上部中，且環(huán)帶44的下部示為形成于活塞10的底部16內(nèi)的外壁46的底部中。環(huán)帶40具有多個(gè)外部環(huán)狀的環(huán)形槽45，活塞環(huán)(圖中未示)以常規(guī)的方式容置在該環(huán)形槽中。環(huán)形槽45示為包括鄰近活塞頭部區(qū)域14的頂壁20的最上環(huán)形槽，其中，最上環(huán)形槽可以完全形成于頂部18內(nèi)，形成在頂部18和底部16之間，或者完全形成于底部16內(nèi)，其中，最上環(huán)形槽45用于容置壓縮環(huán)(圖中未示)。另外，示出了一對(duì)位于最上環(huán)形槽45下方的下環(huán)形槽45，其中，該對(duì)下環(huán)形槽45優(yōu)選地形成在底部16中，從而容置中間刮油環(huán)和最下油環(huán)(均未示出)。又進(jìn)一步地，底部(第四個(gè))環(huán)形槽或凹槽45’形成于最下油環(huán)槽45之下，其中，環(huán)形凹槽45’形成為“鑄態(tài)”，以主要作為減少重量的特征。
[0034]活塞10的頭部區(qū)域14進(jìn)一步包括一環(huán)形底壁48，該環(huán)形底壁48從環(huán)帶44的下端朝中心軸A徑向向內(nèi)延伸。該底壁48完全由底部16的材料形成。底壁48越過(guò)過(guò)渡區(qū)域51徑向向內(nèi)過(guò)渡進(jìn)入自燃燒碗22的側(cè)壁38徑向向內(nèi)的燃燒碗22的底層26。
[0035]頭部區(qū)域14的環(huán)形底壁48沿中心軸A軸向?qū)R地與頂壁20隔開(kāi)，且環(huán)帶44的外壁46自內(nèi)部燃燒碗側(cè)壁38徑向向外地與其隔開(kāi)。如此，如縱向橫截面所示，這些壁48，20,46, 38形成一環(huán)形的、圓環(huán)面形(toroid-shaped)的箱形結(jié)構(gòu)，該箱形結(jié)構(gòu)在活塞頭部區(qū)域14內(nèi)形成了一基本封閉的、周向連續(xù)的油道50。油道50的上部區(qū)域由活塞10的頂部18形成，油道50的下部區(qū)域由活塞10的底部16形成。油道50的底壁(也稱為底層48)形成有至少一個(gè)給油或進(jìn)油口 52，該進(jìn)油口向活塞10的底部敞開(kāi)并且與油道50直接流體連通，以從供給源(圖中未示)引入冷卻油流，例如在其中安裝有活塞10的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中從噴油孔引入冷卻油流。如果活塞的底部16通過(guò)鑄造(例如熔模鑄造)而成，那么進(jìn)油口 52可以形成為“澆入式”結(jié)構(gòu)而無(wú)需通過(guò)機(jī)械加工后續(xù)形成。底壁48也可以包括至少一個(gè)回油孔或者出油口 54，該出油口向活塞10的底部敞開(kāi)并且與油道50敞開(kāi)流體連通，以在運(yùn)行過(guò)程中從油道50回油至發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄箱中。該至少一個(gè)回油孔54可以類(lèi)似的為活塞底部16的“澆入式”結(jié)構(gòu)。雖然優(yōu)選地通過(guò)將進(jìn)口 52和出口 54直接鑄造在底部16中來(lái)形成進(jìn)口 52和出口 54，以避免二次工藝或下游過(guò)程，但是，必要時(shí)，進(jìn)口 52和出口54也可被機(jī)械加工或者進(jìn)行其他處理。另外，底壁48可形成為“鑄態(tài)”，以提供環(huán)形的底切區(qū)域，從而提供油道50的環(huán)形的凹入部分55，該凹入部分在至少部分側(cè)壁38下方徑向向內(nèi)延伸，以使得對(duì)燃燒碗22上的冷卻通道50內(nèi)的油的冷卻效果最大化。
[0036]底部16進(jìn)一步包括一對(duì)從頂部18下垂的銷(xiāo)座56。每個(gè)銷(xiāo)座56具有一銷(xiāo)孔58，優(yōu)選地?zé)o襯套的鋼結(jié)構(gòu)，其中，兩個(gè)銷(xiāo)孔58沿著垂直于中心縱向軸A延伸的銷(xiāo)孔軸B同軸地彼此隔開(kāi)。每個(gè)銷(xiāo)孔58具有一與最上切平面57相切延伸的最上表面，以及一與最下切平面59相切延伸的最下表面，其中，切平面57、59彼此平行延伸且垂直于中心軸A延伸。銷(xiāo)座56連接至裙部(也稱為裙板60)，該裙板60與底部16形成為整塊材料，并因此，與銷(xiāo)座56整體形成為整塊材料。
[0037]裙板60沿著它們的縱向延伸的側(cè)邊61通過(guò)窗口(也稱為支撐部分62)直接連接至銷(xiāo)座56,從而使得裙板60穿過(guò)銷(xiāo)座56的相對(duì)兩側(cè)在直徑上彼此相對(duì)的布置。一個(gè)或多個(gè)支撐部分62可以形成為具有開(kāi)口 63，其中，開(kāi)口 63示為沿中心軸A基本縱向延伸的細(xì)長(zhǎng)的、弓狀橢圓形(arcuate oval)或者基本呈花生形狀的開(kāi)口。開(kāi)口 63優(yōu)選地與底部16形成為“鑄態(tài)”，然而如果有額外減少重量的需要，它們也可以被機(jī)械加工或者進(jìn)行后續(xù)鑄造。
[0038]裙板60具有在它們各自的兩側(cè)邊61之間延伸穿過(guò)中心區(qū)域65的凸起的外表面，其中，該外表面的輪廓與缸膛的壁光滑配合，以在活塞10往復(fù)通過(guò)缸膛時(shí)使其保持在所需的方向。裙板60構(gòu)造為具有范圍約為活塞頭部外直徑的2.0%-3.0%的厚度。最佳如圖5所示，為了提高裙部的剛度以及裙部對(duì)汽缸襯墊的接觸壓力的均勻性，并且為了活塞在汽缸襯墊內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的引導(dǎo)性，裙板60的外緣61稍厚于中心區(qū)域65，從而使得裙板60具有從各裙板60的一側(cè)邊61延伸至各裙板60的另一側(cè)邊61的連續(xù)壁厚變化。兩個(gè)側(cè)邊61的厚度相同或者基本相同，同時(shí)中心區(qū)域65的厚度相對(duì)于側(cè)邊61大約減少5%。因此，當(dāng)裙板的外表面具有恒定的或者基本恒定的曲率半徑時(shí)，裙板60的內(nèi)表面具有變化的曲率半徑。
[0039]裙板60分別在它們的上端處與環(huán)帶44的下部連接，并與環(huán)帶44的下部形成(例如鑄造)一體(例如澆鑄)，其中環(huán)形凹槽45’在裙部上端和最下環(huán)形槽45之間延伸。裙板60從環(huán)帶44基本平行于中心軸A向下縱向延伸至底端或下端64，該下端在銷(xiāo)孔58的最下切平面下方與其隔開(kāi)。至少一個(gè)銷(xiāo)座56形成有基準(zhǔn)墊66 (datum pad),該基準(zhǔn)墊從銷(xiāo)座56的底部向下突出，以提供在制造中使用的平坦的參考面68。該參考面68與裙板60的下端64共面。
[0040]在將底部16的徑向內(nèi)環(huán)形下連接面41焊接至頂部18的徑向內(nèi)環(huán)形上連接面43后，連接單獨(dú)制造的活塞10的頂部18和底部16的焊縫70延伸至少穿過(guò)燃燒碗22的側(cè)壁38。因此，焊縫70在凹部34上方以及中心頂峰32和燃燒碗22的邊緣40下方暴露于燃燒碗22中。焊縫70還在油道的最下部上方與其軸向隔開(kāi)，該油道的最下部由下壁48形成，且該油道的最下部在燃燒碗22的凹部34下方與其隔開(kāi)。
[0041]除了延伸穿過(guò)燃燒碗側(cè)壁38的焊縫70之外，焊縫72延伸穿過(guò)頭部區(qū)域14中的至少一個(gè)其他壁。如圖所示，焊縫72可以延伸穿過(guò)活塞10的外部環(huán)帶44。環(huán)帶焊縫72可以位于沿環(huán)帶44長(zhǎng)度的任意位置處。如圖所示，環(huán)帶焊縫72可以位于與燃燒室側(cè)壁38中焊縫70的平面相同的、垂直于中心軸A延伸的平面中。因此活塞10的底部16可以包括環(huán)帶44的徑向外部的、面向上預(yù)連接的下連接表面74，且頂部18因此可以包括環(huán)帶44的徑向外部的、面向下預(yù)連接的上連接表面76。相應(yīng)的下、上連接表面41、43和74、76可以通過(guò)選定的連接工藝(例如感應(yīng)焊接、摩擦焊接、電阻焊接、電荷載射線、電子束焊接、硬釬焊、軟釬焊、熱擴(kuò)散或冷擴(kuò)散等)相連接。
[0042]活塞頭外直徑的范圍約為75mm至105mm的活塞10適宜用于輕型的、現(xiàn)代的、高性能車(chē)輛柴油發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中。雖然活塞10由鋼制成，但由于活塞10的薄壁設(shè)計(jì)，因此當(dāng)考慮到鋁活塞及用于鋁活塞組件的相關(guān)嵌件銷(xiāo)孔襯套的質(zhì)量時(shí)，活塞10即使不比其對(duì)應(yīng)的鋁活塞輕，也可以與鋁活塞一樣輕。鋼活塞10的壓縮高度CH明顯小于其對(duì)應(yīng)的鋁活塞的壓縮高度(即小于20-30%)，鋼活塞10的壓縮高度CH定義為在中心銷(xiāo)孔軸B和頂壁20之間延伸的距離?？杀鹊闹亓恳约拜^小的CH使得發(fā)動(dòng)機(jī)可以制造得更小且更緊湊，或者由于銷(xiāo)孔軸B與燃燒碗壁24的位于下方的頂峰36之間的可用空間增加，使得連接桿可以更長(zhǎng)且具有擴(kuò)大的小端，以便在運(yùn)行過(guò)程中減小活塞上的橫向載荷。
[0043]如前所述，鋼活塞10的壓縮高度CH非常短。與現(xiàn)有技術(shù)中重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用所特有的具有油冷卻通道的兩件式活塞相比，可以理解的是，銷(xiāo)座56及其相應(yīng)的銷(xiāo)孔58在活塞本體12中的位置更高(該活塞在軸向上更為緊湊)。示出的活塞10的壓縮高度CH與活塞頭部區(qū)域外直徑的比例約為40.9%。進(jìn)一步地，從銷(xiāo)孔軸B至燃燒碗側(cè)壁焊縫70的距離約為27mm。通過(guò)比較，用于類(lèi)似應(yīng)用的鋁活塞的CH與活塞頭部區(qū)域外直徑的比例約大20-30%o
[0044]在圖6中，示出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面構(gòu)造的活塞110，其中，與上述相差100的相同的附圖標(biāo)記用于標(biāo)識(shí)類(lèi)似的特征。
[0045]活塞110類(lèi)似于上述活塞10，其具有焊接至頂部118的底部116，然而，由于底部116與頂部118之間形成的油道的底部50’的結(jié)構(gòu)不同，因此，壓縮高度CH能夠進(jìn)一步減小。特別地，底部116中油道的底部50’的結(jié)構(gòu)有所改變，且頂部118中的部分油道保持不變。油道并非形成為具有對(duì)稱連續(xù)的環(huán)形結(jié)構(gòu)，而是底部116中油道的底部50’制造為具有波狀的底層148(圖9)。如圖7和7A所示，底層148在直徑方向上穿過(guò)中心銷(xiāo)孔軸B、自裙板160徑向向內(nèi)的區(qū)域之上保持相同或相似的深度，然而，如圖8和8A所示，在橫向間隔的銷(xiāo)座156之上延伸的區(qū)域中，底層148以平滑的波狀形式相對(duì)于中心縱軸A上升。如此，形成于銷(xiāo)座156中的銷(xiāo)孔158可在底部116內(nèi)軸向向上移動(dòng)，因此，使中心銷(xiāo)孔軸B軸向靠近活塞110的頂壁120。所以，從中心銷(xiāo)孔軸B至頂壁120測(cè)得的CH進(jìn)一步減少，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)制造得進(jìn)一步緊湊。
[0046]如圖10-13所示，示出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面構(gòu)造的活塞210，其中，與上述相差200的相同的附圖標(biāo)記用于標(biāo)識(shí)類(lèi)似的特征。
[0047]活塞210類(lèi)似于上述的活塞10，其具有焊接至頂部218的底部216，但是不具有與縱向中心軸A同軸地構(gòu)成的燃燒碗，燃燒碗222相對(duì)于活塞210的縱向中心軸A徑向偏移，從而使得燃燒碗222相對(duì)于縱向中心軸A非同軸。如此，為了均勻地冷卻徑向偏移的燃燒碗222，冷卻通道250相較于活塞10的冷卻通道50有所改變。如同活塞10的頂部18 —樣，頂部218包括冷卻通道250的與縱向中心軸A同軸且環(huán)狀對(duì)稱的上部，然而，底部216包括冷卻通道250的以與縱向中心軸A非同軸且環(huán)形非對(duì)稱的形式徑向偏移的下部。非對(duì)稱設(shè)置的原因是為了減少活塞210的重量，非同軸設(shè)置的原因是為了使燃燒碗222的壁224具有對(duì)稱均勻的、恒定不變的周向厚度。如此，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒碗222的均勻冷卻。
[0048]如圖10和12所示，除了上述關(guān)于冷卻通道250的區(qū)別之外，“鑄態(tài)”進(jìn)油口 252成形為具有擴(kuò)大的、弓形的、呈花生形狀的結(jié)構(gòu)。這就形成了一個(gè)增大的區(qū)域，傾斜的噴油孔(圖中未示)能夠通過(guò)該區(qū)域?qū)⒂妥⑷肜鋮s通道250中。除了進(jìn)口 252具有尺寸增大的開(kāi)口之外，底部216中還提供了 “鑄態(tài)”導(dǎo)油器78，以將注入的油均勻地偏向?qū)в推?8的兩側(cè)，進(jìn)而流過(guò)冷卻通道250的兩側(cè)邊。導(dǎo)油器78徑向延伸穿過(guò)進(jìn)油口 252的大致中點(diǎn)，以使進(jìn)油口 252基本分成兩支。導(dǎo)油器78的形狀大致為三角形，且導(dǎo)油器78的頂點(diǎn)79朝下鄰近進(jìn)口 252，導(dǎo)油器78的相對(duì)兩側(cè)80向上分開(kāi)進(jìn)入冷卻通道250。如此，注入的油偏離相對(duì)的分開(kāi)的兩側(cè)，從而以大致相等的流量流過(guò)冷卻通道250并流至形成為“鑄態(tài)”的出油口 254，該出油口在直徑方向上與進(jìn)油口 252對(duì)置。如此，厚度均勻、非同軸的壁224被均勻冷卻，且活塞210的整體重量減少。
[0049]圖14-17示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。活塞300示為具有上活塞部分302和下活塞部分304。至少下活塞部分304由鐵基材料制成。部分302、304均可以由鐵基材料制成。部分302、304均可以由相同或不同等級(jí)(比如SAE4140)的鋼制成。
[0051]上部302和下部304各自分別包括外環(huán)形壁312、314和內(nèi)環(huán)形壁316、318。上部302的外壁312和內(nèi)壁316之間形成有通道部分320，下部304的外壁314和內(nèi)壁318之間也形成有相應(yīng)的通道部分322。
[0052]上活塞部分302和下活塞部分304各自的內(nèi)壁316、318和外壁312、314穿過(guò)各自的內(nèi)焊縫324和外焊縫326永久地相連，從而在內(nèi)壁316、318和外壁312、314之間形成環(huán)形冷卻通道328，該通道328具有兩個(gè)由連接在一起的內(nèi)壁和外壁提供的側(cè)壁，且環(huán)形上壁330形成為上活塞部分302的一部分，底壁332形成為下活塞部分304的一部分。
[0053]活塞300進(jìn)一步包括燃燒碗334，該燃燒碗部分由結(jié)合在一起的內(nèi)壁的徑向內(nèi)表面圍成，部分由基本呈圓頂狀的底壁336圍成，該底壁自下活塞部分304的內(nèi)壁徑向向內(nèi)延伸，并采用相同材料與下活塞部分304制成一體。
[0054]內(nèi)焊縫324曝露于燃燒碗334。換句話說(shuō)，內(nèi)焊縫324的位置是這樣的，即，內(nèi)焊縫324的內(nèi)緣終止于燃燒碗表面334，內(nèi)焊縫324的外緣終止于冷卻通道328的徑向內(nèi)壁。內(nèi)焊縫324在頂壁330下方與其隔開(kāi)，但在外焊縫326上方與其隔開(kāi)。焊縫324、326中的一個(gè)或兩個(gè)均可以是摩擦焊縫。
[0055]活塞300具有活塞高度PH，該活塞高度PH的尺寸從銷(xiāo)座306的底部邊緣至上壁330的頂面338之間測(cè)得。該活塞300進(jìn)一步包括活塞直徑PD，該活塞直徑測(cè)量作為上壁330的外直徑。該活塞300還具有壓縮高度CH，該壓縮高度CH測(cè)量為從銷(xiāo)孔軸A至頂面338的距離。根據(jù)此實(shí)施例，當(dāng)CH約為40mm，D約為103mm且CH/PH的比值約為2/3時(shí)，得到了 一種特別緊湊且牢固的活塞。CH在的38%-45%之間。
[0056]外壁312、314的外表面形成有多個(gè)環(huán)形槽340、342和344，該環(huán)形槽340、342和344中可以容置環(huán)346、348、350。最佳如圖15和16所示，冷卻通道328在最上環(huán)形槽340的上方以及最下環(huán)形槽344的下方延伸。這為非常緊湊的活塞提供了高度的冷卻能力。
[0057]冷卻通道328的下部的徑向最內(nèi)拐角352底切燃燒碗334，從而使得該拐角352超過(guò)燃燒碗334的徑向最外區(qū)域354徑向向內(nèi)延伸。這加強(qiáng)了對(duì)碗334的冷卻。下部拐角352還自冷卻通道328的上部的徑向最內(nèi)拐角356徑向向內(nèi)延伸，從而使得該通道底部的寬度大于其頂部的寬度。而且，最外區(qū)域354在縱向和徑向上位于通道328的下部拐角352和上部拐角356之間，從而在緊湊設(shè)計(jì)中提供最佳的冷卻效果。內(nèi)焊縫324和外焊縫326同樣縱向位于冷卻通道328的下部拐角352和上部拐角356之間。
[0058]如圖14、16和17所示，活塞包括中心縱軸B，銷(xiāo)孔包括縱軸C。軸C垂直于軸A。軸C進(jìn)一步平行于軸A但從軸A橫向偏移。在此實(shí)施例中，偏移距離約為0.5mm。銷(xiāo)孔偏移靠近推力側(cè)而非靠近止推側(cè)。
[0059]最佳如圖15所示，銷(xiāo)座306具有沿其長(zhǎng)度(除了拐角處的倒圓隙角(roundingrelief))基本平坦的內(nèi)表面358。表面358在從上至下的方向上以固定的單一角度遠(yuǎn)離彼此分開(kāi)。銷(xiāo)座306在它們頂部合并成壁336和底層332。銷(xiāo)座306的寬度自下而上持續(xù)增力口，而在頂部沒(méi)有頸縮或者變薄。銷(xiāo)座306之間位于頂部的空間306在冷卻通道328的底壁332上方以及燃燒碗334的最下區(qū)域362上方延伸。這有助于實(shí)現(xiàn)活塞的緊湊設(shè)計(jì)。
[0060]底壁332形成有一對(duì)用于從通道328引油和排油的開(kāi)口 364、366。
[0061]活塞裙部310涂有石墨，且銷(xiāo)孔308無(wú)襯套并且涂有磷酸錳。
[0062]顯然，鑒于上述教導(dǎo)，本發(fā)明可以有多種修改和變形。因此，應(yīng)該理解，在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，本發(fā)明還可以通過(guò)除具體描述的方式以外的其它方式實(shí)施。
【權(quán)利要求】
1.一種用于內(nèi)燃機(jī)的活塞，其特征在于，所述活塞包括: 上活塞部分； 下活塞部分；至少所述下活塞部分由鐵基材料制成；所述下活塞部分具有一對(duì)形成有相應(yīng)銷(xiāo)孔的銷(xiāo)座，該銷(xiāo)孔沿一銷(xiāo)孔軸對(duì)齊；所述下活塞部分進(jìn)一步包括一對(duì)由相同材料與所述銷(xiāo)座形成一體的活塞裙部； 所述上活塞部分和所述下活塞部分各自包括彼此徑向隔開(kāi)的環(huán)形外壁和環(huán)形內(nèi)壁，且在每個(gè)所述內(nèi)壁和所述外壁之間形成通道部分；所述上活塞部分的所述內(nèi)壁和所述外壁分別穿過(guò)內(nèi)焊縫和外焊縫永久地連接至所述下活塞部分的所述內(nèi)壁和所述外壁，以在所述上活塞部分的內(nèi)壁和外壁以及所述下活塞部分的內(nèi)壁和外壁之間形成一環(huán)形冷卻通道，所述環(huán)形冷卻通道具有兩個(gè)由連接在一起的內(nèi)壁和外壁提供的側(cè)壁、由所述上活塞部分形成的環(huán)形頂壁以及由所述下活塞部分形成的下壁； 所述連接在一起的上活塞部分和下活塞部分包括一部分地由所述連接在一起的內(nèi)壁的內(nèi)表面圍成的燃燒碗，且進(jìn)一步包括所述燃燒碗的基本呈圓頂狀的底壁，該底壁自所述下活塞部分的所述內(nèi)壁徑向向內(nèi)延伸； 所述內(nèi)焊縫曝露于所述燃燒碗； 所述連接在一起的活塞部分包括從所述銷(xiāo)座的底部邊緣至所述上壁的頂面所測(cè)得的活塞高度尺寸PH ； 所述連接在一起的活塞部分包括從所述銷(xiāo)孔軸至所述上壁的所述頂面所測(cè)得的壓縮高度尺寸CH ； 所述連接在一起的活 塞部分包括測(cè)量作為所述上壁的外直徑的活塞直徑ro ；以及 其中D約為103mm，CH約為40mm，且CH/PH的比值約為2/3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，所述上活塞部分和所述下活塞部分由鋼制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，所述焊縫為摩擦焊縫。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，所述上活塞部分和所述下活塞部分的所述外壁的外表面形成有多個(gè)環(huán)形槽，且所述冷卻通道在所述多個(gè)環(huán)形槽上方和下方延伸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，所述內(nèi)焊縫在所述外焊縫上方與其隔開(kāi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，所述連接在一起的上活塞部分和下活塞部分包括一中心縱向活塞軸，且所述銷(xiāo)孔包括一平行于所述活塞軸但橫向偏離所述活塞軸的縱向銷(xiāo)軸。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的活塞，其特征在于，所述偏離量為0.5mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，所述銷(xiāo)孔涂有磷酸錳，且不具有嵌入式軸承或襯套。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的活塞，其特征在于，所述裙部涂有石墨。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，所述銷(xiāo)座具有沿其長(zhǎng)度基本平坦的內(nèi)表面，且從橫截面看所述內(nèi)表面從上至下以固定的單一角度遠(yuǎn)離彼此分開(kāi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的活塞，其特征在于，所述銷(xiāo)座之間的空間在所述通道的底壁上方以及所述燃燒碗的最下區(qū)域上方延伸。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，所述冷卻通道的下部的徑向最內(nèi)拐角超過(guò)所述燃燒碗的徑向最外區(qū)域徑向向內(nèi)延伸。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的活塞，其特征在于，所述冷卻通道的所述下部拐角超過(guò)所述冷卻通道的上部的徑向最內(nèi)拐角徑向向內(nèi)延伸。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的活塞，其特征在于，所述燃燒碗的所述徑向最外區(qū)域徑向位于所述冷卻通道的所述下部拐角和所述上部拐角之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的活塞，其特征在于，所述內(nèi)焊縫位于所述冷卻通道的所述上部拐角和所述下部拐角之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的活塞，其特征在于，所述外焊縫位于所述內(nèi)焊縫下方。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，所述活塞包括一對(duì)位于所述底壁內(nèi)的開(kāi)口，以提供通至冷卻通道的用于將冷卻油引入且排出所述冷卻通道的開(kāi)放通路。
18.一種用于內(nèi)燃機(jī)的活塞，其特征在于，所述活塞包括: 具有徑向隔開(kāi)的內(nèi)連接表面和外連接表面的上活塞部分； 具有徑向隔開(kāi)的連接表面并由鐵基材料制成的下活塞部分； 內(nèi)焊縫和外焊縫，該內(nèi)焊縫和外焊縫分別永久地連接所述上活塞部分和所述下活塞部分的所述內(nèi)連接表面以及所述上活塞部分和所述下活塞部分的所述外連接表面，并且在所述上活塞部分的內(nèi)連接表面和外連接表面以及所述下活塞部分的內(nèi)連接表面和外連接表面之間形成一冷卻通道，以及自所述冷卻通道內(nèi)向的且向所述活塞的頂部敞開(kāi)的燃燒碗； 所述內(nèi)焊縫在所述冷卻通道和所述燃燒碗之間延伸； 所述下活塞部分包括一對(duì)銷(xiāo)座 和相應(yīng)的沿一共同的銷(xiāo)孔軸對(duì)齊的銷(xiāo)孔，以及一對(duì)由相同材料與所述銷(xiāo)座形成一體的裙部； 所述活塞具有頂面，并具有一外活塞直徑ro以及測(cè)量為從所述銷(xiāo)孔軸至所述活塞的所述頂面的距離的壓縮高度CH ;其中，CH在ro的38%-45%之間。
【文檔編號(hào)】F02F3/22GK103688043SQ201280035489
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2012年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月20日
【發(fā)明者】弗羅林·馬斯喀特 申請(qǐng)人:費(fèi)德羅-莫格爾公司