用于高温内燃机的、带有梯形的第二环形槽的活塞的制作方法

本专利申请要求2014年5月21日提交的、序列号为14/286,328的美国实用专利申请的权益，该专利申请的全部公开内容被认为是本专利申请的公开内容的一部分，并且在此通过引用而并入本文。

发明背景

技术领域

本发明主要涉及用于内燃机的活塞，以及用于制造所述活塞的方法。

相关技术

在运行期间，内燃机的活塞，诸如重型柴油活塞，被暴露在极高的温度下，特别是沿活塞的上冠状物部分。这种活塞典型地包括沿最外面表面形成的多个环形槽，每个环形槽收纳在活塞往复运动时沿气缸壁滑动的活塞环。活塞环有助于把热量从活塞转移到气缸壁。活塞环也可以密封燃烧室和限制油耗。通常，在引擎运行期间，第一(最上面的)环形槽的温度超过200℃，在这种情形下，往往沿环形槽或活塞环形成碳沉积。经过一段时间，碳沉积会使活塞环粘结到环形槽，这阻碍它转移热量、密封燃烧室和限制油耗的能力。

因此，为了防止在高温燃烧引擎中长期使用活塞期间出现活塞环粘结，第一环形槽可以形成有不规则四边形截面，也称为梯形截面，而不是传统的矩形截面。具有匹配的不规则四边形截面的梯形活塞环被布置在梯形的环形槽中。梯形环形槽和梯形活塞环的倾斜表面阻止活塞环粘结。如果活塞被设计成在具有甚至更高的温度负荷的引擎应用中使用，则第二环形槽也形成有梯形截面。然而，梯形环形槽的使用受到限制，因为它的制造比传统的矩形槽昂贵得多。

技术实现要素：

本发明的一个方面提供一种用于高温内燃机的活塞。所述活塞包括围绕中心轴和限定燃烧表面的上壁、从上壁延伸到底壁的外部肋，以及布置在外部肋与中心轴之间的、从上壁延伸到底壁的内部肋。上壁、肋条和底壁在它们之间限定冷却室。外部肋限定外表面，并且包括多个环形槽。每个环形槽包括一对侧面，所述侧面从外表面向内延伸到底面。第一环形槽是最接近燃烧室的环形槽，它具有矩形截面。因此，第一环形槽的侧面垂直于第一环形槽的底面延伸。第二环形槽是第二接近燃烧室的环形槽，它具有梯形截面。因此，第二环形槽的至少一个侧面布置成相对于第二环形槽的底面成大于90°的角度。

本发明的具有矩形第一环形槽和梯形第二环形槽的活塞被设计成用于引擎应用，其中第一环形槽的温度超过280℃，因此热到使碳不会沉积在环形槽上或被烧掉。在这样高的温度下，环粘结不是问题，因此第一环形槽不需要梯形截面。然而，在这些高温引擎应用中。在第二环形槽处的温度典型地在200℃与280℃之间，因此，碳会沉积在第二环形槽上，使得活塞环粘结。因此，第二环形槽形成有梯形截面，以防止活塞环粘结。活塞可以在高温内燃机运行期间提供非凡的性能，并且因为在第一环形槽中没有形成梯形截面，可以低的制造成本形成。另外，与形成有梯形的第一环形槽形的活塞相比，矩形的第一环形槽沿气缸壁提供对燃烧气体和油的改进密封。

本发明还提供一种制造活塞的方法。该方法包括提供具有在其之间限定冷却室的上壁、底壁、外部肋和内部肋的活塞。该方法还包括在外部肋中形成第一环形槽和第二环形槽。这个步骤包括形成各个环形槽，所述每个环形槽具有一对侧面，所述侧面从外表面向内延伸到底面，其中第一环形槽的侧面垂直于底面延伸，第二环形槽的至少一个侧面相对于底面成大于90度的角度延伸。

附图说明

当结合附图时，参照以下的详细说明可以更好地理解本发明的其它优点，将很容易地看到本发明的其它优点。在附图中：

图1是按照本发明的一个示例性实施例的活塞的侧视截面图，所述活塞包括焊接到下面部分的上面部分；

图1A是图1所示活塞的环形槽的放大视图，其中活塞环没有布置在环形槽中；

图2是按照本发明的另一个示例性实施例的、单件铸造活塞的侧视截面图；以及

图2A是图2所示活塞的环形槽的放大视图。

具体实施方式

参照附图，其中在几个图中，相同的数字表示对应的部件，用于高温内燃机的示例性活塞20，120主要显示在图1和2中。活塞20，120包括规定围绕中心轴A1周向延伸的冷却室30，130的上壁22，122；底壁24，124；外部肋26，126；和内部肋28，128。多个环形槽32，132，34，134，36，136被形成在外部肋26，126的外表面38，138上，各个环形槽32，132，34，134，36，136用于保持活塞环39，139，41，141。在引擎运行期间，在第一环形槽32，132处的活塞温度可超过280℃，因此热到使碳不沉积在第一环形槽32，132上或者被烧掉。因此，第一环形槽32，132不需要梯形截面，而是形成有传统的矩形截面。然而，活塞20，120在第二环形槽34，134处的温度可以在200℃与280℃之间，在这种情形下，可能在第二环形槽34，134处形成碳沉积。因此，第二环形槽34，134形成有梯形截面，防止活塞环41，141粘结。优选地，仅第二环形槽34，134形成有梯形截面。因此，本发明的活塞20，120可以提供非凡的性能，并且与形成有梯形的第一环形槽和梯形的第二环形槽、甚至在某些情形下形成有两个以上的梯形环形槽的活塞相比，本发明的活塞20,120可以用降低的制造成本形成。

本发明的活塞20，120可包括各种不同的设计。例如，活塞20，120可以是两件式的焊接活塞，诸如摩擦焊接、激光焊接、电子束焊接、或者感应焊接的活塞。活塞20，120也可以是单件式的活塞20，120，诸如铸造的活塞。然而，每个活塞设计均包括矩形的第一环形槽32，132和梯形的第二环形槽34，134。

图1的示例性活塞20是摩擦焊接的重型活塞，包括上活塞部件40，上活塞部件40被摩擦焊接到下活塞部件42。上活塞部件40由诸如钢、铸铁、铝那样的金属材料或其他类型的金属材料形成。上活塞部件40环绕中心轴A1，并且沿中心轴A1从上壁22轴向延伸到第一上部接合表面和第二上部接合表面。上活塞部件40的上壁22包括燃烧表面44，燃烧表面44限定环绕中心轴A1延伸的碗边缘，以及从碗边缘朝中心轴A1向内和向下延伸的燃烧碗。上壁22的燃烧表面44在中心轴A1处限定顶点，并且被燃烧碗包围。在运行期间，活塞20在引擎的气缸中往复运动，燃烧表面44连同气缸壁一起共同形成燃烧室，燃烧室中包含用于点火的燃料和气体的高温混合物。

上活塞部件40包括上外部肋，上外部肋从上壁22的碗边缘下垂，并且环绕中心轴A1和沿中心轴A1纵向延伸到第一上部接合表面。上外部肋限定环绕中心轴A1延伸且背离中心轴的上部外表面。上外部肋形成成品摩擦焊接活塞20的外部肋26的一部分，而上部外表面形成成品摩擦焊接活塞20的外表面38的一部分。

上活塞部件40还包括布置在上外部肋与中心轴A₁之间的上内部肋。上内部肋从上壁22下垂到燃烧碗下方，并且环绕中心轴A₁和沿中心轴A₁纵向延伸到第二上部接合表面。上内部肋形成成品摩擦焊接活塞20的内部肋26的一部分。在图1的示例性实施例中，第一上部接合表面和第二上部接合表面彼此偏离，每个上部接合表面均限定垂直于中心轴A₁延伸的平坦表面。然而，上部肋和相关联的接合表面可以限定其它的几何形状。

摩擦焊接活塞20的下活塞部件42也由金属材料形成，这些材料可以与上活塞部件40的金属材料相同或不同。下活塞部件42也环绕中心轴A₁和沿中心轴A₁纵向延伸。在图1的示例性实施例中，下活塞部件42提供底壁24，底壁24垂直于中心轴A₁和围绕中心轴A₁延伸。下外部肋环绕中心轴A₁并从底壁24向上延伸到第一下部接合表面。下活塞部件42的第一下部接合表面和上活塞部件40的第一上部接合表面之间包括焊缝46。下外部肋还限定环绕中心轴A₁延伸的下部外表面。下部外表面与上部外表面对齐，并且这些表面一起形成成品摩擦焊接活塞20的外表面38。

下活塞部件42还包括下内部肋，下内部肋沿径向从下外部肋向内布置，并且通过底壁24而与下外部肋隔开。下内部肋环绕中心轴A₁并且从底壁24向上延伸到第二上部接合表面。下活塞部件42的第二下部接合表面和上部活塞部件40的第二上接合表面之间还包括焊缝46。下内部肋和上内部肋一起形成成品摩擦焊接活塞20的内部肋28。在图1的示例性实施例中，第一下部接合表面和第二下部接合表面彼此偏离，每个接合表面均限定垂直于中心轴A₁延伸的平坦表面。然而，下部肋和相关联的接合表面可以限定其它的几何形状。

如图1所示，焊接的内部肋28、焊接的外部肋26、上壁22和底壁24在它们之间形成冷却室30。冷却室30是闭合的，并且环绕中心轴A₁延伸。冷却室30可以被填充以冷却流体43，诸如油，用于当活塞20在引擎的气缸内往复运动时把热量从上壁22转移出去。

活塞20的焊接内部肋28围绕中心轴A₁，并且在中心轴A₁处形成冷却通道48。在图1和2的示例性实施例中，冷却通道48沿上壁22闭合，且在背离上壁22的方向上开放。油可以通过冷却通道48喷射到上壁22的下侧，以进一步冷却活塞20。替换地，冷却通道48可以关闭，因此没有油喷射到冷却通道48中。

图1的示例性活塞20的下活塞部件42还包括一对销壳50，销壳50从底壁24向下远离上活塞部件40延伸。每个销壳50均限定一个销孔52。销孔52沿垂直于中心轴A₁的第二轴A₂彼此对齐。下活塞部件42还包括一对裙边部分54，每个裙边部分54从底壁24下垂，并且通过其中一个销壳50彼此隔开。

如图1所示，摩擦焊接的活塞20的外上部肋和外下部肋一起给外部肋28提供形成于其间的三个环形槽32,34,36。优选地，在外部肋28中形成不超过三个环形槽32，34，36。每个环形槽32，34，36从外表面38向中心轴A₁径向向内并围绕中心轴A₁延伸，用于保持活塞环39，41。三个环形槽32，34，36轴向对齐，并且通过外部肋26的外表面38彼此隔开。全部三个环形槽32，34，36优选还轴向沿冷却室26和从冷却室26径向向外布置。每个环形槽32，34，36均包括一对侧面56，侧面56从外表面38向内延伸到底面58，正如图1A上最好地显示的。

形成在图1所示活塞20的外部肋26中的三个环形槽32，34，36包括第一环形槽32，它是最靠近燃烧表面44的、具有矩形截面的环形槽。第一环形槽32的侧面56垂直于底面58延伸，以保持具有相匹配的矩形截面的活塞环39。

在外部肋26中形成的第二环形槽34具有梯形截面，它是第二靠近燃烧表面44的、布置在第一环形槽32与第三环形槽36之间的环形槽。第二环形槽34的两个侧面56被布置成相对于底面58成大于90度但不大于135度的角度，用于保持具有相匹配的梯形截面的活塞环41。替换地，第二环形槽34可具有半梯形截面，其中只有一个侧面被布置成相对于底面58成大于90度但不大于135度的角度，而另一个侧面被布置成相对于底面58成90度的角度。在图1和1A所显示的实施例中，第二环形槽34的上侧面56和底面58由上活塞部件40提供，而下侧面56由下活塞部件42提供。

图1中显示的第三环形槽36也具有矩形截面，它是离燃烧表面44最远的、布置在第二环形槽34与底壁24之间的环形槽。第三环形槽36的侧面56垂直于底面58延伸，用于保持具有相匹配的矩形截面的活塞环39。虽然图1的示例性活塞由三个环形槽32，34，36形成，但活塞20可以替换地包括两个环形槽或超过三个的环形槽，其中除了第二环形槽34以外，所有环形槽的侧面56均垂直于底面58延伸。优选地，第二环形槽34是唯一形成有梯形截面的环形槽。

如图1和1A所示，环形槽32，34，36的底面58优选彼此轴向对齐，并且平行于中心轴A1和平行于活塞20的外表面38延伸。正如图1A上最好显示的，底面58具有平行于中心轴A₁延伸、从一个侧面56到另一个侧面56的长度L。在这个示例性实施例中，第三环形槽36的底面58的长度L₃大于第二环形槽34的底面58的长度L₂，并且大于第一环形槽32的底面58的长度L₁。优选每个底面58与冷却室30隔开的距离不大于底面58长度L的三倍。

也如图1A上最好显示的，活塞20的外表面38限定从燃烧表面44到第一环形槽32延伸第一距离d₁的第一刃带(land)，从第一环形槽32到第二环形槽34延伸第二距离d₂的第二刃带，以及从第二环形槽34到第三环形槽36延伸第三距离d₃的第三刃带。第一距离d₁优选不大于第一环形槽32的底面58长度L₁的五倍。第二距离d₂和第三距离d₃优选不大于第一环形槽32的底面58长度L₁的三倍。

图2显示具有替换设计的、本发明的活塞120，它仍旧包括矩形的第一环形槽132和梯形的第二环形槽134。这个活塞120包括通过铸造金属材料而形成的单件本体。活塞120包括上壁122，上壁122限定具有碗边缘和燃烧碗的燃烧表面144，碗边缘环绕中心轴A₁延伸，燃烧碗从碗边缘朝中心轴A₁向内和向下延伸。上壁122的燃烧表面144在中心轴A₁处限定顶点，并且被燃烧碗包围，像图1的活塞20那样。

图2的活塞220也包括外部肋126，外部肋126从上壁122的碗边缘下垂并且环绕中心轴A₁和沿中心轴A₁轴向延伸到底壁124。外部肋126限定活塞120的带有环形槽132，134，136的外表面138。活塞120还包括布置在外部肋126与中心轴A₁之间的内部肋128。内部肋128从上壁122下垂到燃烧碗下方，并且环绕中心轴A₁和沿中心轴A₁轴向延伸到底壁124。内部肋128、外部肋126、上壁122和底壁124一起在它们之间形成冷却室130。在这个实施例中，上壁122形成在中心轴148处的冷却通道148。活塞120还包括从底壁124向下延伸的一对销壳150，每个销壳150均限定销孔152和裙边部分154，每个裙边部分154从底壁124下垂，并且通过其中一个销壳150而彼此隔开。

如图2所示，单件式活塞120的外部肋126包括三个环形槽132，134，136，并且不超过三个环形槽。每个环形槽132，134，136从外表面138朝中心轴A₁径向向内且围绕中心轴A₁周向延伸，用于保持活塞环139，141。三个环形槽132，134，136彼此轴向对齐，并且通过外部肋126的外表面138而彼此隔开。全部三个环形槽132，134，136优选沿冷却室130轴向布置在冷却室130的径向外侧。正如图2A上最好显示的，每个环形槽132，134，136包括从外表面130向内延伸到底面158的侧面156。像图1的活塞120那样，第一环形槽132和第三环形槽136具有矩形截面，第二环形槽134是唯一的、具有梯形截面的环形槽。虽然未示出，但活塞120替换地只包括第一环形槽132和第二环形槽134，或大于三个环形槽，其中第二环形槽134是唯一的、具有梯形截面的环形槽。

本发明的另一方面提供一种形成活塞20，120的方法，活塞20，120包括矩形的第一环形槽32，132和梯形的第二环形槽34，134。该方法首先包括提供活塞20，120，其包括围绕中心轴A1并限定燃烧表面44，144的上壁22，122；从上壁22，122延伸到底壁24，124并限定外表面38，138的外部肋26，126；以及从上壁22，122延伸到底壁24，124并且被布置在外部肋26，126与中心轴A₁之间的内部肋28，128；其中上壁22，122，肋条26，126，28，128和底壁24，124在它们之间限定冷却室30，130。为了形成图1的两件式活塞20，这个第一步骤包括提供上活塞部件40和下活塞部件42，然后把上活塞部件40焊接到下活塞部件42。为了形成图2的单件式活塞120，该第一步骤包括铸造金属材料。

方法还包括在外部肋26，126中形成多个环形槽32，132，34，134，36，136。这个步骤可以通过，例如，在把上活塞部件40焊接到下活塞部件42后，或在铸造活塞120的本体之后进行机械加工而完成。替换地，环形槽132，134，136可以在铸造过程期间形成。

形成环形槽32，132，34，134，36，136的步骤包括形成各个环形槽，每个环形槽带有从外表面38，138向内延伸到底面58，158的侧面56，156。这个步骤还包括形成第二环形槽34，134的至少一个侧面56，156，侧面56，156相对于第二环形槽34，134的底面58，158成大于90度但不大于135度的角度延伸。优选地，除了梯形的第二环形槽34，134以外，第一环形槽32，132的侧面56,156和所有其它环形槽的侧面56，156均被形成为垂直于底面58，158延伸。方法还优选包括在外部肋26，126中形成不多于三个的环形槽32，132，34，134，36，136。

显然，鉴于以上的教导，本发明的许多修正方案和变形例都是可能的，并且可以不同于这里具体地描述的那样被实践，而仍旧在所附权利要求的范围内。