在材料锁合地接合的冷却通道活塞中的间隙几何结构的制作方法

本发明涉及按照独立权利要求的相应前序部分所述特征的一种用于内燃机的冷却通道活塞以及多种用于运行冷却通道活塞的方法，所述冷却通道活塞具有在材料锁合地接合的冷却通道中的间隙几何结构。

背景技术：

所述冷却通道活塞具有活塞上部件和活塞下部件，其中，这两个部件通过材料锁合的连接、特别是摩擦焊接连接相互连接。在连接之后，这两个部件构成环形环绕的环形的冷却通道，所述冷却通道大致设置在环区的后面。可选地，所述冷却通道活塞可以具有冷却室、在冷却通道和冷却室之间的转移通道以及冷却囊(Kühltasche)。为了实施该文献的教导，不需要冷却室、也不需要转移通道并且也不需要冷却囊。

上部件和下部件的摩擦焊接连接是特别优选的。其他连接方式或接合方法、例如电子束焊接、粘接、夹紧、螺纹连接或类似方法同样是可应用的。

由WO 2006/034862 A1已知一种冷却通道活塞，该冷却通道活塞包括上部件和下部件。这两个部件在使用摩擦焊接连接的情况下持久地接合在一起。环形的冷却通道由上部件和下部件构成(也可以仅由所述部件中的一个部件构成)并且大致处于环区的后面。

环区在上部件中朝下部件的方向在环绕的环形壁中终止，所述环形壁通过间隙几何结构可以支撑在下部件的同样环绕的对应的接口面上。

在该现有技术中在图1至4中分别示出一个对应的间隙几何结构。

通过这些间隙几何结构保证：在冷却通道活塞在内燃机中的运行中，上部件的外部区域在环区的下方支撑在下部件的对应的朝向上的区域、特别是杆区域上。同时通过这些间隙几何结构保证：在冷却通道活塞在内燃机中运行期间处于环形的冷却通道中的并且在那里循环以及交换的冷却介质不通过这些间隙几何结构漏出。

然而，这些间隙几何结构(如其在WO 2006/034862 A1中说明)具有决定性的缺点。

当上部件和下部件特别是在应用摩擦焊接的情况下持久地相互接合在一起时，间隙区域的朝环形的冷却通道的方向延伸的部分不再能被控制并且也不再能被再加工。因为该区域在接合在一起之后不再是可接近的。但是，如果出现由于制造(或者必要时也在冷却通道活塞的运行期间)该间隙区域或者甚至整个间隙区域过小，则上部件在气体力负荷的情况下支撑到下部件上。由此，产生可能导致在接合连接、特别是摩擦焊接连接处形成裂纹的应力。但是，如果另一方面间隙过大，则冷却介质可能以不希望的量通过该间隙向外朝气缸壁的方向渗透。

技术实现要素：

因此，本发明的任务在于，提供一种不具有之前提及的缺点的冷却通道活塞以及多种用于运行对应的冷却通道活塞的方法。

该任务通过具有独立权利要求所述特征的一种冷却通道活塞和多种方法得以解决。

按照本发明，规定一种用于内燃机的冷却通道活塞，所述冷却通道活塞具有上部件和下部件，其中，这两个部件通过材料锁合的接合连接相互连接并且这两个部件构成环形环绕的冷却通道，所述冷却通道大致设置在环区的后面，其中，在环区的下棱边和下部件的上棱边之间设置有间隙几何结构，其中，所述间隙几何结构具有至少一个滑动面，所述滑动面设置在冷却通道活塞的环区的下棱边上和/或冷却通道活塞的下部件的对应的上棱边上。

通过在间隙几何结构中的至少一个间隙，避免力引入到在冷却通道活塞的上部件和下部件之间的材料锁合的接合连接中。但是，如果在接触中出现力，则规定可阻止冷却通道活塞损坏的措施。因此，例如在冷却通道活塞在内燃机中运行时阻止在材料锁合的接合连接中的应力裂纹。材料锁合的接合连接可以构造为焊缝。如果对于上部件和下部件使用不同的材料，则所述至少一个间隙可以用作在所述材料的延展不同时的伸缩缝。所述至少一个间隙如此设计，使得冷却通道活塞的上部件和下部件在制造之后并且优选也在内燃机的运行中在下部件的上棱边和环区的下棱边之间的区域中不接触。

但是，如果出现平行于或几乎平行于活塞冲程轴线的力作用，该力作用导致在冷却通道活塞的环区的下棱边和冷却通道活塞的下部件的对应的上棱边之间的接触或触碰，则设置有至少一个滑动面。所述至少一个滑动面能实现滑动配对件沿着所述至少一个滑动面滑动。所定向的力作用导致具有至少一个滑动面的元件的变形。与力作用的强度和所使用的材料以及滑动配对件的几何结构相关地，所述具有至少一个滑动面的元件变形可以是可逆的。该具有至少一个滑动面的元件可以设置在冷却通道活塞的上部件和/或下部件上。所述具有至少一个滑动面的元件的变形优选通过所述元件朝活塞冲程轴线的方向或相反于活塞冲程轴线的偏转进行。多于一个具有至少一个滑动面的元件也可以遭受所述偏转。多个元件例如可以沿相反的方向通过相应元件的偏转彼此偏移或沿着彼此滑动。由此，避免在冷却通道活塞的上部件和下部件之间的材料锁合连接中的应力裂纹。由此，在力作用提高的情况下也实现具有环区的区域的有针对性的(例如通过偏转的)变形。该区域可以朝活塞冲程轴线的方向或背离活塞冲程轴线朝气缸壁的方向偏移。在这两种情况下，设置有足够的空间，所述空间能实现内燃机的进一步运行。

此外规定：所述间隙几何结构具有间隙尺寸可变的间隙。该间隙尺寸可以与对内燃机的要求或内燃机的规格相关地变化，在所述内燃机中使用冷却通道活塞。在这里例如指的是内燃机的功率和工作容积。材料选择也对要设定的间隙尺寸有影响。具有按照本发明的冷却通道活塞的内燃机的不同应用领域也可以对要设定的间隙尺寸产生影响。为此，参考不同的气候的条件，内燃机应在所述条件中运行。具有对应的冷却通道活塞的内燃机作为例如用于能量产生的固定机器或在不同的车辆、例如载客汽车、载重汽车、机车、机动车或船中在考虑相应的运行参数的情况下的使用也可以影响要设定的间隙尺寸。通过选择适合的间隙尺寸保证：上部件和下部件在内燃机的运行中在间隙几何结构的区域中优选不接触。

此外，按照本发明规定：所述冷却通道活塞的环区的下棱边和/或所述冷却通道活塞的下部件的对应的上棱边关于活塞冲程轴线具有对角线走向。如果通过平行于活塞冲程轴线或几乎平行于活塞冲程轴线对具有环区的区域的力作用而冷却通道活塞的环区的下棱边和冷却通道活塞的下部件的对应的上棱边进入相互接触，则至少一个接触面的对角线构造导致接触面的滑动。在这里，接触或滑动面优选沿相反的方向滑动。也可设想的是，接触或滑动面刚性地保持并且仅对应的接触或滑动面通过力作用运动。因此，冷却通道活塞的导致内燃机失效的损坏有效地得到阻止。

备选地，按照本发明规定：所述冷却通道活塞的环区的下棱边和/或所述冷却通道活塞的下部件的对应的上棱边具有曲线形走向。如果出现环区的下棱边与下部件的上棱边的接触，则环区的下棱边的曲线形走向阻止在该区域中向冷却通道活塞的下部件中的直接力引入。环区的下棱边沿着其曲线形走向在下部件的面对所述下边棱的上棱边上滑动。例如上部件的具有环区的区域朝活塞冲程轴线的方向偏移。由此，有效地阻止冷却通道活塞固定在内燃机的气缸中。此外，内燃机的运行是可能的。

此外，按照本发明规定：在所述环区的面对所述冷却通道那侧上设置有突出部。该突出部构成伸入冷却通道中的环绕的凸起。该凸起加强与其对置的环区。根据突出部的几何构造，该突出部也有利地用于在冷却通道的内部引导冷却介质。例如指出在环绕的突出部的剖面中构造成三角形的几何结构。在突出部的这个三角形的构造方案中，三角形的顶端朝活塞冲程轴线的方向定向。突出部的在剖面中多面体形的构造也是可设想的。同样地，突出部可以在剖面中具有曲线形走向，其中，分别设置有升高的和下降的侧面。

此外，按照本发明规定：所述突出部具有曲线形走向。突出部的曲线形走向又能实现在下部件的优选倒棱的上棱边上的定向的滑动，以便阻止向冷却通道活塞的下部件中的不允许的力引入。突出部的曲线形构造能实现在向冷却通道活塞的上部件中的不允许的力引入时上部件的包括环区的区域的受控制的偏移。具有环区的区段在该情况下朝气缸壁的方向偏移。然而，设置有足够的空间，以便阻止活塞在气缸中由于该变形而固定。

此外，按照本发明规定：所述突出部构成用于冷却介质的引导轮廓。由此，有效地阻止在冷却通道活塞向上和向下运动时冷却介质穿过间隙几何结构。冷却介质从冷却囊的方向过来从间隙几何结构旁边经过。冷却介质从反向过来也从间隙几何结构的旁边经过。引导轮廓可以具有在剖面中曲线形的走向，在这里冷却介质在冷却通道活塞向上和向下运动时分别朝另一个方向转向，优选朝与活塞冲程轴线成对角线的方向转向。引导轮廓例如可以构造为单独的元件、如板材。备选地，引导轮廓可以与冷却通道活塞的上部件和/或下部件整合地构造。

此外，按照本发明规定：在所述间隙几何结构的内部的使所述上部件和所述下部件间隔开的间隙具有大于下间隙尺寸的上间隙尺寸。由此，在沿沿着活塞冲程轴线的所期望的主力方向上提供较大的间隙尺寸，以便预防环区的下棱边与下部件的上棱边的接触。

此外，按照本发明规定：所述间隙几何结构的所述至少一个间隙具有至少一个具有平行于活塞冲程轴线或几乎平行于活塞冲程轴线的取向的区段。通过所述区段的这个竖直或几乎竖直的取向，有效地阻止冷却介质穿过间隙几何结构。

按照本发明，规定一种用于运行用于内燃机的冷却通道活塞的方法，其中，冷却介质通过具有引导轮廓的间隙几何结构围绕所述间隙几何结构引导。由此，阻止在内燃机运行期间冷却介质穿过间隙几何结构。该方法能实现将冷却介质保持在冷却通道的内部，因此，冷却介质在整个周边上对于热交换可供使用。

此外，按照本发明规定：所述突出部构造为用于冷却介质的引导轮廓，其中，在所述冷却通道活塞向上运动期间引起冷却介质的一个限定的流动方向并且在所述冷却通道活塞向下运动期间引起冷却介质的一个限定的流动方向。由此，引起在冷却通道内部的有针对性的流动。上升的冷却介质较快速地朝燃烧室凹腔的方向引导，以便在那里接收来自燃烧过程的主热量。如果冷却通道活塞具有可选的冷却囊，则上升的冷却介质也较快速地朝冷却囊的方向输送。被加热的冷却介质又较快速地从热交换区域中引导出来。

按照本发明规定一种用于运行特别是用于内燃机的冷却通道活塞的方法，其中，在所述冷却通道活塞的上部件和下部件接触时通过力作用，设置在所述上部件和/或所述下部件上的至少一个滑动面引起所述上部件和所述下部件相互滑动。

环区的下棱边的几何构造在接触下部件的上棱边时阻止向下部件中的不允许的力引入。通过环区的下棱边的曲线形构造，该下棱边在与下部件的上棱边接触时有针对性地朝活塞冲程轴线的方向或朝气缸壁的方向偏移。这取决于与曲线走向的构造相关的优选方向。在这两种情况下，能实现内燃机的继续运行。

按照本发明，规定一种用于运行用于内燃机的冷却通道活塞的方法，其中，所述上部件和所述下部件沿着曲线形的滑动面滑动。环区的下棱边的曲线形构造与下部件的上棱边配合作用阻止在过载情况下具有冷却通道活塞的内燃机的失效。通过间隙几何结构的这个有利的几何构造方案，避免沿平行于活塞冲程轴线的方向或几乎平行于活塞冲程轴线的方向向在环区的下棱边的区域中的下部件中的不允许的力引入。力引入导致上部件的具有环区的区域的变形，但不导致内燃机的失效。

为了避免开始时描绘的缺点，强制性必需的是，间隙的整个走向或至少其部分区域朝冷却通道的方向水平地(亦即与活塞冲程轴线成直角地)构造。备选地，冷却介质必须在冷却通道活塞向上和向下运动时通过在对此的措施或几何结构阻止到达间隙中。

因为间隙应从冷却通道出发朝冷却通道活塞的外侧的方向从上向下或从下向上延伸，所以冷却介质在向上或向下运动期间加速(振荡作用)并且因此以高速从冷却通道中通过间隙朝环区或裙的方向、亦即向外甩出。

此外，环区必须有机会并且构造和适合用于在高的气体力负荷时(例如在敲击时)并且在此在上部件和下部件的两个彼此面对的轮廓产生相碰时对应地偏移，以便在此阻止在接合连接的焊接区中的应力峰值。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且随后说明。

图1示出具有间隙几何结构的活塞；

图2A和2B示出以II在图1中表征的细节；

图3示出具有间隙几何结构的活塞的另一个实施例，以及

图4示出以IV在图3中表征的细节。

具体实施方式

在以下附图说明中，概念如上、下、上方、下方、左、右、前、后等仅参照装置和其他元件的在相应附图中所选择的示例性的图示和位置。这些概念不应限制地理解，亦即通过不同的位置和/或镜像对称的设计等等可以改变这些参照关系。

相同元件在所有附图中保持相同的附图标记。

图1示出冷却通道活塞1并且图3示出冷却通道活塞100。冷却通道活塞1具有上部件2和下部件3。冷却通道活塞100具有上部件102和下部件103。这两个冷却通道活塞1、100具有用于容纳未示出的活塞环的环区4。邻近于环区4朝中央的活塞冲程轴线5的方向设有用于容纳冷却介质、优选用于容纳油的冷却通道6。活塞上部件2、102和活塞下部件3、103通过摩擦焊接连接相互连接。

在连接之后，这两个部件2、3；102、103构成环绕的环形的冷却通道6，所述冷却通道大致设置在环区4的后面。朝燃烧室凹腔7的方向，冷却囊8连接到冷却通道6上。所述冷却囊8是可选的并且可以存在、但不是必须存在。所述冷却囊8在冷却通道活塞1、100向上和向下运动时由冷却介质润湿。在燃烧室凹腔7的下方在中央设置有与冷却通道6处于连接中的冷却室9。在冷却通道6和冷却室9之间的连接通过转移通道10进行。所述转移通道10可以存在、但不是必须存在。冷却通道6的无转移通道10和/或无冷却囊8的构造是可设想的。冷却室9也是可选的并且因此可以存在、但不是必须存在。焊缝11连接冷却通道活塞1、100的上部件2、102与下部件3、103。在冷却室9的下方设置有用于容纳未示出的销栓的销栓孔12。

在冷却通道活塞1的上部件2和下部件3相碰的区域中的环区4的下方设置有间隙几何结构13。在冷却通道活塞100的上部件102和下部件103之间在环区4的下方设置有间隙几何结构113。在间隙几何结构13、113的下方连接有裙和套筒区域(Schaft-und Nabenbereich)14。间隙几何结构13、113具有至少一个滑动面19，所述滑动面设置在冷却通道活塞1、100的环区4的下棱边16上和/或冷却通道活塞1、100的下部件3、103的对应的上棱边17上。冷却通道活塞1、100的环区4的下棱边16和/或冷却通道活塞1、100的下部件3、103的对应的上棱边17可以关于活塞冲程轴线5具有对角线走向或者可以具有曲线形走向。

允许冷却通道活塞1、100的环区4的下棱边16和/或冷却通道活塞1、100的下部件3、103的对应的上棱边17相互滑动的所有几何形状同样是可设想的。

间隙几何结构13、113的按照本发明的构造方案在下面详细说明。图2A和2B示出间隙几何结构13作为在图1中以II表征的细节。图4示出间隙几何结构113作为在图3中以IV表征的细节。

为了避免开始时描绘的缺点或获得对应的优点，在图1、2A和2B中示出第一间隙几何结构13并且在图3和4中示出另一间隙几何结构113。对于处于上部件2、102的环区4的下方并且处于下部件3、103的裙和套筒区域14的上方的间隙几何结构13、113共同的是，所述间隙几何结构在冷却通道活塞1、100的每个运行状态期间(例如在冷起动时、在最高负荷下以及在正常状态中)构成限定的间隙尺寸X₁、X₂、X₃、X₄(例如图2A和4)。上间隙尺寸X₁、X₃例如分别设计成大于下间隙尺寸X₂、X₄。在此，间隙区域的几何结构13、113以及间距、亦即间隙开口如此选择，使得由于冷却通道活塞1、100的向上和向下运动而阻止：冷却介质到达间隙区域中或者间隙区域如此小，使得完全没有冷却介质量或者仅有最小可能的、刚好还允许的冷却介质量可以漏出。

此外，间隙几何结构13、113和间距如此选择，使得彼此面对的区域(环区4的下棱边16和/或下部件3、103的上棱边17)在相碰时可以偏移，以便避免上部件2、102以不允许的方式支撑在下部件3、103上。这个事实情况在图2B中示出。在那里，环区4的下棱边16贴靠在下部件3的上棱边17上。因此，间隙尺寸X₁不再存在并且因此也未画出。间隙尺寸X₂从在图2A中示出的尺寸减少到在图2B中示出的尺寸。以Y示出在负荷不允许高的情况下环区4的下棱边16的运动方向和下部件3的上棱边17的运动方向。为了阻止冷却通道活塞1的由此造成的损坏和内燃机的由此产生的失效，环区4的下棱边16曲线形地构造。通过该曲线形的构造方案，环区4的下棱边16在下部件3的上棱边17上滑动。在环区4的区域中的这个受控制的变形阻止内燃机的失效，在该内燃机中使用对应构造的冷却通道活塞1。然而，内燃机的正常的运行状态不导致在冷却通道活塞1的环区4的下棱边16的区域中的之前描述的变形。然而，通过这个安全准备确保：具有冷却通道活塞1的内燃机的不正常的运行状态也不导致内燃机的失效。

在图4中示出的间隙几何结构113的在环区4的下棱边16的区域中构造的突出部18也具有曲线形走向。在对应的、但在具有冷却通道活塞100的内燃机的正常运行中未规定的负荷时，突出部18在下部件103的上棱边17的倒棱的区域上滑动。由此，也有效地阻止利用冷却通道活塞100运行的内燃机的失效。因此，阻止上部件102不允许地支撑在下部件103上。

对于内燃机的正常的运行状态，最后几何结构13、113在图2A和4中如此选择，使得阻止上部件2、102和下部件3、103在间隙几何结构13、113的区域中可能相互支撑。因此，图2A和4示出在正常状态中的间隙几何结构13、113。

同时间隙几何结构13、113如此选择，使得虽然在冷却通道活塞的占多数的运行条件也保持(即使微小的)间隙15，但同时阻止冷却介质可能渗透到间隙区域中并且朝活塞裙的方向到达。这通过有针对性的几何结构和由此造成地冷却介质的有针对性的引导在冷却通道活塞100在内燃机中向上和向下运动期间实现。

以Z示出在冷却通道活塞100向上和向下运动期间冷却介质的运动方向。通过在冷却通道侧设置在环区4上的突出部18，冷却剂流如此转向，使得它不能穿过间隙15或间隙几何结构113。以Z₁表征在冷却通道活塞100向上运动期间冷却介质的流动方向。以Z₂表征在冷却通道活塞100向下运动期间冷却介质的流动方向。因此，突出部18构成在内燃机运行中用于冷却介质的在间隙几何结构113上的引导轮廓。

附图标记列表

1 冷却通道活塞

100 冷却通道活塞

2 上部件

102 上部件

3 下部件

103 下部件

4 环区

5 活塞冲程轴线

6 冷却通道

7 燃烧室凹腔

8 冷却囊

9 冷却室

10 转移通道

11 焊缝

12 销栓孔

13 间隙几何结构

113 间隙几何结构

14 裙和套筒区域

15 间隙

16 下棱边

17 上棱边

18 突出部

19 滑动面

X₁ 上间隙尺寸

X₂ 下间隙尺寸

X₃ 上间隙尺寸

X₄ 下间隙尺寸

Y 运动方向

Z₁ 在冷却通道活塞向上运动期间冷却介质的流动方向

Z₂ 在冷却通道活塞向下运动期间冷却介质的流动方向