活塞的制作方法

相关专利申请的交叉引用

本美国专利申请要求2014年10月30日提交的、美国临时专利申请第62/072,748号和2015年10月30日提交的、美国发明专利申请第14/928,033号的优先权，这些专利申请在此通过引用而整体并入本文。

发明背景

1.技术领域

本发明涉及用于内燃发动机的活塞，具体地，涉及由含铁材料制成的活塞。

2.相关技术

客车和轻型及中型卡车中应用的汽油发动机的活塞通常由铝制成。铝是轻质的，相对容易铸造，并且对于大量使用而言相对制造便宜。对于相同的或更小尺寸的发动机中，汽车制造商要求更高的功率和改进的燃料经济性。这样的要求对活塞制造商提出挑战，因为当前对于用标准铝活塞可实现的效果存在限制。例如，在为达到更高功率和燃油经济性而使用的先进技术所引起的增加的温度和压力下，铝活塞不能适当地运转。为了承受增加的燃烧温度和压力并在其中运转，一些活塞制造商开始使用钢活塞。这种钢活塞常常包括一个或多个闭合的冷却通道来保存用于冷却上冠部的冷却油，该上冠部直接暴露在燃烧室的高温和压力下。

技术实现要素：

用于内燃机发动机的活塞由含铁材料制成，并且具有某种尺度关系，所述尺寸关系使得活塞能够满足和超过对于利用汽油动力发动机的客车和轻型/中型卡车的提高的要求。活塞的尺寸提供了质量和花费的整体降低以及性能改善。所述活塞也可以被制造成没有任何封闭的油冷通道，这可以进一步减小质量和成本。

按照一个方面，活塞具有孔径bd和一对活塞裙部，所述孔径bd与活塞体的最大外径尺寸相对应。裙部均具有裙部投影面积，在垂直于活塞的销孔轴的平面上，所述裙部投影面积与各自裙部的投影表面相对应。裙部的组合投影面积为sa<πbd²/4的40％，其中πbd²/4是活塞孔总面积。这个相对小的活塞裙部面积sa小于具有相同孔径bd的、已知铝活塞的裙部面积，并且为含铁活塞所需的引导提供了减小的摩擦和质量。

按照另一个方面，销孔投影面积pba小于活塞孔总面积的10％。换句话说，pba小于πbd²/4的10％，其中pba是投影在包含销孔轴并垂直于活塞的中心轴的平面上的、销孔表面的上半部的面积。相对于活塞销孔总面积的尺寸，相对较小的销孔投影面积pba有助于活塞的低摩擦、低质量和低包装。

按照另一个方面，活塞具有壁厚小于4mm的冠部。可比较的铝活塞的冠厚大于4.5mm。所提到的含铁活塞的相对较薄的冠部有助于活塞质量的总体减小和性能的改善。

按照另一个方面，活塞具有的在距离冠表面小于4mm的位置处测量的、投影的活塞顶内面积ua大于πbd²/4的45％。

按照另一个方面，活塞在销座的底部具有薄壁部。具体地，在销座底部测量的销座的径向厚度小于孔径bd的3％。相对较薄的销座底部壁区域有助于质量的减小以及活塞的总体高度的减小。

按照另一个方面，销座没有任何金属轴承插件(或壳)，并且销座的顶部、轴向内边缘区域足够薄，以允许销座在负载下挠曲。活塞动力学是销座的上面部分在运行期间经受的负荷比下面部分更大。在上面区域的销孔表面轮廓通常被形成为沿轴向适应活塞销在负载下的挠曲，以免过度给活塞或销施加应力，或者损坏活塞或销。按照这个方面，含铁活塞的上部销座壁的变薄可以有利地免除对销孔进行昂贵且费时的轮廓机加工的需要。具体地，当在从销座的轴向内表面向内1mm的位置处测量的、销座的顶部内边缘区域的径向厚度是小于孔径bd的3.7％时，可以采用直孔，除了固定夹头凹槽和标准倒角以外，它没有其他轴向轮廓。

按照另一个方面，在销孔与活塞顶内之间的销座的上面部分做成空心的。空心部可以采取深凹槽或完全开放的窗口的形式。中空的结构带来活塞质量的减小和性能的提高，并且提供完全开放的窗口或通路具有另外的好处，即提供使冷却油从销座之间的中心活塞顶内空间流到销座外侧的两个侧边活塞顶内空间的通路。对于这些外侧区域的补充冷却使得这些区域的尺寸更大，而不用担心不充分的冷却。

按照另一个方面，上述深凹槽形式的空心部从销座内表面开始的深度大于2mm。

按照另一个方面，上述完全开放的窗口形式的空心部将每个销座限定为带有一对销座支柱，每个销座支柱具有的厚度小于孔径bd的9.5％。这样相对较薄的支柱部分用含铁材料是可行的，而且这有助于活塞质量的减小。

按照另一个方面，空心的板窗口具有上边缘，其延伸到与活塞顶内表面齐平相差至少2mm以内的位置处。这样的高窗口使得暴露的活塞顶内表面最大化，并且使与顶内相邻的可能保持热量的较厚部分最小化。

按照另一个方面，薄的活塞冠部、活塞裙部和/或板可以设置有肋，在需要的情况下和需要的地方定位肋，以提供增加的强度和刚度，而不用增加整个冠、板和/或裙部的厚度。当存在时，冠的加强肋具有的厚度小于孔径bd的4％。

按照另一个方面，活塞的冠包括在其中形成的、在最上面的环形槽的上方的气门坑。在气门坑与最上面的环形槽之间的轴向空隙不大于约1.5mm，导致紧凑的活塞配置结构。

按照另一个方面，所述顶部槽脊具有的轴向厚度小于孔径bd的3％，这也有助于活塞的紧凑的配置结构。

按照另一个方面，活塞包括分隔第一环形槽和第二环形槽的第二槽脊，该第二槽脊具有的轴向厚度小于孔径bd的3.5％，这也有助于活塞的紧凑的配置结构。

按照另一个方面，含铁活塞的压缩高度ch是相对较小的。具体地，压缩高度ch小于孔径bd的30％。这样的小压缩高度有助于活塞质量的减小，也有助于紧凑的活塞配置结构。

按照另一个方面，裙部的在与环形带交界的位置处的弦宽应当是孔径bd的30％到60％。这样的裙部弦宽关系使得环形槽脊能够被支撑为具有低环形槽波动形变和低质量，这二者均对活塞性能有利。

按照另一个方面，活塞包括在销座与裙部之间延伸并桥接销座与裙部的裙板。裙板是薄且柔性的，这导致摩擦减小、质量减小和性能提高。每个板具有的厚度小于2.2mm，而相应的铝活塞具有的板厚度大于2.5mm。裙板优选地向内或向外弯曲到平面之外大于0.7mm，从而当平行于销轴观看时，板向内或向外弯曲。弯曲的板为板提供刚度，并且支承活塞结构，允许质量随之减小。

按照另一个方面，每个裙部均具有翼部，在销孔轴的水平面上，翼部从裙板横向向外突出超过1mm。这个尺寸的翼有利于减小裙部边缘负载。

附图说明

示例性的实施例在附图上示出并在如下所附的详细说明中被描述：

图1是按照示例性实施例的活塞的顶部透视图；

图2是图1的活塞的底部透视图；

图3是通过销孔轴的、图1所示活塞的剖视图；

图4是类似于图3、但通过裙板截取的剖视图；

图5是图1所示活塞的、沿销孔轴截取的剖视图；

图6是图1所示活塞的另一剖视图；

图7是图1所示活塞的又一个剖视图；

图8是图1所示活塞的正视图；

图9是类似于图2的底部透视图；

图10是类似于图5的、透视的底部剖视图；

图11是图1所示活塞的侧视图；以及

图12是根据另一个示例性实施例的活塞的剖视图。

当结合所附附图考虑时，通过参照以下的详细说明将更好地理解本发明的其它优点，所以本发明的其它优点将容易被领会，其中：

具体实施方式

根据本发明的实施例的活塞在图1和2中以标号10显示，其包括由含铁材料制成的单件的活塞体12。钢是优选的含铁材料，诸如sae4140合金。活塞10可以铸造、锻造、粉末冶金或由钢坯机加工。

活塞10包括活塞冠14，活塞冠14为活塞10的顶部部分。如图3所示，活塞冠14包括实心冠壁15，该实心冠壁15具有在运行期间暴露于燃烧气体之下的上表面16，以及在运行期间暴露于冷却油之中的、相对的下表面或活塞顶内表面18。冠壁15可以构型为包括诸如气门坑19的特征。在这个实施例中，如图3进一步显示的，冠壁15被设计得非常薄，并且各处具有大体上均匀的厚度。优选地，冠壁厚度tc小于4mm。这样薄的冠壁15减小了活塞10的质量，并且当冷却油泼洒到活塞顶内表面18上时，其提供了燃烧热量从上表面16到活塞顶内表面18快速且相对均匀的传导和散热。

如图1所示，活塞10具有孔径bd，其对应于活塞体12的最大外径尺寸。在显示的实施例中，活塞10具有92.5mm的孔径bd。这样的孔径bd对于客车和轻型及中型载重敞篷货运卡车是典型的。

活塞冠14包括金属带形式的环形带20，其包围上冠部表面16并从上冠部表面16向下凸出。环形带20被制作成与活塞体12一体制造，并且包括第一或最上面的环形槽22、第二或中间环形槽24和第三或底部环形槽26。上面两个环形槽22，24被配置成接纳压缩环(未示出)，而底部环形槽26被配置成接纳护油环(未示出)。环形带20的顶部槽脊28将第一环形槽22与冠壁上表面16分隔开。第二槽脊30分隔第一和第二环形槽22，24，而第三槽脊32分隔第二和第三环形槽24，26。底部槽脊34形成用于底部环形槽26的底部支撑壁。在显示的实施例中，顶部槽脊28具有的轴向厚度tl1小于活塞10的孔径bd的3％，而第二槽脊30具有的轴向厚度tl2小于活塞10的孔径bd的3.5％。这样小的槽脊尺寸带来紧凑的(短的)活塞设计，因此质量减小且性能提高。

如图1，2和8中最好地展示的，气门坑19可以设置在冠14上。当存在气门坑19时，气门坑19与最上面的环形槽22之间的轴向间隙c小于1.5mm。气门坑19这样深陷在活塞冠14中有助于活塞10的整体紧凑设计，以及质量减小和性能提高。

活塞10包括与活塞体12一体形成的一对销座36。活塞销孔36从活塞10的活塞顶内表面18向下凸出，并且形成有销孔38，该销孔沿着销孔轴a轴向对准，销孔轴a被布置为垂直于活塞体12的中心纵轴b。销孔38限定无轴承工作面，意味着销孔38不设金属轴承套。销孔38优选涂覆有低摩擦的亲油性涂覆材料(诸如磷酸錳)，用于在活塞10运行期间接纳和支承活塞销(未示出)。优选地，除了可涂覆或可不涂覆的环形槽22，24，26，活塞10的所有表面涂覆有磷酸錳。销座36具有销座内表面40，该销座内表面彼此面对并且间隔足够远以接纳与活塞顶内表面区域相邻的连杆(未示出)，该连杆用于与活塞销以已知的方式连接。如图10上最好地显示的，销孔38具有上半表面(销孔轴a的上方)，该上半表面具有投影的销孔面积pba，该销孔面积pba小于活塞孔总面积的10％，该活塞孔总面积为πbd²/4。投影的销孔面积pba位于包含销孔轴a并且垂直于纵轴b的平面内。这样小的销孔投影面积pba减小了活塞10的质量以及整个活塞组件的质量，原因在于对应的活塞销具有小的直径。

每个销座36均具有周向连续的壁，其内表面40形成销孔38。如图3最好地显示的，靠近内表面40的、至少销座壁的最上面部分42优选为足够薄，以使壁部42在一部分燃烧周期期间能够在运行的活塞销的负载下弹性挠曲或弯曲。在从内表面40向内距离1mm的位置处测量，壁部42的轴向厚度ta小于孔径bd的3.7％。薄壁部分42优选伴随有销孔38的直孔轮廓。通常在同一区域内，销孔38的轴向轮廓形成为提供用于活塞销挠曲的缓冲区域。根据本实施例的减薄部分42消除了对缓冲区域的特殊机加工的需要，而代之以允许直孔和壁部42伴随活塞销的挠曲。这简化了工艺过程并降低了制造活塞的成本。这也有助于减小质量。

正如图3上最好地显示，销座壁的下面部分44(销座的底部区域)也是薄的，并且优选具有的径向厚度tr小于孔径bd的3％。这样薄的下面部分44有助于活塞10的质量和总体高度的减小。

正如图2、3、4、6、7、9、10和12上显示的，销座36的上面部分42与冠部下表面18间隔开。最终得到的空间46从销座36的内表面40处开始，轴向向外延伸至少2mm，并且限定销座36上方和活塞顶内表面18下方的中空区域46。这样的中空区域46通过去除材料来减小活塞10的质量，并且还通过消除可以保持热量的材料的质量来改善活塞10的冷却。中空区域46可以完全延伸通过销座36的宽度，并因此呈完全开放的窗口的形式，该窗口提供了销孔38上方的、穿过销座36的流体通道。图12显示从底切的中空区域46’，而其余的图将空间显示为完全开放的窗口46。窗口46有利于去除更多的材料，而且使得从下方引入到销座36之间的活塞顶内区域的冷却油能够通过窗口46横穿销座36，以提供冷却油直接流动到销座36外侧的、轴向向外的活塞顶内区域48。没有窗口46，这些外侧的活塞顶内表面区域48将被销座36阻隔，而使冷却油无法直接流动。窗口46的上端延伸至与活塞顶内表面18距离2mm之内的位置，并且理想地是与活塞顶内表面18齐平，使得开口的高度和面积最大化，以改善冷却油流动并减小质量。

如在图2，9和10上最好地显示的，各个窗口46被横截面相对较薄的一对销座支柱50桥接。销座支柱50被轴向布置于销座36与活塞顶内表面18之间。优选地，每个销座支柱50具有的厚度小于孔径bd的9.5％，这有助于质量减小，同时提供在活塞10的内部和外部活塞顶内表面区域之间的最大冷却油流动。

活塞10在纵向(高度)上非常紧凑。如在图3上最好地显示的，压缩高度ch从销孔轴a测量到靠近环形带20的上冠部表面16，并且小于孔径bd的30％。与适用于相同汽油发动机的、相同孔径bd的铝活塞相比较，这代表在压缩高度上至少减小20％。即使ch的最小减小在工业上也被认为是重大的，因为这意味着发动机的整体高度可以降低。并且通过活塞10是钢的，ch的减小也带来性能提高的附加好处，原因在于活塞10可以在更高的压缩负载下运行延长的时间段。换句话说，更小的尺寸、提高的功率和提高的燃料效率是由事先设定的活塞10确认的。

如图所示，活塞10包括一对活塞裙部52，活塞裙部52具有弯曲的外表面和内表面56，58和相对的裙部边缘60，62。裙部52与活塞体12一体形成，外表面54在顶部融入到环形带20的第四槽脊34中。外表面54一起提供组合的投影裙部面积sa，该面积sa小于πbd²/4的40％(即小于活塞孔总面积的40％)。图2显示了裙部52之一的投影裙部面积a1，并且是外表面54的投影到平行于销孔轴a且垂直于活塞10的纵轴b的平面上的面积。这样投影的小裙部面积sa有助于活塞10的整体小尺寸、质量的减轻和提高的性能。它还减小摩擦。更优选地，组合的投影裙部面积sa是活塞孔总面积πbd²/4的27-34％。正如图11上最好地显示的，裙部52具有弦宽wc，在此处其刚开始加宽并过渡到环形带20，它是孔径bd的30％到60％。这样的小的收腰裙部52有助于低的摩擦，同时为下环形槽波动提供足够的支持。

裙部52均通过裙板64直接连接到销座36。板64与销座36和裙部52一体形成，并且被设置成从销座36的外表面轴向向内。每个板64具有的厚度tpa小于2.2mm，而对应的铝活塞将具有的板厚大于2.5mm。

板64连同销座36一起把活塞顶内表面18划分成内部区域和外部区域，内部区域由板64、销座36和裙部52/环形带20的内表面界定，活塞顶内表面18的外部区域在销座36之外并由销座36及板64的外表面和环形带20的内表面界定。上述的窗口46连接内部活塞顶内区域和外部活塞顶内区域，并允许冷却油在其间通过。正如在图9上最好地显示的，组合的活塞顶内区域提供了在距离活塞顶内表面18小于4mm的位置处测量的、投影活塞顶内面积ua，其大于活塞孔总面积πbd²/4的45％。该面积的投影在平行于销孔轴a且垂直于活塞轴b的平面上。这样的大的活塞顶内面积ua提供增强的活塞10冷却并使质量最小化。

如在图4上最好地显示的，板64从平面向内或向外弯曲至少0.7mm(向内或向外)，并在需要的场合下，向板64提供刚性，从而向裙部52提供刚性。

如在图5和10上最好地显示的，每个裙部52具有突出到板64以外超过1mm的一对裙翼66。这种尺寸的翼66在活塞10运行期间减小裙部边缘负载。

活塞顶内表面18、活塞裙部52和裙板64可以设有一个或多个加强肋68，加强肋68具有的厚度tr小于孔径bd的4％。肋68在需要的地方提供附加的强度和刚度，而无需增加整个冠14、裙部52或板64的厚度。肋68在图5、7和10上被最好地显示。在示例性实施例中，肋68从每个销座支柱50径向向外延伸。肋68可用于为冠14提供刚度，使负载从销座36散布到活塞顶内表面18，并阻止槽脊28、30、32、34下垂。

显然，鉴于以上的教导，本发明的许多修正方案和变例都是可能的，并且可以不同于这里具体地描述的那样被实践，但仍在以下权利要求的范围内。另外，在权利要求书中的附图标记仅仅是为了方便，而无论如何不应当看作为限制。