优化设计的钢制活塞的制作方法

本发明涉及一种根据权利要求1前序部分特征的、用于内燃机的钢制活塞，包括上部，在该上部中设有具有至少一个环形槽的环区，在该上部上邻接下部，该下部具有两个相对置的裙壁区段，这两个裙壁区段通过两个相对置设置的箱壁连接，在每个箱壁中设有被活塞销座包围的销孔，并且还涉及一种用于制造这种钢制活塞的方法。

背景技术：

具有上述特征(所谓的箱形设计)的、由钢材制成的活塞原则上是已知的。它们应用在用于高性能要求的内燃机中，以便能够承受满足性能要求的参数、尤其是例如燃烧温度和燃烧压力。但这种钢制活塞的缺点是非常重，这特别是又增加了燃料消耗。

从钢制活塞、尤其是锻造钢制活塞的现有技术中已知活塞在箱壁和窗表面(活塞销座)中具有沿活塞纵向轴线(也称为活塞冲程轴线)方向近似笔直的延伸，其具有由制造引起的小脱模斜度。

技术实现要素：

本发明所基于的任务是通过特殊设计特征在功能和/或重量方面优化钢制活塞。

所述任务通过权利要求1的特征来解决。

根据本发明规定，在销孔周围的区域中设置至少一个通口或至少一个凹部。所述至少一个通口或所述至少一个凹部在从外部俯视销孔时例如设置在销孔的右侧和/或左侧和/或上方和/或下方，但也可设置在这些部位之间的区域中。尤其是在本发明的一种实施方式中在箱壁中在活塞销座与裙壁区段之间的区域中存在至少一个通口或至少一个凹部。销孔周围的、尤其是所述至少一个箱壁中的所述至少一个通口可大大减轻钢制活塞在这种区域中的重量，在该区域中可设置这种通口且不会不利地削弱钢制活塞在其于内燃机气缸中运行时的强度。通口的形状例如可构造成圆形(优选通过钻孔产生)、正方形(优选通过铣削产生)、矩形(再次优选通过铣削产生)、椭圆形(也优选通过铣削产生)或其它适合的几何形状。可在制造(铸造或优选锻造)钢制活塞的活塞毛坯之后事后形成所述至少一个通口。作为替代方案(以及优选方案)可想到，所述至少一个通口已经在借助于材料排挤方法(verfahren)(尤其是锻造方法)制造活塞毛坯时一起形成在活塞毛坯中。最佳尺寸、即箱壁中通口的面积可根据设计、即活塞的构造通过试验或尤其是优选通过已知的且已建立的有限元方法来确定。这同样适用于凹部尤其是在箱壁中在销孔周围的设置，所述凹部可仅设置在朝外的箱壁(朝向内燃机的气缸壁方向)上、仅设置在朝内的箱壁(朝向在中心延伸的活塞冲程轴线方向)上或可设置在箱壁的两侧上。通过这种凹部也在钢制活塞的那些不会降低强度但同时可通过去除材料而减轻重量的位置处去除材料或在锻造方法中将其排挤出。但优选在箱壁中设置至少一个通口，因为与凹部相比可由此节省明显更多的材料并减轻重量。

在本发明的一种扩展方案中规定，在每个箱壁中都存在所述通口或一个凹部。由此钢制活塞可对称地设计，为此优选每个箱壁中的每个通口或每个凹部都设计成相同的、即在其面积和形状方面是相同的。

所述至少一个通口和所述至少一个凹部也可彼此组合。例如可在销孔的左侧和右侧分别设置一个通口并且在销孔上方设置一个凹部(在从外部俯视销孔时)。

在本发明的一种扩展方案中规定，箱壁设置成相对于活塞冲程轴线(竖直轴线)倾斜角度α。由此可通过锻造方法在选择适合的工具和加工方向的情况下很好地制造作为成品活塞制造基础的活塞毛坯，从而实现由该活塞毛坯制造的制成的即用型且可承受高负荷的活塞的坚固的结构以及结构优化。通过倾斜的箱壁还可有利地减少摩擦、噪声、机油消耗和漏气现象。

在本发明的一种扩展方案中规定，在销孔的销表面中设有拆卸导槽、尤其是不位于活塞纵向轴线上的拆卸导槽。用于活塞销的卡环可以本身已知的方式设置在该拆卸导槽中。此外，该拆卸导槽引起材料去除，这进一步减轻了钢制活塞的重量。补充于此规定，至少一个凹口从拆卸导槽向销孔的至少一个端部方向延伸。通过该至少一个凹口也减轻了钢制活塞在那些不会通过材料去除而削弱钢制活塞的位置处的重量。也可在制造(再次通过铸造、锻造等)活塞毛坯之后事后形成拆卸导槽。但它优选已经通过材料排挤方法(如锻造)形成并且事后仅通过加工(如机械加工)达到一定尺寸。

在本发明的一种扩展方案中规定，至少一个凹口在钢制活塞上部中从所述至少一个环形槽相对于活塞冲程轴线向上和/或向下延伸。通过这种凹口不仅节省了材料并因此减轻了钢制活塞的重量，而且也可将机油从环形槽——有油环或无油环位于其中——中有针对性地排出。

钢制活塞的上述元件之一或组合或所有上述元件、如所述至少一个凹部和/或所述至少一个通口和/或倾斜的箱壁和/或在销孔中的拆卸导槽和/或从拆卸导槽向销孔的至少一个端部方向延伸的凹口和/或在钢制活塞上部中的从所述至少一个环形槽相对于活塞冲程轴线向上和/或向下延伸的所述至少一个凹口已经在借助于材料排挤方法(如锻造方法)制造活塞毛坯时一起实现并且事后在必要时进行再加工。该再加工以本身已知的方式通过切削加工方法(如铣削方法)进行。

下面再次总结具有上述特征的一部分、但也可具有所有上述特征的钢制活塞：

钢制活塞在其外部形状上、尤其是在箱壁和窗表面上具有偏离沿活塞纵向轴线的主轮廓的、凹入或向内或向外倾斜的特征，如：

-从下向上向内或向外倾斜的箱壁；

-位于油环槽区域中且用于排油的凹口；

-位于销孔外部区域中且用作卡环的拆卸导槽的凹口；

-位于箱表面中的或从箱表面向内倾斜伸到环区之后的且用于减轻重量的凹口、

-箱壁中的凹部和/或贯穿箱壁的通口，它们用于减轻重量。

通过根据本发明的上述特征来改善钢制活塞的功能、如机油消耗、噪声特性或安装友好性。另外，与已知的传统实施方式相比，钢制活塞的重量可显著降低。另外，当钢制活塞用于内燃机的气缸中时，根据本发明的特征可改善该内燃机的功能并且有助于减少排放和燃料消耗。

附图说明

下面参照图1至4阐述根据本发明的钢制活塞的实施例。

具体实施方式

图1示出钢制活塞1的局部，该钢制活塞具有一个裙壁区段2(以及另一未示出的相对置裙壁区段)。这两个相对置的裙壁区段2分别通过一个箱壁3彼此连接，这两个相对置的箱壁3(图1中仅示出一个箱壁3)相对于钢制活塞1的外径内凹，钢制活塞1的裙壁区段2的外表面位于该外径上。在图1中与裙壁区段2的平行于活塞冲程轴线延伸的端部(箱壁3从该端部出发延伸)相对置地示出一个销孔4。

图2以剖面图示出钢制活塞1的局部，而图3和4示出钢制活塞1的其它细节图(仍为局部)。

在图2至4中示出，将裙壁区段2彼此连接的箱壁3相对于活塞冲程轴线(虚线示出)倾斜角度α。附图标记5表示销孔4的朝内指向的销表面。附图标记6表示围绕销孔4设置的活塞销座。活塞销座6可直接过渡到箱壁3中，且在过渡中没有任何内凹阶梯、拱形等。但也可想到，在从活塞销座6向相邻箱壁3方向过渡时存在阶梯状或拱形的过渡。钢制活塞1上部中的环区7具有至少一个环形槽8。在该实施例中，环区7在钢制活塞1的上部中总共具有三个叠置的环形槽8。这些环形槽未示出。

此外，该实施例的钢制活塞1还具有一个环形延伸的冷却通道9和同心地位于冷却通道9内部的燃烧室凹腔10。这两个元件可单独或共同存在，但也可仅存在冷却通道9或仅存在燃烧室凹腔10。附图标记11表示位于销表面5中的一个拆卸导槽11，当活塞销插入销孔4中时用于未示出的活塞销的卡环嵌入该拆卸导槽中。在该实施例中，一个唯一的凹口12从拆卸导槽11向外、即向活塞销座6方向延伸，但也可设置多于一个唯一的凹口12。所述至少一个凹口12也可向内定向。

附图标记13表示至少一个另外的凹口，在观察图4时该凹口从钢制活塞1上部中的一个环形槽8(图4所示的下部环形槽8)向下延伸。当然还可想到，在其它的环形槽8区域中也设置所述至少一个凹口13。所述至少一个凹口13不仅可如图4所示仅向下延伸，而且也可仅向上或既向下又向上延伸。

作为本发明的另一特征，图1中还示出箱壁3中的一个通口14。该通口14可以是该箱壁3中的唯一通口，也可想到在箱壁3中设置多于一个通口14。这也适用于至少一个通口14不仅在所示的一个箱壁3中而且也在至少另一箱壁3、优选在所有存在的四个箱壁3中的设置。替代或附加于所述至少一个所示的通口14，也可在箱壁中设置至少一个凹部(在箱壁3的朝外的侧面和/或朝内的侧面上)。

附图标记列表

1钢制活塞

2裙壁区段

3箱壁

4销孔

5销表面

6活塞销座

7环区

8环形槽

9冷却通道

10燃烧室凹腔

11拆卸导槽

12凹口

13凹口

14通口