活塞的制作方法
【专利说明】活塞
[0001]本发明涉及一种用于内燃机的活塞。
[0002]常规的内燃机采用曲轴将活塞的往复运动转换成输出扭矩以推动车辆或作用在任何其他的负载上。曲轴在将得自燃料燃烧的功率转换成可用的输出扭矩的能力方面是低效的。这是因为根据引擎速度和负载，燃料/气体混合物在活塞的上止点(TDC)位置之前很大的角度进行燃烧。当活塞在TDC之前亦或处于TDC处时，点燃的燃料/气体压力无法产生输出扭矩，因为连杆和曲轴销在TDC之前产生反向扭矩并且在TDC处时实际上成直线，使得没有分力与曲柄圆相切。这导致大部分可用的能量以热量形式损失。如果过早点火，产生的大部分压力浪费在尽力使引擎停止上(因为该压力在压缩冲程期间尽力在与活塞行进的方向相反的方向上推动活塞)；并且如果等到太晚点火，由于当活塞开始下降以进行做功冲程时活塞上方的空间增加，因此压力减小。不同引擎的最佳的最大压力点不同，但是平均都在上止点后大约12°。
[0003]我的英国专利2 318 151的说明书涉及一种用于内燃机的活塞和连杆组件。该组件包括活塞、连杆和弹簧，连杆具有与活塞有效连接以用于一起运动的第一端，以及与旋转输出轴可连接上的第二端。弹簧作用在活塞与连杆之间以使得连杆偏向远离活塞的顶。该活塞可朝着连杆的第二(小)端运动与汽缸余隙容积高度大致相等的距离。使用弹簧的一个结果是该组件具有共振频率，其优点记载于我的国际专利申请WO 00/77367的说明书中。在整个说明书中，该组件将被称为储能活塞。
[0004]在使用中，通过常规的定时装置对点火进行定时以便在TDC之前的预定时间发生，使得通过点火燃烧形成的膨胀气体迫使活塞在做功冲程期间在汽缸内迅速向下。然而，在到达TDC之前，汽缸中的压力会形成很高的值，并且迫使活塞逼近曲柄销，对抗弹簧的力。这压缩弹簧，并且增大活塞上方的体积，从而导致汽缸中的压力和温度降低。随着压力在汽缸余隙容积与弹簧之间均摊，降低的温度减小了辐射损失以及损失到冷却水和随后的排气中的热量。当活塞经过TDC时，存储在弹簧中的能量释放，并且导致产生增大的输出扭矩。这是由于在TDC之后弹簧压力立即与汽缸压力结合而实现的。由于必须在TDC之前点燃燃料/气体混合物的事实，这是因为为了实现最优性能要求点燃的燃料/空气在TDC之后约12°达到最大压力，否则一大部分的该存储的能量就已经以热量形式丧失。
[0005]在以上提及的专利说明书中公开的这种类型的储能活塞的一个问题是连杆小端与活塞顶之间必须具有相对运动，以使得在这两个部分之间安装的弹簧结构中存储能量。这个问题表现在弹簧结构和/或相邻的部分的磨损上，这种磨损是由于组件无法维持活动部分之间严格的轴向对准。这种未对准会造成严重的磨损，并且有时候会导致相邻部分之间咬死，特别是当活塞处于满负荷状态时。
[0006]我的欧洲专利申请1274927的说明书描述了一种具有改进的对准性能的储能活塞。该活塞包含与该活塞形成一体的弹簧，并且被配置为波纹管弹簧，并且是由钛制成的。
[0007]这种波纹管弹簧活塞的缺点是难以制造，并且如果过载则会受到过大压力。因此，如果通过机加工内部和外部狭槽由钛环块制造波纹管弹簧，那么这些在没有计算机数控机床(CNC)的情况下无法完成，并且用起来很昂贵，因为这需要相当多的时间投入来产生正确的波纹管的横截面以获得功能活塞。此外，机加工狭槽导致昂贵的钛的相当大的消耗，并且必须为给定的活塞及其应用专门设计每个弹簧。此外，因为波纹管弹簧弯曲的内部和外部以及要求相邻的多个弹簧片的相对的面必须为波状外形以便分散应力集中，相邻的弹簧片之间的间隙较大-大约3mm-并且这在过载时会导致过大的应力问题。因此，生产了每单位长度具有较少片的波纹管弹簧，并且这些片必须承载活塞在使用中承受的大的应力。因此，每个片的应力较高，并且这会导致弹簧过早失效。这种类型的波纹管弹簧的额外缺点是，为了尝试获得所需应力和挠度图，其占用较大空间，从而使活塞设计困难。因此，其他活塞零件所需的空间不得不与波纹管弹簧占用的空间竞争。在整个说明书中，术语“片”应当意味着波纹管弹簧上形成弹簧的波纹的这些部分。
[0008]可替代地，如果弹簧的各个片是通过冲压形成的，并且这些片扩散结合在一起以形成波纹管弹簧，就可以生产出更具有成本效益的波纹管弹簧，但是这仍然遇到过大应力的问题，因为具有弯曲的内端部和外端部的波纹管弹簧中固有的片与非平行的片壁之间的间隙较大。同样由于上述的相同原因而产生空间问题。
[0009]我的英国专利申请0216830.0的说明书描述了一种包含弹簧的储能活塞，该弹簧在使用中在活塞与相连的连杆之间作用以使得连杆偏置远离活塞顶。该弹簧被配置为波纹管弹簧，该波纹管弹簧具有限定波纹管弹簧的波纹的多个大致平行的片。连接这些片的弹簧的内端部和外端部为矩形结构，并且相邻片之间的间隙由大致平行的表面限定。
[0010]这种弹簧的优点是比更早类型的波纹管弹簧更容易制造，并且其不会在相同程度上受到过大应力。然而，其仍然占用活塞内的大量空间，这给活塞设计造成困难。
[0011]我的英国专利申请0218893.6的说明书描述了一种包括弹簧装置的活塞，该弹簧装置在使用中在活塞与相连的连杆之间作用以使得连杆偏置远离活塞的顶。该弹簧装置被配置为大致环形的衬垫弹簧，该弹簧大致位于活塞顶的区域中并且大致在活塞的整个横截面上延伸，该弹簧装置以允许活塞顶相对于连杆轴向运动的方式加以设置。
[0012]这种衬垫弹簧的缺点在于它需要从边缘必须结合在一起的两个相同构件制成。电子束焊接是优选的结合方法，但是这种方法导致焊缝区域中的材料达到其β转变温度以上，这导致材料变脆，从而缩短其使用工作寿命。
[0013]我的欧洲专利申请1616090的说明书描述了一种在活塞内包含两个盘簧的活塞，这些盘簧在使用中在活塞与连接的连杆之间作用。这些盘簧的周围边缘部分由大致环形的支撑构件支撑并分离，这些弹簧大致位于活塞顶的区域中并且大致在活塞的整个横截面上延伸。这些弹簧允许活塞的顶相对于连杆轴向运动。支撑构件由固定在这些盘簧的周围边缘部分上的相应的环，以及形成有用于与环滚动啮合的弯曲支撑表面的环形带构成。
[0014]这些活塞的盘簧由钛10-2-3制成。该材料的缺点是其需要至少两个盘来获得所需的挠度，且尽管那样，满载应力也接近疲劳极限。这导致弹簧较短的工作寿命。
[0015]我的英国专利申请2431451的说明书描述了一种包含盘簧的活塞，该盘簧由超弹性材料例如镍钛诺制成。该弹簧比矩形波纹管弹簧小得多，因此其可以安装到活塞顶与支架顶部之间的空间中。此外，由于更小，其使用相当少的金属，并且因此获得具有降低成本的活塞。此外，该弹簧能够完全被置于活塞的顶端，并且因此允许支架由铝而非钛制成，这就是改进的矩形波纹管弹簧设计的情形，从而导致进一步降低材料成本。
[0016]该弹簧也比矩形波纹管活塞轻得多；并且，由于简化其设计，其制造方法更加经济、迅速和简单。此外另一个优点是现有的活塞设计能够容易进行修改以容纳这种类型的弹簧，从而允许现有的内燃机经过修改以利用储能活塞提高的效率和燃料转换性能。
[0017]不幸的是，镍钛诺弹簧在内燃机中的测试表明其在工作期间内部升温从而导致其过早失效。
[0018]本发明是基于被称为橡胶金属(也称为TNTZ)的β钛合金的发现，这种合金是高弹性、韧性和屈服强度的唯一合金，最初由54.3%钛、23%铌、0.7%钽、21%锆和I %氧的成分研制成，并且能够以一系列还包括钒和铪的成分存在。橡胶金属比一般的金属材料的弹性变形表现出尚一个量级的超弹性属性(2.5% )，具有尚强度的超低弹性t旲量，具有超塑性属性，从而允许在室温下在没有加工硬化的情况下冷塑性加工到99%或更大，通过进行热处理具有大于2000MPa的超高强度，并且在宽的温度范围内具有近乎零的线性膨胀系数(Invar特性)和恒定的弹性模量(Elinvar特性)。
[0019]本发明提供了一种包含弹簧装置的活塞，该弹簧装置在使用中在该活塞与相连的连杆之间作用以使得连杆偏置远离活塞顶，该弹簧装置大致位于活塞顶的区域中，该弹簧装置以允许活塞的顶相对于连杆轴向运动的方式加以设置，其中该该弹簧装置是由具有75GPa或更小的杨氏模量，以及700MPa或更大的拉伸弹性极限强度的材料制成的。