活塞及其制造方法
【专利说明】活塞及其制造方法
[0001]相关串请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年I月21日提交的第61/754，668号申请的权益，其全部内容通过引用并入此处。
技术领域
[0003]本发明主要涉及用于内燃机的活塞。
【背景技术】
[0004]在不断努力提高内燃机的产生功率和燃料功率的过程中，用于内燃机的整体式或单件式活塞本体的设计已经变得越来越复杂以具有多个结构，例如冷却通道和形状独特的燃烧碗。通常，由单一一片材料形成这些复杂的活塞设计是不划算的。因此，许多活塞制造商采用两件或以上的部件并接着将这些部件连接在一起来制造活塞本体。例如，一些整体式活塞设计包括第一部件和第二部件，其中第一部件包括冠部，第二部件包括相对的两个裙部，以及相对的两个用于容置活塞销的活塞孔。然后，第一和第二部件可以通过一系列不同的连接工艺连接在一起，这些连接工艺例如包括各种不同的焊接连接、螺栓连接、紧固件连接等。
[0005]将整体式活塞本体的第一和第二部件连接在一起的一种特别划算的方法是通过将一个部件相对于另一个部件高速率旋转并使这些部件彼此接触从而通过两片部件之间的摩擦产生的热量使得接缝处的材料加热至塑性状态，由此将这两片部件摩擦焊接。在接缝处的材料的高压使得这些部件能够结合在一起。然后通过对这些融化的材料进行冷却，从而可以在整体式活塞本体的第一和第二部件之间形成特别牢固的焊缝。然而，这种方法的一个问题是，在摩擦焊接过程中很难将第一和第二部件相对于彼此精确地旋转地对齐。因此，一般来说，摩擦焊接仅在第一和第二部件中的一个(或两个)旋转对称从而使其相对于另一部件的旋转对齐不会影响活塞本体的形状时具有实用性。活塞销孔由于其本身性质而无法旋转对称，因此，活塞制造商通常通过仅采用摩擦焊接来连接具有旋转对称的燃烧碗的活塞本体的部件，由此来克服上述限制。
【发明内容】
[0006]本发明的一个方面为一种改进的用于内燃机的整体式活塞组件。该活塞组件包括:沿轴延伸的活塞本体，该活塞本体由至少两件通过至少一个焊缝接合在一起的材料制成，该至少一个焊缝连续延伸经过围绕轴的环形。两件材料中的一件具有上表面，并且在该上表面中形成有燃烧碗，该燃烧碗具有围绕轴的旋转非对称形状。两件材料中的另一件具有圆拱形容置面，以用于滑动容置部分的连杆，且该容置面是围绕所述轴旋转对称的。
[0007]该改进的活塞组件是有益的，因为该旋转对称的圆拱形容置面允许燃烧碗形成为具有旋转非对称形状，而不会通过一些不同种类的操作方式使待连接在一起的两个部件的性能下降。因此，除了可以提高性能以外，该活塞组件还可以经济划算地制造。
[0008]根据本发明的另一方面，该焊缝为摩擦焊缝。
[0009]本发明的另一方面提供了一种制造活塞的方法。该方法包括制备活塞本体的第一部件的步骤，该第一部件具有形成在其上表面中的燃烧碗，且其中该燃烧碗具有围绕轴的旋转非对称形状。该方法接着包括制备活塞本体的第二部件的步骤，该第二部件具有围绕轴旋转对称的圆拱形容置面，以容置连杆的一端部。该方法继续包括将活塞本体的第一和第二部件摩擦焊接在一起的步骤。
【附图说明】
[0010]请参阅下述详细说明并结合附图进行考虑，本发明的上述和其它优点将更加容易领会和理解，其中:
[0011]图1是活塞和连杆组件的典型实施例的剖视图；
[0012]图2是图1的活塞和连杆组件的剖面图；
[0013]图3是图1的组件的活塞本体的剖视图；
[0014]图4是活塞本体的剖面图；
[0015]图5是与图4的剖面图位置不同的活塞本体的另一个剖面图；
[0016]图6是示出了与活塞本体连接的罩盖的剖面图；
[0017]图7是与图6的剖面图位置不同的与活塞本体连接的罩盖的另一个剖面图；
[0018]图8是罩盖的仰视立体图；
[0019]图9是罩盖的透视立体图；
[0020]图10是罩盖的另一个透视立体图；
[0021]图11是罩盖的俯视立体图；
[0022]图12是图1的组件的连杆的正视图；
[0023]图13是连杆的透视立体图；
[0024]图14是连杆的侧视图；
[0025]图15是活塞和连杆组件的另一个剖面图；
[0026]图16是连杆的可选实施例的局部透视图；
[0027]图17是连杆的可选实施例的局部侧视立体图；
[0028]图18是连杆的可选实施例的局部正视立体图；
[0029]图19是罩盖的可选实施例的透视图；
[0030]图20是活塞和连杆组件的可选实施例的局部剖面图；
[0031]图21是与图20位置不同的活塞和连杆组件的可选实施例的局部剖面图。
【具体实施方式】
[0032]参见附图，其中相似的标记指示各图中相应的部件，图1主要示出了根据本发明的一个方面构造的改进的活塞和连杆组件20的典型实施例。该活塞和连杆组件20可以构造为供一些不同类型的内燃机(包括四冲程发动机、两冲程发动机、火花点火式发动机、压燃式发动机和每个气缸引擎的水平对置活塞)使用。
[0033]仍然参见图1，该典型实施例的组件包括沿轴A延伸的活塞本体22以及与活塞本体22可操作地连接的连杆24。与常规的活塞和连杆相比，该典型的活塞本体22和连杆24连接在一起而不具有肘销或活塞销。当然，如图2所示，活塞本体22具有背对活塞本体22的上表面的圆拱形或半球形容置面26，连杆24的一端部28的轮廓与容置面26的轮廓匹配。更具体地，连杆24的端部28大致为球形，以匹配容置面26的圆拱形。连杆24的球形端部28通过罩盖30与活塞本体22保持连接，在连杆24的球形端部28与活塞本体22的半球形容置面26连接之后，该罩盖30与活塞本体22连接。罩盖30和活塞本体22的圆拱形容置面26均与连杆24的球形端部28滑动连接，从而在发动机(未示出)的运行过程中使得连杆24相对于活塞本体22旋转或来回枢转。
[0034]返回参见图1，活塞本体22包括冠部32和裙部34，该裙部34从冠部32下垂并从冠部轴向向下延伸。在该典型实施例中，裙部34围绕轴A连续且基本均匀地延伸360°，因此该裙部为完全周向连续的裙部，从而使发动机的缸膛内的活塞本体22的稳定性提高。该典型活塞本体22的外表面还包括多个用于容置活塞环(未示出)的环槽36a、36b，以将活塞本体22与发动机的气缸壁密封。具体地，该典型活塞本体22包括多个围绕冠部32的环槽36a以及多个邻近裙部34底端设置的环槽36b。在某些种类的发动机中，典型活塞本体22的冠部32上的环槽36a与裙部34上的环槽36b轴向间隔开，从而可以在发动机的运行过程中限制空气从发动机的气缸壁的一个或多个入口(未示出)在任一轴向方向泄漏出活塞本体22。然而，应该理解的是，活塞本体22可以包括任意所需数量的环槽，且这些环槽可以设置在活塞本体上的任何适合的位置。还应该理解的是，裙部可选择地可以是敞开的或非周向连续的，即，它可以连续延伸经过小于360°的曲线。
[0035]现在参见图3和4，该典型实施例的活塞本体22由两个彼此独立制成(例如通过锻造和/或铸造工艺制成)然后被连接在一起的部件38、40组成。具体地，该典型的活塞本体22包括上部件38和下部件40，且这两个部件38、40通过摩擦焊接操作或任何其他适合的焊接操作(包括例如混合感应焊接)彼此连接。在该典型实施例中，上部件38包括部分冠部32，并具有顶面，且该顶面中形成有燃烧碗42，下部件40包括形成在其中的圆拱形容置面26。部件38、40均优选地由钢制成，但也可选地由一些其他的金属(包括例如铝或镁或它们的各种合金)制成。
[0036]现在参见图3，活塞本体22的冠部32的顶面中的燃烧碗42形成为具有围绕轴A的周向(或旋转)非对称形状，活塞本体22的圆拱形容置面26具有大致周向(或旋转)对称形状。因此，下部件40可以具有相对于上部件38的任何所需的旋转方向。这带来了制造上的优势，因为上部件38和下部件40不必像一般其他已知的具有周向非对称形状的燃烧碗的两件式活塞一样必须相对于彼此精确地旋转定位。因此，可采用某些加工操作(例如摩擦焊接)将上、下部件38、40连接在一起。因此，活塞本体22的典型实施例中实现了非对称形状的燃烧碗和摩擦焊接的所有优点。
[0037]当连接在一起时，本典型实施例的上、下部件38、40彼此协作提供活塞本体22，且该活塞本体具有一个或多个用于容置冷却流体以在发动机运行过程