轻质结构的柴油机活塞的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于内燃机、特别是柴油发动机的活塞。该活塞尤其设计成例如由招或招合金制成的铸造活塞。
【背景技术】
[0002]随着内燃机逐渐提高的性能优化和/或消耗优化，作用在活塞上的热应力和机械应力也逐渐增大。尤其是对于消耗优化而言，需要在减小活塞的重量的同时维持或者甚至是提高活塞的强度和耐久性。为此，采取了一些手段，包括对活塞材料的优化(例如铝合金)、改善散热结构以及其他的措施。
[0003]对散热结构的改善已经有所公开，例如DE 102009027148A1。DE 102007058789A1中公开了一种不同的针对重量/性能优化的手段，其中加强肋的特殊设计使得在不危害活塞的强度的情况下减小了活塞的重量。
[0004]考虑到对内燃机消耗的优化，希望在维持或甚至提高机械强度和耐热强度的同时有减小活塞的重量的其他措施。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种活塞，尤其是铝或铝合金的铸造活塞，对它的耐热强度/机械强度和重量进行了优化。
[0006]该目的通过具有权利要求1的特征的活塞得以实现。
[0007]根据本发明的活塞包括活塞顶、邻接该活塞顶的圆柱形的活塞头，以及至少部分中空的活塞裙，所述所述活塞裙形成在活塞头背离活塞顶的侧面上，并且所述活塞裙具有两个相对的裙壁区段以及与所述裙壁区段相连的两个相对的连接壁，其中所述连接壁分别具有销孔。在所述活塞头上设置有具有至少一个入口和至少一个出口的环形的冷却通道。此外，所述裙壁区段分别朝所述活塞头加宽，使得形成在活塞头上的扇形壁区段的宽度的扇形长度大于裙壁区段背离活塞头的侧面的扇形长度。
[0008]此处的“扇形长度”指的是沿着活塞的圆柱形外缘延伸的对应的裙壁区段的长度。实际上，术语“入口”和“出口”应理解为同义的，这是因为在散热通道中，入口和出口可能会颠倒，或者两个开口可同时作为入口和出口。
[0009]本发明旨在通过多种措施的协同作用(即从与现有技术进行广泛的对比的角度)来实现该目的。该目的通过散热结构结合对散热结构进行优化的活塞裙设计来实现，所述散热结构可有效地降低活塞顶所在的区域内的温度，由此降低该区域内的热应力和机械应力。裙壁区段朝向活塞头的加宽在高应力区域内产生了稳定性，但与此同时允许连接壁向内地收回，因此由于两个销孔之间的距离的减小而减轻了重量。重量降低一方面是由于通过向内移动连接壁使得活塞裙的周向长度或周向表面减小了。另一方面，由于在两个销孔之间的短距离，力的分布变得更加有利，因此可减小活塞裙的壁厚。在这种情况下，重要的是，如果在活塞头中进行冷却的话，上面所描述的活塞裙设计仅显示出所描述的效果，并且仅可通过重量的显著减轻来实现。
[0010]优选地，所述环形的散热通道的入口和/或出口位于裙壁区段所在的区域处和/或连接壁所在的区域处。结果，冷却油喷嘴的路径可形成在对应的裙壁区段的内侧上和/或对应的连接壁的内壁上，由此可以低的损失由油喷嘴注入到散热通道中。这会形成非常高效的冷却，进而允许对活塞裙设计进行优化。
[0011]至少一个裙壁区段的最短扇形长度优选地位于形成在活塞头上的侧面和背离活塞头的侧面之间。换言之，背离活塞头的、对应的裙壁区段的边缘不具有最长的扇形长度。相反，该裙壁区段逐渐收窄(从活塞顶开始)到最小的扇形长度，并再一次加宽，这可形成对对应的裙壁区段和连接壁之间的连接的优化。
[0012]上面所描述的扇形长度优选地位于相比背离活塞头的侧面更靠近活塞头上侧面的位置处。换言之，对应的裙壁区段迅速的收窄最初是从活塞头开始的，然后进行缓慢的加宽。通过这样的裙壁几何结构，活塞的重量和稳定性之间的比率产生了进一步的优化。
[0013]裙壁区段优选地分别具有两个边缘，这两个边缘将裙壁区段形成在活塞头上的的侧面与同一裙壁区段背离活塞头的侧面连接，其中所述边缘具有从活塞顶开始凸状地弯曲的部分。该凸状的弯曲使位于活塞头的区域内的裙壁区段与对应的连接壁之间的连接坚固，这会使活塞的强度和耐久性在重量没有变化或几乎没有变化的情况下得以提高。
[0014]优选地，所述边缘的凸状弯曲的部分分别过渡成凹状的弯曲，然后大体上沿直线延伸。此时用于与连接壁连接的紧邻活塞头的弯曲不是必须的。
[0015]直线部分优选地不与裙壁区段的远离活塞头的侧面平行，而是从最小的扇形长度开始间隙逐渐增大。相比于凸状的部分，这种加宽优选地以更小的或甚至十分小的梯度实现。此处所描述的加宽显示出活塞裙的稳定性和重量减小之间很好的折衷。
[0016]连接壁优选地分别具有销壳，相应的销孔位于所述销壳中，所述销壳相比于连接壁的其他部分具有增大的壁厚。销孔所在的区域是具有高的机械应力和热应力的区域。因此，针对销的稳定性，对于销壳而言重要的是具有大的壁厚。其他区段，即便是与裙壁区段连接的这些区段或过渡到裙壁区段的这些区段，相比于没有因活塞的稳定性而进行显著折衷的区段，可具有较小的壁厚。将活塞裙的材料特别集中于销孔是有益的，这是因为根据本发明的裙壁区段允许连接壁朝裙的内部收回。为了进一步强化销壳，它们可分别设置有黄铜衬套。
[0017]销壳优选地从相应的连接壁具有较薄的壁厚的区段处开始大体地向外延伸。由于上面所描述的活塞裙的设计，连接壁可收回进入内部很长一段距离，如上面所提到的那样，这对于减小重量而言是有益的。因此，相比于连接壁的较薄的部分而言，销壳向外地突出。
[0018]所述活塞优选地由铝或铝合金制成。相比于铸造的活塞，锻造的活塞通常具有致密的金属结构，因此它们在具有相当的强度下时会比铸造的活塞更轻。所以，尤其对于例如由铝合金制成的铸造活塞而言，减小重量的措施非常重要。因此，本领域的技术人员通常不会想到将锻造活塞的结构特征--对应地转移到铸造活塞上。
[0019]优选地设置两个大部分平行于销轴线的加强肋，它们形成在活塞头上，并且延伸到活塞裙的腔中。一方面，加强肋使承受高应力的区域得到加强。另一方面，它们使活塞裙的壁厚能够减小，并因此能够降低总重(尽管有用于加强肋的额外材料)。根据一个优选的实施例，所述加强肋在设计上可以是非常小的，使得它们延伸到活塞裙中而不会超过销孔的较低顶点(即最接近活塞头的顶点)。所述加强肋优选地形成在销壳上，并且以连续的方式连接销壳。在连接部分所在的区域中，加强肋可具有增大的壁厚。
[0020]大体上从一个销孔延伸到另一个销孔的、在设计上优选地为拱形的加强肋形成在活塞头上，并且延伸到活塞裙的腔中。作为上面关于加强肋所讨论的特征的附加或备选，它们可优选地弯曲成沿着它们的延伸方向平行于活塞顶，这使得活塞的机械强度和耐用性得以提尚。
[0021]入口和出口优选地位于加强肋和最近的裙区段之间。由此可实现对飞溅油喷嘴更好的引导，产生更好的冷却效果，进而提高活塞的热强度和机械强度。
[0022]入口和/或出口优选地设置在活塞裙的外侧，由此可将裙部设计得更加紧凑，并因此而减小重量。在这种情况下，入口和/或出口可设置在销壳和邻近的连接壁之间的连接区域中，由此可实现对进入或离开相应的开口的极好的引导。
[0023]本发明基于轻质活塞进行了描述。本发明的其他优点或特征可从下面的优选实施例中的描述而变得显而易见。下面和上面所描述的特征均可单独地或组合地实施，只要这些特征