专利名称：用于内燃机的活塞和活塞杆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于内燃机的活塞，该活塞具有一活塞头，该活塞头在与活塞的纵向中心轴隔开一段距离的位置具有一沿着活塞的圆周方向延伸的贴合面，该贴合面适合于与活塞杆上的一贴合面相夹紧。
JP8-218940描述了一种用于柴油机的活塞，该活塞的活塞头具有一内部的向下突出的边缘肋，该边缘肋借助螺栓与活塞杆相夹紧。在径向截面图中，该肋具有半圆形突出部，该半圆形突出部与活塞杆中相应的半圆形凹槽相对接。由于活塞头的加热而在活塞头中产生的膨胀的结果是，肋可以相对于活塞杆产生角位移，从而半圆形突出部能够进入凹槽，由此可总是保持最大贴合面，用于在肋和活塞杆之间传送力。这样就在肋上产生恒定的、均匀的载荷，从而可以避免疲劳断裂，特别是环绕螺栓的螺纹的疲劳断裂。
JP8-210180给出了一种用于柴油机的活塞，其中，活塞头除了通过一内部肋与活塞杆相夹紧之外，还在活塞头的外壁上的面向下的贴合面处与活塞杆相夹紧，这样就将载荷分布在活塞和活塞杆之间并横过这两个夹紧位置。位于外壁的贴合面为半圆形，从而可获得与JP8-218940中所描述的相同的效果。
然而，由于从活塞头传递到活塞杆的非常大的动态载荷而导致的结果是，现有技术的活塞中活塞头和活塞杆之间的接触表面上的材料有时易于在某种程度上退化。
本发明的目的是提供一种活塞，该活塞的用于将载荷从活塞头传递到活塞杆的贴合面具有更好的稳定性。
考虑到上述目的，根据本发明的活塞的特征在于，活塞头的贴合面包括一第一表面，在径向截面图中，该第一表面沿一直线延伸，并与活塞的纵向中心轴的法面形成2°至88°之间的角度，还包括一第二表面，该第二表面与第一表面形成小于178°或大于182°之间的角度。
因此，贴合面可包括两个表面，在活塞的径向截面图中，每个表面由一条直线确定，两条直线相互至少成2°夹角。这就使动力从活塞头到活塞杆的传递非常稳定，这是由于活塞头和活塞杆的贴合面间的即使是非常小的相互位移的可能性也被分别减小，且接触表面上的材料的退化风险也被大大地减小。
在活塞中，操作过程中作用于活塞头的动力影响试图将活塞的贴合面相对于活塞杆的贴合面压向活塞的纵向中心轴，活塞头的第一表面可以沿径向向外的方向倾斜远离面向燃烧室活塞的顶面。这样，就阻碍了活塞的贴合面相对于活塞杆的贴合面的位移。
本发明还涉及一种用于内燃机的活塞杆，该活塞杆具有一贴合面，该贴合面位于与其纵向中心轴隔开一定距离的位置，并沿着活塞杆的圆周方向延伸，且适合于与活塞头的贴合面相夹紧。
根据本发明的活塞杆，其特征在于活塞杆的贴合面包括一第一表面，在一径向截面图中，该第一表面沿一条直线延伸，并与活塞的纵向中心轴的法面形成2°至88°之间的夹角，还包括一第二表面，其与第一表面形成小于178°或大于182°的夹角。在径向向外的方向上，第一表面可向着活塞杆的相反端倾斜。从而可获得上文描述的优点。
活塞或活塞杆可相适应，从而，在径向截面图中，其第一表面与活塞或活塞杆的纵向中心轴的法面形成3°-20°，最好是5°-13°的夹角。这就分别在活塞头和活塞杆之间的接触表面沿中心轴方向的范围与沿径向方向的范围之间提供了适当的比例。由于最大的载荷产生在轴向，且由于材料的弹性的原因，沿中心轴方向延伸的贴合面间将沿着它们相互接触的表面发生不同的变形。因此，理想的是在中心轴方向上限制接触面的范围。
此外，第二表面可大体上与活塞或活塞杆的纵向中心轴的法面相平行。这就为轴向力和径向力的传动提供了很好的比例。如前所述，轴向力较大，与中心轴成直角的表面能最好地传递该轴向力。此外，制造这样一种表面比制造例如圆锥形表面更廉价。
第一表面可相对于第二表面位于径向的最外侧。
另外，贴合面可以沿中心轴的方向延伸一段距离，该距离小于该贴合面沿径向延伸距离的0.5倍，更好的是小于该贴合面沿径向延伸距离的0.2倍。这就限制了沿中心轴方向接触表面的范围，且如上文所说明的，彼此夹紧的贴合面之间相互的位移被减小。
一最好是具有柔滑磨圆的凹槽可被形成在第一表面和第二表面之间。
本发明还涉及被夹在活塞和活塞杆之间的一种环或一种环状元件。该元件的特征在于，其具有一第一贴合面，该第一贴合面的形状大体上相当于活塞的贴合面的形状，还具有一第二贴合面，该第二贴合面的形状大体上相当于活塞杆的贴合面的形状。
所述环或环状元件可由与活塞头或活塞杆不同的另外一种材料制成，考虑使用一种与活塞头或活塞杆的材料具有特别良好的接触特性的材料。例如，环的材料可以比活塞头或活塞杆的材料更软或更硬。
根据下文的实施例，并参照以下附图，本发明将被更加详细地说明。
图1为传统的安装在活塞杆上的活塞的剖面图，图2为一安装在活塞杆上的活塞的局部放大的径向剖面图，示出根据本发明的贴合面，图3至图9为相应于图2视图的、不同的实施例的剖面图，图10和图11为相应于图2视图的、具有一环状元件被夹持在活塞头和活塞杆之间的实施例的剖面图，图12为如图1所示的传统活塞中在低温状态下活塞头和活塞杆的贴合面的剖面图，图13为相应于图12的剖面图，所不同的是根据本发明的活塞和活塞杆的贴合面，且也在低温状态下。
图1示出了安装在活塞杆2上的传统的活塞1。该活塞将被用于二冲程柴油机，且根据发动机的尺寸，该活塞可被制成不同的尺寸，其典型的直径在250mm到1000mm之间。
在发动机中进行燃烧期间，活塞上的汽缸压力升高到最高燃烧压力，该最高燃烧压力可以是例如在160巴到200巴之间，与此同时，汽缸上端的温度上升到高于500℃。活塞将非常大的载荷传递到活塞杆，因此，在活塞1和活塞杆2之间的接合处需要承担重载荷。
活塞1具有作为一整体元件而形成的圆筒状活塞头3，该活塞头可以被铸造而成，且其包括一顶壁4，该顶壁的上表面可以是凹面或凸面，且可焊上一层特殊的耐热覆面，向下延伸的圆筒状外壁5形成活塞的外表面的上部，几个未示出的活塞环被以公知的方式嵌入活塞的外表面的下部的环槽中，一同样向下延伸的圆筒状肋形区域6位于外壁5的内部，且具有借助若干个螺栓8，以公知的方式与活塞杆2的上部贴合面9相夹紧的下部水平贴合面7。因此，肋6为在发动机工作过程中在活塞1和活塞杆2之间传递很大的力的支承构件。
按照惯例，活塞头3和活塞杆2的贴合面7，9分别与活塞的中心轴形成直角，然而，如图12所示，其中一个或两个表面可以略成圆锥形，从而在活塞1处于低温状态下，且活塞1不与活塞杆2相夹紧时，肋6的贴合面7和活塞杆2的贴合面9之间具有一间隙，该间隙为几微米且位于其径向最外缘，在图12中为了清楚起见，该间隙被放大。当活塞头3与活塞杆相夹紧时，间隙得以部分地补偿，由于当加热到工作温度时，活塞头3在其顶壁4的中心区域膨胀最大，肋形区域6沿箭头方向发生一个小角度旋转，这样就使间隙被完全补偿，并获得横过贴合面7，9的整个范围的均匀的接触压力，和在肋形区域6上的均匀载荷。此外，如图12所示，典型地，活塞头3的贴合面7形成有环形槽10，从而在该槽10中，肋的材料将不与活塞杆的贴合面9相贴合，因此，可以在较粗的容许偏差的标准上加工。一些用于夹紧螺栓8的通孔可借助于未示出的孔与位于活塞头3和活塞裙之间的储油室相连，且由于螺栓孔经凹槽10互相连通，任何进入螺栓孔和凹槽10的油均可排出，这样就可防止凹槽10中的压力的不适当的增大。
图2至图9分别示出了根据本发明的活塞头3和活塞杆2的贴合面7，9的不同的实施例，与图1中传统的活塞相应的元件使用相同的参考标记。图中示出，活塞头3的贴合面7包括一径向最外侧的第一表面11和一径向最内侧的第二表面12。活塞杆2的贴合面9包括一第一表面13，该第一表面13与活塞头3的第一表面11的形状相对应，且与其相对，还包括一第二表面14，该第二表面14与活塞头3的第二表面12的形状相对应，且与其相对。相应于传统的设计，实际上，如图13所示，表面11，12，13，14可具有一按照粗略的容许偏差的标准加工的中间凹槽10，这样就使加工更加经济。如图7和9所示，凹槽10可包括或延伸进入一磨圆16，该磨圆16在第一和第二表面之间分别形成应力减小的柔和的过渡。同样地，如图13所示，第一表面11，13和第二表面12，14可被分别形成，从而在活塞头3处于低温和未夹紧状态下时，上述表面在它们中间所夹的微小间隙逐渐增加的情况下延伸，从而在贴合面7，9的径向最外缘产生几微米的间隙。如上文所说明的，工作过程中，在肋状区域6中提供均匀的应力分布。
在活塞1的径向截面图中，第一表面11，13和第二表面12，14沿一直线延伸并互成角度，这样就为贴合面7，9提供了非常稳定的夹紧。这样，由于在工作过程中施加在活塞上的非常大的动态载荷而产生的对贴合面的影响可被减小，由于可以抑制贴合面7，9的仅有几微米小的相互运动，从而能够减小在贴合面7，9上产生不理想的有害效果的风险，例如微振磨损。
图2示出了一个实施例，其中在径向向外的方向上，第一径向最外侧表面11，13倾斜远离活塞头的顶壁4，第二表面12，14与活塞1的中心轴大体上成直角，从而肋6在贴合面7处的径向向内位移被抑制。这种效果同样可以通过如图4所示的实施例获得，其中第二径向最内侧表面12，14倾斜远离活塞头的顶壁4。
图3和5示出了实施例，其中肋6的贴合面7径向远离活塞1的中心轴的位移被抑制，与图2和4所示实施例相比较，在径向截面图中，这些实施例的贴合面7，9关于一个平行于活塞1的中心轴且延伸穿过肋状区域6的轴相对称。
图6至图9示出了实施例，其中肋状区域6的贴合面7相对于活塞杆2的贴合面9的位移在径向的两个方向上被阻止，这是由于第一表面11，13和第二表面12，14相互形成角度，并相对于活塞的中心轴的法面形成角度。例如，图9示出了一实施例，其中径向最内侧第二表面12，14相对于中心轴的法面比第一表面11，13更陡，借此肋6的贴合面7大体上沿径向向内的运动被抑制。应当注意，第二表面12，14在活塞的轴向方向上的范围分别被限制，以减小它们由于活塞头和活塞杆中材料的不同动态压缩而可能产生的相对移动。
图10和图11示出了实施例，其中一环状元件15被夹持在活塞头3的贴合面7和活塞杆2的贴合面9之间。该环状元件15具有贴合面，贴合面的形状与活塞头3和活塞杆2的贴合面7，9的形状相适应，上述环状元件可以是一个衬垫，带有例如用于冷却液或类似液体的注口，或者上述环状元件可以是一个环，其材料相对于活塞头3和活塞杆2的材料具有特别良好的接触特性。
虽然本发明已经被描述为一种在外壁内侧具有一肋状区域6的活塞，很清楚，根据本发明的贴合面7，9可被用在具有其它结构，且贴合面与活塞的中心轴隔开一定距离的活塞上；例如，贴合面可以被形成在活塞头的外壁处，或同时既在内部肋状区域处又在外壁处。贴合面还可以分别位于活塞头和活塞裙上，且可能在同时位于活塞裙和活塞杆之间，活塞裙被认为是夹在活塞和活塞杆之间的环状元件，或认为是活塞头或活塞杆的一部分。同样很清楚，贴合面7，9可以在活塞的圆周方向上连续地或不连续地延伸，用于夹紧活塞头3和活塞杆2的螺栓可延伸穿过贴合面7，9或延伸到上述贴合面外侧。
权利要求
1.一种用于内燃机的活塞(1)，该活塞具有一活塞头(3)，该活塞头在与活塞的纵向中心轴隔开一定距离的位置具有沿活塞的圆周方向延伸的一贴合面(7)，该贴合面适合于与活塞杆(2)的贴合面(9)相夹紧，其特征在于，活塞头的贴合面(7)包括一第一表面(11)，在一径向截面图中，该第一表面沿一条直线延伸，并与活塞(1)的纵向中心轴的法面成2°至88°之间的夹角，还包括一第二表面(12)，该第二表面与第一表面(11)形成小于178°或大于182°的夹角。
2.一种如权利要求1所述的活塞(1)，其特征在于，在径向向外的方向上，第一表面(11)倾斜远离活塞(1)的面向燃烧室的顶面(4)。
3.一种用于内燃机的活塞杆(2)，该活塞杆具有一贴合面(9)，该贴合面与活塞杆纵向中心轴隔开一定距离，并沿活塞杆的圆周方向延伸，且适合于与活塞头(3)的贴合面(7)相夹紧，其特征在于，活塞杆(2)的贴合面(9)包括一第一表面(13)，在一径向截面图中，该第一表面沿一条直线延伸，并与活塞杆(2)的纵向中心轴的法面成2°至88°之间的夹角，还包括一第二表面(14)，该第二表面与第一表面(13)成小于178°或大于182°的夹角。
4.一种如权利要求3所述的活塞杆(2)，其特征在于，在径向向外的方向上，第一表面(13)向着活塞杆(2)的相反端倾斜。
5.如前述的权利要求中任何一个所述的活塞(1)或活塞杆(2)，其特征在于，在一径向截面图中，第一表面(11，13)与活塞(1)或活塞杆(2)的纵向中心轴的法面成3°-20°，最好是5°-13°的夹角。
6.如前述的权利要求中任何一个所述的活塞(1)或活塞杆(2)，其特征在于，第二表面(12，14)大体上平行于活塞(1)或活塞杆(2)的纵向中心轴的法面。
7.如前述的权利要求中任何一个所述的活塞(1)或活塞杆(2)，其特征在于，第一表面(11，13)相对于第二表面(12，14)在径向的最外侧。
8.如前述的权利要求中任何一个所述的活塞(1)或活塞杆(2)，其特征在于，贴合面(7，9)在中心轴方向上延伸过一段距离，该距离小于其在径向方向上延伸的距离的0.5倍，最好是小于其在径向方向上延伸的距离的0.2倍。
9.如前述的权利要求中任何一个所述的活塞(1)或活塞杆(2)，其特征在于，一最好是具有柔和磨圆(16)的凹槽(10)被形成在第一表面(11，13)和第二表面(12，14)之间。
10.用于被夹持在如权利要求1，2或5-9所述的活塞(1)和如权利要求3-9所述的活塞杆(2)之间的一环或一环状元件(15)，其特征在于，所述环或环状元件具有一第一贴合面(17)，该贴合面的形状大体上与活塞(1)的贴合面(7)的形状相适应，还具有一第二贴合面(18)，该贴合面的形状大体上与活塞杆(2)的贴合面(9)的形状相适应。
11.如权利要求10所述的一环或一环状元件(15)，其特征在于，所述环或环状元件由与活塞头(3)或活塞杆(2)所不同的另外一种材料制成，且最好是一种比活塞头(3)或活塞杆(2)的材料更软或更硬的材料。
全文摘要
活塞包括一活塞头(3),该活塞头在与活塞的纵向中心轴间隔开一段距离的位置具有一贴合面(7),该贴合面沿活塞的圆周方向延伸,并与活塞杆(2)的一贴合面(9)相夹紧。所述活塞头(3)的贴合面(7)包括一第一表面(11),在一径向截面图中,该第一表面沿一条直线延伸,并与活塞的纵向中心轴的法面形成2°至88°之间的夹角,还包括一第二表面(12),该第二表面与第一表面(11)形成小于178°或大于182°的夹角。
文档编号F16J1/00GK1345399SQ00805656
公开日2002年4月17日 申请日期2000年3月17日 优先权日1999年4月7日
发明者瑟伦·H·延森 申请人:曼B与W狄赛尔公司