内燃机活塞的制作方法与工艺

本发明涉及一种内燃机活塞，该活塞具有活塞头和活塞裙，其中活塞头具有环绕的活塞环部以及在活塞环部范围中的环绕的冷却通道，活塞裙分别具有与其受压侧和与其背压侧相对应的工作面。

背景技术：
在现代化的内燃机中很难确保对工作面的最佳的润滑油供应。这不仅与向上冲程有关也与向下冲程有关，在向上冲程时对应于活塞的背压侧的工作面紧贴在相应的气缸工作表面上，在向下冲程时对应于活塞的受压侧的工作面紧贴在相应的气缸工作表面上。因此在向下冲程时提供足够的润滑油是非常重要的，因为在这种情况下在活塞的工作面和相应的气缸工作表面之间达到了最大的摩擦力。虽然来自曲轴箱的润滑油作用于活塞裙的底边；但是仅能够对对应于受压侧的工作面的、较少的高负荷的下部区域提供润滑油。此外，虽然有刮油环，但是在向下冲程时所存在的油还是向曲轴箱方向输送。当然这些油量并不足够充足地提供给对应于受压侧的工作面的高负荷的上部区域。文献DE3506399A1公开了一种活塞，在该活塞中润滑油槽经由钻孔与冷却通道相连，该润滑油槽设置在对应于受压侧的工作面的上面。大约在活塞的向下冲程的后半部分中由冷却通道对润滑油槽提供润滑油。然而，在向下冲程时润滑油槽不会引起液压油膜的形成，因为油立即从相对大的孔中排出不会形成油压。活塞不能在润滑油膜上实现由于所存在的最大摩擦力而所希望的液压浮起。

技术实现要素：
本发明的目的在于，进一步扩展这种类型的活塞，在发动机运转时可以更好地对活塞的对应于受压侧的工作面提供润滑油。实现方案在于，设置从冷却通道出发的钻孔，该钻孔逐渐过渡到通至对应于受压侧的工作面中的并且这样倾斜设置的钻孔出口中，即，使该钻孔出口与活塞中轴之间夹有一个锐角，因此在工作面中形成一个开口，在钻孔和钻孔出口之间设置一个向工作面倾斜的并且过渡到工作面中的导流面，以及使对应于受压侧的工作面在开口的区域中具有凹处，该凹处在开口的上面构成至少一个集油区域。根据本发明的活塞的特征在于，从冷却通道有针对性地对对应于受压侧的工作面输送润滑油，因此实现了活塞在润滑油膜上的液压浮起。这一方面是通过钻孔出口的成型实现的以及另一方面是通过包围钻孔出口的凹处实现的。在向上冲程时润滑油从冷却通道压入钻孔中并且通过钻孔出口溢出。在接下来的向下冲程过程中，导流面收集一部分润滑油，其余的润滑油流回到冷却通道中。在向下冲程过程中收集的润滑油分布在包围开口的凹处中，由此形成油压。然后润滑油可以从凹处溢到工作面上并且对工作面进行有效的润滑，从而明显降低了在向下冲程时出现的摩擦力。有利的扩展方案由从属权利要求得到。集油区域优选横向于开口延伸，因此为工作面的尽可能大的区域提供了润滑油。集油区域特别优选地在两侧分别形成集油容器。由此将润滑油优选地收集在工作面的上部区域中并且可以在工作面的这个区域中泛滥。从而特别可靠地对工作面的最高负荷区域提供润滑油。钻孔可以适宜地在形成在活塞内部的材料增厚部中延伸，该材料增厚部可以在制造活塞坯件（例如锻造或铸造）时就已经引入。由钻孔出口所形成的开口例如可以形成在工作面中的毂中心的下面，以使为工作面的尽可能大的区域提供润滑油。凹处可以具有10μm至30μm的深度，从而一方面收集了足够的润滑油，另一方面形成足够高的油压。根据活塞结构，凹处可以形成在活塞本身的材料中，然而凹处也可以形成在涂覆在工作面上的涂层中。一个特别优选的扩展方案在于，设置有至少一个另外的、从冷 却通道出发的钻孔，该钻孔这样以钻孔开口的形式通至对应于背压侧的工作面中并且倾斜地设置，即，该钻孔开口和活塞中轴之间夹有锐角，以及使对应于背压侧的工作面在至少一个钻孔开口的区域中具有凹处。在向上冲程过程中润滑油从冷却通道压入钻孔中，经过至少一个钻孔开口溢出并且收集在至少一个凹处中。所收集的润滑油分布在至少一个凹处中。因为不断地从冷却通道提供润滑油，所以也可以在这里形成油压。润滑油可以从至少一个凹处溢到工作面上并且对工作面进行有效地润滑，因此同样明显降低了在向上冲程时所出现的摩擦力。优选至少一个钻孔开口直接通至在活塞环部的下面的工作面中，从而尤其对工作面的上部区域提供润滑油。可以设置至少两个钻孔，以确保对工作面供应润滑油。优选至少一个凹处形成为圆形的或者半圆形的，因为这样的几何形状可以特别简单地制造。凹处可以具有10μm至30μm的深度，从而一方面收集了足够的润滑油，另一方面形成足够高的油压。根据活塞结构，凹处可以形成在活塞本身的材料中，然而凹处也可以形成在涂覆在工作面上的涂层中。本发明适用于所有活塞类型和所有活塞结构。附图说明下面根据附图详细说明本发明的实施例。其中以示意性的、未精确按照比例的图示示出：图1以剖面图示出了根据本发明的活塞的实施例；图2以旋转90°的侧视图示出了根据图1的活塞；图3示出了根据图1的活塞的放大的局部视图；图4示出了根据本发明的活塞的另一个实施例的放大的局部视图；图5以剖面图示出了根据本发明的活塞的另一个实施例的局部视图；图6以旋转90°的侧视图示出了根据图5的活塞。具体实施方式图1至3示出了根据本发明的活塞10的第一实施例。活塞10可以是一件式活塞或者由几部分组成的活塞。活塞10可以由钢材和/或轻金属材料制成。图1至3示例性地示出了一件式的箱形活塞10。活塞10具有活塞头11，该活塞头具有活塞顶12、环绕的活塞顶岸14和用于容纳活塞环（未示出）的活塞环部15，活塞顶具有活塞顶凹坑13。在活塞环部15的高度中设有环绕的冷却通道16。此外，活塞10具有活塞裙17，该活塞裙具有销毂18和用于接收活塞销（未示出）的毂孔19。销毂18经由销毂连接部21与活塞头11的底侧11a相连。销毂17通过工作面22、23相互连接在一起。在这种情况下工作面22对应于活塞10的受压侧DS以及工作面23对应于活塞10的背压侧GDS。根据本发明的活塞10具有从冷却通道16出发的钻孔24。钻孔24容纳在材料增厚部25中，该材料增厚部形成在活塞10的内腔26中。例如可以在制造活塞坯件（例如铸造或者锻造）时引入材料增厚部25。钻孔24向对应于受压侧DS的工作面22的方向延伸并且逐渐过渡到钻孔出口27中。钻孔出口27通至对应于受压侧DS的工作面22中。钻孔出口27这样倾斜地设置，即，该钻孔出口和活塞中轴M之间夹有锐角α（参见图3）。在本实施例中，钻孔24具有和钻孔出口27相同的斜度，因此和钻孔出口27一样，钻孔24和活塞中轴M之间夹有相同的锐角α。然而，钻孔24也可以根据活塞10的结构和冷却通道16的位置与此有所偏差地延伸。在钻孔24和钻孔出口27之间的工作面端上形成有导流面28。导流面28向工作面22倾斜，也就是说，在剖面图中所得到的、导流面28的切线28a和工作面22之间夹有锐角β（参见图3）。钻孔出口27这样通至到工作面22中，即，在工作面22中形成开口29（参见图2）。在本实施例中，开口29大体上形成为裂口状的，根据活塞10的结构和大小也可以是其他形状的。开口29在本实 施例中形成在工作面22的毂中心N的下面。对应于受压侧DS的工作面22在开口29的区域中具有凹处31。在本实施例中工作面22具有涂层22a，例如，并且将凹处31引入到涂层22a中或者穿过该涂层直至活塞裙表面。在本实施例中，凹处31具有约20μm的深度。如果凹处的深度超过涂层的厚度或者没有涂层存在，也可以将凹处31直接引入到工作面22的材料中。后者的实施方式在图4中示出。凹处31完全地包围开口29并且原则上可以形成为任意形状。为了确保对工作面22在其特别高负荷的区域32中提供足够的润滑油，在开口29的上面形成有集油区域33。在本实施例中，集油区域33大体上横向于开口29延伸并且具有两个集油容器34。集油容器34分别形成在开口29的左边和右边（参见图2）。在图2中，补充地标明了工作面22的这些区域35，在发动机运转时从活塞裙17的底边17a开始对该区域提供润滑油。根据本发明的活塞10的、对应于受压侧DS的工作面22在发动机运转时按下面所述有针对性地提供润滑油。在向上冲程过程中润滑油从冷却通道16压入钻孔24中并且经过钻孔出口27溢出到凹处中。在接下来的向下冲程过程中，导流面28收集一部分润滑油，因此这部分润滑油留在凹处31中。其余的润滑油流回到冷却通道16中。在向下冲程过程中收集在凹处31中的润滑油在其中分布，由此形成油压并且活塞10的工作面22可以相对于相应的气缸工作表面液压浮起。润滑油在向下冲程期间压入到集油区域33的集油容器34中并且从凹处31向箭头P的方向溢到工作面22上。因此确保了对工作面22的特别高负荷的区域32的有效润滑，该润滑效果明显降低了在向下冲程时出现的摩擦力。图5和6示出了活塞110的另一个优选的实施方式。活塞110在其结构上与根据图1至4的活塞10相一致，因此相同的结构具有相同的附图标记，对此参阅上述对图1至4的附图说明。根据本发明的活塞110具有以下额外的特征。活塞110在本实施例中具有两个另外的、从冷却通道16出发的 钻孔136。钻孔136向对应于背压侧GDS的工作面23的方向延伸并且这样倾斜地设置，即，钻孔与活塞中轴M之间夹有锐角γ（参见图5）。钻孔136以钻孔开口137的形式通至到工作面23中。在本实施例中，两个钻孔开口137在位于活塞头11的活塞环部15下面的、活塞裙17的销毂连接部21的区域中直接通至到工作面23中。钻孔开口137在本实施例中设置在工作面23的上部边缘区域中（参见图6）。当然不但可以仅设置一个钻孔开口也可以设置三个或多个钻孔开口，然后需要将这些钻孔开口合适地分布在工作面23的整个宽度上。对应于背压侧GDS的工作面23在钻孔开口137的区域中分别具有凹处138。在本实施例中，工作面23具有涂层23a，例如，并且将凹处138引入涂层23a中。在本实施例中，凹处138具有约20μm的深度。如果凹处的深度超过涂层的厚度或者没有涂层存在，也可以将凹处138直接引入到工作面23的材料中。凹处138在本实施例中近似以半圆的形状包围钻孔开口137。以距离活塞环部15更大的间隔地设置钻孔开口137并且使凹处138以圆形的形状包围钻孔开口137也是可以的。根据本发明的活塞110的、对应于背压侧GDS的工作面23在发动机运转时按下面所述有针对性地提供润滑油。在向上冲程过程中润滑油从冷却通道16压入钻孔136中，经过钻孔开口137溢出并且收集在凹处138中。所收集的润滑油分布在凹处138中。因为不断地从冷却通道16提供润滑油，所以也可以在这里形成油压，因此活塞110的工作面23可以相对于相应的气缸工作表面液压浮起。润滑油可以从凹处138溢到工作面23上并且对工作面进行有效的润滑，从而同样明显降低了所出现的摩擦力。由于将钻孔开口138有利地直接设置在活塞环部15的下面而特别是对工作面23的高负荷的上部区域提供了润滑油。