一种高强化柴油机钢活塞的轻量化结构

本发明涉及一种发动机活塞，尤其涉及一种高强化柴油机钢活塞的轻量化结构，具体涉及钢活塞的头部、销座及裙部的轻量化结构。

背景技术：

1、为达到柴油机不断向高强化、轻量化、紧凑化、低排放等方向发展的要求，钢活塞凭借自身高强度材质的优势逐渐取代传统的铝合金活塞，成为高强化柴油机活塞的首选。但钢材质密度比铝合金大，如果按照现有铝合金活塞结构和尺寸设计，钢活塞重量将增加1.9倍，大幅度增加活塞往复惯性力，影响活塞动力学性能、整机的平衡性和振动冲击，进而影响发动机零部件的可靠性。因此，如何实现钢活塞结构的轻量化设计是提高国内高强化柴油机钢活塞自主研发水平的关键。

2、中国专利cn 102979641 a公开了一种整体式铸钢活塞，在活塞裙部设有面窗式减重区，整体式铸钢活塞减轻重量15％～20％以上，使整体铸钢活塞重量接近同类型铝合金活塞的重量，满足发动机轻量化的要求。该专利在环槽区与裙部之间设有环形减空腔，在活塞裙部上销孔的方向设有面窗式减重区，该减重结构是在原本结构的基础上进行简单地向内去除材料，并无改变其拓扑结构，钢活塞仍有大量可减重的空间。中国专利cn 107313873a公开了一种轻量化活塞，采用非对称化活塞结构，并在外销座上端进行去肉处理，更大挖空外销座上端，窗部薄肉化。该专利虽然能够实现活塞的轻量化，但该专利所示的活塞结构示意图并无内冷油腔结构，因此活塞仍有大量可减重的空间，且无内冷油腔结构的活塞将会承受更大的热负荷，影响活塞的使用寿命。中国专利cn 114165353 a公开了一种轻量化活塞，包括活塞本体，活塞本体上设有活塞头部和活塞裙部，活塞头部上开设有环形油腔，活塞裙部和/或活塞头部上开设有环形减重腔。该专利在环形板上开设有用于连通环形油腔和环形减重腔的过油孔，该结构本质上就是一个油腔结构，相比没有该结构反而重量可以进一步减轻，且该结构也会影响油腔里面流体的振荡流动与传热，得不偿失。中国专利cn202970934 u公开了一种新型汽油机轻量化内冷镶圈活塞，活塞本体的面窗上部设计有减重腔，该减重结构是在原本结构的基础上进行简单地向内去除材料，并无改变其拓扑结构，钢活塞仍有大量可减重的空间。中国专利cn 215292702 u公开了一种拱形裙部的轻量化活塞，活塞销座外设置有内凹呈拱形的轻量化弧形结构，该减重结构是在原本结构的基础上进行简单地向内去除材料，并无改变其拓扑结构，钢活塞仍有大量可减重的空间。中国专利cn 217270508 u公开了一种轻量化活塞，虽然该结构能够减轻活塞的重量，但也是牺牲掉没有内冷油腔冷却功能的前提下，且减重的方案过于繁琐，同时活塞仍有可减重的空间。中国专利cn 218581707u公开了一种m型轻量化活塞及发动机，通过减少活塞窗部下端肉厚，使活塞窗部下端横截面形成m型，以减轻活塞的整体重量，该减重结构是在原本结构的基础上进行简单地向内去除材料，并无改变其拓扑结构，钢活塞仍有大量可减重的空间。

3、综上所述，目前针对钢活塞结构的减重主要集中在钢活塞结构去肉处理，该方法虽然能一定程度上降低钢活塞的重量，但是该方法并没有改变钢活塞其本身的拓扑结构，钢活塞仍有大量可减重的空间。钢材质与铝材质相比具有更大的密度，轻量化问题难以得到有效解决，因此对钢活塞结构减重的任务尤为重要。

4、目前对钢活塞结构的重量优化，主要存在以下不足：

5、1)未对钢活塞关键区域进行系统性的轻量化；

6、2)钢活塞的重量仍无法在可接受范围内。

技术实现思路

1、本发明就是针对现有技术存在的问题，提供一种高强化柴油机钢活塞的轻量化结构。

2、为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：

3、一种高强化柴油机钢活塞的轻量化结构，该高强化柴油机钢活塞上具有头部，该轻量化结构包括轻量化的头部、轻量化的销孔及轻量化的裙部；所述头部包含有钢活塞内冷油腔，在火力岸、第二环岸、第三环岸、第三环槽下沿及燃烧室底圈下部区域处设置有环形减重腔，所述环形减重腔的截面形状为由曲线任意构成的封闭区间；所述环形减重腔不与内冷油腔连通；所述销孔由第一肋条和第二肋条与头部相连接，所述第一肋条所在的平面与销孔方向平行，所述第二肋条所在的平面与销孔方向垂直；所述裙部由第三肋条与销孔相连接、由第四肋条与头部相连接；所述裙部的投影形状为由曲线任意构成的封闭区间，且裙部投影形状高度方向的范围不超越销孔投影形状高度方向的底部和顶部。

4、进一步地，所述环形减重腔的数量大于1个。

5、进一步地，所述环形减重腔的截面形状为圆形、任意多边形或椭圆形曲线构成的封闭区间。

6、进一步地，所述环形减重腔的截面任意处位置与钢活塞截面任意处位置的最短距离不小于1mm。

7、进一步地，所述燃烧室底圈下部区域包含燃烧室底部向钢活塞内腔顶部过渡区域。

8、进一步地，所述第一肋条的数量不小于2个。

9、进一步地，所述第二肋条的数量为大于2的偶数且成对称分布。

10、进一步地，所述裙部的投影形状包括圆形、任意多边形或椭圆形曲线构成的封闭区间。

11、进一步地，所述第四肋条的数量不小于2个。

12、进一步地，所述第三肋条的数量大于1个。

13、本发明的有益效果：

14、本发明的柴油机钢活塞轻量化结构能够把柴油机钢活塞头部结构、销座结构、裙部结构进行系统性的轻量化，将钢活塞重量降至在可接受范围内，具体有：

15、(1)轻量化的钢活塞头部，本发明在保留钢活塞内冷油腔结构的前提下通过环形减重腔对钢活塞头部区域进行减重，且环形减重腔位置并不影响钢活塞燃烧室、环岸及环槽等关键区域的作用，保证了在钢活塞头部具有良好的冷却性能的前提下实现了头部的轻量化；

16、(2)轻量化的钢活塞销座，本发明在保留与活塞销接触的销孔结构的前提下，通过肋条连接钢活塞头部与销孔，该方法改变了钢活塞销座本身的拓扑结构，从而实现了钢活塞销座结构的轻量化；

17、(3)轻量化的钢活塞裙部，本发明的裙部结构并不直接与钢活塞头部相连，而是通过肋条连接两者，本发明的裙部结构在确保能够为活塞在气缸内做往复运动起到导向作用和承受侧压力的前提下将裙部结构缩到最小，该方法改变了钢活塞裙部本身的拓扑结构，从而实现了钢活塞裙部结构的轻量化；

18、(4)相比未改变的钢活塞，采用本发明的钢活塞轻量化结构，重量最大可减轻40％。

技术特征：

1.一种高强化柴油机钢活塞的轻量化结构，该高强化柴油机钢活塞上具有头部(1)，其特征在于：

2.如权利要求1所述的钢活塞轻量化结构，其特征在于：

3.如权利要求1所述的钢活塞轻量化结构，其特征在于：

4.如权利要求1所述的钢活塞轻量化结构，其特征在于：

5.如权利要求1所述的钢活塞轻量化结构，其特征在于：

6.如权利要求1所述的钢活塞轻量化结构，其特征在于：

7.如权利要求1所述的钢活塞轻量化结构，其特征在于：

8.如权利要求1所述的钢活塞轻量化结构，其特征在于：

9.如权利要求1-8任一项所述的钢活塞轻量化结构，其特征在于：

10.如权利要求1-8任一项所述的钢活塞轻量化结构，其特征在于：

技术总结
本发明涉及一种高强化柴油机钢活塞的轻量化结构，该高强化柴油机钢活塞上具有头部(1)，该轻量化结构包括轻量化的头部(1)、轻量化的销孔(2)及轻量化的裙部(3)；所述头部(1)包含有钢活塞内冷油腔(13)，且在火力岸(8)、第二环岸(9)、第三环岸(10)、第三环槽下沿(11)及燃烧室底圈下部区域(12)处设置有环形减重腔；所述销孔(2)由第一肋条(4)和第二肋条(5)连接头部(1)；所述裙部(3)由肋条第三(6)连接销孔(2)；所述裙部(3)由第四肋条(7)连接头部(1)。本发明的轻量化结构能够把柴油机钢活塞头部结构、销座结构、裙部结构进行系统性的轻量化，将钢活塞重量降至在可接受范围内。

技术研发人员：雷基林,刘阳,陈继锟,王宝剑,邓伟,贾德文
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15