CN1005586B - 活塞装置 - Google Patents

Abstract

一套活塞装置。它包括气缸２２，配有可旋转的偏心曲轴１６，连杆４２的一端与曲轴１６相接，并可绕其做相对转动；该活塞装置还包括一个球台形的活塞４０，活塞４０与连杆４２的另一端刚性连接。球台形活塞的侧壁面６０接于截锥形的裙部６２。在活塞的内部可设置冷却肋。

Description

活塞装置

本发明与用于内燃机等装置中的活塞及连杆有关。

在往复式活塞内燃机中，标准活塞的一个重要缺陷是它较重。往复运动使活塞的方向频繁地突变，这会在连杆、轴承及气缸壁上施加很大的负荷。随着活塞重量的减轻，连杆的惯性力及在整个循环中使活塞加速或减速所需的能量均随之减小。

此外，连杆要承受范围极大的循环应力，其中包括由气体膨胀引起的压力及活塞方向的改变而引起的惯性力。循环应力在一秒钟内要变动多次。这类应力有些是与活塞和连杆的重量以及速度的变化率成正比的。随着活塞及连杆的重量的减轻，改变速度所需的力也随之减小。而且，因为传统的连杆与位于活塞环之下的活塞下部相连，因而连杆较短，从而当活塞在气缸中做往复运动时，连杆倾斜角很大，使气缸壁受到侧压力。

标准活塞的另一个重要缺陷是需配备活塞环，以便将活塞与气缸壁之间的间隙封闭。这些活塞环在设计及功能方面存在着一些内在的问题。例如，当活塞改变方向时，活塞环会在环槽中运动，这使活塞环在一段短暂的时间内降低了密封性能，并损失掉一部分使活塞沿气缸下行的驱动力。

而且，为了能将活塞环装在活塞上，并为使活塞环保持与气缸压紧的密封张力，在活塞环上需设置断口。位于活塞之上的膨胀气体所产生的压力会使气体流过此断口，这将降低发动机效率，并增加污染物排放。

再有，配置活塞环的活塞的加工，活塞环的制造及装卸，均使传统的内燃机的生产成本增加。

标准活塞通过一个活塞销与连杆相连，活塞销明显地增加了活塞组件的重量，而且还必须为它在活塞上设置活塞销座。活塞销座也使重量有所增加，进而使连杆上的应力增加。

标准活塞通过活塞环和润滑油将大量的热传至气缸壁，只有少量的热通过活塞裙部传至气缸壁。由于活塞销座附近的材料较多，而远离活塞销座处的材料较少，所以会产生不均匀的热膨胀。为适应这种膨胀，通常要采用高代价的加工方法，将标准活塞的裙部做成非正圆形的。

活塞环在气缸壁上滑动时所产生的阻力，将导至摩擦热的产生及功率的损耗。一些其它样式的活塞设计已经发表，但它们在下述各部分的改动上受到很大的限制，这些部分包括气缸壁、曲柄销、球窝节、密封件、复杂的加工及装配要求等等。（参见下述的一些例子：美国专利1，467，066;2，023，446;2，284，645;2，710，137;2，985，358;3，078，033;3，082，935;3，523，001;3，695，150;3，716，310;及法国专利1，133，388。）

JP-1984-153951和JP-1984-231261中各公开了一种活塞，其活塞结构能或多或少地克服上面提到的一些问题。

本发明要提供一种活塞。它重量较轻;有自密封性;较易装卸;生产成本较低;与传统的活塞相比，在具有相同的冲程及缸径的条件下，它能传送更大的功率。以上诸特点可以在一个活塞上同时实现，但并不要求在一个活塞上同时实现。本发明中的活塞可被做成短长度的，并可将它装在一台较轻、较小、较便宜的发动机上。

根据本发明，可提供一套活塞装置。它包括一个有圆筒形的气缸筒的机体;并包括一个装在该机体上的偏心曲轴，该曲轴可绕与缸筒垂直的轴转动;活塞装置中还包括一个连杆，该连杆的一端与偏心曲轴相连，并可绕其做相对转动;活塞装置中还有一个活塞，它被装在圆筒形的气缸筒内，随着曲轴的转动，它在缸筒内往复滑动，上述活塞与连杆的另一端刚性连接，而且活塞是球台形的，它被嵌入缸筒，并以球形部分的表面与缸筒接触。活塞有一个最大直径，该直径与圆筒形缸筒的直径基本相等，活塞的上、下端截面的直径均小于上述最大直径，活塞的上、下端截面的直径相互隔开，使当活塞在气缸中歪斜地滑动时，活塞与缸筒的接触保持基本连续的垂直接触平面，活塞具有实的上端面，活塞是空心的，并开口于下端截面，以形成活塞裙部。活塞裙部有弓形的外表面，其特点在于：若干肋片设置于活塞的中空部的实的上截面上，并从活塞和连杆刚性连接的实的上截面的大致中心部位径向向外地朝活塞裙部延伸。

图1是一个传统发动机的横剖视图，图中的活塞位于冲程的中部。

图2是本发明中的活塞及连杆的局部侧视图。

图3是图2中的活塞及连杆的分解立体图。

图4是本发明中的活塞及连杆的纵剖图。

图5是本发明中的活塞的详细纵剖图。

图6是本发明中的活塞的详细的顶部斜视图。

图7是本发明中的活塞的底部斜视图，它示出了传热机理。

图8是本发明中的活塞的斜视图，它示出了使活塞获得柔性的机理。

图9是本发明中的活塞的斜视图，它示出了活塞下缘处的加强边。

图10、11、12及13均是本发明中的活塞的侧视图，它们依次示出了活塞在气缸中滑动的四种状态。

首先参考一个图1上所示的传统的活塞及连杆。图1上示出了圆柱形的活塞主体2，它通过活塞销6与连杆4相连。为防止活塞销6在活塞2中窜动，装备了锁簧8。借助一个可拆卸的压盖12，将连杆4的下端与一个装在曲轴18上的曲柄销16连接起来。通过螺栓10及螺母14将压盖12与连杆紧固在一起，而曲柄销16被包在压盖12及连杆4的下端之间。在曲轴18上还装有平衡配重块20，它与曲柄销16分别位于曲轴18的两端。

活塞2可在气缸22中垂直地滑动，活塞2的顶端面26是实的，图中所示的顶端面26是一个平面。在活塞2的上部设有三道环槽36，三道活塞环28、30、32分别卡在各自的环槽中。活塞环28、30、32上均有断口34。活塞2的下部是裙部38，在活塞销6附近的裙部较厚，而在其它处的裙部较薄。

较重的活塞2会对连杆4、轴承及气缸壁22施加相当大的力。这种设计不得不采用活塞环28、30、32，而它们却不能避免窜气及随之而来的功率损耗;这种设计还不得不采用活塞销6，而这却相当可观地增加了活塞2的重量及成本。为使活塞在气缸中不歪斜，活塞2必须设有裙部38，这亦会使活塞2的重量增加。裙部38还增加了活塞2的高度，对比不得不在气缸22的下面留出一块区域，当活塞2往复循环时，活塞会在气缸22中振动。振动的原因之一是：活塞环28、30、32在环槽中滑动;振动的另一原因是：活塞2在上升冲程中被推向气缸22的一侧，而在下降冲程中被带向气缸22的另一侧。如此设计的活塞的散热能力颇差。因为对从下面飞溅上去的润滑油来说，活塞过于厚重，因而难以使活塞冷却下来;散热差的另一个原因是：活塞环是由活塞2至气缸22的唯一不间断接触的导热通道，而它与气缸22及活塞2的接触面积又太小。

现在参考图2上所示的优先应用实例。图上示出了本发明中的活塞40及连杆组件42。气缸22与标准内燃机中的一样，具有正圆截面。活塞40装在气缸22中，并可在其内往复运动。活塞40的外壁60与气缸22的内壁24接触配合。借助一个可拆卸的压盖48，将一个与活塞40刚性连接的连杆42，与一个装在可旋转的曲轴18上的曲柄销16装配在一起。螺栓50将压盖48与连杆42紧固成一体，而曲柄销被包在压盖48与连杆42之间。在曲轴18上加工出活塞40及连杆42的配重块56。

如图5上所详细地示出的那样，活塞40的外侧面60是球台形的。其球的直径等于气缸22的内径，活塞的顶面可如图2上所示的那样取为平面。在外侧面60的下边缘处设有短裙部62，该裙部的延长母线在中心轴线上形成一个向下的锥角。在图2上，所取的裙部62的倾斜角能在球形外侧面60上形成一道显而易见的“交线”。仅使球台形活塞外壁面60的半径减小，也可形成裙部62，但在这种情况下，“交线”不甚明显。

图3是本发明的示意图，图上所示的活塞40与连杆42未装配在一起。在活塞芯管70的孔74内有内螺纹段75，而在连杆42的端部有外螺纹段76，活塞40与连杆42通过内螺纹段75与外螺纹段76栓固在一起。活塞芯管70的下端面72是倾斜的;在连杆42的外螺纹段76的下面设有台肩78，台肩78的上表面80的母线的延长线，在连杆42的中轴线上形成一向下的锥角。当活塞与连杆被拧在一起的时候，倾斜端面72与连杆台肩的上表面80配合，使活塞40与连杆42锁紧。为减轻连杆42的重量，可沿连杆的中心轴打孔77。在连杆42的下端部设置一个圆形的通孔82，以便按传统的方式装配标准曲轴的曲柄销。

图4上示出了未装配的活塞及连杆的纵剖面图。活塞的内侧壁面87与外侧壁面60及锥角型裙部62的外表面相对应。图上示出的顶壁88厚于边壁86，这有利于控制受力和传热。内壁顶面90与外壁顶面58的形状相仿。图4上还示出了截锥面72以及与它相配合的、连杆上的斜坡表面80。在连杆的下部有一些螺纹孔84，它们分别位于曲柄销孔82的两侧，借助螺纹孔84，螺栓50将可拆卸的下盖48与连杆主体相连。

剖视图5上示出了活塞40的侧剖面结构。外侧面60的轮廓是截球形的，导出活塞40的球形轮廓用点划线100标出。上端面58可取为一平面，该平面为上球冠部的截断线102所确定，截线102与横轴线106平行。底边101被下球冠部的截断线104所确定，截线104也与横轴线106平行。线104、102至横轴线的距离不必相等。芯管70的轴线与圆球100的纵轴重合，圆球100确定了外侧面60的曲率。侧壁86的内壁面87与外壁面60有基本相似的形状。内壁面上的交线92与外壁面上的交线64相对应。

图6是斜视图，它示出了上述活塞的活塞顶面58、活塞侧面60及导油坡口62。图7是活塞40的下端斜视图。垂直肋片160从活塞芯管70起始，沿着活塞顶面58的下面（即活塞的内顶90）径向地向内侧面87延伸。图8是活塞40下端的局部剖视图，它示出了位于活塞内顶90上的，同心地环绕活塞芯管70的肋片170。图9上也示出了一个活塞40，在活塞的侧面60的内底边处，有附加的厚边180。

在图10、11、12和13上，活塞40与连杆42均装在气缸中，但活塞分别处于一个往复循环中的四个不同的位置上，它们依次相差90°曲轴转角。在图10中，在活塞40上有三条线140、141、142，它们均通过一个位于活塞40的纵轴线145上的点144。所示的活塞40处于上死点，线142水平延伸，并通过活塞的最大直径。活塞40在气缸22中往复滑动时会歪斜，线140及141相对于线142的夹角由活塞的最大歪斜角确定。活塞与气缸的接触点66位于活塞的中部，在活塞的周围，润滑间隙146是相等的。

在图11中，与在图10中所示的情况相比，曲轴18旋转了90°，而线140则变成水平的了。活塞与气缸的接触点处于活塞40上的一个极限位置，并位于线140上。在活塞40的一侧，润滑间隙146闭紧;而在另一侧，间隙146张开。

在图12中，与在图10中所示的情况相比，曲轴18旋转了180°，活塞14处于下死点。在此图中，线142是水平的。塞与气缸的接触点66位于线142上，并处于活塞的中部。在活塞的周围，润滑间隙146是相等的。

在图13中，与在图10中所示的情况相比，曲轴18旋转了270°，活塞处于上行冲程，活塞的歪斜状况与图11中所示的不同。在此图中，线141是水平的。活塞与气缸的接触点处于活塞40上的另一个极限位置，并位于线141上。润滑间隙146在一侧闭紧，而在图11中，该侧的间隙是张开的;与此相反，润滑间隙146在另一侧张开，而在图11中，在这一侧的间隙却是闭紧的。显而易见，由线140与线141构出的“X”形，确定了活塞40在气缸22中的滑动摩擦表面。从而应使活塞40的侧表面60的弧度，大于由线140与141构成的夹角所对应的相应侧面的弧度。内顶面90始于上述“X”形所对应的圆弧的上方;而导油坡口62始于上述圆弧的上方。

下面再次参考图2进行说明。如图所示，活塞40与连杆42相互刚性连接，以便在内燃机的各个气缸22中工作。外顶面58面对着气缸中的膨胀气体;侧面60与气缸壁24接触，并将活塞40之上的膨胀气密封住。因为连杆42的下端套在位于曲轴18上的曲柄销上，故该端只做圆周运动，从而当活塞沿气缸22下行时，活塞40将会歪斜。因为外侧面60是截球形的，而且当活塞歪斜时，活塞与气缸壁的接触点66始终沿着侧面60变化，所以在活塞歪斜期间，活塞40与气缸壁24一直保持着接触。在这种方式下，活塞40本身基本上构成了全周整体的活塞环。

侧壁60应足够薄，以便适应活塞膨胀引起的变形，活塞的膨胀是由从活塞40上面的膨胀气传来的热所引起的。采用薄型侧壁的另二个理由是：（1）它们可被从下面溅上去的润滑油较快地冷却。（2）与厚壁相比，薄壁的膨胀量较小，因而活塞40在冷、热状态下的直径差不大，故可保持紧密配合。

为使气缸壁24与活塞侧壁60之间的摩擦力减至最小，在气缸壁24上必须存有润滑油。为此，在活塞40上设置了导油坡口62，即活塞40下边缘处的斜面，以把从曲轴箱中抛上来的润滑油，导向气缸壁24及外侧面60的下部。

图1中所示的标准活塞与本发明中的活塞及连杆相比，在结构和运行状态方面存在着一些差异，现在可对它们做出评价。标准活塞2在气缸22中不歪斜。它有三道带有断口34的活塞环28、30、32，这三道环是互相分开的，它们使气缸壁24与活塞2之间保持密封，并在活塞下行的过程中，将气缸壁24上的润滑油刮下。与此不同的是，本发明中的活塞40本身即已构成全周整体活塞环。

标准活塞2上装有把它与连杆4相连的活塞销6，还设有长裙部38，该裙部在气缸中起导向作用。因此，标准活塞较重，并需配备较长的气缸筒22。由于活塞40比标准活塞2轻，所以与标准活塞2的配重块20相比，活塞40的配重块56又轻、又小。

图7上示出了一些肋片160，它们与芯管70刚性连接，并沿径向向外延伸。这些肋片使顶壁58冷却，并可减小弯曲与膨胀，它们还加强了芯管70与内顶面90之间的支撑及刚度。

图8中示出的活塞40上带有一些同心肋片170，它们位于活塞的为顶面90上。这些肋片允许内顶面90有轻微的弯曲。它们还作为换热片，把活塞40中的热传给发动机中的润滑油。

图9中所示的活塞40带有加厚的底边缘180。该加厚加缘位于活塞侧壁60的内底边处，它加强活塞侧壁60的刚度，防止严重的变形。

在图10、11、12和13中，由线140及141组成的“X”形，确定了活塞40在气缸22中的滑动摩擦表面。活塞的内顶壁90始于上述的“X”形所对应的弧段的上方，而导油坡口62始于上述弧段的下方。

如果坡口62高于上述界限，则气缸24与活塞40之间的密封就会被破坏。如果坡口62低于上述界限，活塞40就会长于并重于它的必要量。坡口62增加了润滑油的必经通道146，该通道位于活塞侧壁60与气缸壁24之间。当活塞40处于最大歪斜的位置时，在活塞40较高侧，活塞壁与气缸壁之间的润滑油通道146闭紧。如果没有坡口62，则几乎没有润滑油能达到那一需油区域。坡口62提供了一个坡道，润滑油通过这个坡道流向气缸壁。所以，与标准的活塞组件相比，本发明所提供的活塞-连杆组件具有重量轻、运行平稳、密封性好、成本较低、便于制造及在同样的冲程和缸径的条件下有更大的功率等方面的特点。

尽管以上的说明包含了许多细节，但不应将此视为本发明的应用范围的限制，而应将它们视作本发明的一些优先应用实例。本发明能有多种变型，例如：活塞外顶壁的形状可以改变，以适应活塞在其内工作的气缸的内部形状及气门机构;活塞顶壁的厚度也可以改变，以便使变形或热膨胀增加或减小，从而适应活塞在其内工作的气缸;可以不用螺纹而用销钉将活塞与连杆刚性地连接起来。

Claims (3)

1、一套活塞装置，它包括一个装有圆筒形的气缸筒（22）的机体，并包括一个装在该机体上的偏心曲轴（16），该曲轴可绕与气缸筒垂直的轴（18）转动;活塞装置中还包括一个连杆（42），该连杆的一端与偏心曲轴相连，并可绕其做相对转动;活塞装置中还有一个活塞（40），装在圆筒形的气缸筒内，随着曲轴的转动，在缸筒内往复滑动;上述活塞与连杆的另一端刚性连接，而且活塞是球台形的，它被嵌入缸筒，并以球形部分表面（66）与缸筒接触，活塞有一个最大直径，该直径与圆筒形缸筒的直径基本相等，活塞的上、下端截面的直径均小于上述最大直径，活塞的上、下端截面的直径的选择，要满足下述要求：即当活塞在气缸中歪斜地滑动时，活塞与缸筒的接触保持基本连续的垂直接触平面，活塞具有实的上端截面（58），活塞是空心的并开口于下端截面，以形成活塞裙部（62），该活塞裙部有弓形的外表面，其特征在于：在空心活塞的实的上顶壁（58）的下面装有一些辐板（160），这些辐板从靠近实的上顶壁（58）中心位置起始，径向地向活塞裙部（62）延伸，连杆（42）在上述中心位置处与活塞（40）刚性连接。

2、如上述权利要求1中所提出的一套活塞装置，其特点在于：活塞与连杆螺纹连接。

3、如权利要求2中所提出的一套活塞装置，其特点在于：在连杆和活塞上的螺纹接头部分（75，76）中，有相配合的锥形肩台部（72，78）。

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