CN101365559A - 内燃机的冷却通道活塞 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造内燃机的活塞(1)的方法，此活塞构造为用于小的压缩高度的冷却通道活塞。活塞(1)包括一下部(2)和一上部(3)，它们经由一个或多个相应的接合面(10、11、12)支承并且借助于摩擦焊相连接。活塞(1)包括一个呈槽形构成的内部冷却通道(8)，以及一个与活塞环区(4)轴向有间距地布置的外部冷却通道(9)。内部冷却通道(8)通过机械加工特别是锻造在活塞(1)的下部(2)中制出。在接合面(10、11、12)摩擦焊之前制出配置于冷却通道(8、9)的过流口(22、23)。

Description

内燃机的冷却通道活塞
技术领域
本发明涉及按照各独立权利要求的相应前序部分特征的一种钢质冷却通道活塞及其制造方法。
背景技术
US 6,155,157公开了一种冷却通道活塞，其包括两个可彼此分开制造的构件，它们经由摩擦焊工艺材料接合地相连接，以构成一个单件式的冷却通道活塞。作为冷却通道，设置一个与活塞的活塞环区保持间距的和环绕的、向活塞内轮廓方向经由流入及排流孔开放的、狭窄尺寸的环形通道。经由一个固定定位的喷嘴向冷却通道供给冷却剂，特别是油。这种可以较简单实现的冷却通道在局部位置不能够实现对活塞的充分冷却作用。
发明内容
从已知的现有技术出发，因此本发明的目的在于，实现对于可承受高负荷的钢质冷却通道活塞的最好冷却作用。
此目的通过相应的各独立权利要求的特征得以实现。
第一发明涉及一种方法，用以制造由钢铸造或锻造的、由至少两个部分在至少一个接合位置通过摩擦焊连接的冷却通道活塞，它除了一个外部冷却通道外还包括至少一个另外的带有至少一个槽形凹部的内部冷却通道。该借助于机械加工、锻造或通过铸造工艺制成的冷却通道的槽形部分区域和一个与活塞环区轴向有间距地设置的外部冷却通道经由至少一个过流口相连通。内部冷却通道的部分槽形的构型有利地加大了冷却油空腔并因此加大了冷却油容量，由此改善活塞的抖动效应并从而总体上可以明显地加强活塞的冷却作用。
部分槽形的内部冷却通道的造型还简化了在各冷却通道之间的过流口的制作，各过流口优选构造为孔。按照本发明，经由接合面支承上部和下部，在至少一个(示出了三个)接合面在下部中实施摩擦焊之前制出各冷却通道之间的过流口。其中，各过流口可以有利地通入槽形凹部的区域内。为定位各过流口设定的自由度能够确定各过流口的位置，其仅仅着眼于可实现冷却剂的一种最好的供给和足够的容积。其中，有利的是，可以保持距上部与下部之间的各接合面的足够间距。
由于存在空间上的间距，至少一个接合面的随后的摩擦焊和同时设定的焊缝凸起不会妨碍已制出的各过流口。按照本发明，结合于小压缩高度的活塞中的冷却通道沿活塞燃烧室凹腔的全部表面产生一种最好的冷却作用。同时，大体积构成的各冷却通道有利地减轻了活塞重量。通过适配的外部及内部冷却通道的壁厚(各冷却通道在活塞销座孔的上方在槽形扩展部的周围扩大)，从而实现一种结构坚固的活塞，该活塞可以满足极高的要求并且可以低成本制造。
本发明的冷却通道的一种优选的设计规定，冷却通道也在活塞的最大热负荷区域内延伸。为此，部分槽形的内部冷却通道在活塞销座孔的区域内具有一个垂直定位的部分，在其上，在端侧连接一个折弯的、倾斜于活塞的对称轴线定位的旋转对称的部分。内部冷却通道的该倾斜延伸的部分保持间距地沿循着活塞的燃烧室凹腔的轮廓。在径向外侧，在内部冷却通道上连接外部冷却通道。离开活塞环区平行间隔地设置的外部冷却通道的纵向延伸超过活塞环区的长度尺寸。各冷却通道在活塞内定位的方式是使它们由几乎相同壁厚的壁包围。为了简化加工和制造，特别是在小压缩高度的情况下，优选在活塞下部中制出全部的配置于各冷却通道的过流口。
按照第二发明提供了一种方法，用以制造钢质冷却通道活塞，其具有一个中心的内冷却室，该方法包括轧压工艺。在活塞的一个呈圆拱顶状构成的按照槽形状的中心内部区域内，借助于机械加工结合以覆盖元件制出一个内部冷却室或内部冷却通道，该内部冷却通道配置有与其径向错开的一外部冷却通道。活塞的制造过程规定：在最终的轧压工艺之前，在各冷却通道之间制出油冷却的过流口，其也称为供给孔。为使活塞环区通过弯曲而处于最终的位置，利用轧压工艺。
本发明为了建立内部冷却室而包括有一个覆盖元件或成型件，它向下封闭内部区域。为此，优选使用呈盘状或杯状构成的覆盖元件。优选形锁合的和/或力锁合的固定，例如压配合连接，适用于覆盖元件的固定。或者，设置熔焊或钎焊来固定覆盖元件，覆盖元件包括至少一个用于冷却剂的排出孔。
由DE 37 13 191 C1已知一种用以制造两件式活塞的锻造头部的方法，其中，一个方法步骤包括使活塞环部分弯曲到最终的位置。这种活塞仅仅包括一个在外侧设置的狭小构造的冷却通道，其只能保证局部的活塞冷却，因此不是充分的大面积的活塞冷却作用。例如，在该已知的活塞中，在内部的燃烧室凹腔的区域内没有实现针对性的冷却剂供给。
不同于此，按照本发明的活塞结构能够实现一种极好的冷却作用。经由按照中心的槽形状的内部冷却通道或冷却室，结合为其径向设置的外部冷却通道，各冷却通道便包围了活塞的全部受强热负荷的区域。通过轧压工艺结合以冷却通道的针性设置，可实现一种结构坚固的钢活塞，其具有优化的、特别是包括整个活塞底面的冷却作用。因此，本发明的活塞经得起极高的负荷并且可在具有高功率密度的内燃机中使用。
按照本发明的方案简化或优化了活塞的制造，特别是优选设计为孔的各过流口的制作。在目前的钢活塞中，孔的制造需要提高制造费用。由于难以接近活塞的内部，那些总是倾斜延伸的孔只能用长的钻头来加工。本发明的方法为从内部冷却通道或内部冷却室出发、通入外部冷却通道的过流口的设置提供了很大的构型自由空间。有利地，可以只考虑改善冷却通道的冷却剂供给，来实现过流口的位置、定向和数量设定，以达到活塞的最佳冷却效果。
本发明的活塞的另一优选实施形式规定，为了构成按槽形状实施的中心的内部区域的内部冷却室，沿活塞销座孔的方向具有一个环绕的环形槽，其用作为冷却液的保持容积。优选借助机械加工来制造该环形槽。
按照本发明的另一方面，为了加工制造钢质冷却通道活塞(其包括一上部和一下部)，采用轧压工艺，它与至少一个主焊连接相组合。该方法包括以下步骤。通过接合区域支承下部和上部，在活塞内制出一个内部冷却通道或一个内部冷却室以后，焊接各相应的接合区域。对此优选采用摩擦焊。紧接着制出各过流口，它们将内部冷却通道与外部冷却通道连通。也可以选择在焊接之前制出各过流口。最后，利用成型过程、轧压工艺使活塞环区通过弯曲而处于其最终的位置。
附图说明
说明书下文描述了图1至7中示出的按照本发明设计的冷却通道活塞的不同的实施例。其中：
图1：冷却通道活塞的第一实施例；
图2：按图1的冷却通道活塞旋转了90°；
图3：冷却通道活塞的第二实施例；
图4：冷却通道活塞的第三实施例；
图5：冷却通道活塞的第四实施例；
图6：冷却通道活塞的第五实施例；
图7：按图6的冷却通道活塞旋转了90°。
具体实施方式
图1和2分别示出了构造为冷却通道活塞的内燃机用活塞1的半体剖视图，其由一下部2和一上部3构成。此外，活塞1还包括一个确定用于三个活塞环的活塞环区4、一个燃烧室凹腔5、一个活塞裙和一个活塞销座孔7。在下部2和上部3接合在一起以后，活塞1构成有一内部冷却通道8和一外部冷却通道9。同时，下部2和上部3经由不仅在轴向而在径向彼此错开设置的接合面10、11、12支承，它们为构成组合部件借助于摩擦焊相连接，但也可设想其他数量的接合面。
焊接部清楚地示出了每一接合面10、11、12指向冷却通道的方向的焊接凸起13、14、15、16。通过下部2的接合区域17a、17b、17c与上部3的相应的接合区域18a、18b、18c的互相配合构成了各个接合面10、11、12，它们同时限定了活塞1内冷却通道8、9的边界。呈瓶状成形的外部冷却通道9具有超过活塞环区4的纵向延伸。内部冷却通道8的槽形结构如图1中所示在活塞销座孔7的区域内形成一垂直的部分19，在其上，在端侧连接一个折弯的、倾斜于活塞1的对称轴线20延伸的部分21。在活塞销座孔的上方在该区域之外，将冷却通道8限定到所述部分21，其轴向与燃烧室凹腔5的轮廓隔开间距地沿循着延伸。为实现冷却剂供给，为冷却通道8、9配置过流口22、23，各冷却通道局部地在活塞1的下部2和上部3中延伸。在此，冷却通道8接近于对称轴线20具有一个也称为排出孔的过流口22。在一中间壁中，在接合面11的下方制出另一个将冷却通道8与冷却通道9连通的过流口23。
活塞1的结构和制造方法使得过流口22、23能够在下部2和上部3摩擦焊之前加工，因此使过流口22、23的制作变得容易。过流口22的位置和数量是没有限制的，并且几乎可以任意地实现对于冷却剂供给的需要。过流口23的位置和数量受限于槽形的凹部19。如图1和2所示，由几乎相同壁厚的壁包围冷却通道8、9。该措施有利地改善了散热并且优化了活塞1的结构强度。
图3至7示出的活塞31设计与按图1和2的活塞1有所不同。
为了制造按图3的活塞31，首先在上部33的中心的内部区域53中制出一个内部冷却室38a。其中，冷却室38a的内壁与燃烧室凹腔35的轮廓间隔开延伸。此外，在限定内部冷却室38a的壁中制出至少一个将冷却室38a与冷却通道39连通的过流口45。不同于所示的倾斜上升的过流口45，它可以以任意的形状或方位制造。下部32和上部33分别具有一个接合区域41a、41b，它们共同构成一接合面40，经由该接合面，借助于摩擦焊将两构件相连接。
由于到接合面40有足够的间距，过流口45不受摩擦焊所设定的焊缝凸起42、43影响。在完成焊接以后，将活塞环区34从图3中未示出的向外转的位置弯曲到最终位置，在该最终位置，活塞环区34的外表面同心于活塞31的对称轴线52延伸，其同时与活塞裙36的轮廓相一致。由此，活塞环区34在外侧限定出外部冷却通道39。轧压工艺确保了弧状延伸的接缝46的密封，该接缝设定在活塞环区34与活塞裙36之间。内部冷却室38a向下、指向活塞销座孔37的方向由一个与下部32成一体连接的底面47限定。为了实现冷却室38a的冷却剂供给，底面47设有至少一个中心过流口44。
按照图4，活塞31不具有接合面。在制造方法的未绘出的中间阶段，活塞环区34被偏转，从而在实现活塞环34弯入之前，可以不需要专用刀具地制出过流口45。对于内部冷却室38b的下面的界限，设置一个盘状的优选由薄钢板制成的覆盖元件48，其借助于焊接或夹紧持久地固定在活塞壁上。为实现冷却剂供给，在该覆盖元件48中制出至少一个过流口44。
图5示出了这样的活塞31，其不同于图4，包括一个呈杯状成形的覆盖元件49，将内部冷却室38b封闭。这个可以通过深冲方法有利地无切削制造的覆盖元件49配置于活塞31的上面的毂区域50。熔焊或硬钎焊或者选择夹紧连接适用于其固定，借此可将覆盖元件49力锁合地固定在毂50上。
按照图6，活塞31包括一个优选机械制造的内部冷却通道38c。为此，在上面的毂区域内和在与其垂直的区域51内制出一环形通道，该环形通道朝燃烧室凹腔35的方向是敞开的。图7示出了按图6的活塞31旋转90°的半剖视图，其表明：区域51并因而冷却通道38c是环绕设置的。此外，图6和7还表示出具有不同定向的过流口45的活塞31。
                      附图标记清单
1    活塞                     31    活塞
2    下部                     32    下部
3    上部                     33    上部
4    活塞环区                 34    活塞环区
5    燃烧室凹腔               35    燃烧室凹腔
6    活塞裙                   36    活塞裙
7    活塞销座孔               37    活塞销座孔
8    冷却通道                 38a   冷却室
9    冷却通道                 38b   冷却室
10   接合面                   39c   冷却通道
11   接合面                   39    冷却通道
12   接合面                   40    接合面
13   焊接凸起                 41a   接合区域
14   焊接凸起                 41b   接合区域
15   焊接凸起                 42    焊接凸起
16   焊接凸起                 43    焊接凸起
17a  接合区域                 44    过流口
17b  接合区域                 45    过流口
17c  接合区域                 46    接缝
18a  接合区域                 47    底面
18b  接合区域                 48    覆盖元件
18c  接合区域                 49    覆盖元件
19   部分                     50    槽边缘
20   对称轴线                 51    槽边缘
21   部分                     52    对称轴线
22   过流口                   53    内部区域
23   过流口

Claims (14)

1.用于制造内燃机的钢质活塞(1)的方法，此活塞构造为用于小的压缩高度的、具有至少两个冷却通道(8、9)的单件式冷却通道活塞，其包括一下部(2)和一上部(3)，所述上部和下部经由至少一个相应的接合面(11)支承并且借助于一种接合工艺特别是摩擦焊相连接，其特征在于，所述活塞(1)包括一个通过机械加工、锻造或铸造制成的内部冷却室(8)，该冷却室在活塞销座孔(7)上方的区域内具有一种槽形的几何形状(19)；所述活塞还包括一个与活塞(1)的活塞环区(4)有间距地布置的外部冷却通道(9)；其中，冷却通道(8)具有至少一个通向所述外部冷却通道(9)的过流口(23)，该过流口通入所述冷却室(8)的槽形的部分区域中；冷却通道(8)还具有至少一个通入活塞内轮廓中的过流口(22)；其中，在所述至少一个接合面(11)摩擦焊之前在活塞(1)中制出各孔。
2.按照如权利要求1所述的方法制造的活塞(1)，其特征在于，上部(3)和下部(2)经由刚好三个相应的接合面(10、11、12)借助于一种接合工艺特别是摩擦焊相连接，其中，各接合面的壁构成两冷却通道(8、9)的壁的部分区域。
3.按照如权利要求1所述的方法制造的活塞(1)，其特征在于，内部冷却通道(8)的槽形的部分区域(19)在活塞销座孔(7)的区域内接近于垂直定位，并且在端侧连接一个折弯的、倾斜于活塞(1)的对称轴线(20)定位的部分(21)。
4.按照权利要求2或3所述的活塞，其特征在于，冷却通道(8、9)设置在活塞(1)的下部(2)和上部(3)中。
5.按照权利要求2或3所述的活塞，其特征在于，冷却通道(8、9)由几乎相同壁厚的壁包围。
6.按照权利要求2或3所述的活塞，其特征在于，冷却通道(8、9)保持间距地沿循着燃烧室凹腔(5)的轮廓在活塞(1)中制出。
7.按照权利要求2或3所述的活塞，其特征在于，为冷却通道(8、9)所配的过流口(22、23)配置于活塞(1)的下部(2)。
8.用于制造内燃机的特别是锻造的单件式钢质冷却通道活塞的方法，该方法包括轧压工艺，其中，具有至少一个外部及一个内部冷却通道(8、9)的活塞(31)包括一个活塞环区(34)，所述活塞环区通过弯曲而处于最终的位置，其特征在于，借助于机械加工或者与一覆盖元件(48、49)结合，在活塞(31)的内部区域(53)中制出一内部冷却室(38a、38b)或一内部冷却通道(38c)，沿径向间隔距离地为其配置一外部冷却通道(39)，其中，至少一个过流口(45)将外部冷却通道(39)与内部冷却通道(38c)或内部冷却室(38a、38b)连通。
9.按照权利要求8所述的方法，其中，所述活塞(31)包括一下部(32)和一上部(33)，其特征在于，包括下列用以制造活塞(31)的步骤：
-制出内部冷却通道(38c)或内部冷却室(38a、38b)；
-焊接至少一个在下部(32)与上部(33)之间的接合面(40)；
-制出至少一个过流口(45)，该过流口将内部冷却室(38a、38b)或内部冷却通道(38c)与外部冷却通道(39)连通；
-将活塞环区(34)弯曲到其最终的位置。
10.按照如权利要求8或9所述的方法制造的活塞，其特征在于，一个环绕的、包括有凹槽的凸缘(51)在呈圆拱顶状构成的内部区域(53)处构成内部冷却通道(38c)。
11.按照如权利要求8、9或10所述的方法制造的活塞，其特征在于，为了形成内部冷却室(38a、38b)，活塞(31)的内部区域(53)指向活塞销座孔(37)并由一个插入活塞(31)中的、具有至少一个过流口(44)的覆盖元件(48、49)限定。
12.按照权利要求11所述的活塞，其特征在于，为固定覆盖元件(48、49)而设置形锁合和/或力锁合或材料接合的连接。
13.按照权利要求11所述的活塞，其特征在于，一个呈盘状或杯状构成的覆盖元件(48、49)封闭内部冷却室(38a、38b)。
14.按照权利要求2或3或者按照权利要求11所述的活塞，其特征在于，外部冷却通道(9、39)具有超过活塞环区(4、34)的纵向延伸。
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