CN101668938A - 用于内燃机的活塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种活塞(10)，用于内燃机，所述活塞包括活塞顶(11)，环形火力岸(12)以及环形活塞环区(13)，所述活塞环区设有环形槽(14)；所述活塞还包括活塞裙(15)，所述活塞裙具有两个设置在活塞(10)的受压侧(DS)和背压侧(GDS)上的裙壁(16、17)，并且所述活塞裙还具有两个面向所述活塞环区(13)而凹陷设置并与所述裙壁(16、17)连接的箱体壁(18、19)，其中，所述箱体壁(18、19)设有销毂(21)，所述销毂设有毂孔(22)。由本发明可知，设置在所述受压侧(DS)上的裙壁(16)在活塞(10)的圆周方向上短于设置在所述背压侧(GDS)上的裙壁(17)。

Description

用于内燃机的活塞

技术领域

本发明涉及一种活塞，用于内燃机，所述活塞包括活塞顶，火力岸以及活塞环区，所述活塞环区设有环形槽；所述活塞还包括活塞裙，所述活塞裙具有两个设置在活塞的受压侧和背压侧上的裙壁，并且所述活塞裙还具有两个面向所述活塞环区而凹陷设置并与所述裙壁连接的箱体壁，其中，所述箱体壁设有销毂，所述销毂设有毂孔。

背景技术

马勒公司(MAHLE)公开了一种名为“Ecoform”的活塞。这种构造方式下的活塞也称为“箱体式活塞”。在典型的箱体式活塞中，活塞裙的两个侧壁相对于活塞的外部结构而凹陷设置。凹陷设置的、略长的侧壁称为“箱体壁”；其它两个略狭长的、未凹陷设置的侧壁为“裙壁”，并且所述裙壁设有活塞裙的实际工作面。在箱体壁中，设有具有毂孔的销毂。所述箱体壁和销毂在活塞顶的下侧与所述活塞顶相连接。

这种类型的活塞经常存在这样的问题，即，在运行过程中，在销毂区域以及箱体壁与活塞顶下侧的连接区域所产生的应力是如此之大，以致能够在销毂区域和活塞顶下侧产生裂缝，所述裂缝在极端的情况下能够延伸通过整个活塞顶，并且还能够使裙壁受到损坏。

发明内容

因此本发明的目的在于，能够显著地降低上述应力。此外，作为副效应，还使活塞便于制造，也就是说，降低活塞重量以及由此减轻待移动的总量(Masse)。

解决上述问题的技术方案在于提供一种具有权利要求1的技术特征的活塞。由本发明可知，设置在受压侧上的裙壁在活塞的圆周方向上短于设置在背压侧上的裙壁。

所述受压侧和所述背压侧为此而区分开，因为在燃烧室内点火的过程中在活塞顶上所产生的气压起作用时，通过倾斜的联杆使活塞的侧面受到压力或使活塞向侧面倾斜，产生的结果是，两个裙壁中的一个通过其工作面而被压向气缸孔的内壁。这个裙壁就作为设置在受压侧上的裙壁。

令本领域技术人员意想不到的就是经过试验而查明，在上述本发明的结构中，在销毂区域以及在活塞顶下侧的箱体壁的支撑区域上几乎不会产生裂缝。

从属权利要求提供了具有优势的扩展方案。

由本发明的一个优选实施例可知，将所述销毂与设置在所述背压侧上的裙壁连接在一起的箱体壁部段在销毂区域上的距离小于在裙壁区域上的距离。此外，将所述箱体壁部段与设置在所述背压侧上的裙壁的连接制成拱形、直线形、S形、U形、凸出或凹陷结构。通过这种具有优势的实施例，降低了在箱体壁上以及还有可能在裙壁上出现裂缝的危险。

与此相对地，具有优势的是，将所述销毂与设置在所述受压侧上的裙壁连接在一起的箱体壁部段在所述销毂区域上的距离等于或大于在所述裙壁区域上的距离。这意味着，相应的从销毂到达裙壁的箱体壁部段或者是相互平行延伸，或者是相互交叠延伸。由此，也降低了在箱体壁上以及还有可能在裙壁上出现裂缝的危险。

将设置在所述受压侧上的裙壁在该裙壁中间区域的厚度设成薄于该裙壁对应于所述箱体壁中的边缘区域的厚度。通常例如还能够得出，将设置在所述受压侧上的裙壁在该裙壁中间区域的厚度设成薄于该裙壁对应于所述箱体壁的边缘区域厚度的50％。由此实现了显著的重量节省，从而显著减轻了本发明活塞的待移动总量。

在这种情况下，特别具有优势的是，所述裙壁的厚度增加是从该裙壁的中间区域向边缘区域持续延伸。由此使应力载荷均匀地分布在裙壁上。

至少使设置在所述受压侧上的裙壁至少能够在该裙壁的外壳表面区域上具有比所述活塞环区更强烈的弯曲结构，也就是说，使该裙壁能够具有比所述活塞环区更大的椭圆度。通过这种方式还能够提高本发明的活塞在活塞裙区域上的弹性。

由本发明附加优选的扩展方案可知，所述箱体壁在与所述活塞顶的下侧连接的区域上相互以一定距离延伸，该距离大致对应于销毂顶点中的内部销毂边缘的距离。与此相关的试验已经证实，由此方案还可以进一步改善本发明活塞的结构刚性。

此外，所述箱体壁还能够在与所述活塞顶的下侧连接的方向上形成一锐角。该项特征的优选扩展方案在于，所述每个箱体壁与所述活塞的纵轴线形成5°-30°夹角。由此能够实现立式铸造加工的更大空间，也就是说，在本发明活塞的铸型上所采用的型芯大于现有技术所采用的型芯，所述型芯特别沿着活塞顶下侧的方向延伸开。这就使本发明活塞的活塞顶能够制成显著地薄于现有技术的活塞顶。因此，能够实现明显的重量减轻，例如，相对于现有技术减轻大约10％-15％的重量。最后，与现有技术下公知的活塞相比，箱体壁18、19的壁厚减小大约100％，从而再次实现了极为显著的重量节省。

由本发明活塞的一种特别优选的结构可知，所述箱体壁在其下方区域沿着其自由底边的方向上具有一个均匀的壁厚，或者箱体壁具有向下——沿着油室方向——持续增加的壁厚。此外，所述箱体壁的壁厚能够向着所述裙壁持续增加。这意味着，现有技术中在箱体壁的下侧所必需的凸缘或相应的加厚结构可以在此忽略。同时，实现了在运行过程中承受载荷的情况下的在所述箱体壁以及裙壁上均匀协调的应力分布。因此，通过这种优选的结构还能够进一步地降低在箱体壁以及裙壁上出现裂缝的危险。

本发明活塞的又一优选实施例示出了，所述活塞设有肋部，所述肋部从侧面限定所述毂孔，并且所述肋部从所述活塞环区的下侧区域至少延伸至所述毂孔的顶部边缘。由此，除了本发明实现了更好的弹性以及更多的重量减轻之外，本发明还实现了所述活塞在销毂区域上的特别具有优势的结构加固。在这种情况下，所述肋部能够延伸至所述毂孔的水平中轴线。进一步优选地，所述肋部呈直线或呈拱形延伸，从而避免采用能够导致不均匀的应力分布的梯形结构。

本发明的活塞能够由轻金属合金、优选地由铝合金制成。特别适合地，例如采用基于铝的、马勒(MAHLE，即“MAHLE INTERNATIONALGMBH”)公司的型号从M124、M138、M142、M145至M147的合金而制成。

本发明的活塞特别适用于承受高载荷的四冲程发动机。

附图说明

接下来根据附图对本发明的实施例进行详细说明。附图示意性而非标准限定性地示出了：

图1为本发明活塞的实施例沿图2中I-I线的截面图；

图2为图1的活塞沿图1中箭头P方向观察的示意图，其中，活塞成一定角度倾斜；

图3为图1的活塞带有裙壁的侧视图；

图4为图1的活塞沿图2中IV-IV线的截面图，其中共同示出了活塞以及示意性表明的气缸孔的内壁。

具体实施方式

图1和2示出了本发明活塞10的实施例，该活塞优选地适用于四冲程发动机。活塞10以公知的方式设有活塞顶11，以及环形的火力岸12和环形的活塞环区13；所述活塞顶设有活塞顶凹坑11a；所述活塞环区设有环形槽14。

活塞10还设有活塞裙15，该活塞裙与活塞顶11的下侧11b连接。活塞裙15又具有设置在活塞10的受压侧(DS)和背压侧(GDS)上的裙壁16、17，并且活塞裙还设有两个箱体壁()18、19，这两个箱体壁面向活塞环区13而凹陷设置并且与裙壁16、17连接。每个裙壁16、17的外围表面都表示为活塞裙15的一个工作面。每个箱体壁18、19都设有一个销毂21，该销毂设有毂孔22。由此，每个箱体壁18、19都各自分为两个箱体壁部段18a、18b和19a、19b。本实施例中，活塞10采用基于铝的、马勒(MAHLE)公司的型号从M124、M138、M142、M145至M147的合金而制成。

由本发明可知，设置在受压侧(DS)上的裙壁16在活塞10的圆周方向上短于设置在背压侧(GDS)上的裙壁17。这说明，本发明方式和方法下的裙壁16、17形成非对称结构。通过这种令本领域技术人员意想不到的方式，减少了裂缝的生成，特别是减少了销毂21区域和活塞顶11区域上的裂缝生成，这方面能够经过试验来确定。

在所示实施例中，将销毂21与设置在受压侧(DS)上的裙壁16连接在一起的箱体壁部段18a、19a相互平行延伸。这两个箱体壁部段还能够相互交叠延伸，也就是说，使箱体壁部段18a、19a在销毂21区域中的距离能够大于它们在裙壁16区域中的距离(未示出)。

裙壁16能够制成月牙形，如在图2中虚线所示。也就是说，将裙壁16在其中间区域上的横截面制成薄于在其连接到箱体壁部段18a、19a的边缘区域上的横截面。这样的横截面减小量能够达到是边缘区域横截面的50％。在所示实施例中，裙壁16的厚度变化从其中间区域向其边缘区域持续延伸，也即，并不是能够导致在裙壁16上不平均的应力分布的梯形结构。

在所示实施例中，将销毂21与设置在背压侧(GDS)上的裙壁17连接在一起的箱体壁部段18b、19b，从销毂21向裙壁17大致呈梯形向外延伸。箱体壁部段18b、19b与设置在背压侧(GDS)上的裙壁17的连接能够制成如图2所示的拱形结构。然而还可以制成直线形、S形、U形、凸出或凹陷结构。

此外，还由图2可知，所示实施例中，箱体壁18、19在与活塞顶11的下侧11b连接的区域上相互以一定距离延伸，该距离大致对应于销毂顶点中的内部销毂边缘的距离。由此，提高了本发明活塞10的结构刚性，并且因此进一步降低出现裂缝的危险。

图1还示出了，箱体壁18、19在与活塞顶11的下侧11b连接的方向上形成一锐角(α)。此外，如图1所示，每个箱体壁18、19还能够与活塞10的纵轴线(A)形成5°-30°夹角。由此，不仅能够实现一个更好的立式铸造加工(Hochgiessung)，还能够使箱体壁18、19的厚度相对于现有技术的活塞进一步减小大约100％。

最后，能够根据图1可知，在所示实施例中，箱体壁18、19在其下侧区域沿着其自由底边的方向上具有一个均匀的壁厚(d)。换句话说，通常在现有技术的箱体活塞中所必需的凸缘或相应的加厚结构能够在此忽略。由此，不仅实现了进一步的重量减轻，还进一步降低了本发明活塞10的倾斜力矩。根据图1以虚线示出的另一实施例，箱体壁18、19的壁厚能够大约从毂孔中央到箱体壁的下侧端部——沿着箱体壁自由底边的方向——线性持续地增加。

同样，本发明的范围还在于，从活塞销毂21延伸出至裙壁16、17的箱体壁18、19具有线性持续增加的壁强度。

由图3可知，本发明的活塞10上设有肋部23，该肋部从侧面限定毂孔22，并且该肋部从活塞环区13的下侧区域优选地延伸至毂孔22的水平中轴线B。此外，由图3所示的又一实施例(用虚线表示)可知，肋部23还能够延伸至毂孔22的最低点。由此实现了一个对活塞的额外加固。如图3可知，肋部23可以呈拱形延伸，还能够呈直线延伸。

图3还示出了，裙壁16、17能够以不同的方式构成，例如，以平行结构和向下侧突出的拱形结构，或是如虚线所示的梯形结构。

图4清楚地示出了本发明的活塞10与气缸孔31的内壁32共同作用的示意图。当在燃烧室内点火的过程中在活塞顶11的顶部所产生的气压导致活塞10倾斜时，作用在活塞10上的剪切力用箭头K来表示。在这种情况下，对于本发明活塞10确定的是，通过所述活塞与载荷相适应的结构实现了一个显著更薄的箱体壁厚，并且显著降低了特别是在销毂21区域以及箱体壁18、19和裙壁16、17区域上出现裂缝的危险。除此之外，还能够减轻活塞10的重量，并且由此相对于现有技术而显著减轻待移动的总量。

Claims (18)

1.一种活塞(10)，用于内燃机，所述活塞包括活塞顶(11)，火力岸(12)以及活塞环区(13)，所述活塞环区设有环形槽(14)；所述活塞还包括活塞裙(15)，所述活塞裙具有两个设置在活塞(10)的受压侧(DS)和背压侧(GDS)上的裙壁(16、17)，并且所述活塞裙还具有两个面向所述活塞环区(13)而凹陷设置并与所述裙壁(16、17)连接的箱体壁(18、19)，其中，所述箱体壁(18、19)设有销毂(21)，所述销毂设有毂孔(22)，其特征在于，设置在所述受压侧(DS)上的裙壁(16)在所述活塞(10)的圆周方向上短于设置在所述背压侧(GDS)上的裙壁(17)。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，将所述销毂(21)与设置在所述背压侧(GDS)上的裙壁(17)连接在一起的箱体壁部段(18b、19b)在所述销毂(21)区域上的距离小于在所述裙壁(17)区域上的距离。

3.根据权利要求1或2所述的活塞，其特征在于，将所述箱体壁部段(18b、19b)与设置在所述背压侧(GDS)上的裙壁(17)的连接制成拱形、直线形、S形、U形、凸出或凹陷结构。

4.根据前述任意一项权利要求所述的活塞，其特征在于，将所述销毂(21)与设置在所述受压侧(DS)上的裙壁(16)连接在一起的箱体壁部段(18a、19a)在所述销毂(21)区域上的距离等于或大于在所述裙壁(16)区域上的距离。

5.根据前述任意一项权利要求所述的活塞，其特征在于，设置在所述受压侧(DS)上的裙壁(16)在该裙壁中间区域的厚度设成薄于该裙壁对应于所述箱体壁(18、19)的边缘区域的厚度。

6.根据权利要求5所述的活塞，其特征在于，设置在所述受压侧(DS)上的裙壁(16)在该裙壁中间区域的厚度设成薄于该裙壁对应于所述箱体壁(18、19)的边缘区域厚度的50％。

7.根据权利要求5或6所述的活塞，其特征在于，所述裙壁(16)的厚度增加是从该裙壁的中间区域向边缘区域持续延伸。

8.根据前述任意一项权利要求所述的活塞，其特征在于，至少使设置在所述受压侧(DS)上的裙壁(16)至少在该裙壁的外壳表面区域上具有比所述活塞环区(13)更强烈的弯曲结构。

9.根据前述任意一项权利要求所述的活塞，其特征在于，所述箱体壁(18、19)在与所述活塞顶(11)的下侧(11b)连接的区域上相互以一定距离延伸，该距离大致对应于销毂顶点中的内部销毂边缘的距离。

10.根据前述任意一项权利要求所述的活塞，其特征在于，所述箱体壁(18、19)在与所述活塞顶(11)的下侧(11b)连接的方向上形成一锐角(α)。

11.根据权利要求10所述的活塞，其特征在于，所述每个箱体壁(18、19)与所述活塞(10)的纵轴线(A)形成5°到30°的夹角(β)。

12.根据前述任意一项权利要求所述的活塞，其特征在于，所述箱体壁(18、19)在其下方区域沿着其自由底边的方向上具有一个均匀的壁厚(d)，或者箱体壁(18c)的壁厚沿着该箱体壁自由底边的方向呈线性持续增加。

13.根据前述任意一项权利要求所述的活塞，其特征在于，从所述活塞销毂(21)延伸出至所述裙壁(16、17)的箱体壁(18、19)具有增加的壁强度。

14.根据前述任意一项权利要求所述的活塞，其特征在于，设有肋部(23)，所述肋部从侧面限定所述毂孔(22)，并且所述肋部从所述活塞环区(13)的下方区域优选地延伸至所述毂孔(22)的水平中轴线(B)。

15.根据权利要求14所述的活塞，其特征在于，所述肋部(23)延伸至所述毂孔(22)的最低点。

16.根据权利要求14或15所述的活塞，其特征在于，所述肋部(23)呈直线或呈拱形延伸。

17.根据前述任意一项权利要求所述的活塞，其特征在于，所述活塞(10)由轻金属合金、优选地由铝合金制成。

18.根据前述任意一项权利要求所述的活塞，所述活塞(10)用于四冲程发动机。

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