CN101784780A - 内燃机活塞 - Google Patents

Abstract

提供一种具有裙部的内燃机活塞，该内燃机活塞能够在减小摩擦阻力的同时长期保持良好的摩擦特性。在裙部(4)的滑动表面上形成有树脂涂层(44)的内燃机活塞(1)中，裙部(4)包括形成在裙部周向中心部的薄壁部分(51)和形成在该薄壁部分(51)的相反两侧的厚壁部分(52)，其中至少在所述厚壁部分处在树脂涂层中形成多个凹坑(45)。可选地，所述裙部包括裙部主体(41)，裙部主体(41)在保持距活塞中心轴线的距离基本恒定的同时轴向延伸，第一直径减小部分(42)从裙部主体的下边缘向下延伸，同时距活塞轴线的距离逐渐减小，其中所述凹坑(45)布置在位于所述裙部主体和所述第一直径减小部分之间的第一边界的第一边界线(6)上。

Description

内燃机活塞

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机的活塞，该活塞包括裙部，该裙部上设置有用于降低摩擦阻力的树脂涂层。

背景技术

活塞裙部控制活塞的倾斜运动，该运动是在活塞往复运动期间由于活塞与气缸内壁滑动地接合而引起的。因此，如果作用于裙部表面的摩擦阻力过大，阻碍活塞往复运动的摩擦负载增加，这会导致燃料经济性降低和过度的磨损。

因此，已经提出了通过在裙部表面设置浸渍有固体润滑油的树脂涂层来改进摩擦特性，并在裙部中形成小的凹口，以便将润滑油保留在各个凹口中。然而，树脂涂层迟早会磨坏，而且期望的裙部摩擦特性无法维持更长的时段。即使在裙部中形成凹口时，油膜也无法在凹口外侧的一些部分中保留，因此摩擦特性可能不会象期望的那样改善。

为了克服这些问题，例如在日本专利特开公报No.2006-161563中提出利用形成有多个均匀间隔的凹坑的树脂材料层来涂覆活塞裙部的表面。由此，润滑油可保留在裙部的表面，树脂涂层负荷的降低可使得磨损减少。即使有些地方未形成合适的油膜，树脂涂层也能提供所需的摩擦特性。

发明内容

本发明要完成的任务

然而，裙部受到的来自气缸内壁的表面压力绝不是均匀的。表面压力的不均匀是由活塞往复运动时的行为以及活塞结构引起的。当树脂涂层形成在表面压力预期较高的部分时，树脂涂层容易磨损和/或剥落。另外，润滑油会高效地降低摩擦阻力。因此，根据树脂涂层和凹坑的布置，可以大大改变树脂涂层的摩擦特性和耐久性。

本发明是在考虑了现有技术的问题之后提出的，主要目的在于提供一种包括裙部的内燃机活塞，该内燃机活塞使得摩擦阻力相对较小并能够在持续较长的时间段内保持良好的摩擦特性。

实现任务的方式

为了实现该目的，本发明提供了一种内燃机活塞，该内燃机活塞包括：头部；一对活塞销孔形成壁，该活塞销孔形成壁从所述活塞的完全相反的两侧轴向悬置；一对裙部，该裙部从所述活塞的完全相反的两侧轴向悬置，并在所述活塞销孔形成壁之间周向地延伸；以及树脂涂层，该树脂涂层淀积在各裙部的外表面上；在所述树脂涂层的承受来自气缸内壁的较大负载的部分中形成有多个凹坑。

特别地，优选的是接收来自气缸内壁的较大负载的所述树脂涂层的部分包括裙部的具有较高刚度的部分。根据本发明的优选实施方式，每个裙部包括薄壁部分和一对厚壁部分，所述薄壁部分形成在所述裙部的周向中心部，所述厚壁部分形成在所述薄壁部分的每一侧，并且所述凹坑至少形成于淀积在所述厚壁部分上的树脂涂层中。

因此，用作润滑油储器的所述凹坑设置于在活塞往复运动期间受到最高表面压力的所述厚壁部分中。通过润滑油进行润滑在减小摩擦方面比树脂涂层更加有效，因此可提高总体润滑性能。特别地，因为可避免在树脂涂层和气缸内壁之间的油膜在表面压力相对高的区域内中断，因此这减少了对树脂涂层的磨损和其他破坏。

优选地，所述头部包括围绕其周面的环形油环槽和将所述油环槽底部与活塞内部相连通的排油孔，所述排油孔设置为与所述凹坑相邻。因为相对大量的润滑油可保留在厚壁部分的凹坑中，所以通过设置与厚壁部分的一个凹坑轴向对齐的排油孔，在活塞往复运行期间可有效地从该部分去除过量的润滑油，从而可在该部分中保留适量的润滑油。

根据本发明的另一个方面，可通过提供一种内燃机活塞来实现所述目的，在所述内燃机活塞中，接收来自气缸内壁的较大负载的树脂涂层的部分包括在所述裙部外周面上的周向延伸脊线。

根据本发明的优选实施方式，所述裙部包括第一直径减小部分和在其轴向中间部分设置的裙部主体，所述裙部主体距活塞的中心轴线等距地轴向延伸，所述第一直径减小部分从裙部主体的下端悬置，并且距所述活塞中心轴线的距离朝该第一直径减小部分的下端逐渐减小，所述脊线位于所述裙部主体和第一直径减小部分之间的第一边界。

另外地或可选择地，所述裙部还包括第二直径减小部分，第二直径减小部分从所述裙部主体的上端向上延伸，并且距所述活塞中心轴线的距离朝该第二直径减小部分的上端逐渐减小，所述脊线位于所述裙部主体和第二直径减小部分之间的第二边界中。

由此，所述裙部设置为筒形，所述裙部主体与该裙部的其余部分相比径向突出。当具有该裙部的活塞在气缸中往复运动时，所述第一边界和第二边界以及裙部的下部要比裙部的其他部分更有力地被压靠气缸内壁。通过在被相对用力地压靠气缸内壁的部分中设置凹坑，可将足量的润滑油供给到这些部分，从而改进摩擦特性。另外，淀积在裙部上的树脂涂层与气缸内壁之间的直接接触，以及对树脂涂层的磨损和其他破坏可减少到最小。

优选地，所述凹坑包括在所述第一直径减小部分和第二直径减小部分之间与所述第一边界平行设置的那些凹坑。由此，通过在第一直径减小部分和第二直径减小部分之间设置凹坑，由这些凹坑保留的润滑油可供给到与第一边界和第二边界相邻的部分，从而避免在与第一边界和第二边界邻近的部分中的润滑油不足。

优选地，所述头部包括围绕其圆周的环形油环槽、以及将所述油环槽的底部与所述活塞内部相连通的排油孔，所述排油孔设置为与一个所述凹坑轴向地对齐。因为润滑油可特别有利地保留在形成有凹坑的裙部中，因此通过在从凹坑看去时在轴向上设置排油孔，可有效地去除过量的润滑油，并可保留适量的润滑油。

附图说明

现在，参照附图对本发明进行描述，附图中：

图1是实施本发明的内燃机活塞的前视图；

图2是活塞的侧视图；

图3是沿着图1中的线III-III剖取的剖视图；

图4是活塞的仰视图；

图5是沿着图1中的线V-V的剖视图；

图6是表示作用在活塞裙部的表面压力的分布的图；

图7利用等高线示出了裙部受到的来自气缸内壁的表面压力的分布。

具体实施方式

下面参照附图，根据具体实施方式更加详细地描述本发明。下面的公开中，假定活塞的头部指向上方。

如图1和图2所示，活塞1包括：头部2，其用于在内燃机气缸中部分地限定燃烧室；一对活塞销孔形成壁5，其从头部2的完全相反的部分悬置，并限定了用于接纳活塞销的一对活塞销孔3以及一对裙部4，裙部4按照与活塞销孔形成壁5相互交替的关系，从头部2的完全相反的部分悬置，从而使得裙部与气缸内壁可滑动地接合。活塞销孔形成壁5周向地延伸，从而使得裙部4彼此相连。

如图3所示，头部2设置为倒置的杯形。考虑到头部2在操作时发生的热膨胀，其顶面在常温下设置为椭圆形。头部2的周面形成有三个环形槽，从上方依次包括第一压缩环槽21、第二压缩环槽22和油环槽23。当活塞装在发动机上时，第一压缩环槽21和第二压缩环槽22接纳相应的压缩环(图中未示出)，而在油环槽23中接纳油环(图中未示出)。

如图5和6所示，裙部4包括：薄壁部分51，在薄壁部分51的周向中部具有相对小的径向壁厚；一对厚壁部分52，其在薄壁部分51的每侧具有相对大的径向壁厚。每个厚壁部分52的外侧端与相邻的活塞销孔形成壁5相连。裙部4通常设有基本椭圆的横截面，其短轴与活塞销的轴线对齐。由此，裙部4构造成当承受负载时可沿着气缸的内壁滑动。

与薄的壁面部分51相比，当每个厚壁部分52设有相对大的径向壁厚并与相应的活塞销孔形成壁5直接相连时，每个厚壁部分52都表现出了相对高的刚度。因此，每个裙部4的周向中部或薄壁部分51可称作低刚度区域L，而薄壁部分51的两侧或厚壁部分52的区域可称作高刚度区域H。在图示的实施方式中，在每个裙部4的整个周向长度上，中心的三分之一由薄壁部分51(低刚度区域L)组成，而低刚度区域L的两侧上的余下的三分之二由厚壁部分52(高刚度区域H)组成。

如图1至3所示，裙部4包括部分圆柱形的裙部主体部分41，裙部主体部分41基本上距活塞1的轴向中心线Y等距地轴向延伸。第一直径减小部分42从裙部主体部分41的下部悬置，第一直径减小部分42的直径朝其下端逐渐减小。第二直径减小部分43从裙部主体部分41的上部向上延伸，第二直径减小部分43的直径朝其上端逐渐减小。因此，如图4中以高度放大的方式所示的那样，当在裙部4的垂直截面中看去时，裙部主体部分41比裙部4的其余部分在径向上更向外突出。在图示的实施方式中，当在垂直截面图中看去时，第二直径减小部分43的外周面相对于裙部主体部分41的外周面的倾斜角大于第一直径减小部分42相对于裙部主体部分41的外周面的倾斜角。该截面形状在活塞1的整个周面上基本保持相同，并且活塞1为筒形，直到与其裙部4相连。裙部主体部分41和第一直径减小部分42之间的边界称为第一边界6，而裙部主体部分41和第二直径减小部分43之间的边界称为第二边界7(见图1)。如图6所示，在活塞1中，两个裙部4和两个活塞销孔形成壁5以交替的方式周向相连，使得活塞5对应部分的横截面设置成短轴与活塞销的轴线对齐的近似的椭圆形状或轨迹形状。

如图1所示，具有规定厚度的树脂涂层44淀积在与气缸内壁可滑动接合的每个裙部5的表面。树脂涂层44例如可由具有低的摩擦阻力和高的耐热性的单一组分树脂材料组成，但也可由将固体润滑剂和单一组分的树脂材料相结合的复合树脂材料组成。

树脂涂层44形成有布置成规则图案的凹口或凹坑45。每个凹坑45由图示实施方式中树脂涂层44缺失的部分组成，但也可由树脂涂层44厚度小于其余部分的树脂涂层44厚度的部分组成。在任何情况下，每个凹坑45具有指定的容积。在本申请中，这些凹口称为凹坑。在图示实施方式中，每个凹坑45是圆形的，但也可设置为多边形或长条形。

在各个厚壁部分52中形成有多个这样的凹坑45。在图示的实施方式中，每个裙部4的每个厚壁部分52中形成9个凹坑。每个薄壁部分51上额外地形成15个凹坑，但这是可选的，且在其他实施方式中，薄壁部分51可没有凹坑。也可以在厚壁部分52上布置密的凹坑而在薄壁部分51上布置稀的凹坑。

在图示的实施方式中，凹坑45在薄壁部分51和厚壁部分52中都沿轴向布置。凹坑45的该线性阵列可按均匀间隔周向地布置，使得凹坑45布置成大致网格的图案。在其它实施方式中，凹坑也可以布置成不同的图案。

油环槽23设有排油孔24。排油孔24紧邻凹坑45设置。一个排油孔24设置在每个厚壁部分52的轴向上方。在图示的实施方式中，另一个排油孔24也设置于薄壁部分51的轴向上方，但在其他实施方式中，在薄壁部分51的轴向上方可以不设置排油孔。

根据本发明的另一个方面，在各种情况下，凹坑45以均匀间隔布置于第一边界6和第二边界7上，并且还与第一边界6平行地以均匀间隔布置于第一直径减小部分42上。另外，凹坑45与第一边界6平行地以均匀间隔布置于位于第一边界6和第二边界7之间的区域(或者裙部主体41)中。在图示的实施方式中，7个凹痕布置于第一边界6上，7个凹坑布置在第二边界7上，5个凹坑布置在裙部4的下部，7个凹坑布置在第一边界6和第二边界7之间，7个凹坑布置在裙部4的上部。在其他实施方式中，裙部4上部的凹坑45可以省略。

油环槽23设有紧邻各裙部的三个排油孔24，排油孔24将油环槽23与活塞内部相连通。排油孔24位于各裙部4之上并与相应凹坑45轴向对齐。

以下描述图示实施方式的运行模式。图示实施方式中的活塞1为普通活塞，且该活塞的各裙部4受到表面压力，当活塞1往复运动且裙部4与气缸内壁可滑动地接合时，所述表面压力根据位置而变化。活塞1和气缸之间设有小的间隙，以避免它们之间的卡死，并且由于活塞1根据连杆位置和倾角的变化进行往复运动，活塞1不可避免地前后倾斜。更具体地，当一个裙部由于活塞往复运动而最初压靠气缸的内壁时，薄壁部分51(低刚度区域L)上的表面压力增加。然而，因为薄壁部分51具有小的径向厚度，薄壁部分51比较容易地沿径向向内方向变形，这样抑制了表面压力的增加。另一方面，因为厚壁部分52具有大的径向厚度，而且厚壁部分52与相应的活塞销孔形成壁5相连接，因此厚壁部分52(高刚度区域H)更耐变形，当薄壁部分51变形时，厚壁部分52会被更有力地压靠气缸内壁，从而提高表面压力。

如图7所示，在裙部4中，厚壁部分52的表面压力大致高于薄壁部分51上的压力。图7利用等高线示出了裙部4受到的来自气缸内壁的表面压力的分布。等高线朝着裙部4的各个周向侧部向下延伸。这意味着表面压力沿着位于相同轴向位置的周线朝着各个横向侧增加。裙部4上的位置越高，表面压力越大，因为裙部4的上端连接到头部2且由此具有高刚度。如图7所示，当沿活塞1的周向看去时，表面压力相对均匀较低的区域位于裙部4的中间三分之一。因此，当裙部沿着周向分成近似三等分时，在任意一侧部上表面压力比较高的区域对应于两个厚壁部分52。

在图示的实施方式中，当活塞1进行往复运动时裙部4上受到来自气缸内壁的相对较高的表面压力的那部分或厚壁部分52形成有凹坑45。因为每个凹坑45具有一定的容积，其可作为保留润滑油的储器。因此，紧邻各个凹坑45的裙部4的滑动表面获得了足够的润滑油的供给，并由此表现出了非常小的摩擦阻力。

树脂涂层更容易从承受较高表面压力的厚壁部分52上磨损和/或剥落，但凹坑45的设置减少了树脂涂层44的表面积，并且使树脂涂层44更不容易被破坏。另外，从凹坑45至树脂涂层44表面的充足的润滑油的供应使得树脂涂层44与气缸内壁之间的直接接触减少到最小。因此，作用于树脂涂层44上的负载最小，而树脂涂层44的耐久性最大化。而且，沿着轴线布置凹坑有助于有利地为裙部4的滑动表面保持润滑油。

在活塞1的位于厚壁部分52的轴向上方的部分中设置排油孔24有助于从活塞1和气缸内壁之间的滑动表面有效地去除过量的润滑油。厚壁部分52中保留了相对较多的润滑油，而且为该区域中的滑动表面保留了适量的润滑油，由此在该区域实现了有利的润滑。在厚壁部分52轴向上方的区域，通过油环收集在油环槽23中的过量润滑油特别充足，因此，采用有效的手段从这些区域去除过量的润滑油是非常有益的。

下面将描述活塞1进行往复运动时的特性。在压缩冲程中，当活塞1在气缸内向上移动时，活塞1被推向气缸内壁的反推力侧。在压缩冲程结束，膨胀冲程开始时(或在到达上死点时)，连杆从反推力侧向推力侧运动，这又使得活塞1从气缸内壁的反推力侧向推力侧运动。在这个过程中，由于连杆的倾斜运动，使得活塞1相对于气缸轴线倾斜。结果，活塞1开始从裙部4的下部(第一直径减小部分42)与气缸内壁的推力侧接合。

随后，在被推向气缸内壁反推力侧推的过程中，活塞1运行至下死点。这时，由于连杆的倾斜运动，活塞1再次以这样的方式倾斜，即气缸内壁推力侧的之间的接触点沿着裙部4从裙部4的下端向上移动。一旦活塞1到达了下死点，活塞1就开始在活塞1裙部4的邻近第二边界7的部分与气缸内壁推力侧相接触。当活塞1通过下死点时，由于连杆此刻位于反推力侧，活塞1也开始与气缸内壁的反推力侧相接触。因为活塞1要在下死点保持其姿势，所以活塞4在其下端部与气缸内壁的反推力侧相接触。此后，活塞1在倾斜的同时，朝着上死点运动。这样，在活塞1进行往复运动时，会改变活塞1与气缸内壁接合的点。

由于上述活塞1的特性及裙部4的形状，裙部4的经受较高表面压力的部分邻近第一边界6和第二边界7以及裙部4的下部。在活塞往复运动期间，由于活塞1的倾斜运动，裙部主体41径向地突出，所以邻近第一边界6和第二边界7的部分开始与气缸内壁相接合，并且这导致了裙部4下部的高表面压力。而且，在活塞1经过上死点和下死点后裙部4的下部与气缸内壁立即接合的情况导致了在邻近第一边界6和第二边界7的部分中的高表面压力。

在图示的实施方式中，凹坑45布置于表面压力较高的部分。由于每个凹坑具有一定的容积，其用作保存润滑油的储器。结果，与各凹坑45相邻的裙部4的滑动表面收纳了足量的润滑油并表现出低的摩擦阻力。

高表面压力对树脂涂层意味着磨损和剥落形式的破坏的风险会更高。凹坑45的设置减少了树脂涂层44的表面积，并且容易被破坏的部分可最小化。由凹坑45供给至树脂涂层44表面的足量润滑油防止了树脂涂层44与气缸内壁之间的直接接触。因此，树脂涂层44上的负载最小化，并且可改善树脂涂层44的耐久性。

因为凹坑45布置在位于第一边界6和第二边界7之间的区域中，所以润滑油有利地保留在该区域中。由于该区域邻近第一边界6和第二边界7，因此第一边界6和第二边界7也得到润滑油的供给。由此，润滑油有利地保留在第一边界6和第二边界7邻近的部分中。

在活塞1的位于凹坑45轴向上方的部分中设置排油孔24，这样促进了从活塞1和气缸内壁之间的滑动表面有效地去除过量润滑油。因为形成有凹坑45的裙部4保留了特别多的润滑油，所以由油环收集在油环槽23中的过量润滑油在活塞1的位于裙部5轴向上方的部分中非常充足。在滑动表面上保留适量的润滑油保证了有利的润滑。

根据图示实施方式的描述，需要注意的是，本发明并不局限于图示的实施方式，而是可通过许多不同方式来实现。例如，本发明也可应用于活塞销孔偏离活塞中心的偏置销活塞。另外，图示实施方式中的凹坑的形状、数量以及布置图案都仅仅是示例性的，并且在不脱离本发明精神的情况下可进行各种修正。

本申请要求巴黎公约优先权的原始日本专利申请的内容和本申请中提到的现有技术作为参考结合至本申请中。

Claims (11)

1.一种内燃机活塞，该内燃机活塞包括：

头部；

一对活塞销孔形成壁，所述活塞销孔形成壁从所述活塞的完全相反的两侧沿轴向悬置；

一对裙部，所述裙部从所述活塞的完全相反的两侧沿轴向悬置，并在所述活塞销孔形成壁之间周向地延伸；以及

树脂涂层，该树脂涂层淀积在各裙部的外表面上；

在所述树脂涂层的承受来自气缸内壁的较大负载的部分中形成有多个凹坑。

2.根据权利要求1所述的内燃机活塞，其中所述树脂涂层的承受来自气缸内壁的较大负载的所述部分包括所述裙部的具有较高刚度的部分。

3.根据权利要求1所述的内燃机活塞，其中每个裙部包括薄壁部分和一对厚壁部分，所述薄壁部分形成在所述裙部的周向中心部，所述厚壁部分形成在所述薄壁部分的每一侧，并且所述凹坑至少形成于淀积在所述厚壁部分上的所述树脂涂层中。

4.根据权利要求3所述的内燃机活塞，其中所述头部包括围绕其周面的环形油环槽和将所述油环槽的底部与所述活塞的内部相连通的排油孔，所述排油孔设置为与一个所述凹坑轴向地对齐。

5.根据权利要求2所述的内燃机活塞，其中所述凹坑包括那些与所述排油孔轴向对齐的凹坑。

6.根据权利要求1所述的内燃机活塞，其中所述树脂涂层的承受来自气缸内壁的较大负载的所述部分包括在所述裙部的外周面上的周向延伸的脊线。

7.根据权利要求6所述的内燃机活塞，其中所述裙部包括第一直径减小部分和在该裙部轴向中间部分设置的裙部主体，所述裙部主体距所述活塞的中心轴线等距地轴向延伸，所述第一直径减小部分从所述裙部主体的下端悬置，并且距所述活塞中心轴线的距离朝该第一直径减小部分的下端逐渐减小，所述脊线位于所述裙部主体和所述第一直径减小部分之间的第一边界中。

8.根据权利要求7所述的内燃机活塞，其中所述裙部还包括第二直径减小部分，该第二直径减小部分从所述裙部主体的上端向上延伸，并且距所述活塞中心轴线的距离朝该第二直径减小部分的上端逐渐减小，所述脊线位于所述裙部主体和所述第二直径减小部分之间的第二边界中。

9.根据权利要求8所述的内燃机活塞，其中所述凹坑包括在所述第一直径减小部分和所述第二直径减小部分之间与所述第一边界平行设置的那些凹坑。

10.根据权利要求9所述的内燃机活塞，其中所述凹坑包括在所述第一直径减小部分内与所述第一边界平行布置的那些凹坑。

11.根据权利要求10所述的内燃机活塞，其中所述头部包括围绕其周面的环形油环槽、以及将所述油环槽的底部与所述活塞的内部相连通的排油孔，所述排油孔设置为与一个所述凹坑轴向地对齐。

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