CN102171435A - 具有减摩油腔和储油槽的活塞裙 - Google Patents

具有减摩油腔和储油槽的活塞裙 Download PDF

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Abstract

一种活塞(20)包括沿纵轴(L)延伸并具有一对彼此相对的凸形外表面(42)的活塞裙(30)。各外表面(42)设有位于所述销孔轴(P)上的一储油槽(44)和位于所述销孔轴(P)下的一油腔(46)，该油腔通过一中间油扩散区域(48)与所述储油槽(44)隔开。该储油槽(44)和该油腔(46)各具有在外表面(42)区域上延伸并被倾斜侧壁(52)围绕的底部(50)。油腔(46)和储油槽(44)在所述外表面(42)之间的过渡部分和所述底部(50)设有圆角(54)，使得该储油槽(44)、该油腔(46)和外表面(42)无尖锐的边。

Description

具有减摩油腔和储油槽的活塞裙
相关申请的交叉引用
本申请要求申请日为2008年7月25日、申请号为61/083,768的申请以及申请日为2008年9月22日、申请号为61/098,912的申请的优先权，该两申请的全部内容通过引用结合在本文中。
技术领域
本发明涉及内燃机活塞，特别是涉及具有降低活塞裙与气缸之间的摩擦和敲击噪声结构的活塞。
背景技术
在内燃机的工作循环过程中，气缸的往复活塞与气缸壁之间常会产生不良摩擦和敲击噪声。一般地，随着内燃机速度的增加，其活塞裙与气缸之间的摩擦也会增加。摩擦导致的结果是，活塞裙上会形成接触痕迹。业界已采用各种方法来降低摩擦和敲击噪声，包括在活塞裙上涂敷低摩擦涂层，改变活塞裙形状，为活塞外表面供油，还包括在活塞裙内设置油槽以容纳所提供的油。受让人为Federal-Mogul Bradford Limited的美国第7,086,152号专利提供了这种具有油槽的活塞的实例。虽然这些方法在降低摩擦方面有所帮助，但仍不能消除该摩擦和敲击噪声问题。
发明内容
所述活塞包括沿一纵轴延伸的活塞本体。该活塞本体具有一对销毂，该销毂具有沿一销孔轴对齐的销孔。该销孔轴横穿该纵轴。活塞本体还包括具有外表面的活塞裙，该外表面在所述活塞裙的圆周方向上具有凸形轮廓。活塞裙的外表面设有位于所述销孔轴之上的至少一个储油槽和位于所述销孔轴之下的至少一个油腔。该油腔通过活塞裙的一中间油扩散区域与所述储油槽纵向隔开。该至少一个油腔和至少一个储油槽在活塞裙的外表面之间的过渡部分和该至少一个储油槽和该至少一个油腔的一底部设有圆角或边，使得该至少一个储油槽和该至少一个油腔无尖锐的边或转角。
对油腔和储油槽进行设计，以容纳油并产生内燃机循环过程中往复活塞裙外表面所需的油扩散模式。对于外表面而言，特别是对于高接触区域，例如中间油扩散区域，油起到缓冲的作用。油腔和储油槽的设计令油在外表面上均匀分布。活塞提供的油扩散模式将摩擦和敲击噪声降至合格水平。进一步地，不像现有活塞随着内燃机速度增加产生的摩擦增加，该包括产生所需油扩散模式的油腔和储油槽的活塞，随着内燃机速度的增加，减少了外表面和气缸之间的摩擦。
附图说明
为了更清楚地说明和理解本发明的其他优点，以下结合附图对本发明进行详细描述，其中：
图1是外表面设有油腔和储油槽的活塞的侧视图；
图2是外表面设有油腔和储油槽的活塞的侧视图，其中，该油腔设有开口侧；
图3是具有预定表面面积、储油槽、三角形油腔的活塞裙的外表面的侧视图；
图4是活塞的两外表面的侧视图，其中，油腔和储油槽在其中一外表面上共同延伸的面积小于在另一外表面上共同延伸的面积；
图5是沿图2中5-5线的活塞储油槽的部分放大剖面俯视图，其中，储油槽的底深大于油腔的底深；
图6A是沿图3中6A-6A线的储油槽的部分放大剖面俯视图，其中，虚线所示为现有技术；
图6B是沿图3中6B-6B线的储油槽的部分放大剖面俯视图，其中，虚线所示为现有技术；
图7A是图6A中所示外表面与储油槽之间的圆角被进一步放大的部分剖面俯视图，其中，虚线所示为现有技术；
图7B是图6A中所示储油槽的倾斜侧壁与底部之间的圆角被进一步放大的部分剖面俯视图，其中，虚线所示为现有技术；
图8是活塞的侧视图，展示具有销座部并将两外表面分开的侧面；以及
图9是具有多个储油槽和多个油腔的活塞的侧视图。
具体实施方式
参考附图，显示了用于内燃机中的活塞20。活塞20典型地用于四冲程汽油动力内燃机中。活塞20包括沿纵轴L延伸的活塞本体22。该活塞本体22设有环状的环形带24。该环形带24具有多个可切进该环形带24的环形槽26。可通过常用方式，将活塞环28设置于各环形槽26中，如图8A所示。活塞本体22可具有如图1-4所示设计，或者其他设计。
活塞20进一步包括从环形带24向底端32延伸预定纵向裙长ls的活塞裙30，如图1所示。该活塞20可一体成型，或者由多个部分结合而成。裙长ls大约为54mm，或为其他长度。活塞裙30具有一对彼此相对的侧面34，各由环形带24延伸至活塞裙30的底端32。该侧面34典型地彼此相同，且各设有一具有销孔38的销毂36，如图8所示。该销孔38沿横穿纵轴L的销孔轴P轴向对齐。销孔38可通过常见方式收容活塞销40，如图8所示，从而将活塞20连接至连接杆。典型地，活塞裙30的表面粗糙度为约12-18Rz。
活塞裙30包括两个彼此相对且由侧面34彼此分开的外表面42，或裙片，如图8P。外表面42从环形带24向活塞裙30的底端32纵向延伸，如图1-4所示。各外表面42在活塞裙30的圆周方向上具有凸形轮廓，如图5所示。外表面42典型地彼此相同并关于纵轴L对称。
外表面42各具有位于销孔轴P上方的至少一个储油槽44和位于销孔轴P下方的至少一个储油槽44，以便在内燃机循环中容纳油。典型地，各外表面42设有一储油槽44和一油腔46，如图1-4所示，但可具有多个储油槽44、多个油腔46、或者多个储油槽44和油腔46，如图9所示。该油腔46与储油槽44通过活塞裙30的一中间油扩散区域48纵向隔开，如图1-4所示。换句话说，油扩散区域48与储油槽44和油腔46相分离。
油腔46和储油槽44各设有在外表面42范围上延伸的底部50，该底部50呈矩形。各底部50的底深db在约10微米和约50微米之间，但典型地为35微米。典型地，底深db在整个相应具有矩形形状的区域大致相同，如图5所示。同样，储油槽44的底深db可大于油腔46的底深db，同样如图5所示，使得相比油腔46而言，储油槽44能够容纳更多的油。
油腔46和储油槽44还设有过渡至外表面42和底部50的倾斜侧壁52。该倾斜侧壁52可围绕整个底部50或部分底部50。倾斜侧壁52具有斜插深度dr，其典型地由外表面42向底部50减小，如图6B所示。
油腔46和储油槽44在活塞裙30的外表面42之间的过渡部分和底部50设有圆角54或边。倾斜侧壁52经圆角54过渡至活塞裙30的外表面42和储油槽44与油腔46的底部50。换句话说，储油槽44、油腔46以及外表面42无尖锐的边或转角。外表面42、储油槽44以及油腔46的设计允许油平稳流入或流出油腔46和储油槽44，并在外表面42上均匀扩散。
储油槽44和油腔46典型地由矩形构成，如图1、2和4所示。在一可选实施例中，油腔46可构成三角形，如图3所示，但油腔46和储油槽44亦可为其他形状。储油槽44和油腔46典型地关于纵轴L对称，如图1-4所示，但亦可不关于该轴对称，或者位于外表面的其他位置。油腔46的腔长为l1，腔宽为w1；储油槽44的槽长为l2，槽宽为w2。腔长l1可大于槽长l2，腔宽w1可小于槽宽w2，如图1、2和4所示。
储油槽44和油腔46典型地大致等面积，如图1-4所示。活塞裙30的外表面42之一可具有图3中实线所示预定表面面积A，而典型地，储油槽44和油腔46共同构成该预定表面面积A的大致三分之一，同样如图3所示。然而，该油腔46和储油槽44，或者多个油腔46和储油槽44，可具有彼此不同的面积，且其共同构成的面积可大于或小于预定表面面积A的三分之一。
典型地，油扩散区域48将储油槽44和油腔46彼此相隔约55％的预定裙长ls。然而，该油扩散区域48亦可将油腔46和储油槽44，或者多个油腔46和储油槽44相隔其他距离。典型地，该储油槽44距环形带24比距销孔轴P近，如图1-4所示。在一可选实施例中，部分油腔46沿活塞裙30的底端32设置，如图2和3所示，因此该油腔46沿活塞裙30底端32设有开口侧34，该开口侧34未被倾斜侧壁52或外表面42围绕。
在一实施例中，该活塞裙30可仅在其外表面42之一上，例如，仅在推力侧34，设置该至少一个储油槽44和该至少一个油腔46。在另一实施例中，油腔46和储油槽44在活塞20推力侧34共同占据的面积大于非推力侧34，如图4所示，这使得各外表面42上可形成不同的油扩散模式。活塞裙30可包括或可不包括低摩擦涂层，如图5所示，如果包括，则该涂层可涂覆或可不涂覆于该油腔46和储油槽44。
如上所述，在内燃机循环过程中，往复活塞20和气缸内壁之间，特别是在活塞20的推力侧，常产生摩擦和裙敲击噪声。设计油腔46和储油槽44以提供位于活塞裙30外表面42上的厚油膜。该油可具有均匀厚度，并起到外表面42上的液压缓冲的作用。当油在油腔46和储油槽44之间移动并经外表面42扩散时，可形成在整个外表面42上延伸的模式。换句话说，外表面42的各部分被油保护，以避免摩擦。外表面42上产生的油扩散模式则可降低活塞裙30和气缸壁之间的摩擦和敲击噪声。
特别是，在内燃机的下行动力冲程期间，油腔46中的油可在外表面42的油扩散区域48上即大量摩擦产生之处向上扩散。在油扩散区域48上扩散的油可馈入储油槽44。在上行动力冲程时，该储油槽44中的油可在油扩散区域48上向下扩散，进入油腔46。当活塞20往复运动时，外表面42上可产生所需要的油扩散模式。该改良设计带来另一个好处，即，随着内燃机速度的增加，活塞裙30和气缸壁之间产生的摩擦的量降低。
可将储油槽44和油腔46的尺寸调整至能够为外表面42提供最佳数量和位置的摩擦。例如，下行冲程期间位于活塞20推力侧34的活塞裙30外表面42和气缸之间产生的摩擦可大于上行冲程期间非推力侧34所产生的摩擦，且该上行冲程期间非推力侧34所产生的摩擦位置略有不同。因此，可将储油槽44和油腔46设计为在推力侧34较在非推力侧34覆盖更大的面积以容纳更多的油，如图4所示。
储油槽44和油腔46可由直线电机无凸轮椭圆车床加工而成。该车床可包括设有控制算法的数字控制器，该控制算法可根据活塞20尺寸及油腔46和储油槽44的期望尺寸编程并改变。进一步地，在与加工活塞20相同的加工过程中，油腔46和储油槽44可结合进活塞裙30。
很明显，根据以上描述可以对本发明做各种改变和修改，均在所附权利要求的范围内。这些描述应被解释为涵盖发明的新颖性实现其效用的任何结合。此外，权利要求中的参考数字仅便于理解，而不能以任何方式解读为对其的限制。

Claims (18)

1.一种用于内燃机的活塞(20)，包括：
沿纵轴(L)延伸的活塞本体(22)，具有一对销毂(36)和活塞裙(30)，该销毂(36)具有沿横穿所述纵轴(L)的销孔轴(P)对齐的销孔(38)，该活塞裙(30)具有一外表面(42)，该外表面在所述活塞裙(30)的圆周方向上具有凸形轮廓；
所述活塞裙(30)的所述外表面(42)，设有位于所述销孔轴(P)之上的至少一个储油槽(44)和位于所述销孔轴(P)之下的至少一个油腔(46)，该至少一个油腔(46)通过所述活塞裙(30)的一中间油扩散区域(48)与所述至少一个储油槽(44)纵向隔开；
其中，所述至少一个储油槽(44)和所述至少一个油腔(46)在所述活塞裙(30)的所述外表面(42)之间的过渡部分和该至少一个储油槽(44)和该至少一个油腔(46)的一底部(50)设有圆角(54)或边，使得该至少一个储油槽(44)和该至少一个油腔(46)无尖锐的边或转角。
2.根据权利要求1所述的活塞(20)，其特征在于，所述至少一个储油槽(44)和所述至少一个油腔(46)具有倾斜侧壁(52)，该倾斜侧壁(52)经所述圆角(54)过渡至所述活塞裙(30)的所述外表面(42)和所述至少一个储油槽(44)与所述至少一个油腔(46)的所述底部(50)。
3.根据权利要求2所述的活塞(20)，其特征在于，所述倾斜侧壁(52)具有从所述底部(50)向所述外表面(42)减小的斜插深度(dr)。
4.根据权利要求1所述的活塞(20)，其特征在于，所述至少一个储油槽(44)和所述至少一个油腔(46)的所述底部(50)各具有10微米至50微米的底深(db)。
5.根据权利要求1所述的活塞(20)，其特征在于，所述至少一个储油槽(44)和所述至少一个油腔(46)的所述底部(50)各具有底深(db)，该至少一个储油槽(44)的底深(db)大于该至少一个油腔(46)的底深(db)。
6.根据权利要求1所述的活塞(20)，其特征在于，所述至少一个储油槽(44)和所述至少一个油腔(46)面积相等。
7.根据权利要求1所述的活塞(20)，其特征在于，所述外表面(42)具有预定表面积(A)，所述至少一个储油槽(44)和所述至少一个油腔(46)共同延伸该预定表面面积(A)的三分之一。
8.根据权利要求1所述的活塞(20)，其特征在于，所述油腔(46)各具有腔长(l1)和腔宽(w1)，所述储油槽(44)各具有槽长(l2)和槽宽(w2)，所述腔长(l1)大于所述槽长(l2)，所述腔宽(w1)小于所述槽宽(w2)。
9.根据权利要求1所述的活塞(20)，其特征在于，所述活塞裙(30)具有预定纵向裙长(ls)，所述至少一个储油槽(44)和所述至少一个油腔(46)彼此相隔约50％的所述预定纵向裙长ls。
10.根据权利要求1所述的活塞(20)，其特征在于，所述至少一个油腔(46)距所述活塞裙(30)的底端(32)较距所述销孔轴(P)近。
11.根据权利要求1所述的活塞(20)，其特征在于，所述至少一个储油槽(44)距所述活塞裙(30)的顶端较距所述销孔轴(P)近。
12.根据权利要求1所述的活塞(20)，其特征在于，所述至少一个油腔(46)至少部分沿所述活塞裙(30)的底端(32)设置。
13.根据权利要求1所述的活塞(20)，其特征在于，所述外表面(42)的凸形轮廓和所述至少一个储油槽(44)和所述至少一个油腔(46)关于所述纵轴(L)对称。
14.根据权利要求1所述的活塞(20)，其特征在于，所述至少一个储油槽(44)和所述至少一个油腔(46)的所述底部(50)各在所述外表面(42)范围延伸具有矩形形状。
15.根据权利要求1所述的活塞(20)，其特征在于，所述至少一个储油槽(44)和所述至少一个油腔(46)的所述底部(50)各在所述外表面(42)范围延伸具有三角形形状。
16.根据权利要求1所述的活塞(20)，其特征在于，所述活塞裙(30)具有一对彼此相对的所述外表面(42)，各外表面(42)设有所述至少一个储油槽(44)和所述至少一个油腔(46)。
17.根据权利要求16所述的活塞(20)，其特征在于，所述至少一个储油槽(44)和所述至少一个油腔(46)在所述外表面(42)之一上共同延伸的面积小于在另一外表面(42)上共同延伸的面积。
18.一种用于内燃机的活塞(20)，包括：
沿一纵轴(L)延伸的活塞本体(22)，
所述活塞本体(22)包括设有多个环状环形槽(26)的环形带(24)；
设于各所述环形槽(26)中的活塞环(28)，
所述活塞本体(22)包括从所述环形带(24)到底端(32)延伸预定纵向裙长(ls)的活塞裙(30)，
所述活塞裙(30)包括一对设有销毂(36)的侧面(34)，该销毂(36)具有沿横穿所述纵轴(L)的销孔轴(P)对齐的销孔(38)，
所述活塞裙(30)包括一对彼此相对且由所述活塞本体(22)的所述侧面(34)彼此分开的外表面(42)，
各所述外表面(42)在所述活塞裙(30)的圆周方向上具有凸形轮廓；
各所述外表面(42)的所述凸形轮廓关于所述纵轴(L)对称，
所述活塞裙(30)的各所述外表面(42)设有位于所述销孔轴(P)之上的至少一个储油槽(44)和位于所述销孔轴(P)之下的至少一个油腔(46)，该至少一个油腔(46)通过所述活塞裙(30)的一中间油扩散区域48与所述至少一个储油槽(44)纵向隔开，
所述至少一个储油槽(44)和所述至少一个油腔(46)各具有在所述外表面(42)区域上延伸的底部(50)，该底部(50)具有矩形形状，
所述底部(50)具有10微米至50微米的底深(db)，
所述底深(db)在整个相应具有矩形形状的区域相同，
所述至少一个储油槽(44)的底深(db)大于所述至少一个油腔(46)的底深(db)，
所述至少一个储油槽(44)和所述至少一个油腔(46)在所述活塞裙(30)的所述外表面(42)之间的过渡部分和该至少一个储油槽(44)和该至少一个油腔(46)的所述底部(50)设有圆角(54)或边，使得该至少一个储油槽(44)和该至少一个油腔(46)无尖锐的边或转角，
所述至少一储油槽(44)和所述至少一油腔(46)具有倾斜侧壁(52)，该倾斜侧壁(52)经所述圆角(54)过渡至所述活塞裙(30)的所述外表面(42)和所述至少一个储油槽(44)与所述至少一个油腔(46)的所述底部(50)，
所述倾斜侧壁(52)具有从所述底部(50)向所述外表面(42)减小的斜插深度(dr)，
所述至少一个储油槽(44)和所述至少一个油腔(46)关于所述纵轴(L)对称，
各所述油腔(46)具有腔长(l1)和腔宽(w1)，
各所述储油槽(44)具有槽长(l2)和槽宽(w2)，
所述腔长(l1)大于所述槽长(l2)，
所述腔宽(w1)小于所述槽宽(w2)，
所述至少一个储油槽(44)和所述至少一个油腔(46)在所述外表面(34)上延展相等尺寸的区域，
所述中间油扩散区域(48)将所述至少一个储油槽(44)与所述至少一个油腔(46)彼此纵向隔开约50％的所述预定纵向裙长(ls)。
所述至少一个油腔(46)距所述底端(32)较距所述销孔轴(P)近。
所述至少一个储油槽(44)距所述环形带(24)较距所述销孔轴(P)近。
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