CN102224335B - 具有改进的侧向载荷阻力的活塞 - Google Patents

Abstract

一种活塞包括头部和从所述头部大致轴向延伸离开的裙部。裙部包括一对相对的裙板部分和与头部间隔开并且大体围绕所述活塞的周边延伸的带。活塞还包括一对支杆组件，每个支杆组件包括沿着径向向外的方向汇合的一对支杆。其中每个支杆终止在其中一个所述裙板部分处或附近。

Description

具有改进的侧向载荷阻力的活塞

本申请要求2008年10月13日提交的美国临时专利申请序列号61/104,887的优先权，其整个内容结合于此供参考。

技术领域

本发明涉及用于内燃机的活塞，更具体的是涉及具有改进的载荷阻力的这种活塞。

背景技术

内燃机中所用的活塞在工作期间经受高水平的应力。因此，活塞设计成具有足够的刚度和抗载荷能力。但是也希望使活塞的重量最小化(其改进惯性响应)以减少表面面积，特别是径向外表面上的表面面积(其减少动态摩擦)，并且顾及到其他设计条件。

发明内容

在一个实施例中，本发明是一种活塞，该活塞设计成抗载荷，特别是侧向载荷(side load)，并且还可以具有较轻的重量和较小的表面面积，以提供改进的性能。更具体地说，在一个实施例中本发明是一种活塞，该活塞包括头部和从该头部大致轴向延伸离开的裙部。裙部包括一对相对的裙板部分和与头部间隔开并且大致围绕活塞的周边延伸的带。活塞还包括一对支杆组件，每个支杆组件包括沿着径向向外的方向汇合的一对支杆。每个支杆终止在其中一个板部分处或终止在其中一个板部分附近。

附图说明

图1是本发明活塞的一个实施例的俯视透视图；

图2是图1的活塞的俯视图；

图3是图1的活塞沿着销轴线的侧视图；

图4是图1的活塞沿着垂直于销轴线的轴线的侧视图；

图5是图3活塞在孔内并且连接于杆的侧剖视视图；

图6是图4活塞在孔内并且连接于杆的侧剖视视图。

具体实施方式

如最佳图1和图2所示，在一个实施例中，本发明的活塞10包括头部12和从该头部12大致向下并且离开该头部延伸的裙部16(应当指出的是，图1和图2所示的活塞从它在使用期间的构型(图5和图6所示)倒置，因此这里所用的“向下”和“向上”取向与图1和图2所示的取向相反)。头部12的顶表面14可以具有广泛范围的构型中的任一种，例如凹形的、平坦的、圆顶形的或其他，各种气门凹坑以熟知的方式形成在顶表面中，但是在许多情况下，顶表面可以看作是大体平坦的。

多个圆周槽18可以围绕头部12的周边延伸，并且构造成将多个环和刮油环接纳在其中，以便以熟知的方式形成环组合件。活塞10可以包括连接于头部12和/或大致向下/离开头部12延伸的一对销柱(pin tower)20。每个柱销20具有穿过自身形成的大致圆形的开口22，以通过该开口接纳销24(图5和图6)。销开口22限定穿过销开口的中心的销轴线A。销轴线A可以大致平行于活塞10的头部12/顶表面。活塞10还可以具有偏离轴线B，该偏离轴线B取向成垂直于销轴线A。

在活塞10的作功行程期间，销柱20将燃烧力和活塞10的向下的运动传递给销24，并且最终传递给连杆26(图5和图6)和曲轴(未示出)。此外，在压缩和排气行程期间，销柱20防止销24和头部14朝着气缸盖向上浮动。因此，每个销柱20通常是比较刚性、坚固的结构，并且通常销柱20一起提供活塞10的主要质量。

裙部16可以是大致环形/圆柱形的并且围绕活塞10/头部12的整个周边大致圆周地延伸。裙部16可以包括设置在活塞10的大约180°相对侧上的一对相对的裙板/板部分32。每个裙板32设计成在活塞10的工作期间容纳侧向载荷，并且提供活塞10在气缸孔54内的对准。因此每个裙板32可以是大致连续的，或者没有穿过其中的任何开口，并且可以是厚度和/或强度增加的区域，并且/或从裙部16的相邻的部分/下面的部分径向向外延伸。在所示的实施例中，每个裙板32围绕裙部16/活塞10的外周边圆周地延伸约60°的总角度，尽管每个裙板32可以延伸其他距离/角度，例如在约45°和约75°之间，或在约25°和约75°之间，以便充分地抗载荷而不增加过多的重量和摩擦阻力。

裙部16可以包括形成在其中/穿过其中的多个开口34、36。具体地说，在所示的实施例中，裙部16具有包括一对相对的销轴线开口34的总共六个开口34、36，其中每个销轴线开口34设置在销轴线A上。裙部16也可以包括两组(对)中间开口36，其中在一组中的每个中间开口36设置在相邻的裙板32的每侧上。开口34、36的数目可以根据需要变化。

每个裙板32可以设置在偏移轴线B上。每个裙板32在前视图中可以是大致“I”形形状的(最佳如图4所示)，或大致三角形形状(未示出)，但是也可以具有各种其他形状和构型。在“I”形状的构型中，每个裙板32具有主体部分32a、从该主体部分32a向外延伸的一对相对的底部凸缘32b，和(可选地)从主体部分32a向外延伸的一对相对的顶部凸缘32c。主体部分32a可以在裙部16的大致整个轴向高度上延伸。相反，每个凸缘部分32b/32c可以至少部分地设置在相关的或相邻的开口46的下面/上面，因此延伸少于裙部16的整个轴向高度。例如图1所示，成角度的、弯曲的或斜面的部分40可以提供为每个裙板32的增加的厚度和相邻的裙部16的减小直径的区域之间的过渡部分。

活塞10/裙部16可以包括围绕活塞10/裙部16的周边圆周地延伸的大致连续的环圈或带42。带42可以设置在活塞10的底部边缘处或活塞的底部边缘附近；也就是说，在活塞10的相对于头部12的轴向相对端。

活塞10可以包括多个支杆44、46，该多个支杆从活塞的设置在或靠近带42和/或裙板32的径向向外的端部径向向内延伸到销柱20。例如，活塞10可以包括一对加强部件或汇合的支杆组件，其中每个汇合的支杆组件包括沿着径向向外方向汇合的一对支杆44。如图2所示，每个汇合的支杆44相对于偏移轴线B可以形成锐角C。角度C可以根据需要变化，但是在一种情况下在约10°和约35°之间。

每个汇合的支杆44可以终止(例如，在其径向向外端)在相关的裙板32处或相关的裙板32附近，更具体的，终止在裙板32的圆周中心处或裙板的圆周中心附近。汇合的支杆44可以构造成使得穿过每个汇合的支杆44画出的中心线D在位置E相交，位置E设置在相关裙板32的外面，但是较靠近相关的裙板32。具体说，交点E和裙板16之间(即，沿着偏移轴线B)的距离可以小于活塞10的平均半径的1/2或1/4，或更具体地说，小于活塞10的平均半径的约1/8。正如将要在下面更详细地描述的，可能希望相对于裙板32较靠近地定位点E，以便支杆44在裙板32的中心处或靠近裙板32的中心提供其最大的支撑。但是，应当指出，多种构型的支杆44可以用来为裙板32提供支撑，包括沿着径向向外的方向分叉的支杆、沿着径向向外的方向既不汇合也不分叉的支杆，利用单个支杆等。

活塞可以包括两组或更多组(或对)辅助的支杆46。每个辅助的支杆46可以具有径向向外端(该径向向外端设置成靠近相关的销轴线开口34的端部)，并且径向向内延伸到相关的销柱20。在所示的实施例中，每个辅助的支杆46从相关的另一个辅助支杆沿着径向向外的方向分叉。但是，应当指出，可以利用多种构型的支杆46，包括沿着径向向外的方向汇合的支杆46、沿着径向向外的方向既不汇合也不分叉的支杆等。每个支杆44、46可以大致在活塞10的整个轴向高度上延伸；即，使得每个支杆44、46不是三角形“扶壁(buttress)型”支杆；尽管在一些情况下可以用扶壁型支杆。

包括头部12、裙部16和/或带42的活塞10在俯视图中可以是圆形的，或在该视图中可以具有非圆形形状，例如卵形或椭圆形(其中下文所用的“卵形”应当包括椭圆、椭圆形形状、非椭圆的卵形等；并且其中“卵形”包括作为其子集的圆形)。在一些情况下，活塞10可以具有从顶到底(即，沿着轴向从头部12到裙部16/带42的底部)一致的外形。可选地，活塞10的外形可以沿着其轴向高度变化。例如，活塞10的各部分可以具有各种形状和尺寸，例如，圆形、具有变化直径的圆、卵形、具有变化直径的卵形(包括变化的大直径和小直径)等。

在一个实施例中，头部12、裙部16和/或带42具有一致的卵形形状，该卵形形状具有大致平行于销轴线A取向的长轴(即，具有较大的相对长度)，和大致垂直于销轴线A(即，与偏移轴线B对齐)取向的短轴(即具有较小的相对长度)。尽管它可以变化，但是长轴和短轴之间的比可以在1.4∶1和1.05∶1之间，或在1.4∶1和1∶1之间，以提供下面描述的优点。

带42、支杆44、46和椭圆的/卵形的形状或其他构型提供某些优点，并且一起合作以提高活塞的性能和刚度。具体说，正如上面所指出的，活塞10/裙部16可以具有卵形构型，其中长轴平行于销轴线A取向。工作期间，活塞10上下往复，但是也会沿着偏移轴线B的方向横向移动(所谓的副运动或摆动)(即，由于销24绕销轴线A枢转，见图5和图6)。但是，由于斜面40的径向向外端可以比活塞10上的任何其他点进一步向外伸出(由于裙板32增加的厚度和卵形形状的取向)，因此当活塞10支撑在孔54的侧壁或主体52上时，斜面40可以接收初始的侧向载荷(由于斜面设置成比伸出的裙板32的其他部分更靠近(较长的)主轴线A)。

裙部16仅仅一侧可以在单个行程中初始地接合壁52。可选地，在活塞10的持续运动/变形期间，可以产生一个以上的初始接触点，或在裙部16和壁52之间出现附加的接触点。而且，应当指出，裙部16和壁52之间的初始接触可以不总是发生在斜面40处。根据活塞10的取向和施加的力，初始接触可以发生在围绕裙部16周边的各种其他位置。

由于形成在裙部16中的中间开口36，和沿着裙部16的其他设计特征，裙部16/带42可以构造成在初始接触点40处较容易变形。因此，裙部16的这些部分的相对柔性使裙部16与孔54的内表面52相一致。因此，当施加增加的力时(即，活塞10在行程中持续地运动)，裙部16的变形沿着图1-4中的箭头58所示方向离开初始接触点40圆周地增如/扩张/移动。

靠近裙板32的斜面的/成角度的边缘40有助于引导活塞10的变形，使得裙板32抵靠孔表面52平滑地变形。因此每个斜面边缘40可以被认为是引导表面，其朝着裙板32的中心引导增加的或最大的应力。由斜面边缘40/凸缘32b、32c提供的初始接触区域也有助于使活塞10在孔54内成三角形，并且因而提供多个接触点，以在活塞的往复运动中引导活塞10并减少活塞摆动。每个裙板32和/或其凸缘32b、32c的圆周延伸能被调节，以便为活塞10提供希望的成三角形的特性，以减少副运动。

当裙部16的变形围绕其周边(即，沿着箭头58的方向)扩张时，变形/接触的前边缘最终到达裙板32的主体32a。因此，当施加足够的力时，施加于裙部16的基本上所有的侧向载荷力(无论在哪里初始地施加)最终都朝着主体32a圆周地引导。由于由主体32a提供的增加的刚度，因此更强地抵抗裙部32的持续变形。但是，当施加足够的力时，每个裙板32的中心被挤压成与孔表面52接触，这因而确保最大的侧向载荷施加在裙板32的圆周中心(见图6中的箭头56)。

正如所指出的，每个汇合的支杆44终止在相关裙板32的中心处或相关裙板的中心附近。以这种方式，当最大的载荷56施加于裙板32的中心时，汇合的支杆44抵抗侧向载荷应力并将侧向载荷应力传递给较坚固、刚性的销柱20。以这种方式，汇合的支杆44通常在施加最大载荷的位置提供最大的刚性。裙板32也可以构造成横跨其表面较均匀地散布侧向载荷，以使最高应力/力集中最小化。

此外，带42围绕裙部16的下边缘圆周地延伸，将裙部16和所有的支杆44、46连接在一起，因而为活塞10提供结构整体性。由带42和支杆44、46提供的增加的刚性使得头部12的厚度能够减小，因而提供节省的成本和减少的质量，以能够增加活塞10的惯性响应。增加的刚性也能够减小在活塞10的头部下面(即，销柱20和支杆44、46连接于头部12的位置)的应力峰值和应力集中。

此外，由于带42和支杆44、46提供的刚度使活塞10更坚固，因此裙板32的尺寸能够相应地减小，因而进一步减少活塞10的重量和在活塞使用期间的摩擦力。而且，减小头部12的厚度和裙板32的尺寸有助于确保活塞10更多的重量设置成更靠近销轴线A，因而提供更稳定的活塞组件。最后，可以提供横跨活塞10、特别是横跨顶表面14的改进的温度分布，这减小头部12内的热应力集中。

应当指出，当活塞10是卵形的时，这里描述的卵形的取向与通常的设计相反。具体说，在许多常规的活塞设计中，卵形的长轴垂直于销轴线。因此使用这种结构是由于在这种情况下，侧向载荷力初始施加于活塞的在垂直于销轴线A的位置的端部，即设置有抗载荷侧板的位置。这种构型设计成抗初始侧向载荷。

相反，这里公开的卵形设计根据完全不同的原理工作，并且设计成抵抗最大的(不必是初始的)侧向载荷。具体说，不是初始地对裙板的中心施加载荷(然后需要裙板变形以分布载荷)，而是在裙部16的较薄弱的/更容易变形的区域处、离开裙板的中心(即，在初始接触区40)初始地施加载荷。然后裙部16的这些区域变形，最终将载荷分布到裙板32的中心，裙板32设计成本质为刚性的和抗变形的。

因此，简言之，在行程开始时侧向载荷通常较小，并且在行程期间增加到某个峰值水平。以这种方式，初始接触可以在初始接触点40或在某个其他位置或甚至多个位置开始，并且围绕活塞10圆周地移动，使得最大的侧向载荷力56横跨裙板32的中心施加。考虑到裙部16的挠曲和裙板32的厚度，必需仔细地选择活塞10的形状以及长轴和短轴的比从而确保以充分的变形使得最大的侧向载荷施加于裙板32。以这种方式，最大的载荷集中能够被本质为刚性的裙板32抵抗，裙板不设计成或不会挠曲。而且，汇合的支杆44有助于增加裙板32的中心处的刚性，并且带42有助于提供所有的支杆44、46和销柱32之间的连续性，以形成牢固的活塞设计。

通过参考各种实施例详细描述了本发明，应当理解，在不脱离本发明范围的情况下其修改和变化是可能的。

权利要求如下：

Claims (16)

1.一种活塞，包括：

头部；

从所述头部大致轴向延伸离开的裙部，所述裙部包括一对相对的裙板部分，和与所述头部间隔开并且大致围绕所述活塞的周边延伸的带；和

一对支杆组件，每个支杆组件包括沿着径向向外的方向汇合的一对支杆，其中每个支杆终止在其中一个所述裙板部分处或终止在其中一个所述裙板部分附近，其中所述支杆组件构造成使得穿过每个相关的支杆组件中的每个支杆画出的线在相交位置相交，并且其中从每个相交位置到相关的裙板部分的距离小于所述活塞的平均半径的大约1/2，并且其中每个支杆组件的至少一个支杆相对于在相关的支杆组件中每个支杆之间延伸的所述活塞的半径形成小于35度的角度。

2.根据权利要求1所述的活塞，其中所述头部是所述活塞的大致平坦的轴向端表面。

3.根据权利要求1所述的活塞，其中所述活塞还包括连接于所述头部的一对销柱，每个销柱中具有开口，所述开口沿着销轴线对齐并且构造成通过所述开口接纳销。

4.根据权利要求3所述的活塞，其中所述裙部在俯视图中具有大致圆形或卵形形状，并具有大致平行于所述活塞的所述销轴线延伸的长轴，其中所述裙板部分偏离所述长轴。

5.根据权利要求4所述的活塞，其中所述裙板部分沿着偏离轴线大致对齐，所述偏离轴线大致取向成垂直于所述销轴线。

6.根据权利要求1所述的活塞，其中所述带形成闭合的环，并且设置在所述活塞的相对于所述头部的相反侧上。

7.根据权利要求1所述的活塞，其中所述裙部是大致环形的并且围绕所述头部的外周边延伸。

8.根据权利要求1所述的活塞，其中每个裙板部分是大致连续的并且与所述裙部的其他相邻区域相比径向向外延伸。

9.根据权利要求8所述的活塞，还包括设置在每个裙板部分附近的过渡区域，每个过渡区域从较少径向延伸的区域平滑地延伸到相关的裙板部分。

10.根据权利要求1所述的活塞，其中每个裙板部分围绕所述活塞在约25度和约75度之间延伸。

11.根据权利要求1所述的活塞，其中所述支杆组件构造成使得穿过每个支杆组件中的每个支杆画出的线在相交位置相交，其中从每个相交位置到相关的裙板部分的距离小于所述活塞的平均半径的大约1/4。

12.根据权利要求1所述的活塞，其中所述活塞构造成沿着销轴线将销接纳在其中，并且其中每个支杆组件关于大致垂直于所述销轴线的偏离轴线对称。

13.一种活塞，包括：

头部；

从所述头部大致轴向延伸离开的裙部，所述裙部包括一对相对的裙板部分，和与所述头部间隔开并且大致围绕所述活塞的周边延伸的带；和

一对支杆组件，每个支杆组件包括沿着径向向外的方向汇合的一对支杆，其中每个支杆终止在其中一个所述裙板部分处或终止在其中一个所述裙板部分附近，其中所述裙部具有大致卵形形状。

14.根据权利要求13所述的活塞，其中所述活塞还包括连接于所述头部的一对销柱，每个销柱中具有开口，所述开口沿着销轴线对齐并且构造成通过所述开口接纳销，其中所述裙部在俯视图中具有大致卵形形状，并具有大致平行于所述活塞的所述销轴线延伸的长轴。

15.根据权利要求14所述的活塞，其中所述裙板部分偏离所述长轴。

16.根据权利要求14所述的活塞，其中所述裙板部分沿着偏离轴线大致对齐，所述偏离轴线大致取向成垂直于所述销轴线。

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