CN102667125A

CN102667125A - 具有粗糙表面的活塞

Info

Publication number: CN102667125A
Application number: CN2010800532732A
Authority: CN
Inventors: 蔡正硕; 乌多·罗特曼; 沃尔夫冈·赖因; 道格拉斯·埃里奥特
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2012-09-12
Also published as: WO2011035919A1; JP2013506086A; EP2483548A1; US20110073061A1; BR112012006958A2

Abstract

本发明公开了一种用于内燃机的活塞，该活塞包括：活塞顶，其具有上表面和下表面；活塞裙；以及大致杯状的顶底部分，其形成在所述活塞顶的下表面上并且与所述活塞裙的一对相对的侧壁的顶部成一体，所述顶底部分的表面的至少一部分是粗糙的以限定至少一个表面积增大区域，其中，在所述至少一个表面积增大区域中，所述顶底部分的表面的最高点与最低点之间的距离在约0.1mm至1.0mm的范围内。

Description

具有粗糙表面的活塞

相关申请的交叉引用

该申请要求2009年9月28日提交的美国临时申请No.61/246,250以及2010年9月10日提交的美国申请No.12/879,444的优先权，上述两项申请的全部内容在此以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及用于具有粗糙内表面的内燃机的活塞。

背景技术

与内燃机的其它组件相比，用于内燃机的活塞组件在使用期间通常会变得非常热并且受到比较严重的热应力，特别是活塞的顶壁或顶部尤为如此，活塞的顶壁或顶部直接暴露于由活塞部分地限定的燃烧室内的热气。由于内燃机动力输出增加而产生的热负荷增加，对于现代内燃机而言，活塞组件顶部温度的问题变得更严重。

附图说明

图1是包括活塞裙和活塞顶的活塞的局部剖视图；

图2是图1的活塞内部的底视图；

图3是图1的活塞中包括表面积增大区域的顶底部分（undercrown）的一部分的剖视图；

图4是用以形成图3的顶底部分的铸造工具的顶视图；

图5是图1的活塞中包括多个表面积增大区域的顶底部分的顶视图；

图6是用以形成图5的多个表面积增大区域的另一铸造工具的顶视图；

图7是示例性活塞铸造工艺的工艺流程图；

图8是图4中的铸造工具的另一实例的顶视图；

图9A是图1的活塞中包括另一表面积增大区域的顶底部分的顶视图；

图9B是图9A中交叉影线部分的放大视图；

图10是包括图9A的顶底部分的活塞内部的顶视图，该顶底部分包括另一表面积增大区域；以及

图11是用以形成图9A中的表面积增大区域的铸造工具的顶视图。

具体实施方式

现在参照下面的论述以及附图，它们详细地示出了实现所公开的系统和方法的示例性方案。尽管附图示出了一些可能的方案，但为了更好地对本发明进行举例说明和解释，附图未必按比例绘制，某些特征可能被放大、去除或局部剖开。此外，本文中的描述并不旨在穷举性的或将权利要求限制为或限定为附图中示出的确切形式和构造以及在下述详细描述中公开的内容。

此外，在下面的论述中可能会引入一些常量。在一些情况下，提供了这些常量的示例性数值。在其它情况下，这些常量的数值将取决于相关部件的特性、这些特性彼此间的相互关系以及与所公开的系统相关的环境条件和操作条件。

现在回到附图特别是图1，图中公开了用于内燃机的示例性活塞20。活塞20包括活塞顶30和活塞裙32。活塞顶30包括燃烧碗40和环带部分42。环带部分42包括用于接纳多个活塞环（未示出）的多个环槽50、52和54。具体地，环带部分42可以包括最接近活塞顶30的第一环槽50、第二环槽52以及离活塞顶最远的第三环槽54。第一个环槽50和第二环槽52可以具有布置在其中的压缩环（未示出），而第三环槽54可以具有布置在其中的润滑油控制环（未示出）。

冷却通道44可以位于活塞20的内部，并且可以包括冷却通道表面60，其中该冷却通道表面60至少部分地由活塞顶30的内壁62和活塞裙32的内壁64限定。冷却通道44还可以包括一个或多个流体流入孔70和一个或多个流体流出孔72，以促进流体通过冷却通道44流动。然而，应当知道，根据特定应用，可以存在或不存在冷却通道44。

如图1和图2所示，活塞裙32包括穿过具有内表面76、78的活塞壁75、77的一对相对的销孔74，该销孔用于接纳活塞销（未示出），以便将活塞20旋转地连接至连杆（未示出）。活塞裙32限定大致杯状的内部空间79。活塞裙32还包括具有内表面83、85和顶部86、87的一对相对的侧壁82、84，该顶部86、87与顶底部分80成一体。顶底部分80形成于活塞顶30的下表面处并且呈大致杯状。顶底部分80可以位于活塞20的最高部分的下面。

如图3所示，顶底部分80包括至少一个表面积增大区域88，在该区域中，顶底部分80的表面是粗糙的。表面积增大区域88的粗糙度是由多个凹口90生成的。可以在活塞20的铸造期间在顶底部分80中形成凹口90，然而与仅仅由于实施铸造而带来某种程度的粗糙度的更传统的铸造技术相比，本发明是有意识地增加粗糙度。更具体地，凹口90可以延伸至低于顶底部分80表面约0.1mm至1.0mm的范围内的深度。在某些情况下，可能希望获得更严格的公差。这样，每个凹口90均增加了顶底部分80的表面积。

如此，凹口90在顶底部分80中形成表面积增大区域88。在一些示例性方案中，这些区域是相邻的，并且在其它方案中，这些区域仅位于有必要更有效地散热的位置处。顶底部分80的表面积增大区域88改善了活塞20的散热，这是由于较大的表面积允许散发更多的热量。由于活塞20在工作期间反复受到严重的热应力和温度，因此对活塞20的散热的这些改善可以提高活塞20的性能。由于顶底部分80位于活塞20的最高部分（该部分也是在活塞20的工作期间活塞20的最热区域）的下面，因此在顶底部分80中形成至少一个表面积增大区域88通常是有效的。因此，在顶底部分80中形成的至少一个表面积增大区域88潜在地对活塞20的散热具有最大影响。

增大表面积增大区域88的尺寸也会增加能够由活塞20散发的热量。表面积增大区域88可以占据活塞20的顶底部分80的任何部分。优选地，表面积增大区域88占据顶底部分80的表面上如铸造技术所允许那样大的面积。另外，如图2所示，表面积增大区域88可以延伸到顶底部分80之外和延伸到活塞20内部的其它表面（包括活塞裙32的侧壁82、84的内表面83、85中的一个或两个内表面）上。

如上所述，可以在活塞20的铸造期间在顶底部分80中形成表面积增大区域88。活塞20也可以通过传统的铸造方法（诸如但不限于砂型铸造、消失模铸造、熔模铸造或压铸法等）形成。可以改变这些铸造方法以增加凹口90的数量和深度。仅作为示例，可以通过在包括第一上模具部件（上型箱，未示出）和第二模具部件（下型箱，未示出）的模具中实施压铸法来形成活塞20。如图4所示，这些模具部件可以包括多个型芯或铸造工具92，这些型芯或铸造工具92用于形成活塞20的近净形状和表面积增大区域88。铸造工具92包括弯曲上部94，该弯曲上部94用于在铸造过程中形成顶底部分80和由活塞裙32限定的大致杯状的内部空间79。

铸造工具92的弯曲上部94的外表面可以包括表面粗糙器96。如图4所示，表面粗糙器96包括多个铸造凹口90，这些铸造凹口90形成在铸造工具92的弯曲上部94中。可以通过任何合适的方法在铸造工具92中刻出这些铸造凹口90，这些方法包括但不限于电火花腐蚀或磨削。通过在铸造过程中对应于多个铸造凹口90在活塞20的顶底部分80上形成凹口90，这些铸造凹口90在活塞20的顶底部分80上生成具有峰和谷的粗糙表面（如图3中所示）。顶底部分80上的这些凹口90形成了表面积增大区域88。由于刻在铸造工具92中的铸造凹口90可以具有可变深度，因此在顶底部分80上形成的凹口90可以具有相应的可变深度。这样，如图3所示，可以在顶底部分80上的表面积增大区域88中形成具有可变深度的凹口90的图案。

在顶底部分80中形成的表面积增大区域88的尺寸是由铸造工具92中刻有铸造凹口90的弯曲上部94的表面积大小来确定的。在铸造工具92中形成有铸造凹口90的弯曲上部94的表面积越大，在铸造过程中形成在活塞20中的表面积增大区域88的尺寸就越大。事实上，增大铸造工具92中刻有铸造凹口90的弯曲上部94的表面积可以将表面积增大区域88（图2和图3中所示）形成在除了顶底部分80以外的其它表面（包括活塞裙32的侧壁82、84的内表面83、85）上。

另外，如图5所示和以上所述，在铸造过程中可以在顶底部分80上形成多于一个的表面积增大区域88。这可以通过下述方式实现：在如图6所示借助于分界线99彼此分隔的独立表面粗糙器区段97中，在铸造工具92的弯曲上部94中刻出铸造凹口90。每个独立表面粗糙器区段97都将在铸造过程中在活塞20的顶底部分80中形成表面积增大区域88。

现转到图7，图7示出了用于形成活塞20的工艺流程100。工艺流程100可以从步骤102开始，在步骤102，在铸造工具92中刻出表现为多个铸造凹口90形式的表面粗糙器96。铸造凹口90可以刻在铸造工具92中的允许改变的任何部分，诸如但不限于弯曲上部94。

在步骤104，组装用于铸造活塞20的模具（包括铸造工具92）。该模具可以包括多个铸造工具（型芯）92并且可以以各种方式定位。仅作为示例，可以使用5件铸造工具92，其中至少存在首先插入和移除的中间部分并且外部型芯围绕该中间部分。应当知道，铸造工具92之间的空隙限定活塞20的最终形状。在步骤106，通过浇铸系统将熔融金属注入或浇注到围绕铸造工具92的空隙中以在模具中铸造活塞20。在铸造工艺中，在铸造工具92的弯曲上部94中形成的表面粗糙器96在活塞20的顶底部分80中形成对应的粗糙表面。该粗糙表面限定用于改善活塞20的散热特性的至少一个表面积增大区域88。然后，在步骤108，通过首先移除中间铸造工具接着移除外部铸造工具92来从模具中分离铸造工具92。然后，在步骤110，从模具中移除活塞20并进行冷却。在从模具中移除活塞20之后，可以对活塞20进行自然冷却或可以对活塞20进行热处理（诸如但不限于退火、表面硬化、析出强化、回火、淬火等）。这些热处理可以改变所使用材料的物理或化学特性，并且可以赋予活塞20特定的硬度。

另外，如图8所示，用于在顶底部分80中形成凹口90的表面粗糙器96可以是施加到铸造工具92的弯曲上部94的涂层（未示出），诸如但不限于陶瓷或其它的耐热涂层。当涂层施加到活塞20的顶底部分80时，该涂层可以在铸造过程中通过在顶底部分80上形成凹口90来形成顶底部分80上的粗糙表面的至少一部分。顶底部分80上的这些凹口90形成了表面积增大区域88。由于施加到铸造工具92的涂层的特性，形成在顶底部分80上的凹口90可以具有可变深度。因此，可以在表面积增大区域88中形成具有可变深度的凹口90的随机图案。

如上所述，施加到铸造工具92的弯曲上部94的表面粗糙器涂层（未示出）通过在顶底部分80上生成具有凹口90的粗糙表面而将影响顶底部分80的表面特性。各种涂层可施加到铸造工具92上以在顶底部分80上生成粗糙表面，这些涂层包括但不限于粗糙的金属涂层、陶瓷涂层和黑浆涂层等。可以通过选择将要施加到铸造工具92的弯曲上部94的特定涂层和施加到铸造工具92的弯曲上部94的涂层厚度来控制凹口90的深度。

另外，可以由施加到铸造工具92的弯曲上部94的涂层的量来确定表面积增大区域88的尺寸。施加到弯曲上部94的涂层的表面积越大，在铸造过程中形成在顶底部分80上的表面积增大区域88的尺寸就越大。事实上，增大施加到弯曲上部94的涂层的表面积可以将表面积增大区域88形成在除顶底部分80以外的表面（包括活塞裙32的侧壁82、84的内表面83、85）上。

现转到图9A，图9A示出了形成在活塞20的顶底部分80上的表面积增大区域188的另一实例。活塞20包括示例性的表面积增大区域188，该表面积增大区域188是在活塞20的铸造过程中由结合在活塞的顶底部分80的表面上的交叉影线图案190来限定的。图9B是（交叉影线）交叉影线图案190的局部放大视图。交叉影线图案190可以包括形成在顶底部分80的表面上的两组大致均匀、平行的凸起192、194。每组中的多个凸起192、194相互交叉，并在凸起192、194之间形成多个孔穴195。凸起192、194可以形成为与活塞20的水平轴线A成角度α。优选地，凸起192、194的角度α为约45°。通过将凸起192、194设置为与水平轴线A成该角度α，以在顶底部分80上生成均匀的方形格栅图案，该方形格栅图案包括多个大致菱形的孔穴195。通过将凸起192、194设置为与水平轴线A成一定角度，以使得凸起192、194的长度比交叉影线图案190的宽度长。凸起192、194的位于交叉影线图案190的边缘处的端部可以朝向顶底部分80的表面渐缩。

相邻的凸起192与相邻的凸起194之间的距离可以在约0.5mm至1.0mm的范围内，并且凸起192、194可以具有从顶底部分80的表面起在约0.4mm至1.0mm的范围内的高度。在某些情况下，可能希望获得更严格的公差。通过减少相邻的凸起192、194之间的距离，使得将要形成在顶底部分80上的凸起192、194的数量更多。通过使得顶底部分80的表面上的凸起192、194的数量以及这些凸起192、194的高度和宽度最大化，以使得活塞顶底部分80上的表面积增大区域188的表面积最大化。根据使用环境，可能希望尽可能地增大表面积（较大的表面积允许活塞20散发更多的热量），同时仍然考虑到活塞销和与之配合的活塞表面之间的承载表面的动态力和静态力要求。

由交叉影线图案190限定的示例性表面积增大区域188可以形成在顶底部分80的表面的绝大部分上。优选地，交叉影线图案190形成在占据顶底部分80的表面的最少约百分之四十（40%）的部分上。另外，如图10所示，交叉影线图案190可以延伸到顶底部分80之外并且延伸到活塞20内部的其它表面（包括活塞裙32的侧壁82、84的内表面83、85中的一个或两个内表面）上，从而形成额外的表面积增大区域188，并且/或者延伸到活塞裙32的活塞壁75、77的内表面76、78中的一个或两个内表面上。

现转到图11，图11示出了铸造工具200的实例，该铸造工具200用于在铸造过程中在活塞20的顶底部分80的表面上形成交叉影线图案190。另外，一旦完成铸造，就可以进行机加工操作。不管怎样，在铸造时，铸造工具200的表面粗糙器96包括形成在铸造工具200的弯曲上部201的表面中的多个沟槽202、204。可以通过任何合适的方法在铸造工具200的弯曲上部201的表面中形成沟槽202、204，这些方法包括但不限于电火花腐蚀或铣削操作。通过在铸造过程中对应于多个沟槽202、204在顶底部分80的表面上形成凸起192、194，从而这些沟槽202、204在顶底部分80的表面上生成粗糙表面。顶底部分80上的这些凸起192、194形成了用于限定表面积增大区域188的交叉影线图案190。

另外，形成在顶底部分的表面上的交叉影线图案可以包括形成在顶底部分的表面中的多个大致均匀、平行的沟槽。为了在顶底部分的表面上形成这些沟槽，铸造工具包括形成在其弯曲上部中的多个大致均匀、平行的凸起。

已参照前述实例详细地示出并描述了本发明，前述实例仅仅是用于实施本发明的最佳方式的示例性实例。本领域的技术人员应当理解，在不偏离由所附的权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，在实施本发明时可以采用本文中所描述的实例的各种变型。其旨在由所附的权利要求限定本发明的范围，并且从而涵盖落入这些权利要求的范围内的方法和装置及其等同内容。本发明的说明书应当理解为包括了本文中所描述的要素的所有新颖和非显而易见的组合，并且权利要求可以以这些要素的任何新颖和非显而易见的组合的形式记载在该申请或以后的申请中。此外，前述实例是示例性的，单个特征或要素对在该申请或以后的申请中可以要求保护的所有可能的组合不是必需的。

Claims

1.一种用于内燃机的活塞，包括：

活塞顶，其具有上表面和下表面；

活塞裙，其包括一对相对的侧壁，所述一对相对的侧壁具有顶部和内表面，并且所述活塞裙形成于所述活塞顶的下表面；以及

大致杯状的顶底部分，其形成于所述活塞顶的下表面并且与所述活塞裙的所述一对相对的侧壁的顶部成一体，所述顶底部分的表面的至少一部分是粗糙的以限定至少一个表面积增大区域，其中，在所述至少一个表面积增大区域中，所述顶底部分的表面的最高点与最低点之间的距离在约0.1mm至1.0mm的范围内。

2.根据权利要求1所述的活塞，其中，

所述至少一个表面积增大区域包括形成在所述顶底部分的表面中的多个凹口。

3.根据权利要求2所述的活塞，其中，

所述多个凹口延伸至低于所述顶底部分的表面约0.1mm至1.0mm的范围内的深度。

4.根据权利要求1所述的活塞，其中，

所述活塞是通过铸造工艺形成的，并且所述顶底部分的表面中的所述多个凹口是在铸造工艺中通过铸造工具形成的，所述铸造工具至少具有局部的弯曲上部，所述铸造工具的弯曲上部形成为咬合并辅助限定所述顶底部分并且包括表面粗糙器。

5.根据权利要求4所述的活塞，其中，

所述表面粗糙器包括形成在所述铸造工具的弯曲上部中的多个铸造凹口。

6.根据权利要求4所述的活塞，其中，

所述表面粗糙器包括施加到所述铸造工具的弯曲上部的涂层。

7.根据权利要求1所述的活塞，其中，

所述至少一个表面积增大区域还形成在至少一个所述侧壁的内表面上。

8.根据权利要求1所述的活塞，其中，

所述至少一个表面积增大区域包括在所述顶底部分的表面上延伸的多个大致平行的凸起，所述多个凸起形成交叉影线图案。

9.根据权利要求8所述的活塞，其中，

所述顶底部分的表面上的交叉影线中的相邻凸起所间隔开的距离在约0.5mm至1.0mm的范围内。

10.根据权利要求8所述的活塞，其中，

所述多个凸起具有从所述顶底部分的表面起在约0.4mm至1.0mm的范围内的高度。

11.根据权利要求8所述的活塞，其中，

所述多个凸起以与所述活塞的水平轴线成角度α的方式形成在所述顶底部分的表面上。

12.根据权利要求11所述的活塞，其中，

所述角度α为约45°。

13.根据权利要求1所述的活塞，其中，

14.根据权利要求1所述的活塞，其中，

所述活塞是通过铸造工艺形成的，并且所述顶底部分的表面中的所述多个凹口是在铸造工艺中通过铸造工具形成的，所述铸造工具至少具有局部的弯曲上部，所述铸造工具的弯曲上部包括表面粗糙器。

15.根据权利要求14所述的活塞，其中，

所述表面粗糙器包括形成在所述铸造工具的弯曲上部中的多个沟槽。

16.根据权利要求14所述的活塞，其中，

利用电火花腐蚀、磨削、铣削和铸造中的至少一种方法来在所述铸造工具中形成所述表面粗糙器。