CN103221673B - 冷却通道活塞及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的冷却通道活塞（1）。该冷却通道活塞具有与覆盖件（3）相连接的活塞主体（2），该覆盖件朝向所属的燃烧室。在此，该覆盖件（3）完全构成冷却通道活塞（1）的朝向燃烧室的活塞表面（4）。在活塞主体（2）的朝向燃烧室的表面中设置有环绕的凹陷部（5），其中覆盖件（3）至少与活塞主体（2）的朝向燃烧室的表面固定连接，并且还桥式跨过环绕的凹陷部（5），由此该环绕的凹陷部（5）与桥式跨过该凹陷部的覆盖件（3）一起形成了冷却通道（6）。

Description

冷却通道活塞及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种冷却通道活塞/带有冷却通道的活塞，并涉及一种制造由活塞主体和覆盖件构成的冷却通道活塞的方法。

背景技术

冷却通道活塞及其制造例如从DE102007029307A1已知，它描述了用于内燃机的具有活塞主体的活塞，它面向另一与所属的燃烧室不可松脱地连接的构件。该另一构件在该处完整地构成为活塞的朝向燃烧室的活塞表面。在该活塞主体中，设置有由该活塞主体的材料所完全包围的冷却通道。发动机油可通过该冷却通道进行循环，以便冷却活塞的上方区域。

在DE102007005268A1中说明了现有技术，冷却通道可如何通过丢去的型芯（Verlorenen Kern）来制造。该丢去的型芯这样设置在铸模中，即它可被完全包封。紧接着，该丢去的型芯的材料从构成的冷却通道中卸出来，其中必须注意，没有材料留在冷却通道中，以避免污染发动机油回路。作为制造冷却通道的备选方案，可在活塞主体的燃烧室侧中设置环绕的凹陷部，它例如借助带钢封闭。这样，活塞的构型会更高，并且它一方面必须使所用的材料在其热量和机械性能方面协调一致，而且另一方面带钢还必须通过冷却通道与燃烧室侧上的活塞主体接合在一起。

DE102007005268A1的对象是指由活塞上方部件和活塞下方部件构成的多体钢制活塞，其中在活塞上方部件的区域内环形元件借助活塞上方部件构成同轴的且径向环绕的冷却通道。该环形元件的支承区域设有至少一个台肩形状，并且该环形元件不可松脱地接合在活塞主体上，其中至少一个接合位置位于钢制活塞的面向燃烧室的表面上。

发明内容

从引用的现有技术中得出本发明的目的，即提供一种优化的冷却通道活塞，它构造得简单且坚固，并由此成本低廉。

此目的通过具有权利要求1特征的冷却通道活塞得以实现。

本发明的另一目的是，实现一种简化的且有效的方法，用来制造上述经优化的冷却通道活塞，其中不必为形成冷却通道而设置和封闭丢去的型芯。

此目的通过具有权利要求8的特征的方法得以实现。

在从属权利要求中阐述了冷却通道活塞的改进方案及其制造方法。

本发明尤其涉及一种用于内燃机的冷却通道活塞，其具有与覆盖件连接连的活塞主体，该覆盖件朝向所属的燃烧室，其中该覆盖件构成冷却通道活塞的朝向燃烧室的活塞表面。按本发明的冷却通道活塞的特征在于，在活塞主体的朝向燃烧室的表面中设置有环绕的凹陷部，其中覆盖件至少与活塞主体的朝向燃烧室的表面固定连接，并且还跨接/桥式跨过环绕的凹陷部，这样就通过该环绕的凹陷部以及跨接所述凹陷部的覆盖件形成了冷却通道。

按本发明的冷却通道活塞构造得简单且坚固，并且在朝向燃烧室的活塞表面中没有接合位置，该接合位置通过活塞的运行温度尤其会在机械和热量方面加重负荷。此外，对该冷却通道活塞进行制造不需要丢去的芯型，因此也不存在着下述危险，即该丢去的芯型的固体留在制好的冷却通道活塞中并例如污染发动机油。

已被证实为有利的是，覆盖件与活塞主体之间的固定连接是铸造连接（Gussverbindung），该铸造连接通过把覆盖件至少局部地注入/铸入活塞主体中得以实现；或者是材料结合或形锁合的接合，因为由此实现了可靠的、持久且简单的待建立连接。根据覆盖件和活塞主体所用的材料，通过注入覆盖件的部段，可选择合适的固定连接或多种固定连接的组合，并且根据冷却通道活塞的几何形状来改造另一覆盖件并且形锁合地连接。

在本发明的改进方案中，覆盖件构成盖壁，并且构成冷却通道的侧壁的至少一个部段，还至少局部地构成活塞主体的外圆周侧。在此可能的是，借助该覆盖件还构成外圆周侧的尤其在热量方面负载的区域，该区域离燃烧室最近。

有利的是，可在覆盖件的部段（该部段至少局部地构成活塞主体的外圆周侧）中设置至少一个用于活塞环的环形凹槽，借此可在外圆周侧的在热量方面尤其负载的区域中设置至少一个第一活塞环。此外，该覆盖件可局部地构成活塞主体的外圆周侧，并且在此区域中形锁合地接合起来。

在冷却通道活塞的另一实施例中，覆盖件的材料具有比活塞主体的材料更高的传热性，以便将在燃烧室侧出现的温度从活塞主体上排出。在此，覆盖件的材料是铁素体钢、铝、铝合金或石墨材料（优选是石墨纤维垫），而活塞主体的材料是奥氏体钢、铝、铝合金、钛、钛合金、铸铁、石墨材料或复合材料。优选作为覆盖件材料的石墨纤维垫尤其作为热量密封件用于活塞主体。

通过适当地选择覆盖件和活塞主体的材料对，可提供一种适用于不同温度范围和应用范围的冷却通道活塞。合适的材料组合例如是：由铁素体钢构成的覆盖件/由奥氏体钢构成的活塞主体、由铁素体钢构成的覆盖件/由铝构成的活塞主体、由铝构成的覆盖件和活塞主体。

对于活塞主体来说优选的材料是借助Ni、Mn、N加以稳定的奥氏体钢，其具有在16×10^-6K^-1至21×10^-6K^-1范围内的热膨胀系数。该奥氏体钢尤其是Fe-Cr-Ni奥氏体，其成份包含按重量计0.2%至0.4%的C、按重量计8%至18%的Ni、按重量计15%至26%的Cr、按重量计0.5%至2%的Si、按重量计可达12%的Mn、按重量计可达2%的W、按重量计可达2%的Nb、按重量计可达2%的Al、按重量计0.05%至0.3%的N以及Fe，其中Fe占剩余份额，以达到钢合金的100%的重量。

如果覆盖件由铝构成，则通过所定义的奥氏体钢的热膨胀系数，所述奥氏体尤其适合当作按本发明的活塞主体的材料。此外，由所述奥氏体钢构成的活塞主体尤其适合用于由铝构成的气缸套工作面上。

本发明还涉及一种用来制造上述冷却通道活塞的方法。该方法包含以下步骤：

-至少在活塞主体的朝向燃烧室的表面与覆盖件之间提供固定连接，在所述表面中设置环绕的凹陷部；以及

-桥式跨过该环绕的凹陷部，并因此通过所述环绕的凹陷部和桥接的覆盖件构成冷却通道。

按本发明的方法，不必为制造冷却通道而在活塞中设置丢去的芯型。而是在制造活塞主体时（例如通过压铸）就已经在朝向燃烧室的侧面中置入环绕的凹陷部。该环绕的凹陷部可通过覆盖件桥接，因此能以简单的方式和方法构成冷却通道。

在本发明的改进方案中，还包括：通过把覆盖件局部地铸入活塞主体中，通过覆盖件与活塞主体的材料锁合的接合和/或通过覆盖件与活塞主体的形锁合的接合，来将覆盖件与活塞主体连接起来。

按该方法的实施例，该方法包含以下步骤：

-将覆盖件插入用于活塞主体的铸模的模腔中，其中该模腔的形状具有用于环绕凹陷部的负型，所述负型与所述覆盖件不接触（freigehalten）；

-用活塞主体的材料填充铸模，在此至少局部地铸入覆盖件；

-将具有铸入的覆盖件的活塞主体冷却和脱模；以及

-使覆盖件的至少一个未经铸造的部段改变形状，从而桥式跨过环绕的凹陷部并且构成冷却通道。

此实施例的重要优点在于，该覆盖件通过注入已与活塞主体构成固定连接。同时，通过负型在铸模中设置有用于冷却通道的环绕凹陷部。在冷却和脱模之后，环绕的凹陷部能以简单的方式和方法通过与覆盖件的桥接闭合成冷却通道，而不必设置丢去的芯型或类似物体。

在按本发明的方法的另一实施例中，在桥式跨过该环绕的凹陷部之后，使覆盖件的至少另一未经铸造的部段改变形状，并且贴靠在外圆周侧上，因此覆盖件构成盖壁，并且构成冷却通道的侧壁的至少一个部段，并且该覆盖件至少局部地构成活塞主体的外圆周侧。该具体实施例的优点是，覆盖件首先借助活塞主体注入，并因此提供固定连接，因此覆盖件可稳固地固定，并且还能可靠地改变形状，其中实现了环绕的凹陷部的桥式跨接。

附图说明

通过以下描述并参照附图描述了这些和其它优点。参照附图的描述用来帮助描述，并且有利于理解内容。这些附图在此只是本发明的优选实施例的示意视图。

其中：

图1以剖视图示出了根据本发明第一实施例的冷却通道活塞；

图2a、2b和2c以剖视图示出了根据本发明的制造冷却通道活塞的方法的步骤。

具体实施方式

图1所示的冷却通道活塞1具有活塞主体2。在朝向内燃机的燃烧室的侧面上设置有凹陷部5，并且在外圆周侧9上设置有用于活塞环的环形凹槽10。活塞主体2的朝向燃烧室的侧面完全被覆盖件3所遮盖，该覆盖件构成冷却通道活塞1的朝向燃烧室的活塞表面4，并且该覆盖件跨过（搭桥式跨过）凹陷部5，从而形成了冷却通道6。该覆盖件3可以是由铁素体钢或铝构成的片材，或者是石墨纤维垫。

活塞主体2已由奥氏体钢、铝或铝合金、钛或钛合金、铸铁、石墨或复合材料作为铸件或压铸件制成，或通过锻造制成。

在技术上已证实为有利的是，由铁素体钢构成的覆盖件3与由奥氏体钢构成的活塞主体2连接在一起，因为铁素体钢具有更高的传热性，并因此在燃烧室侧出现的温度可由活塞主体2的奥氏体钢导出。

由具有良好传热性的铁素体钢构成的覆盖件与由具有较高膨胀系数的铝构成的活塞主体2产生了另一有利的组合。从制造技术角度上有利的是，在同样由铝构成的活塞主体2上设置由铝构成的覆盖件3，因为在此不必平衡热膨胀系数的差别。

对于活塞主体2来说尤其优选的物质是Fe-Cr-Ni奥氏体，其成份是按重量计0.2%至0.4%的C、按重量计8%至18%的Ni、按重量计15%至26%的Cr、按重量计0.5%至2%的Si、按重量计可达12%的Mn、按重量计可达2%的W、按重量计可达2%的Nb、按重量计可达2%的Al、按重量计0.05至0.3%的N和其余的Fe（以达到100%的重量），并具有钢典型的伴生元素。如果覆盖件由铝构成，则该奥氏体具有在16和21×10^-6K^-1之间的膨胀系数，并因此尤其适合当作活塞主体2的材料。

由于在内燃机的燃烧室中存在有温度，故有利的是，覆盖件3的材料比活塞主体2的材料具有更高的传热性，以便从活塞主体2导出在燃烧室侧所出现的温度。此外在腐蚀和疲劳性能方面，覆盖件3的建议材料对于在内燃机的燃烧室中存在的温度范围而言还具有良好的抗热性。

图1示出了优选的实施例，其中冷却通道活塞1的朝向燃烧室的表面完全由覆盖件3构成，而图2是本发明的另一实施例，其中外圆周侧9的一部分也由覆盖件3构成。

为了制造冷却通道活塞1，首先把预制的覆盖件3（例如折弯的片材）装入用于冷却通道活塞1的铸模中，该铸模还具有负型以便产生活塞主体2中的环绕的凹陷部。随后，将用于活塞主体2的材料填入铸模中，在其中铸出先前插入的覆盖件3，并且在覆盖件3和活塞主体2之间的接触面上设置固定的、材料结合的连接。

对此备选的是，在注入覆盖件3之后，可在该覆盖件3的朝向活塞主体2的连接接缝处（例如通过环形焊缝）进行焊接，或在覆盖件3和主活塞主体2之间设置单一的焊点。

除了以上提到的焊接以外（焊接优选设计成摩擦焊接、激光焊接或电感焊接），还可通过钎焊来实现固定连接。同样，该固定连接可通过迫压覆盖件3来实现，其中特别是压入的或通过改变形状产生的沉割（Hinter-schnitte）实现固定连接。

在覆盖件3和活塞主体2固定连接之后，使覆盖件3的未经铸造的部段在环绕的凹陷部5上改变形状。如同可从图2a和2b之间的方法步骤中示意性地得出的一样，这一通过折弯来实现，因此覆盖件3至少构成冷却通道6的盖壁7。

此外，在从图2b所示的物件转换成图2c所示的物件的方法步骤中，使覆盖件3的另一未经铸造的部段在活塞主体2的方向上这样附加地弯曲，使得覆盖件3构成盖壁7以及冷却通道6的侧壁8的一部分，并因此构成活塞主体2的外圆周侧9的一部分。该冷却通道6现在闭合，无需丢去的型芯。

然而，按照现有技术，会有丢去的型芯设置和安装在铸模中，并且必须在活塞主体铸造完成之后再次去除，而按本发明的制造方法明显简化了这一点。此外，可制造出更坚固的活塞，该活塞在其燃烧室侧中没有像焊缝一样的接合位置，这种接合位置在存在着运行温度时尤其在机械和热量方面加重负荷，并且可能是活塞的裂解部位（Sollbruchstelle）。

由于按照本发明的冷却通道活塞1的构造简单且坚固，所以尤其使单个冷却通道活塞的制造成本更低，并且降低了装有该冷却通道活塞的内燃机的运行成本。

在附图中没有详细示出的是，在如图2c所示的实施例中，可在覆盖件3的部段中设置至少一个用于活塞环的环形凹槽，该部段构成活塞主体2的外圆周侧9的一部分。该环形凹槽可事先设置在插入铸模中的覆盖件3中，或者在冷却通道活塞1的制造结束之后再引入。

Claims (6)

1.一种用于内燃机的冷却通道活塞(1)，该冷却通道活塞具有与覆盖件(3)相连的活塞主体(2)，所述覆盖件朝向所属的燃烧室，其中覆盖件(3)完全构成冷却通道活塞(1)的朝向所述燃烧室的活塞表面(4)，其中在活塞主体(2)的朝向燃烧室的表面中设置有环绕的凹陷部(5)，其中覆盖件(3)至少与活塞主体(2)的朝向燃烧室的表面固定连接，并且还桥式跨过环绕的凹陷部(5)，使得环绕的凹陷部(5)与桥式跨过所述环绕的凹陷部的覆盖件(3)一起形成了冷却通道(6)，

其特征在于，

覆盖件(3)的材料具有比活塞主体(2)的材料更高的传热性，并且是铁素体钢、铝或铝合金，并且

活塞主体(2)的材料是借助Ni、Mn、N加以稳定的奥氏体钢，该奥氏体钢具有在16至21×10^-6K^-1范围内的热膨胀系数。

2.按权利要求1所述的冷却通道活塞(1)，其特征在于，所述固定连接是铸造连接，该铸造连接通过把覆盖件(3)至少局部地注入活塞主体(2)中来实现；或者所述固定连接是材料结合或形锁合连接。

3.按权利要求2所述的冷却通道活塞(1)，其特征在于，覆盖件(3)至少局部地构成活塞主体(2)的外圆周侧(9)，并且在覆盖件(3)的此部段中设置至少一个用于活塞环的环形凹槽。

4.按权利要求3所述的冷却通道活塞(1)，其特征在于，该奥氏体钢是Fe-Cr-Ni奥氏体，其成份包含：

-按重量计0.2％至0.4％的C、

-按重量计8％至18％的Ni、

-按重量计15％至26％的Cr、

-按重量计0.5％至2％的Si、

-按重量计可达12％的Mn、

-按重量计可达2％的W、

-按重量计可达2％的Nb、

-按重量计可达2％的Al、

-按重量计0.05％至0.3％的N以及

-Fe占剩余份额，以达到钢合金的100％的重量。

5.一种用来制造按权利要求1至4中任一项所述的冷却通道活塞(1)的方法，利用该方法：

-至少在活塞主体(2)的面向燃烧室的表面与覆盖件(3)之间提供固定连接，在所述表面中设置环绕的凹陷部(5)；以及

-桥式跨过所述环绕的凹陷部(5)，并因此通过环绕的凹陷部(5)和桥式跨过该凹陷部的覆盖件(3)构成冷却通道(6)，

该方法包含以下步骤：

-将覆盖件(3)插入用于活塞主体(2)的铸模的模腔中，其中所述模腔的形状具有用于所述环绕的凹陷部(5)的负型，并且所述负型与所述覆盖件(3)不接触；

-用活塞主体(2)的材料填充铸模，从而至少局部地注入覆盖件(3)；

-将具有注入的覆盖件(3)的活塞主体(2)冷却和脱模；以及

-使覆盖件(3)的至少一个未经铸造的部段改变形状，从而桥式跨过所述环绕的凹陷部(5)并且构成冷却通道(6)。

6.按权利要求5所述的方法，包含以下步骤：

-在桥式跨过所述环绕的凹陷部(5)之后，使覆盖件(3)的至少另一未经铸造的部段改变形状，并且在此情况下在外圆周侧(9)上提供形锁合，由覆盖件(3)构成盖壁(7)并构成冷却通道(6)的侧壁(8)的至少一个部段，并且由该覆盖件(3)构成活塞主体(2)的外圆周侧(9)的至少一部分。