CN103410626A - 一种带有表面织构形态的内燃机活塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带表面织构形态的内燃机活塞，可应用于各种内燃机中如汽油机、柴油机。其特点是在内燃机活塞裙部表面以环形形态逐行加工出变深度、变宽度、变间距的表面织构形态。表面织构形态包括凹槽形、凹槽内打通孔形、一行凹槽一行通孔形三种。表面织构形态占活塞裙部承压面积的5～20%，深度小于活塞裙部厚度的40%。在活塞裙部（6）表面加工宏观织构形态（5）的目的，首先是卸载活塞裙部集中应力；其次是减小活塞裙部低端变形量；再次是织构形态可以存储润滑油和磨屑，使活塞在缸套内往复运动过程中润滑油可以供给充分，分布均匀。从而分散摩擦热，提高润滑效果，减小摩擦阻力，防止拉缸和敲缸，延长活塞和气缸的使用寿命。

Description

一种带有表面织构形态的内燃机活塞

技术领域

一种带表面织构形态的减阻、耐磨内燃机活塞，可应用于各种内燃机中如汽油机、柴油机。

背景技术

自1886年世界上第一台汽车诞生至今，汽车已经成为人们日常生活中必不可少的代步、交通、运输工具。发动机是汽车的动力源，如今发动机已经向高转速、大功率、低油耗和小排放发展。经多项研究证明发动机燃烧能量中有10%～20%消耗在机械损失,而机械损失中有45%～65%能量消耗在活塞、活塞环与气缸的摩擦副中，故发动机研究重点多在降低活塞摩擦力、提高活塞外表面耐磨性能以及提高活塞抗疲劳功能上。而润滑油膜在活塞裙部表面的均匀排布，直接影响了活塞的润滑、摩擦性能。所以润滑油膜的形成和排布，是提高发动机性能、减少发动机工作过程中的能量损失的重要环节之一。

发明内容

本发明的目的在于减小内燃机在活塞与缸套做功过程中因摩擦产生的机械能损失，提供一种带表面织构形态的内燃机活塞。通过改变活塞裙部表面形态的方式，卸载活塞裙部集中应力，减小活塞裙部低端变形量，同时使润滑油膜在活塞运动过程中均匀分布、供油充分，达到减阻、耐磨的目的。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图说明如下：

一种带表面织构形态的减阻、耐磨内燃机活塞，由活塞顶部、活塞环槽、活塞裙部、活塞销孔组成。其特点是在内燃机活塞裙部表面以环形形式逐行加工出变深度、变宽度、变间距的宏观表面织构形态。

所述表面织构形态呈凹槽形、凹槽内打通孔形、一行凹槽一行通孔形；凹槽形织构形态截面呈矩形、倒三角形或半圆形。表面织构形态占活塞裙部承压面积的5～20%，深度小于活塞裙部厚度的40%。

所述变深度指槽最深槽槽深为活塞裙厚度的35～40%，凹槽最浅槽深为最深槽槽深的70～80%；

所述变宽度指凹槽最宽槽槽宽为活塞裙部裙长的2.4～3%，凹槽最窄槽宽为最宽槽槽宽的70～80%；

所述变间距指凹槽最大槽间距为活塞裙部裙长的13～15%，最小槽间距为最大槽间距的40～50%；

所述凹槽形表面织构形态排布方向从活塞顶至底部顺次呈一列排布；所述凹槽内打通孔形表面织构形态排布方向凹槽从活塞顶至底部顺次呈一列排布，通孔均布在凹槽内；所述一行凹槽一行通孔形表面织构形态排布方向从活塞顶至底部以一行凹槽一行通孔的形式顺次呈一列排布。

所述的表面织构形态在裙部的分布为全部或局部。

所述凹槽形表面织构形态，槽深为变深度排布，距离活塞顶部越近的凹槽越深，槽宽为变宽度排布，距离活塞顶部越近的凹槽越宽，槽间距为变间距排布，距离活塞顶部越近的槽间距越大；所述凹槽内打通孔形表面织构形态，槽深为变深度排布，距离活塞顶部越近的凹槽越深，槽宽为变宽度排布，距离活塞顶部越近的凹槽越宽，槽间距为变间距排布，距离活塞顶部越近的槽间距越大，通孔加工在凹槽内等间距均匀排布且直径等于其所在凹槽宽度；所述一行凹槽一行通孔形表面织构形态，槽深为变深度排布，距离活塞顶部越近的凹槽越深，槽宽为变宽度排布，距离活塞顶部越近的凹槽越宽，凹槽行和通孔行间距为变间距排布，距离活塞顶部越近的凹槽行和通孔行间距越大。

所述凹槽形表面织构形态，最深槽槽深为活塞裙厚度的35～40%，最宽槽槽宽为活塞裙部裙长的2.4～3%，最大槽间距为活塞裙部裙长的13～15%，最浅槽深为最深槽槽深的70～80%，最窄槽宽为最宽槽槽宽的70～80%，最小槽间距为最大槽间距的40～50%；所述凹槽内打通孔形表面织构形态，最深槽槽深为活塞裙厚度的35～40%，最宽槽槽宽为活塞裙部裙长的2.4～3%，最大槽间距为活塞裙部裙长的13～15%，最浅槽深为最深槽槽深的70～80%，最窄槽宽为最宽槽槽宽的70～80%，最小槽间距为最大槽间距的40～50%，通孔直径等同于所在凹槽宽度；所述一行凹槽一行通孔形表面织构形态，最深槽槽深为活塞裙厚度的35～40%，最宽槽槽宽为活塞裙部裙长的2.4～3%，最大凹槽行和通孔行间距为活塞裙部裙长的13～15%，最浅槽深为最深槽槽深的70～80%，最窄槽宽为最宽槽槽宽的70～80%，最小凹槽行和通孔行间距为最大凹槽行和通孔行间距的40～50%，通孔直径等同于距离其顶部最近凹槽的宽度。通孔排布占与其直径等宽槽面积的3～6%。

本发明为一种带表面织构形状的内燃机活塞，可应用于各种内燃机中如汽油机、柴油机。其使用方式、方法同普通标准活塞，无特殊使用要求，具体尺寸根据活塞裙部尺寸大小进行调整。

本发明的技术效果是：

本发明可应用于各种内燃机中如汽油机、柴油机。

由于润滑油膜在活塞裙部表面的均匀排布，直接影响了活塞的润滑、摩擦性能。本发明中的内燃机活塞，织构形态可以存储润滑油和磨屑，使活塞在缸套内往复运动过程中润滑油可以供给充分，分布均匀。从而分散摩擦热，提高润滑效果，减小摩擦阻力，防止拉缸和敲缸，延长活塞和气缸的使用寿命。

以往在内燃机活塞上加工凹槽、凹坑和通孔来改善润滑状态的活塞，都没有考虑到活塞裙部非均匀分布的应力，故设计出的凹槽、凹坑和通孔都是均匀排布且尺寸统一。本发明通过试验和有限元分析发现活塞顶部第三道环槽回油孔处所受应力最大，极易发生疲劳断裂。而本发明中织构表面有卸载应力的作用，故将深宽类织构形态加工于活塞裙部上端，使最大应力位置下移。同时织构形态深度和宽度，尤其是裙部顶端织构形态间大间距尺寸的合理设计，使活塞裙部的疲劳寿命得以延长。

内燃机活塞在工作过程中除了在气缸内做往复运动同时在径向有二阶摆动，所以变形最大的部位为活塞裙部低端。以往在活塞裙部均匀加工的凹槽、凹坑和通孔的设计，没有考虑到这种情况。本发明在活塞裙部低端加工浅窄类织构形态和织构形态间的小间距设计，使活塞裙部低端的变形量大大减小，有效的防止了拉缸、爆缸现象的发生，延长了活塞和气缸的使用寿命。

附图说明

图1（a1）是本发明的活塞结构示意图，图1（a2）为以矩形凹槽为例的凹槽编号图；

图1（b1）、（b2）、（b3）是本发明活塞表面织构形态示意图，其中：

（b1）是活塞裙部表面织构形态呈凹槽形，（b2）是活塞裙部表面织构形态呈凹槽内打通孔形，（b3）是活塞裙部表面织构形态呈一行凹槽一行通孔形；

图1（c1）、（c2）、（c3）是以矩形槽为例分别对应图1（b1）、（b2）、（b3）的织构形态截面图；

图1（d1）、（d2）为凹槽形织构的另外两种截面形式（倒三角形、半圆形）；

图2是通孔表面织构形态分布方式（按矩形分布）示意图；

图3（a）是以矩形槽表面织构形态为例的凹槽形表面织构形态深度、宽度、间距、裙长、裙厚示意图；

图3（b）是凹槽内打通孔形表面织构形态深度、宽度、间距、通孔直径、裙长、裙厚

示意图；

图3（c）是一行凹槽一行通孔形表面织构形态深度、宽度、间距、通孔直径、裙长、裙厚示意图；

图中：1、活塞顶部2、气环槽3、油环槽4、回油孔5、加工的表面织构形态6、活塞裙7、销孔51-58、织构形态编号；

t、裙厚h、槽深s、槽间距w、槽宽度d、通孔直径l、裙长

具体实施方式

下面承接附图所示实例对本发明的具体实施方式进行说明。

一种裙部带有表面织构形态的内燃机活塞，在活塞裙部表面加工出织构形态。这种形态呈凹槽形、凹槽内打通孔形、一行凹槽一行通孔形；凹槽形织构形态截面呈矩形、倒三角形或半圆形。表面织构形态占活塞裙部承压面积的5～20%，深度小于活塞裙部厚度的40%。

裙部带有表面织构形态的内燃机活塞的织构排布特点：凹槽形表面织构形态，槽深为变深度排布，距离活塞顶部越近的凹槽越深，槽宽为变宽度排布，距离活塞顶部越近的凹槽越宽，槽间距为变间距排布，距离活塞顶部越近的槽间距越大；凹槽内打通孔形表面织构形态，槽深为变深度排布，距离活塞顶部越近的凹槽越深，槽宽为变宽度排布，距离活塞顶部越近的凹槽越宽，槽间距为变间距排布，距离活塞顶部越近的槽间距越大，通孔加工在凹槽内等间距均匀排布且直径等于其所在凹槽宽度；一行凹槽一行通孔形表面织构形态，槽深为变深度排布，距离活塞顶部越近的凹槽越深，槽宽为变宽度排布，距离活塞顶部越近的凹槽越宽，凹槽行和通孔行间距为变间距排布，距离活塞顶部越近的凹槽行和通孔行间距越大。通孔排布占与其直径等宽槽面积的3～6%。织构形态也可以只存在于局部。

所述凹槽形表面织构形态，最深槽槽深为活塞裙厚度的35～40%，最宽槽槽宽为活塞裙部裙长的2.4～3%，最大槽间距为活塞裙部裙长的13～15%，最浅槽深为最深槽槽深的70～80%，最窄槽宽为最宽槽槽宽的70～80%，最小槽间距为最大槽间距的40～50%；

所述凹槽内打通孔形表面织构形态，最深槽槽深为活塞裙厚度的35～40%，最宽槽槽宽为活塞裙部裙长的2.4～3%，最大槽间距为活塞裙部裙长的13～15%，最浅槽深为最深槽槽深的70～80%，最窄槽宽为最宽槽槽宽的70～80%，最小槽间距为最大槽间距的40～50%，通孔直径等同于所在凹槽宽度；

所述一行凹槽一行通孔形表面织构形态，最深槽槽深为活塞裙厚度的35～40%，最宽槽槽宽为活塞裙部裙长的2.4～3%，最大凹槽行和通孔行间距为活塞裙部裙长的13～15%，最浅槽深为最深槽槽深的70～80%，最窄槽宽为最宽槽槽宽的70～80%，最小凹槽行和通孔行间距为最大凹槽行和通孔行间距的40～50%，通孔直径等同于距离其顶部最近凹槽的宽度。通孔排布占与其直径等宽槽面积的3～6%。

本发明为一种带表面织构形状的内燃机活塞，可应用于各种内燃机中如汽油机、柴油机。其使用方式、方法同普通标准活塞，无特殊使用要求，具体尺寸根据活塞裙部尺寸大小进行调整。

本发明的特点在于活塞裙部表面上的织构形态。以捷达xl-2v汽车发动机为例，在活塞裙部（6）上加工表面织构形态，织构形态在活塞裙部分布面积占裙部表面积的5～20%，深度小于活塞裙部厚度的40%，其凹槽或通孔分布可以参阅图1、图2。在汽车的实车试验中，由于带有表面织构形态的内燃机活塞，首先可以卸载活塞裙部集中应力；其次是减小活塞裙部低端变形量；再次是织构形态可以存储润滑油和磨屑，使活塞在缸套内往复运动过程中润滑油可以供给充分，分布均匀。从而分散摩擦热，提高润滑效果，减小摩擦阻力，防止拉缸和敲缸，延长活塞和气缸的使用寿命。本发明公开的活塞在使用方式、方法同普通标准活塞，无特殊使用要求，且使用的内燃机都可以减阻、耐磨，提高机械效率。

参阅图1，根据内燃机型号不同，其表面织构排布方式可适当调整，但需要保证织构形态所占活塞裙部表面积在5～20%范围内，深度小于活塞裙部厚度的40%。

在吉林大学工程仿生教育部重点实验室搭建了汽车发动机冷试验台，对本发明中的活塞进行台架试验，以考察本发明的使用效果。数据如下：

耐久性磨损试验在xl-2v汽车发动机上进行；活塞外径：80.985mm；裙部厚度：2.4mm；裙部长度：35.16mm；活塞材料：铝合金；试验时间：500小时；标定功率80kW/6000r/min；试验室内温度：20℃。

在相同试验条件下，考虑到每次拆装发动机的误差，在每次试验中的四个气缸中放入三个带有表面织构形态活塞和一个标准活塞进行试验。根据xl-2v汽车发动机活塞的尺寸情况和加工织构形态的条件，以矩形凹槽为例加工带有表面织构形态的活塞，在活塞裙部加工8行矩形凹槽，且相邻两行凹槽（即图1（a2）中5₁和5₂、5₃和5₄、5₅和5₆、5₇和5₈）槽深、槽宽相等。最上端凹槽径向中心线到活塞顶部距离24.5mm，槽间距从上至下依次为4.25、3.88、3.5、3.13、2.75、2.38、2mm。通孔分6列均匀排布。带有表面织构形态活塞试验方案，详见表1-3。

表1带有表面织构形态活塞裙部凹槽深度（深度h,mm）

表2带有表面织构形态活塞裙部凹槽深度及配槽孔径（宽度w、直径d,mm）

表3有表面织构形态活塞试验方案

磨损量检测通过试验前后对活塞称重得到，最大功率通过试验初期和末期对各个气缸进行检测。试验结果，详见表4-6。

表4第一组活塞试验结果

表5第二组活塞试验结果

表6第三组活塞试验结果

通过对比试验结果得出，本发明可以使活塞磨损量平均减少35%、功率最大提高1%，从而提高活塞与缸套间润滑效果、减小摩擦阻力、延长发动机寿命。

Claims (6)

1.一种带有表面织构形态的内燃机活塞，由活塞顶部、活塞环槽、活塞裙部、活塞销孔组成，其特点在于： 

在活塞裙部表面以环形形式逐行加工出变深度、变宽度、变间距的宏观表面织构形态；所述表面织构形态呈凹槽形、凹槽内打通孔形、一行凹槽一行通孔形；凹槽形织构形态截面呈矩形、倒三角形或半圆形；表面织构形态占活塞裙部承压面积的5～20%，深度小于活塞裙部厚度的40%。 

2.根据权利要求1所述的一种带有表面织构形态的内燃机活塞，其特征在于： 

所述变深度指槽最深槽槽深为活塞裙厚度的35～40%，凹槽最浅槽深为最深槽槽深的70～80%； 

所述变宽度指凹槽最宽槽槽宽为活塞裙部裙长的2.4～3%，凹槽最窄槽宽为最宽槽槽宽的70～80%； 

所述变间距指凹槽最大槽间距为活塞裙部裙长的13～15%，最小槽间距为最大槽间距的40～50%。 

3.根据权利要求1或2所述的一种带有表面织构形态的内燃机活塞，其特征在于： 

所述凹槽内打通孔形表面织构形态，通孔直径等同于所在凹槽宽度； 

所述一行凹槽一行通孔形表面织构形态，通孔直径等同于距离其顶部最近凹槽的宽度，通孔排布占与其直径等宽槽面积的3～6%； 

所述的表面织构形态在裙部的分布为全部或局部。 

4.根据权利要求1至2任一项所述的一种带有表面织构形态的内燃机活塞，其特征在于： 

所述凹槽形表面织构形态，槽深为变深度排布，距离活塞顶部越近的凹槽越深，槽宽为变宽度排布，距离活塞顶部越近的凹槽越宽，槽间距为变间距排布，距离活塞顶部越近的槽间距越大。 

5.根据权利要求1至2任一项所述的一种带有表面织构形态的内燃机活塞，其特征在于： 

所述凹槽内打通孔形表面织构形态，槽深为变深度排布，距离活塞顶部越近的凹槽越深，槽宽为变宽度排布，距离活塞顶部越近的凹槽越宽，槽间距为变间距排布，距离活塞顶部越近的槽间距越大，通孔加工在凹槽内等间距均匀排布且直径等于其所在凹槽宽度。 

6.根据权利要求1至2任一项所述的一种带有表面织构形态的内燃机活塞，其特征在于： 

所述一行凹槽一行通孔形表面织构形态，槽深为变深度排布，距离活塞顶部越近的凹 槽越深，槽宽为变宽度排布，距离活塞顶部越近的凹槽越宽，凹槽行和通孔行间距为变间距排布，距离活塞顶部越近的凹槽行和通孔行间距越大。通孔排布占与其直径等宽槽面积的3～6%。 

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