CN103429878B - 内燃机活塞及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃机活塞（10、110、210），该活塞具有活塞主体（11、111、211）和活塞环部件（12、112、212），其中活塞主体（11、111、211）具有活塞顶（13）的至少一个内部区域（14）以及活塞裙（16），该活塞裙设有具有毂孔（17）的销毂（18），其中活塞环部件（12、112、212）具有活塞顶（13）的至少一个外部区域（21），该外部区域具有环绕的活塞顶岸（22）和设有环形槽（24）的环绕的活塞环部（23）。根据本发明设有，活塞主体（11、111、211）和活塞环部件（12、112、212）经由形成在它们上的相应的锥形接合面（32、33、27、28；135、136；232、233、227、228）接合在一起。此外，本发明还涉及这种活塞的制造方法。

Description

内燃机活塞及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种内燃机活塞，该活塞具有活塞主体和活塞环部件，其中活塞主体具有活塞顶的至少一个内部区域以及活塞裙，该活塞裙设有具有毂孔的销毂，其中活塞环部件具有活塞顶的至少一个外部区域，该外部区域具有环绕的活塞顶岸和设有环形槽的环绕的活塞环部。此外，本发明还涉及这种活塞的制造方法。

背景技术

这种活塞以及这种方法已由文献DE 10 2007 005 268 A1已知。在这种活塞中活塞主体和活塞环部件的接触区域成型为台肩形状的或者形成为卯榫区域，活塞环部件不能够松开地附在活塞主体上。以这种方式调整接合方法所需的公差并且避免两个部件发生错位。

这种已知的结构和这种已知的方法意味着，仅在活塞主体中设置一个燃烧室腔室，因此凹腔边缘由与活塞主体本身相同的材料构成。然而，在现代化的活塞中活塞顶和特别是凹腔边缘承受高的机械负荷和热负荷。因此使用能够相应承受负荷的钢受到青睐，因此在这种活塞中整个活塞主体必然需要由这种材料构成。这除了意味着高成本，主要是在机械加工时在制造活塞主体的过程中带来不利。

此外，在热接合方法中(例如在这种方法中优选使用焊接方法或钎焊方法时)，因为部件在冷却过程中收缩，所以形成很大的固有应力。该固有应力可以在轴向环绕的接缝中(就像在这种活塞中设有的接缝一样)通过必然出现的收缩干扰仅仅有限地得到降低。因此需要使用可延展的焊接填料，以避免在接合过程中出现裂缝。

特别是在钎焊方法或者现代化的电子束焊接方法中对待接合的部件的装配精确度提出高要求。在这些方法中所选择的、待接合的部件之间的分界面的间隙宽度通常小于0.1mm，经常只有0.05mm，因为例如在现代化的电子束焊接设备中光束直径相应小。在这种活塞中必须通过台肩的形状及其位置相互地以多个工序制造接合面，由此对单个的加工步骤提出了非常高的精确度的要求。这种方法非常昂贵并且由此导致制造成本提高。

发明内容

因此本发明的目的在于，这样进一步扩展这种类型的活塞以及这种方法，即，在简化制造工艺的情况下实现可变的材料选择。

实现方案在于具有以下特征的活塞：该活塞具有活塞主体和活塞环部件，其中该活塞主体具有活塞顶的至少一个内部区域，该内部区域形成了燃烧室凹腔的底部，该活塞主体还具有活塞裙，该活塞裙设有具有毂孔的销毂，其中该活塞环部件具有活塞顶的至少一个外部区域，该外部区域具有环绕的活塞顶岸和设有环形槽的环绕的活塞环部，其中该活塞主体和该活塞环部件形成了环绕的、封闭的冷却通道并经相应的内部的锥形接合面以及外部的锥形接合面接合在一起，其中该内部的锥形接合面与活塞轴构成锐角α，该外部的锥形接合面与该活塞轴或者构成了大于该锐角α的另一锐角β或者构成了钝角β’。根据本发明设有活塞主体和活塞环部件经由紧靠它们形成的、相应的、锥形的接合面接合在一起。

因而相应的接合面这样形成在活塞主体和活塞环部件上，即，接合面构成锥形设置的表面。由此可以以特别简单而经济的方式制造无缝的或者具有非常小的公差的分界面。

由于形成为锥形的接合面因而两个部件自动定中心，也就是说，由于施加在活塞主体和活塞环部件上的轴向力。不需要额外的导向面、导向边缘或类似部件。

本发明的另一个主要优势在于，由于根据本发明的接合面形状原则上可以以一个工序将两个部件接合在一起。

接合面可以分解成一个轴向表面向量和一个径向表面向量。径向表面向量使在热接合方法中可能出现的收缩应力通过部件的自由收缩在轴向方向上毫无问题地得到降低。

此外，根据本发明的活塞以及根据本发明的方法实现了对活塞主体和活塞环部件的材料大体上的自由选择，因为形成为锥形的接合面可以任意地定位在两个部件上。特别是可以毫无问题地由能够相应承受负荷的材料构成活塞顶(特别是燃烧室凹腔的凹腔边缘)的高热负荷和/或高机械负荷的区域，然而活塞主体由其他材料制成，该材料例如能够特别容易和/或特别简单地进行机械加工。

一个有利的扩展方案在于，相应的接合面具有不同的锥角并且以接合添加料填充产生的缝隙。如果希望使用接合添加料，则可以以特别简单的方法和方式将接合添加料加入到接合面之间。

在活塞环部件中可以以已知的方式设置环绕的冷却通道。然而活塞主体和活塞环部件可以共同构成环绕的冷却通道，其相对大的容量特别是给活塞环部提供特别有效的冷却。

活塞主体和/或活塞环部件可以在冷却通道端上的接合面末端的区域中具有局部增厚部。由此至少明显降低了接合连接部可能出现的切口效应。

当根据本发明的活塞的活塞顶具有已知的燃烧室凹腔时，如果燃烧室凹腔的凹腔边缘由耐磨材料和/或耐热材料构成，则是有利的。这可以由此特别简单地实现，即，活塞环部件由这样的材料制成并且这样定位接合面，即，凹腔边缘是活塞环部件的一部分以及凹坑底部是活塞主体的一部分。

如果活塞主体由金属材料制成以及活塞环部件由耐磨的钢材和/或耐热的钢材制成，通常是有利的。

例如粘合、焊接或者钎焊是合适的接合方法。为了利于待接合部件特别是在具有不同的锥角的情况下定中心，在接合过程中对活塞环部件和/或活塞主体施加轴向张力是适宜的。

附图说明

下面根据附图详细阐明本发明的实施例。其中以示意性的、未精确按照比例的图示示出：

图1以剖面图示出了根据本发明的活塞的第一实施方式；

图2以剖面图示出了根据本发明的活塞的另一个实施方式；

图3以剖面图示出了根据本发明的活塞的另一个实施方式的局部视图；

图4以剖面图示出了根据本发明的活塞的另一个实施方式的另一个局部视图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的活塞10的第一实施例。活塞10具有活塞主体11和活塞环部件12。活塞主体11构成活塞顶13的内部区域14；该内部区域14也是燃烧室凹腔15的底部。在活塞顶13的底侧上以已知的方式连接有活塞裙16，该活塞裙具有设有毂孔17的销毂18。活塞主体11例如可以由钢铁材料或者轻金属材料制成。对此可以使用铸造材料以及锻造材料。典型的铸造材料是例如根据DIN EN 1563的具有球墨的铸铁(例如EN-GJS-700-2)、根据DIN EN 10293的铸钢或者特殊的铝硅活塞合金。

例如根据DIN EN 10267的AFP钢、根据DIN EN 10083的调质钢或能够锻造的铝硅合金可以用作锻造材料。

活塞环部件12构成活塞顶13的外部区域21，该外部区域具有环绕的活塞顶岸22和具有用于活塞环(未示出)的环形槽24的环绕的活塞环部23。活塞顶13的外部区域21包括燃烧室凹腔15的凹腔边缘25。活塞环部件可以由铸造材料或者锻造材料构成，或者替代性地由粉末冶金制成的材料构成，优选由耐磨和/或耐热的材料构成。

对此可以根据需要使用例如根据DIN EN 10083的调质钢、例如根据DIN 17240或者DIN EN 10269的耐热和耐高温的钢、例如根据DIN EN 10095的耐高温的钢和镍合金。

可以使用例如根据DIN EN 1563的具有球墨的铸铁、根据DIN EN 10293的铸钢或根据DIN EN 10295的耐高温的钢作为铸铁材料。

在与铝制下部件结合时也能够使用耐高温的铝活塞合金。

此外，活塞环部件12具有环绕的凹槽26，该凹槽向活塞顶13的方向大体上平行于活塞环部23延伸。在活塞环部23的下面设置有第一个环绕的接合面27以及在凹腔边缘25的下面设置有第二个环绕的接合面28。结合面27和28位于共同的锥形表面上。

活塞主体11具有外部的环绕的凹处31，该凹处由环绕的外部接合面32和环绕的内部接合面33限定。环绕的内部接合面33同时包围燃烧室凹腔15的内部区域14和底部。外部接合面32和内部接合面33同样位于共同的锥形表面上。

通过使相应的接合面27和32以及28和33相互对接，活塞主体11和活塞环部件12接合成一个整体，从而得到没有裂缝的或公差非常小的分界面。借助于适合的接合方法(特别是粘合、钎焊或焊接)沿着接合面27、32以及28、33将活塞主体11和活塞环部件12相互紧密地连接在一起。对此可以将接合面27、32以及28、33以唯一的工序相互连接在一起，例如通过焊接。活塞环部件12的凹槽26和活塞主体11的凹处对此构成环绕的、封闭的冷却通道34。由于相应的接合面27、32以及28、33位于相应的锥形表面上这样的事实情况，而得到活塞主体11和活塞环部件12自动的定中心。通过在接合前轴向张紧活塞主体11和活塞环部件12有助于定中心。

实施例：

通过经控制的冷却过程将由38MnVS6锻造而成的活塞主体11调整到所需的强度。然后以一个工序制造接合面32、33，以及将环绕的凹处31加工完成。

活塞环部件12由材料42CrMo4锻造而成并且通过调质处理过程调整到所希望的强度。以与制造活塞主体相同的方式使用在与凹处相同的锥角的情况下制造接合面27、28。

预热两个部件并且通过轴向力将两个部件相互张紧，因此接合面27、32和28、33相互位于中心位置。借助于电子束焊接方法在不使用焊接添加料的情况下从外径开始以一个工序将这样相互定位的两个分界面相互焊接在一起。

替代性地可以将两个分界面分开地、从外径和燃烧室凹腔15开始依次或者同时通过电子束焊接方法相互牢固地连接在一起。因此两个焊缝根部形成在冷却通道中。

图2示出了根据本发明的由活塞主体111和活塞环部件112构成的活塞110的另一个实施例，其中相同的部件具有相同的附图标记。与图1中所示的活塞10的仅有的不同之处在于，没有设置冷却通道。因此，活塞环部件111具有唯一的锥形接合面135以及活塞环部件112具有唯一的、对应的锥形接合面136。活塞主体111和活塞环部件112借助合适的接合方法(特别是粘合、钎焊或焊接)沿着接合面135、136相互牢固地连接在一起。对此可以以唯一的工序将接合面135、136相互连接在一起，例如通过焊接。在本实施例中基于相应的接合面135、136位于相应的锥形表面上这个事实而使得活塞主体111和活塞环部件112自动定中心。接合之前在活塞主体111和活塞环部件112中进行轴向地张紧有助于定中心。必要时可以在活塞环部件112中以已知的方式加入环绕的冷却通道，如图2线条部分所示。

以专业人员已知的方式根据活塞主体11、111和活塞环部件12、112的材料选择合适的接合方法。

在使用钎焊方法时，由所选择的方法的工作温度选择合适的焊料。

作为焊接方法提供光束支持的焊接方法，例如激光焊接或电子束焊接。然而也可以使用其他的焊接方法，例如电弧支持的焊接方法，例如WIG或者MAG/MIG方法。在本文章中可能需要使用或者必须使用接合添加料。

如果使用焊接方法时需要使用焊接添加料，则可以以具有整个或者部分不同的角的锥形表面设置活塞环部件12；112的相应接合面27、28；136和/或活塞主体11；111的相应接合面32、33；135或者这样设置一个弓形的表面，即，形成大体上楔形的分界面(未示出)。在这样形成的分界面中可以特别简单而有效地接收接合添加料。特别是在根据图1的具有冷却通道34的活塞10中设置有从冷却通道34开始向活塞环部23的方向(经由接合面27、32)和向燃烧室凹腔15的方向(经由接合面28、33)来制造接合连接部。如果选择焊接方法，那么可以将焊接根部相应地置于冷却通道端上。

图3示出了根据本发明的具有活塞主体211和活塞环部件212的活塞210的另一个实施例。活塞210与根据图1的活塞10相一致，因为该活塞同样具有环绕的冷却通道234。活塞210的特征在于，活塞主体211和活塞环部件212在接合面227、232或者228、233的区域中设有在冷却通道端上局部的增厚部237、238。由此至少明显降低了在接合连接部的区域中可能出现的切口效应。此外该活塞的特征还在于，接合面227和227’位于共同的平面上，该平面以锐角α向活塞轴倾斜地实施。

图4示出了根据本发明的活塞的另一个实施例，其中接合面227和227’没有位于共同的平面上，其中，接合面227与活塞轴300构成锐角以及接合面227’和活塞轴构成钝角β。从而能够使两个待连接部件轻松达到自动定中心的效果，其中，根据倾斜于活塞轴300设置的接合面227’a(虚线所示)能够最佳地达到定中心效果。根据接合面设置227’b与227相结合，在使用光束焊接(例如激光焊接或者电子束焊接)时实现了本发明的目的的最佳解决方案。

Claims (6)

1.一种内燃机活塞(10、110、210)，所述活塞具有活塞主体(11、111、211)和活塞环部件(12、112、212)，其中所述活塞主体(11、111、211)具有活塞顶(13)的至少一个内部区域(14)，所述内部区域形成了燃烧室凹腔(15)的底部，所述活塞主体还具有活塞裙(16)，所述活塞裙设有具有毂孔(17)的销毂(18)，其中所述活塞环部件(12、112、212)具有活塞顶(13)的至少一个外部区域(21)，所述外部区域具有环绕的活塞顶岸(22)和设有环形槽(24)的环绕的活塞环部(23)，其中所述活塞主体(11、111、211)和所述活塞环部件(12、112、212)形成了环绕的、封闭的冷却通道(34，234)并经相应的内部的锥形接合面(28、33；227、233)以及外部的锥形接合面(32、27；232、228)接合在一起，其中所述内部的锥形接合面(28、33；227、233)与活塞轴(300)构成锐角(α)，其特征在于，所述外部的锥形接合面(32、27；232、228)与所述活塞轴(300)或者构成了大于所述锐角(α)的另一锐角(β)或者构成了钝角(β’)。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，相应的接合面(32、33、27、28；135、136；232、233、227、228)以接合添加料填充产生的缝隙。

3.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述活塞主体(211)和/或所述活塞环部件(212)在冷却通道端上的、接合面(232、233、227、228)的末端区域中具有局部增厚部(237、238)。

4.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述燃烧室凹腔(15)具有由耐磨材料和/或耐热材料构成的凹腔边缘(25)。

5.根据权利要求1-4的任意一项所述的活塞，其特征在于，所述活塞主体(11、111、211)由金属材料制成以及活塞环部件(12、112、212)由耐磨的钢材制成。

6.根据权利要求1-4的任意一项所述的活塞，其特征在于，所述活塞主体(11、111、211)由金属材料制成以及活塞环部件(12、112、212)由耐热的材料制成。