CN103429879A - 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），该活塞具有活塞头（10a）、活塞裙（15）和形成在活塞头（10a）和活塞裙（15）之间的环绕的凹槽（25），该活塞的特征在于，活塞（10）具有活塞主体（11）和活塞环部件（12），活塞主体（11）具有至少一个活塞顶凹坑（19）的底部区域（19a）以及活塞裙（15），活塞环部件（12）具有至少一个活塞顶（21）、活塞顶凹坑（19）的侧壁区域（19b）、环绕的活塞顶岸（22）和设有环形槽的环绕的活塞环部（23），活塞环部件（12）在活塞顶凹坑（19）的侧壁区域（19b）和活塞环部（23）之间具有以密封部件（26）封闭的环绕的冷却通道（27），活塞主体（11）和活塞环部件（12）在活塞顶凹坑（19）的区域中分别具有环绕的接缝（28），经过该接缝将活塞主体和活塞环部件相互不能够松开地连接在一起。本发明还涉及这种类型的活塞的制造方法。

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，该活塞具有活塞头、活塞裙和形成在活塞头和活塞裙之间的环绕的凹槽。本发明还涉及这种类型的活塞的制造方法。

背景技术

例如由文献DE 44 46 726 A1已知这种类型的活塞并且也称为“具有热分离的活塞裙的活塞”。这种类型的活塞具有高强度的特点并且由于活塞头和活塞裙的热分离具有耐热性高的特点。不利之处在于由于工艺流程所决定的、环形凹槽的最小高度所导致的它们相对高的总高度。

发明内容

本发明的目的在于，进一步扩展这种类型的活塞，在保持良好的机械性能和热性能的同时降低总高度。

实现方案在于，使活塞具有活塞主体和活塞环部件，活塞主体具有至少一个活塞顶凹坑的底部区域以及活塞裙，活塞环部件具有至少一个活塞顶、活塞顶凹坑的侧壁区域、环绕的活塞顶岸和设有环形槽的环绕的活塞环部，活塞环部件在活塞顶凹坑的侧壁区域和活塞环部之间具有以密封部件封闭的环绕的冷却通道，活塞主体和活塞环部件在活塞顶凹坑的区域中具有环绕的接缝，经过该接缝将活塞主体和活塞环部件相互不能够松开地连接在一起。

此外，这种类型的活塞的制造方法是本发明的主体，该制造方法具有下面的工艺步骤：（a）提供活塞主体的坯件，该活塞主体具有至少一个活塞顶凹坑的底部区域、活塞裙以及在活塞顶凹坑的区域中的接合面；（b）提供活塞环部件的坯件，该活塞环部件具有至少一个活塞顶、活塞顶凹坑的侧壁区域、环绕的空隙以及活塞顶凹坑的区域中的接合面；（c）经由这些接合面将活塞主体的坯件和活塞环部件的坯件连接成活塞坯件，（d）将活塞坯件精加工和/或最后加工成活塞。

根据本发明的思想在于，提供一种具有热分离的活塞裙和形成为单独构件的活塞环部件的活塞。在已完成的活塞中用作环绕的冷却通道的空隙因此可以以任意大小以及总高度提前加入到活塞环部件中。从而不需要以在现有技术已知的活塞中借助于切削加工才能够制造冷却通道这样高的总高度形成环绕的、引起活塞裙热分离的凹槽。因此根据本发明的活塞允许自由选择环绕的凹槽的高度和总高度并且根据需要尽可能低地保持。

有利的扩展方案由从属权利要求得到。

一个优选的扩展方案在于，接缝和活塞中轴之间夹有一个锐角。这种设计允许特别简单地使用焊接方法来接合活塞构件。特别是在电子束焊接（例如激光焊接）时可以这样控制溢出焊瘤的方向，即，使焊瘤保留在冷却通道的外面并且无法达到密封部件上。

适宜地将密封部件保持在活塞环部件上的活塞环部的区域中，这种设计可以特别简单地安装密封部件。

冷却通道端上的接缝末端特别优选地位于冷却通道的外面。以这种方式可以根据所使用的接合方法必要时以简单的方式去除材料剩余部，例如焊接凸起部。此外避免了这种材料剩余部使冷却通道变窄或者弄脏冷却通道。

另一个特别优选的实施方式在于，密封部件的自由边缘设置在接缝的上面。这种设计允许在与活塞主体的坯件连接之前已经在活塞环部件的坯件中封闭空隙。如果活塞环部件的坯件和活塞主体的坯件需要借助于电子束焊接（特别是激光焊接）相互连接在一起，那么是特别有利的。在这种接合方法中所出现的焊瘤在这种情况下在接合过程中不会到达冷却通道中并且不会使冷却通道变窄或脏污。在这种情况下密封部件也可以在接合之前已经牢固地固定在活塞环部的区域中。然而在接合之前也可以能够拆卸地或者能够更换地安装密封部件并且例如在通过焊瘤弄脏的情况下在接合过程之后更换干净的密封部件。

当然也可以在接合过程之后在形成冷却通道的情况下才将密封部件安装在活塞上。

密封部件优选形成为一件式钢板部件或者由多件组成的钢板部件。在已装配的状态下密封部件的自由末端可以紧贴在活塞上或者可以与活塞之间间隔一个缝隙。密封部件也可以形成为一件式弹簧钢板或者由多件组成的弹簧钢板。然后可以这样将密封部件固定在活塞上，即，密封部件的自由边缘在预应力的情况下紧贴在活塞上，以特别可靠地封闭冷却通道。

密封部件适宜地具有至少一个冷却油流入口和至少一个冷却油流出口。对此至少一个进入口可以具有在冷却通道中突起的套筒形状的冷却油导向部件。这种类型的导向部件例如在制造密封部件时可以成型到密封部件中。

本发明适用于所有要求的活塞结构变体。活塞主体及其坯件除了具有燃烧室凹腔的底部区域以外还可以具有一部分侧壁区域。

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实施例；

图2以剖面图示出了根据图1的活塞经90°旋转的示意图；

图3示出了根据图1的活塞的、具有密封部件的活塞环部件的放大图；

图4示出了根据图3的密封部件中的凸缘的放大图；

图5以剖面图示出了根据本发明的活塞的活塞环部件的坯件的实施例；

图6以剖面图示出了根据本发明的活塞的活塞主体的坯件的实施例；

图7示出了根据图5的、具有固定在活塞环部件上的密封部件的活塞环部件的坯件；

图8示出了由根据图6和7的构件构成的活塞坯件。

具体实施方式

图1和2示出了根据本发明的活塞10的一个特别优选的实施例。活塞10具有活塞主体11和活塞环部件12。两个构件可以由任意的适合接合构件的金属材料制成。活塞主体11和活塞环部件12共同构成活塞头10a和活塞10的活塞裙15。

活塞主体11具有活塞裙15，该活塞裙以已知的方式设有销毂16和用于容纳活塞销的毂孔17以及工作面18。活塞环部件12具有活塞顶21以及环绕的活塞顶岸22和用于接收活塞环的环绕的活塞环部23。

活塞10或活塞头10a此外还设有活塞顶凹坑19。对此，活塞主体11具有活塞顶凹坑19的底部区域19a，而活塞环部件12具有活塞顶19的侧壁区域19b。

活塞主体11的销毂16经由销毂连接部24悬挂在活塞顶凹坑19的底部区域19a的底侧上。活塞裙15通过环绕的环形凹槽25与活塞环部23分离。因此活塞裙15与活塞头10a热分离。

活塞环部件12在活塞顶凹坑19的侧壁区域19b和活塞环部23之间具有由密封部件26封闭的环绕的冷却通道27。

活塞主体11和活塞环部件12通过接合、在本实施例中优选通过激光焊接彼此连接在一起。由此在活塞顶凹坑19的区域中构成接缝28，该接缝在特别优选的本实施例中与活塞10的中轴M之间夹有锐角α。

根据本发明的、具有活塞主体11和活塞环部件12的活塞10的形成允许将构成之后的冷却通道27的空隙27a以任意大小和总高度提前成型到活塞环部件12中。从而不需要以在现有技术已知的活塞中借助于切削加工才能够制造冷却通道这样高的总高度形成将活塞裙15与活塞头10a进行热分离的环绕的凹槽25。因此根据本发明的活塞10允许尽可能低地保持环绕的凹槽25的高度和总高度，如图1所示。

图3示出了根据图1的活塞10的活塞环部件12的放大细节图。在所示的特别优选的实施例中，借助于密封部件26封闭冷却通道27。密封部件26可以一件式形成或由多个部件组成。密封部件26在本实施例中借助焊接点29固定在活塞环部件12的活塞环部23的底侧上。当然也可以通过其他任意方法将密封部件26与活塞10相连。在本实施例中密封部件26的自由边缘26a紧贴在活塞环部件12的活塞顶凹坑19的侧壁区域19b的背面。密封部件26的自由边缘26a也可以与活塞顶凹坑的侧壁区域19b的背面间隔一个缝隙。如果密封部件26形成为弹簧钢板，则即使在预应力的情况下密封部件的自由末端26a也紧贴在活塞顶凹坑19的侧壁区域19a的背面上。

根据本发明的活塞10的这个特别优选的设计在于，冷却通道端上的、接缝28的末端28a位于冷却通道27的外面。这个设计允许在与活塞主体11的坯件连接之前就已经将密封部件26固定在活塞环部件12的坯件上。这能够特别简单地使用焊接方法（优选电子束焊接方法，特别优选激光焊接方法）来接合活塞构件。在这种接合方法中出现的焊瘤在这种情况下在接合过程中不会到达冷却通道27中并且不会使冷却通道变窄或脏污。密封部件26可以在接合之前就已经牢固地固定在活塞环部件11的坯件上。然而在接合之前也可以能够拆卸地或者能够更换地安装密封部件26并且例如在通过焊瘤弄脏的情况下在接合过程之后更换干净的密封部件26。

图4示出了活塞10的密封部件26的另一个图示。在该图示中可以看出，密封部件26具有冷却油流入口31。流入口31设有套筒形状的导向部件32，该导向部件伸入到冷却通道27中并且以已知的方式用于导向被引导到冷却通道27中的冷却油。此外密封部件26以已知的方式具有至少一个冷却油流出口（未示出）。

特别优选地以下面所描述的方式制造根据本发明的活塞10。

根据图5至8，首先提供在本实施例中经初加工的、活塞主体11的坯件11’以及在本实施例中经初加工的、活塞环部件12的坯件12’。

坯件11’、12’大体上与已完成的活塞主体11和已完成的活塞环部件12相一致，因此相同的结构具有相同的附图标记并对此参阅以上关于图1和2的描述部分。两者主要的区别在于，毂孔17在活塞主体11的坯件11’中没有完成以及在活塞环部件12的坯件12’中缺少环形槽。

坯件11’、12’可以根据材料的选择进行铸造、锻造或者粉末冶金烧结。在本实施例中，将活塞顶凹坑19的底部区域19a成型到活塞主体11的坯件11’中。由此得到环绕的接合面33，该接合面与坯件11’的中轴M之间夹有相同的锐角α，该中轴与已完成的活塞10的中轴M相同，在已完成的活塞10中接缝28和中轴M之间夹有该锐角。

在本实施例中，将活塞顶凹坑19的侧壁区域19b成型到活塞环部件12的坯件12’中。由此得到环绕的接合面34，该接合面与坯件12’的中轴M之间夹有相同的锐角α，该中轴与已完成的活塞10的中轴M相同，在已完成的活塞10中接缝28和中轴M之间夹有该锐角。

活塞主体11的坯件11’的接合面和活塞环部件12的坯件12’的接合面33、34这样相互对应，即，坯件11’、12’可以接合成一个活塞坯件10’（参阅图8）。

在本实施例中，在形成冷却通道27时借助钢板形式的密封部件26封闭设置在活塞环部件12的坯件12’中的空隙27a（参阅图7）。该钢板可以是一件式的或者由多个部件构成；此外也可以使用简单的金属板或者弹簧钢板。密封部件26在本实施例中借助于焊接点29固定在活塞环部件12的坯件12’的活塞环部23的底侧上。密封部件26的自由边缘26a在本实施例中定位在活塞环部件12的坯件12’的活塞顶凹坑19的侧壁区域19b的背面上。密封部件26的自由边缘26a可以位于侧壁区域19b的背面上，然而也可以与侧壁区域19b的背面间隔一个缝隙。如果使用弹簧钢板作为密封部件26，则即使在预应力的情况下自由边缘26a也紧贴在侧壁区域19b的背面上。

当然也可以使密封部件26能够拆卸地与活塞环部件12的坯件12’相连并且在接合过程（参阅下述部分）之后再次移除。

接下来将活塞主体11的坯件11’和活塞环部件12的坯件12’经由它们的接合面33、34不能够松开地连接成活塞坯件10’（参阅图8）。

这里所示的、根据本发明的活塞10的实施例和根据本发明的制造方法的实施例允许以特别有利的方式借助于电子束焊接、特别是激光焊接将坯件11’、12’相互连接在一起。在这种接合方法中所出现的焊瘤在接合过程中不会到达冷却通道27中并且不会使冷却通道变窄或脏污，因为冷却通道27借助于密封部件26牢固地或者能够松开地得到封闭。在后者的情况下密封部件26例如在焊瘤引起脏污的情况下可以在接合过程之后用干净的密封部件26进行更换。因为接合面33、34同时与坯件11’、12’的中轴之间夹有锐角α，所以这样控制电子束焊接过程中出现的焊瘤的方向，即，使该焊瘤保留在冷却通道27的外面。例如焊瘤可以到达密封部件26上，必要时可以接下来更换该密封部件。然而焊瘤也可能泄漏到外面或者落在活塞裙15的内侧上，该焊瘤或者可能留在那里或者可能在以已知的精加工的过程中去除掉。

因为在这个特别优选的实施方式中冷却通道端上的接缝28的末端28a位于冷却通道27的外面，因此可以根据使用的接合方法在必要时简单地去除材料剩余部，例如焊接突起部。此外避免了这种材料剩余部使冷却通道27变窄或者弄脏冷却通道。

当然也可以在接合过程之后在形成冷却通道27的情况下才将密封部件26安装在活塞10上。

以已知的方式，取决于坯件11’、12’的形成对活塞坯件10’进行精加工或者最后加工。例如可以对外形、表面、燃烧室凹腔、活塞环部、毂孔等进行最后加工。最后得到上述根据图1和2描述的活塞10。

结果得到具有分离的活塞裙的活塞10，可以以能够自由选择的并且根据需要尽可能低地保持的总高度制造该活塞裙的环绕的凹槽25，该凹槽引起活塞裙的热分离。

Claims (15)

1.一种内燃机活塞（10），所述活塞具有活塞头（10a）、活塞裙（15）和形成在活塞头（10a）和活塞裙（15）之间的环绕的凹槽（25），其特征在于，

-所述活塞（10）具有活塞主体（11）和活塞环部件（12），

-所述活塞主体（11）具有至少一个活塞顶凹坑（19）的底部区域（19a）以及活塞裙（15），

-所述活塞环部件（12）具有至少一个活塞顶（21）、活塞顶凹坑（19）的侧壁区域（19b）、环绕的活塞顶岸（22）和设有环形槽的环绕的活塞环部（23），

-所述活塞环部件（12）在活塞顶凹坑（19）的侧壁区域（19b）和活塞环部（23）之间具有以密封部件（26）封闭的环绕的冷却通道（27），

-所述活塞主体（11）和所述活塞环部件（12）在活塞顶凹坑（19）的区域中分别具有环绕的接缝（28），经过所述接缝将所述活塞主体和所述活塞环部件相互不能够松开地连接在一起。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述接缝（28）和活塞（10）的中轴（M）之间夹有一个锐角（α）。

3.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述密封部件（26）固定在活塞环部件（12）的活塞环部（23）区域中。

4.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，冷却通道端上的所述接缝（28）的末端（28a）位于所述冷却通道（27）的外面。

5.根据权利要求4所述的活塞，其特征在于，所述密封部件（26）的自由边缘（26a）设置在所述接缝（28）的上面。

6.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述密封部件形成为一件式钢板部件或者由多件组成的钢板部件。

7.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述密封部件形成为一件式弹簧钢板或者由多件组成的弹簧钢板并且在预应力的情况下以密封部件的自由边缘（26a）紧贴在活塞（10）上。

8.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述密封部件（26）具有至少一个流入口（31），所述流入口具有在冷却通道（27）中突起的套筒形状的冷却油导向部件（32）。

9.一种内燃机活塞（10）的制造方法，所述活塞具有活塞主体（11）和活塞环部件（12）和形成在活塞头（10a）和活塞裙（15）之间的环绕的凹槽（25），其特征在于下面的工艺步骤：

（a）提供活塞主体（11）的坯件（11’），所述活塞主体具有至少一个活塞顶凹坑（19）的底部区域（19a）、活塞裙（15）以及在活塞顶凹坑（19）的区域中的接合面（33）；

（b）提供活塞环部件（12）的坯件（12’），所述活塞环部件具有至少一个活塞顶（21）、活塞顶凹坑（19）的侧壁区域（19b）、环绕的空隙（27a）以及活塞顶凹坑（19）的区域中的接合面（34）；

（c）经由这些接合面（33、34）将活塞主体（11）的坯件（11’）和活塞环部件（12）的坯件（12’）连接成活塞坯件（10’），

（d）将活塞坯件（10’）精加工和/或最后加工成活塞（10）。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述步骤（b）之后或者在所述步骤（c）之后借助所述密封部件（26）这样封闭所述空隙（27a），即，形成环绕的冷却通道（27）。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述步骤（b）之后将所述密封部件（26）能够拆卸地或者不能够拆卸地固定在所述活塞环部（23）的区域中。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使用活塞主体（11）的坯件（11’）和活塞环部件（12）的坯件（12’），它们的接合面（33、34）与活塞（10）的中轴（M）之间夹有锐角（α）。

13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，活塞主体（11）和活塞环部件（12）的坯件（11’、12’）借助于电子束焊接、特别是激光焊接相互连接在一起。

14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使用活塞主体（11）的坯件（11’），所述坯件至少具有燃烧室凹腔（19）的底部区域（19a）和一部分侧壁区域（19b）。

15.一种活塞（10），所述活塞能够根据依据权利要求9至14的任意一项所述的方法进行制造。

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