CN103443432A - 用于内燃机的活塞 - Google Patents

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Abstract

用于内燃机的活塞，所述活塞具有活塞裙部，所述活塞裙部包括裙部壁(12)和箱壁(16)；所述壁包围着凹部(20)，其中至少一个裙部壁(12)设置用于活塞(10)在安装状态中的受压侧。所述活塞的特征尤其在于，在设置用于所述活塞(10)的受压侧的至少一个所述裙部壁(12)的至少一个局部区域(22)中，凹部(20)基本上限定成抛物线、椭圆的一部分或悬链曲面的形状，所述抛物线、椭圆的一部分或悬链曲面位于大致上平行于活塞顶部的平面中。

Description

用于内燃机的活塞
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于内燃机的活塞。该前序部分由专利文献DE102008002536A1中的活塞所构成。
背景技术
在内燃机中，燃料-空气混合物周期性地在压缩冲程结束时和在膨胀冲程开始时点燃和燃烧。在往复运动的活塞式发动机中，这种情况在燃烧室中发生，燃烧室通过在气缸中上下移动的活塞从曲轴箱中划分出。活塞通过连杆连接到曲柄轴。活塞销继而用来将活塞连接到连杆，活塞销容纳在形成于活塞中的销座中。
近年来，发动机已经存在一种日益增长的趋势，即趋向于与涡轮增压相关联的燃油直喷技术。这方面的发展使得活塞的发展面临新挑战，尤其是关于稳定增长的点火压力以及不断推后的燃烧重心位置，后者表现为活塞裙部的高的侧向负载。由于增加的负载，传统的活塞概念越来越不适合于满足这些需求，特别是考虑到所需要的耐久性。
为了应付增加的负载，专利文献DE102009032379A1公开了一种具有受压侧箱壁的活塞，所述受压侧箱壁沿直线延伸并且为倾斜的，使得销座区域中的箱壁的距离大于受压侧裙部壁区域中的箱壁的距离。这是为了提高裙部壁/箱壁的连接。
EP0913566A2描述了一种用于内燃机的冷却活塞，其中在活塞内部形成了冷却管道，其特征在于位于活塞裙部外侧的入口点。以这种方式实现了冷却的改进。
已经在前序部分中引用了的专利文献DE102008002536A1，该文献描述了一种活塞，其特征在于，在受压侧上具有大致直的连接壁，并且在背压侧上具有弯曲壁。这减少了噪音的产生，并带来更大的回弹性。
专利文献DE4019968C2揭示了一种活塞，该活塞的所谓裙部在外侧至少在一些区域中具有椭圆形的形式。
已知的具有裙部壁和箱壁的活塞也称作“滑履活塞”和“滑裙活塞”，这种活塞确保具有低重量和高回弹性。
由于活塞承受高负载，因此存在一种倾向，即在箱壁到活塞裙部的连接区域中会出现箱壁裂缝。这些裂缝由弯曲力矩所导致，所述弯曲力矩在活塞裙部的形变过程中在点火压力下产生，并且作用于活塞裙部和箱壁之间的过渡区域中。常规的方法、尤其是在箱壁和侧壁之间尝试较小或较大的过渡半径不能够以令人满意的方式来解决这个问题。
发明内容
本发明基于如下目的，即提供一种活塞，其在活塞裙部到箱壁的连接区域中具有减少的箱壁裂缝的形成。
该目的通过根据权利要求1所述的活塞来解决。
据此，提出了一种用于内燃机的活塞，所述活塞具有活塞裙部，所述活塞裙部包括裙部壁和箱壁，裙部壁和箱壁限定了凹部，至少一个裙部壁设置用于活塞的安装状态中的受压侧，所述活塞的特征在于，在裙部壁的区域中所述凹部基本上限定成抛物线、椭圆的一部分或悬链曲面的形式，所述抛物线、椭圆的一部分或悬链曲面位于大致上平行于活塞顶部的平面中。换言之，所描述的凹部的形式应用在至少一个具有垂直于活塞轴线的部分平面的部分中。
尤其地，悬链曲面的形式（该形式为在重力影响下的自由悬挂的链条或自由悬挂的绳索）具有如下优势，即当作为耐压管线使用的时候，侧向负载会理想地仅消散于法向力中，即不产生弯矩。然而，相比于悬链曲面更易于制造的形式也可以抵消掉不同的负载状态。其原因是已经显示出，有利的是作为所施加的法向力的结果，不会出现水平分量。实践中，这大概通过使用椭圆的一部分或抛物线来实现。这种形式的优势是，仅适当地增加重量就实现了高侧向活塞负载的可转移性。
悬链曲面或抛物线的对称轴或椭圆的长轴优选地位于如下直线上，所述直线从相应的裙部壁、优选地从其在周向范围内的中心处开始延伸。换言之，悬链曲面或抛物线的顶点或椭圆的主顶点中的一个处于相应的裙部壁上，并且优选在周向方向上处于裙部壁的中心。
另外，优选的是，对称轴或长轴在两个箱壁之间延伸。因此，其方向优选地大致上平行于箱壁，和/或垂直于通过任何活塞销座的中心点的直线。尤其是，在椭圆的情况中，短轴优选地在箱壁之间延伸，并且处在位于活塞销座的中心点之间的连接线和裙部壁部分之间的区域中。相应地，所述椭圆可以例如从裙部壁部分延伸到位于活塞销座之间的区域中。因此，椭圆的短轴的长度大致上相应于箱壁之间的距离，并且椭圆的长轴大致上相当于活塞直径的一半。椭圆的短轴优选平行于销的轴线，即活塞销座的中心点之间的连接线。
在此处以及在本申请的其余部分中，裙部壁理解为活塞外周的一部分，所述部分在使用时顶靠内燃机的汽缸壁，并且相应地大致上是柱形的。箱壁是活塞外周上的相对于其处于后方的部分。
在从属权利要求2到13中描述了优选的实施方案。
另外优选的是，所述区域沿垂直于活塞顶部的方向延伸过一个部分，所述部分包括活塞裙部中的与活塞顶部相对的边缘。这具有如下优势，即作为承受最大负载的一部分的活塞的边缘受益于根据本发明的设计，并因此尤其避免了此处的裂纹和材料的弱化。
另外优选的是，该至少一个区域沿垂直于活塞顶部的方向延伸过一个部分，所述部分与活塞顶部齐平。以此方式，避免了具有根据本发明的形式的凹部部分和不具有此形式的其它凹部部分之间的过渡，这避免了这些区域之间的潜在应力。这也具有如下优势，即进一步增加了活塞的稳定性，因为现在加强了活塞的更大片区域。
进一步优选的是，具有上述几何形式的所述凹部的区域至少延伸过裙部壁的整个宽度。这具有如下优势，即这里也进一步增加了裙部壁的刚度。另外，这里也避免了具有该几何形式的凹部壁部分和没有这种形式的凹部壁部分之间的过渡，因此也避免了会导致材料弱化的应力。
还优选的是，具有上述几何形式的凹部的局部区域延伸过活塞的一个或所有的箱壁。这里也有如下优势，即相比于先前的优选实施方案，进一步增加了裙部壁的刚度和稳定性。这种区域可以例如至少为相应箱壁的周向范围的10%、20%、50%或100%。
另外，这种形式允许这样的箱壁布置，即从活塞的中心观测，箱壁在销座处位于径向“内侧”。然而在其它的活塞中，销座大多位于箱壁的内侧，这在根据本发明的活塞中优选地有所不同。这具有如下优势，即根据本发明，不会干扰压力线。活塞因此具有如下特征，即具有进一步增加的稳定性。这还导致了块状支撑件的加强。
另一个优选的实施方案是，所有的销座都具有如上所述的形式。这具有如下优势，即现在活塞的两侧对称地作用，并且因此两侧以大概相同的程度承担负载，这导致了减少的磨损。
另一个优选的实施方案是，与最靠近外壁的凹部的几何图形的顶点线相对的直线的受压侧的裙部壁至少在一个周向方向上具有增加的厚度。这具有如下优势，即可以由更多材料来承担活塞侧部上的更大负载。因此，活塞更具回弹性。
另一个优选的实施方案是，与最靠近外壁的凹部的几何图形的顶点线相对的直线的受压侧的裙部壁在两个周向方向上都具有增加的厚度。这具有如下优势，即此时裙部壁的两侧以相同的方式起作用，并且因此避免了较弱侧的应力和磨损。
还优选的是，两种上述的设计形式也呈现在背压侧。即使该侧承受较少的压力，其无论如何也能够有利地避免此处的磨损和应力，这就是这些实施方案可以减少磨损的原因。
另外优选的是，在活塞中，在裙部壁与箱壁的过渡处裙部壁比箱壁厚。这具有如下优势，即可以节省材料的方式工作，这是因为裙部壁构成了活塞中的承受高负载的部分，而箱壁承受相对小的负载。
另外，活塞优选为当从位于凹部表面上且最靠近活塞的中轴线的线朝着裙部壁移动时，一个箱壁、优选所有箱壁的厚度增加。这具有如下优势，即以此方式，可以连续的方式形成与裙部壁的过渡部分，这是因为可以避免掉具有大厚度差异的壁之间的过渡。
附图说明
图1是根据本发明的活塞的仰视图。
具体实施方式
现在将参照图1来描述根据本发明的活塞的优选实施方案。
图1中显示的活塞10包括活塞销座18，该活塞销座18形成于活塞裙部24中，用于接受（未示出的）活塞销。活塞裙部24包括围绕着凹部20的两个裙部壁12、14和两个箱壁16。在所安装的状态中，（未示出的）活塞销穿过在箱壁16中所形成的活塞销座18和凹部20。
裙部壁12、14设计成不同的，这取决于它们是设置用于受压侧(PS)或用于背压侧(CPS)。受压侧的裙部壁12的内侧22形成为抛物线，所述抛物线从裙部壁的边缘到活塞顶部以连续的方式形成，而背压侧的裙部壁14的内侧则不以此方式形成。
该抛物线布置成使得其顶点在周向方向上位于相应的裙部壁14的中心。另外，抛物线的对称轴垂直于活塞销座18的中点之间的连线而延伸。
另外，箱壁16在销座18处“向内”布置，即从活塞的中轴线处观测，销座18向外延伸到相应箱壁16的外表面之外。另外，在所显示的活塞中，在裙部壁12、14和箱壁16之间的交界部分处，裙部壁12、14比所述箱壁要宽，并且该交界部分的特征还在于箱壁和裙部壁之间的过渡区域，在所述过渡区域处，外表面包括向外的凸起。所述凸起源自于大致上采用活塞形式的裙部壁以及箱壁至少在箱壁和裙部壁之间的交界部分处大约垂直于该表面。另外，当移动远离直线时，即在受压侧远离几何图形的顶点或在背压侧(CPS)远离在直径方向上相对的线时，裙部壁12、14更厚。

Claims (13)

1.用于内燃机的活塞(10)，
所述活塞包括活塞裙部，所述活塞裙部包括裙部壁(12)和箱壁(16)；
所述裙部壁(12)和箱壁(16)限定了凹部(20)；
至少一个裙部壁(12)设置用于活塞(10)的安装状态中的受压侧；
其特征在于，在所述裙部壁(12)的区域(22)中，凹部(20)基本上限定成抛物线、椭圆的一部分或悬链曲面的形式，其中所述抛物线、椭圆的一部分或悬链曲面位于大致平行于活塞顶部的平面中。
2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，至少一个所述区域(22)沿垂直于活塞顶部的方向延伸过一个部分，所述部分包括与活塞顶部相对的活塞裙部的边缘。
3.根据权利要求1或2所述的活塞，其特征在于，至少一个所述区域(22)沿垂直于活塞顶部的方向延伸过一个部分，所述部分与活塞顶部齐平。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的活塞，其特征在于，所述凹部(20)的至少一个所述区域(22)延伸过所述裙部壁(12)的整个宽度。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的活塞，其特征在于，所述凹部(20)的至少一个所述区域(22)延伸过所述箱壁(16)中之一的至少一个区域。
6.根据权利要求5所述的活塞，其特征在于，所述凹部(20)的至少一个所述区域(22)延伸过所述活塞的所有箱壁的区域。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的活塞，其特征在于，在所述箱壁(16)上形成了用于接受销的活塞销座(18)，并且从所述活塞的中轴线处观测，至少一个这样的活塞销座(18)向外延伸到相应的箱壁(16)的外表面之外。
8.根据权利要求7所述的活塞，其特征在于，从所述活塞的中轴线处观测，所有的在所述箱壁(16)中形成的用于接受销的活塞销座(18)向外延伸到相应的箱壁(16)的外表面之外。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的活塞，其特征在于，与最靠近外壁的凹部(20)的几何图形的顶点线相对的直线的受压侧(PS)的裙部壁(12)至少在一个周向方向上具有增加的厚度。
10.根据权利要求9所述的活塞，其特征在于，与最靠近外壁的凹部(20)的几何图形的顶点线相对的直线的受压侧(PS)的裙部壁(12)在两个周向方向上都具有增加的厚度。
11.根据权利要求1到10中任一项所述的活塞，其特征在于，相对于所述活塞的中轴线与所述凹部(20)的几何图形的顶点线在直径方向上相对的活塞外壁处的直线的所述背压侧(CPS)上的裙部壁(14)在至少一个周向方向上、优选在两个周向方向上具有增加的厚度。
12.根据权利要求1到11中任一项所述的活塞，其特征在于，位于裙部壁(12,14)与箱壁(16)的过渡处的一个或多个、优选全部的裙部壁(12,14)比箱壁(16)要厚。
13.根据权利要求1到12中任一项所述的活塞，其特征在于，当从位于凹部表面上且最靠近活塞的中轴线的线朝着裙部壁(12,14)移动时，一个箱壁(16)、优选是全部的箱壁(16)的厚度增加。
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