CN104718369B - 具有埋头孔设计的钢活塞 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于内燃机的活塞。该活塞包括由钢制造的活塞本体。该活塞本体包括具有上燃烧表面的冠部、从冠部表面悬垂的一对裙部、用以容置活塞销的一对销壳以及从销壳延伸至裙部的多个销壳桥。每个销壳桥轴向延伸至与冠部相对的一下端并且在其下端处具有壁厚增加的肋部。至少一个销壳桥具有大致平面的埋头孔表面以给活塞本体的机械加工提供参照位置。

Description

具有埋头孔设计的钢活塞

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年9月18日提交的第61,702,549号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明大致涉及钢活塞以及形成钢活塞的方法。

背景技术

许多传统的整体的活塞本体由铝制成并且包括一冠部、一对裙部、一对销壳以及在裙部和销壳之间延伸的多个销壳桥。此类整体的活塞本体典型地通过铸造或者锻造工艺初始形成为粗糙的形状并且后续机械加工为它们最终的形状。机械加工操作通常始于在活塞的铸造的或者锻造的特征上定位基准面或者参照点以及对每个活塞裙部的下端(但并不是整个下端)的内部进行加工以形成具有大致平整表面的埋头孔。一旦形成了这些埋头孔，它们将被用作许多(如果不是所有)对活塞本体的后续机械加工工艺以及对活塞本体的最终检验的参考点和/或基准点以确保活塞本体可以履行它的预期功能。

许多现代发动机制造商采用先进技术，比如直接注塑以及涡轮增压以提高性能以及燃油经济性。因此，这些和其它先进的技术常常导致可能损坏铝活塞的增加的燃烧温度以及压力。为了对抗这些增加的燃烧温度以及压力，一些活塞制造商开始制造钢活塞而非铝活塞。由于钢相对于铝的增加的强度，理想的是形成具有较薄的裙部和销壳桥壁厚的活塞以达到减重目的。但是，裙部的壁厚的任何减小典型地具有减少用以机械加工埋头孔表面的材料的消极作用，从而使得某些机械加工操作更困难。一些活塞制造商已经尝试将埋头孔表面加工入具有减小壁厚的裙部中。图1和图2示出了埋头孔表面机械加工入其裙部的此类活塞本体。然而，该方法可能导致外部的、非加工的部分极薄、易碎且锋利，并且可能导致在后续的机械加工操作期间或者在机械加工之前或之后的处理期间更容易受损伤。为了避免这些缺点，其他活塞制造商生产具有厚于结构上所需厚度的裙部的钢活塞，仅为了提供具有足够厚度的裙部以在通过该裙部机械加工埋头孔表面时不会在裙部上生成薄的、易碎且尖锐的外部的、非加工的表面。

发明内容

本发明的一个方面提供了用于内燃机的活塞。该活塞包括由钢制成的活塞本体。该活塞本体包括具有上燃烧表面的一冠部、从冠部悬垂的一对裙部、用以容置活塞销的一对销壳，以及从裙部延伸至销壳并且轴向延伸至与冠部相对的下端的多个销壳桥。每个销壳桥在其各自的下端具有厚度增加的肋部。至少一个销壳桥具有大致平面的埋头孔表面以给活塞本体的机械加工提供参照位置。

在销壳桥的下端处的肋部上定位埋头孔表面由于一些原因是有利的。比如，活塞本体的总重或质量相对于其它已知的钢活塞减轻了，因为裙部的厚度可被优化，因为它们不必足够厚以具有埋头孔表面。另外，由于销壳桥的加厚区域(也就是肋部)仅定位于销壳桥的桥下端，通过肋部而增加至活塞的重量或质量是非常小的，尤其是当与通过优化裙部的厚度而节省的重量或质量相比时。如此，活塞本体比其它已知的钢活塞本体更轻。这是有益的，因为它提供了制造过程中减少的材料成本以及内燃机的提高的性能。

本发明的另一个方面提供了一种制造活塞的方法。该方法包括将活塞本体形成为非最终的形状的步骤，活塞本体具有一冠部、一对裙部、一对销壳以及使裙部和销壳互相连接的销壳桥。该方法进而包括将埋头孔表面机械加工入销壳桥的桥下端的步骤。该方法继续包括定位至少一个埋头孔表面的步骤。该方法进而包括定位或固定至少一个埋头孔表面的步骤。该方法继续包括基于定位的埋头孔表面机械加工活塞本体的步骤。

附图说明

参阅以下详细说明，同时参阅附图，本发明的这些和其它特征以及优点将更易于领会和理解，其中：

图1是一种已知类型的由钢制成的整体的活塞的仰视图；

图2是图1的传统的整体的活塞的立体示意图；

图3是根据本发明的一个方面构造的活塞的立体示意图；

图4是图3的活塞的仰视图；

图5是图3的活塞的侧视图。

具体实施方式

参阅附图，其中相同的附图标记用以标示贯穿多个附图的相应部分，图3-图5大致示出了用于内燃机(图中未示)的整体的活塞本体20的一个典型实施例。活塞本体20的该典型实施例由钢制成并且具有多个销壳桥22，销壳桥22具有大致平面的埋头孔表面24，埋头孔表面24在铸造和/或锻造操作后被机械加工入销壳桥22上。销孔桥22上的该大致平面的埋头孔表面24可用作活塞本体20上后续机械加工操作的基准位置和/或参照位置。另外，由于该大致平面的埋头孔表面24形成于销孔桥22上而非活塞本体20的裙部26上，相对于其它已知的由钢制成的活塞本体，裙部26可形成为具有减小的或者优化的壁厚。

现在参阅图3，该典型实施例的活塞本体20包括具有上燃烧表面的一冠部28以及一环带30。该环带30包括嵌入活塞本体20的外部环形表面并且彼此轴向间隔开以容纳多个活塞环(图中未示)的多个环槽。上环槽优选地配置为容纳压缩环(图中未示)以在活塞本体20上的燃烧室内密封燃烧气体，最下部的环槽优选地配置为容纳一刮油环或者成套活塞环(图中未示)以在活塞本体20之下的曲轴箱(图中未示)和油盘(图中未示)中密封润滑冷却油。如图5最优所示，活塞本体20还形成有泄油槽34，泄油槽34在环槽之下轴向间隔开并且配置为控制从内燃机的气缸壁刮下的油流以最小化活塞环之外的油道。该泄油槽34围绕裙部26的外表面延伸并且向销壳桥22的外部平整表面敞开。

再参阅图3，活塞本体20的裙部26在直径方向上彼此相对并且从冠部28悬垂并且在轴向上从冠部28延伸至各自的裙部下端36。每个裙部26在从冠部28至它的裙部下端36基本它的整个高度上具有大致相同的壁厚。活塞本体20还包括一对在直径方向上相对的具有开口的销壳38，开口彼此对准用于容置活塞销(图中未示)以通过内燃机的连杆(图中未示)连接活塞本体20。每个销壳桥22整体上与一个裙部26以及一个销壳38连接并且在一个裙部26以及一个销壳38之间延伸。当裙部26为圆形以与内燃机中的气缸壁的形状一致时，除了肋部40(下文进一步详细讨论)，销壳桥22大致为平面的或者平的。

在活塞本体20的典型实施例中，该销壳桥22从冠部28悬垂并且从那里轴向延伸至各自的桥下端，每个销壳桥22具有肋部40，肋部40在它的各自的桥下端具有增加的壁厚，也就是说，桥下端具有比销壳桥22的其它部分更厚的厚度。在典型的实施例中，每个销壳桥22的肋部40基本上在各自的裙部26和各自的销壳38之间的整个间距上延伸。但是，应当领会的是活塞本体可选择地形成为具有在小于各自的裙部和各自的销壳之间的整个间距上延伸的肋部。

现在参阅图4的仰视图，肋部40的下表面被机械加工以具有多个平的埋头孔表面24，埋头孔表面24可作为活塞本体20上后续的机械加工工艺以及如果施加的最终检验过程的参照和/或基准点/位置。在典型的实施例中，机械加工的埋头孔表面24位于销壳桥22的底部表面上销壳38的任一侧，也就是，在销壳桥22与裙部26接合的所有四个过渡区域处。如图所示，在典型的实施例中，埋头孔表面24在裙部26的裙部下端36上竖向地凸起(raised)，也就是说，埋头孔表面24轴向地(或者竖向地)定位于活塞本体20的裙部下端36和冠部28之间。

活塞本体20优选地由一块整块的钢制成并且通过铸造工艺或者锻造工艺形成为粗糙的、非最终的形状。在铸造或者锻造工艺完成后，然后在销壳桥22的肋部40上机械加工埋头孔表面24。接下来，埋头孔表面24用作后续机械加工工艺(比如机械加工销壳38，机械加工环槽32和/或机械加工冠部28的上燃烧表面)的参照或基准位置。

如果活塞本体20通过铸造形成为它的粗糙的、非最终的形状，然后在销壳桥22的桥下端的肋部40可直接铸成于活塞本体20中。可选择地，如果活塞本体20通过锻造工艺形成为它的粗糙的、非最终的形状，然后在将埋头孔表面24机械加工至它们的最终厚度之前或者之后，销壳桥22可初始形成为具有较厚的厚度，然后再进行加工，同时在销壳桥22的桥下端内保留加厚的肋部40。

在销壳桥22的肋部40上定位埋头孔表面24由于一些原因是有利的。比如，活塞本体20的总重或质量相对于其它已知的钢活塞减轻了，因为裙部26的厚度在埋头孔表面24位于裙部26上后可被优化。除了节省材料外，这可以为内燃机提供改进的性能。另外，由于销壳桥22的加厚区域(也就是肋部40)仅定位于销壳桥22的桥下端，通过肋部40而增加至活塞的重量或质量是非常小的，尤其是当与通过优化裙部26的厚度而节省的重量或质量相比时。

将埋头孔表面24形成于销壳桥22的桥下端的另一个优点是用于在销方向上对活塞进行定中心的抱角是最大化的。在埋头孔表面24形成于活塞之后，一圆盘(图中未示)在埋头孔表面24处典型地被附着于活塞本体20上，该圆盘可用于在销方向上定位一参考基准点。根据包括销长的一系列参数，在一些活塞中裙部的长度可非常小，并且因此，其它已知的活塞本体的销孔表面通过其延伸的角可能不够长以在具有由传统方法(例如，在裙部的底面上)制造的埋头孔的活塞内的销方向上精确定位活塞本体。然而，由于典型的实施例的活塞本体20的埋头孔表面24形成于销壳桥上而非裙部26上，由于埋头孔表面24形成于邻近(或者也许甚至越过)裙部26的端部处，可测量到在相对的埋头孔表面24之间的更宽的角度以在销方向上更精确地定位活塞本体20。

本发明的另一个方面提供了一种制造用于内燃机的活塞的方法。该典型的方法包括将活塞本体20形成为非最终的形状的步骤，其中，活塞本体20具有一冠部28、一对裙部26、一对销壳38，以及具有使裙部26和销壳38相互连接的肋部40的销壳桥22。例如，形成步骤可以是铸造活塞本体20或者锻造活塞本体20。如果活塞本体20铸造为非最终的形状，然后肋部40可直接铸造入活塞本体20中。另一方面，如果活塞本体20锻造为非最终的形状，然后，该方法可另外包括将销壳桥22机械加工以形成肋部40的步骤。

该典型的方法进一步包括将埋头孔表面24机械加工于销壳桥22的桥下端的步骤。典型的方法然后继续包括在至少一个销壳桥22上定位(例如，用数控机床)至少一个埋头孔表面24。该方法接着包括在至少一个销壳桥22上基于定位的一个埋头孔表面24或者多个表面机械加工活塞本体20。基于定位的一个埋头孔表面24或者多个表面的活塞本体20的机械加工可以是，例如，将环槽机械加工于冠部28中，在销壳38内机械加工开口或者机械加工冠部28的上燃烧表面。

显然，根据以上教导，本发明的许多修正和变型是可能的，在所附权利要求范围内，本发明也可通过具体描述以外的方式实现。

Claims (13)

1.一种用于内燃机的活塞，其特征在于，包括：

一钢制的活塞本体；

所述活塞本体包括：具有上燃烧表面的一冠部、从所述冠部悬垂并轴向延伸至裙部下端的一对裙部、用以容置活塞销的一对销壳以及从所述销壳延伸至所述裙部的多个销壳桥；

每个所述销壳桥轴向延伸至各自销壳桥的下端并且在其下端处具有相对所述销壳桥的纵向相邻部分增加的壁厚的肋部；以及

至少一个所述销壳桥，在所述裙部下端上方与其纵向间隔的所述销壳桥末端处，具有大致平面的埋头孔表面以给所述活塞本体的机械加工提供参照位置。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述销壳桥的所述下端为桥下端并且其中，所述裙部轴向延伸至裙部下端，其中，所述销壳桥上的所述埋头孔表面轴向定位于所述冠部和所述裙部下端之间。

3.根据权利要求2所述的活塞，其特征在于，每个所述裙部具有从所述冠部至所述裙部下端的大致连续的壁厚。

4.根据权利要求2所述的活塞，其特征在于，所述销壳桥从所述活塞本体的所述冠部悬垂并且从所述冠部延伸至所述桥下端。

5.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述活塞本体由一个完整的钢块制成。

6.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述冠部包括环带，所述环带具有多个轴向间隔开的用于容纳多个活塞环的环槽。

7.根据权利要求6所述的活塞，其特征在于，进一步包括与所述环槽轴向间隔开的一泄油槽。

8.一种制造活塞的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将一活塞本体形成为非最终的形状，具有一冠部、一对裙部、一对销壳以及使裙部和销壳互相连接的销壳桥，所述冠部具有上燃烧表面，所述对裙部从所述冠部悬垂并轴向延伸至裙部下端，所述对销壳用以容置活塞销，每个所述销壳桥轴向延伸至各自销壳桥的下端并且在其下端处具有相对所述销壳桥的纵向相邻部分增加的壁厚的肋部；

将埋头孔表面机械加工于所述裙部下端上方与其纵向间隔的销孔桥的桥下端；

定位至少一个埋头孔表面；以及

基于定位的埋头孔表面机械加工活塞本体。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在形成步骤后，所述活塞本体在销孔桥的桥下端处具有肋部。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，形成步骤进一步限定为将活塞本体铸造为非最终的形状。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，形成步骤进一步限定为将活塞本体锻造为非最终的形状。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括将肋部机械加工入销壳桥的桥下端的步骤。

13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，形成步骤进一步限定为将活塞本体锻造至近净成形。