CN105033403A - 制造活塞的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了示例性活塞和制造所述活塞的方法。示例性方法通常包括：提供限定活塞轴线以及燃烧室上表面的至少一部分的活塞下部，并将活塞上部组装至活塞下部。活塞上部和活塞下部共同作用以至少部分限定围绕活塞延伸的环形冷却通道。所述方法可进一步包括将活塞上部和活塞下部与相应的上配合表面和下配合表面装在一起，并且在上配合表面和下配合表面接触的同时在上配合表面和下配合表面之间引入电流。

Description

制造活塞的方法

背景技术

本申请要求2014年5月1日递交的美国临时申请61/986943以及2015年4月16日提交的US14/688492的优先权，由此它们的内容特别通过整体引用而合并。

背景技术

内燃机制造商通常试图去提高它们产品的功率输出和燃油效率。通常提高效率和功率的一种方法是降低发动机的振动量，例如活塞、连杆和发动机其它运动部件的振动量。努力提高发动机功率和/或效率还可导致运行期间燃烧室中压力和/或温度升高。

由于与发动机运行相关联的重量上的这些降低以及升高的压力和温度，因此，发动机，特别是发动机的活塞处于增大的应力下。因此，为了在发动机使用寿命内承受这些运行条件下升高的压力，活塞冷却日趋重要。

为了降低活塞组件的运行温度，可围绕活塞周围设置冷却通道。冷却剂，诸如曲轴箱油可被引入冷却通道中，并可通过活塞的往复运动围绕冷却通道分布，由此降低活塞的运行温度。同时，冷却通道可提高活塞组件以及制造该活塞组件的整体复杂性。

将活塞组件紧固在一起的已知方法可要求冷却通道构造的某些折中方案。例如，摩擦焊接产生较大的焊缝旋度(weldcurl)，该焊缝旋度占据通道内的空间，由此减小冷却通道的整体体积。激光焊接可产生附着至冷却通道内表面的焊渣，通常在完成焊接工艺之后需要额外的清理或机械加工。在产生较少的接合组件材料废弃物(诸如焊缝旋度或焊渣)的同时，感应加热通常要求较大的感应线圈以插入在待接合的活塞组件之间。两个组件在加热之后进行接触之前允许线圈从这两个组件之间移除所需的延迟必然导致至少一些热能损失，由此产生对被引入至接合部以使这些组件充分接合的额外能量的需要。

因此，存在对活塞和解决上述问题的制造方法的需要。

附图说明

现参见附图，详细示出了示例性实施例。尽管附图呈现了此处描述的示例性示例，附图不一定必须要调整，并且可放大某些特征以更好地示出并解释示例性图示的发明性方面。此外，此处描述的示例性图示不是穷举的，或是限定为或受限于附图中示出并在以下详细说明中公开的精确形式和构造。参照附图详细说明本发明的示例性图示如下：

图1是示例性活塞组件的截面图；

图2是另一示例性活塞组件的截面图；

图3A和图3B分别是用于形成图1的示例性活塞的上部件的俯视图和截面图；

图4A、图4B和图4C分别是用于形成图1的示例性活塞的下部件的截面图、俯视图和侧视图；

图5A至图5E分别示出了使图3和图4的上部件和下部件接合以形成图1的示例性活塞的示例性方法；以及

图6是用于制造活塞的示例性方法的方法流程图。

具体实施方式

说明书中提及“示例性实例”、“实施例”或类似语言是指结合示例途径描述的具体特征、结构或特性包括在至少一种实例中。本说明书中各处出现短语“在实例中”或类似类型的语言不一定必须是指相同的实例或实施例。

此处提供活塞和制造活塞的方法示例性实例。示例性方法通常包括提供限定活塞轴线和燃烧室上表面的至少一部分的活塞下部；并使活塞上部组装至所述活塞下部。所述活塞上部和活塞下部共同作用以至少部分限定围绕所述活塞延伸的环形冷却通道。所述方法可进一步包括使所述活塞上部和活塞下部沿着相应的上配合表面和下配合表面进行接触；在所述上配合表面和所述下配合表面接触的同时在所述上配合表面和下配合表面之间感应出电流。在示例性途径中，将电极施加至所述活塞以通过上配合表面和下配合表面感应电流。

现参照图1，示出了示例性活塞100a。示例性活塞可包括活塞上部104和活塞下部102a(或102b，如图2中所示，下文进一步描述)，它们分别沿着其对应的上配合表面和下配合表面110、112，由此它们界定活塞100的环形接合部J。活塞上部104可界定构造用于在一个或多个相应的活塞环槽(未示出)内接收一个或多个活塞或控油环(未示出)的环岸106。活塞下部102a可界定裙部103，该裙部103构造用于通过滑动或者与内燃机的圆柱形孔表面(未示出)交界而在往复运动过程中支撑活塞。活塞下部102a还可界定两个活塞销毂105，该活塞销毂105具有构造用于接收活塞销的活塞销孔107，例如用于使连杆(未示出)选择性地紧固至活塞。

活塞上部和活塞下部104,102通常可共同作用以界定围绕活塞100a环形延伸的冷却通道108。如图1所示，活塞下部102a可包括下凸缘114，其通常界定冷却通道108的下边界，并通常使活塞上部104限定的环形空间封闭，从而通常限定基本闭合的冷却通道108。封闭的冷却通道108可通过一个或多个孔隙(未示出)接收冷却剂或润滑剂，该孔隙可接收来自冷却剂喷射器(未示出)的冷却剂或润滑剂，构造用于从发动机曲轴箱循环油。冷却通道108可允许冷却剂或润滑剂经由一个或多个孔隙(未示出)排出回到曲轴箱。尽管下凸缘114被例示为与环岸106的下边缘进行接触以整体闭合通道，在一些示例性实例中，下凸缘114的径向外端部和环岸106的下边缘之间可设置间隙，以允许冷却剂从冷却通道注入或排出。

活塞上部和活塞下部104,102的上配合表面和下配合表面110,112分别可沿着燃烧室120接合，该燃烧室120沿着活塞100a的上表面延伸，例如如图1和图2所示。如下文将进一步描述的，上配合表面和下配合表面110,112可在焊接工艺中接合，其中电流用于总体加热邻接上配合表面和下配合表面110,112的活塞上部和活塞下部104,102。

现参见图2，示出另一示例性活塞100b。活塞102b与图1示出的活塞100a基本相同。然而，图2中活塞下部102b缺少图1的活塞100a中示出的下凸缘114。因此，由活塞上部和活塞下部104,102b界定的冷却通道108通常对冷却通道108下方空间开口。通常开口的冷却通道通常可更自由地允许冷却剂注入或排出，例如利用输入冷却喷射器。此外，盖板(未示出)可用于部分闭合或全部闭合活塞102b的冷却通道108。

图1和图2中示出的通常两个工件构造的活塞100a，100b(统称100)，即具有活塞上部和活塞下部104和102b，可通常在活塞上部和活塞下部104,102以及所得活塞100的大小和形状方面能实现机动性，例如实现较低的活塞整个压缩高度和/或重心。此外，两个工件的构造还可有利于在冷却通道108内形成多种复合形状，以允许更容易地制造有效大小的通道，该通道提供提高的冷却能力。

活塞上部和活塞下部104,102可由任何便利的材料形成。在一个示例性途径中，活塞上部和活塞下部104,102各自由钢材料形成。在其它示例性途径中，活塞上部和活塞下部104,102由不同材料形成。在将不同材料用于上部和下部104,102的途径中，可为各个部件选择材料，这些材料分别特用于上部和下部104,102的功能。仅作为例子，可选择耐温性更好的材料用于上部104，该上部104通常被定位接近活塞100在运行期间经历的最极端的温度和压力。

如上所述，活塞上部和活塞下部104,102通常可在依赖于电流的方法中接合，使该电流流经与上配合表面和下配合表面110,112邻接的活塞上部和活塞下部104,102。在一个示例性途径中，仅作为例子，例如在浇铸、锻造或机加工的方法中，分别初始形成活塞上部和活塞下部104,102。例如，参见图3A和图3B(其示出了示例性的上部104)，并参见图4B和4C(其示出了具有下凸缘114的示例性下部120a)。此外，可在不同的形成方法中形成上部和下部104,102，例如上部104可以是锻造的，而下部102可以是机加工的。

现进行至图5A至图5E和图6，描述了一种示例性方法。更具体地，图6示出了示例性方法600，如图5A至图5E中所示，该方法通常涉及制造活塞100a的方法。方法600可开始于方块602，其中设置活塞上部，例如上部104。上部104可经由任何方法形成，例如经由锻造、机加工、浇铸或烧结，仅作为例子。此外，上部104可由便利的任何材料形成。

进行至方块604，可设置活塞下部102a,102b。下部102a,102b可经由任何方法形成，例如经由锻造、机加工、浇铸或烧结，仅作为例子。此外，下部102a,102b可由便利的任何材料形成。下部102可由与上部104相同或不同的材料形成，并可以与上部104相同或不同的方法形成。方法600然后可进行至方块606。

在方块606，活塞上部和下部104,102可彼此接近。例如，如图5A所示，活塞上部和下部104,102可初始接近彼此，使得上配合表面和下配合表面110,112不再彼此接触。

进行至方块608，线圈200可邻近上配合表面和下配合表面110,112定位，例如如图5B所示。在一种示例性途径中，使用磁弧焊接法使活塞上部和活塞下部104,102的上配合表面和下配合表面110,112接合。在一种示例性途径中，线圈200不与活塞100接触，并距离活塞100足够近至产生磁场，该磁场足以将电弧引导至上配合表面和下配合表面110,112之间，如下文进一步描述。方法600然后可进行至方块610。

在方块610，活塞上部和活塞下部104,102可被放置到一起，使得上配合表面和下配合表面110,112彼此进行接触，例如如图5C所示。在一个示例性示例中，在上配合表面和下配合表面彼此进行接触之后，可在整个上配合表面和下配合表面110,112之间感应出电流。例如，活塞上部和活塞下部104,102接触的同时，电极204a，204b可被分别施加至活塞上部和活塞下部104,102。尽管可能用线圈200感应出电流，本发明人已发现通过使电极与活塞上部和活塞下部104,102接触而在整个上配合表面和下配合表面110,112上感应出电流在一些应用中可更为有利。可利用电极204向活塞上部和活塞下部104,102施加电流。

进行至方块612，活塞上部和活塞下部104,102可彼此移开以在上配合表面和下配合表面之间界定间隙，如图5D所示，同时电流流经活塞上部和活塞下部104,102。例如，上配合表面和下配合表面110,112可被较小的距离或间隙G隔开，在一些示例性途径中，该距离或间隙G可仅为数毫米。作为上配合表面和下配合表面隔开的结果，当电流流经上配合表面和下配合表面110,112，在上配合表面和下配合表面110,112之间形成电弧，也如图5D中示出并且在其放大部分中可见。此外，由线圈200引发的磁场可分别沿着活塞上部和活塞下部102,104的配合表面110,112围绕圆周驱使并引导电弧。上配合表面和下配合表面110,112之间的电弧通常可加热邻近上配合表面和下配合表面110,112的活塞上部和活塞下部104,102。因此，活塞上部和活塞下部104,102的材料通常可被加热至它们的材料被软化或转化成适于将上部和下部104,102结合在一起的液相。方法600然后可进行至方块614。

在方块614，活塞上部和活塞下部104,102可重新接触，使活塞上部和下部104,102沿着上配合表面和下配合表面110,112接合。在一些示例性途径中，上部和下部104,102被强力在一起或者被迫使进行接触，例如利用顶锻力，该顶锻力通常将经软化或液态的材料强力在一起。加热过的材料能总体冷却、再硬化，并由此使活塞上部和活塞下部104,102沿着环形接合部J接合在一起，例如如图5E所示。

如图1、图2和图5E中所示，活塞上部和活塞下部104,102之间产生的接合部J通常产生邻近上配合表面和下配合表面110,112的略微变宽的面积。然而，形成基本不含前面的活塞部件紧固途径(诸如摩擦焊接)的任何焊缝旋度的所得接合部J。此外，由施加和引导通过上配合表面和下配合表面110,112的方法基本不产生焊渣。更具体地，整个上配合表面和下配合表面110,112上的磁导向的电流通常产生相对可控地加热上配合表面和下配合表面110,112，这不会产生焊缝旋度或焊渣，并且在任何情况下导致活塞上部和活塞下部104,102之间的相对清洁的接合部，以及较小的热影响的区域。缺乏焊缝旋度和焊渣通常减少或者甚至消除对后续的机加工操作或清洁操作以去除来自活塞100的焊缝旋度或焊渣的需要。对后续机加工或焊渣清洁的需要的减少或消除在活塞100的冷却通道108中是特别有利的，该空间更受限，并且平滑表面对于使冷却剂流的中断最小化是至关重要的。此外，磁导向的电流的使用使得活塞上部和活塞下部104,102在该方法中保持相对靠近，而在上配合表面和下配合表面110,112之间没有任何组件，例如线圈，因为上配合表面和下配合表面110,112正被加热。由此，一旦上配合表面和下配合表面110,112已被整个上配合表面和下配合表面110,112上的电流弧充分加热，上配合表面和下配合表面110,112可通常非常快速地再进行接触。因此，从经加热的材料损失的热量很少，如果有的话。在一些示例性途径中，这可提供以下优势，需要上部和下部104,102之间没有另外的转角或相对转动或对接合部J的任何其他改进，以获得活塞上部和活塞下部104,102之间的充分结合。实际上，在一些实施例中，整个上配合表面和下配合表面110,112上的电流弧的应用使得电流能保持“开”或者流经这些配合表面110,112直至上部和下部再进行接触，使得电流继续流动，直至上配合表面和下配合表面再进行接触。换句话说，因为上配合表面和下配合表面110,112之间未定位组件，例如线圈，作为方法中加热上配合表面和下配合表面的部件，通常没有延迟，即在使上部和下部104,102再进行接触之前，等待线圈被移出上部和下部104,102之间的路径。

此外，在整个上配合表面和下配合表面110,112上的经导向的电流的应用可实现配合表面110,112的许多不同变体和构造。图1和图2示出了上表面和下表面通常为平面的、环形延伸的表面。然而，与横跨至少一部分上配合表面和下配合表面施加电流和导向电流相容的任何其它构造都可使用。

文中公开的示例性活塞可用于小的和大的孔径应用中，通常没有限制。经导向的电流的使用产生的接合部大小减小可有利地实现活塞较小的整体几何形状。可减小压缩高度，即活塞直径与上表面和销毂限定的孔的中心之间的距离的比例。相对于其它现有活塞组件紧固途径，还可减小整个高度，即分别在图1和图2中示出的示例性活塞的H1和/或H2。例如，活塞上部和活塞下部104,102之间的接合部J的微小扩宽还可促使较浅的室几何形状，即相对于活塞100的直径燃烧室120的高度减小。最终，较小的整体高度和/或压缩高度通常减小活塞100的大小和重量，整体实现较小的发动机组和较小的组件，实现汽车组件中围绕发动机组的汽车套件中更大的自由。也可使用较长的连杆，其中压缩高度最小化，减小了发动机运行期间对发动机孔的侧力。由此这可减小活塞和孔之间的摩擦，改善发动机效率。由于活塞组件的刚性以及文中描述的示例性导向电流途径所提供的材料选择的柔性，活塞组件还可容忍提高的峰值燃烧压力。由于简化的锻造和接合工艺(它们可以用于一些示例性实例)，由此还可降低制造成本。

对于文中所述的工艺、系统、方法、启发等，应理解，尽管这些工艺的步骤等已被描述为根据某一排序的次序出现，这些工艺还可以不同于文中所描述的顺序的顺序进行上述步骤来实施。进一步需理解的是某些步骤可同时进行，可添加其它步骤，或者文中描述的某些步骤可省略。换句话说，文中工艺的描述提供用于阐述某些实施方式的目的，并且不应以任何方式理解成限定所述发明。

因此，应理解上述说明是示例性的而不是限制性的。除了所提供的实施例以外，许多实施方式和应用将依赖于阅读上述说明。本发明的范围应不参照上述说明确定，而是应该参照所附权利要求，以及这些权利要求相当的等价物的所有范围来确定。经预期并试图在文中所讨论的现有技术中将出现未来的改进，并且所公开的系统和方法将被并入这些未来的实施方式中。总之，应理解本发明能修饰并改变，并仅由以下权利要求限定。

权利要求中使用的所有术语试图如本领域技术人员理解的提供他们最宽的合理的结构，以及它们的常用意义，除非文中进行了相反的明确指示。具体地，单数冠词，如“一”、“该”，“所述”等，应被理解成引用指出的元件，除非记载了明确的相反限定。

Claims (20)

1.一种方法，其特征在于，包括：

提供限定活塞轴线和燃烧室上表面的至少一部分的活塞下部；

邻近所述活塞下部定位活塞上部，其中，所述活塞上部和活塞下部共同作用以至少部分限定围绕所述活塞延伸的环形冷却通道；

使所述活塞上部和活塞下部沿着相应的上配合表面和下配合表面进行接触；

在所述上配合表面和所述下配合表面接触的同时在所述上配合表面和下配合表面之间感应出电流。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括使用磁弧焊接法使所述活塞上部和活塞下部接合。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括使所述上配合表面和下配合表面隔开，从而在整个所述上配合表面和下配合表面上形成电弧，其中，所述电弧加热所述上配合表面和下配合表面至与所述活塞上部和活塞下部的材料相关的熔融温度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，进一步包括在整个所述上配合表面和下配合表面上形成电弧之后，将所述上配合表面和下配合表面装在一起。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括在将所述上配合表面和下配合表面装在一起并且在整个所述上配合表面和下配合表面上形成所述电弧之后冷却所述上配合表面和下配合表面。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，所述活塞下部包括构造为与发动机孔表面交界的裙部。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，所述活塞上部和活塞下部分别由钢材形成。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，所述活塞上部由第一材料形成，且所述活塞下部由与所述第一材料不同的第二材料形成。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，所述活塞下部包括向外径向延伸至整体封闭冷却通道的下凸缘。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括使线圈邻近上配合表面和下配合表面中的至少一个定位，并且利用所述线圈产生的磁场将电弧引导至所述上配合表面和下配合表面之间。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，感应出电流包括在所述上配合表面和所述下配合表面接触的同时将电极施加至所述活塞上部和所述活塞下部。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括在施加电流之后使所述上配合表面和下配合表面隔开，从而在整个所述上配合表面和下配合表面上形成电弧。

13.一种方法，其特征在于，包括：

提供限定活塞轴线的活塞下部和燃烧室上表面的至少一部分的活塞下部；

将活塞上部组装至所述活塞下部，其中，所述活塞上部和活塞下部共同作用以至少部分限定围绕所述活塞延伸的环形冷却通道；

使所述活塞上部和活塞下部沿着相应的上配合表面和下配合表面进行接触；

在所述上配合表面和所述下配合表面接触的同时在所述上配合表面和下配合表面之间感应出电流；

在所述上配合表面和下配合表面之间感应出电流之后使所述上配合表面和下配合表面隔开，从而在整个所述上配合表面和下配合表面上形成电弧；以及

在整个所述上配合表面和下配合表面上形成电弧之后，使所述上配合表面和下配合表面一起接触。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括使用磁弧焊接法使所述活塞上部和活塞下部接合。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，其中，所述活塞下部包括构造为与发动机孔表面交界的裙部。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，其中，所述活塞上部和活塞下部分别由钢材形成。

17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，其中，所述活塞上部由第一材料形成，且所述活塞下部由与所述第一材料不同的第二材料形成。

18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，其中，在所述上配合表面和所述下配合表面接触的同时在所述上配合表面和下配合表面之间感应出电流，包括使至少一个磁性线圈邻近所述上配合表面和下配合表面中的至少一个定位。

19.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，其中，感应出电流包括所述上配合表面和下配合表面接触的同时将电极施加至所述活塞上部和活塞下部。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，进一步包括在施加所述电流之后使所述上配合表面和下配合表面隔开，从而在整个所述上配合表面和下配合表面之间形成电弧。