CN105051357B - 活塞及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于内燃机的整体式活塞组件。该活塞组件包括活塞本体，其沿轴延伸并由至少两个通过至少一个摩擦焊缝接合在一起的由材料形成的部件制成，该至少一个摩擦焊缝连续延伸经过围绕轴的环形。其中一件具有上表面，并且在该上表面中形成有燃烧碗，该燃烧碗具有围绕轴的旋转非对称形状。另一件具有圆拱形容置面，该容置面是围绕轴旋转对称的，以用于滑动容置部分的连杆。

Description

活塞及其制造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年1月21日提交的第61/754,668号申请的权益，其全部内容通过引用并入此处。

技术领域

本发明主要涉及用于内燃机的活塞。

背景技术

在不断努力提高内燃机的产生功率和燃料功率的过程中，用于内燃机的整体式或单件式活塞本体的设计已经变得越来越复杂以具有多个结构，例如冷却通道和形状独特的燃烧碗。通常，由单一一片材料形成这些复杂的活塞设计是不划算的。因此，许多活塞制造商采用两件或以上的部件并接着将这些部件连接在一起来制造活塞本体。例如，一些整体式活塞设计包括第一部件和第二部件，其中第一部件包括冠部，第二部件包括相对的两个裙部，以及相对的两个用于容置活塞销的活塞孔。然后，第一和第二部件可以通过一系列不同的连接工艺连接在一起，这些连接工艺例如包括各种不同的焊接连接、螺栓连接、紧固件连接等。

将整体式活塞本体的第一和第二部件连接在一起的一种特别划算的方法是通过将一个部件相对于另一个部件高速率旋转并使这些部件彼此接触从而通过两片部件之间的摩擦产生的热量使得接缝处的材料加热至塑性状态，由此将这两片部件摩擦焊接。在接缝处的材料的高压使得这些部件能够结合在一起。然后通过对这些融化的材料进行冷却，从而可以在整体式活塞本体的第一和第二部件之间形成特别牢固的焊缝。然而，这种方法的一个问题是，在摩擦焊接过程中很难将第一和第二部件相对于彼此精确地旋转地对齐。因此，一般来说，摩擦焊接仅在第一和第二部件中的一个(或两个)旋转对称从而使其相对于另一部件的旋转对齐不会影响活塞本体的形状时具有实用性。活塞销孔由于其本身性质而无法旋转对称，因此，活塞制造商通常通过仅采用摩擦焊接来连接具有旋转对称的燃烧碗的活塞本体的部件，由此来克服上述限制。

发明内容

本发明的一个方面为一种改进的用于内燃机的整体式活塞组件。该活塞组件包括：沿轴延伸的活塞本体，该活塞本体由至少两件通过至少一个焊缝接合在一起的材料制成，该至少一个焊缝连续延伸经过围绕轴的环形。两件材料中的一件具有上表面，并且在该上表面中形成有燃烧碗，该燃烧碗具有围绕轴的旋转非对称形状。两件材料中的另一件具有圆拱形容置面，以用于滑动容置部分的连杆，且该容置面是围绕所述轴旋转对称的。

该改进的活塞组件是有益的，因为该旋转对称的圆拱形容置面允许燃烧碗形成为具有旋转非对称形状，而不会通过一些不同种类的操作方式使待连接在一起的两个部件的性能下降。因此，除了可以提高性能以外，该活塞组件还可以经济划算地制造。

根据本发明的另一方面，该焊缝为摩擦焊缝。

本发明的另一方面提供了一种制造活塞的方法。该方法包括制备活塞本体的第一部件的步骤，该第一部件具有形成在其上表面中的燃烧碗，且其中该燃烧碗具有围绕轴的旋转非对称形状。该方法接着包括制备活塞本体的第二部件的步骤，该第二部件具有围绕轴旋转对称的圆拱形容置面，以容置连杆的一端部。该方法继续包括将活塞本体的第一和第二部件摩擦焊接在一起的步骤。

附图说明

请参阅下述详细说明并结合附图进行考虑，本发明的上述和其它优点将更加容易领会和理解，其中：

图1是活塞和连杆组件的典型实施例的剖视图；

图2是图1的活塞和连杆组件的剖面图；

图3是图1的组件的活塞本体的剖视图；

图4是活塞本体的剖面图；

图5是与图4的剖面图位置不同的活塞本体的另一个剖面图；

图6是示出了与活塞本体连接的罩盖的剖面图；

图7是与图6的剖面图位置不同的与活塞本体连接的罩盖的另一个剖面图；

图8是罩盖的仰视立体图；

图9是罩盖的透视立体图；

图10是罩盖的另一个透视立体图；

图11是罩盖的俯视立体图；

图12是图1的组件的连杆的正视图；

图13是连杆的透视立体图；

图14是连杆的侧视图；

图15是活塞和连杆组件的另一个剖面图；

图16是连杆的可选实施例的局部透视图；

图17是连杆的可选实施例的局部侧视立体图；

图18是连杆的可选实施例的局部正视立体图；

图19是罩盖的可选实施例的透视图；

图20是活塞和连杆组件的可选实施例的局部剖面图；

图21是与图20位置不同的活塞和连杆组件的可选实施例的局部剖面图。

具体实施方式

参见附图，其中相似的标记指示各图中相应的部件，图1主要示出了根据本发明的一个方面构造的改进的活塞和连杆组件20的典型实施例。该活塞和连杆组件20可以构造为供一些不同类型的内燃机(包括四冲程发动机、两冲程发动机、火花点火式发动机、压燃式发动机和每个气缸引擎的水平对置活塞)使用。

仍然参见图1，该典型实施例的组件包括沿轴A延伸的活塞本体22以及与活塞本体22可操作地连接的连杆24。与常规的活塞和连杆相比，该典型的活塞本体22和连杆24连接在一起而不具有肘销或活塞销。当然，如图2所示，活塞本体22具有背对活塞本体22的上表面的圆拱形或半球形容置面26，连杆24的一端部28的轮廓与容置面26的轮廓匹配。更具体地，连杆24的端部28大致为球形，以匹配容置面26的圆拱形。连杆24的球形端部28通过罩盖30与活塞本体22保持连接，在连杆24的球形端部28与活塞本体22的半球形容置面26连接之后，该罩盖30与活塞本体22连接。罩盖30和活塞本体22的圆拱形容置面26均与连杆24的球形端部28滑动连接，从而在发动机(未示出)的运行过程中使得连杆24相对于活塞本体22旋转或来回枢转。

返回参见图1，活塞本体22包括冠部32和裙部34，该裙部34从冠部32下垂并从冠部轴向向下延伸。在该典型实施例中，裙部34围绕轴A连续且基本均匀地延伸360°，因此该裙部为完全周向连续的裙部，从而使发动机的缸膛内的活塞本体22的稳定性提高。该典型活塞本体22的外表面还包括多个用于容置活塞环(未示出)的环槽36a、36b，以将活塞本体22与发动机的气缸壁密封。具体地，该典型活塞本体22包括多个围绕冠部32的环槽36a以及多个邻近裙部34底端设置的环槽36b。在某些种类的发动机中，典型活塞本体22的冠部32上的环槽36a与裙部34上的环槽36b轴向间隔开，从而可以在发动机的运行过程中限制空气从发动机的气缸壁的一个或多个入口(未示出)在任一轴向方向泄漏出活塞本体22。然而，应该理解的是，活塞本体22可以包括任意所需数量的环槽，且这些环槽可以设置在活塞本体上的任何适合的位置。还应该理解的是，裙部可选择地可以是敞开的或非周向连续的，即，它可以连续延伸经过小于360°的曲线。

现在参见图3和4，该典型实施例的活塞本体22由两个彼此独立制成(例如通过锻造和/或铸造工艺制成)然后被连接在一起的部件38、40组成。具体地，该典型的活塞本体22包括上部件38和下部件40，且这两个部件38、40通过摩擦焊接操作或任何其他适合的焊接操作(包括例如混合感应焊接)彼此连接。在该典型实施例中，上部件38包括部分冠部32，并具有顶面，且该顶面中形成有燃烧碗42，下部件40包括形成在其中的圆拱形容置面26。部件38、40均优选地由钢制成，但也可选地由一些其他的金属(包括例如铝或镁或它们的各种合金)制成。

现在参见图3，活塞本体22的冠部32的顶面中的燃烧碗42形成为具有围绕轴A的周向(或旋转)非对称形状，活塞本体22的圆拱形容置面26具有大致周向(或旋转)对称形状。因此，下部件40可以具有相对于上部件38的任何所需的旋转方向。这带来了制造上的优势，因为上部件38和下部件40不必像一般其他已知的具有周向非对称形状的燃烧碗的两件式活塞一样必须相对于彼此精确地旋转定位。因此，可采用某些加工操作(例如摩擦焊接)将上、下部件38、40连接在一起。因此，活塞本体22的典型实施例中实现了非对称形状的燃烧碗和摩擦焊接的所有优点。

当连接在一起时，本典型实施例的上、下部件38、40彼此协作提供活塞本体22，且该活塞本体具有一个或多个用于容置冷却流体以在发动机运行过程中冷却活塞本体22的油道44。上、下部件38、40均具有彼此径向间隔开的内、外连接表面。在摩擦焊接过程中，各内连接表面焊接在一起，各外连接表面连接在一起。油道44形成在内连接表面和外连接表面之间。该典型实施例的活塞本体22形成具有多个开口，这些开口形成供油从曲轴箱进入油道44并供油从油道44流出的通道。这些开口例如可以在最初形成下部件40的过程中形成，或者可以在下部件40与上部件38连接之前或之后在下部件40上钻成。应当理解的是，活塞本体22可选的可以形成具有一个或多个完全封闭的油道，或根本不具有油道。

该典型的活塞本体22上的大致圆拱形容置面26沿轴A设置，并面向与燃烧碗42相对的轴向方向。多个支撑部46从活塞本体22的裙部径向延伸至活塞本体22的具有容置面26的部分。这些支撑部46彼此周向间隔开，从而在相邻支撑部46之间形成通道，以在发动机的运行过程中使油(或任何其他冷却流体)流进或流出油道44。例如，在该典型实施例中，活塞本体22包括6个支撑部46。这些支撑部46还对圆拱形容置面26进行结构加固。

现在参见图8-11，主要示出了罩盖30的典型实施例。该罩盖30包括多个用于容置螺栓48的螺栓孔，以将罩盖30与活塞本体22紧固，从而将连杆24的端部28限制在圆拱形容置面26与罩盖30之间。具体地，在活塞本体22的上、下部件38、40连接在一起之后，在活塞本体22中钻这些孔，并使其具有螺纹，从而与螺栓48螺纹连接。罩盖30的上表面是弯曲的，以与连杆24的端部28滑动连接。

典型的罩盖30具有延伸穿过其的大致U型的开口50，并且如图12和13所示，典型的连杆24具有一对相对而置的邻近其球形端部28的平面52，这两个平面彼此间隔开一距离，该距离与罩盖30中的U型开口50的宽度相近。当罩盖30连接至活塞本体22时，其至少部分跨越连杆24的具有平面52的部分，以限制活塞本体22相对于连杆24围绕垂直轴的扭转，而不会限制连杆24在发动机运行过程中相对于活塞本体22的枢转。罩盖30具有多个彼此间隔开的螺栓孔，以用于容置螺栓48，从而使罩盖30与活塞本体22相互连接。

本发明还提供了一种制造活塞和连杆组件20的工艺或方法。该工艺一开始先制备上部件或第一部件38和下部件或第二部件40，上部件38具有围绕轴A周向非对称的燃烧碗42，下部件40带有裙部34，该裙部34具有围绕轴A旋转对称的弯曲的或圆拱形容置面26。在该典型实施例中，裙部34为周向连续的裙部。上、下部件38、40均具有一对径向间隔开的连接表面，且该方法接着进行将上、下部件38、40在这对连接表面处摩擦焊接在一起的步骤。该典型的方法继续进行将连杆24的一端部28设置为与活塞本体22的圆拱形容置面26连接的步骤。然后，该典型的方法继续进行将罩盖30与活塞本体22连接同时将连杆24的端部28限制在圆拱形容置面26与罩盖30之间的步骤。该罩盖30可以具有大致U型的开口50，以允许连杆24仅在一个旋转方向上相对于活塞本体22旋转或枢转。将罩盖30与活塞本体22连接的步骤可以包括在活塞本体22上钻和开设螺栓孔，并将罩盖30螺栓连接至活塞本体22。

图16-21中示出了活塞和连杆组件120的可选实施例以及该组件120的各种部件，且使用相差100的相同附图标记指示与上述实施例相应的部分。

参见图16-18，该可选实施例的连杆124与上述连杆24的区别在于，平面152向上延伸到部分端部128上，以使端部128呈棒棒糖形，且平面152之间的外表面弯曲或大致为半球形。这种特别的结构相对于连杆的其他设计可以更易于制造。

现在参见图19，该可选实施例的罩盖130由两个部件组成，且每个部件分别具有凹口。当这些部件连接在一起时，两个凹口彼此面对面并一起形成了U型开口150。应当理解的是，罩盖130可以由任意所需数量的部件制成。

显然，根据上述教导，本发明的各种修改和变化都是可能的，并且在所附权利要求范围内，本发明还可以通过除了具体描述以外的方式实现。

Claims (15)

1.一种用于内燃机的整体式活塞组件，包括：

沿轴延伸的活塞本体，所述活塞本体由至少两个通过至少一个焊缝接合在一起的由材料形成的部件制成，该至少一个焊缝连续延伸经过围绕轴的环形；

所述两个部件中的一个具有上表面，并且在该上表面中形成有燃烧碗，所述燃烧碗具有围绕所述轴的旋转非对称形状；

所述两个部件中的另一个具有圆拱形容置面，以用于滑动容置部分的连杆，且其中所述圆拱形容置面是围绕所述轴旋转对称的；

连杆具有一端部，该端部的轮廓至少部分匹配所述活塞本体的所述圆拱形容置面的轮廓；

罩盖，其与所述活塞本体连接，并限制所述连杆的所述端部；

所述罩盖允许所述连杆相对于所述活塞本体仅在一个旋转方向上旋转。

2.根据权利要求1所述的整体式活塞组件，其特征在于，所述至少一个焊缝为摩擦焊缝。

3.根据权利要求1所述的整体式活塞组件，其特征在于，所述罩盖具有U型的开口，以允许所述连杆相对于所述活塞本体仅在一个旋转方向上旋转。

4.根据权利要求1所述的整体式活塞组件，其特征在于，所述罩盖通过至少一个紧固件与所述活塞本体连接。

5.根据权利要求1所述的整体式活塞组件，其特征在于，所述连杆的所述端部为球形。

6.根据权利要求1所述的整体式活塞组件，其特征在于，所述连杆的所述端部为棒棒糖型。

7.根据权利要求1所述的整体式活塞组件，其特征在于，所述连杆的所述端部的一部分具有半球形表面，该半球形表面在两个相对的平坦的侧表面之间延伸。

8.根据权利要求2所述的整体式活塞组件，其特征在于，所述至少一个焊缝为一对在冷却油通道的相对两侧上彼此径向间隔开的摩擦焊缝。

9.根据权利要求1所述的整体式活塞组件，其特征在于，具有所述圆拱形容置面的所述两个部件中的至少一个还具有周向连续的裙部。

10.一种制造活塞的方法，其特征在于，包括以下步骤：

制备活塞本体的第一部件，该第一部件具有形成在其上表面中的燃烧碗，且该燃烧碗具有围绕轴的旋转非对称形状；

制备所述活塞本体的第二部件；以及

将所述活塞本体的第一和第二部件焊接在一起；

将一连杆的一端部配置为与活塞本体的圆拱形容置面连接，其中，所述连杆的所述端部的轮廓至少部分匹配所述圆拱形容置面的轮廓，以允许所述连杆相对于所述活塞本体旋转；

将一罩盖与所述活塞本体连接，同时将所述连杆的所述端部限制在所述罩盖与所述活塞本体上的圆拱形容置面之间；

所述罩盖允许所述连杆相对于所述活塞本体仅在一个旋转方向上旋转。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述将所述活塞本体的第一和第二部件焊接在一起的步骤之前，所述第二部件具有旋转对称的圆拱形容置面。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述将所述活塞本体的第一和第二部件焊接在一起的步骤进一步定义为将所述活塞本体的第一和第二部件摩擦焊接在一起。

13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第二部件具有周向连续的裙部。

14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一和第二部件分别具有一对彼此径向间隔开的连接表面，其中，所述将第一和第二部件摩擦焊接在一起的步骤包括在两对连接表面处摩擦焊接第一和第二部件。

15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述罩盖具有U型的开口，以允许所述连杆相对于所述活塞本体仅在所述一个旋转方向上旋转。