CN105121823A - 形状复杂的活塞油道与由铸造金属或粉末金属工艺制成的活塞冠部 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带有油道的钢制的活塞，以及用于形成钢制的活塞油通道的方法，该油通道对应于活塞冠部内的燃烧碗的复杂形状。活塞冠部由铸造金属或粉末金属成型工艺制成。油通道被形成为对应于燃烧碗的壁的形状的基本形状。油通道的车削加工表面可以根据需要进行修整。无法通过常规车削操作进行加工的油道内的表面，如通道内的凹陷和突起，保留其原始的成型状态。

Description

形状复杂的活塞油道与由铸造金属或粉末金属工艺制成的活塞冠部

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年2月18日提交的第61/766,055号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用并入此处。

技术领域

本发明大体涉及用于内燃机，特别是柴油发动机的活塞，更具体地涉及具有油道的活塞。

背景技术

众所周知，在内燃机的应用中，特别是在柴油发动机中，活塞的本体被形成为具有封闭的冷却油的油道。油在油道中流通并冷却活塞的容易受到燃烧热损坏的部件。围绕燃烧碗的上边缘在过热时特别容易被损坏。

冷却油道大致为具有恒定横截面的环形或环状，该冷却油道设置于活塞环带的内侧并且邻近活塞本体的顶壁和边缘。油道由邻近燃烧碗的内壁界定。油道可以敞开或封闭。如果封闭，油道的底部通过底壁封闭。对于封闭的油道来说，用于将冷却油引入油道的入口可设置在底壁上，或冷却油可以通过其他方式流入油道。

传统地，柴油发动机的燃烧碗具有圆形的对称形状，并具有从外边缘到中心凹陷部分的平滑的无间断的表面。然而，今天，新设计的碗具有非传统的或复杂的形状。应该理解的是，这些非传统的形状被用来更有效地燃烧燃料并带来更少的不希望的排放。然而，复杂的碗的形状使带有传统的活塞油道的碗和边缘的冷却更为困难。利用车削操作的传统加工无法为油道提供与复杂形状的燃烧碗相似或相应的复杂形状。

如果燃烧碗和油道之间的结构上的差异导致壁具有明显不同的厚度，或导致壁太厚而无法通过油道内流通的油充分冷却，那么活塞可能会在材料过热的地方导致“热点”。该热点区域可能成为活塞的薄弱点，导致此处的材料破裂或失效。如果活塞发生故障，这将导致发动机失效造成重大损失，并可能需要为车辆更换一个全新的发动机。

发明内容

本发明的一个目的是提供由铸造金属或粉末金属工艺制成的带有油道的活塞冠部，以及形成这种油道的方法，本发明适应于非传统的复杂形状的燃烧碗，并维持薄且均匀的壁厚以避免产生过热。

本发明提供用于铸造金属和粉末金属的活塞的油道，该活塞带有复杂形状的燃烧碗，以及用于形成这种油道的方法，其提供燃烧碗和油道之间的大体均匀的壁厚。本发明减少或消除热点，并允许油道内的油将活塞的边缘和其他区域以及燃烧碗维持在可接受的温度极限的范围内。

该油道的形状被形成为与复杂形状的燃烧碗相同或基本相似。油道由铸造金属工艺或粉末金属工艺成型，然后在合适的地方通过常规的车削操作加工来扩大油道并修整某些表面。无法通过常规的车削加工操作进行修正的油道内的区域和表面(诸如凹陷和凸起)保留其初始状态。在车削加工过程中，环形槽被形成，将油道的形状以朝向碗边缘的方向延伸。

本文中所用的术语“复杂”是指活塞冠部内的燃烧碗的形状并不是传统的形状，或者在其外周边，或者在外周边的内侧，或两者都不是传统的形状。“复杂”的形状指的是燃烧碗的与传统不同的所有形状，其可以具有，例如包括笔直的、弯曲的、或弧形的区段的边缘，或者在碗内、或其外周边、或两者均具有凸块，突起，肋，凹陷等等。总之，复杂的形状是不可通过常规的车削加工操作加工的任何形状。

本发明优选用于柴油发动机的活塞，尽管本发明也可用于任何内燃机的活塞，以及用于使用液体或气体燃料的发动机。

在形成活塞的冠部后，该冠部连接至活塞的第二部分以形成完整的活塞。该第二部分通常包括侧壁和销毂的剩余部分。冠部和第二部分通过任何已知的方式连接在一起，但优选通过摩擦焊接。这种类型的连接工艺例如在专利US6260472中公开。

附图说明

结合下面的详细描述和附图，本发明的这些和其他特征以及优点将更为容易理解，其中：

图1示出了带有封闭的油道的活塞。

图2A，2B和2C示意性地示出了三种通用类型的复杂的燃烧碗。

图3是活塞冠部的示意性平面图，示出了燃烧碗的典型的复杂形状。

图4是如图1所示的活塞冠部沿着4-4的箭头方向截取的横截面视图。

图5是随后进行油道的至少一个表面的车削加工的类似于图4的活塞冠部的另一横截面视图。

图6是按照本发明的一个实施例的系统和方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了一种典型的活塞100，如果燃烧碗具有复杂的形状，那么本发明可被应用在该活塞中。活塞100包括活塞冠部构件10和下部构件102，该下部构件102包括侧壁104和销毂106。活塞冠部10和下部构件102优选通过摩擦焊接牢牢地固定在一起以形成完整的活塞100。

该活塞100具有油道，油在该油道中流通以将活塞(特别是上表面，燃烧碗和外边缘)的温度维持在可接受的温度极限的范围内。该油道包括位于冠部构件10内的油通道105。该油道可像本领域中公知的那样敞开或封闭。如果封闭，油道的底壁通常作为下部构件102的一部分。

活塞冠部构件10具有在图3中绘制出的典型的复杂的燃烧碗12。碗12的形状基本上是一个具有四个侧面15，16，17和18的方形。在所绘制的形状，该侧面是笔直的，带有圆角21，22，23和24。

应当理解的是，该燃烧碗的形状和侧面15-18的线性仅仅是复杂的燃烧碗一个例子。按照本发明，燃烧碗可以具有任何周边或内部形状，带有任何数量的侧面或侧部。该侧面和内表面也可以具有任何形状，例如被示出的笔直的，或弯曲的，或弧形的，并且可具有笔直的，弯曲的或弧形的区段或部分，或可以具有凸块，突起，凹陷，肋等等。此外，角21-24，或侧部之间的交叉点或接头，可以具有任何形状，并且可以伸入碗内或从其凹陷。

活塞碗的形状可以在其外围上(如图2A所示)是复杂的，或者在碗的径向内部区域(如图2B所示)是复杂的，或者同时在其外围和内部区域(如图2C所示)都是复杂的。图2A，2B和2C示出了典型的这三种通用类型的复杂形状的燃烧碗。本发明提供了一种适应于具有这种复杂形状的燃烧碗的油道和油通道。

该活塞冠部和整个活塞由铸造金属或粉末金属材料制成。活塞冠部10的形状通过这些工艺形成。在示出的实施例中，油通道通过铸造金属或粉末金属工艺制成，随后进行加工工艺。

图4是最初成形的活塞冠部10的横截面图。该工艺形成了一个环形槽30，该环形槽30并不一定具有周向均匀的宽度“W”或者均匀的深度“D”。在燃烧碗的侧面离活塞冠部的外表面最远处，槽30的宽度较大。图3中的数字40指示出这些区域。类似地，在侧部之间的角或交叉点处的该区域中，槽30最窄。

在按照本发明的一个优选实施例的形成油道的后续步骤中，油道的形状被加工成图5所示的形状。在加工处理的一个步骤中，由构件50表示的加工工具(以箭头52示出的方向)被插入到油道30内，并用于修整油通道的外表面，以完全围绕碗形成环形槽60。该车削加工使油通道延伸到活塞冠部的上游(靠近顶部环槽和邻近活塞的顶面或边缘80)。完全加工成形的槽60在初始通道30的上方延伸。

“车削加工”或简称的“车削”是一种加工工艺，其中，当工件旋转(例如在车床上旋转)时，切割工具(通常是非旋转的刀头)线性移动。“车削加工”可以指的是在工件的内表面或外表面上的这种切割或修整操作。在加工油通道的某些表面中，该车削加工修整或形成内表面。

该车削加工工艺也可用于加工和修整油通道30的某些内表面，例如表面31。由于油道具有复杂的形状以遵循燃烧碗的复杂形状，可以通过在初始的铸造或粉末成型工艺中在内侧油道表面上形成多个凸块或凹陷。由于在加工工艺中使用车削程序，凸块之间的凹陷和区域在此步骤中未进行修整(即未加工)。图5中的油通道内部的表面32和33均未进行修整，保留它们的原来的状态。

在图3中，修整的环形槽60的外周由虚线60'表示。另外，复杂形状的油道的内部的修整表面(如表面31)由虚线30'表示。在图5中，未进行修整的区域(例如凹陷)由附图标记32和33表示。具有图4中所示的形状的油通道30可以通过铸造金属或粉末金属工艺来形成。

在常见的锻造操作中，在另一个锻模正在活塞冠部构件的上表面或上侧上形成复杂形状的燃烧碗的同时，活塞冠部构件10的下表面内的油通道同步形成。

本发明的工艺提供一种活塞的环形油道，该油道具有与复杂形状的燃烧碗的外周边相似或基本上相同的周边内形状。这最大限度地减小了油道和燃烧碗12之间的壁区域70的厚度，使围绕着燃烧碗的外侧的壁厚均匀。由于实践中的成形和加工工艺的限制，所有壁的厚度与围绕着燃烧碗的周长的壁厚不会完全相同。然而，本发明实际上使得围绕整个油道的壁厚70尽可能薄且均匀。当活塞完工时，这使得引入油道中的油将碗壁表面和边缘80的温度维持在适当的限度范围内，并避免有害的热点。

利用本发明，可能产生热点的壁区段被最小化或消除。活塞过热(也称为“热点”)的区域是可能造成破裂或失效的薄弱点。活塞的这种方式的故障可能会导致昂贵的维修费用，并有可能需要更换发动机。

当壁具有均匀的厚度且相对较薄时，活塞可以获得更好的冷却。具有更薄的壁且更小的重量的活塞对发动机的负担更轻。这将带来更好的燃油效率和更少的有害排放物。

图6给出了在活塞冠部形成油通道的优选方法的流程图108，该油道的形状对应于活塞冠部内的复杂的燃烧碗的形状。首先，活塞冠部构件由钢制的材料110制成。这可以通过任何常规的制造过程实现。

然后，在活塞冠部构件112的上部或上表面形成复杂形状的燃烧碗。该步骤由铸造金属或粉末金属工艺形成。

与此同时，在活塞冠部构件的下表面或下侧形成油通道30，该油通道的形状类似于或对应于燃烧碗的形状。这个步骤在方框114中示出。

最后，活塞冠部构件内的油通道被加工完成116以增大其尺寸并使它更接近活塞冠部构件的上边缘和燃烧碗。在该步骤中，利用切割工具形成环形槽60，可以通过车削加工操作进行修整的通道的其他表面(即非凸块之间的凹陷和区域)可以根据需要进行修整。

虽然本发明利用优选实施例进行了描述，但是，应当理解的是，本发明并不局限于这些实施例，因为修正和变型可以在本发明的权利要求中所描述的范围内实施。

Claims (22)

1.一种活塞，其特征在于，该活塞包括：

下部构件，该下部构件包括侧壁部分和销毂；

连接到该下部构件的上冠部构件，该上冠部构件通过铸造金属或者粉末金属成型工艺制造而成，该上冠部构件的上侧具有燃烧碗，该上冠部构件的下侧具有油通道，该油通道包括至少一个车削加工的壁表面部分和至少一个成型的未加工的口袋部分，该口袋部分朝向活塞的纵轴径向向内凹陷。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，该活塞具有多个凹陷的未加工的口袋部分，该口袋部分在该油通道内周向地均匀间隔开。

3.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，该活塞具有多个该口袋部分，该口袋部分通过介于中间的车削加工的壁表面部分的区段周向地彼此间隔开。

4.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，至少一个该车削加工的壁表面部分朝向该上侧轴向延伸到该至少一个口袋部分的上方。

5.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，该油通道包括外壁部分，该外壁部分完全由车削加工的壁表面部分组成。

6.根据权利要求5所述的活塞，其特征在于，该外壁部分是该油通道中的唯一被车削加工的壁表面部分。

7.根据权利要求5所述的活塞，其特征在于，该车削加工的外壁部分朝向该上侧轴向延伸到该至少一个口袋部分的上方。

8.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，该油通道包括最高区域，该最高区域完全由车削加工的壁表面部分组成。

9.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，该油通道是活塞中的封闭的油通道的一部分。

10.一种活塞，其特征在于，该活塞包括：

下冠部；

连接到该下冠部的上冠部，该上冠部通过铸造金属或者粉末金属成型工艺制造而成，该上冠部的上侧具有燃烧碗，该上冠部的下侧具有油通道，该油通道包括车削加工的壁表面部分以及至少一个未加工的成型的口袋部分，该口袋部分相对于该车削加工的表面凹陷。

11.根据权利要求10所述的活塞，其特征在于，该活塞包括多个口袋部分，该口袋部分通过介于中间的该车削加工的壁表面部分的区段周向地彼此间隔开。

12.根据权利要求10所述的活塞，其特征在于，该车削加工的壁表面部分的一区段延伸到该至少一个口袋部分的上方。

13.根据权利要求11所述的活塞，其特征在于，该车削加工的壁表面部分的一区段延伸到所有的该多个口袋部分的上方。

14.根据权利要求10所述的活塞，其特征在于，该油通道包括径向的外壁部分，该外壁部分完全由该车削加工的壁表面部分的相应的区段组成。

15.根据权利要求10所述的活塞，其特征在于，该油通道包括最高区域，该最高区域完全由该车削加工的所有的表面部分的相应的区段组成。

16.一种用于内燃机的活塞，其特征在于，该活塞包括：

钢制的活塞冠部构件，该活塞冠部构件具有复杂形状的燃烧碗；

在该活塞冠部构件中的油通道，该油通道的形状对应于燃烧碗的复杂形状，该油通道的形状通过铸造金属或者粉末金属成型工艺成型；以及

连接至该活塞冠部构件的下活塞构件，该下活塞构件具有侧壁构件和销毂。

17.根据权利要求16所述的活塞，其特征在于，能够通过常规的车削加工操作进行加工的锻造的油通道中的表面被加工。

18.根据权利要求47所述的活塞，其特征在于，无法通过常规的车削加工操作进行加工的锻造的表面不进行加工，保留其成型的状态。

19.一种在钢制的活塞冠部构件中形成油通道的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

由钢制的材料制成并且通过铸造金属或者粉末金属成型工艺形成提供活塞冠部构件；

通过成型工艺在该活塞冠部构件的上表面形成复杂形状的燃烧碗；以及

通过成型工艺在该活塞冠部构件的下表面形成复杂形状的油通道，该油通道的形状对应于燃烧碗的复杂形状。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，进一步包括通过车削加工操作对油通道的至少一个表面进行修整。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，无法通过常规的车削加工操作进行加工的油通道中的表面保留其成型的状态。

22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，该至少一个车削加工的表面轴向延伸到该成型的油通道的上方。