CN105705758A - 全裙式双面焊钢活塞 - Google Patents

Abstract

提供了用于二冲程发动机的三部分钢活塞。该活塞设有上部、中间部和下部。所述上部和下部上形成有活塞环槽，所述中间部上形成有带开口和裙部的销座。与上部和下部相比，所述中间部在活塞环槽处具有相对较薄的壁面，以减小活塞质量。靠近活塞上部燃烧表面处可以形成一密闭式冷却通道，该密闭式冷却通道至少部分由所述上部限定。

Description

全裙式双面焊钢活塞

相关申请的交叉引用

本申请要求了2013年8月29日提交的序列号61/871,635的美国申请和2014年8月28提交的序列号14/471,069的美国申请的权益。

发明背景

1.技术领域

本发明主要涉及用于内燃机的活塞，更具体地说涉及用于二冲程发动机的活塞。

2.相关技术

二冲程发动机或二冲程循环发动机是一种在一个曲轴旋转中仅完成一次动力循环的内燃机。一般来说，二冲程发动机具有相对较大的功率-重量比，比四冲程发动机更紧凑且更轻。二冲程发动机一般比四冲程发动机的运动部件要少。虽然二冲程发动机一般已知的是用于小型发动机应用中，比如弦外发动机、链锯、摩托车以及割草机，但是它们在重型柴油机应用中也有非常重要的用途，比如用于海船、火车头和卡车。

也有各种其他类型的活塞在二冲程发动机中使用，并且有很多因素影响这些活塞的设计。这些特征中的一些包括大小、重量、材料、强度以及耐久性。在具有特别高的压力和温度的发动机中，使用过程中活塞的冷却也是一个因素。

本发明的目的是提供一种改进的用于二冲程发动机的活塞。本发明还有一个目的是提供重量相对较轻(即具有的质量更小)并且能够充分冷却以防止过热的钢活塞。

本发明的另一个目的是提供有助于提供改善的二冲程发动机燃料经济性同时还有助于减少废气排放的活塞。

发明内容

提供了改进的用于二冲程发动机的活塞，其具有减轻的重量，并且配置成具有改善的冷却效果以防止过热。这些特征使得燃料经济性得到改善并且废气排放减少。

本发明的一个方面是提供由钢材料制成的活塞，其具有强度和耐久性并且比非钢活塞能承受的温度和压力更高。靠近所述活塞的顶部和底部表面处设有两组活塞环槽。所述活塞由三个部分组成，包括上部(或冠部)、中间部和下部。所述下部包括一组下部活塞环槽，所述上部和中间部中的一个包括一组上部活塞环槽。在所述下部活塞环槽的位置，所述中间部比所述下部壁面更薄，从而减小活塞的重量和质量。所述三个部分(比如通过摩擦焊接法)永久接合在一起，形成整体的一体式活塞，在所述上部和中间部之间设有一冷却通道，用于冷却所述上部，以防止过热。

本发明的另一个方面是提供形成用于二冲程发动机的活塞的方法。该方法包括提供一第一冠部的步骤，该第一冠部具有第一侧壁厚度的第一侧壁部。该方法还包括提供一第二中心部的步骤，该第二中心部具有第二侧壁厚度的第二侧壁部并且具有一对销座。该方法继续包括提供一第三下部的步骤，该第三下部具有一第三侧壁部并且适于形成至少一个活塞环槽，该第三侧壁部具有第三侧壁厚度。所述第二侧壁厚度至少在至少能形成一个活塞环槽的位置处比第三侧壁厚度小。该方法继续包括将第一冠部接合到第二中心部上并将第三下部接合到第二中心部上的步骤。

该方法可以进一步包括在所述第一冠部的第一侧壁部形成至少一个活塞环槽并在所述第三下部的第三侧壁部形成至少一个活塞环槽的步骤。

该方法还可以进一步包括在所述第一冠部和第二中心部之间形成一冷却通道的步骤。

此外，该方法可以包括在所述第一冠部和第二中心部之间形成一密闭式冷却通道的步骤。

该方法可以进一步包括在所述冷却通道上形成进油口和出油口的步骤。

附图说明

参考下文的详细描述并结合所附的附图思考，能够更容易且能更好的理解本发明的这些以及其他特征和优点，其中：

图1是本发明的优选实施例的截面图；

图2是本发明的优选实施例的另一截面图；

图3是形成本发明的优选实施例的三个部分的爆炸图；和

图4是形成本发明的优选实施例的三个部分的另一爆炸图。

具体实施方式

参考各附图，其中相似的附图标记在几个视图中表示相应的部件，图1-4阐释了在二冲程动力循环内燃机中使用的改进的活塞10的示例性实施例。

图1和2示出了活塞10的截面图，两幅截面图一个相对于另一个呈90°角。

图3是活塞10的爆炸图，示出了三个部分20、30和40，它们接合在一起形成活塞10。

图4是与图3类似的爆炸图，但为了方便查看并且便于理解本发明，其示出了拆下的每个部分的部件。

所述三个部分20、30和40每个都是单独制造并且每个都是由钢材料制成。一种优选的钢材料是SAE4140，但也能够采用其他类型的钢。虽然可以使用其他工艺，但优选地通过锻造工艺将所述三个部分20、30、40中的每个至少制造成粗糙型。将所述三个部分20、30、40制成粗糙型，然后在整体连接在一起之前进行初步的机械加工。具体来说，在锻造操作之后，在所述三个部分20、30、40上机械加工出用于将所述三个部分20、30和40匹配在一起的大致平坦的环形表面22、32、34、42。若它们不是如在示例性实施例中那样是大致平坦的，作为替换，所述环形表面22、32、34、42能够通过雕刻或者制造带有匹配的凹口、凸起、凹槽、隆起以及类似形状，以使各部分更容易定位，并且更容易匹配和结合在一起。

所述三个部分20、30、40通过比如摩擦焊接或感应焊接接合在一起，形成一体式活塞结构10，如图1和2所示。也可以采用其他系统将所述三个部分永久连接在一起，比如传统熔接或焊接。

所述三个部分20、30、40在同一个时间点接合在一起，即同时。但是，优选地，所述顶部20或底部40首先连接到所述中间部30上，然后将形成的两件式结构连接到余下的部分上。尤其优选的是将所述顶部20和底部40与所述中间部30单独(不是同时)连接，其中采用摩擦焊接法作为连接工艺。可以采用机械加工移除任何形成的毛刺或拖尾，如果需要移除的话。

一旦所述三个部分20、30、40固定在一起，在所述活塞10上形成两组活塞环槽，其中一组(下文称之为“上部环槽26”)位于靠近活塞10的顶端部的位置，另一组(下文称之为“下部环槽46”)位于靠近活塞10底部的位置。如图所示，在示例性实施例中，所示上部环槽26在所述上部20的外部环形侧表面28上形成，所述下部环槽在所述下部40的外部侧表面48上形成，所述中间部30没有设置环槽。在示例性实施例中，所述中间部30没有设置环槽。每个活塞部分上的环槽数量是依赖于活塞的最终用途以及其将放置的环境进行的设计选择。优选地，两组活塞环槽中的每组至少设有2个活塞环槽。所述活塞环槽可以通过例如机械加工在活塞10上形成。

为了容纳所述活塞环槽26、46，与所述中间部30的相对更薄的壁面相比，所述上部20和下部40的侧壁具有增加的厚度。这使得能够减少活塞10的总质量，并且能够降低制造和材料成本。如图4所示，在示例性实施例中，所述上部20和下部40还具有一些壁面厚度相对更薄的部分，在这些区域上这些部分与所述中间部30接合在一起。

在示例性实施例中，活塞10的所述上部20或冠部具有大致平坦的上部燃烧表面24。作为替换，所述燃烧表面可以形成带有一盆形燃烧室，其可以在所述上部20的锻造过程中形成。

所述中间部30还具有一对销座36、37，其位置彼此径向相对。两个销座36、37中形成有开口38和39。开口38和39沿曲柄销轴相互轴对齐，该曲柄销轴用于接收曲柄销(未示出)以将活塞10保持在连接杆(未示出)上。在示例性的实施例中，销座36、37中设有用于卡环的卡环槽70，辅助用于将曲柄销保持在原位。

在示例性实施例中，活塞10中形成有一冷却通道60，用于冷却活塞10的所述上部20。附图中所示的冷却通道60带有一整体下表面62，但该通道也可以是开放式通道。若采用密闭式通道，那么可在所述下表面62上设置多个开口64，用于将燃油引入通道以及将燃油排出。根据需要可以设置任意数量的开口64。可以在所述上部20和所述中间部30接合在一起之后或者在所述三个部分20、30、40全部接合在一起之后，在所述下表面62上钻出开口64。所述冷却通道60使得冷却油(未示出)沿活塞10的上表面和边缘循环，从而防止会导致活塞过早损坏的燃油过热。

为了实现制成的活塞结构10的强度和整体性，还能够接合一所述上部20的附加表面25以及所述中间部30的凸起表面35。为此，环形表面25、35优选地采用与表面22、32、34和42相同的方式进行机械加工。

在另一个实施例中，还能够在环形表面25和35之间保留一间隙(未示出)，间隙宽度取决于其从通道60保持燃油和/或排出燃油的效果。作为替换，能够在与表面25和35垂直的垂直表面上形成孔洞。

显而易见地是，根据上述教导能够实现的以及除上述具体描述外可以实施的本发明的很多改进和变换都在所附的权利要求的保护范围内。

Claims (15)

1.用于二冲程发动机的活塞，包括：

第一冠部，所述冠部具有第一侧壁部，该第一侧壁部具有第一侧壁厚度；

第二中心部，其与所述第一冠部接合并且具有第二侧壁部和一对销座，所述中心部第二侧壁部具有第二侧壁厚度；

第三下部，其与所述第二中心部接合，所述第三下部具有适于形成至少一个活塞环槽的第三侧壁部，该第三侧壁部具有第三侧壁厚度；和

所述第二侧壁厚度在所述至少一个活塞环形成的位置处比所述第三侧壁厚度小。

2.根据权利要求1所述的活塞，其中所述第一冠部摩擦焊接到所述第二中心部，并且所述第二中心部摩擦焊接到所述第三下部。

3.根据权利要求1所述的活塞，其中所述第一冠部摩擦焊接到所述第二中心部。

4.根据权利要求1所述的活塞，其中所述第三下部摩擦焊接到所述第二中心部。

5.根据权利要求1所述的活塞，其中第一组的第一活塞环槽设置在所述第一侧壁部上，并且第二组的第二活塞环槽设置在所述第三侧壁部上。

6.根据权利要求1所述的活塞，其中所述第一冠部感应焊接到所述第二中心部，并且所述第二中心部摩擦焊接到所述第三下部。

7.根据权利要求1所述的活塞，其中所述第一冠部感应焊接到所述第二中心部。

8.根据权利要求1所述的活塞，进一步包括在所述第一冠部和所述第二中心部之间的密闭式冷却通道。

9.根据权利要求1所述的活塞，进一步包括在所述第一冠部和所述第二中心部之间的冷却通道。

10.根据权利要求9所述的活塞，其中所述冷却通道是密闭的并且进一步包括允许冷却燃油从所述冷却通道进出的多个开口。

11.形成用于二冲程发动机的活塞的方法，所述方法包括步骤：

提供第一冠部，所述冠部具有第一侧壁部，该第一侧壁部具有第一侧壁厚度；

提供第二中心部，所述中心部具有第二侧壁部，该第二侧壁部具有第二侧壁厚度，所述第二中心部具有一对销座；

提供第三下部，所述第三下部具有适于形成至少一个活塞环槽的第三侧壁部，该第三侧壁部具有第三侧壁厚度；

所述第二侧壁厚度在所述至少一个活塞环槽形成的位置处比所述第三侧壁厚度小；

将所述第一冠部接合到所述第二中心部上；以及

将所述第三下部接合到所述第二中心部上。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括步骤：

在所述第一冠部的所述第一侧壁部中形成至少一个活塞环槽；和

在所述第三下部的所述第三侧壁部中形成至少一个活塞环槽。

13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括在所述第一冠部和所述第二中心部之间形成冷却通道的步骤。

14.根据权利要求11所述的方法，进一步包括在所述第一冠部和所述第二中心部之间形成密闭式冷却通道的步骤。

15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括在所述冷却通道上形成进油口和出油口的步骤。