CN106285999A - 整体式内燃机用钢活塞、内燃机、交通工具及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种整体式内燃机用钢活塞、内燃机、交通工具及制造方法。活塞部分主要包括第一活塞本体和第二活塞本体，所述第二活塞本体的上部具有活塞环槽及回油孔，下部为活塞裙部，且第二活塞本体具有活塞销孔，所述第二活塞本体上部内侧与第一活塞本体固定连接；第二活塞本体上部内侧与第一活塞本体之间的空腔为冷却油腔，第一活塞本体内部为活塞燃烧室；其中，所述第二活塞本体和第一活塞本体包括位于上部的第一配合区及位于下部的第二配合区；所述第一配合区包括由所述第一活塞本体顶部向下延伸的焊接柱面及与所述焊接柱面相对应的位于所述第二活塞本体顶部向下延伸的焊接柱面；两焊接柱面均延伸到冷却油腔。

Description

整体式内燃机用钢活塞、内燃机、交通工具及制造方法

技术领域

本发明涉及内燃机制造相关技术领域，具体的说，是涉及一种整体式内燃机用钢活塞、内燃机、交通工具及制造方法。

背景技术

近年来，发动机正在向着高强化和轻量化的方向不断发展，发动机体积越来越小，但缸内压力和温度却在不断升高；这就要求活塞压缩高要足够短，同时结构强度要足够高，能承受更高的机械载荷和热负荷。这时活塞总体结构的紧凑性布置以及冷却功能和结构强度的重要性也越发明显。

目前，柴油机活塞压缩高与缸径比已低于50％,但缸内最大爆发压力却已经超过了25MPa，铝合金活塞的整体结构及强度已远不能满足如此紧凑的布置和如此高的承载要求，为此制造商开始研制锻钢结构活塞来代替铝活塞。

中国专利ZL200520087667.6公开了一种摩擦焊接式锻钢整体活塞，其由锻造成的活塞环体与活塞本体经加工后通过焊接固定成为活塞本体；在环槽与燃烧室之间的活塞本体形成封闭冷却油腔，冷却油腔通过进、出油孔与外部相通；在环槽下方，活塞本体上方加工有环形槽。由于其焊缝位置布置在活塞销孔上方，所以需要足够长的活塞压缩高来进行布置，因此对于活塞总体高度受到一定限制，而且摩擦焊接后容易形成焊缝飞边，特别是在内冷油腔内形成焊缝飞边后，势必影响冷却油在冷却油腔内的流动，影响冷却效果。

中国专利ZL200820021937.7公开了一种带封闭内冷油腔的激光焊接制锻钢整体活塞，它包括活塞本体和活塞环体，通过激光焊接使其成为一体，焊接后两者间形成内冷却油腔，冷却油腔通过至少两个进出油孔与活塞内腔连通；该专利很好的解决了焊缝飞边的问题，但是活塞裙部的焊缝的布置使得活塞裙部必须预留有布置焊缝的凹槽，这部分高度势必增加活塞的整体高度，活塞体积不能进一步降低。

中国专利ZL201020144349.X公开了一种新型激光焊接锻钢结构活塞，其包括锻造成的活塞环体与活塞本体，活塞环体与活塞本体首先通过焊接区和配合区组合在一起，然后使用激光焊于焊接区焊接成型；在环槽与燃烧室之间的活塞本体形成封闭冷却油腔，冷却油腔通过进、出油孔与外部相通；该专利也可以很好的解决焊缝飞边的问题，但也存在预留配合区域，增加活塞总体高度的问题。

中国专利ZL201020144349.X公开了一种整体锻钢活塞，主要包括活塞头部和活塞裙部，活塞头部和活塞裙部之间形成封闭的冷却油腔，冷却油腔通过进、出油孔与外部相通，活塞的环槽全部设在活塞裙部上，所述环槽包括位置在上的两个气环槽和位置在下的一个油环槽，销座设在活塞裙部上，所述销座上端与活塞头部的下端通过过盈配合连接在一起；活塞头部上端外圆部分或全部与活塞裙部火力岸上端内腔形成过盈配合，在活塞顶面有单面焊缝。该活塞的油耗较低，可以减少发动机的有害排放。但是其靠下方的配合区近乎为Z型结构，具有三个配个面，但是在工程应用中，同时实现三个面的过盈配合基本是难以实现的，因此其往往会出现一个或两个面的非过盈配合，从而达不到设计要求强度，存在严重的质量隐患。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供整体式内燃机用钢活塞。本发明所提供的活塞能够实现在压缩高很短、销孔直径很大、保证活塞各部位结构强度和焊缝质量的情况下，即保留了完整、刚度良好的活塞裙部，又形成了轻量化的带有冷却功能良好的封闭式大容积内冷油腔结构。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种整体式内燃机用钢活塞，包括第一活塞本体和第二活塞本体，所述第二活塞本体的上部具有活塞环槽及回油孔，下部为活塞裙部，且第二活塞本体具有活塞销孔，

所述第二活塞本体上部内侧与第一活塞本体固定连接；

第二活塞本体上部内侧与第一活塞本体之间的空腔为冷却油腔，第一活塞本体内部为活塞燃烧室；

其中，所述第二活塞本体和第一活塞本体包括位于上部的第一配合区及位于下部的第二配合区；

所述第一配合区包括由所述第一活塞本体顶部向下延伸的焊接柱面及与所述焊接柱面相对应的位于所述第二活塞本体顶部向下延伸的焊接柱面；

两焊接柱面均延伸到冷却油腔。

优选的，所述活塞燃烧室的下部具有碗型结构。

优选的，所述第二配合区为倾斜设置。

优选的，所述第二配合区包括所述第一活塞本体下部向下延伸的圆锥配合面及与所述圆锥配合面相对应的位于所述第二活塞本体上部向下延伸的圆锥配合面，两圆锥配合面均延伸到冷却油腔。

优选的，所述第一活塞本体和第二活塞本体均为合金钢材质。

优选的，两焊接柱面为过盈配合。

优选的，两圆锥配合面为过盈配合。

在提供上述活塞方案的同时，本发明还提供了一种内燃机，该内燃机具有活塞，其中，所述活塞为上述的整体式内燃机用钢活塞。

作为另一种方案，本发明还提供了一种交通工具，该交通工具具有内燃机，所述内燃机为上述的内燃机。

与之同时，本发明还提供了一种上述活塞的制造方法，主要包括如下步骤：

A、将第一活塞本体和第二活塞本体过盈配合，并将第一配合区和第二配合区焊接；

B、加工回油孔；活塞环槽、活塞燃烧室和活塞销孔；

C、进行表面处理，完成活塞加工。

本发明的有益效果是：

(1)可在压缩高极短、活塞销孔直径很大的情况下，在保证活塞各部位结构强度和焊缝质量的情况下，即保留了完整的，刚度良好的活塞裙部，又形成了轻量化的带有冷却功能良好的封闭式大容积内冷油腔结构活塞。

(2)依靠下部倾斜结构的单一受力面进行过盈配合并进行焊接，能够保证装配达到设计要求且易于制造。

附图说明

图1为本发明的外部结构示意图；

图2为本发明中第一活塞本体和第二活塞本体的爆炸视图；

图3为本发明的半剖视图；

图4为本发明的另一个方向的半剖视图

图5为本发明中第一活塞本体配合区域的局部放大图；

图6为本发明中第二活塞本体配合区域的局部放大图；

图中：1.第一活塞本体，2.第二活塞本体，3.回油孔，4.第一配合区，5.第二配合区，6.活塞裙部，7.活塞环槽，8.内冷油腔，9.第一活塞本体碗部中心，10.活塞销孔，11.活塞燃烧室，12.活塞燃烧室碗部；

1-1.配合面，1-2.配合面，2-1.配合面，2-2.配合面；

PD.销孔直径，CH.压缩高。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细说明。

实施例1：一种整体式内燃机用钢活塞，其结构如图1-2所示，包括第一活塞本体1和与第一活塞本体1配合形成内冷油腔8的第二活塞本体2，第二活塞本体2下部为活塞裙部6。第一活塞本体1与第二活塞本体2之间共有两个配合区域，第一配合区4域位于第一活塞本体1和第二活塞本体2的顶部。

如图3和图4所示，另外一个配合区域位于活塞燃烧室碗部12的两侧，该位置称为第二配合区5。其中第一配合区4包括设置在第一活塞本体1顶部的配合面1-1和设置在第二活塞本体2顶部的配合面2-1所形成的竖向的焊接圆柱面，且该配合圆柱面由活塞顶部向下延伸至活塞内冷油腔8。

第二配合区5包括设置在第一活塞本体碗部中心9的配合面1-2和第二活塞本体碗部中心的配合面2-2所形成的圆锥面配合部，该圆锥配合面由燃烧室碗部内壁面沿着一定角度倾斜延伸至内冷油腔内壁面，其结构可再次参考图3和图4所示。

上述所公开的活塞中，第一活塞本体1与第二活塞本体2于第一配合区4与第二配合区5相互配合；

尤其是第二配合区5包括设置在第一活塞本体碗部中心9的配合部和1-2第二活塞本体碗部中心的配合面2-2所形成的圆锥面配合面，该圆锥配合面由燃烧室碗部内壁面沿着一定角度倾斜延伸至内冷油腔8的内壁面。相比于现有技术，在活塞压缩高CH极短、活塞销孔直径PD很大的情况下，既保证了活塞各部位拥有足够的结构强度，又完整的保留了刚度良好的活塞裙部，形成了轻量化的带有冷却功能良好的封闭式大容积内冷油腔结构活塞。

需要说明的是，在本发明实施例中，第一配合区4中第一活塞本体1顶部配合面1-1和第二活塞本体2顶部配合面2-1之间为过盈配合，其过盈值不大于0.1mm；第二配合区5中第一活塞本体碗部中心圆锥配合面1-2和第二活塞本体碗部中心圆锥配合面2-2之间为过盈配合，其过盈量不大于0.1mm。

如图5和图6中所示，第一配合区4中第一活塞本体1顶部配合面1-1的高度h1和第二活塞本体2顶部配合面2-1的高度h2相同，且焊合后活塞顶部与内冷油腔内壁所对应的平面尽量平整光滑，其高度h1、h2优选在3-10mm之间。

第二配合区5中第一活塞本体碗部中心圆锥配合面1-2在活塞径向上的宽度w1和第二活塞本体碗部中心圆锥配合面2-2在活塞径向上的宽度w2应相同，且焊合后的活塞燃烧室内壁与内冷油腔内壁所对应的平面应尽量光滑平整，其宽度w1、w2优选在3-10mm以下。

依据上述标准进行活塞制造的过程主要包括：

将第一活塞本体1与第二活塞本体2的组装后，利用焊接技术将第一配合区4中第一活塞本体顶部配合面1-1和第二活塞本体顶部配合面2-1焊合，焊合后配合面1-1和配合面2-1结合致密，无缝隙。

利用焊接技术将第二配合区5中第一活塞本体碗部中心圆锥配合面1-2和第二活塞本体碗部中心圆锥配合面2-2焊合，焊合后配合面2-1和配合面2-2结合致密，无缝隙。

焊合后，第一活塞本体1与第二活塞本体2形成完整的封闭式大容积内冷油腔8，然后在焊合后的活塞上陆续加工出回油孔3、活塞环槽7、活塞燃烧室11和活塞销孔10。

本发明中所公开的活塞，第一活塞本体1的材料与第二活塞本体2的材料为合金钢。作为更佳的选择，所述第一活塞本体1的材料还可选用优于第二活塞本体2的更高强度的合金结构钢。

由以上实施例中可以看出，本发明中所公开的活塞，在活塞压缩高极短、活塞销孔直径很大的情况下，若燃烧室形状已定，则该方案可以在活塞头部空间很小的情况下，在不牺牲活塞各部位结构强度的前提下，即能完整保留了完整的，刚度良好的活塞裙部又形成了轻量化的带有冷却功能良好的封闭式大容积内冷油腔结构活塞。

实施例2：一种内燃机，该内燃机具有活塞；其中，所述的活塞为实施例1中所述的活塞。

实施例3：一种交通工具，该交通工具具有内燃机；其中，所述的内燃机为实施例2中所述的内燃机。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明和局部放大呈现的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种整体式内燃机用钢活塞，包括第一活塞本体和第二活塞本体，所述第二活塞本体的上部具有活塞环槽及回油孔，下部为活塞裙部，且第二活塞本体具有活塞销孔，其特征在于：

所述第二活塞本体上部内侧与第一活塞本体固定连接；

第二活塞本体上部内侧与第一活塞本体之间的空腔为冷却油腔，第一活塞本体内部为活塞燃烧室；

其中，所述第二活塞本体和第一活塞本体包括位于上部的第一配合区及位于下部的第二配合区；

所述第一配合区包括由所述第一活塞本体顶部向下延伸的焊接柱面及与所述焊接柱面相对应的位于所述第二活塞本体顶部向下延伸的焊接柱面；

两焊接柱面均延伸到冷却油腔。

2.根据权利要求1所述的整体式内燃机用钢活塞，其特征在于，所述活塞燃烧室的下部具有碗型结构。

3.根据权利要求1所述的整体式内燃机用钢活塞，其特征在于，所述第二配合区为倾斜设置。

4.根据权利要求3所述的整体式内燃机用钢活塞，其特征在于，所述第二配合区包括所述第一活塞本体下部向下延伸的圆锥配合面及与所述圆锥配合面相对应的位于所述第二活塞本体上部向下延伸的圆锥配合面，两圆锥配合面均延伸到冷却油腔。

5.根据权利要求1所述的整体式内燃机用钢活塞，其特征在于，所述第一活塞本体和第二活塞本体均为合金钢材质。

6.根据权利要求1所述的整体式内燃机用钢活塞，其特征在于，两焊接柱面为过盈配合。

7.根据权利要求4所述的整体式内燃机用钢活塞，其特征在于，两圆锥配合面为过盈配合。

8.一种内燃机，该内燃机具有活塞，其特征在于，该内燃机具有权利要求1-7任一项所述的活塞。

9.一种交通工具，该交通工具具有内燃机，所述内燃机为上述的内燃机。

10.一种对权利要求1-7任一项所述的整体式内燃机用钢活塞的制造方法，其特征在于，步骤如下：

A、将第一活塞本体和第二活塞本体过盈配合，并将第一配合区和第二配合区焊接；

B、加工回油孔；活塞环槽、活塞燃烧室和活塞销孔；

C、进行表面处理，完成活塞加工。