CN108026860A - 用于内燃机的活塞 - Google Patents

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CN108026860A
CN108026860A CN201680047269.2A CN201680047269A CN108026860A CN 108026860 A CN108026860 A CN 108026860A CN 201680047269 A CN201680047269 A CN 201680047269A CN 108026860 A CN108026860 A CN 108026860A
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K·洛尔梅斯
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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的活塞(1)，该活塞包括活塞裙(2)和带有环形区(4)的设置在该活塞裙上的活塞底(3)，其中，活塞裙(2)具有用于承载的裙壁区段(5)和缩进的盒壁(14)，所述盒壁将裙壁区段(5)互相连接并且所述盒壁具有拱曲的走向以及具有销孔(7)，其中，在环形区(4)下方在销孔(7)的区域中设有在活塞底(3)的区域中侧切的自由空间(21)，其中，活塞(1)具有压力侧(12)和背压侧(13)，其中，活塞(1)在其压力侧(12)的盒壁(14)的盒壁间距(27)处于活塞直径(20)的35％至51％之间，和/或活塞(1)在其背压侧(13)的盒壁(14)的盒壁间距(28)处于活塞直径(20)的26％至39％之间。

Description

用于内燃机的活塞
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分的特征的用于内燃机的活塞。
背景技术
一种用于内燃机的活塞由同类型的DE19740065A1已知。在该活塞中，销座沿销轴线方向后错，使得外部的销座间距为活塞直径的60％至65％或更小。销座外表面(其将两个滑动面互相连接)在滑动面的高度上观察具有直线(线性)的走向。在该活塞中，销座外表面(也称为盒壁)不是几乎平坦的，而是弯曲的，更确切说在剖视图中不仅平行于而且垂直于活塞轴线。然而在此，在剖视图中垂直于活塞轴线的表面的弯曲感始终对于盒壁的整个表面而言保持不变。由此，在盒壁间距向上(朝向活塞底的方向)变小的情况下得到用于承载的滑动面的向上减小的宽度。
DE19740065A1因此公开一种用于内燃机的轻金属活塞，其具有顶篷形的活塞底，该活塞底具有燃烧室凹腔，其中，销座沿销轴线方向如此缩进，使得外部的销座间距为活塞直径的60％至65％或更小，并且在缩进的销座的外表面上方设有沿圆周方向形成45°至60°之间的角度的敞开的空腔，该空腔朝向活塞底的方向延伸到环形区后面的区域中，并且销座内表面梯形或阶梯形分段地构成，并且裙长度为活塞直径的40％至45％。
此外由DE10145589A1已知一种活塞。该活塞具有活塞底，该活塞底包括带有多个环形槽的环形区和必要时燃烧室凹腔。沿活塞的运动方向，在活塞底下方设有活塞裙，该活塞裙包括两个用于在内燃机运行中承载活塞的裙壁区段，所述裙壁区段用于在内燃机的缸中引导活塞。裙壁区段经由缩进的连接壁互相连接，连接壁不连接于缸的工作面。
在DE10145589A1公开的活塞中，连接壁具有拱曲的走向，该走向可以是凹形的、凸形的或者由这些拱曲的组合构成。此外，在该已知的活塞中，在连接壁的区域中，环形区的下边缘突出于该环形区地构成(突出部)并且在那里至少部分地构成空心，使得产生自由空间以便减轻重量。
发明内容
本发明的目的在于，将用于内燃机的活塞在减小活塞重量并且改善活塞的盒区域中的应力分布的情况下制成。
所述目的通过权利要求1的特征来实现。
按照本发明规定，活塞在其压力侧的盒壁的盒壁间距处于活塞直径的35％至51％之间，和/或活塞在其背压侧的盒壁的盒壁间距处于活塞直径的26％至39％之间。
“压力侧”称为活塞在燃烧期间支撑所在的活塞或缸侧。压力侧与曲轴的转动方向相对。“背压侧”是与压力侧相对置的活塞或缸侧。通过按照本发明所设计的裙支撑，在活塞内实现较均匀的应力分布。因此还可以进行较大的环形区侧切。活塞重量显著减小，但是同时实际内燃机具有最高热学和机械负载的要求得以保持。
此外按照本发明规定，活塞在其压力侧的盒壁的盒壁间距处于活塞直径的40％至51％之间、优选46％至49％之间。此外按照本发明规定，活塞在其背压侧的盒壁的盒壁间距处于活塞直径的30％至39％之间、优选34％至37％之间。由此，盒壁更加彼此靠近，从而这导致进一步的材料节省。在活塞压力侧和背压侧的较小的裙表面促使摩擦减小。
此外按照本发明规定，在耐火钝边的上棱和自由空间的横向于活塞的销孔轴线的顶点之间的间距小于耐火钝边的延伸尺寸。此外按照本发明规定，在耐火钝边的上棱和自由空间的平行于销孔轴线的顶点之间的间距小于耐火钝边的延伸尺寸。在环形区的重量槽(Gewichtstaschen)中的幅度较大的侧切能实现最佳的浇铸模具技术的使用。
此外按照本发明规定，在耐火钝边的上棱和自由空间的横向于活塞的销孔轴线的顶点之间的间距和/或在耐火钝边的上棱和自由空间的平行于销孔轴线的顶点之间的间距小于耐火钝边的延伸尺寸并且在其50％至95％之间、优选65％至90％之间。由此实现材料节约和活塞重量减小。此外按照本发明规定，拆卸导槽的径向深度的尺寸大于或等于2mm、优选大于或等于3mm、尤其大于或等于4mm。通过拆卸导槽的尽可能大的径向深度减小了在该区域中的活塞重量。
此外按照本发明规定，盒壁在压力侧的中心线和活塞的横向于销孔轴线的中心线之间的间距大于盒壁在压力侧的中心线和活塞的横向于销孔轴线的中心线之间的在活塞圆周处的间距。通过按照本发明设计的盒壁减小了用于浇铸模具嵌件的拔模斜度。这又能实现环形区后面的自由空间增大，这导致活塞重量减小。
此外按照本发明规定，盒壁在背压侧的中心线和活塞的横向于销孔轴线的中心线之间的间距小于盒壁在压力侧的中心线和活塞的横向于销孔轴线的中心线之间的间距。通过按照本发明设计的盒壁减小了用于浇铸模具嵌件的拔模斜度。这又能实现环形区后面的自由空间增大，这导致活塞重量减小。
此外按照本发明规定，盒壁在背压侧的中心线和活塞的横向于销孔轴线的中心线之间的在活塞圆周处的间距小于盒壁在背压侧的中心线和活塞的横向于销孔轴线的中心线之间的间距。通过按照本发明设计的盒壁减小了用于浇铸模具嵌件的拔模斜度。这又能实现环形区后面的自由空间增大，这导致活塞重量减小。
此外按照本发明规定，盒壁在压力侧的中心线和活塞的横向于销孔轴线的中心线之间的间距与盒壁的中心线之间的交点的位置为活塞直径的10％至35％、优选15％至30％、尤其20％至25％。拱曲的销座结合重新设计的裙连接能实现：通过由此形成的底支撑，燃烧室凹腔中的应力在直接喷射器-内燃机高加载时最小化。
销座端面完全集成到盒轮廓中。相比于现有技术，基于均匀盒壁设计而重量减小约15％实现了改善的应力分布。
通过使用合适的活塞合金、尤其是本申请人的活塞合金KS309，并且通过后续调整活塞设计至由此导致的针对材料的优点，可以将活塞底的壁厚减小直至30％。由此实现减小活塞重量。
附图说明
接下来借助附图阐述基本构思。接下来在附图中借助示出的实施例描述本发明的其它细节。
其中，
图1示出按照现有技术DE102005041002A1的活塞的视图，
图2示出按照现有技术DE102005041002A1的活塞的剖视图，
图3示出按照本发明的活塞的仰视剖视图，
图4示出按照图3的活塞的另一仰视剖视图，
图5示出按照图3的活塞的再一仰视剖视图，
图6示出按照图3的活塞的侧视剖视图(背压侧)以及相比于按照图2的活塞的轮廓，
图7示出按照图3的活塞的侧视剖视图(压力侧)以及相比于按照图2的活塞的轮廓，
图8示出按照图3的活塞的侧视剖视图(背压侧)，
图9示出按照图2的活塞的侧视剖视图(背压侧)，
图10示出按照图3的活塞的仰视图，
图11示出按照图3的活塞的横向于销孔轴线的剖视图，
图12示出按照图3的活塞的在销孔轴线之外的剖视图，以及
图13示出按照图3的活塞的沿着销孔轴线的剖视图。
具体实施方式
图1示出按照现有技术DE102005041002A1的活塞101的视图，图2示出活塞101的剖视图。这样的活塞101包括活塞裙102，其带有附属的活塞底103，其中，活塞裙102和活塞底103一件式构成或者包括两个部分，这两个部分在它们制成之后被接合在一起。活塞101在内燃机运行期间在未示出的缸中沿着活塞行程轴线111运动。此外，活塞101具有环形区104，其在通常情况下具有三个环形槽109。活塞裙102包括用于承载活塞111的裙壁区段105，裙壁区段105通过缩进的连接壁106互相连接。连接壁106具有拱曲的走向，在连接壁106的拱曲走向方面可以不同设计。缩进的连接壁106还具有销孔107，其用于容纳销，该销用于将活塞111与未示出的连杆连接。活塞底103具有可选的燃烧室凹腔110。此外示出，在活塞底3的区域中缩进地在环形区104后面和在销孔107上面设有自由空间121。
在1的视图中示出引流开口126。引流开口126设置在环形槽109的区域中，从而当环形槽109被引入活塞坯中时，得到环形槽109向自由空间121中的连通。引流开口126的区域在环形槽109后面、即在自由空间121的区域中可以杯状地构成。当在环形槽109中使用尤其三件式的油环时，可以经由引流开口126将油从活塞101表面或者缸工作表面朝向活塞101内部区域的方向引出。为此目的，引流开口126(其中尤其分别一个引流开口在销孔107右侧和左侧尤其对称设置)在缩进的连接壁106的区域中设置，因为在此为引出的油提供足够空间。
图3至13示出内燃机活塞1的一个实施例的不同视图，该活塞可以构成为轻质结构活塞，但不是必须。如果是轻质结构活塞，那么首先将活塞坯由轻质结构材料、尤其是铝或铝合金浇铸出，并且然后例如通过切削加工来终加工。这样的活塞1的基本结构包括活塞裙2，其带有附属的活塞底3，其中，活塞裙2和活塞底3一件式构成或者包括两个部分，这两个部分在它们制成之后被接合在一起。活塞1在内燃机运行期间在未示出的缸中沿着活塞行程轴线11运动。此外，活塞1具有环形区4，其在通常情况下具有三个环形槽。
活塞裙2包括用于承载活塞1的裙壁区段5，裙壁区段5通过缩进的连接壁6互相连接。连接壁6具有拱曲的走向，在连接壁6的拱曲走向方面可以不同地设计。在此涉及拱曲的走向(从一个裙壁区段朝向另一裙壁区段和/或在其沿活塞行程轴线11的走向中凹形和/或凸形)，因为该走向在所要求的强度保持相同情况下的减轻重量方面是特别重要的。缩进的连接壁6还具有销孔7，其用于容纳销，该销用于将活塞1与未示出的连杆连接。在销孔7内形成销孔轴线8。活塞底3具有可选的燃烧室凹腔10。此外示出，在活塞底3的区域中缩进地在环形区4后面和在销孔7上面设有自由空间21。
图3示出按照本发明的活塞的仰视剖视图。盒壁14在下顶18中的拱曲部24相对于内销座端面17的拱曲部26和盒壁14在上顶19中的拱曲部相反延伸。在图3中在上部示出活塞1的压力侧12并且在下部示出背压侧13。拱曲部24的走向和/或延伸此外还具有如下优点：在活塞的内部区域中提供自由空间21，该自由空间对于未示出的梯形连杆的间隙需求而言是必需的，经由所述梯形连杆，活塞1能与同样未示出的曲轴连接。
R1表示盒壁14在销孔7上方的半径。用R2表示盒壁14在活塞1压力侧12的半径。R3又表示盒壁14在活塞1背压侧13的半径。
图4示出按照图3的活塞1的另一仰视剖视图。示出盒壁14在下顶18中的位置。画出了盒壁14在活塞1压力侧12的中心线15以及盒壁14在背压侧13的中心线16。
图5示出按照图3的活塞1的再一仰视剖视图，这里示出盒壁14在下顶18中的位置。
用“A”表示盒壁14在压力侧12的中心线15和活塞1的横向于销孔轴线8的中心线25之间的间距。“B”表示盒壁14在压力侧12的中心线15和活塞1的横向于销孔轴线8的中心线25之间的在活塞1圆周处的间距。“C”表示盒壁14在背压侧13的中心线16和活塞的横向于销孔轴线8的中心线25之间的间距。用“D”表示盒壁14在背压侧13的中心线16和活塞1的横向于销孔轴线8的中心线25之间的在活塞1圆周处的间距。
交点的位置具有合适的条件：
交点A的位置：活塞直径20的20％至25％
交点B的位置：B<A
交点C的位置：C<A
交点D的位置：D<C
图6示出按照图3的活塞的侧视剖视图(背压侧13)以及相比于按照图2的活塞101的轮廓，以便示出盒壁14的位置。图7示出按照图3的活塞1的侧视剖视图(压力侧12)以及相比于按照图2的活塞101的轮廓，以便示出盒壁14的位置。活塞1具有在环形区4后面的自由空间21。盒壁14相比于此前常见的如由DE102005041002A1已知的轻质结构活塞的情况下更窄。
用“X1”表示按照DE102005041002A1的各盒壁之间在背压侧的间距。“X2”表示按照图3中的实施例的各盒壁之间在背压测的间距。“Y1”表示按照DE102005041002A1的各盒壁之间在压力侧的间距。“Y2”又表示按照图3中的实施例的各盒壁之间在压力测的间距。
符合以下条件：
X1>X2并且Y1>Y2
图8示出按照图3的活塞1的侧视剖视图(背压侧13)，图9示出按照图3的活塞1的侧视剖视图(压力侧12)，可清楚看到盒壁14的位置。通过重新设计的盒壁14减小了用于浇铸模具嵌件的拔模斜度22。这又能实现自由空间21相对于如由DE102005041002A1已知的轻质结构活塞的增大，这促使进一步减轻重量。
“W1”表示拔模斜度22在活塞1压力侧12上的角度。用“W2”表示拔模斜度22在活塞1背压侧13上的角度。
符合条件：W1>W2
图10示出按照图3的活塞1的仰视图。活塞1在压力侧12和背压侧13的裙壁区段5的区域中具有较小的裙面用于减小摩擦。在用于具有曲轴偏置的内燃机的活塞的情况下，根据导致的侧向力补偿裙面。示出了压力侧12的盒壁间距27以及背压侧13的盒壁间距28。还画入活塞直径20。
压力侧12的裙面间距或者说盒壁间距27处于活塞直径20的46％至51％之间。在背压侧13，裙面间距或者说盒壁间距28处于活塞直径20的34％至39％之间。
由现有技术DE102005041002A1已知在压力侧的裙面间距处于活塞直径20的52％至57％之间并且在背压侧处于活塞直径的40％至45％之间。因此显著减小裙面。
图11示出按照图3的活塞1的横向于销孔轴线8的剖视图，图12示出按照图3的活塞1的在销孔轴线8之外的剖视图，在此示出用于减小活塞1重量的特征。示出了耐火钝边29，该耐火钝边在其最大的延伸尺寸上朝向活塞底3的方向构成顶点30。
“X”表示在耐火钝边29的上棱和自由空间21的横向于销孔轴线8的顶点30之间的间距。“Y”又表示在耐火钝边29的上棱和自由空间21的平行于销孔轴线8的顶点30之间的间距。“FS”表示耐火钝边29的尺寸。尺寸X和/或尺寸Y小于尺寸FS、优选处于其65％至90％之间。
符合条件：
FS>X并且FS>Y
图13示出按照图3的活塞1的沿着销孔轴线8的剖视图，可看到用于减小重量的另一特征。拆卸导槽23的径向深度的尺寸Z的值大于或等于4mm。
附图标记列表
1 活塞
2 活塞裙
3 活塞底
4 环形区
5 裙壁区段
6 连接壁
7 销孔
8 销孔轴线
9 环形槽
10 燃烧室凹腔
11 活塞行程轴线
12 压力侧
13 背压侧
14 盒壁
15 盒壁在压力侧的中心线
16 盒壁在背压侧的中心线
17 销座端面
18 下顶
19 上顶
20 活塞直径
21 自由空间
22 拔模斜度
23 拆卸导槽
24 盒壁在下顶中的拱曲部
25 活塞的横向于销孔轴线的中心线
26 盒壁在上顶中的拱曲部
27 在压力侧的盒壁间距
28 在背压侧的盒壁间距
29 耐火钝边
30 顶点
101 现有技术中的活塞
102 活塞裙
103 活塞底
104 环形区
105 裙壁区段
106 连接壁
107 销孔
109 环形槽
110 燃烧室凹腔
111 活塞行程轴线
121 自由空间
126 导流开口
R1 盒壁在活塞销孔上面的半径
R2 盒壁在活塞压力侧的半径
R3 盒壁在活塞背压侧的半径
A 盒壁在压力侧的中心线和活塞的横向于销孔轴线的中心线之间的间距
B 盒壁在压力侧的中心线和活塞的横向于销孔轴线的中心线之间的在活塞圆周处的间距
C 盒壁在背压侧的中心线和活塞的横向于销孔轴线的中心线之间的间距
D 盒壁在背压侧的中心线和活塞的横向于销孔轴线的中心线之间的在活塞圆周处的间距
X1 按照DE102005041002A1的各盒壁之间在背压侧的间距
X2 按照实施例的各盒壁之间在背压侧的间距
Y1 按照DE102005041002A1的各盒壁之间在压力侧的间距
Y2 按照实施例的各盒壁之间在压力侧的间距
W1 拔模斜度在活塞压力侧上的角度
W2 拔模斜度在活塞背压侧上的角度
X 在耐火钝边的上棱和自由空间的横向于销孔轴线的顶点之间的间距
Y 在耐火钝边的上棱和自由空间的平行于销孔轴线的顶点之间的间距
Z 拆卸导槽的径向深度
FS 耐火钝边的延伸尺寸

Claims (11)

1.用于内燃机的活塞(1)，该活塞包括活塞裙(2)和带有环形区(4)的设置在该活塞裙上的活塞底(3)，其中，活塞裙(2)具有用于承载的裙壁区段(5)和缩进的盒壁(14)，所述盒壁将裙壁区段(5)互相连接并且所述盒壁具有拱曲的走向以及具有销孔(7)，其中，在环形区(4)下方在销孔(7)的区域中设有在活塞底(3)的区域中侧切的自由空间(21)，其中，活塞(1)具有压力侧(12)和背压侧(13)，其特征在于，活塞(1)在其压力侧(12)的盒壁(14)的盒壁间距(27)处于活塞直径(20)的35％至51％之间，和/或活塞(1)在其背压侧(13)的盒壁(14)的盒壁间距(28)处于活塞直径(20)的26％至39％之间。
2.按照权利要求1所述的活塞(1)，其特征在于，活塞(1)在其压力侧(12)的盒壁(14)的盒壁间距(27)处于活塞直径(20)的40％至51％之间、优选46％至49％之间。
3.按照权利要求1所述的活塞(1)，其特征在于，活塞(1)在其背压侧(13)的盒壁(14)的盒壁间距(28)处于活塞直径(20)的30％至39％之间、优选34％至37％之间。
4.按照上述权利要求之一所述的活塞(1)，其特征在于，在耐火钝边(29)的上棱和自由空间(21)的横向于活塞(1)的销孔轴线(8)的顶点(30)之间的间距(X)小于耐火钝边(29)的延伸尺寸(FS)。
5.按照上述权利要求之一所述的活塞(1)，其特征在于，在耐火钝边(29)的上棱和自由空间(21)的平行于销孔轴线(8)的顶点(30)之间的间距(Y)小于耐火钝边(29)的延伸尺寸(FS)。
6.按照权利要求4或5所述的活塞(1)，其特征在于，在耐火钝边(29)的上棱和自由空间(21)的横向于活塞(1)的销孔轴线(8)的顶点(30)之间的间距(X)和/或在耐火钝边(29)的上棱和自由空间(21)的平行于销孔轴线(8)的顶点(30)之间的间距(Y)小于耐火钝边(29)的延伸尺寸(FS)并且处于耐火钝边的延伸尺寸的50％至95％之间、优选65％至90％之间。
7.按照上述权利要求之一所述的活塞(1)，其特征在于，拆卸导槽(23)的径向深度(Z)的尺寸大于或等于2mm、优选大于或等于3mm、尤其大于或等于4mm。
8.按照上述权利要求之一所述的活塞(1)，其特征在于，盒壁(14)在压力侧(12)的中心线(15)和活塞(1)的横向于销孔轴线(8)的中心线(25)之间的间距(A)大于盒壁(14)在压力侧(12)的中心线(15)和活塞(1)的横向于销孔轴线(8)的中心线(25)之间的在活塞(1)圆周处的间距(B)。
9.按照上述权利要求之一所述的活塞(1)，其特征在于，盒壁(14)在背压侧(13)的中心线(16)和活塞(1)的横向于销孔轴线(8)的中心线(25)之间的间距(C)小于盒壁(14)在压力侧(12)的中心线(15)和活塞(1)的横向于销孔轴线(8)的中心线(25)之间的间距(A)。
10.按照上述权利要求之一所述的活塞(1)，其特征在于，盒壁(14)在背压侧(13)的中心线(16)和活塞(1)的横向于销孔轴线(8)的中心线(25)之间的在活塞(1)圆周处的间距(D)小于盒壁(14)在背压侧(13)的中心线(16)和活塞(1)的横向于销孔轴线(8)的中心线(25)之间的间距(C)。
11.按照上述权利要求之一所述的活塞(1)，其特征在于，盒壁(14)在压力侧(12)的中心线(15)和活塞(1)的横向于销孔轴线(8)的中心线(25)之间的间距(A)与盒壁(14)的中心线(15)之间的交点的位置为活塞直径(20)的10％至35％、优选15％至30％、尤其20％至25％。
CN201680047269.2A 2015-08-11 2016-08-11 用于内燃机的活塞 Pending CN108026860A (zh)

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