CN111255590A - 一种轻量化活塞、发动机及汽车 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻量化活塞，包括活塞头部、主推力侧裙部和副推力侧裙部，主、副推力侧裙部间通过两侧的活塞面窗部连接，在活塞面窗部上设置销座，活塞面窗部上端与活塞头部间形成多个减重凹坑，销座内侧面纵向截面呈下降楔形，销座内侧面上部横向截面呈开口相反的“双曲线”形；主推力侧裙部和副推力侧裙部为非对称的结构。其能够在保证活塞具有足够强度的前提下，减轻活塞重量。本发明还公开了一种具有上述轻量化活塞的发动机及汽车。
Description
技术领域
本发明涉及汽油机活塞，具体涉及一种轻量化活塞、发动机及汽车。
背景技术
随着发动机动力性、经济性以及NVH需求的不断提高，发动机爆发压力越来越大，重量需求越来越轻。活塞是发动机内部运动件，其重量的减轻有助于减小往复惯性力与发动机振动，同时提升其动力性与经济性。
参见图1和图2，传统的汽油机活塞为保证足够的结构强度，在现有销座10、现有面窗11、现有裙部12等主要受力部位设计较大的壁厚，致使活塞重量较大；同时参见图3，现有面窗11的面窗壁为直线型，主、副推力侧宽度均较大，致使活塞的接触面积较大，摩擦损失较大。随着汽油机高爆发压力、高升功率的发展趋势，对于活塞的强度要求越来越高。现有的技术将会使活塞重量会越来越大，已无法满足现代汽油机活塞的轻量化设计需求。基于此背景，现研究了一种新型轻量化活塞结构，减轻了活塞的重量。
发明内容
本发明的目的是提供一种轻量化活塞、发动机及汽车，其能够在保证活塞具有足够强度的前提下，减轻活塞重量。
本发明所述的轻量化活塞，包括活塞头部、主推力侧裙部和副推力侧裙部，所述主、副推力侧裙部间通过两侧的活塞面窗部连接，在所述活塞面窗部上设置销座，所述活塞面窗部上端与活塞头部间形成多个减重凹坑，所述减重凹坑由活塞头部内侧面、面窗壁外侧面以及过渡连接活塞头部内侧面与面窗壁外侧面上部的凹坑倒圆所构成；所述销座内侧面纵向截面呈下降楔形，销座内侧面上部横向截面呈开口相反的“双曲线”形；所述主推力侧裙部和副推力侧裙部为非对称的结构，两侧的活塞面窗部沿前后方向对称设置，单侧的活塞面窗部包括与主推力侧裙部连接的主推力侧面窗壁和与副推力侧裙部连接的副推力侧面窗壁，所述主推力侧面窗壁和副推力侧面窗壁横截面为共圆的两段弧形，该弧形半径为90～100mm，圆心偏向主推力侧，偏距b为4～8mm；所述活塞面窗部内侧面与主推力侧裙部和副推力侧裙部内侧面通过半径为13～15mm的过渡圆弧平滑过渡，所述活塞面窗部外侧面延伸至与主推力侧裙部和副推力侧裙部外侧面相交。
进一步，所述主推力侧面窗壁为等壁厚的直平面，壁厚为3.0～3.4mm，主推力侧面窗壁所在平面与竖直方向的夹角为25～30°；所述副推力侧面窗壁为等壁厚的直平面，壁厚为2.6～3.0mm，副推力侧面窗壁所在平面与竖直方向的夹角为25～30°。
进一步，所述销座内侧面上部为曲率半径为52～55mm的圆弧曲面，销座内侧面下部与竖直面夹角为10～15°。
进一步，所述活塞头部内侧面为旋转曲面，旋转轴线为活塞轴线，其母线与面窗壁外侧面夹角为3～5°，所述凹坑倒圆半径为2～3mm。
进一步，所述主推力侧裙部内侧面半径为16～18mm，壁厚为2.3～2.7mm，所述副推力侧裙部内侧面半径为14～16mm，壁厚为2.1～2.3mm。
进一步，所述主推力侧面窗壁下部设有壁厚为5.0～5.4mm的主推力侧面窗壁加强筋；所述副推力侧面窗壁下部设有壁厚为3.6～4.0mm的副推力侧面窗壁加强筋；所述主推力侧面窗壁加强筋和副推力侧面窗壁加强筋在前后方向上的投影呈半径为40～50mm的弧形，高度为8～10mm，所述弧形开口朝下。
进一步，所述主推力侧面窗壁加强筋和副推力侧面窗壁加强筋下部边缘设有倒圆角。
一种发动机，所述发动机包括上述的轻量化活塞。
一种汽车，所述汽车包括上述的发动机。
本发明通过在活塞面窗部上端与活塞头部间形成多个减重凹坑，且减重凹坑由活塞头部内侧面、面窗壁外侧面以及过渡连接活塞头部内侧面与面窗壁上部的凹坑倒圆所构成，利于铸造工艺脱模，还减轻了活塞重量。
本发明的销座内侧面纵向截面呈下降楔形，销座内侧面上部横向截面呈开口相反的“双曲线”形，适应活塞销的受力分布，从而合理的减轻了活塞重量。
本发明的主推力侧裙部和副推力侧裙部为非对称的结构，且通过限定圆弧形的主推力侧面窗壁和副推力侧面窗壁的圆心偏向推力侧，偏距b为4～8mm，形成主推力侧裙部较宽、副推力侧裙部较窄的非对称结构，在保证裙部结构强度的前提下，降低了活塞裙部与缸壁的摩擦损失。
本发明通过限定主推力侧面窗壁的壁厚为3.0～3.4mm，副推力侧面窗壁的壁厚为2.6～3.0mm，在保证结构强度的前提下，最大化地减轻了活塞重量。
本发明通过在主推力侧面窗壁下部设置主推力侧面窗壁加强筋，在副推力侧面窗壁下部设置副推力侧面窗壁加强筋，且对主推力侧面窗壁加强筋和副推力侧面窗壁加强筋的形状及尺寸参数作特殊限定，保证活塞在满足轻量化需求的同时，活塞裙部具有足够的强度，进而避免了裙部因侧向力过大而导致活塞开裂，延长了活塞的使用寿命。
本发明的主推力侧面窗壁、副推力侧面窗壁、主推力侧裙部和副推力侧裙部合围轮廓大致呈“卵形”，该轮廓的特点主要在于主推力侧面窗壁和副推力侧面窗壁均为圆弧形，具有一定的弹性，能够将主推力侧裙部和副推力侧裙部受到的侧向压力分散到各个结构单元，有利于改善裙部应力集中的现象。并且由于主推力侧面窗壁加强筋和副推力侧面窗壁加强筋分别设置在主推力侧面窗壁和副推力侧面窗壁下部，同样与主推力侧裙部和副推力侧裙部合围的轮廓大致呈“卵形”，同时限定了主推力侧面窗壁加强筋壁厚为5.0～5.4mm；副推力侧面窗壁加强筋壁厚为3.6～4.0mm，从前往后看，主推力侧面窗壁加强筋和副推力侧面窗壁加强筋呈开口向下的弧形结构，该弧形结构半径为40～50mm，高度为8～10mm，保证了活塞裙部具有足够的强度，最大化地减轻了活塞重量。
附图说明
图1现有活塞结构示意图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为图1的仰视图；
图4为本发明的结构示意图之一；
图5为本发明的结构示意图之二；
图6为本发明活塞的底面视图；
图7为图6的B-B剖视图；
图8为图6的主、副推力侧半剖视图；
图9为图8的局部放大示意图。
图中，1—活塞头部，2—主推力侧裙部，3—副推力侧裙部，4—活塞面窗部，41—主推力侧面窗壁，42—副推力侧面窗壁，5—销座，6—减重凹坑，61—活塞头部内侧面，62—面窗壁外侧面，63—凹坑倒圆，7—主推力侧面窗壁加强筋，8—副推力侧面窗壁加强筋，9—过渡圆弧，10—现有销座，11—现有面窗，12—现有裙部。
α1为销座内侧面下部与竖直面夹角，α2为主、副推力侧面窗壁所在平面与竖直方向的夹角，α3为活塞头部内侧面与面窗壁外侧面夹角。
R1为主、副推力侧面窗壁的横向半径，R2为过渡圆弧半径，R3为主推力侧裙部内侧面半径，R4为副推力侧裙部内侧面半径，R5为销座内侧面上部曲面的曲率半径，R6为凹坑倒圆半径，R7为主、副推力侧面窗壁加强筋的纵向半径，R8为主、副推力侧面窗壁加强筋下部边缘倒圆角半径。
a1为主推力侧面窗壁壁厚，a2为副推力侧面窗壁壁厚，a3为主推力侧面窗壁加强筋壁厚，a4为副推力侧面窗壁加强筋壁厚，a5为主推力侧裙部壁厚，a6为副推力侧裙部壁厚，b为同侧主、副推力侧面窗壁圆心偏距，h为主、副推力侧面窗壁加强筋高度。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
实施例一，参见图4、图5和图7，所示的轻量化活塞包括活塞头部1、主推力侧裙部2和副推力侧裙部3，所述主、副推力侧裙部间通过两侧的活塞面窗部4连接，在所述活塞面窗部4上设置销座5，两侧的活塞面窗部4沿前后方向对称设置，单侧的活塞面窗部4包括与主推力侧裙部2连接的主推力侧面窗壁41和与副推力侧裙部3连接的副推力侧面窗壁42，主推力侧面窗壁41为等壁厚的直平面，主推力侧面窗壁壁厚a1为3.2mm，主推力侧面窗壁所在平面与竖直方向的夹角α2为30°；所述副推力侧面窗壁42为等壁厚的直平面，副推力侧面窗壁壁厚a2为2.8mm，副推力侧面窗壁所在平面与竖直方向的夹角α2为30°。
单侧活塞面窗部4上端与活塞头部1间形成三个减重凹坑6，即分别由销座5对应的活塞面窗部4、主推力侧面窗壁41和副推力侧面窗壁42贯穿至与活塞头部1最上方的环槽齐平的位置，所述减重凹坑6由活塞头部内侧面61、面窗壁外侧面62以及过渡连接活塞头部内侧面61与面窗壁外侧面62上部的凹坑倒圆63所构成；所述活塞头部内侧面61为旋转曲面，旋转轴线为活塞轴线，其母线与面窗壁外侧面夹角为4°，即活塞头部内侧面与面窗壁外侧面夹角α3为4°，所述凹坑倒圆半径为2mm，活塞头部内侧面61下端位于活塞头部1最下方环槽的下方。这种结构的减重凹坑不仅利于铸造工艺脱模，还减轻了活塞重量约3％。
参见图7，所述销座内侧面纵向截面呈下降楔形，销座内侧面下部与竖直面夹角α1为10°，销座内侧面上部横向截面呈开口相反的“双曲线”形，即销座内侧面由前、后方向的两个空间曲面组成对称的开裆结构，该开裆结构的纵向截面为下降楔形，横向截面为开口相反的“双曲线”形，销座内侧面上部曲面为圆弧曲面，且销座内侧面上部曲面的曲率半径R5为53mm。采用这种形状的销座内侧面减轻了活塞重量约1.5％，并且由于销座内侧面上部曲面为曲率半径为53mm的圆弧曲面，销座内侧面纵向截面呈下降楔形，适应活塞销的受力分布，提高了活塞销的工作稳定性。
参见图4、图5和图6，所述主推力侧裙部2和副推力侧裙部3为非对称的结构，所述主推力侧面窗壁41和副推力侧面窗壁42横截面为共圆的两段弧形，主、副推力侧面窗壁的横向半径R1为95mm，圆心偏向主推力侧，同侧主、副推力侧面窗壁圆心偏距b为6mm；所述活塞面窗部内侧面与主推力侧裙部和副推力侧裙部内侧面过渡圆弧9平滑过渡连接，所述过渡圆弧半径R2为14mm，所述活塞面窗部4外侧面延伸至与主推力侧裙部2和副推力侧裙部3外侧面相交，形成主推力侧裙部2较宽、副推力侧裙部3较窄的非对称式结构，在保证裙部结构强度的前提下，降低了活塞裙部与缸壁的摩擦损失。
所述主推力侧裙部内侧面半径R3为17mm，主推力侧裙部壁厚a5为2.5mm，所述副推力侧裙部内侧面半径R4为15mm，副推力侧裙部壁厚a6为2.2mm。所述的主推力侧面窗壁41、副推力侧面窗壁42、主推力侧裙部2和副推力侧裙部3合围轮廓大致呈“卵形”，该轮廓的特点主要在于主推力侧面窗壁41和副推力侧面窗壁42均为圆弧形，具有一定的弹性，能够将主推力侧裙部2和副推力侧裙部3受到的侧向压力分散到各个结构单元，有利于改善裙部应力集中的现象。
参见图4至图8，所述主推力侧面窗壁41下部设有主推力侧面窗壁加强筋7，主推力侧面窗壁加强筋壁厚a3为5.2mm；所述副推力侧面窗壁下部设有副推力侧面窗壁加强筋，副推力侧面窗壁加强筋壁厚a4壁厚为3.8mm；所述主推力侧面窗壁加强筋和副推力侧面窗壁加强筋在前后方向上的投影呈弧形，所述弧形开口朝下，加强筋的尺寸参数为：主、副推力侧面窗壁加强筋的纵向半径R7为45mm，主、副推力侧面窗壁加强筋高度h为9mm。通过在主推力侧面窗壁41下部设置主推力侧面窗壁加强筋7，在副推力侧面窗壁42下部设置副推力侧面窗壁加强筋8，且对主推力侧面窗壁加强筋7和副推力侧面窗壁加强筋8的形状及尺寸参数作特殊限定，保证活塞在满足轻量化需求的同时，活塞裙部具有足够的强度，进而避免了裙部因侧向力过大而导致活塞开裂，延长了活塞的使用寿命。并且由于主推力侧面窗壁加强筋7和副推力侧面窗壁加强筋8分别设置在主推力侧面窗壁41和副推力侧面窗壁42下部，同样与主推力侧裙部2和副推力侧裙部3合围的轮廓大致呈“卵形”，结合加强筋尺寸参数的限定，保证了活塞裙部具有足够的强度，最大化地减轻了活塞重量。
参见图9，所述主推力侧面窗壁加强筋7和副推力侧面窗壁加强筋8下部边缘设有倒圆角，且主、副推力侧面窗壁加强筋下部边缘倒圆角半径半径R8为2.0mm。
实施例二，一种轻量化活塞，其结构与实施例一相同，尺寸参数为：
销座内侧面下部与竖直面夹角α1为15°；主、副推力侧面窗壁所在平面与竖直方向的夹角α2为30°；活塞头部内侧面与面窗壁外侧面夹角α3为3°。
主、副推力侧面窗壁的横向半径R1为90mm，过渡圆弧半径R2为13mm，主推力侧裙部内侧面半径R3为18mm，副推力侧裙部内侧面半径R4为16mm，销座内侧面上部曲面的曲率半径R5为52mm，凹坑倒圆半径R6为3mm，主、副推力侧面窗壁加强筋的纵向半径R7为40mm，R8为主、副推力侧面窗壁加强筋下部边缘倒圆角半径1.5mm。
主推力侧面窗壁壁厚a1为3.0mm，副推力侧面窗壁壁厚a2为2.6mm，主推力侧面窗壁加强筋壁厚a3为5.0mm，副推力侧面窗壁加强筋壁厚a4为3.6mm，主推力侧裙部壁厚a5为2.3mm，副推力侧裙部壁厚a6为2.1mm，同侧主、副推力侧面窗壁圆心偏距b为4mm，主、副推力侧面窗壁加强筋高度h为8mm。
实施例三，一种轻量化活塞，其结构与实施例一相同，尺寸参数为：
销座内侧面下部与竖直面夹角α1为13°；主、副推力侧面窗壁所在平面与竖直方向的夹角α2为25°；活塞头部内侧面与面窗壁外侧面夹角α3为5°。
主、副推力侧面窗壁的横向半径R1为100mm，过渡圆弧半径R2为15mm，主推力侧裙部内侧面半径R3为16mm，副推力侧裙部内侧面半径R4为14mm，销座内侧面上部曲面的曲率半径R5为55mm，凹坑倒圆半径R6为2mm，主、副推力侧面窗壁加强筋的纵向半径R7为50mm，R8为主、副推力侧面窗壁加强筋下部边缘倒圆角半径2.5mm。
主推力侧面窗壁壁厚a1为3.4mm，副推力侧面窗壁壁厚a2为3.0mm，主推力侧面窗壁加强筋壁厚a3为5.4mm，副推力侧面窗壁加强筋壁厚a4为4.0mm，主推力侧裙部壁厚a5为2.7mm，副推力侧裙部壁厚a6为2.3mm，同侧主、副推力侧面窗壁圆心偏距b为8mm，主、副推力侧面窗壁加强筋高度h为10mm。
实施例四，一种轻量化活塞，其结构与实施例一相同，尺寸参数为：
销座内侧面下部与竖直面夹角α1为10°；主、副推力侧面窗壁所在平面与竖直方向的夹角α2为28°；活塞头部内侧面与面窗壁外侧面夹角α3为4°。
主、副推力侧面窗壁的横向半径R1为96mm，过渡圆弧半径R2为13mm，主推力侧裙部内侧面半径R3为18mm，副推力侧裙部内侧面半径R4为15mm，销座内侧面上部曲面的曲率半径R5为54mm，凹坑倒圆半径R6为2mm，主、副推力侧面窗壁加强筋的纵向半径R7为46mm，R8为主、副推力侧面窗壁加强筋下部边缘倒圆角半径2.0mm。
主推力侧面窗壁壁厚a1为3.3mm，副推力侧面窗壁壁厚a2为2.8mm，主推力侧面窗壁加强筋壁厚a3为5.2mm，副推力侧面窗壁加强筋壁厚a4为3.9mm，主推力侧裙部壁厚a5为2.4mm，副推力侧裙部壁厚a6为2.3mm，同侧主、副推力侧面窗壁圆心偏距b为7mm，主、副推力侧面窗壁加强筋高度h为9mm。
实施例五，一种发动机，所述发动机包括实施例一至实施例四任一项所述的轻量化活塞。
实施例六，一种汽车，所述汽车包括实施例五所述的的发动机。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种轻量化活塞，包括活塞头部(1)、主推力侧裙部(2)和副推力侧裙部(3)，所述主、副推力侧裙部间通过两侧的活塞面窗部(4)连接，在所述活塞面窗部(4)上设置销座(5)，其特征在于：
所述活塞面窗部(4)上端与活塞头部(1)间形成多个减重凹坑(6)，所述减重凹坑(6)由活塞头部内侧面(61)、面窗壁外侧面(62)以及过渡连接活塞头部内侧面(61)与面窗壁外侧面(62)上部的凹坑倒圆(63)所构成；
所述销座(5)内侧面纵向截面呈下降楔形，销座(5)内侧面上部横向截面呈开口相反的“双曲线”形；
所述主推力侧裙部(2)和副推力侧裙部(3)为非对称结构，两侧的活塞面窗部(4)沿前后方向对称设置，单侧的活塞面窗部(4)包括与主推力侧裙部(2)连接的主推力侧面窗壁(41)和与副推力侧裙部(3)连接的副推力侧面窗壁(42)，同侧主推力侧面窗壁(41)和副推力侧面窗壁(42)横截面为共圆的两段弧形，该弧形半径为90～100mm，圆心偏向主推力侧，偏距b为4～8mm；
所述活塞面窗部(4)内侧面与主推力侧裙部(2)和副推力侧裙部(3)内侧面通过半径为13～15mm的过渡圆弧(9)平滑过渡，所述活塞面窗部(4)外侧面延伸至与主推力侧裙部(2)和副推力侧裙部(3)外侧面相交。
2.根据权利要求1所述的轻量化活塞，其特征在于：所述主推力侧面窗壁(41)为等壁厚的直平面，壁厚为3.0～3.4mm，主推力侧面窗壁所在平面与竖直方向的夹角α2为25～30°；
所述副推力侧面窗壁(42)为等壁厚的直平面，壁厚为2.6～3.0mm，副推力侧面窗壁所在平面与竖直方向的夹角α2为25～30°。
3.根据权利要求1或2所述的轻量化活塞，其特征在于：所述销座(5)内侧面上部为曲率半径为52～55mm的圆弧曲面，销座内侧面下部与竖直面夹角α1为10～15°。
4.根据权利要求1或2所述的轻量化活塞，其特征在于：所述活塞头部内侧面(61)为旋转曲面，旋转轴线为活塞轴线，其母线与面窗壁外侧面(62)夹角为3～5°，所述凹坑倒圆(63)半径为2～3mm。
5.根据权利要求1或2所述的轻量化活塞，其特征在于：所述主推力侧裙部内侧面半径为16～18mm，壁厚为2.3～2.7mm，所述副推力侧裙部内侧面半径为14～16mm，壁厚为2.1～2.3mm。
6.根据权利要求1或2所述的轻量化活塞，其特征在于：所述主推力侧面窗壁(41)下部设有壁厚为5.0～5.4mm的主推力侧面窗壁加强筋(7)；
所述副推力侧面窗壁(42)下部设有壁厚为3.6～4.0mm的副推力侧面窗壁加强筋(8)；
所述主推力侧面窗壁加强筋(7)和副推力侧面窗壁加强筋(8)在前后方向上的投影呈半径为40～50mm的弧形，高度为8～10mm，所述弧形开口朝下。
7.根据权利要求1或2所述的轻量化活塞，其特征在于：所述主推力侧面窗壁加强筋(7)和副推力侧面窗壁加强筋(8)下部边缘设有倒圆角。
8.一种发动机，其特征在于：所述发动机包括如权利要求1～7任一项所述的轻量化活塞。
9.一种汽车，其特征在于，所述汽车包括如权利要求8所述的发动机。
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