CN111836983B - 用于内燃发动机的活塞 - Google Patents

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Abstract

一种用于内燃发动机的活塞，其具有箱壁(18)，所述箱壁各自形成在裙壁(12)与轴头销凸台(10)之间，并且所述活塞的特征在于，至少下边缘上和至少内侧上的推力侧上的至少一个箱壁(18)，在第一部分(20)中从所述轴头销凸台(10)开始大体笔直且向外倾斜地延伸、然后向内弯曲地延伸，且然后在第二部分(16)中大体笔直且向内倾斜地延伸到所述裙壁(12)。

Description

用于内燃发动机的活塞
技术领域
本发明涉及一种用于内燃发动机的活塞。
内燃发动机的活塞首先具有沿直径相对的裙壁(skirt wall)，这些裙壁是汽缸套表面(cylinder jacket surface)的一部分，这些汽缸套表面在运行期间沿着汽缸孔(cylinder bore)或插入其中的汽缸衬(cylinder liner)滑动。在沿活塞冲程(stroke)轴线的方向观察的内部区域中，还设置有轴头销凸台(gudgeon pin boss)，这些轴头销凸台用于接收轴头销，通过该轴头销，活塞连接至连接杆。裙壁与轴头销凸台之间的连接件(connection)称为裙连接件、连接壁或箱壁(box wall)。通常，设置四个这样的箱壁，两个用于连接推力侧(thrust side)上的裙壁，而两个用于连接反推力侧(counter-thrustside)上的裙壁。
特别地，推力侧箱壁承受高的机械负荷，因为在工作冲程期间，由于活塞顶上的气体压力和连接杆的倾斜位置，将推力侧裙壁压靠汽缸壁的水平侧向力起作用。该侧向力通过箱壁从轴头销凸台传递到裙壁上。这导致在内侧上、即箱壁的朝向活塞冲程轴线的侧面上的高压缩应力。
此外，必须要考虑所谓的接触面的变化，即如果在上止点(upper dead center)处，侧向力从反推力侧向推力侧变化。就此而言，汽缸孔与活塞的裙壁之间的接触也从反推力侧向推力侧变化。同样在接触面的这种变化的过程中，裙壁的内侧上，特别是在下边缘、也就是所谓的开放裙端上，出现了高压缩应力。强度不足可能会导致开放裙端处的开裂，这是火花点火发动机用活塞中最常见的损坏类型之一。
背景技术
为了克服这种情况，例如从DE 10 2009 032 379 A1中已知，特别是在内侧上以大体笔直的方式形成裙连接件，并且当从下面观察时，使这些裙连接件从轴头销凸台开始向内倾斜。换句话说，箱壁到与轴头销轴线垂直的假想平面的距离从轴头销凸台开始减小。从DE 10 2012 203 570 A1中已知类似的构造。
然而，在构造裙连接件时，必须遵守进一步的约束条件，特别是轴头销的长度和油喷嘴的位置，该油喷嘴用于将冷却油喷射到冷却管道中或活塞的下侧上。特别地，上述箱壁的向内倾斜的、笔直的路线(course)将导致轴头销凸台离外部相对较远，这增加了轴头重量并需要轴头销的适配。例如，根据DE 10 2013 214 738 A1、DE 41 09 160 A1、US 6,279,456 B1和JP 56-40706 B2，通过整体弯曲的裙连接件解决了该矛盾。这的确在无需向外转移(shift)轴头销凸台的情况下为冷却油喷嘴创造了空间，但是这种构造对于强度而言是不利的。
最后，DE 10 2009 045 437 A1公开了一种活塞，该活塞具有未更详细描述的连接壁，这些连接壁具有用于冷却油喷嘴的切口。
发明内容
在这种背景下，本发明的目的是创造一种活塞，该活塞在对于冷却油喷嘴的位置和/或轴头销凸台的位置的设计强度和灵活性的结合方面得到了优化。
该目的的解决方案由根据本发明的实施方案中的活塞提供。
因此，所述活塞在至少下边缘上和至少内侧上的推力侧上具有至少一个箱壁，该箱壁在第一部分中从轴头销凸台开始大体笔直且向外倾斜地延伸、然后向内弯曲地延伸，且然后在第二部分中大体笔直且向内倾斜地延伸到裙壁。换句话说，当沿活塞冲程轴线从下方观察时，从轴头销凸台开始，箱壁的内侧到与轴头销凸台垂直的假想平面的距离增大，该假想平面最初包含活塞冲程轴线。这通过相对较短的弯曲部分结合，该弯曲部分以切向恒定的方式将所述第一部分连接至向内倾斜延伸的第二部分，使得到上述平面的距离减小。由此，在最后提到的区域中，可以采用从强度角度来看理想的构造，这导致分布非常均匀(uniformly)且均一(homogeneously)的压缩应力，使得大大地降低了开裂的风险。仅在所述弯曲部分的区域中发生了轻微的局部应力集中。此外，从轴头销凸台开始向外倾斜的笔直的第一部分提供了冷却油喷嘴所必需的空间，而无需以不利的方式向外移动轴头销凸台。
关于强度，可以确定的是，与笔直的、非倾斜的裙连接件相比，通过本申请的裙连接件，可以获得到油喷嘴的相同距离，具有根据本发明的构造的强度大了约16％。与整体弯曲的裙连接件的构造相比，进一步得到了提高的强度。同时，可以采用现有的制造方法，并且活塞重量、以及决定摩擦损耗和噪音的裙灵活性不会受到不利影响。
本申请还描述了根据本发明的活塞的优选发展(development)。
在第一模拟中，事实证明，如果第一部分相对于与活塞轴线垂直的平面的倾角(inclination)小于第二部分相对于与活塞轴线垂直的平面的倾角，则可以特别好地满足上述要求。
特别地，对于第一部分向外的倾角，目前优选的是，与垂直于轴头销轴线的假想平面的角度小于15°，特别是小于13°，并且特别优选地约为9°。
特别地，关于强度，第二部分相对于与轴头销轴线垂直的平面的倾角在10°到25°的范围内、特别是15°到20°的范围内、并且特别优选地为约18°，预期有好的结果。
如果第二部分被形成为比第一部分长，特别是2.0到3.0倍长，并且特别优选地2.3到2.7倍长，并且特别是约2.5倍长，则进一步特别好地满足要求。在这种情况下，位于考虑之下的箱壁的侧面上的轴头销孔的内面的、投影到与活塞轴线垂直的平面上的边缘线，被认为是第一部分的开始。第一部分的端部由该弯曲部分的开始形成。第二部分从弯曲部分的端部延伸，直到裙壁的外表面。
为了保持不可避免的应力峰值特别低，优选第一部分和第二部分之间的弯曲部分比第一部分短得多。特别地，对于弯曲部分的弧长小于第一部分的长度的75％，特别是小于第一部分的长度的65％，并且特别优选地为第一部分的长度的约64％的构造，预期有好的结果。
尽管这对实现根据本发明的优点影响很小，但是优选的是，至少一个箱壁的外侧，可选地除了到裙壁的连接件的区域中的加宽部分之外，被构造为对应于内侧，换句话说，具有基本恒定的厚度，和/或同样地具有两个上述大体笔直的部分且其间具有相对较短的弯曲部分。如所提及的，内侧和外侧上的所述构造至少适用于推力侧上的至少一个、优选两个裙壁的下边缘。裙壁可以在其进一步的路线中沿活塞冲程轴线的方向被相应地构造，并且特别是至少部分地与活塞冲程轴线大体平行地延伸。
从上面已经清楚地看出，根据本发明的活塞与设置在发动机的活塞壳体中的冷却油喷嘴结合显示出了特别的优点，所以优选的是，活塞具有至少一个冷却管道，尽管同样可以想到的是，冷却油喷嘴不向冷却管道供应冷却油，而仅向活塞的下侧供应冷却油。
此外，根据本发明的活塞优选地用作火花点火发动机用活塞。
附图说明
下面将参照图1中示出的实施方案更详细地讨论本发明。
该图1示出了带有冷却油喷嘴的根据本发明的活塞的局部仰视图。
具体实施方式
在图1中，以仰视图示出了根据本发明的活塞的约“四分之一”，该活塞具有轴头销凸台10和推力侧裙壁12。此外，示出了冷却油喷嘴14。16标记了一条线，该线对于轴头销凸台10与裙壁12之间的连接或箱壁18中的均一应力分布而言是最佳的。然而，如特别是通过图中线16朝向左侧直到轴头销凸台10的假想延长线所能够认识到的，当为冷却油喷嘴14创造足够的空间时，这将会使轴头销凸台向外、即在图中向下移动相对较远，这对于必要的轴头销长度和活塞重量而言将是不利的。
根据本发明，考虑的是，根据线20的箱壁在第一部分大体以笔直的方式延伸，并且至少轻微向外地倾斜。这意味着，箱壁不与轴头销轴线(在图中从顶部延伸到底部)垂直地延伸，而是箱壁到与轴头销轴线垂直的平面的距离增加，该距离可认为是在图中从左侧延伸到右侧，线20移动背离轴头销凸台10更远，并靠近裙壁12。在这种情况下，如上所述，对于线20相对于线16的优选尺寸比例而言，线20在标记为线22的、轴头销凸台10的内面的投影处开始。
结合在图1中、特别是在箱壁18的内侧上可以看到的相对较短的弯曲且切向恒定的过渡，箱壁对应于“理想”线16向内倾斜地延伸，使得随着箱壁在裙壁12的方向上的路线，箱壁到与活塞轴线垂直的平面的距离减小。因此，弯曲部分的端部与裙壁12之间的线16的区域形成上述的第二部分，并且标记的线20形成第一部分。
此外，可以在图1中看出上述的措施(measure)，根据该措施，第一部分20的倾角小于第二部分16的倾角，并且弯曲部分的弧长大大地短于第一部分20，并且第一部分20大大地短于第二部分16。应提及的是，具有两个所述大体笔直的部分以及其间的弯曲部分的连接壁的形状也可以被称为“回旋镖(boomerang)”。此外，在图1中可以看出，连接或箱壁18的外侧(在图中的底部处)与内侧上的路线大体重合，加宽部分22设置在到裙壁12的连接件的区域中。

Claims (13)

1.一种用于内燃发动机的活塞，所述活塞具有箱壁(18)，所述箱壁各自形成在裙壁(12)与轴头销凸台(10)之间，所述活塞的特征在于，至少下边缘上和至少内侧上的推力侧上的至少一个箱壁(18)，在第一部分(20)中从所述轴头销凸台(10)开始大体笔直且向外倾斜地延伸、然后向内弯曲地延伸，且然后在第二部分(16)中大体笔直且向内倾斜地延伸到所述裙壁(12)，所述第二部分(16)比所述第一部分(20)长，并且在所述第一部分与所述第二部分之间的弯曲部分比所述第一部分(20)短；
所述第一部分(20)相对于与轴头销轴线垂直的平面的倾角小于所述第二部分(16)相对于与所述轴头销轴线垂直的平面的倾角，并且所述第二部分(16)为所述第一部分(20)的2.0至3.0倍长。
2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述第一部分(20)相对于与轴头销轴线垂直的平面的倾角小于15°。
3.根据权利要求2所述的活塞，其特征在于，所述第一部分(20)相对于与所述轴头销轴线垂直的平面的倾角小于13°。
4.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述第二部分(16)相对于与轴头销轴线垂直的平面的倾角为10°至25°。
5.根据权利要求4所述的活塞，其特征在于，所述第二部分(16)相对于与所述轴头销轴线垂直的平面的倾角为15°至20°。
6.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述第二部分(16)为所述第一部分(20)的2.3至2.7倍长。
7.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述弯曲部分具有小于所述第一部分(20)的长度的75％的弧长。
8.根据权利要求7所述的活塞，其特征在于，所述弯曲部分具有小于所述第一部分(20)的长度的65％的弧长。
9.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，至少一个箱壁的外侧，除了到所述裙壁(12)的连接件的区域中的加宽部分(22)之外，相应地延伸到内侧。
10.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述活塞具有冷却管道。
11.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述活塞是火花点火发动机用活塞。
12.一种根据权利要求1-11中任一项所述的活塞与冷却油喷嘴(14)的组合，所述冷却油喷嘴(14)设置在所述第二部分(16)的区域中。
13.根据权利要求12所述的活塞与冷却油喷嘴(14)的组合，所述冷却油喷嘴(14)设置在在所述第二部分(16)的路线中的中间区域中。
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