CN112867882A - 用于内燃发动机的活塞及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于内燃发动机的活塞(100)，具有：两个活塞销座(120)，其设计用于容纳活塞销且具有基本恒定的横截面，其中该活塞是基本呈圆柱形的，并且其中该活塞的参考平面垂直于圆柱体的轴线(70)，其中该活塞销座(120)的中心线(g₁,g₂)相对于该参考平面倾斜。

Description

用于内燃发动机的活塞及其制造方法

技术领域

本发明涉及用于内燃发动机(即柴油发动机或汽油发动机)的活塞及其制造方法。它还涉及用于制造这种活塞的装置。

背景技术

用于汽油发动机和柴油发动机的活塞一般具备在活塞销座内的异型孔以避免由点火压力和活塞弯曲造成的活塞销座顶侧的内边缘的过度载荷。活塞销座的下部分承受离心力。为了减轻重量和为了使用锥形连杆，一般采用截断成锥形的销座，即，下侧销座长度比上侧销座长度短(在此，下侧是指远离活塞顶的一侧，而上侧是指向活塞顶的一侧)。

在现有技术中，活塞销座以连贯孔的形式实现以确保两个销座侧的同轴性。相应的异型孔通过车削加工实现，其中在传统车床情况下，下销座形状必须对应于上销座形状，即，销座面通过轮廓曲线绕孔轴线的转动来构成，并且垂直于孔轴线的切割产生具有通过轮廓曲线限定的半径的圆形。因为活塞热变形，在工作灼热状态下的两个销座的中心轴线分别朝向活塞顶转动，由此，下活塞销座的热轮廓截然不同于上活塞销座的热轮廓。因为活塞销座的设计主要出于强度考虑在点火压力载荷下执行，故下活塞销座可以在离心力载荷下具有在边缘处的危险载荷，就像本发明人已经确定的那样。这是要避免的。

已知现有技术

现有技术的例子是DE102005020501A1、WO2007/115527A1、DE10137437A1、WO2007/025733A1、DE102009056920A1、DE102009036784A1和WO2005/078321A1。

通过采用具有磁性主轴的特殊的精密车床，能依据所述角度可变地限定所述偏转。由此一来，原则上可以加工非旋转对称的异型孔，由此可以使上销座形状和下销座形状彼此无关。相应的制造方法例如在WO2007/025733A1中有所描述。利用该技术，可以根据需要来形成在水平方向和竖向上的特定椭圆性，而在周向上采用在上销座部分形状和下销座部分的形状之间的合适的叠化功能。JP2018-119444A公开了落入权利要求1的前序部分中的特征。

发明内容

发明人注意到，在现有技术的方法中出现热膨胀的仅不充分补偿。这导致在工作状态下在销座底侧处的要避免或要降低的更高侧面载荷。

本发明的目的是减少所述缺点。

本发明通过权利要求1的主题来实现。在从属权利要求中限定了优选实施方式。本发明还由方法权利要求和装置权利要求来限定。

根据本发明，用于内燃发动机的活塞具有两个活塞销座。这种活塞可以是用于柴油发动机的活塞，但也可以是用于汽油发动机的活塞。活塞销座是活塞的如下部分，其设计用于容纳活塞销且在使用这种活塞时将活塞连接至连杆。该活塞销座具有基本恒定的横截面。它是指该活塞销座在容纳活塞销的部分中具有如下横截面，该横截面在活塞销座方向上没有明显扩宽或缩窄或以任何其它方式改变。基本恒定的横截面不必延伸穿过整个活塞销座，所述基本恒定的横截面仅延伸经过如下区域就行了，即，在使用活塞时借助该区域容纳和保持活塞销。

根据本发明，这种活塞基本呈圆柱形并且具有沿圆柱轴线延伸的轴线。垂直于该轴线的平面被定义为活塞的参考平面。

根据本发明，活塞销座的中心线关于参考平面倾斜。在此情况下，活塞销座的中心线是指由活塞销座的如下部分限定的线，该部分具有基本恒定的横截面。这些中心线分别延伸经过该横截面的面重心。该中心线最好如此倾斜，当人们从活塞外侧沿活塞销座运动向活塞内侧时，该活塞销座远离活塞顶地倾斜。

发明人注意到，通过活塞销座中心线的相应倾斜，在下活塞销座内的在运行灼热状态下在离心力下作用的应力可被减小。在此情况下，活塞销座的指向上游的即指向活塞顶的倾斜因为热膨胀被完全或部分补偿。

特别优选的是活塞销座中心线的关于参考平面的倾斜角度α在0.02°至1°范围内，尤其优选在0.02°至0.5°范围内。模拟已表明该角度范围很合格。

本发明被考虑用于所有类型的活塞，即不仅用于汽油发动机活塞、也用于柴油发动机活塞。主要应用是几乎总是由铝合金构成的汽油发动机活塞。实际上，也可以应用于一般由钢或铝合金构成的柴油发动机活塞。

还优选的是两个活塞销座的两条中心线与参考平面包夹出相同角度α。

还优选的是，两个活塞销座的中心线关于如下平面是相互镜像对称的，该平面包含所述活塞的轴线。所述平面例如是如下平面，其在两个活塞销座之间居中延伸并且垂直于两个活塞销座。

可选地，该活塞销座的横截面具有椭圆形轮廓。借助这种椭圆形轮廓可减小出现在活塞中的应力，这对于活塞的磨损特性是有利的。

用算术表达地，在一个坐标系KS₀中如下限定根据本发明的用于内燃发动机的活塞：

轴z₀对应于外接活塞的圆柱体的轴线并且指向活塞顶。轴x₀指向压力侧，轴y₀指向前侧。销平面被限定，其平行于y₀z₀平面以尺度d、即销错位在x₀方向上被移动。x₀y₀平面被称为环圈平面(销座平面)，x₀z₀平面被称为运行平面。

在销平面与环圈平面之间的相交直线在传统活塞中限定活塞销座的轴线。在所述直线上限定两个点A和B，它们分别以一半的销长度与运行平面间隔。所述点表示活塞销座的终点和用于锁止环的槽的起点。

不同于现有技术，提出一种活塞，在此，活塞销座的两个孔未处于连贯的水平轴线AB上，而是由两个相对于环圈平面以相同角度α倾斜的轴线限定。所述轴线延伸经过点A和B并且在另一个点C相交，其因为对称性而位于运动平面内。在两个轴上分别限定一个圆柱形坐标系KS₁、KS₂，其中，z轴从A或B指向C，r轴位于销平面内且指向活塞顶。

引入合适的孔轴线的动机来自在工作灼热状态下的热膨胀的完全补偿或部分补偿，因此热活塞销座的两个孔轴线是基本同轴的，由此可以排除在下活塞销座处的边缘载荷的缺点。

为了实现销孔的精细轮廓，异型孔按照间隔[0,L_B]被限定，其中，L_B限定销孔的长度。异型孔从两个销孔A、B的起点起延伸向C并且以轴向偏转的连续凸形函数f的形式分别限定局部径向扩展R：

R₁＝f(z₁),R₂＝f(z₁), (1)

在此情况下，z₁和z₂限定沿各自销座轴线的各自位置。R表示各自销座表面距线A-C或B-C的距离。

异型孔R₁(z₁)和R₂(z₂)是按照间隔[0,L_B]的凸型函数，因此对于所有的u,v∈[0,L_B]和t∈[0,1]适用的是：

R(tu+(1-t)v)≤tR(u)+(1-t)R(v) (2)

作为在合适的坐标系中的旋转对称孔的扩展，在水平方向中引入椭圆度a(z)，其中，a(z)说明直径增大：

这意味着，水平方向上的直径为2*R(z)+a(z)，而竖向上存在直径2*R(z)。

同样地，引入竖向的椭圆度：

另外，可通过傅里叶列的定义来描述在合适的坐标系内的通用椭圆度：

根据本发明，也提供一种根据权利要求9的活塞制造方法。借助这样的方法可以制造根据前述权利要求中任一项的活塞。

在此情况下，根据本发明，将一个活塞坯安置在转盘上。这种活塞坯是应该由此制造成品活塞的物体。活塞坯从坯的一侧(成品活塞的周面侧)来加工(如通过车削加工)，以形成两个活塞销座中的一个。接着，使活塞坯绕待制造活塞的轴线转动(一般转动180°)。接着，它在第二位置上被从外向内减材加工以形成两个活塞销座中的第二个。因为人们因此只需设置唯一的装置用于减材加工活塞坯，故可以更容易实现这种方法。

或者也可行的是将活塞坯安置在平台上，平台可绕枢转轴线枢转，该枢转轴线垂直于待制造活塞的轴线和在成品活塞中连接两个活塞销座的直线。现在，在减材加工的第一步骤中形成第一和第二活塞销座，为此该活塞坯绕该枢转轴线以角度α转动。减材加工基本沿下述方向延伸，该方向沿着在成品活塞中连接两个活塞销座的直线延伸。一旦该工具已到达活塞中心轴线，就使活塞绕平台的枢转轴线以角度-2α返回枢转。随后是活塞坯的减材加工以形成两个活塞销座中的第二个活塞销座。减材加工同样基本沿着该方向进行(在第一步骤期间在该方向上完成了减材加工)。即，减材的方向除了角度α外在第一活塞销座制造和第二活塞销座制造之间无区别。这样的方法易实现，但在这里需要相应的“长形”工具用于减材加工。所述枢转以角度±α进行，即以关于参考平面的活塞销座倾斜角度进行。

本发明的另一个制造方法包括将活塞坯安置在平台上。而该平台可沿着待制造活塞的轴线移动。接着，该活塞坯朝向一个垂直于待制造活塞的轴线的方向被减材加工，以形成两个活塞销座中的一个活塞销座。与此同时，沿待制造活塞的轴线移动该活塞坯以形成第一活塞销座。通过沿活塞轴线的移动运动与垂直于活塞轴线的减材加工的组合，总体上得到活塞销座的倾斜取向，就像在此要求保护的那样。一旦该工具已到达活塞中心轴线，就维持工具的移动方向，但掉转活塞坯的移动方向，由此形成第二活塞销座。

也通过一种被设计用于执行根据权利要求9至11中任一项所述的方法的装置来实现本发明。

附图说明

图1以总视图示出本发明的活塞。

图2以截面图示出本发明的活塞。

图3以另一截面图示出图2的活塞。

图4示出处于工作状态的现有技术的活塞，其具有温度区和升高示出的热变形。

图5示出根据现有技术的活塞的热间隙。

图6和图7示出在冷态(图6)和工作状态(图7)下的根据本发明的第一活塞的上、下异型孔，分别减去了冷间隙或热间隙。

图8和图9示出在冷态(图8)和工作状态(图9)下的根据本发明的第二活塞的上、下异型孔，分别减去了冷间隙或热间隙。

图10示出用于根据本发明第一实施方式的活塞的第一制造方法。

图11示出用于根据本发明一个实施方式的活塞的第二制造方法。

图12示出用于制造根据本发明的一个实施方式的活塞的方法的第三实施方式。

具体实施方式

图1示出根据本发明的活塞的总视图。该活塞也在图2和图3的截面图中被示出。

活塞100具有活塞顶110，其在使用中形成燃烧室的下边界。该活塞一般具有能容纳活塞环的环形槽。设计用于容纳活塞销(未示出)的两个活塞销座120位于下方(即更远离活塞顶110)。

如能在图2中看到地，所述活塞销座在其径向端分别具有槽130，槽用于容纳将活塞销保持在活塞销座120内的锁止环。

在图3中示出活塞销座将如何关于水平面枢转。“经典”的活塞销座沿将点A和B相连的直线延伸。点A和点B表示在如下点处的活塞销座横截面中心点，用于锁止环的槽的内侧边缘处于所述点处。根据本发明，每个单独活塞销座关于该线向下倾斜，就像由线g₁和g₂所示出的那样。它们从点A或B延伸经过点C，点C在A与B之间连线的下方。活塞销座的这种设计可以通过分别以旋转对称的异型孔的传统精细加工来执行。倾斜角度α一般显著小于1°。

因为倾斜角度小、朝向销座内侧扩展的异型孔和在销和销座之间的间隙，还可以安装所述销，尽管销座的轴线不再像现有技术中常见的那样同轴布置。

参照图4至图5，这种设计的优点变得一清二楚。在此情况下，图4示出(极度夸大画出，夸大系数50)根据现有技术的具有处于工作状态的水平活塞销座的活塞的有限元模拟。

如从活塞变形中清楚看到地，在装入圆柱形直销时尤其在活塞销座的下侧区域处的内侧面上出现应力。这也从图5中看清。上实线表示沿销轴线的活塞销座的顶侧变形，而基本沿X轴线水平延伸的下实线表示活塞销顶侧。上虚线表示基本平行于销顶侧延伸的活塞销底侧，而下虚线表示活塞销座的下侧。能清楚看到的是，活塞销座和活塞销具有不同的走向，故出现源于不同形状的应力。

图6和图7示出了本发明至少部分补偿该作用，这些图示出了在本发明活塞的冷态(图6)下和在工作状态(图7)下的活塞销座的轮廓。工作状态是指在采用这种活塞时出现在发动机内的温度。在此情况下，活塞销座以α＝0.114°的角度对称倾斜。图6中的上实线示出活塞销座的顶侧，下实线示出活塞销座的底侧。虚线表示销座轴线。图7示出其在工作状态下的状况，即处于在工作状态中出现的温度。能清楚看到尤其是所述轴线在工作状态下平行于X轴线延伸，因而避免应力。

图8和图9基本上示出图6和图7的相同内容，但在这里选择了不同的0.057°倾斜角度。在此情况下也出现较小的夹紧。

图10至图12示意性示出用于本发明活塞的制造方法。图10示出了活塞坯150安置在(未示出)转盘上。借助减材工具的倾斜的进给运动V制造活塞销座120'。在形成活塞销座120'之后，使所述活塞坯150转动180°(转动D)。接着，借助相同的减材加工V制造第二活塞销座。

图11示出本发明的第二实施方式。在此情况下，活塞坯160被安置在可枢转的平台(未示出)上。该平台首先以倾转角度α被倾转并且通过减材加工V制造活塞销座120'。在形成第一活塞销座120'之后，活塞被向回倾转一个倾转角度-2α(倾转运动K)。接着，制造第二活塞销座120”。

图12示出根据本发明的用于制造活塞的第三方法。在这里，活塞坯160被安置在未示出的平台上并借助减材加工V形成活塞销座120'，同时沿移动方向F移动该活塞坯。减材加工在此完全水平进行。接着还沿着相同的减材方向V减材加工该活塞以制成第二活塞销座120”。对此仅掉转移动方向F。

Claims (11)

1.一种用于内燃发动机的活塞(100)，所述活塞(100)具有：

两个活塞销座，所述活塞销座带有被设计用于容纳活塞销的销孔(120)，其中，所述活塞基本呈圆柱形，并且其中，所述活塞的参考平面垂直于所述圆柱体的轴线(z₀)，其中，所述销孔(120)的中心线(g₁，g₂)相对于所述参考平面倾斜，其特征在于，两个销孔的所述中心线(g₁，g₂)与所述参考平面包夹出相同角度α，并且关于包含所述圆柱体的轴线的平面是镜像对称的。

2.根据权利要求1所述的用于内燃发动机的活塞(100)，其中，所述销孔(120)的所述中心线(g₁，g₂)的倾斜角度α在0.02°至1°范围内，优选在0.02°至0.5°范围内。

3.根据前述权利要求中任一项所述的活塞(100)，其中，所述活塞销座的所述销孔(120)是通过以下公式来描述的异型孔：

R₁＝f(z₁)，R₂＝f(z₁)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的活塞(100)，其中，所述销孔(120)的横截面具有椭圆形轮廓。

5.根据权利要求4所述的活塞(100)，其中，所述销孔(120)所具有的轮廓通过以下公式来描述：

6.根据权利要求4所述的活塞(100)，其中，所述销孔(120)所具有的轮廓通过以下公式来描述：

7.根据权利要求3所述的活塞(100)，其中，所述销孔(120)所具有的轮廓通过以下公式来描述：

8.一种用于根据前述权利要求中任一项所述的活塞的制造方法，所述方法具有以下步骤：

将活塞坯(150)安置在转盘上，

沿着从待制造活塞的周面侧起向内的方向减材加工(V)所述活塞坯以形成两个销孔中的一个销孔，

使所述活塞坯绕所述待制造活塞的轴线转动(D)，以及

接着，沿着从所述待制造活塞的所述周面侧起向内的方向减材加工所述活塞坯，以形成两个销孔中的第二个销孔。

9.一种用于根据权利要求1至7中任一项所述的活塞的制造方法，所述方法具有以下步骤：

将活塞坯(160)安置在平台上，所述平台能绕枢转轴线枢转，所述枢转轴线垂直于待制造活塞的轴线(70)且垂直于在成品活塞中连接两个销孔的直线，

减材加工(V)所述活塞坯以形成两个销孔(120)中的一个销孔的第一步骤，其中，所述减材加工沿着一个沿在所述成品活塞中连接两个销孔的直线延伸的方向进行，

减材加工所述活塞坯以形成两个销孔中的第二个销孔的第二步骤，其中，所述减材加工沿着在所述第一步骤期间进行减材加工所沿着的方向进行，优选伴随着所述平台在所述减材加工的所述第一步骤和所述第二步骤之间枢转(K)了角度2α。

10.一种用于根据权利要求1至7中任一项所述的活塞的制造方法，所述方法具有以下步骤：

将活塞坯(160)安置在能够沿待制造活塞的轴线(70)进行移动的平台上，

在一个垂直于所述待制造活塞的所述轴线的方向上减材加工(V)所述活塞坯以形成两个销孔中的一个销孔，在此同时，平行于所述待制造活塞的轴线移动(F)所述活塞坯，以形成第一销孔，

随后，在相同的工具移动方向上减材加工所述活塞坯，在此同时，与所述活塞坯的初始移动方向相反地移动(F)所述活塞坯，以形成第二销孔。

11.一种装置，所述装置被设计用于执行根据权利要求8至10中任一项所述的方法。

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