CN117345462A - 一种活塞、发动机及活塞制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及动力设备技术领域，公开一种活塞、发动机及活塞制备方法。该活塞包括：沿轴向远离活塞顶的方向依次设置的第一分段和第二分段，其中，所述第一分段的材料密度大于所述第二分段的材料密度。在上述活塞中，靠近活塞顶的第一分段是承受高爆压的主要部分，第一分段的材料密度较大，以保证可以承受足够大的爆压。第二分段远离高爆压区，第二分段的材料密度较小，相对于第一分段，更加疏松多孔，更容易充分保存机油，增强活塞裙部和缸套接触运动的润滑性，并可以减少活塞裙部和缸套的接触面积，进一步减少摩擦对能量转化的消耗，同时减轻了活塞的重量，减少了活塞运动的惯性损耗。

Description

一种活塞、发动机及活塞制备方法

技术领域

本发明涉及动力设备技术领域，特别涉及一种活塞、发动机及活塞制备方法。

背景技术

在发动机工作中，活塞承接爆压，并将压力通过活塞销、连杆传递到曲轴，最终实现热能到机械能的转化，可以说，活塞是发动机最重要的运动件。活塞在往复运动过程中，其自身重量以及活塞环和裙部与缸套内壁的摩擦都是热能向机械能转化过程中能量衰减最主要的因素。随着发动机的不断发展，发动机转速、爆压、升功率等均有大幅度提升，对活塞的功能提出了更高的要求，而减轻活塞重量和减少活塞及其附件与缸套的摩擦一直是提高发动机性能和热效率的重要手段。

然而，现有活塞中，难以同时满足承受爆压、对活塞减重，以及减小活塞与缸套之间的摩擦。

发明内容

本发明公开了一种活塞、发动机及活塞制备方法，用于同时满足承受爆压、对活塞减重，以及减小活塞与缸套之间的摩擦。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

第一方面，提供一种活塞，该活塞包括：沿轴向远离活塞顶的方向依次设置的第一分段和第二分段，其中，所述第一分段的材料密度大于所述第二分段的材料密度。

在上述活塞中，靠近活塞顶的第一分段是承受高爆压的主要部分，第一分段的材料密度较大，以保证可以承受足够大的爆压。第二分段远离高爆压区，第二分段的材料密度较小，相对于第一分段，更加疏松多孔，更容易充分保存机油，增强活塞裙部和缸套接触运动的润滑性，并可以减少活塞裙部和缸套的接触面积，进一步减少摩擦对能量转化的消耗，同时减轻了活塞的重量，减少了活塞运动的惯性损耗。

可选地，所述活塞具有销孔，所述销孔沿垂直于所述轴向的方向贯穿所述活塞，所述销孔的一条垂直于所述轴向的直径的延长线作为所述第一分段和所述第二分段的分界线。

可选地，所述第一分段和所述第二分段均包括多层结构层，每层所述结构层包括依次间隔设置的多条熔道，每相邻两层所述结构层的熔道交错设置；其中，所述第一分段中的每层结构层中的相邻两条熔道之间的间距大于所述第二分段中的每层结构层中的相邻两条熔道之间的间距。

可选地，沿远离所述活塞顶的方向，所述第一分段的材料密度逐渐减小，所述第二分段的材料密度逐渐减小；或者，所述第一分段中的材料密度均相同，所述第二分段中的材料密度均相同。

可选地，所述第一分段和所述第二分段中的至少一者采用晶格结构，且所述第一分段中的晶格结构的密度大于所述第二分段中的晶格结构的密度。

第二方面，提供一种发动机，该发动机包括上述任一项技术方案所述的活塞。

所述的发动机与上述的活塞相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

第三方面，提供一种活塞制备方法，所述方法包括：

将活塞的数字模型虚拟分割成第一分段和第二分段，所述第一分段和所述第二分段沿轴向远离活塞顶的方向依次设置；

分别对所述第一分段赋予第一增材成型参数，对所述第二分段赋予第二增材成型参数，所述第一增材成型参数中的材料密度大于所述第二增材成型参数中的材料密度；

将所述活塞的数字模型进行模型切片，分别形成多层结构层；

将所述活塞的数字模型导入增材设备，所述增材设备的热源根据所述第一增材成型参数逐层融化金属材料，以依次形成所述第一分段的每层所述结构层，并根据所述第二增材成型参数逐层融化金属材料，以依次形成所述第二分段的每层所述结构层。

所述的方法与上述的活塞相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

可选地，形成所述第一分段的每层所述结构层，以及，形成所述第二分段的每层所述结构层时，所述热源均逐行扫描，以形成多条间隔设置的熔道，多条所述熔道构成一层所述结构层，且每扫描完一层所述结构层，所述热源的扫描方向旋转设定角度继续扫描形成下一层所述结构层，以使每相邻两层所述结构层的熔道交错设置；

并且，所述第一增材成型参数包括在形成所述第一分段的每层所述结构层时相邻两条所述熔道之间的间距，所述第二增材成型参数包括在形成所述第二分段的每层所述结构层时相邻两条所述熔道之间的间距；其中，所述第一增材成型参数对应的熔道之间的间距大于所述第二增材成型参数对应的熔道之间的间距。

可选地，所述设定角度为锐角。

可选地，所述活塞具有沿垂直于所述轴向的方向贯穿所述活塞的销孔，所述方法具体包括：

若先形成所述第一分段、后形成所述第二分段，当所述热源扫描至所述销孔的一条垂直于所述轴向的直径的延长线时，调大所述热源扫描形成的熔道之间的间距；

若先形成所述第二分段、后形成所述第一分段，当所述热源扫描至所述销孔的一条垂直于所述轴向的直径的延长线时，调小所述热源扫描形成的熔道之间的间距。

可选地，所述第一增材成型参数包括在形成所述第一分段的每层所述结构层时所述热源的功率，所述第二增材成型参数包括在形成所述第二分段的每层所述结构层时所述热源的功率；其中，

所述第一增材成型参数对应的功率大于所述第二增材成型参数对应的功率。

可选地，所述第一增材成型参数包括在形成所述第一分段的每层所述结构层时所述热源的扫描速度，所述第二增材成型参数包括在形成所述第二分段的每层所述结构层时所述热源的扫描速度；其中，

所述第一增材成型参数对应的扫描速度小于所述第二增材成型参数对应的扫描速度。

附图说明

图1为本申请实施例提供的活塞的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的活塞制备方法的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1和图2：

本申请实施例提供的活塞包括：沿轴向远离活塞顶T的方向依次设置的第一分段1和第二分段2，其中，第一分段1的材料密度大于第二分段2的材料密度。

在上述活塞中，靠近活塞顶T的第一分段1是承受高爆压的主要部分，第一分段1的材料密度较大，以保证可以承受足够大的爆压。第二分段2远离高爆压区，第二分段2的材料密度较小，相对于第一分段1，更加疏松多孔，更容易充分保存机油，增强活塞裙部和缸套接触运动的润滑性，并可以减少活塞裙部和缸套的接触面积，进一步减少摩擦对能量转化的消耗，同时减轻了活塞的重量，减少了活塞运动的惯性损耗。

在一个具体的实施例中，活塞具有销孔K，销孔K沿垂直于轴向的方向贯穿活塞，销孔K的一条垂直于轴向的直径的延长线作为第一分段1和第二分段2的分界线。

在活塞上下往复运动过程中，活塞销孔K上部和下部受力是不同的，较大的爆发压力从燃烧室传导下来主要由活塞的销孔K的上部承受，并且活塞上行时，销孔K以上的部分承受来自活塞销的较大挤压力，而销孔K的下部只承受曲轴旋转带来的较小的惯性力，因此，在足够支撑活塞销工作的前提下，活塞销孔K下部的材料可进行减少处理。以销孔K的一条垂直于轴向的直径，或者说水平的直径作为第一分段1和第二分段2的分界线，可以更为合理地区分爆压较大的上部以及爆压较小的下部，从而，可以更准确地分布不同密度的材料，既不会过大体积比例采用较大的密度材料导致活塞重量过大且与缸套摩擦较大，也不会因过小的体积采用密度较小的材料，导致第一分段1没有足够的结构强度承受爆压。

在一个具体的实施例中，第一分段1和第二分段2均包括多层结构层a，每层结构层a包括依次间隔设置的多条熔道3，每相邻两层结构层a的熔道3交错设置，以使相邻两层的结构层a的熔道3可以相互搭接，从而逐层打印出整个活塞；其中，第一分段1中的每层结构层a中的相邻两条熔道3之间的间距大于第二分段2中的每层结构层a中的相邻两条熔道3之间的间距，这就使得第一分段1的材料密度比第二分段2的材料密度更大，仅通过熔道3之间的间距即可调节材料密度，材料密度可控性好。

在一个具体的实施例中，沿远离活塞顶T的方向，第一分段1的材料密度逐渐减小，第二分段2的材料密度逐渐减小，第一分段1和第二分段2的材料密度均以渐变的方式变化，这与活塞沿远离活塞顶T的方向承受的爆压逐渐减小的趋势相适应，从而，以较为优化的方式同时兼顾了承受爆压、降低重量以及减小摩擦的需求；或者，第一分段1中的材料密度均相同，第二分段2中的材料密度均相同，如此，也能基本满足第一分段1承受爆压较大，而第二分段2润滑更好以及重量更轻的要求，且制备过程无需频繁调节材料密度，如频繁调节熔道3，具体可以使第一分段1为实心结构，而第二分段2为疏松多孔的结构。

在一个具体的实施例中，第一分段1和第二分段2中的至少一者采用晶格结构，且第一分段1中的晶格结构的密度大于第二分段2中的晶格结构的密度，也可以实现同时兼顾承受爆压、降低重量以及减小摩擦的需求。

基于相同的发明构思，本申请实施例还提供一种发动机，该发动机包括上述实施例提供的活塞。该发动机的有益效果请参考前文对活塞的有关描述。

基于相同的发明构思，本申请实施例还提供一种活塞制备方法，参考图2，该方法包括：

将活塞的数字模型S虚拟分割成第一分段1和第二分段2，第一分段1和第二分段2沿轴向远离活塞顶T的方向依次设置；

分别对第一分段1赋予第一增材成型参数，对第二分段2赋予第二增材成型参数，第一增材成型参数中的材料密度大于第二增材成型参数中的材料密度；一体成型。第一增材成型参数具体可以使用可成型致密材料组织的参数，第二增材成型参数具体可使用成型疏松多孔材料组织的参数；

将活塞的数字模型S进行模型切片，分别形成多层结构层a；增材成型过程是热源4按照设计路径先逐道后逐层熔化金属材料的过程，因此，模型切片可以与该层层成型的特征相适应，以分别对每层结构层a的成型方式进行单独设计；

将活塞的数字模型S导入增材设备，增材设备的热源4根据第一增材成型参数逐层融化金属材料，以依次形成第一分段1的每层结构层a，并根据第二增材成型参数逐层融化金属材料，以依次形成第二分段2的每层结构层a。

在以上方法中，利用增材制造技术，在同一零件(活塞)中有目的控制材料组织分布，根据活塞负载要求实现活塞第二分段2的局部减重，减少了活塞往复运动的惯性损耗，减轻了连杆和曲轴的负荷；以及实现了疏松多孔结构，利用较小的密度疏松多孔结构保存更多机油，实现与缸套的润滑，同时也减少活塞裙部和缸套内壁的接触面积，同时利用多孔结构使裙部表面储存一定机油，减少了活塞往复运动的摩擦损耗。同时第一分段1可以承受较大的爆压。增材制造技术是指基于离散-堆积原理，由零件三维数据直接驱动，通过材料逐渐累加的方法直接制造实体零件的技术。成型第一分段1和第二分段2时，热源4可以都采用相同功率和扫描速度。

借助增材制造技术的优势，根据实际需求，可以不用修改模型，开发模具，直接在原有模型上进行数字虚拟切割，再对不同部分赋予不同增材制造参数，实现改变局部组织结构，减重，储油，减磨的功效。

在一个具体的实施例中，形成第一分段1的每层结构层a，以及，形成第二分段2的每层结构层a时，热源4均逐行扫描，以形成多条间隔设置的熔道3，多条熔道3构成一层结构层a，且每扫描完一层结构层a，热源4的扫描方向旋转设定角度继续扫描形成下一层结构层a，以使每相邻两层结构层a的熔道3交错设置；

并且，第一增材成型参数包括在形成第一分段1的每层结构层a时相邻两条熔道3之间的间距，第二增材成型参数包括在形成第二分段2的每层结构层a时相邻两条熔道3之间的间距，其中，第一增材成型参数对应的熔道3之间的间距大于第二增材成型参数对应的熔道3之间的间距。

当成型疏松组织的第二分段2的时候，采用比致密组织的第一分段更大的热源道道间距(熔道3之间的间距)。热源4以层层错开角度的方式扫描可以使得结构层a和结构层a之间熔道3交错布置，在交错的熔道3的基础上适当加大扫描间距即可实现第二分段2的疏松多孔的组织结构。

在一个具体的实施例中，设定角度为锐角，以便于热源4的扫描方向每次旋转角度均花费较小的时间，同时能够使相邻结构层a的熔道3相互搭接。

在一个具体的实施例中，活塞具有沿垂直于轴向的方向贯穿活塞的销孔K，方法具体包括：

若先形成第一分段1、后形成第二分段2，当热源4扫描至销孔K的一条垂直于轴向的直径的延长线时，调大热源4扫描形成的熔道3之间的间距；

若先形成第二分段2、后形成第一分段1，当热源4扫描至销孔K的一条垂直于轴向的直径的延长线时，调小热源4扫描形成的熔道3之间的间距。

在活塞上下往复运动过程中，活塞销孔K上部和下部受力是不同的，较大的爆发压力从燃烧室传导下来主要由活塞的销孔K的上部承受，而销孔K的下部只承受曲轴旋转带来的较小的惯性力，因此，在足够支撑活塞销工作的前提下，活塞销孔K下部的材料可进行减少处理。以销孔K的一条垂直于轴向的直径，或者说水平的直径作为第一分段1和第二分段2的分界线，可以更为合理地区分爆压较大的上部以及爆压较小的下部，从而，可以更准确地分布不同密度的材料，既不会过大体积比例采用较大的密度材料导致活塞重量过大且与缸套摩擦较大，也不会因过小的体积采用密度较小的材料，导致第一分段1没有足够的结构强度承受爆压。

在一个具体的实施例中，第一增材成型参数包括在形成第一分段1的每层结构层a时热源4的功率，第二增材成型参数包括在形成第二分段2的每层结构层a时热源4的功率；其中，第一增材成型参数对应的功率大于第二增材成型参数对应的功率，从而，在形成第一分段1的每层结构层a时，金属粉熔化较彻底，最终形成的第一分段1的材料密度比第二分段2的材料密度大。

在一个具体的实施例中，第一增材成型参数包括在形成第一分段1的每层结构层a时热源4的扫描速度，第二增材成型参数包括在形成第二分段2的每层结构层a时热源4的扫描速度；其中，第一增材成型参数对应的扫描速度小于第二增材成型参数对应的扫描速度，从而，在形成第一分段1的每层结构层a时，金属粉熔化较彻底，最终形成的第一分段1的材料密度比第二分段2的材料密度大。

其中，热源4可以是激光发射装置。

此外，也可以在形成第一分段1和第二分段2时，分别综合调节热源4的扫描速度、功率、以及熔道之间的间距中的两者或者三者，使最终第一分段1的材料密度大于第二分段2的材料密度。

需要说明的是，也可以采用拓扑优化的方法减少第二分段2的局部材料来实现上述效果，形成的活塞模型通常具有复杂几何结构，利用增材制造技术可以实现制造。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种活塞，其特征在于，包括：沿轴向远离活塞顶的方向依次设置的第一分段和第二分段，其中，所述第一分段的材料密度大于所述第二分段的材料密度。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述活塞具有销孔，所述销孔沿垂直于所述轴向的方向贯穿所述活塞，所述销孔的一条垂直于所述轴向的直径的延长线作为所述第一分段和所述第二分段的分界线。

3.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述第一分段和所述第二分段均包括多层结构层，每层所述结构层包括依次间隔设置的多条熔道，每相邻两层所述结构层的熔道交错设置；其中，

所述第一分段中的每层结构层中的相邻两条熔道之间的间距大于所述第二分段中的每层结构层中的相邻两条熔道之间的间距。

4.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，沿远离所述活塞顶的方向，所述第一分段的材料密度逐渐减小，所述第二分段的材料密度逐渐减小；或者，

所述第一分段中的材料密度均相同，所述第二分段中的材料密度均相同。

5.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述第一分段和所述第二分段中的至少一者采用晶格结构，且所述第一分段中的晶格结构的密度大于所述第二分段中的晶格结构的密度。

6.一种发动机，其特征在于，包括权利要求1至5任一项所述的活塞。

7.一种活塞制备方法，其特征在于，所述方法包括：

将活塞的数字模型虚拟分割成第一分段和第二分段，所述第一分段和所述第二分段沿轴向远离活塞顶的方向依次设置；

分别对所述第一分段赋予第一增材成型参数，对所述第二分段赋予第二增材成型参数，所述第一增材成型参数所形成的材料密度大于所述第二增材成型参数所形成的材料密度；

将所述活塞的数字模型进行模型切片，分别形成多层结构层；

将所述活塞的数字模型导入增材设备，所述增材设备的热源根据所述第一增材成型参数逐层融化金属材料，以依次形成所述第一分段的每层所述结构层，并根据所述第二增材成型参数逐层融化金属材料，以依次形成所述第二分段的每层所述结构层。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，形成所述第一分段的每层所述结构层，以及，形成所述第二分段的每层所述结构层时，所述热源均逐行扫描，以形成多条间隔设置的熔道，多条所述熔道构成一层所述结构层，且每扫描完一层所述结构层，所述热源的扫描方向旋转设定角度继续扫描形成下一层所述结构层，以使每相邻两层所述结构层的熔道交错设置；

并且，所述第一增材成型参数包括在形成所述第一分段的每层所述结构层时相邻两条所述熔道之间的间距，所述第二增材成型参数包括在形成所述第二分段的每层所述结构层时相邻两条所述熔道之间的间距；其中，所述第一增材成型参数对应的熔道之间的间距大于所述第二增材成型参数对应的熔道之间的间距。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述设定角度为锐角。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述活塞具有沿垂直于所述轴向的方向贯穿所述活塞的销孔，所述方法具体包括：

若先形成所述第一分段、后形成所述第二分段，当所述热源扫描至所述销孔的一条垂直于所述轴向的直径的延长线时，调大所述热源扫描形成的熔道之间的间距；

若先形成所述第二分段、后形成所述第一分段，当所述热源扫描至所述销孔的一条垂直于所述轴向的直径的延长线时，调小所述热源扫描形成的熔道之间的间距。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一增材成型参数包括在形成所述第一分段的每层所述结构层时所述热源的功率，所述第二增材成型参数包括在形成所述第二分段的每层所述结构层时所述热源的功率；其中，

所述第一增材成型参数对应的功率大于所述第二增材成型参数对应的功率。

12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一增材成型参数包括在形成所述第一分段的每层所述结构层时所述热源的扫描速度，所述第二增材成型参数包括在形成所述第二分段的每层所述结构层时所述热源的扫描速度；其中，

所述第一增材成型参数对应的扫描速度小于所述第二增材成型参数对应的扫描速度。