內(nèi)燃機(jī)活塞及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機(jī)活塞（10、110、210），該活塞具有活塞主體（11、111、211）和活塞環(huán)部件（12、112、212），其中活塞主體（11、111、211）具有活塞頂（13）的至少一個(gè)內(nèi)部區(qū)域（14）以及活塞裙（16），該活塞裙設(shè)有具有轂孔（17）的銷轂（18），其中活塞環(huán)部件（12、112、212）具有活塞頂（13）的至少一個(gè)外部區(qū)域（21），該外部區(qū)域具有環(huán)繞的活塞頂岸（22）和設(shè)有環(huán)形槽（24）的環(huán)繞的活塞環(huán)部（23）。根據(jù)本發(fā)明設(shè)有，活塞主體（11、111、211）和活塞環(huán)部件（12、112、212）經(jīng)由形成在它們上的相應(yīng)的錐形接合面（32、33、27、28；135、136；232、233、227、228）接合在一起。此外，本發(fā)明還涉及這種活塞的制造方法。
【專利說(shuō)明】?jī)?nèi)燃機(jī)活塞及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機(jī)活塞，該活塞具有活塞主體和活塞環(huán)部件，其中活塞主體具有活塞頂?shù)闹辽僖粋€(gè)內(nèi)部區(qū)域以及活塞裙，該活塞裙設(shè)有具有轂孔的銷轂，其中活塞環(huán)部件具有活塞頂?shù)闹辽僖粋€(gè)外部區(qū)域，該外部區(qū)域具有環(huán)繞的活塞頂岸和設(shè)有環(huán)形槽的環(huán)繞的活塞環(huán)部。此外，本發(fā)明還涉及這種活塞的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]這種活塞以及這種方法已由文獻(xiàn)DE102007005268A1已知。在這種活塞中活塞主體和活塞環(huán)部件的接觸區(qū)域成型為臺(tái)肩形狀的或者形成為卯榫區(qū)域，活塞環(huán)部件不能夠松開(kāi)地附在活塞主體上。以這種方式調(diào)整接合方法所需的公差并且避免兩個(gè)部件發(fā)生錯(cuò)位。
[0003]這種已知的結(jié)構(gòu)和這種已知的方法意味著，僅在活塞主體中設(shè)置一個(gè)燃燒室腔室，因此凹腔邊緣由與活塞主體本身相同的材料構(gòu)成。然而，在現(xiàn)代化的活塞中活塞頂和特別是凹腔邊緣承受高的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷。因此使用能夠相應(yīng)承受負(fù)荷的鋼受到青睞，因此在這種活塞中整個(gè)活塞主體必然需要由這種材料構(gòu)成。這除了意味著高成本，主要是在機(jī)械加工時(shí)在制造活塞主體的過(guò)程中帶來(lái)不利。
[0004]此外，在熱接合方法中(例如在這種方法中優(yōu)選使用焊接方法或釬焊方法時(shí))，因?yàn)椴考诶鋮s過(guò)程中收縮，所以形成很大的固有應(yīng)力。該固有應(yīng)力可以在軸向環(huán)繞的接縫中(就像在這種活塞中設(shè)有的接縫一樣)通過(guò)必然出現(xiàn)的收縮干擾僅僅有限地得到降低。因此需要使用可延展的焊接填料，以避免在接合過(guò)程中出現(xiàn)裂縫。
[0005]特別是在釬焊方法或者現(xiàn)代化的電子束焊接方法中對(duì)待接合的部件的裝配精確度提出高要求。在這些方法中所選擇的、待接合的部件之間的分界面的間隙寬度通常小于
0.1_，經(jīng)常只有0.05mm,因?yàn)槔缭诂F(xiàn)代化的電子束焊接設(shè)備中光束直徑相應(yīng)小。在這種活塞中必須通過(guò)臺(tái)肩的形狀及其位置相互地以多個(gè)工序制造接合面，由此對(duì)單個(gè)的加工步驟提出了非常高的精確度的要求。這種方法非常昂貴并且由此導(dǎo)致制造成本提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]因此本發(fā)明的目的在于，這樣進(jìn)一步擴(kuò)展這種類型的活塞以及這種方法，S卩，在簡(jiǎn)化制造工藝的情況下實(shí)現(xiàn)可變的材料選擇。
[0007]實(shí)現(xiàn)方案在于具有權(quán)利要求1的特征的活塞以及具有權(quán)利要求9的特征的方法。根據(jù)本發(fā)明設(shè)有活塞主體和活塞環(huán)部件經(jīng)由緊靠它們形成的、相應(yīng)的、錐形的接合面接合
在一起。
[0008]因而相應(yīng)的接合面這樣形成在活塞主體和活塞環(huán)部件上，S卩，接合面構(gòu)成錐形設(shè)置的表面。由此可以以特別簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)的方式制造無(wú)縫的或者具有非常小的公差的分界面。
[0009]由于形成為錐形的接合面因而兩個(gè)部件自動(dòng)定中心，也就是說(shuō)，由于施加在活塞主體和活塞環(huán)部件上的軸向力。不需要額外的導(dǎo)向面、導(dǎo)向邊緣或類似部件。[0010]本發(fā)明的另一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)在于，由于根據(jù)本發(fā)明的接合面形狀原則上可以以一個(gè)工序?qū)蓚€(gè)部件接合在一起。
[0011]接合面可以分解成一個(gè)軸向表面向量和一個(gè)徑向表面向量。徑向表面向量使在熱接合方法中可能出現(xiàn)的收縮應(yīng)力通過(guò)部件的自由收縮在軸向方向上毫無(wú)問(wèn)題地得到降低。
[0012]此外，根據(jù)本發(fā)明的活塞以及根據(jù)本發(fā)明的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)活塞主體和活塞環(huán)部件的材料大體上的自由選擇，因?yàn)樾纬蔀殄F形的接合面可以任意地定位在兩個(gè)部件上。特別是可以毫無(wú)問(wèn)題地由能夠相應(yīng)承受負(fù)荷的材料構(gòu)成活塞頂(特別是燃燒室凹腔的凹腔邊緣)的高熱負(fù)荷和/或高機(jī)械負(fù)荷的區(qū)域，然而活塞主體由其他材料制成，該材料例如能夠特別容易和/或特別簡(jiǎn)單地進(jìn)行機(jī)械加工。
[0013]有利的擴(kuò)展方案由從屬權(quán)利要求得出。
[0014]一個(gè)有利的擴(kuò)展方案在于，相應(yīng)的接合面具有不同的錐角并且以接合添加料填充產(chǎn)生的縫隙。如果希望使用接合添加料，則可以以特別簡(jiǎn)單的方法和方式將接合添加料加入到接合面之間。
[0015]在活塞環(huán)部件中可以以已知的方式設(shè)置環(huán)繞的冷卻通道。然而活塞主體和活塞環(huán)部件可以共同構(gòu)成環(huán)繞的冷卻通道，其相對(duì)大的容量特別是給活塞環(huán)部提供特別有效的冷卻。
[0016]活塞主體和/或活塞環(huán)部件可以在冷卻通道端上的接合面末端的區(qū)域中具有局部增厚部。由此至少明顯降低了接合連接部可能出現(xiàn)的切口效應(yīng)。
[0017]當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的活塞的活塞頂具有已知的燃燒室凹腔時(shí)，如果燃燒室凹腔的凹腔邊緣由耐磨材料和/或耐熱材料構(gòu)成，則是有利的。這可以由此特別簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)，即，活塞環(huán)部件由這樣的材料制成并且這樣定位接合面，即，凹腔邊緣是活塞環(huán)部件的一部分以及凹坑底部是活塞主體的一部分。
[0018]如果活塞主體由金屬材料制成以及活塞環(huán)部件由耐磨的鋼材和/或耐熱的鋼材制成，通常是有利的。
[0019]例如粘合、焊接或者釬焊是合適的接合方法。為了利于待接合部件特別是在具有不同的錐角的情況下定中心，在接合過(guò)程中對(duì)活塞環(huán)部件和/或活塞主體施加軸向張力是適宜的。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]下面根據(jù)附圖詳細(xì)闡明本發(fā)明的實(shí)施例。其中以示意性的、未精確按照比例的圖示示出:
[0021]圖1以剖面圖示出了根據(jù)本發(fā)明的活塞的第一實(shí)施方式；
[0022]圖2以剖面圖示出了根據(jù)本發(fā)明的活塞的另一個(gè)實(shí)施方式；
[0023]圖3以剖面圖示出了根據(jù)本發(fā)明的活塞的另一個(gè)實(shí)施方式的局部視圖；
[0024]圖4以剖面圖示出了根據(jù)本發(fā)明的活塞的另一個(gè)實(shí)施方式的另一個(gè)局部視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的活塞10的第一實(shí)施例。活塞10具有活塞主體11和活塞環(huán)部件12。活塞主體11構(gòu)成活塞頂13的內(nèi)部區(qū)域14 ;該內(nèi)部區(qū)域14也是燃燒室凹腔15的底部。在活塞頂13的底側(cè)上以已知的方式連接有活塞裙16，該活塞裙具有設(shè)有轂孔17的銷轂18。活塞主體11例如可以由鋼鐵材料或者輕金屬材料制成。對(duì)此可以使用鑄造材料以及鍛造材料。典型的鑄造材料是例如根據(jù)DIN EN1563的具有球墨的鑄鐵(例如EN-GJS-700-2)、根據(jù)DIN EN10293的鑄鋼或者特殊的鋁硅活塞合金。
[0026]例如根據(jù)DIN EN10267的AFP鋼、根據(jù)DIN EN10083的調(diào)質(zhì)鋼或能夠鍛造的鋁硅合金可以用作鍛造材料。
[0027]活塞環(huán)部件12構(gòu)成活塞頂13的外部區(qū)域21，該外部區(qū)域具有環(huán)繞的活塞頂岸22和具有用于活塞環(huán)(未示出)的環(huán)形槽24的環(huán)繞的活塞環(huán)部23?；钊?3的外部區(qū)域21包括燃燒室凹腔15的凹腔邊緣25。活塞環(huán)部件可以由鑄造材料或者鍛造材料構(gòu)成，或者替代性地由粉末冶金制成的材料構(gòu)成，優(yōu)選由耐磨和/或耐熱的材料構(gòu)成。
[0028]對(duì)此可以根據(jù)需要使用例如根據(jù)DIN EN10083的調(diào)質(zhì)鋼、例如根據(jù)DIN17240或者DIN EN10269的耐熱和耐高溫的鋼、例如根據(jù)DIN EN10095的耐高溫的鋼和鎳合金。
[0029]可以使用例如根據(jù)DIN EN1563的具有球墨的鑄鐵、根據(jù)DIN EN10293的鑄鋼或根據(jù)DIN EN10295的耐高溫的鋼作為鑄鐵材料。
[0030]在與鋁制下部件結(jié)合時(shí)也能夠使用耐高溫的鋁活塞合金。
[0031]此外，活塞環(huán)部件12具有環(huán)繞的凹槽26，該凹槽向活塞頂13的方向大體上平行于活塞環(huán)部23延伸。在活塞環(huán)部23的下面設(shè)置有第一個(gè)環(huán)繞的接合面27以及在凹腔邊緣25的下面設(shè)置有第二個(gè)環(huán)繞的接合面28。結(jié)合面27和28位于共同的錐形表面上。
[0032]活塞主體11具有外部的環(huán)繞的凹處31，該凹處由環(huán)繞的外部接合面32和環(huán)繞的內(nèi)部接合面33限定。環(huán)繞的內(nèi)部接合面33同時(shí)包圍燃燒室凹腔15的內(nèi)部區(qū)域14和底部。外部接合面32和內(nèi)部接合面33同樣位于共同的錐形表面上。
[0033]通過(guò)使相應(yīng)的接合面27和32以及28和33相互對(duì)接，活塞主體11和活塞環(huán)部件12接合成一個(gè)整體，從而得到?jīng)]有裂縫的或公差非常小的分界面。借助于適合的接合方法(特別是粘合、釬焊或焊接)沿著接合面27、32以及28、33將活塞主體11和活塞環(huán)部件12相互緊密地連接在一起。對(duì)此可以將接合面27、32以及28、33以唯一的工序相互連接在一起，例如通過(guò)焊接?；钊h(huán)部件12的凹槽26和活塞主體11的凹處對(duì)此構(gòu)成環(huán)繞的、封閉的冷卻通道34。由于相應(yīng)的接合面27、32以及28、33位于相應(yīng)的錐形表面上這樣的事實(shí)情況，而得到活塞主體11和活塞環(huán)部件12自動(dòng)的定中心。通過(guò)在接合前軸向張緊活塞主體11和活塞環(huán)部件12有助于定中心。
[0034]實(shí)施例:
[0035]通過(guò)經(jīng)控制的冷卻過(guò)程將由38MnVS6鍛造而成的活塞主體11調(diào)整到所需的強(qiáng)度。然后以一個(gè)工序制造接合面32、33，以及將環(huán)繞的凹處31加工完成。
[0036]活塞環(huán)部件12由材料42CrMo4鍛造而成并且通過(guò)調(diào)質(zhì)處理過(guò)程調(diào)整到所希望的強(qiáng)度。以與制造活塞主體相同的方式使用在與凹處相同的錐角的情況下制造接合面27、28。
[0037]預(yù)熱兩個(gè)部件并且通過(guò)軸向力將兩個(gè)部件相互張緊，因此接合面27、32和28、33相互位于中心位置。借助于電子束焊接方法在不使用焊接添加料的情況下從外徑開(kāi)始以一個(gè)工序?qū)⑦@樣相互定位的兩個(gè)分界面相互焊接在一起。
[0038]替代性地可以將兩個(gè)分界面分開(kāi)地、從外徑和燃燒室凹腔15開(kāi)始依次或者同時(shí)通過(guò)電子束焊接方法相互牢固地連接在一起。因此兩個(gè)焊縫根部形成在冷卻通道中。[0039]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的由活塞主體111和活塞環(huán)部件112構(gòu)成的活塞110的另一個(gè)實(shí)施例，其中相同的部件具有相同的附圖標(biāo)記。與圖1中所示的活塞10的僅有的不同之處在于，沒(méi)有設(shè)置冷卻通道。因此，活塞環(huán)部件111具有唯一的錐形接合面135以及活塞環(huán)部件112具有唯一的、對(duì)應(yīng)的錐形接合面136?；钊黧w111和活塞環(huán)部件112借助合適的接合方法(特別是粘合、釬焊或焊接)沿著接合面135、136相互牢固地連接在一起。對(duì)此可以以唯一的工序?qū)⒔雍厦?35、136相互連接在一起，例如通過(guò)焊接。在本實(shí)施例中基于相應(yīng)的接合面135、136位于相應(yīng)的錐形表面上這個(gè)事實(shí)而使得活塞主體111和活塞環(huán)部件112自動(dòng)定中心。接合之前在活塞主體111和活塞環(huán)部件112中進(jìn)行軸向地張緊有助于定中心。必要時(shí)可以在活塞環(huán)部件112中以已知的方式加入環(huán)繞的冷卻通道，如圖2線條部分所示。
[0040]以專業(yè)人員已知的方式根據(jù)活塞主體11、111和活塞環(huán)部件12、112的材料選擇合
適的接合方法。
[0041]在使用釬焊方法時(shí)，由所選擇的方法的工作溫度選擇合適的焊料。
[0042]作為焊接方法提供光束支持的焊接方法，例如激光焊接或電子束焊接。然而也可以使用其他的焊接方法，例如電弧支持的焊接方法，例如WIG或者M(jìn)AG/MIG方法。在本文章中可能需要使用或者必須使用接合添加料。
[0043]如果使用焊接方法時(shí)需要使用焊接添加料，則可以以具有整個(gè)或者部分不同的角的錐形表面設(shè)置活塞環(huán)部件12 ；112的相應(yīng)接合面27、28 ；136和/或活塞主體11 ；111的相應(yīng)接合面32、33;135或者這樣設(shè)置一個(gè)弓形的表面，即，形成大體上楔形的分界面(未示出)。在這樣形成的分界面中可以特別簡(jiǎn)單而有效地接收接合添加料 。特別是在根據(jù)圖1的具有冷卻通道34的活塞10中設(shè)置有從冷卻通道34開(kāi)始向活塞環(huán)部23的方向(經(jīng)由接合面27、32)和向燃燒室凹腔15的方向(經(jīng)由接合面28、33)來(lái)制造接合連接部。如果選擇焊接方法，那么可以將焊接根部相應(yīng)地置于冷卻通道端上。
[0044]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的具有活塞主體211和活塞環(huán)部件212的活塞210的另一個(gè)實(shí)施例?；钊?10與根據(jù)圖1的活塞10相一致，因?yàn)樵摶钊瑯泳哂协h(huán)繞的冷卻通道234?；钊?10的特征在于，活塞主體211和活塞環(huán)部件212在接合面227、232或者228、233的區(qū)域中設(shè)有在冷卻通道端上局部的增厚部237、238。由此至少明顯降低了在接合連接部的區(qū)域中可能出現(xiàn)的切口效應(yīng)。此外該活塞的特征還在于，接合面227和227’位于共同的平面上，該平面以銳角a向活塞軸傾斜地實(shí)施。
[0045]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的活塞的另一個(gè)實(shí)施例，其中接合面227和227’沒(méi)有位于共同的平面上，其中，接合面227與活塞軸300構(gòu)成銳角以及接合面227’和活塞軸構(gòu)成鈍角^。從而能夠使兩個(gè)待連接部件輕松達(dá)到自動(dòng)定中心的效果，其中，根據(jù)傾斜于活塞軸300設(shè)置的接合面227’ a (虛線所示)能夠最佳地達(dá)到定中心效果。根據(jù)接合面設(shè)置227’ b與227相結(jié)合，在使用光束焊接(例如激光焊接或者電子束焊接)時(shí)實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的的最佳解決方案。
【權(quán)利要求】
1.一種內(nèi)燃機(jī)活塞(10、110、210)，所述活塞具有活塞主體(11、111、211)和活塞環(huán)部件(12、112、212)，其中所述活塞主體(11、111、211)具有活塞頂(13)的至少一個(gè)內(nèi)部區(qū)域(14)以及活塞裙(16)，所述活塞裙設(shè)有具有轂孔(17)的銷轂(18)，其中所述活塞環(huán)部件(12、112、212)具有活塞頂(13)的至少一個(gè)外部區(qū)域(21)，所述外部區(qū)域具有環(huán)繞的活塞頂岸(22 )和設(shè)有環(huán)形槽(24 )的環(huán)繞的活塞環(huán)部(23 )，其特征在于，所述活塞主體(11、111、211)和所述活塞環(huán)部件(12、112、212)經(jīng)由形成在它們上的相應(yīng)的錐形接合面(32、33、27、28 ;135、136 ;232、233、227、228)接合在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，相應(yīng)的接合面(32、33、27、28;135、136 ；232、233、227、228)具有整個(gè)或者部分不同的錐角和/或以接合添加料填充產(chǎn)生的縫隙。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的活塞，其特征在于，在活塞環(huán)部件(111)中設(shè)有環(huán)繞的冷卻通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的活塞，其特征在于，所述活塞主體(11、211)和所述活塞環(huán)部件(12、212)共同構(gòu)成環(huán)繞的冷卻通道(34、234)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的活塞，其特征在于，所述活塞主體(211)和/或所述活塞環(huán)部件(212)在冷卻通道端上的、接合面(232、233、227、228)的末端區(qū)域中具有局部增厚部(237、238)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求的任意一項(xiàng)所述的活塞，其特征在于，所述活塞頂(13)具有燃燒室凹腔(15)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的活塞，其特征在于，所述燃燒室凹腔(15)具有由耐磨材料和/或耐熱材料構(gòu)成的凹腔邊緣(25)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求的任意一項(xiàng)所述的活塞，其特征在于，所述活塞主體(11、111、211)由金屬材料制成以及活塞環(huán)部件(12、112、212)由耐磨的鋼材和/或耐熱的材料制成。
9.一種內(nèi)燃機(jī)活塞(10、110、210)的制造方法，所述活塞具有活塞主體(11、111、211)和活塞環(huán)部件(12、112、212)，其中所述活塞主體(11、111、211)具有活塞頂(13)的至少一個(gè)內(nèi)部區(qū)域(14)以及活塞裙(16)，所述活塞裙設(shè)有具有轂孔(17)的銷轂(18)，其中所述活塞環(huán)部件(12、112、212)具有活塞頂(13)的至少一個(gè)外部區(qū)域(21)，所述外部區(qū)域具有環(huán)繞的活塞頂岸(22)和設(shè)有環(huán)形槽(24)的環(huán)繞的活塞環(huán)部(23)，其特征在于，所述活塞主體(11、111、211)和所述活塞環(huán)部件(12、112、212)經(jīng)由形成在它們上的相應(yīng)的錐形接合面(32、33、27、28 ;135、136 ;232、233、227、228)接合在一起。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，以整個(gè)或者部分地具有不同的錐角的方式制造相應(yīng)的接合面(32、33、27、28 ;135、136 ;232、233、227、228)和/或以接合添加料填充產(chǎn)生的縫隙。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其特征在于，通過(guò)粘合、焊接或者釬焊將所述活塞主體(11、111、211)和所述活塞環(huán)部件(12、112、212)接合在一起。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11的任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在接合過(guò)程中對(duì)所述活塞環(huán)部件(12、112、212 )和/或所述活塞主體(11、111、211)施加軸向張力。
【文檔編號(hào)】F02F3/00GK103429878SQ201280010941
【公開(kāi)日】2013年12月4日 申請(qǐng)日期:2012年3月2日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月4日
【發(fā)明者】赫爾穆特·埃德?tīng)? 安德列亞斯·澤格-萬(wàn)尼, 福爾克爾·魏瑟, 阿希姆·費(fèi)迪娜, 克里斯蒂安·佩施克, 賴納·沙普 申請(qǐng)人:馬勒國(guó)際公司