發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于內(nèi)燃機(jī)的活塞。該活塞包括一活塞本體，該活塞本體由鋼制成并包括一冠部、一對(duì)裙部和一對(duì)銷座板。該冠部具有一上燃燒表面、一具有活塞頂內(nèi)表面面積的下表面以及一帶有至少一個(gè)環(huán)槽的外部環(huán)形環(huán)帶。該銷座板從冠部下垂并在一對(duì)裙部之間相互隔開地延伸。各銷座板分別包括一具有銷孔的銷座，且該銷孔相互對(duì)齊以容納一活塞銷。各銷座板還具有至少一個(gè)凹槽，該凹槽垂直地設(shè)置在相應(yīng)的一個(gè)銷孔與冠部之間，以增大活塞頂內(nèi)表面面積，用于改善冠部的冷卻效果。
【專利說明】發(fā)動(dòng)機(jī)活塞
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2012年3月12日提交的第61/609，594號(hào)申請(qǐng)的權(quán)益。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明主要涉及用于內(nèi)燃機(jī)的活塞，尤其涉及由鋼制成的活塞。

【背景技術(shù)】
[0004]發(fā)動(dòng)機(jī)制造商不斷努力地提高電力生產(chǎn)和燃油效率，很多制造商在它們的以汽油為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)中集成了先進(jìn)的技術(shù)(例如直接噴射、渦輪機(jī)和增壓器)。通常，上述的和其它先進(jìn)技術(shù)通過提高發(fā)動(dòng)機(jī)缸膛內(nèi)的燃燒壓力和燃燒溫度來改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。然而，常規(guī)的鋁活塞可能無法在提高的溫度和壓力下正常運(yùn)行。為了耐受提高的燃燒溫度和壓力并在提高的燃燒溫度和壓力下運(yùn)行，一些活塞制造商開始采用鋼來制造它們的活塞。為了冷卻他們的鋼活塞，很多活塞制造商在他們的活塞本體內(nèi)集成了一個(gè)或多個(gè)油通道，以使冷卻油保持位于或鄰近他們的活塞本體內(nèi)的上冠部。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明的一方面提供了一種用于內(nèi)燃機(jī)的活塞。該活塞包括一單件活塞本體，該活塞本體由鋼制成并包括一冠部、一對(duì)裙部和一對(duì)銷座板，該對(duì)裙部在直徑上對(duì)置并從冠部下垂。該冠部具有一上燃燒表面、一具有活塞頂內(nèi)表面面積的下表面以及一帶有至少一個(gè)環(huán)槽的外部環(huán)形環(huán)帶。該銷座板從冠部下垂并在裙部之間相互隔開地延伸。各銷座板分別包括一具有銷孔的銷座，且銷孔相互對(duì)齊以容納并支撐一用于將活塞本體連接至連桿的活塞銷。各銷座板還具有至少一個(gè)凹槽，該凹槽垂直地位于相應(yīng)的一個(gè)銷孔與冠部之間，以增大活塞頂內(nèi)表面面積。在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過程中，增大的活塞頂內(nèi)表面面積會(huì)使得用于接收一股冷卻油(該冷卻油會(huì)從冠部提取熱量)的表面增大，從而改善冠部的冷卻效果。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，位于銷座和冠部之間的凹槽為一窗口，以進(jìn)一步增大活塞頂內(nèi)表面面積并在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中進(jìn)一步改善冠部的冷卻效果。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的又另一方面，各銷座板分別包括一對(duì)鄰近該窗口設(shè)置的側(cè)窗口，以又進(jìn)一步地增大活塞頂內(nèi)表面面積并更進(jìn)一步在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中改善冠部的冷卻效果。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的又另一方面，各裙部大致呈梯形，梯形的窄尺寸整體連接至冠部的環(huán)帶。這使得環(huán)帶下表面暴露于冷卻油的長(zhǎng)度更長(zhǎng)，因而有利于額外地增大活塞頂內(nèi)表面面積，并且又進(jìn)一步地在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中改善冠部的冷卻效果。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步方面，各裙部具一厚度增加的加強(qiáng)肋，其基本在銷座板之間延伸，并且在垂直方向上與銷孔軸齊平或位于銷孔軸下方，該銷孔軸延伸穿過對(duì)齊的銷孔。加強(qiáng)肋使得裙部具有非常薄的壁并且還具有足夠的鋼度以承受高燃燒負(fù)荷并分散裙部負(fù)荷。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]結(jié)合下列目前優(yōu)選實(shí)施例和最佳實(shí)施方式的具體描述、所附權(quán)利要求以及附圖進(jìn)行考慮，根據(jù)本發(fā)明的上述及其他方面、特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)更加容易理解，其中:
[0011]圖1是活塞本體的第一實(shí)施例的上部立體圖；
[0012]圖2是活塞本體的第一實(shí)施例的側(cè)視圖；
[0013]圖3是活塞本體的第一實(shí)施例的下部立體圖；
[0014]圖4是活塞本體的第一實(shí)施例的與圖3視角不同的另一個(gè)下部立體圖；
[0015]圖5是活塞本體的第一實(shí)施例的與圖3和4視角不同的又另一個(gè)下部立體圖；
[0016]圖6是活塞本體的第一實(shí)施例沿圖4的線6-6剖開的剖視圖；
[0017]圖7是活塞本體的第二實(shí)施例的局部剖視立體圖；
[0018]圖8是活塞本體的第三實(shí)施例的局部剖視立體圖；
[0019]圖9是活塞本體的第三實(shí)施例的另一個(gè)局部剖視立體圖；
[0020]圖10是活塞本體的第四實(shí)施例的下部立體圖；
[0021]圖11是活塞本體的第四實(shí)施例沿圖10的線11-11剖開的剖視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022]參閱附圖，在所有附圖中，相似的附圖標(biāo)記指示相應(yīng)的部件，圖1主要示出了用于內(nèi)燃機(jī)的活塞的第一個(gè)實(shí)施例。該活塞具有一單件活塞本體20，該活塞本體20由鋼制成并且尺寸緊湊，從而具有很輕的重量。因此，活塞本體20設(shè)計(jì)為使活塞頂內(nèi)表面(underc1wnsurface)面積最大化,從而使下方有冷卻油流動(dòng)的活塞本體20的冷卻效果最優(yōu)。這使得活塞本體20可以工作在現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的提高的燃燒溫度和壓力下?；钊倔w20優(yōu)選適用于以汽油為燃料的火花點(diǎn)火四沖程內(nèi)燃機(jī)，但也可以用于以柴油為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)、兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)、和/或壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)中。
[0023]仍然參閱圖1，該件活塞本體20具有冠部24，該冠部24具有一上燃燒表面26以及一帶有多個(gè)用于容納活塞環(huán)(未示出)的環(huán)槽30 (在本實(shí)施例中示出為三個(gè))的外部環(huán)形環(huán)帶28，以在活塞本體20與氣缸壁(未示出)之間建立密封。最佳如圖3所示，環(huán)槽30通過槽脊32相互垂直地隔開。冠部24的下表面為活塞頂內(nèi)表面33，其在發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程中接收一股冷卻油以冷卻活塞本體20。在發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程中，冠部24的上燃燒表面26是這樣一個(gè)部分:其直接暴露于發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒汽缸內(nèi)的燃燒燃料和空氣中，因而期望活塞頂內(nèi)表面33的面積最大化，以使熱量最大化地傳遞至冷卻油并遠(yuǎn)離冠部24。最佳如圖1所示，在第一個(gè)實(shí)施例中，上燃燒表面26大致平坦。然而，應(yīng)該理解，上燃燒表面26可以具有一燃燒碗或任何期望的一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)。
[0024]活塞本體20還包括一對(duì)在直徑上對(duì)置的裙部34，該裙部34從冠部24的環(huán)帶28向下延伸。本實(shí)施例的裙部34大致呈梯形，并且其整體連接至環(huán)帶28的上端的尺寸窄，下端的尺寸寬。在發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程中，由于上端處的窄尺寸會(huì)使環(huán)帶28的底部暴露于該股冷卻油的長(zhǎng)度變大，因而會(huì)增大冠部24的活塞頂內(nèi)表面面積，從而使得從冠部24至冷卻油的熱傳遞增加。在活塞本體20的第一個(gè)實(shí)施例中，各裙部34的較窄的上端平滑地與冠部24的環(huán)帶28的外壁表面結(jié)合。
[0025]活塞本體20進(jìn)一步包括一對(duì)銷座板36，該銷座板36從冠部24下垂并從冠部24向下延伸。該對(duì)銷座板36相互隔開并且在兩個(gè)裙部34的相鄰端部或邊緣大致呈直線地延伸。穿過各銷座板36分別延伸有一銷座38，且各銷座38分別具有一銷孔40。該銷孔40沿銷孔軸A相互對(duì)齊，從而用于容納并支撐一活塞銷(未示出)，以將活塞本體20連接至內(nèi)燃機(jī)中的連桿(未示出)。如圖5所示，各銷座40沿銷孔軸A延伸一寬度，該寬度大于銷座板36的相鄰部分24、34的寬度。各銷座板36還包括一支撐結(jié)構(gòu)42，該支撐結(jié)構(gòu)42從銷座38垂直地向上延伸至冠部24的活塞頂內(nèi)表面33，以為銷座38提供額外的支撐。銷座38的厚度優(yōu)選約為活塞本體20的外直徑D的2-4%。
[0026]冠部24的上燃燒表面26與銷孔軸A之間的垂直距離(通常被稱為壓縮高度He的尺寸)優(yōu)選在活塞本體20的外直徑D的25-35%范圍內(nèi)。因此，與很多常規(guī)活塞相比，活塞本體20具有很低的輪廓。由于缺少很多常規(guī)鋼制活塞中出現(xiàn)的冷卻通道，有利于使第一個(gè)實(shí)施例的活塞本體20的輪廓低。因此，冠部24的厚度優(yōu)選在壓縮高度H。的5-10%范圍內(nèi)，裙部34的較小長(zhǎng)度(從裙部的底部至銷孔軸A的距離)優(yōu)選在壓縮高度Hc的50-60%范圍內(nèi)，且環(huán)帶28中的至少一個(gè)槽脊32的高度優(yōu)選在壓縮高度H。的2-5%范圍內(nèi)。
[0027]仍然參閱圖5，銷座板36被底切以在銷座38的孔上方、冠部24的下方形成一凹槽44，以增大活塞頂內(nèi)表面22面積，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程中增大從冠部24至冷卻油的熱傳遞。除了增大活塞頂內(nèi)表面面積，凹槽44還減小了活塞本體20的總重量，這將帶來其它性能優(yōu)勢(shì)，并且減小活塞本體20的材料成本。優(yōu)選地，活塞頂內(nèi)表面面積大于或等于
0.5*D2* /4，且D為活塞本體20的外直徑D(在圖6中示出)。在活塞本體20的第一個(gè)實(shí)施例中，各銷座板36在其內(nèi)表面和外表面均具有凹槽44，以進(jìn)一步增大活塞頂內(nèi)表面面積。
[0028]最佳如圖4所示，裙部34為薄壁，且其厚度優(yōu)選在活塞本體20的外直徑D的
1.5-5%范圍內(nèi)。這是為了減小活塞本體20的重量并且還減小在制造活塞本體20過程中的材料成本。因此，各裙部34分別具有一厚度增大的加強(qiáng)肋，用以在結(jié)構(gòu)上增強(qiáng)裙部34。加強(qiáng)肋46優(yōu)選大致與銷孔軸A齊平，或者垂直地位于銷孔軸A的下方，以使活塞本體20的下部區(qū)域結(jié)構(gòu)加固。從而，加強(qiáng)肋46使得裙部34具有非常薄的壁但具有足夠的剛度，以支承高燃燒負(fù)荷并分散裙部載荷。優(yōu)選地，加強(qiáng)肋46的中間區(qū)域設(shè)置在銷孔軸A下方的約O至10毫米(O-1Omm)處。加強(qiáng)肋46在兩個(gè)銷座板36之間沿裙部34的長(zhǎng)度周向延伸。
[0029]現(xiàn)在參閱圖7，主要示出了活塞本體120的第二個(gè)實(shí)施例，與上文中使用的相差因子100的相似附圖標(biāo)記用于指示與第一個(gè)實(shí)施例中相對(duì)應(yīng)的部分。在該實(shí)施例中，各銷座板136分別僅具有一個(gè)單獨(dú)的凹槽144，且各凹槽144分別沿相應(yīng)銷座138的全寬延伸，并且其外側(cè)通過環(huán)帶128封閉。
[0030]現(xiàn)在參閱圖8和9，主要示出了活塞本體220的第三個(gè)實(shí)施例，與上文中使用的相差因子200的相似附圖標(biāo)記用于指示與第一個(gè)實(shí)施例中相對(duì)應(yīng)的部分。在該實(shí)施例中，銷座板236上的凹槽244為中央窗口 244，其穿過銷座板236整體延伸。該實(shí)施例還包括一對(duì)在中央窗口 244的相對(duì)兩側(cè)間隔開的側(cè)窗口 248。與中央窗口 244 —樣，該對(duì)側(cè)窗口 248垂直地延伸至冠部24的活塞頂內(nèi)表面233，從而與第一和第二個(gè)實(shí)施例相比，增大了活塞頂內(nèi)表面233的面積。如圖所示，中央窗口 244和側(cè)窗口 248基本上整體地垂直地設(shè)置在銷孔240的上方。此外，該實(shí)施例的上燃燒表面226形成為具有燃燒碗250。
[0031]現(xiàn)在參閱圖10和11，主要示出了活塞本體320的第四個(gè)實(shí)施例，與上文中使用的相差因子300的相似附圖標(biāo)記用于指示與第一個(gè)實(shí)施例中相對(duì)應(yīng)的部分。第四個(gè)實(shí)施例與第三個(gè)實(shí)施例相似，但側(cè)窗口 348的尺寸大大增加，并且它們?cè)阡N孔340的頂部下方垂直延伸，與第一、第二和第三個(gè)實(shí)施例相比，這進(jìn)一步增大了活塞頂內(nèi)表面233的面積。類似于上述的第三個(gè)實(shí)施例，第四個(gè)實(shí)施例還包括位于上燃燒表面326內(nèi)的燃燒碗350。
[0032]與鋁制活塞本體相比，鋼的使用使得前述實(shí)施例的活塞本體20、120、220、320可以在更高的燃燒壓力和溫度下運(yùn)行，并且還適用于更高的銷座負(fù)荷和更小的活塞銷。鋼的使用還允許更薄的壁，并且因此，典型的鋼制活塞本體20、120、220、320可與鋁制活塞相提并論。不同于常規(guī)的鋼制活塞，上述實(shí)施例中的鋼制活塞本體20、120、220、320不具有任何油通道。相比于采用冷卻通道，本發(fā)明通過增大用于容綱一股冷卻油的活塞頂內(nèi)表面的面積來達(dá)到需要的冷卻效果。與常規(guī)的鋼制活塞相比，缺少冷卻通道還使得活塞本體20、120、220,320具有更小的壓縮高度Hc。
[0033]活塞本體20、120、220、320可以通過任何一種合適的成型工藝或多種成型工藝(例如對(duì)坯錠的鑄造、鍛造、機(jī)械加工等)的結(jié)合制成。如果需要，活塞本體20、120、220、320還可以經(jīng)過一種或多種熱處理操作。
[0034]前述說明為示例而不是對(duì)本質(zhì)上的限制。上述公開實(shí)施例的變形和修改對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的，在此并入本發(fā)明的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于內(nèi)燃機(jī)的活塞，其特征在于，該活塞包括: 一單件活塞本體，其由鋼制成并包括一冠部、一對(duì)裙部以及一對(duì)銷座板，該對(duì)裙部在直徑上對(duì)置并從所述冠部下垂； 所述冠部具有一上燃燒表面、一具有活塞頂內(nèi)表面面積的下表面以及一帶有至少一個(gè)環(huán)槽的外部環(huán)形環(huán)帶；以及 所述銷座板從所述冠部下垂并在所述裙部之間相互隔開地延伸，各銷座板分別包括一具有銷孔的銷座，所述銷孔相互對(duì)齊以容納一活塞銷，且各銷座板具有至少一個(gè)凹槽，該凹槽位于相應(yīng)的一個(gè)所述銷座孔與所述冠部之間，以增大所述活塞頂內(nèi)表面面積，用于改善所述冠部的冷卻效果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，各銷座板上的所述至少一個(gè)凹槽為單個(gè)凹槽，其設(shè)置在相鄰銷座的內(nèi)表面上，并基本沿相鄰銷座的全長(zhǎng)延伸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，各銷座板上的所述至少一個(gè)凹槽進(jìn)一步定義為一對(duì)凹槽，且其中一個(gè)所述凹槽位于所述銷座板的內(nèi)表面上，另一個(gè)所述凹槽位于所述銷座板的外表面上，以進(jìn)一步增大所述活塞頂內(nèi)表面面積。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，各銷座板上的所述至少一個(gè)凹槽為一中央窗口，其在所述銷座板的內(nèi)表面和外表面之間延伸，以進(jìn)一步增大所述活塞頂內(nèi)表面面積。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的活塞，其特征在于，每個(gè)所述銷座板進(jìn)一步包括一對(duì)設(shè)置在所述中央窗口兩側(cè)的側(cè)窗口，以進(jìn)一步增大所述活塞頂內(nèi)表面面積。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的活塞，其特征在于，所述側(cè)窗口在所述銷孔的頂部下方垂直延伸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，所述冠部具有一外直徑，且所述活塞頂內(nèi)表面面積至少為0.5*D2* 31 /4，其中，D為所述冠部的所述外直徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，所述冠部具有一外直徑，且所述活塞本體具有一壓縮高度，該壓縮高度在所述冠部的所述外直徑的25-35%的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，每個(gè)所述裙部具有一厚度增大的加強(qiáng)肋，其在所述銷孔板之間延伸。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，所述銷孔沿一銷孔軸相互對(duì)齊，其中所述加強(qiáng)肋與所述銷孔軸齊平或位于所述銷孔軸下方。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的活塞，其特征在于，所述加強(qiáng)肋位于所述銷孔軸下方O-1Omm 處。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，所述裙部大致呈梯形，并且窄尺寸整體連接至所述環(huán)帶。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，所述銷座板在所述裙部的相鄰端部之間延伸。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，所述活塞本體不具有任何油通道。
【文檔編號(hào)】F02F3/16GK104246192SQ201380021015
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2013年3月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月12日
【發(fā)明者】馬克·布蘭特, 安德魯·J·米勒 申請(qǐng)人:費(fèi)德羅-莫格爾公司