CN101802381B - 用于内燃机的两件套活塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的两件套活塞(1)，该活塞包括活塞本体(2)和活塞环部件(3)，该活塞环部件通过长度为b的顶部焊接部(23)和长度为c的底部焊接部(24)而与活塞本体(2)焊接在一起；该顶部焊接部设置在活塞顶(4)的径向内侧面上，该活塞顶(4)至少部分由活塞环部件(3)形成；该底部焊接部设置在中间部(9)顶侧的径向外侧上。为了通过活塞顶部在压力和温度影响下产生变形而改善焊接部(23、24)的强度，使活塞环部件(3)一方面在活塞顶(4)区域上径向在顶部焊接部(23)外侧设有环绕的位于上方的变薄的壁部区域(49)，而另一方面在活塞环区(5)和底部焊接部(24)之间设有环绕的位于下方的变薄的壁部区域(50)，其中，变薄的壁部区域(49、50)的厚度a和d的值分别小于焊接部(23、24)的长度b和c。

Description

用于内燃机的两件套活塞

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的用于内燃机的两件套活塞。

背景技术

公开文献DE-OS2434902提供了一种用于内燃机的多件套式活塞，该活塞包括本体，在本体的底侧上形成两个螺栓轮毂(Bolzennabe)。本体在底侧上与活塞裙连接，而在顶侧上径向向外与活塞环部件连接。由上述文献DE-OS可知，为实现活塞本体与活塞裙以及与活塞环部件的连接采用焊接加工，也就是硬焊接加工。在此，所述活塞环部件具有第一焊接部，该第一焊接部位于活塞顶的由活塞环部件形成的部分的径向内侧面上。因为，活塞顶的由本体以及由活塞环部件所形成的部分都具有很薄的壁厚，由此得出的缺陷在于，还导致了使焊接部具有很小的轴向长度，并且因此使焊接部具有很小的强度。

此外，在活塞环部件背对活塞顶的一侧上通过一底部焊接部与本体相连接，该底部焊接部在径向方向上相对较长。对此，由于燃油空气混合物发生在燃烧腔室的爆炸性燃烧和活塞顶区域上形成的非常高的温度产生压力载荷，当受到这样的压力载荷时，使活塞顶在径向上部分受到压力影响而部分受到温度影响地进行扩张，继而使活塞环部件呈喇叭形扩张，并且在底部焊接部上产生很大的拉力载荷。现有技术公知的活塞的缺点在于，在底部焊接部上没有实施有效的方法来降低底部焊接部上的拉力载荷。

发明内容

本发明的目的就是要避免现有技术的缺点。本发明的目的通过独立权利要求所述的技术特征得以实现。本发明适宜的结构方案在从属权利要求中给出。

在此，在活塞环部件呈喇叭形的扩张过程中，使设置在焊接部的变薄的环绕的壁部区域随之产生铰链式变形，这样的变形使发动机在工作状态下于焊接部上产生的拉应力显著降低。

附图说明

接下来，根据附图对本发明的几个具体实施例进行详细说明。其中示出了：

图1为本发明包括活塞本体和活塞环部件的活塞的分解结构示意图；

图2为本发明活塞在安装状态下的立体示意图；

图3为本发明活塞沿活塞轴和图2的III-III线剖开的截面图；

图4为活塞在冷却通道区域上的用以示出焊接部结构的局部截面图；

图5为活塞在冷却通道区域上的用以示出焊接部另一种结构的局部截面图；以及

图6为活塞坯件在冷却通道区域上的局部截面图。

附图标记说明

a位于上方的变薄的壁部区域49的厚度

b顶部焊接部的长度

c底部焊接部的长度

d位于下方的变薄的壁部区域50、50′的厚度

1、1′、1″活塞

2、2′、2″活塞本体

3、3′、3″活塞环部件

4、4′活塞顶

5活塞环区

6活塞轴

7孔

8第一表面

9、9′、9″中间部

10活塞裙部件

11螺栓轮毂

12螺栓轮毂11的正端面

13、13′中间部9的边界

14凹槽

15环形肋

16燃烧槽

17凹陷部

18第二表面

19第三表面

20、20′第四表面

21、21′冷却通道

22活塞内部腔室

23顶部焊接部

24、24′底部焊接部

25、25′顶盖区域

26、27凹槽

28扩张部

29表面

30凸缘

31表面

32顶部焊接部

33底部焊接部

34成型结构

35凹槽

36凸缘

37表面，活塞环部件3′的底部正端面

38表面，正端面

39用于活塞本体2的坯件

40用于活塞环部件3的坯件

41、42斜边

43凹槽

44突起部

45活塞环部件3的内表面

46燃烧槽16的边界表面

47、48凹槽

49位于上方的变薄的壁部区域

50、50′位于下方的变薄的壁部区域

51凸缘36的活塞顶侧的正端面

52凹槽35的活塞裙侧的内表面

具体实施方式

图1示出了活塞1的分解结构示意图，该活塞包括活塞本体2和活塞环部件3。活塞本体2和活塞环部件3都是由AFP钢制成，也就是指根据DINEN10267中的以锰钒为基础的微量合金的、沉淀硬化的铁素体-珠光体钢。在活塞1安装的条件下使活塞本体2和活塞环部件3相互焊接在一起。

活塞环部件3形成活塞顶4的基本部分，活塞顶形成为环状结构，并且活塞环部件在其径向外侧面上还具有活塞环区(Ringpartie)5，该活塞环区用于容纳图中未示出的活塞环。在活塞环部件3中，相对于活塞轴6中央地且旋转对称地设有圆形孔7，该圆形孔邻近活塞顶4并由呈圆柱形的第一表面8来限定，该第一表面用于在活塞1安装过程中作为焊接表面。

活塞本体2包括一个大体上呈盘状结构的圆形中间部9，在该中间部远离活塞顶4的底侧上形成有两个彼此相对设置的活塞裙部件10以及两个彼此相对设置的且与两个活塞裙部件10相互连接的螺栓轮毂11。螺栓轮毂11的径向位于外侧的正端面12相对于中间部9的径向位于外侧的边界13向活塞轴6的方向缩进。

在中间部9的顶侧上径向位于外侧地形成有一个环绕的沟槽状的凹槽14，该凹槽包围住一个环绕的环形肋15，该环形肋径向位于内侧地设置并且位于中间部9的顶侧上，该环形肋的内部腔室形成活塞1的燃烧槽16。

本发明活塞1的实施例中，环形肋15和燃烧槽16相对于活塞轴6非旋转对称地设置，而是在环形肋的径向外侧上设有一凹陷部17，其目的在于，改善燃油空气混合物在燃烧槽16内的燃烧。

在活塞顶方面，环形肋15的边界形成圆形，从而由此形成活塞顶4′的一部分。由此，径向位于外侧的圆柱形的第二表面18是这样构成的，即，该第二表面作为活塞环部件3的第一表面8的匹配结构同样用作焊接表面，并且，该第二表面还与第一表面8形成位于活塞环部件3和活塞本体2之间的顶部焊接部(23，参见图3)。

中间部9在其顶侧上径向位于外侧设有环形的第三表面19，该第三表面用作焊接表面，并且该第三表面与图1中未示出的第四表面20形成位于活塞环部件3和活塞本体2之间的底部焊接部，该第四表面设置在活塞环部件3的底部正端面上并同样用作焊接表面。(对此同样参见图3)

若将活塞环部件3安装在活塞本体2上，并由此进行焊接，那么参见图2所示的活塞1，对于该活塞的安装状态图中示出了活塞顶4、4′、燃烧槽16、活塞环区5、活塞裙部件10以及螺栓轮毂11。

图3示出了活塞沿着活塞轴6和图2的III-III线剖开的截面图，其中示出了环形冷却通道21，该冷却通道的径向外侧由活塞环部件3限定、径向内侧由环形肋15限定以及其底部由活塞本体2的中间部9的凹槽14限定，该冷却通道具有图中未示出的通到活塞内部腔室22的油导入通道和油导出通道。图中还示出了顶部焊接部23和位于活塞本体2和活塞环部件3之间的底部焊接部24，该顶部焊接部由第一和第二表面8和18形成且轴向设置，该底部焊接部由第三和第四表面19和20形成且径向设置。

在此，第一表面8为活塞环部件3形成活塞顶4的顶盖区域25的径向内侧边界，其中，顶盖区域25背向活塞的一侧上形成有向顶部凹陷的环绕的凹槽26，该凹槽在此形成环绕的位于上方的变薄的壁部区域49。在此，顶部焊接部23的长度b和位于上方的变薄的壁部区域49的最小厚度a之间的比例关系在1和3之间，也就是，1＜b/a＜3。

在活塞顶方面，在第四表面20上邻接另一个环绕的凹槽27，该第四表面形成活塞环部件3的底部正端面，该环绕的凹槽形成在活塞环部件3的径向内侧面上并且径向向外凹陷，该凹槽在此形成位于下方的环绕的变薄的壁部区域50，其中，底部焊接部24的长度c和位于下方的变薄的壁部区域50的最小厚度d之间的比例关系同样在1和3之间，也就是，1＜c/d＜3。凹槽27设置在活塞环区5和底部焊接部24之间。

在活塞1、1′、1″受到温度和/或压力载荷的情况下，如图5中放大示出的实际情况的示意图，在活塞1、1′、1″的顶部产生扩张部28。由此产生在焊接部23、24、24′上的拉力载荷通过活塞环部件3、3′变薄的且因此而具有弹性的柔软区域而降低到这样的程度，即，使焊接部23、24、24′还能更久地维持发动机运转，其中，活塞环部件变薄的且因此而具有弹性的柔软区域由凹槽26和27形成，并且所述区域在活塞顶部的扩张部28产生过程中进行铰链式(scharnierartig)变形。

图4中示出了活塞1′在冷却通道21′区域上的结构示意图，其中，活塞环部件3″的顶部顶盖区域25′在位于上方的变薄的壁部区域49中径向向内直到抵达最小壁部厚度a的区域上，并且在此形成径向位于内侧的圆柱形表面31，该表面与凸缘30的径向位于外侧的圆柱形表面29形成顶部焊接部32，该凸缘在活塞顶方面形成在环形肋15上并且是环绕地径向向外形成。

在背对活塞顶的一侧上，表面29由阶梯状的环绕的成型结构(Anformung)34来限定，顶盖区域25′的径向位于内侧的端部置于该阶梯状的环绕的成型结构上。

在图4所示的实施例中，活塞环部件3″背对活塞顶一侧的正端面20′具有径向向内凹陷的环绕的阶梯状凹槽35，该凹槽是这样在空间上限定的，即，该凹槽与环绕的凸缘36相匹配，该凸缘形成在活塞顶上的中间部9′的径向外侧边界13′上，从而，在活塞1′的组装过程中，活塞环部件3″在凸缘36上移动，直到使凸缘36装配到凹槽35中、并且活塞环部件3″的顶盖区域25′抵达到贴靠在成型结构34上为止。底部焊接部33在活塞环部件3″的背对活塞顶的正端面20′的区域中是由凸缘36在活塞顶侧的正端面51和凹槽35的活塞裙侧的内表面52形成的。

由此实现了，活塞环部件3″在活塞本体2′上的置放过程中不仅通过顶部焊接部32的表面29和31导向和定心，而且在活塞1′的安装过程中还实现了，通过底部焊接部33的凹槽35和36而对活塞环部件3″进行的附加的导向和定心。

代替图3和5所示的活塞1、1″实施例中单独的径向设置在内部的凹槽27，而在图4的活塞1′的实施例中，在底部焊接部33的上方分别于活塞环部件3″的内部侧面和外部侧面上各设有一个环绕的凹槽47和48，这两个凹槽提供了一个位于下方的变薄的壁部区域50′，其壁厚为d，该壁部区域在活塞顶部的扩张部28(参见图5)的形成过程中产生铰链式变形，并且由此使在此产生的作用在底部焊接部33上的拉力载荷降低。凹槽47和48设置在底部焊接部33和活塞环区5之间。

图5示出了活塞1″的结构，在该结构中，焊接部24′由活塞环部件3′的底部正端面37和表面38形成，这两个面都是呈锥形向下变窄，其中，表面38在活塞顶侧限定出中间部9″的径向外侧的区域。由此，实现了表面37和38的增大，以及还实现了位于底部的、呈锥形向下变窄的、长度为c的焊接部24′的增大，从而由此实现底部焊接部24′的硬度的进一步改善。

如图6所示，本发明的活塞1通过这样的方法制成的，即，首先对用于活塞本体2的坯件39和用于活塞环部件3的坯件40进行锻造，图中，两个坯件39和40用阴影部分示出，而最终制成的活塞1则用在阴影面积上划线来表示。活塞环部件3还能够通过轧制或拉拔加工的方式而制成。在此，坯件40在活塞顶侧的径向位于内侧的边缘上设有斜边41，而坯件39在活塞顶侧的径向位于外侧的边缘上设有斜边42，如图6所示，当两个坯件39和40组合在一起的时候，由这两个斜边形成了一个横截面为圆形的环绕的凹槽43。

进一步地，在坯件39的锻造条件下于第三表面19的径向位于外侧的活塞顶侧的边缘上形成有环绕的、横截面至少接近矩形的突起部44。在通过焊接将两个坯件连接在一起的条件下，凹槽43和突起部44还具有在下文进一步详细说明的其它用途。

然后，在坯件39的环形肋15的径向外侧表面和中间部9的上表面上车削出特别在图1中示出的旋转对称结构，其中，还车削形成凹槽14。在环形肋15的径向外侧上铣出图1中示出的凹陷部17。通过车削加工，然后还能够制成活塞环部件3径向内表面45的旋转对称结构，特别还能够制成凹槽26、27、47、48。

接下来，对两个坯件39和40进行相互焊接。在此，首先需要将坯件39和40这样组装在一起，即，在表面8和18之间以及在表面19和20之间分别都留出一道缝隙，该缝隙的宽度在10μm和200μm之间。在坯件39和40组装的情况下，采用上述宽度的缝隙实现了，使表面8和18之间以及表面19和20之间不存在相互间形状配合连接。

然后，使凹槽43和突起部44的活塞顶侧的表面涂覆上以镍为基础的焊膏，之后将两个坯件39、40也包括焊膏在内加热到1150℃。在这样的条件下，焊膏变成液体，并且由于毛细效应而使液体灌入到表面8和18之间以及表面19和20之间，其中，液体焊料由于毛细作用而侵入到上述形成在表面8和18之间以及表面19和20之间的缝隙中。由此，使表面8、18、19和20完全润湿。在然后要进行的活塞1冷却的操作中，焊膏凝固并且在两个部分加工的坯件39和40之间形成无缺陷的焊接部。

在根据图4的活塞本体2′和活塞环部件3″的结构中，顶部焊接部32的表面29和31之间的、形成无缺陷的焊接部的、宽度为10μm至200μm的缝隙是这样实现的：在凸缘36以狭窄的缝隙固定到凹槽35中之后，通过精车削工艺对表面29和31这样进行加工，即，使两个表面29和31之间的缝隙具有上述10μm至200μm的尺寸。

活塞1′安装状态下，活塞环部件3″的顶盖区域25′到达贴靠在成型结构34上的位置，该成型结构在此用于：在活塞安装之后，使凸缘36的活塞顶侧的正端面51和凹槽35的活塞裙侧的内表面52彼此间具有10μm至200μm的距离，从而还在此形成一个具有充分宽度的缝隙，进而用以形成一个无缺陷的焊接部。

在图5的活塞本体2″和活塞环部件3′的结构中，为了实现安全的顶部焊接部23而在表面8和18之间这样设置出恒定宽度为10μm至200μm的缝隙，即，在对活塞环部件3′的表面8和18进行适宜的精加工之后，使活塞环部件呈锥形的底部正端面37安装到活塞本体2″的活塞顶侧的正端面38上，该活塞本体的正端面具有同样的锥形结构而且设置在径向外侧，其中，活塞环部件3′仅通过两个表面37和38的圆锥度而相对于活塞轴对称调整。在此，毛细效应使加热后的液体焊料灌入到表面37和38之间的缝隙中，从而还确保使这两个表面彼此焊接在一起。

采用焊接加工连接两个活塞部件，其优点在于，活塞在此加热到1150℃，锻造温度也等于该温度，即，在该锻造温度下对两个坯件39和40进行锻造，从而在冷却过程中能够有针对性地对适合于AFP钢的典型材料特性进行调整。

然后通过这样的方式来制造活塞1，即，使图6中用划线表示的旋转对称的活塞1的外部结构通过车削加工制成，而同样用划线表示的非旋转对称的燃烧槽16的边界表面46则通过铣削加工制成。在此还实现了，使活塞本体2、2′、2″和活塞环部件3、3′、3″彼此相互焊接在一起。

Claims (7)

1.一种用于内燃机的两件套活塞(1、1′、1″)，

-所述活塞包括活塞本体(2、2′、2″)以及活塞环部件(3、3′、3″)；

-其中，所述活塞本体(2、2′、2″)设有圆形的大体上为盘状的中间部(9、9′、9″)，所述中间部的径向直径与所述活塞(1、1′、1″)的径向直径至少接近一致；

-其中，所述中间部(9、9′、9″)的底侧上形成有两个彼此相对设置的活塞裙部件(10)以及两个彼此相对设置的且与两个活塞裙部件(10)相互连接的螺栓轮毂(11)；并且

-其中，所述中间部(9、9′、9″)的顶侧上形成有环绕的相对于中间部(9、9′、9″)的径向外侧边缘向活塞轴(6)的方向缩进的环形肋(15)，所述环形肋形成燃烧槽(16)的径向外侧边界；

-其中，所述活塞环部件(3、3′、3″)在径向外侧表面上设有活塞环区(5)；以及

-其中，所述活塞环部件(3、3′、3″)通过长度为b的顶部焊接部(23、32)以及长度为c的底部焊接部(24、24′、33)而与所述活塞本体(2、2′、2″)焊接在一起；所述顶部焊接部设置在活塞顶(4)的径向内侧面上，所述活塞顶至少部分构成所述活塞环部件(3、3′、3″)；所述底部焊接部径向设置在所述中间部(9、9′、9″)的顶侧的外部上；

其特征在于，所述活塞环部件(3、3′、3″)一方面在所述活塞顶(4)区域上径向在所述顶部焊接部(23、32)外侧设有环绕的位于上方的变薄的壁部区域(49)，而另一方面在所述活塞环区(5)和所述底部焊接部(24、24′、33)之间设有环绕的位于下方的变薄的壁部区域(50、50′)，其中，变薄的壁部区域(49、50、50′)的厚度(a、d)的值小于所述焊接部(23、32、24、24′、33)的长度(b、c)，变薄的所述壁部区域是弹性且柔软的，并且由凹槽(26、27)形成，并且所述壁部区域在活塞顶部的扩张部(28)产生过程中进行铰链式变形。

2.根据权利要求1所述的活塞(1、1′、1″)，其特征在于，所述顶部焊接部(23、32)的长度b和位于上方的变薄的壁部区域(49)的厚度a之间的比例关系大于1且小于3，即，1＜b/a＜3。

3.根据权利要求1所述的活塞(1、1′、1″)，其特征在于，所述底部焊接部(24、24′、33)的长度c和位于下方的变薄的壁部区域(50、50′)的厚度d之间的比例关系大于1且小于3，即，1＜c/d＜3。

4.根据权利要求1所述的活塞(1、1″)，其特征在于，所述活塞环部件(3、3′)设有顶盖区域(25)，所述顶盖区域部分构成所述活塞顶(4)，其中，所述顶盖区域(25)背对活塞顶的一侧上形成有向上凹陷的环绕的凹槽(26)，该凹槽形成所述位于上方的变薄的壁部区域(49)。

5.根据权利要求1所述的活塞(1、1″)，其特征在于，在所述底部焊接部(24、24′)和所述活塞环区(5)之间于所述活塞环部件(3、3′)的径向内侧面上形成有径向向外凹陷的环绕的凹槽(27)，该凹槽形成所述位于下方的变薄的壁部区域(50)。

6.根据权利要求1所述的活塞(1′)，其特征在于，在所述底部焊接部(33)和所述活塞环区(5)之间于所述活塞环部件(3″)的径向内侧面上形成有环绕的径向向外凹陷的凹槽(47)，并且于所述活塞环部件(3″)的径向外侧面上形成有环绕的径向向内凹陷的凹槽(48)，而且这两个凹槽彼此相对设置并形成所述位于下方的变薄的壁部区域(50′)。

7.根据前述任意一项权利要求所述的活塞(1″)，其特征在于，所述底部焊接部(24′)由所述活塞环部件(3′)的底部正端面(37)和在活塞顶侧限定出所述中间部(9″)的径向外侧区域的表面(38)形成，这两个面都是呈锥形向下变窄。