活塞及其制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】活塞及其制造方法
[0001]相關(guān)串請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2013年I月21日提交的第61/754，668號(hào)申請(qǐng)的權(quán)益，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入此處。
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。
【背景技術(shù)】
[0004]在不斷努力提高內(nèi)燃機(jī)的產(chǎn)生功率和燃料功率的過(guò)程中，用于內(nèi)燃機(jī)的整體式或單件式活塞本體的設(shè)計(jì)已經(jīng)變得越來(lái)越復(fù)雜以具有多個(gè)結(jié)構(gòu)，例如冷卻通道和形狀獨(dú)特的燃燒碗。通常，由單一一片材料形成這些復(fù)雜的活塞設(shè)計(jì)是不劃算的。因此，許多活塞制造商采用兩件或以上的部件并接著將這些部件連接在一起來(lái)制造活塞本體。例如，一些整體式活塞設(shè)計(jì)包括第一部件和第二部件，其中第一部件包括冠部，第二部件包括相對(duì)的兩個(gè)裙部，以及相對(duì)的兩個(gè)用于容置活塞銷(xiāo)的活塞孔。然后，第一和第二部件可以通過(guò)一系列不同的連接工藝連接在一起，這些連接工藝?yán)绨ǜ鞣N不同的焊接連接、螺栓連接、緊固件連接等。
[0005]將整體式活塞本體的第一和第二部件連接在一起的一種特別劃算的方法是通過(guò)將一個(gè)部件相對(duì)于另一個(gè)部件高速率旋轉(zhuǎn)并使這些部件彼此接觸從而通過(guò)兩片部件之間的摩擦產(chǎn)生的熱量使得接縫處的材料加熱至塑性狀態(tài)，由此將這兩片部件摩擦焊接。在接縫處的材料的高壓使得這些部件能夠結(jié)合在一起。然后通過(guò)對(duì)這些融化的材料進(jìn)行冷卻，從而可以在整體式活塞本體的第一和第二部件之間形成特別牢固的焊縫。然而，這種方法的一個(gè)問(wèn)題是，在摩擦焊接過(guò)程中很難將第一和第二部件相對(duì)于彼此精確地旋轉(zhuǎn)地對(duì)齊。因此，一般來(lái)說(shuō)，摩擦焊接僅在第一和第二部件中的一個(gè)(或兩個(gè))旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)從而使其相對(duì)于另一部件的旋轉(zhuǎn)對(duì)齊不會(huì)影響活塞本體的形狀時(shí)具有實(shí)用性?；钊N(xiāo)孔由于其本身性質(zhì)而無(wú)法旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)，因此，活塞制造商通常通過(guò)僅采用摩擦焊接來(lái)連接具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的燃燒碗的活塞本體的部件，由此來(lái)克服上述限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的一個(gè)方面為一種改進(jìn)的用于內(nèi)燃機(jī)的整體式活塞組件。該活塞組件包括:沿軸延伸的活塞本體，該活塞本體由至少兩件通過(guò)至少一個(gè)焊縫接合在一起的材料制成，該至少一個(gè)焊縫連續(xù)延伸經(jīng)過(guò)圍繞軸的環(huán)形。兩件材料中的一件具有上表面，并且在該上表面中形成有燃燒碗，該燃燒碗具有圍繞軸的旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱(chēng)形狀。兩件材料中的另一件具有圓拱形容置面，以用于滑動(dòng)容置部分的連桿，且該容置面是圍繞所述軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的。
[0007]該改進(jìn)的活塞組件是有益的，因?yàn)樵撔D(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的圓拱形容置面允許燃燒碗形成為具有旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱(chēng)形狀，而不會(huì)通過(guò)一些不同種類(lèi)的操作方式使待連接在一起的兩個(gè)部件的性能下降。因此，除了可以提高性能以外，該活塞組件還可以經(jīng)濟(jì)劃算地制造。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該焊縫為摩擦焊縫。
[0009]本發(fā)明的另一方面提供了一種制造活塞的方法。該方法包括制備活塞本體的第一部件的步驟，該第一部件具有形成在其上表面中的燃燒碗，且其中該燃燒碗具有圍繞軸的旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱(chēng)形狀。該方法接著包括制備活塞本體的第二部件的步驟，該第二部件具有圍繞軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的圓拱形容置面，以容置連桿的一端部。該方法繼續(xù)包括將活塞本體的第一和第二部件摩擦焊接在一起的步驟。
【附圖說(shuō)明】
[0010]請(qǐng)參閱下述詳細(xì)說(shuō)明并結(jié)合附圖進(jìn)行考慮，本發(fā)明的上述和其它優(yōu)點(diǎn)將更加容易領(lǐng)會(huì)和理解，其中:
[0011]圖1是活塞和連桿組件的典型實(shí)施例的剖視圖；
[0012]圖2是圖1的活塞和連桿組件的剖面圖；
[0013]圖3是圖1的組件的活塞本體的剖視圖；
[0014]圖4是活塞本體的剖面圖；
[0015]圖5是與圖4的剖面圖位置不同的活塞本體的另一個(gè)剖面圖；
[0016]圖6是示出了與活塞本體連接的罩蓋的剖面圖；
[0017]圖7是與圖6的剖面圖位置不同的與活塞本體連接的罩蓋的另一個(gè)剖面圖；
[0018]圖8是罩蓋的仰視立體圖；
[0019]圖9是罩蓋的透視立體圖；
[0020]圖10是罩蓋的另一個(gè)透視立體圖；
[0021]圖11是罩蓋的俯視立體圖；
[0022]圖12是圖1的組件的連桿的正視圖；
[0023]圖13是連桿的透視立體圖；
[0024]圖14是連桿的側(cè)視圖；
[0025]圖15是活塞和連桿組件的另一個(gè)剖面圖；
[0026]圖16是連桿的可選實(shí)施例的局部透視圖；
[0027]圖17是連桿的可選實(shí)施例的局部側(cè)視立體圖；
[0028]圖18是連桿的可選實(shí)施例的局部正視立體圖；
[0029]圖19是罩蓋的可選實(shí)施例的透視圖；
[0030]圖20是活塞和連桿組件的可選實(shí)施例的局部剖面圖；
[0031]圖21是與圖20位置不同的活塞和連桿組件的可選實(shí)施例的局部剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]參見(jiàn)附圖，其中相似的標(biāo)記指示各圖中相應(yīng)的部件，圖1主要示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面構(gòu)造的改進(jìn)的活塞和連桿組件20的典型實(shí)施例。該活塞和連桿組件20可以構(gòu)造為供一些不同類(lèi)型的內(nèi)燃機(jī)(包括四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)、兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)、火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)、壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和每個(gè)氣缸引擎的水平對(duì)置活塞)使用。
[0033]仍然參見(jiàn)圖1，該典型實(shí)施例的組件包括沿軸A延伸的活塞本體22以及與活塞本體22可操作地連接的連桿24。與常規(guī)的活塞和連桿相比，該典型的活塞本體22和連桿24連接在一起而不具有肘銷(xiāo)或活塞銷(xiāo)。當(dāng)然，如圖2所示，活塞本體22具有背對(duì)活塞本體22的上表面的圓拱形或半球形容置面26，連桿24的一端部28的輪廓與容置面26的輪廓匹配。更具體地，連桿24的端部28大致為球形，以匹配容置面26的圓拱形。連桿24的球形端部28通過(guò)罩蓋30與活塞本體22保持連接，在連桿24的球形端部28與活塞本體22的半球形容置面26連接之后，該罩蓋30與活塞本體22連接。罩蓋30和活塞本體22的圓拱形容置面26均與連桿24的球形端部28滑動(dòng)連接，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)(未示出)的運(yùn)行過(guò)程中使得連桿24相對(duì)于活塞本體22旋轉(zhuǎn)或來(lái)回樞轉(zhuǎn)。
[0034]返回參見(jiàn)圖1，活塞本體22包括冠部32和裙部34，該裙部34從冠部32下垂并從冠部軸向向下延伸。在該典型實(shí)施例中，裙部34圍繞軸A連續(xù)且基本均勻地延伸360°，因此該裙部為完全周向連續(xù)的裙部，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的缸膛內(nèi)的活塞本體22的穩(wěn)定性提高。該典型活塞本體22的外表面還包括多個(gè)用于容置活塞環(huán)(未示出)的環(huán)槽36a、36b，以將活塞本體22與發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸壁密封。具體地，該典型活塞本體22包括多個(gè)圍繞冠部32的環(huán)槽36a以及多個(gè)鄰近裙部34底端設(shè)置的環(huán)槽36b。在某些種類(lèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)中，典型活塞本體22的冠部32上的環(huán)槽36a與裙部34上的環(huán)槽36b軸向間隔開(kāi)，從而可以在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中限制空氣從發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸壁的一個(gè)或多個(gè)入口(未示出)在任一軸向方向泄漏出活塞本體22。然而，應(yīng)該理解的是，活塞本體22可以包括任意所需數(shù)量的環(huán)槽，且這些環(huán)槽可以設(shè)置在活塞本體上的任何適合的位置。還應(yīng)該理解的是，裙部可選擇地可以是敞開(kāi)的或非周向連續(xù)的，即，它可以連續(xù)延伸經(jīng)過(guò)小于360°的曲線。
[0035]現(xiàn)在參見(jiàn)圖3和4，該典型實(shí)施例的活塞本體22由兩個(gè)彼此獨(dú)立制成(例如通過(guò)鍛造和/或鑄造工藝制成)然后被連接在一起的部件38、40組成。具體地，該典型的活塞本體22包括上部件38和下部件40，且這兩個(gè)部件38、40通過(guò)摩擦焊接操作或任何其他適合的焊接操作(包括例如混合感應(yīng)焊接)彼此連接。在該典型實(shí)施例中，上部件38包括部分冠部32，并具有頂面，且該頂面中形成有燃燒碗42，下部件40包括形成在其中的圓拱形容置面26。部件38、40均優(yōu)選地由鋼制成，但也可選地由一些其他的金屬(包括例如鋁或鎂或它們的各種合金)制成。
[0036]現(xiàn)在參見(jiàn)圖3，活塞本體22的冠部32的頂面中的燃燒碗42形成為具有圍繞軸A的周向(或旋轉(zhuǎn))非對(duì)稱(chēng)形狀，活塞本體22的圓拱形容置面26具有大致周向(或旋轉(zhuǎn))對(duì)稱(chēng)形狀。因此，下部件40可以具有相對(duì)于上部件38的任何所需的旋轉(zhuǎn)方向。這帶來(lái)了制造上的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樯喜考?8和下部件40不必像一般其他已知的具有周向非對(duì)稱(chēng)形狀的燃燒碗的兩件式活塞一樣必須相對(duì)于彼此精確地旋轉(zhuǎn)定位。因此，可采用某些加工操作(例如摩擦焊接)將上、下部件38、40連接在一起。因此，活塞本體22的典型實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)了非對(duì)稱(chēng)形狀的燃燒碗和摩擦焊接的所有優(yōu)點(diǎn)。
[0037]當(dāng)連接在一起時(shí)，本典型實(shí)施例的上、下部件38、40彼此協(xié)作提供活塞本體22，且該活塞本體具有一個(gè)或多個(gè)用于容置冷卻流體以在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程