用于大型内燃机的活塞 |
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| 申请号 | CN201180076143.5 | 申请日 | 2011-12-30 | 公开(公告)号 | CN104204485B | 公开(公告)日 | 2017-05-24 |
| 申请人 | 康珀伦塔芬兰有限公司; | 发明人 | S.皮斯雷; T.雷恩斯科格; | ||||
| 摘要 | 一种用于内燃柴油机的 活塞 （1），该活塞（1）具有180至650mm的活塞直径（D），活塞（1）包括可彼此连接的顶部部分（2）和主体部分（3），‑顶部部分（2）当安装于 发动机 的缸中时限定燃烧腔室的活塞（1）侧；以及‑主体部分（3）具有用于 活塞销 （4）的孔口（30），当使用时在活塞（1）与活塞销（4）之间分配 力 的凸台（32），主体部分（3）具有内部（33）、外表面（34）和可操作的连接表面（35）。主体部分（3）的内部（33）包括内壁（或表面）（330），内壁具有波状（331）表面的宏观几何形状，其中波（331）的长度（L）为3至25mm并且波（331）的高度（h）为0.3至3mm，其中波状表面具有测量为5至9μm表面粗糙度的微观几何形状。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于内燃柴油机的活塞（1），所述活塞（1）具有180至650mm的活塞直径（D），所述活塞（1）包括可彼此连接的顶部部分（2）和主体部分（3）， |
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| 说明书全文 | 用于大型内燃机的活塞技术领域[0001] 本发明涉及一种用于内燃柴油机的活塞，活塞具有180至650mm的活塞直径，活塞包括可彼此连接的顶部部分和主体部分， [0002] -顶部部分当安装于发动机的缸中时限定一种燃烧腔室的活塞侧；以及[0003] -主体部分具有用于活塞销（gudgeon pin）的孔口，当使用时在活塞与活塞销之间分配力的凸台，主体部分具有内部、外表面和可操作的连接表面。 背景技术[0004] 大型内燃机广泛地用于电厂中要求较高的供电任务中，用作船只推进系统的动力源等。 [0005] 在大型内燃机中，越来越需要从具有相同缸排量的发动机生成更多功率。目的是为了增加功率比率(power rate)并且同时减少由于发动机造成的排放。取得这些结果的一种方式是当操作时增加缸压力。另一方面，这些大型发动机的可靠性必须也得到改进，即，在操作中的任何故障是特别不希望的。这造成了需要发展这些发动机的所有零件，包括活塞。 发明内容[0006] 本发明的目的在于提供一种用于大型内燃柴油机的活塞，其具有在180 mm至650 mm范围的活塞直径。本发明的目的在于提供一种活塞，活塞能够耐受操作中增加的缸压力持续较长时段。 [0007] 特别地，在内燃柴油机的高功率比率下耐受疲劳的能力为本发明的一个目的。虽然为了这些增加的需求而发展活塞是一项具有挑战性的技术任务，但也要考虑活塞生产的经济方面。活塞优选地被制造成使得一个活塞的单价不太高。因此，必须要考虑制造成本与技术卓越性之间的权衡。在大型活塞的当前市场上，仍然需要不应太昂贵且同时在技术上尽可能不难理解的产品，其在发动机的整个寿命期间工作而不造成任何麻烦。 [0008] 本发明的特征在于主体部分的内部包括内壁（或表面），内壁具有波状表面的宏观几何形状，其中波的长度为3至25mm，并且波的高度是0.3至3mm，波状表面具有可测量为5至9μm表面粗糙度的各向同性的微观几何形状。此处，表面粗糙度被测量为Ra，即表面粗糙度的算术平均值。 [0009] 本发明者已注意到的具有这种类型的内部几何形状的活塞与具有铸造或锻造表面的常规大型活塞相比，抗疲劳性显著增加，并且仍然能保持制造成本在合理水平。具有所要求保护的几何形状的活塞对于疲劳条件做出响应，使得宏观几何形状和微观几何形状的组合实际上排除了在常规活塞中初始裂纹可能开始发展的那些点。 [0010] 根据一优选实施例，波状表面在内壁中的定向使得波的峰部在活塞的轴向方向上。这允许良好的固体结构而同时可能有最低复杂性的制造。 [0011] 根据一实施例,形成这种宏观几何形状使得波的峰部由凸台指向内部的一个或多个拱顶。换言之，波的峰部朝向主体部分内部的一个或多个拱顶伸展。这个特点能允许实现几何上平坦或径向对称的几何形状，这种几何形状朝向内部的拱顶会聚。这个特点具有以下效果：其帮助防止那些应力集中，应力集中可能会充当疲劳裂纹的初始点。 [0012] 根据本发明的一实施例，微观几何形状的表面图案为各向同性的。这意味着主体部分内部的表面包括图案，图案在表面平面的两个方向上基本上类似。这种各向同性表面图案例如可以通过喷丸处理或抛丸处理而获得。这种特点的效果在于使表面平坦从而使得并不存在由于先前的制造阶段所造成的取向标记（诸如由于宏观几何形状的铣削可能造成）。此外，那些提到的方法向主体部分内部的最表层造成显著压缩应力，并且因此也积极地影响活塞的抗疲劳性。因此，根据本发明的实施例，主体部分的内壁包括具有压缩应力的表面层。 [0013] 定义： [0014] 在此上下文中，可操作的连接表面表示活塞的表面，该表面与活塞的其它部分或发动机本身接触或相关地相互作用。例如，当安装时活塞销孔口的触及活塞销的表面是一种可操作的连接表面。而且，主体部分的外侧，在小空隙中滑动并且由来自缸表面的薄油层分开的套筒部分，被认为是可操作的连接表面。而且，在活塞的顶部部分与主体部分之间的连接表面为一种这样的可操作的连接表面。可能存在更多，取决于活塞的实际结构。 [0015] 而且，在此上下文中，微观几何形状的表面图案各向同性的特点表示该表面在平面方向上，在表面平面的两个方向上类似。此处活塞的轴向方向为当活塞操作时移动的方向。活塞通常为圆形或接近圆形并且因此轴向方向平行于该圆的中心轴线。 [0017] 在下文中结合附图更详细地解释本发明，在附图中： [0018] 图1表示活塞的总体概观和局部截面图。 [0019] 图2表示活塞主体部分内部的更详细视图。 [0020] 图3表示主体部分内部中的波状几何形状的实施例和作为图示的显微图像的微观几何形状的实施例。 [0021] 图4表示在主体部分内部和凸台处的波状几何形状的实施例。 [0022] 附图中使用的附图标记 [0023] 1 活塞 [0024] D 活塞直径 [0025] 2 顶部部分 [0026] 3 主体部分 [0027] 30 孔口 [0028] 32 凸台 [0029] 33 内部 [0030] 330 内壁 [0031] 331 波，波状表面 [0032] 3311 波的峰部 [0033] 3312 波的底部 [0034] L 波的长度 [0035] h 波的高度 [0036] R 波的半径 [0037] 34 外表面 [0038] 35 可操作的连接表面 [0039] 36 拱顶 [0040] 4 活塞销。 具体实施方式[0041] 在图1中，展示了用于内燃柴油机的活塞1，活塞1具有180至650mm的活塞直径D，活塞1包括连接到彼此的顶部部分2和主体部分3， [0042] -顶部部分2，当安装于发动机缸中时限定燃烧腔室的活塞侧；以及[0043] -主体部分3，其具有用于活塞销4（未图示，仅示出了位置）的孔口30，用于当使用时在活塞1与活塞销之间分配力的凸台32，主体部分3具有内部33、外表面34和可操作的连接表面35。出于图示目的，活塞1在此处以局部截面图展示从而使得不同的零件能更容易看到。 [0044] 在图2中，展示了活塞1的主体部分3从而可以看到主体部分的内部。主体部分3的内部33包括内壁330（或表面），内壁330具有波状表面331的宏观几何形状，其中波331的长度L为3至25mm并且波331的高度h为0.3至3mm，波状表面331具有可测量为5至9μm（即，表面粗糙度的算术平均值）的表面粗糙度Ra的微观几何形状。 [0045] 根据活塞1的一实施例，当活塞1的直径D为180至300mm时，波331的长度L是3至15mm并且波331的高度h是0.3至1.0mm。还根据另一实施例，当活塞1的直径D大于300mm时，波331长度L显著大于15 mm并且波高度h大于1.0mm。然而，在某些区域中，诸如由凸台32或由拱顶36，波长度L也可以小于所述15mm，甚至会聚为零。这使得与活塞1的总大小相比，波 331的大小能非常合适，并且同时可制造性保持在可接受的水平。在图2的实施例中，拱顶36形成为用于紧固器件（诸如螺栓）的表面，以将活塞的顶部部分附连到活塞的主体部分3。 [0046] 关于波状表面的宏观几何形状，可以用常规方式，如图2和/或图3所示，确定波的测量。可以例如从波的峰部3311到相邻波的峰部3311测量波的长度L。同样，可以垂直于将两个相邻峰部连接的线段从波的底部3312测量波的高度h。 [0047] 在图3（和图2），展示了活塞内部的一实施例，其中波的半径R为10至30mm，优选地12.5至25 mm。波的半径R为可能影响到表面对抗裂纹起始或初始裂纹生长的耐受性的一种因素。 [0048] 图3也将微观几何形状的实施例展示为图示的显微图像（作为在图3中的正方形放大图）。在图像中可以注意到，微观几何形状的表面图案是各向同性的。这意味着主体部分内部的表面包括图案，其在表面的平面中在两个方向上基本上类似。这种各向同性表面图案可以例如通过喷丸处理或抛丸处理而获得。这种特点的效果在于使得表面平坦从而使得并不存在由于先前的制造阶段（诸如宏观几何形状的铣削）造成的定向标记。此外，那些提到的精整方法向主体部分内部的最表层造成显著压缩应力并且也积极地影响活塞的抗疲劳性。 [0049] 表面粗糙度范围对于抗疲劳性具有影响。如果表面太粗糙，其可能已经具有使初始裂纹生长的那些点。如果表面使得其由于例如铣削操作而具有较小但尖锐的定向标记，因此其可能不足以抗疲劳。在关于抗疲劳目的的最佳表面的研究中，本申请者已注意到最佳的各向同性表面粗糙度在5-9μm的范围，测量为Ra，即，表面粗糙度的算术平均值。 [0050] 在图4中，其展示了在一个或多个凸台32处的波状几何形状的实施例。波的峰部3311由凸台322指向内部的一个或多个拱顶36。主体部分的内部优选地被设计成使得并不存在小半径的拐角或类似物，而是大半径弯曲和转弯。一种特定形状是类似拱顶的形状。如果活塞的顶部部分可以由多个螺栓从主体部分的内部附连，优选地将内部成形使得每个螺栓附连位置存在类似拱顶形状。为了使内壁还尽可能对抗由交变应力造成的初始裂纹，波状表面被成形为使得那些波朝向拱顶的顶部会聚。而且在图4中可能注意到的是波状表面在内壁中定向使得波的大部分峰部3311在活塞的轴向方向上。 [0051] 下文是用于生产如上文所描述的活塞的一种制造方法。通过铸造或锻造形成活塞坯件。活塞坯件包括相当接近活塞的最终、准备操作的几何形状的总体几何形状，但其仍在整个活塞上包括制造空隙使得在完成活塞之前对基本上所有表面进行机械加工。利用轴向铣削工具对活塞主体部分的内部进行机械加工（诸如通过插铣/切入式铣削（plunge milling））使得选择铣削路径，使得实现如上文所要求保护的宏观几何形状。在一优选实施例中，选择直径为50mm（已知波的半径25mm）的机械加工头，并且其被编程（在数控（NC）铣削机中的工具路径）使得实现所提到的宏观几何形状。在已经铣削了宏观几何形状之后，活塞的主体部分经受喷丸处理或抛丸处理使得在主体部分内部实现微观几何形状。优选地，那些可操作的连接表面不经受喷丸处理或抛丸处理。 |
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