本发明涉及在往复式内燃机或外燃机和压缩机的气缸内滑动的活塞，即适用于在其一个或各个气缸内的工作气体在活塞工作面作用下处于高温高压状态下的机械，本发明最好用于二冲程或四冲程的往复式内燃机，但不排除应用于其它类似机械。本发明特别涉及这样的活塞，在其外缘为圆筒状的活塞裙内有一用于以球关节的方式与球缺形球头连杆相连接的球缺形支承面。该活塞的支承面和/或连杆的头部结构可以在局部上不是严格的球形，其原因下面解释，但是为了表述上简洁起见，本文中的术语“球形”将用来表示准确的球形或大致的球形。

此类的活塞可如法国专利965，449号和1，547，151号和英国专利293，506号所描述的。在这些已知的活塞中，活塞和连杆的两个球缺形部位由金属组成，二个球缺部分在运动时相互接触，至少在忽略二者之间的薄润滑油油膜时是如此。薄润滑油膜是由于压力下油进入其间产生的，此油压力可如从连杆内长度方向上延伸的油路引入，（这方面请参阅法国专利965，449和英国专利293，506）

本发明的一个目的是使活塞和连杆之间的球关节能够承受作用于活塞上的最大压力，此最大压力在气缸内的活塞所限定的容积可变化的燃烧室内周期性地产生。

本文后面用到类似这样的术语如“靠上”，“靠下”，“在上边”，“在下边”时，是假定活塞的轴线是垂向的且连杆位于活塞之 下。此假设只是为了简化叙述，因而并不意味着在内燃机或压缩机中活塞实际上就是这样配置的。

按照本发明的第一个方面，前述活塞的基本特征是其上具有一个内腔，该腔在与工作面相反的另一端面上具有一个开口且其侧面至少部分地由旋转体的圆筒形支承面限定;由连杆的球缺形头部所限定的活塞内腔空间由粘性，糊状的或可塑性变形的液体充满，此液体实际上在活塞的工作压力和温度下是不可压缩的;所述圆筒形支承面的直径只略微大于连杆球缺头部的直径，从而使圆筒形支承面和球缺头部之间的工作间隙足够小以防止在活塞的工作温度和压力下，上述液体从活塞内腔中逸出。

所述圆筒形支承面的母线最好与活塞裙的母线平行，通常圆筒形支承面与活塞裙是同轴的。

为了避免液体的任何可能的逸漏，本发明的优点是在连杆球缺形头部和液体之间装入一个薄金属液体密封罩，此密封罩与圆筒形支承面利用压配合定位，此二者之间的配合为：当金属罩上与圆筒形支承面压合的部分在作用力超过一定限度后可在与圆筒形支承面的轴线平行的方向上移动。

按照本发明的第二个方面，用在往复式内燃机或外燃机和压缩机（即在其一个或各个气缸内活塞的一个横向面所包容的工作气体处于高温高压下的那些机械，特别是活塞以球关节方式与连杆的球缺形头部相连的二冲程或四冲程内燃机）的气缸中滑动的活塞，其基本特征在于：在其外缘为圆筒形的活塞裙内有一个内腔，其开口在与活塞工作面相反的活塞的另一端，内腔的侧面至少部分地由旋转体的圆筒形支承面限定，内腔最好与活塞同轴;在所述内腔中装有一个薄金属液体密封罩，该罩的形状为下部圆筒形并与活塞的旋转体的圆筒形支承 面压配合，罩的上部大致为半球形其中支承着连杆的头部;金属罩由其大致为半球形的外表面限定了一个位于活塞内腔中的空间，该空间充满了粘性的，糊状的或可塑性变形的液体，此液体在活塞的工作温度和压力下实际上是不可压缩;连杆球缺形头部的外缘直径略小于活塞圆筒形支承面的直径从而罩的圆筒形部位是以前述方式压配合的，这样可防止在活塞的工作温度和压力下所述液体从所述空间中任何可能的逸漏。

所述液体最好是氟聚合物，特别是聚四氟乙烯或特氟隆尽管其它材料在活塞的工作温度和压力下其物理和化学性质也可能稳定，因而可有益地应用，所述液体在压力下可变形从而可充满所述空间（记住前述罩的可能存在）但又足够粘滞使得该液体不可能在工作中逸出连杆的球缺形头部或罩和前述圆筒形支承面的工作间隙。也可能特别涉及到一种具有高粘滞性的油，比如用于粘滞阻尼器（或减震器）中的那种油，因此可以看出，所述流体的定义特别排除了那些具有低的甚至中等粘滞性的油。

由此，不考虑连杆相对活塞的位置，作用在后者上的力通过由塑性可变形的封闭流体构成的缓冲垫均匀地传递到连杆的球缺形头部，基于罩（最佳实施例中罩是存在的）是在平行于圆筒形支承面的轴线方向上可移动的这一事实，此罩实际上只承受垂直于其表面的压力，所以其受到保护，防止断裂或刺穿，罩的轴向移动可使间隙得到自动消除。

请注意前面提及的法国专利1，547，151建议直接在连杆球缺形头部和活塞的球缺形底座之间，设置一层塑材料如PTFE（聚四氟乙烯），但是在本发明中聚四氟乙烯置于与其相反的一边上，并且有完全不同的目的。同样还应注意到公知的技术是在球关节 的阳部和阴部都加有合成树脂类如聚四氟乙烯材料，例如在车辆转向机构（参阅美国专利3，342，513）中两个彼此互相接触的运动件都由合成树脂组成。

本发明中金属罩的材料最好选用青铜，特别是铍青铜或其它在有限的润滑下具有理想的磨擦系数和高延展性的金属或合金，金属罩的厚度一般为连杆球缺形头部直径的1%～3%。

在本发明的前述第二个方面，罩的有利的配置是：其大致半球部沿着一个封闭的环状接触线或接触带与连杆的球形头部接合，环状接触线或带位于一个在连杆头部中心之上且垂直于活塞轴线的平面内或被其限定于它的上部;在压力下输送润滑油的进油侧的单向装置与连杆中的油道通过一个单向阀连通而进入一个在接触线或接触带之上，由连杆的球缺形头部和金属罩的大致半球形内表面所限定的间隙，在所述单向阀座进油侧的润滑油压力至少在发动机工作循环的一般期间要高于前述间隙之间的油压;位于接触线或接触带之下且介于连杆球缺形头部与罩之间的空间与一个低压区连通，此低压区的油压低于所述间隙内的最大压力。

上述结构使金属罩与在压力下输送润滑油的装置成为一体，连杆的球缺形头部应能在金属罩的内表面自由地作枢轴式转动。各种各样的所述间隙和润滑油输送装置的实施例将在本文后面详细描述。

在最佳实施例中设置了金属罩，连杆的球缺形头部上或金属罩上面对连杆头的面上开有使进入的润滑油分布的油槽，润滑油以前述方式或在后面将要描述的方式被传送至连杆头部和罩之间。必须指出这些油路避免了被聚四氟乙烯或其它类似介质或液体堵住的危险，因为这些油路设在不与上述介质或流体接触的表面上。

在不设所述金属罩的情况下，在压力下提供的润滑油仍被输送到 一个如后所述部分地由连杆头部所限定的环状腔去，从而由扩散促进在该头部形成一层润滑油膜。

下面参照附图对本发明作更详细的描述。附图中：

图1为轴向剖视图，部分地反映了本发明第一个实施例的活塞及其连杆组装情况。

图2为从图1中箭头F的方向看连杆的球缺形头部。

图3表示组装前活塞和连杆组件间构成球关节的部件的详图。

图4至图7是比较图，用以表示本发明的某些优点。

图8为半轴剖视图，表示按照本发明第二个实施例的活塞及其连杆组件。

图9为轴向剖视图，部分地表示了按照本发明第三个实施例的活塞及其连杆的组装情况。

图10为轴向剖视图，部分地表示了按照本发明第四个实施例的活塞及其连杆组装图。

图11和图12分别表示两种不同方式的润滑装置。

图13和图14分别以连杆头部轴向剖视图和顶部附视图表示图12中实施例的第一个改进型。

图15表示图12中实施例的第二个改进型。

按照本发明第一个实施例的活塞1（图1和图2），可在气缸2中滑动。工作气缸体由活塞1的工作面10封闭在气缸2中。在其外缘为圆筒形的裙部3（“圆筒形”一词当然并不排除上面开有放置活塞环的槽等），活塞1具有一个球缺形支承面4用于以球关节的方式与连杆6的球缺形头部5相连接。

按照本发明的活塞具有一个内腔7（参看图3），内腔7至少部分地由旋转体8的圆筒形支承面限定，旋转体8最好与（但不是必须 与）裙部3同轴（公共轴由Ⅹ-Ⅹ表示），圆筒形支承面的直径D略大于连杆头部5的直径。内腔7在邻近图1中底部的端部开口，即与工作面10相反的另一端面开口。支承面4在其上部由薄金属罩9的一个近似半球面9a构成（图1和图3），金属罩9具有与活塞1的工作面10相反的凹形，即在图1和图3中向下，并由与圆筒状支承面8内的压配合定位。由金属罩9的另一表面9b所限定的位于内腔7中的空间12充满粘性，糊状或可塑性变形的流体13，而流体13在活塞1的工作温度和压力下实际上是不可压缩的。

如前所述，流体或介质13最好是聚四氟乙烯或等同的糊状物。

支承面8的旋转圆柱形与连杆球缺形头部5的配合及取直径为D的优点可从比较图4至图7中看出，在图4至图7中为视图清楚起见省略了金属罩9，这样做另一方面也是考虑到后面将要介绍的实施例中去掉金属罩9的情况（图9）。

如果圆筒形支承面8的直径太小（图4），的确将会使头部5和圆筒形支承面8的边缘产生金属对金属的接触，并且在流体或介质13中将没有静液压。

如果圆筒形支承面8的直径过大（图5），如图5中箭头所示，流体或介质13就会在侧向逸漏。

如果内腔7的入口直径正确但其侧支承面8不是圆筒形的（图6），由磨耗，微量变形（弹形或非弹性的）或由微量膨胀，产生的间隙不能消除，最后就会发生如图5中那样的侧面逸漏现象。

如果内腔按本发明（图7）中那样设置，间隙将自动被消除。

按照本发明的最佳实施例，金属罩9用青铜，特别是铍青铜或其它润滑下具有理想的，有限的摩擦系数和高延展性的金属或合金制成，由图中可以看出，通过分别在连杆6和头部5中延伸的油道14 和15，采用常规的方法在压力下，在头部5的外表面和罩9的表面9a之间引入润滑油。

球缺形头部5（图2）或是金属罩9（图3）最好在其表面9a上开有油槽或油路16。

这样，我们就得到了一个活塞，其制造方法已在前面讲清并且在其支承面4中插入连杆6的头部5，至少对一个四冲程的内燃机活塞来说，例如在图1中头部5是由一个刚性环17固定在其位置上的，刚性环17则弹性可变形地由另一个可弹性变形的环18向上顶，而环18向外压在活塞1上。对于一个二冲程的内燃机活塞，如环17，18这样的固定装置可以省去，因为在此类发动机工作周期中，力总是沿同一方向作用于活塞上的。

工作中，由工作气体的压力作用在活塞1上表面的力均匀地通过缓冲介质13传到连杆头部5上。

如图1和图8中所示，金属罩9可由压配合而定位于活塞1的圆筒形支承面中，此罩当作用力超过一给定限值后可在平行于此圆筒形支承面的轴线Ⅹ-Ⅹ的方向上移动。

按照图1中的实施例，金属罩9其半球部由与活塞1的圆筒形支承面8相接触的圆筒形裙部11所延伸，金属罩9装配于活塞1中，除了在头部5和活塞圆筒形支承面8间压配合外没有其它的固定手段，此压配合由适当的选择金属罩9的厚度（在静态时）和/或其外径并适当选择直径D与d的差异而得到。此厚度通常在头部5的直径的1%～3%之间。

按照图8的实施例，金属罩9的半球部的下部为一个向外扩的裙部20，裙部20夹在活塞1的裙部3的底部和环22之间，而环22则由适当的装置如螺纹等固定于裙部3的底部。为了使金属罩9 能够在平行于轴Ⅹ-Ⅹ的方向上移动，活塞1的裙部3的底部加工成圆面21，并且金属罩9的尺寸特别是其裙部20的尺寸加工成在静态时圆面21和金属罩9的前端部9c之间有一间隙23，请记住流体或介质13的体积，此间隙允许金属罩9在相对活塞1的圆筒形支承面8作轴向移动时，金属罩9的前端部9c可以变形而不受到张力。

图9实施例与图1-2和图8中的不同之处在于，在连杆6的球缺形头部5和活塞1的圆筒形支承面之间没有金属罩9。换句话说，也就是塑性可变形的介质13是与头部5直接接触的，借助介质13的粘滞特性，此实施例中仅靠选择头部5和圆筒形支承面8间的间隙（或同样地，选择直径D和d的差异）来防止介质13从内腔7中流出。

最好是球缺形头部5的直径向截面与活塞1的横截面（在与Ⅹ-Ⅹ轴垂直的方向测量）之比大于或等于0.5，这可有力地限制工作中产生的作用于介质13和头部5的压力。尽管在图1和图8的图示中未表示出来，这个特点同样在有金属罩9的时侯也是有利的。

按照图9中的实施例，在图1、2和8中用标号16所表示的那些油槽都不设置，因为它们将被介质13堵住并导致介质13逸出其设定空间。在此处，用于在连杆6中提供的压力下输送润滑油的管道14与穿通连杆头部5并永久地开口于平分球体的大圆面P之下（按照图9）的管路15a相通，大圆面P穿过球缺形头部5的中心C且垂直于轴线Ⅹ-Ⅹ，润滑油经管道14，15a而流出到大圆面P之下的环状腔25中，环状腔25由一个与图1中的环17相似的环17a限定，但环17a上有让润滑油流出的小孔如26。油以这种方式循环可保证一方面极好地冷却头部5甚至活塞1，另一方面 它由于扩散效应在连杆头部5上保持了一层润滑油膜。

在任何情况下，圆筒形支承面8的高度必须足够以留下连杆6的头部5相对于活塞1的轴向位移空间，此位移包括：

热膨胀差异（由不同的膨胀系数引起）和/或，

介质13的压缩性，和/或

制造公差，和/或

磨耗现象。

前文中已假定流体13为聚四氟乙烯，尽管它有许多显著的优点但它也有一定的缺点。特别是对于金属罩9（当其存在时）的小或微小变形由聚四氟乙烯构成的缓冲层将不随之而动。还有，其形变的横向按理时间也相对较长。

在有些情况下，为了克服聚四氟乙烯的缺点，用一种高粘滞液体来取代聚四氟乙烯更好，例如用于粘滞阻尼器中的硅油，最好是与要承受周期性形变的罩9合用。这点在图10中表示出来，其中用具有高粘滞性的油13从小孔27中注入空间12，空间12被从底（充液位置）至上填满以避免任何气泡，小孔27随后用一个塞子或尖头螺钉28堵上。在填充的过程中，空气由空间12的上部（在充液位置）通过一个通孔31排出，通孔31随后用一个塞子或尖头螺钉32堵上。空间12在距大圆面P很近的圆形部位29（不是由倒角构成的）终止。确实很有必要减轻由粘性液体13构成的缓冲垫传至大圆面P的静液压力;此静液压力取决于作用于大圆面P上的液体13所构成的缓冲垫的厚度。一个环状密封件30配置在活塞1的槽中，该槽在圆筒形支承面8上开口，位于前述圆形部位29之下，但尽可能地接近大圆面P以使罩9不致因静液压力而从圆筒形支承面8上掉下从而导致粘性液体13的逸漏。尽管如此还是有必要设计空间12具 有相对较小的厚度，如在2mm的数量级上，从而才可以忽略高粘滞油13的压缩性效应，并且此油因此才可认为是实用上在工作温度和压力下是不可压缩的，这也是本发明书开头就作的一般定义。

下面将描述利用罩9的存在来在罩9和连杆头部5之间保持一层润滑油膜的装置。

按照图11中本发明的实施例，为了构成上述装置，罩9的大体上半球形部9a，9b沿着一条封闭的环状接触线33支承连杆6的球缺形头部5，接触线33位于平面Q内，平面Q在连杆头部5的中心C之上延展（按照本文前面解释过的规定）并最好是与活塞1的轴线垂直。按照一项改进，罩9也可沿着一条其上部由线33和/或平面Q所限定的环状带34支承头部5。在压力下输送润滑油的单向装置在进油侧通过一个单向阀35与连杆7中的油道14连通并通向由连杆的头部5和罩9所限定的，位于接触线33（或接触带34）之上的间隙36。组件这样设置，润滑油在单向阀35进油侧的压力至少在工作气体压缩-膨胀周期内的一段期间要超过间隙36内的压力。位于接触线33或接触带34之下的处于连杆头部5和罩9之间的空间37以低压力，即以低于间隙36中的最大压力的压力与出油区38连通。本处用一个类似于图9中所用环的环17a来保持头部5位于活塞1中，为了让空间37始终保持与出油区38畅通，至少要有一个小孔或通道26穿过或绕过环17a。确实，如果空间37是密封的，润滑油将停滞于间隙36中。

如图13和图14所示，希望间隙36由连杆头部5罩9之间的空间位于它们的接触线或接触带33或34之上，槽如39等位于连杆头部5和罩9的表面上并与单向润滑油输送装置的出口连通，即与单向阀35的出油侧连通。为了简化起见在图11中仅表示了所述介 于连杆头部5和罩9之间的空间和接触线33及接触带34，后者也在图14中予以表示。我们希望槽39和其它槽的宽度大致等于罩9的厚度。总的来说，槽39是穿过交叉而通向接触线33或接触带34的子午槽。如同将平面P称作为“赤道”平面，这里用“子午线”是将连杆头部5比作地球，当把连杆6如图12中所示那样置于活塞1的轴线上时，其头部5的一个“极”将形成连杆6的轴线且与活塞1的轴线Ⅹ-Ⅹ相重合。

如在图14和15中所示，所述的在压力下单向输送润滑油装置的出口设在球缺形连杆头部5与活塞1轴线Ⅹ-Ⅹ的交点处，不考虑连杆6和活塞1及穿过此交点并通向接触线33或接触带34的上限的槽39之间的相对角度。

在子午槽39之外，至少在连杆头部5垂直于活塞1的轴线Ⅹ-Ⅹ的一个子午面上开有另一槽40，此子午面位于接触线33或接触带34之上或位于接触带34的上边限上。至少在头部5垂直于活塞1的轴线Ⅹ-Ⅹ的一个平面上开有另一槽41，该平面位于接触线33或接触面34之下或位于接触带34的下边限上。其它槽42也可在接触带34之下的各子午面上开设。作为一个改进，也可在罩9的内表面9b上开设槽39，40和41，其分布与连杆头部5的槽分布至少在当连杆6与活塞1校准时是一样的。

按照图11中所示的配置，罩9的厚度足够小且制造罩9的材料柔性足够好，从而其准半球形的上部9a，9b在当作用于活塞1上的合力为最大时由弹性变形而非常完美地与连杆的头部5之球形外部贴合，这样可驱赶包在间隙36中的润滑油使其穿过所述的接触线33或接触带34而在出油区38附近形成一个静液压油膜，同时罩9的刚性又要足够大以保证在作用于活塞1上的合力为最小时罩9能 恢复原形，为得是引起间隙36中的油压降至低于由单向的润滑油输送装置通过单向阀35的供油压力。

在活塞的往复运动期间，罩9的准半球部就这样起着一个薄膜泵的膜片的作用，因罩9的弹性变形，此泵在间隙36变大时吸入而在间隙36收缩时泵出。

此时，罩9可按下述方式成形：

a）当罩静止时，其上端部具有一个准半球形状时，罩9可由冲压模冲压成所需形状，此时，可将连杆头部5加工成精确球形（当然其下部与连杆6的连接部除外）。

此解决方案的缺点是间隙36此时相对活塞1固定，并需要开槽以从出油口向此间隙送油，出油口则相对连杆6固定。

b）当罩在静止时其上端部具有一个半球形状时，连杆头部5可加工成使间隙36在出油口附近形成。这次加工可由车床加工一个旋转体来完成，如可用一台数控机床来加工。此时可省去前面提及的供油槽。

按照在图12至15中给出的第二种配置，单向在压力下输送油的装置可由一个在连杆6和其头部5的组件之中配置的活塞泵构成，此泵通过进油阀43吸入油并将其通过所述单向阀35泵出。

在一有优点的结构中，所述泵由可变容积且位于进油阀43和单向阀35之间并由连杆体6限定的空腔44构成，连杆6的上部45形成一个活塞并在一个位于连杆头部5中的孔46中轴向可滑动。在连杆体6和连杆头部5之间插入一个弹簧。

弹簧被压缩时，至少在一段工作气体的压缩-膨胀周期中，足以使位于两阀35，43间的泵腔44中的油压超过间隙36中的油压，弹簧足够长以确保其相对压缩不会超过制造弹簧材料的弹性变形 和疲劳极限，弹簧的韧性足够好使得在活塞1上的合力为最大时弹簧可被压缩到连杆头部5的支承面和连杆体6接触;同时其刚性要足以保证在活塞1上的合力最小时弹簧可以展开。

按照图14中给出的最简实施例，所述的弹簧是个简单的盘形弹簧47。连杆头部5脱离连杆6方向的移动由机械装置（未画出）限位。

按照图13至15中所示的更详尽的实施例，所述弹簧由一金属杆构成，最好由金属钛制成。

按照图13中的实施例，用标号48表示的金属杆是管状的且套在连杆6的端部45上。端部45比邻近的连杆体6的直径小从而形成一个环状台阶49以承受管状杆48的一个轴向端部。

按照图15中给出的一个变形，用标号50表示的金属杆除了一个轴向的油道51外是实心的，油道51贯穿杆50成为连杆6中油道14的延伸。

无论采用何种实施方案，杆48或50的相对收缩在0.25%的数量级上，其横截面之最佳值约为活塞1横截面的3%左右。

一根像48或50这样的金属杆通常被认为是刚性的，如其横截面相对作用于其上的压力足够小时可以起类似弹簧的作用，但横截面又得足够大以保持金属杆处于其材料的弹性压缩域内。金属杆比起图12中弹簧47的长处是体积和有害的空间小。优先选取金属钛而不是钢是基于钛的杨氏模量（11.3×105巴）约为钢的一半（22×105巴）这一事实作出的判断。对于一个给定的压力，杆48或50的压变形位移是用钢制的杆的两倍，或对于一个给定的压变形位移，用钛制的杆长仅为钢制的杆长的一半。