[0002] 本申请要求2016年3月23日提交的美国
发明申请
专利号15/078,813的权益，其全部内容通过引用而并入本文。
技术领域
[0003] 本发明总体上涉及用于
内燃机，特别是柴油
发动机的活塞，更具体地涉及具有油道的活塞。
背景技术
[0004] 在内燃机应用中，特别是对于
柴油发动机，已知的是，为活塞提供形成有为冷却油而设的封闭通道的主体。油通过通道循环并冷却活塞的部分，这些部分容易受到
燃烧热的损坏。活塞燃烧碗周围的外缘特别容易在
过热时损坏。
[0005] 冷却通道通常是环状或环形的，具有恒定的横截面，并且设置在
活塞环形带内并且邻近活塞体的顶壁和外缘。该通道由靠近燃烧碗的内壁界定。油道可以是敞开的也可以是封闭的。如果是封闭的，通道在底部由底壁封闭。对于封闭的通道，可以在底壁中设置入口，用于将冷却油接收到通道中，或者可以通过其他装置将冷却油供应到通道。
[0006] 传统上，柴油发动机的燃烧碗具有圆形对称形状并且具有从外缘到凹陷中心部分的光滑不间断表面。然而，今天，新碗设计成具有非传统或复杂的形状。应当理解，这些非传统形状用于更有效地燃烧
燃料并且具有较少的不良排放。然而，复杂的碗形状使得传统活塞通道的碗和外缘的冷却更加困难。利用
车削操作的传统机加工将不会提供具有与复杂形状的燃烧碗类似或相应的复杂形状的油道。
[0007] 如果燃烧碗和油道之间的结构差异产生具有显着不同厚度的壁，或者太厚的壁不能被在油道中循环的油充分冷却，那么可能在材料中可能过热的地方出现活塞中的“热点”。热点区域可能在活塞中产生薄弱点，材料可能在该处破裂或失效。如果活塞发生故障，则会产生发动机故障，从而导致较多
费用，并且可能需要车辆的新发动机。
发明内容
[0008] 本发明的一个方面提供了一种用于内燃机的活塞，该活塞形成有复杂的燃烧碗设计，以减少过热问题。活塞包括从外缘悬垂的环形带的上部，以及从与环形带相对的外缘向内悬垂的燃烧碗。燃烧碗包括至少一个突起，并且通常是围绕中
心轴线沿周向彼此间隔开的多个突起。活塞的下部构件包括连接到环形带上部的环形带下部。下部构件还包括从环形带悬垂的
侧壁，并且侧壁通过具有销孔的
活塞销凸台彼此间隔开。
[0009] 本发明的另一方面提供一种制造活塞的方法。该方法包括提供上部冠构件，该上部冠构件包括围绕中心轴线周向延伸的外缘、从外缘向内悬垂的燃烧碗以及从与燃烧碗相对的外缘悬垂的环形带上部。燃烧碗包括至少一个突起。该方法还包括提供下部构件，该下部构件包括环形带下部和从环形带悬垂的侧壁，侧壁通过具有销孔的活塞销凸台彼此间隔开；以及将环形带下部连接到环形带上部。
附图说明
[0010] 当结合以下详细描述和附图考虑时，将更容易理解本发明的这些和其他特征和优点，其中：
[0011] 图1示出了一个示例性
实施例的具有封闭油道的活塞。
[0012] 图2A、2B和2C示意性地示出了复杂燃烧碗的三个示例。
[0013] 图3是活塞冠的示意性平面图，描绘了燃烧碗的代表性复杂形状。
[0014] 图4是沿着线4-4并沿箭头方向截取的如图1所示的活塞冠的横截面。
[0015] 图5是在机加工车削油道的至少一个表面之后，类似于图4的活塞冠的另一个横截面。
[0016] 图6是本发明的系统和方法的实施例的
流程图。
[0017] 图7是另一示例性实施例的包括具有复杂形状的燃烧碗的活塞的立体图。
[0018] 图8是图7的活塞的上部冠构件在连接到下部构件之前的横截面。
[0019] 图9是在将上部冠构件连接到下部构件之后的图7的活塞的横截面图。
[0020] 图10是用于形成图7的活塞的示例方法的流程图。
具体实施方式
[0021] 如图1所示，如果燃烧碗具有复杂形状，则可以使用本发明的代表性活塞100。活塞100包括活塞冠构件10和下部构件102，下部构件102包括侧壁104和活塞销凸台106。活塞冠
10和下部构件102优选地通过
摩擦焊接牢固地固定在一起，以形成完整的活塞100。
[0022] 活塞100具有油道，油在其中循环，以便将活塞，特别是上表面、燃烧碗和外缘的
温度保持在可接受的温度限制内。油道包括位于冠构件10中的油道通道105。如本领域所公知的，油道可以敞开或封闭。如果封闭，则油道的底壁通常作为下部构件102的一部分包括在内。
[0023] 具有代表性复杂燃烧碗12的活塞冠构件10在图3中示出。碗12的形状基本上是具有四个侧面15、16、17和18的正方形形状。在所示的形状中，侧面是直的，具有圆
角21、22、23和24。
[0024] 应当理解，燃烧碗的形状和侧面15-18的线性仅仅是复杂燃烧碗的一个示例。根据本发明，燃烧碗可具有任何周边或内部形状，具有任何数量的侧面或侧面部分。侧面和内表面也可以具有任何形状，例如如图所示是笔直的或弯曲的或弧形的，并且可以具有笔直的、弯曲的或弧形的部分(section或portion)，或者具有隆起、突起、凹陷、肋等。另外，角部21-24或侧部之间的交叉处或接头可以具有任何形状，并且可以突出到碗中或者从碗中凹进。
[0025] 如图2A所示，
活塞碗的形状在其外周可以是复杂的，如图2B所示，在碗的径向内部区域是复杂的，或者如图2C所示，相对于外周和内部区域都是复杂的。图2A、2B和2C代表这三种一般类型的复杂形状燃烧碗。本发明提供了一种油道和油道通道，其可以容纳具有这种复杂形状的燃烧碗。
[0026] 活塞冠和整个活塞由
钢材制成。活塞冠10的形状通过锻造工艺形成。
[0027] 根据本发明的示例性实施例，活塞冠中的油道通道通过与燃烧碗或其部分相同的工艺制成。在所示的实施例中，油道通道通过锻造工艺制造，然后进行机加工工艺。
[0028] 根据示例性实施例，用于形成燃烧碗的锻模和用于形成油道通道的锻模具有相应的形状。两个模具具有相似的直线部分和相似的彼此对应的弯曲部分。
[0029] 在锻造工序之后的活塞冠10的横截面在图4中示出。锻造工艺形成环形凹槽30，其不必具有圆周均匀宽度“W”或均匀深度“D”。在燃烧碗的侧面离活塞冠的外表面最远的部分中，凹槽30的宽度更大。这些区域由图3中的数字40表示。类似地，凹槽30最窄的区域位于侧部之间的拐角处或交叉处。
[0030] 由锻造制成的凹槽30的深度D取决于锻造工艺中使用的模具。锻造模具可以穿透钢冠构件的深度存在实际限制，并且在需要更换或
翻新之前仍然可以重复使用。
[0031] 作为根据本发明的示例性实施例的形成油道的后续步骤，油道的形状机加工成图5中所示的形状。在机加工工序的一步中，由构件50表示的机加工工具插入通过锻造工艺形成的油道30中(沿箭头52的方向)，并用于
抛光油道通道的外表面并形成完全围绕碗的环形凹槽60。这种机加工车削将油道通道延伸进活塞冠的上游(在顶部环形凹槽附近并邻近活塞的顶表面或外缘80)。完全机加工的凹槽60延伸到锻造工序中制造的初始通道30上方。
[0032] “加工车削”或仅仅“车削”是一种机加工工艺，其中切削工具，通常是非旋转刀具，在
工件旋转时例如在
车床上线性移动。“机加工车削”可以指在工件的内表面或外表面上的这种切削或精加工操作。在机加工其上的油道通道的一些表面时，机加工车削抛光或形成内表面。
[0033] 机加工车削工艺还可用于机加工和抛光油道通道30的一些内表面，例如表面31。由于油道中的复杂形状以便遵循燃烧碗的复杂形状，在锻造工艺中可以通过锻模在通道表面内部形成多个隆起或凹陷。由于在机加工工艺中使用的车削工序，在该步骤中凹陷和隆起之间的区域未抛光(即未机加工)。图5中的内道通道表面32和33未抛光并且在锻造后保持其原始状态。
[0034] 在图3中，抛光的环形凹槽60的外周由虚线60'表示。另外，复杂形状的油道(例如表面31)的内部抛光表面由隐藏线30'表示。未抛光的区域(例如凹陷)由图5中的附图标记32和33表示。具有图4所示形状30的油道通道可以由锻模形成。
[0035] 在典型的锻造操作中，将在另一锻造模具在活塞冠构件的上表面或上侧形成复杂形状的燃烧碗的同时，形成在活塞冠构件10的下表面中的油道通道。
[0036] 本发明的方法提供了一种用于活塞的环形油道，其具有与复杂形状的燃烧碗的外周形状类似或基本相同的周边内部形状。这最小化了油道和燃烧碗12之间的壁区域70的厚度，并使围绕燃烧碗外部的壁厚均匀。由于锻造和机加工工艺的实际限制，所有壁的厚度在燃烧碗的圆周周围不会完全相同。然而，本发明使壁厚70在整个油道周围尽可能薄且均匀。这允许在活塞抛光时引入油道中的油将碗壁表面和外缘80的温度保持在适当的限度内并避免有害的热点。
[0037] 利用本发明，最小化或消除可能产生热点的厚壁部分。过热的活塞区域(也称为“热点”)会产生可能破裂或失效的薄弱点。活塞以这种方式失效可能导致昂贵的维修，并且可能导致更换发动机。
[0038] 当壁具有均匀的厚度并且相对较薄时，可以提供对活塞的优选冷却。具有较薄壁的活塞也具有较小的重量，这对发动机提供较小的应变。这样可以获得更好的
汽油里程和更少的有害排放。
[0039] 图6呈现了在活塞冠中形成油道通道的示例性方法的流程图108，其在形状上对应于活塞冠中的复杂燃烧碗的形状。首先，活塞冠构件由钢材110制成。这可以通过任何传统的制造工序来完成。
[0040] 然后，在活塞冠构件112的顶部或上表面中形成复杂形状的燃烧碗。该步骤通过钢锻造工艺形成。
[0041] 在同一时间或之后，油道通道30形成在活塞冠构件的下表面或下侧，其形状类似于或对应于燃烧碗的形状。这在框114中示出。该步骤也通过锻造工艺进行，并且优选地与锻造碗同时进行。
[0042] 最后，机加工抛光116活塞冠构件中的油道通道，以扩大其尺寸并使其更靠近活塞冠构件和燃烧碗的外缘80。在该步骤中，通过切削工具形成环形凹槽60，并且可以通过机加工车削操作抛光的通道的其他表面(即除凹陷和隆起之间的区域之外)可以根据需要抛光。
[0043] 具有复杂的燃烧碗212的另一示例性活塞200总体上在图7-9中示出。示例性活塞210的冠构件210通过锻造制造，以形成复杂的燃烧碗212。冠构件210包括围绕中心轴线周向延伸的外缘280。燃烧碗212从外缘280向内悬垂，并包括从外缘280向内延伸的至少一个突起226。在图7-9的该示例性实施例中，燃烧碗212包括彼此相对设置的一对突起226。或者，活塞200可包括更多数量的突起226，例如四个、五个到八个或多达十个突起226，它们沿外缘280沿周向彼此间隔开。在示例性实施例中，突起226的尺寸相等，突起226彼此间隔相等的距离，并且每个突起226从外缘280延伸到燃烧碗212的基部。然而，突起226可以包括不同的尺寸和形状，并且可以间隔不等的距离。在图7-9的示例性实施例中，燃烧碗212的基部从突起226向上延伸，以在中心轴线处形成
顶点。然而，燃烧碗212可包括其他形状。该示例性实施例的突起226还在外缘280和燃烧碗212的基部之间呈现尖点，并且突起226之间的空间呈现凹面。
[0044] 冠构件210还包括与燃烧碗212相对的顶部底面表面231。位于与突起226相对的顶部底面表面231的部分保持锻造状态，并且顶部底面表面231的与突起226之间的空间相对的部分被机加工。机加工部分是最终形成油冷却通道230的一部分的部分。包括多个环形凹槽的环形带228的上部从与燃烧碗212相对的外缘280悬垂。内肋238的上部从顶部底面表面231向下延伸并围绕中心轴线周围。图8是在将冠构件210连接到下部构件202之前的冠构件
210的横截面。
[0045] 图7-9的示例性活塞200的下部构件202包括环形带228的下部，该下部呈现多个环形凹槽并且连接到环形带228的上部。活塞200的下部构件202还包括内肋238的下部，其连接到内肋238的上部。在示例性实施例中，混合感应焊接用于将冠构件210连接到下部构件202。图9是在连接步骤之后冠构件210和下部构件202的横截面。然而，可以使用其他连接方法，例如
摩擦焊接、
激光焊接、其他焊接技术或胶合。下部构件202还包括从环形带228延伸到内肋238的下壁242。环形带228、下壁242、内肋238和顶部底面表面231一起在它们之间形成冷却通道230，冷却通道230围绕活塞200的中心轴线周向延伸。活塞200的下部构件202还包括从环形带228悬垂的侧壁204，并且侧壁204通过介于其间的活塞销凸台206彼此间隔开。每个活塞销凸台206形成有销孔244。
[0046] 本发明的另一方面提供了一种制造图7-9中所示的示例性活塞200的方法。图10是列出制造示例性实施例的活塞200的一般步骤的流程图。在该示例性实施例中，该方法从锻造诸如钢的金属材料开始，以形成上部冠构件210。锻造步骤包括形成外缘280和燃烧碗212，燃烧碗212包括沿外缘280沿周向彼此间隔开的至少一个突起226或多个突起226。上部
冠部件210也锻造成包括环形带228的上部，该上部从与燃烧碗212相对的外缘280悬垂。根据示例性实施例，锻造步骤包括在高于950℃的温度下进行
热锻或在750至950℃的温度范围下进行温锻。同样根据示例性实施例，在锻造步骤期间形成复杂燃烧碗212之后，不进行燃烧碗212的进一步机加工。然而，外缘280部分机加工，并且燃烧碗212可以可选地在燃烧碗212的一些区域中机加工。下部构件202可以通过锻造、
铸造或其他方法形成。
[0047] 该方法还包括在将冠构件210连接到下部构件202之前，机加工位于与锻造冠构件210的燃烧碗212相对的顶部底面表面231的部分。在示例性实施例中，该方法可以包括部分机加工顶部底面表面231的将形成油冷却通道230的部分。而且，根据示例性实施例，顶部底面表面231的机加工部分位于与突起226之间的空间相对的
位置。位于与突起226相对的顶部底面表面231的部分保留为锻造和未机加工。该方法还可以包括围绕活塞200机加工环形凹槽260。如图9所示，机加工的环形凹槽260位于环形带228附近。
[0048] 在机加工步骤之后，该方法包括将上部冠构件210连接到下部构件202。连接步骤包括将内肋238的下部连接到内肋238的上部，将环形带228的上部连接到环形带228的下部，从而在内肋238、环形带228、下壁242和顶部底面表面231之间形成冷却通道230。
[0049] 示例性方法包括混合感应焊接，以将上部冠构件210连接到下部构件202。混合感应焊接技术包括通过
感应加热构件202、210，并且在连接之后立即围绕中心轴线使构件202、210相对于彼此旋转小于360°。在混合感应焊接步骤结束时，至少一个突起226或多个突起226位于相对于销孔244的特
定位置。然而，将冠连接到下部构件的方法可替代地包括其他焊接技术，例如摩擦焊接或激光焊接或胶合。
[0050] 尽管已经关于示例性实施例描述了本发明，但是还应该理解，本发明不限于此，因为可以在其中进行在下列
权利要求的全部范围内的改变和
修改。
[0051] 可以预期，所有权利要求和所有实施例的所有特征可以彼此组合，只要这种组合不会相互矛盾。
