專利名稱:自密封活塞及方法
本申請(qǐng)是1985年8月19日拉爾夫·G·摩加杜提交的，題為“內(nèi)燃機(jī)用自密封活塞”的767，140號(hào)申請(qǐng)的續(xù)篇。
本發(fā)明涉及用于諸如泵、壓縮機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)等變?nèi)莘e往復(fù)式機(jī)械的活塞和連桿。
在應(yīng)用往復(fù)活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)或泵上，標(biāo)準(zhǔn)活塞的主要缺點(diǎn)是其重量。往復(fù)運(yùn)動(dòng)使活塞經(jīng)常并突然改變方向，它向連桿、軸承和氣缸壁施加極大的負(fù)荷。連桿上的慣性力以及在其整個(gè)循環(huán)中用于活塞加速和減速的能量藉活塞重量之降低而直接降低。
其次，連桿承受了最大范圍的往復(fù)應(yīng)力，包括因活塞改變方向而生的壓縮負(fù)荷和慣性力。這些應(yīng)力每秒數(shù)倍地變化。有些應(yīng)力與活塞連桿的重量以及速度的變率成正比。降低了連桿和活塞的重量，改變方向所需之力便直接降低。而且，一般的連桿短是因?yàn)橐B接于活塞環(huán)下面的活塞下部。當(dāng)活塞在氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，連桿擺動(dòng)并在氣缸壁上產(chǎn)生側(cè)向力。
標(biāo)準(zhǔn)活塞的另一個(gè)主要缺點(diǎn)是需用活塞環(huán)以密封活塞與氣缸壁之間的空間?；钊h(huán)具有內(nèi)在的設(shè)計(jì)和功能問題，包括活塞改變方向時(shí)環(huán)在其槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞沿氣缸運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)造成環(huán)的瞬間失封。
而且，活塞環(huán)具有在活塞上裝配以及保持張力頂住缸壁實(shí)現(xiàn)密封所必須的縫。氣體產(chǎn)生的壓力借助活塞上面的壓力迫使氣體通過這些縫，因此降低了效率并在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)增加了污染物的排出。
而且，活塞為裝環(huán)而進(jìn)行的機(jī)械加工、環(huán)的制造以及裝環(huán)或換環(huán)所需的勞力均增加了一般往復(fù)活塞機(jī)械的成本。
標(biāo)準(zhǔn)活塞通過活塞銷連接連桿，它顯著地增加了組件的重量，并在活塞的裙部或側(cè)壁需要活塞銷凸臺(tái)。這些凸臺(tái)又增加了重量并促使連桿的應(yīng)力增加。
標(biāo)準(zhǔn)活塞通過活塞環(huán)和潤(rùn)滑油將其大量的熱傳輸給氣缸壁。通過活塞裙部傳輸給氣缸壁的熱非常小。由于近活塞銷凸臺(tái)處需較多材料而離凸臺(tái)處材料較少，標(biāo)準(zhǔn)活塞裙部通過昂貴的機(jī)械加工制成非圓形以適應(yīng)不均勻的膨脹。
而且，活塞在氣缸壁上滑動(dòng)產(chǎn)生的阻力引起摩擦發(fā)熱和功率損失?；钊钠渌O(shè)計(jì)雖有公開，但限制嚴(yán)格，且涉及氣缸壁、曲柄銷、球窩接合、密封、復(fù)雜的加工和裝配要求及其他方面的改進(jìn)。(例如可見美國專利1，467，066;2，023，466;2，136，416;2，284，645;2，329，480;2，710，137;2，985，358;3，078，033;3，082，935;3，523，001;3，695，150;3，716，310;4，142，500;4，178，899;4，246，833;英國專利529，885;和法國專利1，133，388。
根據(jù)本發(fā)明提出的一種活塞更輕，自密封，較易更換，價(jià)廉，沖程和孔徑相同時(shí)容積效率可比一般活塞大。而且本發(fā)明的活塞可做得更短并裝于較小、價(jià)廉、較輕和工作速度較高的機(jī)械而不會(huì)損壞?；钊哂幸粋€(gè)截?cái)嗟那蛎婊驒E圓面，它剛性連接連桿以在缸內(nèi)作擺動(dòng)滑動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞擺動(dòng)和滑動(dòng)時(shí)，在活塞和氣缸之間保持一個(gè)連續(xù)周邊接觸的平面。
圖1 是一般發(fā)動(dòng)機(jī)的側(cè)視剖面圖，活塞在沖程的中間;
圖2 是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的活塞和連桿的局部四開斷面?zhèn)纫晥D;
圖3 是圖2活塞和連桿拆開后的局部透視圖;
圖4 是圖2活塞和連桿拆開后的二開斷面?zhèn)纫晥D;
圖5 是本發(fā)明活塞的一個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)二開斷面?zhèn)纫晥D;
圖6 是圖5中活塞的透視頂視圖;
圖7 是本發(fā)明活塞的一個(gè)實(shí)施例的透視底視圖，根據(jù)本發(fā)明，活塞具有用作傳熱機(jī)構(gòu)的腹板;
圖8 是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的活塞的剖面透視圖，活塞具有使其保持柔性的同心槽;
圖9 是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的活塞的剖面透視圖，活塞沿其下邊具有一加強(qiáng)梗;
圖10，11，12和13是活塞在氣缸中運(yùn)動(dòng)時(shí)，本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的四個(gè)順序的側(cè)視圖;
圖14是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視剖面圖，它用于內(nèi)燃機(jī);
圖15是根據(jù)最佳實(shí)施例的活塞的剖面透視圖;
圖16是圖15中活塞的底視平面圖;
圖17是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的橢圓形活塞的底視平面圖;
圖18是根據(jù)本發(fā)明的另一種橢圓形活塞的底視平面圖;
圖19是圖18中活塞的簡(jiǎn)化透視圖;
圖20是描述橢圓形缸孔成形方案的簡(jiǎn)化頂視圖;
圖21是橢圓形缸孔成形裝置的簡(jiǎn)化頂視圖。
首先參閱圖1所示的一般活塞和連桿，圓柱形主體2通過活塞銷6連接連桿4，活塞銷在其每一端用彈簧夾8固定以防止從活塞2中滑出。連桿4的下端用一可拆卸的夾持件12連接于曲軸18的曲柄銷16。夾持件12用螺栓10和螺母14連接連桿4并圍繞曲柄銷16。平衡重20裝于曲軸18上曲柄銷16的對(duì)面。
活塞2在氣缸22內(nèi)垂直滑動(dòng)。活塞2的頂側(cè)26是硬的和平的。活塞2的上部有三個(gè)活塞環(huán)28，30，32，置于在活塞2上加工出來的槽36內(nèi)。環(huán)28，30，32有縫?；钊?的下部是活塞裙部38，其近活塞銷6之處較厚，而在繞其圓周的別處較薄。
這種一般的活塞須用活塞環(huán)28，30，32，因其有縫34而漏氣并異致功率損失，由于須用活塞銷6而使活塞2的重量和費(fèi)用大大增加?；钊?也必須具備裙部38以在氣缸22內(nèi)保持活塞2垂直，這又增加了活塞2的重量。裙部38也增長(zhǎng)了活塞，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸22下面須加長(zhǎng)以適應(yīng)處于行程最低位置時(shí)的活塞。由于活塞環(huán)28，30，32在其槽36內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并且活塞2輪流地在其向下行程時(shí)推撞氣缸22的一側(cè)而在其向上行程時(shí)推撞另一側(cè)，活塞2在循環(huán)時(shí)會(huì)在氣缸22內(nèi)顯著搖擺。這種活塞散熱差，因?yàn)樗容^大而不易被由下而上飛濺的潤(rùn)滑油冷卻，而且因?yàn)榕c氣缸22和活塞2接觸面積小的活塞環(huán)基本上是從活塞2到氣缸22唯一的連續(xù)接觸導(dǎo)熱通路。
現(xiàn)參閱圖2所示的實(shí)施例，它表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)活塞40和一個(gè)連桿42?；钊?0為一球截體，它在圓截面的氣缸22內(nèi)往復(fù)?；钊?0的球形外壁60跨于氣缸22的內(nèi)壁24并與之接觸。連桿42的一端剛性固定于活塞40，而其另一端可轉(zhuǎn)動(dòng)地連接曲軸18的曲柄銷16。可分開的夾持件48用螺栓50緊固于連桿42并保持在曲柄銷16上?；钊?0和連桿42用曲軸18上加工過的配重56平衡。
如圖5所示，活塞40的外側(cè)壁60具有一個(gè)截?cái)嗷蚯袛嗲蛎娴妮喞?，其直徑基本上等于氣?2的內(nèi)徑。上壁或頂壁58可以是平的，如圖2所示，亦可從截?cái)嗟钠矫嫔贤钩?，以與氣缸頭39的內(nèi)輪廓形狀一致，如圖14所示?；钊麄?cè)壁60的下邊具有一個(gè)向中心傾斜的短斜面62。如圖2所示，該斜面62與外側(cè)壁60的球形輪廓構(gòu)成一條明顯的“轉(zhuǎn)折線”64?；蛘?，該表面62也可藉僅僅減小活塞球形外壁60的半徑連續(xù)地接近下邊形成，理由后述。
圖3表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的活塞和連桿的部份透視圖?；钊?0已從連桿40上拆下。活塞40和連桿42可藉連桿42頂部陽螺紋部份76與活塞心柱70的陰螺紋部份配合連接，心柱70位于活塞空心內(nèi)部頂部下側(cè)面的中央。心柱70的下邊有一斜肩72，而連桿42在其陽螺紋部份76的下面有一配合肩78。連桿42上肩78的上表面80向下向連桿42的中心傾斜，用來配合活塞上的斜肩72，以在活塞40和連桿42擰在一起時(shí)將它們鎖住。連桿42的中心可以掏空77以減輕重量。連桿42的下端有一圓形開口82，它以一般的方式連接標(biāo)準(zhǔn)曲軸的曲柄銷。
圖4是拆開的活塞40和連桿42的完全剖開圖?；钊膬?nèi)側(cè)壁87可與活塞外側(cè)壁60的輪廓和傾斜裙部62一致，考慮強(qiáng)度并促進(jìn)向側(cè)壁傳熱，活塞頂可以比側(cè)壁86厚。內(nèi)頂壁90可按照外頂壁58的輪廓。圖4示出了斜肩72和在連桿上與其配合的上斜面80。在連桿下部曲柄銷開口82的兩側(cè)有螺紋孔84，用以接納將可拆卸下件48連接連桿42主體的螺栓50。
現(xiàn)參閱圖5的剖視圖，活塞40的結(jié)構(gòu)用剖面?zhèn)纫晥D表示。外側(cè)壁60或活塞裙部40呈球形，如點(diǎn)劃線100所示。上頂壁58可以是平的，它由基本上平行于直徑線或最大直徑的平面106的上截?cái)嗑€或平面102確定?；蛘撸?8可以從截?cái)嗝嫔贤钩?，如圖14所示。下邊101由基本上平行于線或面106的下截?cái)嗑€或面104確定。截?cái)嗝?02，104不必自直徑線或面106等距離。心柱70可位于切開球面100的垂直中線108，而側(cè)壁86具有基本上按照外壁60輪廓的內(nèi)壁87。轉(zhuǎn)折線92以下的內(nèi)壁輪廓基本上與轉(zhuǎn)折線64以下的外壁輪廓一致。
圖6是從活塞上面看頂壁58，活塞側(cè)壁60和導(dǎo)油斜面62的活塞透視圖。圖7是活塞40的下側(cè)透視圖。垂直翅片160沿活塞頂58的底側(cè)(即活塞頂板90)從活塞心柱70向內(nèi)側(cè)壁87四面伸展。圖8是活塞40底側(cè)的部份剖視圖，表示活塞頂板90上面繞活塞心柱70同心布置的同心翅片170。圖9表示沿活塞側(cè)壁60內(nèi)底邊材料特厚180的活塞40。
圖10，11，12和13表示曲軸18每轉(zhuǎn)90°活塞40和連桿42在氣缸22中的四個(gè)行程位置。在圖10中，活塞40有三條表示氣缸壁和活塞裙部之間連續(xù)接觸面的線140，141，142。這些平面通過活塞40垂直中心線145上的單點(diǎn)144。線142表示當(dāng)活塞位于上死點(diǎn)時(shí)經(jīng)過活塞最大直徑的水平接觸面。平面140和141與平面142的夾角取決于活塞40在氣缸22內(nèi)往復(fù)時(shí)的最大傾斜角度?；钊谏纤傈c(diǎn)時(shí)，活塞對(duì)氣缸接觸的連續(xù)圈幾乎是在活塞裙部的中間，而潤(rùn)滑縫146繞活塞40是一致的。
圖11表示曲軸轉(zhuǎn)了90°，活塞幾乎是最大的傾斜，而線140表示仍是水平的連續(xù)周邊接觸面。在以線140表示的平面中的活塞對(duì)氣缸周邊接觸被定位于靠近活塞40裙部長(zhǎng)度的直徑極端。潤(rùn)滑縫146在活塞40的一側(cè)減小而在另一側(cè)增大。
圖12表示曲軸18總共轉(zhuǎn)了180°，并且活塞40在下死點(diǎn)。用線142表示的連續(xù)周邊接觸面保持水平并幾乎定位于活塞裙部的中間。潤(rùn)滑縫146繞活塞40是一致的。
圖13表示曲軸18總共轉(zhuǎn)了270°，活塞40在其向上行程中幾乎是最大的反相傾斜，而線141表示的連續(xù)周邊接觸面仍保持水平。在以線140表示的平面中的活塞對(duì)氣缸周邊接觸被定位于靠近活塞40裙部長(zhǎng)度的反向直徑極端。潤(rùn)滑縫146在圖11中增大的一側(cè)減小，而在圖11中減小的一側(cè)增大。
很明顯，由線或面140和141組成的“X”圖形劃出了活塞40在氣缸22內(nèi)的滑動(dòng)磨損面。活塞40的裙部長(zhǎng)度因此要做得比交叉線或面140和141對(duì)著的弧長(zhǎng)。內(nèi)頂板90在“X”圖形140，141對(duì)著的弧之上開始，而導(dǎo)油斜面62在“X”圖形140，141對(duì)著的弧之下緊靠“X”圖形下極端的位置上開始。
再參閱圖2，表示活塞40和連桿42互相剛性連接以在氣缸22內(nèi)作往復(fù)和擺動(dòng)運(yùn)行。在一般內(nèi)燃機(jī)上有一氣缸頭，它在活塞上面構(gòu)成燃燒室，上壁58面對(duì)氣缸內(nèi)膨脹的氣體，而側(cè)壁60接觸氣缸壁24以密封活塞40上面的膨脹氣體?；钊?0下行時(shí)擺動(dòng)，因?yàn)檫B桿42的下端藉曲軸18的曲柄銷16作圓形行走。擺動(dòng)時(shí)活塞40的連續(xù)周邊面始終與氣缸壁24保持基本垂直，因?yàn)橥鈧?cè)壁60是做成球形的，而在活塞擺動(dòng)時(shí)，活塞對(duì)氣缸壁接觸的平面66沿側(cè)壁60在“X”圖形的范圍內(nèi)作位置變化。因此活塞40基本上構(gòu)成了整體的360°的無縫‘油環(huán)’。當(dāng)然，活塞40在氣缸內(nèi)類似的密封作用也存在于流體在活塞頂58上面封閉和壓縮的壓縮機(jī)或泵的運(yùn)行中。
側(cè)壁60要做得夠薄以允許活塞因氣體膨脹或壓縮的熱量而膨脹時(shí)作輕微變形。側(cè)壁60做得很薄也是為了用從下向上飛濺的潤(rùn)滑油更快地冷卻，而且因?yàn)楸”诘呐蛎浶∮诤癖?。因此活?0在其熱態(tài)和冷態(tài)之間的直徑差很小，并能保持精密的公差。
潤(rùn)滑油必須保持在氣缸壁24上面以把摩擦降至最小并維持氣缸壁24與活塞側(cè)壁或裙部60之間的連續(xù)密封。為此，活塞40在其下邊附近具有導(dǎo)油斜面62，油從曲軸箱被拋向氣缸壁24和外側(cè)壁或裙部60上“X”圖形的下部。
根據(jù)本發(fā)明者的活塞40和連桿42的結(jié)構(gòu)和操作與圖1所示標(biāo)準(zhǔn)活塞2的差別現(xiàn)可理解。標(biāo)準(zhǔn)活塞2在氣缸22內(nèi)不擺動(dòng)。它具有三個(gè)分開的環(huán)28，30，32(具有安裝和膨脹縫34)，用以保持氣缸壁24和活塞2之間的密封，以及在活塞2下行時(shí)將油從氣缸壁24上擦去。相反，本發(fā)明活塞40的裙部60本身構(gòu)成了360°的整體密封而無活塞環(huán)。而且，標(biāo)準(zhǔn)活塞2具有長(zhǎng)的活塞裙部38和連接連桿4的活塞銷6，它要用長(zhǎng)的裙部在氣缸內(nèi)導(dǎo)向?；钊虼溯^重并用較長(zhǎng)的氣缸操作。由于活塞40比標(biāo)準(zhǔn)活塞2輕，其平衡重56可以做得比標(biāo)準(zhǔn)活塞的平衡重20小而輕。
圖7表示翅片160剛性連接心柱70并輻射狀向外伸展。這些翅片可與心柱70和上內(nèi)壁90整體形成以冷卻上壁，減少彎曲和膨脹，以及增加心柱70和上內(nèi)壁90之間的支承和剛性。
圖8表示在上內(nèi)壁90上有同心翅片170的活塞40。采用這種翅片是允許上內(nèi)壁90輕微彎曲，并用作熱交換器，將活塞40的熱傳給潤(rùn)滑油。
圖9表示沿活塞側(cè)壁60的內(nèi)底邊具有特厚材料180的活塞40。該特厚材料用來加強(qiáng)活塞側(cè)壁60防止嚴(yán)重變形。
在圖10，11，12，13中由線或面140和141構(gòu)成的“X”圖形劃出了活塞裙部60在氣缸22內(nèi)的滑動(dòng)磨損面。內(nèi)上壁90位于“X”圖形140，141平面之上，而導(dǎo)油斜面62位于“X”圖形140，141平面之下。斜面62不得高于該界限的下部，因?yàn)闅飧妆?4和活塞40之間形成的密封在活塞40作最大傾斜時(shí)會(huì)受阻礙。而且斜面62不可顯著地低于“X”圖形的平面，因?yàn)檫@樣活塞就會(huì)過長(zhǎng)過重。斜面62也增大了活塞裙部60和氣缸壁24之間的有效通道146，潤(rùn)滑油在其內(nèi)近“X”磨損圖形處積累。活塞40作最大傾斜后，活塞壁對(duì)氣缸壁的油通道146隨著曲軸18的連續(xù)旋轉(zhuǎn)在活塞40的高側(cè)縮小。沒有斜面62，只是少量的油到達(dá)關(guān)鍵的磨損區(qū)域。斜面62提供了一條把油通往氣缸壁24的坡道。因此，根據(jù)本發(fā)明所述實(shí)施例的活塞-連桿組件提供了較輕較平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)裝置，由于活塞和氣缸壁之間的密封更佳，所以在行程和缸徑相同的條件下，其功率或壓縮效率更高，該組件較標(biāo)準(zhǔn)活塞組件更廉更易制造。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，如圖14所示，活塞的外上壁可用不平的形狀或輪廓以適應(yīng)氣缸的內(nèi)部形狀和閥門。例如，活塞的上壁可呈圓頂形，或采用一般的在二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上用的上伸折流頂。而且，上壁的厚度可以變化，并且可以在活塞頂?shù)牡讉?cè)和裙部的內(nèi)側(cè)采用一體形成的肋和腹板，以增強(qiáng)或阻延變形或熱膨脹并保證氣缸內(nèi)的正常配合。再者，連桿可剛性連接活塞，或在連接時(shí)用鍵軸代替螺紋配合。
現(xiàn)參閱圖14，它表示本發(fā)明自密封活塞的一個(gè)最佳實(shí)施例的部份剖面透視圖?；钊?51的頂可在上截?cái)嘀睆?53的面上升起或呈圓頂形，以與氣缸頭155內(nèi)表面的形狀一致，氣缸頭上裝有以一般方式分別開關(guān)的閥門158和162。按照本發(fā)明自密封活塞的本實(shí)施例具有若干與活塞裙部157內(nèi)面一體構(gòu)成的垂直方向的肋156，它基本上占了從內(nèi)活塞頂159到裙部下邊161的總長(zhǎng)度。其次，本實(shí)施例具有腹板163，它與中央心柱165和內(nèi)活塞頂159一體構(gòu)成，以輻射狀朝外伸向活塞裙部，每一腹板與一相應(yīng)的肋156連成一體以構(gòu)成從心柱165到裙部下邊161的連續(xù)脊167。近裙部的脊167的深度，至少是在“X”圖形內(nèi)的最大磨損區(qū)域中，是在內(nèi)活塞頂159和“X”圖形最下邊平面之間的距離的約四分之三和二分之一之間選擇。脊167的深度保證活塞在受熱受壓膨脹時(shí)其裙部的最下部保持足夠的柔性以維持與氣缸壁的連續(xù)周邊密封。脊167的深度可小于在“X”圖形171內(nèi)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)170的高度以在該點(diǎn)提供足夠的裙部柔性。為了控制裙部柔性，裙部?jī)?nèi)表面上的肋156從內(nèi)活塞頂159至裙部下邊161逐漸變細(xì)以在從活塞頂至下邊的裙部減低剛性(或提高柔性)。
現(xiàn)參閱圖15所示活塞的透視剖面圖，圖16所示活塞的底視平面圖以及圖14的剖面?zhèn)纫晥D，表示輻射狀向外伸展的腹板163與部份肋156構(gòu)成一體以形成從心柱165至活塞裙部下邊161的整體脊167，它們像輪子的輻條一樣繞心柱165均勻分布。這些脊是有意義的，因?yàn)榛钊纳媳砻?51受熱，而裙部基本上不受熱。在活塞頂經(jīng)受熱膨脹時(shí)，裙部較用力地壓向氣缸壁，它基本上圍繞作為支點(diǎn)的周邊接觸的中央平面，并使活塞的下邊161向里變形。延伸至下邊161的連續(xù)脊167限制了這種熱變形，保證整個(gè)裙部基本均勻地向外膨脹以在各種操作溫度下和在活塞相對(duì)垂直軸線傾斜時(shí)保持球形以及隨之而來與氣缸壁175的良好周邊密封。
應(yīng)當(dāng)注意，這些脊167自內(nèi)活塞頂159起逐漸減薄，以將熱量從活塞頂傳往裙部和氣缸壁175，并且向下傳給從下向上飛濺冷卻活塞的油。而且，脊163，167和肋156保護(hù)活塞的形狀，防止由于在作用于活塞頂氣體壓力的影響下施加于裙部側(cè)面的推力負(fù)荷而變形。而且，脊167保護(hù)活塞頂151在活塞頂上面氣體的膨脹或壓縮力作用下免受破壞?；钊共康谋谧詢?nèi)活塞頂159起逐漸減薄，以有助于從活塞頂向與活塞裙部接觸的氣缸壁175傳熱。
這些圖所示的肋156繞裙部的內(nèi)周邊一體構(gòu)成，沿其從活塞頂?shù)饺共肯逻呴L(zhǎng)度的斷面逐漸變細(xì)。這些肋以兩種方式增強(qiáng)從活塞頂?shù)膫鳠?。第一，?56從活塞頂傳熱給活塞裙部，再從裙部傳給氣缸壁175。第二，肋156具有相當(dāng)大的暴露于潤(rùn)滑油的表面面積，油從曲軸箱向上飛濺到活塞的下面，而在一個(gè)實(shí)施例中，用從空心連桿180經(jīng)噴口178噴出的高壓油在活塞下面向上噴射。潤(rùn)滑油將熱從活塞傳往氣缸壁和熱以一般方式在其中循環(huán)的其他較冷區(qū)域。這些肋156也控制活塞裙部的柔性，并如圖16所示，圍繞裙部的內(nèi)部均勻分布。
再參考圖14，應(yīng)當(dāng)注意，活塞頂?shù)男螤羁膳c燃燒室150的形狀基本一致，它取決于氣缸頭155的內(nèi)表面152。因此，活塞頂不必呈截?cái)嗥矫?即平的)，而可根據(jù)燃燒室成形的需要采用折流頂、凹頂、半球形頂或圓拱頂。用于發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，本發(fā)明的活塞和連桿的另一個(gè)好處是藉活塞在上死點(diǎn)時(shí)改變其傾斜角度在燃燒室150內(nèi)產(chǎn)生紊流，使空氣和燃料的混合物進(jìn)行更有效地燃燒。此外，當(dāng)活塞基本上保持在氣缸中的上死點(diǎn)位置附近時(shí)，由于活塞頂?shù)臄[動(dòng)，位于活塞中心兩側(cè)的閥門158和162可在曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)提前幾度從關(guān)閉位置開啟。
本發(fā)明的活塞可用旋鑄技術(shù)制造，活塞模子繞軸線旋轉(zhuǎn)，同時(shí)將熔化金屬(即鋁)經(jīng)垂直于模子旋轉(zhuǎn)軸線的澆口(它一般軸向?qū)?zhǔn)心柱165)注入模子。活塞是從模子內(nèi)朝上的頂側(cè)澆鑄。熔化金屬通過位于模子上面的坩堝容器底上與澆口精確對(duì)準(zhǔn)的孔澆注。坩堝容器的孔通常裝有閥門或閘門以供應(yīng)足夠體積的熔化金屬并完全灌滿模子和基本灌滿澆口。以這種方式用開式坩堝澆注的金屬很少受到氧化雜質(zhì)的污染，并因此改進(jìn)了鑄造成品活塞的質(zhì)量。作用于熔化金屬的離心力將金屬迫入模子內(nèi)所有的腔穴。更重要的是根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，將鋁的超共晶合金或合成物和硅粒注入每分鐘約800轉(zhuǎn)的模子內(nèi)。一種合適的超共晶合金或合成物包括尺寸約為20-60微米的硅粒，其體積至少占16-18%(類似可以雷諾鋁公司買到的合金＃390)。比鋁重的硅粒被迫擠入模子的外區(qū)以形成在或鄰近活塞裙部外表面硅粒密度最高的活塞裙部。對(duì)活塞裙部外表面區(qū)域內(nèi)的鋁而言，硅粒的標(biāo)準(zhǔn)密度至少是在體積的18～26%以上。根據(jù)本發(fā)明鑄造的活塞就構(gòu)成了埋入鋁內(nèi)具有致密填充結(jié)晶結(jié)構(gòu)的硅粒基體，其強(qiáng)度和傳熱性能比鍛鋁好，而制造成本大大降低。從模子里取下的活塞坯件在其頂上附有澆口棒，便于進(jìn)一步加工。
由于硅粒的硬度和脆度，活塞裙部的外表面可以磨成選定直徑的球形，或者用鋒利的金剛石刀具切削，然后蝕去約0.5～1.5微米厚的鋁以暴露硅粒以用作圍繞活塞裙部外表面的主磨損面。最好用金剛石刀具切削硅粒以避免脆的顆粒斷裂和粉碎。將基體中的鋁蝕去的方法是在活塞旋轉(zhuǎn)并切削至規(guī)定形狀后向活塞裙部噴射堿性溶液(例如氫氧化鈉)約60-75秒。因此，本發(fā)明的自密封活塞變得比單單的鋁更耐磨，而蝕鋁表面為潤(rùn)滑油提供了極好的附著性能，保證在活塞和氣缸壁之間的連續(xù)周邊密封而又保持良好的潤(rùn)滑。
根據(jù)本發(fā)明的另一改進(jìn)，連桿180可用塑料制造，諸如碳纖維填充環(huán)氧樹脂，聚碳酸酯材料，多(酰胺、亞胺)聚合物材料如TORLON(可從伊利諾州芝加哥的阿莫科化學(xué)公司買到)或其他可鑄的高拉伸強(qiáng)度，高耐熱性和有機(jī)溶劑的塑料。這種連桿具有要求的剛度而又降低了往復(fù)件的重量。和一般的活塞和連桿比較，它可采用較小和較輕的平衡重56，并因此降低了總重量并提高了運(yùn)轉(zhuǎn)速度。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，一種裙部具有球形端部截面和柱形中間截面(卵形)的橢圓或伸長(zhǎng)活塞在截面形狀相同的氣缸內(nèi)以與上述球形活塞相同的方式往復(fù)和擺動(dòng)。特別是如圖17和18的底視平面圖和圖19的透視圖所示，橢圓活塞200，210，220的裙部在其端部202，212，222是球形，而在其中部204，214，224是柱形。在圖17的實(shí)施例中，位于中央的心柱206與活塞的內(nèi)頂壁208一體構(gòu)成，而從心柱206輻射狀向外伸展的腹板205和直立于裙部?jī)?nèi)表面的肋207均以圖14，15和16所示實(shí)施例所述之方式和理由作為活塞的一個(gè)部份一體構(gòu)成。
圖18所示的橢圓活塞有兩個(gè)位于沿其長(zhǎng)軸211長(zhǎng)度約四分之一和四分之三處的心柱216，如圖14，15，16和17所示實(shí)施例所述，肋217和腹板215與心柱和內(nèi)活塞頂一體構(gòu)成。
圖18所示本發(fā)明實(shí)施例的簡(jiǎn)化透視圖圖19為清楚起見省略了肋127并且只畫出了部份腹板215，但是應(yīng)當(dāng)理解，圖14，15，16，17和18所示實(shí)施例介紹和描述的一體腹板和肋是有的。
在圖17，18和19所示的每個(gè)實(shí)施例中，橢圓活塞有一長(zhǎng)軸211和一在長(zhǎng)軸中央垂直于長(zhǎng)軸的短軸。
當(dāng)然，具有連續(xù)變更曲率半徑和長(zhǎng)短軸的橢圓體活塞也可在截面形狀相同的氣缸內(nèi)使用。
在橢圓形活塞的每個(gè)實(shí)施例中，活塞的頂面面積和相關(guān)的氣缸截面面積有助于在以圖14所示方式限制氣缸與活塞體積的氣缸頭155上采用許多閥門。將大量的例如6個(gè)，8個(gè)或更多的閥門158，162(用于發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣)裝于氣缸頭155可大大減少氣缸有限體積和進(jìn)排氣管之間的壓力降以改善自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用。
采用大量閥門后，閥門更小更輕，重量和質(zhì)量的降低顯著地減少了小閥在高速時(shí)“浮”入關(guān)閉位置的傾向。而且，大量的小閥門可根據(jù)燃燒室的斷面形狀更好地布置，它有助于在最短的活塞行程內(nèi)將盡可能多的油-氣混合物輸入燃燒室以改善高速操作。
在圖17所示的實(shí)施例中，單心柱206連接連桿，其長(zhǎng)軸211對(duì)準(zhǔn)或垂直于曲軸的旋轉(zhuǎn)軸線，或與它平行。在圖18和19所示的實(shí)施例中，雙心柱216是每一個(gè)連接一個(gè)連桿，長(zhǎng)軸211對(duì)準(zhǔn)平行于曲軸的旋轉(zhuǎn)軸線，每一連桿的下端連接相同的(或角同步的)曲軸曲柄。采用兩個(gè)連桿是使作用于活塞頂?shù)牧鞠嗟鹊胤植加趦蓚€(gè)輕的連桿以在輕載運(yùn)行時(shí)防止活塞形狀嚴(yán)重變形。
最理想的是橢圓活塞的長(zhǎng)軸對(duì)準(zhǔn)曲軸的旋轉(zhuǎn)軸線以在與曲軸一致的球端確定“X”磨損圖形(類似圖14中球形活塞上的點(diǎn)170)的中心點(diǎn)。這種定位使活塞裙部中段表面的擺動(dòng)和磨損較小?；蛘?，橢圓活塞的長(zhǎng)軸垂直于曲軸的旋轉(zhuǎn)軸線，使“X”磨損圖形的中心點(diǎn)位于活塞裙部的中段。在此實(shí)施例中，橢圓活塞的球端部份經(jīng)受了最大的擺動(dòng)，至少在端部份需要較長(zhǎng)的活塞裙部，但在其工作循環(huán)中，在燃燒室內(nèi)靠近活塞上死點(diǎn)之處產(chǎn)生最大的紊流。而且，橢圓活塞的這種定位有助于降低大排量發(fā)動(dòng)機(jī)的總長(zhǎng)度。此外，由于近上死點(diǎn)的活塞擺動(dòng)大，靠近上行時(shí)擺動(dòng)和壓下的端部的排氣閥可隨擺動(dòng)壓下量開啟較久，而在曲柄轉(zhuǎn)經(jīng)上死點(diǎn)活塞擺動(dòng)時(shí)關(guān)閉較遲。同樣，靠近另一端部的進(jìn)氣閥可在曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)超過上死點(diǎn)時(shí)隨活塞的擺動(dòng)壓下量較早開啟。這種閥門的啟閉和活塞的擺動(dòng)有利于燃燒室更有效和更完全的排空和充氣，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍較廣的操作。
根據(jù)圖20和21所示本發(fā)明的實(shí)施例，表示磨缸裝置的頂視圖。氣缸176具有圓形的端部和矩形的中部。圖形端部可用砂輪或刀具231(其直徑小于圓柱直徑)磨成規(guī)定深度的正確的圓柱形狀。砂輪沿圓形軌跡旋轉(zhuǎn)和運(yùn)動(dòng)，而其外徑沿規(guī)定直徑的圓形軌跡233行走。砂輪或刀具231的整套裝置可沿橢圓的長(zhǎng)軸平移234以切削矩形中部的壁235。在另一端，砂輪或刀具231再被迫沿圓形軌跡運(yùn)動(dòng)，如前所述，以形成正確圓柱形的另一端部。當(dāng)然，一個(gè)大砂輪或刀具237(直徑小于圓柱形端部的直徑)可沿圓形軌跡239旋轉(zhuǎn)并運(yùn)動(dòng)，以其周邊構(gòu)成氣缸176的規(guī)定正確的圓柱形端部。然后，砂輪或刀具237在圓端部之間平行于氣缸176的長(zhǎng)軸來回平移以構(gòu)成矩形中部235的平行壁。當(dāng)然，每一個(gè)這種實(shí)施例中的刀具或砂輪231，237最好通過一次或多次走刀即形成氣缸176規(guī)定的深度。
現(xiàn)參閱圖21簡(jiǎn)化的頂視圖，它表示橢圓形氣缸176成形裝置的實(shí)施例。一個(gè)砂輪或刀具243裝在壁245上，在壁繞中央軸線247轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，砂輪被驅(qū)動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)。這一動(dòng)作形成了圓形端部。然后當(dāng)裝置251沿與長(zhǎng)軸249平行的軌道253運(yùn)動(dòng)時(shí)，將臂245橫向固定(即其軸線垂直于長(zhǎng)軸249)以切削中部的一個(gè)側(cè)壁。在行程的另一端，臂繞其軸線247旋轉(zhuǎn)，以用刀具構(gòu)成另一圓形端部。然后當(dāng)裝置251沿軌道253返回時(shí)，將臂245作相反的橫向固定以切削中部的另一平行側(cè)壁。當(dāng)然，刀具或砂輪243最好能夠形成規(guī)定深度的氣缸。
因此，根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置，一種輕的活塞和剛性連接的連桿隨著用曲柄旋轉(zhuǎn)連接連桿的曲軸的旋轉(zhuǎn)在伸長(zhǎng)的氣缸內(nèi)往復(fù)滑動(dòng)和擺動(dòng)?；钊鶑?fù)和擺動(dòng)時(shí)，在氣缸壁和活塞裙部之間的一個(gè)基本垂直于氣缸壁的平面上保持連續(xù)周邊密封。活塞和連桿采取了傳熱措施以保證活塞裙部保持正常的形狀，并在所有的工作溫度下維持連續(xù)密封。
權(quán)利要求
1.隨偏心曲柄繞垂直于氣缸的軸線旋轉(zhuǎn)而在氣缸內(nèi)往復(fù)滑動(dòng)的活塞裝置，活塞置于氣缸內(nèi)，它基本上呈截頭球形并且有一個(gè)基本上等于氣缸直徑的最大直徑的平面，其上下截面直徑小于最大直徑以在活塞往復(fù)滑動(dòng)和擺動(dòng)時(shí)保持與氣缸接觸的基本連續(xù)的法面，其特征在于活塞具有接近上截面的實(shí)心頂和在下截面敞開以形成具有球形表面的活塞裙部的空心內(nèi)部，以及具有與實(shí)心頂一體構(gòu)成在空心內(nèi)部中央位置向下伸展的心柱；若干肋一體構(gòu)成于裙部的內(nèi)表面，定向于上下截面直徑之間；若干腹板一體構(gòu)成于活塞空心內(nèi)部的實(shí)心頂，它從上述心柱輻射狀伸向活塞裙部去連接選擇的肋以在空心內(nèi)部活塞底側(cè)從心柱到活塞裙部構(gòu)成基本連續(xù)的脊；連桿一端軸向剛性連接心柱而另一端旋轉(zhuǎn)連接偏心曲柄以隨曲柄的旋轉(zhuǎn)使活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)滑動(dòng)和擺動(dòng)。
2.如權(quán)利要求
1所述的活塞裝置，其特征在于，接近與裙部肋連接處的腹板的深度小于裙部在上下截面之間的長(zhǎng)度。
3.如權(quán)利要求
1所述的活塞裝置，其特征在于，活塞的上表面包括在上截面直徑平面上面的升起部份。
4.如權(quán)利要求
1所述的活塞裝置，其特征在于，活塞，腹板，心柱，裙部和肋用含有鋁和硅的合成物一體構(gòu)成，硅在鋁中的密度在裙部附近高于在心柱附近。
5.如權(quán)利要求
1所述的活塞裝置，其特征在于，裙部從頂向下截面逐漸減薄。
6.如權(quán)利要求
1所述的活塞裝置，其特征在于，腹板和肋從頂向下截面的斷面逐漸減薄。
7.如權(quán)利要求
1所述的活塞裝置，其特征在于，連桿是用諸如碳填充環(huán)氧樹脂或聚碳酸酯或多(酰胺-亞胺)聚合物的聚合材料制造的。
8.如權(quán)利要求
1所述的活塞裝置，其特征在于，氣缸沿基本軸線在垂直于基本軸線的平面內(nèi)具有橢圓形斷面，而橢圓形斷面以主尺寸的長(zhǎng)軸和次尺寸的短軸定位，次尺寸小于上述主尺寸并且垂直于長(zhǎng)軸定位;具有偏心曲柄的軸支承于機(jī)體以繞垂直于基本軸線并對(duì)準(zhǔn)長(zhǎng)軸的軸線旋轉(zhuǎn);置于氣缸內(nèi)的活塞具有基本上是截頭-橢圓的形狀，其斷面形狀基本上等于氣缸的斷面形狀，并且以對(duì)準(zhǔn)活塞長(zhǎng)短軸的氣缸長(zhǎng)短軸定位，以及具有遠(yuǎn)離最大主次尺寸的平面的上下截面，當(dāng)活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)滑動(dòng)和擺動(dòng)時(shí)提供一個(gè)基本上連續(xù)的與氣缸接觸的垂直于基本軸線的平面，活塞具有接近上截面的實(shí)心頂以及在下截面敞開的空心內(nèi)部以構(gòu)成具有卵形表面的活塞裙部，以及具有與實(shí)心頂一體構(gòu)成在空心內(nèi)部中央位置向下伸展的心柱。
9.如權(quán)利要求
8所述的活塞裝置，其特征在于，多個(gè)連桿的每一個(gè)的一端剛性連接活塞，而另一端旋轉(zhuǎn)連接偏心曲柄。
10.如上述權(quán)利要求
中任何一項(xiàng)的活塞裝置，其特征在于，肋的數(shù)量超過腹板的數(shù)量。
11.如權(quán)利要求
4所述的活塞裝置，其特征在于，合成物包括分布在鋁中尺寸范圍約為20-60微米的硅顆粒。
12.如權(quán)利要求
11所述的活塞裝置，其特征在于，硅在鋁中的密度在裙部附近是在體積的約18-26%的范圍內(nèi)。
13.自密封活塞的制造方法，其特征在于為活塞制造一個(gè)模子，它具有頂部，裙部的弧形外表面以及具有多個(gè)從中心向裙部輻射狀伸展的腹板的空心內(nèi)部;安裝模子使其繞基本中心的軸線旋轉(zhuǎn);將熔化金屬在基本中心的位置導(dǎo)入模子并在旋轉(zhuǎn)時(shí)灌滿模子;熔化金屬凝固后模子停止旋轉(zhuǎn);將模鑄的活塞從模子中頂出。
14.如權(quán)利要求
13所述的方法，其特征在于，模子約以每分鐘800轉(zhuǎn)繞中心軸線旋轉(zhuǎn)。
15.如權(quán)利要求
13所述的方法，其特征在于，導(dǎo)入模子的熔化金屬含有鋁和硅顆粒;模子旋轉(zhuǎn)以繞裙部外表面密集密度至少約為體積18-26%的硅粒。
16.如權(quán)利要求
15所述的方法，其特征在于，裙部外表面被加工以暴露硅顆粒。
17.如權(quán)利要求
15或16所述的方法，其特征在于，從硅顆粒附近蝕去鋁以暴露硅顆粒作為磨損表面。
18.如權(quán)利要求
13到18中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，模子以構(gòu)成活塞空心內(nèi)部的部份定位，而空心內(nèi)部是在最下的方位上定位，而熔化金屬從模子上面導(dǎo)入以一開始就碰到模子中構(gòu)成活塞頂?shù)牟糠荨?br>19.如權(quán)利要求
18所述的方法，其特征在于，澆口用來連通模子中構(gòu)成活塞頂?shù)牟糠?，且在中央定位，將熔化金屬?dǎo)入并也基本充滿澆口。
20.如權(quán)利要求
19所述的方法，其特征在于，熔化金屬從坩堝容器流經(jīng)底部的開口，它在供應(yīng)了足夠的熔化金屬并灌滿了模子和基本灌滿澆口之后關(guān)閉。
21.在缸體上加工橢圓形氣缸的方法，氣缸的端部基本上是圓形，而在圓形端部之間的中部基本上是矩形，其特征在于安裝一把切削半徑小于圓形端部半徑的可旋轉(zhuǎn)刀具以在圓形端部和矩形中部的匯合處繞端部的弧形軌跡移動(dòng);可旋轉(zhuǎn)刀具沿定位于圓形端部之間的直線軌跡移動(dòng)以加工矩形中部。
22.如權(quán)利要求
21所述的方法，其特征在于，可旋轉(zhuǎn)刀具在每一端部繞弧形軌跡移動(dòng)，而在端部之間沿直線軌跡移動(dòng)，以構(gòu)成氣缸橢圓形的連續(xù)壁。
專利摘要
一種球形活塞剛性連接連桿以隨曲軸的旋轉(zhuǎn)在氣缸內(nèi)往復(fù)和擺動(dòng)。曲軸具有與連桿旋轉(zhuǎn)連接的曲柄。在活塞空心內(nèi)部底側(cè)一體構(gòu)成的腹板，肋和脊控制傳熱和變形，從而當(dāng)活塞在氣缸內(nèi)滑動(dòng)和擺動(dòng)時(shí)，在所有的操作溫度下保證與氣缸壁的連續(xù)周邊密封。
文檔編號(hào)F02B75/32GK87107451SQ87107451
公開日1988年6月22日 申請(qǐng)日期1987年12月12日
發(fā)明者拉爾夫·G·莫爾加多 申請(qǐng)人:拉爾夫·G·莫爾加多導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan