專利名稱：發(fā)動機活塞裝置及其具有冷卻槽的鍛制的活塞部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及具有高輸出功率的小型發(fā)動機活塞裝置，特別涉及能夠承受較高的燃燒室壓力和溫度并且具有回轉(zhuǎn)加工表面的鋼制活塞部件。
近年來，人們越來越重視設(shè)計可進一步節(jié)約燃料、提高燃油效率、減少廢氣排泄、延長使用壽命并且具有更高單缸輸出功率的發(fā)動機。這種發(fā)展趨勢對活塞部件提出了更高的機械性能和熱力性能的要求。活塞部件的冠頂區(qū)被燃燒的燃油和空氣混合物所加熱。包括活塞環(huán)的活塞裝置必須和氣缸內(nèi)徑有效接觸以防止高溫燃燒氣體的外溢并在各種工作條件下控制潤滑油?；钊考系臏囟群腿紵龎毫μ貏e要控制在材料、結(jié)構(gòu)的熱力性能所許可的范圍內(nèi)，否則很快就會出現(xiàn)故障。
1986年4月15日授予H.Moebus的美國專利No.4，581，983中所揭示的冷卻的組合活塞裝置是這樣一種能夠承受較高輸出功率的結(jié)構(gòu)。然而，它的上下兩部分是焊在一起的，這種加工過程費用很大，最好避免采取這種方法。
1977年11月1日授予KennethR.Kamman的美國專利No.4，056，044揭示了一種較能滿足需要的活塞裝置。Kamman的專利現(xiàn)已轉(zhuǎn)讓給了本發(fā)明的受讓人，它利用了一種鉸接的活塞裝置，它包括以一個共同活塞銷為樞軸的各自作樞軸連接的上端活塞部件和下部活塞裙。噴向活塞裙內(nèi)的油槽的潤滑油通過類似搖動雞尾酒的紊流運動有利地濺潑到鄰近活塞環(huán)槽的活塞冠頂?shù)南卤砻姘歼M部分，以冷卻活塞的內(nèi)部。嗣后對鍛造部件進行大量測試表明，根據(jù)對鍛造工藝過程所掌握的實際知識，還無法承受超過13790千帕(2，000磅/平方英寸)的燃燒壓力。特別是，很多頂部鑄鋼活塞部件含有大量孔隙，從而過早地產(chǎn)生故障。另一方面，孔隙較少、能承受比較嚴格的測試程序的鑄鋼活塞部件還很少。雖然為了減少孔隙率對鍛件進行了廣泛的研究，但迄今為止孔隙率仍然很高。一種檢驗孔隙的方法是用X射線檢查活塞，但因費用太高而無法接受，同時也無法保證活塞完全沒有孔隙。
除了要考慮孔隙問題以外，還應(yīng)該注意到鉸接的活塞裝置每個部件的結(jié)構(gòu)形狀和強度在不斷改進以承受更高的壓載和熱應(yīng)力。例如，汽車工程師協(xié)會M.D.Roehrle約于1977年2月28日所提出的題為“高輸出功率柴油機氣缸”的No.770031公司論文表明全世界對單個部件進行了大量實驗室測試。此論文還討論了對減小輕合金或鋁活塞部件主要由于熱力限制所引起的斷裂問題的若干考慮。
1987年5月5日授予RutgerBerchem的美國專利No.4，662，047揭示了一種通過模壓預(yù)鍛坯件在其上彎一環(huán)狀圓柱環(huán)套而制造的整體式活塞。鍛制的活塞能承受高的燃燒室壓力和溫度;然而，鍛造帶有極高精度尺寸公差的薄壁部分的部件以及形成有精確相對位置的窄且深的空腔如果不是不可能也是非常困難的。因此，往往是對制造公差的要求限制或阻止了人們采用鍛造方法來得到那些為了更好地散熱而絕對必要的薄壁部分或窄深空腔。復(fù)雜形狀和不同壁厚也會產(chǎn)生不均勻的熱分布和活塞的局部熱變形，因此另一目的是盡量使結(jié)構(gòu)簡單，包括使其相對于中心軸盡量對稱。
同時，要考慮的另一問題是由于鍛制過程所產(chǎn)生的粗糙的表面光潔度會產(chǎn)生應(yīng)力增加，這對象薄壁部分和空腔之類的活塞部件的高荷載區(qū)域尤為關(guān)鍵。往往這些斷裂擴散區(qū)由于難以發(fā)現(xiàn)而產(chǎn)生災(zāi)難性后果。
因此，人們需要一種高輸出工率的發(fā)動機活塞裝置，其活塞部件能在燃燒室壓力超過13，790千帕(2000磅/平方英寸)時連續(xù)且有效地工作，最好壓力能達到15170千帕(2200磅/平方英寸)左右。而且，活塞部件最好采用形狀不太復(fù)雜的可鍛合金鋼材料以便于它的鍛制。另外，活塞部件的上面部分的區(qū)域，特別是冷卻槽區(qū)，最好具有較薄且大致均勻的厚度的壁以達到大致均勻的熱分布和最大面積的冷卻。同時，鄰卻槽的表面應(yīng)該是機加工的回轉(zhuǎn)面，以精密控制鄰近表面間特別是鄰卻通道和環(huán)形槽之間的尺寸。活塞部件最好應(yīng)具有相對于中心軸的對稱回轉(zhuǎn)面，其表面設(shè)有可造成斷裂擴散的缺陷，這樣可避免局部熱變形。
本發(fā)明針對克服上述的一個或多個問題。
本發(fā)明一方面提供了一種鍛鋼的發(fā)動機活塞部件，它包括一個大致呈圓柱狀的主體上部和一個從其頂表面向下的較薄的管壁，還包括一個下端面，以及從下端面向上延伸的面向內(nèi)的壁面。上部還包括一個從面向內(nèi)的壁面徑向向內(nèi)地隔開的面向外的環(huán)形壁面以及一個與它以及面向內(nèi)壁面連接的過渡部分，它們共同形成一個環(huán)形冷卻凹槽。面向內(nèi)的壁內(nèi)、面向外的壁面以及面向下的過渡部分都是機加工的回轉(zhuǎn)面?；钊考€有包括一對垂下的銷轂的下部，兩個銷轂上各有相互對準的一個孔。
本發(fā)明另一方面為發(fā)動機提供了一種發(fā)動機活塞裝置，它包括缸體和裝在缸體內(nèi)的構(gòu)成活塞腔的氣缸套，以及一個連接在缸體上的氣缸蓋。此裝置包括一個鍛鋼的活塞部件，它具有一個大致成圓柱形的上部，一個周緣頂表面，還具有從頂表面外邊緣向下的并包含有下端面及從下端面向上延伸的面向內(nèi)的壁面的較薄的管壁。主體上部還有一個從面朝內(nèi)的壁面徑向向內(nèi)地隔開的面向外的環(huán)狀壁面和與它以及面朝內(nèi)的壁面相連的過渡部分，它們共同形成一個環(huán)狀冷卻凹槽。面向內(nèi)的壁面、面向外的壁面和面向下的過渡壁面都是機加工的回轉(zhuǎn)面?；钊考€有一個下部，它包括一對各自開有一個孔的向下的銷轂，兩個孔相互對準。鍛鋼活塞部件的下部包括一對與凹槽融和相連的各自開孔的銷轂。本發(fā)明的活塞裝置具有一個形狀簡單的鋼制活塞部件，該鋼活塞部件鍛造和機加工都很容易，但其截面形狀可以承受超過13790千帕(2000磅/平方英寸)的燃燒室壓力，而且重量較輕。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機活塞裝置的部分橫向垂直剖視示意圖。
圖2是圖1中所示的活塞裝置沿Ⅱ-Ⅱ線剖截的部分縱向垂直剖視圖。
圖3是圖1和圖2中所示的活塞部件的頂部周緣區(qū)域的局部放大圖，以更詳細地顯示其結(jié)構(gòu)。
圖4是圖2中沿Ⅳ-Ⅳ線剖開的活塞部件的頂視圖。
圖5是圖2中沿Ⅴ-Ⅴ線剖開的僅包括活塞部件的剖視圖。
圖6是圖2中沿Ⅵ-Ⅵ線剖開的僅包括活塞裙的頂視圖。
圖7是圖1和圖2中所示的活塞部件的頂部周緣區(qū)域的部分橫截面的放大圖，其中顯示了只有一部分鍛制的冷卻凹槽的簡單的鍛制活塞部件的流線。
圖8是圖1和圖2中所示的活塞部件的頂部周緣區(qū)域的部分橫截面的放大視圖，其中顯示了具有較深鍛制冷卻凹槽的鍛制活塞部件的流線。
現(xiàn)在請參看圖1和圖2，多缸式的內(nèi)燃機10包括底部缸體12，一個頂部缸體或稱隔離套14，一個氣缸蓋16，氣缸蓋16按常規(guī)用多個緊固件或螺栓18剛性地固定在一起。
一個支持在中間的氣缸套48包括一個被頂部缸體14平穩(wěn)地支撐著的圓柱形上部52，它形成了具有中心軸66的活塞腔54。關(guān)于這一點，請參看1987年1月27日授予B.Ballheimer的美國專利No.4，638，769，它進一步討論了這里所揭示的具有支持在中間的氣缸套的多部式氣缸體的特點和優(yōu)點。但是，此發(fā)動機也可以是任何常規(guī)設(shè)計。
內(nèi)燃機10還包括示于圖1右下方的第一和第二冷卻油噴嘴74和75。第一噴嘴固定在底部缸體12上，它與常規(guī)的高壓油源(圖中未示出)聯(lián)接使用，大致垂直地向鉸接的活塞裝置76的預(yù)定區(qū)域噴射細束的發(fā)動機潤滑油。第二噴嘴75也固定在底部缸體上，但與垂直方向成一角度地對活塞裝置76的另一區(qū)域噴射冷卻油。
內(nèi)燃機10的鉸接的活塞裝置76包括一個鍛制的上部鋼活塞部件78和一個鍛制的下部鋁活塞裙80，它們鉸接在一個具有縱向中心軸84的共同的鋼制活塞銷82上。一個常規(guī)的包括上有眼端92和鍍青銅的鋼制套筒軸承94的連桿90連接在活塞銷82上并受其驅(qū)動而工作。
圖2和圖4中清楚地顯示出，鋼制活塞部件78具有大致呈圓柱形的上端部分96和一個預(yù)選的如圖所示的最大直徑“D”。上端部分96包括機加工的周緣頂表面98，此頂表面是平的，或者說位于與中心軸66垂直的平面上，還包括一個凹入的對稱冠頂面100，在本例中此冠頂面100是相對于中心軸66的機加工回轉(zhuǎn)面。一般地，冠頂部100包括一個位于中心的尖頂102，其高度低于上表面98，還包括周向或外側(cè)的軸向面104和一個與尖頂102及軸向面104光滑連接的環(huán)形谷部106。
從圖3可較清楚看出，活塞部件78還包括從頂表面98的外緣邊向下的較薄的管壁108。在本例中，用字母“LH”標出的管壁108的總高度是31毫米。管壁沿周邊從上到下包括，一個第一或頂部環(huán)槽脊110，一個具有梯形或楔形橫截面的頂部環(huán)槽112，一個第二或上中部環(huán)槽脊114，一個具有矩形橫截面的中部環(huán)槽116，一個第三或下中部環(huán)槽脊118，一個具有矩形截面的底部環(huán)槽120，以及一個終止于沿徑向的機加工的下端壁表面124的第四或底部環(huán)槽脊122。在本實施例中，用字母“TRH”標出的頂表面98和頂部環(huán)槽112之間的最小垂直距離是5毫米。一個環(huán)形的大致沿軸向向內(nèi)漸縮的壁面126也由管壁108形成并從端壁表面124向上延伸。
活塞部件78的本體部分96還包括從面向內(nèi)的壁面126徑向向內(nèi)隔開的面向外的環(huán)形壁面128，還包括面向下的過渡壁面130。過渡壁面130和壁面126及128連接并共同形成了一個具有精確的橫截面的環(huán)形冷卻凹槽132。從圖中可以看出，冷卻凹槽132的頂部在高度上與環(huán)槽112的頂部并列布置。而且它在垂直方向上位于活塞部件78的周緣頂表面98的正下方，且離開頂表面98的距離為E。在本發(fā)明的一個實施例中，距離“E”大約為5.5毫米。
實際上，本例中的壁面128的上面有一個如圖3所示的與中心軸66成約12.33度的傾斜角“A”的上部的全圓錐部分134，和一位于其下的全圓柱形部分136。另一方面，壁面126是一個傾斜角“B”約1.17度的全圓錐。向內(nèi)的壁面126，向外的壁面128和向下的過渡壁部分130都是機加工的回轉(zhuǎn)面。要指出的是，面向內(nèi)壁面126和頂部環(huán)槽112最內(nèi)側(cè)部分之間的徑向厚度稍大于此壁面與密封槽116的最內(nèi)側(cè)部分之間的徑向厚度。因此，后一個徑向厚度是一個最關(guān)鍵的尺寸，在本例中，可接受的最小值為1.74毫米。最好此值取3或4毫米。密封槽112，116和120都是機加工的回轉(zhuǎn)面，因此其徑向向內(nèi)的關(guān)鍵截面也是精確控制的。
作為另一種方案，環(huán)形冷卻凹槽132可以鍛制成各種形狀，比如象圖7中所示的淺凹槽或象圖8中所示的深凹槽。圖7和圖8中還用點劃線表示出了不同深度凹槽的晶粒線向。在圖8所示的另一種安排中，只要向內(nèi)的壁面126是機加工的回轉(zhuǎn)面能精確控制壁面和密封環(huán)槽116之間的關(guān)鍵橫截面就可以。
活塞裝置76還包括一個嵌入頂部環(huán)槽112內(nèi)的頂部的梯形開口活塞平環(huán)138，一個嵌入中部環(huán)槽116內(nèi)的階梯矩形截面的中間的開口活塞平環(huán)140，以及一個嵌入底部環(huán)槽120的活塞油環(huán)件142。
如圖1和圖2所示，鋼制活塞部件78還包括一個帶有一對垂下的銷轂160的較低部位158，銷轂160與冷卻凹槽132的向外的壁面128融和連接，同時也與以軸66為中心的由上部形成的面向下的凹窩162融和連接。此凹窩與冠頂面100的尖頂102大致均勻地隔開，這樣形成了具有如圖1和圖2中所示的大致均勻的厚度“C”的較薄的冠頂164。例如，在所示的實施例中，厚度“C”約為5或6毫米。一個具有最小厚度“C”的較薄的大致呈圓錐形的縮頸或壁166，形成于谷部106及與其并列的環(huán)形冷卻凹槽132之間。在所述的實施例中，厚度“W”約為4到7毫米。每個銷轂160有一孔168，其間適于容納鍍青銅的鋼制軸承套170。這些軸承套170沿軸向?qū)逝帕惺够钊N82在其中繞樞軸轉(zhuǎn)動。
現(xiàn)參照圖1、圖2和圖6，活塞裙80具有一個頂周面172，它與上部活塞部件78的低端壁面124靠近但不接觸，活塞裙內(nèi)有一環(huán)狀并面向上的冷卻劑槽174。它還具有近似橢圓形的從頂表面172向下的外表面176。一對對準排列的活塞銷孔178穿過活塞裙80。因此活塞裙80鉸接在插于兩孔178中的活塞銷上。
一對軸向的突起部184位于活塞裙80內(nèi)，穿過它完全從軸向地提供了相應(yīng)的一對潤滑通道186。潤滑通道186和冷卻油槽174及冷卻凹槽132聯(lián)通。潤滑通道186彼此對角線地相對，這樣活塞裙80可以在兩個可能位置的任何一個位置安裝到活塞銷82上，這樣至少其中一個通道可與第一噴油嘴沿軸向?qū)省；钊?0還有在裙底開口向下的對角線設(shè)置呈半圓柱形的凹槽188，當活塞裙往復(fù)運動到其最低垂向位置時不碰到噴嘴74和75。
本申請中獨特的鍛鋼活塞部件78用于鉸接的活塞裝置76。鉸接活塞裝置76用于燃燒室壓力約為15170千帕(2200磅/平方英寸)的高燃燒室壓力發(fā)動機10。這種活塞部件78可使輸出功率較大提高。如圖1所示，鉸接活塞裝置76用于具有支持于中間的氣缸套48和兩件式氣缸體12、14的結(jié)構(gòu)的發(fā)動機10。
在工作時，當活塞裝置76往復(fù)運動時，第一噴嘴74把潤滑油噴向?qū)实幕钊雇ǖ?86。油束繼續(xù)上行與共同形成活塞部件78上部96的環(huán)形冷卻凹槽132的面向內(nèi)的壁面126、面向外的壁面128以及面向下的壁部分130相接觸。當活塞裝置往復(fù)運動時，大部分冷卻油被活塞裙冷卻劑槽174所接受，并以“攪拌雞尾酒”的紊流運動形式較好地進行濺潑，使冷卻凹槽132的周面126、128及130得到冷卻，并進而冷卻縮頸166和形成環(huán)槽112、116和120的較薄的管壁108。同時，第二噴嘴把細束的油噴到連桿90、凹窩162或冠頂164的下表面。
參照圖3，從圖中可以看出，冷卻凹槽132的頂部與環(huán)槽112的頂部在高度上是并列的。同時它也位于活塞部件78的周緣頂表面98的正下方，并隔開一段用字母E表示的垂向距離。在一個實施例中，直徑D為124毫米，距離E約為5.5毫米。因此，有較薄的、基本上不變的壁厚來達到大致均勻的熱分布和最大的冷卻。內(nèi)壁面126是繞中心軸66的機加工回轉(zhuǎn)面，這樣可保證環(huán)槽112、116和120的底部與壁面之間的精確尺寸控制和同心要求。環(huán)槽底部和壁面126之間，特別是環(huán)槽與壁面126最近的環(huán)槽116的底部之間的尺寸控制和同心要求是最為關(guān)鍵的，因為任何偏差都會大大削弱管壁78，從而造成裂縫、不均勻熱分布和/或局部熱變形。面向內(nèi)的壁面126、面向外的壁面128和面向下的部分130形成了冷卻凹槽132，它們都是繞中心軸66的機加工回轉(zhuǎn)面，并且沒有會形成斷裂擴散和局部熱變形的缺陷。通過對壁面126和128以及面向下的壁130的機加工，壁厚、同心要求和表面光潔度都可得到準確控制。或者，如圖8所示的具有深的鍛制凹槽132的結(jié)構(gòu)，只要面朝內(nèi)的壁面126為機加工回轉(zhuǎn)面，就能相對于環(huán)槽112，116和120的底部，特別是相對于最近的環(huán)槽116的底部進行尺寸控制和達到同心要求。
除了上述的尺寸限制以外，還應(yīng)注意到鉸接活塞裝置76最好用特殊方法制成，避免復(fù)雜的形狀，并用某些材料制成。特別是，上部鋼制活塞部件78最好用鉻鉬合金鋼材料鍛制而成，比如用4140號改良鋼材料。下部的鋁制活塞裙80同樣最好用鋁合金材料鍛制，比如用SAE321-T6改良鋁材料。
上述的合金鋼特別適合第二類鍛造工藝過程，并能提供奧氏體粒度5甚至更小，這對承受超過13790千帕(2000磅/平方英寸)的高壓，最好超過15170千帕(2200磅/平方英寸)的高壓是非常合適的。鍛鋼活塞部件的浸蝕橫截面試樣表面，其中的晶粒流線一般或大體上呈倒U形狀，這種形狀差不多與圖3、6和7中的活塞部件部分的形狀相近似，和/或大致上使晶粒流線和縮頸166及管壁108對準，這樣對橫截面的強度有很大幫助。
上述的鍛制的鋁合金具有高硬度、優(yōu)秀的耐磨性以及較小的熱膨脹系數(shù)。
本發(fā)明的其他方面目的和優(yōu)點可通過研究附圖、說明書及后附的權(quán)利要求書得到進一步的了解。
權(quán)利要求
1.一種在發(fā)動機內(nèi)往復(fù)運動的鍛鋼活塞部件，其特征在于，它包括一個有一個中心軸的大致呈圓柱形的上部，一個頂表面，一個從頂表面向下并有用來容納密封環(huán)的圓周槽的管壁，一個下端面，和一個從下端面向上延伸的面向內(nèi)的壁面；上部還包括一個從面向內(nèi)的壁面徑向向內(nèi)地隔開的面向外的壁面，以及一個與面向內(nèi)的壁面及面向外的壁面融合連接的面向下的過渡部分；它們共同形成一個環(huán)形冷卻凹槽，此過濾部分在垂直方向上與頂表面隔開一較小距離“E”；面向內(nèi)的壁面是繞中心軸的機加工回轉(zhuǎn)面。
2.如權(quán)利要求1所述的鍛鋼活塞部件，其特征在于，面向外的壁面和面向下的過渡部分是繞中心軸的機加工回轉(zhuǎn)面。
3.如權(quán)利要求1所述的鍛鋼活塞部件，其特征在于，它還包括含有一對和冷卻凹槽融和連接并各開有一孔的垂下的銷轂的下部，所述的孔沿公共軸對準。
4.如權(quán)利要求3所述的鍛鋼活塞部件，其特征在于，所述的上部和下部是整體或一體的鍛件。
5.如權(quán)利要求4所述的鍛鋼活塞部件，其特征在于，所用的鍛造材料是鉻鉬鋼。
6.如權(quán)利要求1所述的鍛鋼活塞部件，其特征在于，所述的頂表面和冷卻凹槽頂部之間的垂直距離E約為6毫米。
7.如權(quán)利要求1所述的鍛鋼活塞部件，其特征在于，所述的上部形成一個包括繞中心軸的機加工回轉(zhuǎn)面的凹進的冠頂面，這樣在冠頂面和冷卻凹槽之間形成一個大致均勻的頸部。
8.如權(quán)利要求1所述的鍛鋼活塞部件，其特征在于，在冷卻凹槽和圓周槽的最內(nèi)部分之間的最小徑向厚度約為1.74毫米。
9.一種用于發(fā)動機的發(fā)動機活塞裝置，它包括一個構(gòu)成一個腔體的缸體，一個構(gòu)成活塞腔的氣缸套，一連接在缸體上的氣缸蓋，其改進部分包括一個含有大致呈圓柱形的上部并有一中心軸的鍛鋼活塞部件，一個周緣頂表面，一個從頂表面向下并構(gòu)成面向外的頂部環(huán)槽脊的管壁，一個離頂表面為一預(yù)選最小垂直距離TRH的頂部環(huán)槽，一下端面，一個從下端面向上延伸的面向內(nèi)的環(huán)形壁面;上部還包括一個從面向內(nèi)的壁面徑向向內(nèi)隔開的面向外的環(huán)狀壁面和一個與面向內(nèi)及面向外的壁面都融和連接的面向下的過濾部分，它們共同構(gòu)成了與頂部環(huán)槽并列的環(huán)形冷卻凹槽，面向內(nèi)的壁面是繞中心軸的機加工回轉(zhuǎn)面;以及一個包括一對與冷卻凹槽融和連接而且其上各開有一孔的垂下的銷轂的下部，兩孔沿公共軸線對準。
10.如權(quán)利要求9所述的活塞裝置，其特征在于，面向外的壁面和面向下的過渡部分是繞中心軸的機加工回轉(zhuǎn)面。
11.如權(quán)利要求10所述的活塞裝置，其特征在于，其上部和下部是整體鍛件。
12.如權(quán)利要求10所述的活塞裝置，其特征在于，它還包括一個鋁制的活塞裙，一個把活塞部件連接到活塞裙上的活塞銷。
全文摘要
當今具有鋁活塞裝置的內(nèi)燃機燃燒室壓力限制在約12410千帕內(nèi)，而人們希望此壓力能提高到15170千帕。為達到這個標準，本發(fā)明的活塞裝置包括一個其上形成頂表面的氣缸上部的鋼活塞部件，一個向下的管壁和具有繞中心軸的一個或多個機加工回轉(zhuǎn)面的環(huán)狀冷卻槽。冷卻槽在頂表面下方并與頂部環(huán)槽并列以便使用時從中散熱。活塞部部件最好鍛制后進行機加工到精確控制尺寸。而且，活塞裝置最好是鉸接的并含有用活塞銷與活塞部件連接的鍛鋁活塞裙。
文檔編號F02F3/22GK1041990SQ8910790
公開日1990年5月9日 申請日期1989年10月10日 優(yōu)先權(quán)日1988年10月21日
發(fā)明者布魯斯·C·庫珀, 肯頓·L·埃里克森, 詹姆斯·A·格林, 大衛(wèi)·S·尼茲 申請人:履帶拖拉機股份有限公司