[发明专利]一种发动机活塞

说明书

技术领域

本发明涉及发动机部件结构设计技术领域，具体涉及一种发动机活塞。

背景技术

活塞的功用是承受燃烧气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室500的组成部分。

轻质铝合金因自身重量轻、比强度高等特点，作为制造活塞的首选材料得到了广泛应用，由传统铝合金制成的活塞如图1所示。近年来,由于柴油机及天然气发动机强化程度的不断提高和排放要求的日益严格(国Ⅳ、国Ⅴ),活塞作为发动机的核心部件承受了更高的热负荷和机械负荷，因此对活塞的结构及材料的要求更加严格。传统铝合金活塞越来越难以满足愈来愈大的气缸压力、喷射压力和高温等苛刻环境的使用要求,特别当内燃机爆发压力超过20MPa时,钢铁材料由于其具有高的热力学性能和优良抗磨损性能以及好的热加工和机械加工工艺性，成为进一步提高活塞性能的首选材料。传统活塞连杆装配结构，连杆与活塞之间连接时活塞采用的销座数通常为两个或四个；采用活塞销连接后的连杆与活塞实现活塞在缸套导向下往复运动，将气缸内产生的爆发压力转变为曲轴的往复运动，从而持续输出能量。

现有技术中的钢活塞的主要结构有：整体式、组合式和铰接式；现有技术中的钢活塞在结构设计上，普遍采用两个或四个销座的连接结构。钢活塞与传统铝活塞相比在耐热性能方面得到进一步的改善，三种技术方案的共同优点是：采用钢质金属制造一体式或分体式锻钢和铸铁活塞，活塞强度和耐热性的提高，满足了内燃机高功率、高爆压、高热负荷等技术要求。但同样存在的主要问题是，钢材料的塑性变形以及铸造性能相对较差，由于钢活塞结构相对复杂，这种技术方案使得活塞在满足发动机的性能参数要求时，毛坯成型相对难度大，特别是活塞内冷却油道600的加工工艺性差，制造难度大，生产成本高；不合理的结构使传统结构的钢活塞重量较铝合金增加较大，增加了发动机曲轴、连杆的机械负荷。

整体式钢活塞毛坯锻造成型或铸造成型，通过机械加工来实现，整体式钢活塞主要的改进是用耐热材料替代铝合金，提高活塞强度和头部耐热能力，整体式钢活塞通常在活塞内腔设计有两个对称的销座，具体结构如图2所示；整体式活塞由于冷却油道制作的加工需要，在裙部必需开设让位槽900，让位槽900的开设在减少裙部承力面积的同时必需加长裙部的长度，增加了活塞重量；让位槽900的开设，还应保证销座的强度不致因开槽而削弱，这也增大了活塞压缩高，增加了活塞重量；同时，还存在整体式钢活塞，毛坯成型工艺性差，活塞头部加工难度大，加工工艺性差，制造成本高的缺点。

组合式钢活塞：组合式钢活塞在活塞裙部位置有两个对称的销座，头部锻钢或铸铁成型加工，裙部铸铁或锻铝成型加工后根据使用要求采用不同的材料组合，头部与裙部用高强度螺栓联结，具体结构如图3所示；组合式钢活塞头部与裙部分开设计制造，头部用钢材料提高了活塞燃烧室500的耐热能力，裙部用铝合金替代，改善工艺性和降低活塞自重；由于头部与裙部之间的载荷仅依靠高强度螺栓联结来承担，对裙部的强度和壁厚也提出相应的更高的要求；增加了活塞重量的同时也增大了活塞长度；同时，还存在制造工艺复杂，制造成本高的缺点。

铰接式钢活塞头部采用锻钢成型，裙部采用铸铝、铸铁成型。将制造难度大的头部与裙部分开设计制造，活塞头部有两个对称的承受爆发压力的销座，在活塞裙部位置有两个对称的承受侧向力销座，通过活塞销将头部与裙部连成一体，在缸套内上下往复运动，活塞头部与裙部不接触，具体结构见图4所示。铰接式钢活塞裙部起导向和承受侧向力的作用，裙部销座及销孔不承受气缸爆发压力，只承受侧向力；头部加工环槽、燃烧室500、销孔、内冷油道等，头部销座及销孔起到支撑和连接作用，承受气缸爆发压力；由于铰接式钢活塞头部与裙部间存在间隙，且钢活塞头部与裙部间采用活动铰接；同时，铰接式钢活塞钢顶铝(铁)裙活塞重量较传统铝活塞重量有一定的增加，但活塞头部成型难，加工工艺性差，而且比传统强化铝合金活塞成本增加很多。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种发动机活塞，解决现有技术中的钢活塞，活塞重量大，加工难度大，活塞压缩高偏大的技术问题。

(二)技术方案