[发明专利]整体式钢制活塞

说明书

整体式钢制活塞由活塞毛坯制成，活塞毛坯包括一个布置和设计成可移动的部分，以形成冷却通道和活塞环带。活塞毛坯由铸造或锻造方法制成。这个被布置和设计成可移动的部分是一个呈放射状向外延伸的法兰。这个法兰向上或向下弯曲使得法兰的外缘与活塞的另一部分相连。法兰的外边缘与活塞的另一部分能被焊接或机械啮合在一起。

本申请是申请日为2005年7月7日、申请号为200510085910.5、发明名称为“整体式钢制活塞”的发明专利申请的分案申请。

该申请号为“200510085910.5”的在先申请是2004年7月7日申请的美国专利申请No.10/885,810的部分延续，该专利的完整披露据此引入作为参考。

技术领域

本发明涉及内燃机的活塞设计，特别是针对整体式钢制活塞的设计及制造方法。

背景技术

内燃机活塞的工作环境十分严酷，它们需承受高温、点火燃烧的爆发压力、侧向力及惯性力的作用。由于发动机的动力输出不断提高，温度、气缸压力及发动机转速也相应提高，以至于用于制造活塞的铝合金等传统材料已达到其疲劳强度极限。

铰接活塞是上下两件式的活塞，其顶部由钢制成，其裙部由铝制成，顶部和裙部通过活塞销连接在一起。在铰接活塞中，顶部和裙部可以按照彼此独立运动的方式进行铰接。

铰接活塞与整体式铸铝活塞相比有几个优点。例如，铰接活塞中，其钢制顶部的热膨胀率比铝更接近铸铁缸套的热膨胀率。另外，铰接活塞钢制顶部的热量不易传导到铝制活塞裙部，这样活塞裙就可以更好地保持其形状。再有，铰接活塞中活塞的副运动优于整体式活塞。

尽管铰接活塞可承受相对更高的压力和温度，但也存在一些设计上的局限。例如，铰接活塞需要更长的活塞销，使得整个活塞总成(活塞+活塞销)要重于整体式铝制活塞总成。另外，由于活塞顶部和活塞裙部彼此独立运动，活塞裙部就不能有效地引导活塞裙部的运动。因此，活塞表面就必需引导活塞顶部的运动，这会导致表面与缸套接触，进而会产生气穴问题。另一个与铰接活塞有关的设计局限是在活塞环带和裙部之间没有连接关系，这导致冷却通道内和燃烧室边缘处会产生很高的应力，会造成裂纹的产生。而且，活塞环带和裙部之间缺乏连接及产生的应力会使活塞环槽变形很大，这会导致机油消耗增加、漏气及排放增加等问题。

活塞设计者正努力提出新技术以克服与铰接活塞有关的问题，许多建议措施都集中在整体式钢制活塞上。与铰接活塞不同，整体式钢制活塞的裙部和顶部形成一体，其活塞顶部带有冷却通道。整体式钢制活塞的专利有Kemnitz的DE4446726A1，Kruse的美国专利No.6,223,701，Gaiser等的EP0992670A1以及Gaiser等的国际申请公开No.WO01/50042等等。

整体式活塞设计中最具有挑战性的方面是在活塞顶部创建一个冷却通道，同时要为疲劳强度留出足够的余量并使加负荷时活塞环槽的变形最小。在DE4446726A1专利中，活塞在活塞环带和裙部之间没有连接，所以活塞的整体结构不稳定，高的应力会导致在活塞顶部产生变形。而且，因为DE4446726A1专利中的活塞裙部短，会在裙部和缸套之间产生高的接触应力。此外，DE4446726A1专利中使用短的裙部就限制了裙部引导活塞运动的能力，所以会关于缸套产生气穴问题。总体上讲，DE4446726A1专利中所描述的活塞的加工过程要求很高。

在WO01/50042A1专利中，上下顶部截面通过摩擦焊连接在一起。在这种活塞设计中使用的摩擦焊接改变了材料的原始特性。而且，在焊接过程中或其后的热处理过程中或工作受热过程中，焊接区域会产生裂纹。另外，因为冷却通道内的焊点不能清除，这些焊点会减少有效的冷却通道面积，在最坏的情况下会完全堵塞冷却通道。此外，由于使用摩擦焊，留在冷却通道内的金属颗粒如果在发动机运行时从冷却通道释放出来则可能损害发动机。

本发明主要涉及整体式钢制活塞，该活塞由活塞毛坯制成，该毛坯至少有一部分要被设计成一个冷却通道和活塞环带。

发明内容