用于内燃机的活塞组件

摘要

本发明涉及一种活塞组件，其包括一活塞，该活塞具有一带有上燃烧表面、并带有从该上燃烧表面向下延伸的圆柱形外表面的冠部。一对销座从该冠部下垂，以提供一对销孔，该对销孔具有大致圆柱形的轴承表面，并沿一销孔轴对齐，且该对销座之间延伸有一顶壁部分。该顶壁部分具有凹形的轴承表面，该轴承表面与销孔形成一连续的凹形的轴承表面。一单独的裙部固定至活塞以避免两者相对运行。至少一个肋部在销孔轴的相对两侧从活塞的顶壁部分向上延伸至冠部的下壁表面。该至少一个肋部将冠部连接至顶壁部分，从而向顶壁部分提供结构支撑以避免不需要的偏斜。

权利要求

1.一种用于内燃机的活塞组件，其特征在于，该活塞组件包括：

一活塞，其具有一冠部，该冠部带有一上燃烧表面以及一下壁表面，并带有一从所述上燃烧表面向下延伸的圆柱形外表面，该活塞还具有一对从所述冠部下垂的销座，以提供一对销孔，该对销孔具有大致圆柱形的轴承表面，并沿一销孔轴对齐，且所述销座之间延伸有一顶壁部分，所述顶壁部分具有一凹形轴承表面，该凹形轴承表面与所述销孔形成一连续的凹形的轴承表面；

一构造为独立于所述活塞的单件式材料的裙部，所述裙部固定至所述活塞，以避免相对运动，并且所述裙部包括一带有圆柱形内表面和圆柱形外表面的圆柱形壁；以及其中，所述活塞进一步包括至少一个在所述销孔轴的相对两侧从所述顶壁部分向上延伸至所述冠部的所述下壁表面的肋部，所述至少一个肋部将所述冠部连接至所述顶壁部分，从而向所述顶壁部分提供结构支撑以避免不需要的偏斜。

2.根据权利要求1所述的活塞组件，其特征在于，该活塞组件进一步包括分别沿所述相对两侧延伸的一对所述肋部。

3.根据权利要求2所述的活塞组件，其特征在于，所述一对肋部中的各肋部相互平行延伸。

4.根据权利要求2所述的活塞组件，其特征在于，所述一对肋部中的各肋部彼此非平行延伸。

5.根据权利要求1所述的活塞组件，其特征在于，所述下壁表面为与所述上燃烧表面相对的活塞顶内表面，且所述活塞进一步包括至少一个在所述销座之间横向延伸的腹板，所述至少一个肋部从所述至少一个横向延伸的腹板向上延伸至所述冠部的所述活塞顶内表面。

6.根据权利要求5所述的活塞组件，其特征在于，所述活塞为整件式材料。

7.根据权利要求5所述的活塞组件，其特征在于，所述至少一个横向延伸的腹板沿一穿过所述销孔轴的平面延伸。

8.根据权利要求5所述的活塞组件，其特征在于，所述至少一个横向延伸的腹板具有中凸的波浪状外表面。

9.根据权利要求8所述的活塞组件，其特征在于，所述裙部的所述内表面邻接所述至少一个横向延伸的腹板的所述中凸的波浪状外表面。

10.根据权利要求8所述的活塞组件，其特征在于，所述销座具有圆柱形凸状外表面，该圆柱形凸状外表面形成所述至少一个横向延伸的腹板的所述中凸的波浪状外表面的平滑的圆柱形延续部分。

11.根据权利要求9所述的活塞组件，其特征在于，所述裙部的所述内表面邻接所述至少一个横向延伸的腹板的所述中凸的波浪状外表面以及所述销座的所述圆柱形凸状外表面。

12.根据权利要求10所述的活塞组件，其特征在于，所述至少一个横向延伸的腹板包括一对横向延伸的腹板，所述一对横向延伸的腹板在所述销孔轴的相对两侧彼此在直径上对置。

13.根据权利要求12所述的活塞组件，其特征在于，所述一对横向延伸的腹板的所述中凸的波浪状外表面形成所述销座的所述圆柱形凸状外表面的平滑的圆柱形延续部分。

14.根据权利要求13所述的活塞组件，其特征在于，所述裙部的所述内表面邻接所述一对横向延伸的腹板的所述中凸的波浪状外表面以及所述销座的所述圆柱形凸状外表面。

15.根据权利要求1所述的活塞组件，其特征在于，所述活塞包括一上部以及一下部，所述上部和下部构造为单独的两件材料，并且随后连接在一起。

说明书

用于内燃机的活塞组件

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求2012年2月20日提交的第61/600,975号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用并入此处。

技术领域

[0003] 本发明主要涉及内燃机，尤其涉及用于内燃机的活塞。

背景技术

[0004] 已知，二冲程循环发动机应用中的活塞组件具有一活塞头，该活塞头具有一固定至其上的圆柱形的连续裙部，从而在裙部根据需要在活塞的整个全冲程中往复运动时，使得进气口和出气口相应的打开和关闭。由于跨过活塞销相对两侧的活塞裙部经常承受极大的推力和反推力，因此，活塞组件通常具有连接至活塞裙部的单独构成的加固部件。虽然这些加固部件可以起到作用，但是，由于它们通常由钢构成，因此会增加成品活塞组件的重量，并进一步增加制造工艺的复杂度，从而增加制造活塞的相关成本。

发明内容

[0005] 根据本发明的一个方面，提供了一种用于内燃机的活塞组件。该活塞组件包括一活塞，该活塞具有一冠部，该冠部带有一上燃烧表面以及一与所述上燃烧表面相对的活塞顶内表面，并带有一从该上燃烧表面向下延伸的圆柱形外表面。该活塞还包括一对从冠部下垂的销座，以提供一对销孔，该对销孔具有大致圆柱形的轴承表面，并沿一销孔轴对齐，且该对销座之间延伸有一顶壁部分。该顶壁部分具有一凹形轴承表面，该凹形轴承表面与所述销孔形成一连续的凹形的轴承表面。又进一步地，该活塞组件包括一构造为独立于活塞的单件式材料的裙部。该裙部固定至活塞，以避免相对运动，并且该裙部具有一带有圆柱形内表面和圆柱形外表面的圆柱形壁。该活塞进一步包括至少一个在销孔轴的相对两侧从顶壁部分向上延伸至冠部的下壁表面的肋部，其中，该至少一个肋部将冠部连接至顶壁部分，从而向所述顶壁部分提供结构支撑以避免不需要的偏斜。

[0006] 根据本发明的另一个方面，该活塞进一步包括分别沿销孔轴的相对两侧延伸的一对肋部。

[0007] 根据本发明的另一个方面，该活塞进一步包括至少一个在所述销座之间横向延伸的腹板。该至少一个肋部从至少一个横向延伸的腹板向上延伸至冠部的下壁表面。

[0008] 根据本发明的另一个方面，该至少一个横向延伸的腹板沿一穿过销孔轴的平面延伸。

[0009] 根据本发明的另一个方面，该至少一个横向延伸的腹板具有中凸的波浪状外表面。

[0010] 根据本发明的另一个方面，裙部的内表面邻接至少一个横向延伸的腹板的中凸的波浪状外表面。

[0011] 根据本发明的另一个方面，销座具有圆柱形凸状外表面，该圆柱形凸状外表面形成所述至少一个横向延伸的腹板的所述中凸的波浪状外表面的平滑的圆柱形延续部分。

[0012] 根据本发明的另一个方面，裙部的内表面邻接所述至少一个横向延伸的腹板的中凸的波浪状外表面以及销座的圆柱形凸状外表面。

[0013] 根据本发明的另一个方面，至少一个横向延伸的腹板包括一对横向延伸的腹板，该对横向延伸的腹板在销孔轴的相对两侧彼此在直径上对置。

[0014] 根据本发明的另一个方面，该对横向延伸的腹板的中凸的波浪状外表面形成销座的圆柱形凸状外表面的平滑的圆柱形延续部分。

[0015] 根据本发明的另一个方面，裙部的内表面邻接该对横向延伸的腹板的中凸的波浪状外表面以及销座的圆柱形凸状外表面。

[0016] 根据本发明的另一个方面，活塞为整件式材料。

[0017] 根据本发明的另一个方面，活塞包括一上部以及一下部，其中，上部和下部构造为单独的两件材料，并且随后连接在一起。

附图说明

[0018] 结合下列目前优选实施例和最佳实施方式的具体描述、所附权利要求以及附图进行考虑，根据本发明的上述及其他方面、特征和优点将会更加容易理解，其中：

[0019] 图1是根据本发明的一个方面构造的活塞组件的立体剖视图；

[0020] 图2是大致沿图1活塞的销孔轴剖开的剖视图，活塞示为设置在缸膛内；

[0021] 图3是图1活塞的局部剖视图；

[0022] 图4是图1活塞大致沿图2的线4-4剖开的局部剖视图；

[0023] 图5是图1活塞大致沿图2的线5-5剖开的局部剖视图；

[0024] 图6是图1活塞的冠部的立体图；

[0025] 图7是从不同的视角呈现的类似于图6的视图；

[0026] 图8是图1活塞的裙部的局部立体剖视图；

[0027] 图9是根据本发明另一个方面构造的活塞组件的局部剖视图；

[0028] 图10是根据本发明的一个方面的图9的组件中的活塞的仰视图；以及[0029] 图10A是根据本发明的另一个方面的图9的组件中的活塞的仰视图。

具体实施方式

[0030] 更详细的请参阅附图，图1-5示出了根据本发明的一个实施例构造的用于内燃机(理想地用于二冲程循环发动机)的活塞组件10。该活塞组件10包括活塞12以及与之彼此固定的裙部14。活塞12包括活塞头(也称为冠部16)，该冠部16具有形成在活塞12的上燃烧表面(也称为顶面20)中的燃烧碗18，以及从顶面20向下延伸的大致圆柱形的外表面(也称为环带22)。该环带22形成为具有至少一个(示为多个)环形环槽24(举例为两个)，在环槽中可以设置有相应的活塞环26。至少一个销座28(在该典型实施例中示为一对销座28)从冠部16向下突出。每个销座28形成为具有相应的用于容置活塞销32端部的开口(也称为销孔30)，以用于将活塞12连接至连杆34。销孔30沿着在销座28之间延伸的销孔轴35彼此对齐。

[0031] 销孔30具有形成凹状的圆柱形上表面的上部段，该凹状的圆柱形上表面形成为一连续的凹状圆柱形顶壁部段或部分36的平滑的延续部分，该连续的凹状圆柱形顶壁部分36形成在冠部16的下方，该冠部16为十字头活塞形式。因此，销孔30的上部段与顶壁部分36提供了平滑的彼此连续的凹状表面，并且横跨活塞12地封闭在销座28的两个径向相对的面朝外的侧面38之间。如图6和7所示，侧面38具有扩大的圆柱形外表面，其形成了环带22下外表面的下圆柱形径向向内的台阶部40的延伸部。销座28进一步包括在销座28的侧面38之间延伸的横向延伸的肋部(也称为肋或腹板部或横向腹板42)。横向腹板42具有中凸的波浪状外表面43，从而形成了由侧面38与下台阶部40构成的圆柱形表面的光滑的圆柱形延续部分。至少两个纵向肋部(也称为角板或纵向腹板44)从横向腹板42轴向向上延伸(图6和7中示出为一个肋部44从直径上对置的两个横向腹板42中的每个腹板42延伸并在销座28之间平分横向腹板42)并以角板的形式连接销座28的顶壁36和活塞冠部16的与顶面20相对的下壁表面(示出为活塞顶内表面45)，从而加强对销座28的结构支撑，以在压缩和燃烧带来极大压力时避免不需要的偏斜。最佳如图5和7所示，冠部16区域中的纵向腹板44的上部从直径减小的或下台阶区域40径向向内延伸至彼此横向间隔开的径向向内的边缘47。因此，纵向腹板44在直径上彼此间隔开，并且还与环带22的内壁横向间隔开，从而在活塞16的空间内提供至少一个中心开口(也称为窗口46)以及两个侧面开口(也称为窗口48)，以用于运行过程中的冷却油的循环。

[0032] 图1-7中示出的上述活塞12由整体单件式金属材料构成。活塞12可以铸造成钢(例如SAE4140级钢)制一体件，因此，该构造不需要额外的独立部件，由此可见，该构造是经济划算的。可选择地，活塞12可以由单片铝或其他适合的一种或多种材料制成，并且可以通过铸造或其他适合的方式(例如锻造、粉末金属技术、机械加工坯锭等)制造成一体件。

[0033] 最佳如图8所示，裙部14为在下端部52和上端部53之间延伸的大致圆柱形结构。上端部53位于销座28的上方并围绕该销座28设置，并且上端部53围绕冠部16下方直径减小的台阶部40设置。裙部14具有上自由端49，该上自由端49优选地向上挤压以邻接或接近环带22的下侧。裙部14具有内表面51，该内表面51具有对应的用于与环带22(均大致为圆柱形)的下台阶部40的外表面线-线配合或紧配合的内直径，因此，裙部14的上端部53围绕环带22的下台阶部40紧密配合，从而形成密封配合，这可以通过密封元件(示出为邻近上端49的O型环)实现。由此，考虑到下台阶部40的直径大致与横跨侧面38以及横跨横向腹板42的直径尺寸一致，因此，裙部14的内表面51与这些表面38、42之间同样适贴配合。裙部14的外表面
55的外直径相当于环带22(均大致为圆柱形)的外直径，因此，当裙部14连接至冠部16时，裙部14的外表面55形成环带22外表面的光滑的圆柱形延伸部。如上所述，销座28的侧面38以及横向腹板42的外尺寸与活塞裙部14(均大致为圆柱形)的内表面51的内尺寸匹配，因此，当裙部14安装在活塞12上时，裙部14的内表面51沿着推力和反推力方向与活塞12的侧面38以及横向腹板42接触。如此，在冠部16下方形成较大的封闭的油道，在冠部下方，活塞12与活塞裙部14在上述接触区域匹配。裙部14可以由与活塞12相同或不同的材料制成。裙部14制成为独立于活塞12的单件材料，且这两部分12、14彼此连接，从而在运行过程中固定成一个结构。

[0034] 裙部14的下端部52的外表面55可以形成为具有一个或多个环形环槽54，在该环槽54中相应地设置有环56。环槽54以及环56可以与活塞12的槽24以及环26的结构相同或相似。最下槽54可以形成为具有通至裙部14的内部的排泄孔57，以使得最下槽中收集的油能够漏出并排至裙部14的内部，并回到曲轴箱内。下端部52可以具有相对于裙部14的剩余部分增大的径向壁厚(即，下端部52可以包括裙部的带状区域，其比覆盖销座区域28的上端部
53上方的区域厚)。下端部52的增大的厚度允许了下部52中的环槽54的形成。可以看出，下方的一组环56与上方的一组环26间隔开，并且裙部14在位于两组环56、26之间延伸的空间中不具有任何穿过其壁部结构的开口。由此，当活塞组件安装在活塞缸膛内(例如在内燃机
60的圆柱形衬套58内)时，在活塞组件10在汽缸衬套58内往复运动的过程中，通过与汽缸衬套58的内表面61接合的环26、56在两组环26、56之间形成油密和气密区域。

[0035] 裙部14的下端部52可以包括一个或多个定位凸缘(也称为凸耳62)，示出为一对从下部52的内表面51径向向内突出的凸耳。定位凸耳62的尺寸以及在裙部14上的位置适于顶住销座28的底面64。凸耳62可以形成为具有一个或多个开口66，该开口66与延伸进入销座28的底面64的相应的螺纹开口68对齐，从而容纳相应的定位紧固件(例如示出为螺栓70)，以将裙部14固定不动地固定在活塞12上。虽然裙部14可以通过上述的螺纹紧固件固定至活塞12，但将裙部14固定至活塞12的其他方法是可预期的，包括但不限制于焊接、摩擦焊接、钎焊、螺丝接合、粘合、销钉连接等。

[0036] 图9示出了根据本发明的另一个方面构造的活塞组件80。该活塞组件80的结构以及运行过程与图1-8中的上述活塞组件10类似，并且其包括活塞82以及独立的裙部84，但其区别在于，活塞82在其冠部86中形成为具有至少一个冷却通道。由图可知，活塞82的冠部86最初可由两个单件式材料(包括冠部86的上部88和下部86)构成，然后这两个单件式材料连接在一起。当这两个单件式材料88、90连接在一起时，这两个部件之间形成至少一个且如图所示两个通道或中空区域92、94。在活塞82的运行过程中，这些通道92、94可以与冷却油液流流通，以便于在运行过程中冷却活塞82。一个或两个通道92、94可以密封，并且可以包括在空间内的密封冷却介质，以加强热量传递远离活塞的最热区域(例如，燃烧碗边缘)。这两部分88、90可以铸造或锻造，并且可以额外地机械加工成包括当两部分88、90连接时形成通道92、94的结构。本领域技术人员可以理解的是，构造多件式活塞有许多种方法，从而当两部分或更多部分连接时可以在活塞结构内形成一个或多个冷却通道。该典型的活塞82由钢(铸造或锻造或粉末金属或它们的组合)制成，并且其上、下两部分88、90通过摩擦焊接连接。也可以采用其他技术连接这些部分，包括其他焊接技术(电阻焊接、感应焊等)、硬钎焊、软钎焊、粘合、螺丝接合、螺栓连接等。示出的内、外通道94、92通过环形内壁96间隔开，并包括一顶燃烧壁98以及一底壁102，活塞82的燃烧碗100可以设置在该顶燃烧壁98内。内、外通道94、92的底壁102中设有开口104、106，以容纳油流进出该通道92、94。内壁96中还设有开口108以实现通道92、94之间的液流流通。外通道92在其径向外部区域处通过外壁或环带110限定，该环带110中可以设有多个环槽112以用于容纳相应的多个相关活塞环114。

[0037] 环带110在其下端具有直径减小的台阶部114。如以上关于活塞12和裙部14的描述一样，裙部84的上端配合在台阶部116的上方，因此此处不再赘述。裙部84的下端部118包括多个类似于上述环槽54的环槽120，环槽120中容纳有相应的环122。下部118制成与第一实施例的下部52相同，且其描述通过引用并入此处，下部118包括定位凸耳124(类似于凸耳62)，其以与第一实施例相同的方式通过螺栓126固定至销座128的底部。最佳如图10所示，活塞82还包括一对从销座128的顶壁132轴向向上延伸至下冠部90的底部或下壁的呈角板形式的纵向肋部(也称为角板或纵向腹板130)，从而加强对销座128的结构支撑，以在压缩和燃烧带来极大压力时避免不需要的偏斜。在图10的实施例中，可以看出，在销孔轴的相对两侧间隔开的两对纵向腹板130中的每个纵向腹板130相对于彼此大致不平行、倾斜。相反，如图10A所示，根据本发明的另一个实施例，可以看出，在销孔轴的相对两侧间隔开的两对纵向腹板130中的每个纵向腹板130相对于彼此大致平行。除了上述结构上的区别以外，除了额外的油道之外的活塞82的运行情况与第一实施例中的活塞组件10相似。

[0038] 本说明书事实上是示例性的而非限制。已公开的实施例的变化和修改对于本领域技术人员而言趋于明显并且在本发明的范围内。本发明由最终允许的权利要求定义和限定。

[0039] 根据上述教导，本发明的各种修改和变化都是可能的。因此，应该理解，本发明也可通过除了具体描述以外的方式实现，而且本发明的保护范围由最终允许的权利要求定义。