內燃機活塞及其制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種內燃機活塞（10、110、210），該活塞具有活塞主體（11、111、211）和活塞環部件（12、112、212），其中活塞主體（11、111、211）具有活塞頂（13）的至少一個內部區域（14）以及活塞裙（16），該活塞裙設有具有轂孔（17）的銷轂（18），其中活塞環部件（12、112、212）具有活塞頂（13）的至少一個外部區域（21），該外部區域具有環繞的活塞頂岸（22）和設有環形槽（24）的環繞的活塞環部（23）。根據本發明設有，活塞主體（11、111、211）和活塞環部件（12、112、212）經由形成在它們上的相應的錐形接合面（32、33、27、28；135、136；232、233、227、228）接合在一起。此外，本發明還涉及這種活塞的制造方法。
【專利說明】內燃機活塞及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種內燃機活塞，該活塞具有活塞主體和活塞環部件，其中活塞主體具有活塞頂的至少一個內部區域以及活塞裙，該活塞裙設有具有轂孔的銷轂，其中活塞環部件具有活塞頂的至少一個外部區域，該外部區域具有環繞的活塞頂岸和設有環形槽的環繞的活塞環部。此外，本發明還涉及這種活塞的制造方法。
【背景技術】
[0002]這種活塞以及這種方法已由文獻DE102007005268A1已知。在這種活塞中活塞主體和活塞環部件的接觸區域成型為臺肩形狀的或者形成為卯榫區域，活塞環部件不能夠松開地附在活塞主體上。以這種方式調整接合方法所需的公差并且避免兩個部件發生錯位。
[0003]這種已知的結構和這種已知的方法意味著，僅在活塞主體中設置一個燃燒室腔室，因此凹腔邊緣由與活塞主體本身相同的材料構成。然而，在現代化的活塞中活塞頂和特別是凹腔邊緣承受高的機械負荷和熱負荷。因此使用能夠相應承受負荷的鋼受到青睞，因此在這種活塞中整個活塞主體必然需要由這種材料構成。這除了意味著高成本，主要是在機械加工時在制造活塞主體的過程中帶來不利。
[0004]此外，在熱接合方法中(例如在這種方法中優選使用焊接方法或釬焊方法時)，因為部件在冷卻過程中收縮，所以形成很大的固有應力。該固有應力可以在軸向環繞的接縫中(就像在這種活塞中設有的接縫一樣)通過必然出現的收縮干擾僅僅有限地得到降低。因此需要使用可延展的焊接填料，以避免在接合過程中出現裂縫。
[0005]特別是在釬焊方法或者現代化的電子束焊接方法中對待接合的部件的裝配精確度提出高要求。在這些方法中所選擇的、待接合的部件之間的分界面的間隙寬度通常小于
0.1_，經常只有0.05mm,因為例如在現代化的電子束焊接設備中光束直徑相應小。在這種活塞中必須通過臺肩的形狀及其位置相互地以多個工序制造接合面，由此對單個的加工步驟提出了非常高的精確度的要求。這種方法非常昂貴并且由此導致制造成本提高。
【發明內容】
[0006]因此本發明的目的在于，這樣進一步擴展這種類型的活塞以及這種方法，S卩，在簡化制造工藝的情況下實現可變的材料選擇。
[0007]實現方案在于具有權利要求1的特征的活塞以及具有權利要求9的特征的方法。根據本發明設有活塞主體和活塞環部件經由緊靠它們形成的、相應的、錐形的接合面接合
在一起。
[0008]因而相應的接合面這樣形成在活塞主體和活塞環部件上，S卩，接合面構成錐形設置的表面。由此可以以特別簡單而經濟的方式制造無縫的或者具有非常小的公差的分界面。
[0009]由于形成為錐形的接合面因而兩個部件自動定中心，也就是說，由于施加在活塞主體和活塞環部件上的軸向力。不需要額外的導向面、導向邊緣或類似部件。[0010]本發明的另一個主要優勢在于，由于根據本發明的接合面形狀原則上可以以一個工序將兩個部件接合在一起。
[0011]接合面可以分解成一個軸向表面向量和一個徑向表面向量。徑向表面向量使在熱接合方法中可能出現的收縮應力通過部件的自由收縮在軸向方向上毫無問題地得到降低。
[0012]此外，根據本發明的活塞以及根據本發明的方法實現了對活塞主體和活塞環部件的材料大體上的自由選擇，因為形成為錐形的接合面可以任意地定位在兩個部件上。特別是可以毫無問題地由能夠相應承受負荷的材料構成活塞頂(特別是燃燒室凹腔的凹腔邊緣)的高熱負荷和/或高機械負荷的區域，然而活塞主體由其他材料制成，該材料例如能夠特別容易和/或特別簡單地進行機械加工。
[0013]有利的擴展方案由從屬權利要求得出。
[0014]一個有利的擴展方案在于，相應的接合面具有不同的錐角并且以接合添加料填充產生的縫隙。如果希望使用接合添加料，則可以以特別簡單的方法和方式將接合添加料加入到接合面之間。
[0015]在活塞環部件中可以以已知的方式設置環繞的冷卻通道。然而活塞主體和活塞環部件可以共同構成環繞的冷卻通道，其相對大的容量特別是給活塞環部提供特別有效的冷卻。
[0016]活塞主體和/或活塞環部件可以在冷卻通道端上的接合面末端的區域中具有局部增厚部。由此至少明顯降低了接合連接部可能出現的切口效應。
[0017]當根據本發明的活塞的活塞頂具有已知的燃燒室凹腔時，如果燃燒室凹腔的凹腔邊緣由耐磨材料和/或耐熱材料構成，則是有利的。這可以由此特別簡單地實現，即，活塞環部件由這樣的材料制成并且這樣定位接合面，即，凹腔邊緣是活塞環部件的一部分以及凹坑底部是活塞主體的一部分。
[0018]如果活塞主體由金屬材料制成以及活塞環部件由耐磨的鋼材和/或耐熱的鋼材制成，通常是有利的。
[0019]例如粘合、焊接或者釬焊是合適的接合方法。為了利于待接合部件特別是在具有不同的錐角的情況下定中心，在接合過程中對活塞環部件和/或活塞主體施加軸向張力是適宜的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]下面根據附圖詳細闡明本發明的實施例。其中以示意性的、未精確按照比例的圖示示出:
[0021]圖1以剖面圖示出了根據本發明的活塞的第一實施方式；
[0022]圖2以剖面圖示出了根據本發明的活塞的另一個實施方式；
[0023]圖3以剖面圖示出了根據本發明的活塞的另一個實施方式的局部視圖；
[0024]圖4以剖面圖示出了根據本發明的活塞的另一個實施方式的另一個局部視圖。
【具體實施方式】
[0025]圖1示出了根據本發明的活塞10的第一實施例。活塞10具有活塞主體11和活塞環部件12。活塞主體11構成活塞頂13的內部區域14 ;該內部區域14也是燃燒室凹腔15的底部。在活塞頂13的底側上以已知的方式連接有活塞裙16，該活塞裙具有設有轂孔17的銷轂18。活塞主體11例如可以由鋼鐵材料或者輕金屬材料制成。對此可以使用鑄造材料以及鍛造材料。典型的鑄造材料是例如根據DIN EN1563的具有球墨的鑄鐵(例如EN-GJS-700-2)、根據DIN EN10293的鑄鋼或者特殊的鋁硅活塞合金。
[0026]例如根據DIN EN10267的AFP鋼、根據DIN EN10083的調質鋼或能夠鍛造的鋁硅合金可以用作鍛造材料。
[0027]活塞環部件12構成活塞頂13的外部區域21，該外部區域具有環繞的活塞頂岸22和具有用于活塞環(未示出)的環形槽24的環繞的活塞環部23。活塞頂13的外部區域21包括燃燒室凹腔15的凹腔邊緣25。活塞環部件可以由鑄造材料或者鍛造材料構成，或者替代性地由粉末冶金制成的材料構成，優選由耐磨和/或耐熱的材料構成。
[0028]對此可以根據需要使用例如根據DIN EN10083的調質鋼、例如根據DIN17240或者DIN EN10269的耐熱和耐高溫的鋼、例如根據DIN EN10095的耐高溫的鋼和鎳合金。
[0029]可以使用例如根據DIN EN1563的具有球墨的鑄鐵、根據DIN EN10293的鑄鋼或根據DIN EN10295的耐高溫的鋼作為鑄鐵材料。
[0030]在與鋁制下部件結合時也能夠使用耐高溫的鋁活塞合金。
[0031]此外，活塞環部件12具有環繞的凹槽26，該凹槽向活塞頂13的方向大體上平行于活塞環部23延伸。在活塞環部23的下面設置有第一個環繞的接合面27以及在凹腔邊緣25的下面設置有第二個環繞的接合面28。結合面27和28位于共同的錐形表面上。
[0032]活塞主體11具有外部的環繞的凹處31，該凹處由環繞的外部接合面32和環繞的內部接合面33限定。環繞的內部接合面33同時包圍燃燒室凹腔15的內部區域14和底部。外部接合面32和內部接合面33同樣位于共同的錐形表面上。
[0033]通過使相應的接合面27和32以及28和33相互對接，活塞主體11和活塞環部件12接合成一個整體，從而得到沒有裂縫的或公差非常小的分界面。借助于適合的接合方法(特別是粘合、釬焊或焊接)沿著接合面27、32以及28、33將活塞主體11和活塞環部件12相互緊密地連接在一起。對此可以將接合面27、32以及28、33以唯一的工序相互連接在一起，例如通過焊接。活塞環部件12的凹槽26和活塞主體11的凹處對此構成環繞的、封閉的冷卻通道34。由于相應的接合面27、32以及28、33位于相應的錐形表面上這樣的事實情況，而得到活塞主體11和活塞環部件12自動的定中心。通過在接合前軸向張緊活塞主體11和活塞環部件12有助于定中心。
[0034]實施例:
[0035]通過經控制的冷卻過程將由38MnVS6鍛造而成的活塞主體11調整到所需的強度。然后以一個工序制造接合面32、33，以及將環繞的凹處31加工完成。
[0036]活塞環部件12由材料42CrMo4鍛造而成并且通過調質處理過程調整到所希望的強度。以與制造活塞主體相同的方式使用在與凹處相同的錐角的情況下制造接合面27、28。
[0037]預熱兩個部件并且通過軸向力將兩個部件相互張緊，因此接合面27、32和28、33相互位于中心位置。借助于電子束焊接方法在不使用焊接添加料的情況下從外徑開始以一個工序將這樣相互定位的兩個分界面相互焊接在一起。
[0038]替代性地可以將兩個分界面分開地、從外徑和燃燒室凹腔15開始依次或者同時通過電子束焊接方法相互牢固地連接在一起。因此兩個焊縫根部形成在冷卻通道中。[0039]圖2示出了根據本發明的由活塞主體111和活塞環部件112構成的活塞110的另一個實施例，其中相同的部件具有相同的附圖標記。與圖1中所示的活塞10的僅有的不同之處在于，沒有設置冷卻通道。因此，活塞環部件111具有唯一的錐形接合面135以及活塞環部件112具有唯一的、對應的錐形接合面136。活塞主體111和活塞環部件112借助合適的接合方法(特別是粘合、釬焊或焊接)沿著接合面135、136相互牢固地連接在一起。對此可以以唯一的工序將接合面135、136相互連接在一起，例如通過焊接。在本實施例中基于相應的接合面135、136位于相應的錐形表面上這個事實而使得活塞主體111和活塞環部件112自動定中心。接合之前在活塞主體111和活塞環部件112中進行軸向地張緊有助于定中心。必要時可以在活塞環部件112中以已知的方式加入環繞的冷卻通道，如圖2線條部分所示。
[0040]以專業人員已知的方式根據活塞主體11、111和活塞環部件12、112的材料選擇合
適的接合方法。
[0041]在使用釬焊方法時，由所選擇的方法的工作溫度選擇合適的焊料。
[0042]作為焊接方法提供光束支持的焊接方法，例如激光焊接或電子束焊接。然而也可以使用其他的焊接方法，例如電弧支持的焊接方法，例如WIG或者MAG/MIG方法。在本文章中可能需要使用或者必須使用接合添加料。
[0043]如果使用焊接方法時需要使用焊接添加料，則可以以具有整個或者部分不同的角的錐形表面設置活塞環部件12 ；112的相應接合面27、28 ；136和/或活塞主體11 ；111的相應接合面32、33;135或者這樣設置一個弓形的表面，即，形成大體上楔形的分界面(未示出)。在這樣形成的分界面中可以特別簡單而有效地接收接合添加料 。特別是在根據圖1的具有冷卻通道34的活塞10中設置有從冷卻通道34開始向活塞環部23的方向(經由接合面27、32)和向燃燒室凹腔15的方向(經由接合面28、33)來制造接合連接部。如果選擇焊接方法，那么可以將焊接根部相應地置于冷卻通道端上。
[0044]圖3示出了根據本發明的具有活塞主體211和活塞環部件212的活塞210的另一個實施例。活塞210與根據圖1的活塞10相一致，因為該活塞同樣具有環繞的冷卻通道234。活塞210的特征在于，活塞主體211和活塞環部件212在接合面227、232或者228、233的區域中設有在冷卻通道端上局部的增厚部237、238。由此至少明顯降低了在接合連接部的區域中可能出現的切口效應。此外該活塞的特征還在于，接合面227和227’位于共同的平面上，該平面以銳角a向活塞軸傾斜地實施。
[0045]圖4示出了根據本發明的活塞的另一個實施例，其中接合面227和227’沒有位于共同的平面上，其中，接合面227與活塞軸300構成銳角以及接合面227’和活塞軸構成鈍角^。從而能夠使兩個待連接部件輕松達到自動定中心的效果，其中，根據傾斜于活塞軸300設置的接合面227’ a (虛線所示)能夠最佳地達到定中心效果。根據接合面設置227’ b與227相結合，在使用光束焊接(例如激光焊接或者電子束焊接)時實現了本發明的目的的最佳解決方案。
【權利要求】
1.一種內燃機活塞(10、110、210)，所述活塞具有活塞主體(11、111、211)和活塞環部件(12、112、212)，其中所述活塞主體(11、111、211)具有活塞頂(13)的至少一個內部區域(14)以及活塞裙(16)，所述活塞裙設有具有轂孔(17)的銷轂(18)，其中所述活塞環部件(12、112、212)具有活塞頂(13)的至少一個外部區域(21)，所述外部區域具有環繞的活塞頂岸(22 )和設有環形槽(24 )的環繞的活塞環部(23 )，其特征在于，所述活塞主體(11、111、211)和所述活塞環部件(12、112、212)經由形成在它們上的相應的錐形接合面(32、33、27、28 ;135、136 ;232、233、227、228)接合在一起。
2.根據權利要求1所述的活塞，其特征在于，相應的接合面(32、33、27、28;135、136 ；232、233、227、228)具有整個或者部分不同的錐角和/或以接合添加料填充產生的縫隙。
3.根據權利要求1或2所述的活塞，其特征在于，在活塞環部件(111)中設有環繞的冷卻通道。
4.根據權利要求1或2所述的活塞，其特征在于，所述活塞主體(11、211)和所述活塞環部件(12、212)共同構成環繞的冷卻通道(34、234)。
5.根據權利要求4所述的活塞，其特征在于，所述活塞主體(211)和/或所述活塞環部件(212)在冷卻通道端上的、接合面(232、233、227、228)的末端區域中具有局部增厚部(237、238)。
6.根據前述權利要求的任意一項所述的活塞，其特征在于，所述活塞頂(13)具有燃燒室凹腔(15)。
7.根據權利要求6所述的活塞，其特征在于，所述燃燒室凹腔(15)具有由耐磨材料和/或耐熱材料構成的凹腔邊緣(25)。
8.根據前述權利要求的任意一項所述的活塞，其特征在于，所述活塞主體(11、111、211)由金屬材料制成以及活塞環部件(12、112、212)由耐磨的鋼材和/或耐熱的材料制成。
9.一種內燃機活塞(10、110、210)的制造方法，所述活塞具有活塞主體(11、111、211)和活塞環部件(12、112、212)，其中所述活塞主體(11、111、211)具有活塞頂(13)的至少一個內部區域(14)以及活塞裙(16)，所述活塞裙設有具有轂孔(17)的銷轂(18)，其中所述活塞環部件(12、112、212)具有活塞頂(13)的至少一個外部區域(21)，所述外部區域具有環繞的活塞頂岸(22)和設有環形槽(24)的環繞的活塞環部(23)，其特征在于，所述活塞主體(11、111、211)和所述活塞環部件(12、112、212)經由形成在它們上的相應的錐形接合面(32、33、27、28 ;135、136 ;232、233、227、228)接合在一起。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，以整個或者部分地具有不同的錐角的方式制造相應的接合面(32、33、27、28 ;135、136 ;232、233、227、228)和/或以接合添加料填充產生的縫隙。
11.根據權利要求9或10所述的方法，其特征在于，通過粘合、焊接或者釬焊將所述活塞主體(11、111、211)和所述活塞環部件(12、112、212)接合在一起。
12.根據權利要求9至11的任意一項所述的方法，其特征在于，在接合過程中對所述活塞環部件(12、112、212 )和/或所述活塞主體(11、111、211)施加軸向張力。
【文檔編號】F02F3/00GK103429878SQ201280010941
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2012年3月2日 優先權日:2011年3月4日
【發明者】赫爾穆特·埃德爾, 安德列亞斯·澤格-萬尼, 福爾克爾·魏瑟, 阿希姆·費迪娜, 克里斯蒂安·佩施克, 賴納·沙普 申請人:馬勒國際公司