用于內燃機的多部段式活塞的制作方法
本發明涉及一種用于內燃機的多部段式活塞。
背景技術：
現有技術中已知用于內燃機的多部段式的且特別是兩部段式的活塞。例如在文獻de102013218764a1中就公開了一種兩部段式活塞，該兩部段式活塞由活塞上部部分和活塞下部部分所構成。在將兩個活塞部分連接到一起的狀態下，由于經過設計的分界面
技術實現要素：
從該現有技術出發，本發明的任務在于提出一種多部段式活塞，其提供了得到改善的分界面幾何形狀。
根據第一方面，本發明涉及一種用于內燃機的多部段式的，特別是兩部段式的活塞。這里，該活塞一般具有縱軸線。此外，該活塞還具有包括封閉的活塞底部的活塞外部部分，該活塞底部在安裝好的狀態下限定燃燒室，并且該活塞具有活塞護套，該活塞護套從活塞底部軸向延伸出來。在本發明的范疇中，關于“封閉的”活塞底部尤其被理解為其完整且無縫，即一體式的設計方案。活塞還具有活塞內部部分，該活塞內部部分在安裝完成的狀態下與活塞連桿(pleuelstange)相連接。關于縱軸線徑向限定活塞的外表面僅通過活塞外部部分的活塞護套的至少一部分形成。在軸向上看(也就是在朝向活塞或者沿著縱軸線的視線方向上看)活塞內部部分時，該活塞內部部分被設置成完全位于活塞護套或者其護套表面的徑向內部。
因此，借助根據本發明的設計方案提出了一種多部段式活塞的新式安裝變型。不同于具有活塞上部部分和活塞下部部分的多部段式活塞的常規設計方案，本發明提出了單獨的、限定外表面或者護套表面的活塞外部部分，在其內部-至少在軸向上看時-設置有為連接活塞連桿而設的活塞內部部分。因此，分界線僅在活塞的外護套表面內部延伸，并且特別是不會到達活塞護套的外側(即其護套表面)或活塞底部的外側。這特別是通過以下方式，即活塞外部部分被實現為具有整個活塞護套或者活塞裙部并由此具有活塞的整個外護套表面(＝外表面)，而同時用于提供螺栓孔叉(bolzenlochgabel)的活塞內部部分在縱向上看被實現在活塞護套的徑向內部。因此，接合位置在任何情況下都存在于關鍵的活塞區域以外，并且特別是不在活塞底部或活塞護套中。
通過活塞外部部分的活塞護套所形成或者限定的活塞的外表面優選將汽缸撐緊(aufspannen)，整個活塞內部部分被設置在汽缸內部。這種圓柱形的設計方案使得有可能得到一種與內燃機的汽缸孔有利地對應的外幾何形狀，以便能夠實現活塞在汽缸內部的良好引導。
活塞內部部分被至少部分地設置在活塞外部部分的徑向內部，最好設置在活塞護套或者其護套表面的徑向內部。就此而言，活塞內部部分至少部分地容納在活塞外部部分中，并由此可靠地置于活塞外部部分中。由此能夠實現一種可靠且緊湊的活塞幾何形狀。
活塞護套優選與活塞底部形成在朝向活塞底部相反一側單側打開的并且最好基本上呈圓柱形的空腔，在該空腔內部至少部分地容納有活塞內部部分。通過這種方法，能夠實現一種具有容易制造幾何形狀的活塞部分，其具有在兩個活塞部分之間的、易于連接的分界面。
在特別優選的設計形式中，在活塞外部部分與活塞內部部分之間的分界面被形成為截面基本呈u形，并且還優選被形成為關于縱軸線是鏡像對稱的。由此，活塞外部部分的容納活塞內部部分的一部分基本上形成“罐”的形式，在所述部分中能夠以簡單的方式相應地容納活塞內部部分。
活塞外部部分，特別是活塞護套優選具有從活塞底部軸向延伸出的環帶，以及從該環帶進一步軸向延伸出的活塞裙部。環帶和活塞裙部優選形成活塞護套。環帶和活塞裙部中的至少一者(最好至少活塞裙部)形成活塞在徑向上限定的外表面或者活塞護套的相應部分。環帶優選具有至少一個且最好至少兩個或三個環形的徑向凹槽，以容納活塞環。換言之，活塞外部部分形成活塞的在徑向上位于外側的所有區域(例如活塞底部，活塞護套)。此處，使用朝向燃燒室方向的壓縮環或者密封環以及在燃燒室反向的排油環作為活塞環。一般來說，優選設置兩個壓縮環或者密封環和一個排油環。由于在環帶或活塞裙部的區域中或在該區域附近不再存在分界接縫，使得在構造環帶時并且特別構造容納活塞環的環形凹槽時有更大的自由度。
活塞外部部分和活塞內部部分在連接到一起的狀態下限定環形的冷卻通道。此處，該冷卻通道可作為朝向活塞內部部分的環形(軸向)凹槽被實現在活塞外部部分中。該凹槽則通過一對應的區域-例如平坦表面或者朝活塞底部打開的環形凹槽-限定活塞內部部分朝向活塞外部部分的側面，以便形成冷卻通道。因此能夠通過簡單地安裝活塞外部部分和活塞內部部分來實現活塞的冷卻通道。由此，冷卻通道能夠被容易地且沒有咬邊(hinterschnitt)地加工或實現。
活塞護套的且特別是活塞裙部的在軸向上與活塞底部反向的端部可具有多個在圓周上分布設置的活塞裙部區域。此處優選形成有兩個或多個活塞裙部區域，這些活塞裙部區域被設置成最好在活塞或者活塞外部部分的圓周上均勻分布。此處，活塞裙部區域按照與內燃機汽缸的汽缸孔的對應輪廓相對應的活塞的外表面或者活塞護套的護套表面，以便確保在通過多部段式設計實現材料節約的同時還有充分的引導能力。
在其在周向上看對置的端部，活塞裙部區域優選具有在徑向上朝向縱軸線-也就是向內-伸出的加強部分。該加強部分特別在工作期間保證了活塞裙部區域的穩定，以便使得在相應的汽缸孔中有可能實現足夠精確的滑動引導。
活塞內部部分優選具有朝向活塞底部的基部區域，在朝向活塞底部反向的一側從該基部區域延伸出活塞銷凸臺(kolbenbolzennaben)，以便容納將活塞與活塞連桿相連接的活塞銷。基部區域優選形成為基本呈環形。由此實現出一種幾何形狀簡單、節省材料和技術上有效設計的活塞內部部分，其具有活塞銷支撐結構(kolbenbolzenlagerung)，該活塞內部部分能通過簡單的方式插入活塞外部部分。
活塞內部部分并且特別是基部區域能夠具有在徑向上呈環形的外接觸表面，該外接觸表面與活塞護套并且特別是其環帶在徑向上呈環形的內接觸表面至少部分地存在面接觸。通過這種方式能夠將活塞內部部分和活塞外部部分簡單且可靠地連接在一起。因為接合位置或者分界面不承受大的拉力，所以此處用于將活塞外部部分與活塞內部部分相連接的、相對小的接觸表面就足夠了。
活塞內部部分并且特別是活塞銷凸臺能夠具有在徑向上朝外的支承面，該支承面與活塞護套并且特別是其活塞裙部或者加強部分在徑向上朝內的支承面至少部分地存在面接觸。則加強部分的支承作用在必要情況下能由此傳遞到位于中央的活塞內部部分，從而使得實現整體穩定的活塞護套或者活塞裙部；特別是當所述活塞裙部形成有多個活塞裙部區域時尤其如此。
活塞內部部分并且特別是基部區域能夠具有朝向活塞底部的第一軸向連接面，該第一軸向連接面與活塞外部部分的并且特別是活塞底部的朝向活塞內部部分的第二軸向連接面至少部分地存在面接觸。通過這種方式實現了用于形成兩個活塞部分的接合位置或者分界面的、相對大面積的接觸區域，以便實現特別用于接收拉力的、活塞部分的可靠連接。
活塞外部部分和活塞內部部分能夠被可分離地或不可分離地彼此連接。例如，將螺紋連接(借助于螺紋、鎖銷和類似物)和鎖扣連接(例如借助于鎖扣凸起和鎖扣凹陷)和類似連接方式用作可分離的連接方式。可設想例如將熔焊連接、釬焊鏈接、粘合連接和鉚釘連接作為不可分離的連接方式。還可設想套上(aufschrumpfen)或者縮合(einschrumpfen)或者(徑向)壓配合。此外還可設想的是，將前述連接方式任意組合使用。
由于活塞的多部段式設計有可能的是，活塞外部部分和活塞內部部分由不同的材料實現。由于活塞外部部分具有所有高要求的活塞區域，也就是與燃燒室和汽缸壁相關的或者具有相應表面的區域，所以活塞外部部分優選由金屬，特別是鋼，例如耐高溫鋼制成。優選由活塞外部部分所遮蔽的活塞內部部分例如能夠由其它材料制成，其特別根據與通過連桿連接的曲軸的共同作用的機械負荷來選擇。因此，活塞內部部分例如可由金屬，例如鋼或非鐵金屬(ne金屬)或者由合成材料，例如纖維加強的合成材料制成。
根據另一方面，本發明同樣涉及一種制造根據本發明的活塞的方法，其中：首先實現活塞外部部分和活塞內部部分；隨后將活塞內部部分插入活塞外部部分；以及，最后將兩個活塞部分彼此連接，特別是接合在一起。
附圖說明
本發明的其它設計方案和優點將在下面根據如附圖中的示意圖所示的實施例進行描述。所述附圖示出：
圖1示出根據一實施例的根據本發明的活塞的透視分解圖；
圖2是在如圖1所示的視線方向ii上以分解視圖顯示的、根據圖1的活塞的透視截面圖；以及
圖3是在如圖1所示的視線方向iii上顯示的、根據圖2的活塞的側向截面圖。
具體實施方式
附圖示出了根據本發明的用于內燃機的多部段式活塞1。如圖3所示，活塞1具有縱軸線l。該縱軸線l對應于在工作期間內燃機的汽缸中的活塞1的升降軸線。
此處所示的活塞1具有兩個活塞部分10、20。首先，具有封閉的活塞底部11的活塞外部部分10，其在安裝好的狀態下-也就是被插入到內燃機的汽缸的汽缸孔中時-限定了燃燒室。如前所述，在本發明的范疇中，關于“封閉”被理解為活塞底部11以一體且特別是不存在接合位置的方式實現的。活塞底部11優選具有燃燒室凹部12。然而還可設想的是，活塞底部11按照其使用目的形成有活塞頂部或者活塞冠部。活塞外部部分10還具有從活塞底部11軸向-也就是在縱軸線l的方向上-延伸出的活塞護套13。關于縱軸線l徑向限定活塞1的外表面2-也就是活塞護套13的護套表面-如特別在圖3所示的，僅通過活塞外部部分10的活塞護套13中的至少一部分形成。由此，活塞外部部分10形成了活塞1在徑向上位于外側的所有區域或者作用面。
特別地，活塞外部部分10，優選活塞護套13可具有從活塞底部11軸向延伸出的環帶14，以及從該環帶14進一步軸向延伸出的活塞裙部15。此處，環帶14和活塞裙部15優選形成活塞護套13。環帶14和活塞裙部15中的至少一者形成活塞1在徑向上進行限定的外表面2。按常規方式，環帶14能夠具有-如未在附圖中示出的-至少一個、優選至少兩個并且特別優選至少三個環形的徑向凹槽，以容納相應的活塞環。通常，環帶相應地具有三個在軸向上間隔開的環形凹槽，其中兩個朝向活塞底部11的環形凹槽用于容納壓縮環或者密封環，并且遠離活塞底部11的環形凹槽用于容納排油環。
活塞外部部分10優選由金屬，特別是由鋼(比如耐高溫鋼)所制成。特別地，活塞外部部分10由根據功能需求而相應選擇的材料制成。因此，該材料必須相應是耐高溫的，以便在燃燒室的側面上抵擋給定的溫度和溫度波動。此外，活塞外部部分10至少在其外表面2的區域中-也就是在活塞護套13的區域中-必須被形成為耐磨損的，以便通過與內燃機的汽缸壁的共同作用保證在內燃機的使用壽命期間長久使用。基本上還可設想的是，對活塞外部部分10的相應區域，也就是一方面對活塞底部11和另一方面對活塞護套13，進行適當的處理；例如通過硬化或涂層來進行處理。
此外，活塞1具有活塞內部部分20，該活塞內部部分20在安裝好的狀態下與活塞連桿相連接。活塞內部部分20能夠由金屬，比如鋼或非鐵金屬(ne金屬)，或由合成材料，比如纖維加強的合成材料制成。特別地，對于活塞1的多部段式設計方案有利的是，兩個活塞部分10、20優選由不同的材料制成，所述不同的材料根據兩個活塞部分10、20各自的需求進行相應的最優選擇。
如可特別從圖3中看出的，活塞內部部分20被設置成從軸向上看，也就是在縱軸線l的方向上看，完全在活塞護套13的徑向內部。以這種方式能夠可靠實現的是，在活塞部分10、20之間的接合位置或者分界面t被實現在關鍵區域以外(此處所述關鍵區域為活塞1通過活塞護套13形成的外表面2以及活塞底部11)。而且，相應的接合位置或者分界面t還被實現成是方便達到的。正如在圖3中可看出的，在活塞外部部分10與活塞內部部分20之間的分界面t可被形成為截面基本呈u形并且特別優選關于縱軸線l是鏡像對稱的。由此在活塞1的關鍵區域以外實現盡可能大面積的分界面t，以便將兩個安裝在一起的活塞部分10、20彼此可靠地連接并且保持該連接。
如在圖3中示例性示出的，通過活塞外部部分10的活塞護套13形成的活塞1的外表面2優選將汽缸z撐緊。如該圖中所示的，此處整個活塞內部部分20優選被設置在汽缸z內部。因此，此種圓柱形的設計方案給予活塞外部部分10或者活塞護套13一種適于其在內燃機汽缸的汽缸孔內部引導的形式，而同時活塞內部部分20可靠地容納在汽缸z內部，也就是活塞護套13內部，以便避免在活塞外部部分10的外側邊緣區域上的接合位置在徑向側面(也就是在活塞護套13的側面上)以及在軸向上位于活塞底部11的側面上。如在圖3中示例性地表明的，活塞內部部分20可至少部分地設置在活塞外部部分10的徑向內部并且優選在活塞護套13的徑向內部。因此，活塞內部部分20至少部分被可靠地容納在活塞外部部分10內部，并因此優選從活塞1的關鍵區域被遮蔽。這使得活塞內部部20的設計方案(幾何形狀、材料選擇等等)能夠有很大的差異，原因就在于所述活塞內部部20和活塞1的關鍵區域分離，特別是和與汽缸孔和燃燒室相互作用的關鍵區域分離。
優選地，活塞護套13與活塞底部11形成在朝向活塞底部11相反一側打開的，也就是基本上呈罐形的并且優選基本上呈圓柱形的空腔3，正如可特別在圖1中看出的。在該空腔3內部至少部分地容納有活塞內部部分20，并因此可靠地保持在活塞外部部分10內部。此外，能夠由此簡單地實現將兩個活塞部分10、20連接到一起。
正如特別在圖1中所示的，活塞護套13的(此處特別是活塞裙部15)的在軸向上與活塞底部11反向的端部具有多個在圓周上分布設置的活塞裙部區域150、151。根據該實施方式，實現有兩個活塞裙部區域150、151，這兩個活塞裙部區域優選為相對的。特別地，活塞裙部區域150、151被設置成優選在活塞1或者活塞外部部分10的圓周上(優選均勻地)分布。通過這種方式，確保了活塞1在內燃機的汽缸中節省材料而同時又可靠的引導。
活塞裙部區域150、151還優選在其(在周向上看對置的)端部150a、150b、151a、151b上具有在徑向上朝向縱軸線l，也就是向內伸出的加強部分152、153。該加強部分特別用于穩定活塞裙部區域150、151，該活塞裙部區域150、151在工作時與內燃機的汽缸的內壁，也就是汽缸孔，共同作用。
正如特別在圖1中示出的，活塞內部部分20具有朝向活塞底部11的基部區域22。該基部區域22優選被形成為基本呈環形。在與活塞底部11反向的一側23上從基部區域22延伸出活塞銷凸臺24、25，以便容納將活塞1與活塞連桿相連接的活塞銷。為此，活塞銷凸臺24、25分別具有活塞銷孔5、6。
特別地，為了連接或者接合兩個活塞部分10、20，活塞內部部分20，特別是其基部區域22具有在徑向上呈環形的外接觸表面220。該外接觸表面220優選形成為閉合的周向環形。該外接觸表面220優選與活塞護套13(最好是環帶14)在徑向上呈環形的內接觸表面140至少部分地存在面接觸。
活塞內部部分20，特別是活塞銷凸臺24、25，能夠具有在徑向上朝外的支承面240、250，該支承面與活塞護套13(最好是活塞裙部15并且特別是加強部分152、153)的在徑向上朝內的支承面154、155至少部分地存在面接觸。這特別在圖3的截面圖中有所顯示。通過這種方式，加強部分152、153并且特別是活塞護套13優選至少在活塞裙部15的區域中被可靠地向內支撐，以便在工作期間也能夠整體穩定活塞護套13。
活塞內部部分20(特別是基部區域22)優選具有朝向活塞底部11的第一軸向連接面210，該第一軸向連接面210與活塞外部部分10(最好是活塞底部11)朝向活塞內部部分11的第二軸向連接面110至少部分地存在面接觸。如圖所示，能夠通過這種方式在活塞部分10、20之間形成盡可能大面積的分界面t，以便將活塞部分10、20彼此可靠地連接。特別地，對于可靠地連接活塞部分10、20而言，如此形成的、用于僅承受較小拉力的活塞1的分界面t就足夠了。
活塞外部部分10和活塞內部部分20例如能夠通過其內外接觸表面140、220和/或其支承面154、155、240、250和/或其軸向連接面110、210彼此連接。活塞部分10、20優選被可分離或不可分離地彼此連接。特別地，將螺紋連接和鎖扣連接稱為可分離的連接方式。而不可分離的連接方式則例如是熔焊連接、釬焊鏈接、粘合連接或者鉚釘連接。此外還可設想的是，特別在內外接觸表面140、220的區域中將活塞內部部分20收入活塞外部部分10中或者將活塞外部部分10套上活塞內部部分20或者使活塞部分10、20(徑向)壓配合。此外還可設想的是，將前述連接方式任意組合使用。
如特別在圖3中所示的，活塞外部部分10和活塞內部部分20在連接或接合到一起的狀態下限定了環形的冷卻通道4。此處，冷卻通道4可作為朝向活塞內部部分20的軸向或者環形的凹槽40被實現在活塞外部部分10中。凹槽40則通過在活塞內部部分20朝向活塞外部部分10的側面21上的、相應的且優選同樣是環形的區域41限定，以便恰好形成閉合的環形冷卻通道4。此處，如圖3所示，區域41同樣能夠作為朝向活塞底部11的環形(軸向)凹槽實現。
活塞1優選具有從冷卻通道4延伸出的開口或者孔(油孔)42，其用于導入或導出冷卻介質，例如特別是機油。除了所示開口42之外，可設想最好還有其它開口。此處，開口42在活塞底部11的方向上優選從區域41延伸出來。為此，開口42最好在活塞內部部分20中形成，并且在工作時將冷卻通道4和與燃燒室反向的空間流體連接，冷卻介質通過所述開口提供。開口42被設置成優選徑向向內與接觸表面220間隔開。然而，開口42也能夠中斷外接觸表面220。然而，這種中斷不會影響或者不會顯著影響在一側的活塞內部部分20或者基部區域22的外接觸表面220與在另一側的活塞護套13或者環帶14的內接觸表面140之間的至少部分的面接觸。
在下面將描述用于制造根據本發明的多部段式活塞1的方法。在第一步中，實現如前所述的活塞外部部分10和活塞內部部分20。其中活塞部分10、20優選借助于成型技術，例如鍛造來制造。活塞部分10、20的前述幾何設計使得有可能特別簡單地制造該活塞部分10、20，其具有易于到達的、用于連接的活塞部分10、20的分界面t。然而，還可設想的是，活塞部分10、20可供選擇地或額外地借助于一次成型技術或者切削加工技術來實現。總的來說，活塞外部部分10和活塞內部部分20借助于一次成型技術、成型技術和/或切削加工技術來實現。
在第二步中，優選將活塞內部部分20插入活塞外部部分10。通過將活塞內部部分20插入活塞外部部分10，優選在活塞外部部分10與活塞內部部分20之間形成或者實現冷卻通道4。
最后將活塞部分10、20彼此連接。如前所述，將活塞外部部分10和活塞內部部分20可分離地或不可分離地彼此連接，優選彼此(徑向)壓配合連接、螺紋連接、鎖扣連接、熔焊連接、釬焊鏈接、粘合連接和/或鉚釘連接。
本發明不限于根據本發明的多部段式活塞1的前述實施方式，只要其包括在所附權利要求的主題中。特別地，本發明的技術特征能夠以任意方式彼此互換和組合。
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