高負荷節能活塞的製作方法
2023-10-07 22:16:54 1
專利名稱：高負荷節能活塞的製作方法
技術領域：
本實用新型是對現有內燃機用活塞的改進。
活塞由頭部、環岸、銷孔和裙部組成。傳統的活塞的頭部外形為橢圓柱形，且與缸套間隙較大，活塞裙部在冷態時做成橢圓錐形。活塞頭部不具備導向條件，在運行過程中易發生擺動，產生敲缸問題。熱傳導差，第一環槽熱負荷高，活塞環槽的封氣效果不好，使熱效率較低；橢圓錐形裙部活塞不能滿足現代高速高負荷內燃機的需求，在這種惡劣工作條件和較高燃氣壓力下，活塞裙部外圓與缸壁之間形成高速彈性擠壓變形摩擦，當活塞變形後，局部間隙過小，就會出現外圓表面撕裂和拉傷現象，嚴重時甚至會卡缸或膠接。如果間隙過大，活塞敲缸現象就會增加。以上問題大大降低了發動機的動力性和經濟性，燃油消耗增加。另外，活塞銷孔一直沿用圓柱孔形。但是，由於在高負荷工作狀態下，活塞銷因承受極高的作用力，發生彎曲，使載荷向銷座內側應力集中，致使銷座裂紋，在高增壓發動機上，活塞此類形式的破損經常發生。
本實用新型的目的是提供一種改進的內燃機活塞，以獲取最佳潤滑和穩定的導向條件，降低摩擦損失，提高熱效率，改善發動機的動力性和經濟性，降低油耗，並提高高負荷活塞銷孔銷座的承載能力，進而提高活塞的使用壽命。
本實用新型是這樣實現的，縮小活塞頭部與缸壁的間隙，將其縮小至現有直橫槽活塞間隙的70～80％，將活塞的頭部外形設計為橢圓錐與凸臺組合的形式。活塞裙部，軸向外形以裙部橫向最高點為界，上下分別為拋物線形，橫向截面外形分別為單橢圓和雙橢圓相結合的形式，活塞銷孔銷座內側為圓錐形。
活塞頭部及環槽區外圓是活塞工作狀況下，熱負荷最高的部位。由於活塞頭部外圓形狀為橢圓錐和凸臺相結合的形式，按照燃氣壓力規律，頭部為橢圓錐形符合「氣楔」導向的形式。凸臺與缸壁接觸，一方面由頂部傳下的熱量可很快地傳遞給缸壁散發出去，另一方面，自頂部爆發的燃氣壓力，經凸臺與缸壁之間的縫隙效應使壓力得到降低，到第一環槽時又突然膨脹，壓力又進一步降低，這對減輕第一環槽熱負荷效果顯著，增強了活塞環的支承密封作用。同時頭部凸臺參與整個活塞工作狀況下的導向，對保持活塞的平穩性起到了重要作用。另外，減少活塞頭部外圓與缸套之間的間隙還可限制自身擺動，減少活塞敲缸的現象，減少在環槽底部和環岸上積炭的可能性，消除頭部環槽粘結，增加大燃燒性能，降低環槽側向磨損，提高環槽壽命。
當然，減小活塞頭部外圓與缸套的間隙，必須保證頭部與裙部外圓的同軸度。在活塞加工工藝上應將頭部與裙部一次裝夾切削成形。
根據動力潤滑理論，活塞外圓與缸套之間的動力潤滑油膜的壓力沿軸向呈拋物線分布，因此，活塞裙部軸向外形設計成相應的形狀，可使活塞在上下運動時，以其橫向最高點為界，裙部上下兩個方向都能形成具有很大油膜支承剛度的摩擦油楔，油楔產生流體動力潤滑，使活塞始終處於良好的潤滑和穩定的工作狀態，從而降低了摩擦損失和對缸套的衝擊。
總之，採用上述結構的活塞，在工作狀態因承受機械負荷和熱負荷的聯合作用而發生變形時，其外形與氣缸壁能夠保持良好貼合，並能形成一定的油膜規模，獲得最佳潤滑和穩定的導向條件，從而有效地改善了活塞工況，降低了能耗。
銷孔內側銷座設計為圓錐形，可使銷孔內側適應活塞銷在高負荷作用力下發生的變形，均化銷孔的應力分布狀況，使銷座不致發生裂紋破損，從而提高了活塞使用壽命。
以下結合附圖和實施例說明本實用新型的具體結構。
附
圖1是本實用新型之活塞頭部的結構圖。圖2是其裙部軸向外形形線的示意圖。圖3是其裙部橫截面外形形線的示意圖。圖4是本實用新型之銷孔結構的示意圖。
從
圖1可以看出，本實用新型之活塞頭部1為橢圓錐2與凸臺3相結合的形式，頭部1與缸套4的間隙縮小。第一環槽鑲有耐磨環座5。
根據圖2，本實用新型之活塞裙部軸向外形形線，以其橫向最高點O點為界，上下分別為一拋物線，其形線採用如下公式△上＝C上Z3上×10－5△下＝C下Z2下×10－6(式中，△上、△下分別為軸向形線上的點至0點的橫向距離，C上、C下為修正係數，Z上、Z下分別為從0點處至上、下端的高度坐標)。
根據圖3活塞裙部橫向截面外形形線採用以下公式△1＝ (G)/4 (1－COS2θ)△2＝ (G)/4 ［(1－COS2θ)±β(1－COS4θ)］(式中G＝D－d、θ為圓心角、β為修正係數)根據圖4，本實用新型之銷孔6的銷座7為圓錐形。
根據活塞應力變形和熱變形的分析計算，得出活塞軸向變形最小點在裙部下端，但為了增加活塞導向的穩定性，使裙部上下兩端在工況下都能形成油楔，一般將裙部最高點設在距下端10～25mm處(中小型活塞)，△上＝0.02～0.05mm △下＝0.01～0.20mm，活塞橢圓度D－d一般為0.02～0.60mm。
權利要求高負荷節能活塞，包括頭部、環岸、裙部和銷孔，其特徵在於，所述的銷孔6的內側銷座7為圓錐形，活塞頭部1與缸套4的間隙縮小到現有直橫槽活塞的70～80%，其外形由橢圓錐2和凸臺3組成，活塞裙部軸向外形是，以其橫向最高點0點為界，上、下分別為拋物線形，形線採用如下公式△上=C上Z3上×10-5△下=C下Z2下×-6(式中，△上、△下分別為軸向形線上的點至0點的橫向距離，C上、C下為修正係數，Z上、Z下分別為從0點處至上、下端的高度坐標)。
專利摘要本實用新型提供了一種高負荷節能活塞，該活塞銷孔6的內側銷座7為圓錐形，頭部1與缸套4的間隙縮小到現有直橫槽活塞70～80％，其外形由橢圓錐2和凸臺3組成，第一環槽鑲有耐磨環座，裙部的軸向外形形線以裙部最高點0點為界，上下分別為拋物線形，其橫截面形線分別為單橢圓和雙橢圓結合的形式，這種活塞，獲得了最佳潤滑和穩定的導向條件，降低了摩擦損失，提高了熱效率，改善了發動機的動力性的經濟性，降低了油耗，並提高了高負荷活塞銷孔銷座的承載能力，進而提高了活塞的使用壽命。
文檔編號F02F3/00GK2130929SQ9221933
公開日1993年4月28日 申請日期1992年7月14日 優先權日1992年7月14日
發明者王寶沛, 李俊傑 申請人:山東活塞廠