氣體承壓活塞及使用該活塞的發動機的製作方法
2023-07-13 00:23:56 2
專利名稱：氣體承壓活塞及使用該活塞的發動機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種活塞，尤其是一種氣體承壓活塞及加工該活塞的方法和使用 該活塞 的發動機。
背景技術：
活塞廣泛地應用於發動機、壓縮機等設備中。在傳統發動機的活塞連杆機構中，由 於活塞要承受極大的壓力，即使活塞內部具有空腔，腔壁也必須做得很厚，造成活塞的的質 量仍然很大，相應的連杆組本身的質量也很大，活塞和連杆組產生的慣性力就很大，對發動 機曲軸和曲軸軸瓦產生很大的衝擊力，同時產生很大的噪聲，在很大程度上影響發動機曲 軸和曲軸軸瓦的壽命和性能，進而影響發動機的壽命和性能的提高。為此，急需發明一種新 型的既能承受極大的壓力同時又質量較輕的活塞，來解決上述存在的問題。發明內容本實用新型的目的是，針對上述缺陷，提供一種新型的既能承受極大的壓強同時 又質量較輕的活塞，同時提供一種加工該活塞的方法和使用該活塞的發動機。為了實現本實用新型的目的採用的技術方案如下一種氣體承壓活塞，包括頭部1和連接部2，在所述頭部1的內部設有高壓氣體承 壓腔4，在所述高壓氣體承壓腔4內密封有高壓氣體。所述高壓氣體的壓強大於等於或者小於所述氣體承壓活塞工作時，活塞頂部氣壓 的最高壓強。所述高壓氣體為不活潑氣體。所述高壓氣體承壓腔4為一個或多個。所述高壓氣體承壓腔4為圓柱形、圓形或橢圓形。一種為氣體承壓活塞填充高壓氣體的方法，包括如下步驟第一步，在加工好的頭部1上設有空腔的活塞上打孔，使所述空腔與外界連通；或 者在加工頭部1設有空腔的活塞時，預留有連通所述空腔和外界的孔；第二步，將所述活塞投入高壓氣體容器中，使高壓氣體充滿所述空腔；第三步，在所述高壓氣體容器內，將所述孔密封；第四步，將所述活塞取出所述高壓氣體容器。在所述高壓氣體容器內，將所述孔焊接密封。一種使用氣體承壓活塞的發動機，包括氣缸5和氣體承壓活塞，所述氣體承壓活 塞部分或全部設置在所述氣缸5內，所述高壓氣體承壓腔4內高壓氣體的壓強大於等於或 者小於所述氣缸5工作時內部的最大爆炸壓強。所述氣體承壓活塞為懸浮式活塞。所述的發動機，還包括連杆(5)，所述連杆(5)與所述氣體承壓活塞相連，其特徵 在於所述連杆(5)為普通連杆或者失穩連杆。不活潑氣體是指不容易發生化學反應的氣體，在本實用新型中尤其是指不容易跟 高壓氣體承壓腔4的內壁材料發生反應的氣體，如氮氣等。[0022]懸浮式活塞是指氣缸與活塞的全部或者一部分圓周外壁之間，既不發生接觸又維 持相當小的間隙，從而實現既密封又不磨損的目的，具體可參見本實用新型人的專利「自壓 縮正時氣體佔位懸浮活塞發動機」，申請號為200910162557. 4。失穩連杆是指不能承擔壓力，只能承擔拉力的連杆，如傳統的二連杆、多連杆、鎖 鏈、鏈條和繩索。 本實用新型有以下積極有益的效果1、本實用新型由於氣體承壓活塞的設置，減少了活塞的質量，進而減少活塞本身 的慣性力，改善了曲軸的受力情況，提高了曲軸的壽命，改善了發動機本身的性能，提高了 發動機運行的平穩性，降低了發動機工作時產生的噪聲；2、本實用新型結構簡單，加工製造容易，成本低。
圖1是現有技術中頭部設有常壓空腔的活塞的結構示意圖；圖2是本實用新型中氣體承壓活塞的結構示意圖；圖3是本實用新型中使用氣體承壓活塞的發動機的活塞氣缸部分的結構示意圖；圖4是本實用新型中使用懸浮式氣體承壓活塞的發動機的活塞氣缸部分的結構 示意圖；圖5是本實用新型中使用氣體承壓活塞和失穩連杆的發動機的活塞氣缸部分的 結構示意圖。
具體實施方式
實施例1如圖1所示，現有技術中的常規中空活塞包括頭部1、連接部2和在頭部1的內部 設有的空腔3，頭部1的橫截面積為S，空腔3內的橫截面積為si，空腔3內的氣體為常壓或 低壓，活塞頂部氣壓的最高壓強為P2。當活塞頂部氣壓為常壓或低壓時，由於空腔3內的 氣體也為常壓或低壓，則空腔3的外側壁在縱向不受力或受到很小的拉應力或壓應力，在 此可以忽略不計。當活塞頂部氣壓為最高壓強P2時，由於空腔3內的氣體為常壓或低壓， 其在頭部1的橫截面上產生的壓強，在此可以忽略不計，則空腔3的外側壁在縱向受到大小 為S*P2的壓應力。則當活塞頂部氣壓的壓強在常壓或低壓到最高壓強P2之間變化時，空 腔3的外側壁受到的最大拉應力可以非常小，在此可以忽略不計；空腔3的外側壁縱向受到 的最大壓應力S*P2。如圖2所示，本實用新型中的氣體承壓活塞，包括頭部1、連接部2和在頭部1的 內部設有的高壓氣體承壓腔4，頭部1的橫截面積為S，高壓氣體承壓腔4內的橫截面積為 s2，高壓氣體承壓腔4內的高壓氣體的壓強為P1，頂部氣壓的最高壓強P2。當活塞頂部氣 壓為常壓或低壓時，其在頭部1的橫截面上產生的壓力，在此可以忽略不計，由於高壓氣體 承壓腔4內的高壓氣體的壓強為P1，則高壓氣體承壓腔4的外側壁在縱向受到的拉應力為 s2*Pl。當活塞頂部氣壓為最高壓強P2時，由於高壓氣體承壓腔4內的高壓氣體的壓強為 P1，則高壓氣體承壓腔4的外側壁在縱向受到大小為(S*P2-s2*Pl)的壓應力。則當頂部氣 壓的壓強在常壓或低壓到最高壓強P2之間變化時，高壓氣體承壓腔4的外側壁受到的最大 拉應力為s2*Pl。；高壓氣體承壓腔4的外側壁受到的最大壓應力(S*P2-s2*Pl)。[0036]當S略大於s2，Pl大於等於或略小於P2時，本實用新型中高壓氣體承壓腔4的外 側壁受到的最大壓應力(S*P2-s2*Pl)遠小於現有技術中空腔3的外側壁受到的最大壓應 力S*P2，也遠小於本實用新型中高壓氣體承壓腔4的外側壁受到的最大拉應力為s2*Pl，甚 至當Pl相對於P2足夠大時，高壓氣體承壓腔4的外側壁受到的最大壓應力(S*P2-s2*Pl) 為零值或負值。可見，現有技術中的空腔3的外側壁縱向受到的最大力為壓應力S*P2，本實用新 型中高壓氣體承壓腔4的外側壁縱向受到的最大力為拉應力s2*Pl。當S略大於s2，Pl略 大於、等於或略小於P2時，S*P2和s2*Pl相等或相差不大。由於大部分材料的抗拉能力遠大於抗壓能力；另外，材料受壓時還要考慮失穩問 題，必須要額外的加大受力面積，而受拉時不存在失穩問題。因此，在同等條件下，本實用新 型中的氣體承壓活塞高壓氣體承壓腔4的外側壁與現有技術中的常規中空活塞的空腔3外 側壁相比就可以做的更薄，即高壓氣體承壓腔4就可以比現有技術中的常規中空活塞的空 腔3做的更大，從而大大降低活塞的質量。實施例2為本實用新型氣體承壓活塞填充高壓氣體的方法，包括如下步驟 第一步，在加工好的頭部上設有空腔的活塞上打孔，使所述空腔與外界連通；或者 在加工頭部設有空腔的活塞時，預留有連通所述空腔和外界的孔；第二步，將所述活塞投入高壓氣體容器中，使高壓氣體充滿所述空腔；第三步，在所述高壓氣體容器內，將所述孔焊接密封；第四步，將所述活塞取出所述高壓氣體容器。實施例3如圖3所示，一種使用氣體承壓活塞的發動機，包括氣缸5和氣體承壓活塞，氣體 承壓活塞部分或全部設置在所述氣缸5內，高壓氣體承壓腔4內高壓氣體的壓強Pl大於等 於或者小於所述氣缸5工作時內部的最大爆炸壓強。氣體承壓活塞的連接部2通過連杆6 與曲軸7相連。當發動機工作時，在排氣和吸氣衝程中，氣缸內即氣體承壓活塞頂部氣壓的 壓強達到最低，為常壓或低壓；在壓氣和做功衝程中，氣缸內即氣體承壓活塞頂部氣壓的壓 強達到最高，為在排氣和吸氣衝程中，氣缸內即氣體承壓活塞頂部氣壓的最低壓強為常壓 或低壓。當氣體承壓活塞頂部氣壓壓強最低，為常壓或低壓時，其在頭部1的橫截面上產 生的壓力，在此可以忽略不計，由於高壓氣體承壓腔4內的高壓氣體的壓強為P1，則高壓氣 體承壓腔4的外側壁在縱向受到的拉應力為s2*Pl。當活塞頂部氣壓壓強最高，為最高壓強 P2時，由於高壓氣體承壓腔4內的高壓氣體的壓強為P1，則高壓氣體承壓腔4的外側壁在 縱向受到大小為(S*P2-s2*Pl)的壓應力。則當發動機工作時，高壓氣體承壓腔4的外側壁 受到的最大拉應力為s2*Pl，最大壓應力(S*P2-s2*Pl)。當S略大於s2，Pl相對於P2足夠 大時，高壓氣體承壓腔4的外側壁受到的最大壓應力(S*P2-s2*Pl)為零值或負值。可見，本實用新型中高壓氣體承壓腔4的外側壁縱向受到的最大力為拉應力 s2*Pl。而使用現有技術中的常規中空活塞時，空腔3的外側壁縱向受到的最大力為壓應力 S*P2，P2為氣缸5工作時內部的最大爆炸壓強。當S略大於s2，Pl略大於、等於或略小於 P2時，S*P2和s2*Pl相等或相差不大。[0049]由於大部分材料的抗拉能力遠大於抗壓能力；另外，材料受壓時還要考慮失穩問 題，必須要額外的加大受力面積，而受拉時不存在失穩問題。因此，在同等條件下，本實用新 型中的氣體承壓活塞高壓氣體承壓腔4的外側壁與現有技術中的常規中空活塞的空腔3外 側壁相比就可以做的更薄，即高壓氣體承壓腔4就可以比現有技術中的常規中空活塞的空 腔3做的更大，從而大大降低活塞的質量。實施例4如圖4所示，一種使用懸浮式氣體承壓活塞的發動機，其與實施例3的區別是，氣 體承壓活塞為懸浮式活塞。懸浮式氣體承壓活塞的上部圓周外壁與氣缸5之間不發生接觸 又維持相當小的間隙，上部圓周外壁與氣缸5之間接觸，從而實現既密封又減少摩擦磨損 的目的。由於懸浮式氣體承壓活塞的頭部1的縱截面為近似梯形，為了保證懸浮式氣體承 壓活塞的安全性，在頭部1的小端和大端，分別設有兩個高壓氣體承壓腔4。同理，在同等條件下，本實用新型中的氣體承壓活塞高壓氣體承壓腔4的外側壁 與現有技術中的常規中空活塞的空腔3外側壁相比就可以做的更薄，即高壓氣體承壓腔4 就可以比現有技術中的常規中空活塞的空腔3做的更大，從而大大降低活塞的質量。實施例5如圖5所示，一種使用氣體承壓活塞的失穩連杆發動機，還包括連杆6，連杆(5)與 氣體承壓活塞的連接部2相連，其與實施例3的區別是，連杆6為失穩連杆。氣體承壓活塞 經彈性體8與機體9連接或接觸，氣體承壓活塞經所述失穩連杆6與所述曲軸7連接。同理，在同等條件下，本實用新型中的氣體承壓活塞高壓氣體承壓腔4的外側壁 與現有技術中的常規中空活塞的空腔3外側壁相比就可以做的更薄，即高壓氣體承壓腔4 就可以比現有技術中的常規中空活塞的空腔3做的更大，從而大大降低活塞的質量。
權利要求一種氣體承壓活塞，包括頭部(1)和連接部(2)，其特徵在於在所述頭部(1)的內部設有高壓氣體承壓腔(4)，在所述高壓氣體承壓腔(4)內密封有高壓氣體。
2.根據權利要求1所述的氣體承壓活塞，其特徵在於所述高壓氣體的壓強大於等於 或者小於所述氣體承壓活塞工作時活塞頂部氣壓的最高壓強。
3.根據權利要求2所述的氣體承壓活塞，其特徵在於所述高壓氣體為不活潑氣體。
4.根據權利要求3所述的氣體承壓活塞，其特徵在於所述高壓氣體承壓腔(4)為一 個或多個。
5.根據權利要求3所述的氣體承壓活塞，其特徵在於所述高壓氣體承壓腔(4)為圓 柱形、圓形或橢圓形。
6.一種使用權利要求1至5任意之一所述的氣體承壓活塞的發動機，包括氣缸(5)和 氣體承壓活塞，所述氣體承壓活塞部分或全部設置在所述氣缸(5)內，其特徵在於所述高 壓氣體承壓腔(4)內高壓氣體的壓強大於等於或者小於所述氣缸(5)工作時內部的最大爆 炸壓強。
7.根據權利要求6所述的發動機，其特徵在於所述氣體承壓活塞為懸浮式活塞。
8.根據權利要求6所述的發動機，還包括連杆(6)，所述連杆(6)與所述氣體承壓活塞 相連，其特徵在於所述連杆(6)為普通連杆或者失穩連杆。
專利摘要本實用新型公開了一種氣體承壓活塞及使用該活塞的發動機。氣體承壓活塞包括頭部1和連接部2，在頭部1的內部設有高壓氣體承壓腔4，在高壓氣體承壓腔4內密封有高壓氣體。本實用新型由於氣體承壓活塞的設置，減少了活塞的質量，進而減少活塞本身的慣性力，改善了曲軸的受力情況，提高了曲軸的壽命，改善了發動機本身的性能，提高了發動機運行的平穩性，降低了發動機工作時產生的噪聲。
文檔編號F02F3/00GK201588929SQ20092021827
公開日2010年9月22日 申請日期2009年10月19日 優先權日2009年10月19日
發明者靳北彪 申請人:靳北彪