專利名稱：內(nèi)燃機的冷卻通道活塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及按照各獨立權(quán)利要求的相應前序部分特征的一種鋼質(zhì) 冷卻通道活塞及其制造方法。
背景技術(shù)：
US 6, 155， 157公開了一種冷卻通道活塞，其包括兩個可彼此分 開制造的構(gòu)件，它們經(jīng)由摩擦焊工藝材料接合地相連接，以構(gòu)成一個 單件式的冷卻通道活塞。作為冷卻通道，設(shè)置一個與活塞的活塞環(huán)區(qū) 保持間距的和環(huán)繞的、向活塞內(nèi)輪廓方向經(jīng)由流入及排流孔開放的、 狹窄尺寸的環(huán)形通道。經(jīng)由一個固定定位的噴嘴向冷卻通道供給冷卻 劑，特別是油。這種可以較簡單實現(xiàn)的冷卻通道在局部位置不能夠?qū)?現(xiàn)對活塞的充分冷卻作用。

發(fā)明內(nèi)容
從已知的現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，因此本發(fā)明的目的在于，實現(xiàn)對于可承 受高負荷的鋼質(zhì)冷卻通道活塞的最好冷卻作用。
此目的通過相應的各獨立權(quán)利要求的特征得以實現(xiàn)。 第一發(fā)明涉及一種方法，用以制造由鋼鑄造或鍛造的、由至少兩 個部分在至少一個接合位置通過摩擦焊連接的冷卻通道活塞，它除了 一個外部冷卻通道外還包括至少一個另外的帶有至少一個槽形凹部的 內(nèi)部冷卻通道。該借助于機械加工、鍛造或通過鑄造工藝制成的冷卻 通道的槽形部分區(qū)域和一個與活塞環(huán)區(qū)軸向有間距地設(shè)置的外部冷卻 通道經(jīng)由至少一個過流口相連通。內(nèi)部冷卻通道的部分槽形的構(gòu)型有 利地加大了冷卻油空腔并因此加大了冷卻油容量，由此改善活塞的抖 動效應并從而總體上可以明顯地加強活塞的冷卻作用。
部分槽形的內(nèi)部冷卻通道的造型還簡化了在各冷卻通道之間的過 流口的制作，各過流口優(yōu)選構(gòu)造為孔。按照本發(fā)明，經(jīng)由接合面支承 上部和下部，在至少一個(示出了三個)接合面在下部中實施摩擦焊 之前制出各冷卻通道之間的過流口。其中，各過流口可以有利地通入 槽形凹部的區(qū)域內(nèi)。為定位各過流口設(shè)定的自由度能夠確定各過流口 的位置，其僅僅著眼于可實現(xiàn)冷卻劑的一種最好的供給和足夠的容積。 其中，有利的是，可以保持距上部與下部之間的各接合面的足夠間距。
由于存在空間上的間距，至少 一個接合面的隨后的摩擦焊和同時 設(shè)定的焊縫凸起不會妨礙已制出的各過流口。按照本發(fā)明，結(jié)合于小 壓縮高度的活塞中的冷卻通道沿活塞燃燒室凹腔的全部表面產(chǎn)生一種 最好的冷卻作用。同時，大體積構(gòu)成的各冷卻通道有利地減輕了活塞 重量。通過適配的外部及內(nèi)部冷卻通道的壁厚(各冷卻通道在活塞銷 座孔的上方在槽形擴展部的周圍擴大)，從而實現(xiàn)一種結(jié)構(gòu)堅固的活 塞，該活塞可以滿足極高的要求并且可以低成本制造。
本發(fā)明的冷卻通道的一種優(yōu)選的設(shè)計規(guī)定，冷卻通道也在活塞的 最大熱負荷區(qū)域內(nèi)延伸。為此，部分槽形的內(nèi)部冷卻通道在活塞銷座 孔的區(qū)域內(nèi)具有一個垂直定位的部分，在其上，在端側(cè)連接一個折彎 的、傾斜于活塞的對稱軸線定位的旋轉(zhuǎn)對稱的部分。內(nèi)部冷卻通道的 該傾斜延伸的部分保持間距地沿循著活塞的燃燒室凹腔的輪廓。在徑 向外側(cè)，在內(nèi)部冷卻通道上連接外部冷卻通道。離開活塞環(huán)區(qū)平行間 隔地設(shè)置的外部冷卻通道的縱向延伸超過活塞環(huán)區(qū)的長度尺寸。各冷 卻通道在活塞內(nèi)定位的方式是使它們由幾乎相同壁厚的壁包圍。為了 簡化加工和制造，特別是在小壓縮高度的情況下，優(yōu)選在活塞下部中 制出全部的配置于各冷卻通道的過流口 。
按照第二發(fā)明提供了一種方法，用以制造鋼質(zhì)冷卻通道活塞，其 具有一個中心的內(nèi)冷卻室，該方法包括軋壓工藝。在活塞的一個呈圓 拱頂狀構(gòu)成的按照槽形狀的中心內(nèi)部區(qū)域內(nèi)，借助于機械加工結(jié)合以 覆蓋元件制出 一個內(nèi)部冷卻室或內(nèi)部冷卻通道，該內(nèi)部冷卻通道配置
有與其徑向錯開的一外部冷卻通道?；钊闹圃爝^程規(guī)定在最終的
軋壓工藝之前，在各冷卻通道之間制出油冷卻的過流口 ，其也稱為供 給孔。為使活塞環(huán)區(qū)通過彎曲而處于最終的位置，利用軋壓工藝。
本發(fā)明為了建立內(nèi)部冷卻室而包括有一個覆蓋元件或成型件，它 向下封閉內(nèi)部區(qū)域。為此，優(yōu)選使用呈盤狀或杯狀構(gòu)成的覆蓋元件。 優(yōu)選形鎖合的和/或力鎖合的固定，例如壓配合連接，適用于覆蓋元件 的固定。或者，設(shè)置熔焊或釬焊來固定覆蓋元件，覆蓋元件包括至少 一個用于冷卻劑的排出孔。
由DE 37 13 191 Cl已知一種用以制造兩件式活塞的鍛造頭部的 方法，其中， 一個方法步驟包括使活塞環(huán)部分彎曲到最終的位置。這 種活塞僅僅包括一個在外側(cè)設(shè)置的狹小構(gòu)造的冷卻通道，其只能保證 局部的活塞冷卻，因此不是充分的大面積的活塞冷卻作用。例如，在 該已知的活塞中，在內(nèi)部的燃燒室凹腔的區(qū)域內(nèi)沒有實現(xiàn)針對性的冷 卻劑供給。
不同于此，按照本發(fā)明的活塞結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)一種極好的冷卻作用。 經(jīng)由按照中心的槽形狀的內(nèi)部冷卻通道或冷卻室，結(jié)合為其徑向設(shè)置 的外部冷卻通道，各冷卻通道便包圍了活塞的全部受強熱負荷的區(qū)域。 通過禮壓工藝結(jié)合以冷卻通道的針性設(shè)置，可實現(xiàn)一種結(jié)構(gòu)堅固的鋼 活塞，其具有優(yōu)化的、特別是包括整個活塞底面的冷卻作用。因此， 本發(fā)明的活塞經(jīng)得起極高的負荷并且可在具有高功率密度的內(nèi)燃機中 使用。
按照本發(fā)明的方案簡化或優(yōu)化了活塞的制造，特別是優(yōu)選設(shè)計為 孔的各過流口的制作。在目前的鋼活塞中，孔的制造需要提高制造費 用。由于難以接近活塞的內(nèi)部，那些總是傾斜延伸的孔只能用長的鉆 頭來加工。本發(fā)明的方法為從內(nèi)部冷卻通道或內(nèi)部冷卻室出發(fā)、通入 外部冷卻通道的過流口的設(shè)置提供了很大的構(gòu)型自由空間。有利地， 可以只考慮改善冷卻通道的冷卻劑供給，來實現(xiàn)過流口的位置、定向 和數(shù)量設(shè)定，以達到活塞的最佳冷卻效果。
本發(fā)明的活塞的另一優(yōu)選實施形式規(guī)定，為了構(gòu)成按槽形狀實施 的中心的內(nèi)部區(qū)域的內(nèi)部冷卻室，沿活塞銷座孔的方向具有一個環(huán)繞
的環(huán)形槽，其用作為冷卻液的保持容積。優(yōu)選借助機械加工來制造該 環(huán)形槽。
按照本發(fā)明的另一方面，為了加工制造鋼質(zhì)冷卻通道活塞(其包 括一上部和一下部)，采用軋壓工藝，它與至少一個主焊連接相組合。 該方法包括以下步驟。通過接合區(qū)域支承下部和上部，在活塞內(nèi)制出 一個內(nèi)部冷卻通道或一個內(nèi)部冷卻室以后，焊接各相應的接合區(qū)域。 對此優(yōu)選采用摩擦焊。緊接著制出各過流口，它們將內(nèi)部冷卻通道與 外部冷卻通道連通。也可以選擇在焊接之前制出各過流口。最后，利 用成型過程、軋壓工藝使活塞環(huán)區(qū)通過彎曲而處于其最終的位置。


說明書下文描述了圖1至7中示出的按照本發(fā)明設(shè)計的冷卻通道 活塞的不同的實施例。其中
圖1:冷卻通道活塞的第一實施例；
圖2:按圖1的冷卻通道活塞旋轉(zhuǎn)了 90°;
圖3:冷卻通道活塞的第二實施例；
圖4:冷卻通道活塞的第三實施例；
圖5:冷卻通道活塞的第四實施例；
圖6:冷卻通道活塞的第五實施例；
圖7:按圖6的冷卻通道活塞旋轉(zhuǎn)了 90°。
具體實施例方式
圖1和2分別示出了構(gòu)造為冷卻通道活塞的內(nèi)燃機用活塞1的半 體剖視圖，其由一下部2和一上部3構(gòu)成。此外，活塞l還包括一個 確定用于三個活塞環(huán)的活塞環(huán)區(qū)4、 一個燃燒室凹腔5、 一個活塞裙和 一個活塞銷座孔7。在下部2和上部3接合在一起以后，活塞l構(gòu)成 有一內(nèi)部冷卻通道8和一外部冷卻通道9。同時，下部2和上部3經(jīng) 由不僅在軸向而在徑向彼此錯開設(shè)置的接合面10、 11、 12支承，它們 為構(gòu)成組合部件借助于摩擦焊相連接，但也可設(shè)想其他數(shù)量的接合面。
焊接部清楚地示出了每一接合面10、 11、 12指向冷卻通道的方向 的焊接凸起13、 14、 15、 16。通過下部2的接合區(qū)域17a、 17b、 17c 與上部3的相應的接合區(qū)域18a、 18b、 18c的互相配合構(gòu)成了各個接 合面10、 11、 12，它們同時限定了活塞1內(nèi)冷卻通道8、 9的邊界。 呈瓶狀成形的外部冷卻通道9具有超過活塞環(huán)區(qū)4的縱向延伸。內(nèi)部 冷卻通道8的槽形結(jié)構(gòu)如圖1中所示在活塞銷座孔7的區(qū)域內(nèi)形成一 垂直的部分19，在其上，在端側(cè)連接一個折彎的、傾斜于活塞l的對 稱軸線20延伸的部分21。在活塞銷座孔的上方在該區(qū)域之外，將冷 卻通道8限定到所述部分21，其軸向與燃燒室凹腔5的輪廓隔開間距 地沿循著延伸。為實現(xiàn)冷卻劑供給，為冷卻通道8、 9配置過流口22、 23,各冷卻通道局部地在活塞1的下部2和上部3中延伸。在此，冷 卻通道8接近于對稱軸線20具有一個也稱為排出孔的過流口 22。在 一中間壁中，在接合面11的下方制出另一個將冷卻通道8與冷卻通道 9連通的過流口 23。
活塞1的結(jié)構(gòu)和制造方法使得過流口 22、23能夠在下部2和上部 3摩擦焊之前加工，因此使過流口 22、 23的制作變得容易。過流口 22 的位置和數(shù)量是沒有限制的，并且?guī)缀蹩梢匀我獾貙崿F(xiàn)對于冷卻劑供 給的需要。過流口 23的位置和數(shù)量受限于槽形的凹部19。如圖1和2 所示，由幾乎相同壁厚的壁包圍冷卻通道8、 9。該措施有利地改善了 散熱并且優(yōu)化了活塞1的結(jié)構(gòu)強度。
圖3至7示出的活塞31設(shè)計與按圖1和2的活塞1有所不同。
為了制造按圖3的活塞31，首先在上部33的中心的內(nèi)部區(qū)域53 中制出一個內(nèi)部冷卻室38a。其中，冷卻室38a的內(nèi)壁與燃燒室凹腔 35的輪廓間隔開延伸。此外，在限定內(nèi)部冷卻室38a的壁中制出至少 一個將冷卻室38a與冷卻通道39連通的過流口 45。不同于所示的傾 斜上升的過流口 45，它可以以任意的形狀或方位制造。下部32和上 部33分別具有一個接合區(qū)域41a、 41b，它們共同構(gòu)成一接合面40， 經(jīng)由該接合面，借助于摩擦焊將兩構(gòu)件相連接。
由于到接合面40有足夠的間距，過流口 45不受摩擦焊所設(shè)定的
焊縫凸起42、 43影響。在完成焊接以后，將活塞環(huán)區(qū)34從圖3中未 示出的向外轉(zhuǎn)的位置彎曲到最終位置，在該最終位置，活塞環(huán)區(qū)34 的外表面同心于活塞31的對稱軸線52延伸，其同時與活塞裙36的輪 廓相一致。由此，活塞環(huán)區(qū)34在外側(cè)限定出外部冷卻通道39。軋壓 工藝確保了弧狀延伸的接縫46的密封，該接縫設(shè)定在活塞環(huán)區(qū)34與 活塞裙36之間。內(nèi)部冷卻室38a向下、指向活塞銷座孔37的方向由 一個與下部32成一體連接的底面47限定。為了實現(xiàn)冷卻室38a的冷 卻劑供給，底面47設(shè)有至少一個中心過流口 44。
按照圖4，活塞31不具有接合面。在制造方法的未繪出的中間階 段，活塞環(huán)區(qū)34被偏轉(zhuǎn)，從而在實現(xiàn)活塞環(huán)34彎入之前，可以不需 要專用刀具地制出過流口 45。對于內(nèi)部冷卻室38b的下面的界限，設(shè) 置一個盤狀的優(yōu)選由薄鋼板制成的覆蓋元件48，其借助于焊接或夾緊 持久地固定在活塞壁上。為實現(xiàn)冷卻劑供給，在該覆蓋元件48中制出 至少一個過流口 44。
圖5示出了這樣的活塞31，其不同于圖4，包括一個呈杯狀成形 的覆蓋元件49，將內(nèi)部冷卻室38b封閉。這個可以通過深沖方法有利 地無切削制造的覆蓋元件49配置于活塞31的上面的轂區(qū)域50。熔焊 或硬釬焊或者選擇夾緊連接適用于其固定，借此可將覆蓋元件49力鎖 合地固定在轂50上。
按照圖6，活塞31包括一個優(yōu)選機械制造的內(nèi)部冷卻通道38c。 為此，在上面的轂區(qū)域內(nèi)和在與其垂直的區(qū)域51內(nèi)制出一環(huán)形通道， 該環(huán)形通道朝燃燒室凹腔35的方向是敞開的。圖7示出了按圖6的活 塞31旋轉(zhuǎn)90。的半剖視圖，其表明區(qū)域51并因而冷卻通道38c是 環(huán)繞設(shè)置的。此外，圖6和7還表示出具有不同定向的過流口 45的活 塞31。
附圖標記清單
1活塞3031活塞
2下部32下部
3上部33上部
4活塞環(huán)區(qū)34活塞環(huán)區(qū)
5燃燒室凹腔35燃燒室凹腔
6活塞裙3536活塞裙
7活塞銷座孔37活塞銷座孔
8冷卻通道38a冷卻室
9冷卻通道38b冷卻室
10接合面39c冷卻通道
11接合面4039冷卻通道
12接合面40接合面
13焊接凸起41a接合區(qū)域
14焊接凸起41b接合區(qū)域
15焊接凸起42焊接凸起
16焊接凸起4543焊接凸起
17a接合區(qū)域44過流口
17b接合區(qū)域45過流口
17c接合區(qū)域46接縫
18a接合區(qū)域47底面
18b接合區(qū)域5048覆蓋元件
18c接合區(qū)域49覆蓋元件
19部分50槽邊緣
20對稱軸線51槽邊緣
21部分52對稱軸線
22過流口5553內(nèi)部區(qū)域
23過流口
權(quán)利要求
1.用于制造內(nèi)燃機的鋼質(zhì)活塞(1)的方法，此活塞構(gòu)造為用于小的壓縮高度的、具有至少兩個冷卻通道(8、9)的單件式冷卻通道活塞，其包括一下部(2)和一上部(3)，所述上部和下部經(jīng)由至少一個相應的接合面(11)支承并且借助于一種接合工藝特別是摩擦焊相連接，其特征在于，所述活塞(1)包括一個通過機械加工、鍛造或鑄造制成的內(nèi)部冷卻室(8)，該冷卻室在活塞銷座孔(7)上方的區(qū)域內(nèi)具有一種槽形的幾何形狀(19)；所述活塞還包括一個與活塞(1)的活塞環(huán)區(qū)(4)有間距地布置的外部冷卻通道(9)；其中，冷卻通道(8)具有至少一個通向所述外部冷卻通道(9)的過流口(23)，該過流口通入所述冷卻室(8)的槽形的部分區(qū)域中；冷卻通道(8)還具有至少一個通入活塞內(nèi)輪廓中的過流口(22)；其中，在所述至少一個接合面(11)摩擦焊之前在活塞(1)中制出各孔。
2. 按照如權(quán)利要求1所述的方法制造的活塞(1)，其特征在于， 上部(3)和下部(2)經(jīng)由剛好三個相應的接合面(10、 11、 12)借 助于一種接合工藝特別是摩擦焊相連接，其中，各接合面的壁構(gòu)成兩 冷卻通道(8、 9)的壁的部分區(qū)域。
3. 按照如權(quán)利要求1所述的方法制造的活塞(1)，其特征在于， 內(nèi)部冷卻通道(8)的槽形的部分區(qū)域(19)在活塞銷座孔(7)的區(qū) 域內(nèi)接近于垂直定位，并且在端側(cè)連接一個折彎的、傾斜于活塞(l) 的對稱軸線(20)定位的部分(21)。
4. 按照權(quán)利要求2或3所述的活塞，其特征在于，冷卻通道(8、 9)設(shè)置在活塞(1)的下部(2)和上部(3)中。
5. 按照權(quán)利要求2或3所述的活塞，其特征在于，冷卻通道(8、 9)由幾乎相同壁厚的壁包圍。
6. 按照權(quán)利要求2或3所述的活塞，其特征在于，冷卻通道(8、 9)保持間距地沿循著燃燒室凹腔(5)的輪廓在活塞(1)中制出。
7. 按照權(quán)利要求2或3所述的活塞，其特征在于，為冷卻通道(8、 9)所配的過流口 (22、 23)配置于活塞(1)的下部(2)。
8. 用于制造內(nèi)燃機的特別是鍛造的單件式鋼質(zhì)冷卻通道活塞的 方法，該方法包括軋壓工藝，其中，具有至少一個外部及一個內(nèi)部冷 卻通道(8、 9)的活塞(31)包括一個活塞環(huán)區(qū)(34)，所述活塞環(huán)區(qū) 通過彎曲而處于最終的位置，其特征在于，借助于機械加工或者與一 覆蓋元件(48、 49)結(jié)合，在活塞(31)的內(nèi)部區(qū)域(53)中制出一 內(nèi)部冷卻室(38a、 38b)或一內(nèi)部冷卻通道(38c)，沿徑向間隔距離 地為其配置一外部冷卻通道(39)，其中，至少一個過流口 (45)將外 部冷卻通道(39)與內(nèi)部冷卻通道(38c)或內(nèi)部冷卻室(38a、 38b ) 連通。
9. 按照權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述活塞(31)包括一下 部(32)和一上部(33)，其特征在于，包括下列用以制造活塞(31) 的步驟-制出內(nèi)部冷卻通道(38c)或內(nèi)部冷卻室(38a、 38b); -焊接至少一個在下部(32)與上部(33)之間的接合面(40); -制出至少一個過流口 (45),該過流口將內(nèi)部冷卻室(38a、 38b) 或內(nèi)部冷卻通道(38c)與外部冷卻通道(39)連通； -將活塞環(huán)區(qū)(34)彎曲到其最終的位置。
10. 按照如權(quán)利要求8或9所述的方法制造的活塞，其特征在于， 一個環(huán)繞的、包括有凹槽的凸緣(51)在呈圓拱頂狀構(gòu)成的內(nèi)部區(qū)域(53)處構(gòu)成內(nèi)部冷卻通道(38c)。
11. 按照如權(quán)利要求8、 9或10所述的方法制造的活塞，其特征 在于，為了形成內(nèi)部冷卻室(38a、 38b)，活塞(31)的內(nèi)部區(qū)域(53) 指向活塞銷座孔(37)并由一個插入活塞(31)中的、具有至少一個 過流口 (44)的覆蓋元件(48、 49)限定。
12. 按照權(quán)利要求11所述的活塞，其特征在于，為固定覆蓋元件 (48、 49)而設(shè)置形鎖合和/或力鎖合或材料接合的連接。
13. 按照權(quán)利要求11所述的活塞，其特征在于， 一個呈盤狀或杯 狀構(gòu)成的覆蓋元件(48、 49)封閉內(nèi)部冷卻室(38a、 38b )。
14.按照權(quán)利要求2或3或者按照權(quán)利要求11所述的活塞，其特 征在于，外部冷卻通道(9、 39)具有超過活塞環(huán)區(qū)(4、 34)的縱向 延伸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于制造內(nèi)燃機的活塞(1)的方法，此活塞構(gòu)造為用于小的壓縮高度的冷卻通道活塞。活塞(1)包括一下部(2)和一上部(3)，它們經(jīng)由一個或多個相應的接合面(10、11、12)支承并且借助于摩擦焊相連接?；钊?1)包括一個呈槽形構(gòu)成的內(nèi)部冷卻通道(8)，以及一個與活塞環(huán)區(qū)(4)軸向有間距地布置的外部冷卻通道(9)。內(nèi)部冷卻通道(8)通過機械加工特別是鍛造在活塞(1)的下部(2)中制出。在接合面(10、11、12)摩擦焊之前制出配置于冷卻通道(8、9)的過流口(22、23)。
文檔編號B23P15/10GK101365559SQ200680051484
公開日2009年2月11日 申請日期2006年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月21日
發(fā)明者N·里斯, V·格尼斯默 申請人:Ks科爾本施密特有限公司