用于内燃机的活塞的制作方法

本发明涉及一种用于内燃机的活塞，特别是用于奥托发动机的铝活塞，由于其从槽底到侧部具有特殊的过渡曲线，环岸强度得到了提高。活塞用于内燃机，通过曲轴驱动机动车。活塞在气缸内上下运动，并通过气缸壁导向。活塞的侧壁上有环形槽，活塞环位于槽中，可在气缸壁上滑动，从而将燃烧室与发动机的其他部分密封起来。在点火压力的作用下，第一环形槽尤其要承受很大的机械负荷。由于发动机负荷不断增加、点火压力越来越高，以及燃烧策略有利于在局部有限的极端奇异点火压力负荷下发生预点火，奥托活塞如今必须越来越多地在第一环形槽中进行加固，以防止活塞损坏，这种损坏例如发生在槽底，尤其是从第一环形槽的槽底开始的环岸断裂。

背景技术：

1、一种证实可行的解决方案是在铝质活塞上浇铸铁质材料(耐蚀高镍)制成的所谓活塞环载体加固件，然后在上面加工出第一环形槽。这种方法长期以来一直用于柴油机活塞，由于上述原因，近年来也越来越多地用于承受更高负载的奥托汽油机活塞。

2、然而，由于需要额外购买环载体的浇铸部件、增加铸造车间的加工成本、增加活塞的加工步骤以及增加废品风险(浇铸部件粘接不牢)，这种方法会带来大量额外成本。此外，由铁质材料制成的浇铸部件也增加了奥托活塞的重量，而为了提高效率，必须始终将活塞重量保持在尽可能低的水平。

3、从专利文献de 3928491 al和wo 2015/040126 al中可以发现，其对于上侧部和下侧部在圆形径向上的配置不同，这些不同显示在剖视图中。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种活塞，这种活塞能够以高效的方式制造，同时具有较低的环岸断裂可能性和较轻的重量。

2、此目的通过权利要求1所述的活塞予以实现。其他权利要求中描述了优选措施。

3、根据本发明的活塞，特别是不带环载体的活塞，用于内燃机，优选是奥托发动机。根据本发明，活塞优选由铝或铝合金制成，但也可以由钢或其他材料制成。

4、本发明主张将至少一个(优选是第一)环形槽的槽底曲线设置成，从横截面看，环形槽的下侧部和/或上侧部之间至少有一条椭圆和/或凸三次样条曲线。初步模拟显示，与使用简单的半径作为槽底曲线相比，这可以进一步降低槽底的应力。此外，活塞环内侧径向的死区也以一种有利的方式减少了。换句话说，这减少了活塞环背面的余隙容积，当气体压力增加时，第一活塞环的密封效果更快。

5、值得一提的是，对于上述两种曲线形状，最好在槽的上侧部和/或下侧部形成切向过渡。在使用三次样条曲线时，也可以在槽的上侧部和/或下侧部形成连续的曲率过渡。

6、尽管如此，根据本发明采取的措施可以降低制造成本和重量。以直径为82毫米的活塞为例，与环载体的活塞相比，重量可减轻20克左右。

7、与圆形半径相比，椭圆形曲线的优势尤其明显，为了能够充分利用椭圆形曲线的优势，至少一个椭圆形曲线的两个半轴最好相差至少5％。

8、虽然可以使用完整椭圆的其他部分，但至少有一条椭圆曲线最好使用四分之一椭圆。这样，无论槽底是否有圆柱形部分，槽的下侧部和/或上侧部以及槽底都会自动形成切向连续的过渡。

9、对于至少一个凸三次样条曲线，出于同样的原因，最好至少有一个样条是这样形成的:当活塞冠处于水平状态时，下侧部或上侧部过渡曲线的水平延伸部与垂直延伸部偏离至少5％。在此需要指出的是，接下来所说的水平和/或垂直延伸部，可以视为在水平活塞冠的情况下。

10、上述优点也可以通过初步模拟来确定，在这种设计中，通向下侧部和上侧部的过渡曲线的水平延伸部是不同的。换句话说，在至少一条凸三次样条曲线中，图中标注为o1和o2的参考点(和上下侧部的过渡点不在同一水平位置上。

11、这也适用于槽底没有圆柱形部分的设计，换句话说，下侧部的过渡曲线最好与上侧部的过渡曲线连成一条连续曲线。

12、如果过渡曲线到环形槽下侧部的水平延伸部小于垂直延伸部，通过点火压力施加的压力就会更均匀地分散到环岸区域。该区域的切口效应减小，在应力峰值(例如在预点火事件或爆震燃烧时)出现环岸断裂的时间也会推迟。这一措施的原理效果已经过模拟验证。

13、在一个优选的实施方案中，下侧部过渡曲线的垂直延伸部更大，优选至少是上侧部过渡曲线垂直延伸部的两倍，特别是最好至少是三倍，从而进一步提高上述环岸的强化效果。

14、因此，下过渡曲线的垂直延伸部最好大于槽高度的一半，而上过渡曲线的垂直延伸部则小于槽高度的一半。由于不对称，槽高度的很大一部分用于下过渡曲线，从而进一步提高了上述环岸强度。

技术特征：

1.用于内燃机的活塞(1)，活塞材料中包括至少一个环形槽，其特征在于，至少一个环形槽(2)，优选是最靠近活塞冠的第一环形槽，设计成从横截面看，在环形槽的下侧部(4)和/或环形槽的上侧部(5)之间有至少一部分椭圆曲线。

2.用于内燃机的活塞(1)，特别是根据权利要求1的活塞，其中，至少一个环形槽(2)，优选是最靠近活塞冠的第一环形槽，设计成从横截面看，在环形槽的下侧部(4)和/或环形槽的上侧部(5)之间有至少一条凸三次样条曲线。

3.根据权利要求1所述的用于内燃机的活塞(1)，其中，椭圆曲线中两个半轴相差至少5％。

4.根据权利要求1所述的用于内燃机的活塞(1)，其中，至少一部分椭圆曲线是四分之一椭圆。

5.根据权利要求2所述的用于内燃机的活塞(1)，其中，在至少一条凸三次样条曲线中，当活塞冠水平时，向下侧部(4)或向上侧部(5)过渡的过渡曲线的水平延伸部偏离垂直延伸部至少5％。

6.根据前述权利要求之一所述的用于内燃机的活塞(1)，其中，向下侧部(4)过渡的过渡曲线和向上侧部(5)过渡的过渡曲线两者的水平延伸部是不同的。

7.根据前述权利要求之一所述的用于内燃机的活塞(1)，其中，槽底(3)不包括圆柱形部分。

8.根据前述权利要求之一所述的用于内燃机的活塞(1)，其中，当活塞冠水平时，向下侧部(4)过渡的过渡曲线(6)的水平延伸部小于垂直延伸部。

9.根据前述权利要求之一所述的用于内燃机的活塞(1)，其中，当活塞冠水平时，向下侧部(4)过渡的过渡曲线(6)的垂直延伸部比向上侧部(5)过渡的过渡曲线(7)的垂直延伸部更大，优选至少是两倍大，特别是至少三倍大。

10.根据前述权利要求之一所述的用于内燃机的活塞(1)，其中，所述活塞由铝或铝合金制成，和/或不包括环载体。

技术总结
本发明涉及一种用于内燃机的活塞(1)，活塞材料中至少有一个环形槽，其特征在于，至少有一个环形槽(22)，优选是最靠近活塞冠的第一环形槽，其设计使得从横截面看，在环形槽的下侧部(4)和环形槽的上侧部(5)之间至少有一条椭圆曲线和/或凸三次样条曲线。

技术研发人员：雷内·韦斯,延斯·勒曼,迈克尔·格拉宾格,克里斯蒂安·林德纳,迈克尔·席勒尔,拉尔夫·梅斯克,斯文·安格曼
受保护的技术使用者：辉门纽伦堡有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17