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CN102149916A - 摩擦焊接的具有优化的冷却通道的钢活塞 - Google Patents

摩擦焊接的具有优化的冷却通道的钢活塞 Download PDF

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CN102149916A CN2009801350461A CN200980135046A CN102149916A CN 102149916 A CN102149916 A CN 102149916A CN 2009801350461 A CN2009801350461 A CN 2009801350461A CN 200980135046 A CN200980135046 A CN 200980135046A CN 102149916 A CN102149916 A CN 102149916A
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Abstract

本发明涉及一种内燃机的活塞(1)，该活塞包括一由钢制成的上部件(3)和一下部件(2)，该上部件和下部件在接触几何结构(4)的区域中通过接合桥接部(10a，10b；11a，11b)借助摩擦焊接材料锁合地连接成一个结构单元。在活塞(1)中集成有至少一个被加载冷却剂的冷却通道(7)，内燃机的润滑油作为冷却剂通过喷射喷嘴的自由射束到达进入开口(14)中、流过冷却通道(7)并通过排出开口(15)离开。为了将冷却剂导入到冷却通道(7)中，进入开口(14)配设一装入在下部件(2)中的、从冷却通道底部(19)突出的流动管(13)，该流动管的开口(17)设置在摩擦焊接的焊缝隆起(12a，12b)上方。

Description

摩擦焊接的具有优化的冷却通道的钢活塞
技术领域
本发明涉及一种内燃机的由钢制成的活塞，该活塞包括一上部件和一下部件，该上部件和下部件的接合桥接部在接触几何结构的区域中借助摩擦焊接材料锁合地(stoffschlüssig)连接，以形成一个结构单元。为了冷却，在活塞中集成有至少一个被冷却剂加载的冷却通道。冷却剂——内燃机的润滑油通过喷射喷嘴的自由射束到达进入开口中，流过冷却通道并且通过排出开口离开该冷却通道。
背景技术
内燃机的活塞的热负荷高的区、例如活塞顶中的燃烧室凹腔或第一槽的区域要求有效的冷却。为此，已知的是在活塞中集成冷却通道。冷却剂、优选内燃机的润滑油通过优选构造为空腔的冷却通道循环。活塞冷却的效率特别是由冷却通道中的冷却剂的交换体积决定。
US 6,155,157公开了一种冷却通道活塞，该冷却通道活塞包括两个可相互分开地制造的构件，这两个构件通过摩擦焊接方法材料锁合地接合在一起。作为冷却通道，设有相对于活塞的活塞环区环绕地间隔开的、旋转对称地设计的环形通道，该环形通道通过位置固定地定位的喷射喷嘴被加载冷却剂、特别是内燃机的润滑油。
由DE 39 06 582 C1已知一种多部件式活塞，该多部件式活塞的各单个部件借助摩擦焊接相连接，以实现材料锁合的连接和一个结构单元。在该方法中，使这些构件在压力负载下、优选通过旋转运动相对彼此摩擦，直到接触几何结构或者说接合区已经达到适合于焊接两个构件的温度。在通过摩擦加热之后接着顶锻/挤压过程，在该顶锻/挤压过程中这些构件的软的或熔化的区域被撕开、塑性变形并相互压紧。在此，在接合桥接部的两侧形成从接触几何结构出来的焊缝隆起。
此外存在压缩高度小的活塞，在该活塞中由于活塞结构高度，在活塞的上部件和下部件之间形成比较短的接合桥接部。由于在接触几何结构的区域中的与此相关联的窄的结构空间，存在以下危险，即，冷却通道的设计成孔的进入开口和排出开口在接合过程、即摩擦焊接方法中由于焊缝隆起而变窄。由此冷却剂交换减少，关联着直接地不利地影响活塞的冷却。
发明内容
本发明的目的在于，创造一种具有改善的冷却作用的冷却通道活塞，在该冷却通道活塞中，冷却剂在冷却通道中的停留时间延长。
该目的通过权利要求1的特征和通过按权利要求11的方法实现。
按照本发明，根据权利要求1规定，为了将冷却剂导入到冷却通道中，进入开口包围一装入下部件中的流动管。以一超出距离从冷却通道底部突出的流动管的开口在此定位在接触几何结构及其所属的、摩擦焊接的焊缝隆起的上方。
流动管这样地设置于形成在上部件与下部件之间的接触几何结构中，即，该流动管以一超出距离从冷却通道底部突出。超出距离的尺寸按照本发明选择成，使得流动管的开口定位在借助摩擦焊接、特别是摩擦-摩擦焊接形成的焊缝隆起的上方。对于活塞冷却效果起决定作用的冷却剂交换因此不受限制，因为在冷却通道的进入开口的区域中不会由于焊缝隆起而形成不利地影响活塞冷却作用的横截面缩小。
在活塞的上升冲程期间，位于冷却通道中的冷却剂由加速度引起地被压到冷却通道底部上。在此，按照本发明的流动管安装位置禁止冷却剂经由冷却通道的进入开口回流或排出并且保证对冷却通道的优化的在360°的曲轴转角上延伸的填充。同时，阻止在进入开口处由于出来的冷却剂引起的不利的导致油起泡的流动影响。
通过在活塞的上止点中快速实现的、活塞的运动反转，位于冷却通道底部上的冷却剂或者润滑剂由于惯性作用而被大面积地甩到冷却通道的特别是由活塞顶的下侧形成的盖面上。对整个冷却通道加载的冷却剂与活塞交替运动相结合地引起对冷却剂流的优化以及对摇晃作用(Shakerwirkung)的改进利用。
冷却剂(冷却油)在冷却通道中的增加的停留时间以及增强的摇晃效应引起待冷却的热负荷高的活塞区域的改进的期望的散热。
在整个冷却通道上运动的冷却剂负责有效地冷却热应力高的活塞区，而没有冷却剂的燃烧危险。
本发明的其它有利的构型是从属权利要求2至10的内容。
根据本发明的一种优选构型，在流动管的开口和冷却通道底部之间的距离尺寸“x”超过尺寸“y”，该尺寸“y”定义在活塞的上升运动中在冷却通道中的冷却剂液面高度。形成的差值尺寸或距离尺寸保证，与活塞运动方向无关地不发生在进入开口的区域中的不利回流和冷却剂的与此关联的射束影响。形状稳定的流动管在摩擦焊接之前这样地设置在活塞下部件的接纳孔中，使得在与活塞上部件接合在一起之后形成距离尺寸“x”。
流动管的耐久的固定通过在摩擦焊接期间形成的焊缝隆起实现，活塞上部件和活塞下部件通过该摩擦焊接相互材料锁合地连接。为改善固定，按照本发明可以实现在焊缝隆起和流动管之间的形锁合的固定。为此，流动管的外部轮廓按照本发明具有用于接纳焊缝的凹部。为了构成可成本有利地实现的凹部，优选地设有环形槽或部分凹形构造的外部轮廓。
为了实现流动管在活塞中的优化适配和位置固定，优选使用由钢制成的管。为流动管选择特别是在热膨胀系数方面与活塞材料类似的材料，从而即使在内燃机的运行状态中也保证可靠的、无间隙的固定。
按照本发明形成进入开口的、装入在活塞下部件中的且经由至少一个焊缝隆起固定的流动管优选朝向活塞杆端部延长。因此可以有利地减小喷射喷嘴与流动管之间的距离，由此可以改善经由喷射喷嘴到流动管中的冷却剂加载的效率和效果。
另一种有利的构型规定，流动管在冷却通道侧设有弯曲构成的排出开口。优选地，流动管具有两个在相反方向上指向的排出端，这两个排出端相互呈Y形地设置。该措施考虑了活塞在下止点和上止点处快速实现的运动反转和冷却剂的与此有关的在冷却通道底部和冷却通道的盖面之间的转移，该转移在垂直于或平行于活塞周面设置的流动管的情况下可能导致在摇晃运动中部分量的冷却剂对流动管加载。具有优选相对于活塞运动方向或相对于活塞纵轴线成角度定向的排出端的、端部弯曲的流动管与活塞运动的方向无关地阻止不利的冷却剂进入。此外，具有两个在相反方向上指向的开口的流动管承担分流器的功能，该分流器有针对性地将冷却剂流在两个方向上分配，目的是对环形延伸的冷却通道均匀地加载。
此外，按照本发明构成的进入开口可以转用到具有分体式冷却通道的活塞上。为此，每个冷却通道半体或者每个冷却通道段配设一个进入开口和一个排出开口，其中，优选每个进入开口配设一个单独的喷射喷嘴。该构型能实现以更大的冷却剂流加载冷却通道。根据这些开口的位置，冷却剂能够以直流或对流流过冷却通道段。
根据权利要求11的发明涉及一种用于制造活塞的方法，该方法包括以下步骤。首先将流动管装入活塞下部件的接纳孔中，其中，注意安装位置，该安装位置确保流动管的开口或排出端设置在接触几何结构上方。接着将活塞的上部件和下部件组装在一起，然后借助摩擦焊接将这些构件材料锁合地接合在一起。在此形成的焊缝隆起在接触几何结构的区域中至少局部地引起流动管的力锁合地和/或形锁合的固定。
附图说明
下面根据实施例参照附图详细地阐述本发明。
附图示出：
图1：具有一配设于冷却通道进入开口的流动管的按照本发明构造的活塞半剖视图，
图2：按照图1的、具有一替代设置的流动管的活塞，
图3：流动管的局部放大视图，
图4：具有两个在端侧弧形构造的排出端的流动管，
图5：具有外侧的环形槽的流动管区段，该环形槽用于接纳焊缝隆起，
图6：流动管的凹形构成的外部轮廓。
具体实施方式
图1以半剖视图示出一个活塞1，包括一下部件2和一上部件3，该下部件和上部件在接触几何结构4的区域中借助摩擦焊接材料锁合地连接，以形成一个结构单元。活塞1的上部件3在活塞顶5的区域中形成燃烧室凹腔6。集成在活塞1中的、环形构成的冷却通道7从上部件3出发一直延伸到下部件2中并且在此与活塞环区8径向间隔开地延伸，该活塞环区在外部轮廓9中制出。上部件3包括旋转对称延伸的、径向相互错开的接合桥接部10a、10b，它们与下部件2的对应的接合桥接部11a、11b一起形成接触几何结构4。借助通过焊缝隆起12a、12b、12c可见的摩擦焊接，接合桥接部10a、10b；11a、11b在接触几何结构4的区域中材料锁合地相连接，以创造一个单体式的结构单元。
冷却通道7的冷却剂加载通过在图1中未示出的、位置固定地定位在内燃机内部的喷射喷嘴实现，冷却剂从该喷射喷嘴出发被导入到冷却通道7的包围流动管13的进入开口14中。冷却剂在流过冷却通道7之后通过排出开口15导出。流动管13装入在下部件2的接纳孔16中并且在冷却通道侧一直延伸到接触几何结构4的上方。在此，形成流动管13开口17的在焊缝隆起12a、12b上方的位置。在该安装位置中，流动管13在接触几何结构4的区域中在两侧局部地被焊缝隆起12a、12b固定位置。作为用于改进地将冷却剂导入到流动管13中的措施，该流动管朝向活塞销座孔18的方向延长。
根据图2的另一实施例除了流动管的安装位置外在很大程度上与在图1中绘出的活塞1相类似。相同的构件设有一致的附图标记。因此，对图2的描述限于不同的流动管布置。活塞1的接触几何结构4限于内部的接合桥接部10b、11b。一单独的盖25在外侧封闭在活塞环区8和下部件2之间形成的空隙24，它同时限定冷却通道7的边界。因此，流动管23在指向冷却通道7的端部上在一侧被焊缝隆起12b固定。
图3示出流动管13的伸入到冷却通道7中的端部区域，该端部区域以通过“x”标示的超出距离相对于冷却通道底部19延长。该超出距离明显超过以“y”标示的冷却剂液面高度。形成的差值尺寸有效地阻止在活塞1的上升冲程时的冷却剂回流。
根据图4的流动管33在指向冷却通道7的端部上包括两个弯曲构成的排出端34、35。彼此相反地根据冷却通道7的走向定向的排出端34、35阻止冷却剂由摇晃作用引起地进入到流动管33中。此外，排出端34、35构成分配冷却剂流的分流器，因此环形构成的冷却通道7被均匀地加载。在该安装位置中，流动管33至少局部地通过在接触几何结构4的区域中形成的焊缝隆起12a、12b固定。
图5和6示出流动管43和53，它们一致地为了接纳至少一个焊缝隆起12a、12b在外侧包括空隙。根据图5设置的环形槽44这样地安置在接触几何结构4的区域中并且确定尺寸，使得该环形槽在很大程度上被焊缝隆起12a、12b填满，以创造流动管43的形锁合的固定。替代于环形槽44，在图6中绘出的流动管53在外侧设有凹形延伸的凹部54，该凹部在流动管53的安装状态中用于接纳焊缝隆起12a、12b。
附图标记清单
1 活塞
2 下部件
3 上部件
4 接触几何结构
5 活塞顶
6 燃烧室凹腔
7 冷却通道
8   活塞环区
9   外部轮廓
10a 接合桥接部
10b 接合桥接部
11a 接合桥接部
11b 接合桥接部
12a 焊缝隆起
12b 焊缝隆起
12c 焊缝隆起
13  流动管
14  进入开口
15  排出开口
16  接纳孔
17  开口
18  活塞销座孔
19  冷却通道底部
23  流动管
24  空隙
25  盖
33  流动管
34  排出端
35  排出端
43  流动管
44  环形槽
53  流动管
54  凹部

Claims (11)

1.内燃机的活塞(1)，该活塞包括一由钢制成的上部件(3)和一下部件(2)，该上部件和下部件的至少一个接合桥接部、特别是多个接合桥接部(10a，10b；11a，11b)在接触几何结构(4)的区域中通过摩擦焊接材料锁合地连接成一个结构单元，其中，在活塞(1)中集成有至少一个被加载冷却剂的冷却通道(7)，内燃机的润滑油作为冷却剂通过喷射喷嘴的自由射束到达进入开口(14)中、流过冷却通道(7)、通过排出开口(15)离开，其特征在于，为了将冷却剂导入到冷却通道(7)中，所述进入开口(14)包围装入下部件(2)中的流动管(13，23，33，43，53)，该流动管以一超出距离从冷却通道底部(19)突出，其中，该流动管的开口(17)设置在摩擦焊接的至少一个焊缝隆起(12a，12b)的上方。
2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，在流动管(13)的开口(17)与冷却通道底部(19)之间的距离尺寸“x”超过尺寸“y”，该尺寸“y”定义在活塞(1)的上升运动中在冷却通道(7)中的冷却剂液面高度。
3.根据权利要求1或2所述的活塞，其特征在于，流动管(13，23，33，43，53)的固定至少在一侧通过焊缝隆起(12a，12b)实现。
4.根据权利要求1、2或3所述的活塞，其特征在于，在安装位置中，流动管(43，53)被所述至少一个焊缝隆起(12a，12b)形锁合地固定。
5.根据权利要求4所述的活塞，其特征在于，流动管(43)的外部轮廓具有环形槽(44)，该环形槽用于接纳所述至少一个焊缝隆起(12a，12b)。
6.根据权利要求4或5所述的活塞，其特征在于，流动管(53)的外部轮廓为了接纳所述至少一个焊缝隆起(12a，12b)而包括局部凹形构成的凹部(54)。
7.根据以上权利要求之一所述的活塞，其特征在于，使用由钢制成的流动管(13，23，33，43，53)。
8.根据以上权利要求之一所述的活塞，其特征在于，流动管(13，23)从下部件(2)中的接纳孔(16)出发朝向活塞(1)的活塞销座孔(18)延长。
9.根据以上权利要求之一所述的活塞，其特征在于，流动管(33)在冷却通道侧具有两个弯曲构成的、特别是y形延伸的排出端(34，35)。
10.根据以上权利要求之一所述的活塞，其特征在于，冷却通道(7)分成两个相互分开的半体或冷却通道段，为这两个半体或冷却通道段分别配设一个具有集成的流动管(13，23，33，43，53)的进入开口(14)和一个排出开口(15)。
11.用于制造根据权利要求1至10之一所述的活塞的方法，其特征在于以下步骤：
将流动管(13，23，33，43，53)装入活塞(1)的下部件(2)的接纳孔(16)中，
固定流动管(13，23，33，43，53)的安装位置，使得流动管的开口(17)或排出端(34，35)在安装位置中设置在接触几何结构(4)上方，
将上部件(3)和下部件(2)组装在一起，
借助摩擦焊接将上部件(3)和下部件(2)材料锁合地接合在一起，其中，形成的至少一个焊缝隆起、特别是多个焊缝隆起(12a，12b)将流动管(13，23，33，43，53)至少局部力锁合或形锁合地固定。
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