CN106457491B - 空心活塞 - Google Patents

Abstract

公开了一种由单件原材料制成的空心活塞以及由该单件原材料制造空心活塞的方法。

Description

空心活塞

技术领域

本发明总的来说涉及一种空心活塞，具体来说，涉及一种由单件材料形成的空心活塞，该空心活塞可用于例如压缩***中。

背景技术

用于机动车辆空调的通用型压缩***为容积式压缩机，该容积式压缩机可以为定量型或变量型。尽管存在各种压缩机构造，但是这种容积式压缩机基本上以相同的基本原理运行：一定吸入体积的气体被约束在给定空间内，随着空间尺寸的减小而被压缩，然后以较高压力排出。

一种类型的容积式压缩机包括用来实施压缩的往复式活塞。在一种压缩机设计中，实心圆柱形活塞在压缩机壳体中的圆柱形孔内轴向移动。在向下冲程(或者吸入冲程)，形成低压区域，使吸入管线中的气体通过吸入阀进入压缩室。在向上冲程(或者压缩冲程)，压缩室中的气体随着保持气体的区域(或者余隙)的减少而被压缩。在特定压力下，压缩气体通过排出(或者输送)阀释放到排出管线中。最后，该循环使得将冷却空气释放到机动车辆内部。沿该孔的轴线的线性上下运动通过所附接的连杆和/或活塞杆及相联的曲轴、摆动表面、摇晃表面、凸轮表面或者其他已知的活塞致动器关节连接到每个活塞上。

由于活塞在运行期间经历的循环数，活塞故障以及因而压缩机故障往往归因于活塞部件经受的磨损。带有实心往复活塞的***中经受的磨损特别明显，因为活塞的重量增加了作用于接头和整个调节***的应力。部件尤其是活塞的重量越大，机械故障例如在焊缝或其他对疲劳和摩擦敏感的位置处的机械故障的风险越大。因此，活塞总体寿命不像通常所期望的那么长。实心活塞的另一缺陷在于，需要额外的操作来致动，降低了压缩机和空调机组的总效率。降低的效率和所需的材料量增加了实心活塞的成本。

在另一种压缩机设计中，使用空心活塞来代替实心活塞。然而，已知的空心活塞不能被广泛地接受，尤其是在机动车辆空调压缩机范畴内更是如此。在一方面中，这是因为已知的空心活塞是由单独的多件材料形成。由单独的多件材料制造空心活塞，增加了制造活塞的复杂性和成本，造成由于圆形切除部分产生的废料带来的浪费，并且增加了对于磨损、应力和损坏的敏感度(例如，在内部分和外部分附接到活塞的中间表面的焊缝部位处)。例如，摩擦可能会使已经连结到一起的多个部件彼此***开。因此，需要一种较低成本的活塞组件，其相对于已知的实心活塞和空心活塞具有良好的稳定性和性能，并且可应用于当前或未来的压缩机设计中。

发明内容

本发明的实施方式涉及一种耐用的单体式空心活塞，其可在计算机化***的控制下以经济的方式由单件材料制造。这种构思是有利的，因为其由单件原材料例如实心金属棒制成一种优良的空心活塞以及致动器锚固部，与常规实心活塞或者常规空心活塞相比，使用的材料较少且造成的浪费较少。因此，所公开的方法更有效并且制造出与常规实心活塞、常规空心活塞以及当前所使用的用于制造这些常规活塞的方法相比对结构性疲劳没那么敏感的空心活塞。

在一个实施方式中，计算机化***接收并且保存有关棒和单体式空心活塞的属性以及制造该活塞的参数的信息。计算机化***执行所存储的控制制造设备例如车床、带锯、磨床、液压或气动压力机、加热器以及其他金属加工工具的程序，以同时形成两个或更多个单体式空心活塞，这些空心活塞具有全部由同一段实心棒材形成的外部分、空心主体和内部分。

在棒的中间区段中切割出切口，形成通过连接带相联的第一活塞和第二活塞。每个活塞的具有空心芯部特征的主体和内部分是通过如下方式形成的：加热带切口的棒直至可锻，然后将模具压制到(例如液压或气动地)棒的每个端部中。根据需要，利用例如车床或其他合适的自动化金属加工工具，在计算机化***的控制下并依照存储在计算机化***中的用于空心活塞组件的规范对空心主体和内部分进行平滑、平坦和/或对中。在一个实施方式中，空心芯部是圆柱形的，并且活塞的空心主体的壁厚大体均一。活塞组件的外部分是通过向内折叠每个空心主体的外区段形成的。然后通过在连接带处切割而使两个活塞组件分离。

在某些方面中，公开了一种具有通过连接部分相联的两个空心活塞的产品，其中每个空心活塞均是由单件材料(例如作为原材料的长形实心棒)形成的气密空心圆柱形主体。通过连接部分相联的两个空心活塞可以具有哑铃形状(例如，对称或非对称的哑铃形状)，其中至少一个活塞具有比连接部分更大的直径。在某些方面中，至少一个活塞可以具有比连接部分的外径更大的内径。在这些方面中的每个方面中，每个活塞均可以具有端部部分，在两个空心活塞通过连接部分相联时，所述端部部分正交于连接部分的纵向轴线。

还公开了通过一种方法形成的两个空心活塞，该方法包括：提供实心棒；中跨(mid-span along)实心棒的纵向轴线切割出切口，以形成带切口的棒；加热带切口的棒；压制带切口的棒的相对端部，以形成空心圆柱形主体；并且向内折叠每个空心圆柱形主体的外部分以形成通过连接带相联的两个空心活塞。在某些方面中，带切口的棒的相对端部沿带切口的棒的纵向轴线定位。在某些方面中，每个空心圆柱形主体的外部分是空心圆柱形主体沿带切口的棒的纵向轴线的周向边缘，这些周向边缘被例如以径向起伏的方式向内压制以形成空心活塞。在某些方面中，这两个空心活塞可以例如通过切割连接部分而分离。

前述内容相当宽泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便更好地理解随后给出的本发明的详细说明。下面将描述形成本发明权利要求主题的本发明另外的特征和优点。本领域普通技术人员应当理解的是，所公开的构思和特定实施方式很容易用作改变或者设计用于实现与本发明同样目的的其他结构的基础。本领域普通技术人员还应当了解的是，这种等同结构并未背离所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。当结合附图考虑时，被认为是本发明特点的关于其构造和操作方法两者的新颖性特征与其他目标和优点一起都将从接下来的描述中更好地理解。然而，可以清楚理解的是，每个图都是仅仅出于图示和描述目的而提供的，并且未打算用作限定本发明的限制。

附图说明

为了更完全地理解本发明，现在结合附图，参考下列描述，其中：

图1A-1H描绘了根据一个实施方式的用于由单个实心棒形成两个空心活塞的各个阶段和横截面视图；

图2示出了根据一个实施方式的计算机化方法的流程图；

图3示出了根据一个实施方式的计算机化方法的流程图；和

图4示出了根据一个实施方式的适用于形成空心活塞的示例性计算机***或计算机化***。

具体实施方式

现在将参照附图在下文中更全面地描述本发明，附图中显示了本发明的示例性实施方式。然而，本发明可以以许多不同形式体现而不应看作局限于在此阐述的代表性实施方式。示例性实施方式的提供使得公开内容将是全面完整的，并将完全表达本发明的范围且使本领域普通技术人员能够制造、使用和实现本发明。贯穿各个附图中，同样的参考数字表示同样的元件。在此描述的构思提供一种单体式空心活塞和制造这种空心活塞的方法。空心活塞在计算机化***的控制下以经济的方式制造，该计算机化***根据接收并存储的空心活塞属性和制造工艺参数执行所存储的程序。

在一个实施方式中，计算机化***执行算法来控制设备例如车床、带锯、磨床、液压或气动压力机、加热器以及其他金属加工工具，以同时形成两个或更多个单体式空心活塞，每个空心活塞具有外部分、空心主体和内部分。空心活塞的每个部分均在连续自动化过程中由单段实心棒材形成，无需焊接或其它方式连结单独的多件材料。棒材可以是金属或者金属合金。例如，棒材可以是铝、钢或者适于安装活塞的环境例如压缩机的另一材料。

在某些方面中，原材料为实心棒。棒的横截面典型为圆形，但也可以为任何期望的横截面形状。在计算机化***的控制下，在棒的中间区段中切割出具有选定形状和尺寸的一个或多个切口，例如，在棒的一半长度处或其附近。在一个实施方式中，两个对称的切口通过计算机控制的制造设备沿棒的周向彼此相对地形成在棒的相对部分上。在另一个实施方式中，存在单个切口，其为绕棒的整个或几乎整个周向延伸的凹槽的形式。该切口过程将棒分成大致等长的第一活塞和第二活塞。如果想要两个不同尺寸的活塞组件，则切口(多个切口)的位置可以朝活塞的一个端部移动。

接下来，加热棒直至充分可锻，以形成每个活塞的空心主体。为此，将呈每个空心芯部所期望的形状的模具压制(例如液压或气动地)到棒的每个端部的中心部分中，从而形成限定出空心主体的空腔或空隙。根据需要，依照控制车床及其他制造设备的计算机化***中保存的规则，利用例如车床对每个空腔进行平滑、去毛边、平坦和/或径向对中。形成在单个棒的第一部分和第二部分中的空心芯部可以彼此镜像，或者可以具有不同的尺寸。因此，可以同时制造具有变化尺寸的两个不同活塞。

每个活塞的内部分在向棒施加向内的压力时形成，该向内的压力使棒材压缩、弯曲并且形成与空心主体的表面正交的平表面。类似于空心主体和内部分，每个活塞组件的外部分也通过成型原棒材而形成。根据所存储的工艺参数(例如弯曲半径、弯曲度、弯曲余量和弯曲角)以及棒和活塞的属性(例如材料组分、硬度、长度和直径)，将压力施加到每个活塞空心主体的外区段。由此在棒材向内朝棒的纵向轴线弯曲时形成径向起伏褶皱。计算机控制的设备继续向内压制各个空心主体的外区段，直至形成与空心主体正交且与内部分平行的外部分。当完成该折叠动作时，外部分与空心主体形成气密密封。

每个均具有由同一段棒材形成的外部分、空心主体和内部分的两个空心活塞通过在切口处或切口附近切割而分离。在该方法的任何阶段，可以根据需要，使用本领域技术人员已知的合适的金属加工工具对空心活塞的任何表面进行去毛边、粗糙化(grained)、锉平、平坦、对中和/或平滑。

图1A-1H示出了根据一个实施方式的由实心棒10形成两个单体式空心活塞115a、115b的各个阶段。如图1A中所绘，制造过程开始于实心棒10，其具有原始长度L、原始直径D、相对端部101、101'、一半长度0.5L和中间区段M。

根据在此公开的实施方式的活塞组件制造方法可以适应各种各样的棒尺寸、形状和材料。L的示例性范围为1英寸到6英寸，D的示例性范围为1英寸到4英寸。在一个实施方式中，例如，棒10为3英寸，D为2英寸。示例性棒在其整个长度上具有均一的圆形横截面，但是其他变形也是可以使用的。示例性材料包括铝、钢及其他金属基合金。在一个实施方式中，例如，棒10为金属合金。正如本领域技术人员所理解的那样，尺寸、形状和材料可以根据棒、活塞和压缩***的属性而变化。

图1B描绘了根据在此公开的计算机化方法由实心棒10制成的带切口的棒103。带切口的棒103在连结带切口的棒的第一端部103a和带切口的棒的第二端部103b的中间区段M处具有切口104a、104b。在某些方面中，第一端部103a和第二端部103b被配置为形成图1H中所示的空心活塞115a、115b。正如图1B-1F所示的，每个切口均具有切口长度105、切口宽度(或者弧长，这取决于切口形状)106，106'和切口深度107，107'。在该方法中可以使用各种切口形状、数目和尺寸。示例性实施方式包括曲线形切口和矩形切口。一对曲线形和矩形切口的横截面视图分别描绘在图1C和1D中；然而，也可实施其他形状和数目的切口。切口104a、104b和104a'、104b'在形状、尺寸以及在带切口的棒103上的位置方面是对称或非对称的。在一个实施方式中，图1C和1D分别描绘了位于带切口的棒103的相对周向侧的切口104a、104b和104a'、104b'。在另一实施方式中，图1E(横截面视图)和图1F(侧视图)描绘了切口104c，其为完全绕带切口的棒103'的周向延伸的凹槽。如同切口104a、104b和104a'、104b'一样，切口(或凹槽)104c可以是各种形状、数目和尺寸。不管形状、数目或尺寸如何，中间区段M处的上述切口都将带切口的棒103、103'分为通过连接带108相连结的第一端部103a和第二端部103b。连接带108为在带切口的棒103、103'上形成切口后剩下的材料。

图1G描绘了根据在此公开的计算机化方法由带切口的棒103制成的空心棒109。在这个方面中，加热带切口的棒103并且将向内的压力施加到相对端部101、101'上，由此使带切口的棒103的部分位移并且在空心棒109上形成活塞前体109a、109b的空心圆柱形主体110、110'。空心圆柱形主体110、110'具有长度111、111'、新外径NOD、NOD'(大于棒10和带切口的棒103、103'的直径D)和新内径NID、NID'。施加于棒的每个端部的向内的压力还形成内部分112、112'，所述内部分为与每个空心主体正交并紧邻连接带108的平表面，该平表面位于连接带108的相对侧上。

仍旧参照图1G，虚线113、113'标示出活塞前体109a、109b的外区段114、114'的边界。通过向内折叠动作，外区段114、114'变为外部分116、116'，如图1H中所绘。图1H示出了在外区段114、114'已经向内折叠形成优选气密的外部分116、116'之后的活塞115a、115b。外部分116、116'与空心主体110、110'正交且与内部分112、112'平行。在某些方面中，活塞115a、115b通过在连接带108处形成一个或多个切口而分离。活塞优选在彼此分离后保持气密。

图2示出了根据一个实施方式的计算机化方法的流程图。工序201确定计算机化***是否包含规范，所述规范包括用于制造空心活塞的工艺参数和活塞/棒属性。示例性工艺参数包括设备类型和设备设置(例如温度、压力、弯曲半径、弯曲度、弯曲余量和弯曲角)。示例性棒和活塞属性包括形状、尺寸(例如长度、宽度、厚度)、材料组分和硬度。如果需要另外的信息来制造空心活塞，则工序202允许计算机化***接收并存储与新的和/或修改的工艺参数、棒属性、活塞属性或其他规范有关的信息。

工序203执行所存储的控制制造设备的程序以根据在此描述的方法制造空心活塞。工序204指令制造设备在不同制造阶段进行测量、接收棒和活塞属性的测量值并分析那些测量值。如果工序205确定测量值符合规范，则根据工序107继续制造直至工序206确定活塞成形完成。在一个实施方式中，***在指令制造设备切割切口之前测量棒100的长度L。该测量值与作为棒属性存储在计算机化***中的L的最小值和最大值进行比较。如果该长度L处于许可范围内，则空心活塞制造继续。

如果在制造期间的任何时刻，工序205确定所测量的任何属性在规范之外，则工序208确定是否进行修复或校正以防止活塞报废或离线。如果不可能在线修复或校正，则工序209确定对不符合规范的材料采取的响应和作法，例如将不符合规范的材料发送至报废或回收/再循环仓，在计算机化***中记录错误、和/或标记以便人工检查、校正或修复。另一方面，如果可以在线修复或校正，则计算机化***的工序210执行算法指令制造设备进行所期望的修复或校正。工序204测量、接收和分析被校正/修复的材料的属性，并继续测量和制造的反复工序，直至所有测量值符合所有规范并已经执行所有制造步骤。

因此，工序204及以下等等工序是反复的，继续直至工序206确定空心活塞已经完全根据计算机化***存储的规范成形，或者直至工序209处理不符合规范的活塞。

图3示出了根据空心活塞制造规范的计算机化方法的流程图。工序301执行指令，命令制造设备在实心棒材料的中间区段切割一个或多个切口或凹槽，将棒分成通过连接带相连结的第一活塞和第二活塞。工序302执行指令，命令制造设备加热带切口的棒直至对工序303来说是充分可锻的。工序303执行指令，命令制造设备在第一活塞和第二活塞的中心压制出空腔。这种压制对每个活塞都形成空心主体和与该空心主体正交的内部分。工序304执行指令，命令制造设备根据需要对每个活塞主体的空心芯部和内部分进行平滑、平坦、去毛边和/或对中操作。工序305执行指令，命令制造设备向内折叠每个空心主体的外区段以形成每个活塞的外部分。工序306执行指令，命令制造设备通过在连接带处形成一个或多个切口而使第一活塞和第二活塞分离。

上述空心活塞组件在保存有计算机可执行指令的计算机化***的控制下制造。因此，实施方式的各个要素本质上为限定上述各个要素的操作的软件代码(例如，控制参照图2-3所论述的方法并生成参照图1A-1H描述的实体实施例的代码)。可执行指令或软件代码可从有形可读介质(例如硬盘驱动器介质、光学介质、RAM、EPROM、EEPROM、磁带介质、卡盘式介质、ROM、拇指驱动器(thumb drive)和/或类似介质)获得。事实上，可读介质可以包括能够存储信息的所有有形可读介质。

图4示出了根据一个实施方式修改的示例性计算机化***400。也就是说，计算机化***400包括可实施本发明的实施方式的示例性***。计算机化***400包括联接至***总线402的处理器(CPU)401。处理器401可以为任何通用型或专用型CPU。然而，本发明并非由CPU 401的体系结构限制，只要CPU 401支持在此所述的本发明的操作即可。CPU 401可以执行根据本发明实施方式的各种逻辑指令。例如，一个或多个CPU例如CPU 401可控制制造设备的操作、工艺参数和属性的测量和分析以及上面参照图1A-1H、2和3所论述的其他工序。

计算机化***400还优选包括随机存取存储器(RAM)403，其可以是SRAM、DRAM、SDRAM或类似物。在该示例中，计算机化***400使用RAM 403存储例如空心活塞组件规范(包括工艺参数以及棒和活塞属性，诸如设备类型、设备设置、温度、压力、弯曲半径、弯曲度、弯曲余量和弯曲角、形状、尺寸、材料组分和硬度)。计算机化***400优选包括只读存储器(ROM)404，其可以是PROM、EPROM、EEPROM或类似物。RAM 403和ROM 404保存用户和***数据和程序，正如本领域中众所周知的那样。

计算机化***400还优选为包括输入/输出(I/O)适配器405、通信适配器411和用户接口和/或显示适配器408。在某些实施方式中，I/O适配器405、用户接口/显示适配器408和/或通信适配器411可以使用户能够与计算机化***400相互作用以便输入信息例如规范，或者检索所存储的信息、例如之前使用的规范和在空心活塞组件制造期间执行的测量或分析。

I/O适配器405优选将存储装置(多个存储装置)406连接到计算机化***400，所述存储装置为例如硬盘驱动器、便携式介质装置、紧凑型闪存卡、存储棒、迷你型或微型安全数字(SD)卡、光盘(CD)驱动器、软盘驱动器、磁带驱动器等等中的一个或多个。当RAM 403不能满足与存储介质数据有关的存储需求时，可以使用存储装置。通信适配器411优选适于将计算机化***400联接至网络412(例如因特网、局域网、细胞网络等等)。用户接口/显示适配器408和显示适配器409例如将外部用户输入装置联接(例如经由诸如USB(通用串行总线)的通用插孔或其他专用插孔)到计算机化***400。

在一个实施方式中，CPU 401、RAM 403、ROM 404、I/O适配器405、存储装置406、通信适配器411被集成到计算机化***400中。在一个实施方式中，用户输入装置也被集成到计算机化***400中，例如麦克风414和扬声器415(例如用于俘获和播放音频、警告声音、警报、或制造过程状态更新)。可替代地，计算机化***400可适于联接至外部装置，例如在插孔409处联接至外部装置。外部装置可以包括用户输入装置和/或输出装置，用户输入装置为例如键盘413、定点装置407以及麦克风414，输出装置为例如扬声器415、耳机416和显示器410。存储装置406和通信适配器411也可以是在计算机化***400的适合端口(未示出)处联接到计算机化***400的外部元件。

进一步地，计算机化***400包括照相机或其他测量装置(未示出)，用以在制造过程期间俘获测量值。计算机化***400还包括各种开关、按钮或类似的用户控制器，用以进一步允许用户输入以及控制或便捷访问计算机化***400的进程和功能。

虽然图4显示了台式计算机，但是应当注意到的是，根据各个实施方式的***的一部分的实际构形可以多少有所不同。例如，根据一个或多个实施方式，计算机化***400可以是任何类型的基于处理器的装置。此外，本发明的实施方式可在特定用途集成电路(ASIC)或超大规模集成(VLSI)电路上实现。实际上，本领域普通技术人员可以利用能够根据本发明实施方式执行逻辑操作的许多适合结构。

虽然已经详细描述了本发明及其优点，但是可以理解的是，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在此进行各种变化、替换和修改。此外，本申请的范围并非意在局限于本说明书中所描述的工艺、机器、制造、物质组分、装置、方法和步骤。正如本领域普通技术人员根据本发明的公开内容容易理解的那样，根据本发明可以利用本发明给出的或者以后开发的执行与在此所述的相应实施方式大体相同的功能或实现与在此所述的相应实施方式大体相同的结果的工艺、机器、制造、物质组分、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求意图在其范围内包括这样的工艺、机器、制造、物质组分、装置、方法或步骤。

Claims (15)

1.一种用于制造单体式空心活塞的计算机实施方法，包括：

(a)接收指令以由单个实心棒同时制造通过连接带相连结的两个单体式空心活塞；并且

(b)根据指令执行如下步骤：

(i)中跨实心棒切割出一个或多个切口，以形成带切口的棒；

(ii)加热带切口的棒；

(iii)压制带切口的棒的相对端部，以形成空心圆柱形主体；

(iv)向内折叠每个空心圆柱形主体的外部分，以形成通过连接带相连结的两个单体式空心活塞；并且

(v)使空心活塞彼此分离。

2.如权利要求1的计算机实施方法，进一步包括如下步骤：

在计算机化***的控制下测量所述活塞的属性；并且

在计算机化***的控制下分析测量值，以确定所述属性是否符合存储在计算机化***中的规范。

3.如权利要求2的计算机实施方法，进一步包括如下步骤：

在计算机化***的控制下确定一个或多个校正动作；并且

指令制造设备实施所述校正动作中的一个或多个。

4.如权利要求1的计算机实施方法，进一步包括如下步骤：

对中并平滑所述空心圆柱形主体。

5.如权利要求1的计算机实施方法，其中，至少一个切口是曲线的。

6.如权利要求1的计算机实施方法，其中，至少一个切口是矩形的。

7.如权利要求1的计算机实施方法，其中，至少一个切口是绕带切口的棒的周向延伸的凹槽。

8.如权利要求1的计算机实施方法，其中，带切口的棒包括两个切口。

9.如权利要求2的计算机实施方法，其中，所述规范包括工艺参数。

10.如权利要求2的计算机实施方法，其中，所述规范包括活塞的一种或多种属性。

11.如权利要求2的计算机实施方法，其中，所述规范包括实心棒的一种或多种属性。

12.由如下方法制造的通过连接带相连结的两个空心活塞，该方法包括：

(a)提供实心棒；

(b)中跨实心棒的纵向轴线切割出切口，以形成带切口的棒；

(c)加热带切口的棒；

(d)压制带切口的棒的相对端部，以在带切口的棒的相对端部处形成空心圆柱形主体；并且

(e)向内折叠每个空心圆柱形主体的外部分，以形成通过连接带相连结的两个空心活塞，其中，

所述连接带具有比所述活塞中的至少一个小的直径。

13.如权利要求12的两个空心活塞，其中，步骤(d)中带切口的棒的相对端部沿带切口的棒的纵向轴线定位。

14.如权利要求12的两个空心活塞，其中，每个空心圆柱形主体的外部分是该空心圆柱形主体沿带切口的棒的纵向轴线的周向边缘。

15.如权利要求12的两个空心活塞，进一步包括：

(f)分离步骤(e)中的两个空心活塞，以形成独立的空心活塞。