CN112901365A - 一种复合式活塞及发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及汽油机技术领域,公开了一种复合式活塞及发动机。所述复合式活塞包括活塞本体,所述活塞本体为铝合金制成;销座加强块,所述销座加强块的强度和刚度均高于所述活塞本体的强度和刚度,所述销座加强块设置于所述活塞本体内部,所述销座加强块上设置有销孔,所述销座加强块靠近燃烧室的一端的端面的形状至少部分与所述活塞本体的受冲击面的形状相一致。本发明的复合式活塞在不大幅增加活塞的重量的前提下,能够大幅地增加活塞的强度和刚度。所述发动机包括所述的复合式活塞。所述发动机包括所述的复合式活塞。
Description
技术领域
本发明涉及汽油机技术领域,尤其涉及一种复合式活塞及发动机。
背景技术
为了达到更高的热效率和更低的油耗指标,新一代的汽油发动机都在采用越来越高的压缩比。更高的压缩比给汽油发动机带来更高热效率的同时,也给活塞带来了更大的气体爆发压力,这会让活塞承受更高的机械负荷和热变形。其中活塞销座是承受交变负荷最频繁的部位,通常也是应力最大的部位。目前汽油机活塞采用的都是铝合金材料,当活塞销座应力过大时,只能通过加宽或者加厚活塞销座的方式来减小应力。
铝合金材料具有密度小、质量轻、传热性好等优点,但是铝合金材料的力学性能在更高的机械负荷下略显不足,尤其是抗拉强度和抗压强度,导致由铝合金制造的活塞机械性能在实际工作中,寿命短,易出现变形。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合式活塞,该复合式活塞在不大幅增加活塞的重量的前提下,能够大幅地增加活塞整体结构的强度和刚度。
本发明的另一目的在于提供一种发动机,该发动机利用上述复合式活塞,由于复合式活塞的强度和刚度均提高,因此,活塞的整体结构尺寸不需要增加,进而应用此复合式活塞的发动机的整体结构尺寸不会增加。
为达此目的,本发明采用以下技术方案:
提供一种复合式活塞,包括:
活塞本体,所述活塞本体为铝合金制成;
销座加强块,所述销座加强块的强度和刚度均高于所述活塞本体的强度和刚度,所述销座加强块设置于所述活塞本体内部,所述销座加强块上设置有销孔,所述销座加强块靠近燃烧室的一端的端面的形状至少部分与所述活塞本体的受冲击面的形状相一致。
作为优选地,所述销座加强块为锻钢、铸铁或钛合金中的任意一种。
作为优选地,所述活塞本体与所述销座加强块铸造为一体。
作为优选地,所述销座加强块的中心轴线与所述活塞本体的中心轴线重合。
作为优选地,所述销座加强块为两个,两个所述销座加强块平行且间隔设置。
作为优选地,所述销座加强块靠近所述活塞本体的受冲击面的一端的厚度大于所述销孔处的厚度,所述厚度为沿所述销孔的中心轴线方向的尺寸。
作为优选地,所述活塞本体的受冲击面包括第一内凹球面槽,所述第一内凹球面槽的中心轴线与所述活塞本体的中心轴线重合;
所述销座加强块靠近所述燃烧室的一端的端面为第二内凹球面槽,所述第二内凹球面槽与所述第一内凹球面槽平行。
作为优选地,所述活塞本体的受冲击面包括第一外凸球面,所述第一外凸球面的中心轴线与所述活塞本体的中心轴线重合;
所述销座加强块靠近所述燃烧室的一端的端面为第二外凸球面,所述第二外凸球面与所述第一外凸球面平行。
作为优选地,所述活塞本体的受冲击面包括第一平面,所述第一平面的中心轴线与所述活塞本体的中心轴线重合;
所述销座加强块靠近所述燃烧室的一端的端面第二平面,所述第二平面与所述第一平面平行。
本发明中还提供了一种发动机,包括所述的复合式活塞。
本发明的有益效果:本发明中,在销座内部设置销座加强块,销座加强块的强度和刚度均高于活塞本体的强度和刚度,销座加强块上设置有销孔,销孔的周边位置处为活塞销座位置,销孔通过活塞销与活塞连杆连接,通过设置销座加强块加强了活塞销座处的结构强度和刚度,使活塞销座处能够承受频繁的交变载荷。此外,因在活塞本体内部设置销座加强块,也增强了复合式活塞的整体结构强度和刚度,从而提高了复合式活塞的使用寿命。
因设置销座加强块,不需要增加销座加强块的宽度和厚度,即可满足对活塞整体及活塞销座处的刚度和强度的要求。且由于销座加强块的结构尺寸不增加,甚至还能够减小销座加强块的尺寸,因此,复合式活塞的结构尺寸也能够随销座加强块减小或保持原有尺寸不变。此外,因上述复合式活塞的结构尺寸不增加,发动机的整体结构尺寸也无需增加。
因上述销座加强块靠近燃烧室的一端的端面的形状至少部分与活塞本体的受冲击面的形状相一致,销座加强块对活塞本体的受燃烧室冲击的受冲击面进行支撑,从而增加整体结构强度。
附图说明
图1是本发明的第一种复合式活塞的剖视图;
图2是本发明的第一种复合式活塞中的销座加强块的结构示意图;
图3是本发明的第二种复合式活塞的剖视图;
图4是本发明的第二种复合式活塞中的销座加强块的结构示意图;
图5是本发明的第三种复合式活塞的一剖视图;
图6是本发明的第三种复合式活塞的另一剖视图;
图7是本发明的第三种复合式活塞中的销座加强块的结构示意图。
图中:1、活塞本体;11、第一内凹球面槽;12、第一外凸球面;13、第一平面;
2、销座加强块;21、第二内凹球面槽;22、第二外凸球面;23、第二平面;
3、销孔。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触,也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
现有技术中,活塞采用铝合金铸造而成,活塞销座位置处承受燃烧室频繁的交变负荷,导致活塞销座处易出现疲劳,影响活塞的使用寿命。
为解决上述问题,本实施例中提供了一种复合式活塞,如图1-图7所示,图1为第一种复合式活塞的结构示意图,图3为第二种复合式活塞的结构示意图,图4和图5为第三种复合式活塞的结构示意图。图1-图7中分别提供了三种不同的复合式活塞的结构,及各自对应地销座加强块2的结构。该复合式活塞包括活塞本体1和销座加强块2,其中,活塞本体1为铝合金制成,具体地,活塞本体1由铝合金铸造而成。销座加强块2的强度和刚度均高于活塞本体1的强度和刚度,销座加强块2设置于活塞本体1内部,销座加强块2上设置有销孔3,销座加强块2靠近燃烧室的一端的端面的形状至少部分与活塞本体1的受冲击面的形状相一致。
本实施例中在销座内部设置销座加强块2,销座加强块2的强度和刚度均高于活塞本体1的强度和刚度,销座加强块2上设置有销孔3,销孔3的周边位置处为活塞销座位置,销孔3通过活塞销与活塞连杆连接,通过设置销座加强块2加强了活塞销座处的结构强度和刚度,使活塞销座处能够承受频繁的交变载荷。此外,因在活塞本体1内部设置销座加强块2,也增强了复合式活塞的整体结构强度和刚度,从而提高了复合式活塞的使用寿命。
因设置销座加强块2,不需要增加销座加强块2的宽度和厚度,即可满足对活塞整体及活塞销座处的刚度和强度的要求。且由于销座加强块2的结构尺寸不增加,甚至还能够减小销座加强块2的尺寸,因此,复合式活塞的结构尺寸也能够随销座加强块2减小或保持原有尺寸不变。此外,因上述复合式活塞的结构尺寸不增加,发动机的整体结构尺寸也无需增加。
因上述销座加强块2靠近燃烧室的一端的端面的形状至少部分与活塞本体1的受冲击面的形状相一致,销座加强块2对活塞本体1的受燃烧室冲击的受冲击面进行支撑,从而增加整体结构强度。
具体地,上述活塞本体1的受冲击面即为活塞在燃烧室内,燃烧室内的汽油燃烧产生的爆发力,直接作用于活塞本体1的端面。
上述销座加强块2靠近燃烧室的端面的形状与活塞本体1的受冲击面的形状全部相一致,在其他实施例中还可以为部分形状与活塞本体1的受冲击面相一致。本实施例中上述两者相一致的具***置包括上述销座加强块2与活塞的中心位置处的结构形状相一致。
上述销座加强块2的强度和刚度均高于活塞本体1的刚度和强度,优选地,上述销座加强块2为锻钢、铸铁或钛合金中的任意一种。本实施例中,销座加强块2为钛合金,钛合金的重量相比铝合金的重量更轻,且钛合金的刚度和强度相比铝合金的刚度和强度更高,选用钛合金材质,在增加复合式活塞的整体结构的强度和刚度的同时,不会增加复合式活塞的重量。
上述活塞本体1与销座加强块2铸造为一体。具体地,将销座加强块2放置于模具中,再浇筑铝合金熔液,冷却后,形成复合式活塞,再进行机械加工,加工出销孔3,以及其他相关结构。
上述销座加强块2的宽度、高度和厚度的尺寸根据实际需要进行调整。
因活塞本体1受到燃烧室的冲击力主要作用于活塞本体1的中心位置处,因此,为支撑活塞本体1的中心位置,增强中心位置处的结构强度和刚度,销座加强块2的中心轴线与活塞本体1的中心轴线重合。
优选地,活塞本体1内部设置的销座加强块2能够为一个整体结构,具体的尺寸根据实际进行确定。本实施例中销座加强块2为两个,两个销座加强块2平行且间隔设置。因销座加强块2分开设置,在达到同样的强度和刚度的需要情况下,在活塞本体1内设置两个销座加强块2的结构尺寸相比在活塞本体1内设置一个销座加强块2的结构尺寸更小,从而能够降低复合结构的活塞的整体重量和尺寸。活塞连杆与销孔3连接处,销孔3的销座加强块2的厚度只要满足复合式活塞工作时的刚度和强度的要求即可,为使整体结构减重,销孔3处的厚度无需设计的过厚,此外,活塞本体1的受冲击面需要销座加强块2尽可能地增加对活塞本体1的支撑面积,因此,销座加强块2靠近活塞本体1的受冲击面的一端的厚度大于销孔3处的厚度,厚度为沿销孔3的中心轴线方向的尺寸。
本实施例中的活塞本体1受冲击面的结构分为三种,具体如下:
如图1和图2所示,活塞本体1的受冲击面包括第一内凹球面槽11,第一内凹球面槽11的中心轴线与活塞本体1的中心轴线重合。对应地,销座加强块2靠近燃烧室的一端的端面为第二内凹球面槽21,第二内凹球面槽21与第一内凹球面槽11平行。
如图图3和图4所示,活塞本体1的受冲击面包括第一外凸球面12,第一外凸球面12的中心轴线与活塞本体1的中心轴线重合。销座加强块2靠近燃烧室的一端的端面为第二外凸球面22,第二外凸球面22与第一外凸球面12平行。
如图5-图7所示,活塞本体1的受冲击面包括第一平面13,第一平面13的中心轴线与活塞本体1的中心轴线重合。销座加强块2靠近燃烧室的一端的端面为第二平面23,第二平面23与第一平面13平行。
本实施例中还提供了一种发动机,包括上述的复合式活塞。该发动机利用上述复合式活塞,由于复合式活塞中设置销座加强块2,在保证复合式活塞的强度和刚度的要求的前提下,活塞本体1的受冲击面与销孔3的中心之间的距离能够保持不变或者减小,因此,活塞的整体结构尺寸不需要增加,进而应用此复合式活塞的发动机的整体结构尺寸不会增加。上述发动机为汽油发动机。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种复合式活塞,其特征在于,包括:
活塞本体(1),所述活塞本体(1)为铝合金制成;
销座加强块(2),所述销座加强块(2)的强度和刚度均高于所述活塞本体(1)的强度和刚度,所述销座加强块(2)设置于所述活塞本体(1)内部,所述销座加强块(2)上设置有销孔(3),所述销座加强块(2)靠近燃烧室的一端的端面的形状至少部分与所述活塞本体(1)的受冲击面的形状相一致。
2.根据权利要求1所述的复合式活塞,其特征在于,所述销座加强块(2)为锻钢、铸铁或钛合金中的任意一种。
3.根据权利要求1或2所述的复合式活塞,其特征在于,所述活塞本体(1)与所述销座加强块(2)铸造为一体。
4.根据权利要求1所述的复合式活塞,其特征在于,所述销座加强块(2)的中心轴线与所述活塞本体(1)的中心轴线重合。
5.根据权利要求1所述的复合式活塞,其特征在于,所述销座加强块(2)为两个,两个所述销座加强块(2)平行且间隔设置。
6.根据权利要求5所述的复合式活塞,其特征在于,所述销座加强块(2)靠近所述活塞本体(1)的受冲击面的一端的厚度大于所述销孔(3)处的厚度,所述厚度为沿所述销孔(3)的中心轴线方向的尺寸。
7.根据权利要求1所述的复合式活塞,其特征在于,所述活塞本体(1)的受冲击面包括第一内凹球面槽(11),所述第一内凹球面槽(11)的中心轴线与所述活塞本体(1)的中心轴线重合;
所述销座加强块(2)靠近所述燃烧室的一端的端面为第二内凹球面槽(21),所述第二内凹球面槽(21)与所述第一内凹球面槽(11)平行。
8.根据权利要求1所述的复合式活塞,其特征在于,所述活塞本体(1)的受冲击面包括第一外凸球面(12),所述第一外凸球面(12)的中心轴线与所述活塞本体(1)的中心轴线重合;
所述销座加强块(2)靠近所述燃烧室的一端的端面为第二外凸球面(22),所述第二外凸球面(22)与所述第一外凸球面(12)平行。
9.根据权利要求1所述的复合式活塞,其特征在于,所述活塞本体(1)的受冲击面包括第一平面(13),所述第一平面(13)的中心轴线与所述活塞本体(1)的中心轴线重合;
所述销座加强块(2)靠近所述燃烧室的一端的端面第二平面(23),所述第二平面(23)与所述第一平面(13)平行。
10.一种发动机,其特征在于,包括权利要求1-9任一项所述的复合式活塞。
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