專利名稱：內燃機活塞的制作方法
技術領域：
本發明涉及具有裙部的內燃機活塞，并尤其涉及減少活塞敲擊聲的活塞形狀。
在內燃機活塞中，該活塞包括具有相對于氣缸軸線偏移的軸線的活塞銷和形成中間凸出的桶形形狀的裙部。從日本實用新型專利公開號為No.53-40546中可了解到這樣一種技術局部切去位于與活塞銷的偏移側相對的側上的裙部的上部，而該切去的上部易于引起氣缸孔的壁面和該部分之間的擦傷和斑點，因此可防止產生咬缸。
桶形裙部傾向于減少活塞撞擊氣缸孔壁面所產生的活塞敲擊聲，但是在上述公知活塞中，從活塞的潤滑觀點上看，在裙部的上部桶形上進行了改進。這無助于減少活塞敲擊聲。
因此，本發明的目的是確保利用膨脹沖程和壓縮沖程之間的活塞工作情況及推力的不同有效地減少膨脹沖程和壓縮沖程兩者中的活塞敲擊聲。
為了實現上述目的，根據本發明的第一方面和特征，提供了一種內燃機的活塞，該活塞包括桶形裙部，而該裙部由布置在最大直徑部分上方的上裙部和布置在最大直徑部分下方的下裙部組成，上裙部和下裙部具有比最大直徑部分的半徑小的半徑，其特征在于在止推側上的下裙部的半徑減少量設置得比推力側上的下裙部的半徑減少量小。
就上述布置而言，當活塞在膨脹沖程擺動時，同時在推力側上的活塞的下裙部、最大直徑部分和上裙部依次以指定順序與氣缸孔的壁面產生接合時，由于在推力側上確保了下裙部的半徑充分減少，因此，允許活塞擺動，并減輕了裙部碰撞氣缸孔壁面從而減少了活塞敲擊聲。
在壓縮沖程中，在止推側上的下裙部首先與氣缸孔的壁面產生接合，并在活塞的后來的擺動中，止推側上的上裙部碰撞氣缸孔的壁面從而產生活塞敲擊聲。但是，由于止推側上的下裙部的半徑減少量設置得較小，因此，在止推側上的下裙部接合氣缸孔的壁面時所產生的活塞傾斜角可被抑制到一個較小值，并且減輕了在后來的活塞沿相反方向擺動引起上裙部碰撞止推側時所產生的振動，從而減少活塞敲擊聲。
下裙部半徑減少量以上述方式在推力側和止推側上產生了非對稱，因此在膨脹沖程和壓縮沖程這兩者上，可有效地實現降低活塞敲擊聲。
根據本發明的第二方面和特征，提供了一種具有裙部的內燃機活塞，其特征在于在止推側上的裙部的橫截面的曲率設置得比推力側上的裙部的橫截面的小，并且在止推側上的至少一部分裙部的橫截面形成圓弧。
就上述布置而言，在止推側上的裙部的橫截面的曲率設置得比推力側上的小，并且在止推側上的至少一部分裙部的橫截面形成圓弧。因此，活塞與氣缸孔的壁面接觸的表面壓力在壓縮沖程中被減少，從而減少了活塞敲擊聲并提高了防止咬缸的性能。
根據本發明的第三方面和特征，除了第二特征之外，還提供了一種內燃機活塞，其特征在于在延伸通過活塞中心軸線到達推力側和止推側的每個軸線相對側上，圓弧形成有10°或者更大的中心角度。
就上述布置而言，圓弧在軸線的每個相對側上形成有10°或者更大的中心角度。因此，在壓縮沖程中，活塞與氣缸孔壁面的接觸表面壓力充分減少。
結合附圖，通過優選實施例的下面描述，本發明的上述目的、特征和優點及其它的目的、特征和優點將變得顯而易見。


圖1到13B表示本發明的實施例，其中圖1是內燃機活塞的側視圖；圖2是活塞的橫截面圖；圖3A和3B是解釋“推力側”和“止推側”的定義的示意圖；圖4A到4C是解釋膨脹沖程的工作過程的示意圖5A到5C是解釋壓縮沖程的工作過程的示意圖；圖6A和6B是表示在壓縮沖程和膨脹沖程中下裙部的半徑減少量和氣缸振動之間的關系的示意圖；圖7A到7C是表示氣缸振動和裙部的橫截面的橢圓大小之間的關系的示意圖，以及裙部的橫截面的弧形部分的中心角度和氣缸振動之間的關系；圖8是表示本實施例的裙部形狀和傳統例子的裙部形狀從而在它們之間進行比較的示意圖；圖9A和9B是表示本實施例的結果和傳統例子的結果從而在它們之間進行比較的示意圖；圖10是表示本實施例的非對稱桶形活塞的裙部的橫截面形狀和傳統例子的裙部的橫截面形狀從而在它們之間進行比較的示意圖；圖11A和11B是表示本實施例的非對稱桶形活塞的結果和傳統例子的結果從而在它們之間進行比較的示意圖；圖12A和12B是表示本實施例的非桶形活塞的結果和傳統例子的結果從而在它們之間進行比較的示意圖；圖13A和13B是表示本實施例的非對稱桶形活塞的結果和傳統例子的結果從而在它們之間進行比較的示意圖。
現在，參照附圖借助于實施例來描述本發明。
圖1所示的4沖程循環內燃機的活塞P包括面對燃燒室的活塞頂部11和面對曲柄箱的裙部12。在活塞頂部11上限制出兩個壓縮環安裝槽13和14及一個油環安裝槽15。連桿16在它的小端處通過活塞銷17而可擺動地連接到裙部12上。
活塞P的裙部12的橫截面形狀沿著氣缸軸線L1的方向而連續變化。更具體地說，裙部12在它的垂直中間部分(沿著氣缸軸線L1的方向)具有最大直徑部分18，而上裙部19和下裙部20相互之間為最大直徑部分18所分隔開。最大直徑部分18是具有最大外部直徑的裙部12的部分。如圖1所著重表示的那樣，隨著向上遠離最大直徑部分18，上裙部19沿著環繞著氣缸軸線L1的半徑逐漸減少，而隨著向下遠離最大直徑部分18，下裙部20沿著環繞著氣缸軸線L1的半徑逐漸減少。在活塞P的推力側上的上裙部19的半徑減少量與在活塞P的止推側上的相同，但是下裙部20的半徑減少量設置成這樣在活塞P的推力側上較大，而在活塞P的止推側上較小。活塞P的整個裙部12是這樣的一種桶形垂直中間部分(最大直徑部分)最厚，而垂直相對端(上裙部19和下裙部20)稍稍薄一些。
下面將描述“推力側”和“止推側”的定義。圖3A和3B表示4沖程循環內燃機的膨脹沖程。在膨脹沖程中，向下的負荷Fg和向上的慣性力Fm施加到活塞P上，而向上的負荷Fg由空-燃混合氣的膨脹所引起的氣缸內部壓力來產生，慣性力Fm由往復運動質量來產生。因此，沿著氣缸軸線L1方向上的力F(＝Fg+Fm)施加到活塞P上，并分解成沿連桿16方向上的分力Fr和垂直于氣缸軸線L1方向上的分力Fs.
分力Fs是用來把活塞P的該側推靠在氣缸孔22的壁面上的力，該分力Fs稱作活塞的推力。假設推力Fs的大小在受到爆發負荷的膨脹沖程時處于最大值。在這個時間所產生的推力Fs的方向(圖3A和3B的右側)稱為“推力側”，而它的相對方向(圖3A和3B的左側)稱為“止推側”。
如圖1所示，活塞銷的軸線L2相對于氣缸軸線L1偏移推力側(圖1的右側)一個距離α。距離α是一個非常小的量，例如大約0.5mm。
有這樣一種減少摩擦阻力的公知技術通過把活塞P的裙部12形成橢圓形橫截面形狀來確保裙部12的橫截面形狀在活塞P進行熱膨脹時接近真實的圓，而該橢圓形橫截面形狀具有沿活塞銷軸線L2方向延伸的短軸和沿垂直于活塞銷軸線L2的軸線L3方向延伸的長軸。相反，在這個實施例中，在推力側和止推側上非對稱地形成裙部12的橫截面形狀。
通過在最大直徑部分18處剖開活塞P的裙部12，圖2的實線表示沿圖1箭頭a-a方向截取的剖面形狀。如從圖2中看到的那樣，在最大直徑部分18處沿箭頭a-a方向截取的、整個裙部12的剖面形狀是非圓形的，它在活塞銷軸線L2方向上具有較小直徑，而在垂直于活塞銷軸線L2的軸線L3方向上具有較大直徑，而且，裙部12非對稱地形成在推力側和止推側上。更具體地說，在推力側上沿箭頭a-a方向截取的、裙部12的剖面形狀是具有沿活塞銷軸線L2延伸的短軸的橢圓形，同時在止推側上裙部12的這些部分中的每一個橫截面形狀繞著氣缸軸線L1是弧形的，而裙部12的這些部分處于垂直于活塞銷軸線L2的軸線L3的相對側上的預定區域中。借助于光滑曲線，把弧形部分的相對端連接到推力側上的橢圓形部分的相對端上。
圖2上的一點虛線(one-dot dashed line)表示了沿箭頭b-b方向截取的、活塞P的上裙部的剖面形狀。如從圖2中所看到的那樣，整個活塞P形成桶形，因此沿箭頭b-b方向截取的剖面形狀在整個區域中比處于最大直徑部分18的、沿箭頭a-a方向截取的剖面形狀小。圖2中的虛線表示沿箭頭c-c方向截取的、活塞P的下裙部20的形狀。由于整個活塞P形成桶形，因此沿箭頭c-c方向截取的、下裙部20的形狀在整個區域中比沿箭頭a-a方向截取的最大直徑部分18的剖面形狀小，但是設置了半徑減少量，因此，如上所述，它在推力側上較大，而在止推側上較小。重點表示了活塞P的剖面形狀和沿著這些箭頭方向所截取的活塞P的形狀，半徑實際減少量的大小大約為幾個10μm。
如圖8所示一樣，在這個實施例中的活塞P的裙部12高度是35mm，半徑減少量在下裙部20的推力側上是60μm、在下裙部20的止推側上是0μm，及在上裙部19的推力側和止推側這兩者上是90μm。
參照附圖4A-4C，下面描述膨脹沖程的工作。
圖4A表示這樣一種狀態活塞P處于上死點附近，并且緊接燃-空混合物在燃燒室內爆發之后。當燃燒氣體的壓力向下推動活塞P的頂部表面時，燃燒氣體的壓力繞著活塞銷軸線L2施加了一個力矩M1，因為活塞銷軸線L2相對于氣缸軸線L1偏移到推力側。這引起了活塞P沿反時針方向擺動，因此，推力側上的裙部12的下端在點A處與氣缸孔22的壁面產生接合。
在膨脹沖程中，連桿16的上端相對于氣缸軸線L1向推力側傾斜，因此產生了推力Fs，從而把活塞P推靠在氣缸孔22的右壁面上。這時，在活塞P的推力側上的裙部12的下端與氣缸孔22的壁面接合，因此繞著點A，推力Fs形成了順時針力矩，因此活塞P沿順時針方向擺動，同時裙部12的下端和上端之間的部分依次地與氣缸孔22的壁面產生接觸(見圖4B和4C)。
如上所述，膨脹沖程期間，當活塞P下降時，同時沿順時針方向擺動時，在與氣缸孔22的壁面接合的推力側上基本上可確保活塞P的下裙部20的半徑減少量(見圖1)。因此，確保活塞P沿順時針方向的擺動角度能足夠減少活塞的滑動聲音。假設活塞P沿順時針方向擺動被阻止，那么在推力Fs的作用下而沒有擺動的情況下，活塞P有力地碰撞在推力側上的氣缸孔22的壁面上，因此那時產生了巨大的活塞敲擊聲。
在上述膨脹沖程中，活塞敲擊聲(即氣缸的振動)可以通過增加推力側上的下裙部20的半徑減少量來減少(參見圖6B)。相反，在壓縮沖程中，如果在止推側上的下裙部20的半徑減少量增加，那么活塞敲擊聲(即氣缸振動)相應地增大了，引起反作用(參見圖6A)。這是因為活塞P在膨脹沖程和壓縮沖程的工作情況相互不相同。
參照附圖5A到5C，下面描述壓縮沖程的工作。
如參照附圖3A和3B所已經描述的一樣，氣缸的內部壓力所形成的負荷和往復運動質量所形成的慣性力施加到活塞P上。當節流閥完全打開時，氣缸的內部壓力較大時，止推方向上的推力較大，因此活塞P沿著止推側上的氣缸孔22的壁面升高。但是，在較小負荷期間或者在氣缸的內部壓力較小的空轉期間，通過下面的一些因素使裙部12的下部的點B與止推側上的氣缸孔22的壁面產生接觸(1)負壓(向上的力)，在壓縮沖程的初始階段(離開下死點40°附近)在氣缸內產生該負壓；及(2)順時針力矩M2，通過活塞銷17偏移到推力側來產生該力矩。
接著，借助于推動方向上產生的推力，活塞P移離止推側上的氣缸孔22的壁面(參見圖5B)，而該活塞P逐步地開始于上死點和下死點之間的中部附近，在該中部附近慣性力的方向被改變。之后，借助于(1)氣缸內的內部壓力升高和(2)活塞銷17偏移到推力側所產生的反時針方向的力矩M3，從裙部12的上部的點C起，活塞P移動來撞擊止推側上的氣缸孔22的壁面，因此產生了活塞敲擊聲(參見圖5C)。
為了減少活塞敲擊聲，把處于圖5A所示狀態的、活塞P的順時針擺動角度θ抑制到較小程度是有效的。這是因為如果活塞P的順時針擺動角度θ較小，那么從活塞P被以順時針方向擺動角度θ的狀態到止推側上的裙部12的上端與氣缸孔22的壁面產生碰撞的狀態過程中，活塞P的反時針擺動角度θ(參見圖5C)將變得較小，因此可防止碰撞速度的增大。
就所看到的情況而言，在這個實施例中，止推側上的活塞P的下裙部20的半徑減少量設置成一個較小值(參見附圖1)。因此，當處于圖5A所示狀態的、止推側上的裙部12的下端與氣缸孔22的壁面產生接合時，活塞P的順時針擺動角度θ可被抑制到較小程度，其結果是，減少了活塞敲擊聲。
如上所述，一方面，在膨脹沖程中，活塞P的裙部12的桶形確保了活塞P正擺動，因此減少了活塞敲擊聲，另一方面，在壓縮沖程中，不期望活塞敲擊聲減少桶形所產生的效果。因此，在壓縮沖程中，裙部12的橫截面形狀在推力側和止推側上是非對稱的，因此，使得活塞敲擊聲減少。更具體地說，在止推側上設置裙部橫截面的弧形表面確保了裙部12的橫截面部分與止推側上的氣缸孔22的壁面接觸區域比推力側上的大，因此，在壓縮沖程中，活塞P與氣缸孔22的壁面接觸的表面壓力減少了，從而使活塞敲擊聲減少。在這種情況下，通過減少活塞P與氣缸孔22的壁面的接觸表面壓力，也可實現抗咬缸性能的提高。
下面將對此詳細地描述。為了減少活塞敲擊聲，因此確保活塞P的裙部12在它的寬度區域上與氣缸孔22的壁面產生接觸是有效的，從而導致接觸的表面壓力減少。但是，在推力側和止推側上的裙部12橫截面的曲率(curvature)的合適值相互之間有很大的不同。這是因為受氣缸的內部壓力影響較大的推力側上的推力和受氣缸的內部壓力影響較小的止推側上的推力相互之間有較大的不同。
圖7A表示推力側上的裙部12的橫截面的橢圓大小和氣缸振動之間的關系。橢圓大小由橢圓的長軸D和短軸d之間的偏差D-d來限定出。如果橢圓的大小較大，那么橫截面的曲率較大，而如果橢圓的大小較小，那么橫截面的曲率較小。如從圖7A中所看到的那樣，如果在推力側上的裙部12的橫截面的橢圓大小減少，那么裙部12的橫截面形狀接近弧形，氣缸的振動開始逐漸減少。但是，如果橢圓大小進一步減少，那么隨著閾值(threshdd)Y作為極限，氣缸的振動變大了。這是因為，如果裙部12的橫截面形成接近弧形的形狀，那么沿著側壁方向上的表面壓力局部升高，而該側壁支撐裙部表面并具有較高的剛度，其結果是，氣缸振動增加。
圖7B表示了止推側上的裙部12的橫截面的橢圓大小和氣缸振動之間的關系。如從圖7B所看到的那樣，即使在止推側上的裙部12的橫截面的橢圓大小減小，因此裙部12的橫截面形狀接近弧形，但是氣缸的振動開始時幾乎沒有減少。但是，如果橢圓大小進一步減少從而超過極值Y，因此裙部12的橫截面形狀接近弧形，因此氣缸的振動急劇減少。從這個事實，可以看到，為了減少壓縮沖程的活塞敲擊聲，因此充分地減少在止推側上的裙部12的橫截面的橢圓大小是有效的，因此裙部12的橫剖面形狀接近弧形。
圖7C表示了止推側上的裙部12的橫截面的弧形部分的中心角度和氣缸振動之間的關系。如從圖7C所看到的那樣，如果在止推側上的弧形部分的中心角度增大，那么氣缸的振動逐漸減少。在弧形部分的中心角度超過±10°的區域內，氣缸振動的減少速度增加了，因此，可以產生顯著效果。從這個事實，弧形部分的中心角度設置在本發明的第三方面的±10°的值或者更大的值上。
圖8表示這個實施例中的活塞P的裙部12形狀和傳統活塞的裙部形狀，從而對它們之間進行比較。圖8所示的傳統活塞屬于非桶形(在該形狀中下裙部的半徑減少量設置為0(零))和對稱的桶形(在推力側和止推側這兩側上，下裙部的半徑減少量設置為40μm)。
圖9A和圖9B表示與這個實施例的活塞P相應的氣缸振動和與傳統活塞相應的氣缸振動，從而對它們之間進行比較。如從圖9A中所看到的那樣，在膨脹沖程中，氣缸振動按照非桶形、氣缸內的對稱桶形和非對稱桶形(在這個實施例中)的順序減少。因此，在這個實施例中通過把推力側上的下裙部20的半徑減少量增加到60μm所產生的效果得到進一步證實。如從圖9B中所看到的一樣，在壓縮沖程中，對稱桶形活塞的氣缸振動最大，而非對稱桶形(即這個實施例)的氣缸振動與非桶形的氣缸振動相同。因此，通過使止推側上的半徑減少量等于非桶形活塞上的半徑減少量(即通過把止推側上的半徑減少量減少到0μm)所產生的效果可得到進一步證實。
圖10表示這個實施例(最大直徑部分18的橫截面形狀)的活塞P(屬于非對稱桶形)的裙部12的橫截面形狀和傳統活塞的裙部12的橫截面形狀，從而對它們之間進行比較。圖10所示的傳統活塞(屬于非對稱桶形)有兩個橢圓形。在其中的一個橢圓形中，橢圓大小(D-d1)是0.3μm，而在另一個橢圓形狀中，橢圓大小(D-d2)是0.1mm。在這個實施例的活塞中，推力側上的橢圓大小等于是0.3mm的傳統活塞上的橢圓大小，但是這個實施例的活塞裙部12是非圓形，該非圓形在止推側上具有相對于軸線L3在±25°范圍內的弧形部分。
圖11A和11B表示帶有圖10所示的這個實施例的活塞P的氣缸振動(活塞敲擊聲)和傳統活塞的氣缸振動，從而在它們之間進行比較。如從圖11B所看到的一樣，在壓縮沖程中，氣缸振動按照具有0.3mm的橢圓大小的傳統活塞、具有0.1mm的橢圓大小的傳統活塞和這個實施例的活塞P的順序減少，因此，通過在這個實施例中提供在±25°范圍內的弧形部分所產生的效果得到進一步的證實。在膨脹沖程中，具有0.1mm橢圓大小的傳統活塞的氣缸振動最大，而具有這個實施例的活塞P的氣缸振動被抑制到等于具有0.3mm橢圓大小的傳統活塞的氣缸振動大小。因此，通過使推力側上的橫截面形狀等于具有0.3mm橢圓大小的傳統活塞的橫截面形狀所產生的效果得到進一步的證實。
圖12A和12B表示帶有具有等于0.5mm的活塞銷偏移量α的非桶形(直線型)活塞的氣缸振動(活塞敲擊聲)和帶有具有圖10所示的三個橫截面形狀的非桶形活塞的氣缸振動，從而在它們之間進行比較。可以從圖12A和12B中看到，在壓縮沖程中帶有即使是非桶形活塞的氣缸振動減少了，如圖11A和11B所示的非對稱桶形的情況一樣。
圖13A和圖13B表示帶有活塞的氣缸振動，該活塞具有從圖12A和12B所示的0.5mm增加到1.0mm的活塞銷偏移量α。如通過把圖13A和13B與圖12A和12B進行比較所看到的那樣，一方面，隨著活塞銷偏移量α的增大，膨脹沖程的氣缸振動大大減少，另一方面，壓縮沖程的氣缸振動稍稍增加。原因是一方面，在膨脹沖程中，圖4A所示反時針力矩M1的增加引起起始于具有較小剛度的下端的、裙部12的接合，從而減少了氣缸振動，而在另一方面，在壓縮沖程中，圖5B所示順時針力矩M3的增加引起起始于具有較大剛度的上端的、裙部12的接合，從而增加了氣缸振動。
盡管詳細地描述了本發明的實施例，但是應當明白本發明不局限于上述實施例，在沒有脫離權利要求書所限定的本發明的精神實質和范圍內可以進行各種改進。
例如，四沖程循環的內燃機的活塞P已在實施例中說明，但是本發明可以應用到不是四沖程循環內燃機的發動機的活塞上。通過形成在推力側和止推側上的非對稱的活塞P的橫截面形狀所產生的效果也可在非桶形的活塞P上得到，但是通過把非桶形活塞P與非對稱桶形活塞結合起來，可以進一步有效地提高減少活塞敲擊聲的效果。
權利要求
1.一種內燃機活塞，該活塞包括桶形裙部，而該裙部由布置在最大直徑部分上方的上裙部和布置在最大直徑部分下方的下裙部組成，該上裙部和下裙部具有比所述最大直徑部分的半徑小的半徑，其特征在于在止推側上的下裙部的半徑減少量設置得比推力側上的下裙部的半徑減少量小。
2.一種具有裙部的內燃機活塞，其特征在于在止推側上的裙部的橫截面的曲率設置得比推力側上的裙部的橫截面的小，并且在止推側上的至少一部分裙部的橫截面形成圓弧。
3.如權利要求2所述的內燃機活塞，其特征在于在延伸通過活塞中心軸線到達推力側和止推側的的每個軸線相對側上，所述圓弧形成有10°或者更大的中心角度。
全文摘要
本發明的目的是:利用膨脹沖程和壓縮沖程的活塞工作情況的不同,從而有效地實現減少膨脹沖程和壓縮沖程中的活塞敲擊聲。為此,在具有裙部12的活塞P中,該裙部12形成中間凸出的桶形,活塞銷的軸線L
文檔編號F16J1/00GK1262385SQ0010118
公開日2000年8月9日 申請日期2000年1月28日 優先權日1999年1月29日
發明者嶽和秀, 平出玲子, 河合范明 申請人:本田技研工業株式會社