專利名稱：發(fā)動機活塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用在發(fā)動機內(nèi)的活塞。更加特別地，本發(fā)明涉及一種使用在發(fā)動機內(nèi)的帶涂層活塞。
背景技術(shù)：
常見的發(fā)動機，如內(nèi)燃機，包括至少一個在發(fā)動機氣缸內(nèi)往復(fù)運動的活塞。該活塞包括頭部、活塞裙和至少一個側(cè)板。頭部通常包括用來在其內(nèi)接收活塞環(huán)的活塞環(huán)槽。
通常，活塞的尺寸被設(shè)成其整體直徑小于活塞于其內(nèi)往復(fù)運動的氣缸的直徑。這使得活塞可在氣缸內(nèi)運動同時將發(fā)動機內(nèi)的噪音減到最少。當(dāng)活塞和氣缸之間存在過多的空間時，隨著活塞在氣缸內(nèi)運動會出現(xiàn)爆炸性噪聲，通常也被稱作活塞敲缸。需要減少出現(xiàn)在發(fā)動機內(nèi)活塞敲缸的次數(shù)。
當(dāng)活塞在氣缸內(nèi)運動時，特別地當(dāng)活塞尺寸和氣缸直徑之間的公差很接近時，活塞表面的一些部分與氣缸的內(nèi)表面發(fā)生摩擦。很多發(fā)動機是由鋁合金鑄造而成，其提供了輕質(zhì)但堅固的發(fā)動機殼體。當(dāng)使用與發(fā)動機殼體相同的材料(并且因而，與氣缸相同的材料)鑄造活塞時，在活塞的表面和氣缸的表面之間會出現(xiàn)刮傷，所以降低了活塞的壽命，增加了活塞敲缸，并且也增加了廢氣排放。因此，需要在氣缸或活塞上設(shè)置一個承載面(耐磨表面)從而降低活塞上的磨損。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的活塞包括含有至少一個環(huán)槽的活塞頭部和涂覆有第一厚度的青銅涂層材料的活塞裙。該活塞還包括鄰接活塞裙的涂覆有第二厚度的青銅涂層材料的側(cè)板，青銅涂層材料的第一和第二厚度是不相同的。
在一種實施方式中，青銅涂層材料包括鋁青銅。該鋁青銅包括至少大約百分之七且小于或等于百分之三十的鋁。在另一種實施方式中，涂層的第一厚度大于第二厚度。在另一種實施方式中，側(cè)板上青銅涂層材料的第二厚度為非均勻厚度。
本發(fā)明還包括制造活塞的方法。該方法包括鑄造具有活塞頭部、活塞裙、以及側(cè)板的活塞，以使活塞裙具有小于活塞頭部的直徑。該方法還包括將涂層材料施加到活塞裙，并且只在施加了涂層材料后對活塞坯件進(jìn)行機加工，以使機加工后活塞裙的直徑大于或等于加工后活塞頭部的直徑。
通過以下對于本發(fā)明的詳細(xì)說明并參看附圖，將清楚本發(fā)明的更多的結(jié)構(gòu)和特點以及本發(fā)明的操作機理和方式；在各附圖中相同元件具有相同的附圖標(biāo)記。


參看以下附圖進(jìn)一步說明了本發(fā)明，各

了本發(fā)明的一些實施方式。然而，需要指出的是，各附圖中所公開的本發(fā)明僅僅是以示例的方式圖示出來。下面所說明的以及在附圖中圖示的各種不同的元件和各元件的組合能夠被以不同方式布置和機理從而得到仍然符合本發(fā)明精神和范圍的實施方式。
圖1是根據(jù)本發(fā)明活塞的透視圖，被顯示為鑄件。
圖2是圖1的活塞經(jīng)涂覆和機加工處理后的側(cè)視圖，其圖示了活塞裙。
圖3是與圖2類似的側(cè)視圖，其圖示了側(cè)板。
圖4A是活塞沿圖4中的線4A-4A的剖面圖。
圖4B是活塞沿圖4中的線4B-4B的剖面圖。
圖5是圖2中的活塞的仰透視圖。
圖6是側(cè)視圖，其說明了在涂覆處理過程中的多個圖1中的活塞。
具體實施例方式
圖1說明了根據(jù)本發(fā)明的活塞10?；钊?0由任何種類的已知鋁合金形成(如通過鑄造方法)。所形成的活塞也被稱為活塞坯件?；钊?0包括活塞頭部14、活塞裙18以及鄰接活塞裙18的側(cè)板22。如圖1所示，在鑄造時，從活塞頭部14的直徑D開始活塞裙18和側(cè)板22的直徑階梯式減小。優(yōu)選地，階梯式減小的量在0.025英寸到0.050英寸之間。一旦活塞10被鑄成，然后活塞10被噴丸處理(例如，用硅砂粒)，從而清理活塞10的各表面并且以備活塞10涂覆處理?；钊?0還包括鄰接側(cè)板22的凸臺24。
圖2說明了經(jīng)涂覆和機加工后的活塞10。如圖2所示，活塞頭部14包括三個環(huán)槽26以及在各槽26之間的凸臺30?？梢岳斫?，在其他的實施方式中，根據(jù)活塞所用于發(fā)動機的類型，可在活塞頭部上加工出任意預(yù)期數(shù)量的環(huán)槽。圖3示出了涂覆后和機加工后的活塞10，并更詳細(xì)說明了側(cè)板22和凸臺24。如圖3所示，活塞10還包括開口34，其功能將在下面參看圖5詳細(xì)說明。
在圖2和3中所示出的活塞10涂覆有青銅涂層材料。通常，青銅被定義為常包括除痕量金屬之外的錫、銻或磷的銅基合金。在圖示實施方式中的青銅涂層材料為鋁青銅材料。然而，可以理解，在其他的實施方式中，包括但并不限于錳青銅、硅青銅、鋅青銅的其他類型的青銅材料可被使用且仍符合在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
用青銅涂層材料涂覆鋁活塞10產(chǎn)生出防滑傷的活塞表面。當(dāng)鋁制活塞在發(fā)動機的鋁制缸膛內(nèi)往復(fù)運動時，活塞表面摩擦缸膛并且出現(xiàn)磨損，同時降低了活塞的壽命，增加了由于活塞敲缸引起的發(fā)動機所產(chǎn)生的噪音，并且增加了發(fā)動機的廢氣排放。將鋁添加于青銅涂層材料能使青銅軟化并且有助于使青銅涂層材料與鋁活塞的結(jié)合。然而，如果添加過多的鋁青銅涂層材料，青銅涂層會表現(xiàn)出同鋁更相似的特性，其會增加發(fā)動機的廢氣排放，同時也增加了磨損活塞的可能性。另外，鋁-鋁接觸表面會造成發(fā)動機在高溫狀態(tài)下粘缸。本發(fā)明所使用的鋁青銅材料中包含至少為大約百分之七且小于或等于百分之三十的鋁。在一種實施方式中，鋁青銅材料中包含大約百分之十四的鋁。
圖4至4B圖示出了活塞10上的涂層材料。參看圖4A和4B，活塞裙18涂覆有第一厚度38的青銅涂層材料。青銅涂層材料的第一厚度38大于或等于0.002英寸且小于或等于0.030英寸。在一種實施方式中，青銅涂層材料的第一厚度38是在0.022英寸和0.025英寸之間。側(cè)板22涂覆有第二厚度42的青銅涂層材料。優(yōu)選地，第二厚度42小于第一厚度38，并且第二厚度42大于或等于0且小于或等于0.028英寸。因而，在一些實施方式中，側(cè)板22不包括涂層材料。如圖4B所示，在側(cè)板22上的第二厚度42為均勻厚度。然而，可以理解，在其他實施方式中，第二厚度42在整個側(cè)板22上可以是非均勻厚度。
圖5示出了活塞10的底部。正如以上所提及的，活塞10包括開口34。開口34被構(gòu)造成容納使活塞10與連桿(未示出)連接的連接桿(未示出)。連桿與發(fā)動機的曲軸連接?；钊?0還包括至少一個在側(cè)板22的徑向內(nèi)側(cè)設(shè)置的桿座46。開口34延伸穿過桿座46。
活塞10是根據(jù)以下方法制成的。由鋁合金鑄造出活塞10，以使活塞裙18具有小于活塞頭部14的直徑(見圖1)。鑄造完畢后，活塞10被清理和準(zhǔn)備接受涂層，例如通過用硅砂粒來噴丸處理活塞10。對活塞10噴丸處理使活塞10的表面粗糙，這提高了青銅涂層材料和活塞10的鋁表面之間的機械連接性能。
一旦活塞10被鑄造和噴丸后，如圖6所示，夾持機構(gòu)50將許多活塞10沿軸向夾持在一起，從而青銅涂層材料可以被噴涂至活塞10。青銅涂層材料以兩個線材的形式被熔化并且使用傳統(tǒng)的雙線材電弧噴涂設(shè)備(two-wire arc spraying apparatus)54將其噴涂于活塞10的表面。在圖示的實施方式中，在噴涂設(shè)備54內(nèi)的兩個線材為鋁青銅合金。然而，在其他實施方式中，在噴涂設(shè)備54內(nèi)可以使用不同成分的兩個線材，它們一起熔化以形成預(yù)期的涂層材料。美國專利No.6,663,013公開了這樣的一種噴涂設(shè)備，其在此采用為參考文件，并且其可從美國威斯康星州Hortonville的Thermach，Inc.購買到。
噴涂設(shè)備54可使用一百二十安培到三百六十安培之間的電流，并且優(yōu)選地，使用二百五十安培到三百安培之間的電流。提供給噴涂設(shè)備的電量越多，青銅線材經(jīng)噴涂設(shè)備54而被進(jìn)給的速度就越快，并且因而涂覆處理的過程就越快。然而，如果使用大于三百安培的電流，噴涂設(shè)備54開始使青銅線材蒸氣化，同時降低了噴涂設(shè)備54的效率。
在圖6所示的實施方式中，夾持機構(gòu)50所夾持的活塞10沿箭頭58的方向旋轉(zhuǎn)，并且在活塞10轉(zhuǎn)動時噴涂設(shè)備54往復(fù)運動通過活塞10，從而噴涂活塞10。然而，可以理解，在其他的實施方式中，噴涂設(shè)備54固定不動而夾持機構(gòu)50使活塞10沿軸向往復(fù)運動同時旋轉(zhuǎn)活塞10。在其他的實施方式中，活塞10被夾持在一個固定的位置上并且移動噴涂設(shè)備54來噴涂活塞10。還在其他的實施方式中，可以使用超過一個以上的噴涂設(shè)備54來噴涂活塞10。
根據(jù)噴涂設(shè)備54所使用電流的大小，隨著噴涂設(shè)備54將熔化后的青銅涂層材料沉積在活塞表面，活塞10被加熱。在噴涂期間將噴涂設(shè)備54向活塞10靠近移動同樣能夠?qū)е禄钊?0被噴涂時加熱程度的提高。如果活塞10在噴涂期間變得過熱，青銅涂層材料和活塞10之間的粘著力會降低。熔化后青銅材料的溫度為大約1000華氏度。為了確?；钊?0和涂層材料之間有一個堅固的連接，期望在噴涂時將活塞10的溫度保持在一百八十華氏度到二百三十華氏度之間。通過調(diào)整噴涂時噴涂設(shè)備54和活塞10的距離或調(diào)整噴涂設(shè)備54所用的電能，可以控制活塞10的溫度。
因為青銅涂層是與缸膛表面相接觸的活塞裙18的表面，所以青銅涂層對活塞裙18是最有用的。任何在側(cè)板22或活塞頭部14上的青銅涂層因而都是無關(guān)緊要的，并且在其他實施方式中期望減少或甚至是去掉側(cè)板22上青銅涂層的量。對于青銅涂層的減少可以采用幾個方式。在一種實施方式中，活塞10以活塞裙18被完全噴涂的方式夾持，然后活塞10被快速旋轉(zhuǎn)從而少量的涂層被沉積在側(cè)板22上，并且當(dāng)其他活塞裙18暴露于青銅涂層材料時旋轉(zhuǎn)被再次變慢。這導(dǎo)致了在活塞裙18上青銅涂層材料的厚度大于在側(cè)板22上的厚度。在其他實施方式中，側(cè)板22和/或活塞頭部14可被蒙罩起來，因而在側(cè)板22或活塞頭部14上不會沉積上青銅涂層材料。接著，可從蒙罩元件上回收青銅涂層材料并且被噴涂設(shè)備54再利用。然而，可以理解，在其他實施方式中，側(cè)板22上的青銅涂層的厚度可以大于或等于活塞裙18上青銅涂層材料的厚度。在另外的實施方式中，噴涂設(shè)備54的噴嘴的噴射角可為縮窄，以減小噴涂設(shè)備54的噴射路徑，這使得可容易控制青銅涂層材料被噴涂到活塞上的位置。
一旦活塞10被涂覆后，接著活塞10被機加工。對活塞10的機加工使活塞10的表面光滑并且使活塞10成形，因而活塞10能夠在缸膛內(nèi)移動。圖示實施方式中的機加工后的活塞10為稍微橢圓形的。在機加工之后，活塞裙18的直徑大于或等于活塞頭部的直徑。對活塞10的加工還包括在活塞頭部14上形成至少一個環(huán)槽26。如果形成多于一個的環(huán)槽26，則該機加工過程還形成了各環(huán)槽26之間的凸臺30。各環(huán)槽26被設(shè)計成用來接受各活塞環(huán)(未示出)。在涂覆過程后對各環(huán)槽26的形成將把所有青銅涂層材料從活塞頭部14上除掉。對活塞10的機加工同樣也將把所有青銅涂層材料從與側(cè)板22鄰接的凸臺24上除掉。在一些實施方式中，可能希望在活塞頭部14或凸臺24的表面上包括一些青銅涂層材料。在這些實施方式中，機加工過程不會將全部的青銅涂層材料從這些表面除掉。
在重力鑄造的活塞和/或利用電鍍處理來涂覆材料的活塞內(nèi)，在涂層被施加應(yīng)用前活塞被機加工。這可導(dǎo)致一些所不希望的后果。首先，在機加工之后(并因而在各環(huán)槽26形成之后)對活塞頭部14實施電鍍可使得在各環(huán)槽26的邊緣產(chǎn)生過度電鍍而導(dǎo)致材料聚集，同時形成天線或“犬骨狀”效應(yīng)(由于各環(huán)槽26的邊緣表現(xiàn)為像天線一樣，因而吸引了更多的電鍍材料到這些位置上)。這會影響活塞環(huán)裝配于環(huán)槽26的方式，會增加發(fā)動機內(nèi)的噪音或活塞敲缸，并且會增加發(fā)動機的廢氣排放量。在機加工之后對活塞頭部14實施電鍍，由于活塞上更大的公差變化，會進(jìn)一步增加發(fā)動機所產(chǎn)生的噪音和廢氣排放。例如，活塞可包括在桿座46上的0.0005英寸公差、在活塞裙上的0.0005英寸公差、以及由于電鍍過程所致的0.0007英寸公差，所有這些公差都將導(dǎo)致在活塞10在缸膛內(nèi)移動時產(chǎn)生更大的噪音和氣體沖擊。在所圖示的方法中，在機加工之前施加涂層，由于涂層被進(jìn)行了機加工，因此由于涂覆處理所致的公差被減小，因而同時減小了發(fā)動機所產(chǎn)生的噪音。為了減小電鍍后的活塞的公差，在電鍍之后需要一個額外的機加工步驟，這會增加活塞的成本。
在權(quán)利要求書出提出了本發(fā)明的各種不同的特征。
權(quán)利要求
1.一種用在發(fā)動機內(nèi)的活塞，包括活塞頭部，其包括至少一個環(huán)槽；活塞裙，其涂覆有第一厚度的青銅涂層材料；與活塞裙鄰接的側(cè)板，其涂覆有第二厚度的青銅涂層材料；與側(cè)板鄰接的凸臺；其中，青銅涂層材料的第一厚度和第二厚度各不相同。
2.如權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，青銅涂層材料中還包含鋁。
3.如權(quán)利要求2所述的活塞，其特征在于，青銅材料中包含至少大約百分之七且小于或等于大約百分之三十的鋁。
4.如權(quán)利要求3所述的活塞，其特征在于，涂層材料中包含大約百分之十四的鋁。
5.如權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，青銅涂層材料中還包含錳。
6.如權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，青銅涂層材料中還包含硅。
7.如權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，青銅涂層材料中還包含鋅。
8.如權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，青銅涂層材料的第一厚度大于或等于0.002英寸且小于或等于0.030英寸。
9.如權(quán)利要求8所述的活塞，其特征在于，青銅涂層材料的第一厚度是在0.022英寸到0.025英寸之間。
10.如權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，青銅涂層材料的第一厚度大于或等于0.002英寸且小于或等于0.030英寸，并且青銅涂層材料的第二厚度大于或等于0且小于或等于0.028英寸。
11.如權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，活塞裙上的青銅涂層材料的第一厚度大于第二厚度。
12.如權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，青銅涂層材料的第二厚度大于或等于0且小于或等于0.028英寸。
13.如權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，在側(cè)板上的第二厚度是均勻厚度。
14.如權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，在側(cè)板上的第二厚度是非均勻厚度
15.一種活塞，包括活塞頭部，其包括至少一個環(huán)槽；活塞裙，其上具有青銅涂層材料；與活塞裙鄰接的側(cè)板；以及凸臺，其與側(cè)板鄰接并且其上未被施加青銅涂層材料。
16.如權(quán)利要求15所述的活塞，其特征在于，側(cè)板上未被施加涂層材料。
17.如權(quán)利要求15所述的活塞，其特征在于，側(cè)板上具有青銅涂層材料。
18.如權(quán)利要求17所述的活塞，其特征在于，側(cè)板包括與活塞裙上的涂層材料厚度不同的涂層材料。
19.如權(quán)利要求18所述的活塞，其特征在于，側(cè)板上的涂層材料的厚度為非均勻厚度。
20.如權(quán)利要求15所述的活塞，其特征在于，涂層材料中還包含鋁。
21.如權(quán)利要求15所述的活塞，其特征在于，青銅材料中還包含至少大約百分之七且小于或等于百分之三十的鋁。
22.如權(quán)利要求21所述的活塞，其特征在于，青銅材料中包含大約百分之十四的鋁。
23.如權(quán)利要求15所述的活塞，其特征在于，活塞頭部未被施加涂層材料。
24.如權(quán)利要求15所述的活塞，其特征在于，活塞裙包括具有第一厚度的涂層材料，并且側(cè)板包括具有第二厚度的涂層材料，其中第一和第二厚度是不相同的。
25.如權(quán)利要求24所述的活塞，其特征在于，青銅涂層材料的第一厚度大于或等于0.002英寸且小于或等于0.030英寸。
26.如權(quán)利要求25所述的活塞，其特征在于，青銅涂層材料的第一厚度在大約0.022英寸到0.025英寸之間。
27.如權(quán)利要求24所述的活塞，其特征在于，活塞裙上涂層的第一厚度大于側(cè)板上涂層的第二厚度。
28.如權(quán)利要求24所述的活塞，其特征在于，青銅涂層材料的第二厚度大于或等于0且小于或等于0.028英寸。
29.如權(quán)利要求24所述的活塞，其特征在于，青銅涂層材料的第一厚度大于或等于0.002英寸且小于或等于0.030英寸；并且青銅涂層材料的第二厚度大于或等于0且小于或等于0.028英寸。
全文摘要
公開了用在發(fā)動機內(nèi)的活塞。該活塞包括具有至少一個環(huán)槽的活塞頭部。該活塞還包括涂覆有第一厚度的青銅涂層材料的活塞裙，以及鄰接活塞裙的涂覆有第二厚度的青銅涂層材料的側(cè)板。青銅涂層材料的第一和第二厚度是不相同的。在一些實施方式中，青銅涂層材料中還包含鋁。
文檔編號F02F3/10GK1721679SQ20051008143
公開日2006年1月18日 申請日期2005年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月30日
發(fā)明者杰里·L·申克爾, 杰弗里·H·惠特莫爾 申請人:布里格斯斯特拉頓公司