阅读说明：本技术 内燃机及其活塞、连杆结构 (Internal combustion engine and piston and connecting rod structure thereof ) 是由 不公告发明人 于 2020-05-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种内燃机及其活塞、连杆结构,用于解决现有的连接结构中活塞轻量化设计与活塞销、活塞裙部容易发生局部变形、损坏的技术问题。与活塞顶部相对的活塞内腔内有支撑部位,且该支撑部位设置有弧形凹槽,弧形凹槽处固定有保持架,以及被保持架进行限位的滚子,该滚子存在于弧形凹槽和连杆小端之间,并在二者之间形成滚动接触。存在圆销连接和滚子连接,且滚子连接处承受大部分的连杆与活塞之间的冲击力,这种冲击力主要表现为两者之间的压应力,这对于活塞销的受力减轻作用明显,有利于活塞裙部和活塞销的轻量化设计,且可以避免由于轻量化设计中带来的活塞销破损和裙部破损的情况。(The invention discloses an internal combustion engine and a piston and connecting rod structure thereof, which are used for solving the technical problems that the lightweight design of a piston and a piston pin and a piston skirt part are easy to deform and damage locally in the existing connecting structure. The piston cavity opposite to the top of the piston is internally provided with a supporting part which is provided with an arc groove, the arc groove is fixed with a retainer and a roller which is limited by the retainer, and the roller is arranged between the arc groove and the small end of the connecting rod and forms rolling contact between the arc groove and the small end of the connecting rod. There are round pin connection and roller connection, and the roller junction bears the impact force between most connecting rod and the piston, and this kind of impact force mainly represents the compressive stress between the two, and this atress to the piston pin alleviates the effect obvious, is favorable to the lightweight design of piston skirt portion and piston pin, and can avoid because the damaged condition of piston pin and skirt portion that brings in the lightweight design.)

内燃机及其活塞、连杆结构

技术领域

该发明涉及内燃机中使用的活塞、连杆连接技术领域。

背景技术

内燃机中，活塞在内燃机中工作环境的分析：

高温环境，内燃机缸体内的高温导致热负荷大，活塞在气缸内动作时，活塞的顶面(燃烧室一侧)承受瞬间高温燃气的作用，燃气的最高温度可达2000度～2500度，因而在活塞顶端的温度也很高，温度场分布不均匀，使得活塞内部存在很大的热应力，这种热应力尤其的体现在活塞上下之间、内外之间。

高压环境，高冲击性的连杆、曲轴机械负荷直接作用在活塞上，尤其突出的作用在活塞与连杆连接部位，例如，活塞销部位，突出的表现在活塞销的变形或活塞销座的崩溃。高压包括两方面，其一，活塞、连杆受周期性冲击的影响，一般在膨胀冲程开始的上止点后10度到20度之间达到最大，而活塞都在气缸里做高速的、往复的、高频直线运动，会产生很大的往复惯性力，这种力直接通过连杆传递到曲轴，这种大惯性往复力在传递的过程中，在活塞和连杆的活动连接活塞销部位产生应力，因此活塞销部位是应力破坏的瓶颈。

高速滑动，如上所述，活塞在缸内高频、高速、往复直线运动，连杆在缸内高频、周期性的做摇臂运动，因此连杆在工作中所产生的侧向力是比较大的，直接的作用在活塞，使得活塞与活塞筒内壁之间的侧向力也比较大，特别的，会在连杆和活塞结合点位置产生侧向力，这对于活塞和连杆机械稳定性是有害的影响。

变化的侧压力，如上所述，活塞上下行程过程中，受到连杆的摇臂运动，其侧向力方向不断的、周期性的变化，造成活塞在工作是承受交变的侧向载荷。

因此，活塞与连杆的连接技术，尤其是连接强度与轻量化设计中的技术矛盾是对立存在的。目前主流教科书中，主要是通过优化活塞的结构，例如，优化活塞的壁厚均一性，活塞裙的形状和适配性等，来改进活塞的以上性能。

本发明从活塞和连杆的结合部位的结构入手，以优化活塞连杆的组合、装配和运动关系为课题展开研究，通过该部分的研究、设计和实验验证，来解决活塞及其连杆在内燃机中的配合使用性能。

以上技术供同行参阅。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供一种内燃机及其活塞、连杆结构，用于解决现有的连接结构中活塞轻量化设计与活塞销、活塞裙部容易发生局部变形、损坏的技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

活塞、连杆结构，包括活塞和连杆，该连杆的小端与所述活塞进行活动连接，其特征在于，

与活塞顶部相对的活塞内腔内有支撑部位，且该支撑部位设置有弧形凹槽，弧形凹槽处固定有保持架，以及被保持架进行限位的滚子，该滚子存在于弧形凹槽和连杆小端之间，并在二者之间形成滚动接触；且该处承受连杆、活塞主要的力；

用于连接活塞和连杆的活塞销规格小于手册标准尺寸，且该处承受连杆、活塞次要的力。

所述滚子为圆柱滚子或者鼓形圆柱滚子。

所述滚子为空心筒结构。

在所述连杆的小端外表面具有强化耐磨层。

所述连杆的小端外侧具有覆盖局部的滚子配合凹槽。

所述活塞的活塞销孔向活塞内腔内延伸至基本与支撑部位平齐。

所述活塞顶部具有轻量化设计的一次凹陷或者二次凹陷。

一种内燃机，该内燃机至少具有一套活塞、连杆结构，以及与该活塞、连杆结构配套工作的、气缸体、气缸盖、曲轴、燃烧室、点火装置、气门和润滑系统，其特征在于，所述活塞、连杆结构，包括活塞和连杆，该连杆的小端与所述活塞进行活动连接，且，与活塞顶部相对的活塞内腔内有支撑部位，且该支撑部位设置有弧形凹槽，弧形凹槽处固定有保持架，以及被保持架进行限位的滚子，该滚子存在于弧形凹槽和连杆小端之间，并在二者之间形成滚动接触；且该处承受连杆、活塞主要的力；

用于连接活塞和连杆的活塞销规格小于手册标准尺寸，且该处承受连杆、活塞次要的力。

本发明的有益效果是：

1、连杆和活塞的连接点，同时存在圆销连接和滚子连接，且滚子连接处承受大部分的连杆与活塞之间的冲击力，这种冲击力主要表现为两者之间的压应力，这对于活塞销的受力减轻作用明显，有利于活塞裙部和活塞销的轻量化设计，且可以避免由于轻量化设计中带来的活塞销破损和裙部破损的情况。

2、滚子通过保持架被预先的安装在弧形凹槽内，有利于连杆和活塞的装配的实施。

附图说明

图1现有活塞压缩做功过程示意图。

图2为活塞销的立体图。

图3为改进后的活塞立体图。

图4为改进后的活塞立体图。

图5为改进后的活塞立体图。

图6为B--B剖视图。

图7为C--C剖视图。

图8为A--A剖视图。

图9为保持架立体图。

图10为活塞连杆连接示意图。

图11为活塞连杆连接剖视图。

图12为活塞连杆连接剖视图。

图13为D--D剖视图。

图14为E--E剖视图。

图15为圆柱滚子的立体图。

图16为鼓形圆柱滚子的立体图。

图17为保持架与滚子的端部配合图。

图18为实施例二中活塞的剖视图。

图19为实施例二中活塞的剖视图。

图20为实施例二中活塞的剖视图。

图21为实施例三中的连接机构局部示意图。

图22为实施例三中连杆小端的示意图。

图中：

100活塞，

110活塞头部，111活塞顶部，112环槽脊部。

120裙部，121凹凸结构，

130销毂部，131活塞销孔，132延伸部，

140支撑部位，141弧形凹槽，142卡槽，

150侧壁部，

160冷却通道，161a/161b换气孔，

170内腔部分，

200气缸盖，210气门，220燃料的喷射喷嘴，230燃烧室。

300连杆，310小端，311耐磨涂层，320大端，

400活塞销，410轴承。

具体实施方式

以常见的四冲程汽油发动机为例，该内燃机具备：活塞100、气缸体、气缸盖、曲轴、连杆、活塞销、燃烧室、点火装置、气门和润滑系统等。其中，气门包含进气门和排气门，不属于本发明的技术改进之处，不再赘述。该内燃机中，所知晓的，曲轴能够周期性的、旋转地设置在气缸体内，是动力输出轴，连杆的两端分别和活塞、曲轴进行活动连接。活塞往复移动地收纳于气缸的内部活塞套筒内。

以上属于现有技术的基本情况。

铝基材质的合金活塞，目前针对活塞的研究和设计，大部分停留在密封环的设计优化、裙部的设计优化，活塞顶面的优化，环带断面的优化等等，本发明不同以上技术的重要区别就是，针对的是活塞与连杆的结合部位的改进，通过该处技术的改进和革新，提高活塞在内燃机中的综合性能。

以图1中所示的四个过程图解内燃机中的一个压缩单元的工作过程，本图例中，气缸盖200以将气缸的开口塞住的方式设置于气缸体上部，即，对缸体的顶部进行封装。在气缸盖上设置气门210；燃料的喷射喷嘴220和火花塞。如图1中A1所示(活塞100处于上止点)，在活塞1的上表面与气缸盖200间存在的则是燃烧室230。活塞的顶部顶面直接与燃烧的气体接触，并在爆燃气体的膨胀力的推动下向下运动，经过A2位置后达到A3位置(活塞100处于下止点)，在此过程中，活塞销400承受较大的挠曲力，参考图2，以及活塞环壁与活塞筒内壁之间产生侧向力，如此这下，都是通过活塞销来完成活塞与连杆之间的力的传递的。在此工程中，还伴随着高温等问题，进一步的恶化了活塞销的使用状况。因此现有技术中，活塞销作为活塞和连杆之间传递力矩的一个重要的载体，其受到的力的情况比较复杂，存在弯曲失效的现象。

图1中给出了活塞在内燃机中的四个角度时，在活塞的往复运行过程中，作为活塞和连杆连接使用的活塞销，参考图2，活塞销中间部位通过轴套与上述的连杆端部进行可转动的连接，也就是说受到的力为F2。活塞销两端部位通过直接与上述的活塞进行过盈或者过渡配合，并使用两端的弹簧卡进行两端端部的限位，用于限制活塞销在轴向上的串动，该受力为F1。根据力学知识，F2的数值是F1数值的两倍，也就是说，该活塞销受力模型，为简支梁结构模型，该模型中，活塞销受力的劣势在于，活塞销收到的弯矩比较大，且该部件是容易被损伤，造成连接失效。本发明的任务之一，就是解决该技术缺陷。

以下通过多个实施例，结合说明书附图，将本发明的活塞应用于在汽油发动机中进行说明，但也能够应用于柴油发动机、燃气发动机等类型的发动机。

实施例一

本实施例参考图3至图14，图示了活塞和连杆的详细结构，通过上述结构的描述，来揭示本发明的创造先进性和优越性。

本实施例中，活塞，与现有活塞结构相同的是，参考图3至图8，根据功能划分，该活塞100具有活塞头部110、一对裙部120、一对销毂部130、一个支撑部位140、侧壁部150及冷却通道160。

活塞头部110具有活塞顶部111和具有环槽的环槽脊部112，其中，环槽的作用在于放置密封环，例如，形成三道密封，用于隔离燃烧室和润滑油箱。另外，活塞头部内部具有环形的冷却通道160，该冷却通道通过换气孔161a/161b与活塞内侧的腔体进行气流的交换。裙部120是指从活塞头部的外周缘竖起并向下延伸形成的部分，裙部的存在使得活塞在长度方向上得到延伸，并具备较好的导向性能和较好的侧向抗冲击性能。销毂部130在远离活塞顶部的裙部位置，且与裙部正交，即，在裙部120位置形成两个活塞销的安装点。该销毂部应当具有供活塞销400插入的活塞销孔131，以及对于活塞销400进行高强度支撑的延伸部132，该延伸部优选的向活塞内腔内侧延伸，并形成对活塞销的足够的刚度支撑。

作为优先的方式之一，上述的延伸部132可以与活塞销上的连杆的小端连接部进行接触式的配合，即，提供侧向上的局部限位。

侧壁部150的存在，完成销毂部与裙部的过渡连接，且该部位不突出在裙部的外环面，即，在活塞运动中，该部位不与活塞筒内壁进行直接的接触。

在活塞顶部111处设置有弧形凹槽，该弧形凹槽属于燃烧室的一部分，用于活塞的轻量化设计。

在活塞头部110的内侧与裙部一并组成了该活塞的内腔部分170，即，该活塞内腔170的顶部，也就是与活塞顶部相背靠背设置的部位，该部位上具有向活塞销孔部位突出的支撑部位140，该支撑部位140是自活塞顶部的内壁延伸出来的。在该部位上，具有与连杆小端310弧形部进行配合的弧形凹槽141，该弧形凹槽141属于活塞的一部分，且该支撑部位140于活塞主体之间为圆滑的过渡，即，非棱角的存在于内腔内。也就是说，该弧形凹槽141的轮廓形状和与之配合的连杆端部具有相同的或者相近的轮廓。在该弧形凹槽141内滚动体，例如，圆柱滚子或者鼓状的圆柱滚子190，参考图5和图6，并在滚子的端部设置有与保持架配合的凹槽，并通过该凹槽的存在将滚子锁紧在保持架内。

同步地，该在弧形凹槽上方位置，扣合一个保持架180，该保持架180具有弧形部181、滚子锁点182和扣合部183，其中，上述的弧形部具有与弧形支撑部位相同弧度，且贴合在支撑部位的表面位置，即该保持架180在支撑部位上安装，并将上述的弧形凹槽罩住，形成一个滚子安装的位置。上述的保持架是通过四周设置的扣合部与活塞内腔中的支撑部位140进行固定的。上述的保持架为中部镂空的机构，即，在该保持架180内部具有一个矩形的镂空结构，同步地，在该部位上设置有用于与该扣合部183配合使用的卡槽142，该卡槽142是凹陷的存在于该支撑部位的四周的。上述的滚子锁点，将相邻之间的滚子进行隔离，如此，在弧形凹槽141的内部形成多个自由滚动的、互不干扰的滚子190，上述的滚子190与保持架的锁点位置参考图17。

装配过程，使用保持架将滚子预先的安装于上述的支撑部位140处，形成初步的配合，且，具有更加便利的装配性能，能够很好的进行装配施工。

本实施例中，上述的弧形凹槽141与活塞销孔131属于同心圆，也就是说，弧形凹槽141在放置圆柱滚子后，形成具有关节效果的转动，这种活动连接具有灵活、高速适应的特征。

这种结构，使得活塞与连杆之间的接触面积增大，且在活塞运动方向上，来自连杆的反向力，大部分作用在滚子和弧形凹槽内，大概占据整个反向力的百分之五十至百分之八十，少部分的作用力作用在活塞销及活塞销孔处，大概占百分之二十至百分之五十，这对于活塞销的受力不利因素的改善具有积极的意义，也就是说，在活塞的运动方向上，来自连杆的反向力，被分解为两股，这样使得力在活塞上得到分解。这种力的分解，对于活塞与活塞筒内壁之间的侧向力以及对于活塞销收到的挠度的减轻具有积极的意义，这种意义不仅包括活塞受力的优化，更包括设计上的便利性，例如活塞销和活塞销孔可以做的更小，更紧密。

本实施例中，圆柱滚子的存在使得活塞与连杆之间形成滚动的摩擦，这种滚动的配合，使得连杆相对于活塞在做往复摆动的过程中，满足高频、高速、低阻尼的运动配合副。这种配合副对于提高活塞的运动灵活性具有积极的意义。

本实施例中，冷却通道160，具备呼吸孔161a/161b，由于活塞主体是圆形的存在，所以该冷却通道存在的样式为圆环状，上述的呼吸孔161a/161b分别从不同的维度上连通冷却通道160和活塞内腔。例如本实施例中，呼吸孔161a为倾斜状态的存在，具体的，相对于该活塞的轴线位置，该呼吸孔161a以向轴线位置的倾斜状存在，形成一个呼吸的通道。呼吸孔161b为竖直方向的存在，具体的，相对于该活塞的轴线平行的存在，且上述的呼吸孔是沿着活塞的周向均布的。

上述的冷却通道160是沿着活塞头部的外周缘的方式形成在的内部的圆弧形状的空腔，优选的存在于该部位的中央位置，也就是说通过该冷却通道的存在，在该部位的中央位置，向外均匀的辐射，形成均温和冷却的效果。

冷却通道的成型和加工工艺，本发明并不特别限定。

进一步地，本发明中，在活塞销和连杆小端之间设置轴承410，例如，耐磨的轴瓦，提高两者之间的灵活性。

同时，该过程中，如上所述，由于活塞销承受的力小于百分之五十，所以，在实际设计中，活塞销的尺寸得到大的优化，本实施例中，活塞销的尺寸降低到原来尺寸的百分之六十左右，这种活塞销尺寸的减小，同步的带动活塞销孔和侧壁部150的面积的减小，且这种减小并不会使得活塞销的疲劳损伤提前发生。以及，活塞销孔处的裙部不会发生局部的崩溃。

事实上，活塞销及活塞裙部相对于活塞头部处于燃烧室的相反侧，与连杆直接接触，是极易发生变形的位置，本实施例通过上述的改进，改善了活塞与连杆活动连接点位置的受力情况，尤其是改善了活塞上的受力条件，这对于活塞连杆的连接设计是具有积极的意义的。

本发明中，通过利用设置在缸体下侧的油喷嘴和喷油装置，该油喷嘴具备使前端朝向上方喷射润滑油的能力，这属于现有的润滑和冷却技术，本段落中不再详细的介绍其工作原理。

另外，本实施例中，活塞要求热强度高、导热性好、热膨胀系数小、耐磨、耐腐蚀、质轻，因此，目前主要使用铝基材质的合金活塞。所以本发明中，活塞也优选含铝合金材质。

活塞顶部主要受到承受燃烧压力和减小温度梯度这两个互相矛盾的因素所制约。厚度过薄，承受机械载荷能力差，会引起机械变形，厚度太厚，则温度梯度过大，引起热应力和热变形过大，因此，本发明中，活塞对顶部为内凹设计，例如，常见的圆形凹槽结构。

活塞环数，本发明中设置为三道，这和限于常用的三道密封环设计理念基本重叠，且关于密封环的结构设计，不在本发明的改进范围之内，不再给予详细的描述。

销毂部及活塞裙部内周侧中空，处于受力不利状态，本发明中使得活塞销受力大大减小，这对于该处薄弱的力学性能带来积极有利的改善，且这种改善对于裙部的轻薄化设计是具有积极意义的，可以使得裙部更加的轻量化，这种轻量化并不会使得该处出现局部变形的情况。以下部分详细的进行说明。

销毂部130，现在内燃机铝合金活塞中应力最大的部位在销毂部，疲劳裂纹往往出现在销孔顶部，该问题的出现是由于钢销筒受力不合理造成的，并沿着活塞销座的纵向平面延伸。本发明中，在该区域减少应力集中。活塞销采用空心结构，目的是在保证刚度的前提下，尽可能的降低重量。

活塞裙部120，该部位既要承受连杆的侧向推力，又要保证活塞的良好直线导向性，所以要有充分的承压面积以形成足够厚度的润滑油膜。

常规理解，活塞裙部与汽缸壁表面的接触面积直接影响到发动机的摩擦损失。然而接触面积小则油膜厚度也减小，当油膜厚度小于二个接触表面不平度的均方根值时就会发生边界润滑，导致摩擦功增大。缩短活塞裙部虽然可以减小接触面而降低摩擦功，但会增大活塞的晃动而造成裙顶和裙底的接触应力升高。基于解决这个问题，本发明中，在活塞裙底部位加工出若干凹凸结构121，即，并非是直线型的结构，这种方法可以提高裙部的疲劳寿命，保证在、具有良好导向性能的前提下，仍然具备较佳的润滑性能。

活塞销，本发明中，活塞销采用复合材料，具体的，该活塞销采用铝合金和钢材质复合的方式成型，具体的，内部为铝合金材质，外部为耐磨的合金钢，这样构成双金属销。

连杆300，同现有的连接结构相同的，也包括大端320和小端310，其中大端用于和曲轴进行转动的连接，同时小端用于和本活塞上的活塞销孔通过活塞销进行活动连接，在此过程中，连杆相对于活塞销做左右方向上的摆动运动和上下方向上的往复运动，是两个运动的复合运动，受力结构复杂，本实施例的实施，将活塞与连杆之间的运动副进行了优化设计，使得两者的配合、力学性能都向积极有利的方向改进。

本实施例中，对于连杆中的润滑油路进行了省略性的示例，并在连杆小端和活塞销之间选择性的使用轴承等部件，形成有效的活动连接。在图11中，示例性质的给出了一个喷油嘴的位置，对连杆与活塞活动连接的点进行润滑，事实上，喷油嘴220的位置是存在多种情形，不再赘述。

本实施方式的活塞的制造方法。制造方法包括铸造工序、热处理工序和机械精加工工序，上述的弧形凹槽、活塞销孔部位为加工，形成活塞。

实施例二

参考图18至图20，在本实施例中，对于活塞顶部和支撑部位之间的活塞进行改进，具体的在该活塞顶部的凹槽内设置有嵌套的二次凹陷111’，该二次凹陷111’轮廓与上述的支撑部位的轮廓相同且等比例的缩小获得，使得活塞顶部的壁厚均匀一致，即，形成等壁厚的设计。这种结构设计有利于形成均温曲线，以及良好的轻量化效果。

实施例三

本实施例对连杆的小端部分进行优化设计，具体的，在小端上设置有与滚子配合的凹槽，该凹槽与上述的活塞上的弧形凹槽相对应，一一对应，参考图21和图22，该实施例中，小端的凹槽处，确切的说是在表面，与上述的滚子接触的部位设置有耐磨涂层311，该涂层中，使用增强合金涂层工艺进行涂层，形成耐磨的结构，这种耐磨涂层的设置，使得滚子对连杆小端的磨损不利影响限制到最小，这有利于本发明的实施。

实施例四

一种空心的滚子结构，该结构中，针对滚子的特点，本发明中采用空心结构的滚子，具体的，空心结构更有利于机构的轻量化。该滚子采用耐磨合金不锈钢钢管截断形成，具有良好的耐磨性能，且能做到有利于活塞机构轻量化的设计。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域相关技术人员对本发明的各种变形和改进，均应扩如本发明权利要求书所确定的保护范围内。