一种通过内冷油腔对活塞销自动供油的活塞结构及方法

1.本发明涉及柴油发动机的活塞结构的改进技术，具体为一种通过内冷油腔对活塞销自动供油的活塞结构及方法。

背景技术：

2.活塞销是装在活塞裙部的圆柱形销子。它的中部穿过连杆小头孔，用来连接活塞和连杆，其作用是把活塞承受的气体作用力传给连杆，或使连杆小头带动活塞一起运动。为了减轻重量，活塞销一般用优质合金钢制造，并作成空心。柴油机活塞销孔和连杆小头与全浮式活塞销形成滑动轴承，其双摩擦副的润滑形式为飞溅润滑，润滑条件较差，工作环境恶劣。随着柴油机升功率和最高燃烧压力的提高，活塞销负荷增加，导致现有的润滑体系可靠性降低，活塞销易发生摩擦磨损失效，严重影响柴油机的可靠性。
3.传统的润滑形式(飞溅润滑)供油量较少，在高温和交变载荷的作用下，难以在活塞销双摩擦副接触面形成有效油膜，导致活塞销孔和连杆小头出现应力集中的情况。大大减少了活塞连杆组的使用寿命，从而提高了生产成本。因此，需要提供一种新的活塞结构及供油系统给予解决以上问题。

技术实现要素：

4.为解决上述现有技术存在的不足和缺陷，发明人经过研发设计，现提出了一种创新的结构，能够解决活塞销双摩擦副接触面润滑不足的问题，实现对活塞销自动供油的效果，且润滑效果突出，大大延长活塞连杆组的使用寿命。具体的，本发明是这样实现的：
5.一种通过内冷油腔对活塞销自动供油的活塞结构，包括活塞本体，插入活塞本体中的活塞销，套装在活塞销上的连杆，开设在活塞本体上部的内冷油腔，活塞本体中设置有至少两个轴向油道，每个轴向油道的一端均连通至一一对应的一个内冷油腔的底部，另一端则连通至活塞销所在的腔体，每个轴向油道内均设置有一个活动油阀，活动油阀能封住或开启轴向油道，活动油阀能在内冷油腔内的机油量超过阈值后开启，在等于或低于阈值时关闭油道；所述活塞销的表面上设有能粘附机油的细凹槽结构的纹理。
6.进一步的，所述活动油阀为弹性阀门，弹性阀门在弹性件的作用下提供封闭油道的作用力，内冷油腔和部分油道内的机油自重大于弹性件提供的作用力极限后，能下压开启弹性阀门，使机油通过弹性阀门。
7.进一步的，所述弹性阀门包括阀门头、弹簧件，阀门头呈上窄下宽的锥形体，下方与固定安装在轴向油道内竖向安装的弹簧件相连，所述轴向油道位于弹性阀门所在的部位处设有一段锥形段，所述锥形段呈上宽下窄的构造，并与所述阀门头的形状相适配，锥形段的斜面上边缘的口径小于阀门头的最大直径、斜面下边缘的口径大于阀门头的最大直径。
8.进一步的，所述活塞销的表面上的细凹槽结构的纹理为：若干个微型弧面凹槽呈排的均匀分布在活塞销的表面上，相邻排之间错位分布，且相邻的两排微型弧面凹槽之间均通过两条开设在活塞销表面上的凹缝相互连通，构成相互交织交错分布的网状。
9.进一步的，所述机油量超过的阈值，为内冷油腔内机油填充率达到50％—60％之间的任意值。
10.进一步的，所述机油量超过的阈值为内冷油腔内机油填充率达到55％。
11.本发明的另一方面，提供了一种通过内冷油腔对活塞销自动供油的方法，包括以下步骤：
12.步骤s1、内冷油腔内持续填充机油，机油逐步填充进轴向油道阀门上方的区域以及内冷油腔内，
13.步骤s2、内冷油腔内的填充机油不断增加，当其填充的机油量超过轴向油道下方的活动油阀的承受限度时，活动油阀打开；
14.步骤s3、机油通过活动油阀进入活塞销所在的腔室，对活塞销表面进行润滑供油；
15.步骤s4、当内冷油腔内的填充机油量低于预设值时，活动油阀关闭，内冷油腔内的机油无法流出，重复步骤s1。
16.进一步的，步骤s2中，机油量通过其自身的重量变化，使得自重超过活动油阀的闭合承载极限后，开启活动油阀，排泄内冷油腔内的机油，随后内冷油腔内的机油自重低于活动油阀的闭合承载极限，活动油阀再次关闭，直至下一次内冷油腔的机油自重达到或超过活动油阀的闭合承载极限，如此往复，使得内冷油腔内的机油量能保持在预定值内。
17.进一步的，所述内冷油腔内的机油量所保持的预定值为，活塞内冷油腔机油填充率小于等于极限阈值，所述活动油阀为弹性阀门，其弹性阀门的弹性极限属性设置为内冷油腔内的填充机油的填充量达到极限阈值时机油的自重重量值，当机油的填充量达到内冷油腔容积的极限阈值时，其机油自重能够撑开弹性阀门，使机油通过弹性阀门泄出；
18.所述极限阈值为内冷油腔容积的50％～60％之间，或55％。
19.进一步的，还包括以下步骤：
20.所述弹性阀门的弹性极限由以下公式计算获得：
21.在考虑重力加速度后，油道挡板受到的机油作用力fj可以根据公式(1)计算得出，方向与加速度方向相反；
[0022][0023]
式中a
p
为曲轴z轴的加速度可以根据公式(2)得出，m为机油质量可以根据公式(3)得出；
[0024]ap
＝rω2(cosωt+λ
p
cos2ωt) (2)
[0025]
式中r为曲轴半径，ω为曲轴的角速度，λ
p
为曲柄半径和连杆长度之比；
[0026]
m＝ρv (3)
[0027]
式中ρ为机油密度，v为内冷油腔容积；
[0028]
油道挡板的弹簧力f可以根据公式(4)计算得出
[0029]
f＝kx
ꢀꢀ
(4)
[0030]
式中k为弹簧弹性系数，x为弹簧变形量；
[0031]
其中：公式(3)中的内冷油腔容积取0.55v，通过轴向油道中弹性阀门受到的机油作用力fj等于油道挡板的弹簧力f，计算得出弹性阀门的弹簧力，选择相应弹簧力的弹簧件，作为弹性阀门的弹性部件。
[0032]
本发明的工作原理和有益效果介绍：发动机运行过程中，内冷油腔中的机油在活
塞周期性的惯性力作用下，会做类似于活塞往复运动的运动。在活塞进气和做功冲程时，内冷油腔中的机油大部分在内冷油腔上端，活塞压缩和排气冲程时机油会汇集到内冷油腔底部，随着发动机的运行，机油会不断的在内冷油腔内进出。本发明的结构在活塞压缩和排气冲程时，机油全部汇集到内冷油腔下方并顺轴向油道向下移动，弹性阀门在常态下在弹性作用力下保持锁紧阀门状态，当机油在内冷油腔内的存积量逐步增多至自重重量超过弹性阀门的弹性阈值后，将弹性阀门推开泄油，机油通过阀门后顺轴向油道进入活塞销所在腔室，与活塞销的表面接触，从而对活塞销进行润滑。其次，在活塞销表面开设有相互交织交错的网状凹槽，配合相交点均设置有用于汇集机油的微型弧面凹槽，使得机油能够通过凹缝在转动作用下流经整个销面构成一个附着在表面的油膜，达到对活塞销的充分润滑效果。而弹性阀门的弹性力设置也有相应的优选要求，使得其能够将活塞内冷油腔内的机油填充率始终控制在不超过55％的体量内，随着机油填充率的增加，内冷油腔传热系数先呈现增大趋势，然后呈下降趋势。内冷油腔中的机油填充率在50％左右，振荡冷却传热效果最好，所以将内冷油腔内的机油填充率始终控制在不超过55％，本发明改变了传统的活塞销双摩擦副的供油形式，使双摩擦副接触面润滑油量充足，活塞销采用了交织圆形凹坑织构,能更好的在接触面处形成有效油膜，同时阻挡板的设计能在给活塞销供油时，保证了活塞内冷油腔的振荡冷却，同时将内冷油腔填充率控制在利于冷却的55％。
[0033]
说明书附图
[0034]
图1为通过内冷油腔对活塞销自动供油的活塞结构的主视图；
[0035]
图2为本发明供油机构的主体部分的结构示意图；
[0036]
图3为本发明的活塞结构的截面立体示意图；
[0037]
图4为本发明的弹性阀门的结构原理示意图(阀门关闭)；
[0038]
图5为本发明的弹性阀门的结构原理示意图(阀门开启)；
[0039]
图6为图3中a部分的放大示意图；
[0040]
其中：1—活塞本体、2—活塞销、3—连杆、4—内冷油腔、5—轴向油道、6—弹性阀门、7—阀门头、8—弹簧件、9—锥形段、10—微型弧面凹槽、11—凹缝。
具体实施方式
[0041]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0042]
实施例1：
[0043]
一种通过内冷油腔对活塞销自动供油的活塞结构，包括活塞本体1，插入活塞本体1中的活塞销2，套装在活塞销2上的连杆3，开设在活塞本体1上部的内冷油腔4，活塞本体1中设置有至少两个轴向油道5，每个轴向油道5的一端均连通至一一对应的一个内冷油腔4的底部，另一端则连通至活塞销2所在的腔体，每个轴向油道5内均设置有一个活动油阀，活动油阀能封住或开启轴向油道5，活动油阀能在内冷油腔4内的机油量超过阈值后开启，在等于或低于阈值时关闭油道；所述活塞销2的表面上设有能粘附机油的细凹槽结构的纹理。实际运行过程中，机油通过机油泵加压由机油孔进入到内冷油腔4，内冷油腔4利用冷却油
在油腔里的不断振荡以加强冷却，提高活塞的疲劳寿命，本实施例中创新性地增加了连通至内冷油腔4的轴向油道5，轴向油道5可以作为排泄内冷油腔4内机油的通道之一，从而将部分机油引入活塞销2壁内，对活塞销2进行润滑，活动油阀作为自动关闭或开启油道的阀门，在必要时排泄机油，必要时关闭排泄口，以保证内冷油腔4中能够保持有一半左右的机油。
[0044]
优选地，活动油阀是一种弹性阀门6，弹性阀门6在弹性件的作用下提供封闭油道的作用力，内冷油腔4和部分油道内的机油自重大于弹性件提供的作用力极限后，能下压开启弹性阀门6，使机油通过弹性阀门6。即利用机油的自重配合弹簧弹性力之间的搭配，可以实现一个自动控制的阀门自动控制工作，即这样的方案，无需额外使用电动控制阀的系统，通过机械结构自动运行。
[0045]
优选地，弹性阀门6包括阀门头7、弹簧件8，阀门头7呈上窄下宽的锥形体，下方与固定安装在轴向油道5内竖向安装的弹簧件8相连，所述轴向油道5位于弹性阀门6所在的部位处设有一段锥形段9，所述锥形段9呈上宽下窄的构造，并与所述阀门头7的形状相适配，锥形段9的斜面上边缘的口径小于阀门头7的最大直径、斜面下边缘的口径大于阀门头7的最大直径。发动机运行过程中，内冷油腔4中的机油在活塞周期性的惯性力作用下，会做类似于活塞往复运动的运动。在活塞进气和做功冲程时，内冷油腔4中的机油大部分在内冷油腔4上端，活塞压缩和排气冲程时机油会汇集到内冷油腔4底部，随着发动机的运行，机油会不断的在内冷油腔4内进出。本发明的结构在活塞压缩和排气冲程时，机油全部汇集到内冷油腔4下方并顺轴向油道5向下移动，弹性阀门6在常态下在弹性作用力下保持锁紧阀门状态，当机油在内冷油腔4内的存积量逐步增多至自重重量超过弹性阀门6的弹性阈值后，将弹性阀门6推开泄油，机油通过阀门后顺轴向油道5进入活塞销2所在腔室，与活塞销2的表面接触，从而对活塞销2进行润滑。
[0046]
优选地，活塞销2的表面上的细凹槽结构的纹理为：若干个微型弧面凹槽10呈排的均匀分布在活塞销2的表面上，相邻排之间错位分布，且相邻的两排微型弧面凹槽10之间均通过两条开设在活塞销2表面上的凹缝11相互连通，构成相互交织交错分布的网状。微型弧面凹槽10能汇集存留少量机油，形成对各条凹缝11快速供油的“供给点”，因为凹缝11的缝隙不能过大，否则会造成活塞销2的摩擦增大，因此，使用凹缝11配合微型弧面凹槽10的形式，能够在不影响摩擦力增大的前提下，构成表面的机油附着网路，微型弧面凹槽10在转动中遇到来自上方的机油接触，快速的顺凹缝11流至下一个微型弧面凹槽10，该微型弧面凹槽10填满机油后又能向周围的凹缝11继续输送机油，能够快速的使得机油附满整个活塞销2表面，能有效快速的形成一层油膜结构，同时微型弧面凹槽10和凹缝11能够增加表面对机油的粘附能力，能延长其在活塞销2表面的停留时间，直至下一次机油的补充。
[0047]
优选地，机油量超过的阈值，为内冷油腔4内机油填充率达到50％—60％之间的任意值。本实施例中，机油量超过的阈值为内冷油腔4内机油填充率达到55％。即，将弹性阀门6的弹簧的弹性值，选择适合于机油量达到内冷油腔455％的容量后，再加上置于轴向油道5端头到阀门之间内的机油综合重量，作为弹性值是否合适的标准，以此为阈值选择弹簧。即可达到本实施例中对机油的控制效果。
[0048]
实施例2:一种通过内冷油腔对活塞销自动供油的方法，包括以下步骤：
[0049]
步骤s1、内冷油腔4内持续填充机油，机油逐步填充进轴向油道5阀门上方的区域
以及内冷油腔4内，
[0050]
步骤s2、内冷油腔4内的填充机油不断增加，当其填充的机油量超过轴向油道5下方的活动油阀的承受限度时，活动油阀打开；
[0051]
步骤s3、机油通过活动油阀进入活塞销2所在的腔室，对活塞销2表面进行润滑供油；
[0052]
步骤s4、当内冷油腔4内的填充机油量低于预设值时，活动油阀关闭，内冷油腔4内的机油无法流出，重复步骤s1。
[0053]
步骤s2中，机油量通过其自身的重量变化，使得自重超过活动油阀的闭合承载极限后，开启活动油阀，排泄内冷油腔4内的机油，随后内冷油腔4内的机油自重低于活动油阀的闭合承载极限，活动油阀再次关闭，直至下一次内冷油腔4的机油自重达到或超过活动油阀的闭合承载极限，如此往复，使得内冷油腔4内的机油量能保持在预定值内。
[0054]
内冷油腔4内的机油量所保持的预定值为，活塞内冷油腔4机油填充率小于等于极限阈值，所述活动油阀为弹性阀门6，其弹性阀门6的弹性极限属性设置为内冷油腔4内的填充机油的填充量达到极限阈值时机油的自重重量值，当机油的填充量达到内冷油腔4容积的极限阈值时，其机油自重能够撑开弹性阀门6，使机油通过弹性阀门6泄出；
[0055]
所述极限阈值为内冷油腔4容积的50％～60％之间，或55％。
[0056]
进一步的，还包括以下步骤：
[0057]
所述弹性阀门6的弹性极限由以下公式计算获得：
[0058]
在考虑重力加速度后，油道挡板受到的机油作用力fj可以根据公式(1)计算得出，方向与加速度方向相反；
[0059][0060]
式中a
p
为曲轴z轴的加速度可以根据公式(2)得出，m为机油质量可以根据公式(3)得出；
[0061]ap
＝rω2(cosωt+λ
p
cos2ωt) (2)
[0062]
式中r为曲轴半径，ω为曲轴的角速度，λ
p
为曲柄半径和连杆3长度之比；
[0063]
m＝ρv
ꢀꢀ
(3)
[0064]
式中ρ为机油密度，v为内冷油腔4容积；
[0065]
油道挡板的弹簧力f可以根据公式(4)计算得出
[0066]
f＝kx
ꢀꢀ
(4)
[0067]
式中k为弹簧弹性系数，x为弹簧变形量；
[0068]
其中：公式(3)中的内冷油腔4容积取0.55v，通过轴向油道5中弹性阀门6受到的机油作用力fj等于油道挡板的弹簧力f，计算得出弹性阀门6的弹簧力，选择相应弹簧力的弹簧件8，作为弹性阀门6的弹性部件。计算后即可确定弹性阀门6的弹簧件8的相关属性，加工制作或者采购相应标准的弹簧件8使用即可。
[0069]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

技术特征：

1.一种通过内冷油腔对活塞销自动供油的活塞结构，包括活塞本体(1)，插入活塞本体(1)中的活塞销(2)，套装在活塞销(2)上的连杆(3)，开设在活塞本体(1)上部的内冷油腔(4)，其特征在于：活塞本体(1)中设置有至少两个轴向油道(5)，每个轴向油道(5)的一端均连通至一一对应的一个内冷油腔(4)的底部，另一端则连通至活塞销(2)所在的腔体，每个轴向油道(5)内均设置有一个活动油阀，活动油阀能封住或开启轴向油道(5)，活动油阀能在内冷油腔(4)内的机油量超过阈值后开启，在等于或低于阈值时关闭油道；所述活塞销(2)的表面上设有能粘附机油的细凹槽结构的纹理。2.根据权利要求1所述的活塞结构，其特征在于，所述活动油阀为弹性阀门(6)，弹性阀门(6)在弹性件的作用下提供封闭油道的作用力，内冷油腔(4)和部分油道内的机油自重大于弹性件提供的作用力极限后，能下压开启弹性阀门(6)，使机油通过弹性阀门(6)。3.根据权利要求2所述的活塞结构，其特征在于，所述弹性阀门(6)包括阀门头(7)、弹簧件(8)，阀门头(7)呈上窄下宽的锥形体，下方与固定安装在轴向油道(5)内竖向安装的弹簧件(8)相连，所述轴向油道(5)位于弹性阀门(6)所在的部位处设有一段锥形段(9)，所述锥形段(9)呈上宽下窄的构造，并与所述阀门头(7)的形状相适配，锥形段(9)的斜面上边缘的口径小于阀门头(7)的最大直径、斜面下边缘的口径大于阀门头(7)的最大直径。4.根据权利要求1所述的活塞结构，其特征在于，所述活塞销(2)的表面上的细凹槽结构的纹理为：若干个微型弧面凹槽(10)呈排的均匀分布在活塞销(2)的表面上，相邻排之间错位分布，且相邻的两排微型弧面凹槽(10)之间均通过两条开设在活塞销(2)表面上的凹缝(11)相互连通，构成相互交织交错分布的网状。5.根据权利要求1所述的活塞结构，其特征在于，所述机油量超过的阈值，为内冷油腔(4)内机油填充率达到50％—60％之间的任意值。6.根据权利要求5所述的活塞结构，其特征在于，所述机油量超过的阈值为内冷油腔(4)内机油填充率达到55％。7.一种通过内冷油腔对活塞销自动供油的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤s1、内冷油腔(4)内持续填充机油，机油逐步填充进轴向油道(5)阀门上方的区域以及内冷油腔(4)内，步骤s2、内冷油腔(4)内的填充机油不断增加，当其填充的机油量超过轴向油道(5)下方的活动油阀的承受限度时，活动油阀打开；步骤s3、机油通过活动油阀进入活塞销(2)所在的腔室，对活塞销(2)表面进行润滑供油；步骤s4、当内冷油腔(4)内的填充机油量低于预设值时，活动油阀关闭，内冷油腔(4)内的机油无法流出，重复步骤s1。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤s2中，机油量通过其自身的重量变化，使得自重超过活动油阀的闭合承载极限后，开启活动油阀，排泄内冷油腔(4)内的机油，随后内冷油腔(4)内的机油自重低于活动油阀的闭合承载极限，活动油阀再次关闭，直至下一次内冷油腔(4)的机油自重达到或超过活动油阀的闭合承载极限，如此往复，使得内冷油腔(4)内的机油量能保持在预定值内。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述内冷油腔(4)内的机油量所保持的预
定值为，活塞内冷油腔(4)机油填充率小于等于极限阈值，所述活动油阀为弹性阀门(6)，其弹性阀门(6)的弹性极限属性设置为内冷油腔(4)内的填充机油的填充量达到极限阈值时机油的自重重量值，当机油的填充量达到内冷油腔(4)容积的极限阈值时，其机油自重能够撑开弹性阀门(6)，使机油通过弹性阀门(6)泄出；所述极限阈值为内冷油腔(4)容积的50％～60％之间，或55％。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：所述弹性阀门(6)的弹性极限由以下公式计算获得：在考虑重力加速度后，油道挡板受到的机油作用力fj可以根据公式(1)计算得出，方向与加速度方向相反；f
j
＝(a
p-9.8)m
ꢀꢀꢀꢀ
(1)式中a
p
为曲轴z轴的加速度可以根据公式(2)得出，m为机油质量可以根据公式(3)得出；a
p
＝rω2(cosωt+λ
p
cos2ωt)
ꢀꢀꢀꢀ
(2)式中r为曲轴半径，ω为曲轴的角速度，λ
p
为曲柄半径和连杆(3)长度之比；m＝ρv
ꢀꢀꢀꢀ
(3)式中ρ为机油密度，v为内冷油腔(4)容积；油道挡板的弹簧力f可以根据公式(4)计算得出f＝kx
ꢀꢀꢀꢀ
(4)式中k为弹簧弹性系数，x为弹簧变形量；其中：公式(3)中的内冷油腔(4)容积取0.55v，通过轴向油道(5)中弹性阀门(6)受到的机油作用力fj等于油道挡板的弹簧力f，计算得出弹性阀门(6)的弹簧力，选择相应弹簧力的弹簧件(8)，作为弹性阀门(6)的弹性部件。

技术总结

本发明公开了通过内冷油腔对活塞销自动供油的活塞结构及其供油方法，本发明通过在活塞销和内冷油腔之间设置直通的轴向油道，可以利用内冷油腔内的机油对活塞销进行供油润滑，配合设置在轴向油道内的活动油阀，可以自动控制机油的补给给油，能够解决活塞销双摩擦副接触面润滑不足的问题，实现对活塞销自动供油的效果，且润滑效果突出，大大延长活塞连杆组的使用寿命。使用寿命。使用寿命。