專利名稱：一種活塞環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)活塞的活塞環(huán)，由這種成套活塞環(huán)成的成套活塞環(huán)，具有這種活塞環(huán)或成套活塞環(huán)的活塞，以及具有這種活塞的往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)。
背景技術(shù)：
往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)，特別是往復(fù)活塞式柴油機(jī)的活塞都設(shè)有坐落在活塞槽內(nèi)的活塞環(huán)，用來使氣缸內(nèi)空間對(duì)外密封。用于往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)，特別是二沖程往復(fù)活塞式大型柴油機(jī)的活塞環(huán)大多具有基本上為長方形的橫截面。由于滑行表面特殊成形的關(guān)系，在滑行表面區(qū)域內(nèi)橫截面的形狀可能會(huì)與長方形略有差異。當(dāng)公稱直徑在100mm以上時(shí)，傳統(tǒng)活塞環(huán)在沿軸向測量的高度通常顯著地比沿徑向的橫截面尺寸小，即比外直徑與內(nèi)直徑之差小。通常不宜有較大的軸向高度，因?yàn)殡S之質(zhì)量就會(huì)增加而運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)呈現(xiàn)的慣性對(duì)活塞環(huán)的運(yùn)行性能具有負(fù)面影響。這對(duì)高速運(yùn)行的往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)尤其適用?；钊h(huán)的取決于其公稱直徑的軸向高度的一般值例如可見德國標(biāo)準(zhǔn)DIN 34110的列表。
這種活塞環(huán)的一個(gè)缺點(diǎn)是它們在運(yùn)行時(shí)容易被引起振動(dòng)。就這方面而言，彎曲顫振和扭曲顫振是特別令人不安的。這些顫振會(huì)導(dǎo)致對(duì)槽壁的沖擊，特別是會(huì)磨掉槽的前緣。這樣活塞環(huán)的支承點(diǎn)就會(huì)向槽的內(nèi)部位移，活塞環(huán)就不再能穩(wěn)定地處于槽內(nèi)，以致磨損會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。
本發(fā)明概述本發(fā)明的目的是要提供一種往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)，特別是二沖程往復(fù)活塞式大型柴油機(jī)的活塞的活塞環(huán)，該活塞環(huán)具有較高的彎曲剛度和扭曲剛度，并且在運(yùn)行時(shí)能穩(wěn)定地處于活塞槽內(nèi)。本發(fā)明的另一個(gè)目的包括提供由這種活塞環(huán)組成的成套活塞環(huán)，以及具有這種活塞環(huán)或成套活塞環(huán)的活塞，還包括提供具有這種活塞的往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)。
按照本發(fā)明，往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)例如往復(fù)活塞式柴油機(jī)，特別是二沖程大型柴油機(jī)的活塞的活塞環(huán)具有的外半徑和內(nèi)半徑設(shè)為ra、ri，沿軸向測量出的高度設(shè)為H，還有與外半徑和內(nèi)半徑之差相當(dāng)?shù)膶挾仍O(shè)為B，其中活塞環(huán)的高度大于或等于活塞環(huán)的寬度?；钊h(huán)的高/寬比最好至少為1∶1，尤其好的比值至少為1.1∶1或者可達(dá)1.5∶1.
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，該活塞環(huán)被制有一個(gè)滑行表面、一個(gè)上表面、一個(gè)下表面和一個(gè)位在滑行表面反面的內(nèi)表面。其中至少該滑行表面可具有一個(gè)保護(hù)層，例如一個(gè)減磨保護(hù)層及/或一個(gè)磨合層。不用說，其余表面也都可設(shè)有保護(hù)層。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該活塞環(huán)的基體材料為鑄鐵、特別具有片狀石墨或蠕蟲狀石墨或球狀石墨的鑄鐵。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該保護(hù)層是用電鍍法或熱噴鍍法涂敷。該保護(hù)層最好被在原位熔化，或?qū)⒃摫Ｗo(hù)層和基體材料熔融在一起，及/或用雜質(zhì)原子在基體材料內(nèi)擴(kuò)散而形成一個(gè)保護(hù)層。為了形成保護(hù)層及/或?yàn)榱耸购附舆_(dá)到冶金上的結(jié)合，須將所需的熱供到有限的局部區(qū)域內(nèi)，例如用激光或感應(yīng)加熱的方法。
該活塞環(huán)的滑行表面的上邊緣和下邊緣最好倒棱或倒圓并且至少有一部分軸向高度被制成向外拱起或圓錐形。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該活塞環(huán)包括一個(gè)基本上不透氣的接縫，例如在圓周方向上并垂直于活塞環(huán)的軸線、由兩個(gè)接合表面互相對(duì)接而形成的接縫。
本發(fā)明還包括往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的活塞的成套活塞環(huán)，該成套活塞環(huán)由多個(gè)上節(jié)所述那種活塞環(huán)成，最好由多個(gè)具有相同寬度的活塞環(huán)成；并包括一個(gè)具有至少一個(gè)這種活塞環(huán)或成套活塞環(huán)的活塞，以及一臺(tái)具有至少一個(gè)這種活塞的往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)，例如往復(fù)活塞式柴油機(jī)，特別是二沖程大型柴油機(jī)。
由于采用較大的軸向高度，按照本發(fā)明的活塞環(huán)具有明顯較高的彎曲剛度和扭曲剛度。從而在運(yùn)行時(shí)令人不安的彎曲顫振和扭曲顫振可有效地被減少，甚至完全避免。這樣便可使活塞環(huán)在槽內(nèi)容易得到穩(wěn)定的支承。在精整氣缸或氣缸襯里時(shí)會(huì)出現(xiàn)或殘留不規(guī)則的輪廓，如直徑的差異。一臺(tái)二沖程大型柴油機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下其氣缸襯里直徑的差異例如可達(dá)到0.2mm。按照本發(fā)明的活塞環(huán)的較大的軸向高度能夠較好地平衡這種差異并較好地適應(yīng)現(xiàn)有的內(nèi)周面。具體點(diǎn)說，較大的軸向高度能造成較大的滑行表面和支承表面，與此相關(guān)，在運(yùn)行時(shí)能增加反向的流體動(dòng)力和潤滑油膜的厚度。這樣就能使活塞環(huán)容易適應(yīng)氣缸的內(nèi)周面并且可在活塞環(huán)的滑行表面上以及在氣缸或氣缸襯里上減少磨損。
另外，按照本發(fā)明的活塞環(huán)還能在其本身上提供一個(gè)基本上不透氣的接縫。這種接縫由活塞環(huán)兩端伸出的部分構(gòu)成，就傳統(tǒng)的活塞環(huán)而言，由于軸向高度矮小，這兩伸出部常易折斷。而按照本發(fā)明的活塞環(huán)，由于軸向高度較大，這兩伸出部能被穩(wěn)固地制成。
在獨(dú)立的權(quán)利要求和附圖中還可看到另外一些有效的實(shí)施例。
附圖簡述下面借助于實(shí)施例和附圖，將較詳細(xì)地說明本發(fā)明。在附圖中

圖1為在現(xiàn)有技術(shù)中安裝在活塞內(nèi)的活塞環(huán)的剖面詳圖，圖2為按照本發(fā)明的活塞環(huán)的一個(gè)實(shí)施例，圖3a-c為接縫的三種不同型式的詳圖，及圖4為按照本發(fā)明的一種具有成型滑行表面和保護(hù)層的活塞環(huán)的剖面。
優(yōu)選實(shí)施例說明圖1示出在現(xiàn)有技術(shù)中安裝在活塞內(nèi)的一個(gè)活塞環(huán)1的剖面詳圖。在該圖中只示出一部分的活塞10在運(yùn)行時(shí)沿著氣缸或氣缸襯里20的內(nèi)壁移動(dòng)。在活塞和氣缸或氣缸襯里的內(nèi)壁之間形成一個(gè)間隙，其寬度由于氣缸內(nèi)周面上不規(guī)則的加工痕跡能夠細(xì)微地變化。在活塞10上制有一槽11，其內(nèi)布置著橫截面基本上為長方形的傳統(tǒng)的活塞環(huán)1。該活塞環(huán)1的尺寸被這樣選擇使它能松弛地坐落在槽11內(nèi)而其滑行表面能與氣缸或氣缸襯里20的內(nèi)壁接觸。這樣該活塞環(huán)在運(yùn)行時(shí)就能沿著該氣缸或氣缸襯里的內(nèi)周面滑行，即使該內(nèi)周面略微有些不規(guī)則痕跡也不要緊。由于實(shí)際上該活塞環(huán)是松弛地坐落在槽內(nèi)，而運(yùn)行時(shí)在氣缸內(nèi)普通存在著壓力，這個(gè)壓力在該槽和活塞環(huán)之間同樣起作用，因此該活塞環(huán)被抵壓在氣缸或氣缸襯里的內(nèi)壁上不僅是由于該活塞環(huán)的內(nèi)在應(yīng)力，而且還由于氣缸內(nèi)的壓力。
由于傳統(tǒng)活塞環(huán)只有有限的彎曲剛度和扭曲剛度，如圖1所示，在槽內(nèi)該活塞環(huán)1會(huì)被作用在其上的摩擦力和動(dòng)態(tài)力扭轉(zhuǎn)。由于這個(gè)原因，該活塞環(huán)不再均勻地安置在槽壁12上而是較沉重地抵壓在該槽的前邊緣12a上?；钊\(yùn)動(dòng)不斷地改變方向會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)的活塞環(huán)不斷地改變扭轉(zhuǎn)的方向，從而導(dǎo)致彎曲顫振和扭曲顫振，并且與此有關(guān)，導(dǎo)致撞擊在槽壁12上和增加該槽11前邊緣12a的磨損。
圖2示出按照本發(fā)明的活塞環(huán)的一個(gè)實(shí)施例。所示活塞環(huán)用來將往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)例如往復(fù)活塞式柴油機(jī)、特別是二沖程大型柴油機(jī)的活塞密封。該活塞環(huán)1的外半徑和內(nèi)半徑設(shè)為ra、rI，在軸向7上量出的高度設(shè)為H，還有與外、內(nèi)直徑之差相當(dāng)?shù)膶挾仍O(shè)為B，其中活塞環(huán)1的高度H大于或等于寬度B。該活塞環(huán)1還具有一個(gè)滑行表面2、一個(gè)上表面4、一個(gè)下表面5和一個(gè)位在滑行表面2反面的內(nèi)表面3。高/寬比適宜至少為1∶1，最好至少為1.1∶1或1.5∶1。這種活塞環(huán)具有比同一直徑的傳統(tǒng)活塞環(huán)明顯較高的彎曲剛度和扭曲剛度，因此在運(yùn)行時(shí)由于摩擦力和動(dòng)態(tài)力而會(huì)發(fā)生的扭轉(zhuǎn)在實(shí)際上可以忽略不計(jì)。
如圖3a-c所示，在活塞環(huán)1的某一點(diǎn)上制有分開的接合部8，這個(gè)接合部也被稱為接縫。由于有該接縫，活塞環(huán)便能適應(yīng)氣缸或氣缸襯里的不很規(guī)律的直徑。該接縫還可使活塞環(huán)容易安裝到活塞內(nèi)并可容易地使活塞環(huán)在運(yùn)行時(shí)具有一個(gè)預(yù)定的內(nèi)在拉力。圖3示出一個(gè)簡單接縫型式的詳圖。在這型式中，接縫系由沿軸向分開的連接部構(gòu)成。這種型式的好處是制造費(fèi)用低，但缺點(diǎn)是這種接縫的密封效果最差。圖3b示出另一個(gè)接縫型式，該型式具有沿斜向分開的連接部。這種接縫也容易制造。
圖3C示出又一個(gè)接縫型式。在這型式中，在活塞環(huán)的一端制出一個(gè)舌片，而在另一端制出一個(gè)在該活塞環(huán)的一部分寬度和高度上延伸的切口。該舌片和該切口被這樣設(shè)計(jì)和布置使它們可在該活塞環(huán)的圓周方向上滑動(dòng)地互相位移。由于設(shè)有舌片，該分開的接合部在舌片的區(qū)域內(nèi)不僅在軸向上而且在徑向上被分開。在軸向高度低矮的傳統(tǒng)的活塞環(huán)中，舌片只能做得很薄，極易斷裂，因此通常不用這種型式的不透氣接縫。與此相反，按照本發(fā)明的活塞環(huán)由于軸向高度較大，能夠沒有問題地設(shè)有這種型式的不透氣接縫。
圖4示出按照本發(fā)明的活塞環(huán)的一個(gè)實(shí)施例的剖面。該活塞環(huán)1包括一個(gè)滑行表面2，該滑行表面2在本例中具有一個(gè)減磨保護(hù)層6b并可任選地在其上加一磨合層6a。如果需要，該活塞環(huán)的其余表面也可設(shè)有保護(hù)層。該活塞環(huán)的基體材料最好由鑄鐵例如由具有片狀石墨、或蠕蟲狀石墨、或球狀石墨的鑄鐵構(gòu)成。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的型式，也可使用其他基體材料。保護(hù)層例如可用電鍍法或熱噴鍍法涂敷。保護(hù)層可被就地熔化、焊接、銅焊及/或用雜質(zhì)原子在基體材料內(nèi)擴(kuò)散而成。形成保護(hù)層所需的熱最好被供到局部限定的區(qū)域內(nèi)，例如用激光或用感應(yīng)加熱。表面熔化區(qū)域例如可包括覆蓋的粉末及/或銅焊劑及/或基體材料的表面。該表面最好只是略為熔化并且只是熔化到與覆蓋粉末冶金結(jié)合的程度。
在圖4所示的實(shí)施例中，滑行表面2在上、下邊緣2a上被倒圓并且在位在其間的一個(gè)區(qū)域2b內(nèi)向外拱起。在滑行表面2的上、下邊緣2a上也可用倒棱來替代倒圓。
在一個(gè)有益的實(shí)施例，按照本發(fā)明一個(gè)活塞可設(shè)有多個(gè)活塞環(huán)例如三個(gè)到五個(gè)活塞環(huán)。這些為一個(gè)活塞使用的多個(gè)活塞環(huán)也被稱為成套活塞環(huán)，其中各個(gè)活塞環(huán)可根據(jù)其在活塞上的安裝位置而具有不同的特性，例如各個(gè)活塞環(huán)的軸向高度及/或接縫可按照其在活塞上的位置而作不同的設(shè)計(jì)以便取得理想的密封和滑行特性。但成套該活塞環(huán)最好由具有相同寬度的活塞環(huán)成。
往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)特別是二沖程往復(fù)活塞式柴油機(jī)活塞的本發(fā)明的活塞環(huán)1具有一個(gè)外半徑、一個(gè)內(nèi)半徑、一個(gè)在軸向上量出的高度H和一個(gè)與外、內(nèi)半徑差相當(dāng)?shù)膶挾菳，其中該活塞環(huán)的高度大于或等于寬度。這種活塞環(huán)與傳統(tǒng)的活塞環(huán)相比，具有明顯較高的彎曲剛度和扭曲剛度。以致在運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生的彎曲顫振和扭曲顫振以及與此相關(guān)的在活塞環(huán)、槽和氣缸襯里上的磨損都可忽略不計(jì)。
權(quán)利要求
1.一種往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)，特別是二沖程往復(fù)活塞式大型柴油機(jī)的活塞(10)環(huán)，所說活塞環(huán)(1)具有一個(gè)外半徑(ra)、一個(gè)內(nèi)半徑(ri)、一個(gè)沿軸向測量的高度(H)和一個(gè)相當(dāng)于該外、內(nèi)半徑差的寬度(B)，其特征為，該活塞環(huán)(1)的高度大于或等于該活塞環(huán)的寬度。
2.權(quán)利要求1的活塞環(huán)，其特征在于，其高/寬比為至少1.1∶1，尤其至少為1.5∶1。
3.權(quán)利要求1或2的活塞環(huán)，其特征在于，具有一個(gè)滑行表面(2)、一個(gè)上表面(4)、一個(gè)下表面(5)和一個(gè)處于滑行表面(2)反面的內(nèi)表面(3)，其中至少該滑行表面具有一保護(hù)層，尤其是一減磨保護(hù)層及/或一磨合層。
4.以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)的活塞環(huán)，其特征在于，其基體材料由鑄鐵、特別是具有片狀石墨或蠕蟲狀石墨或球狀石墨的鑄鐵構(gòu)成。
5.權(quán)利要求3或4的活塞環(huán)，其特征在于，該減磨保護(hù)層或磨合層用電鍍法或熱噴鍍法涂敷及/或該減磨保護(hù)層是通過將雜質(zhì)原子擴(kuò)散到該基體材料內(nèi)而獲得的。
6.以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)的活塞環(huán)，其特征在于，其滑行表面(2)的上、下緣被倒棱或倒圓，并且至少在其軸向高度的一部分上向外拱起并制成圓錐狀。
7.以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)的活塞環(huán)，其特征在于，具有一個(gè)基本上可不透氣的接縫。
8.成套往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)活塞的活塞環(huán)，所說成套活塞環(huán)由多個(gè)按照以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)的活塞環(huán)、特別是多個(gè)具有相同寬度的活塞環(huán)成。
9.一種具有按照權(quán)利要求1到7中任一項(xiàng)的至少一個(gè)活塞環(huán)或具有按照權(quán)利要求8的成套活塞環(huán)的活塞。
10.一種往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)，特別是二沖程往復(fù)活塞式大型柴油機(jī)，具有按照權(quán)利要求9的至少一個(gè)活塞。
全文摘要
一種往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)、特別是二沖程往復(fù)活塞式大型柴油機(jī)活塞的活塞環(huán)(1)，具有一個(gè)外半徑、一個(gè)內(nèi)半徑、一個(gè)沿軸向測量出的高度(H)和一個(gè)相當(dāng)于外、內(nèi)半徑差的寬度，其中該活塞環(huán)的高度大于或等于寬度。
文檔編號(hào)F02F5/00GK1769659SQ200510118700
公開日2006年5月10日 申請(qǐng)日期2005年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月5日
發(fā)明者M·阿默塞爾 申請(qǐng)人:瓦特西拉瑞士股份有限公司