CN103518088A - 具有复合涂层的活塞环 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种活塞环，其包括：活塞环的基本元件（4），该活塞环的基本元件（4）是由具有第一热膨胀系数的材料制成；磨损保护层（8），该磨损保护层（8）设置在该活塞环（2）的径向外表面上，并且该磨损保护层（8）是由具有比该第一热膨胀系数小的第二热膨胀系数的材料制成。该活塞环（2）还包括设置在该活塞环的基本元件（4）和磨损保护层（8）之间的中间层（6），其中，该中间层是由具有比该第一热膨胀系数大的第三热膨胀系数的材料制成。

Description

具有复合涂层的活塞环

本发明通常涉及活塞式发动机的活塞环，更具体地说，涉及用于内燃机的活塞环。

长期以来，众所周知，在活塞环外面涂覆不同的磨合和/或磨损保护的涂层，从而改善活塞环/气缸内壁的摩擦副。

在具有不同的与基体材料相比有不同的热膨胀系数的磨合涂层和磨损保护涂层的活塞环的外侧上，在正常温度和工作温度之间的过渡期间，每个涂层或层包含一种双金属效应。这种双金属效应影响在气缸运行表面上的活塞环的接触压力和接触压力的分布。这种双金属效应对于材料的强度使得标准的热膨胀效应和潜在的升温效应叠加。

在本领域中完全涂覆的活塞环是已知的。此外，在活塞环内侧和外侧设有磨损保护涂层和运用允许在活塞环的内外两侧涂覆的涂覆方法涂覆在活塞环上是已知的。在活塞环的内侧或内表面的涂层通常被认为浪费昂贵的涂层材料，因为活塞环的内表面上不进行加载。

使用双金属结构的现有技术DE7608044U1，JP2005351460A，JP2008057671A和GB440公开了不同的活塞环，这也是已知的。

有不同的已知公开文献涉及到处理活塞环的话题。EP2206937（A1）公开了一种具有一体成型的压缩弹簧的活塞环，US2010140880（A1）公开了一种具有涂覆的上表面和下表面的活塞环，US2010127462（A1）涉及到在其运行的表面/外表面上具有多层涂层的活塞环。

另一方面，DE102005063123（B3）公开了一种活塞环，该活塞环的运行面/外表面上涂覆有一层涂层。EP2183404（A1）也显示了外表面具有涂层的活塞环。EP2119807（A1）涉及到外表面具有磨损保护涂层的活塞环。WO2008151619（A1）公开了一种用于在活塞环槽中倾斜的活塞环。

就已知的外表面具有涂层的活塞环而言，不想要的双金属效应可能发生，其中，随着温度的升高，活塞环的外部涂层与活塞环本身的材料相比以不同的方式膨胀，导致活塞环的张力或产生的径向压力分布可能受到影响。一般地，这些影响可以忽略不计，因为涂层通常只构成活塞环的横截面面积的可忽略不计的一部分和涂层的强度仅略高于的活塞环材料的强度。

对于最新的磨损保护涂层而言，由于磨损保护涂层的硬度增加，双金属效应上可能会发生在活塞环上，这可能会导致由活塞环所施加的径向压力和产生的活塞环的径向压力分布随着温度上升而变化。

这种效应不发生在无涂层或完全涂覆的活塞环上。

本发明的目的在于，提供一种具有改进的径向压力分布的带有磨损保护涂层的活塞环。

除去双金属效应的传统方法可能在于：截断该涂层或只有外表面的一部分设有涂层。可以预期，在冷的状态下，技术人员改变活塞环的形状，以使由于双金属效应在活塞环的设计中已经考虑这种变化。为了避免活塞环的径向压力分布的偏差，技术人员将以一种方式成型该活塞环，在这种方式中，在操作温度下，具有双金属效应的活塞环显示出所需的径向压力分布。

双金属效应尤其影响活塞环的间隙的面积，也就是说，在间隙处该活塞环的端部被压向外侧方向。这种效应被称为“端部刮擦”或“端部咬合”。这种效应导致活塞环的端部的负载比活塞环的外圆周的其余部分的负载高得多。在该活塞环端部的区域的磨损保护层被磨损，以致于在这个区域该活塞或活塞环有被磨损的危险。

迄今为止，在制造过程中通过预成型活塞环可以避免这种效应，这种预成型活塞环只是在活塞环的间隙/端部区域施加低压力。然而，这种措施被证明是不足够的。

根据本发明，通过在磨损保护层和活塞环之间设置中间层/涂层避免双金属效应。以一种方式选择中间层的尺寸和热膨胀系数是要显著减少或消除磨损保护层和活塞环之间的双金属效应。

由于磨损保护层的更大的硬度和坚固性，该磨损保护层的热膨胀系数比活塞环的材料的热膨胀系数低。由于磨损保护层，当温度升高时，该活塞环通过双金属效应向外弯曲，这对该间隙的区域有最大的影响。

如果施加在该磨损保护层和该活塞环的材料之间的中间层或涂层的热膨胀系数比该磨损保护层和该活塞环的材料的热膨胀系数高，在理想情况下两个双金属效应均衡。活塞环的厚度尺寸有可能显著地超过其他两个层的厚度。因此，该磨损保护层和中间层位于该涂覆的活塞环的自然轴线的一侧。

就所有的六个参数而言，即活塞环、磨损保护层和中间层的三个热膨胀系数和三个厚度的尺寸，任何所需要的双金属效应可以进行补偿或被均衡。

根据本发明，通过以下方式可以实现这一点：首先，在活塞环（例如铸铁或铸钢）的外侧上涂覆中间层，该中间层具有比活塞环的材料要高的热膨胀系数。在第二步骤中，在该中间层的外侧应用一层磨损保护层，其中，该磨损保护层具有的热膨胀系数比活塞环的材料的热膨胀系数要低。如果该中间层和磨损保护层的厚度的总厚度基本上小于活塞环的厚度，这可能是有利的。

本发明几乎呈现出两个相同的双金属组合的组合，其中，其效应平衡或者均衡。本发明应用了活塞环的双涂层。一方面，活塞环和磨损保护层之间的效应，另一方面，磨损保护层和中间层之间的效应，以一种方式可以选择这两种效应，这种方式使该活塞环显示出所需的温度特性。

根据本发明的第一个方面，提供一种用于内燃机的活塞环。该活塞环包括活塞环的基本元件，其材料具有第一热膨胀系数。该活塞环包括设置在活塞环上的径向外表面的磨损保护层。该磨损保护层的材料具有小于第一热膨胀系数的第二热膨胀系数。此外，该活塞环包括设置在该活塞环的基本元件和磨损保护层之间的中间层。该中间层具有第三热膨胀系数，该第三热膨胀系数比第一和第二热膨胀系数大。

在另一个实施例中，在径向方向上，磨损保护层的厚度小于中间层的厚度，该磨损保护层和中间层的厚度总和小于该活塞环的基本元件的厚度20％。这样确保了这两个层位于该活塞环的中轴的同一侧，从而，相对于彼此相对的影响可能会发生。

因此，活塞环形成两个双金属材料叠加，实际上是三个双金属材料。第一个双金属材料形成在该磨损保护层和该活塞环的基本元件之间，如本领域中已知的状态。该第二个双金属材料形成在该中间层和该活塞环的基本元件之间，并且阻碍该磨损保护层和该活塞环的基本元件之间的双金属效应。该第三个双金属材料形成在该磨损保护层和中间层之间。该第三个双金属材料应显示出最强的效应，因为它是由具有非常不同的热膨胀系数的两种金属组成的。然而，因为由两个涂层可能会产生的力，由于该磨损保护层和中间层的厚度与该活塞环的尺寸相比比较小，该第三双金属材料可以忽略不计。

优选地，该中间层的厚度是该磨损保护层的厚度的1.5至15倍，优选地，是3倍至8倍，进一步优选地，是6倍至8倍。不同的厚度补偿了各种材料不同的强度。

在一个实施例中，该中间层在圆周方向上的厚度有变化，从而实现了在圆周方向上变化的双金属效应，改善了径向压力分布。由于中间层的材料的强度（这关联到热膨胀系数）比该活塞环的基本元件的材料和磨损保护层的材料的强度要低，该中间层的厚度变化应该是容易产生效应。因此，在制造过程中，在中间层的应用的过程中或之后，有可能使该中间层产生效应从而在圆周方向上显示厚度变化。优选地，中间层被设置成比该间隙的区域更厚，从而更强地抵消此处的磨损保护层和活塞环之间的双金属效应。

在一个实施例中，该活塞环的基本元件在圆周方向上的厚度有变化，以实现了沿圆周方向变化的双金属效应，从而改善了径向压力分布。特别地，该实施例可以结合更厚的中间层，一方面以增加该中间层和活塞环的基本元件的双金属效应，另一方面增加活塞环的弹性。在活塞环的径向方向上具有较小的厚度的活塞环变得更加柔韧和提高了双金属效应。

在另一实施例中，该活塞环和/或活塞环的基本元件呈非圆形。该非圆形的结构涉及到冷的非安装状态。使用该非圆形结构以便在工作温度下该双金属效应连同气缸的内壁使得活塞环呈现出具有径向压力的良好分布的圆形结构。

优选地，该活塞环的基本元件是由铸铁材料或钢材料制成的。该铸铁材料或钢材料实际上是最常见和最便宜的活塞环用的材料。

优选地，该活塞环具有应用PVD工艺的磨损保护层。

此外，在一个示例性实施例中，所述中间层是由铜或含铜材料制成。由于其材料的性能，例如铜的熔点是约1000℃足够耐热。铜显示出了40％的断裂应变，这也是有利的范围内，以避免在该中间层和磨损保护层或活塞环的基本元件之间形成裂缝。

在一个实施例中，该磨损保护层是只应用于该活塞环的基本元件或中间层在轴向方向看到的外表面的一部分。此外，可以设想，只在该活塞环的外表面的一部分上设置中间层，或者，在该中间层被应用之后除去它。因此，特别地，本发明也可被使用于刮油环。

在另一实施例中，该第一热膨胀系数是在8～12×10^-6/K之间，该第二热膨胀系数是在2～5×10^-6/K之间，该第三热膨胀系数是在16～90×10^-6/K之间。在这些范围内，期望有利的效果，避免了目前存在的与活塞环涂层有关的问题。

有利地，在该活塞环的外侧上，在该磨损保护层应用有一磨合层（run-inlayer）。这样的层可以积极地影响到发动机整个运行过程中。

在附图中，根据示例性实施例解释本发明。

图1显示了一个传统的活塞环的俯视图。

图2显示了传统的具有磨损保护层的活塞环俯视图。

图3显示了本发明设置有中间层的活塞环的俯视图。

图4显示了本发明具有抗磨损保护层和中间层的活塞环的俯视图。

图5显示了一个传统的活塞环的剖视图。

图6显示了具有抗磨损保护层的传统的活塞环的剖视图。

图7显示了本发明的设置有磨损保护层和中间层的活塞环的剖视图。

图8显示了在图7中的活塞环设置有一个额外的磨合层的剖视图。

图9显示了图7中的另一实施例，其中，该磨损保护层仅设置于该活塞环的外表面的一部分。

在以下附图的详细描述中，相同的附图标记用于在本说明书以及附图中的相同或相似的元件或部件。这些附图只用于解释说明，且这些附图不按比例，但只表示示意性的描述。

图1显示了一个传统的没有任何涂层的活塞环2的俯视图。该活塞环的基本元件4几乎是一个封闭的圆弧。在间隙处的活塞环2端部对气缸内壁上施加很小的力，如短箭头所示。在温度升高的情况下，或者如果达到工作温度，该活塞环没有显示出双金属效应，因此，这股力并没有显著改变。

图2显示了一个传统的并具有磨损保护层8的一种材料的活塞环2的俯视图。该活塞环2具有应用到活塞环的基本元件4上的PVD磨损保护层8。该磨损保护层8比活塞环的基本元件4的材料的硬度和强度都大。因此，该磨损保护层8的热膨胀系数低于该活塞环的基本元件4的材料的热膨胀系数。在温度升高的情况下，双金属效应发生在活塞环的端部，促使它向外，导致活塞环的端部的磨损增加。由于这种增加的磨损，有抱缸（piston seizure）的危险，从而导致损坏发动机，因为在活塞环的端部的增加的接触压力可能不会被气缸内壁的润滑膜吸收。该活塞环2的端部对气缸内壁施加了强大的压力，如较长的箭头所示。与冷活塞环相比，这种压力大大增加了。

这种效应通过在操作温度下活塞环的截断指示显示在图2中。该活塞环的端部的箭头越长可视为该活塞环的端部作用于气缸内壁上的接触压力越大。

通过活塞环的塑性变形有可能阻碍这种效应，然而，在大多数情况下，这还不够。在加热到操作温度时，预成型该活塞环以使得双金属效应所引起的变形均衡。

图3显示出只有一个中间层6的具有一种材料制成的传统的活塞环2的俯视图。在此活塞环上的铜层8施加到该活塞环的基本元件4上。该中间层6的强度低于活塞环的基本元件4的材料的强度。因此，该中间层6的热膨胀系数也比该活塞环的基本元件4的材料的热膨胀系数高。加热时，双金属效应发生，特别是在该活塞环的端部，向内施力，导致降低活塞环的端部的磨损。该中间层可以抵消活塞环的端部增加的磨损。该中间层由比该活塞环的材料较软或强度较低的材料制成，因此，在整个圆周上很快磨损，从而反过来增加磨损。

如短箭头所指示，仅在活塞环4的端部设置有一个对气缸的内壁上施加低压力的中间层6。在升温的情况下，或当达到操作温度时，此压力降低。

通过在操作温度下的活塞环的截断的描述，这种效应显示在图3中。该活塞环的端部的较短箭头可视为活塞环的端部施加在气缸内壁上的接触压力降低。该断线显示在升温的情况下活塞环的变形。

图4显示出了本发明的活塞环2，该活塞环具有磨损保护层和中间层。在本实施例中，该中间层6和PVD磨损保护层8是施加到该活塞环的基本元件4上。如果选择合适的材料常数和层的厚度，上述双金属效应可能刚好均衡。与此，在所有的温度范围内该活塞环的端部的接触压力可保持在所希望的水平。同时，该活塞环和其中一个发动机的运行时间可能增加。在本发明中，有可能实现具有磨损保护层的活塞环的优点，该磨损保护层没有不得不接受的增加触点压力的通常缺点。本发明的另一个优点在于，仅有活塞环的外表面必须要被涂敷，根据它的制造方法，制造工艺可能会呈现出显著的简化。

图5显示出了传统的活塞环或活塞环的基本元件2，即，图1的活塞环的横截面。

图6显示出了具有活塞环的基本元件2和磨损保护层8的传统的活塞环，即，图2的活塞环的横截面。

图7显示出了本发明的活塞环2的剖视图，其中，该中间层6和磨损保护层8被施加到该活塞环的基本元件上。

图8显示出图7中的具有一个附加的磨合层10的活塞环的剖视图。

图9显示出了图7中的活塞环的另一实施例，其中，该磨损保护层8仅施加到该活塞环2的外表面的一部分。此实施例特别适用于刮油环，该刮油环只接触气缸内壁且具有2或3个***，以在气缸内壁上形成一个明确的油膜。

在附图中所呈现的仅仅是示意性且不表示实际比例。所描述的实施例的其他的组合也应考虑。

Claims (11)

1.一种内燃机的活塞环（2），包括：

活塞环的基本元件（4），该活塞环的基本元件（4）是由具有第一热膨胀系数的材料制成，

磨损保护层（8），该磨损保护层（8）设置在该活塞环（2）的径向外表面上，并且该磨损保护层（8）是由具有比该第一热膨胀系数小的第二热膨胀系数的材料制成，

其特征在于：

设置在该活塞环的基本元件（4）和磨损保护层（8）之间的中间层（6），其中，该中间层是由具有比该第一热膨胀系数大的第三热膨胀系数的材料制成。

2.如权利要求1所述的活塞环，其特征在于，该磨损保护层（8）的厚度小于该中间层（6）的厚度，且，该磨损保护层（8）的厚度和该中间层（6）的厚度小于该活塞环的基本元件（4）在径向方向上的厚度的20％。

3.如权利要求1或2所述的活塞环（2），其特征在于，该中间层（6）在圆周方向上的厚度是变化的。

4.如上述权利要求其中一项所述的活塞环（2），其特征在于，该活塞环的基本元件（4）在圆周方向上的厚度是变化的。

5.如上述权利要求其中一项所述的活塞环（2），其特征在于，该活塞环（2）是非圆形的，或者，该活塞环的基本元件（4）是非圆形的，或者，该活塞环（2）和该活塞环的基本元件（4）都是非圆形的。

6.如上述权利要求其中一项所述的活塞环（2），其特征在于，该活塞环的基本元件（4）是由铸铁或钢材料组成。

7.如上述权利要求其中一项所述的活塞环（2），其特征在于，该磨损保护层（8）采用PVD方法施加。

8.如上述权利要求其中一项所述的活塞环（2），其特征在于，该中间层（6）是由铜或含铜材料组成。

9.如上述权利要求其中一项所述的活塞环（2），其特征在于，该磨损保护层（8）在轴向方向上仅分别施加到该活塞环的基本元件（4）的外表面的一部分和该中间层（6）上。

10.如上述权利要求其中一项所述的活塞环（2），其特征在于，该第一热膨胀系数是在

之间，该第二热膨胀系数是在2～5×10^-6/K之间，以及该第三热膨胀系数是在16～90×10^-6/K之间。

11.如上述权利要求其中一项所述的活塞环（2），其特征在于，还包括设置在该磨损保护层（8）外侧的磨合层（10）。

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