CN100380023C - 内燃机的油环 - Google Patents

Abstract

一种内燃机的油环，该油环包括金属环形体(10)，该环形体安装在活塞(P)的周围上，而活塞在发动机的缸(C)内进行往复运动，所述环形体(10)具有：相对的横向表面(11)；内部表面(12)，弹性膨胀器(M)安装到内部表面中；及外部接触表面(13)，它支撑在缸(C)的内部表面上，并且它的高度(h)基本上小于内部表面(12)的高度(H)。每个横向表面(11)由一个或者多个横向表面部分(11a、11b)来限定出，而这些横向表面部分设计成减少环形体(10)的惯性力矩，从而使后者具有更高的适应性。优选地，但不仅仅是这样，环形体(10)还可以设置有通道(15、16)，这些通道沿着至少部分的环高度进行延伸，并且相对于外部接触表面(13)沿着径向向后地隔开。

Description

内燃机的油环

本发明的领域

本发明涉及一种用于内燃机活塞的油流控制环，所述环具有最佳的比压和高度的适应性。

本发明的背景技术

直到二十世纪二十年代，实际上所有的内燃机只使用压缩环。发动机转动较小并且压缩环足以控制由连杆输送到缸壁上的小量油。

随着更高旋转速度发动机的使用和增压润滑系统的加入，需要使用特殊环来控制输送到缸壁上的大量油。那时，开发出称为环的油流控制器。这种环的特征在于在外部表面上具有两个接触表面，而这些接触表面具有圆柱形壁，这些接触表面借助通道来分开，而该通道具有一些径向槽以排出油流。为了提高切向负荷和环的适应性，因此把弹簧壳体加入到内部表面中。从那时起，除了这些环的外部接触表面具有锥形外形以在发动机的磨合期间更好地控制润滑油消耗之外，这种基本形状没有大的进展。油流控制环一定得具有两个主要功能特征：从缸壁向着发动机的曲轴箱刮油；及，在它们上面把足够的油量保持到压缩环中，因此在所有时间内在这些环和缸之间保持有油膜。

油流控制环实现这些功能的效率由下面因素来产生：快速安置在缸上的能力；接触表面的几何形状；靠在缸壁上的压力；可除去和可排出的油的动力；及快速适应缸外形变化的能力。

可是，公知的现有技术限制了使摩擦损失和油消耗达到最佳化。

已发现，发动机的接近25％的摩擦损失是由于这些环所引起的，并且在工作时70％的所述损失来自油环，主要是由于它的切向负荷较大。因此，与一组活塞环中的摩擦减少有关的任何研究开始于油流控制环。切向负荷直接与比压的公式有关，其中环接触表面把该比压施加在缸壁上。这个压力是油流控制的主要参数中的一个并且表示为：

P0＝2.Ft/(d1.c)(1)

P0＝比压

Ft＝切向负荷

d1＝环的名义直径

c＝与缸接触的环接触表面的尺寸大小

实验和文献表明，比压越小，润滑油的消耗越大。因此，为了保持相同的油控制条件并借助减少切向负荷来减少摩擦损失，因此需要减少与缸接触的环接触表面的尺寸大小来保持相同的比压。

例如，考虑到油流控制环具有盘簧(在柴油机中)和102.0mm的名义直径，因此作为通常制造公差的函数，比压具有下面变化：

d1＝102.0mm

Ft＝54+40％N

h＝c/2＝0.40±0.10mm

Ftmin＝54N    Ftmax＝76mm

hmin＝0.30mm  hmax＝0.50mm

根据上面的公式(1)，具有：

P0min＝1.06N/mm²

P0max＝2.48N/mm²

这就给出了最小值的大约134％的变化。作为比压的这种较大的差值的函数，在最小比压的条件下，使用油流控制环，在测力计进行许多实验，从而与具有最大比压的环进行比较，以研究发动机在这两种极值的情况下的性能(参见表1)。

表1

这些结果表明，发动机性能的变化较大主要与润滑油消耗量有关，而该消耗量部分是由接触表面的尺寸公差所产生的。应该注意到，借助提高比压，该消耗量可以减少到一半，但是产生了不良的较高摩擦作用。

除了比压之外，环的适应性是油流控制中的最重要特征之一。

环的适应性是这样的参数：该参数表示环适应缸的可能变形或者直径改变的更好或者更坏能力，因此保持它的刮油和密封性能。环的适应性用适应性系数来表示，而该适应性系数由下面的数学关系来表示：

k＝Ft.(d1-r1)²/(4.E.I)

k＝适应性系数

Ft＝切向负荷

d1＝环的名义直径

r1＝环的径向壁厚

E＝弹性模量

I＝惯性力矩

下面例子示出了这里所示出的适应性计算结果：

借助使用直径为67.1mm的奥托循环环的平均尺寸大小值：

Ft＝36.1N

d1＝67.1mm

r1＝2.23mm

E＝160GPa

I＝0.34

k系数越大，那么环适应缸变形的能力越大，并且能够更好地进行油流控制。由于提高切向负荷不理想(因为提高了摩擦损失)，因此只有利用弹性模量和环的几何形状来提高适应性。

本发明的目的

本发明的总目的是提高一种内燃机的油环，该油环具有高度的适应性和最佳的比压，从而提供更高的刮油效率，而不会增加摩擦损失。

本发明的另一个目的是提供一种油环如上述那种油环，该油环具有足够排出刮下的油的动力。

本发明的另一个目的是提供一种油环如上述那种油环，该油环可以以最小的制造工作来形成。

本发明的概述

如上所述，本发明涉及一种内燃机的油环，该油环包括环形体，该环形体安装在活塞的周围上，而活塞在发动机的缸内进行往复运动。

如所公知的一样，环形体具有：相对的横向表面；内部表面，它限制出支撑，弹性膨胀器安装到该支撑中，而弹性膨胀器通常呈金属弹簧的形状；及外部接触表面，它支撑在缸的内部表面上。根据本发明，外部接触表面由环形体的一个连续表面延伸部来限定出，而该延伸部沿着轴向的高度基本上小于内部表面的高度，每个横向表面由至少一个横向表面部分来限定出，而该横向表面部分设计成减少环形体向着它的轴线和重心的惯性力矩。

本发明所提出的结构不仅能够减少环的总高度，因为它只使用了一个外部接触表面，而且借助减少切向负荷而减少了摩擦，而不会损害比压，而该比压是产生理想刮油效率所需要的，因为接触表面可以方便地相应地减少。

附图的简短描述

在下面，参照附图来描述本发明，在这些附图中：

图1是第一实施例的本发明油环的局部平面视图；

图2是沿着图1的线II-II所截取的、环的放大横剖视图；

图3是与图2相类似的视图，但是图3是沿着图1的线III-III所截取的并且示出了安装在缸内的活塞中的环形体，该环形体在它的内部表面上安装了弹性膨胀器；

图4、5和6是与图2相类似的视图，但是它们示出了环形体的外部接触表面的外形的三个可能替换物；

图7是与图1相类似的、本发明油环的平面视图，但是图7示出了环的另一个实施例；及

图8是沿着图7的线VIII-VIII所截取的、环的其它实施例的放大横剖视图。

图示实施例的详细描述

如图所示，本发明的油环由金属、铸铁、另外的金属合金、聚合材料或者任何其它的合适材料形成，该油环包括环形体10，该环形体10安装到活塞P的相应槽中，而活塞P设计成在内燃机的缸C内进行往复运动。

环形体10具有：一对端面11，这对端面相对并且通常相互平行及垂直于油环的轴向轴线；内部表面12；及外部接触表面13，该接触表面支撑在缸C的内表面上，从而刮润滑油，其中该润滑油是在发动机工作时引导到这个区域中的。环形体10的内表面12限定出支撑，该支撑通常呈槽12a的形状，例如该槽12a具有V或者U形或者是这些形状的结合，弹性膨胀器M安置到该槽中，其中弹性膨胀器M通常由金属弹簧来限定出，而该金属弹簧被定尺寸成把确定的膨胀径向力施加在环形体10上。

根据本发明，外部接触表面13由环形体10的一个连续表面延伸部来限定出，其中该延伸部沿着轴向具有高度h，该高度h基本上小于内表面12的高度H。优选地，外部接触表面13的高度h的最大值大约为内表面12的高度H的一半，以相应地减少切向负荷Ft，而该切向负荷是保持把外部接触表面13紧靠缸C的理想比压P0所需要的。

相对于现有技术，这里所提出的结构允许制造出具有减小的尺寸公差的、更窄的外部接触表面，从而使比压P0的变化最小化，并且改善了油流控制。借助只把一个接触表面保持在外部接触表面13上，现在在具有两个接触表面的油环中所产生的比压变化被减小到一半。根据上面给出的例子的数据，这里所提出的实施例具有下面的比压变化

d1＝102.0mm

Ft＝54+40％(N)

h＝c＝0.8±0.10(mm)

Ftmi n＝54N  Ftmax＝76N

hmin＝0.7mm  hmax＝0.9mm

根据上面的公式(1)，具有：

P0min＝1.18N/mm²

P0max＝2.13N/mm²

如从上面例子中所可以观察到的一样，新形成的解决方案的比压变化与目前公知的结构的比压变化大约是80％对134％。

除了上述的尺寸大小方面之外，环形体10具有横向表面11(或者至少具有一个)，这些横向表面成形成能够减少环形体10向着它的轴向轴线和重心的惯性力矩，从而使环具有更高的适应性。

在所示出的实施例中，环形体10的每个横向表面11由第一横向表面部分11a来限定出，其中该表面部分11a垂直于环形体10的轴向轴线，并且使后者的高度保持等于内部表面12的高度H，因此，两个横向表面11的第一横向表面部分11a相互平行。每个横向表面11还包括第二横向表面部分11b，而该第二横向表面部分11b从第一横向表面部分11a向着环形体10的外部接触表面13的邻近边缘而径向向外地延伸。根据图示的实施例，两个第二横向表面部分11b向着外部接触表面13相互会聚。

尽管这些附图只示出了横向表面11的一个构成形状，但是应该知道，它们可以具有其它的结构。例如，只有一个横向表面11可以由两个不同的横向表面部分来限定出。其中的一个所述横向表面11可以由第一横向表面部分11a成一体地限制出，而另一个横向表面11可以由第一横向表面部分11a来部分地限定出并且由第二横向表面部分11b来完成，而第二横向表面部分11b设计来减少环形体10向着外部接触表面13的高度。在可能的替换结构中，所述另外的横向表面11由第二横向表面部分11b成一体地限定出，而第二横向表面部分11b从内部表面12向上延伸到外部接触表面13中并且实现了环形体10高度的必要减少。

还应该知道，可以使用其它的几何形状，只要它们能产生相同的适应性效果就行。

例如，我们可以比较在前面适应性计算中所使用的、直径为67.1mm的相同奥托油环：

Ft＝36.0N

d1＝67.1mm

r1＝2.23mm

E＝160Gpa

I＝0.241mm⁴

K＝0.98(188％更好)

因此，相对于目前的技术，环的几何形状提高了环适应缸变形的性能，因此改善了油流的控制。

本发明的结构在环受到限制时可以使环进行扭转。这种作用是有益的，因为有助于控制润滑油的消耗，并且这种作用不会施加到正常的油环中，因为它们的接触表面具有两个接触表面，并且这种扭转可以削弱其中一个所述表面的接触，因此削弱了环功能的实现。此外，借助具有作为只是外部接触表面的构造元件的接触表面，与需要具有两个接触表面和一个凹槽的现有技术相反，本发明容易得到高度小于现有技术的环。因此，提高了环的适应性，相应地减少了活塞的重量并且产生了好处。

在图1、2和3所示出的实施例中，外部接触表面13是圆柱形，并且通常相对垂直于环形体10的轴向轴线的平面是垂直和对称的，并且在中间处与后者相交。

但是，外部接触表面13可以是锥形的，如图4所示，并且它在靠近它的较大直径的圆周边缘处还可以包括下部台阶13a，如图5所示。外部接触表面13的另一个示例性实施例示出在图6中，其中所述外部接触表面13由具有凸出的弧形的表面来限定出，该凸出的弧形相对于垂直于环形体10的轴向轴线的所述中间平面也可以是对称的。环形体10还可以设置有通道15、16，这些通道沿着环的至少部分高度进行延伸，并且相对于外部接触表面13沿着径向向后隔开。在图1、2、3和4所示出的结构中，这些通道15在横向表面部分11b之间提供流体连通，在安装环形体10时，这些横向表面部分11b相互相对并且与活塞P的邻近壁隔开。这些通道15的这种结构使得油从缸C的壁上被刮下并且在更加自由的通道中排出到曲轴箱中。但是，应该知道，这些通道15、16不需要在环的所述相对横向表面部分11b之间提供流体连通，而这些表面部分11b与活塞P的邻近壁隔开，如图5、6、7和8所示。

由于环形体10在它的内表面12内设置有槽12a，因此这些通道15、16通到槽12a的内部中。在所示出的实施例中，这些通道15、16采用轴向槽的形状，这些轴向槽通到环形体10的内表面12中。

由于沿着轴向(即高度方向)制造槽比较复杂，因此环形体例如可以用烧结金属合金来生产出，因此可以以更加能生产的、经济的方式来得到优选的最后形状，尤其在使通道15、16具有轴向槽的形状时更是如此。

在图1所示的实施例中，这些通道15具有矩形外形，而这种外形可以通过下面方法来得到：例如通过沿着轴向进行机加工来得到，环形体10的内部表面12由适当的材料毛坯来形成。

此外，当环例如通过粉末冶金处理来得到并且被模制成接近它的最后形状时，这些通道16可以是接近敞开的、圆形V的形状，而它的侧壁的外端与环形体10的内表面12的邻近凸出部分相配合，从而使后者具有正弦的内部形状或者正切曲线的其它结合，如图7所示。

图7和8所示的结构替换物使用了这样的形状：该形状借助于粉末冶金可以更好地适合于制造过程，从而提高了(该过程)的生产率和质量，因为它相对于图1所示的矩形外形减少了应力集中(系数)，并且能够更加有效地从模子中拔出压块(the compacted)。

尽管图7和8示出了这些通道16，其中径向延伸部不足以在相对的横向表面部分11b之间提供流体连通，而这些横向表面部分11b与活塞P的邻近壁相隔开，但是应该知道，根据图1、2、3和4所示出的形状，在这里具有敞开的圆形V的形状的所述这些通道16可以定尺寸成提供所述连通。

如上所述，这些通道15、16可以定尺寸成具有较长或者较短的径向延伸部，从而只在相对的横向表面部分11a之间提供连通，而这些横向表面部分11a支撑在活塞槽的邻近壁上，或者也在环的相对横向表面部分11b之间提供连通，而这些表面部分11b与活塞槽的邻近壁相隔开。所述通道15、16可以具有其它形状如梯形、三角形或者正切曲线的结合或者其它的形状。

应该知道，外部接触表面13可以借助化学或者物理方法或者它们的结合来改进，以形成材料层13b，该材料层13b可以抗磨损、胶结和摩擦。

在工业上下面这些是共同的实践：使用相变，例如在淬火和回火的热处理中使用相变；沉积作用，无论是电沉积还是非电沉积，如在镀铬或者镀镍中；在物理蒸镀和在化学蒸镀中；在热喷镀中；借助温度帮助的扩散，如在渗氮、渗碳、渗硼和铁氧化，以提高抗磨损、刮伤和摩擦的作用。

本发明的具体特征只是出于方便而示出在附图中，因为根据本发明，每个特征可以与其它特征相结合。本领域普通技术人员可以构造出替换实施例，并且这些替换实施例包括在权利要求的范围内。因此，上面描述只是用来解释的，而不是限制本发明的保护范围。所有显而易见的改变和改进都落入附加权利要求所限定的保护范围内。

Claims (24)

1.一种内燃机的油环，该油环包括金属环形体，该环形体安装在活塞的周围上，而活塞在发动机的缸内进行往复运动，所述环形体具有：相对的横向表面；内部表面，它限定出一个支撑，用于弹性膨胀器的安装；及外部接触表面，它座落在缸的内部表面上，其特征在于，外部接触表面由环形体的一个单一连续表面延伸部来限定出，而该延伸部沿着轴向的高度明显小于内部表面的高度，每个横向表面由至少一个横向表面部分来限定出，而该横向表面部分设计成减少环形体向着它的轴线和重心的惯性力矩，其中，环形体设置有通道，这些通道呈轴向槽的形状，这些轴向槽相对于外部接触表面沿着径向向后地隔开，这些通道在相互相对的横向表面部分之间提供流体连通，并且通到环形体的内部表面中；所述通道具有这样的外形，该外形具有大约为圆形的、敞开的“V”形状，而它的这些横向壁的外端与环形体的内表面的邻近凸出部分相配合，从而使后者具有正弦的内部轮廓。

2.如权利要求1所述的油环，其特征在于，外部接触表面的高度最多大约为内部表面的高度的一半，以便能够相应地减少由环施加在缸上的切向负荷，而不会负向地改变由外部接触表面施加在缸上的比压。

3.一种内燃机的油环，该油环包括金属环形体，该环形体安装在活塞的周围上，而活塞在发动机的缸内进行往复运动，所述环形体具有：内部表面，它限制出一个支撑，用于弹性膨胀器的安装；及圆柱形外部接触表面，它座落在由环形体的一个单一连续表面延伸部来限定出的缸的内部表面上，而该延伸部沿着轴向的高度明显小于内部表面的高度，相对的横向表面由至少一个横向表面部分来限定出，而该横向表面部分设计成减少环形体向着它的轴线和重心的惯性力矩，横向表面部分朝外部接触表面径向向外延伸，环形体设置有通道，这些通道呈轴向槽的形状，这些轴向槽相对于外部接触表面沿着径向向后地隔开，并延伸进入至少一个横向表面部分，这些通道在相互相对的横向表面部分之间提供流体连通，并且通到环形体的内部表面中。

4.如权利要求1所述的油环，其特征在于，外部接触表面由具有凸出的弧形外形的表面来限定出。

5.如权利要求3所述的油环，其特征在于，外部接触表面相对于垂直于环形体的轴向轴线的平面是对称的并且在中部与后者相交。

6.一种内燃机的油环，该油环包括金属环形体，该环形体安装在活塞的周围上，而活塞在发动机的缸内进行往复运动，所述环形体具有：相对的横向表面；内部表面，它限制出一个支撑，用于弹性膨胀器的安装；及锥形的外部接触表面，它座落在缸的内部表面上，其特征在于，外部接触表面由环形体的一个单一连续表面延伸部来限定出，而该延伸部沿着轴向的高度明显小于内部表面的高度，每个横向表面由至少一个横向表面部分来限定出，而该横向表面部分设计成减少环形体向着它的轴线和重心的惯性力矩，并朝外部接触表面向外延伸，环形体设置有通道，这些通道呈轴向槽的形状，这些轴向槽相对于外部接触表面沿着径向向后地隔开，这些通道在相互相对的横向表面部分之间提供流体连通，并且通到环形体的内部表面中。

7.如权利要求6所述的油环，其特征在于，外部接触表面在靠近它的较大直径的外周边缘处具有下部台阶。

8.如权利要求1所述的油环，其特征在于，至少一个横向表面具有至少部分的径向延伸部，该延伸部由横向表面部分来限定出，而横向表面部分设计成向着外部接触表面减少环形体的高度。

9.如权利要求8所述的油环，其特征在于，两个横向表面至少部分地由相应的横向表面部分来限定出，而这些横向表面部分向着外部接触表面相互会聚。

10.如权利要求1所述的油环，其特征在于，至少一个横向表面由第一横向表面部分和第二横向表面部分来限定出，而该第一横向表面部分垂直于环形体的轴向轴线，并且使环形体的高度保持等于内部表面的高度，第二横向表面部分从第一横向表面部分向着环形体的外部接触表面的邻近边缘径向向外地延伸。

11.如权利要求1所述的油环，其特征在于，环形体的内部表面设置有圆周槽，该圆周槽限定出弹性膨胀器的支撑，而这些通道通到圆周槽的内部中。

12.如权利要求3所述的油环，其特征在于，这些通道具有矩形外形。

13.如权利要求1所述的油环，其特征在于，环形体由烧结的金属合金形成。

14.如权利要求1所述的油环，其特征在于，外部接触表面由膜来限定出，而该膜由抗摩擦、磨损和刮伤的材料形成，该膜设置在环形体中。

15.如权利要求2所述的油环，其特征在于，外部接触表面是圆柱形。

16.如权利要求2所述的油环，其特征在于，外部接触表面由具有凸出的弧形外形的表面来限定出。

17.如权利要求4所述的油环，其特征在于，外部接触表面相对于垂直于环形体的轴向轴线的平面是对称的并且在中部与后者相交。

18.如权利要求15所述的油环，其特征在于，外部接触表面相对于垂直于环形体的轴向轴线的平面是对称的并且在中部与后者相交。

19.如权利要求16所述的油环，其特征在于，外部接触表面相对于垂直于环形体的轴向轴线的平面是对称的并且在中部与后者相交。

20.如权利要求2所述的油环，其特征在于，外部接触表面是锥形。

21.如权利要求20所述的油环，其特征在于，外部接触表面在靠近它的较大直径的外周边缘处具有下部台阶。

22.如权利要求2所述的油环，其特征在于，环形体由烧结的金属合金形成。

23.如权利要求2所述的油环，其特征在于，外部接触表面由膜来限定出，而该膜由抗摩擦、磨损和刮伤的材料形成，该膜设置在环形体中。

24.如权利要求6所述的油环，其特征在于，这些通道具有矩形外形。

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