CN101178124A - 高润滑低摩擦活塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于往复活塞式内燃机和空气压缩机的高润滑低摩擦活塞。其技术方案是：主要由活塞头部、活塞裙部和活塞环槽组成，其特征是：在活塞的外壁侧表面开设沿活塞外壁侧表面弧度走行的多道凹槽，相邻的凹槽之间保留的部分活塞外壁侧表面的间隔形成凸脊，凸脊的最突出处和活塞的外壁侧表面平齐。有益效果：润滑性能增强、摩擦阻力下降、防止缸胀和抱死、增强密封性能、提高排放标准减轻排污，发动机使用寿命延长。

Description

高润滑低摩擦活塞

一、技术领域：

本发明涉及一种机械制造领域的活塞，特别涉及一种应用于往复活塞式内燃机和空气压缩机的高润滑低摩擦活塞。

二、背景技术：

活塞是发动机的心脏，内燃机的活塞与汽缸壁间的润滑性能的好坏直接决定着发动机的工作效能和使用寿命。主要由活塞头部、活塞裙部和活塞环槽组成，现有的内燃机活塞与汽缸壁之间的润滑是靠油环向汽缸壁布油和飞溅润滑的方式来实现润滑的，油环的环槽有油孔通向活塞内部，润滑油可以由此流向油环，其缺陷是润滑油在摩擦表面的分布不够充分和均匀；发动机工作时活塞的外壁侧表面与汽缸壁之间的良好贴合并保持适当的油隙是活塞在汽缸内往复运动顺利进行的关键，由于高速的往复运动所产生的高负荷及高温的影响，现有活塞与汽缸壁的接触是面与面之间的相对运动和摩擦，摩擦阻力大，容易出现润滑不良而磨损，特别是活塞裙部甚至可以出现一定的变形使活塞裙部与汽缸壁之间间隙过小而出现咬缸、拉缸现象，活塞裙部与汽缸壁之间间隙过大而出现敲缸、缸套穴蚀、噪音过大等现象；位于活塞头部的头部外圆、环岸外圆工作环境更为恶劣，润滑不良会更容易出现磨损，出现拉缸、密封不良等情况。这些都可以降低发动机的效率、增加油耗、缩短使用寿命。

三、发明内容：

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种高润滑低摩擦活塞，解决现有技术中润滑油在活塞的摩擦表面的分布充分和均匀的缺陷。

其技术方案是：主要由活塞头部、活塞裙部和活塞环槽组成，在活塞的外壁侧表面开设沿活塞外壁侧表面弧度走行的多道凹槽，相邻的凹槽之间保留的部分活塞外壁侧表面的间隔形成凸脊，凸脊的最突出处和活塞的外壁侧表面平齐。

所述的凹槽的深度不超过活塞壁厚的三分之一，每道凹槽可以是连续的也可以是有间断的；相邻的凹槽相互平行，相邻的凸脊相互平行，使活塞的外壁侧表面呈现出凸脊和相邻的凹槽平行并且交替反复出现的表面形态，凸脊和凹槽均与活塞环槽走行平行或基本平行。其中，凹槽的具体尺寸根据活塞的大小和相应部位活塞壁厚的不同而变化，一般在100～200毫米直径的活塞上所开设凹槽为宽1～3毫米0、深1～3毫米、相邻的凹槽之间的间隔为1～3毫米，对于数百毫米直径的船用大型活塞所开设凹槽为宽10～20毫米、深5～15毫米、相邻的凹槽之间的间隔为10～20毫米，凹槽的横截面可以是半圆形、矩形、三角形、梯形等多种形态。

所述的凹槽和凸脊至少开设在活塞裙部的表面或者活塞头部的头部外圆的表面或者活塞头部的环岸外圆的表面；或是以上三者均包括。对于大型活塞而言活塞头部的头部外圆和环岸外圆处均匀较大的外壁侧表面完全可以开设凹槽和形成凸脊并使其外壁侧表面呈现出凸脊和相邻的凹槽平行并且交替反复出现的表面形态。

其中，在活塞外壁侧表面呈现完整的圆周表面的部分区域开设凹槽时，所开设的凹槽和与其相邻凸脊是沿活塞外壁侧圆周表面弧度环绕或盘旋的环形或螺旋形等类似环形的形状；在活塞外壁侧表面呈现不完整的圆周表面的活塞裙部的部分区域开设凹槽时，所开设的凹槽和与其相邻凸脊是沿活塞外壁侧圆周表面弧度走行的不完整的环形或不连续的螺旋形等类似环形的形状。

本发明的活塞在完成活塞表面的凹槽和凸脊的加工后可以进行表面处理，表面处理可以增强其表面的硬度、耐腐蚀、耐磨损等性能，使活塞使用寿命延长，有多种表面处理方法，包括表面阳极化处理、表面磷化处理、表面石墨化处理、激光表面处理等等

本发明的活塞，所述的凹槽内填入填充物，填入并固化填充物的最突出处不超出凸脊的顶面，与凸脊的顶面平齐。所述的填充物的组成成分中至少含有一种一定比例的固体润滑剂的粉末颗粒，粉末颗粒越细越好，例如1～200微米，因此本发明的活塞具有一定的自润滑功能。目前固体润滑剂品种繁多，其中常用的以具有六方晶体的层状结构的石墨、二硫化钼最具有代表性，还有聚四氟乙烯(PTFE)等等，多具有良好的化学稳定性和热稳定性并且具有优秀的润滑性能，即使与溶剂、油脂、树脂类粘合剂以及一些金属混合时也不失掉其特性。

本发明的活塞，所述的填充物的内部具有多孔隙或多裂隙，为了达到这一目的填充物填入凹槽的方式为常压疏松装填后在一定温度下固化；或填充物的组成成分中至少含有一种造孔剂，将此种填充物填入凹槽后在一定温度下固化，造孔剂融化析出或蒸发或浸入溶剂中溶解后形成孔隙。

本发明的活塞，所述的填充物填入凹槽的方式为常压疏松装填后在一定温度下固化；或填充物的组成成分中至少含有一种造孔剂，将此种填充物填入凹槽后在一定温度下固化。

本发明的活塞，可以将加工完成的活塞再进行浸油处理，即将活塞浸泡在润滑油中，使填入凹槽的填充物的孔隙中浸润润滑油，从而形成含有固体润滑剂并且还具有储油功能的填充物，填充物在受压时可以释放出部分润滑油和微量的固体润滑剂，形成具有高效润滑功能的润滑油固体润滑剂复合物。

本发明与现有技术相比会产生明显的有益效果：

1、润滑性能增强、发动机运行平稳、噪音降低：在工作冲程中活塞承受的侧压力增加和活塞与缸壁间的润滑油压力升高，都使凹槽内的含有固体润滑剂并且还具有储油功能的填充物受到挤压，释放出含有微量固体润滑剂的内含润滑油并且均匀涂布在活塞与缸壁间，使活塞与缸壁间的润滑油层增厚并且形成比单纯润滑油润滑性能更好的润滑油——固体润滑剂复合物或混合物覆层，使活塞与缸壁间润滑性能大大增强；而在非工作冲程中活塞承受的侧压力大大降低，油环从缸壁上刮下的含有微量固体润滑剂的润滑油又被填充物重新吸收，从而使本发明的活塞具有持久的润滑性能增强功能；即使填充物耗尽，单纯的凹槽结构也能在一定程度完成释放和储存润滑油的功能，使润滑性能增强。润滑油层增厚在使润滑性能增强的同时，也对活塞的振动和噪音有更好的阻尼作用，减少了敲缸的可能同时也使发动机运行更平稳、噪音降低。

2、活塞的摩擦阻力下降：由于活塞与缸壁间润滑性能增强导致活塞的摩擦阻力下降；本发明使活塞的外壁侧表面呈现出凸脊和相邻的凹槽平行并且交替反复出现的表面形态，这种形态使所有的凸脊的顶面成为活塞与缸壁间的摩擦面，由于凸脊的顶面面积总和小于现有活塞的摩擦面积，在充分润滑的情况下摩擦面积的减小有助于减小摩擦阻力；润滑油——固体润滑剂复合物或混合物覆层的存在，使活塞与缸壁间摩擦系数降低有助于减小摩擦阻力。

3、磨损减轻发动机使用寿命延长：由于润滑性能增强使活塞与缸壁间的磨损减轻，因磨损而导致的机械变形下降，使发动机使用寿命延长；同时本发明的活塞因为凹槽1内含有固体润滑剂，当活塞发生磨损时会加速固体润滑剂的释放，使本发明的活塞具有一定的自润滑性能，使活塞的耐磨性能增强，也使发动机使用寿命延长。

4、防止缸胀和抱死、增强密封性能、提高排放标准减轻排污：本发明使活塞的外壁侧表面呈现出凸脊和相邻的凹槽平行并且交替反复出现的表面形态，这种结构本身可以使本发明的活塞承受和吸收热变形和热膨胀的能力增强防止缸胀和抱死；与活塞环走行平行或基本平行且结构类似的多道环形或类似环形的凸脊，其在活塞的工作冲程中活塞受到侧向压力时本身也可以起到一定的类似活塞环的增强密封作用；本发明的活塞由于具有良好的润滑性且有一定的自润滑性能，所以磨损轻微，可以在较长的时期内保持良好的密封状态。当现有发动机处于密封不良状态时出现串气、串油、烧机油、燃烧不良、排污增加，由于本发明的活塞可以在较长的时期内保持良好的密封状态，所以能提高排放标准减轻排污。

5、节省燃油：由于润滑性能增强和活塞的摩擦阻力下降，使发动机克服摩擦阻力所造成的功率损失减小，节省燃油；由于本发明的活塞可以在较长的时期内保持良好的密封状态，有助于提高燃油的利用率也可以长期内达到节省燃油的效果；由于本发明的活塞因为表面开设有大量的凹槽1，所以与现有相同材料制造的同型号活塞相比本发明的活塞重量减轻，同型号活塞即使减少10克的重量也有助于提高输出功率节省燃油，这也是现有活塞大多数使用硅铝合金等轻合金制造的原因。

6、技术继承性好互换性强、可以迅速投入市场转化成效益：由于本发明的活塞只改变现有同型号活塞的表面结构，而对现有活塞的其它结构、形状、参数均未改动，所以能很容易的替换现有各种往复活塞式发动机中的同型号活塞，而无需改变发动机本身，技术继承性好互换性强、可以迅速投入市场转化成效益。

四、附图说明：

附图1是本发明的第一种实施例的结构示意图；

附图2是本发明的第二种实施例的结构示意图。

五、具体实施方式：

实施例1：以直接为135毫米的某135型柴油机的活塞为例，此种活塞的顶部带有常见的深坑ω形燃烧室，活塞的顶部的深坑ω形燃烧室的深度为20毫米，已经完成了所有活塞环槽的开设工作，此种活塞有30毫米高的头部外圆，在此种活塞的头部外圆从顶面向下3毫米起环绕头部外圆表面开设深度为3毫米宽度为2毫米的横截面为矩形的环形凹槽1，然后每间隔2毫米开设一道同样的环形凹槽1，每道凹槽1可以是连续的也可以是有间断的，本附图所显示的每道凹槽1可以是连续的，共开设6道，这样就在此种活塞的头部外圆自然形成了7道高度为3毫米宽度为2～3毫米的环形凸脊2，使头部外圆表面形成由相互平行的凸脊2、凹槽1间隔出现的表面形态，这些环形凹槽1和环形凸脊2均和下方的活塞环槽走行平行。本实施例的活塞在环岸外圆未开设环形凹槽1。

此种活塞的活塞裙部的表面积较大，并且基本以完整的圆周表面为主，为了方便加工在此种活塞的活塞裙部的表面连续开设1道环绕活塞纵轴旋转的，沿其圆周表面弧度盘绕走行的螺旋形凹槽1，凹槽1的宽度为2毫米、深度为1.5毫米、横截面为矩形，螺旋形凹槽1的螺距为4毫米，这样又形成了一道与螺旋形凹槽1尺寸相同并与螺旋形凹槽1相间隔的螺旋形凸脊2，当然在活塞裙部圆周表面不完整的区域此种螺旋形凹槽1和螺旋形凸脊2也不完整，这样在活塞裙部的全部摩擦表面就出现了凹槽1与凸脊2相邻并平行且交替反复出现的表面形态，这些凹槽1和凸脊2与活塞环槽走行基本平行。将这样加工完成的活塞进行去毛刺处理。

将活塞整体进行脱脂除油处理→清洗→表面磷化或阳极化处理→清洗烘干→在对活塞环槽进行保护的情况下，将活塞整体在已经混合均匀的填充物3成分上滚压或旋转使所有凹槽1内的大部分空间充满填充物3并去除凸脊2表面粘附的填充物3成分→去除活塞环槽内的保护物，常温下晾干、固化(如24小时)→烘干固化并保持一定的温度和时间(如摄氏300度、60分钟)和时间自然冷却至常温后→放入润滑油中浸油并使润滑油升温至一定温度并保持一定时间(如摄氏120度、10分钟)自然冷却至常温后取出→成品检验。

填充物3的成分和组方可以有多种可以根据具体使用情况调整，例如：(所述的百分比为重量比，所述的粉末为颗粒越细越好，例如1微米～200微米的颗粒)35％的石墨粉末、35％的二硫化钼粉末、15％的环氧树脂、10％的邻苯二甲酸二丁酯、5％的石蜡粉末(或其它造孔剂)。

实施例2(如附图2)：以一种直径95毫米的平顶活塞为例，已经完成了所有活塞环槽的开设工作，在其头部外圆的中间开设一道深1.5毫米、宽1.5毫米、横截面为半圆形的环形凹槽1，这样此凹槽1上下的头部外圆表面自然形成了两道凸脊2，这些凹槽1和凸脊2均和活塞环槽走行平行。这种活塞的环岸外圆狭小，在此处也不开设环形凹槽1。在活塞裙部的所有能与缸壁接触的外表面均匀开设多道与活塞环槽走行平行环形凹槽1，相邻环形凹槽1的间隔为1毫米，环形凹槽1宽度为1毫米、深度为0.8毫米、凹槽1横截面为矩形，这样形成环形凸脊2，凸脊2的宽度为1毫米、深度为0.8毫米、凸脊2横截面为矩形。当然在活塞裙部圆周表面不完整的区域此种环形凹槽1和环形凸脊2的环形也不完整，这样在活塞裙部的全部能与缸壁接触的外表面就出现了凹槽1与凸脊2相邻并平行且交替反复出现的表面形态，这些凹槽1和凸脊2与活塞环槽平行。将这样加工完成的活塞进行去毛刺处理。用与体实施例1中相同或相似的方法向凹槽1中装填填充物3并固化、浸油。

Claims (6)

1.一种高润滑低摩擦活塞，主要由活塞头部、活塞裙部和活塞环槽组成，其特征是：在活塞的外壁侧表面开设沿活塞外壁侧表面弧度走行的多道凹槽(1)，相邻的凹槽(1)之间保留的部分活塞外壁侧表面的间隔形成凸脊(2)，凸脊(2)的最突出处和活塞的外壁侧表面平齐。

2.根据权利要求1所述的高润滑低摩擦活塞，其特征是：所述的凹槽(1)的深度不超过活塞壁厚的三分之一，每道凹槽(1)可以是连续的也可以是有间断的；相邻的凹槽(1)相互平行，相邻的凸脊(2)相互平行，使活塞的外壁侧表面呈现出凸脊(2)和相邻的凹槽(1)平行并且交替反复出现的表面形态，凸脊(2)和凹槽(1)均与活塞环槽走行平行或基本平行。

3.根据权利要求1或2所述的高润滑低摩擦活塞，其特征是：所述的凹槽(1)和凸脊(2)至少开设在活塞裙部的表面或者活塞头部的头部外圆的表面或者活塞头部的环岸外圆的表面；或是以上三者均包括。

4.根据权利要求3所述的高润滑低摩擦活塞，其特征是：所述的凹槽(1)内填入填充物(3)。

5.根据权利要求4所述的高润滑低摩擦活塞，其特征是：所述的填充物(3)的内部具有多孔隙或多裂隙。

6.根据权利要求4所述的高润滑低摩擦活塞，其特征是：所述的填充物(3)填入凹槽1的方式为常压疏松装填后在一定温度下固化；或填充物(3)的组成成分中至少含有一种造孔剂，将此种填充物(3)填入凹槽后在一定温度下固化。