CN103649507A

CN103649507A - 套头环槽上具有层的气缸套

Info

Publication number: CN103649507A
Application number: CN201280026827.9A
Authority: CN
Inventors: M·T·凯泽; J·W·吉; S·D·珀金; M·R·伯罗
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2032-05-25
Also published as: WO2012166601A3; US20120304954A1; EP2715096A2; WO2012166601A2; CN103649507B

Abstract

一种用于发动机(10)的气缸套(12)包括中空圆柱形套筒，该中空圆柱形套筒包括内表面(22)和外表面(24)，其沿着纵向轴线(20)从第一端延伸到第二端。气缸套还可以包括在靠近第一端的内表面上的环形套头环槽(48)，其具有弧形圆角区域(48a)。气缸套还可以包括形成在套筒内表面上的硬化层(40)。所述层在套头环槽的圆角区域的基部下方延伸。

Description

套头环槽上具有层的气缸套

技术领域

本发明总体涉及一种内燃机的气缸套，更具体地，涉及一种在至少一部分套头环槽上具有层(case)的气缸套。

背景技术

内燃机，比如柴油机或汽油机，包括限定多个气缸孔的气缸体。活塞在气缸孔内往复运动，产生机械功率。典型地，每个气缸孔包括可更换的气缸套。气缸套包括配合在气缸孔内的圆柱形套筒。气缸套也可以包括在它的顶端处的径向凸缘，其在发动机缸体上支撑套。气缸套的内表面(称为工作表面)用作活塞环的滑动表面。由于发动机运行期间活塞环在工作表面上滑动，气缸套可能随着时间的流逝而磨损。当气缸套磨损不利地影响发动机性能时，气缸套可能被新的或者整修的气缸套替换。

通常，气缸套可以由钢或者铸铁制成。钢和铸铁都主要是铁，带有碳作为主合金元素。钢包括少于2％(通常少于1％)的碳，而铸铁包括超过2％的碳。由于2％是铁能固化为单相合金的大致最大碳含量，因此铸铁固化为在它们的微观结构中带有碳(为石墨)的多相合金。铸铁中的石墨用作润滑剂，并且提供了在气缸套应用中的耐磨性。根据微观结构中石墨的形态，铸铁可以分类为灰铸铁、蠕墨铸铁或者球墨铸铁。在灰铸铁(或者片石墨铸铁)中，石墨以片状形式存在。在球墨铸铁(ductile iron或nodular iron)中，石墨以小球形式存在。具有球形状的石墨使得球墨铸铁相对于灰铸铁具有提高的刚度、强度和抗冲击性。因此，在要求较高的强度的应用中，气缸套可以由球墨铸铁制造。为了增加气缸套的耐磨性，气缸套的工作表面可以通过感应淬火硬化。

在发动机缸体中安装气缸套期间，以及在发动机运行期间，可能导致气缸套中的高应力。这些应力可能在靠近支撑发动机缸体上的气缸套的凸缘的基部或者根部尤其高。因为所导致的这些高应力，靠近凸缘根部的区域容易疲劳失效。因此，可能在气缸套上执行各种加强操作，以增加气缸套在这个关键区域中的强度。美国专利No.6,732,699(专利’699)公开了一种具有径向上部凸缘的铸铁气缸套，径向上部凸缘包括形成在气缸套的凸缘和外表面之间的连接处的弓形圆角。在专利’699的气缸套中，临近弓形圆角(即凸缘根部)的部分材料被激光硬化，以增加这个区域中材料的抗疲劳强度。虽然激光硬化凸缘根部可以增加气缸套的疲劳寿命，这个方法可能不适合一些应用。例如，执行后处理过程，比如激光硬化，可能增加气缸套的成本。另外，在一些应用中，气缸套的潜在失效引发位置对于激光硬化而言可能不容易达到。

本发明关注克服现有技术中这些或其它缺陷。

发明内容

在一方面，公开了一种用于发动机的气缸套。气缸套可以包括具有内表面和外表面的中空圆柱形套筒，其沿着纵向轴线从第一端延伸到第二端。气缸套还可以包括在靠近第一端的内表面上的环形套头环槽，其具有弧形圆角区域。气缸套还可以包括形成在套筒内表面上的硬化层。所述层可以在套头环槽的圆角区域的基部下方延伸。

在另一方面，公开了一种制造气缸套的方法。所述方法可以包括制造中空圆柱形套筒，中空圆柱形套筒包括内表面和外表面，其沿着纵向轴线从第一端延伸到第二端。所述方法还可以包括在套筒的内表面上形成硬化层，使得靠近第一端的层的厚度大于在内表面的其它区域上的层的厚度。所述方法还可以包括在套筒的靠近第一端的内表面上加工套头环槽，使得在加工后，在套头环槽的基部上保留至少部分所述层。

在又一方面，公开了一种发动机。发动机可以包括发动机缸体，发动机缸体包括一个或多个气缸孔以及定位于至少一个气缸孔中的气缸套。气缸套可以包括具有沿着纵向轴线从第一端延伸到第二端的内工作表面的中空圆柱形套筒、以及从第一端朝向第二端延伸的环形套头环槽。发动机还可以包括通过表面硬化形成在工作表面上的硬化层。所述层可以在至少部分套头环槽下方延伸。发动机还可以包括位于套头环槽中的防磨环或者套头环。

附图说明

图1是具有气缸套12的部分发动机10的横断面视图；

图2A是现有技术气缸套12的一部分的横断面视图；

图2B是图2A的现有技术气缸套的套头环槽的圆角区域的放大图；

图3是图1的部分气缸套的横断面视图；以及

图4是示出了制造图3中气缸套的示例方法的流程图。

具体实施方式

图1是具有气缸套12(“套12”)的部分发动机10的横断面视图。发动机10包括具有活塞孔16的发动机缸体14。套12能够可移除地安装在活塞孔16中。套12具有沿着纵向轴线20延伸的中空的大致圆柱形主体，其包括内工作表面22和外表面24。套12还包括从套12的顶端径向延伸的环形凸缘32。凸缘32的外表面与形成在发动机缸体14中的环形阶梯状安装表面匹配。虽然这里示出了套12由凸缘32支撑在发动机缸体14上，但是套12也可以通过其它方法支撑在发动机缸体14上。例如，在一些实施例中，套12可以压配合在孔16中。在这些实施例中，套12可以不包括凸缘32。固定到发动机缸体14的气缸盖34封住发动机10在孔16内的燃烧室。燃烧室被套12的工作表面22界定侧面。在发动机10运行期间，发生在燃烧室中的燃烧加热套12。发动机缸体14可以包括水套腔18，其沿着外表面24循环水以冷却套12。在一些实施例中，套可以通过其它方法冷却。

套12可以由任何类型的钢或者铸铁制成。在一些实施例中，套12可以由球墨铸铁制成。还可想到，在一些实施例中，套12可以由钢或者其他类型的铸铁制成，比如灰铸铁或者蠕墨铸铁。在一些具有钢套的实施例中，如共同未决的美国申请No.13／036,249中描述的，钢的形成片状珠光体的退火步骤可以被正火热处理步骤替代。美国申请No.13／036,249的说明书的全部内容通过引用结合入本申请中。

如现有技术所知，活塞26可以在活塞孔16内在接近套顶部的上止点(TDC)位置和接近套12底部的下止点(BDC)位置之间往复运动。当活塞26往复运动时，(活塞26的)活塞环36在套12的工作表面22上滑动。由于活塞环36在工作表面22上重复滑动，工作表面22可能遭受磨料磨损。为了提高工作表面22的耐磨性，工作表面22可以包括硬化壳或者层40。层40是工作表面22的表面区域，在该表面区域中套材料的晶体结构通过热量应用而基本上转化为马氏体。层40可以通过任何表面硬化工艺形成，例如，火焰淬火、感应淬火、激光淬火或者任何其它已知的表面硬化方法。

为了形成层40，套12的工作表面22被加热到高温，并且然后迅速冷却以产生包含在所述表面上基本上是马氏体的“层”。如现有技术所知，当铁合金(钢、铸铁等)被加热到合金的奥氏体范围内的温度且保持在这个温度足够的时间时，铁合金的晶体结构改变为奥氏体结构。当随后合金淬火(或者迅速冷却)时，碳原子没有时间扩散出晶体结构并且形成马氏体。在冷却期间当奥氏体达到马氏体开始温度时，开始向马氏体转换，并且在马氏体结束温度时终止。马氏体是晶体结构，坚硬且耐磨损。因此，层40为工作表面22提供了耐磨性。

在一些实施例中，使用感应淬火工艺将工作表面22的表面上的一层材料转化为层40。感应淬火使用电磁感应原理加热套12的工作表面22。如现有技术所知，在感应淬火中，感应线圈扫描套12的内部表面，以在工作表面22上应用交替磁场，从而加热工作表面22并且在其上形成层40。通过改变扫描的参数(例如频率、功率水平、扫描速度等)，所需深度的层40可以形成在工作表面22上。层40的深度可以通过改变频率、功率水平或者线圈的扫描率而变化。虽然厚的层40可能似乎对于磨损寿命观点是期望的，但是可能具有不期望的副作用。例如，增加层40的厚度可能要求增加套12的厚度。增加套12的厚度可能不期望地增加套12的重量。而且，较厚的层40可能对套中的应力有不期望的影响。因此，为了实现有益地增加磨损寿命并同时最小化不期望的副作用来选择层40的厚度。虽然图1示出的工作表面22具有在套12的基底材料12a上的一个不同层的层40，在一些实施例中，过渡层可以存在于基底材料12a和层40之间。

套12可以包括位于靠近TDC的套头环槽48中的防磨环或者套头环38。虽然套头环槽48可以是任何形状，在一些实施例中，套头环槽48可以是从套筒的顶端延伸的阶梯状槽。套头环38通过刮掉发动机10运行期间在活塞26顶部边缘上沉积的一些燃烧产物，可以有助于减少套12的磨损。典型地，形成层40后，机械加工操作形成套头环槽48。在形成套头环槽48期间，弧形圆角区域48a(参见图3)也可以形成在套头环槽48的壁之间的连接处。由于套头环槽48接近凸缘32，已知套头环槽48的圆角区域48a是高应力区域，其可能是套12内的疲劳裂缝引发位置。

图2A示出了具有形成在其上的层140的现有技术套112的一部分的横断面视图。典型的现有技术套112具有沿着套112的长度带有恒定厚度“t”的层140。典型地，如图2A所示，层140的厚度小于套112的套头环槽148的深度“d”。因此，机械加工操作从套112的顶部完全移除层140，形成套头环槽148。如图2B所示，形成层140的感应淬火操作，在层140中引起残余压应力σ_c。为了平衡这些压应力σ_c，在套112的下层基底材料112a中引起拉应力σ_t。从套头环槽148中移除层140减轻了这个区域中基底材料112a的拉应力σ_t。然而，套头环槽148的圆角区域148a中的基底材料112a将依然承受残余拉应力σ_t，因为临近圆角区域148a的区域中存在层140。已知残余拉应力加速疲劳裂缝的引发和传播，并且因此不期望残余拉应力存在于易于疲劳失效的位置。

图3示出了本发明的具有形成在其上的层40的示例气缸套12的一部分的横断面视图。层40的厚度沿着套12的长度变化。在与套头环槽48相关的区域A中，层40可以具有厚度t_A，并且在套12的区域B、C、D和E中，层40可以分别具有厚度t_B、t_C、t_D、t_E。虽然图3示出了区域A覆盖套头环槽48的整个长度，但是可想到，在一些实施例中，区域A可以仅覆盖圆角区域48a的基部，而不是套头环槽48的整个长度。如之前解释的，层40可以具有其中引起的压应力σ_c。因此，通过在圆角区域48a中具有层40，圆角区域48a暴露的表面上的残余应力从(在现有技术套112中的)拉伸转变为压缩。已知残余压应力延迟疲劳裂缝的引发和传播。因此，圆角区域48a中的层40提高了套12的疲劳寿命。

虽然图3中示出了五个不同区域A、B、C、D和E，但是套12的一些实施例可以包括不同数量(少或者多)的区域。例如，在一些实施例中，套12可以仅包括三个区域。在一些这种实施例中，在一些区域中的层40的厚度可以基本相同。例如，在一些实施例中，层40在区域C、D和E中的厚度可以基本相同(即，t_C≈t_D≈t_E)。厚度t_A、t_B、t_C、t_D和t_E可以具有提供足够耐磨性同时最小化不期望的副作用的任意值。在一些实施例中，t_A可以在大约0.5和1.5mm之间，厚度t_B可以在大约0.7和3.5mm之间，并且厚度t_C、t_D和t_E可以在大约0.7和1.8mm之间。在一些实施例中，t_A可以在大约1.0和1.5mm之间，厚度t_B可以在大约2.0和3.0mm之间，并且厚度t_C、t_D和t_E可以在大约1.0和1.8mm之间。在一些其它实施例中，t_A可以在大约1.1和1.3mm之间，厚度t_B可以在大约2.0和2.5mm之间，并且厚度t_C、t_D和t_E可以在大约1.4和1.8mm之间。虽然层40的厚度(t_A、t_B、t_C、t_D和t_E)的任意值是可能的，并且位于本发明的范围内，但是期望上述厚度提供足够的耐磨性同时减少不期望的副作用。层40在区域中的厚度可以基本上是恒定的，或者可以在不同值之间变化。例如，在一些实施例中，层40在区域A中的厚度可以从大约0.5mm的最小值变化到1.5mm的最大值。

工业实用性

公开的气缸套可以应用于期望增加气缸套的疲劳寿命的任何应用中。通过表面硬化在气缸套的工作表面上形成层。在具有套头环槽的气缸套的示例性实施例中，层在套头环槽的圆角区域的基部下方延伸。为了在圆角区域的基部下方形成层，在一些实施例中，(相对于其它区域)较厚的层形成在气缸套的套头环槽将随后形成的区域中。然后使用机械加工操作形成套头环槽，同时在套头环槽的圆角区域的基部保留至少部分层。然而，也可想到其它实施例，其中在机械加工套头环槽之后形成圆角区域基部下方的层。现在将描述制造公开的气缸套的示例性方法。

图4公开了制造本申请的气缸套12的示例性方法。套12首先通过任何公知工艺制造(步骤100)。在一些实施例中，代替制造新套12，可以整修之前使用的套12。在这些实施例中，在发动机10中之前使用的套12可以被清洁，并且它的工作表面22准备好在其上应用层40。准备工作表面22可以包括去除油污和从工作表面22清除之前的层的残留(如果有的话)。然后执行表面硬化操作(例如感应淬火)，以将工作表面22上的表面层材料转化成层40。与工作表面22的其它区域相比，较厚的层40形成在工作表面22的选择区域中。在感应淬火形成层40的实施例中，通过改变感应淬火工艺的参数在选择区域中形成较厚的层40(步骤110)。例如，参考图3，通过降低应用到这个区域的交替磁场频率、增加应用到这个区域的磁场的功率水平、和／或降低这个区域中的感应线圈的扫描速度，在区域A中形成较厚的层40。形成在区域A、B、C、D和E中具有期望深度的层40之后，通过一次或者多次机械加工操作形成套头环槽48。这些机械加工操作可以包括任何已知的机械加工操作。在机械加工操作期间，一些层40从工作表面22的顶端移除，以形成套头环槽48。然而，因为区域A中的较厚的层40，部分层40可以保留在套头环槽48的至少圆角区域48a中(步骤120)。在实施例中，形成在套头环槽48的整个长度中的层40的厚度大于套头环槽48的深度d，部分层40将沿着套头环槽48的整个长度被保留。然而，在仅在圆角区域48a中形成的层40的厚度大于套头环槽48的深度d的实施例中，部分层40将仅保留在圆角区域48a的基部处。由于层40通过改变现有工艺步骤(即，没有附加工艺步骤)形成在圆角区域48a中，减少了成本。在一些实施例中，除了(或者代替)在机械加工套头环槽48之前形成在套12的区域A中的较厚层，比如激光或者火焰淬火工艺的工艺可以用于在机械加工套头环槽48之后形成圆角区域48a中的层40。

使用公开的气缸套12的示例性方法可以包括在发动机10上安装具有在工作表面22上的层40的套12。套12可以包括新制造的或者整修的套12，套12具有至少在套12的套头环槽48的圆角区域48a的基部的层40。然后套头环38定位在套头环槽48上，并且组装发动机10。然后运行发动机10。由于圆角区域48a的基部处的残余应力状态是压缩的，将延迟在这个区域中的疲劳裂缝的引发(如果有的话)。此外，如果在圆角区域48a中引发疲劳裂缝，这个区域中的残余压应力将减慢裂缝发展。因此提高了套12的疲劳寿命。

可以对公开的气缸套进行各种修改和改变，对于本领域技术人员来说是可以想到的。考虑对公开的气缸套的说明和实践，其它实施例对于本领域技术人员来说是可以想到的。说明书和示例仅被认为是举例，实际范围将由所附权利要求和它们的等同物表明。

Claims

1.一种用于发动机(10)的气缸套(12)，其包括：

中空圆柱形的套筒，其包括内表面(22)和外表面(24)，并沿着纵向轴线(20)从第一端延伸到第二端；

环形的套头环槽(48)，其位于靠近所述第一端的内表面上并具有弧形的圆角区域(48a)；以及

硬化的层(40)，其形成在所述套筒的内表面上，所述层在所述套头环槽的圆角区域的基部下方延伸。

2.如权利要求1所述的气缸套，其中所述层基本上沿着所述套头环槽的整个长度延伸。

3.如权利要求1所述的气缸套，还包括环形凸缘(32)，所述环形凸缘从靠近所述第一端的外表面径向向外延伸。

4.如权利要求1所述的气缸套，其中所述层基本上沿着所述套筒的整个长度延伸。

5.如权利要求1所述的气缸套，其中所述层在靠近所述套头环槽的区域中的厚度大于所述层靠近所述第二端的厚度。

6.如权利要求1所述的气缸套，其中所述层的厚度从靠近所述圆角区域的区域到所述套筒的第二端降低。

7.一种制造气缸套(12)的方法，其包括：

制造中空圆柱形的套筒(步骤100)，所述套筒包括内表面(22)和外表面(24)，所述套筒沿着纵向轴线(20)从第一端延伸到第二端；

在所述套筒的内表面上形成硬化的层(40)(步骤110)，使得所述层的靠近所述第一端的厚度大于所述层在所述内表面其它区域上的厚度；以及

在所述套筒的靠近所述第一端的内表面上机械加工套头环槽(48)(步骤120)，使得在机械加工后，在所述套头环槽的基部上保留至少部分所述层。

8.如权利要求7所述的方法，其中制造中空圆柱形的套筒包括制造从所述第一端处的外表面径向向外延伸的环形凸缘(32)。

9.如权利要求7所述的方法，其中形成层包括形成在靠近所述第一端是大约0.7和3.5mm之间的厚度并且在靠近所述第二端是大约0.7和1.8mm之间的厚度的层。

10.如权利要求9所述的方法，其中机械加工套头环槽包括机械加工所述套头环槽，使得一层大约0.5和1.5mm之间厚度的所述层保留在所述套头环槽的基部上。