CN104053932A - 由环毛坯形成的活塞环 - Google Patents

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罗伯特·J·皮卡德
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Abstract

本发明公开了一种活塞环，该活塞环由具有横截面轮廓的环毛坯(例如，线材)形成，该横截面轮廓包括大致平行且设置在内周面与外周面之间的上表面和下表面。横截面轮廓还包括位于具有尖部区域的下表面的外部的钩部区域。尖部区域设置有尽可能尖锐的半径部，并且尖部区域设置为使得例如用单个大致平坦研磨表面在下表面上进行的研磨操作也会研磨尖部区域，从而截短尖部区域并且增大尖部区域的尖锐度，而不必进行额外的机加工操作。

Description

由环毛坯形成的活塞环
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年12月14日提交的美国临时专利申请No.61/570,616和2012年12月4日提交的美国专利申请No.13/693,472的优先权，上述申请的全部内容通过引用的方式明确并入本文。
技术领域
本发明总体涉及活塞环，并且更具体地涉及一种使用诸如线材等环毛坯(ring blank)形成的活塞环，该环毛坯具有改进的横截面形状。
背景技术
活塞在内燃机的气缸内往复运动，并且压缩气缸燃烧室内的诸如气体等流体。然后这些压缩的流体被点燃以在燃烧室内膨胀，从而迫使活塞远离点火点并且使活塞循环到其原始位置。活塞通常包括用于接纳活塞环的至少一个凹槽。活塞环与气缸壁形成密封，以防止气体从燃烧室中漏出。
传统上有两种不同类型的活塞环，即控油环(oil control ring)和气环(compression ring)。对于气环来说，活塞组件通常包括一个或多个气环，以形成活塞的外表面与气缸壁之间的密封。在气环外周面的一部分与气缸壁接触的同时气环的内周面装配到活塞的环形凹槽中。气环的外周面在活塞与气缸壁之间的间隙中形成密封，以防止高压燃烧气体和空气从燃烧室中漏出。通常，每个活塞中均设置有两个气环(一般称为第一活塞环和第二活塞环)和一个控油环。除了防止气体从燃烧室中漏出之外，第二活塞环还可以实施需要在活塞的向下冲程中从气缸壁刮除油的刮油功能。由于刮油功能能够防止油进入到燃烧室中并且燃烧，因此刮油功能对于降低油耗非常重要。
一种通常用作第二活塞环的已知活塞环被称为Napier环(钩形环)10，其为图1所示的实例。Napier型环10包括大致锥形的外周面11和具有钩形槽13的下表面12。当环10定位在活塞18的凹槽17中时，钩形槽13与锥形外周面11之间的交界限定了与气缸16的壁部15接触的边缘14。
通常由金属线材来提供某些第二活塞环，金属线材随后被机加工成具有所需横截面。机加工过程可以包括车削和研磨，获得所需形状的步骤不仅昂贵而且耗时。机加工过程还会因对材料的车削或研磨而产生毛刺和碎片，这会产生需要在使用之前从线材中清理掉的废料和细颗粒，这是一个问题。已知的设计试图通过使用铸铁第二环而非来自拉制线材/滚扎线材中的钢材来减轻这些问题，因为铸铁更易于进行机加工且由此降低了机加工成本并产生了更少的毛刺。然而，由于与铸铁相比，钢线材相对较轻和耐用，因而第二环使用钢线材是比较理想的，因此需要一种减少形成钢线材的第二环所需的机加工过程的方法。
另外，结合了用在钢线材的第二环中的Napier型轮廓的现有设计需要多个机加工操作。由于需要增强第二环的刮除效果而存在对基本尖锐(锋利)的边缘14的需要，这导致了需要使用多个研磨表面的多个研磨步骤。然而，通常的拉制线材/滚扎线材一般不会形成边缘足够尖锐的轮廓(基本上，拉制线材/滚扎线材的轮廓中的拐角具有最小半径为0.05mm的圆角形状)。因此，需要多个研磨操作来使边缘14变得尖锐。更具体而言，必须对环的底面施加第一研磨操作，并且必须对外径表面施加第二研磨操作。标准的Napier钩包括轴向偏移部19，例如在对下表面12的研磨操作期间，轴向偏移部19防止钩部的下侧与单个研磨表面接触。因此，除了需要对下表面12的研磨操作之外，通常至少还需要沿外径(O.D.)表面进行第二研磨操作，以形成相对尖锐的边缘14。现有的微Napier型设计也包括轴向偏移部19，该轴向偏移部19能够在应用于下表面的过程中完全防止研磨表面与外边缘14的任何接触。
外径(O.D.)锥体研磨通常比较昂贵并且在用于钢环时不是特别具有成本效益。因此，需要一种例如使用线材的环毛坯设计，该设计在免除了额外机加工的成本和需要的同时允许线材制造商灵活地实现Napier型第二环的边缘14的接近尖锐的状态，从而提供具有成本效益的高性能钢活塞环。
发明内容
本发明公开了活塞环(例如，第二活塞环)以及用环毛坯(例如，线材)制造该活塞环的方法的各种示例性例子。一个示例性方法可以包括：提供具有横截面轮廓的近净形(near net shape)环毛坯。该环毛坯大致可以包括设置在内周面与外周面之间的平行的上表面和下表面，以及形成在外周面的底部的大致锥形的尖部区域(nosearea)，其中，尖部区域包括尖部半径部(nose radius)，外周面终止于该尖部半径部。环毛坯还可以包括邻接尖部区域的钩部区域，其中，钩部区域限定了位于下表面的外部中的钩状凹槽。该方法还可以包括将该近净形环毛坯形成为环形形状，以及用大致平坦的研磨表面研磨下表面以及尖部区域的下部，从而在研磨环的下表面的同时截短尖部区域的下部。
附图说明
虽然权利要求书不限于示出的实例，但通过本发明的各种实例的讨论能够最佳地获得对各个方面的理解。现在参照附图，附图详细示出示例性方案。虽然附图表示本文所述的示例性实例，但附图不一定按比例绘制并且某些特征可被夸大以更好地示出和解释示例性实例的创新方面。此外，本文所述的示例性实例并非旨在进行穷举或者以其它方式限制或局限于附图中所示和以下详细说明中所公开的确切形式和构造。通过参考以下附图对本发明的示例性实例进行详细描述：
图1示出已知活塞环的横截面图；
图2示出示例性活塞环毛坯(例如，可以用于形成活塞环的线材)的横截面图；
图3示出示例性活塞环毛坯的横截面图的一部分；
图4示出形成为环形形状的示例性活塞环毛坯的透视图；
图5A示出研磨操作之后的示例性活塞环毛坯的横截面图；
图5B示出侧研磨操作之后的示例性活塞环毛坯的横截面图的一部分；
图6示出活塞环毛坯的实施例的横截面图；
图7示出活塞中的活塞环以及活塞缸的横截面图；以及
图8是制造第二活塞环的方法的流程图。
具体实施方式
说明书中提到的“示例性例子”、“实例”或类似表述指的是在至少一个示例性例子中包含结合示例性方法所描述的特定特征、结构或特性。在本说明书中的各个位置出现的短语“在例子中”或类似的表述并不一定都是指同一例子或实例。
参考图2至图5，这些图示出了活塞环毛坯20的示例性例子的示意图。如图2所示，活塞环毛坯示出为毛坯(例如，线材20)的横截面图，该毛坯的横截面轮廓包括上表面24、下表面22、限定了内径(ID)的内周面23和限定了外径(OD)的外周面21。虽然本文所提供的示例性例子可以涉及包括滚扎线材(例如，线材20)的环毛坯，但是也可以采用诸如铸造或锻造的环毛坯等其它的环毛坯。因此，仅仅作为实例，可以以任何方便的方式(例如滚扎、锻造或铸造)形成示例性环毛坯20。上表面24和下表面22大致平行并且设置在内周面23与外周面21之间。虽然上表面24和下表面22被示出为彼此平行，但表面24、22可以不完全平行，此外，在一些实例中，上表面24和下表面22可以稍微不平行，以允许在线材20形成为环形活塞环之后线材20发生变形。更具体而言，线材20的上表面24和下表面22最初可以不平行，但通过将线材20形成为环形形状而使得表面24、22变得平行，或至少变得比线材20形成为环形形状之前更平行。
如图2和图3所示，下表面22在外边缘处包括钩部区域27，钩部区域27包括具有相对尖锐的半径部26的尖部半径区域25，半径部26构造为用于提高控油特性的刮除边缘。外周面21可以大致呈锥形并且从上表面24向外延伸到尖部半径区域25。在一个实例中，如图3所示，外周面21与垂直于上表面24和下表面22的直线所成的角度约为2度的锥形。在一个示例性例子中，在线材成型过程中形成锥角。因此，在此类实例中无需研磨操作来形成外周面21的锥角。活塞环线材20可以通过用于普通发动机/活塞应用的任何已知工艺形成为如图4所示的环形形状，其中尖部区域25定位成径向向外。活塞环线材20可以由诸如钢(例如，9254CrSi钢)等弹性金属材料构成。
与上述的常规Napier型活塞环不同，在一个示例性例子中，活塞环线材20可以由具有“近净”形状(即，在拉制/滚扎之后并在诸如车削或研磨等进一步机加工之前的初始线材形状)的线材形成，例如如图3所示，该形状在尖部半径部26上具有尽可能接近尖锐的状态。在一个示例性例子中，在近净形环上的典型研磨操作可以从近净成形的环毛坯或线材20上除去约为0.035毫米(mm)的材料。随后可以对活塞环线材20的外边缘进行机加工，以进一步增加外边缘的尖锐度。例如，在一个示例性例子中，可以对活塞环线材的外边缘进行机加工，以除去材料的例如约为0.004毫米(mm)的径向最外层。
任何基底的环毛坯或适宜的线材均可以用作活塞环毛坯，例如，线材20。仅仅作为实例，示例性的基底线材可以包括1.54毫米(mm)的线材、1.24mm的线材、1.04mm的线材。此外，这三个示例性尺寸仅仅是每个宽度系列内的总的选择的子集。可以提供多种径向厚度，以与特定应用的所需张力和/或直径对应。
仅仅作为实例，如在图2中可以看出，限定了初始“近净”形状的活塞环线材20可以具有最大半径R1约为0.05mm的尖部半径部26。此外，与常规的Napier型活塞环不同，活塞环线材20的尖部区域25没有从下表面22轴向偏移，从而允许单个研磨表面50(参见图5A和图5B)同时与下表面12(至少包括其平坦部分)和尖部半径部26这两者接触。在一个示例性例子中，尖部区域25限定了大致等于下表面22的轴向位置的最低轴向位置，即，相对于活塞环的最低轴向位置。活塞环线材20的尖部区域25可以包括相对于下表面22向上或向下的非常小的轴向偏移(未示出)，只要尖部区域25仍然能够通过由大致平坦研磨表面施加在下表面22上的同一研磨操作进行研磨，且不必需从下表面22或尖部区域25除去过量的材料即可。换言之，任何偏移应足够小，以使得采用大致平坦的研磨表面的标准侧研磨(side grinding)操作将会研磨到下表面22和尖部区域25这两者。
如图3所示，活塞环线材20的钩部区域27可以包括与正切于下表面22的假想线成角度α的下切角(under cut angle)31。角度α例如可以设定为15度。作为选择，角度α可以设定为类似于标准Napier和微Napier的灰口铸铁环的下切角。然而，与标准Napier和微Napier不同，下切角31可以从尖部半径部26径向向内延伸并终止于圆角32。圆角32可以朝向下表面22并沿径向向内的方向大致向下延伸。在一个示例性例子中，圆角32可以具有约为0.050mm至0.150mm的半径R2。圆角32可以以预定角度延伸并终止于后切半径部(back cut radius)33。后切半径部33朝向下表面22大致向下和向内延伸，然后终止于下表面22。在一个示例性例子中，弯曲的后切半径部32可以具有约为0.050mm至0.150mm的半径R3。在一个示例性例子中，可以在近净成形的线材中形成包括下切角31、圆角32和后切半径33的钩部区域27，这将在下文中进一步描述。
钩部区域27提供了收集容积，该收集容积通过提供可供被刮除的油流入的空间或容积来增加刮油作用的效果，从而降低第二环下方的容积的压力并且减少泄漏到第二环上方的容积中的油量。
如上所示，线材20可以不包括尖部区域25的轴向偏移，或作为选择，在尖部区域25处可以包括非常小的预定轴向偏移，而这个轴向偏移足够小，以允许在对下表面22的研磨操作期间，当大致平坦的研磨表面(例如，侧磨机)50去除材料时，尖部半径部26的下部和下表面22被同时接触。对下表面22的研磨操作可以与对上表面24的研磨操作大致同时地进行。例如，如图5A所示，在下表面22被侧磨机50研磨的同时，可以提供第二侧磨机51来研磨上表面24。
图5A示出已进行了前述侧研磨操作之后的线材20的实例，其中虚线表示通过侧研磨操作已从上表面24和下表面22除去的材料。如图5B所示，尖部半径部26的轴向位置允许下表面22的研磨操作在侧磨机50至少接触下表面22的平坦部分时接触尖部半径部26，从而在研磨下表面22的同时在半径部26的底侧生成截短部(truncated portion)40。该截短部40使尖部区域26变得尖锐，从而使尖部区域26接近于常规的Napier型环的尖锐边缘14，并且实现所需的刮除效果而无需在外表面21实施额外的锥度研磨。如上所述，外径(O.D.)车削或锥度研磨操作是相对昂贵和费时的操作，因此，省去这种额外的研磨操作能够得到更具成本效益的活塞环。在图5A和图5B中，为了提高附图的可见度而夸大了示出为通过侧研磨操作而除去的材料的量。在实践中，实际研磨深度n1和/或n2可以比所示的要小。在一个示例性例子中，各研磨深度n1和/或n2约为0.035毫米(mm)。在另一实例中，上表面24和下表面22被研磨掉的总轴向高度约为0.07毫米，其中从上表面24和下表面22中的每一者上除去的轴向高度大致相等。在另一实例中，近净成形线材限定了约为1.24～1.26毫米(mm)的轴向高度，并且上表面24和下表面22被研磨成使得从近净成形线材所得到的成品环限定了约为1.17～1.19毫米(mm)的轴向厚度。
额外的机加工过程可以包括精磨活塞环线材20的外周面21。例如外周面21可以研磨成筒体(未示出)，以在活塞环线材20形成为圆形形状之后在由活塞环线材20形成的活塞环的圆周周围提供与发动机缸表面的360°的接触。精磨操作还可以进一步将尖部26的半径R1减到最小，从而进一步使尖部边缘变得尖锐。
环20还可以在例如镀铬操作中被施加耐磨层。例如，镀铬层可以沉积在外周面21上。仅仅作为实例，诸如镀铬层或物理气相沉积镀层等耐磨层通常能够减少划伤并且改善环20的耐磨性。
在施加耐磨层(例如镀铬层)的一个示例性方法中，可以堆叠由活塞环线材20形成的多个活塞环(即，在活塞环线材20形成为大致圆形的活塞环形状之后)，以便于将耐磨层一次性地施加在多个环上。然而，将例如镀铬层一次性地施加在多个环20上会产生这样的问题：铬在为电镀而堆叠起来的相邻环之间易于形成桥接。这特别成问题，因为省去了轴向偏移部19会使相邻的堆叠的环20的外周面21彼此变得非常接近。因此，为了克服这个问题，如图6所示，在上表面24与外周面21之间的线材活塞环20的横截面轮廓中可以包括倒角60。倒角60提供了位于堆叠的环20的外周面21之间的间隙，从而允许耐磨层(例如，镀铬)在相邻的环之间断开以避免桥接。可以采用在上表面24与外周面21之间的任何方便的倒角过渡或渐缩过渡。
如图6所示，环20还可以包括位于内周面23与下表面22之间的内径斜角61。虽然图6示出了在活塞环线材20中包括倒角60和斜角61这两者，但是任一特征可以彼此独立地包括在环20中。当线材形成为环形形状时，内径斜角61通常可以允许环20实现线材中的所需的扭曲(twist)水平。当环20由大致直的环毛坯(例如，线材)形成为环状/环形时，环扭曲部包括相对于环20的其它部分轴向向上扭曲的环20部分(例如，环的外侧上的部分)。例如，环的内侧上的部分可以表现出环扭曲，如图7所示，图7示出了已插入到活塞18的凹槽17中的具有环扭曲的活塞环20的横截面。环扭曲可以是理想的，因为通过使活塞环20的某些部分(例如，图7中的71、72和73)接触与活塞环20略松地装配的凹槽17的侧面，环扭曲有助于密封凹槽17。这种密封有助于防止油从第二环下方的容积迁移到第二环上方的容积中。
现在转到图8，图8示出了用于生产活塞环20的示例性方法800的流程图。在步骤S1中，提供具有例如如上所述的横截面轮廓的拉制或滚扎的金属(例如，钢)线材。
前进到步骤S2，通过用于普通发动机/活塞应用的任何已知工艺将线材形成为具有图4所示的径向向外地定位的尖部区域25的环形形状。在一个示例性例子中，可以采用具有加热成形步骤的圆形卷绕工艺(round coil process)，以形成具有大致连续的曲率半径的线材。在另一实例中，可以采用凸轮卷绕工艺(cam coil process)，以提供可变的曲率半径。然后，方法800可以前进到步骤S3。
在步骤S3中，进行研磨操作，其中同时研磨环20的尖部区域25的下部以及环20的下表面22，从而在尖部区域25中形成截短部40。更具体而言，如上所述，可以采用大致平坦的单个研磨表面50来研磨尖部区域25和下表面22的至少平坦部分这两者。
前进到步骤S4，可以将耐磨层(例如镀铬或物理气相沉积层)施加到环20的外周面21上。如果方法包括步骤S4，则可以有利地采用具有倒角60的横截面轮廓来防止相邻外表面21和/或环20的桥接。然后，方法800可以前进到步骤S5。
在步骤S5中，可以进行精磨操作。例如，如上所述，可以将精磨工艺应用于环22的外周面21上，从而进一步使尖部区域25变得尖锐。
关于本文中所述的过程、系统、方法、直观推断等，应当理解的是，尽管已经说明了根据特定的顺序发生的这种过程等的步骤，但这些过程可以用所说明的步骤按与本文中所述的次序不同的次序来执行。还应当理解的是，可同时执行某些步骤，可增加其它步骤，或者可省略本文中所述的某些步骤。换言之，本文中对过程的描述是为了说明特定实施例而提供的，而不应当被视为对要求保护的发明进行限制。
因此，应该理解的是，以上说明旨在进行阐述而非加以限制。通过阅读以上说明，可以提供除所提供的示例之外的许多实施例和应用。本发明的范围不应参考以上说明来确定，而应当参考所附权利要求及这些权利要求所要求的等同内容的全部范围来确定。预期和预见到将来本文所述的技术将会发展，且所公开的系统和方法将结合在这些未来的实施方式中。总之，应当理解的是，本发明能够进行修改和变更且仅由所附的权利要求所限制。
权利要求中所使用的所有术语旨在给出它们最宽泛的合理构造和如本领域技术人员所理解的它们的通常含义，除非本文有相反的明确说明。特别是，所使用的单数形式冠词(例如“一个”、“该”、“所述”等)应该被理解为所指元件的一个或多个，除非权利要求记载了明确相反的限制。

Claims (21)

1.一种构造活塞环的方法，包括：
提供具有横截面轮廓的环毛坯，所述横截面轮廓包括：
大致平行的上表面和下表面，所述上表面和所述下表面设置在内周面与外周面之间；
大致锥形的尖部区域，所述尖部区域形成在所述外周面的底部，其中，所述尖部区域包括尖部半径部，所述外周面终止于所述尖部半径部；以及
钩部区域，所述钩部区域邻接所述尖部区域，其中，所述钩部区域限定了位于所述下表面的外部中的钩状凹槽；
将所述环毛坯形成为环形形状；以及
用大致平坦的研磨表面大致同时研磨所述下表面以及所述尖部区域的下部，从而在研磨所述下表面的至少平坦部分的同时截短所述尖部区域的下部。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括精磨所述外周面。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述横截面轮廓包括倒角，所述上表面和所述外周面终止于所述倒角。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述横截面轮廓包括斜面，所述上表面和所述下表面中的一者以及所述内周面终止于所述斜面。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括将镀铬层施加在所述外周面上的步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述环毛坯的所述横截面轮廓形成为使得所述尖部区域的最低部分位于与所述下表面的切线大致平齐的位置。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述环毛坯包括钢材。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述尖部半径部限定了所述环毛坯中的最大近净形半径，所述最大近净形半径不大于约0.06毫米。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述钩部区域包括：下切角，其从所述尖部半径部向上并向内延伸；圆角，所述下切角终止于所述圆角；以及后切半径部，所述圆角终止所述后切半径部，所述后切半径部终止于所述下表面。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述后切半径部限定了所述环毛坯中的约为0.05mm至0.15mm的近净形半径。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述下切角以与平行于所述下表面的假想线成约15°的角度延伸。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述尖部区域限定了大致等于所述下表面的轴向位置的最低轴向位置。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括用线材构造所述环毛坯。
14.一种活塞环，包括：
环毛坯，其形成为大致环形形状，其中，所述环毛坯具有横截面轮廓，所述横截面轮廓包括：
大致平行的上表面和下表面，所述上表面和所述下表面设置在内周面与外周面之间；
大致锥形的尖部区域，所述尖部区域形成在所述外周面的底部，其中，所述尖部区域包括尖部半径部，所述外周面终止于所述尖部半径部，所述尖部区域的最低部分定位成与正切于所述下表面的假想线大致平齐；以及
钩部区域，所述钩部区域邻接所述尖部区域，其中，所述钩部区域限定了位于所述下表面的外部中的钩状凹槽。
15.根据权利要求14所述的活塞环，其中，所述尖部区域的下部包括截短部，所述截短部限定了与所述下表面大致平行地延伸的平坦表面。
16.根据权利要求14所述的活塞环，其中，所述外周面包括镀铬层和物理气相沉积镀层中的一者。
17.根据权利要求14所述的活塞环，其中，所述尖部半径部限定了最大近净形半径，所述最大近净形半径不大于约0.06毫米。
18.根据权利要求14所述的活塞环，其中，所述环毛坯包括钢材。
19.根据权利要求14所述的活塞环，其中，所述钩部区域包括：下切角，其从所述尖部半径部向上并向内延伸；圆角，所述下切角终止于所述圆角；以及后切半径部，所述圆角终止所述后切半径部，所述后切半径部终止于所述下表面。
20.根据权利要求14所述的活塞环，其中，所述尖部区域限定了大致等于所述下表面的轴向位置的最低轴向位置。
21.根据权利要求14所述的活塞环，其中，所述环毛坯是线材。
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