CN104619976A - 具有耐磨内层的汽缸套 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽缸套(2)，具有外罩层(6)和设置在汽缸套的内侧的耐磨内层(4)，其中，耐磨内层(4)的厚度在汽缸套(2)的至少一个轴向末端减小。

Description

具有耐磨内层的汽缸套

技术领域

本发明涉及一种经过变形和应力优化的多层汽缸套。本发明还涉及一种用于制造这种具有耐磨内层的汽缸套的方法。

背景技术

具有多层结构的汽缸套已经由DE19605946C1中已知。

双层汽缸套也已成为已知技术，其中两个不同材料的管状体，一个铁基耐磨层和一个轻金属基外罩层插入到彼此中并彼此热连接。

如果汽缸套的不同的层具有不同的强度和不同的热膨胀系数，在现有的汽缸套中会导致一个问题。在热负荷下，会产生弯曲应力，这会导致汽缸套变形，或者层从彼此部分或全部脱离。尤其是，该应力可以导致弹塑性变形，在最坏的情况下，会导致涂层的机械故障。在这种情况下，最大的应力发生在汽缸套的轴向末端。人们还知道，这种效应产生更高程度的热结合，基于这样的事实，从发动机的燃烧室到冷却板的热传导被该限制所阻止，并可能导致更高的温度和更大的应力。

因此，期望能够使用一种汽缸套，其中耐磨内层和外罩层之间的应力最小化或完全消失。

发明内容

根据本发明的第一实施例，提供了一种汽缸套，包括外罩层和耐磨内层，耐磨内层设置在汽缸套的内侧。耐磨内层在汽缸套的至少一个轴向末端的厚度减小，或者在特定区域变薄。由于应力主要发生在汽缸套的末端的区域，根据本发明，耐磨内层的厚度在汽缸套的末端减小。耐磨内层的厚度的减小也减少汽缸套的该末端的双金属效应，因为较薄的耐磨内层在响应温度变化时只能施加相对小的力。耐磨内层也可以在汽缸套的至少一个轴向末端之前1～20mm，优选1～5mm的区域内终止。

在汽缸套的至少一个轴向末端，耐磨内层的厚度可以设计成在朝向汽缸套的末端的方向变薄。在汽缸套的至少一个轴向末端,耐磨内层的厚度可以只在汽缸套的末端的区域减小。

应力问题由外罩层和耐磨内层之间的双金属结构所引起。总体而言，本发明的目的为使多层汽缸套的末端的双金属效应最小化，通过用这种方式改变双金属带，双金属效应被减弱。在本发明的背景下，这是通过减小双金属带的其中一层的厚度或壁厚来实现的，从而使该层在响应温度变化只能产生相对小的力时，因此只能施加相对低的应力。

在一个示例性的实施例中，耐磨内层的厚度在汽缸套的两个轴向末端减小。该实施例使保证汽缸套在汽缸顶端或曲轴末端不会收缩成为可能。

在另一个示例性的实施例中，耐磨内层的厚度在汽缸套的至少一个轴向末端或之前减小为零。

因此，耐磨内层的厚度在或朝向汽缸套的末端减小为零，而这可以通过耐磨内层的一步或逐渐变薄来实现。这意味着在这些实施例中，汽缸套的端面只包含外罩层的材料。

在另一个示例性的实施例中，耐磨内层在汽缸套的至少一个轴向末端之前终止。在该实施例中，汽缸套的末端(例如在几个毫米的范围内)只由外罩层的材料形成，使得在该区域没有双金属效应，或者外罩层和耐磨内层之间的双金属效应减小。

在另一个示例性的实施例中，耐磨内层在汽缸套的两轴向末端之前终止。在该实施例中，其可以保证汽缸套在汽缸顶端或曲轴末端不会卷曲。

在另一个示例性的实施例中，耐磨内层在汽缸套的至少一个和/或两个轴向末端之前1～20mm，优选1～5mm的区域终止。

仍在另一个示例性的实施例中，耐磨内层的厚度在汽缸套的至少一个和/或两个轴向末端之前1～20mm，优选1～5mm的区域变薄。

在另一个示例性的实施例中，汽缸套包括至少一个周向凹槽，环绕汽缸套的外侧和/或内侧延伸。这样的凹槽可以中断双金属带，或者其可以用来使其中一层变薄到使得双金属效应显著降低的程度。大幅降低双金属效应也伴随着显著减弱汽缸套中的应力，这可能会引起扭曲和/或变形。

在另一个示例性的实施例中，至少一个周向凹槽延伸的深度为外罩层或耐磨内层的径向壁厚的1/3～2/3。更为优选，至少一个周向凹槽延伸的深度大约为外罩层或耐磨内层的径向壁厚的2/3。由于产生自凹槽的减小的厚度，外罩层和耐磨内层之间的双金属效应在该区域也降低了。

仍在另一个示例性的实施例中，至少一个凹槽(8)位于距离汽缸套(2)的末端1～20mm，优选1～5mm处。这种设置能够使双金属效应在关键区域大幅降低。通常在靠近汽缸套的顶部或汽缸顶端区域不再设置压缩环或刮油环。因此，可以预期在一个或多个凹槽与任一活塞环之间没有不良的相互作用存在。

在另一个示例性的实施例中，至少一个凹槽具有半径不超过1mm的圆形截面。圆形凹槽的使用有助于避免应力峰值，并防止在凹槽的基部上的任何切口效应。

在另一个示例性的实施例中，凹槽在汽缸套的内侧沿弯曲路径延伸。路径的曲率与凹槽在轴向方向的路线一致，其偏离理想的圆形路径。在一个实施例中，凹槽可以在汽缸套的内侧以正弦波的形式延伸。如果正弦波或弯曲路径的幅度大于凹槽的宽度，这可以防止活塞环或刮油环的部分卡在凹槽中。

在另一个示例性的实施例中，耐磨内层在汽缸套的轴向末端的前方的曲线处终止。曲线的曲率与曲线在轴向方向的路线一致，其偏离理想的圆形路径。在一个实施例中，该曲线可以与活塞裙部的形状相适配。该实施例可以与凹槽相结合。该实施例还可以与在轴向方向和大体上只在曲线的振幅范围内延伸的纵向凹槽相结合。

在汽缸套的另一个示例性的实施例中，一外层用来抵消外罩层和耐磨内层之间的应力。在该实施例中，耐磨内层和外罩层之间的双金属效应被耐磨内层和外罩层之间的相反方向的双金属效应抵消。通过这种方式，也可以在周向仅部分地采用该内层。

根据本发明的另一方面，提供了一种具有至少一个铸入的如以上所述的汽缸套的发动机缸体。在这样的发动机缸体中，已知的如汽缸套的变形问题在发动机的制造或运行过程中不会发生。

根据本发明的另一方面，提供了一种具有如以上所述的发动机缸体的发动机。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为根据现有技术的双涂层或双层汽缸套的立体局部剖视示意图；

图2为根据本发明的双层汽缸套，其中，耐磨内层在汽缸套的轴向末端之前终止；

图3为根据本发明的双层汽缸套，其中，耐磨内层的厚度在汽缸套的轴向末端减小为零；

图4为根据本发明的双层汽缸套，其中，耐磨内层的厚度在汽缸套的轴向末端区域通过一个凹槽减小；

图5为根据本发明的双层汽缸套，具有多个凹槽；

图6为根据本发明的三层汽缸套，其中，内层和外层在图中的汽缸套的底端之前终止。

具体实施方式

在图示中和附图中相同的标号用来表示相同或类似的部件或特征。

图1是根据现有技术的双层汽缸套的立体局部剖视示意图。现有技术的汽缸套1包括耐磨内层6和不同材料的外罩层4。该图使其很清楚，该汽缸套相当于卷绕成管状并焊接在一起的双金属带。由此可以得出，当温度变化时，在汽缸套中引起应力。这种应力在汽缸套的上端(或汽缸顶端)和底端(也叫曲轴末端)尤其强。在中间区域，这种效应不会产生明显的效果，因为它们可以被相邻区域的相应的力抵消。

高强度加热时，汽缸套的末端经受桶状变形，因为内部更为耐磨的材料具有更高的强度，以及因此也可能具有更低的热膨胀系数。因此，在引言中描述的问题可能发生在该衬套中，这可以导致汽缸套、汽缸、以及因此整个发动机故障。

图2为根据本发明的双层汽缸套2，其耐磨内层6在所述汽缸套2的轴向末端之前终止。在该例子中，外罩层4在两端都延伸超过耐磨内层6距离x。只有下端的伸出部分在图中做了标注，由于很清楚，伸出部分没有提供参考标记，可以做的更大、更小或同样尺寸。上部的伸出部分优选更大的，因为它受到更高的热负荷，因此表现更为明显的双金属效应。在本实施例中，汽缸套的末端不是由双金属带形成，而是仅包含一种材料。因此，在汽缸套的轴向末端没有双金属带，在末端也没有双金属效应。汽缸套的任何变形由外罩层4的伸出的边缘吸收。

图3为根据本发明的另一双层汽缸套2，其中，耐磨内层6的厚度在汽缸套2的末端减小为零。对于这种结构，双金属效应在拐角或脊部不会减小为零，而是在过渡区域x和y处渐减。这种设计需要更高的加工精度。关于这一点，过渡区域x和y的类型和宽度可以适于给定的发动机的主要的具体条件。上过渡区域y的类型和宽度可以与下过渡区域x的类型和宽度不同。

图4为根据本发明的一个双层汽缸套，其中，耐磨内层的厚度在汽缸套的轴向末端区域通过一个凹槽减小。在该实施例中，汽缸套具有一个内凹槽8’和一个外凹槽8。凹槽8、8’都减小材料的每层的厚度，与相应的其他层的厚度相比。根据凹槽8、8’的深度，凹槽具有削弱各自层的横截面的效应，这反过来又降低双金属效应。在图4中，内凹槽8’用在汽缸套的底部，因此凹槽8’不会与活塞冲突。为了防止与可能卡入凹槽的活塞环冲突，上凹槽8设置在汽缸套的外部。

图5为本发明的具有多个凹槽的双层汽缸套。

图5为本发明的双层汽缸套，其中，耐磨内层的厚度在汽缸套的轴向末端的区域通过凹槽8’、8”减小。在该实施例中，汽缸套在下端具有两个内凹槽8’。此外，汽缸套包括两个外凹槽8,每个具有上和下外凹槽。

汽缸套2还具有上内凹槽8”,其以波浪线或沿弯曲的路径在汽缸套的内表面上延伸。因此，当活塞环安装在汽缸套中时，活塞环可能会卡入到凹槽中的情况不会再出现，所以不会对安装构成障碍。还可能是在汽缸套的上端和下端设置断续的凹槽，以避免与活塞环的任何问题。压缩环不被设置在活塞的顶部，因此，如果凹槽设置在距离汽缸套的顶部的足够短的距离，它不会与压缩环接触。

应当指出的是，凹槽也可以用在图2和图3所示的汽缸套的一端或两端。

下端的内和外凹槽8、8’可以显著的降低双金属效应，以及汽缸套下端的应力值。

图6为根据本发明的三层汽缸套3，其中，如图中所示，内层和外层在汽缸套3的底端之前终止。在图6中，耐磨内层6在周向方向仅部分实现。现代的仅有部分活塞裙的活塞只需要在截面中示出的耐磨内层6。在双层汽缸套中，由于双金属效应的热应力，旋转对称变形不仅发生在下端。此外，在热的影响下，下端的椭圆由于非旋转对称应力而变形。在实施例中所示，外层10也应用在外罩层6的顶部。外层10的规格(材料厚度、强度、热膨胀系数)以这种方式以抵消热应力。这种应力补偿仅在耐磨内层4和外层10覆盖在相同的区域时起作用。

应当清楚，在轴向和周向方向上的所有层的外形可以随意组合，以及另外与凹槽8、8’和8”的组合同样是可能的。仅为了简明这些没有示出。

本发明还提供了一种用于生产多层经过变形和应力优化的汽缸套，用于装配或铸入到由铁或轻金属制成的汽缸曲轴箱中。

汽缸套至少具有一耐磨内层6在内径上和一外罩层4在外径上，汽缸套这样制造使耐磨内层6的厚度向汽缸套(参看图2和图3)的轴向末端方向减小为零。所有在附图中表示的汽缸套都可以根据公知的方法制造，例如通过热喷涂，其中，磨损保护层6的轴向延伸短于外罩层2的轴向延伸。例如，这可以通过改变喷枪的行程来实现，或者用适当的盖子或罩子。汽缸套的在一端或两端(尺寸x和y)制造中没有磨损保护层的部分的轴向长度为1～20mm，理想的为1～5mm。

也可以设想使用组合的方法，其中用机械或热处理的方法处理的耐磨内层通过热喷涂的方法设置有外层。另外，也可以提供一种封装有外罩层的耐磨内层6。

取决于其设计，用这种方法生产的缸套可用于热结合、压入配合或铸造进发动机缸体中。可替代地，或除耐磨内层变薄为零之外，一个或多个周向凹槽(8，8’,8”)设置在缸套的内表面或外表面(参看图4和5)以减小应力。凹槽的位置、形状和深度可以根据汽缸套中预期的应力状态而改变。内凹槽具有大约径向壁厚的2/3的深度、1毫米的半径、以及与底面1到20毫米的轴向间隙，目前被认为对于机动车发动机是理想的。然而，其他尺寸、深度和凹槽形状也可以使用。凹槽可以通过切割或热处理方法形成在表面上。尤其当激光雕刻技术被使用时，弯曲或波浪形的凹槽是非常有利的形式。此外，激光雕刻技术也可以用于形成断续凹槽或点状形式以减小耐磨内层4的壁厚。

Claims (11)

1.一种汽缸套(2)，其特征在于，包括：

外罩层(6)和设置在所述汽缸套的内侧的耐磨内层(4)，其中，

所述耐磨内层(4)的厚度在所述汽缸套(2)的至少一个轴向末端减小，或者所述耐磨内层(4)在所述汽缸套的至少一个轴向末端之前的1～20mm，优选1～5mm的区域内终止。

2.根据权利要求1所述的汽缸套(2)，其特征在于，所述耐磨内层(4)的厚度在所述汽缸套的两轴向末端减小。

3.根据权利要求1或2所述的汽缸套(2)，其特征在于，所述耐磨内层(4)的厚度在所述汽缸套的至少一个轴向末端或至少一个轴向末端之前减小为零。

4.根据前述权利要求中任一项所述的汽缸套(2)，其特征在于，所述耐磨内层(4)在所述汽缸套两轴向末端之前终止。

5.根据前述权利要求中任一项所述的汽缸套(2)，其特征在于，所述汽缸套(2)包括至少一个设置在所述汽缸套(2)的内侧和/或外侧的周向凹槽(8，8’,8”)。

6.根据权利要求5所述的汽缸套(2)，其特征在于，所述至少一个凹槽(8，8’,8”)延伸的深度为所述外罩层(6)或所述耐磨内层(4)的径向壁厚的1/3～2/3，和/或所述至少一个凹槽(8，8’,8”)设置在距离所述汽缸套(2)的一个末端1～20mm，优选1～5mm处，和/或所述至少一个凹槽(8，8’,8”)具有半径不超过1mm的圆形截面。

7.根据权利要求5或6所述的汽缸套(2)，其特征在于，所述凹槽(8”)在所述汽缸套(2)的内侧沿弯曲路径延伸。

8.根据前述权利要求中任一项所述的汽缸套(2)，其特征在于，所述耐磨内层(4)在所述汽缸套(2)的轴向末端之前的二维曲线(12)处终止。

9.根据前述权利要求中任一项所述的汽缸套(2)，其特征在于，还包括抵消所述外罩层(6)和所述耐磨内层(4)之间的张力的外层(10)。

10.一种发动机缸体，具有至少一个铸入的根据前述权利要求中任一项所述的汽缸套(2)。

11.一种包括如权利要求10所述的发动机缸体的发动机。