CN105051429B - 包含磨损指示器的活塞环 - Google Patents
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Abstract
一种包含磨损指示器(42)的活塞环(2)，其包括具有外表面(6)、上环侧壁(8)和下环侧壁(10)的活塞环体(4)，其中所述活塞环体(4)的外表面(6)配有向外突出高度(h)的结构(14)，其中在所述外表面(6)上镀覆有覆盖所述突出结构(14)的磨损防护层(12)，其中所述磨损防护层(12)的厚度(D)在所述突出结构(14)的区域内减小了所述突出结构的高度(h)。
Description
技术领域
本发明涉及一种活塞环，在其外部滑动面上具有磨损指示器。
背景技术
活塞环自内燃机制造之日起就为人所熟知。
在大型内燃机中，需要定期通过目检或者通过滑动面涂层的层厚测量来检查活塞环的磨损情况。但使用者经常因位置所限而难以进行可靠的评估。此外，内燃机制造商越来越多地使用因状态而异的维护措施来取代标准检查周期。这样就会更容易达到内燃机构件和活塞环的磨损极限。
迄今为止是通过目检或者通过层厚测量来评估活塞环的。通过目检评估难以获得有关滑动面涂层的尚存剩余层厚的信息。而在安装状态下通过层厚测量进行检查时，测量误差经常很大。
和所有其他机械部件一样，活塞环同样也会受到磨损。目前尚无法在无需将活塞环从活塞的活塞环槽取出的情况下，简单地测定活塞环的磨损情况。
同样已知的是使用专门的磨损防护层来应对活塞环的磨损。
例如，EP1409896或US5901963(A)公开过包含磨损防护层的活塞环。EP1409896与US5901963(A)中的磨损防护层均如此设计，使其足以度过活塞环的整个计划使用寿命。因此，上述文献中未设置能够指示活塞环的磨损情况的磨损指示器。然而，可以在计划的维护周期中对活塞的磨损进行检查。
目前尚无法在不将活塞从气缸中拆下的情况下确定活塞环的磨损情况。因此，需要提供一种活塞环，采用这种活塞环后便能在无需将活塞环从活塞环槽中取出或者无需将活塞从气缸或内燃机中取出的情况下，确定活塞环磨损度。
发明内容
本发明用以解决现有技术中的这一难题。
根据本发明的第一方面，本发明提供一种包括磨损指示器的活塞环。所述活塞环包括外表面。所述活塞环的外表面配有向外突出高度h的结构。在所述外表面上镀覆有覆盖所述突出结构的磨损防护层，其中所述磨损防护层的厚度在所述突出结构的区域内减小了突出结构的高度。所述磨损防护层的厚度大于，但至少等于突出结构的高度。此外，还可设置内表面以及普通的活塞环口。随着磨损防护层的磨损加重，其厚度减小，直至能够看到磨损防护层下方的突出结构。
本发明涉及的是经涂布的环体，尤指滑动面在涂布完毕后尚需后续加工。在环体制造过程中，在涂布前在滑动面轮廓上的顶点处拧入或设置例如一个磨损指示楔。在内燃机运行过程中，所述滑动面涂层发生磨损，直至露出所述磨损指示楔。在检查中，使用者可以很容易地看到磨损指示楔的存在，从而推断出环体的剩余层厚。磨损指示楔的露出对内燃机的运转而言，所带来的问题远小于滑动面涂层的完全磨损。本发明适用于定期进行活塞环磨损检查的所有场合。本发明特别适用于2相工业内燃机，因为在此情况下无需拆卸活塞即可观察到其活塞环的外侧。本发明同样可应用于4相内燃机或压缩机。
在所述活塞环的一种示例性的实施方式中，所述向外突出一定高度的结构包括不同于用来制造活塞环体的材料的材料。这种实施方式能够以简单的方式通过涂布法来镀覆突出结构，这样比从活塞环体上加工出该结构更加简单。
在所述活塞环的另一示例性的实施方式中，所述向外突出一定高度h的结构包括某种材料，其机械特性对应所述磨损防护层的机械特性。由此可以将磨损指示器集成到磨损防护层中，而不会造成负面的效果。如果所述突出结构具有与磨损防护层相似的材料特性，并且能够相应较好地与其相连，那么所述突出结构和磨损指示器的缺点就会较少。
在所述活塞环的另一示例性的实施方式中，所述突出结构的材料的颜色不同于所述磨损防护层的材料。这种颜色对比能够让人们方便地确定是否能在磨损的活塞环表面上看到所述突出结构和磨损指示器。因此无需仅观察结构的差异。这与所述突出结构是否由与活塞环体相同的材料制成或是否包括第三种材料无关。
在所述活塞环的另一示例性的实施方式中，所述磨损防护层的滑动面设计为大体上比所述突出结构的高度h更光滑。其中，所述滑动面以及磨损后的滑动面的表面粗糙度应小于突出结构的高度h，因为否则无法识别出磨损。
在所述活塞环的另一示例性的实施方式中，所述突出结构的高度h小于所述磨损防护层厚度D的1/5，优选小于1/8，进一步优选小于1/10。在所述突出结构的高度h大约对应厚度D的1/2的情况下，所述磨损指示器可以用于观察防护层磨损情况的进展。在所述突出结构的高度h大约对应厚度D的1/5的情况下，所述磨损指示器可以用于较早地显示磨损情况，其中活塞环仍可用于后续的使用。从而可以提前购置备件，并在下一次维护周期时装入活塞环。在所述突出结构的高度h大约对应厚度D的1/8的情况下，所述磨损指示器可以用于较早地显示磨损情况，而所述磨损仍能维持后续使用直至备件的采购。这对于2相内燃机而言尤其有意义，因为在此情况下无需拆除活塞即可通过气缸中的控制槽口来观察活塞环。在所述突出结构的高度h大约小于厚度D的1/10的情况下，所述磨损指示器仅可用作需要立即更换活塞环的指示器和警告，因为不建议再继续进行使用。
在所述活塞环的另一示例性的实施方式中，所述突出结构的宽度B比所述突出结构的高度h大10倍，优选大50倍，进一步优选大70倍。所述突出结构及磨损指示器应当易于识别。从而所述突出结构的宽度需要至少为0.1mm。该尺寸在突出结构的高度通常为0.03mm的情况下形成了上述的尺寸比例。
在所述活塞环的另一示例性的实施方式中，所述突出结构从外表面出发向外逐渐变窄。由此可以使得所述磨损指示器还能够提供有关磨损度的信息。磨损防护层的磨损表面上的所述突出结构越宽，那么磨损防护层的剩余厚度就越小。
在所述活塞环的另一示例性的实施方式中，所述突出结构的高度h在0.01mm和0.1mm之间。所述高度h优选在0.02mm和0.06mm之间。所述高度h进一步优选在0.03mm和0.04mm之间。这些尺寸取决于相应的应用目的，其中较大的数值适合于大型内燃机，而较小的数值则可应用于小型内燃机。
在所述活塞环的另一示例性的实施方式中，所述突出结构的宽度B在0.1mm和5mm之间。所述宽度B优选在0.5mm和3mm之间。所述宽度B进一步优选在1mm和2mm之间。在活塞环的另一示例性的实施方式中，所述突出结构的宽度B在0.04mm和0.08mm之间。此类较小的突出结构仅能使用相应的光学仪器如放大镜或显微镜来进行验证。较小的突出结构的优点在于磨损指示器对于磨损防护涂层的影响较小。此类较薄的突出结构和磨损指示器应具有较大的长度或指定的图案，以便更好地识别出磨损指示器。
在所述活塞环的另一示例性的实施方式中，未磨损状态下所述磨损防护层的厚度D在0.1mm和1mm之间。所述磨损防护层的厚度D优选在0.2mm和0.6mm之间。所述磨损防护层的厚度D进一步优选在0.3mm和0.4mm之间。所述磨损防护层的其他厚度可视具体的应用而定。
在所述活塞环的另一示例性的实施方式中，所述突出结构为阶梯状。阶梯状的结构使得能够借助例如可见结构的宽度来确定磨损防护层的磨损程度。
在所述活塞环的另一示例性的实施方式中，所述突出结构构成摩尔斯电码或文字。指示器也可采用数字和单位来显示磨损防护层的剩余厚度，具体方式是由各数字构成高度不同的结构，其中通过所露出的相应最小的数字来表示剩余厚度。此外，摩尔斯电码的优点在于其具有十分小的尺寸。在突出结构的尺寸较小的情况下，即使磨损防护层的表面上露出了所述突出结构，也不会对磨损防护层造成显著的影响。相比例如环绕的线条，具有较小或点状中断的磨损防护层的影响更小。
在所述活塞环的另一示例性的实施方式中，所述磨损防护层单侧或双侧地嵌入有小室，其中所述突出结构进一步优选布置在小室的边界上。在磨损防护层单侧或两侧嵌入有小室的情况下，该磨损防护层不延伸至活塞环的边缘。在磨损防护层单侧嵌入有小室的情况下，该磨损防护层从活塞环的一边延伸至由活塞环体的材料所构成的一边的前方不远处。在磨损防护层两侧嵌入有小室的情况下，该磨损防护层被装入在活塞环体上沿圆周方向延伸的槽中。将滑动面磨光后，所述磨损防护层在滑动面的上下边缘前方结束。如果小室的边缘设计为阶梯状，则人们可以根据小室的宽度方便地确定磨损防护层的磨损程度。
在所述活塞环的另一示例性的实施方式中，所述突出结构的材料的颜色不同于所述磨损防护层的材料。该特征更加便于磨损度的确定。一种特殊的设计使得所述突出结构由用于磨损防护层的第一材料制成，其中随后在突出结构上镀覆颜色不同的第二磨损防护层。如此可以将带有嵌入磨损指示器的磨损防护层一起镀覆到包含光滑外表面的活塞环上。
根据本发明的另一方面，本发明提供一种用于包含磨损指示器的活塞环的制造方法。所述方法系提供一种包括外表面的活塞环体或活塞环坯件。在下一步中，在所述活塞环体的外表面上设置向外突出高度h的结构。其中，从外表面到所述突出结构的最高点测量所述高度h。在下一步中，将磨损防护层镀覆到外表面上，其中将所述突出结构覆盖。随后，至少在磨损防护层覆盖突出结构的区域内，将所述磨损防护层磨光。对于加工完成后的活塞环，所述磨损防护层的厚度在突出结构区域内被减小了突出结构的高度h。
所述活塞环体或活塞环坯件通常也包括上环侧壁和下环侧壁以及内表面和环口。
所述活塞环体的外表面可以通过腐蚀或光化学腐蚀的方法来设置向外突出高度h的结构。所述活塞环体的外表面还可以通过铣削、车削或打磨的方式设置向外突出高度h的结构。所述活塞环体的外表面还可以通过涂布来配设向外突出高度h的结构。所述活塞环体的外表面还可以通过如半导体技术中揭示的引线接合的方式设置所述突出结构。
附图说明
为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明进行说明。
图1为本发明的活塞环的一种基本实施方式的剖面图；
图2A和2B为本发明的新活塞环的局部剖面图和局部剖面放大细节图；
图3A和3B为本发明的磨损后的活塞环的局部剖面图和局部剖面放大细节图；以及
图4A和4B为突出结构的构造或者磨损指示器的布置方案的细节图。
附图和说明书中相同或相似的组件或元件用相同的附图标记表示。尽管部分实施方案可能按比例绘制，但所有附图仅对相应实施方式进行示意性展示。为更好地进行说明，附图可能在局部与实际状况存在较大差异。
具体实施方式
图1是本发明的活塞环的一种基本实施方式的剖面图。活塞环2配有一磨损指示器42。活塞环2包括具有外表面6、上环侧壁8和下环侧壁10的活塞环体或活塞环坯件4。活塞环体4的外表面6配有向外突出高度h的结构14。所述结构以接近符合尺寸的方式示出，因而在图1中几乎无法辨识出例如可以是0.03mm的所述高度h。磨损指示器42的宽度标记为B，此处应为0.1至0.3mm。在外表面6上镀覆有覆盖磨损指示器42的突出结构14的磨损防护层12。磨损防护层12的厚度D约为0.3mm，所述厚度在突出结构14的区域内减小了突出结构的高度h。在滑动面16以及磨损防护层12进一步受到磨损的情况下，突出结构14会逐渐显露出来。一旦滑动面16上的突出结构14能够被看到，则说明磨损防护层的剩余厚度最多等于所述高度h，已经不足以或很快将不足以保证活塞机的安全运转。
图2A是图1活塞环的局部剖面图，其中仅示出了滑动面下方的部分。活塞环体4处于水平放置状态，从而滑动面16指向上方。在活塞环体4的外缘6上镀覆有磨损防护层12。上环侧壁8指向右侧，而下环侧壁10则在左侧示出。活塞环2的外表面配有突出结构14，所述突出结构能够在图2A左半部分的中间辨识出。磨损防护层12平滑地在所述突出结构上延伸，而未遵循其走向，从而所述磨损防护层12在突出结构14区域内的厚度被减小。
图2B是图2A局部剖面图的放大细节图。图2B中尤其示出了尺寸h、D和B。为了说明实际的高度尺寸，突出结构14的高度h注明了0.03mm。磨损防护层12的厚度D注明了0.03mm。结构14的宽度可以在0.1至0.60mm之间。结构14的宽度也可以在0.01至0.06mm之间，其中在此情况下，仅能使用显微镜来诊断环磨损情况。结构14的0.01至0.06mm之间的较小的宽度对磨损防护层12的稳定性影响更小。在图2B中可以看出，磨损防护层12平滑地在突出结构14上延伸。磨损防护层12在突出结构14区域内的厚度被减小。如从尺寸上可以看出的一样，附图仅为示意性的，而不符合尺寸比例。
图3A是图2A的活塞环磨损后的局部剖面图。所述滑动面16受到如此的磨损，以至于突出结构14的尖端接触到了滑动面16。所述滑动面的厚度D对应突出结构14的高度h。
图3B是图3A局部剖面图的放大细节图。图3B中尤其示出了尺寸h和B。为了说明实际的高度尺寸，突出结构14的高度h注明了0.03mm。磨损防护层12的厚度D对应高度4，因而同样为0.03mm。在图3B中可以看出，磨损防护层12被平整地磨损至突出结构14。突出结构14此处被设计为旋入活塞环体4中的环。从而突出结构14在磨损的滑动面16上显示为连续的线条。此处的附图同样仅为示意性的，不符合尺寸比例。
图4A和4B示出所述突出结构的构造或者磨损指示器的布置方案的细节图。
图4A是包含多个磨损指示器42的本发明活塞环2磨损后的滑动面的局部俯视图。磨损防护层12在连接上环侧壁的边缘上嵌入有小室。所述小室46是由活塞环材料制成的环，紧邻所述环镀覆磨损防护层。小室46在此配有在磨损防护层12未磨损的情况下被覆盖的阶梯或平台。然而，在磨损的作用下，磨损防护层12被如此地磨损，以至于能够看到作为磨损指示器42的小室46上的阶梯。
在上小室46的下方，通过磨损的磨损防护层12能够看到摩尔斯电码形式的突出结构14。使用摩尔斯电码能够方便地对剩余厚度和高度4进行编码，从而使观察者能够容易地确定剩余厚度。摩尔斯电码的另一个优点在于，摩尔斯电码不会连续地打断磨损防护层12，而是只形成磨损防护层12的较短的中断。因而可以认为即使在磨损防护层12受到磨损的情况下，磨损防护层12的功能也不会受到严重的影响。所述摩尔斯电码可以编码为“Replace”或“更换”或“达到磨损极限”等词语。
图4A中的所述结构44是阶梯状的突出结构14，其中可以看到4级阶梯。相应的结构借助图4B进行了进一步的说明。标记为14/4的磨损指示器42使用了条形图来以图形的方式显示磨损防护层12的剩余厚度。同样地，相应的结构也借助图4B进行了进一步的说明。结构44和14/4的说明参阅图4B，其中所示的情况是图4B的磨损防护层12被磨损至虚线处时的结构。
图4B是所述突出结构沿图4A的S-S线所做出的结构细节剖面示意图。
其他附图中已经说明了活塞环2、包含外表面6的活塞环体4，以及包含滑动面16的磨损防护层12。
图4B中的结构44是阶梯状的突出结构14，所述突出结构包括不同于活塞环体4或磨损防护层12的材料。所述材料44的结构14通过不同方法被应用。所述由材料44制成的结构14由高度呈阶梯状的矩形或正方形柱组成。技术人员由此可以根据滑动面16的表面上所显露的结构的数量和布置来确定磨损防护层12的可能的剩余厚度。当磨损防护层12的厚度D剩下一半时，首先显示出两个正方形。当磨损继续进行时，接着在所述滑动面上出现另外两个正方形。随着磨损的进一步进行，所述正方形之间的空白也依次相连。该结构可以以较小的间距布置在活塞环的整个圆周上，这种布置对于2相内燃机十分有利。对于4相内燃机，根据所预计的磨损最严重的部位，只需将此结构布置在环背和/或环口处足以。
图4B中的结构14/4是倾斜的结构，所述结构由活塞环体4的材料制成。所述结构14/4具有两个倾斜的元件，从而形成线性的高度/宽度或高度/间距比例。从而技术人员能够根据滑动面16的表面上所显露的结构的总宽度和间距来读取磨损防护层12的可能的剩余厚度。当磨损防护层12的厚度D剩下一半时，首先显示出宽度B的两个狭长的矩形。当磨损继续进行时，两个矩形变长，其中所述矩形的间距减小。随着磨损的进一步进行，所述矩形之间的间距也继续减小，直至两个矩形融为一体。根据所述结构的总长度L与矩形之间间距的比例，技术人员能够读取磨损防护层12的剩余厚度。所述结构12/4可以以较小的间距布置在活塞环的整个圆周上，这种布置对于2相内燃机十分有利。对于4相内燃机，只需将此结构布置在环背和/或环口处足以，因为对于这种内燃机类型，为了评估活塞环，必须将活塞从气缸中取出。
应当明确的是，所述结构44/14或14/4也可以沿圆周方向布置在活塞环体的外表面上。
本发明涉及的是经涂布的环体，尤指滑动面在涂布完毕后尚需后续加工。在环体制造过程中，在涂布前在滑动面轮廓上的顶点处设置例如一个磨损指示楔或其他突出结构。在内燃机运行过程中，所述滑动面涂层发生磨损，直至露出所述磨损指示楔或其他结构。在检查中，使用者可以很容易地看到磨损指示楔或其他结构的存在，从而推断出环的剩余层厚。磨损指示楔的露出对内燃机的运转而言，所带来的问题远小于滑动面涂层的完全磨损。本发明适用于定期进行活塞环磨损检查的所有场合。尽管本发明特别适用于2相工业内燃机，同样可应用于4相内燃机或压缩机。
使用者可以在滑动面涂层完全磨损前，及时地发现环体的剩余使用时间，并彻底避免危险的内燃机状态。
所述磨损指示器是针对实际磨损进行内燃机(就活塞环而言)维护的前提条件，或者至少显著简化了这种维护。
附图仅示出了示例性的实施方式。为了避免申请书过于冗长，未示出许多不同的实施方式。应当明确的是，通过将附图所示的本发明实施方式的特征加以组合所得到的各种特征组合，同样应视作揭示内容。在本说明书的范围内，将具有不同材料的不同突出结构加以组合，同样应视作揭示内容。将不同突出结构沿不同方向布置，也应视作揭示内容。
附图标记表
2 活塞环
4 活塞环体
6 外表面
8 上环侧壁
10 下环侧壁
12 磨损防护层
14 突出结构
16 滑动面
42 磨损指示器
44 突出结构14的材料
46 磨损指示器42的小室
h 突出结构14的高度
D 磨损防护层12的厚度
B 突出结构14的宽度
L 突出结构14的长度
S-S 截线
Claims (24)
1.一种包含磨损指示器(42)的活塞环(2)，包括，
具有外表面(6)的活塞环体(4)，其中所述活塞环体(4)的外表面(6)配有向外突出高度(h)的突出结构(14)，
其中在所述外表面(6)上镀覆有覆盖所述突出结构(14)的磨损防护层(12)，其中所述磨损防护层(12)的厚度(D)在所述突出结构(14)的区域内减小了所述突出结构的高度(h)，
其中所述突出结构(14)从所述外表面(6)出发向外逐渐变窄；
其中所述高度(h)小于所述厚度(D)的1/5。
2.根据权利要求1所述的活塞环(2)，其中所述突出结构(14)包括不同于用来制成所述活塞环体(4)的材料的材料(44)。
3.根据权利要求1所述的活塞环(2)，其中所述突出结构(14)包括机械特性对应所述磨损防护层(12)的机械特性的材料。
4.根据权利要求3所述的活塞环(2)，其中所述突出结构(14)的材料的颜色不同于所述磨损防护层(12)的材料。
5.根据权利要求1所述的活塞环(2)，其中所述磨损防护层(12)的滑动面(16)比所述突出结构(14)的高度(h)更光滑。
6.根据权利要求1所述的活塞环(2)，其中所述高度(h)小于所述厚度(D)的1/8。
7.根据权利要求1所述的活塞环(2)，其中所述高度(h)小于所述厚度(D)的1/10。
8.根据权利要求1所述的活塞环(2)，其中所述突出结构(14)的宽度(B)比所述高度(h)大10倍。
9.根据权利要求1所述的活塞环(2)，其中所述突出结构(14)的宽度(B)比所述高度(h)大50倍。
10.根据权利要求1所述的活塞环(2)，其中所述突出结构(14)的宽度(B)比所述高度(h)大70倍。
11.根据权利要求1所述的活塞环(2)，其中所述突出结构(14)由所述活塞环体(4)的材料构成。
12.根据权利要求1所述的活塞环(2)，其中所述高度(h)在0.01mm和0.1mm之间。
13.根据权利要求1所述的活塞环(2)，其中所述高度(h)在0.02mm和0.06mm之间。
14.根据权利要求1所述的活塞环(2)，其中所述高度(h)在0.03mm和0.04mm之间。
15.根据权利要求8-10任一所述的活塞环(2)，其中所述宽度(B)在0.1mm和5mm之间。
16.根据权利要求8-10任一所述的活塞环(2)，其中所述宽度(B)在0.5mm和3mm之间。
17.根据权利要求8-10任一所述的活塞环(2)，其中所述宽度(B)在1mm和2mm之间。
18.根据权利要求1所述的活塞环(2)，其中所述厚度(D)在0.1mm和1mm之间。
19.根据权利要求1所述的活塞环(2)，其中所述厚度(D)在0.2mm和0.6mm之间。
20.根据权利要求1所述的活塞环(2)，其中所述厚度(D)在0.3mm和0.4mm之间。
21.根据权利要求1所述的活塞环，其中所述突出结构(14)为阶梯状。
22.根据权利要求1所述的活塞环，其中所述突出结构(14)构成摩尔斯电码或文字。
23.根据权利要求1所述的活塞环，其中所述磨损防护层(12)单侧或双侧地嵌入有小室(46)，且其中所述突出结构(14)布置在所述小室(46)的边界上。
24.一种用于包含磨损指示器(42)的活塞环(2)的制造方法，包括
在活塞环体(4)的外表面(6)上为所述活塞环体(4)配备向外突出高度(h)的突出结构(14)，
将磨损防护层(12)镀覆到所述外表面(6)上，其中将所述突出结构(14)覆盖，
在所述磨损防护层(12)覆盖所述突出结构(14)的区域内，将所述磨损防护层(12)磨光，使得所述磨损防护层(12)的厚度(D)在所述突出结构(14)的区域内减小了所述突出结构的高度(h)；其中所述高度(h)小于所述厚度(D)的1/5。
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