CN105452637A - 滑动组件 - Google Patents

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Abstract

描述一种用于内燃机的滑动组件，包括汽缸衬垫(1)和至少一个活塞环(10)，衬垫(1)包括限定内表面(S)的通孔，内表面相应的限定三个部分，靠近活塞冲程端部的第一部分(2)，面向汽缸头(靠近上止点-TDC)，第二、中央部分(3)，和靠近活塞冲程端部的第三部分(4)，面向发动机的曲轴(靠近上止点-TPC)，其中(i)衬垫(1)的TDC部分(2)的表面光洁度为由凹槽和突出(“山谷”和“高峰”)结构限定的第一粗糙度值；衬垫(1)的中央部分(3)的表面光洁度为由凹槽和突出(“山谷”和“高峰”)结构限定的第二粗糙度值；衬垫(1)的BDC部分(4)的表面光洁度为由凹槽和突出(“山谷”和“高峰”)结构限定的第三粗糙度值，并且中央部分(3)的粗糙度值大体上低于TDC部分的粗糙度值，并且大体上由凹槽和突出(“山谷”和“高峰”)的光滑结构限定；和(ii)陶瓷涂层(R)通过物理气相沉积法(PVD)至少应用至部分活塞环(10)的接触表面。

Description

滑动组件
技术领域
本发明涉及一种由汽缸衬垫和活塞环组成的滑动组件。
汽缸衬垫包括内壁，该内壁的接触表面的粗糙度显示变化，以致考虑到活塞在衬垫内部的往复运动，中央部分显示的粗糙度低于通过活塞冲程的两个边界部分显示的粗糙度。相应地，活塞环显示通过PVD(物理气相沉积)法沉积的陶瓷涂层，并且该涂层与衬垫的接触表面的特性一起确保环的良好的耐磨性。
背景技术
在内燃机中，活塞环最大的磨损凭借更大的接触压力发生在自由末端(顶端)或附近区域。
更详细的描述，环的顶端的磨损可最多比该部分其他区域发生的高出三倍，涂层的剥落和剥离现象在这一点发生的十分集中。
已发展的不同技术的目的在于减少活塞环末端的这种磨损，但是，这些技术的基础/集中仅仅是活塞环。为汽缸很多发展的不同技术通常涉及减少摩擦。
第一个发展在申请人产权的专利DE102006057111的情况下公开，涉及活塞衬垫，其中粗糙度根据活塞在活塞衬垫内壁位移的长度变化。更加详细的，临近活塞在沿着头的方向上最大行程的部分具有包括第一粗糙度的区域，并且就活塞的行程而言，衬垫的中央区域显示第二粗糙度。在衬垫的工作表面的中间部分，粗糙度值超过末端的粗糙度值。但是，这份文件仅仅集中于衬垫的规格，这份文件没有与在内部滑动的环的类型相联系，高峰和山谷(Rpk、Rk和Rvk值)在衬垫表面上的分布就不会详细规定。
专利文件DE102009010791公开一种汽缸衬垫，该汽缸衬垫提供的末端的粗糙度值比中央区域的粗糙度值高。但是，用于获得这些结构的方法导致产生更大和更浅的凹槽(其间的深度变化很大)，缩小该溶液作为润滑油积累口袋的潜在有效性。但是此外，这份文件仅仅集中于衬垫的规格，没有与在内部滑动的环的类型相联系。
专利文件DE19605588涉及一种汽缸衬垫，关于该汽缸衬垫的内表面在末端显示的粗糙度值比中央部分更大。但是，为实现这个结果，使用包括处理末端区域表面的一些技术参数的珩磨方法，在中央区域使用不同的参数。而且，这份文件仅仅集中于衬垫的规格，这份文件没有与在内部滑动的环的类型相联系。
专利文件JP2004/176556限定一种汽缸衬垫，关于该汽缸衬垫的凹槽之间的角度可变，在活塞行程的末端的角度(角度α)比在中央部分的角度(角度γ)大。在中间部分，中央部分和各个末端之间的角度(β)在中间。
最后，专利文件FR2884889涉及一种汽缸衬垫，关于该汽缸衬垫的滑动表面显示三个粗糙度值，为(i)第一值S1，在面向头的末端部分、中央部分和相反的末端更低(更光滑)，(ii)中等粗糙度的第二粗糙度值S2，应用在面向头的末端部分和中央部分之间和，最后，(iii)第三高的粗糙度值S3，应用在中央部分和与面向头的末端相反的末端部分之间。在这里，也仅仅集中于衬垫的规格，这份文件没有与在内部滑动的环的类型相联系。
目的在于减少这种磨损，申请人发展了目前的滑动组件，其中汽缸衬垫包括接触表面的粗糙度会显示变化的内壁，以致考虑到活塞在衬垫内部的往复运动，中央部分显示的粗糙度低于通过活塞冲程的两个边界部分(上止点，TDC和下止点，BDC)显示的粗糙度。在目前的解决方法中，在粗糙度变化时，限定粗糙度的凹槽和突出(“山谷”和“高峰”)结构大体上是统一的，就作为来储油而言允许对凹槽有更多的研究和更高的效率。
就活塞环而言，活塞环具有通过PVD(物理气相沉积)法应用的陶瓷涂层，并且该涂层与衬垫的接触表面的上述特性一起确保良好的耐磨性。
发明内容
本发明的目的为由汽缸衬垫和活塞环形成的滑动组件，其中汽缸衬垫具有接触表面的粗糙度会显示变化的内壁，以致考虑到活塞在衬垫内部的往复运动，中央部分显示的粗糙度低于通过邻近活塞冲程的两个部分(特别是邻近上止点，TDC)显示的粗糙度，由此可致使减少对活塞环的磨损，该活塞环显示通过PVD法应用的陶瓷涂层。
此外，本发明的目的在于由汽缸衬垫和活塞环形成的滑动组件，其中汽缸衬垫具有接触表面的粗糙度会显示变化的内壁，以致考虑到活塞在衬垫内壁的往复运动，中央部分显示的粗糙度低于通过活塞冲程的两个边界部分(特别是邻近上止点，TDC)显示的粗糙度，在邻近TDC的区域存在最深的凹槽(“山谷”)结构由此可致使减少提供有通过PVD法应用的陶瓷涂层的活塞环的磨损，特别是因为剥落。
本发明的目的通过用于内燃机的滑动组件实现，包括汽缸衬垫和至少一个活塞环，衬垫提供有限定内表面的通腔，内表面相应的限定三个部分，为邻近活塞冲程边界的第一部分，面向发动机的头(邻近上止点，TDC)，第二、中央部分，和邻近活塞冲程边界的第三部分，面向发动机的曲轴(邻近上止点，TDC)，其中：
(i)衬垫的TDC部分显示表面光洁度，包括由凹槽和突出(“山谷”和“高峰”)结构限定的第一粗糙度值；衬垫的中央部分显示表面光洁度，包括由凹槽和突出(“山谷”和“高峰”)结构限定的第二粗糙度值；衬垫(1)的BDC部分显示表面光洁度，包括由凹槽和突出(“山谷”和“高峰”)结构限定的第三粗糙度值，中央部分显示的粗糙度值大体上低于TDC部分的粗糙度值，并且包括凹槽和突出(“山谷”和“高峰”)结构将其大体上限定为统一；和
(ii)活塞环显示至少部分接触表面，陶瓷涂层通过物理气相沉积法(PVD)应用至该部分接触表面。
附图说明
本发明将在下面基于附图所表示的实施方式的示例以更加详细的方式描述。
附图示出：
图1为部分由本发明的目的滑动组件形成的汽缸衬垫的横截面视图。
图2为图1中示出的衬垫的示意图，示出滑动表面沿着其纵向长度的粗糙度的示意性表示。
图3为图1和2中示出的衬垫的示意图，示出滑动表面沿着其纵向长度的粗糙度的示意性表示，和呈现不同部分的平均粗糙度值的图表。
图4为衬垫和属于本发明的目的滑动组件的活塞环的横截面示意图，环安装在活塞的槽中。
图5为部分汽缸衬垫和由部分本发明的目的滑动组件形成的活塞环的放大横截面示意图。
图6为汽缸衬垫的表面上活塞/环的摩擦系数μ和位移速度之间关系的图表，考虑到珩磨的不同角度。
图7为示出油膜厚度作为曲轴角度的函数变化的图表，考虑到有高粗糙度(平稳)、低粗糙度(滑动)的汽缸衬垫和本发明的技术对象，其中接触表面的粗糙度会变化，以致中央部分显示的粗糙度低于通过活塞冲程的上边界部分(邻近上止点，TDC)显示的粗糙度。
图8为示出摩擦耗散功率作为曲轴角度的函数变化的图表，考虑到有高粗糙度(平稳)、低粗糙度(滑动)的汽缸衬垫和本发明的技术对象，其中接触表面的粗糙度会变化，以致中央部分显示的粗糙度低于通过活塞冲程的上边界部分(邻近上止点，TDC)显示的粗糙度。
具体实施方式
本发明涉及一种提供有都是特殊发展过的汽缸衬垫1和至少一个活塞环10的滑动组件，其中汽缸衬垫限定接触表面的粗糙度会显示变化的内壁，以致考虑到环在衬垫内部的往复运动，中央部分显示的粗糙度低于通过邻近活塞冲程的两个部分(上止点，TDC和下止点，BDC)显示的粗糙度。活塞环具有通过物理气相沉积(PVD)法应用的陶瓷涂层R。
借助于本发明的组件对象，凭借凹槽的存在实现减少活塞环的涂层上的磨损，该凹槽在衬垫上有大容量，其间统一。减少磨损减少了剥落现象的发生。
以稍微更详细的方式来描述本发明的对象滑动组件，汽缸衬垫1提供有包括纵向/轴向长度C的通腔，在通腔内部放置有活塞环10。图4示出有各个环的活塞，至少一个环为提供有通过PVD应用的陶瓷涂层R的环10。通腔限定内表面S。
活塞环10可呈现任意需要或希望的构造。在优选的方式中，环10为包括金属底座的第一槽环，或压缩环，但是显而易见的是可假设没有因而产生的滑动组件的第二槽环或甚至是刮油环的构造都不再包括在所附权利要求的保护范围内。
在相同的方式中，环10的底座材料可自由变化，但始终提供可通过PVD法应用陶瓷涂层R，例如，氮化铬、氮化铌或其他。
相应的，衬垫1经常由铁合金、铸铁、或钢制造，但是显而易见的是衬垫可由要求或希望的任意其他材料制造(例如铝合金)，同样没有因而产生的发明不再包括在所附权利要求的保护范围内。类似的，衬垫1可显示要求或希望的任意形式，只要它是功能性的。
在图2和3中清楚的观察到表面S限定三个主要部分，为与邻近面向发动机的头的活塞冲程边界区域(上止点，TDC)相对应的第一部分2，在下文中称TDC部分，第二、中央部分3，和与邻近活塞冲程边界区域，但是相反(面向发动机的曲轴，下止点，BDC)，相对应的第三部分4，在下文中称BDC部分。
此外，显而易见的是包括每个部分2、3、4的长度和区域可依据衬垫的直径、活塞的行程和衬垫的轴向长度，在其他变量之间自由变化。
不管衬垫1的规格，并且考虑到在内表面S上限定的三个部分2、3、4，至关重要的是衬垫以所述方式组成：
(i)TDC部分(2)显示包括由凹槽和突出(“山谷”和“高峰”)结构限定的第一粗糙度值的表面光洁度；
(ii)中央部分(3)显示包括由凹槽和突出(“山谷”和“高峰”)结构限定的第二粗糙度值的表面光洁度；和
(iii)BDC部分(4)显示包括由凹槽和突出(“山谷”和“高峰”)结构限定的第三粗糙度值的表面光洁度。
在优选的方式中，TDC、中央和BDC部分2、3、4获得表面光洁度以借助于珩磨方法分别得到第一、第二和第三粗糙度值。现有技术的一些解决方法采用不同的表面处理方法以在衬垫的纵向上获得不同标准的粗糙度，但是本发明使用珩磨并且控制方法变化以致在相同的表面S上获得大体上不同的粗糙度值，除了确保对这种类型方法固有的槽的角度的控制之外，这将在下面进行评论。
此外，衬垫1至关重要的条件是第二粗糙度值(由中央部分3显示)大体上低于TDC部分2的粗糙度值，目的在于就发动机的运行效率和减少环的磨损而言确保最佳性能，特别是在顶端。在优选但不强制的方式中，BDC部分4的粗糙度值同样比中央部分3显示的粗糙度值高。可在下面找到对本发明的对象衬垫1与其他衬垫相比效率更高的理由更加详细的解释。
本发明的对象组件更重要的特性是，控制本发明的对象衬垫1在TDC、中央和BDC部分2、3、4上的珩磨方法以确保每个部分上的凹槽和突出(“山谷”和“高峰”)结构大体上在整个分布其中的区域都是统一的。
换句话说，鉴于各个平均粗糙度值，每个部分2、3、4上的微观凹槽(“山谷”)显示同样有低标准偏差的平均深度，同样的方式下，突出(“高峰”)具有同样有相等低标准偏差的平均高度。
在这种方式中，就凹槽而言，确保了由此显示的深度和容量对于润滑油的短缺是理想的，并且就突出而言实现了避免很高的突出，这种很高的突出除了导致都不可取的增加燃油消耗和温度升高之外，还会加长发动机的运转周期。
衬垫1显示的更重要的特性是，由中央部分3显示的粗糙度值大体上低于TDC和BDC部分2、4的粗糙度值。
在这方面，必须注意到的是在内燃机的运行期间，活塞在末端(行程边界，与上止点，TDC、和下止点，BDC相对应)的线性速度减慢，而在衬垫中央部分(行程的中途)的线性速度增加。由这一事实所引起，活塞P和环10上的压力变化很大。
在邻近行程边界(也就是说邻近衬垫1的表面S的TDC和BDC部分2、4)的情形下，无论是在加速或是减速，活塞的线性速度都低。在这种情形下，低速度凭借活塞在给定的时间单位内行进的距离短的事实导致较低的摩擦损失。在衬垫1中，除了低速度自然导致的较低磨损之外，较高的粗糙度值导致存在更高的突出和更深的凹槽，以致位于其中的油显著的预防了环/表面的摩擦，并且借助于此来确保环，特别是顶端的较低磨损。换句话说，限定由第二部分3显示的第二粗糙度值的凹槽和突出的大体上为统一的结构允许作用为储油以更加有效的方式缩小凹槽。
此外，在衬垫1的中央部分3，活塞的线性位移速度高，并且同时粗糙度值低(借助于由第二部分3显示的粗糙度值大体上低于由TDC和BDC部分2、4显示的粗糙度值的事实)。这种构造减少了发动机摩擦的损失，在理论上中央部分在同样的粗糙度值时凭借活塞在给定的时间单位内行进的距离更远而更高。
在中央部分3，活塞/环的速度更高。产生了更大的流体动力薄膜。气体作用在压缩环上的压力更低，要求较小的储油。另外，借助于更高的速度，摩擦(功率)损失更大。
在这一粗糙度值较低的区域，建议的解决方案产生较小的油膜和摩擦损失，而不对磨损产生实质性影响。
在优选但不强制的方式中，由BDC部分4显示的粗糙度值和由TDC部分2显示的粗糙度值大体上相等，但是只要由BDC部分4显示的粗糙度值和由TDC部分2显示的粗糙度值都低于第二粗糙度值，就可彼此不相同，目的在于衬垫1显示提高的性能。在任意情况下，TDC部分2的粗糙度值高于中央部分3的粗糙度值就足够了。
下面的表格显示本发明的对象衬垫1三种可能的实施方式，分别呈现为“实施方式A”、“实施方式B”和“实施方式C”。
实施方式A显示以下值，为微米：
(i)TDC部分2的粗糙度值大体上显示的值为0.1至0.30Rpk、0.80至1.10Rk和2.1至2.8Rvk。
(ii)中央部分3(在表格中呈现为“中间”)的粗糙度值大体上显示的值为上至0.30Rpk、0.15至0.65Rk和1.1至2.1Rvk，和
(iii)BDC部分4的粗糙度值大体上显示的值为0.10至0.30Rpk、0.80至1.10Rk和2.1至2.8Rvk。
相应的，实施方式B以微米显示以下值：
(i)TDC部分2的粗糙度值大体上显示的值为上至0.15Rpk、0.80至1.10Rk和2.1和2.8Rvk。
(ii)中央部分3(在表格中呈现为“中间”)的粗糙度值大体上显示的值为上至0.10Rpk、0.10至0.40Rk和上至1.0Rvk。
(iii)BDC部分4的粗糙度值大体上显示的值为上至0.15Rpk、0.80至1.10Rk和2.1至2.8Rvk。
最后，第三个实施方式C就三个粗糙度值(同样为微米)而言和实施方式A或B显示的为相同值，但是珩磨过程固有的凹槽(通道)角度会变化。尽管现存文献表明角度变大会导致摩擦增大，这在行程中间是不希望的，发明者通过计算机模拟实现的研究示出角度沿着行程的变化以期在TDC更小的角度(更水平)有附加的优点，借助于凹槽垂直于活塞/环的运动的事实存在更好的油滞留。在行程的中间，凹槽最大的角度(更垂直)促进油的流动，有助于减少凹槽的厚度和由此产生的摩擦。
为证明本发明的优点，申请人进行了一系列研究，比较分析了比如说本发明的衬垫的性能和传统的解决方法相比，为衬垫中的整个表面S显示高粗糙度(称为平稳的解决方法)和衬垫中的整个表面S显示低粗糙度(称为滑动的解决方法)。
研究涉及用于马达的压缩环10和汽缸衬垫，显示的汽缸直径为70.9mm，活塞行程为75.6mm，连接杆的长度为144mm，考虑到在满负荷时2000rpm的恒定旋转，并且包括在温度为200℃时规格为SAE20W50的润滑油。
称为平稳(最粗糙)的解决方法有在表面S上形成厚膜的优点，结果有更大的摩擦，同时称为滑动的解决方法显示大体上更低的摩擦，但是结果为更薄的油膜，在边缘润滑(边界润滑)的情形下不利。
本发明提供了平稳和滑动解决方法的优点而没有显示各自的缺点，因此汇集了各个解决方法的最佳点。申请人进行的研究已经示出本发明确保了TDC部分2上的厚油膜，在这一点提供了减少摩擦并且同时中央部分的低粗糙度确保了较低的摩擦损失(摩擦耗散功率)。
特别的，与平稳(最粗糙)的解决方法相比，本发明提供了摩擦损失减少15％，大体上接近通过滑动解决方法获得的减少(减少21％)，同时在TDC部分2提供1.5μm厚的膜，大体上为通过滑动解决方法获得的两倍(0.7μm)。
图7中的图表示出油膜的厚度作为曲轴角度的函数变化，考虑到有平稳的高粗糙度、滑动的低粗糙度的汽缸衬垫和本发明的技术对象。
从这个图表的分析中可清楚的观察到，本发明的解决方法中的油膜几乎等同于由平稳的解决方法在活塞反向运动的点上(TDC2和BDC3部分)提供的油膜，在图表中由曲轴角度标记0°、180°、360°、540°和720°表示，同时油膜在中央部分3减少很多，在图表中由曲轴角度标记90°、270°、450°和630°表示，和滑动解决方法中一样。
相应的，图8的图表示出摩擦耗散功率作为曲轴角度的函数变化，考虑到有平稳的高粗糙度、滑动的低粗糙度的汽缸衬垫和本发明的技术对象。从中可清楚的观察到本发明的解决方法对象提供的摩擦耗散功率明显低于平稳的解决方法，并且特别是等同于滑动的解决方法，另外仅仅在TDC2和BDC4部分高于。
这些结果证实，本发明的解决方法对象提供平稳和滑动的解决方法的所有优点，而结果没有它们各自的缺点。
通过本发明的滑动组件，除了增加活塞环的涂层R的耐久性之外，借助于上述进行的研究减少了上至1％的配备有该滑动组件的发动机的燃油消耗。
已经描述了优选实施方式的示例，需要理解的是本发明的范围覆盖其他可能的变化，仅仅受到所附权利要求内容的限制，由此包括可能的等同物。

Claims (7)

1.一种用于内燃机的滑动组件，包括汽缸衬垫(1)和至少一个活塞环(10)，所述衬垫(1)提供有限定内表面(S)的通腔，所述内表面相应的限定三个部分，为邻近所述活塞冲程边界的第一部分(2)，面向所述汽缸头(邻近上止点，TDC)，第二、中央部分(3)，和邻近所述活塞冲程边界的第三部分(4)，面向所述发动机的曲轴(邻近上止点-TDC)，所述组件的特征在于，
(i)所述衬垫(1)的TDC部分(2)显示表面光洁度，包括由凹槽和突出(“山谷”和“高峰”)结构限定的第一粗糙度值；所述衬垫(1)的中央部分(3)显示表面光洁度，包括由所述凹槽和突出(“山谷”和“高峰”)结构限定的第二粗糙度值；所述衬垫(1)的BDC部分(4)显示表面光洁度，包括由所述凹槽和突出(“山谷”和“高峰”)结构限定的第三粗糙度值，所述中央部分(3)的粗糙度值大体上低于所述TDC部分(2)的粗糙度值，并且大体上由所述凹槽和突出(“山谷”和“高峰”)的统一结构限定；和
(ii)所述活塞环(10)显示至少部分所述接触表面，陶瓷涂层(R)通过PVD(物理气相沉积)法应用至该部分所述接触表面上。
2.根据权利要求1所述的滑动组件，其特征在于，所述衬垫(1)TDC部分(2)的粗糙度值大体上显示为0.10至0.30Rpk、0.80至1.10Rk和2.1至2.8Rvk，均为微米。
3.根据权利要求1所述的滑动组件，其特征在于，所述衬垫(1)中央部分(3)的粗糙度值大体上显示为上至0.30Rpk、0.15至0.65Rk和1.1至2.1Rvk，均为微米。
4.根据权利要求1所述的滑动组件，其特征在于，所述衬垫(1)BDC部分(4)的粗糙度值大体上显示为0.10至0.30Rpk、0.80至1.10Rk和2.1至2.8Rvk，均为微米。
5.根据权利要求2所述的滑动组件，其特征在于，所述衬垫(1)第一部分(2)的粗糙度值大体上显示为上至0.15Rpk、0.80至1.10Rk和2.1至2.8Rvk，均为微米。
6.根据权利要求1所述的滑动组件，其特征在于，所述衬垫(1)中央部分(3)的粗糙度值大体上显示为上至0.10Rpk、0.10至0.40Rk和上至1.0Rvk，均为微米。
7.根据权利要求4所述的滑动组件，其特征在于，所述衬垫(1)BDC部分(4)的粗糙度值大体上显示为上至0.15Rpk、0.80至1.10Rk和2.1至2.8Rvk，均为微米。
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