CN105473255A - 具有粘结层的气缸衬套 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于内燃机的发动机缸体总成的气缸衬套。该气缸衬套包括一衬套元件，该衬套元件由铸铁形成并具有一外表面。该衬套元件的外表面的第一部分被机械加工成减小的外直径。然后将一铝基材料热喷涂于机械加工的第一部分，而外表面的第二部分不被涂覆。该涂覆的气缸衬套被放置于模具中，另一铝基材料被浇注在该涂覆的气缸衬套的周围以形成发动机缸体总成。在浇注工序中，这两种铝基材料在衬套元件和发动机缸体之间形成牢固的金属间的结合。

Description

具有粘结层的气缸衬套
相关申请的交叉引用
本美国实用新型申请要求2013年7月16日提交的序列号为61/846,973的美国临时申请的权益，其全文通过引用合并与此。
技术领域
本发明大体涉及用于内燃机的气缸衬套，包括该气缸衬套的发动机缸体总成，及其制造方法。
背景技术
为了压缩包装、减少发动机质量以及提高燃料经济性，现今发动机优选被设计成更小和更轻。然而，为了给各种零件和机械加工寻找位置和空间，该小尺寸可能引起问题和困扰。其中一个困扰是在发动机缸体中的活塞缸开口之间的内孔桥接区域变小。当需要冷却内孔时，钻孔和/或槽可被机械加工成桥接区域。考虑到孔间隙较小，以及如果衬套被放置在气缸中，很难在不接触气缸衬套和破坏刀具的情况下机械加工出槽和/或钻孔。这样会引起发动机缸体的报废率和/或缸体加工流水线的停工。
减小该气缸衬套的外表面可在内孔桥接区域内创建某些额外的空间用以机械开槽和机械钻孔。然而，由于气缸衬套和发动机缸体之间的物理或机械连接的缺乏，这样会导致不好的导热系数和大幅值的孔变形。在发动机缸体的这些关键区域，这些情形是不符合要求的。
发明内容
本发明的一个方面提供一种用于内燃机的气缸衬套，该气缸衬套提供与发动机缸体的改进的连接。该气缸衬套包括从顶端纵向延伸至底端的衬套元件，并具有在顶端和底端之间的长度。该衬套元件包括围绕中心轴延伸的内表面和相背的外表面。该外表面具有沿所述长度的第一部分的第一外直径和沿该长度的第二部分的第二外直径，第一外直径小于第二外直径。一铝基材料形成的粘结层应用于该衬套的第一部分的外表面。
本发明还提供制造该改进的气缸衬套的方法。该方法包括在衬套的长度的第一部分上提供第一外直径，在长度的第二部分上提供第二外直径。该方法进一步包括在衬套的长度的第一部分上的外表面应用一层铝基材料。
本发明的另一方面提供一种包括多个气缸衬套的发动机缸体总成。每个气缸衬套包括衬套元件和一层应用于第一部分的外表面上的第一铝基材料。该总成还包括由第二铝基材料形成并具有多个孔的缸体，每个孔容纳一个气缸衬套。气缸衬套的第一铝基材料与缸体的第二铝基材料结合。
本发明还提供一种发动机缸体总成的制造方法。该方法包括提供多个气缸衬套，并将多个气缸衬套放置在一模具中。该方法接下来包括在该模具中的多个气缸衬套周围浇注第二铝基材料。
附图说明
结合附图和以下的详细描述，可以更容易地明白和理解本发明的其它优点：
图1是根据本发明的一个典型实施例的气缸衬套的示意图；
图1A是图1的气缸衬套沿线1A的局部放大示意图；
图2示出在制造根据本发明的一个典型实施例的气缸衬套的方法中的热喷涂步骤；
图3示出在制造发动机缸体总成的方法中的浇注步骤，该发动机缸体总成包括多个根据本发明的一个典型实施例的气缸衬套；
图4是发动机缸体总成的示意图，该发动机缸体总成包括多个根据本发明的一个典型实施例的气缸衬套；
图4A是图4的发动机缸体总成沿线4A的横截面图；
图5是图4的发动机缸体总成的俯视图；
图6是图4和图5所示的发动机缸体总成的局部放大俯视图；以及
图7示出根据本发明的一个典型实施例的发动机缸体总成的制造方法的步骤。
具体实施方式
本发明的一方面提供一种用于内燃机的气缸衬套20，具有一衬套元件22和一粘结层24，如图1所示。该粘结层24增强了衬套元件22的金属材料与其周围的铸造金属材料(该铸造金属材料形成发动机缸体26)之间的粘性和导热性。该粘结层24还增加了在发动机缸体26内的相邻衬套元件22之间的间隙。
该气缸衬套20包括一由金属材料形成的衬套元件22，在典型实施例中，形成该衬套元件22所使用的金属材料是铸铁，但是该衬套元件22可选择由钢铁或者其它能够承受内燃机的温度，压力，或者其它条件的材料形成。用于形成该衬套元件22的金属材料与周围的发动机缸体26的金属材料不同，在不使用粘结层24的情况下，该衬套元件22的金属材料通常不会以物理或者化学方式与发动机缸体26粘结。
如图1所示，该衬套元件22从顶端28沿纵向延伸至底端30，并且在顶端28和底端30之间形成一长度L。在该典型实施例中，该衬套元件22的长度L的范围介于100毫米至150毫米之间。该衬套元件22还包括一围绕中心轴A延伸的内表面32和与该内表面32背对的外表面34。该衬套元件22的内表面32围绕中心轴A周向延伸并形成一圆柱形的开口，该开口从顶端28延伸至底端30。
该衬套元件22的外表面34同样围绕中心轴A周向延伸并形成一圆柱形的表面，该表面从顶端28延伸至底端30。该外表面34在长度L的第一部分上具有第一外直径D1，在长度L的第二部分上具有第二外直径D2。如图1所示，该第一外直径D1小于第二外直径D2。在该典型实施例中，该第一部分相对于该中心轴A径向机械加工一段距离以形成该减小的第一外直径D1。然而，其他方法也可以用来减小该第一外直径D1以使其小于第二外直径D2。该衬套元件22还具有从外表面34延伸至内表面32的厚度t1，t2，如图1A所示。在衬套元件22的机械加工的第一部分的厚度t1通常比第二部分的厚度t2小10到15毫米。该衬套元件22的厚度t1，t2可以根据具体的应用而发生变化，但是，通常，该衬套元件22的第一部分的厚度t1至少是1.8毫米。
具有减小的第一外直径D1和减小的厚度t1的第一部分沿着该衬套元件22的长度L的一部分延伸，该第一部分的长度小于衬套元件22的整个长度L。第二部分同样沿着该衬套元件22的长度L的一部分延伸，该第二部分的长度小于衬套元件22的整个长度L。外表面34的第一部分通常是该衬套元件22的长度L的10％-50％，更普遍的是该衬套元件22的长度L的20％-30％。第一部分通常邻近该衬套元件22的末端28或末端30，在这种情况下，第二部分从第一部分延伸至相对末端28或30。例如，第一部分可邻近该衬套元件22的顶端28，如图1所示，即在发动机缸体26中向上朝歧管布置。可选地，第一部分可以与该衬套元件22的两个端部28，30间隔开，例如，第一部分可设置于该衬套元件22的中心。在这种可选的情况下，第二部分可被设置于两个离散的区域，每个区域从衬套元件22的各端部28，30延伸至第一部分。在另一实施例中，该衬套元件22可包括多个设置于任意位置的机械加工的第一部分，该多个第一部分通过第二部分相互间隔开。
该衬套元件22在长度L的第一部分上的第一外直径D1通常保持不变。然而，第一外直径D1也可以发生微小变化。例如，第一外直径D1在长度L的第一部分上可以在不超过1毫米的范围内变化。在一个实施例中，第一部分的外表面34在应用粘结层24之前经过喷丸加工。该喷丸工序在外表面34上形成了多个有助于粘结层24粘附在衬套元件22上的凹陷36，如图1A所示。每个凹陷36的深度通常不超过1毫米。
该衬套元件22在长度L的第二部分上的第二外直径D2同样保持不变。但是，该第二外直径D2也可以发生微小变化。例如，第二外直径D2在长度L的第二部分上可以在不超过1毫米的范围内变化。在另一个实施例中，第二外直径D2沿着长度L的第二部分的变化更加显著。例如，外表面34会出现相对于外表面34的周围部分径向向外延伸的多个突起(图未示)，例如筋或小块。第二部分的外表面34可选择地包括另一种工程表面(未示)。该突起或者其它种类的工程表面能加强衬套元件22和周围的铸造的发动机缸体26之间的机械连接。
应用在该衬套元件22上的粘结层24由铝基材料形成。该粘结层24通常覆盖外表面34的整个第一部分，但是也可仅仅覆盖第一部分的一个区段。应用在衬套元件22上的铝基材料，被称为第一铝基材料，通常与用来形成发动机缸体26的第二铝基材料是相同或者相类似的。因此，当第二铝基材料浇注到第一铝基材料周围时就形成了一个强大的粘结力。粘结层24还具有一可变的厚度t3。较优地，粘结层24具有一外直径D3，其不大于该衬套元件22的第二外直径D2，如图1A所示。在一个实施例中，厚度t3不大于15毫米，例如为10-15毫米。该粘结层24可包括单层或者多层24以达到期望的厚度t3。
在一典型的实施例中，用以形成该粘结层24的铝基材料是铝合金，以该铝合金的总重量计，其中包括85-90wt％的铝，10-15wt％的硅，0.05-0.15wt％的氧，以及可选的总量少于1wt％的铁，锰，锌和锰。在该典型的实施例中，该粘结层24还具有低于5％的孔隙度，在50-400℃下具有80-120W/mK的热导率，在20-150℃下具有20-24x10-6/K的热膨胀系数，至少170Mpa的抗拉强度，和40-70Gpa的弹性模量。
在该典型的实施例中，该粘结层24通过热喷涂应用于外表面34，例如等离子喷涂。然而，其它方法也可以用来将该粘结层24应用到衬套元件22上。
根据本发明的另一方面提供一种气缸衬套20的制造方法。该方法首先包括提供一衬套元件22，例如上述的衬套元件22。然而，该衬套元件22的几何形状可以变化。该方法接下来包括准备该用于应用粘结层24的衬套元件22。这通常包括对该衬套元件22上的一部分外表面34进行径向加工，以形成具有减小的第一外直径D1的第一部分。然而，除了机械加工外的其它方法也可以用于形成该减小的第一外直径D1。
为进一步准备该用于应用粘结层24的衬套元件22，该方法通常包括沿着机械加工的第一部分活化外表面34。该步骤包括除去外表面34上的所有污物，油，或者腐蚀物。该方法也包括在第一部分上形成一粗糙的结构，例如通过上述的喷丸处理。喷丸处理工序形成了多个凹陷36，该凹陷36有助于粘结层24粘附在衬套元件22上。
将被称为第一铝基材料的铝基材料应用至第一部分上的外表面34的步骤优选地包括热喷涂。可以采用任意种类的热喷涂技术，例如等离子喷涂。图2示出根据一个实施例中的将第一铝基材料应用至衬套元件22的步骤，这个步骤可以在自动化过程或者生产过程中使用。在此实施例中，多个机械加工的衬套元件22被放置在一旋转轴52上，当相对于一热喷涂设备54纵向移动时，该衬套元件22被该热喷涂设备54热喷涂。然而，由第一铝基材料形成的粘结层24可选择其它方法应用于该衬套元件22的第一部分。应用该粘结层24至衬套元件22的步骤可包括形成一单层或者多层24以达到期望的厚度t2。
本发明的另一个方面提供用于内燃机的发动机缸体总成38，该发动机缸体总成38包括具有粘结层24的气缸衬套20，本发明的另一个方面还提供制造发动机缸体总成38的方法，如图3-图7所示。该发动机缸体总成38包括多个气缸衬套20，其中，每个气缸衬套20包括衬套元件22和通过热喷涂方法涂覆的粘结层24，如上所述。该发动机缸体总成38还包括缸体26，该缸体26由第二铝基材料形成并具有多个孔40，每个孔40用以容纳一个气缸衬套20。含有粘结层24的气缸衬套20的机械加工的第一部分通常位于衬套元件22的邻近顶端28的位置并在发动机缸体26内朝向歧管向上放置。然而，该机械加工的第一部分也可以位于其它位置，如上所述。该衬套元件22的顶端28配置成略低于发动机缸体26的上表面48。
衬套元件22由金属材料形成，该金属材料与粘结层和缸体26的铝基材料不同。在该典型的实施例中，衬套元件22由第一铝基材料形成并且沿着孔40与缸体26的第二铝基材料以物理和化学的方式结合。发动机缸体26的第二铝基材料与气缸衬套20的第一铝基材料优选为相同或相类似，因此，这两种材料形成金属间的结合，该结合包括第一铝基材料和第二铝基材料在浇注过程中形成的均匀的混合物。该金属间的结合提高了由此产生的发动机缸体总成38的热传导率，因为热量可以从衬套元件22上通过该衬套元件22并通过粘结层24传到缸体26上。粘结层24还降低了孔40和桥接区域的变形。
典型实施例的发动机缸体26具有冷却室44，也被称为水冷套，通过缸体26的第二铝基材料与孔40间隔开，如图4-图6所示。该发动机缸体26还包括多个冷却通道46，例如钻孔和锯槽，该冷却通道46从冷却室44延伸通过所述孔40之间的缸体26的一部分。冷却通道从冷却室44运输冷却液通过发动机缸体26以防止相邻孔40之间的区域过热。
发动机缸体26的上表面48具有多个桥接区域42，每个桥接区域是平的并且位于相邻孔40之间。与不含粘结层24的气缸衬套相比，当使用具有粘结层24的机械加工的气缸衬套20时，位于相邻孔40之间的用以形成冷却室44和冷却通道46的每个桥接区域42的宽度要大一些。图6示出了可加工的桥接区域42由于粘结层24而从d1增加到d2，其中，d1是相邻气缸衬套20的未加工区域部分的第二外直径D2之间的距离，d2是相邻的已被涂覆的气缸衬套20的外直径D3之间的距离。在机械加工过程中，这个增加的桥接区域42能够提供更多的空间用以形成冷却室44和冷却通道46。
本发明的另一个方面提供一种发动机缸体总成38的制造方法。这个方法通常包括提供多个气缸衬套20，该气缸衬套20包括由第一铝基材料形成并应用于衬套元件22的机械加工的第一部分的粘结层24，将气缸衬套20设置在模具50中，并在模具50内的多个衬套20的周围浇注第二铝基材料。图7示出了该方法步骤的一个例子。
提供气缸衬套20的第一步可以参考前文所述。如图7所示，方法的这部分通常包括加工衬套元件22的第一部分的外表面34，例如，通过喷丸工艺，然后将第一铝基材料应用到该机械加工的第一部分，例如通过热喷涂。
该被涂覆的气缸衬套20被设置在模具50中。该浇注步骤包括提供熔融形式的第二铝基材料，并将第二铝基材料浇注到模具50中以形成发动机缸体26。在浇注步骤中，第二铝基材料物理地和化学地结合至粘结层24的第一铝基材料。在浇注步骤中产生的机械的结合和金属间的结合有助于确保气缸衬套20牢牢地结合至发动机缸体26。
在发动机缸体26冷却和变硬后，将其从模具50中移除。此后，发动机缸体26按要求或者需求通常被机械加工成和/或钻孔形成桥接区域42，冷却室44，和冷却通道46，如上所述。
显然，根据上述教导，本发明的许多修改和变型是可能的，在所附权利要求的范围内，本发明还可以不同于这里所描述的其他方式实施。

Claims (20)

1.一种气缸衬套，其特征在于，该气缸衬套包括：
衬套元件，该衬套元件从顶端沿纵向延伸至底端并具有在所述顶端和底端之间的长度；
所述衬套元件包括一围绕中心轴延伸的内表面和相背的外表面；
所述外表面具有沿所述长度的第一部分的第一外直径和沿所述长度的第二部分的第二外直径，所述第一外直径小于所述第二外直径；
粘结层，该粘结层由铝基材料形成并应用在沿着所述第一部分的所述外表面上。
2.根据权利要求1所述的气缸衬套，其特征在于，所述第一部分占所述外表面的所述长度的10％-50％。
3.根据权利要求1所述的气缸衬套，其特征在于，所述衬套元件由与所述铝基材料不同的金属材料形成。
4.根据权利要求1所述的气缸衬套，其特征在于，所述外表面具有多个凹陷，沿着所述第一部分的每个凹陷的深度不超过1毫米。
5.根据权利要求1所述的气缸衬套，其特征在于，由铝基材料形成的所述粘结层通过热喷涂应用至所述外表面。
6.根据权利要求1所述的气缸衬套，其特征在于，所述外表面的所述第一部分邻近所述衬套元件的其中一个所述末端，所述第二部分从所述第一部分延伸至所述衬套元件的另一个相对的末端。
7.根据权利要求1所述的气缸衬套，其特征在于，
所述衬套元件由铸铁形成；
所述衬套元件的所述内表面围绕所述中心轴周向延伸并形成一圆柱形的开口，该开口从所述顶端延伸至所述底端；
所述衬套元件的所述长度介于100毫米-150毫米之间；
所述外表面的所述第一部分是所述衬套元件的所述长度的10％-50％；
所述外表面相对于所述中心轴径向地机械加工一段距离以形成小于所述第二外直径的所述第一外直径；
所述外表面上形成有多个凹陷，在所述第一部分上的每个凹陷的深度不超过1毫米；
所述衬套元件具有从所述内表面延伸至所述外表面的厚度，所述第一部分上的所述厚度至少是1.8毫米，所述第一部分上的所述厚度比所述第二部分上的所述厚度小10到15毫米；
所述粘结层沿着整个所述第一部分覆盖所述外表面；
所述粘结层的所述铝基材料是铝合金；
以该铝合金的总重量计，所述铝合金包括85-90wt％的铝，10-15wt％的硅，0.05-0.15wt％的氧，以及可选的总量少于1wt％的铁，锰，锌和锰；
所述粘结层具有低于5％的孔隙度，在50-400℃下具有80-120W/mK的热导率，在20-150℃下具有20-24x10-6/K的热膨胀系数，至少170Mpa的抗拉强度，和40-70Gpa的弹性模量；
所述粘结层具有不超过15毫米的厚度；以及
所述粘结层通过热喷涂应用到所述外表面。
8.一种气缸衬套的制造方法，其特征在于，该方法包括步骤：
提供一衬套元件，该衬套元件从顶端纵向延伸至底端并具有在所述顶端和底端之间的长度，该衬套元件包括一围绕中心轴延伸的内表面和相背的外表面，该外表面具有沿该长度的第一部分的第一外直径和沿该长度的第二部分的第二外直径，该第一外直径(D1)小于第二外直径(D2)；
将一层铝基材料沿着长度的第一部分应用到外表面上。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，将铝基材料层应用到外表面上的步骤包括将铝基材料热喷涂至外表面。
10.根据权利要求8所述的方法，包括减小第一部分上的第一外直径(D1)以致第一外直径(D1)小于第二外直径(D2)。
11.根据权利要求8所述的方法，包括在第一部分上喷丸处理外表面以形成多个凹陷，每个凹陷的深度不超过1毫米。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，衬套元件由与所述铝基材料不同的金属材料形成。
13.一种发动机缸体总成，其特征在于，该发动机缸体总成包括：
多个气缸衬套，每个气缸衬套包括衬套元件，该衬套元件从顶端纵向延伸至底端并具有在所述顶端和底端之间的长度，所述衬套元件包括一围绕中心轴延伸的内表面和相背的外表面，所述外表面具有沿所述长度的第一部分的第一外直径和沿所述长度的第二部分的第二外直径，所述第一外直径小于所述第二外直径；
每个所述气缸衬套包括在所述第一部分上应用于所述外表面的一层第一铝基材料；
一缸体，该缸体由第二铝基材料形成并具有多个孔，每个孔容纳一个所述气缸衬套；
所述气缸衬套的所述第一铝基材料与所述缸体的所述第二铝基材料结合。
14.根据权利要求13所述的发动机缸体总成，其特征在于，所述气缸衬套的所述第一铝基材料与所述缸体的所述第二铝基材料相同。
15.根据权利要求13所述的发动机缸体总成，其特征在于，所述衬套元件由与所述层和所述缸体的所述铝基材料不同的金属材料形成。
16.根据权利要求13所述的发动机缸体总成，其特征在于，所述缸体具有一冷却室，该冷却室通过所述第二铝基材料与每个所述孔间隔开，所述缸体包括一具有多个桥接区域的上表面，每个桥接区域是平的并位于相邻孔之间，所述缸体包括多个冷却通道，每个冷却通道从所述冷却室延伸通过所述孔之间的所述缸体的一部分，以从所述冷却室传输冷却液。
17.一种发动机缸体总成的制造方法，其特征在于，该方法包括步骤：
提供多个气缸衬套，每个气缸衬套包括衬套元件，该衬套元件从顶端纵向延伸至底端并具有在所述顶端和底端之间的长度，所述衬套元件包括一围绕中心轴延伸的内表面和相背的外表面，所述外表面具有沿所述长度的第一部分的第一外直径和沿所述长度的第二部分的第二外直径，所述第一外直径小于所述第二外直径，每个所述气缸衬套包括在所述第一部分上应用于所述外表面的一层第一铝基材料；
在一模具中设置多个气缸衬套；
在该模具中的多个气缸衬套周围浇注第二铝基材料。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，在浇注步骤中，所述第二铝基材料粘结于第一铝基材料。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述衬套元件由与所述层和所述缸体的所述铝基材料不同的金属材料形成。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，通过热喷涂将第一铝基材料应用于外表面。
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