CN105593580A - 活塞销和将防卡塞涂层施加在该销上的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及活塞销(1)，其包括抗卡塞涂层(4)，所述抗卡塞涂层(4)限于至少对应于沿着优先方向经受接触压力的摩擦区域的有角扇形区(S)。

Description

活塞销和将防卡塞涂层施加在该销上的方法

本发明涉及摩擦学接触的领域，并且更一般地涉及其中销被紧密地组装并且沿着优先方向经受应力的任何系统，该优先方向根据偏角扇形区诱导所述销的应力。本发明有利地涉及活塞销。

当前使用两种类型的活塞销-至-连接杆的连接：

a)浮动连接

b)紧密连接

浮动连接能够组装销，使得其可以在连接杆中和活塞中自由地旋转。连接杆和活塞可以在某些情况下借助于热套式黄酮件(shrunk-onbrasspiece)被加衬套。销借助于卡环(开口弹簧)在平移中被停止。卡环被保持在于活塞销开口的末端机械加工的凹槽中的合适位置。浮动组装能够大体上降低接触的主体之间的相对速度并且因此能够推回卡塞限制(seizinglimit)，同时降低接触摩擦。该组装因此具有较高的性能。然而，其需要连接杆(或环)的精确的机械加工以及凹进部的机械加工以阻挡卡环。卡环还必须被安装在经组装的活塞-销-连接杆组件上，这需要使用特定的方式和工具。活塞压缩高度被这样的组件约束并且不能够优化活塞质量。因此，其在高负载应用(柴油发动机和涡轮增压汽油发动机)中优先地被使用。经涂覆的销(例如，具有DLC涂层)能够推回卡塞限制，同时降低摩擦(见图11)。根据本申请，关于NEDC循环(根据本申请)，CO2增益可以达到从0.2％至0.5％。

紧密连接不需要使用卡环。销通过连接杆加热工艺被紧密地组装在连接杆中。快速加热方式(感应)一般在组装线上被使用。因此拉紧的销跟随连接杆的摆动运动，这在活塞销孔中对销强加了交替的旋转移动。这样的相对移动使得组件对活塞中的销卡塞现象更敏感。因此需要为其提供良好的润滑(例如，借助于凹进部和/或凹槽)并且涂层(例如，DLC)的使用能够增强对卡塞的抵抗，同时降低摩擦。连接杆机械加工被极端简化并且衬套的缺乏能够降低连接杆的小端的横截面以在外部直径以及宽度方面最小化其体积。该技术能够优化活塞压缩高度并且为某些应用提供质量增益。它大体上有助于降低发动机的高度。关于小型车辆，该解决方案能够降低引擎盖(hood)下的高度并且能够因此限制空气动力系数，并且相应地限制空气动力损失。这样的技术被保留用于低负载应用，然而其代表大部分的城市车辆和中程车辆。质量增益还可以能够限制锤效应并且能够抑制平衡轴，特别地对于2-缸或3-缸应用。因此潜在的增益必须在本申请的上下文中被表达。

本申请人估算迄今生产的从30％至40％的发动机使用紧密连接。紧密销的DLC涂层的使用对摩擦、质量、以及抗卡塞性(seizingresistance)提供明显增益。图12是其完美的图示。对于相同的应用，DLC的使用已经能够使销质量降低20％并且使比压升高10％。

设置有抗摩擦涂层的活塞销是已知的，例如来自专利DE102006008910A1、US6.886.521B2、以及US7.228.786B2。一些建造者已经使用了该系列制造技术。然而，如果沉积速率由于沉积方法而是低的，那么这样的降低摩擦的涂层的应用在经济上是不可能的。在紧密销的情况下，难以使该解决方案普遍化，这归因于其成本而且归因于所使用的涂层的程序化磨损。

本申请人已经研究了这些应用并且已经观察到紧密涂覆的销相对于浮动涂覆的销的非典型行为。在紧密销的情况下，磨损集中在销的上部区域上，同时下部区域被简单地抛光。在耐久测试之后，可以观察到DLC涂层可以从上部接触区域完全消失，同时涂层厚度保持几乎完整。图12示出在等效于关于车辆的300,000km的耐久测试之后所获得的结果。这些结果完全地说明了该现象。该现象的解释可以通过研究在销上所施加的力来提供(参见图14和图15)。

基于该观察结果，本申请人设想了一种解决方案，该解决方案产生了根据销的定向而具有不同性质的销。

根据本发明期望的目的是：

1°)通过在销上使用DLC涂层，降低销/外壳接触中的摩擦。

2°)使DLC涂层的类型适应紧密销应用，以便增强耐磨损性，而不损害拮抗物。

3°)产生对应于紧密销应用的优先负载区域的涂层的可变分布。

4°)降低DLC涂层的处理时间。

5°)增强涂层外壳的负载能力。

6°)通过例如抑制旋转简化用于到目前为止所使用的销的涂层的销定位方式。

7°)增强涂覆机的负载能力。

8°)借助于对应于作用力的极坐标图的非对称形状增强销电阻。

9°)能够用现有组装方式组装紧密销。该销恰好必须在组装时被合适地定向。

本发明旨在提供一种通用结构单元，其中经涂覆的活塞销可以通过使用相当简单的技术形成。

更一般地，本发明旨在解决的问题是，在根据优先方向加应力的紧密组装的销的情况下，因此根据偏角扇形区(partialangularsector)诱导销上的应力(其特别地涉及活塞销)，以能够使发动机操作者增大旋转组件的负载，通过使用DLC型涂层抑制任何卡塞风险，特别地在特定条件下，明显地降低实施成本。

为了解决这样的问题，活塞销具有限于至少对应于摩擦区域的有角扇形区的DLC型抗卡塞涂层，所述摩擦区域沿着优先方向、在所述摩擦区域的外部经受接触压力，销具有或不具有涂覆区域，所述涂覆区域具有小于所考虑的有角扇形区的抗卡塞涂层(anti-seizecoating)的特性的厚度和/或硬度和/或摩擦系数特性。

由于这些特性，抗卡塞涂层仅被施加在加应力的有角扇形区上，以减小待处理的表面区域并且相应地降低实施成本。

部分地涂覆销的事实对相反地被劝止使用这样的技术的本领域那些技术人员是不明显的，所述技术要求销在其组装时的精确的角定位，使得摩擦区域对应于涂覆区域。

还可以观察到，部分地涂覆销的事实能够设想使用具有比现有技术中的厚度大的厚度的抗卡塞涂层，因此增大了销寿命。

根据其他特征，抗卡塞涂层是DLC。经涂覆的有角扇形区是在从15°(从-7.5°至+7.5°)至240°(从-120°至+120°)并且优选地从15°(从-7.5°至+7.5°)至220°(从-110°至+110°)的范围内。涂层厚度在摩擦区域上是均匀的，在±20％内。涂层厚度是在1μm至10μm的范围内。

本发明还涉及一种解决方案和一种涂层，根据该解决方案，活塞销被固定地布置在连接杆的小端中，并且该涂层在周边区域上延伸，所述周边区域在发动机操作期间至少在活塞销座孔的区域中经受最高负载。

本发明提供了将抗摩擦涂层仅施加在活塞销的一定区域中，该区域在发动机操作期间、至少在覆盖有连接杆的活塞销的区域的外部经受最高负载。本发明还提供使用所谓的紧密连接杆，即，使活塞销固定地且不可移动地组装在连接杆的小端中的连接杆。这意指，在发动机操作期间，活塞销在销座孔中具有通常已知的摆动运动，使得活塞销的仅界定好的周边区域被暴露至高的应力。

为了解决将DLC型抗卡塞涂层施加在销的仅一部分上的问题，本发明还涉及用于施加该涂层的方法。

根据实施方案：

-销沿着至少一排并且在相切位置被循环地安置在支撑物上，

-相对于支撑物的销旋转被锁定，

-装有销的支撑物被放置在真空外壳中，

-装有销的支撑物被旋转，

-抗卡塞涂层被选择性沉积在销上在通过所述销的相切定位限定的有角扇形区上。

在另一个实施方案中：

-销沿着至少一排并且在相切或准相切的位置被循环地安置在支撑物上，

-对于销中的每个而言，能够限定有角扇形区的保护元件被布置在每个销之间，

-相对于支撑物的销旋转被锁定，

-装有销的支撑物被布置在真空外壳中，

-装有销的支撑物被旋转，

-抗卡塞涂层被选择性地沉积在通过所附加的保护元件限定的有角扇形区上。

有角度地定向和指引(index)销似乎对获得良好的结果是重要的。可以设想若干解决方案。最常用的方法包括将一些材料挤出以对该材料给出销的原始形状。最终形状通过调整和矫正操作来给出。

挤出可以对称地或非对称地进行。需要若干道次来获得最终原始形状。在最后的挤出操作期间，可能使用能够相对精确地定向销的特定形状。图16和图17给出定向形状的实例。

该形状用于使销在涂层外壳中定向。其在组装时也被使用以提供销在连接杆中的合适定位。

另外，考虑到在销中的非对称应力，形状可以被调整以获得优化的横截面，以便优化销横截面中的负载获得(loadpick-up)。

借助于附图，在下文中进一步详细地讨论本发明，在附图中：

-图1是根据本发明的结构单元的第一实施方案的横截面图。

-图2是根据本发明的结构单元的另一个实施方案的横截面图。

-图3是具有根据图1组装的活塞销的连接杆的小端的前视图。

-图4是具有根据图1组装的活塞销的连接杆的小端的侧视图。

-图5示出本发明对活塞销的应用。

-图6是示出在连接杆中紧密地组装的活塞销的简化的横向横截面图，该销根据本发明的特征部分地涂覆有DLC型抗卡塞涂层。

-图7是销在支撑物上的组装的实例的透视图，该支撑物被组装在PVD外壳中以在将DLC层施加于有限角扇形区(limitedangularsector)的情况下使销经受抗卡塞处理。

-图8是对应于图7的以较大比例的局部横向横截面图。

-与图7和图8类似，图9和图10是示出用于根据有限角扇形区施加DLC涂层的另一个实施方案的视图。

-图11示出通过在销上施加DLC涂层的摩擦减小。

-图12示出通过在销上施加DLC涂层的卡塞风险预防。

-图13示出紧密销的负载区域。销负载区域被集中在销的上侧。涂层的硬的抛光和高的磨损在上部接触表面中。DLC涂层局部地100％磨损。涂层的仅软的抛光在下部接触表面中。DLC层厚度>原始涂层的90％。

-图14示出以满载作用的力(峰值汽缸压力)。

-图15示出以最大发动机速度作用的力(惯性力)。

-图16是销定向的实例的实施方案的纵向横截面图。

-图17是沿着图16的线A–A的以较大比例的横截面图。

-图18是销的另一个实施方案的纵向横截面图。

-图19是沿着图18的线A–A的以较大比例的横截面图。

图1、图3和图4示出了根据本发明的结构单元(100)的实施方案。结构单元(100)设置有活塞(10)，该活塞(10)当涉及其组成和材料时可以自由地形成。该实施方案的活塞(10)是具有活塞顶部(11)、燃烧腔(12)、周边活塞盖(13)、以及周边活塞环(14)的一件式盒形活塞。活塞(10)还设置有常规的活塞销座(15)，该活塞销座(15)具有用于接收活塞销(20)的销座孔(16)。活塞销座(15)通过轴承表面(未示出)被常规地连接。

结构单元(100)设置有靠近活塞(10)并且靠近活塞销(20)的连接杆(30)。连接杆(30)设置有常规的小端(31)。活塞销(20)例如通过粘合被固定地且不可移动地组装在连接杆的小端(31)中。这种类型的连接杆也称作“紧密连接杆”。

在覆盖有连接杆(30)的区域的外部，活塞销(20)设置有抗摩擦涂层(21)，该抗摩擦涂层(21)如所指示的由根据特定情况的约束被选择的材料制成。材料可以从DLC、PVD、PECVD涂层、含有铬和/或氮化铬和/或钨例如氮化铬、碳化铬、以及氮化钨或碳化钨(全部是通常已知的)的涂层中选择。

根据本发明和如先前开发的，抗摩擦涂层(21)仅被施加在活塞销(20)的在发动机操作期间经受最高负载的区域中。考虑到，在发动机操作期间，活塞销(20)在销座孔(16)中具有通常已知的摆动运动，活塞销(20)的仅界定好的周边区域被暴露至高的应力。根据本发明，该周边区域设置有抗摩擦涂层。在该实施方案中，抗摩擦涂层(21)以220度角视场(α)在朝向活塞(10)的顶部(11)定向的活塞顶部(20)的周边区域上延伸。一般建议，以从180度至240度的角视场(α)在活塞销(20)上施加抗摩擦涂层以获得令人满意的摩擦学行为。

图2示出根据本发明的结构单元(100’)的另一个实施方案，其中与根据图1a的结构单元(100)相同的结构元件用相同的符号来指定。根据图1的结构单元(100)和根据图2的结构单元(100’)之间的仅有的差异是涂层(21’)，对于根据图2的结构单元(100’)而言，该涂层(21’)沿着活塞销(20’)的整个轴长度延伸。这提供了制造技术方面的优点。抗摩擦涂层还以从180度至240度的角视场、特别是220度角视场在朝向活塞的顶部定向的活塞销的周边区域上延伸。

如所指示的，本发明更具体地适用于活塞销。

图5示出了在连接杆(3)中紧密地组装的活塞(2)的销(1)。在爆裂时，销(1)沿着诱导偏角扇形区上的所述销上的负载的优选方向(F)被加应力。

根据本发明的基本特征，DLC型抗卡塞涂层(4)被施加至至少对应于沿着优先方向(F)经受接触压力的摩擦区域的有限角扇形区(S)上的销(1)。对于所有这些在不背离本发明的框架的情况下，除了DLC之外的其他抗卡塞PVD、PECVD涂层可以被使用，例如含有铬和/或氮化铬和/或钨例如氮化铬、碳化铬、以及氮化钨或碳化钨的涂层、或TiAIN，全部是通常已知的。

应该对图7和图8做出参考并且对图9和图10做出参考，它们示出了用于将DLC型涂层施加在销(1)的圆周的仅一部分上的两种解决方案。销(1)沿着至少一排被循环地安置在支撑物(5)的周边。销(1)被旋转锁定并且被布置在相切的位置。

在图7和图8中所示的实施方案中，销(1)围绕中心网(centerweb)(6)被布置，对于销的旋转锁定而言，该中心网(6)如所指示的防止所述销的旋转。还在该实施方案中，为了处理许多销，通过使用所述销的与导杆(7)协作的内部孔使销彼此堆积。

在清洗销(1)之后，销如所指示的根据先前定义的组装来布置，然后如完全地众所周知的被加载至真空沉积外壳(未示出)中。在抽吸操作期间，真空沉积外壳和销(1)通过在关于销回火温度的参考温度下辐射加热来脱气。当真空达到2.10^-5毫巴值时，将氩气引入外壳中以达到约10-3毫巴的压力。蚀刻参数适合于能够除去在销(1)上天然存在的氧化物层，包括在限制区域内的在销(1)的由其切向定位产生的结合部处的氧化物层。参数适合于降低销上的电压，同时增大电流以降低阴极电辉。

在蚀刻之后，根据磁控溅射法进行氮化铬沉积。在PVD的末端，无定形碳型沉积物通过PEVCD被沉积。该C:H无定形碳层先于过渡层，该过渡层例如含有C:H-Si型硅。DLC涂层的这种应用是本领域技术人员完全地熟知的并且仅作为非限制性指示被提供。

本发明不在于DLC的实际应用，而在于能够用该DLC涂层涂覆销圆周的仅一部分的方法。

在该配置中，测试已经证明获得了在200°(-100°至+100°)的总有角部分(totalangularsection)上的涂层。该涂层是在范围从-85°至+80°的扇形区即总155°有角扇形区上是有粘性的。DLC涂层的厚度在范围从-70°至+65°的扇形区即135°有角扇形区上是均匀的，在±20％内。(注意：涂层被考虑为对该有角扇形区起作用)。在从+100°至-100°的相对的扇形区上，可以观察到完全缺乏DLC涂层。

在图9和图10中所示的实施方案中，涂覆区域的停止不通过与相邻销的接触被诱导，而是对于销中的每个而言通过能够限定有角扇形区的所附加的保护元件(8)被诱导。

在该实施方案中，如先前在图7和图8中所示的实施方案的情况下指示的销(1)被旋转锁定并且在此情况下被正切地或几乎正切地安置，给出在两个相邻销(1)之间的保护元件(8)的安装。测试已经用具有20mm和28mm直径的钢销(1)进行。这样的销已经遵循与对于DLC涂层的实际施加所指示的程序相同的程序(清洁、在真空下放置、脱气、蚀刻、沉积)。

在该配置中，粘合剂涂层在整体涂覆的有角扇形区(S)上(即，对于具有20mm直径的销而言，约从-50°至+50°以及对于具有28mm直径的销而言，约从-62.5°至+62.5°)被获得。DLC涂层的厚度对于在该相同的有角扇形区(S)上是均匀的，在±20％内。对于20mm的销以及范围从+50°至-50°的相对的扇形区，可以观察到完全缺乏涂层。对于在从-62.5°至+62.5°的相对扇形区上的28mm直径的销而言，同样如此。

在该配置中，界定并限制将被涂覆有DLC的区域的附加的保护元件(8)的使用能够在通过与DLC涂层相关的并且通过所述保护元件(8)限定的整体有角扇形区上具有均匀厚度的粘合剂涂层。该保护元件(8)的明智定位在能够达到240°(从-120°至+120°)的有角扇形区上提供具有令人满意的形态的粘合剂涂层。

如所指示的，对于仅在确定的扇形区上施加DLC，合适地使销定向是重要的。应该对图16至图19的指示性实例做出参考。

比较测试已经根据现有技术在销的整体周边上并且根据本发明的特征沿着所述周边的仅一部分施加DLC涂层的情况下进行。

测试已经在具有16mm直径和45mm长度的销上进行。在360°(现有技术状态)上的DLC涂层的情况下，所谓的三重旋转配置(triple-rotationconfiguration)需要被使用。在这种情况下，可能通过加载置由HEF-Durferrit出售的TSD850机器中来处理4,356个销。当销被处理时，根据本发明的特征，即，在有限角扇形区上以及在图7和图8中所示的配置中的DLC涂层的施加，所谓的双重旋转配置(double-rotationconfiguration)是足够的。在这种情况下，可能通过加载至相同类型的TSD850机器中来处理5,544个销。约25％的机器填充增益被相应地获得。

根据本发明，由于从三位旋转配置传到双位旋转配置，增益也基于DLC涂层循环时间被获得。在具有根据现有技术的3μm厚度的DLC涂层(在360°上涂覆)的情况下，三重旋转配置循环时间在TSD850机器中是15.5小时，而根据本发明(在有限角扇形区上涂覆)，在双重旋转配置中(仍旧在TSD850机器中)的循环时间是11.2小时，即，具有约35％的时间增益。

除了这些优点之外，将DLC涂层施加在销的偏角扇形区上的事实能够增大涂层厚度，同时保持经济上的优势。这样的厚度增加能够提高销寿命，并且在高负载应用的情况下是特别地有利的。DLC涂层的厚度因此可以在1μm至10μm的范围内。

对于全部这些在不背离本发明的框架的情况下，不排除销(或其他)也在摩擦区域的外部被涂覆。在这种情况下，该涂层的特性(厚度和/或硬度和/摩擦系数)低于对应于摩擦区域的有角扇形区的抗卡塞涂层的特性。

Claims (14)

1.一种活塞销(1)，其特征在于，所述销具有抗卡塞涂层(4)，所述抗卡塞涂层(4)限于至少对应于摩擦区域的有角扇形区(S)，所述摩擦区域沿着优先方向在所述摩擦区域的外部经受接触压力，所述销具有或不具有涂覆区域，所述涂覆区域具有小于所考虑的有角扇形区的所述抗卡塞涂层的特性的厚度和/或硬度和/或摩擦系数特性。

2.如权利要求1所述的销，其特征在于所述抗卡塞涂层是DLC。

3.如权利要求1所述的销，其特征在于所述涂层是CrN。

4.如权利要求1所述的销，其特征在于所述涂层是TiAIN。

5.如权利要求1所述的销，其特征在于所述有角扇形区是在从15°至240°的范围内。

6.如权利要求1所述的销，其特征在于所述有角扇形区是在从15°至220°的范围内。

7.如权利要求1至5中任一项所述的销，其特征在于功能区域上的所述涂层的厚度是均匀的，在±20％内。

8.如权利要求7所述的销，其特征在于所述涂层的厚度的范围在1μm和10μm之间。

9.一种在用于燃烧发动机的结构单元(100，100’)的情况下的活塞销，所述结构单元(100，100’)具有活塞(10)，所述活塞(10)设置有活塞顶部(11)、涂覆有抗摩擦涂层(21，21’)的活塞销(20，20’)、以及连接杆(30)，其中所述连接杆(30)设置有小端(31)并且其中所述活塞(10)设置有销座孔(16)，所述销座孔(16)具有于其中组装的所述活塞销(20，20’)，其特征在于所述活塞销(20，20’)被刚性地固定在所述连接杆(30)的所述小端中并且特征在于所述涂层(20，20’)在所述活塞销(20)的周边区域上延伸，所述周边区域在发动机操作期间、至少在所述活塞(10)的所述销座孔(16)的区域中经受最高负载。

10.如权利要求9所述的销，其特征在于所述抗摩擦涂层(21，21’)以从180度至240度的角视场(α)在朝向所述活塞(10)的所述顶部(11)定向的所述活塞销(20，20’)的周边区域上延伸。

11.如权利要求10所述的销，其特征在于所述角视场(α)是220度。

12.如权利要求9所述的销，其特征在于所述抗摩擦涂层(21’)全部沿着所述活塞销(20’)的轴长度延伸。

13.一种将DLC型抗卡塞涂层施加在活塞销(1)上的方法，其特征在于：

-所述销沿着至少一排并且在相切位置被循环地安置在支撑物上，

-相对于所述支撑物的销旋转被锁定，

-装有所述销的所述支撑物被布置在真空外壳中，

-装有所述销的所述支撑物被旋转，

-所述抗卡塞涂层被选择性地沉积在所述销上在通过所述销的相切定位限定的有角扇形区上。

14.一种将DLC型抗卡塞涂层施加在活塞销(1)上的方法，其特征在于：

-所述销(1)沿着至少一排并且在相切或准相切的位置被循环地安置在支撑物上，

-对于所述销中的每个而言，能够限定有角扇形区的保护元件(8)被布置在每个销(1)之间，

-相对于所述支撑物的销旋转被锁定，

-装有所述销的所述支撑物被布置在真空外壳中，

-装有所述销的所述支撑物被旋转，

-所述抗卡塞涂层被选择性地沉积在通过所附加的保护元件(8)限定的所述有角扇形区上。