CN106662246B - 活塞环 - Google Patents

Abstract

为了提供一种即使在压力、热负荷增大的苛刻的使用环境下也表现出优异的耐擦伤性及耐磨损性的活塞环，而且能够避免边缘载荷的活塞环，使通过活塞环的中心轴且与所述中心轴平行的截面中呈现的外周滑动面的第一曲面向外凸出，所述第一曲面的曲率半径从曲柄室侧向燃烧室侧连续地增加或减少。

Description

活塞环

技术领域

本发明涉及活塞环，尤其是涉及具有桶面形状的外周滑动面的压力环。

背景技术

包含船舶用发动机的大型柴油发动机伴随着地球环境问题的明显化，近年来处于越发高输出化、高效率化(CO₂降低)的倾向。具体而言，计划了缸有效压力或最高压力的上升、由热负荷增大产生的作用应力的增大、或者平均活塞速度的上升等，尤其是计划了缸内最高压力达到22MPa，将来进一步上升至30MPa的情况。将第一压力环(以下也称为“顶环”)压紧于缸套面的载荷(以下也称为“环载荷”)与该缸内最高压力大致成比例地增大，因此压力环的使用环境非常苛刻。

另外，在上述那样的苛刻的使用环境下，活塞的环槽由于活塞上部的基于热膨胀的热变形或燃烧压力的影响、活塞槽的磨损而处于从与轴向垂直的方向稍向下(与燃烧室相反的方向)变形的倾向，此外，顶环由于缸内压力而成为向下(与燃烧室相反的方向)倒下的倾向。即，顶环成为在比外周滑动面的轴向宽度的中央位置靠燃烧室侧处与缸壁进行滑动接触的倾向。在极端的情况下，有时也会发生顶环的抵碰面从外周滑动面脱离的所谓边缘载荷(也称为“外周上抵碰”)。

大型柴油发动机中的故障集中于包含活塞环的活塞、缸套，尤其是由于活塞环与缸套的擦伤的问题而导致重大损伤的情况较多。擦伤在上述那样环载荷增大时，发生边缘载荷时，另外在上止点及下止点的附近成为交界润滑状态时容易发生。

目前为止的大型柴油发动机用顶环通过镀敷或喷镀而在外周滑动面上包覆硬质保护膜，此外研磨加工成桶面形状，实现了耐久性和油膜生成功能的提高。例如，日本实开昭57-196238公开了一种活塞环，其特征在于，外周滑动面的截面形状由从上方起的第一、第二及第三的不同曲率半径的圆弧组成的复合面构成，第二曲率半径比第一及第三曲率半径大，且由第二曲率半径划定的第二外周滑动面的轴向宽度为活塞环的轴向宽度的大致1/2，第二外周滑动面的截面圆弧的曲率中心在活塞环的轴向宽度内位于宽度中央以下的位置，且第一、第二及第三外周滑动面以在其交界部未形成凹部的状态相连。

另外，日本特开2002-39384是在外周滑动面为桶形状且在与上下侧面交叉的部分具有进行了倒角加工的拐角部的活塞环中，以提供一种在外周滑动面上形成有氮化层、PVD层的表面处理层的情况下在桶面与拐角部的交界的边缘部不会产生表面处理层的裂纹或剥离的活塞环为目的，公开了如下的活塞环：拐角部呈半径0.05mm以上且比桶面半径小的曲面形状，并且拐角部与桶部不存在棱线部而连续地相连形成。

另外，日本特开2009-91927以提供一种防止活塞环的外周面与缸套的滑动面之间的气封能力不足引起的漏气量的增大，防止活塞环背部的污垢、漏气中的亚硫酸气体引起的缸套的腐蚀，且降低接触压力的活塞环为目的，公开了将活塞环的外周面设定为曲率半径R＝1.18D～1.35D(D：缸内径)的圆弧外形的活塞环。具有如下的特征：考虑到表示气封能力的泄漏流量Q与圆弧外形的曲率半径R的立方成反比例的情况而增大曲率半径R。

然而，日本实开昭57-196238、日本特开2002-39384及日本特开2009-91927的活塞环利用平滑的曲线将外周桶面与拐角部连接，或者与以往相比都增大了桶面的曲率半径，但是并未采取关注于活塞或活塞环的行迹的擦伤对策或边缘载荷对策，因此处于无法说是充分的状况。

发明内容

发明要解决的课题

本发明的课题在于提供一种即使在压力、热负荷增大的苛刻的使用环境下，也表现出优异的耐擦伤性及耐磨损性的活塞环，而且能够避免边缘载荷的活塞环。

用于解决课题的方案

本发明者们对于活塞环的外周滑动面的形状进行仔细研究的结果是，想到了能够提供一种降低环抵碰面的赫兹应力的形状、避免边缘载荷并能够进行充分的油膜形成的形状的耐擦伤性及耐磨损性优异的活塞环。

即，本发明的活塞环的特征在于，在通过活塞环的中心轴且与所述中心轴平行的截面中呈现的外周滑动面的第一曲面向外凸出，所述第一曲面的曲率半径从曲柄室侧向燃烧室侧连续地增加或减少。

优选在所述截面中呈现的所述第一曲面的顶点位于比轴向宽度的中央位置靠曲柄室侧处。

优选所述第一曲面的在所述截面中呈现的曲线由对渐开线曲线进行了变形的曲线表示，所述曲线更优选使用如下关系式表示：

x＝a(cosθ+θ^b·sinθ)/α

y＝a(sinθ-θcosθ)/β

a、b、α、β为常数。

另外，所述第一曲面与燃烧室侧上侧面及所述第一曲面与曲柄室侧下侧面之间优选分别具有倒角部，或者优选分别具有向外凸出的第二曲面及第三曲面。

另外，从在所述截面中呈现的所述第一曲面的顶点至燃烧室侧端的在半径方向上的后退量(t)(以下，也仅称为“半径方向的后退量”或者“燃烧室侧的外周滑动面的后退量”)优选为活塞环的标称直径(d1)的0.001％以上且0.015％以下。

发明效果

本发明的第一活塞环的外周滑动面的第一曲面形状的曲率半径从曲柄室侧向燃烧室侧而连续地增加，因此燃烧室侧的曲率半径大，即使负荷缸内最高压力而在燃烧室侧与缸壁发生滑动接触，由于增大了燃烧室侧的曲率半径，因此也能够降低由环载荷产生的接触(赫兹)应力，避免擦伤，能够避免造成重大损伤的情况。而且，如果燃烧室侧的曲率半径大，则油膜也形成得厚，因此油残留于上止点附近，进而对于擦伤的避免也能作出贡献。而且，本发明的第二活塞环的外周滑动面的第一曲面形状的曲率半径从曲柄室侧向燃烧室侧而连续地减少，因此燃烧室侧的曲率半径比较小，由此半径方向的后退量也增大，因此能够避免负荷缸内最高压力的燃烧行程时的边缘载荷，能够避免造成重大损伤的情况。而且，如果燃烧室侧的半径方向的后退量大，则在活塞下降时从裙部侧流入的油容易蓄积，因此该蓄积的油残留至上止点附近，对于擦伤的避免也能作出贡献。另一方面，曲柄室侧的曲率半径大，降低由环载荷产生的赫兹应力，油膜也形成得厚，因此能够表现出优异的耐磨损性。此外，无论是第一活塞环还是第二活塞环，第一曲面形状如果由例如对渐开线曲线进行了变形的曲线表示，则能够使曲率半径在所希望的范围内连续地变化，此外，能够通过基于数值控制的加工来形成，或者能够通过利用数值控制形成的形状的砂轮进行成形加工，从而能够可靠且高效地形成曲率半径从曲柄室侧向燃烧室侧连续地增加或减少的第一曲面。

附图说明

图1是本发明的实施方式的活塞环的剖视图(外周滑动面由第一曲面构成)。

图2是本发明的另一实施方式的活塞环的剖视图(外周滑动面的顶点位于下侧面侧端)。

图3是本发明的另一实施方式的活塞环的剖视图(在第一曲面与燃烧室侧上侧面及曲柄室侧下侧面之间分别具有倒角部)。

图4是本发明的另一实施方式的活塞环的剖视图(在第一曲面与燃烧室侧上侧面及曲柄室侧下侧面之间分别具有向外凸出的第二及第三曲面)。

具体实施方式

图1～图4示出本发明的实施方式的轴向宽度(h1)、径向厚度(a1)的活塞环(1)的截面。截面是通过活塞环(1)的中心轴且与中心轴平行的截面，外周滑动面包含向外凸出的第一曲面(2)。并且，该第一曲面(2)的曲率半径(R)从曲柄室侧(图的下部)向燃烧室侧(图的上部)连续地增加(本发明的第一活塞环)或从曲柄室侧(图的下部)向燃烧室侧(图的上部)连续地减少(本发明的第二活塞环)。由此，在本发明的第一活塞环中，第一曲面(2)的燃烧室侧的曲率半径增大，即使在第一曲面(2)的燃烧室侧与缸壁进行滑动接触，也能降低由环载荷产生的接触赫兹应力，结果是能降低PV值(表面压力P与活塞速度V之积)，能够避免擦伤。而且，在本发明的第二活塞环中，第一曲面(2)的燃烧室侧的曲率半径小，半径方向的后退量(t)增大，能够避免负荷缸内最高压力的燃烧行程时的边缘载荷。

作为曲率半径(R)连续增加的曲线，可列举例如渐开线曲线。渐开线曲线是指将卷缠于圆的线以绷直地拉伸的状态解开时的线的端点描绘的轨迹，由

x＝cosθ+θsinθ

y＝sinθ-θcosθ

表示，但是为了形成为与本发明的活塞环的外周滑动面的第一曲面(2)相适的曲率变化，使用参数a、b、α、β对上述曲线进行变形，优选使用由

x＝a(cosθ+θ^b·sinθ)/α

y＝a(sinθ-θcosθ)/β

a、b、α、β为常数

的关系式表示的曲线(变形渐开线曲线)。在此，a、b、α、β根据适用的活塞环而可以适当设定，但是优选a为3000～10000，b为2～3，α为1～2，β为1～5。通过使上述关系式的坐标轴旋转规定量，且平行移动规定量或反转，能够描绘出例如以x轴为a1方向(与环轴垂直的方向)、以y轴为h1方向(环轴方向)、以第一曲面(2)的顶点为原点、且曲率半径连续地增加或减少的曲线。

上述那样明确地由数学式表示的曲线在第一曲面的形成时，能够进行基于数值控制的加工、基于通过数值控制而形成的形状的砂轮的成形加工，因此制造容易，并提高制造品质。

图2～图4示出与本发明的图1不同的实施方式的活塞环。图1及图2中，外周滑动面仅由第一曲面构成，第一曲面的顶点(2)在图1中位于上侧面与下侧面之间，但是在图2中位于下侧面侧端。图3在第一曲面(2)与燃烧室侧上侧面(3)及第一曲面(2)与曲柄室侧下侧面(4)之间分别具有倒角部(5、5)，图4取代倒角部(5、5)而具有向外凸出的第二及第三曲面(6、6)。

本发明的活塞环基本上优选第一曲面的顶点位于比轴向宽度的中央位置靠曲柄室侧处。燃烧室侧的外周滑动面的后退量(t)优选为活塞环的标称直径(d1)的0.001％以上且0.015％以下。在第一活塞环的情况下，后退量(t)更优选为0.004％以上，在第二活塞环的情况下，后退量(t)更优选为0.01以下，进一步优选为0.007％以下。

本发明的活塞环能够优选使用于缸内最高压力较大的标称直径为200mm以上且小于1100mm的大型柴油发动机，但是只要外周滑动面满足规定的形状即可，其适用发动机不受限定，也可以使用于标称直径小于200mm的中型柴油发动机。

另外，本发明的活塞环的母材既可以适用铸铁材料，也可以适用钢材，但是为了有效地应对高输出化、高效率化，进而以轻量化、低张力化为目标而优选适用钢材。在将钢材适用于母材的情况下，优选为从碳素钢、低合金钢、弹簧钢、轴承钢、马氏体系不锈钢中选择的钢。如果是碳素钢，则优选使用C为0.6～0.8质量％左右的高碳素钢，如果是弹簧钢，则优选使用SUP9、SUP10、SUP12等，如果是轴承钢，则优选使用SUJ2，如果是马氏体系不锈钢，则优选使用SUS420J2或SUS440B。根据高温强度、热传导率、耐热疲劳性等需要的要求特性而选择适合的钢材。

本发明的活塞环优选具有选自由氮化保护膜、镀敷保护膜、喷镀保护膜、化学转化处理保护膜及离子镀敷保护膜构成的组中的1个或2个以上的保护膜。镀敷保护膜包括硬质铬镀敷保护膜、多层铬镀敷保护膜、镍复合镀敷保护膜，喷镀保护膜包括钼喷镀保护膜、金属陶瓷喷镀保护膜，离子喷镀保护膜包括CrN保护膜、TiN保护膜。

实施例

实施例1(第一活塞环)

由材料组成以质量％计含有C：0.48％、Si：0.21％、Mn：0.79％、Cr：1.02％、V：0.22％、外径为110mm、长度为200mm的棒钢，通过环件轧制加工来制造筒状原料，实施机械加工，制造出标称直径(d1)为330mm、宽度(h1)为5mm、厚度(a1)为9mm的矩形截面的钢制顶环。接下来，通过460℃、5小时的气体氮化而在环整面形成约70μm的氮化层，此外在外周形成约500μm的金属陶瓷喷镀保护膜，该金属陶瓷喷镀保护膜以通过高速火焰喷镀而在Ni合金基底中分散有微细的Cr碳化物粒子的复合材料粒子为主要的构成粒子(苏尔寿美科(Sulzer Metco)公司的SM5241粉末)，最终实施了精加工研磨至喷镀保护膜的膜厚约350μm。在此，由于气体氮化而在表面生成的化合物层(白层)进行磨削除去。

通过精加工研磨而形成的外周滑动面的第一曲面使用

x＝a(cosθ+θ^b·sinθ)/α

y＝a(sinθ-θcosθ)/β

a＝7000，b＝3，α＝1，β＝2

的变形渐开线曲线，以使第一曲面的顶点(距燃烧室侧上侧面为3.5mm的距离)成为坐标轴的原点的方式，使上述变形渐开线曲线的坐标轴适当旋转并进行平行移动地描绘。而且，这种情况下，距下侧面为0.5mm的位置的曲率半径成为70mm，顶点位置的曲率半径成为300mm，距上侧面为0.5mm的位置的曲率半径成为460mm。使用成形为该形状的成形砂轮，形成第一曲面，距上下侧面为0.5mm的区域实施倒角加工，完成了精加工研磨。而且，燃烧室侧的外周滑动面的后退量(t)为0.009mm，为标称直径(d1)的0.002％。

实机试验

实机试验在孔径为330mm的6气缸4冲程中速柴油发动机的试验机中，使用6气缸全部装配有实施例1的顶环的活塞来进行。顶环以外使用了一直以来使用的活塞环。在300小时的运转中，没有擦伤等故障，取出顶环而观察了滑动面的结果也没有特别异常。

实施例2(第二活塞环)

除了将变形渐开线曲线的参数设为a＝6000、b＝3、α＝1、β＝1.5，并将第一曲面以使曲率半径从曲柄室侧向燃烧室侧减少的方式反转而形成以外，与实施例1同样地制造了钢制顶环。这种情况下，距下侧面为0.5mm的位置的曲率半径成为340mm，顶点位置的曲率半径成为270mm，距上侧面为0.5mm的位置的曲率半径成为100mm。燃烧室侧的外周滑动面的后退量(t)为0.016mm，为标称直径(d1)的0.0048％。此外，进行了与实施例1同样的实机试验，结果是，所有的气缸都没有故障，而且顶环的滑动面也没有异常。

实施例3-5(第一活塞环)

除了将变形渐开线曲线的参数a、b、α、β设为表1所示的值以外，与实施例1同样地制造了实施例3～5的钢制顶环。关于实施例3～5的下侧面侧(距下侧面为0.5mm的位置)、顶点位置、上侧面侧(距上侧面为0.5mm的位置)处的曲率半径、后退量(t)，也与实施例1及2的结果一起如表1所示。此外，将实施例3～5的顶环装配于各2个气缸而与实施例1同样地进行了实机试验，结果是，所有的使用了顶环的气缸都没有故障，而且顶环的滑动面也没有异常。

[表1]

*后退量是指燃烧室侧的外周滑动面的后退量(t)。

实施例6(第一活塞环)

对于材料组成以质量％计含有C：3.7％、Si：2.7％、Mn：0.6％、P：0.04％、S：0.01％、Cr：0.10％、Ni：0.90％、V：0.07％、Cu：2.39％的铸铁进行熔化、铸造、机械加工，制造了标称直径(d1)为330mm、宽度(h1)为7mm、厚度(a1)为10mm的矩形截面的CV石墨铸铁制顶环。将变形渐开线曲线的参数设为a＝6000、b＝3、α＝1、β＝1.7，以使距燃烧室侧上侧面为4.5mm的距离的第一曲面的顶点成为坐标轴的原点的方式，使上述变形渐开线曲线的坐标轴适当旋转、平行移动地描绘。而且，这种情况下，距下侧面为0.5mm的位置的曲率半径成为65mm，顶点位置的曲率半径成为280mm，距上侧面为0.5mm的位置的曲率半径成为450mm。使用成形为该形状的成形砂轮，形成第一曲面，距上下侧面为0.5mm的区域实施倒角加工，完成了精加工研磨。而且，燃烧室侧的外周滑动面的后退量(t)为0.024mm，为标称直径(d1)的0.007％。

实施例7(第二活塞环)

除了将变形渐开线曲线的参数设为a＝3000、b＝3、α＝1、β＝2，并将第一曲面以使曲率半径从曲柄室侧向燃烧室侧减少的方式反转而形成以外，与实施例6同样地制造了CV石墨铸铁制顶环。这种情况下，距下侧面为0.5mm的位置的曲率半径成为360mm，顶点位置的曲率半径成为300mm，距上侧面为0.5mm的位置的曲率半径成为50mm。燃烧室侧的外周滑动面的后退量(t)为0.035mm，为标称直径(d1)的0.011％。

关于实施例6及7，也将顶环装配于各3个气缸而进行了与实施例1同样的实机试验，结果是，所有的气缸都没有故障，而且顶环的滑动面也没有异常。

Claims (7)

1.一种活塞环，其特征在于，

在通过活塞环的中心轴且与所述中心轴平行的截面中呈现的外周滑动面的第一曲面向外凸出，所述第一曲面的曲率半径从曲柄室侧向燃烧室侧连续地增加或减少，

所述第一曲面的在所述截面中呈现的曲线由对渐开线曲线进行了变形的曲线表示，

所述曲线使用如下关系式表示：

x＝a(cosθ+θ^b·sinθ)/α

y＝a(sinθ-θcosθ)/β

a、b、α、β为常数。

2.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，

在所述截面中呈现的所述第一曲面的顶点位于比轴向宽度的中央位置靠曲柄室侧处。

3.根据权利要求1或2所述的活塞环，其特征在于，

在所述第一曲面与燃烧室侧上侧面及所述第一曲面与曲柄室侧下侧面之间分别具有倒角部。

4.根据权利要求1或2所述的活塞环，其特征在于，

在所述第一曲面与燃烧室侧上侧面及所述第一曲面与曲柄室侧下侧面之间分别具有向外凸出的第二曲面及第三曲面。

5.根据权利要求1或2所述的活塞环，其特征在于，

从在所述截面中呈现的所述第一曲面的顶点至燃烧室侧端的在半径方向上的后退量(t)为活塞环的标称直径(d1)的0.001％以上且0.015％以下。

6.根据权利要求3所述的活塞环，其特征在于，

从在所述截面中呈现的所述第一曲面的顶点至燃烧室侧端的在半径方向上的后退量(t)为活塞环的标称直径(d1)的0.001％以上且0.015％以下。

7.根据权利要求4所述的活塞环，其特征在于，

从在所述截面中呈现的所述第一曲面的顶点至燃烧室侧端的在半径方向上的后退量(t)为活塞环的标称直径(d1)的0.001％以上且0.015％以下。