CN107120432A - 一种低摩擦无衬套连杆活塞销结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低摩擦无衬套连杆活塞销结构，具体的说是一种取消衬套的连杆配合表面涂有类金刚石涂层材料DLC的活塞销所组成的结构，属于连杆活塞技术领域。其包括连杆、活塞销和活塞，活塞销的表面涂覆类金刚石涂层；连杆小头孔包括中间孔段和对称设置在中间孔段左右两侧的侧孔段，中间孔段的母线轴向平直，侧孔段为从靠近中间孔段一侧向另一侧直径逐渐变大的喇叭形孔，连杆小头孔的横截面为椭圆形。本发明的活塞销表面的类金刚石涂层，既有很高的硬度，具有优良的耐磨性，又具有优良的自润滑性，摩擦系数低，抗咬合性能好，充分适应连杆小头孔少油的润滑状态。

Description

一种低摩擦无衬套连杆活塞销结构

技术领域

本发明涉及一种低摩擦无衬套连杆活塞销结构，具体的说是一种取消衬套的连杆配合表面涂有类金刚石涂层材料DLC的活塞销所组成的结构，属于连杆活塞技术领域。

背景技术

在活塞式发动机中，连杆的作用是连接发动机中的曲轴和活塞，将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动，并将活塞承受的燃气压力传给曲轴，由曲轴对外输出机械能做功。连杆包括连杆小头、杆身、连杆大头三部分，活塞上设有两个活塞销孔，连杆小头通过活塞销与活塞相连，活塞销穿过活塞销孔和连杆小头孔，活塞销座和活塞销、连杆小头和活塞销分别组成运动副。活塞销与活塞销孔和连杆小头孔的连接配合，一般为“全浮式”，即在发动机运转过程中，活塞销既可在连杆小头孔内转动，又可以在活塞销孔内转动，以使活塞销各部位的磨损比较均匀。连杆小头孔与活塞销运动副工作环境恶劣，既要承受较大的表面接触压力，又要克服由于润滑油的供应不足导致咬合与磨损，一般在连杆小头孔中压入衬套，衬套内孔表面为质地较软的减摩、耐磨的铜合金材料，具有抗咬合性和顺应性，在减少摩擦的同时顺应活塞销的变形。在小头孔壁和衬套上设有对应的润滑油孔，便于润滑油进入运动副，改善连杆小头孔与活塞销之间的润滑条件，降低摩擦并提高运动副的可靠性。

但是，在连杆制造过程中，由于衬套和连杆小头孔为过盈配合，衬套压入连杆小头孔后，会发生变形，为保证衬套内孔和活塞销的精密配合关系，还需要额外增加一道精镗衬套内孔的工序，从而使连杆的制造成本增加。

随着发动机强化程度的日益升高，发动机缸内的爆发压力越来越大，钢活塞的使用越来越广，钢活塞和活塞销之间由于润滑不良产生的咬合现象也日益增多。

人们已经做过多次尝试，通过结构改进及应用减摩涂层，以除去衬套。如2007年1月10公布的沃尔夫冈·赖因等人专利CN 1894523A，公开了一种无衬套活塞和连杆组件及其制造方法，其中活塞销为异型结构，销和连杆小头涂上厚度2至8微米的磷化涂层，磷化涂层易于磨损，被磨损的涂层会在发动机的润滑系统中循环，引起其它损害。另外专利中提到的异型结构的活塞销，由于销本身外表面要求硬度比较高，对加工制造也提出了不少挑战，很难实现经济性的量产。2012年4月18公布的苏洪吉等人专利CN 202194699 U，公开了一种往复式内燃机小头无衬套连杆，其中连杆小头孔为异型结构，在连杆小头孔内有二条与孔轴线平行的油槽。在连杆工作中，其小头孔与活塞销构成一对摩擦副，表面接触载荷较高，若不考虑活塞销材料表面特性，专利中的这对摩擦副极易发生咬合失效。2014年10月29公布的沃尔夫冈·赖因等人专利CN 104126076 A，公开了用于连杆小头的热喷涂层，在连杆小头孔内表面整体或局部热喷涂一层合金，厚度在5至100微米。这种设计首先是热喷涂过程热对连杆小头孔的影响无法掌控，极易导致连杆小头孔强度下降，同时会引起连杆孔的变形，热喷涂后需要再加工，这些与带衬套连杆相比没有太多的技术进步，在生产成本方面无任何优势。

综上所述，虽然人们在进行连杆小头孔与活塞销配副设计时，围绕减轻重量、降低成本、提升可靠性及可批量生产性等方面持续推出新的技术措施，但是在已出现的技术中又存在这样那样的不足，无法在批量生产应用中发挥优势。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，从而提供一种低摩擦无衬套连杆活塞销结构，连杆小头孔取消衬套，直接配合涂有类金刚石涂层的活塞销，组成连杆活塞销运动副，降低活塞销和连杆小头孔的摩擦力并提高其耐磨性，同时还能够兼顾增强钢质活塞销座与活塞销运动副的抗咬合性能。

按照本发明提供的技术方案，一种低摩擦无衬套连杆活塞销结构包括连杆、活塞销和活塞，连杆包括连杆小头和连杆大头，连杆小头和连杆大头通过杆身连接成一体，连杆小头内设有连杆小头孔，连杆大头内设有连杆大头孔；活塞内设有左右贯通的活塞销孔，连杆的连杆小头伸入活塞中，活塞销位于连杆小头孔中，活塞销左右两端伸出连杆小头孔并伸入活塞销孔中，其特征是：所述活塞销的表面涂覆类金刚石涂层；所述连杆小头孔包括中间孔段和对称设置在中间孔段左右两侧的侧孔段，中间孔段的母线轴向平直，侧孔段为从靠近中间孔段一侧向另一侧直径逐渐变大的喇叭形孔，连杆小头孔的横截面为椭圆形；所述连杆上设有导油孔，导油孔内端连通连杆小头孔的中间孔段，通过导油孔对连杆小头孔中的活塞销进行润滑。

进一步的，导油孔包括第一侧导油孔和第二侧导油孔，第一侧导油孔和第二侧导油孔左右对称设置在连杆小头的上半段圆弧侧壁上。

进一步的，导油孔为设置在杆身上的连杆导油孔，连杆导油孔上下两端分别连通连杆小头孔和连杆大头孔。

进一步的，类金刚石涂层的厚度为1~5μm。

进一步的，连杆小头的厚度尺寸从连杆小头向连杆大头方向逐渐变大。

进一步的，侧孔段的椭圆形横截面的长轴方向垂直于连杆大小头孔中心连线，侧孔段的椭圆形横截面的长轴与短轴差值范围为0.02~0.08mm。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

本发明结构简单、紧凑、合理，取消了衬套，减少了零件数量，简化了加工工艺流程，降低了生产成本；在连杆小头孔壁厚不变的前提下，活塞销直径保持不变或更小，能够减少连杆小头外圆尺寸，既能降低连杆小头部位重量，又为活塞设计提供更多的空间，降低活塞设计难度；连杆孔适应了活塞销的弯曲变形，使连杆小头孔与活塞销之间的接触应力均匀分布，降低应力峰值，利于润滑油膜的形成和保持，提升工作可靠性；连杆小头孔的横截面为椭圆形，椭圆长轴方向垂直于连杆大小头孔连线，用以储存润滑油改善润滑，同时为连杆连杆小头孔及活塞销的椭圆变形留出空间，防止连杆小头孔变形后抱死活塞销，同时有利于降低活塞销的接触应力，提升工作可靠性；改善了连杆小头的润滑作用，可以从连杆杆身开设油道，从连杆大端取油进行压力润滑，也可以从连杆小头顶部开油孔取油进行飞溅润滑，减小连杆小头摩擦副热应力；活塞销表面的类金刚石涂层，既有很高的硬度，具有优良的耐磨性，又具有优良的自润滑性，摩擦系数低，抗咬合性能好，充分适应连杆小头孔少油的润滑状态；活塞销表面类金刚石涂层与钢质活塞销座进行配副也能充分发挥类金刚石涂层的耐磨性与润滑性，适应活塞座孔少油工作状态，间接提升了这对运动副的耐磨性和抗咬合性能。

附图说明

图1为本发明的装配关系剖视图。

图2为本发明的活塞销结构图。

图3为本发明的连杆小头结构图。

图4为本发明的导油孔的实施例一结构图。

图5为本发明的导油孔的实施例二结构图。

图6为本发明的连杆小头孔的横截面图。

附图标记说明：1-连杆、2-活塞销、3-活塞、4-连杆小头、5-连杆小头孔、6-连杆大头、7-连杆大头孔、8-杆身、9-活塞销孔、10-类金刚石涂层、11-中间孔段、12-侧孔段、13-第一侧导油孔、14-第二侧导油孔、15-连杆导油孔。

具体实施方式

下面本发明将结合附图中的实施例作进一步描述：

如图1~5所示，本发明主要包括连杆1、活塞销2和活塞3。连杆1包括连杆小头4和连杆大头6，连杆小头4和连杆大头6通过杆身8连接成一体。连杆小头4内设有连杆小头孔5，连杆大头6内设有连杆大头孔7。

活塞3内设有左右贯通的活塞销孔9，连杆1的连杆小头4伸入活塞3中，活塞销2位于连杆小头孔5中，活塞销2左右两端伸出连杆小头孔5并伸入活塞销孔9中。

所述活塞销2的表面涂覆类金刚石涂层10，类金刚石涂层10的厚度为1~5μm。活塞销2的表面涂覆类金刚石涂层10，能够在减少连杆和活塞销运动副摩擦力的同时，增强其耐磨性。

类金刚石涂层（英文简称DLC）是一种含有金刚石结构（SP3键）和石墨结构（SP2键）的亚稳非晶态物质，碳原子主要以SP3和SP2杂化键结合，兼具金刚石的高硬度和石墨的固体润滑特性，硬度极高，同时干摩擦性能优异，干摩擦系数在0.1左右甚至更低。现有技术中，类金刚石涂层能够采用多种适用的技术实现，如物理气相沉积即PVD技术，或等离子辅助化学气相沉积即PACVD技术等。

所述连杆小头孔5包括中间孔段11和对称设置在中间孔段11左右两侧的侧孔段12，中间孔段11的母线轴向平直，侧孔段12为从靠近中间孔段11一侧向另一侧直径逐渐变大的喇叭形孔，如图6所示，连杆小头孔5的横截面为椭圆形，侧孔段12的椭圆形横截面的长轴方向垂直于连杆大小头孔中心连线。椭圆形的横截面能够顺应活塞销2的变形，使连杆小头孔5与活塞销2之间的接触应力均匀分布，降低应力峰值，利于润滑油膜的形成和保持。侧孔段12的椭圆形横截面的长轴与短轴差值范围为0.02~0.08mm。

所述连杆小头4的厚度尺寸从连杆小头4向连杆大头6方向逐渐变大。

所述连杆1上设有导油孔，导油孔内端连通连杆小头孔5的中间孔段11，通过导油孔对连杆小头孔5中的活塞销2进行润滑。

如图4所示的实施例中，所述导油孔包括第一侧导油孔13和第二侧导油孔14，第一侧导油孔13和第二侧导油孔14左右对称设置在连杆小头4的上半段圆弧侧壁上。在润滑时，飞溅的润滑油雾通过连杆小头孔壁上的第一侧导油孔13和第二侧导油孔14进入连杆-活塞销运动副参与润滑，减少连杆-活塞销运动副热应力。

如图5所示的实施例中，所述导油孔为设置在杆身8上的连杆导油孔15，连杆导油孔15上下两端分别连通连杆小头孔5和连杆大头孔7。在润滑时，带有压力的润滑油通过连杆杆身的下导油孔16进入连杆小头孔内的活塞销中参与润滑，改善了连杆小头的润滑作用。

本发明结构简单、紧凑、合理，取消了衬套，减少了零件数量，简化了加工工艺流程，降低了生产成本；在连杆小头孔壁厚不变的前提下，活塞销直径保持不变或更小，能够减少连杆小头外圆尺寸，既能降低连杆小头部位重量，又为活塞设计提供更多的空间，降低活塞设计难度；连杆孔适应了活塞销的弯曲变形，使连杆小头孔与活塞销之间的接触应力均匀分布，降低应力峰值，利于润滑油膜的形成和保持，提升工作可靠性；连杆小头孔的横截面为椭圆形，椭圆长轴方向垂直于连杆大小头孔连线，用以储存润滑油改善润滑，同时为连杆连杆小头孔及活塞销的椭圆变形留出空间，防止连杆小头孔变形后抱死活塞销，同时有利于降低活塞销的接触应力，提升工作可靠性；改善了连杆小头的润滑作用，可以从连杆杆身开设油道，从连杆大端取油进行压力润滑，也可以从连杆小头顶部开油孔取油进行飞溅润滑，减小连杆小头摩擦副热应力；活塞销表面的类金刚石涂层，既有很高的硬度，具有优良的耐磨性，又具有优良的自润滑性，摩擦系数低，抗咬合性能好，充分适应连杆小头孔少油的润滑状态；活塞销表面类金刚石涂层与钢质活塞销座进行配副也能充分发挥类金刚石涂层的耐磨性与润滑性，适应活塞座孔少油工作状态，间接提升了这对运动副的耐磨性和抗咬合性能。

Claims (6)

1.一种低摩擦无衬套连杆活塞销结构，包括连杆（1）、活塞销（2）和活塞（3），连杆（1）包括连杆小头（4）和连杆大头（6），连杆小头（4）和连杆大头（6）通过杆身（8）连接成一体，连杆小头（4）内设有连杆小头孔（5），连杆大头（6）内设有连杆大头孔（7）；活塞（3）内设有左右贯通的活塞销孔（9），连杆（1）的连杆小头（4）伸入活塞（3）中，活塞销（2）位于连杆小头孔（5）中，活塞销（2）左右两端伸出连杆小头孔（5）并伸入活塞销孔（9）中，其特征是：所述活塞销（2）的表面涂覆类金刚石涂层（10）；所述连杆小头孔（5）包括中间孔段（11）和对称设置在中间孔段（11）左右两侧的侧孔段（12），中间孔段（11）的母线轴向平直，侧孔段（12）为从靠近中间孔段（11）一侧向另一侧直径逐渐变大的喇叭形孔，连杆小头孔（5）的横截面为椭圆形；所述连杆（1）上设有导油孔，导油孔内端连通连杆小头孔（5）的中间孔段（11），通过导油孔对连杆小头孔（5）中的活塞销（2）进行润滑。

2.如权利要求1所述的一种低摩擦无衬套连杆活塞销结构，其特征是：所述导油孔包括第一侧导油孔（13）和第二侧导油孔（14），第一侧导油孔（13）和第二侧导油孔（14）左右对称设置在连杆小头（4）的上半段圆弧侧壁上。

3.如权利要求1所述的一种低摩擦无衬套连杆活塞销结构，其特征是：所述导油孔为设置在杆身（8）上的连杆导油孔（15），连杆导油孔（15）上下两端分别连通连杆小头孔（5）和连杆大头孔（7）。

4.如权利要求1所述的一种低摩擦无衬套连杆活塞销结构，其特征是：所述类金刚石涂层（10）的厚度为1~5μm。

5.如权利要求1所述的一种低摩擦无衬套连杆活塞销结构，其特征是：所述连杆小头（4）的厚度尺寸从连杆小头（4）向连杆大头（6）方向逐渐变大。

6.如权利要求1所述的一种低摩擦无衬套连杆活塞销结构，其特征是：所述侧孔段（12）的椭圆形横截面的长轴方向垂直于连杆大小头孔中心连线，侧孔段的椭圆形横截面的长轴与短轴差值范围为0.02~0.08mm。