CN107850213B - 具有异形截面的压缩活塞环 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压缩活塞环(2)，所述压缩活塞环(2)具有波状表面区域(4)、上侧面(6)、下侧面(8)以及内周向表面(10)。所述波状表面区域(4)设置有异形截面，当在所述波状表面区域(4)的轴向高度上观看时，所述异形截面包括具有上顶点So和下顶点Su的相互间隔的、凸球形部分(12，14)。具有深度Tn的凹槽(16)布置在所述顶点So、所述顶点Su之间，其中，两个顶点So、Su沿着轴向方向而布置在所述活塞环(2)的中点M之下。

Description

具有异形截面的压缩活塞环

技术领域

本发明涉及具有波状表面(running-surface)区域的压缩活塞环，该波状表面区域具有异形截面，该异形截面具有两个低于活塞环的高度中点的顶点。

背景技术

活塞环且尤其压缩活塞环通常被用在内燃发动机的第一(最高的)活塞环槽和第二(中心的)活塞环槽中。在此，压缩环的功能通过如下特性来描述：

1、针对燃烧气体密封曲轴箱。

2、剥离过量的润滑油，从而尽可能少地保留在汽缸内壁上且可以被消耗。

出于该目的，使用具有波状表面的球面设计的环。大部分气流在压缩环的情况下不仅通过间隙流出，而且还根据壁厚度和直径而沿着曲轴箱的方向在较低环侧面上流出。现今，该气流主要由活塞环侧面和活塞槽侧面在接触区处的侧面粗糙度和波纹引起。此外，根据温度影响，活塞槽的变形可以发生，这同样也对密封具有不利影响。

至今为止，已知设计在每种情况下与波状表面上的一个最大接触点对称或球对称的压缩环。活塞环槽侧面和活塞环侧面在该情况下被制造有限定的粗糙度，以便为活塞环提供沿着周向方向的限定的可移动性。通常，不考虑活塞环槽和活塞环本身的波纹。

发明内容

本发明涉及具有波状表面区域的压缩活塞环，该波状表面区域具有异形截面，该异形截面具有两个位于活塞环的高度中点下方的顶点。

根据本发明的压缩活塞环具有波状表面区域、上侧面、下侧面以及内周向表面。波状表面区域设置有异形截面，当在波状表面区域的轴向高度上观看时，该异形截面在每种情况下都具有上顶点和下顶点，该上顶点和下顶点彼此间隔且具有凸球形构造。上截面具有上顶点以及下截面具有下顶点。具有凹槽深度的凹槽布置在顶点之间。两个顶点均沿着轴向方向布置在活塞环的中点(根据高度)之下。

在此，从“在燃烧室的方向上”或“在活塞头的方向上”的意义上来使用术语“上”。在此，从“在曲轴箱的方向上”或“在活塞裙的方向上”的意义上来使用术语“下”。

这就是压缩环，该压缩环在波状表面上具有多于一个最大接触点或多于一个接触线。另外，这些全部都附接在轴向高度的中点之下。在此，在下行冲程期间显著增大油剥离动作，而在上行冲程中不改变溢出能力或油膜上的漂浮。两个所谓的枢轴点或顶点位于包络曲线上且被描述成使得在两个枢轴点的情况下，这两个点为整个波状表面线的元素以及准确地描述该线上的最高点。因此，活塞环的流体动力以及因此的浮动在下行冲程中减小，这在下行冲程中不可避免地引起增大的剥离动作。由于在上顶点之上的冠状线，可以在上行冲程中达到与传统压缩环相同的流体动力。

在活塞环的示例性实施方式中，上顶点布置在活塞环的总高度的22％至45％、优选地25％至40％以及进一步优选地30％至35％的范围内。此外，下顶点可以布置在活塞环的总高度的0％至20％、优选地5％至18％以及进一步优选地10％至15％的范围内。

在活塞环的另一示例性实施方式中，活塞环的上外边缘相对于上顶点的上深度比下外边缘相对于下顶点的下深度大。这对应于在波状表面的从上顶点延伸到活塞环的上边缘的部分上的斜坡比从下顶点延伸到下边缘的区域中的斜坡更长且更浅。

在另一实施方式中，活塞环包括具有布置在上顶点和下顶点之间的顶点的第三中心凸球形截面。中心顶点具有比上顶点和/或下顶点大的径向长度。

在活塞环的另一实现方式中，在活塞环的轴向方向与上顶点和中心顶点之间的线之间的角度等于在活塞环的轴向方向与中心顶点和下顶点之间的线之间的角度。尤其，接触线跨越相同的圆锥形的且镜像对称的表面。如果活塞环在活塞环槽中倾斜，则两条接触线在每种情况下总是仍可用于剥离油。在该实现方式中，认为该环在每种情况下都在向上移动中和在向下移动中倾斜达相同程度。

如果活塞环然后在活塞环槽中倾斜，则两条接触线在每种情况下总是仍可用于剥离油。在该实现方式中，认为该环在每种情况下都在向上移动中和在向下移动中倾斜达相同程度。

在活塞环的另一实现方式中，具有平行于在上顶点和中心顶点之间的线的活塞环的轴向方向，以及另外，在活塞环的轴向方向与中心顶点和下顶点之间的线之间存在一定角度。所述活塞环的轴向方向与所述中心顶点和所述下顶点之间的线之间的所述角度在1角分和6角分之间、优选地在2角分和5角分之间、以及进一步优选地在3角分和4角分之间。尤其，上部的两条接触线跨越圆柱形表面。下部的两条接触线跨越圆锥形表面。如果活塞在一个做功周期中向下移动，则燃烧气体将活塞环挤压在下活塞环槽上，从而活塞环平坦地抵靠着下活塞环槽，以及因此中心顶点和上顶点(或接触线)接触汽缸内表面。然而，如果活塞在进气周期期间向下移动，则新的空气被吸入汽缸中以及活塞环抵靠活塞环槽的上侧面且正向地倾斜或扭动，从而该活塞环略微倾斜地抵靠下活塞环槽。在该位置上，中心顶点和下顶点(或对应的接触线)可以接触汽缸内表面。

如果活塞环在活塞环槽中倾斜，则两条接触线在每种情况下总是仍可用于剥离油。在该实现方式中，认为该环在每种情况下都在做功周期的向下移动期间与在进气周期中不同地倾斜或扭动。

在活塞环的另一实现方式中，在上顶点和中心顶点之间的截面的轮廓在每种情况下都等于在中心顶点和下顶点之间的轮廓。在这种情况下，各自的轮廓可以相对于彼此倾斜，因为这三个顶点So、Sm和Su不一定位于一条线上。通过该实现方式，在顶点之间的各自凹槽中，一方面在顶点So和顶点Sm之间且另一方面在顶点Sm和顶点Su之间，可以使用相同的流体动力效应。第一上凹槽No位于顶点So和顶点Sm之间以及第二下凹槽Nu位于顶点Sm和顶点Su之间。

在活塞环的另一实施方式中，波状表面区域至少在顶点的区域中设置有抗磨层，诸如类金刚石碳(Diamond-Like Carbon，DLC)。顶点或接触线形成活塞环的垂向幅度的仅一小部分，因此在此将预期高接触压力和增大的磨损。在无合适的抗磨层的情况下，顶点的精细结构会快速脱落，以及活塞环会被转化为传统的球形压缩环。

在活塞环的另一实现方式中，相对于波状表面区域的轴向高度，球形截面相对于彼此非对称地布置。因此，如同在传统的非对称形状球形压缩环中那样，可以改善活塞环的剥离动作。

在活塞环的另一实现方式中，上深度(To)在20μm和40μm之间、凹槽的深度(Tn)在1μm和5μm之间、以及下深度(Tu)在5μm和20μm之间。在具有三个顶点So、Sm和Su的版本中，一方面在顶点或线So和Sm之间的凹槽和另一方面在顶点或线Sm和Su之间的凹槽在每种情况下都具有相同尺寸。

在活塞环的另一示例性实现方式中，在安装环无其它负荷的情况下，上顶点和下顶点(So，Su)在每种情况下都位于同一径向平面中或位于同一汽缸表面上。在活塞环的另一示例性实现方式中，在安装环无其它负荷的情况下，上顶点和中心顶点(So，Su)在每种情况下都位于同一径向平面中或位于同一汽缸表面上。

附图说明

在下文中，基于各个示例性实施方式的示意图更详细地阐述本发明。

图1示出传统压缩活塞环的径向截面图。

图2示出根据本发明的活塞环的第一实现方式的截面图。

图3A示出根据本发明的活塞环的另一实现方式的截面图。

图3B示出图3A的活塞环在加负载下的截面图。

图4A示出根据本发明的活塞环的另一实现方式的截面图。

图4B示出图4A的活塞环在加负载下的截面图。

具体实施方式

在下文中，在说明书中和在附图中，使用相同的附图标记以便参考相同或相似的元件和部件。

图1示出传统压缩活塞环20的径向截面图。传统压缩活塞环20具有波状表面区域4、上侧面6、下侧面8以及内周向表面10。传统压缩活塞环20具有成球形的波状表面区域4，该波状表面区域4包括顶点S，其中，参照位于传统压缩活塞环20的高度H的一半高度(1/2H)处的中点M来布置该波状表面区域4。非对称地实现传统压缩活塞环20的波状表面，其中，该活塞环在向上移动期间可以漂浮在存在的油膜上，但是在向下移动期间可以将油从汽缸内壁(未示出)剥离。沿着径向方向切开截面图，从而能够尽可能清楚地示出波状表面的轮廓，而不受传统压缩活塞环20的尺寸限制，该传统压缩活塞环20的尺寸在径向方向上较大。

图2示出根据本发明的活塞环2的第一实现方式的截面图。根据本发明的活塞环2同样也具有波状表面区域4、上侧面6、下侧面8以及内周向表面10。根据本发明的压缩活塞环2具有成球形的波状表面区域4，上顶点So和下顶点Su布置在该波状表面区域4上，上顶点So和下顶点Su通过凹口而彼此分离，该凹口形成凹槽16。上顶点So被布置在上波状表面截面12中且下顶点Su被布置在下波状表面截面14中。两个顶点So和Su均被布置在处于压缩活塞环2的总高度H的一半高度1/2H处的中点M之下。代替仅一个顶点S，提供上顶点So和下顶点Su，上顶点So和下顶点Su通过凹槽16而彼此分离。凹槽16形成油滞留容器，这改善活塞环2的润滑和剥离动作。如同在图1的传统压缩活塞环20中那样，波状表面区域4具有非对称形状。

在安装的和以其它方式无负载的活塞环的情况下，这两个顶点So和Su位于圆柱表面上或内圆柱表面上。

上边缘具有与各自最高的顶点So或Su相比的深度To，该深度To在每种情况下都大于波状表面区域的下边缘的深度Tu。由于该非对称形状，如同在图1的传统压缩活塞环20的情况中那样，活塞环可以在向上移动期间漂浮在存在的油膜上，以及在向下移动期间将油从汽缸内壁18剥离。顶点So和顶点Su之间的凹槽16的深度Tn小于To和Tu。这两个顶点So和Su在活塞环2的安装状态下具有相同径向尺寸，从而它们在每种情况下都在汽缸内表面18的内部上形成接触线。而且，在图2中，在沿着截面线的径向方向上切开以及简短地示出侧视图，以便因此能够更清楚地示出波状表面的轮廓。在图2中，认为活塞环2以活塞环侧面6、活塞环侧面8平坦的方式，抵靠上活塞环槽侧面或下活塞环槽侧面，以及在活塞环槽中不倾斜。

压缩环在波状表面上具有多于一个最大接触点或多于一个接触线。这些全部附加地布置在轴向高度的中点M之下。两个所谓的枢轴点或顶点So和Su位于包络曲线上且被描述为，在两个枢轴点的情况下，这两个点为整个波状表面线的元素以及准确地描述该线上的最高点，因此二者均位于气缸表面上。因此，活塞环的流体动力以及因此的浮动在下行冲程中减小，这在下行冲程中或在沿着方向Ko的上行冲程或压缩冲程期间不可避免地引起增大的剥离动作。由于在上顶点之上的冠状线，可以在上行冲程中达到与传统压缩环相同的流体动力。

图3A示出根据本发明的活塞环2的第二实现方式的侧视图。基础结构对应于图2的实现方式且在此不详细地重复。在图2的凹槽16中布置另一中心顶点Sm。凹槽16被划分为上凹槽No和下凹槽Nu。中心顶点具有比上顶点So和下顶点Su的相同的各自的尺寸Ro和Ru更大的径向尺寸Rm。在图3A中，Rm>Ro、Rm>Ru和Ro＝Ru，其中，在生产和测量精度的领域中的符号>和符号＝应当是适用的。该实现方式假设活塞环在向上移动Ko期间和在向下移动期间在活塞的活塞环槽内部很容易地且均匀地倾斜。

通过图3B阐明图3A的活塞环2的结构的动作。在向上移动Ko期间和在向下或进气移动期间，活塞环在活塞环槽中很容易地倾斜。在向上移动Ko期间，活塞环2以负向扭动方式抵靠汽缸内壁，其中轮廓的上顶点So和中心顶点Sm抵靠汽缸内壁，如由实线所示。相比之下，点虚线An示出处于稍微正向扭动位置的压缩环，这在活塞的进气周期或向上移动期间是期望的。采用该形式，在向上移动期间和在向下移动期间，总是具有与气缸壁的两条接触线，该接触线可用于密封从燃烧室出来的气体。

图4A示出根据本发明的活塞环2的第二实现方式的侧视图。基础结构对应于图3A的实现方式。仅不同地分布径向尺寸Ro、Rm和Ru。中心顶点Sm和上顶点So在每种情况下都具有相等的径向尺寸Ro和Rm。下顶点Su具有径向尺寸Ru，该径向尺寸Ru小于上顶点So和中心顶点Sm的径向尺寸Ro和Rm。在图4A中，Ro>Ru、Rm>Ru和Ro＝Rm，其中，在生产和测量精度的领域中的符号>和符号＝应当是适用的。

该实现方式被设计为在每种情况下都在活塞的向下移动期间实现最大剥离动作。在进气周期An中的向下移动期间以及在做功周期Ar中的向下移动期间，活塞环将油从汽缸内壁18剥离。在该情况下，认为在做功周期Ar期间，在活塞环槽内部，活塞环2以下活塞环侧面8平坦的方式，抵靠下活塞环槽侧面，以及在活塞的进气周期期间很容易地且均匀地倾斜。

通过图4B阐明图4A的活塞环2的结构的动作。由于不同压力条件，仅在进气周期An的向下移动期间，活塞环在活塞环槽中以稍微正向扭动方式倾斜。相比之下，在活塞在做功周期Ar期间的向下移动期间，燃烧气体的超压将活塞环压在下活塞环槽侧面上，其中下活塞环侧面是平坦的。

在进气周期的向下移动An期间，活塞环2以稍微正向扭动方式抵靠汽缸内壁，其中轮廓的中心顶点Sm和下顶点Su抵靠汽缸内壁，如由点虚线所示。相比之下，在活塞在做功周期期间的向下移动期间，实线Ar示出平的且未扭动的压缩环。利用该形式的活塞环的轮廓，在进气周期An的向下移动期间以及在做功周期的向下移动期间，总是具有与气缸壁的两条接触线，该接触线可用于密封从燃烧室出来的气体且可用于将油从汽缸内壁(在此虚线所示)剥离。

压缩环在波状表面上总是具有多于一个最大接触点或多于一个接触线，即使该环扭动。这些接触线全部被布置在活塞环的轴向高度的中点M之下。活塞环在每种情况下都在顶点So、顶点Sm和顶点Su的区域中成球形，以及上凹槽No和下凹槽Nu在每种情况下都形成在顶点So、顶点Sm和顶点Su之间。凹槽No和凹槽Nu优选地设置有相同形状或异形截面。另外优选地，凹槽No和凹槽Nu具有非对称的形状或异形截面，这进一步扩大非对称压缩环关于剥离动作的效果。特别地，提供的是更陡峭地配置凹槽的上侧面以及以更浅层的方式配置凹槽的下侧面。因此，活塞环的流体动力以及因此的浮动在下行冲程中减小，这在下行冲程中不可避免地引起比在上行冲程期间更增大的剥离动作。

为了不使描述负荷过多，不试图单独地列出由权利要求所覆盖的活塞环的所有组合。这些组合(其源自实施方式的特征的组合)应当同样也被视为被公开。

附图标记列表

2 压缩活塞环

4 波状表面区域

6 上侧面

8 下侧面

10 内周向表面

12 上截面

14 下截面

18 汽缸内表面

20 压缩活塞环

Ko 压缩周期

An 进气周期

Ar 做功周期

H 高度

L 上行冲程运行方向

M 中点

N 凹槽

No 上凹槽

Nu 下凹槽

P 异形截面

Rm 中心顶点半径

Ro 上顶点半径

Ru 下顶点半径

S 顶点

Sch 截面线

Sm 中心顶点

So 上顶点

Su 下顶点

Tn 凹槽的深度

To 最高顶点之下的上边缘的深度

Tu 最高顶点之下的下边缘的深度

Claims (16)

1.一种压缩活塞环(2)，所述压缩活塞环(2)具有波状表面区域(4)、上侧面(6)、下侧面(8)以及内周向表面(10)，其中，所述波状表面区域(4)设置有异形截面，当在所述波状表面区域(4)的轴向高度上观看时，所述异形截面包括具有上顶点(So)和下顶点(Su)的相互间隔的、凸球形构造的截面(12，14)，其中，具有深度(Tn)的凹槽(16)布置在所述顶点(So，Su)之间，其中，两个顶点(So，Su)沿着轴向方向而布置在所述活塞环(2)的中点(M)之下，其中，相对于所述波状表面区域的所述轴向高度(H)，球形截面(12，14)相对于彼此非对称地布置。

2.根据权利要求1所述的活塞环(2)，其特征在于，所述上顶点(So)布置在所述活塞环(2)的总高度(H)的22％至45％的范围内，以及所述下顶点(Su)布置在所述活塞环(2)的所述总高度(H)的0％至20％的范围内。

3.根据权利要求1所述的活塞环(2)，其特征在于，所述活塞环(2)的上外边缘(18)相对于所述上顶点(So)的上深度(To)比下外边缘(20)相对于所述下顶点(Su)的下深度(Tu)大。

4.根据权利要求1、2或3所述的活塞环(2)，还具有带有中心顶点(Sm)的第三中心凸球形截面，所述中心顶点(Sm)布置在所述上顶点(So)和所述下顶点(Su)之间，其中，所述中心顶点(Sm)具有比所述上顶点(So)和/或所述下顶点(Su)大的径向长度。

5.根据权利要求4所述的活塞环(2)，其特征在于，所述活塞环(2)的轴向方向与所述上顶点(So)和所述中心顶点(Sm)之间的线之间的角度等于在所述活塞环(2)的轴向方向与所述中心顶点(Sm)和所述下顶点(Su)之间的线之间的角度。

6.根据权利要求4所述的活塞环(2)，其特征在于，所述上顶点(So)和所述中心顶点(Sm)之间的线平行于所述活塞环(2)的轴向方向，以及所述活塞环(2)的轴向方向与所述中心顶点(Sm)和所述下顶点(Su)之间的线之间的角度在1角分和6角分之间。

7.根据权利要求4所述的活塞环(2)，其特征在于，在所述上顶点(So)和所述中心顶点(Sm)之间的截面的轮廓在每种情况下都等于在所述中心顶点(Sm)和所述下顶点(Su)之间的轮廓。

8.根据权利要求1所述的活塞环(2)，其特征在于，所述波状表面区域(8)至少在所述顶点(So，Sm，Su)的区域中设置有抗磨层，例如类金刚石碳(DLC)。

9.根据权利要求3所述的活塞环(2)，其特征在于，所述上深度(To)在20μm和40μm之间、所述凹槽的所述深度(Tn)在1μm和5μm之间、以及所述下深度(Tu)在5μm和20μm之间。

10.根据权利要求4所述的活塞环(2)，其特征在于，所述下顶点(Su)和所述上顶点(So)在每种情况下都位于同一径向平面上，或所述上顶点(So)和所述中心顶点(Sm)在每种情况下都位于同一径向平面上。

11.根据权利要求2所述的活塞环(2)，其特征在于，所述上顶点(So)布置在所述活塞环(2)的总高度(H)的25％至40％的范围内。

12.根据权利要求2所述的活塞环(2)，其特征在于，所述上顶点(So)布置在所述活塞环(2)的总高度(H)的30％至35％的范围内。

13.根据权利要求2所述的活塞环(2)，其特征在于，所述下顶点(Su)布置在所述活塞环(2)的所述总高度(H)的5％至18％的范围内。

14.根据权利要求2所述的活塞环(2)，其特征在于，所述下顶点(Su)布置在所述活塞环(2)的所述总高度(H)的10％至15％的范围内。

15.根据权利要求6所述的活塞环(2)，其特征在于，所述活塞环(2)的轴向方向与所述中心顶点(Sm)和所述下顶点(Su)之间的线之间的所述角度在2角分和5角分之间。

16.根据权利要求6所述的活塞环(2)，其特征在于，所述活塞环(2)的轴向方向与所述中心顶点(Sm)和所述下顶点(Su)之间的线之间的所述角度在3角分和4角分之间。

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