CN108457762A - 用于内燃机的气缸衬套 - Google Patents

Abstract

包括内孔锯痕的用于发动机缸体的气缸衬套包括第一发动机缸体粘贴表面和第二发动机缸体粘贴表面。第二发动机缸体粘贴表面在气缸衬套和发动机缸体之间具有的粘贴水平低于第一发动机缸体粘贴表面。第二发动机缸体粘贴表面从衬套的轴向端部延伸的距离大于发动机缸体的内孔部分中锯痕的深度。

Description

用于内燃机的气缸衬套

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机的气缸衬套。

背景技术

本引言大体介绍了本发明的上下文。说明书中所描述的发明人的工作以及在递交申请时不可限定为本发明现有技术的各方面的描述，均不能直接地或隐含地被视为本发明的背景技术。

由诸如铸铁制成的用于燃气机的气缸衬套，在由诸如铝合金等轻量级材料制成的发动机缸体中提供更好的耐磨性。这些气缸衬套可置于发动机缸体模子内，从而该发动机缸体材料可沿气缸衬套周围得以浇铸。气缸衬套之后嵌入并限定发动机缸体内的气缸孔。这些衬套已知为“就地浇铸”型衬套。

在衬套和发动机体之间保持强粘度十分重要，以防止衬套移动，防止或抵抗操作过程中的变形，以及提高衬套和发动机缸体之间的导热性。已知的用于提供优良的机械和热粘合的气缸衬套包括粗糙的外表面。这些衬套表面可称为具有“铸态”“多刺”或粗糙的浇铸表面。此类铸态的示例可在衬套的外表面提供刺、蘑菇凸和裂缝。包括示例性“铸态”的衬套可由多个制造商提供。一家示例性制造商，TPR夏普株式会社拥有气缸衬套的注册商标，凭借商标其提供具有铸态外表面的衬套。其他提供具有类似的铸态表面的气缸衬套的同类制造商，包括马勒、辉门公司等等。

具有“铸态”表面的示例性气缸衬套可包括表面凸起，其可在衬套的外表面延伸0.3至0.7毫米深，且通常通过利用离心浇铸过程产生。相比之下，其他类型的衬套通常通过机械加工坯浇挤压圆形坯料棒而产生。这会形成光滑的机械加工的外表面，而不是“铸态”表面，且它们旨在被压缩进入与“就地浇铸”相反的提前浇铸的发动机缸体。

使用此类铸态衬套可能产生的问题是，衬套会因例如裂缝而产生缺陷，尤其在发动机缸体顶附近。这个问题在当这些铸态衬套与开顶式缸体一起使用时尤为明显，在这种开顶式缸体中有冷却流体套围绕在每个气缸周围，延伸到缸体的表面，尤其当存在槽或“锯痕”穿过连接一串气缸孔的两侧的冷却流体套的内孔区域时更是如此。

其中解决这个问题的一种尝试是换成由具有更高强度的材料制成的衬套，例如高强度钢衬套，而非铸铁衬套。然而，高强度衬套较铸铁衬套更加昂贵。另一种方法是使得衬套变厚，因而强度更高。然而，再次强调，这些衬套更昂贵，且机械加工成本更高。

解决这些出现在气缸衬套上的裂缝或缺陷的另一个已知的方法是将垫片或楔块放入锯痕中，尝试将裂缝中的缝隙关闭或最小化，或提供额外的支持以防止裂缝进一步蔓延。从一开始就避免这些缺陷产生是非常好的选择，从而避免了发动机完全故障和/或昂贵且繁重密集的维修。

发明内容

在一个示例性方面，包括内孔锯痕的用于发动机缸体的气缸衬套具有第一发动机缸体粘贴表面和第二发动机缸体粘贴表面。第二发动机缸体粘贴表面在气缸衬套和发动机缸体之间具有的粘贴水平低于第一发动机缸体粘贴表面。第二发动机缸体粘贴表面从衬套的轴向端部延伸的距离大于发动机缸体的内孔部分中锯痕的深度。

在另一个示例性方面，第一发动机缸体粘贴表面是铸态表面。

在另一个示例性方面，该铸态表面是刺锁表面。

在另一个示例性方面，该铸态表面包括多个径向延伸0.3至0.7毫米之间的凸起。

在另一个示例性方面，第二发动机缸体粘贴表面是机械加工表面。

在另一个示例性方面，第一发动机缸体粘贴表面从第二发动机缸体粘贴表面延伸，基本穿过衬套余下的轴向范围。

在另一个示例性方面，第一发动机缸体粘贴表面配置为在衬套和发动机缸体之间提供强机械粘力和高导热性，且第二发动机缸体粘贴表面配置为在衬套和发动机缸体之间提供减小的机械粘力，以便在浇铸过程中衬套材料和发动机缸体材料冷却期间，在衬套材料和发动机缸体材料之间的不同热膨胀系数从发动机缸体传递到衬套时具有减小的应力。

在另一个示例性方面，第二发动机缸体粘贴表面配置为允许在气缸衬套和发动机缸体材料冷却期间，在第二发动机缸体粘贴表面和发动机缸体之间进行轴向位移。

在另一个示例性方面，第二发动机缸体粘贴表面圆周地延伸穿过发动机缸体内孔部分附近区域，且第一发动机缸体粘贴表面从衬套的轴向端部延伸穿过余下的圆周范围。

以这种方式，可以直接解决并防止导致气缸衬套缺陷的深层诱因，从而能够使用粗糙表面或“铸态”气缸套，结合发动机缸体内孔区域的锯痕，在气缸衬套和发动机缸体之间提供优良的机械粘力和导热性，而不需要更高的成本、高强度材料，且同时可防止之前经历的缺陷。

从下文提供的详细描述中，本发明的其他应用领域将变得显而易见。应该理解，详细描述和具体示例仅用于说明，而非有意限定本发明的范围。

根据以下结合附图对本发明的详细描述，包括权利要求书和示例性实施例，将很容易清楚本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点。

附图说明

通过详细描述和附图，本发明将得到更完整的理解。

图1是开顶式发动机缸体100的等角透视图。

图2是开顶式发动机缸体100的内孔部分的等角透视图。

图3是开顶式发动机缸体100的内孔部分的剖面等角透视图。

图4是发动机缸体100的剖面的另一个等角透视图。

图5是发动机缸体100的剖面的另一个俯视图。

图6示出了夸张形变的气缸衬套110。

图7示出了根据本发明的气缸衬套700的示例性实施例的端部剖面透视图。

图8示出了衬套700的端部的等角视透视图。

图9示出了包括气缸衬套700的发动机缸体706的一部分的等角剖面透视图。

图10示出了传统气缸衬套和新型气缸衬套二者过渡至示例性制造过程时的残余应力；以及

图11是气缸衬套700的另一个视图。

具体实施方式

图1示出了开顶式发动机缸体100的等角透视图。发动机缸体100包括多个气缸孔102，气缸孔102由气缸衬套104限定，气缸衬套104在浇铸过程中已经集成到发动机缸体100中。通常，这些气缸衬套104可设置在模子中，且熔融的发动机缸体材料，例如铝合金等，可注射到模子中。在填充墨模子的过程中，熔融材料随后包围气缸。填充材料冷却形成固体，而后衬套牢固地与发动机缸体材料粘合。在一个示例性过程中，浇铸过程在高压下喷射熔融的发动机缸体材料，以确保发动机缸体材料和气缸衬套紧密接触。如上所述，已经研发出了包括“铸态”外表面的气缸衬套。“铸态”外表面可在衬套和发动机缸体材料之间提供优良的结构和热粘力。

发动机缸体100包括冷却流体套106，冷却流体套106朝顶表面110暴露(“开放”)，并且因而称为“开顶式缸体”。冷却流体套106基本围绕着气缸孔，且提供流体连通通道，通过这些通道，冷却的流体可循环以去除并管理在包括发动机缸体100的操作中燃烧过程产生的热量。

图2示出了发动机缸体100的内孔部分的近距离等角透视图。内孔被称为气缸孔之间的发动机缸体部分。一种改善管理并去除来自气缸孔的热量的方法是，在内孔部分提供流体连通通道108，以使得内孔附近的冷却流体套106部分之间流体流动。这些流体连通通道108通常被称为“锯痕”通道，且以下将描述本文中的通道108为“锯痕”通道。尽管此描述指代“锯痕”，但用以在发动机缸体的内孔部分产生槽的方法或工具并不仅限于任何具体方法或工具。

如上所解释，已知存在一种问题，其中，裂缝可能在顶表面附近和内孔区域附近的气缸衬套中产生。尽管尝试了很多方法解决这个问题，但没有一种方法理解其中的原因并解决裂缝产生的深层原因。与之前解决问题所尝试的方法不同的是，本发明者研究了问题的原因，发现了问题的根源，进而结果研发出能够解决裂缝产生的深层原因的方法。本发明者从而有能力解决此问题。

特别是，本发明者研究了制造过程，其中包括结构分析，能解释热量转移以及发动机缸体浇铸过程和后续过程，例如孔加、顶面等机械加工过程中所包含材料的热膨胀系数的不同。通过独特的分析，本发明者发现了来自这些过程中的应力和张力，且其为很多气缸衬套缺陷的原因。

图3是发动机缸体100的内孔部分的剖面等角透视图，其示出了气缸衬套104中的残余应力，该残余应力源自利用计算机模型进行的浇铸和机械加工过程，计算机模型解释了以上过程的结构和热力方面的原因，包括气缸衬套104的材料和发动机缸体100的材料的热膨胀系数的不同。特别是，图3是通过对由铸铁材料制成的气缸衬套104和由铝合金材料制成的发动机缸体100中的残余应变进行建模而产生。图3清晰地显示出，气缸衬套104中的残余应力聚集在靠近顶面108且接近锯痕108的区域附近。

本发明者在研究了此模型之后，进一步理解，铸铁衬套材料和铝合金材料之间的热膨胀系数存在很大的不同，且进一步鉴别出，衬套的“铸态”表面在衬套和发动机缸体材料之间提供了强机械粘力，因而本发明者发现了问题的原因。铝合金比铸铁的热膨胀系数更高。这意味着在冷却时，铝合金将倾向于比铸铁材料收缩更多。在包括就地浇铸的不具有“铸态”表面的气缸衬套的发动机缸体中，这通常没有产生问题，因为铝合金并没有牢固地粘合在气缸衬套上。在这些情形中，铝合金可自由地“滑”落气缸衬套表面，其减少了或基本上消除了原本可能从发动机缸体材料置于衬套上的残余应力。完全相反，随着具有“铸态”表面的气缸衬套引入，其能够在气缸衬套和发动机缸体之间提供更强的结构粘力，本发明者意识到，这产生的结果是发动机缸体材料向气缸衬套中引入应力。不像非铸态表面衬套，残余应力的可能性并不会因冷却过程中发动机缸体材料滑落衬套外表面而减少。因此，具有“铸态”表现的气缸衬套承受了不会出现在没有“铸态”表面的衬套中的残余应力。

此外，本发明者意识到，锯痕的存在进一步将残余应力集中到了接近内孔锯痕的衬套区域。在锯痕的机械加工期间，移除材料可使材料中的残余应力引发衬套从气缸孔径直向外枢转或铰链。残余应力倾向于偏好锯痕闭合，因此从而允许发动机缸体材料和结构上粘连的衬套向下被拉伸，从而围绕锯痕基部径向向外枢转。图3清晰地示出气缸衬套104中的由本发明者所发现的原因造成且被其理解的残余应力。

图4是发动机缸体100的另一个等角剖面透视图。尽管某些程度上示意图有所夸张，但是图4示出，因热膨胀系数的不同导致的发动机缸体材料比衬套收缩更多而引发的残余应力，倾向于将衬套径向向外拉伸靠近顶表面，从而导致衬套端部附近形成“铃状开口”。换言之，发动机缸体材料倾向于随着发动机缸体的冷却向下拉伸衬套。从而引起顶面附近衬套110一部分的更高的残余应变。

图5是从发动机缸体100的顶面看的另一个平面图，其示出另一个问题。发动机缸体在浇铸过程中的热收缩倾向于导致气缸衬套在形状上变得至少轻微地椭圆，而非圆形。示意图图5极大地放大了发动机缸体中的椭圆度或变形的相对量，用以方便理解。椭圆度在位置更靠中央的气缸孔中倾向于变得更大。因椭圆度的存在，气缸衬套的内表面或内孔经机械加工以使得内孔变回更圆的形状。图6示出夸张变形的气缸衬套104，以便外表面形成椭圆形。气缸衬套104的内孔114已经过机械加工以提供圆形形状。气缸衬套104外表面112的椭圆度结合经机械加工的圆形内孔114，导致壁厚度的变化。特别地，气缸衬套104越椭圆，就必须要移除越多的材料，以提供圆形内孔114，衬套壁变化越大，则发动机缸体的内孔部分附近的衬套壁就越薄。更薄的衬套壁倾向于进一步将气缸衬套中的应力集中或聚合。此外，将更薄的衬套壁设置在靠近内孔附近的位置导致残余应力达到最大值。

图7示出了根据本发明的气缸衬套700的示例性实施例的端部剖面透视图，且图8示出衬套700的端部的等角透视图。衬套700的端部外表面具有第一发动机缸体粘贴表面702和第二发动机缸体粘贴表面704。第二发动机缸体粘贴表面704包括“铸态”表面，其可与发动机缸体提供优良的结构和热粘力。相比之下，第一发动机缸体粘贴表面702是将“铸态”表面移除后所产生的机械加工表面。特别地，第一发动机缸体粘贴表面702具有的表面并未结构地粘合到发动机缸体材料以及第二发动机缸体粘贴表面704的材料。以这种方式，在包括就地浇铸衬套700的发动机缸体的浇铸和后续的制造期间，发动机缸体材料并未像在第二发动机缸体粘贴表面704上一样，结构地粘合到第一发动机缸体粘贴表面702。由于发动机缸体材料也没有结构地粘合到第一发动机缸体粘贴表面702，因此在发动机缸体冷却期间，热膨胀系数的不同导致发动机缸体材料沿着第一发动机缸体粘贴表面702向下滑动而不拉伸该表面702。以这种方式，原本会产生的上述所示以及所讨论的残余应力得以避免或显著地减少。

尽管本描述和示例性实施例指代具有机械加工表面的第一发动机缸体粘贴表面和具有“铸态”表面的第二发动机缸体粘贴表面，应当理解，本发明包括任何类型的表面，只要第一发动机缸体粘贴表面和发动机缸体材料之间的结构粘力小于第二发动机缸体粘贴表面和发动机缸体材料之间的结构粘力。

图9示出了包括气缸衬套700的发动机缸体706的一部分的等角剖面透视图。图9示出了气缸衬套中的残余应力，该残余应力源自利用计算机模型建模的浇铸和机械加工过程，计算机模型解释了以上过程的结构和热力方面的原因，包括热膨胀系数的不同。比较图9和图3，气缸衬套中残余应力的显著减少十分明显。气缸衬套700中靠近顶面且邻近锯痕的残余应力相比传统的气缸衬套104极大地减少。在一个示例性实施例中，第一发动机缸体粘贴表面702从衬套端轴向延伸的距离大于发动机缸体的锯痕的深度。将衬套和发动机缸体材料之间的结构粘力减少到锯痕附近的位置，充分地缓解了残余应力，极大地最小化此区域的气缸衬套缺陷的可能性。第一发动机缸体粘贴表面702的轴向范围应该充足，以缓解与锯痕相关的残余应力，且因此，第一发动机缸体粘贴表面702的范围应与锯痕的深度相关。在一个示例性实施例中，第一发动机缸体粘贴表面702轴向长度至少与附近锯痕的深度相等。然而，将第一发动机缸体粘贴表面702的轴向范围加长，超过锯痕的深度，将会开始减小铸态表面的优势，且相比其他类型的表面，将会减少由气缸衬套和发动机缸体材料之间的铸态提供的强结构和热粘力的有益效果。

此外，图9示出发动机缸体材料已沿着衬套700的外表面向下移动，以便气缸衬套的端部在发动机缸体材料的顶面稍微向上突出。换言之，气缸衬套700的端部在发动机缸体材料附近位于顶面之上“骄傲地挺立”。这与传统的发动机缸体中的不同，在传统的发动机缸体中中，衬套104并未在发动机缸体材料的顶面上突出，因为发动机缸体材料将衬套向下拉伸。

为进一步比较并示出本发明的优势，图10是曲线图，其示出了传统气缸衬套和示例性新型气缸衬套二者过渡至示例性制造过程时的残余应力。曲线图的横轴代表经过各种制造过程的发动机缸体的进展。曲线图的纵轴代表气缸衬套中残余应力的幅度。直线1000代表气缸缸体的内孔部分附近的传统气缸衬套端部的残余应力，直线1004代表根据本发明的实施例，气缸缸体的内孔部分附近的示例性气缸衬套端部的残余应力，以及直线1002代表内孔部分附近的相同示例性气缸衬套部分的残余应力，但其位置从衬套端部轴向移动，且刚好经过内孔中锯痕的深度。在图9和图11中所示了与直线1002相应的位置，由附图标记900所示。

制造过程始于1006处，在这里熔融的发动机缸体材料被引入包括气缸衬套的模子。在1006和1008之间，发动机缸体在模子中冷却成固体。在这个冷却过程中，引入传统气缸衬套的由直线1000表示的应力上升比引入新型气缸衬套的由直线1002和1004表示的应力明显更快。发动机缸体在1008处从模子中移除，且进而冷却至环境温度直至1010。再次，如图清晰地显示，传统衬套1000中的残余应力相比新型衬套1002和1004中的残余应力继续显著地升高。接下来，在1010和1012之间，气缸衬套的内表面承受了粗加工操作，其从气缸衬套的壁中移除材料，且进一步聚集残余应力。相比传统气缸衬套，椭圆度在新型气缸衬套中的减小尤为如此。

在1012和1014之间，内孔部分经机械加工以提供锯痕，且在1014和1016之间，气缸衬套的内表面进一步经机械加工以提供光洁度孔表面。十分明显，制造过程中每一行进步骤都会导致传统气缸衬套端部残余应力的不断增加。完全相反，新型气缸衬套的所有部分中的残余应力都显著地变小。特别是，靠近顶面1004的气缸衬套的端部的残余应力显著地减小。

结合图9和图11观看图10，其还示出新型气缸衬套的位置900处的残余应力比端部的稍高。但是，即使如此，该位置的残余应力显著地低于传统气缸衬套端部的残余应力。

图11示出，气缸衬套700的端部并未像图4所示的气缸衬套110的端部的铃状开口或径向向外弯曲的程度那样大。这进一步示出了椭圆度的减小。椭圆度的减小意味着，从衬套的壁中需要移除的材料更少，从而得到强度更高且进一步减少缺陷产生机会的圆形内孔。残余应力的减少有多重优势，因为其将应力最小化，此应力此前可能会引发靠近内孔的端部附近的气缸衬套缺陷和/或裂缝；减少铃状开口；且减小椭圆度。

本描述本质上仅仅是示例性的，并且决不意图限制本发明及其应用或使用。本发明的广泛教导可以通过各种形式来实现。因此，虽然本发明包括了特定示例，但是本发明的真实范围不应该局限于此于此，因为研读了附图、规范说明书之后和所附权利要求书之后，显然将会有其他改进。

Claims (10)

1.一种包括内孔锯痕的用于发动机缸体的气缸衬套，包括：

第一发动机缸体粘贴表面；以及

第二发动机缸体粘贴表面，其在所述气缸衬套和发动机缸体之间具有的粘贴水平低于所述第一发动机缸体，所述第二发动机缸体粘贴表面从所述衬套的轴向端部延伸的距离大于所述发动机缸体的内孔部分的所述锯痕的深度。

2.根据权利要求1所述的衬套，其中所述第一发动机缸体粘贴表面包括铸态表面。

3.根据权利要求2所述的衬套，其中所述铸态表面包括刺锁表面。

4.根据权利要求2所述的衬套，其中所述铸态表面包括多个径向延伸0.3至0.7毫米之间的凸起。

5.根据权利要求1所述的衬套，其中所述第二发动机缸体粘贴表面包括机械加工表面。

6.根据权利要求1所述的衬套，其中所述第一发动机缸体粘贴表面从所述第二发动机缸体粘贴表面延伸，基本穿过所述衬套余下的所述轴向范围。

7.根据权利要求1所述的衬套，其中所述第一发动机缸体粘贴表面配置为在所述衬套和所述发动机缸体之间提供强机械粘力和高导热性，且其中所述第二发动机缸体粘贴表面配置为在所述衬套和所述发动机缸体之间提供减小的机械粘力，以便在浇铸过程中所述衬套材料和所述发动机缸体材料冷却期间，在所述衬套材料和所述发动机缸体材料之间的不同热膨胀系数从所述发动机缸体传递到所述衬套时具有减小的应力。

8.根据权利要求1所述的衬套，其中所述第二发动机缸体粘贴表面配置为允许在所述气缸衬套和发动机缸体材料冷却期间，在所述第二发动机缸体粘贴表面和所述发动机缸体之间进行轴向位移。

9.根据权利要求1所述的衬套，其中所述第二发动机缸体粘贴表面圆周地延伸穿过所述发动机缸体的所述内孔部分附近区域，且其中所述第一发动机缸体粘贴表面从所述衬套的轴向端部延伸穿过所述余下的圆周范围。

10.一种制造包括内孔锯痕的用于发动机缸体的气缸衬套的方法，所述方法包括：

提供具有第一发动机缸体粘贴表面的气缸衬套；以及

移除所述第一发动机缸体粘贴表面的一部分，以提供第二发动机缸体粘贴表面，其在所述气缸衬套和发动机缸体之间具有的粘贴水平低于所述第一发动机缸体，其中所述第二发动机缸体粘贴表面从所述衬套的轴向端部延伸的距离大于所述发动机缸体的内孔部分的所述锯痕的深度。