CN114483363A - 活塞环线材及活塞环绕制模具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及活塞环线材及活塞环绕制模具,该活塞环线材具有矩形基础截面,该基础截面具有彼此平行的第一边与第二边以及彼此平行的第三边与第四边,其特征在于,在第一边上设置有相对于该第一边内凹的凹槽;在所述第二边的两端分别设置有第一切边与第二切边,所述第一切边投影宽度、所述第二切边投影宽度尺寸均在0.2·W~0.6·W范围内,W为所述基础截面的宽度尺寸,该活塞环绕制模具在其圆周面的引导凹槽的底部设置有突出部,其突出部高度Hs=Hn+(0.1~0.3)mm,Hn为线材凹槽深度。本发明的活塞环线材有效优化活塞环的密封性能。
Description
技术领域
本发明涉及活塞环生产技术领域,具体涉及活塞环线材及活塞环绕制模具。
背景技术
活塞环是内燃机组成中重要的密封零件,其在气缸中与气缸壁形成相对移动的动态密封副,阻止缸内气体在运转时通过密封环与气缸套的间隙散逸。活塞环的密封性能直接影响发动机缸压,进而影响发动机的动力性能;另一方面活塞环与气缸壁之间相对滑动,摩擦损失也是影响发动机动力的重要因素。因此活塞环一方面要求与气缸套接触紧密,具有良好的密封性能,另一方面又要求与气缸套之间移动顺滑,摩擦力小,减小动力损失。对活塞环的上述两个方面的要求往往相互制约,需要设计平衡,合理取舍。
授权公告号为CN110291313B的名为晃动受抑制的活塞环公开了一种侧面设有凹口的活塞环,通过凹口将高压气体导入到活塞环的内圆面与环槽之间,从而产生对活塞环的外扩作用,将活塞环强力压靠在缸壁上,实现抑制晃动与提高密封的功能,其不足在于,工艺上制作这样的活塞环需要在成环后单独加工凹口,生产工序更加复杂,通过凹口控制气体进入活塞环与活塞间隙,对凹口的设计与制造要求较高,需要精确设计计算、控制制造精度。
发明内容
鉴于现有技术存在的上述技术问题,本发明提供一种活塞环线材及用于该活塞环线材绕制的活塞环绕制模具。
本发明的技术方案提供一种活塞环线材,所述线材具有呈矩形的基础截面,所述基础截面具有沿宽度方向平行的第一边与第二边以及沿长度方向平行的第三边与第四边,在所述第一边上设置有相对于该第一边内凹的凹槽,所述凹槽用于镶嵌耐磨涂层;在所述第二边的两端分别设置有第一切边与第二切边,所述第一切边在所述第二边上的投影宽度、所述第二切边在所述第二边上的投影宽度尺寸均为:0.2·W~0.6·W,其中W为所述基础截面的宽度尺寸。
优选的,所述第一切边在所述第二边上的投影得到的宽度W1还满足0.20·W≤W1≤0.25·W、所述第二切边在所述第二边上的投影宽度W2还满足0.40·W≤W2≤0.60·W。
具体的,所述第一切边、所述第二切边与所述第二边所成角度范围均为34°~47°。
优选的,所述凹槽的底面深度Hg满足:0.05·W≤Hg≤0.08·W,所述凹槽与第一边相接点与该相接点一侧的第一边端点的距离至少0.2mm。
具体的,所述凹槽相对于所述基础截面长度方向的中心线对称,所述凹槽宽度至少0.6·W,所述凹槽两端与所述底面圆弧连接。
本发明的技术方案还提供一种一种使用上述活塞环线材的活塞环绕制模具,其具有以该绕制模具的旋转轴为旋转中心的圆周面,在所述圆周面上设置有用于引导所述活塞环线材前进的矩形凹槽,在所述矩形凹槽的底部设置有突出部,该突出部的高度Hs满足Hs=Hn+(0.1-0.3)mm,其中Hn为活塞环线材的凹槽深度。
本发明通过设置在内圆面的第一切边与第二切边,利用了在活塞环运动时发生的扭曲现象,化不利为有利,通过扭曲时活塞环与环槽表面的线接触以及扭曲时产生的侧向力提高活塞环的密封性能,由于没有增加径向力,其不以摩擦损失为代价,动力损失小;同时本发明在外圆面设置有凹槽,所述凹槽用于镶嵌类金刚石耐磨涂层,通过对凹槽内的耐磨涂层的截面形状进行控制,结合上述第一切边与第二切边,从而使活塞环在发生负扭曲时,其外圆面与气缸套之间仍然能够可靠密封,并且不因为扭曲造成环边与缸套切割,造成表面拉花,进而使摩擦系数增大的问题。因此本发明通过内圆面的第一切边与第二切边配合外圆面的凹槽能够维持或者降低活塞环与缸套之间摩擦力的条件下,但通过合理利用活塞环的扭曲特性,有效优化活塞环的密封性能,同时由于直接从线材截面改进,其加工方式更加简单方便。
附图说明
图1为本发明的活塞环线材的截面示意图;
图2为本发明的活塞环线材制作的活塞环的工作示意图;
图3为本发明的活塞环绕制模具与活塞环线材的配合示意图。
图中:
1基础截面;2凹槽;4活塞环绕制模具;5活塞环;6活塞;7缸壁;
11第一边;12第二边;13第三边;14第四边;21底面;22槽岸;
31第一切边;32第二切边;41矩形凹槽;42突出部;43内底面;
51耐磨涂层;61环槽;62第一空腔区;63第二空腔区。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例,对本发明进行详细说明,在本说明书中,附图尺寸比例并不代表实际尺寸比例,其只用于体现各部件之间的相对位置关系与连接关系,名称相同或标号相同的部件代表相似或相同的结构,且仅限于示意的目的。
如图1所示,本发明的活塞环线材选用Cr质量百分比为17%~19%的耐高温不锈钢材料,因而线材基体具有良好的耐高温、耐腐蚀性能,能够适应气缸内高温高压腐蚀气体环境。线材的基础截面1呈矩形,该基础截面1具有平行于宽度方向的第一边11与第二边12以及具有平行于长度方向的第三边13与第四边14。虽然上述不锈钢材料具有耐高温耐腐蚀的优良特性,但是由于其中Cr元素含量较高,导致其硬度降低,即使绕环成型后通过热处理提高其力学性能与硬度,其外圆面的减磨耐磨性能也无法满足要求,因此作为活塞环领域的常用手段,在外圆面镶嵌一层耐磨的同时摩擦系数较低的类金刚石耐磨涂层15,保证其运转时的外圆面磨损小,满足使用寿命要求。
如图1所示,在该基础截面1的第二边12的一端设置有第一切边31,在第二边12的另一端设置有第二切边32。第一切边31在第二边12上的投影宽度W1以及第二切边32在第二边12上的投影宽度W2满足0.2·W~0.6·W,第一切边31与第二边12所成角度范围α1为42°~66°、第二切边32与第二边12所成角度α2范围为42°~66°。如图2所示,表示了运用该活塞环线材制作的活塞环安装在活塞的环槽内的示意图,在活塞6上设置的环槽61其宽度比所使用活塞环宽度大0.2~0.5mm,从而提供活塞环沿宽度方向活动的空间,当然上述活塞环宽度不易过大,以免发生摩擦自锁,造成活塞环的碎裂。在活塞环的基础截面1的第二边上设置的第一切边31与第二切边32使第二边宽度变窄并集中于中间位置,并且由于切去了基础截面的一角,扩大了活塞环的活动空间,因此活塞环在环槽上更容易发生以第二边为支点的倾斜,即图2所示的状态,其在三维空间内的表现即为活塞环截面长度的中心线与活塞环平面不共面的扭曲现象。当活塞环处于进、排气行程时,气缸处于开放状态,缸内压力较小,因此活塞环在环槽内近乎不发生扭曲或者仅因为与缸壁的摩擦作用发生轻微的扭曲,此时润滑油自环与环槽侧壁的间隙进入环槽内,并在第一切边31与环槽所形成的第一空腔区62以及第二切边32与环槽形成的第二空腔区63蓄存。在压缩行程,活塞环上行,在缸壁7与活塞6对活塞环1的摩擦力矩的作用下活塞环发生扭曲,在环槽内呈倾斜状态,活塞环地第三边13与环槽边线A线接触,第四边14与第二切边的交线B与环槽侧边线接触,将润滑油密封在第一空腔区62、第二空腔区63,由于压缩行程缸内压力高,高压气体进一步将活塞环以这一扭曲状态压靠在环槽内,实现可靠密封。在燃烧循环中,活塞环下行,其原理与压缩循环相同,不再赘述。为了保证这一密封过程,需要保证外圆面的耐磨涂层15在扭曲范围内与缸壁7具有良好稳定的接触以提供促使活塞环扭曲的摩擦力矩同时实现活塞环与缸壁的动态密封,为此该耐磨涂层15需要设计并加工成近圆弧面。上述截面的线材可以通过圆形或者矩形截面的线材经押出拉伸成型。
事实上,由于压缩循环与燃烧循环缸压具有明显的差异,压缩循环时,现有技术下汽油机的压缩比通常为8~10,因此压缩循环的最大缸压约为1MPa左右,而燃烧循环,由于燃烧的燃烧,缸内压力可达压缩循环的最大缸压的6-15倍,其值取决于空燃比、点火提前角等发动机参数的标定,若两侧的第一切边31与第二切边32对称设置,无法在压缩循环与燃烧循环同时获得最优的密封效果,为此,需要匹配压缩循环与燃烧循环对第一切边31与第二切边32分开设计,将第一切边31的投影宽度限制在0.20·W≤Wl≤0.25·W范围内,使压缩行程的扭曲角度受限于第一切边较小只能达到较小的限度,将第二切边32的投影宽度限制在0.40·W≤W2≤0.60·W范围内,能够增大燃烧行程的扭曲角度。
不论是考虑到活塞生产的一般需要还是考虑到活塞环在气缸内运转的实际情况,由具有该基础截面1的线材以及在外圆面设置的耐磨涂层组成的活塞环都应当在各边连接处圆角过渡。尤其是第一边11与第三边13连接处以及第一边11与第四边14连接处,由于在扭曲的工作状态下该两处连接处存在直接与缸壁接触的可能,必须设置圆角过渡,其圆角半径最大为0.1mm,为了保证足够的圆角空间并保证圆角处足够的强度,避免工作时碎裂,因此设置凹槽2与第一点的相接点与所述第一边的相接点与对应该相接点一侧的第一边的端点的距离应当至少0.2mm。
此外对于本发明中的活塞环线材,实际上不宜省去凹槽2而直接在第一边11上设置耐磨涂层,最主要的原因在于,如前所述,考虑到活塞环与缸套的运动以及活塞环的动态扭曲,第一边11与第三边13连接处以及第一边11与第四边14连接处必须设置圆角过渡。如果未设置凹槽2,在由该线材所制的活塞环的外圆面直接镶嵌耐磨涂层,则必须在耐磨涂层的边缘设置圆弧过渡,考虑到该耐磨涂层为脆性材料,受力容易脆裂,在活塞环运转过程中,耐磨层的两侧边由于没有线材的支撑,势必在反复扭曲与缸壁冲击的过程中发生崩缺。因此,必须在第一边设置凹槽,从而在第一边在两端加工圆角解决上述问题,当然通过凹槽提高该耐磨涂层的附着力也是一个方面。由于耐磨涂层需要覆盖第一边,其根部在该凹槽2中,因此为了保证耐磨涂层的结构强度,避免其过薄,而在工作中脆裂剥落,该凹槽2要求深度Hg满足:0.05·W≤Hg≤0.08·W,进一步地要求凹槽2宽度至少0.6·W,作为一个容易想到并简化生产配置的方案,显然可以将凹槽2相对于基础截面1的长度方向的中心线设置成对称的,并且为了避免线材发生应力集中,也为了避免耐磨涂层在凹槽中的结合力不足,凹槽底面与凹槽两端应当设置成圆弧过渡。
本发明还提供一种如图3所示的活塞环绕制模具,该绕制模具具有以其旋转轴为旋转中心的圆周面4,在所述圆周面4上设置有用于引导所述活塞环线材前进的矩形凹槽41。矩形凹槽的宽度Ws=Wn+(0.1~0.3)mm,这样的活塞环绕制模具完全适用于常规的矩形、圆形等不具有内凹表面的线材绕制,但是在用于本发明中的活塞环线材的绕制时,由于凹槽2的存在在第一边11上凹槽2的两侧分别形成了向外突出的槽岸22,在绕环时,该槽岸22与与凹槽41的内底面43直接接触,绕环中弯曲线材的压力通过内底面43直接作用于槽岸22,使得槽岸22发生屈曲,形成侧向的波浪变形,导致报废。因此在原有模具的基础上在内底面设置一突出部42,,并将突出部42的高度Hs设置为略大于凹槽2的深度Hn,使槽岸22与内底面43脱离接触,弯曲力作用在所述线材的凹槽2的底面21上,避免了槽岸22的屈曲变形。优选的方案为设置该突出部的高度Hs=Hn+(0.1~0.3)mm。
本发明的对照组为,截面长度3.88mm,宽度W=2.48mm,第一边打磨成圆弧形的线材,并取该线材绕制的活塞环为实验对照件,由于内燃机压缩。燃烧循环其气缸处于封闭状态,无法自进气口、排气口测量缸压,为此以排气初始阶段排气口测得的压力值的统计平均值近似估计其密封性能。
本发明的实施例1,其线材的截面长度3.88mm,宽度W=2.48mm,α1=α2=45°,第一切边的投影宽度W1=0.55mm,第二切边的投影宽度W2=1.35mm,对称于长度方向中心面的凹槽宽度2.02mm,凹槽高度Hs=0.16mm。测得排气初期其排气口压力平均值为对照组的134.7%。
本发明的实施例1,其线材的截面长度3.88mm,宽度W=2.48mm,α1=α2=55°,第一切边的投影宽度W1=0.60mm,第二切边的投影宽度W2=1.67mm,对称于长度方向中心面的凹槽宽度2.02mm,凹槽高度Hs=0.16mm。测得排气初期其排气口压力平均值为对照组的142.3%。
上述内容仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进,均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种活塞环线材,所述线材具有呈矩形的基础截面(1),该基础截面具有沿宽度方向平行的第一边(11)与第二边(12)以及沿长度方向平行的第三边(13)与第四边(14),其特征在于,在所述第一边(11)上设置有相对于该第一边(11)内凹的凹槽(2),所述凹槽(2)用于镶嵌耐磨涂层;在所述第二边(12)的两端分别设置有第一切边(31)与第二切边(32),所述第一切边(31)在所述第二边(12)上的投影宽度、所述第二切边(32)在所述第二边(12)上的投影宽度尺寸均在0.2·W~0.6·W范围内,其中W为所述基础截面(1)的宽度尺寸。
2.如权利要求1所述的活塞环线材,其特征在于,所述第一切边(31)在所述第二边(12)上的投影宽度W1满足0.20·W≤W1≤0.25·W、所述第二切边(32)在所述第二边(12)上的投影宽度W2满足0.40·W≤W2≤0.60·W。
3.如权利要求2所述的活塞环线材,其特征在于,所述第一切边(31)、所述第二切边(32)均为直边,所述第一切边(31)、所述第二切边(32)与所述第二边(12)所成角度均在42°~66°范围内。
4.如权利要求2所述的活塞环线材,其特征在于,所述凹槽(2)的深度Hg满足:0.05·W≤Hg≤0.08·W,所述凹槽(2)与第一边(11)相接位置与位于该位置一侧的第一边端点的距离至少0.2mm。
5.如权利要求4所述的活塞环线材,其特征在于,所述凹槽(2)相对于所述基础截面(1)长度方向的中心线对称,所述凹槽(2)宽度至少0.6·W,所述凹槽(2)两端与该凹槽的底面(21)圆弧连接。
6.一种用于如权利要求1-5任一项所述活塞环线材的活塞环绕制模具,该绕制模具具有以其旋转轴为旋转中心的圆周面(4),在所述圆周面(4)上设置有用于引导活塞环线材前进的矩形凹槽(41),其特征在于,在所述矩形凹槽(41)的底部设置有突出部(42),该突出部(42)的高度Hs满足Hs=Hn+(0.1~0.3)mm,其中,Hn为活塞环线材的凹槽深度。
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