CN1289808C - 活塞环 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种活塞环,其包括一个活塞环主体和一个布置在该活塞环主体的内周上的膨胀环;该膨胀环包括两个油膨胀环,其中的一个油膨胀环被容纳在另一个油膨胀环的螺旋间隙中。该膨胀环如此构成,从而沿直径膨胀方向的压力在高温状态中比在低温状态中大。该膨胀部包括两种不同类型的膨胀件。这些膨胀件中的一个具有和那些传统膨胀部相同的功能,另一个是一个其中随温度在直径方向上发生张力变化的构件。因此,具有与那些传统膨胀部的效果相同的效果的主膨胀件的压力是可变的。
Description
技术领域
本发明涉及一种活塞环,其与一个内燃机或类似设备的一个活塞的活塞环槽相接合。
背景技术
活塞环被广义地分类为油环和气环。在任何情况下,一个活塞环可以包括有一个活塞环主体和一个膨胀部,该膨胀部布置在该活塞环主体的内周表面侧上,用于沿该活塞环主体的直径膨胀方向传递压力。
在这样的一个活塞环中,该活塞环主体和膨胀部的压力之和整体构成活塞环的张力。总体上如此构成活塞环的该张力,从而活塞环能够发挥其功能,即使是在允许使用活塞环的最恶劣的情况下。例如,在一个安装在一个内燃机的一个活塞中的活塞环中,活塞环张力设想按内燃机的高速-高负荷状态设定。
因此,在一个包括有一个活塞环主体和一个膨胀部的活塞环中,膨胀部的压力当然设想按内燃机或类似设备的高负荷状态设定。
然而,在一个传统的活塞环中,粘结到汽缸内周表面上的发动机油具有一个逐渐变大的力来导致活塞环在随着活塞往复运动速度的增加而在汽缸内周表面和活塞环之间产生的机油的液压的影响下浮起。随着速度和负荷的增高,机油消耗也倾向于变大。因此,整个活塞环的张力设想按高速和高负荷状态,即按内燃机的高温状态设定。在一个低速和低负荷状态中,即内燃机的低温状态中,一个高于所需水平的张力将作用于汽缸的内周表面上,因此导致摩擦。在这种情况下,也可以设想用于整个活塞环的张力按一个低速和低负荷状态设定。然而,在这种状态中,高速和高负荷工作是不理想的,因为它导致线圈消耗的急剧增加。
除了上述问题,还遇到了下述问题。
换言之,当将一个包括有一个活塞环主体和一个膨胀部的活塞环安装到一个活塞上时,需要按图4中所示的工序进行。将结合图4说明一个活塞环,其包括有一个两件式组合的油环50,该油环由一个活塞环主体51和一个线圈膨胀部52构成。
(1)拆开线圈膨胀部52的连接部段54(见图4(a));
(2)围绕一个油环槽55卷绕线圈膨胀部52,并用一个连接销55连接连接部段54(见图4(b));
(3)将活塞环主体51安装到油环槽55上,从而一个接合口511相应于线圈膨胀部52的位置位于180°处(见图4(c))。
根据该安装方法,必需先拆开线圈膨胀部的连接部段,然后再连接该连接部段。这是费事的,此外,该操作不能实现自动化,导致需要手工进行所有的操作步骤。
提出本发明来解决这些问题,并且本发明的主要目的是提供一种活塞环,其产生的张力既适用于低速和低负荷状态,又适用于高速和高负荷状态,并解决了将一个包括有一个活塞环主体和一个膨胀部的活塞环安装到一个内燃机或类似设备的活塞的活塞环槽中的费事的工作。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供了一种活塞环,包括一个活塞环主体和一个布置在该活塞环主体内周上的线圈膨胀部,所述线圈膨胀部包括两个线圈膨胀件,这些线圈膨胀件中的一个被容纳在另一个线圈膨胀件的螺旋间隙中。
本发明还提供了一种活塞环,其包括一个活塞环主体和一个布置在该活塞环主体的内周上的膨胀部;所述膨胀部包括一个主膨胀件和一个通过与该主膨胀件接合而布置的副膨胀件;一个活塞环被如此构成,从而压力通过主膨胀件和副膨胀件沿直径膨胀方向施加到作为一个整体的膨胀部的活塞环上,该压力在高温状态中比在低温状态中大;其中,该主膨胀件和副膨胀件的至少一个由一种形状记忆合金或一种张力随温度变化的双金属制成。
本发明还提供了上述活塞环,其中,该主膨胀件和副膨胀件都是线圈膨胀件,而且它们的布置是这样的,从而这些线圈膨胀件中的一个被容纳在另一个线圈膨胀件的螺旋间隙中。
本发明还提供了上述活塞环,其中,该主膨胀件和副膨胀件都是沿着所述活塞环主体的内周表面布置的板膨胀件,以这样的方式该主膨胀件和副膨胀件被重叠地放置。
附图说明
图1包括示出本发明的活塞环的一个第一实施例的纵截面视图:(a)是本发明的活塞环处于低温状态中的纵截面视图:(b)是本发明的活塞环处于高温状态中的纵截面视图;
图2是本发明的活塞环的一个线圈膨胀部的平面图;
图3包括示出本发明的活塞环的一个第二实施例的纵截面视图:(a)是本发明的活塞环处于低温状态中的纵截面视图:(b)是本发明的活塞环处于高温状态中的纵截面视图;和
图4包括示出将一个传统的两件式组合的油环安装到一个活塞上的工序的说明性视图:(a)是一个部分透视图,示出了线圈膨胀部的拆开的状态:(b)是一个部分透视图,示出了围绕线圈环槽卷绕线圈膨胀部和连接一个连接销的状态;(c)是一个部分透视图,示出了(b)在安装有油环主体的状态中转动180°后的位置。
附图中的参考标号表示下述构件:
1:汽缸;2:活塞;3:油环槽;10、13:油环;11、31:油环主体;20、40:线圈膨胀部;21、41:主膨胀件;22、42:副膨胀件;23:螺旋间隙;24:主膨胀件的接合口;25:副膨胀件的接合口;FM:主膨胀件的压力;FM′:主膨胀件在直径变形时的压力;FS:副膨胀件的压力。
具体实施方式
本发明提供了一个活塞环,其包括一个活塞环主体和一个布置在该活塞环主体的内周上的线圈膨胀部;线圈膨胀部包括两个线圈膨胀件,这些线圈膨胀件中的一个被容纳在另一个线圈膨胀件的螺旋间隙中。
根据本发明,该线圈膨胀部包括两个线圈膨胀件,这些线圈膨胀件中的一个被容纳在另一个线圈膨胀件的螺旋间隙中。该被容纳在螺旋间隙中的线圈膨胀件作为一个在传统线圈膨胀部中的连接销。因此,不再需要使用一个连接销,从而在将该膨胀部安装到一个内燃机或类似设备的活塞中时避免了麻烦,并可以实现自动组装。
本发明的另一个实施倒是一个活塞环,其包括一个活塞环主体和一个布置在该活塞环主体的内周上的膨胀部;该膨胀部包括一个主膨胀件和一个通过与该主膨胀件接合而布置的副膨胀件;一个活塞环被如此构成,从而压力通过主膨胀件和副膨胀件沿直径膨胀方向施加到作为一个整体的膨胀部的活塞环上,该压力在高温状态中比在低温状态中大。
根据本发明,该膨胀部包括两个构件,即一个主膨胀件和一个副膨胀件。该副膨胀件包括一种形状记忆合金或一种双金属,在该双金属中通过将一个设定温度作为界限而由相变在高温侧导致张力产生,在低温侧导致张力损失。该膨胀部整体具有一个构形,其中由主膨胀件和副膨胀件沿直径膨胀方向施加到活塞环主体上的压力在高温状态中比在低温状态中高。在内燃机的低温状态(即内燃机的低速和低负荷状态)中,副膨胀件不产生张力。因此,该膨胀部整体由主膨胀件和副膨胀件施加的张力是本发明的活塞环在制造阶段中的张力(在下文称为“初始张力”)。当内燃机的内部处于一个高温状态(即当内燃机处于一个高速和高负荷状态)时,在副膨胀件中便出现形状由于相变导致的向形状记忆状态的变化,或由双金属的特性导致的形状变化。因此,该膨胀部整体由主膨胀件和副膨胀件施加的张力便高于上述初始张力。
更为具体地说,本发明的膨胀部包括两种类型的膨胀件。本发明的一个特征在于,一种由通用已知传统材料制成的膨胀部可用作为这些构件中的一个(主膨胀件),一个其中由于温度变化产生相变而导致张力变化的构件可用作为另一个构件(副膨胀件),以导致膨胀件中压力的变化。在该特征的影响下,可以对活塞环整体施加一个响应于内燃机负荷状态的最适合的活塞环张力。
换言之,在低温状态中,本发明的活塞环处于其中只有主膨胀件的压力作用于活塞环主体上的状态。因此,将主膨胀件的压力设定为一个相应于活塞环整体在低速和低负荷状态中所需的张力的值,使得避免如在一个传统活塞环中那样因施加一个超过在低速和低负荷状态中所需的水平而导致严重摩擦的危险。在高速和高负荷状态中,副膨胀件倾向于沿直径方向变大。
因此,除了主膨胀件的压力之外,副膨胀件也沿直径膨胀方向向活塞环主体施加压力。即,膨胀部的张力整体可以表示为(主膨胀件的压力)+(副膨胀件的压力)。通过设定一个响应于整个活塞环在高速和高负荷状态中所需要具有的张力的这些压力的和能够确保活塞环最适合于高速和高负荷状态的功能。
很难用具体数值来限定高速和高负荷状态(高温状态)和低速和低负荷状态(低温状态),因为根据内燃机的设计规格和工作状况有各种各样的状态。例如,在一个用于2000cc的普通客车的汽油机的情况中,一般准则如下:高温状态:例如从大约130℃-大约180℃;低温状态:例如从大约-30℃-大约80℃;中间温度状态:例如从大约80℃-大约130℃。
如在上述情况中那样,用具体数值限定张力也是困难的。在一个用于2000cc的普通客车的汽油机的情况中,一般准则如下:初始张力:从0-大约15N;在伸展状态中的张力:从大约15N-大约25N。
换言之,当用FLT表示膨胀部整体在低速和低负荷状态中所需的张力;用FMT表示膨胀部整体在高速和高负荷状态中所需的张力;用FM表示由主膨胀件施加到活塞环主体上的压力;用FS表示由副膨胀件施加到活塞环主体上的压力时,在本发明中应用了如下等式:
FLT=FM
FHT=FM+FS
通过分别设定如此膨胀件的压力而使上述等式有效,就可以通过温度的作用而导致膨胀部中的张力变化。
在本发明活塞环的一个实施例中,主膨胀件和副膨胀件都可以是线圈膨胀件,这些线圈膨胀件中的一个被容纳在另一个线圈膨胀件的螺旋间隙中。
根据本发明,可以实现本发明的上述优点,并还可得到下述益处。
当安装使用线圈膨胀件的活塞环时,必需首先安装线圈膨胀件,然后再安装活塞环主体。在从线圈膨胀件的安装一直到活塞环主体的安装的过程中,一个连接销对于线圈膨胀部在活塞的活塞环槽中的就位是必不可少的。根据本发明,线圈膨胀件被以这样的方式布置,从而主膨胀件和副膨胀件中的一个线圈膨胀件被容纳在另一个线圈膨胀件的螺旋间隙中。该被容纳在螺旋间隙中的线圈膨胀件起着传统线圈膨胀部中的连接销的作用。因此,不再需要使用一个连接销,所以,避免了在将膨胀部安装到一个内燃机或类似设备的活塞中时的费事的工作。
在本发明的活塞环中,上述主膨胀件和副膨胀件都可以是板膨胀件,并可以布置在一个轴线上。
同样,在这种情况下,如线圈膨胀件的情况一样,副膨胀件可由形状记忆合金制成,或者由张力随温度变化的双金属制成。
由于双金属的张力随温度变化,所以一种双金属也适于用作本发明的副膨胀件,从而表现出了本发明的优点。
在本发明的活塞环中,主膨胀件可由形状记忆合金制成,或者由张力随温度变化的双金属制成。
根据本发明,副膨胀件以及主膨胀件都可由形状记忆合金和张力随温度变化的双金属制成。因此,可以导致一种对于响应于内燃机的温度变化的整体膨胀的平稳的压力变化。
例如,在主膨胀件和副膨胀件都由形状记忆合金和张力随温度变化的双金属制成的情况下,根据对单独的膨胀件所选择的材料来比较由温度所导致的形状变化,以使用于主膨胀件的温度低于用于副膨胀件的温度,这将在下文说明。
当内燃机内部处于低温状态(即内燃机处于低速成和低负荷状态)时,用于整个膨胀部的压力只依赖于主膨胀件的初始张力,因此,具有一个小的值。当内燃机处于中间温度(一个在低温状态和高温状态之间的温度,在该温度下在主膨胀件中导致形状变化)状态时,由主膨胀件中的相变导致一种向形状记忆状态的形状变化,该主膨胀件已经达到较长的周向长度。然而整个膨胀部的压力仍只依赖于主膨胀件,由主膨胀件的周向长度变长的趋势所产生的压力便加到主膨胀件的初始张力上。因此,该值与低温状态中的压力相比变大了。当内燃机内部转变成高温(一个在副膨胀件中导致形状变化的温度)状态时,如上所述,便在副膨胀件中出现形状变化,导致副膨胀件的周向长度变长,并从内侧挤压主膨胀件。在该时刻点,整个膨胀部的压力在形状变化后变得与主膨胀件的压力和副膨胀件的压力之和相等。该总的压力值大于中间温度状态中的压力值。
如上所述,通过使主膨胀件和副膨胀件都由形状记忆合金或双金属制成,用于整个膨胀件的应力可在三个阶段中改变。
在本发明中,线圈膨胀部和板膨胀部的形状、尺寸(厚度、直径等等)和材料自然是布置在活塞环的内周表面上的形状和尺寸,并应满足所需的张力要求。换言之,完全可以从已知的形状记忆合金或双金属中选择一种在高温和低温状态中能够表现出所需张力的材料,并可通过通用的方法进行适当的设计和制造,具有适用活塞环的内周表面的形状和尺寸的膨胀部可以组合使用,在这方面没有特别的限制。
下面将结合附图详细说明本发明的活塞环。
[第一实施例]
图1示出了本发明活塞环的一个第一实施例,或者更为具体地说,是一个油环10的横截面简图,该油环使用一个线圈膨胀件20而安装到一个设置在一个汽缸1中的油环槽3中。图1(a)示出了处于低速-低负荷状态,即处于低温状态中的油环10;和图1(b)示出了处于高速-高负荷状态,即处于高温状态中的油环10。
如图1所示,本发明的油环10包括一个油环主体11和一个线圈膨胀件20,线圈膨胀件20包括一个主膨胀件21和一个由形状记忆合金制成的副膨胀件22。
在低温状态中,如图1(a)所示,从构成线圈膨胀件20的主膨胀件21和副膨胀件22中,只有主膨胀件21向油环主体11施加压力FM。因此,通过响应于整个活塞环在低温状态(即FLT=FM)下所必需具有的张力(FLT)来设定主膨胀件21的压力FM,所产生的过度摩擦的问题便永远不会发生。
在高温状态中,如图1(b)所示,由形状记忆合金制成的副膨胀件22变形,因此,副膨胀件22在由于周向长度增加的趋势而导致的张力的影响下从内表面侧沿直径膨胀方向挤压主膨胀件21。因此,由膨胀件20施加给活塞环主体的压力是主膨胀件的压力FM和副膨胀件的压力FS的合力(FM+MS)。通过按一个响应于整个活塞环在高速和高负荷状态(即FMT=FM+FS)下所必需具有的张力(FMT)的压力来设定该合力,活塞环在一个在高速和高负荷状态中出现在汽缸内周表面和活塞环外周的滑动表面之间的油膜的压力下浮起,从而可以防止机油消耗的急剧增加。
在图1所示的本发明的活塞环10中,副膨胀件22被容纳在主膨胀件21的螺旋间隙23中。然而,本发明并不局限于该构形,而是主膨胀件21可以被容纳在副膨胀件22的螺旋间隙23中。
不仅是副膨胀件22,而且主膨胀件21也可以由形状记忆合金制成。在这种情况下,主膨胀件21和副膨胀件22都由形状记忆合金制成。因此,这些构件中的任何一个都根据温度而沿直径膨胀方向变形。理想的是以一个低于用于另一个构件(例如,副膨胀件22)的温度的温度设置一个导致这些构件中的任何一个(例如,主膨胀件21)变形的温度。
因此,在低温状态中,该过程与在上述图1(b)(压力为FM)的情况相同。当温度达到中间温度状态(一个在低温状态和高温状态之间的温度,在该温度下主膨胀件变形)的水平时,主膨胀件21沿一个增加周向长度的方向变形,并产生一个大于初始张力的压力FM′。在高温状态中,变形沿一个导致副膨胀件22的周向长度变大的方向进行,并且用于整个膨胀部的压力变为FM′+FS。
因此,当只有副膨胀件由形状记忆合金制成时,该膨胀部的整体压力是包括FM和FM+FS这两种类型中的任一种。相反的是,通过使主膨胀件也由形状记忆合金制成,整个膨胀部的压力是包括FM、FM′和FM+FS这三种类型中的任一种,这允许平稳地应付温度变化。
在图1所示的本发明的活塞环10的膨胀部20中,如图2所示,通过将主膨胀件21的邻接部24与副膨胀件22的邻接部25转换180°,就可以把该组件当成是单个的膨胀环处理。这免除了对传统中使用的连接销的需要,解决了安装时的费事操作,并使得可以自动组装该活塞环。
对于图2所示的膨胀部20,如果只解决了安装时的问题,就不总需要主膨胀件21和副膨胀件22都由形状记忆合金制成,而可以由传统材料制成。
[第二实施例]
图3示出了本发明活塞环的一个第二实施例,其是一个油环的横截面简图,该油环使用一个板膨胀件作为膨胀件:图3(a)示出了处于低负荷状态,即处于低温状态中的油环30;和图3(b)示出了处于高负荷状态,即处于高温状态中的油环30。
如图3所示,本发明的油环30包括一个油环主体31和板膨胀件40。板膨胀件40包括一个主膨胀件41和一个由一种形状记忆合金制成的副膨胀件42。在本发明的活塞环中,如上所述,膨胀件并不局限于线圈膨胀件,而是如图3所示,通过使用两个重叠的板膨胀件,即使用这些板膨胀件中的一个作为主膨胀件41,使用另一个作为由一种形状记忆合金制成的副膨胀件42,可以得到与图1中所示的活塞环的相同的优点。
即使在这种情况下,如在上述第一实施例中那样,也可以使主膨胀件41由一种形状记忆合金制成,从而得到与第一实施例相同的效果。
本发明的活塞环并不局限于上述第一和第二实施例中所述的油环,而是除了该油环之外,可以使用任何应用了膨胀部的活塞环,一种气环也是适用的。
在本发明的活塞环中的膨胀部包括一个主膨胀件和一个与该主膨胀件相接合的副膨胀件。
构成本发明的膨胀部的主膨胀件不是特别限制的,一种传统已知的膨胀件也是适用的。一种线圈膨胀件或一种板膨胀件都是适用的。然而,对于其中的压力而言,如上所述需要与副膨胀件建立如下关系。对于副膨胀件而言,它可由材料(一种形状记忆合金和一种双金属材料)中的任一种制成。
另一方面,由于副膨胀件布置成与上述主膨胀件相接合,所以需要使用一个在温度变化时在直径方向上表现出比主膨胀件的变化大的变化的构件,即一种在高温状态中具有比在低温状态中增加的周向长度的材料。
就材料而言,一种形状记忆合金是优选的。更为具体地说,一种Ni-Ti合金或一种Ni-Ti-Cu合金是适用的。在这种情况下,当理想地是在低温状态和高温状态之间沿直径方向设定一个大的变化时,推荐使用一种Ni-Ti-Cu合金,并根据内燃机的工况在一个70-100℃的范围内设定一个相变温度。
也可以使用一个构成为线圈形或波浪形的副膨胀件,从而通过叠置两个具有不同热膨胀系统的材料而制成的双金属连接表面与活塞环的径向一致。
[优点]
根据本发明的活塞环,如上所述,通过用两种不同类型的膨胀件构成该膨胀部,可以使得这些膨胀件中的一个(主膨胀件)的作用是发挥与传统膨胀部相同的效果,并通过将另一个构件用作为一个随温度在直径方向上导致变化的构件而使得该另一个构件(副膨胀件)具有改变起着与传统膨胀部相同作用的主膨胀件的压力的功能。因此,可以对油环整体施加一个响应于内燃机负荷状态的最适合的油环张力。
通过使该膨胀部由两种类型的线圈膨胀件构成,这些线圈膨胀件中的一个可以起一个传统连接销的作用。因此,该传统通用的连接销变得不必要了,并且可以免除在安装中的费事操作和可将该活塞环自动组装到活塞环槽中。
Claims (3)
1.一种活塞环,其包括一个活塞环主体和一个布置在该活塞环主体的内周上的膨胀部;所述膨胀部包括一个主膨胀件和一个通过与该主膨胀件接合而布置的副膨胀件;一个活塞环被如此构成,从而压力通过主膨胀件和副膨胀件沿直径膨胀方向施加到作为一个整体的膨胀部的活塞环上,该压力在高温状态中比在低温状态中大;其中,该主膨胀件和副膨胀件的至少一个由一种形状记忆合金或一种张力随温度变化的双金属制成。
2.如权利要求1所述的活塞环,其中,该主膨胀件和副膨胀件都是线圈膨胀件,它们的布置是这样的,从而这些线圈膨胀件中的一个被容纳在另一个线圈膨胀件的螺旋间隙中。
3.如权利要求1所述的活塞环,其中,该主膨胀件和副膨胀件都是沿着所述活塞环主体的内周表面布置的板膨胀件,以这样的方式该主膨胀件和副膨胀件重叠地放置。
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