CN1473249A - 具有渗氮表面层的两部件润滑油控制环 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种两部件润滑油控制环，其包括一个大致呈M形或I形截面的环体(1)和一个螺旋膨胀件(2)，环体(1)的内表面(3)上具有环形槽(4)，螺旋膨胀件(2)固定在环体(1)的环形槽(4)中，以便可弹性地将环体(1)推向缸的内壁。环体(1)由包含3.0－13.0％重量百分比铬的不锈钢制成，其外和内周表面(11、12)上覆盖有渗氮层(14、15)。环体(1)横截面上的外边界面(周边)长度(Y0)与内边界面(周边)长度(Yi)的环形比值(τ)为1.08－1.32，以保持环体(1)具有精确的周边环形度，从而使渗氮层(14、15)可经得起对环体(1)所进行的研磨。

Description

具有渗氮表面层的两部件润滑油控制环
【技术领域】
本发明涉及一种固定在内燃机活塞环槽中的润滑油控制环，具体地说，本发明涉及一种两部件润滑油控制环，其具有一个螺旋膨胀件和一个具有渗氮表面层的环体。
【背景技术】
装在润滑油控制环中的各种螺旋膨胀件已广泛地用于大多数柴油机中。如图6所示，一种典型的两部件润滑油控制环包括一个环体1和一个螺旋膨胀件2，环体1的内表面3上设有一个环形槽4，螺旋膨胀件2固定在环体1的环形槽4中。环体1包括上横梁5、下横梁6和连接上和下横梁5、6的腹板7，从而形成一个大致为M形的截面。腹板7上设有多个开孔8，以便使润滑油流过开孔8。
在上和下横梁5、6的外周表面以及具有环槽4的环体1的内周表面上设有抗磨损表面层，在图中未示出。螺旋膨胀件2可产生弹性力，以便将上和下横梁5、6的每个外周表面弹性地向一个未示出的缸的内壁推。根据可变形的环体1工作时与缸的内周表面相吻合的能力、润滑油控制环的切向力、在固定到活塞上的槽中时在环体1上所产生的应力、以及将线材制成环形时的工作应力和可加工性来确定环体1的横截面形状，从而使润滑油控制环所具有的主要作用是将适量的润滑油施加到缸的内表面上。为了满足柴油机的高功率和低燃油消耗的要求，取代铸铁，环体由钢制成，并且，通过渗氮来代替镀硬铬形成抗磨损表面层，从而提高环体的抗磨损和抗塑性变形的性能。
JP6-336951A公开了一种润滑油控制环，其具有由17％的铬不锈钢制成的环体，环体的外和内周表面上形成有离子氮化层。在加工这种具有离子氮化层的润滑油控制环时，采用拉拔工艺来生产具有给定的普通横截面形状的异型线材，然后通过冲压在线材的腹板上形成多个开孔。然后，将线材制成螺旋形并切割成环体，对环体的外周表面进行研磨，对环体的上和下表面进行磨削，并对环体的整个周边表面或必要的区域进行渗氮。渗氮之后，以类似的方式对环体进行磨削，从而制成最终形状的润滑油环。
最近，人们进行了一些尝试利用铬含量低于17％重量百分比的低铬不锈钢来制造两部件润滑油控制环，以便降低制造成本。但是，这种润滑油控制环的缺点是：由于渗氮过程中会在由低铬不锈钢制成的M形或I形环体的内和外渗氮层中产生不平衡应力，因此，在渗氮过程中和渗氮之后进行渗氮扩张时，环体的圆形度或环形度会由于发生翘曲而显著地降低。当渗氮层线材于M形或I形环体1的整个周边表面上时，渗氮层就会扩张而在渗氮层中产生压应力，因而在基材中产生拉应力并在环体1的内和外周边侧面上附带产生变形。如果外周边侧面上所产生的变形大于其内周边侧面上所产生的变形，则外周边侧面就必然比内周边侧面膨胀的长度要长，从而使环体1的端部朝其内周边侧面变形。当在这种变形的环体的周边表面上进行研磨时，环体的端部就会由于渗氮变形而不能被均匀地进行研磨。当环形度下降的润滑油控制环固定到活塞上时，缸的内表面和润滑油环的外周表面之间就会产生间隙或缝隙，从而使燃油消耗增大。否则，当整个外周表面被研磨成环体所需的周边环形度时，通过研磨就会将渗氮层除去，因此，渗氮之后，就要限制对环体进行研磨，或者必须非常小心地进行研磨。另外，还发现降低了铬含量就会降低环体的抗蠕变性。
图5示出了研磨量和研磨时间成比例的关系。术语“研磨”在此表示利用研磨剂对环体进行抛光、磨削、打磨、擦洗或擦磨，以便在制造过程中调整或补偿尺寸误差或提高表面光洁度。例如，70微米厚度的渗氮层在经过105秒的研磨处理后就可被彻底去除掉。因此，研磨时间应当在105以内，以确保在环体1的整个外周表面上留有渗氮层，从而使环体1渗氮层的研磨轮廓与缸的内表面接触。现有技术的17％铬不锈钢环体在内和外渗氮层产生类似的不平衡应力，但渗氮只体现出极小的应变量，因为17％铬不锈钢具有较高的机械强度，且环体的整个周边表面可通过通常的方法进行研磨，而不会有任何实质性的问题。但是，17％铬不锈钢仍然存在成本问题。
本发明的目的是提供一种两部件润滑油控制环，其环体可保持周边环形度并使环体上的渗氮层经得起研磨。本发明的另一个目的是提供一种两部件润滑油控制环，在渗氮层形成于其环体表面上时，环体可控制或抑制所产生的变形量。本发明的再一个目的是提供一种两部件润滑油控制环，其环体由低铬不锈钢制成。
【发明内容】
本发明的两部件润滑油控制环包括一个大致呈M形或I形截面的环体(1)和一个螺旋膨胀件(2)，环体(1)的内表面(3)上具有环形槽(4)，螺旋膨胀件(2)固定在环体(1)的环形槽(4)中，以便可弹性地将环体(1)推向缸的内壁。环体(1)包括上和下横梁(5、6)以及连接上和下横梁(5、6)的腹板(7)，腹板(7)上设有多个可供润滑油流过的开孔(8)。环体(1)由包含3.0-13.0％重量百分比铬的不锈钢制成，其外和内周表面(11、12)上覆盖有渗氮层(14、15)。环体(1)横截面上的外边界面(周边)长度(Y0)与内边界面(周边)长度(Yi)的环形比值(τ)(circular ratio)为1.08-1.32，以保持环体(1)具有精确的周边环形度，并且，渗氮所产生的应变或变形极小，从而使渗氮层(14、15)可经得起对环体(1)所进行的研磨。
【附图说明】
本发明上述的目的和优点可从下面结合附图对本发明优选实施例所进行的描述中清楚地得出，其中：
图1是用于本发明两部件润滑油控制环的带渗氮层的环体的透视图；
图2是大致呈M形的环体的横截面图；
图3是大致呈I形的环体的横截面图；
图4表示研磨时间和变化的外与内表面长度比例之间的关系；
图5表示研磨量和研磨时间之间的比例关系；
图6是用于现有技术的两部件润滑油环的环体的横截面图。
【具体实施方式】
图1示出了用于本发明润滑油控制环的环体1。环体1由含有3.0-13.0％重量百分比的铬的不锈钢制成，并涂覆有渗氮层13，渗氮层13包括位于环体1的外周表面11上的外渗氮层14和位于内周表面12上的内渗氮层15。与图6所示的现有技术的润滑油控制环类似，图1所示的环体1设有多个开孔8，润滑油可通过开孔8。环体1的宽度B为1.2-2.0mm，厚度t为1.2-2.0mm，环槽脊(横梁)宽度l0为0.15-0.22mm，环槽深度t0为0.5-0.75mm。
环体1的渗氮扩张使外和内渗氮层14和15产生不同的变形，从而使环体1产生翘曲，而且必须平衡由外和内渗氮层14、15的渗氮扩张所引起的压缩力，以便控制或约束环体1的变形或翘曲。
假定ΔFo和ΔFi分别表示在环体1的一个假想截面线m-n上的每个微小面积ΔAo和ΔAi上所产生的外和内切向力，而Lo和Li表示从中间应力轴线N(Neutral Stress Axis)到微小面积ΔAo和ΔAi的中点的距离，如果作用在微小面积ΔAo和ΔAi上的总力矩或合成力矩基本上相等，那么，在环体1上就不会产生变形，如下述公式(1)所示：
∑(ΔFo×Lo)＝∑(ΔFi×Li)    (1)
在此情况下，从中间应力轴线N到微小面积ΔAo和ΔAi的中点的距离Lo和Li不相等(Lo≠Li)。假定k＝∑Lo/∑Li，方程(1)就可变为方程(2)：
k∑ΔFo＝∑ΔFI    (2)
由于渗氮层扩张所产生的力与渗氮层的面积成正比，如果外和内渗氮微小面积表示为ΔAo和ΔAi，则方程(2)就可变为方程(3)。而且，假定Ao和Ai分别表示外和内渗氮总面积，方程(3)就可改写为方程(4)。另外，假定Yo和Yi表示渗氮层厚度恒定为t时，环体1横截面上的外和内渗氮区域的边界面(周边)长度，就可得出Ao＝Yo×t和Ai＝Yi×t。如果这些方程代入方程(4)，就可得到方程(5)。
k∑ΔAo＝Δ∑Ai    (3)
kAo＝Ai    (4)
kYo＝Yi    (5)
因此，这些方程表明环体1在横截面上的外边界面(周边)长度与内边界面(周边)长度的比值应当是恒定的，以便控制或抑制由渗氮所产生的变形。
实施例
为了对本发明的润滑油控制环进行测试，制备9种具有不同横截面的环体，并用研磨剂进行研磨，直到每个环体的整个外周表面上形成研磨轮廓，测量研磨时间并检测研磨渗氮层的状态。测试结果如下表所示，其中符号表示如下：
B(mm)：环体宽度；t(mm)：环体厚度；l0(mm)：环槽脊(横梁)宽度；l(mm)：横梁之间的长度；t0(mm)：槽的深度；θ(度)：横梁倾角；τ：环体1横截面上的外边界面(周边)长度Yo与内边界面(周边)长度Yi的环形比值(circular ratio)；T(秒)：研磨时间；A：全部渗氮层经不起研磨；P：全部渗氮层经受住研磨。表：测试结果
 试样编号    B    t    l0     l    t0  θ    τ    T   A/P
    1   1.5   1.5   0.18   1.06   0.7   9   1.01  150    A
    2   1.5   1.5   0.18   1.06   0.65   9   1.09  103    P
    3   1.5   1.5   0.18   1.06   0.60   9   1.18   80    P
    4   2.0   2.0   0.18   1.41   0.75  10   1.20   80    P
    5   2.0   2.0   0.18   1.41   0.65  10   1.32  103    P
    6   1.5   1.5   0.18   1.06   0.5   6   1.37  200    A
    7   3.0   2.0   0.18   1.70   0.9  10   1.16   85    P
    8   2.5   2.0   0.20   1.50   0.82  10   1.24   85    P
    9   4.0   3.0   0.30   2.90   1.5  20   1.08  104    P
试样编号为1-8的环体制成图2所示的具有环形凹槽4的M形，试样编号为9的环体制成图3所示的具有倾斜槽4的I形。测试结果表明试样1和6的全部渗氮层都没有了，因为它们已被研磨掉了，而试样2-5和7-9在进行了研磨之后仍留有渗氮层，从而在环体的整个外周表面上形成研磨轮廓。图4示出了该表的结果，其清楚地表明环体1横截面上的外边界面(周边)长度Yo与内边界面(周边)长度Yi的比值τ应当为1.08-1.32，最好是1.0-1.3，其具有如下的优点：
〔1〕在渗氮之后，可在环体1的外和内渗氮层14、15中所产生的力之间保持动力平衡。
〔2〕渗氮之后，环体产生较小的应变或几乎不产生应变，从而保持精确的周边环形形状。
〔3〕由于环体1变形极小，渗氮层的研磨轮廓可经得起在环体1外表面上所进行的研磨。
〔4〕可缩短外和内渗氮层14、15的研磨时间。
〔5〕便于进行研磨。
〔6〕可提高润滑油环的生产率。

Claims (3)

1、一种两部件润滑油控制环包括一个大致呈M形或I形截面的环体和一个螺旋膨胀件，环体的内表面上具有环形槽，螺旋膨胀件固定在环体的环形槽中，以便可弹性地将环体推向缸的内壁，
所述环体包括上横梁、下横梁和连接所述上和下横梁的腹板，所述腹板上设有多个可供润滑油流过的开孔，
所述环体由包含3.0-13.0％重量百分比铬的不锈钢制成，其外和内周表面上覆盖有渗氮层，
环体横截面上的外边界面长度与内边界面长度的环形比值为1.08-1.32。
2、根据权利要求1所述的两部件润滑油控制环，其中，所述的外边界面长度与内边界面长度的环形比值为1.1-1.3。
3、根据权利要求1或2所述的两部件润滑油控制环，其中，所述环体的宽度为1.2-2.0mm，其厚度为1.2-2.0mm，环槽脊宽度为0.15-0.22mm，环形槽深度为0.5-0.75。
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