CN1476517A - 铝制止推环 - Google Patents

Abstract

一种铝制止推环，有锻压的铝基体，其中包括2到20重量百分比的硅，0.1到4重量百分比的铜，其余的为纯铝。铝制止推环由单一金属结构构成，没有背衬层。可锻铝基体具有的机械性能使铝基体磨损掉，随着止推环的使用，留下的硅颗粒不断的增加。

Description

铝制止推环

本申请要求申请号为60/229820，申请日为2000年9月5日的专利申请为优先权，并记载了该申请所公开的铝制止推环。

技术领域

本发明一般涉及到用于支撑旋转轴，例如曲柄轴，以抵抗侧向推力载荷类型的止推环，更加具体的是涉及到这种止推环的结构和制造方法。

技术背景

止推环被普遍用在多种场合，其中它必须支撑旋转曲柄轴以抵抗侧向推力载荷。例如，应用在发动机中，曲柄轴受到轴向推力载荷，该载荷迫使轴沿轴向发生位移。传统上，这种止推环被制造成双金属结构，其中一层轴承(bearing)材料，例如铝-铅或铝-锡，与起支撑作用的钢制背衬层(backing layer)结合。虽然这种轴承的性能另人满意，但双金属结构增加了成本和制造这种轴承的复杂性，且由于双金属的结合，使回收止推轴承生产中的废弃材料不可行。另外，钢制背衬层本身比铝制轴承层重，进而其对于止推轴承的重量的贡献比轴承层的要多。

制造双金属止推轴承的一个优点是它们能够通过压力成型的操作非常快速且便宜的进行生产。片状或带状的双金属材料被冲压和/或模压成型，包括在推力面上的任何流体动力学结构。

在一种已知的应用中，止推轴承全部由一块未知成份的铝合金机加工得到。据信，机加工的止推轴承不能用在双金属型止推环中使用的传统压力成型的操作形成。要意识到的是，对单个止推环的机加工的成本和复杂性远远超过全铝结构带来的任何益处。

依据本发明构造的止推轴承克服了或很大的减少了已知现有技术中的前述的限制。

发明内容

依据本发明，止推环全部由一种铝合金材料通过压力成型制造。

依据本发明另一方面，所述铝合金优选为铝-硅合金。

依据本发明又另一方面，所述铝-硅合金包含至少2wt％的硅。

还是依据本发明再另一方面，所述硅含量范围从2到20wt％。

依据本发明又另一方面，所述铝-硅合金包含0.1到4wt％的铜。

依据本发明又另一方面，铝-硅垫圈的中的硅颗粒按一定密度和尺寸存在于铝基体中，其密度和尺寸使得在0.04mm²面积内计数时，存在至少四个尺寸大于5μm的硅颗粒。

仍然依据本发明另一方面，硅颗粒存在于整个基体中，并起到对曲柄轴的配合端面(counterface)的抛光作用。

依据本发明另外的方面，随着垫圈推力面的磨损，铝基体发生磨损并被带走，而硅颗粒存留镶嵌在表面，使在推力面的硅颗粒的密度不断增加。因此，随着止推环的磨损，硅颗粒在推力面的积累增强了止推环的抛光和磨损特性，其轴承性能实际上提高了。

附图简述

结合下面的详细描述和附图考虑，本发明的这些以及其他特征和优点将变得更加容易认知，其中

图1是依据本发明现有优选实施例构造的止推环的正视图；

图2是沿图1中线2-2的侧视图；

图3是止推环材料的微结构示意图，显示了硅颗粒在铝基体中的存在；

图4和图5是放大的截面图，显示了止推环的流体动力学结构；

图6是沿图2中线4-4的截面示意图，与使用前的轴配合端面一起显示；和

图7是类似图4的视图，但是在止推环磨损的状态下。

发明内容

依据本发明一个优选实施例的止推环大致显示于图1和2中的10，并包括一个大致的半圆，具有内部凹表面12和外部凸表面14的大致的平面结构。示于图1中的止推环10包括止推环组件的一半，所述组件具有与图1中止推环10配合的与半圆相同或近似的结构，使得比如当配合在一起并安装在发动机模块中时，止推环组件能环绕旋转轴，比如图1中显示的已知方式的曲柄轴16。简单起见，由于本领域中已经熟知止推环对只成对使用，只对止推环组件的一半进行参考。

依据本发明的止推环10包括推力面18和背面20。背面20依靠于支撑结构，例如外壳或发动机体(未显示)，它们也是本领域中所熟知和常规的。推力面18向外面向垂直于止推环10中央纵向轴A的背面，该轴A对应于轴16的旋转轴。推力面18面向并正对轴16的配合端面22(图5-7)，该面与推力面18平行，并在通常方式下，作为比如曲柄轴臂的侧表面。参照图1和5，轴按照箭头24的方向旋转，使得配合端面22相对于推力面18按照箭头24的方向旋转。止推环10至少带有一个，并优选为至少两个舌榫突起或耳状物26，沿径向从外表面14向外突出，所述舌榫突起或耳状物放入机体或其它支撑结构的沉孔(未显示)中，以对止推轴承进行适当的定位并支撑以防止转动。

推力面18由大量的油流凹槽28构成，通过这些凹槽可以向旋转轴，以及向推力面和配合端面22的界面供油。

推力面18可进一步由流体动力学结构构成，在图2，4和5中大体上显示于30，与轴16的旋转配合端面22配合，工作时在推力面18和配合端面22之间形成油膜，为配合端面22提供流体动力学推力支撑。这种流体动力学结构30可能与US5192136中公开的一样或相似，该专利转让于本发明的受让人，并在此作为参考引入其记载的内容。图4和5显示了图2的推力面的放大剖面图，其中流体动力学结构包括有角度的表面截面32，它作为斜坡沿箭头24的方向，向邻接的隆起台阶(land)表面34送油。台阶表面34可以是平的或圆的，但优选是平的。油被配合端面22抽上斜面32，并进入配合端面22和隆起台阶表面34形成的窄轴向通道35(图5)。所引起的圆周向油的流动增加了台阶表面34上的油压，进而获得了适于处理相对高的推力载荷的流体动力学支撑作用。这种效应有时被称为薄膜边缘流体动力学润滑。流体动力学结构30和凹槽28的具体形状取决于每个具体的应用和需要产生的流体动力学效应。因此，图中所示的流体动力学结构30只用于说明，并不会将本发明限定在流线特征动力学特征30。

依据本发明，整体止推环结构10由适合作为止推环材料的单一材料制成。更加具体的，止推环10全部由铝合金轴承材料制成，该材料能够经压力成型为止推环10的形状，包括提供所需的推力面表面的凹槽28和流体动力学结构30。使用这种“单一金属”构造，不存在通常双金属构造的止推环的钢制背衬层。

依据本发明的可锻铝基体包括铝-硅合金。优选的硅含量范围从2到20wt％，但更加优选的在9.5到11.5wt％之间。铝-硅合金单一金属止推环结构10进一步优选包含0.4到4wt％之间的铜，其余的组成为铝。可选的，铝-硅合金可选的包括一种或几种选自锡，铅，铬，钒，锰和镁的添加剂，存在的量为合金的0到5wt％。在一个优选实施例中，基体包括9.5到11.5wt％的硅，0.75到1.25wt％的铜，其余的为纯铝。

优选的铝-硅合金最好使用快速凝固工艺浇注成带状，例如在两个相对旋转的冷却轧辊之间浇注。浇注之后，材料在某个温度下热处理一段时间，处理时间足以使硅颗粒在铝基体中生长到具有特定尺寸和分散密度。热处理的带随后进行冷轧，以得到最终材料的最终硅颗粒尺寸和密度。依据本发明，分散在止推环结构全部厚度(即，在推力面18和背面20之间)中的硅颗粒最初为均匀分散。最终材料有至少一些指定平均颗粒尺寸为至少5μm或更大的硅颗粒，并以一定密度存在于整个铝基体中，使平均在基体中0.04mm²的面积内存在至少4个指定尺寸的硅颗粒。合金材料的代表性微结构显示于图3，其中硅颗粒用36表示，铝基体为38。在止推环10最初形成时(即，使用前)，均匀分散的硅颗粒38在图6中作了示意性说明，图中可以看到推力面18的硅颗粒36的密度与止推环10的整个厚度的硅颗粒36的密度大致相同。

材料一旦经过热处理和冷轧，止推环结构10被从带上切下，经压力成型为所需的形状并包含所需的特征，例如凹槽28和流体动力学结构30。压力成型操作可以与双金属型止推环中使用的压力成型相同，该操作为本领域普通技术人员所熟知，并可以包括模压操作。

依据本发明的另一个方面，任何在止推环10成型中产生的废弃材料被循环使用，来生产其它的止推环10。换句话讲，任何切下的废弃材料和/或不满意的止推环10被回收，再次熔化并重新浇铸，然后进行热处理，以为生产另外的止推环10提供材料。通过这种方式，不存在废弃的止推环材料。

止推环10的铝基体具有的机械性能使其具有足够的强度构成止推环，而无须背衬材料。基体的性能也使铝基体可以被磨损掉，留下硅颗粒暴露在推力面18，使推力面18的硅颗粒密度随止推环10的使用而增加。

在使用中，随着配合端面22相对推力面18(该面显示于图6和7，但实际上与图5所示的为对立关系)旋转，存在于推力面18的硅颗粒36作为研磨剂将配合端面22抛光。通过对配合端面22的抛光，配合端面22变的更光滑，使配合端面22和推力面18之间的流体动力学作用增强，进而改善了止推环10的止推轴承性能。对配合端面22的抛光也去除了配合端面上的任何缺陷，并使止推环10磨损。随着时间，引起止推环10的某种程度的磨损，并引起了表面铝基体材料31被带走。然而，如图7中示意的，硅颗粒36仍然镶嵌在铝基体31中，而不被带走，并在推力面18上积累。最终，随着止推环10的磨损，推力面18的硅颗粒36的密度不断增加。这种磨损状态在图7中说明，图中可见，在止推环结构10的整个剩余部分，推力面18的硅颗粒36的密度更大。结果，推力面18上增加的硅颗粒密度提高了止推环10的抛光作用，使在垫圈10磨损后的配合端面22的抛光程度比止推环10是新的时更为显著(图6)。这种增强的抛光作用继续提高流体动力学效应，并实际上减轻了止推环10的连续磨损，使止推环10的使用寿命相对于没有这种硅颗粒存在的铝合金材料延长。

显而易见的，根据上述内容的对本发明的修改和改变是可能的。所以，需要理解在附加的权利要求范围内，本发明可能会不按照具体描述的进行操作。本发明由权利要求所限定。

Claims (13)

1.一种铝制止推环包括：

可锻铝基体，包括：

2到20重量百分比的硅；

0.1到4重量百分比的铜；

其余的为铝；

所述铝制止推环由单一金属形成，没有背衬层。

2.依据权利要求1的铝制止推环，其中所述铝基体包含9.5到11.5％的硅，0.75到1.25重量百分比的铜，其余的为铝。

3.依据权利要求1的铝制止推环，其中所述铝基体中分散有硅颗粒，使在0.04mm²的面积内存在有至少四个尺寸大于5微米的硅颗粒。

4.依据权利要求3的铝制止推环，其中所述硅颗粒具有15微米的最大尺寸。

5.依据权利要求1的铝制止推环，其中所述铝基体材料磨损掉，留下硅颗粒暴露于推力面上；因此，随着铝制止推环的使用，在所述推力面上的硅颗粒密度不断增加。

6.依据权利要求1的铝制止推环，其中所述铝基体材料还包括0到5重量百分比的一种或几种选自锡，铅，铬，钒，锰，镁的元素。

7.依据权利要求1的铝制止推环，所述铝制止推环通过下述步骤形成：浇铸所述铝基体，然后对所述铝基体进行热处理和冷轧以获得具有所需硅颗粒分散的合金带，随后压制所述合金带以形成所述的铝制止推环。

8.依据权利要求1的铝制止推环，其中所述铝基体有足够的强度以得到没有背衬的单一金属结构，且其中所述基体足够的软使所述铝基体材料磨损掉，随着所述止推环的使用，留下硅颗粒暴露于所述铝制止推环的推力面。

9.依据权利要求1的铝制止推环，其中所述铝基体具有45到65的维氏硬度。

10.依据权利要求1的铝制止推环，其中所述铝制止推环包括其上形成的流体动力学结构。

11.依据权利要求1的铝制止推环，其中所述铝制止推环包括在其上形成的凹槽。

12.一种铝制止推环，包括：

可锻铝基体，包括：

2到20重量百分比的硅；

0.1到4重量百分比的铜；

其余的为铝；

所述铝制止推环由单一金属构成，没有背衬层，且其中所述铝基体中分散有硅颗粒，使在0.04mm²的面积内存在有至少四个尺寸大于5微米的硅颗粒。

13.一种铝制止推环，包括：

可锻铝基体，包括：

2到20重量百分比的硅；

0.1到4重量百分比的铜；

其余的为铝；

所述铝制止推环由单一金属构成，没有背衬层，且其中所述铝基体具有足够的强度以得到没有背衬的单一金属结构，且其中所述基体足够的软使所述铝基体材料磨损掉，随着止推环的使用，留下硅颗粒暴露于所述铝制止推环的推力面。

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