专利名称：用于降低油耗的侧轨和安装有这种侧轨的组合式控油环的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于内燃机的控油环上的侧轨(side rail)，具体而言，本发明涉及一种侧轨及安装有这种侧轨的组合式控油环，其对缸体内的润滑油具有良好控制功能。
背景技术：
控油环一般被连接到一个设置在活塞的圆筒形外表面上的环形沟槽内， 目的是对内燃机的缸体内表面上的润滑油进行控制。目前，常用的一种典型控油环就是组合式控油环，该控油环包括一个定距胀环(spacer expander)和一个或一对被连接到该定距胀环上的侧轨。在内燃机的工作过程中，该侧轨被保持在活塞的环形沟槽内，同时侧轨随活塞一起在缸体内往复移动，以使侧轨的外表面在缸体的内表面上滑动。同时，定距胀环产生弹性力，以将侧轨的一个侧面抵压在环形沟槽的径向表面上并将侧轨的外表面抵压在缸体的内表面上。这样，侧轨的外表面就用于将过量的润滑油从缸体的内表面上刮向曲轴箱，从而在缸体的内表面上形成具有合适厚度的润滑剂薄膜，以防止润滑油缓慢进入或缓慢流入燃烧室内。
通常情况下，控油环平行于一个顶部或第二活塞环与活塞相连接，而且控油环位于顶部或第二活塞环的下方，而该顶部或第二活塞环与活塞的上部相连接，控油环的定距胀环一般用于在缸体的内壁上产生比顶部或第二活塞环对缸体内壁的压力更大的压力，从而使控油环具有更大的张力。由于很久以来人们一直希望能够降低活塞环和缸体内壁之间的摩擦力来降低油耗，因此目前，人们一般以越来越小的数值来选择定距胀环的张力。同时，控油环最好对在工作过程中产生变形的缸体内表面具有紧密的随动性或匹配的变形性。因此，活塞灵活的往复运动需要张力较小的定距胀环，另一方面，这种定距胀环可能会增加润滑油的损耗，因为在工作时，该定距胀环会使侧轨对缸体的随动性变差，因此侧轨的外表面不能与已经变形的缸体内表面保持紧密的滑动接触。这样，目前就需要提供一种宽度较小的控油环，以在降低定距胀环的张力的情况下使侧轨对缸体的内表面具有良好的随动性。
例如，日本专利公开第6-272763披露了一种由高质合金钢制造扁钢丝的有效方法，利用这种方法不会产生在用环形材料制造控油环的侧轨的过程中所出现的裂缝。在制造过程中，钢丝通过冷拔或热拔被挤压成一种圆形截面，接着通过冷轧或温轧将其加工成厚度小于1毫米的扁钢丝，这样最终制成的扁钢丝就具有平面状的侧面和介于平面状侧面之间的筒形表面。这种扁钢丝以更高的精度被加工成盘卷形(线材卷)并切割成环形材料，这样筒形的外表面和内表面就能够在缸体的内表面上有效地形成具有合适厚度的油膜。
日本专利公开第2000-320672披露了一种由三个细小部件构成的组合式控油环，这种控油环能够产生较低的张力，而且对不均匀变形的缸体表面具有良好的随动性能，这样就提高了气密性。这种组合式控油环包括一个定距胀环和两个与该定距胀环相连接并沿轴向间隔排列的侧轨，其中上部和下部侧轨的外尖端之间的轴向距离小于穿过上部和下部侧轨的假想中央平面之间的轴向距离，目的是提高对在操作中产生变形的缸体内表面的对应变形性或随动性，但是这并没有对提高随动性产生任何实际意义上的作用。
在工作过程中，当活塞处于上冲程时，侧轨的外侧表面沿着与活塞的移动方向相反的方向在缸体的内表面上产生了一个摩擦力，这样就使控油环在环形沟槽内向曲轴箱移动。此时，下部侧轨位于与环形沟槽的底面相接触的位置上并且平行于该底面，下部侧轨与缸体的内表面基本在筒形外表面的中央部分相互接触，同时由于控油环和环形沟槽之间存有间隙，而且定距胀环产生膨胀作用，因此摩擦力将使上部侧轨朝向曲轴箱倾斜。这样，上部侧轨就与缸体的内表面在一个上部位置上相互接触，而该上部位置位于外表面的厚度的中央部分的上方。
在活塞的下冲程工作过程中，控油环在环形沟槽内朝向燃烧室移动，这样，上部侧轨就与环形沟槽的顶面相接触并且平行于该顶面，上部侧轨与缸体的内表面基本在筒形表面的中央部分上相互接触，同时使下部侧轨与缸体的内表面在一个下部位置上相互接触，而该下部位置位于外表面的厚度的中央部分的下方。
尽管侧轨与缸体的内表面在定距胀环的弹性力作用下相互接触，但是，可以相信侧轨的圆形外表面既不能在侧轨处于倾斜和未倾斜的状态下在缸体的内表面上一直形成厚度合适的油膜，也不能沿向上和向下的方向将足够量的润滑油从缸体的内表面上刮除。具体而言，当控油环安装有多个具有较小张力的侧轨，以用于减小侧轨对缸体内表面的压力时，我们发现这种控油环将会增加耗油量。
本发明的一个目的在于提供一种在较小的控油环设定张力作用下能够实现良好控油功能的侧轨。本发明的另一目的在于提供一种装配有这种具有较小张力的侧轨的控油环。本发明的又一目的在于提供一种能够降低内燃机的润滑油损耗量和燃料损耗量的侧轨和控油环。
发明内容
根据本发明的侧轨(1)被制造成截面大体为矩形的环状结构，该矩形截面包括一对彼此平行的侧表面(2a，2b)；一个外表面(3)，该外表面形成于侧表面(2a，2b)的两个外周边之间，用来与一个缸体(16)的内表面(17)相接触；一个内表面(4)，该内表面形成于侧表面(2a，2b)的内周边之间，其用来与控油环的定距胀环相接触。外表面(3)包括一对与相邻的侧表面(2a，2b)连接在一起的边缘表面(5)和一个设置在边缘表面(5)之间的中间表面(6)。边缘表面(5)的半径小于现有技术的桶形表面(30)的半径，这样，在操作过程中，当侧轨(1)处于倾斜状态下时，就能够使边缘表面(5)容易地跨接在缸体(16)的油膜上，而且允许侧轨(1)在缸体(16)的内表面(17)上平滑的滑动。中间表面(6)的曲率半径大于现有技术中的桶形表面(30)的半径，从而当侧轨(1)处于非倾斜状态下时，能够有效刮除缸体(16)上的润滑油，以在缸体(16)的内表面(17)和侧轨(1)之间形成厚度最小的所需润滑油膜。另外，中间表面(6)的较大的曲率半径还能够为缸体(16)的内表面(17)提供一个更大的接触面积，从而提高了耐磨性。
接合附图，参照下面的详细说明和权利要求书，可以更完整地理解本发明，其中附图图1为现有技术中的侧轨的剖视图；图2为根据本发明一个最佳实施例的侧轨的剖视图；图3为根据本发明另一实施例的侧轨的剖视图；图4为根据本发明又一实施例的侧轨的剖视图；图5为装配有根据本发明的侧轨的控油环的剖视图；图6为装配有根据本发明的侧轨的控油环在安装有控油环的活塞处于上冲程时的剖视图；图7为当活塞处于下冲程时控油环的剖视图。
对本发明的详细说明下面将接合附图，对本发明的多个实施例进行详细说明。
如图1所示，一个现有技术中的侧轨从外轮廓线上看设置有筒形的外表面和内表面30，但也可以为提高滑动性能而对这些表面进行改型。在现有技术中，筒形表面30可在将钢丝轧制成扁平截面时同时成形，以使外表面和内表面30能够沿径向膨胀成一个曲率半径基本恒定不变的筒形。
如图2所示，根据本发明的侧轨被制造成一个横截面大体为矩形的环形结构，而且包括一对彼此平行的径向侧面2a、2b；一个外周面3，该外周面3形成于侧面2a、2b的两个外周边之间；和一个内圆周表面4，该表面4形成于侧面2a、2b的两个内周边之间。
每个边缘表面5的半径都约等于侧轨宽度h6的五分之一(1/5)至五分之八(8/5)。中间表面6具有一个半径基本恒定不变的圆筒形表面或具有一个曲率半径大于边缘表面5的曲率半径的桶形表面，该桶形表面曲率大体恒定。中间表面6的轴向长度介于侧轨宽度h6的约30％至约70％之间的范围内。
每个边缘表面5的半径都不能小于侧轨宽度h6的五分之一，因为这种曲率半径较小的边缘表面不能从模具中脱出，而且如果每个边缘表面5的半径大于侧轨宽度h6的五分之八，那么就不能形成厚度合适的油膜，因为该半径将在介于边缘表面5和中间表面6之间的边界部分6a上形成一个尖锐的环形边缘。当中间表面6的轴向长度h7小于侧轨宽度h6的约30％时，中间表面6就会在活塞12的上冲程和下冲程中产生足够的刮除作用，从而增加了耗油量。当中间表面6的轴向长度h7大于侧轨宽度h6的约70％时，即使侧轨1已经以最大倾角倾斜，上部侧轨1的边缘表面5也不会在活塞12向上移动的过程中接触到缸体16的内表面17。这样，润滑油就会被位于边缘表面5附近的中间表面6或平面状表面刮掉，从而增加了耗油量。
如图5所示，一对侧轨1与一个定距胀环10相互配合，形成了一个组合式控油环11。筒形表面30还会受到进一步的轧制或滚压，以形成外表面3，该外表面3包括一对与相邻的侧面2a、2b相连接的边缘表面5和一个中间表面6，该中间表面位于两边缘表面5之间并位于外表面3的内部或中间部分内。中间表面6由一个具有恒定半径的圆筒形表面或具有较大曲率半径且略微凸出的弯曲表面构成。边缘表面5是扩张或膨胀后的桶形表面的残余部分，该筒形表面最初通过轧制成形，但是，边缘表面5被精确地重新加工成比筒形表面30具有更小曲率半径的弯曲表面。如图2的截面图所示，一个边界部分6a在中间表面6和各个边缘表面5之间形成有一个连续弯曲的表面，该表面的截面由一个圆弧或多个组合在一起的圆弧构成，这样，就使弯曲表面与边缘表面5及中间表面6都相切，从而由边界部分6a上形成了一个平滑且连续的连接表面。或者，在该实施例中，边界部分6a可以是一条不连续的环形线，该环形线介于边缘表面和中间表面5、6上的不是很锐利的边缘之间。
侧轨宽度h6可以介于约0.3mm至0.65mm之间的范围内，因为当侧轨的宽度h6小于0.3mm，那么侧轨就不具有足够的机械强度；在控油环的较低张力作用下，侧轨的宽度大于0.65mm就会降低控油环对缸体16的内表面17的随动性，这样也会导致耗油量的增加。与外表面3相似，内表面4也通过轧制成形，以使其能够沿径向扩张或膨胀成筒形，该筒形部分的半径约为侧轨宽度h6的一半，接着，在完成轧制工序后，而且没有进一步形成表面4的前提下，可将侧轨与定距胀环连接在一起。但是，如图3所示，可将外表面3的一个镜像形状或类似形状应用到内表面4上，以便于在加工过程中容易控制轧制材料，或者以便避免轧制材料与卷取机错误地连接在一起。
如图6所示，侧轨被连接到定距胀环10上，以将控油环11装配到活塞12上的环形沟槽7内。在定距胀环10的弹力作用下，上部侧轨1被弹性抵压到环形沟槽7的顶部径向表面8上并抵压在缸体16的内表面17上。在定距胀环10的弹性力作用下，下部侧轨1弹性压靠在环形沟槽7的底部径向表面9上并压靠在缸体16的内表面17上。
在图2所示的实施例中，中间表面6被制造成一个半径基本恒定不变的圆筒形表面，该表面位于一对边缘表面5之间，而且中间表面6的轴向长度介于侧轨宽度h6的约30％至70％的范围内。图3所示的另一实施例示出了一个中间表面6，该中间表面6设置有一桶型凸面或凸起，该凸面或凸起由中间表面6和各个边缘表面5之间的接合处或边界部分6a沿径向向外略微突出，而且其高度等于或小于约0.01毫米。凸起高度超过0.01毫米的凸型中间表面6降低了中间表面6对润滑油的刮除功能。外表面3被制造成一个使上部边缘表面和下部边缘表面5关于一个中央假想平面P对称的镜像，该中央假想平面P穿过中间表面6的中心，这样，即使处于翻转状态下，侧轨也能够与定距胀环10正确地连接在一起。
在活塞12的上冲程工作过程中，上部侧轨1的外表面3处在与缸体16的内表面17相接触的位置上，同时，由于在上部侧轨1和缸体16的内表面17之间产生的摩擦力和控油环和环形沟槽7之间的间隙以及定距胀环10的变形，使得上部侧轨1的外表面3朝向曲轴箱移动，这样，上部侧轨1的上侧面2a就会克服定距胀环10的弹性力被迫沿远离环形沟槽7的顶面8的方向移动并与该顶面8分开，如图6所示。这样，上部侧轨1在倾斜的状态下向上移动，同时外表面3处于拖后下降的状态，此时，仅有上部边缘表面5与缸体16保持滑动接触。因此，上部侧轨1的上部边缘表面5就能够保持在一种易于支承在缸体16的油膜上的状态下，而且用于在上部侧轨1的上部边缘表面5和缸体16之间形成具有足够厚度的油膜，由上部边缘表面5刮除的润滑油量就较少。
这时，下部侧轨1被保持在与环形沟槽7的底面9相接触的位置上，而且该下部侧轨1没有象上部侧轨1那样倾斜很大的角度，而且下部侧轨1与缸体16基本在大体为平面状的表面6的中央部分相互接触，从而有效地刮除缸体16上的润滑油并形成具有所需最小厚度的油膜。被下部侧轨1刮掉的润滑油通过定距胀环10上的多个孔(未示出)和多条由环形沟槽7通向曲轴箱的通道(未示出)输送到曲轴箱内。
在活塞12的下冲程操作过程中，下部侧轨1的外表面3处在与缸体16的内表面17相接触的位置上，同时由于在上部侧轨1和缸体16的内表面17之间产生的摩擦力和控油环和环形沟槽7之间的间隙以及定距胀环10的变形，该外表面3在环形沟槽7内朝向燃烧室移动，这样下部侧轨1的底部侧面2b就会克服定距胀环10的弹性力被迫沿远离环形沟槽7的底面9的方向移动并与该底面9分开，如图7所示。因此，下部侧轨1在倾斜的状态下向下移动，外表面3处于拖后上升的状态下，仅有下部侧轨1的下部边缘表面5与缸体16保持滑动接触。因此，下部侧轨1的下部边缘表面5就能够保持一种易于支承在缸体16的油膜上的状态，而且用于在下部边缘表面5和缸体16之间形成具有足够厚度的油膜，这样，就减少了由下部边缘表面5刮除的润滑油量。
此时，上部侧轨1被保持在与环形沟槽7的顶面8相接触的位置上，而且该上部侧轨1没有象下部侧轨1那样倾斜很大的角度，而且上部侧轨1与缸体16基本在大体为平面状表面6的中央部分处相互接触，从而有效地刮除缸体16上的润滑油并形成具有所需最小厚度的油膜。被上部侧轨1刮掉的润滑油通过设置在定距胀环10上的多个孔(未示出)和多条由环形沟槽7通向曲轴箱的通道(未示出)输送到曲轴箱内。
这样，在活塞12的上冲程或下冲程工作过程中，上部或下部侧轨1就能够在倾斜的状态下在环形沟槽7内沿远离环形沟槽7的顶面8或底面9的方向移动，以使上述侧轨1的前述边缘表面5通过油膜与缸体16滑动接触，从而提高侧轨1的随动性。同时，随动的侧轨1的中间表面6将足够量的润滑油从缸体16上到除，从而将润滑油的损耗限制在燃烧室内，这样就降低了油耗。
本发明可被应用到安装到一个组合式控油环上的至少一个侧轨上，以节省润滑油；当然，也可以将本发明应用到控油环上的两个或全部侧轨上，从而能够充分降低油耗。另外，上部侧轨和下部侧轨最好同一类型的侧轨，目的是防止在没有装配方向的情况下错误地连接侧轨。
本申请的发明人进行了油耗试验，目的是证明将根据本发明的侧轨应用到水冷4缸、排量为1800cc的发动机上的效果，这些发动机以6000rpm-WOT(Wide Open Throttle)的转速分别工作10小时。根据本发明的侧轨被预先制造成成具有图2所示的截面形状的结构形式，而且被装配到图5所示的控油环上，而且所有控油环的宽度h1为2.0mm，侧轨宽度h6为0.30mm至0.5mm。顶环由马氏体不锈钢制成，而且具有经过氮化处理的外表面3；第二环由铸铁制成，而且具有锥形的外表面。每次试验都要更换第一环和第二环。装配好的所有控油环其标称直径都为79mm，而且环的宽度h1均为2.0mm。所用的定距胀环沿轴向具有能够产生约为20N的复合张力的波浪型结构。上部和下部侧轨具有三种型号的轨宽h6，这些侧轨宽度选自0.3mm、0.4mm和0.5mm。当侧轨被盘卷成圆形时，外侧面3被研磨，形成平面状的中间表面6，该中间表面具有六种环宽h7分别约为20％、约30％、约40％、约50％、约60％和约70％。下面的图表示出了耗油量Oc的测试结果，平面度Pr＝h6/h7，其中现有技术中的侧轨的耗油率作为对比被表示成“1”。类似地，在现有技术中，具有桶形外表面的侧轨作为第1、8和15号样本受到测试，而且其平面度Pr为零。
表中所示的测试结果表明与安装有第1、2、8、9、15和16号样本侧轨的组合式控油环相比，安装有第3至7号、10至14号及17至21号样本侧轨的组合式控油环在降低润滑油的消耗量方面具有更好的效果，而且当中间表面6的宽度h7小于侧轨宽度h6的30％时，润滑油的损耗量将会增加。
图表
如上所述，本发明可提供具有边缘表面和中间表面的较薄的侧轨，而且当该侧轨位于倾斜状态下和非倾斜的常规状态下时，边缘表面和中间表面与缸体的内表面相接触，这样就可以达到下述的效果1、边缘表面容易地支承在缸体的油膜上，从而使侧轨能够实现平滑地滑动；2、中间表面用于将足够量的润滑油从缸体上刮除，以在缸体上形成具有所需最小厚度的油膜；
3、中间表面为缸体提供了更大的接触面积，从而提高了耐磨性；4、具有较小宽度或在较小张力作用下的侧轨能够在工作过程中对已经变形的缸体内表面具有良好的随动性；5、该侧轨具有良好的控油作用，由于本发明的侧轨具有出色的刮油功能和良好的随动性，因此可以显著降低润滑油和燃料的损耗量；6、该侧轨能够有效地提高内燃机的性能。
权利要求
1.一种用于控油环的侧轨，所述侧轨被加工成截面大体为矩形的环形结构，其包括一对相互平行的侧表面；一个外表面，该外表面形成在所述对侧表面的外周边之间并用来与缸体的内表面相接触；一个内表面，该内表面形成在所述对侧表面的内周边之间并用来与所述控油环的定距胀环相接触；所述外表面包括一对与相邻的所述侧表面相连接的边缘表面和一个形成在所述对边缘表面之间的中间表面；每个所述边缘表面的半径都基本等于所述侧轨宽度的五分之一至五分之八；所述中间表面由一个半径基本恒定的圆筒形表面构成，或由一个曲率半径基本恒定不变并大于所述边缘表面之曲率半径的桶形表面构成，所述桶形表面形成了一个凸面，该凸面从所述中间表面和边缘表面之间的连接部分向外略微突出，而且该凸面的高度等于或小于约0.01mm；所述中间表面的轴向长度介于所述侧轨宽度的约30％至70％之间。
2.根据权利要求1的侧轨，其特征在于所述侧轨的宽度介于约0.3mm至0.65mm的范围内。
3.根据权利要求1或2的侧轨，其特征在于所述内表面具有一个约为侧轨宽度的一半的曲率半径。
4.根据权利要求1或2的侧轨，其特征在于所述内表面被制造成与所述外表面相同的形状。
5.根据权利要求1至4之一的侧轨，其特征在于所述边缘表面形成有通过对所述侧轨进行轧制形成的扩展表面。
6.一种组合式控油环，其包括定距胀环和被所述定距胀环沿径向向外挤压的侧轨，其特征在于所述侧轨为根据权利要求1至5之一所述的侧轨。
全文摘要
一种侧轨被加工成横截面大体为矩形的环形结构，其包括一个外表面3，外表面3设置有一对小半径的边缘表面5；一个具有较大曲率半径并形成于边缘表面之间的中间表面6。当侧轨在操作过程中处于倾斜位置上时，每个边缘表面5都能够容易地支承在缸体16内的油膜上并允许侧轨1在缸体16的内表面上进行平滑的滑动。该中间表面6能够有效地刮除缸体上的润滑油，从而在缸体16的内表面17和侧轨1之间形成具有所需最小厚度的润滑油膜。另外，中间表面6所具有的较大的曲率半径为缸体16的内表面17提供了更大的接触面积，从而提高了耐磨性。
文档编号F02F5/00GK1494641SQ0280571
公开日2004年5月5日 申请日期2002年12月25日 优先权日2001年12月28日
发明者泷口胜美, 宪, 日马一宪 申请人:里肯株式会社