滚动活塞环及活塞和气缸的制作方法

本发明涉及机械领域，尤其是适用于内燃机机、渣浆泵、空压机、往复冲击装置或液压缸或气缸，具体涉及的是一种滚动活塞环及相配套的活塞和气缸。

背景技术

目前安装在活塞上的活塞环与气缸之间的摩擦，都是滑动摩擦。人们都知道滚动摩擦力远远小于滑动摩擦力，可是人类至今未能想出真正的滚动式活塞环。

专利申请公布号cn103291450a,cn103291602a公布了一种活塞滚动摩擦，目的是将活塞与气缸之间滑动摩擦变为滚动摩擦。活塞环磨损不严重的情况下活塞裙与气缸内壁之间润滑好且压力小，滑动摩擦力弱，滑动摩擦力大的是活塞环与气缸壁之间摩擦，其润滑条件差且压力大。这两个专利中有气缸、活塞、摩擦体(滚动体)、封闭件等，封闭件与气缸内壁之间仍是滑动摩擦，封闭件要封闭住活塞与气缸，必然有很大压力，有很大压力必有很大摩擦力，所以这两个专利将原来的弱滑动摩擦改为滚动摩擦，而滑动摩擦力大的地方并未改为滚动摩擦，未起到大幅度降低摩擦力的作用，其中封闭作用的滚动体如何在热胀时不卡死，冷缩时不漏油，这两个专利对该问题未给出解决方案。

申请公布号cn1374447a公布一种活塞环有滚动功能，只说靠特殊材料，没有给出可实施方案也没给图。猜想是靠特殊材料的弹性，活塞环外侧大直径转向内侧小直径时，靠挤压变形，挤压变形时要费力，且挤力大变形滚动中才有封闭作用。推缺气的车比推足气的车要多费好多力，因为缺气车车胎挤压变形要耗力做功。滚动比滑动省力，挤压变形又费很大的力，总体是省力还是费力，没有详尽说明。我们的目的是省力，该申请没有能够达到想要的目的。

人们需要一种依靠特殊结构和材料来实现滚动的省力活塞环。内燃机因摩擦要损失总能量的10％到25％，活塞环与气缸之间的摩擦占内燃机总摩擦的55％——65％，如果把活塞环的滑动摩擦变成滚动摩擦，摩擦力降到原来的十分之一，内燃机的效率和功率就会分别提高5％以上，或者说损耗至少降低5.4％，即10％－[10×40％+10×60％×(1/10)]％＝5.4％。

技术实现要素：

针对上述不足，本发明的目的是提供一种滚动活塞环及活塞和气缸，依靠活塞环的特殊结构，达到既能滚动又能封闭活塞与气缸，且在温度升高时，活塞环不卡死在气缸中，温度降低时不漏气漏油,从而将活塞环与气缸之间的滑动摩擦变成滚动摩擦，减少无用功消耗，提高热机等的效率，延长保修期，增加使用寿命。材料方面提高活塞环强度、耐磨、导热等已有成熟技术，本发明中不作叙述，滚动活塞环、活塞、气缸的形状可以是圆形，可以是方形，可以与燃烧室形状相似等其它形状，装在一起的三者形状相似。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种滚动活塞环，所述滚动活塞环安装于活塞和气缸之间，包括若干球，球依次首尾相切形成滚动活塞环，球的个数大于或等于3；或，包括若干柱，柱依次首尾相切形成滚动活塞环，柱的个数大于或等于3；或，包括球和柱，球和柱依次首尾相切形成滚动活塞环，球和柱的总数大于或等于3；所述球和柱均可伸缩，和/或活塞上用于安装滚动活塞环的凹槽为可伸缩和气缸上用于安装滚动活塞环的滑道为可伸缩。

进一步的，所述球或柱上至少含有n个与伸缩方向垂直的弹性层，或有伸缩方向分量的弹性层；任一弹性层与其它弹性层相交部分的表面为活动面，不相交部分的表面与球或柱为一体；球或柱除去弹性层外，剩余部分为构件，构件个数大于或等于n，n≥4；每个构件两端在任意一伸缩方向上的最远距离，要小于球或柱在此方向上的最大长度。

进一步的，所述弹性层在某个或几个部分具有折叠性外凸和内凹，使折叠处一侧的构件有向一个方向或多个方向的第一凸块和第一凹槽，另一侧有一个或多个构件在相对位置上有与第一凸块相穿插齿合的第二凹槽和与第一凹槽相穿插齿合的第二凸块，经凸块与凹槽穿插齿合后还有构件向某方向离散的，将离散件连同与之接触有相对运动的已固定构件上设置粗细不均的共同孔道，让锁定件穿过孔道，使离散件与已固定构件之间失去相对运动，从而不离散，锁定件与孔道之间也有弹性层；起锁定作用的构件上没有凸块和凹槽，而有折面和弹性卡；弹性卡卡入相对位置构件上的卡槽中，折面和弹性卡固定锁定件自身，使锁定件不与球或柱离散，凸块向任一方向凸出的长度大于弹性层的厚度。

进一步的，在活塞和气缸上设置壁凹槽，气缸上的滑道和活塞上的凹槽设置在壁凹槽中，气缸上的滑道和活塞上的凹槽分别分割成许多厚度均匀的条形板和弧形板，条形板和弧形板内外表面与壁凹槽相对的表面平行，每个条形板、弧形板两端或四周有厚度小于条形板、弧形板的向外凸出的第三凸块，第三凸块凸出的高度大于弹性层的厚度，与第三凸块对应处的活塞和气缸内壁上有侧凹槽，与第三凸块对应处的相邻条形板、弧形板处也有侧凹槽，侧凹槽将第三凸块外表包围，条形板或弧形板之间、条形板或弧形板与壁凹槽之间以及条形板或弧形板与侧凹槽之间均有弹性层。

进一步的，活塞上的凹槽半径和气缸上的滑道半径，比相对位置环上球或柱半径小0.0001-0.5mm。

进一步的，在活塞凹槽内壁厚处再挖一层珠凹槽，珠凹槽内放一层小滚珠，所述滚动活塞环与气缸内壁滑道之间及滚动活塞环与珠凹槽中小滚珠之间都成点或线相接触。

进一步的，当超过一半的球或柱体被包含在活塞凹槽或气缸滑道中时，活塞凹槽或滑道一侧的部分侧壁为可装卸，当气缸平底滑道长度等于气缸长度时，滑道部分侧壁不用制成可装卸。

本发明还提供一种活塞，所述活塞的活塞头部装配有上述的滚动活塞环。

进一步的，所述活塞凹槽底部设置有润滑油供、回油孔，供、回油孔与压力润滑油道连通。

本发明还提供一种气缸，所述气缸的缸体内装配有上述的滚动活塞环。

本发明的有益效果如下：

1.将原来活塞环的滑动摩擦变成滚动摩擦，摩擦力大大降低，效率大大提高了。

2.热机等机器在工作中损坏，摩损是最主要因素，活塞和汽缸最先磨坏，摩擦力大大减小后，保修期大大延长，寿命就大大增加了。

3.改进容易。只改变活塞、活塞环和气缸，其它众多部件基本不用变，就能大大减小阻力，改进部分小而效果大。

附图说明

图1为球环的示意图；

图2为球环上相邻球的切点的示意图；

图3为球环及切点面示意图；

图4为活塞、滚动环及气缸的装配示意图；

图5为外径是圆形气缸的滑道示意图；

图6为图5的半剖示意图；

图7为活塞上球形凹槽截面示意图；

图8.1为方形等长柱滚动活塞环截面示意图；

图8.2为方形等长柱滚动活塞环与活塞的装配截面示意图；

图8.3为方形等长柱滚动活塞环、活塞以及气缸的装配截面示意图；

图9.1为球环切点面示意图；

图9.2为轻外凸切点面示意图；

图9.3为重外凸切点面示意图；

图9.4为内凹切点面示意图；

图10为外侧小球间隔大球将切点外移的示意图；

图11为内侧小球间隔大球将切点内移的示意图

图12.1为珠凹槽示意图；

图12.2为小珠轴与小滚珠不为一体的示意图；

图12.3为小珠轴与小滚珠一体示意图；

图13为滑道和凹槽分割为条形板的截面示意图；

图14为图13的a-a向剖视图；

图15为滑道和凹槽分隔为弧形板的截面示意图；

图16.1-图16.3为长、中、短三种柱及三种组合示意图，a为长柱，b为中柱，c为短柱；

图中：球环1、切点2、切点面3、活塞4、气缸5、滑道6、凹槽7、珠凹槽8、小滚珠9、珠轴凹槽10、珠轴11、分界面12、珠凹槽外盖部分13、珠凹槽内部分14、壁凹槽15、条形板16、弧形板17、第三凸块18、侧凹槽19、弹性层20、柱环21。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有的实施方式。相反，它们仅是与如所附中权利要求书中所详述的，本发明的一些方面相一致的装置的例子。本说明书的各个实施例均采用递进的方式描述。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提供一种滚动活塞环(本发明中简称滚动环)，所述滚动活塞环安装于活塞和气缸之间，包括若干球1，球依次首尾相切形成滚动活塞环，球的个数大于或等于3，如图1所示；或，包括若干柱，柱依次首尾相切形成滚动活塞环，柱的个数大于或等于3；或，包括球和柱，球和柱依次首尾相切形成滚动活塞环，球和柱的总数大于或等于3；为了解决滚动封闭问题，本发明用伸缩球和伸缩柱解决热胀冷缩问题，和/或用活塞上的伸缩凹槽和气缸上的伸缩滑道解决热胀冷缩问题。即所述球和柱均可伸缩，和/或活塞上用于安装滚动活塞环的凹槽为可伸缩和气缸上用于安装滚动活塞环的滑道为可伸缩。

球的大小根据事情情况给定，柱是由球沿直线从一点滚到另一点而形成的，滚过的部分或全部空间成为柱，柱两端是半球体，可凸可凹。任意形状的活塞，都可以用球环；只有活塞外径部分或全部是直边时，直边相对位置的环可用柱取代球，球和柱可为实心也可为空心。

滚动环上的球或柱内侧在活塞上的球形凹槽或柱形凹槽内滚动(如图7和图8.2所示)，外侧在气缸内壁的径向为圆弧形滑道(如图5和图6所示)或两端圆弧形中间是平底形的滑道(如图8.3所示)上滚动，活塞凹槽、滚动环、滑道三者贴合，滚动环上的球或柱可以既在活塞凹槽内原位滚动，又能在气缸内壁的滑道上往复滚动，封闭活塞与气缸。气缸内壁上滑道长度等于或小于气缸长度，且大于或等于活塞行程(上止点到下止点的长度)。

活塞上每个球形凹槽的半径不变，球形凹槽侧壁部分的多少(外缘形状)可变，活塞横截面大小可变，变大时不能超越活塞与气缸的分界面，活塞与气缸的分界面要符合分界条件。

分界条件：滚动环的径向横截面的外边线围成的面积比活塞径向最大横截面大，滚动环的径向横截面的内边线围成的面积比气缸内壁的横截面小，相邻球或柱的切点2是活塞与气缸的分界点，在球(或柱)内连接各球(或柱)相邻切点与活塞轴向平行的面叫切点面，切点面延伸出球或柱外的部分是活塞与气缸的分界面，如图2-4所示。

分界条件包含下列具体内容：

1、活塞上的球形(或柱形)凹槽半径、气缸上的圆弧形(或柱形)滑道半径，比相对位置环上伸缩球(或柱)半径小0.0001-0.5mm，由于滚动活塞环或活塞凹槽和滑道是可伸缩的，所以凹槽半径和滑道半径比相对位置环上球(或柱)半径小，这样初始安装上去的球和柱就有一定的预紧力，以致于冷缩时不漏气漏油。

2、欲增大活塞横截面，可让切点面外凸；也可用较小的球在外侧间隔原来的球，使切点外移，也可将这两种方法同时使用，反之亦然，如图9.1-图9.4，图9.1为球环切点面示意图；图9.2为轻外凸切点面示意图，图9.3为重外凸切点面示意图；图9.4为内凹切点面示意图；图10为球环中各个球之间的外侧放置小球连接，使切点和切点面外移，增大活塞面积；图11为球环中各个球之间的内侧放置小球连接，使切点和切点面内移，减小活塞面积。为了使滚动效果更好，在活塞凹槽7内壁厚处再挖许多珠凹槽8，珠凹槽8内放小滚珠9，使小滚珠9、滚动环、气缸内壁的滑道6之间形成点或线接触，进一步减少摩擦力，如图10和图11所示。在珠凹槽8开有珠轴凹槽10，小滚珠9上具有珠轴11，珠轴11安装在该珠轴11珠凹槽8中，小滚珠9不接触珠凹槽8，珠小滚珠9绕珠轴11自转，珠轴11可以与小滚珠9一体形成，也可以采用分体装配式，将珠轴11安装在小滚珠9上，如图12.1-图12.3所示。

3、当滚动活塞环中球(或柱)一多半被包含在活塞凹槽7(或气缸滑道6)中，为使环能装入凹槽7(或滑道6)中，可让凹槽7(或滑道6)一侧的部分侧壁可装卸，用螺丝或卡或销等固定侧壁。为了能将小滚珠装入珠凹槽中，珠凹槽8通过分界面12分成珠凹槽外盖部分13和珠凹槽内部分14，珠凹槽外盖部分13可拆卸地安装在珠凹槽14上，各珠凹槽外盖部分13可一体也可分体，如图12.1所示；气缸平底滑道(径向有圆弧形，轴向无圆弧形滑道)长度等于气缸长度的，滑道部分侧壁不用制成可装卸。

为了增加活塞顶面受气体的有效推力面积比，活塞横截面可与燃烧室形状相似或相近，活塞外径与气缸内壁的弯曲程度一致。

滚动活塞环工作时温度变化较大，热胀冷缩明显，滚动环上的球和柱必须在热胀冷缩时能伸缩，防止体积收缩时漏气漏油，也防止体积膨胀时胀死，为了解决这类问题，本发明采用让滚动环有伸缩功能，或让气缸滑道和活塞凹槽有伸缩功能。

(1)为了滚动环上的球和柱有三维或多维伸缩功能，球和柱的结构要符合下面的伸缩条件。

伸缩条件：所述球或柱上至少含有n个与伸缩方向垂直的弹性层，或有伸缩方向分量的弹性层；任一弹性层与其它弹性层相交部分的表面为活动面，不相交部分的表面与球或柱为一体；所述球或柱由若干构件拼合而成，犹如市面上的鲁班球(或柱)；球或柱除去弹性层外，剩余部分为构件，剩余构件个数大于或等于n，n≥4；每个构件两端在任意一伸缩方向上的最远距离，要小于球或柱在此方向上的最大长度(如果大于或等于，将被构件顶住而失去伸缩功能)。

由于弹性层机械强度小，为了防止球和柱在强力挤压中散离，伸缩球和柱的结构要符合下面的强度条件。

强度条件：所述弹性层在某个或几个部分具有折叠性外凸和内凹，使折叠处一侧的构件有向一个方向或多个方向的第一凸块和第一凹槽，另一侧有一个或多个构件在相对位置上有与第一凸块相穿插齿合的第二凹槽和与第一凹槽相穿插齿合的第二凸块，经凸块与凹槽穿插齿合后还有构件向某方向离散的，将离散件连同与之接触有相对运动的已固定构件上设置粗细不均的共同孔道，让锁定件穿过孔道，使离散件与已固定构件之间失去相对运动，从而不离散，锁定件与孔道之间也有弹性层；起锁定作用的构件上没有凸块和凹槽，而有折面和弹性卡；弹性卡卡入相对位置构件上的卡槽中，折面和弹性卡固定锁定件自身，使锁定件不与球或柱离散，凸块向任一方向凸出的长度大于弹性层的厚度。

有伸缩功能的球或柱，与鲁班球(或柱)、球形或柱形孔明锁结构相似，球或柱内含n个或大于n个方向的面，靠孔道、折面、凸块、凹槽等穿插、齿合使整体不离散，所不同的是，将内部相互接触的两个面各削掉一薄层(薄层厚度一般在0.001mm—4mm之间)，用弹性层取代，并将最后的起锁定作用的锁定件未端带有弹性卡，弹性卡相对位置的构件上有卡槽，进一步防止球或柱整体的离散，且要符合每个构件两端在任意一伸缩方向上的最远距离，要小于球或柱在此方向上的最大长度，每个凸出的面的高度要比弹性层厚度大。

(2)气缸滑道和活塞凹槽的耐磨层通过特殊结构达到有伸缩功能。

如图13-图15所示，在活塞和气缸上设置壁凹槽15，气缸上的滑道6和活塞上的凹槽7位于壁凹槽24中，气缸上的滑道6和活塞上的凹槽7分别分割成许多厚度均匀的条形板16和弧形板17，条形板16和弧形板17内外表面与壁凹槽15相对的表面平行，每个条形板15、弧形板17两端或四周有厚度小于条形板16、弧形板17的向外凸出的第三凸块18，第三凸块18凸出的高度大于弹性层的厚度，与第三凸块18对应处的活塞和气缸内壁上有侧凹槽19，与第三凸块18对应处的相邻条形板16、弧形板17处也有侧凹槽19，侧凹槽19将第三凸块18外表包围，条形板16或弧形板17之间、条形板16或弧形板17与壁凹槽24之间以及条形板16或弧形板17与侧凹槽19之间均有弹性层。

球柱环中的球、柱，根据滚动活塞环工作时的温度变化程度，可选滚动环有伸缩功能，可选滑道和环凹槽有伸缩功能，也可两者都有或都没有伸缩功能。

将本发明提供的滚动活塞环应用于现有的热机中时，热机其它部分的大小和形状基本不变的情况下，只改变气缸、活塞、活塞环形状，实现活塞环在活塞和气缸之间既滚动又起封闭作用，减少摩擦力，减少内燃机的无用功，节省能量，可将内燃机效率和功率分别提高5％以上。

本发明还提供了一种活塞以及气缸，本发明的滚动活塞环安装在在活塞以及气缸之间，活塞凹槽底部设置有润滑油供、回油孔，供、回油孔与压力润滑油道连通，为滚动环提供润滑油和回收润滑油。活塞、滚动活塞环以及气缸装配成一个气缸总成，可用于蒸汽机，可用于单、双循环内燃机、渣浆泵或液压缸、汽缸及挖掘机、采煤机、掘进机或装载机等往复冲击装置中，使往复件与支撑件之间滑动摩擦变为滚动摩擦。

具体的，当滚动活塞环用于有活塞杆的“双循环内燃蒸气机”时，可将活塞杆上制做滑道，在下缸盖上制做球形或柱形凹槽，在滑道与凹槽之间放滚动活塞环，滚动环在下缸盖的凹槽内原位滚动，又在活塞杆滑道上往复滚动，下缸盖凹槽、滚动环、活塞杆上滑道三者贴合，封闭活塞杆下缸盖。

实施例1：

如图4-7所示，外径是圆形活塞4，活塞环是球环1，气缸5及气缸上有径向为许多圆弧形轴向为许多部分圆柱面槽形滑道6，活塞4上有球形凹槽7。球环1、滑道6和凹槽7三者贴合。球环1可以既在活塞凹槽7内原位滚动，又能在气缸内壁滑道6上往复滚动，封闭圆形活塞4与圆形气缸5。

圆形气缸5外径不变和气缸厚度略有变化的情况下，可用小球20在外侧间隔原来的球，使切点外移，且用切点面向外凸的办法，可加大活塞横截面，反之可减小活塞横截面。这是通过改变滚动活塞环和改变滚动活塞环被含在活塞凹槽7中体积大小的办法，以此获得较大幅度改变活塞横截面。

实施例2：

如图8.1-图8.3所示，外径是方形活塞4，活塞环是柱环21，方形气缸5及气缸内壁径向上有两端圆弧形中间是平底滑道6，活塞4上有两端向外凸的柱形凹槽7。柱环8、滑道6和柱形凹槽7三者贴合。柱环8可以既在凹槽7内原位滚动，又能在气缸内壁滑道6上往复滚动，封闭活塞4与气缸5。

如图16.1-图16.3所示，横截面为正方形活塞，柱环每个边上的柱可以是一整根，每根柱的长度和粗细可以相等可以不相等。长度不等长的，可有长、中、短三种柱(分别即为a、b、c)，长与中或中与短相差的最大长度等于柱横截面的直径，长度不相等时，滚动柱组合可按照顺时针顺序排列为：长短长短或长中短中或长短中中等方式组合成柱环(滚动环)。为了减少相邻柱接触点的磨损，可采用角上邻柱轴心线不对正(一个柱轴线延长线不在另一个柱端半球的球心上)，不对正的，有偏心量，使磨损点在变化，从而减少磨损；也可采取相邻柱凸半球球心连线不与柱轴线垂直的办法，使磨损点在变化，从而减少磨损；也可以相邻柱半球的转动角速度(或线速度)相同处为相互接触点，使接触点相对速度接近零来减少磨损。

实施例3：

活塞的横截面形状、滚动环的形状、气缸内径总体形状和气缸盖形状与燃烧室的横截面形状一致或接近一致，滚动环、活塞凹槽、气缸内壁滑道三者贴合，封闭活塞与气缸之间间隙。

由于原来内燃机活塞环是圆环形的，所以气缸内径和活塞外径都是圆形的，与横截面非圆形燃烧室不配套，活塞一部分面积不受气体推力，造成气缸和活塞质量及惯性大；而今，本发明的滚动环可以是非圆环形的，可改变活塞横截面的形状，使之与燃烧室的横截面形状相对应，增加做功冲程气体推力的有效面积在总面积中的比例，减少活塞和气缸的质量。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。