具有增强的抗疲劳性的内燃机活塞环及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种活塞环以及制造这种活塞环的方法。该活塞环包括可塑性变形材料，并且具有至少一个位于工作面与活塞环侧面之间的边缘，压应力通过滚压加工被引入到工作面与活塞环侧面之间的边缘。
【背景技术】
[0002]现有的活塞环易于在负载时断裂。活塞环在发动机运行时负载热力和动力。尤其是，高燃烧压力连同轴向凹槽导致活塞环可以扭进活塞的活塞环槽中。最大应力产生在活塞环的上或下工作边缘，与活塞环的活塞环间隙(位于180°处)相反。如果该应力变得太大，一个或多个细微裂纹或初始裂纹在边界区域产生。这些细微裂纹随着时间的推移变大，最终导致活塞环断裂。
[0003]现有的阻碍活塞环断裂的可能性措施在于提高所使用的材料的强度或增加所使用的材料的厚度。在边缘断裂的情况下，边缘的强度可以通过使用镶件进一步加强。
[0004]此外，由形成在活塞环的边缘的细微裂纹引起的疲劳断裂发生在负载时扭曲的活塞环上。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提高由例如铁或钢材料等金属制成的活塞环的抗断裂性和抗疲劳性。
[0006]此外，本发明的一个目的包括改善在运行时承受扭转负载的活塞环的断裂形成情况。
[0007]该问题可以由具有增强的抗疲劳性活塞环解决，其包含可塑性变形的材料。活塞环具有一工作面，其顶端由上工作面边缘界定，底端由下工作面边缘界定。在根据本发明的活塞环中，压应力引入到上工作面边缘和/或下工作面边缘，至少沿活塞环的圆周的一部分，压应力通过滚压加工引入到活塞环边缘。
[0008]根据本发明，问题通过局部提高抗疲劳性解决。抗疲劳性通过滚压加工至少活塞环的工作面的边缘的一部分实现。滚压加工是一种活塞环在各自的边缘区域的滚压，其结果是压应力建立在材料中。压应力的目的在于防止拉伸应力太大，以导致裂纹形成产生在活塞环的表面，在活塞环的边缘负载时。由于压应力，活塞环在负载时也不变形，这反过来又导致在交变负载的情况下减少裂纹的发展。根据本发明，已知的滚压加工的加工方法，先前主要用于表面抛光，被用于在活塞环的工作面的上和/下边缘产生压应力。词语活塞环的“工作面的上和/或下边缘”应解释为指的是活塞环的外表面和上/下侧面的边缘。鼻部的相应的边缘之间的区分仅在刮油环的情况下做出。活塞环的上和/或下外边缘处的压应力也可以通过滚压加工产生。抗疲劳性的30%的提高通过滚压加工实现，随着制造活塞环的金属材料的局部塑形变形。本发明因此使得抗疲劳和断裂性提高，而无需借助于昂贵的材料，或只能以高成本生产的设计或布局。
[0009]在活塞环的另一实施例中，压应力通过滚压加工只引入到下工作面边缘。精确地，工作面的下边缘或活塞环的下表面(如果这些不重合)由于燃烧气体承受增加负载。因此，裂纹更经常发生在下边缘。第一方面，根据本发明的活塞环的简单实施例，仅有活塞环或工作面的下边界通过滚压加工处理。
[0010]在活塞环的另一实施例中，压应力通过滚压加工只引入到工作面的上边缘。该实施例尤其是有利的，对于在运行时向外扭曲的活塞环，即其上边缘在运行时加载拉伸应力。
[0011]在活塞环的另一实施例中，压应力通过滚压加工引入到上和下工作面边缘。该实施例让矩形截面的活塞环的边缘免于裂纹形成。主体的边缘尤其容易形成裂纹，因为边缘处的材料没有被可以吸收裂纹两侧的拉伸力的另外的材料支撑。
[0012]在活塞环的另一实施例中，通过滚压加工引入压应力的工作面边缘在每个例子中设置有斜面。该斜面通过滚压加工形成。该边缘通过滚压加工被分成两个独立的边缘，每个具有大体上更钝的角。
[0013]在活塞环的另一实施例中，通过滚压加工引入压应力的倒圆角部分的工作面边缘在每个例子中通过滚压加工倒圆角。设置有压应力的边缘的曲率半径位于20 μ??至100 μ??之间，优选位于30 μ m至80 μ m之间，进一步优选位于40 μ m至60 μ m之间。在产品公差内的50 μ m的曲率半径是基于相同的目的。该曲率可以避免或至少降低切口效应。
[0014]在活塞环的另一实施例中，工作面进一步设置有至少一磨损保护涂层或磨合涂层。根据涂层的类型，可以在滚压加工和压应力引入之前或之后涂敷。然而，应当确保的是，在压应力引入之后活塞环不再被滚压加工加热太多，否则无应力退火被启动，这可以减少引入的应力。此外，应当被指出的是，硬质耐磨层可以使滚压加工失效，如果该层不能变形并且会在滚压加工中破裂。它提供给工作面的一部分设置有耐磨层，通过滚压加工引入压应力的边缘未设置耐磨层。
[0015]在活塞环的另一实施例中，活塞环包括铁或钢材料，或者，基本上或全部由铁或钢材料构成。铁或钢材料可以提供塑性变形特性，这是用于通过滚压加工进行加工所必需的。
[0016]在活塞环的另一实施例中，活塞环形成为压缩环。在活塞环的另一实施例中，活塞环形成为矩形环。在活塞环的另外一实施例中，活塞环形成为锥形压缩环。在活塞环的另一实施例中，活塞环形成为具有内斜面的活塞环。在活塞环的另一实施例中，活塞环形成为具有内角的活塞环。在活塞环的另一实施例中，活塞环形成为具有内斜面的锥形压缩环。在活塞环的另一实施例中，活塞环形成为具有内角的锥形压缩环。在活塞环的另一实施例中，活塞环形成为双面梯形活塞环。在活塞环的另一实施例中，活塞环形成为一单面梯形活塞环。在活塞环的另一实施例中，活塞环形成为L形压缩环。
[0017]在活塞环的另一实施例中，活塞环形成为刮油环。在活塞环的另外一实施例中，活塞环形成为锥形刮油环。在(锥形)刮油环的情况下，活塞环的(下)活塞环侧面的外边缘与活塞环的工作面的(下)边缘并不一致。在该例子中，压应力可以通过滚压加工仅引入到活塞环的下活塞环侧面的外边缘。在(锥形)刮油环的情况下，优选活塞环的(下)活塞环侧面的外边缘和活塞环的工作面的(下)边缘两者都通过滚压加工设置有压应力。(锥形)刮油环具有开放或闭合的活塞环间隙，开放的活塞环间隙大大简化了加工。
[0018]在活塞环的另一实施例中，压应力只引入到活塞环的圆周的一部分。压应力引入到相应的边缘，从活塞环间隙起至少45°的角距离，优选90°，进一步优选135°。活塞环的区域，也称之为活塞环背面，吸收最大的压力。活塞环背面也因此尤其易于受到裂纹和断裂的影响。通过仅在活塞环的圆周的一部分引入压应力，尤其是加工时间，滚压加工装置上的产量也因此改善，因此，该加工步骤的成本可以降低。
[0019]在活塞环的另一实施例中，压应力沿着活塞环的整个上和/或下边缘引入。该实施例让滚压加工过程可以由快速旋转设备完成，在这种情况下，整个活塞环的加工允许活塞环边缘的更快的加工，其保护机器。
[0020]根据本发明的另外一方面，提供了一种用于提高活塞环的抗疲劳和断裂性的方法，活塞环包括可延展的、可塑性变形的材料。活塞环具有工作面，其顶端由上工作面边缘界定，底端由下工作面边缘界定。该方法包括利用滚压加工来加工上工作面边缘和/或下工作面边缘将压应力引入到活塞环的圆周的至少一部分。该方法步骤作为最后的制造步骤之一完成，在活塞环以大体常规的方式加工中。活塞环的径向朝外的侧面在这例子中被称之工作面。
[0021]在该方法的另一实施例中，只有下工作面边缘通过滚压加工引入有压应力。
[0022]在该方法的