活塞连杆组件的制作方法

本专利公开大体上涉及一种活塞和连杆组件，并且更具体地涉及一种用于将活塞与连杆枢转地连接的活塞销。

背景技术：

内燃机广泛地用于燃烧燃料、通常为诸如柴油或汽油的烃基燃料，并且将其中的化学能量转换为可利用来工作的机械动力。为了进行燃烧过程并且将所释放能量转换为力或运动，内燃机通常包括燃烧室，诸如内侧往复地设置有活塞的汽缸。活塞连接至连杆的一端，连杆还在其另一端处连接至曲柄轴。当引入燃料且燃料在燃烧室中燃烧时，膨胀气体强制性地使活塞在汽缸内向下移动，所述活塞的线性运动由曲柄轴转换为旋转运动。燃料可以由火花点火或归因于随着活塞再次在燃烧室内向上移动的压缩而点火。

为了将活塞连接至连杆，通常包括圆柱形活塞销(有时候称为耳轴销或肘销)作为活塞和连杆组件的部分。活塞销的中段可以部分接纳在被设置穿过连杆的活塞端的横孔中，而活塞销的相对端可接纳在相应销孔中，所述相应销孔被设置在一起并在穿过活塞裙部的活塞下侧中彼此对准。活塞销和横孔以及销孔的大小可使得活塞在孔内浮动。此构造使连杆能够以这样的方式相对于活塞下侧枢转，即使活塞的线性运动导致曲柄轴旋转。

可以理解的是，当活塞在燃烧事件期间强制性地移动且连杆相对于活塞枢转时，活塞销可以经受显著程度的应力和摩擦力。因此，活塞和连杆组件可以被设计成具有适应这些力的特殊特征。此设计的一个实例可以在第6,923,153号美国专利中找到，所述专利描述了一种活塞和连杆组件，其中活塞在其中段处具有比其端部处的销直径更小的直径。另外，连杆可以减少销端处的磷化涂层以促进连杆与活塞销之间的移动。本发明同样涉及一种被设计成适应由本应用产生的应力和运动的活塞和连杆组件。

技术实现要素：

本发明在一方面描述了一种用于内燃机的活塞-连杆组件。组件的活塞包括冠部和从所述冠部下垂的裙部，所述裙部具有第一销孔和设置在其中与第一销孔对准的第二销孔。连杆包括具有横孔的活塞端和适用于连接至曲柄轴的曲柄端。销端和曲柄端通过横梁互连。为了将活塞枢转地配合至连杆，活塞销可被接纳穿过第一销孔和第二销孔以及横孔。活塞销可包括耐磨层，所述耐磨层包括应用到所述活塞销的外表面的至少一部分上的二硫化钨和二硫化钼中的至少一种。

另一方面，本发明描述了一种用于构造包括枢转地连接在一起的活塞和连杆的活塞-连杆组件的方法。根据所述方法，形成活塞销，其包括第一销端、第二销端和被设置在第一销端与第二销端之间的中段。该方法包括将耐磨层应用到所述活塞销的至少一部分上，所述耐磨层包括二硫化钨和二硫化钼中的至少一种。为了将活塞和连杆组装在一起，连杆的横孔与被设置在活塞中的第一销孔和第二销孔对准。进一步根据所述方法，接着将活塞销插入至第一销孔、横孔和第二销孔中以枢转地连接活塞与连杆。

在又另一方面，描述了一种用于将活塞和连杆枢转地连接在一起的活塞销。活塞销包括主体，其在形状上大致为圆柱形且由铁基材料制成，所述本体具有第一销端、第二销端和设置在第一销端和第二销端的中段。活塞销进一步包括含有二硫化钨和二硫化钼中的至少一种的耐磨层。耐磨层可以被应用到至少第一销端和第二销端。

附图说明

图1是说明包括被往复地设置在汽缸中并且由活塞销连接至连杆的活塞的内燃机的实施例的横截面图。

图2是具有根据本发明的耐磨涂层的活塞销的透视图，所述耐磨涂层被设置在活塞销的外表面的至少一部分上。

图3是如由图2的活塞销枢转地联结的活塞和连杆的横截面图。

图4是用于将耐磨涂层应用到活塞销的机械制造加工的从微观尺度来看的示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种内燃机，并且更具体地涉及内燃机所包括的活塞-连杆组件的设计。内燃机可以用来对诸如执行与诸如采矿、施工、农业、运输的行业或本领域中已知的任何其他行业相关联的某种操作的加工机械提供动力。例如，机械可以是运土机械，诸如轮式装载机、挖掘机、倾卸货车、反铲挖土机、机动平地机、物料搬运机等。另外，执行器可以连接至机械。这些执行器可以用于各项任务(包括例如装载、压实、提升、刷涂)并且包括(例如)铲斗、压实机、叉式提升装置、钢丝刷、抓斗、切割机、剪切机、刀片、破碎机/锤子、螺旋钻以及其他。然而，在其他实施例中，机械可以是固定式机械，诸如操作地联接至内燃机以接纳发动机的动力输出的发电机或大型泵。

现在参考附图，其中相同数字是指相同元件，图1中说明用于从燃料的燃烧中产生机械动力的内燃机100的典型实施例的横截面图。具体地说，图1说明具有相关部件和特征的内燃机100的单个燃烧室102，然而在各个实施例中，内燃机可以包括诸如通常所采用的四室、八室和十六室设计的任何合适数量的燃烧室。另外，燃烧室102可以诸如如图1中指示的直列式设计、V型构造设计或可能径向设计的任何合适方式布置。燃烧室102自身是由封闭腔室的汽缸壁104和汽缸盖106描述的圆柱形的封闭空间。燃烧室102的圆柱形形状进一步描绘汽缸轴线108。内燃机100可以具有压缩点火设计，其中诸如柴油和空气的燃料混合物在燃烧室102中压缩，由此将混合物的压力和温度升高至自发自动点火的点。然而，在其他实施例中，内燃机可以具有火花点火设计，其中燃料和空气的混合物是由火花塞等点火。

为了将燃料引入到燃烧室102中，内燃机100可以操作地与燃料系统110相关联，该燃烧系统110可包括设置在汽缸盖106中的一个或多个燃料喷射器112。燃料喷射器112可与其中存储燃烧燃料的可再装燃料容器114流体连通。燃料系统110可包括其他部件以促进加压燃料传输到燃料喷射器112，比如泵、过滤器、流道等等。为了引入用于燃烧过程的进气，内燃机100包括进气系统120，该进气系统120具有穿过汽缸盖106设置的各种通道、歧管或进气端口122用于将空气引导到燃烧室102。进气可以通过进气阀124的操作选择性地引入到燃烧室120，该进气阀124将进气端口122从腔室密封并可以通过相关联凸轮126的操作而打开。进一步，进气阀124通过阀簧128的推力而返回到闭合位置。为了在点火之后将燃烧产物从燃烧室102排出，内燃机100可以操作地与排气系统130相关联，该排气系统130像进气系统120一样包括设置在引自燃烧室的汽缸盖106中的各种通道和排气端口132。为了选择性地建立燃烧室102和排气端口132之间的流体连通，排气系统130还包括排气阀134，该排气阀134通过相关凸轮136和阀簧138的操作而打开和关闭。尽管仅一个进气阀124和一个排气阀示于图1中，但应当理解，在内燃机100的各种实施例中，可以包括多个阀。内燃机可以操作地与任何其他合适装置和系统相关联，比如诸如，涡轮增压器和废气再循环(EGR)系统。

当引入内燃机102的燃料和空气被点燃时，所产生燃烧和气体的膨胀强制性地移动活塞140，该活塞140相对于汽缸轴线108向下往复地设置在燃烧室102中。活塞140可包括大致垂直于汽缸轴线108布置的活塞冠部142和具有对应于汽缸壁104且与汽缸壁104滑动接触的直径的活塞裙部144。特别地，活塞140可从该活塞最接近汽缸盖106的上死点(TDC)位置线性地移动到其距离汽缸盖最远的下死点(BDC)位置。为了将活塞140的线性运动转换成从内燃机100输出的旋转运动，活塞可以连接至曲柄轴150，该曲柄轴150沿着垂直于汽缸轴线108的曲柄轴线152旋转地设置在燃烧室102之下。曲柄轴150包括一个或多个曲柄行程154，其相对于曲柄轴线152偏心地布置并偏离曲柄轴线152偏心。因此，曲柄行程154围绕调节活塞140的向下运动的曲柄轴线152回转。类似地，当曲柄轴旋转通过360°回转，例如以使活塞进行排放来自燃烧室102的燃烧产物的排气冲程或者压缩燃料空气混合物的压缩冲程时，曲柄轴线152和曲柄行程154之间的偏离使曲柄轴150促使活塞向上返回到TDC位置。为了经受预期应用的温度和压力，活塞和曲柄轴可以由机加工钢或铁或另一种铁基材料制成。在进一步的实施例中，活塞还可由铝或铝合金制成。

为了将活塞140连接到曲柄轴150，内燃机100可包括操作地与两个元件相关联的连杆160。连杆160可以为在活塞端162(有时称为小端)和曲柄端164(有时称为大端，其被横梁166隔开)之间延伸的细长结构。当组装在一起时，活塞端162与活塞连接，曲柄端164可围绕曲柄轴150的曲柄行程154之一联接。由于曲柄行程154的偏心偏离布置，活塞端162连同活塞140的往复垂直运动会导致曲柄端164相对于曲柄轴线152的摆动运动。进一步地，该运动会引起连杆160的横梁166相对于活塞140的下侧枢转并以侧对侧方式横跨汽缸轴线108。在一个实施例中，为了将油引导到活塞140并围绕活塞140引导油，连杆160可包括穿过横梁166设置的润滑通道168，其可以接纳来自曲柄轴中的互补通道的加压油并且由于连杆的往复运动引起的惯性力将向上引导该油。连杆160可由浇铸或机加工钢或铁或另一种铁基材料制成。

为了使连杆160相对于活塞140枢转，活塞销170可用于使连杆的活塞端162配合到活塞裙部144下面的活塞。参照图2，活塞销170可具有短的，大致圆柱形的杆状本体，其具有由中段176间隔开的第一销端172和相对的第二销端174。进一步地，活塞销170可以为管状，并且因此包括内部孔180，该内部孔180由对应于大致圆柱形形状的外表面182包围。因此，活塞销170可限定围绕其内部孔180和外表面182同心地对准的销轴线184。活塞销可以由任何合适的材料制成，例如包括钢或铁。

参照图3，为了使活塞140、连杆160和活塞销170配合在一起，销被接纳在穿过活塞和连杆设置的相应形状孔中。特别地，活塞140可包括径向向内设置到活塞裙部144中的第一销孔190和第二销孔191。进一步地，设置到第一190和第二销毂191中的可以分别是第一销孔192和第二销孔194，其形状上可以是圆形并且在整个活塞裙部144中相对于彼此对准。连杆160的活塞端162还可具有穿过其设置的横孔196，使得销端可以插入活塞裙部144并定位在第一销毂190和第二销毂191之间，且横孔可以与第一销孔192和第二销孔194对准。活塞140和连杆160可在此后将活塞销170插入穿过对准的第一销孔192和第二销孔194以及横孔196而配合在一起。活塞销170可因此布置有大致垂直于汽缸轴线108的销轴线184，沿着汽缸轴线108活塞140往复地上下运动。为了阻止活塞销170脱离第一销孔192、第二销孔194和/横孔196，C形夹子和卡环198可以安装到设置在第一销孔192和第二销孔194中的相应凹槽中以捕获孔内的活塞。

当活塞销170以前述方式接纳在活塞140和连杆160中时，第一销端172设置成与第一销毂190的第一销孔192直接滑动接触，第二销端174设置成与第二销毂191的第二销孔194直接滑动接触。中段176进一步与连杆160的活塞端162的横孔196对准。在一个可能的实施例中，为了支撑活塞销170，连杆160的活塞端162可包括由铜或青铜支撑的附加套管199，其通过压配等安装到横孔196并包围活塞销。为了润滑套管199和活塞销170之间的界面，套管可以接纳来自设置在连杆160中的润滑通道168的油。大致圆柱形的活塞销170和圆形第一销孔192、第二销孔194和横孔196或安装在其中的套管199使部件相对于彼此滑动旋转，使得活塞140和连杆160相对于销轴线184枢转地连接和枢转。在一个实施例中，活塞销170可以相对于第一销孔192和第二销孔194、横孔196和/或套管199浮动，而在其他实施例中，其可以相对于孔集和/或套管之一固定。

活塞销和孔之间的相对运动可造成表面之间的显著摩擦磨损和部件之间的可能咬死。另外，在预期应用中，活塞140的往复、上和下运动将向活塞销170应用显著的剪切力，所述活塞销170可复合部件之间的动摩擦效果。为降低摩擦和/或磨损的负面效果，活塞销170可设置有具有低摩擦性能的固体、耐磨层200，其布置在或应用在适用于改善活塞销的耐磨性的外表面的至少一部分上。耐磨层旨在以还可改善销与孔的滑动接触的能力的方式改善活塞销的摩擦学性能。例如，耐磨层可防止或抵抗部件之间的磨损、部件之间的划伤、部件之间的卡死以及部件之间的咬死。具体来说，耐磨层可包括降低表面粗糙度和/或增加销的外表面的硬度的材料和/或化合物。另外，耐磨层可通过机械工艺(比如磨光或珩磨)应用到活塞销上，所述机械工艺可进一步改善销的耐磨性、耐划伤性和摩擦学性能。

例如，参照图4，在微观尺度上示出了用于将耐磨层200应用到活塞销170的外表面182上的制造工艺。耐磨层200可包括耐磨材料202的粒子或颗粒，所述粒子或颗粒均紧密地堆积以及所述耐磨材料202具有显著的硬度且可具有有利的润滑性或无摩擦性能的特征。材料202的粒子或颗粒可作为薄膜等结合到活塞销170的外表面182上。耐磨材料202可以是或可包括二硫化钨(WS₂)或二硫化钼(MoS₂)。二硫化钨和二硫化钼被称为固体润滑剂，其具有低摩擦性能，用于需要不同部件之间的滑动接触的应用。耐磨层200可具有任何合适的厚度以及在实施例中可以是3微米(3μm)或更薄，或在另一实施例中可以是1微米(1μm)或更薄。此外，用于形成耐磨材料202的应用可进一步改善用于滑动接触的活塞140的外表面182。

在应用耐磨层之前，外表面182可具有以多个凸(凹)体210为特征的初始表面粗糙度，或在外表面上形成的微观峰部和谷部，所述凸(凹)体210具有初始或第一高度212。应理解，凸(凹)体210对外表面182的粗糙度负责且当活塞销170被置于与另一个部件滑动接触时，产生部分对部件之间的磨损负责的摩擦。为降低凸(凹)体210的第一高度212，可在活塞销170上进行机械制造工艺，比如磨光、珩磨或抛光。在这种工艺中，硬化工具220被置于邻近外表面182且沿垂直、第一方向222向工具应用压力进入表面中，而工具沿平行第二方向224在表面上移动。在各种实施例中，工具220可由足够硬的材料(比如碳化钨或金刚石)制成。当工具沿第二方向224移动时，凸(凹)体210的峰部可以塑性变形、碎裂或被切掉，使得凸(凹)体具有第二高度214，其可低于第一高度212，从而降低外表面182的产生摩擦可能性。具体在磨光工艺中，材料被移位而非取出以提供较平坦表面。

在凸(凹)体210已被降低到较低的第二高度214后，可留有多个微小凹坑216等，其中保留了耐磨层200的耐磨材料202。为应用耐磨材料202，在相对于表面移动工具220之前，在制造工艺过程中，可将淤浆或工艺流体230应用在外表面182上。在制造工艺过程中，工艺流体230可通过，例如，除热辅助磨光工艺或用作切割流体或磨蚀流体。工艺流体230可包含硫232且可包括额外的化学物质，其可能包括钨和/或钼234。此外，工具220本身可包含钨或钼。据信，当在外表面上移动工具220时，沿第一方向222施加的压力和温度引起了化学反应，其中以二硫化钨或二硫化钼的形式的低摩擦、耐磨材料202形成为在外表面182上且在凹坑216内沉积的固体层。一些硫232还可在活塞销170的材料中与铁反应以形成二硫化铁(FeS₂)，其可帮助将耐磨材料202结合到外表面182上。利用制造工艺以在材料中引起化学反应的实践有时被称为摩擦化学沉积、摩擦调节，或机械化学精加工，其从工艺流体中生成低摩擦、固体、耐磨层。

再次参照图2，可将耐磨层200应用于活塞销170的整个长度上或仅应用于销的一部分。例如，在所示实施例中，耐磨层200仅可应用在第一销端部172和第二销端部174处，而中段176缺少所述层。相应地，第一和第二销端部172、174处的外表面182可基本上是二硫化钨或二硫化钼，而在中段的表面处的外表面182是暴露的铁或钢。耐磨层可以这种方式沉积在活塞销170上，使得销可保留其整体圆柱形形状。成形的或配置的磨光工具和珩磨工具可被用于仅在活塞销的指定部分上应用层。

工业实用性

参照图3，本发明提供了用于内燃机100的活塞连杆组件，其中将活塞140和连杆160配合到一起的活塞销170配置有耐磨层200。耐磨层200具有润滑性能和/或硬度值的特征，其帮助便于活塞140和连杆160之间的枢转运动和滑动接触。具体来说，耐磨层200可包括耐磨材料，比如二硫化钨或二硫化钼，其被结合到铁或钢活塞销170的外表面。此外，可通过机械制造工艺应用耐磨层200，所述工艺降低了外表面182的表面粗糙度以进一步降低摩擦并防止磨损。

耐磨层200可应用于活塞销170长度的两端或可应用于优化层的功能性的选择位置处。例如，在图3所示的实施例中，当安装活塞销170以将活塞140和连杆160配合到一起时，销的第一销端部172和第二销端部174分别被布置在活塞的第一销孔192和第二销孔194中。仅可在第一销端部172和第二销端部174处应用耐磨层200。因此，尽管活塞和活塞销直接滑动接触，但是耐磨层200避免或防止活塞140的铁或钢材料和活塞销170的铁或钢材料之间的直接接触，其易受增加的摩擦和磨损的影响。可从活塞140的第一销孔192和第二销孔194中去除套管以及活塞销170和销孔直接滑动接触地轴颈连接。

活塞销170还容纳通过横孔196，该横孔196设置成通过连杆160的活塞端部162，其中如果包括铜或青铜套管199的话，那么活塞销的中段176可与铜或青铜套管199接触。由于套管199的可能存在，那么活塞销170的中段176不需要耐磨层200来避免铁对铁或钢对钢的接触以及铁或钢基销可与套管直接滑动接触。另外，通过不将耐磨层200沉积在中段176上，可避免耐磨材料中的硫化物或其他元素和套管19的青铜或铜材料之间任何可能的不良反应。

将会意识到，前面的说明书提供了所公开系统和技术的示例。然而，可设想本发明的其他实施方式可以与前述示例在细节上不同。本发明的所有引用或其示例旨在该处引用所讨论的特定示例，并且更一般地不旨在暗示对本发明的范围的任何限制。所有对于某些特征的区别和贬低的语言只是用来表示这些特征并不是优选的，除非另外说明，并不打算将这些特征完全排除在本发明的范围之外。

除非在此另外指出，否则本文对数值范围的叙述仅仅用作一种速记方法，分别涉及落入范围内的各单独数值，并且各单独数值包含在说明书内，如同在此个别列举一样。本文所述的所有方法可以任何合适的顺序进行，除非本文另有说明或者上下文清楚地相反指示。

术语“一”和“一个”和“该”和“至少一个”以及描述本发明的上下文中(尤其在以下权利要求书的上下文中)的类似引用的使用将解释成包涵单数和复数，除非本文另有说明或上下文清楚地相反指示。随后是一个或多个项目的列表的术语“至少一个”(例如，A和B中的至少一个)将解释成意思是选自所列项目(A或B)或者所列项目(A和B)中的两个或多个的任意组合中的一个项目，除非本文另有说明或上下文清楚地相反指示。

因此，只要适用的法律允许，本发明包括附加的权利要求书中所述的主题的所有修改和等价物。此外，在其所有可能变型中的上述要素的任意组合包括在本发明中，除非本文另有说明或上下文清楚地相反指示。