专利名称：减小摩擦的活塞的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于内燃机的活塞组件。
在内燃机中，多个活塞得在各自的气缸中往复运动，减小活塞与气缸壁之间的摩擦，特别减小活塞裙部与气缸壁之间的摩擦是人们所希望的。摩擦的减小会导致发动机的效率更高。
通常，活塞裙部的光洁表面是由光滑的弯曲凸起部和中间的凹入部所限定。这种结构类似正弦波形状，具有光滑的交替弯曲的凸起部分和光滑的弯曲的凹入部分。
为了进一步减小裙部活塞和缸壁之间的摩擦，众所周知的是裙部涂覆一种氟碳聚合物。例如，1957年12月24日公布的Fleming等人的美国专利号为2，817，562中示出了一种活塞组件，其裙部涂覆有聚四氟乙烯薄层。
采用轻质材料，如铝制成的活塞，也可增加发动机的效率。这种铝活塞在Reitz的1982年7月13日公布的美国专利号4，338，858中示出。
根据本发明提供的在内燃机气缸中往复运动一类的活塞组件，包括有一个活塞头，一个与活塞头成一体并由其伸出的活塞裙部，该活塞裙部的外表面与气缸贴合，其特征在于活塞裙部的外表面有多个由多个凹槽分开的与气缸贴合的尖顶凸缘，该凸缘的平均高度约为100-180微英寸，平均宽度约为500-800微英寸，每个凸缘与其相邻凸缘的间距约为0.01-0.014英寸。
相应地，轻质活塞组件的裙部具有良好的表面光洁度，以减小活塞组件和缸之间的摩擦，从而提高发动机的效率。
本发明的其它优点，结合附图从下面的说明中将会更好地理解。
图1是活塞组件的透视图。
图2是图1截面2的放大图。
图3是磨损后的一部分裙部的放大图。
图4是现有裙部磨损后的放大图。
图1中的标号10表示一种在内燃机气缸中往复运动一类的活塞组件，该活塞组件10包括一个活塞头12和一个与头部12为一体并由其伸出的活塞裙部14。活塞头12和裙部14均由轻质材料，最好是由铝制成。
活塞头12包括上头部顶面16和下环部18，头部顶面16是圆形的，下环部18是圆柱形的并从上头部顶面伸出，环绕头部顶面16的周缘呈圆形的。下环部18有多个槽20，该槽20是围绕下环部18呈圆形延伸，该槽20的其中一个，最好是图1所示的最下边的那个槽配装一个已有技术中公知的压缩环，上二个槽20内配置的环(未示)是防止油流出进入气缸内(未示出)。
头部顶面16上的多个凹陷22是为发动机的阀提供间隙的，该阀(未示出)在某些冲程或活塞组件10往复运动过程中向下滑入凹陷22内，凹陷防止阀与活塞组件10的头部顶面16接触。另外，头部顶面16上的定位槽口25是使组件10相对发动机定位和定向的。
裙部14通常是圆柱形的，并且与活塞头12的下环部成一体。该活塞裙部14的外表面与气缸(未示出)贴合，外表面有许多尖顶凸缘24(如图2中所见那样)，该尖顶凸缘24的每一个由凹槽26隔开。如果裙部14与气缸贴合(表示出)，则该尖顶凸缘24是绕外表面呈环形延伸。
裙部14上的尖顶凸缘24和凹槽26的形成了一种似锯齿形的面层，即，每个凸缘24在尖端的渐缩侧之间形成一个可察觉的角度。由于这样的结构，使得与缸壁贴合的仅仅是尖顶的凸缘24。因此，因为活塞裙部14和缸壁的接触面积明显地小于现有技术公知的接触面积。活塞裙部14和缸壁之间的摩擦事实上是减小了。
除了裙部14有绕其环形延伸的尖顶凸缘24之外，活塞头12的下环部18也可以有绕其延伸的由凹槽26分开的尖顶凸缘24，其理由是下环部18在组件10往复运动的过程中也可以与缸壁贴合。由于有绕下环部18呈环形的尖顶凸缘，组件10和缸壁之间的摩擦就被减小了。
头部顶面16上也可以有尖顶凸缘，这种尖顶的凸缘和凹槽在头部顶面16上是与圆形的头部顶面16的中心点同心的。其光洁度与裙部14的光洁度相类似。
裙部14还有一个以标号30表示的连接部分，该连接部分30有一个凹槽平面部分32和一个适于装配连接杆以便使活塞组件10和该连接杆连接的孔34。活塞组件10和连接杆的连接方式可以做成现有技术中众所周知的任一方式。
为了进一步减小裙部14和缸壁间的摩擦，裙部涂覆有氟碳聚合物，即裙部可以施加一层涂层28，该涂层28是顺沿着尖顶凸缘24和凹槽26的轮廓，使之涂覆后仍然保持凸缘24和凹槽26的外形(正如图2中清晰可见的那样)。该涂层可以采用任一常规方法进行涂覆。
用以涂覆尖顶凸缘24和凹槽26的氟碳聚合物最好是聚四氟乙烯干润滑剂334。聚四氟乙烯干润滑剂334可以从Acheson Colloids公司购到。涂层28先与缸壁贴合且有特有的润滑性，从而减小裙部14和缸壁之间的摩擦。
图3示出的裙部14是使用后已磨损的裙部14。正如可看见的那样，凸缘24的尖顶已被磨损，该尖顶原由涂层28所覆盖住的，留下的是露出(未涂覆)铝材36的区域和边缘上的涂层28。露出铝材36的区域和涂覆的边缘均在组件10往复运动时与缸壁贴合。一般将油导入缸中以助于活塞组件10和缸壁之间的摩擦阻力，油涂覆于裙部14。尽管不是特别清楚，但可设想的是，当裙部14已磨损时(图3)，油会在涂层28和缸壁之间的涂层28上起泡，其原因是涂层28是不润湿表面，即涂层28是排拒油的，由于油在裙部24和缸壁之间涂层28上起泡，因此油如一层缓冲垫使活塞组件10随缓冲垫往复运动。换句话说，油使裙部14表面在活塞组件10往复时离开缸壁。这对于某些涂层26已磨损(图3)的情况是特别有利的。因为涂层仍与缸壁接触，油可以在上面起泡并使露出铝材的表面离开缸壁。
通过在裙部14上采用具有许多尖顶凸缘24的良好的表面光洁度，活塞组件10磨损后的涂层28和铝材裙部之间的接触比相对于现有技术公知的接触比要更大。即现有技术公知的象正弦波形的表面光洁度在涂层磨损时的区域，其露出铝材的部分是相当大的，即与缸壁贴合的涂层很少。本发明却是露出铝材的部分很小，而与缸壁贴合的涂层相当的大(图3)。因此，通过采用锯齿形或尖机凸缘的结构，涂层28与裸铝36的接触比相对于现有技术事实上是提高了。正如前面所述的那样，这就导致发动机的效率较高。
已经发现，裙部表面光洁度有一个最佳值，如果光洁度太高，即尖峰或凸缘14太靠近在一起，则这种表面光洁度会因没有供异物停留其中的空隙或间隙而咬接(scuff)或接合;如果光洁度太低，即尖峰离得太远，则每个凸缘24的尖顶会有磨损掉的趋势，引起活塞裙部14和缸壁之间过大的间隙。已经发现的最佳技术规范的表面光洁度要求是其粗糙度特性为100-189Ra，500-800Rz，其间距为0.010-0.014英寸，其中的Ra、Rz和间距为粗糙度的ISO测量规范。每个尖端Ra计算的平均高度为100-189微英寸，相邻尖峰和凹槽R2之间的十点平均高度差为500-800微英寸，相邻尖峰24之间的间距为0.010-0.014英寸，该间隔定义为从一个尖峰的一点到相邻尖峰的相同点的距离。
制得的若干种活塞结构装到发动机里，并采用标准试验进行试验，以确定出燃油消耗量。试验时的唯一变量是活塞裙部表面光洁度，每个试验都是发动机在五种不同工况下运行，对各种结果与装有不同裙部表面的活塞的发动机进行比较。
第一组试验是采用Chevrolet V-8 5.7升的发动机。各种发动机在500RPM和5Ib-ft扭矩条件下运行，以模拟发动机的怠速状态。第二种条件是750RPM和1Ib-ft扭矩，以模拟减速状态。各种发动机还在1000RPM和30Ib-ft扭矩条件下和在1200RPM和40Ib-ft扭矩条件下运行，以模拟常速状态。最后，各种发动机在1100RPM和85Ib-ft扭矩条件下运行，以模拟加速状态。
第一组试验是现有技术公知的常规的正弦波形的裙部结构和正弦波形的涂覆有聚四氟乙烯干润滑剂的结构作了比较。其结果表明，裙部涂覆过的活塞燃油消耗量减小1.56%。因此，对相同波形的裙部表面涂覆有聚四氟乙烯干润滑剂，发动机的效率提高了。
第二组试验是对常规的正弦波形的表面与本发明的经改善的锯齿形表面进行比较，这两种裙部表面都是未涂覆过的或是裸铝的。经改善的锯齿形裙部结构，燃油消耗量都减小了4.96%。
第三组试验是采用经改善的裙部锯齿形表面的活塞和涂覆有聚四氟乙烯干润滑剂的锯齿形表面进行了比较，本期望涂层会使发动机的效率增加到可与第一组试验相匹敌，(第一组试验是对正弦波形的结构涂覆的)。然而，效率的增加比期望的大得多。由于对径改善的锯齿形裙部表面涂覆聚四氟乙烯干润滑剂，燃油消耗量减小了3.70%。
最后的试验是标准的未涂覆过的正弦波形裙部表面和径改善的涂覆过的锯齿形裙部之间的直接比较。这里期望得到的变化是正弦波形到锯齿形结构(试验2)的变化和未涂覆过的锯齿形结构(试验3)涂上聚四氟乙烯干润滑剂的变化的多重效果。试验结果证明正是这种情况。涂覆过的正弦波形裙部相对于标准的未涂覆过的正弦波形的裙部表面，燃油消耗量减小8.34%。
其他类似的试验是采用3.8升V-6发动机和2.5升4缸发动机进行的。这些试验，发动机的转速稍有差异，以模拟发动机的怠速、减速、常速和加速的各种工况。在各种工况下的试验对径改善的锯齿波形表面和经涂覆的锯齿形表面进行比较，确定出对锯齿波形表面的涂覆效果。对于V-6发动机，燃油消耗量相对于未涂覆的表面减小4.37%。类似地，对于4缸发动机，经涂覆的锯齿形表面相对于未涂覆的锯齿形表面，燃油消耗量减小5.13%。显然，由于减小了气缸的数量，锯齿形表面涂了聚四氟乙烯干润滑剂，效果增加了。对于这种结果的特有原因是不清楚的，然而，所有情况的结果表明，燃油消耗量显著减小。
试验结果清楚表明，由于表面光洁度由常规的正弦波形的形状变化到锯齿波形的形状，发动机的效率提高了。另外，由于锯齿波形的结构上涂覆有聚四氟乙烯干润滑剂，发动机的效率，并因此汽车消耗一加仑汽油所行的平均哩程显著地增加。
以说明性的方式对本发明作了说明，而应该理解的是，所使用的术语是使说明的用词具有某种性质，而不是限制。
显然，按照前面的启示，对本发明的多种实例和变型是可能的。因此，应该理解在所附权利要求的范围内，其中的参照标号只是为了方便，而不是作任何方式的限制，除如专门说明过的之外，是可以实施本发明的。
权利要求
1.一种在内燃机气缸内往复运动一类的活塞组件，该组件(10)包括一个活塞头(12)；一个与活塞头(12)成一体并由其伸出的活塞裙部(14)，该裙部的外表面与气缸贴合；所述组件(10)的特征在于，活塞裙部(14)的外表面的不平度是由与气缸贴合凹槽(26)分开的许多尖顶凸缘(24)所组成，其所述凸缘的Ra测量值约为100-180微英寸，所述凸缘的Rz测量值约为500-800微英寸，所述凸缘的平均间距约为0.010-0.014英寸。
2.根据权利要求1的组件，其特征在于所述的凸缘(24)和所述的凹槽上含有氟碳聚合物。
3.根据权利要求2的组件，其特征在于沿所述尖顶凸缘(24)和所述凹槽(26)的轮廓的涂层(28)保持着凸缘(24)的形状。
4.根据权利要求3的组件，其特征是所述的活塞裙部(14)为圆柱形，所述的凸缘(24)绕所述活塞裙部(14)的外表面呈环形延伸。
5.根据权利要求4的组件，其特征是所述的活塞头(12)和所述的活塞裙部包括有铝。
6.根据权利要求5的组件，其特征是所述的氟碳聚合物为聚四氟乙烯干润滑剂。
全文摘要
一种在内燃机气缸内往复运动一类的活塞组件(10)，该组件(10)有一个整体的铝头(12)和裙部(14)，裙部(14)的外表面与缸壁贴合，表面上有许多尖顶凸缘(24)，该尖顶凸缘(24)绕裙部(14)呈环形延伸并由凹槽(26)分开，凸缘(24)和凹槽(26)涂覆有氟碳聚合物，该塞因此具有良好的耐磨表面，能提高发动机的效率。
文档编号F02F1/20GK1051779SQ90109129
公开日1991年5月29日 申请日期1990年10月11日 优先权日1989年10月11日
发明者杰里·申克尔 申请人:威克斯制造公司