专利名称：活塞环结构体和安装该活塞环结构体的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于内燃机的活塞环结构体，特别涉及用环张力提供部件通过用树脂材料连续形成的不带切口的内环将用树脂材料连续形成的不带切口的外环径向地压向外侧的活塞环结构体。本发明同时涉及一种安装该活塞环结构体的方法、在日本特开平9-280373号公报中提出了连续形成不带切口的树脂的活塞环，该活塞环用于减少泄漏气体的量(该气体通过在活塞环和汽缸之间间隙泄漏到曲轴箱里)。在上述公报中，提出了用金属螺旋胀圈组成的环张力提供部件通过用PTFE材料连续形成的不带切口的内环使用聚四氟乙烯(PTFE)作为氟化树脂连续制成的不带切口的外环活塞径向地压向外侧的活塞环结构体。
在上述发明中的活塞环结构体中，环被分为内环和外环。内环保证环槽周围的密封性，外环保证在它的滑动部位和汽缸壁之间的密封性。
这里注意到在上述发明提出的活塞环结构体在内环和外环都使用了PTFE。但是，PTFE的PV临界值很低(实际压力P和滑动速度V的乘积)，使得在汽缸壁上滑动的滑动部分没有足够的耐用性。而且，PTFE有很大的热膨胀系数，因此，当温度升高时，由于螺旋胀圈的弹性力而作用在汽缸壁上的压力变大，引起了发动机的摩擦损耗增加的问题。
基于上述问题，本发明的目的是增强由环张力提供部件通过由含树脂的材料连续形成的不带切口的内环使由含树脂的材料连续制成的不带切口的外环活塞被径向地压向外侧类型的活塞环结构体的耐用性。
本发明另一个目的是提供一种将活塞环结构体容易地、确实地安装到活塞的方法。
本发明的第一方面是一个安装在活塞的环槽中的活塞环结构体。该活塞环结构体包括第一树脂的材料连续形成的不带切口的外环，第二树脂的材料连续制成的不带切口的内环，用于通过内环将外环向活塞径向方向压向外侧的环张力提供部件。在这样的活塞环结构体中，第一树脂材料的热膨胀系数和断裂点低于第二树脂材料。
在这样的构造的活塞环结构体中，因为内环在高温时对形变更灵敏，因此保证了环槽周围的密封性，螺旋胀圈可以适当地给外环施加张力。即使在高温，外环也不易形变，因此外环可以平滑地在汽缸壁表面上滑动而不会引起任何涉及到在它和汽缸壁表面之间的密封性的损害。
在本发明的第一方面中，环张力提供部件可以是螺旋胀圈，螺旋胀圈是由金属丝绕成螺旋状的部件。
进一步，在本发明的第一方面中，第一树脂材料可以是聚酰亚胺，第二树脂材料可以是聚四氟乙烯。
在这种构造的活塞结构体中，外环用聚酰亚胺制成，内环用聚四氟乙烯(PTFE)。因为内环在高温对形变更灵敏，因此保证了环槽周围的密封性，螺旋胀圈可以适当加张力给外环。即使在高温，外环也不易形变，因此外环可以平滑地在汽缸壁表面上滑动而不会引起任何涉及到在它和汽缸壁表面之间的密封性的损害。
进一步，在本发明的第一方面，至少外环的下面可以涂镀氮化钛、氮化铬、或者类金刚石碳。
因此，由螺旋胀圈通过用PTFE连续形成的不带切口的内环将用聚酰亚胺连续形成的不带切口的外环在活塞径向方向压向外侧的活塞环结构体的外环下面由于涂镀氮化钛(TiN)、氮化铬(CrN)、或者类金刚石碳(DLC)而得到增强。因此，抑制了外环下面的磨损，尽管活塞在活塞轴向运动时外环接触环槽。
另外，根据本发明的第一方面的活塞环结构体可以用于安装在位于距活塞顶部第二近的位置的环槽内的第二道环。
另外，在本发明的第一方面中，处于滑动接触汽缸壁的外环的外滑动面可以从顶部到底部的方向上被分隔，至少最上部的滑动面的上端边缘带有倒角。
因此，由螺旋胀圈通过用PTFE连续形成的不带切口的内环将用聚酰亚胺连续形成的不带切口的外环在活塞径向方向上压向外侧的活塞环结构体的外环滑动面在汽缸壁上滑动，并在从顶部到底部的方向上被分隔。因此，防止了外环的整体截面移动，也防止了外环改变它相对汽缸壁的状态。进一步，在上滑动面的上端边缘部分的倒角减少了在活塞向上运动时由活塞向上带过的油，因此抑制了油损。
进一步，在本发明的第一方案中，和螺旋胀圈接触的内环接触部带有径向地向内侧和上侧倾斜的上倾斜面和径向地向内侧和下侧倾斜的下倾斜面。而且，上下倾斜面相对螺旋胀圈被安装的平面的倾斜角可以被设定在30°到60°范围。
因此，由螺旋胀圈通过用PTFE连续形成的不带切口的内环将用聚酰亚胺连续制成的不带切口的外环在活塞径向方向上压向外侧的活塞环结构体保证了螺旋胀圈的弹性力在从顶部到底部的方向和径向外侧方向上适当分布。因此，在环槽周围的密封性和在外环和汽缸壁之间的密封性可以满足要求。
本发明的第二方面提供了安装活塞环结构体的方法。该方法由第一到第四步骤组成。第一步，螺旋胀圈被安装进入活塞环槽。第二步，用带有向与活塞外圆周配合的圆筒部分扩大的截锥部分的环导从活塞的顶部覆盖活塞，使该圆筒部分的下端靠近紧邻活塞环槽上方的平台中心。第三步，用环导的截锥部分将用第二树脂材料连续形成的不带切口的内环装入活塞环槽中。第四步，为了防止内环的最外部分从活塞槽突出，在用内环压环工具将装入了活塞环槽并且被螺旋胀圈径向地压向外侧的内环径向的压向内侧的状态下，使用环导的截锥部分将用第一树脂材料连续形成的不带切口的外环装入活塞环槽中。
这种安装方法使安装用由螺旋胀圈通过用PTFE连续形成的不带切口的内环将用聚酰亚胺连续形成不带切口的外环被径向的压向外侧的活塞环结构体进入环槽成为容易而确实的。
在本发明的第二方面中，内环压环工具可以带有压迫部分用以径向将内环压向内侧和带有被固定到其他环槽以将其定位的固定部分。
这样的安装活塞环结构体方法保证了内环压环工具能容易和确实地迫使内环进入环槽，这样提高了工作效率。
以下是附图的简单说明图1为表示本发明一实施例的活塞环结构体。
图2为表示环导的结构。
图3为表示压环工具的结构。
图4为表示内环压环工具的结构。
以下根据
本发明一实施例。
图1为表示本发明一实施例的活塞环结构体，它被用作活塞的第二道环。
参照图1，环槽120在活塞100内形成，活塞100在汽缸壁200上滑动。环槽120是第二道环槽，它位于第二接近活塞100顶部(图中未画出)的位置。
用数字10表示活塞环结构体的整体被安装在环槽120内。活塞环结构体10径向地从外侧到内侧方向依次由外环20，内环30和螺旋胀圈40组成。外环20和内环30都是连续地、不带切口地形成。图1的箭头UP表示活塞100向上的方向，箭头OUT表示活塞100径向地向外方向。
外环20用聚酰亚胺制成，热膨胀系数小于或等于3×10-5/K，断裂点(在张力试验中发生破碎的测试样品的伸长对原来长度的比值)在10％或者以上(原长度的10％)。
在外环20没被安装在环槽120内的自由状态，外环20在活塞轴向的高度Bout被设定为小于环槽120的高度H。即使当外环20被安装进入环槽120运行发动机时，外环20在活塞轴向的高度Bout也是小于环槽120的高度H，这里因为如上所述它有小的热膨胀系数。图1表示了活塞100在发动机运行时从下死点中心位置向上死点中心位置移动的过程中。在这种状态，外环20的底面22被压向环槽120的底面122。反之，当活塞100从上死点中心位置移动到下死点中心位置时，外环20在环槽120内向上移动，这样外环20的上面21被压向环槽120的顶部121。
在汽缸壁200上滑动的外环20的径向外侧滑动面带有在外圆周方向连续延伸的槽23。因此滑动面被分成上下滑动面24、25。由于这样地划分滑动面为上下滑动面24、25，外环20可以稳定地在汽缸壁200上滑动，尽管它们的径向宽度Tout相对地小。
在上和下滑动面24、25各自的上端边缘部分分别带有倒角26、27。倒角26、27减少了当活塞100向上运动时由活塞100向上带过的油膜量，这样抑制了进入外环20上方空间的油和燃料一块燃烧而浪费(这被成为油耗)。
如图1所示，外环20的槽23在比外环20轴向厚度的中心高出预定距离的位置形成(当安装活塞时的燃烧室侧)。在上滑动面24的上端边缘的倒角26大于在下滑动面25的上端边缘的倒角27。由于这样的结构，当活塞在汽缸内向燃烧室滑动时，在上滑动面24的大的倒角26适当地带过在汽缸壁表面的油形成均匀的油膜，下滑动面25的倒角则被设计得保持该油膜不混乱。结果，油膜稳定在汽缸内。进一步，虽然由于上滑动面24比下滑动面25的滑动区域较小，由螺旋胀圈的压力而作用在上滑动面24区域上的压力大于作用在下滑动面25区域上的压力。但是，由于当油在滑动面上流动时产生了动压力，这样就可以预防上滑动面24过度磨损。另一方面，下滑动面25比上滑动面24在顶到底方向上的宽度宽，因此外环20能很好地保持稳定状态。这样可能抑制由于外环20在环槽120中倾斜使密封恶化。
外环20整体涂镀了类金刚石碳(DLC)(一种具有类似金刚石结构的四面体的非晶碳，维氏硬度在2000到3500的范围内，具有高的抗腐蚀能力)，这样就可以减少上下滑动面24、25在汽缸壁200上滑行运动时的磨损和外环20的上下面21,22在环槽120的顶面和底面121,122分别反复接触产生的磨损，增强了耐用性。其他的涂镀材料如氮化钛(TiN)和氮化铬(CrNi)也可用作涂镀材料。
内环30是用PTFE制的。内环30的膨胀系数和断裂点比上述外环20所用的聚酰亚胺材料的膨胀系数和断裂点大。
内环30在内径侧有一个向内向上延伸的上倾斜面33和向内向下延伸的下倾斜面34。各倾斜面33、34对于环中心平面的倾斜角α、β在30°到60°的范围内，以40°到50°范围为好。如果这些倾斜角在上述范围以上，内环30在后面将提到的高度方向上不易形变，导致在活塞轴向方向作用在内环30分别和环槽120的顶面和底面之间的密封力不足。相反，如果倾斜角度低于上述范围，作用在活塞轴向方向的压力将变大，结果内环30相应的部位会破裂。这样，内环30容易发生永久性形变，密封的耐用性变差。
在室温内环30没被安装在环槽120内的自由状态下，内环30在活塞轴向的高度被设定为小于环槽120的高度H，大致和外环20的高度Bout相等。
但是即使当内环30被安装进入环槽120在高温发动机运行时，内环30由于大的热膨胀系数而扩大，并且变得容易形变。在这种状态，内环30由于螺旋胀圈40的张力通过上述倾斜面被压向外侧。这样，内环30在上述活塞轴向方向上的高度Bin增加和内环30的上下面31,32分别紧密地接触环槽120的顶面和底面121、122。这样保证了沿环槽120的壁表面流动的气体确实地被密封。
进一步，因为内环30是非常容易形变，螺旋胀圈40可以有效地将张力加给外环20，将外环20压向汽缸壁200。这样，可以保持在外环20和汽缸壁200之间的密封。
现在说明螺旋胀圈40的结构。螺旋胀圈40有一个熟知的结构通过用圆截面的钢丝缠绕成螺旋状的钢螺旋41，钢螺旋41具有芯部件42、钢螺旋41沿芯部件42扭成圆形。钢螺旋41和芯部件42分别带有切口。螺旋胀圈40被安装容纳在上述内环30的上和下斜面33,34之间。因为被收容在上述内环30的上和下斜面33,34之间，线胀圈40被缩得很短。这样，线胀圈40想恢复它的自由长度就产生了向外伸展内环30的力。
现在说明安装该结构的外环20、内环30和线胀圈40进入第二道环槽120的方法。第二道环槽位于到活塞100的顶部第二近的位置。
首先，线胀圈40被装入环槽120。这步是这样进行的使钢螺旋41和芯部件42的切口在圆周方向相互一致，一边将它们的切口同时伸展一边将线胀圈40安入环槽内。
然后，将内环30安装进入环槽。在这种情况下，因为内环30的内径小于活塞100的外径，因此需要一边撑大内环的内径一边将内环30装入环槽内。
这样第二步进行环导300的安装。环导300是用于一边撑大内环30一边将内环30装入环槽120内的安装工具。
图2为表示环导300装到活塞100上时的状态。如图所示，环导300由圆筒部分310和截锥部分320组成。圆筒部分310具有能够套进活塞100外周的内径。圆筒部分310具有这样的厚度当从它的顶部盖住活塞100时圆筒部分310的下端正好位于第二平台125的中心，第二平台125紧邻安装内环30的第二环槽120的上方。
另一方面，截锥部分320的顶部具有使内环30容易套入截锥部分320的外径。截锥部分320下端部分的外径等于圆筒部分310的外径。
内环30的扩张量越小，安装操作越容易。因此，环导300越薄越好。
第三步，这样安装的环导300被用于将内环30装入第二环槽。
该步骤使用压环工具来进行，例如使用如图3的压环工具400。压环工具400使由弹簧410适当支撑的三个径向可移动的环片420沿柱430往复运动。在自由状态，由三个环片420组成的圆的内径大于已套入适当紧固在工作台440上的活塞100的环导300的截锥部分320的顶部的外径。当内环30被强制性套进环导300时，内环30能被撑大到它的内径等于环导300的圆筒部分320的外径。
如图所示的压环工具仅仅是一个例子。任何类型的工具都能被使用，只要它能强制地将内环套在如上所述的环导上。
第四步，将外环20安装到像如上述那样已被安装的内环30上。
已固定的内环30由于螺旋胀圈40的弹性力被压向外侧，因此内环30从环槽120中突出。这样，在第四步中，首先要迫使内环30向内侧施力以保证它不从环槽120突出，然后进行外环20的安装操作。
图4是垂直于活塞100轴向的视图，表示了内环30如何被压向内侧。参照图4，从活塞轴向看，内环压环工具500分为二个部分。内环压环工具500带有用于压迫内环30的内环压环部分510和固定内环压环部分510在预定位置的定位部分520。定位部分520紧固在油环槽130上，该槽位于低于内环30被固定的第二环槽120的位置。当定位部分520被紧固在油环槽130内时，内环压环部分510将内环30压向内侧以至内环30的最外部分位于活塞100外圆周的内侧。
如上所述，在内环30被压至活塞100外圆周的内侧的状态时，用环导300和压环工具400将外环20向下压。当外环20下至接触内环压环工具500的上面510时，拿掉内环压环工具500。然后，用压环工具400时一步向下压外环20直到外环20被套定在内环30上。
由进行上述的从第一到四步，活塞环结构体10容易地、可靠地被固定在活塞100的第二道环槽120内。活塞环结构体10具有如下结构钢的螺旋胀圈40通过用PTFE连续形成不带切口的内环30将用聚酰亚胺连续制成不带切口的外环20径向地压向外侧。
根据上述实施例的例子，活塞环结构体被用于安装在第二环槽中的第二环，第二环槽位于距活塞顶部第二近的位置。但是，活塞环结构体不仅可以用于第二环，也可以作为活塞的其它密封环使用。
因为上述实施例的内环在高温时对变形非常灵敏，因此可以确保在环槽周围的密封性，螺旋胀圈也能将张力适当地加给外环。外环即使在高温下也不易形变，这样外环可以在汽缸壁表面平稳地滑动，不会对它和汽缸壁之间的密封性有任何损害。因此可以得到能抵抗密封可能的恶化、具有高的耐用性、并且可以通过减少由螺旋胀圈的张力加在汽缸壁上的压力来抑制磨损的增加的活塞环结构体。
进一步，根据上述安装方法，可以容易和确实地将活塞环结构体安装到活塞的环槽中。
虽然对本发明的说明参照的是上述优选实施例，但是本发明并不仅限于所述的实施例和结构。相反，本发明也可以适用于其他各种适当的、等价的方案。另外，虽然上述发明的各种部件以各种组合和各种结构的形式被作为范例示出，但是本发明也包括其他的组合和结构，包括更多的和更少的或者单一的组合和结构。
权利要求
1．一种安装在活塞环槽中的活塞环结构体，包括用第一树脂材料连续形成的不带切口的外环；用第二树脂材料连续形成的不带切口的内环；和通过所述内环将所述外环在活塞径向方向压向外侧的环张力提供部件；其中所述第一树脂材料的热膨胀系数和断裂点小于所述第二树脂材料的热膨胀系数和断裂点。
2．根据权利要求1所述的活塞环结构体，其特征是所述环张力提供部件是由金属丝缠绕成螺旋状组成的螺旋胀圈。
3．根据权利要求1所述的活塞环结构体，其特征是所述第一树脂材料是聚酰亚胺、所述第二树脂材料是聚四氟乙烯。
4．根据权利要求3所述的活塞环结构体，其特征是至少在所述外环的下面涂镀有氮化钛、氮化铬、或者类金刚石碳中的任一种。
5．根据权利要求3所述的活塞环结构体，其特征是至少滑动接触汽缸壁的所述外环的外滑动面涂镀有氮化钛、氮化铬、或者类金刚石碳中的任一种。
6．根据权利要求1所述的活塞环结构体，其特征是所述活塞环结构体是安装在位于距活塞顶部第二近的位置的环槽中的第二环。
7．根据权利要求1所述的活塞环结构体，其特征是滑动接触汽缸壁的外环的外滑动面在从顶部到底部的方向上被分隔，至少最上面的滑动面的上端边缘带有倒角。
8．根据权利要求7所述的活塞环结构体，其特征是分隔所述外环的外滑动面形成的滑动面在它们的上端边缘分别带有倒角，所述倒角有不同的尺寸。
9．根据权利要求7所述的活塞环结构体，其特征是分隔所述外环的外滑动面形成的下滑动面在它的上端边缘带有倒角，所述上滑动面的倒角大于所述下滑动面的倒角，所述上滑动面比所述下滑动面在顶部到底部的方向上窄。
10．根据权利要求1所述的活塞环结构体，其特征是内环和螺旋胀圈接触的接触部分带有径向地向内和向上延伸的上倾斜面和径向地向内和向下延伸的下倾斜面。
11．根据权利要求10所述的活塞环结构体，其特征是所述上下倾斜面相对螺旋胀圈被安装的平面的倾斜角在30°到60°范围内。
12根据权利要求11所述的活塞环结构体，其特征是所述上下倾斜面相对螺旋胀圈被安装的平面的倾斜角在40°到50°范围内。
13．一种活塞环结构体的安装方法，其特征是包括下列步骤安装螺旋胀圈进入活塞环槽、用带有向与活塞外圆周配合的圆筒部分扩大的截锥部分的环导从活塞的顶部覆盖活塞，使环导的圆筒部分的下端靠近紧邻活塞环槽上方的平台的中心、用环导的截锥部分将用第二树脂材料连续形成不带切口的内环装入活塞环槽中、为了预防内环的最外部分从活塞槽突出，在用内环压环工具将装入了活塞环槽并且被螺旋胀圈径向地压向外侧的内环径向地压向内侧的状态下，由第一树脂材料连续形成的不带切口的外环用环导的截锥部分装入活塞环槽中。
14．根据权利要求13所述的方法，其特征是所述内环压环工具带有压迫部分用以径向地将内环压向内侧和带有被固定到其他的环槽内以将其定位的固定部分。
全文摘要
一种活塞环结构体,包括:用树脂材料连续形成的外环,用树脂材料连续形成的内环和通过内环将外环径向地压向外侧的环张力提供部件体并具有由金属螺旋胀圈通过用PTFE连续形成的内环将用聚酰亚胺连续形成的外环径向地压向外侧的构造。在汽缸壁上滑动的外环滑动面被分成上下滑动面,其上端边缘部分有倒角。内环接触螺旋胀圈的接触部分有径向向内和向上延伸的上倾斜面和径向向内和向下延伸的下倾斜面,其倾斜角在30°到60°范围内。
文档编号F02F5/00GK1226633SQ9910212
公开日1999年8月25日 申请日期1999年2月11日 优先权日1998年2月20日
发明者熊井照男, 冈本道生 申请人:丰田自动车株式会社, 帝国活塞环株式会社