专利名称：舌片密封组合式活塞的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种机械动力设备，具体涉及一种作往复运动的活塞。
众所周知，在高温高压工况下，活塞在气缸中作往复相对运动时，传统活塞与缸壁间的密封是通过在活塞上设置若干道具有一定弹性的、开口的金属环状物即活塞环来实现的。这种结构的活塞其密封性能与活塞环开口处两个端面所形成的轴向漏气截面的大小有关，截面越大，密封性能就越差。现有技术的活塞环，随着工作时间的推移，活塞环与气缸内壁径向磨损量的累积，活塞环开口处两个端面所形成的漏气截面将越来越大，密封性能也就越来越差。而密封性能的下降将导致设备的经济性和动力性的下降，最终将使设备不能正常工作。因此，如何理想地解决活塞与缸壁间的密封问题，是个节能与环保问题，是个具有世界性的普遍性问题，已成为当务之急。
在活塞与缸壁间的气隙问题上，存在三个密封层面，只有完全解决好这三个层面的密封问题，活塞与缸壁间才能处于理想的密封状态。第一个层面是密封件与缸壁间的轴向吻合层面，这个层面通过密封件与缸壁的磨合可处于良好的密封状态；第二个层面是密封件与活塞间的径向密封层面，对活塞环而言，这个层面是指活塞环上下端面与活塞环槽上下槽壁的层面，这个层面密封与磨损无关，由机械加工保证机件要求来达到。在现代先进的加工工艺和精密测量工具的条件下，这个层面的密封也不成问题。第三个层面是密封件间的轴向层面，这是个与磨损有关的层面。对活塞环而言，这个层面是指活塞环开口处两个端面之间的相对层面。它的密封性能将随环与缸壁的径向磨损而逐渐下降，最终导致设备不能正常工作。由于活塞环不能解决这个层面的密封问题，所以它不是理想的密封办法。
本实用新型的目的是提供一种具有全新结构的舌片密封组合式活塞。该活塞具有密封性能好、使用寿命长，在密封部件的寿命期间密封性能与磨损无关，使活塞与气缸壁间的密封处于理想的密封状态，因此特别具有较好的社会效益和经济效益等优点。
本实用新型的目的是通过下述技术方案完成的本实用新型是一种舌片密封组合式活塞，其结构包括活塞头与活塞裙构成的活塞主体，其结构要点是活塞头与活塞裙为分体式结构；在活塞头与活塞裙之间安装了若干层组合式密封片，每层密封片由若干块舌片组成，每层密封片中部具有合腔，合腔内设有发条式弹簧；活塞头、活塞裙由连接件连接成一体。
本实用新型在具体实施时，活塞头与活塞裙之间安装了一层组合式密封片。
本实用新型在具体实施时，每层密封片由上、下两组密封片构成，每组密封片由四块“A”型舌片、四块“D”型舌片组成，“D”型舌片设在“A”型舌片外围。
与现有技术活塞相比，由于本实用新型将活塞头与活塞裙分离，在两者之间设置组合式密封片，并利用发条式弹簧的作用，使密封片理想地与气缸壁配合，达到密封目的。本实用新型具有下述特点1、理想的密封性能。在本活塞密封系统的整个寿命期内，密封性能与磨损无关，活塞与气缸壁间的密封近似处于理想密封状态，在缸壁磨损为零的前提下，可处于最佳理想状态。
2、密封系统的寿命极长。原因有两个A、缸内的高压气体与舌片对缸壁的压力无关，因此，降低了舌片与缸壁的磨损率；B、在发条式弹簧作用下舌片可作很多的径向离心移动，以填补缸壁与舌片因磨损所产生的气隙。这与采用活塞环结构的活塞，其密封要求只允许缸壁与活塞环作少量磨损相比，具有极大的进步。
3、保持设备经济效率的恒定，提高了平均经济效率。由于是理想密封设备(尤其是发动机)不会因缸壁与活塞间的密封性能问题而使经济效率下降，在组合式活塞密封系统的整个寿命期限内，经济效率是恒定的。因而，在组合式活塞密封系统的整个寿命期内的平均经济效率得到了提高。
4、延长了维修周期，降低了维修费用。由于组合式活塞密封系统寿命很长，这就延长了两次因密封系统问题进行维修的时间间隔，因而也就降低了维修费用。
5、能对气缸因受工况不同的影响，所引起的沿轴向和圆周方向的非线性磨损进行自动调整，使缸孔在舌片运动的区域内近似保持圆柱形腔体。
6、活塞由向上运动变为向下运动，或由向下运动变为向上运动的瞬间称活塞的过渡状态。活塞环密封的活塞在过渡状态是不设防的，密封性能很差。虽然过渡状态的时间很短，但对发动机而言，在压缩行程结束，作功过程开始的过渡态，缸内气体压力很高，瞬时压缩比处于最高值，此时，随高压气体泄出缸外的热能转变成机械能的效率最高，因此那怕一丝一缕的泄漏都是十分可惜的。舌片式密封组合式活塞不存在过渡态的密封问题。因此有望进一步提高设备的经济效率。
7、没有泵油现象。
8、由于经济效率的恒定，发动机缸壁的磨损，将使输出功率增加，出现“返老超童”现象，为防止出现此现象可采取A、防止缸壁腐蚀和润滑条件破坏，B、将磨损安排在舌片一方等措施。这也是组合活塞密封性能处于最佳理想状态的条件。
9、重量。本活塞的密封系统可说是立体结构，活塞环密封技术可说是表面结构，从现象上看，舌片式密封系统的重量要比活塞环的来得重，但实际情况不一定。这是因为A、传统活塞必须多道活塞环才能满足密封和使用时间的要求，这样密封件的总重量要比单环要重得多；B、舌片本身对材料无弹性要求，而发条式弹簧对材料的弹性要求较高，但对强度要求不高。这样舌片与发条式弹簧完全有可能采用比重较小的特殊的铝合金材料来制作，C、舌片能提供很多的磨损量，具有很长的密封寿命，我们可以用适当降低舌片密封寿命的办法，而采用耐磨性能好的特殊的铝合金材料来制作舌片。所以两种密封系统的重量哪个重，要看实验结果来定。即使舌片密封系统的重量重，那也无关，毕竟组合式活塞是理想的活塞密封。
10、结构。本产品结构要比传统活塞复杂得多，结构简单不能简单地说是优点，结构复杂也不能简单地说是缺点。这要作具体分析。一般的鉴定原则是“同等性能与功能看简单、不同性能与功能求优越”，这就是说在性能与功能相同或相差不大时，就应看哪种东西是否简单了；在性能与功能相差太大时，就应选取性能与功能好的，这时结构复杂就不能说是缺点。
以下结合附图通过实施例对本实用新型作进一步详细介绍。
图1为本实用新型实施例装配状态结构示意图；图2为本实用新型实施例装入气缸后的轴向剖切结构示意图，也是按
图1装配后的轴向剖切结构示意图。
图3为本实用新型实施例活塞头结构示意图；图4为去掉缸盖，视活塞头1为透明体，第一组密封片在气缸中的初始状况俯视结构示意图。
图5为组合式密封片寿命结束时，舌片与缸壁经磨损后的结构状况图。
参见
图1，
图1为本实用新型实施例装配状态结构示意图。从图中可知，本实用新型实施例由活塞头1、活塞裙2、第一组密封片3、发条式弹簧4、第二组密封片5、连接件“U”形弹簧6、圆柱形弹簧栓7组成。活塞头1(结合图3)上有活塞顶面1a，圆柱形弹簧栓7的弹簧栓座孔1b，活塞头颈1e，舌片盖面1f，圆片形尾槽基1c；圆片形尾槽基1c上开有四道尾槽1d。第一组密封片3由四块“A”型舌片3a和四块“D”型舌片3b构成(“A”型舌片和“D”型舌片为分体式结构)，四块“A”型舌片3a上均带有定向尾3c，中部具有凹腔3d。第二组密封片5其组成与第一组密封片3相同，但安装时具有一定的角度差(本实施例上、下定向尾3c，5c在平面上的夹角为45度)，它也由四块“A”型舌片5a和四块“D”型舌片5b构成，四块“A”型舌片5a上均带有定向尾5c，中部具有凹腔5d。第一组密封片3和第二组密封片5的定向尾3c、5c之间的凹腔3d、5d安装后形成合腔(也可称发条室)，紧张状态下的发条式弹簧4安置在该合腔中。活塞裙2上有活塞头颈1e的座套2e，座套2e中间为活塞头颈1e的通孔2a，圆片形尾槽基2c上也形成与定向尾5c相匹配的四道尾槽2d，第二组密封片5的舌片座2b。安装时，定向尾3c插入活塞头1的圆片形尾槽基1c的尾槽1d内；定向尾5c插入活塞裙2上的圆片形尾槽基2c的尾槽2d内。连接件“U”形弹簧6、圆柱形弹簧栓7将活塞头1、活塞裙2连接成一体，密封片和发条式弹簧4安装于活塞头1、活塞裙2之间，当然连接件也可以采用其它形式。
紧张状态下的发条式弹簧4有几个作用一是压舌片使之产生对缸壁的压力，磨损发生后，推动舌片作离心移动，以确保密封片与缸壁轴向层面的密封，二是与其它因素配合，防止“A”型舌片在高压下向中心收缩，三是对缸壁沿轴向和圆周方向的非线性磨损进行自动均衡调节。
本实施例在装配时，首先，将密封片5装在活塞裙2的舌片座2b上，其中“A”型舌片5a的定向尾5c一定要装入尾槽2d中；然后，将处于紧张状态的发条式弹簧4装入密封片5的凹腔5d内，此时弹簧4约有二分之一的轴向尺寸(高度)在凹腔5d外；第三步将第一组密封片3装上，使露出密封片5的弹簧4全部进入密封片3的凹腔3d内，即使弹簧4处在发条室内。第四步将活塞头1的活塞头颈1e插入活塞裙2的通孔2a内，并穿过通孔2a；第五步将“U”形弹簧6两脚6b朝上，从活塞内底面向上装上，待“U”形弹簧6的两脚6b触及活塞内底面时，从“U”形弹簧6中部向上压迫弹簧使活塞头颈1e穿过“U”弹簧6上的引颈孔6a，露出活塞头颈1e上的圆柱形弹簧栓7的弹簧栓座孔1b，将圆柱形弹簧栓7穿过弹簧栓座孔1b，使弹簧栓7处于“U”形弹簧6的两锁片6c之间，此时向上推动活塞头颈1e的底端，活塞头1应有0.1-0.5毫米行程，装上连杆、活塞销、活塞销锁环后安装过程结束。弹簧栓7以下的活塞销、活塞销环等完全与传统活塞相同，图中不再体现。
组合式密封片，它是舌片式密封，组合式活塞中起密封作用的舌片构件，在形态上可以完全相同，也可略有差异，本实用新型实施例采用完全相同的形式，当然也可以采用其它片式结构。在装第一组组合式密封片时，一定要使第一组“A”型舌片的对称线与第二组“D”型舌片的对称线重合，即上下两组“A”型舌片的相位相差45度，两组“D”型舌片的相位也相差45度。在装密封片与发条式弹簧4时，一定要防止舌片在发条式弹簧辐射力的作用下，向四周飞射出去。
图2为本实用新型实施例装入气缸后的轴向剖切结构示意图，也是按
图1装配后的轴向剖切结构示意图。图中示出了活塞头1，活塞裙2，活塞头颈1e，第一组密封片3的“A”型舌片3a、“D”型舌片3b，第二组密封片5的“A”型舌片5a，发条式弹簧4，连接件“U”形弹簧6、圆柱形弹簧栓7，气缸8，活塞与缸壁间隙9(被放大)。
图3为活塞头1结构示意图。图中有活塞头1的顶面1a，圆柱形弹簧栓7的弹簧栓孔1b，活塞头颈1e，圆片形尾槽基1c；圆片形尾槽基1c上开有四道尾槽1d，舌片盖面1f(它与舌片形成径向密封)。
图4为去掉缸盖，视活塞头1为透明体，第一组密封片在气缸中的初始状况俯视结构示意图。“A”型舌片、“D”型舌片组成第一组密封片，由于制图关系，紧张状态下的发条式弹簧4用一匝匝分离的同心圆表示，从图中可见(以第一组密封片为例)，“A”型舌片、“D”型舌片轴向平行面是个由机械加工保证机件要求的密封层面。
图5为组合式密封片寿命结束时，舌片与缸壁经磨损后的结构状况图。从图中可知(以第一组密封片为例说明)，组合式密封片在寿命结束时，“A”型舌片3a、“D”型舌片3b的轴向平行面的吻合情况末变，仍是个由机械加工保证机件要求达到密封的层面，变化的只是“A”型舌片3a的前缘变为弧形(原为90度尖角)，“D”型舌片3b的弓形变小，两“A”型舌片3a相对的两个后缘间隙10变大。两“A”型舌片相对的两个后缘间隙虽然变大，但仍在活塞头1的复盖范围内(图中环形虚线11表示活塞头1的复盖范围)，对密封并无影响。
下面叙述本实用新型实施例的工作原理参见图4，刚装入气缸的舌片密封组合式活塞在缸盖末装之前俯视气缸，如果活塞头完全由透明材料制成的话，我们就能看到第一组组合式密封片在气缸中的初始状态。气缸8的内圆和组合式密封片的外圆形成密封件与缸壁间的轴向密封层面，它们通过磨合来保证密封。密封片上平面与活塞头1的舌片盖面1f吻合，形成密封件与活塞间的径向密封层面，这是个与磨损无关的密封层面，由机械加工保证机件要求，如平行度、垂直度、光洁度等来达到密封，分析时本实用新型不考虑它们的密封问题。总之，本实用新型实施例在初始状态，密封件间的轴向层面是个可以由机械加工保证机件要求来达到密封的层面。
在使用过程中，当舌片发生磨损时，密封件间会发生什么变化呢？紧张状态下的发条式弹簧4可视为中心对称结构，向四周产生的辐射力通过发条室壁传递给上下两组“A”型舌片作用到缸壁上，形成对缸壁的压力，由于紧张状态下的发条式弹簧4是中心对称结构，它向四周各个方向所产生的辐射力是相同的，则四处“A”型舌片得到的辐射力的合力大小也是相同的，且合力线与“A”型舌片对称线重合。“A”型舌片通过与“D”型舌片轴向平行面的接触，把部分辐射力传递给“D”型舌片再作用到缸壁上，形成对缸壁的压力。由于它们都是对称结构，所以每片“D”型舌片得到的辐射力的合力大小相同，其合力线与“D”型舌片对称线重合。
当活塞不停地运动时，“D”型舌片在“A”型舌片的推动下，不断地与缸壁发生磨损，而“A”型舌片在发条弹簧辐射力的作用下，也不断地与缸壁发生磨损。活塞不断地往返运动，磨损连续地进行，舌片在发条弹簧的作用下，不断地、缓慢地作离心移动。这里要说明的是“D”型舌片必须在“A”型舌片的推动下才能发生磨损，没有“A”型舌片的推动，“D”型舌片对缸壁的压力将为零，而“A”型舌片与缸壁的磨损则受“D”型舌片与缸壁磨损的制约，不可能离开“D”型舌片与缸壁的磨损而单独进行，因“D”型舌片与缸壁的磨损为零，则“D”型舌片的离心移动也为零，“A”型舌片受D”型舌片阻挡，则“A”型舌片的离心移动也为零，对缸壁的压力也就为零，磨损也就为零。“D”型舌片与“A”型舌片之间存在一种既互相作用于，又相互制约的关系，它们就是在这种关系中，A”型舌片始终推动“D”型舌片，共同与缸壁发生磨损，共同作离心移动，D”型、“A”型舌片的轴向平行面始终不会出现脱离接触现象。因此，舌片式密封组合式活塞密封件间的轴向密封层面，是个与磨损无关的良好密封层面，所以，舌片密封组合式活塞是个理想的密封活塞。
事实上，在两组密封片共同磨损的区域内，缸孔应略呈有规则的波浪形，但对密封无影响，缸壁因工况的影响，造成缸壁沿轴向和圆周方向的耐磨性的非线性，但本实用新型具有自动均衡调节磨损的非线性功能，使气缸的工作腔体近似保持圆柱形，所以以上分析也适用于发动机气缸。
设置二组密封片的目的是弥补一组密封片的不足，在要求特高的情况下采用。
权利要求1.一种舌片密封组合式活塞，包括活塞头(1)与活塞裙(2)构成的活塞主体，其特征是活塞头(1)与活塞裙(2)为分体式结构；在活塞头(1)与活塞裙(2)之间安装了若干层组合式密封片，每层密封片由若干块舌片组成，每层密封片中部具有合腔，合腔内设有发条式弹簧(4)；活塞头(1)、活塞裙(2)由连接件(6，7)连接成一体。
2.根据权利要求1所述的一种舌片密封组合式活塞，其特征是活塞头(1)与活塞裙(2)之间安装了一层组合式密封片。
3.根据权利要求1或2所述的一种舌片密封组合式活塞，其特征是每层密封片由上下两组密封片构成，每组密封片由四块“A”型舌片(3a，5a)、四块“D”型舌片(3b，5b)组成，“D”型舌片(3b，5b)设在“A”型舌片(3a，5a)外围。
专利摘要本实用新型公开了一种舌片密封组合式活塞。其活塞头与活塞裙为分体式结构,在活塞头与活塞裙之间安装了若干层组合式密封片,每层密封片由若干块舌片组成,每层密封片中部具有凹腔,凹腔内设有发条式弹簧;活塞头、活塞裙由连接件连接成一体。每层密封片由上下两组密封片构成,每组由四块“A”型舌片、四块“D”型舌片组成。本实用新型克服了现有活塞环结构的活塞密封性能差、使用寿命短的弊病。
文档编号F16J1/00GK2408307SQ0020199
公开日2000年11月29日 申请日期2000年1月18日 优先权日2000年1月18日
发明者徐丁成 申请人:徐丁成