专利名称：用于内燃发动机的具有小于2.0毫米高的含铁本体的油控制环的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种由达2. 0毫米高的含铁本体形成的油控制环，理想地用于内燃发动机，并且其允许对于接触压力的分布的改进和由此对于刮油的改进，给定其构造设计和其材料基础的弹性特征和/或弹性膨胀元件的辅助的联合，从而提供环的与气缸壁更好的
一致性。
背景技术：
内燃发动机为由大量的机动车使用的能量转换机构，并且基本包括两个主要部分一个或者多个气缸盖和发动机气缸体。在气缸盖的基部设置燃烧室(在柴油机中通常燃烧室为活塞头部)，而在发动机气缸体中设置气缸和曲轴组合。旋转组件由活塞、杆和曲轴组成。发动机将在燃烧室中混合物(燃料和空气)的燃烧所产生的能量转换为能够产生车轮运动的机械能。由于驱动汽车所需的驱动力来自燃烧室中空气/燃料混合物的燃烧，并且为了确保均勻燃烧和不燃烧油，并且还为了避免气体从气缸到壳箱的过多的通过，有必要使用环来确保对存在于活塞和气缸壁之间的间隙良好密封。通常，使用三个环，其中两个为压缩环，一个为油环。压缩环用于防止燃烧气体进入壳箱，油环用于刮下来自气缸的过量油并将其返回壳箱。环的另一个重要的作用是用作从活塞到气缸壁/外壳的传热桥，在此热通过冷却系统消散。油环可包括一片、两片或者三片，后两种类型在内燃发动机里最为普遍。作为主要特征，一片式环采用对于材料基础固有的弹性特性以便满足对于应用所需求的膨胀力，而两片式环基本上包括本体和弹性构件，三片式环基本上包括支撑体和两个为了同样目的的环片段。目前，当前技术中发现的油环具有沿本体外围截面分布的狭缝或者孔。这些狭缝或孔的功能在于泄放累积在环的两个外部工作面之间过量的油，并通过减小包含狭缝的截面的坚固性来增加其柔性，以提供部件/联合体关于气缸壁的更大的一致性。然而，如今，受到更高能效驱动的促进，发动机设计趋势已经朝生产更小的发动机发展，并且减少由摩擦带来的功率损失。伴随着这些发展，油环的高度已经被不断降低，以及更小的载荷和/或膨胀力。此外，随着发动机工作中降低磨损的趋势，可以在交界环/气缸上保持适当的接触压力，减小环接触面积，甚至在降低的膨胀载荷的致动下。然而，制造上的困难，零件的处理，甚至工作中潜在的破坏，是在为降低油控制环的接触面积所设计的方案中必须克服的
一些障碍。巴西专利申请PI 9202268中定义的环被设计用来解决减小接触面积的问题，其
3采用梨形接触表面轮廓。作为对比，美国专利US 7，117，594中的对象被设计用来解决以上提到的问题，其采用以阶梯形式的阶梯形接触表面轮廓。在任一情况中，与降低高度和载荷的这种趋势关联的设计改变，如当前技术中提出的，也会随之带来其它不合期望的影响，例如在沿着环的截面具有或没有狭缝的区域之间在柔性上的差异从而使得施加到气缸壁的接触压力的变化，其可能产生环与气缸壁甚至在两片式环的情况下与环相关的弹性构件之间不足或者不平衡的接触。北美专利US 6，454，271描述了一种组合的油环，在截面中没有孔或狭缝，具有I 型的本体，其采用矩形或者梯形的膨胀器，具有较低的轴向高度并仍然能够达到高压水平， 利用排油的泄放区域来实现所提出设计的构造。日本专利申请JP 2007170455描述了一种两部分油环，其具有降低的外围截面间距(0. 6毫米或者更小)，其中油泄放区域的减小允许环的更大的结构强度。因此，值得注意的是还没有形成如下的油控制环，即其具有达2. 0毫米的最大厚度且具有外围截面致密，也就是说，没有用于油流动的孔或者狭缝，来解决环表面关于气缸壁和/或环关于弹性构件一致性的困难，如果其如此使用的话，还能够保持合适水平的接触压力，甚至在由于使用提供环的与气缸界面减小的接触的轮廓所引起的低载荷下。发明目的本发明的目的在于提供一种用于内燃发动机的由高度小于2. 0毫米的含铁本体并由弹性构件形成的油控制环，其中本体的外围截面为致密的，也就是说，其表面上没有狭缝或孔。本发明的目的还在于提供一种油控制环，由于使用具有减小的接触表面的外围工作面以及在其本体中不存在孔和狭缝，所以该油控制环允许更好的压力分配，从而保证在环与气缸壁之间合适厚度的油膜，使得能够降低环设计的压力，并因而相应降低由于摩擦造成的系统中的功率损失。本发明的另一目的在于提供一种油控制环，其中使用具有减小的接触表面的外围工作面轮廓，结合利用接触面与气缸内壁之间更大的锥角，其被设计成最小化增加接触面的轴向宽度的径向磨损，因而保持设计压力，并且因此在发动机的使用寿命期间环与气缸壁之间油膜控制。另外，本发明通过提供在环的本体中不存在狭缝或者孔的情况下可在没有涉及环流出区域的机加工的处理步骤时使用的油控制环而可以降低成本。
发明内容
本发明的目的通过一种油控制环来实现，该油控制环由用于内燃发动机的具有小于2. 0毫米高的含铁本体形成，包括两个外部接触表面，其中每个都包括第一端部背脊部和第二端部背脊部；两个倾斜面，每个都包括第三端部背脊部；面向气缸壁的外围截面；和面向活塞侧的内部，每个接触表面具有在第一端部背脊部和第二端部背脊部之间的包括达最大0. 15毫米的高度；每个倾斜面的角度包括在8和12度之间，并且同时外围截面为致密的，也就是，具有孔和狭缝。此外，本发明的目的通过一种用于内燃发动机的油控制环来实现，该油控制环由小于2.0毫米高的含铁本体形成，其包括两个外部接触表面等，每一个表面具有由至多 0. 15mm的平行部分结合倾斜在8和12度之间的第二面形成的轮廓，其还包括面向活塞通道的圆形部和侧置面，使得外围截面致密，不具有狭缝、孔或者任何其它形式的油泄放区。以上提到的特征，以及本发明的其它方面，将通过举例方式和随后的附图的详细描述得到更好的理解。
现将根据图中表现的实施例进行更详细的描述本发明。图示图1-为当前技术中用于内燃发动机的油环的截面图。图2-为当前技术中用于内燃发动机的油环的阶梯式工作面轮廓的视图。图3A-为环的在环制造阶段期间与活塞形成接触的区域的视图。图3B-为当发动机运转时和/或在环处理操作期间由于油泄放狭缝区域而不接触活塞的环的区域的视图。图4-为采用或者不采用狭缝和/或油泄放区的油环截面的惯量改变的对比图。图5A-为当前技术的油环的接触表面的轮廓的详图。图5B为本发明目标的用于内燃发动机的油环的接触表面的轮廓的详图。图6-为本发明目标的用于内燃发动机的油环的截面示意图。图7-为本发明目标的用于内燃发动机的油环的接触表面的轮廓的详图。图8-为本发明目标的用于内燃发动机的油环的接触表面的第二实施例的轮廓的详图。图9-为装配有油环的活塞在内燃发动机气缸内部的截面示意图。图10-为装配有当前技术的油环的发动机和装配有作为本发明目标的油环的发动机在润滑油消耗上的对比图。图11-为通过当前技术的油环和作为本发明目标的油环的摩擦而降低磨损的对比图。
具体实施例方式巴西专利申请PI 9202268定义了一种油控制环100，其通过梨形接触表面11提供了有效的刮油。如图1所示，其还具有用于将油回流到发动机壳箱的长方形的切口 16。但是，随着近年来油控制环的宽度和切向载荷的降低，以及内燃发动机及其组件的技术提升，被环刮去的润滑油的量明显地减少。流出区现在可用作润滑油的路线，其从活塞通道流向气缸壁且不像最初设计的那样反之亦然。另外，随着环的截面减小，通过由流出区(狭缝或孔)的影响所产生的动量或者惯性矩变化带来的优势，被极大地最小化，如图4中可以清楚地看到。比这更糟糕的是，将来，随着在低摩擦环中所施加的切向载荷和高度更低的值，狭缝或者孔30的存在可能造成过分地降低环的结构强度，导致沿外围的局部变形，产生当环在发动机中工作时的“不接触”区域，如图3B中所能看到的，这是极其不希望的。提供油流出区的更好分布的努力，增加其频率并降低其尺寸，这通过利用先进的制造技术，例如激光，仍然不能适当地实施或操作，更别提这些环的高昂的制造成本。为了增加与气缸壁沿其整个长度接触的环的一致性，在制造上引入了一些改进， 例如，在生产过程的末期磨制环的接触面，以便保证环的在其整个外围与气缸壁的接触。但是，甚至经过该操作后得到了好的结果，不等的接触可能会在操作过程中发生，因为气缸存在圆周变形，而环磨制是在近乎完全的气缸内执行，并且在一些情况下通过比工作中更大的载荷。图IBB例示了在磨制过程中由于环的流出区或者切口引起的缺少环接触研磨面的问题。在该过程中，即使环略过研磨环形面以便分布接触，狭缝区域30不会接触研磨面例如所示的桥区31，因为环本体中存在狭缝导致截面的不均衡性和其制造过程导致的潜在的易变性。甚至在适当调节磨制操作的参数(载荷，研磨，包装，时间)的情况下，狭缝区域 30被人工地“推”向研磨面(形成的接触线可以直观地示出在如图3A中例证的接触)，但是，一旦力被移去，具有狭缝的区域的表面返回到它们的初始形态，并且，因此，在狭缝区域缺少接触的不利的和不合希望的事件在发动机运行时可能产生(正如图3B所示)。如前所述，在运行时，发动机气缸从其圆形变形以及环可变的一致性，使获得接触以及由此沿部件整个圆周上的密封更成问题。为了增加产品在密封方面的强度，本发明的解决方案是可以在磨制操作中更大径向切除21而不明显增加接触范围，假定更大锥角的轮廓。当运行时，平坦部102保证合适的接触范围并最小化如果顶被维持21则会发生的成片剥落的风险。气缸碾磨和抛光操作中的改进，结合低载荷环，会导致增加对于“磨合”零件来说的发动机的操作时间。需要“磨合”周期是因为，尽管为制造相合的零件考虑到全部，但制造的内在变化性和发动机操作变形要求一些磨损在零件滑动表面匹配之前发生。新发动机的润滑油的消耗在完成合适的调整前是大的。如图5A中所能看到的，当前技术提出了油环的解决方案，其中接触表面16的轮廓具有倾斜的面17 (在30’到4°之间)，其中所述布置仅允许在背脊部18中与气缸壁的精确 (punctual)接触，并可能使其破裂，从而对气缸壁产生损坏，另外更容易由于径向磨损造成的接触区域的增加。根据优选的实施例并如从图5B中所能看到的，作为本发明目标的油控制环1是由含铁本体12和由回弹的/弹性的构件8形成，该含铁本体12为例如铸铁或任何种类的钢， 小于2. 0毫米高，该构件8为例如螺旋弹簧、板簧或其他膨胀装置，或者甚至通过利用其材料基础的恰好的机械特征来提供对于这种应用类型所需的膨胀力。环1在其本体12上还具有两个外部接触表面2，每一个包括三角形的区域21 (其随后将在最终磨制过程中被移除)，平行接触面102，倾斜面3，面向气缸壁5的外围截面部 4和面向活塞7的侧部的圆形部6。当组件安装时表面2朝气缸壁突出。如图5B中所能看到的，油控制环1的每个接触表面2初始地表示具有形成为从背脊部22到背脊部23的0. 15mm的最大规格的距离3，斜面3从背脊部23处开始。斜面3的角度相对于环的轴向长度应当在8到12度之间，优选地为10度。
6
在环制造过程中，通过磨制接触面或者其他类似的处理，三角形端部21被移除从而油环得到其终端形式。替代地，可以用具有希望轮廓的由钢或者其他材料制成的带子。修整或者移除过程由去除大约25 μ m (微米)的接触表面2的三角形端部21组成， 限定接触表面102为平坦形式，平行于气缸壁，其可从0. 10毫米变化到0. 15毫米。图6说明了本发明的油环1的截面，其外围部4不具有狭缝或者孔外流(其为致密的或持续的)，和当前技术中的所描述的对比，其提供环一致于更单一和有效的气缸。外围截面4持续或者致密提供了环和气缸之间和/或环与弹性构件之间改善的接触，在两片式环的情况下，消除由环中狭缝造成的过分的柔性和非一致性。作为这种改善接触的结果，在两片式环2的情况下在环通道中，由于操作过程中的自然磨损引起的，与工作面的非一致性接触相关的故障以及潜在的弹簧镶嵌，被极大地降低。另外，通过去除狭缝或孔，本发明生产起来更便宜，从而消除了对于流出区(狭缝或孔)的制造和修整操作的需要。图7示出了本发明的环1的接触表面102的细节。接触表面102定位为使得在组件中，按照方向标示9，斜面3的所述两个第一区域面向彼此，也就是，不相称，主要关注接触表面关于气缸壁的磨损的降低。图8示出了接触表面102的另一实施例，其中接触表面102定位为使得两个斜面 3面向同一方向，也就是，不相称，按照方向标示10。除使得能够降低零件工作时的磨损外， 该组件通过气缸壁中的环提供了改善的刮油，意味着更低的润滑剂消耗。如在图7和8中描述的接触表面轮廓的利用，连同图6中油泄放区(狭缝或孔) 的去处，展示了关于油控制的较好的解决方案，避免了图2的当前技术中出现的问题，其中接触面200的阶梯式轮廓用作油聚积器，储存流体并促使油聚积在油环的上部。通过提出的解决方案，润滑油不会聚积(或者较少聚积)在上部并沿活动区域更好地重新分配。在图10所示的图表中，可看到通过作为本发明目标的油环所实现的在润滑油消耗方面的显著降低。对于所施加的相同的切向力并且在局部载荷下，装配有本发明的环的发动机，没有用于油的通道/泄放的孔或者狭缝，与装配有常规环、具有所述狭缝的相同发动机相比，展示了润滑油消耗少大约10%。如果相同的发动机在全部载荷下运行，油消耗的降低甚至更为显著，达到不小于33%。继而，图11所示的图表展现了 由于切向力的变化，由当前技术的油环和作为本发明目标的油环的摩擦在磨损中40%的减小，其提供了在相同的运行条件下可观的更长的耐用性。已经描述了两个优选的实施方式，应该理解本发明的范围涵盖其他可能的变化， 例如，利用表面处理以及陶瓷和金属涂层，以便改进抗磨损、腐蚀和减小摩擦力的特性，仅受限于随附权利要求的内容，其包括了可能的等同替换。
权利要求
1.用于内燃发动机的油控制环(1)，由小于2.0毫米高的含铁本体(12)形成，包括 两个外部接触表面(102)，每个包括第一端部背脊部0 和第二端部背脊部03)； 两个斜面(3)，每个包括第三端部背脊部(32)；面向气缸壁(5)的外围截面；以及面向活塞(7)侧的内部(6)；所述环(1)的特征在于每个接触表面(10 具有在第一端部背脊部0 和第二端部背脊部之间的包括达最大0. 15毫米的高度(h)；每个斜面(3)的角度包括在8和12 度之间，另外，外围截面(4)不具有孔和狭缝。
2.根据权利要求1所述的环(1)，其特征在于所述斜面C3)定位为非相称的。
3.根据权利要求1所述的环(1)，其特征在于所述斜面C3)定位为相称的。
4.根据权利要求1所述的环(1)，其特征在于接触表面(10 的在第一端部背脊部 (22)和第二端部背脊部03)之间的距离(dl)为至多0. 15毫米。
5.根据权利要求2或3所述的环(1)，其特征在于控制斜面(3)的角度为10度。
6.根据权利要求1所述的环(1)，其特征在于利用弹性构件(8)作为膨胀力产生载体。
7.根据权利要求1所述的环(1)，其特征在于所述面(102)在用于制造所述环的带子中获得。
全文摘要
描述了一种理想地用于内燃发动机的油控制环(1)，其由小于2.0毫米高的含铁本体形成，其包括两个外部接触表面(102)，其中每个表面(102)包括第一端部背脊部(22)和第二端部背脊部(23)；两个斜面(3)，其中每个斜面(3)包括第三端部(32)；面向气缸壁(5)的外围截面(4)和面向活塞(7)侧的内部圆形部(6)，其中每个接触表面(102)具有在第一端部背脊部(22)和第二端部背脊部(23)之间的达0.15毫米的高度(h)，斜面(3)的角度包括8和12度之间，另外外围截面(4)为致密的，不存在狭缝、孔和/或其他形式的油泄放区。环(1)允许环与气缸壁的结合体的接触压力的改善分配并从而环与气缸壁之间的更好一致性。
文档编号F16J9/20GK102483160SQ201080024106
公开日2012年5月30日 申请日期2010年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者R·D·拉比泰 申请人:马勒金属制品有限公司