活塞销和将防卡塞涂层施加在该销上的方法
【专利说明】活塞销和将防卡塞涂层施加在该销上的方法
[0001]本发明涉及摩擦学接触的领域，并且更一般地涉及其中销被紧密地组装并且沿着优先方向经受应力的任何系统，该优先方向根据偏角扇形区诱导所述销的应力。本发明有利地涉及活塞销。
[0002]当前使用两种类型的活塞销-至-连接杆的连接:
[0003]a)浮动连接
[0004]b)紧密连接
[0005]浮动连接能够组装销，使得其可以在连接杆中和活塞中自由地旋转。连接杆和活塞可以在某些情况下借助于热套式黄酮件(shrunk-on brass piece)被加衬套。销借助于卡环(开口弹簧)在平移中被停止。卡环被保持在于活塞销开口的末端机械加工的凹槽中的合适位置。浮动组装能够大体上降低接触的主体之间的相对速度并且因此能够推回卡塞限制(seizing limit)，同时降低接触摩擦。该组装因此具有较高的性能。然而，其需要连接杆(或环)的精确的机械加工以及凹进部的机械加工以阻挡卡环。卡环还必须被安装在经组装的活塞-销-连接杆组件上，这需要使用特定的方式和工具。活塞压缩高度被这样的组件约束并且不能够优化活塞质量。因此，其在高负载应用(柴油发动机和涡轮增压汽油发动机)中优先地被使用。经涂覆的销(例如，具有DLC涂层)能够推回卡塞限制，同时降低摩擦(见图11)。根据本申请，关于NEDC循环(根据本申请)，C02增益可以达到从0.2 %至0.5 %。
[0006]紧密连接不需要使用卡环。销通过连接杆加热工艺被紧密地组装在连接杆中。快速加热方式(感应)一般在组装线上被使用。因此拉紧的销跟随连接杆的摆动运动，这在活塞销孔中对销强加了交替的旋转移动。这样的相对移动使得组件对活塞中的销卡塞现象更敏感。因此需要为其提供良好的润滑(例如，借助于凹进部和/或凹槽)并且涂层(例如，DLC)的使用能够增强对卡塞的抵抗，同时降低摩擦。连接杆机械加工被极端简化并且衬套的缺乏能够降低连接杆的小端的横截面以在外部直径以及宽度方面最小化其体积。该技术能够优化活塞压缩高度并且为某些应用提供质量增益。它大体上有助于降低发动机的高度。关于小型车辆，该解决方案能够降低引擎盖(hood)下的高度并且能够因此限制空气动力系数，并且相应地限制空气动力损失。这样的技术被保留用于低负载应用，然而其代表大部分的城市车辆和中程车辆。质量增益还可以能够限制锤效应并且能够抑制平衡轴，特别地对于2-缸或3-缸应用。因此潜在的增益必须在本申请的上下文中被表达。
[0007]本申请人估算迄今生产的从30%至40%的发动机使用紧密连接。紧密销的DLC涂层的使用对摩擦、质量、以及抗卡塞性(seizing resistance)提供明显增益。图12是其完美的图示。对于相同的应用，DLC的使用已经能够使销质量降低20%并且使比压升高10%。
[0008]设置有抗摩擦涂层的活塞销是已知的，例如来自专利DE 10 2006 008 910 AUUS6.886.521 B2、以及US 7.228.786 B2。一些建造者已经使用了该系列制造技术。然而，如果沉积速率由于沉积方法而是低的，那么这样的降低摩擦的涂层的应用在经济上是不可能的。在紧密销的情况下，难以使该解决方案普遍化，这归因于其成本而且归因于所使用的涂层的程序化磨损。
[0009]本申请人已经研究了这些应用并且已经观察到紧密涂覆的销相对于浮动涂覆的销的非典型行为。在紧密销的情况下，磨损集中在销的上部区域上，同时下部区域被简单地抛光。在耐久测试之后，可以观察到DLC涂层可以从上部接触区域完全消失，同时涂层厚度保持几乎完整。图12示出在等效于关于车辆的300，000km的耐久测试之后所获得的结果。这些结果完全地说明了该现象。该现象的解释可以通过研究在销上所施加的力来提供(参见图14和图15)。
[0010]基于该观察结果，本申请人设想了一种解决方案，该解决方案产生了根据销的定向而具有不同性质的销。
[0011 ]根据本发明期望的目的是:
[0012]1°)通过在销上使用DLC涂层，降低销/外壳接触中的摩擦。
[0013]2°)使DLC涂层的类型适应紧密销应用，以便增强耐磨损性，而不损害拮抗物。
[0014]3°)产生对应于紧密销应用的优先负载区域的涂层的可变分布。
[0015]4°)降低DLC涂层的处理时间。
[0016]5°)增强涂层外壳的负载能力。
[0017]6° )通过例如抑制旋转简化用于到目前为止所使用的销的涂层的销定位方式。
[0018]7°)增强涂覆机的负载能力。
[0019]8°)借助于对应于作用力的极坐标图的非对称形状增强销电阻。
[0020]9°)能够用现有组装方式组装紧密销。该销恰好必须在组装时被合适地定向。
[0021]本发明旨在提供一种通用结构单元，其中经涂覆的活塞销可以通过使用相当简单的技术形成。
[0022]更一般地，本发明旨在解决的问题是，在根据优先方向加应力的紧密组装的销的情况下，因此根据偏角扇形区(partial angular sector)诱导销上的应力(其特别地涉及活塞销)，以能够使发动机操作者增大旋转组件的负载，通过使用DLC型涂层抑制任何卡塞风险，特别地在特定条件下，明显地降低实施成本。
[0023]为了解决这样的问题，活塞销具有限于至少对应于摩擦区域的有角扇形区的DLC型抗卡塞涂层，所述摩擦区域沿着优先方向、在所述摩擦区域的外部经受接触压力，销具有或不具有涂覆区域，所述涂覆区域具有小于所考虑的有角扇形区的抗卡塞涂层(ant1-seize coating)的特性的厚度和/或硬度和/或摩擦系数特性。
[0024]由于这些特性，抗卡塞涂层仅被施加在加应力的有角扇形区上，以减小待处理的表面区域并且相应地降低实施成本。
[0025]部分地涂覆销的事实对相反地被劝止使用这样的技术的本领域那些技术人员是不明显的，所述技术要求销在其组装时的精确的角定位，使得摩擦区域对应于涂覆区域。
[0026]还可以观察到，部分地涂覆销的事实能够设想使用具有比现有技术中的厚度大的厚度的抗卡塞涂层，因此增大了销寿命。
[0027]根据其他特征，抗卡塞涂层是DLC。经涂覆的有角扇形区是在从15°(从-7.5°至+7.5°)至240° (从-120° 至+120°)并且优选地从 15° (从-7.5° 至+7.5°)至220° (从-110。至+110°)的范围内。涂层厚度在摩擦区域上是均匀的，在±20%内。涂层厚度是在Ιμπι至1ym的范围内。
[0028]本发明还涉及一种解决方案和一种涂层，根据该解决方案，活塞销被固定地布置在连接杆的小端中，并且该涂层在周边区域上延伸，所述周边区域在发动机操作期间至少在活塞销座孔的区域中经受最高负载。
[0029]本发明提供了将抗摩擦涂层仅施加在活塞销的一定区域中，该区域在发动机操作期间、至少在覆盖有连接杆的活塞销的区域的外部经受最高负载。本发明还提供使用所谓的紧密连接杆，即，使活塞销固定地且不可移动地组装在连接杆的小端中的连接杆。这意指，在发动机操作期间，活塞销在销座孔中具有通常已知的摆动运动，使得活塞销的仅界定好的周边区域被暴露至高的应力。
[0030]为了解决将DLC型抗卡塞涂层施加在销的仅一部分上的问题，本发明还涉及用于施加该涂层的方法。
[0031]根据实施方案:
[0032]-销沿着至少一排并且在相切位置被循环地安置在支撑物上，
[0033]-相对于支撑物的销旋转被锁定，
[0034]-装有销的支撑物被放置在真空外壳中，
[0035]-装有销的支撑物被旋转，
[0036]-抗卡塞涂层被选择性沉积在销上在通过所述销的相切定位限定的有角扇形区上。
[0037]在另一个实施方案中:
[0038]-销沿着至少一排并且在相切或准相切的位