专利名称：活塞剥落测试装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种活塞测试装置，特别涉及用于测试带有聚合物涂层的活塞 的抗剥落性的装置。
技术背景在现代汽车弓摩中，活塞被设计皿弓摩工作条件下相对安静同时以最小 公差被制造。然而采用在活塞裙部表面涂覆聚合物凃层的方式取代了将活塞铸 造或加工成较大直径的方式来生产所述活塞。除了润滑环和活塞环，所述聚合 物涂层也要能经受住引擎运行期间的机械往复作用、高温、化学污染和高压。聚合物涂层通常用在机加工过的活塞表面。聚合物选择那些有利于使活塞 裙部表面和气缸壁之间的摩擦最小化的材料。某些时候，光有涂层工艺还不够， 或者说活塞表面还有缺陷。因此，在引擎运行时会发生活塞的聚合物涂层起泡 或者剥落现象。脱落的聚合物混入油中可能成为对引擎的污染物。这降低了引 擎的效率，甚至会导致引擎卡住。所以聚合物涂层和活塞裙部表面之间需要最 适合的粘合。筛选新的聚合物、活塞材料和活塞设计方案都要花费大量的时间和金钱。传统的测试包括，例如，网纹(cross-hatch)粘合测试(ASTM D-3359)、高温引擎油浴测试、高温7jC浴测试、以及高压油冲击测试。在油浴测试中，活塞在 325下的油中浸泡96小时，记录下涂层粘合的任何损失。在7jC浴观赋中，具有 聚合物涂层的活塞在高温水中浸泡一段测试规定的时间。 一个适当的压力敏感 带用在聚合物上，然后测得一个最小粘合强度，以此测定聚合物涂层的抗剥落 性(ASTMD-1000,方法A)。在油冲击测试中，将高温油喷射到具有聚合^1M余 层的活塞表面。對以7K浴测试，也应用压力敏感带来测试聚合物涂层的剥落。用高频往复摩擦试验台(HFRR)来评估运动零件的耐久度(比如活塞的 耐久度)是公知的。还有一些测试方法和设备用来测量润滑性，或者一种液体 影响两个表面之间摩擦的能力。负载下相对运动表面的磨损也被测量。上述测 i^^ 用的设备可以由例如Imperial Scientific Indusrties生产。还有一种活塞测试在Slone的US5， 007 ， 284专利中公开， 及一种活 塞环和气缸套的磨损模拟器。该磨损模拟器展示了不同速度、负载、材料、温 度和润滑齐吓有关摩擦力、磨损和摩擦系数的娜。现在仍需要一种能更精确地显示活塞的聚合物裙部涂层在引擎运行时的化 学和机械应变的测试装置和方法。期望所述装置和方法能更为精确地预测活塞 的抗剥落性。发明内容根据这里公开的内容，惊讶地发现一种用于测试聚合物涂层活塞的抗剥落 性的观H式装置和方法，其能更精确地反应弓l擎在通常运行时的割牛。在一个实施例中，活塞测试装置包括具有内壁的壳体，在其中限定出一个 空腔，表面上沉积有聚合物涂层的活塞设置在壳体空腔中。活塞的聚合物涂层 接触壳体内壁。该活塞测试装置还包括可操作地与活塞耦合的促动装置。该促 动装置使活塞在空腔中进fil主复运动。在另一个实施例中，用于活塞测试装置的喷射系统包括盖板以及与多个喷 射器通道连通的喷射器。喷射器通道设置在盖板内，喷射器构造为通过喷射器 通道将液1M送到壳体的内壁。还公开了一种方法，包括提供一个沉积有聚合物涂层的活塞，其中聚合物 涂层与邻近活塞布置的表面接触，将热应力、摩擦应力和化学应力施加在活塞 上。
本发明以上所述的优点以及其他优点3131下面结合附图的详细描述对本领 域技术人员而言将变得更加显而易见。 图1是活塞测试装置的侧视示意图； 图2是活塞测试装置的俯视示意图； 图3是图1中喷射器板的侧面透视示意图；禾口 图4示出图1和图3中喷射器板的仰视示意图。
具体实施方式
以下描述仅仅^范性质的，不表示对本发明公开内容、应用和使用的限 制。还应该理解的是所有附图中相应的附图标记表示相同或相应的零件和特征。 对于所披露的方法而言，本文所给出的步骤只是示范性的，而不是必需的或关键的。参考图1和图2，本发明所公开的活塞测试装置2包括壳体4。壳体4具有 内壁6和外壁7 。空腔8由内壁6形成。活塞测试装置2还包括置于空腔8中的 活塞IO。作为一个非限制性的实施例，带有空腔8的壳体4可以包括其中形成 了镗孔的活塞汽缸。也可以使用其他适合容纳活塞10的壳体。本发明的活塞10上沉积有聚合物涂层12。聚合物涂层12，例如可通过与 内壁6的可滑动接合来与壳体4的内壁6接触。聚合物涂层12包括，例如，一 种或多种聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、环氧树脂、石墨和二硫化钼涂层。在一 实施例中，该聚合物涂层是石墨涂层。适当的聚合物涂层12可以以抗摩擦浆液的形式来应用，该抗摩擦浆液含有 一种或多种歸U，例如N-甲基吡咯烷酮、二乙基乙二醇单丁基醚和环己酮。浆 液可从商业上购买并设计为提供最小摩擦特性、耐腐蚀性和长磨损寿命，作为 非限制性的示例，可以选自Dow Coring Corporation旗下商品名称为Molylote 的涂层，或者选自Sandstrom Products Company的Piston Skirt Coating系列的 E724 。通常，聚合物凃层12顿活塞10进行表面清洁以后施用，以保证聚合物 涂层12粘合到活塞10上。清洁釆用例如热碱冲洗、去电离水冲洗、以及热空 气吹去的方式实现。也可以使用例如磷酸锌溶液进行促进粘合的预涂覆。活塞 10的聚合物凃层12可以M31多种手段来实现，包括聚合物涂层12浆液卩费凃或 者网格涂刷到活塞10上。在一4^寺定的实施例中，聚合物涂层12采用网格涂 刷的方法被应用。聚合物涂层12的厚度一般在大约5棉妹到大约50 'libfct间， 在特定实施例中是在大约5微米到大约25 之间。应当明白也可以是其他所 希望的厚度。本领域技术人员还应当明白活塞10可以包括一个或多个环14。环14通常 适于置于活塞10外壁上形成的槽(未示出)中。环14可以是例如压缩环。但 是，也可以使用其他能和壳体4的内壁6形成基本液密密封的环14。活塞测试装置2还包括往复运动装置16，例如， 一根连杆，往复运动装置 16在其第一端18与活塞10耦合。在某些实施例中，活塞10 fflii—个或多"肖 (未示出)耦合到往复运动體16，以便使往复运动装置16的第二端20能相对 于活塞10有一定的侧向位移。第二端20示意性地通过一个或多个销(未示出)耦合到促动装置24。促动装置24适于使空腔8内的活塞10进行往复或者"上 下"运动。作为非限制性的实施例，往复运动装置16的第二端20包括和活塞 驱动销22耦合的低位销套管(未示出)。活塞驱动销22连接到产生往复运动的 曲轴(未示出)。在一个待定实施例中，本发明的聚合物涂层12包括一个或多个构造为随着 活塞的往复运动能交替接触内壁6的聚合物裙部。示范性地，聚合物涂层12包 括两个在裙部的侧负载期间能与内壁6交替接触的聚合物裙部。另一个实施例中，将往复运动装置16的第二端20耦合到促动装置的一个 或多W肖允许往复运动装置16和活塞10能一i央拆卸。所以在测试结束以后活 塞10能被fflil地拆卸。此外，本发明的将往复运动装置16耦合到活塞I0的方 案还能简化每次测试后的更换和拆卸。应当明白的是促动装置24可以包括任何适于驱动活塞10在壳体4的空腔 8内做往复运动的装置。如图1和图2所示，促动装置24包括和空气供给管28 连通的空气驱动马达26。在特定实施例中，空气驱动马达26置于促动装置24 内，其还能给活塞观赋装置2的内部零件，例如，销和往复运动装置提f拟令却。空气驱动马达26可以耦合到曲轴曲拐和平衡重30。当和往复运动装置16 耦合时，曲轴曲拐和平衡重30使活塞10发生往复运动。曲轴曲拐和平衡重30 育^I多可拆卸地互换。促动装置24还包括驱动链和链轮32，其适于改变空腔8 内活塞10的频率或往复皿(与驱动链和链轮32的RPM相关)。例如，驱动 链和链轮32可操作地耦合到曲轴支承体33 。活塞测试装置2可包括速率传感器 37，例如车键计，其可以布置在驱动链和链轮32附近的位置。速率传繊37 用来测量促动體弓胞的转动频率，以ltffi视往复活塞运动的频率。本发明的活塞测试装置2也包括加热装置34用于给壳体4供给热量，并将 热传递给活塞IO。加热装置34可包括，作为非限制性示例，布置在壳体4的外 表面7附近位置的热外罩。活塞的温度通常是模拟活塞在所期望的用途中的工 作 驢范围，例如在内燃机中。在一个实施例中，加热装置34提供一个达大约 20(TF的活塞^^。应当认识到可以根据需要使用其他的可替换加热装置34和 工作7驢。另外，活塞测试装置2可包括热电偶(未示出)或 鹏传感器35用 于监视活塞测试装置2的^jg。为了进一步模拟活塞10在引擎工作期间经历的一系歹lj工况，活塞测试装置2包括喷射系统36。喷射系统36用于向壳体4的空腔8内喷入液体。喷射板36 可置于与壳体4的第一端38相邻的位置。如实施例所示，喷射系统36布置在 壳体夹紧板41上，壳体夹紧板在壳体4的第一端38上。应当明白的是，夹紧 板41和基础板40，都可用隔热材料制成，例如复合材料。隔热材料在壳体4 被加热时能防止活塞测试装置2过热。根据图3和图4，喷射系统36包括盖板200，盖板具有安装在顶板41内的 第一凸缘201 。盖板200还包括一个或多个形皿盖板200上的喷射器通道202。 喷射器通道202终止在一个或多个位于第二凸缘204上的端口 203处。第二凸 缘204从第一凸缘201径向向内布置，并构造为形成一个在端口 203和内壁6 之间的空间。喷射器M202和喷射装置204，例如， 一种注射喷射器 。喷 射装置204构造为ffiil喷射器通道202传递液体到内壁6。根据需要也可以使用 其他合适的喷射装置204，例如自动的或者机械的喷射装置。在一个特定实施例中，多个喷射器通道202构造以喷洒的形式将液体传递 到壳体4的内壁6。应当认识到的是，到内壁6上的液体喷洒应当是基本上均匀 分布的，因此聚合物涂层12暴ffi^液体下的面积达到最大。为了使喷洒基本均 匀分布，喷射器通道202有合适的直径提供细小的液滴在所需要的喷射压力下 将其喷入空腔8中和内壁6上。作为非限制性的示例，喷射器通道202的内径 小于大约0.125英寸。在特定的示例性实施例中，喷射器通道202的内径小于约 0.0625英寸。喷射器通道202也可以布置成穿过盖板200以从多个方向引导喷 洒，例如，以圆形或者半圆形的方式，以便于使喷洒基本均匀分布。本公开的盖板200可以是基本透明的以便于在活塞测试装置2工作期间观 察空腔8内的容纳物。盖板200可以j顿任何育調于在预期的工作、鹏下的透 明材料制成。例如，合适的透明材料包括玻璃和塑料。示范性地，盖板可由透 明的丙稀酸塑料，例如可从市场上购买的Rhon & Haas Company旗下名为 Plexiglass⑧的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。例如，也可以使用聚碳酸脂塑料。 透明盖板200使得活塞测试装置2的操作人员育^见察到喷入空腔8内的喷洒质 量。透明盖板200也可以让操作人员观察到活塞10在测试中出现的聚合物涂层 12的任何剥落。重新参考图1和图2，本公开的壳体4可以替换以便能测试不同尺寸的活 塞10。在一个实施例中，活塞测试装置2包括置于促动體24上的基板40，壳体4可移除地接纳在基板中。壳体4的移除使得在对下一个活塞10进行测试 之前对空腔8的清洁变得容易。本发明还包括一种测试活塞10的方法。该方法包括提供在其上沉积有聚合 物涂层12的活塞10的步骤。聚合物涂层12接触一个和活塞10邻近的表面， 例如壳体4的内壁6。多个环境应力，例如包括热应力、摩擦应力以及暴露在液 体燃料中的化学应力作用在活塞10上。在应力作用期间或者作用以后，检测活 塞10的聚合物凃层12的剥落。在一个实施例中，例如，活塞10在预期的往复 运动速度的应力下进行一段预期时间的测试，以模拟引擎的"怠速"或"高速 路"状态。接着，活塞10被取走并对其进行分析。分析可包括将活塞10放在 光照下放大检查，以确定聚合物涂层12是否有起泡或录l藤现象。也可以使用其 他分析聚合物涂层12的剥落和开始剥落的手段。可以选择热应力、摩擦应力和化学应力中的任一个来模拟预期型号活塞10 或者预期型号引擎的预期系列工况。例如，热应力用于将活塞10的温度提高到 汽车引擎的通常工作温度，大约20(TF。还应当理解的是，活塞10相对相邻的 表面所进行的往复运动提供所述方法中的摩擦应力。例如，往复运动可被促动 在大约300Hz到1000Hz的频率，在特定实施例中是大约500Hz以模拟正常引 擎运行时的摩擦。使用液体燃料模拟作用在活塞10上的化学应力可以包括机油 /燃料混合物的喷射，所M料是一种石油燃料如汽油、柴油，或生物燃料，所 述机油的比例占混合物总重量的大约1%到大约3%。在特定实施例中，机油占 液体燃料重量的大约2%，以此模拟活塞10在普通汽车运行时由于预计的窜漏 而经受的燃料对机油的比。通常，液体燃料具有比活塞10工作温度高的闪点温 度，例如大于大约300。F。在所述方法的一个实施例中，液体燃料被基本均匀地喷射至,活塞10的聚 合物涂层12接触的内表面6上。因此聚合物凃层12暴露在液体燃料混合物下 的总面积可以达到最大。热应力、摩擦应力和化学应力可以同时施加在活塞10上，或者以所期望的 任何顺序或者组合方式施加在活塞上。在一个特定实施例中，在活塞10的往复 运动开始之前先将热应力作用在活塞10上，例如ffiil热外罩34，以提高到预期 的温度。作为非限制性示范例，工作温度大约在200。F，先进行约5併巾频率大 约是500Hz的往复运动，然后将活塞10取走并检查活塞10和聚合物涂层12，以确定聚合物涂层12是否存在剥落或者其他损伤。在所述的一M寺定实施例中，壳体4被热外罩34和温度传感器35围绕以 便在测试中有选择地控制带聚合物涂层的活塞10的温度。活塞环14置于带聚 合物涂层的活塞10上，往复运动装置16通过销和活塞10耦合。组装好的活塞 10和往复运动装置16置于空腔8的上止点位置。往复运动装置16的第二端20 和曲轴曲拐和平衡重30耦合，例如fflil—刊氐位销套管。活塞10在进行往复 运动之前^^度先被提高到大约200下。机油占总重量大约2%石油燃料占总重 量的约98%的液体燃料混合物被喷入空腔8中。液体燃料被喷射以形成在壳体 4的内壁6上基本均匀的分布。然后通31操作耦合到曲轴曲拐和平衡重30的空 气驱动马达26来开始促动活塞10进行往复运动。要求带聚合1t凃层活塞10的 总^f呈和活塞IO在引擎工作期间活塞10的实际4，呈相对应。在一般内燃机中， 行程大约是3英寸，但也可以采用其他行程。往复运动导致活塞10上的聚合物 涂层12可滑动地接触经过润滑的内壁6，由此产生摩擦。所以观赋装置2能模 拟在典型引擎工况下一般能观测到的热应力、摩擦应力和化学应力。在期望时 间内和在期望频率下对活塞进行测试后，活塞10被从空腔8中取出进行检查。 检查包括在光照下用显微镜检查以确定聚合物涂层12是否有发生起泡或剥落的 现象。在特定实施例中，检查在聚合物裙部的边缘和冠部是否有剥落现象。活 塞10移走后，空腔8被清洁和/或安装不同的壳体4以进行对其他相同或不同活 塞10的测试。本领域技术人员应当明白的是，本公开的测试装置2和方法能使活塞10 在普通引擎工作期间所经历的工况的精度最大化。尤其是，测试装置2和方法 有利地将活塞10暴露于除常规工作^J^和压力之外还包括往复运动(也就是摩 擦应力)和燃料腐蚀(也就是液体燃料混合物)在内的可变条件下。令人惊讶 地发现考虑这些额外的可变条件能更为精确地预测特定活塞10上特定聚合物涂 层12的抗剥落性。本发明的测试装置2和方法提供一种热应力、机械应力和化 学应力在聚合物涂层活塞10上独有的应用，以及相比通常的活塞测试能更好地 模拟活塞10在引擎中的工况。虽然为了展示本发明的目的而给出了某些示范性的实施例和细节，但是本 领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下还可以作出各种变化， 本发明范围将在所附权利要求中描述。
权利要求
1.一种活塞测试装置，包括具有内壁并在其中限定出空腔的壳体；活塞，其置于空腔中，活塞上沉积有聚合物涂层，其中所述活塞的聚合物涂层接触壳体的内壁；以及促动装置，其可操作地耦合到活塞，并构造为提供活塞在空腔内的往复运动。
2. 如权利要求1所述的活塞测试装置，还包括布置在促动装置和活塞之 间的往复运动装置。
3. 如权利要求1所述的活塞测试装置，还包括位于壳体上的喷射板，其 适于喷射液体到空腔内。
4. 如权利要求1所述的活塞测试装置，还包括加热装置，适于给活塞施 加热应力。
5. 如权利要求1所述的活塞测试装置，还包括、^传SI，其构造为测 量壳体内壁的^^。
6. 如权利要求1所述的活塞测试装置，还包括速率传感器，其构造为测 量活塞往复运动的速率。
7. 如权禾腰求1所述的活塞观赋装置，其中所述促动装置包括 耦合到曲轴的空气驱动马达， 耦合到曲轴的曲轴曲拐和平衡重，和耦合到曲轴曲拐和平衡 连杆的活塞驱动销， 其中该空气驱动马达驱动活塞往复运动。
8. 如权利要求1所述的活塞测试装置，其中所述壳体可移除地耦合到所
9. 一种用于活塞测试装置的喷射系统，包括 盖板，其包括多个穿过喷射板布置的喷射器通道，禾口与喷射器fflil连通的喷射器，适于将液体通过喷射器通道输送到壳体内壁。
10. 如权利要求9所述的喷射系统，其中盖板是透明的。
11. 如权利要求9所述的喷射系统，其中盖板由丙稀酸塑料制成。
12. 如权利要求9所述的喷射系统，其中喷射器和喷射器通道构造为将液体的基本均匀分布的喷洒传送到内壁上。
13. 如权利要求9所述的喷射系统，其中喷射器通道的直径小于约0.0625 英寸。
14. 一种测试活塞的方法，包括 提供其上沉积有聚合物涂层的活塞，该活塞与表面接触； 向聚合物涂层施加热应力；将活塞暴露到液体，其中向聚合物涂层施加化学应力；并且 促动活塞往复运动，其中向聚合物涂层施加摩擦应力； 从而模拟活塞在弓摩中的运行。
15. 如权利要求14所述的方法，还包括检查活塞是否存在聚合物涂层剥落。
16. 如权利要求14所述的方法，其中所述热应力、摩擦应力和化学应力 被同时施加。
17. 如权利要求14所述的方法，其中所述活塞的温度高于大约200°F 。
18. 如权利要求14所述的方法，其中使活塞相对于相邻表面作往复运动， 以此提供所,擦应力。
19. 如权禾腰求14所述的方法，其中施加化学应力包括基本均匀地喷洒 液体燃料到所述表面上。
20. 如权利要求19所述的方法，其中所述液体燃料包括占液体燃料总重 量约1%到约3%的机油。
全文摘要
本发明涉及活塞剥落测试装置，并具体地提供一种活塞测试装置，包括具有内壁并在其中限定出一个空腔的壳体；置于空腔中的活塞，该活塞上沉积有聚合物涂层，其中所述活塞的聚合物涂层接触壳体的内壁；耦合到活塞的连杆；耦合到连杆的促动装置，其使活塞在空腔内往复运动。还公开了用于活塞测试装置的喷射板以及检测聚合物涂层到活塞上的粘合的方法。
文档编号G01M99/00GK101261215SQ20081008561
公开日2008年9月10日 申请日期2008年2月5日 优先权日2007年2月6日
发明者A·J·布莱克, G·W·比默, J·M·卡明斯, T·A·沃森, W·M·彭泽 申请人:通用汽车环球科技运作公司