CN112534164A - 具有改善的磨损性能的活塞环以及活塞环/活塞组合 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有改善的磨损性能的活塞环，其中活塞环具有运行表面、上部环侧面、下部环侧面和内部表面，其中活塞环具有半径R，且其中在径向部分，运行表面轮廓包括上部区域、中心区域和下部区域，其中运行表面轮廓的上部区域具有曲率半径R_o，其介于活塞环半径R和无穷大之间，运行表面轮廓的中心区域具有曲率半径R_m，其介于活塞环半径R和无穷大之间，下部区域具有曲率半径R_u，其小于环半径R。

Description

具有改善的磨损性能的活塞环以及活塞环/活塞组合

技术领域

本发明涉及用于活塞发动机的活塞环，特别是用于内燃机的活塞环。

背景技术

目前，已知的活塞环种类繁多。

然而，仍然希望有一种改善了磨损性能及减少了窜气(Blowby)的活塞环。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种改善了磨损性能的活塞环。所述改善的活塞环具有运行表面、上部环侧面、下部环侧面以及内部表面。在安装状态下，所述活塞环具有半径R。运行表面或者外部护套表面、或外表面各自包括上部区域、中心区域和下部区域。在各种情况下，上部区域、中部区域和下部区域在轴向和周向延伸，其中，它们在轴向上直接彼此相邻，或者一个位于另一个之上，或者各自由过度区域分割。这里，术语“顶部”应理解为“在燃烧室一侧”，术语“底部”应理解为“在曲轴一侧”。由此，中心区域代表活塞环与活塞发动机的内气缸表面实际接触的活塞环部分。运行表面轮廓的上部区域由此具有曲率半径R_o，其介于该环半径R和无穷大之间。运行表面轮廓的中心区域具有曲率半径R_m，其介于该环半径R和无穷大之间。下部区域具有小于该环半径R的曲率半径R_u。

活塞环的实施例具有运行表面轮廓上部区域的平均切线角度，其是中心区域平均切线角度的2到40倍，优选地在4到30倍，并且进一步与优选地在10到20倍。该切线角度由此定义为曲率半径R_o或R_m切线处的角度，其基点分别从上部或中心区域曲率延伸的平分线到活塞环的轴线方向。上部或中心区域在每种情况下各自在角度范围内具有曲率半径。

根据活塞环的其他实施例，运行表面轮廓上部区域具有曲率半径R_o，其介于该环半径R和4R之间，且运行表面轮廓中心区域具有曲率半径R_m，其介于该环半径R和4R之间，而且下部区域具有曲率半径R_u，其小于1/2R。

在活塞环的另一实施例中，运行表面轮廓的上部区域具有曲率半径R_o，其介于该环半径R和4R之间，运行表面轮廓中心区域具有曲率半径R_m，其介于该环半径R和4R之间，而且下部区域具有曲率半径R_u，其小于1/2R。下部区域因此具有明显小于两个上部区域的曲率半径。

在活塞环的其他实施例中，运行表面轮廓的上部区域具有曲率半径R_o，其介于该环半径R和2R之间，运行表面轮廓中心区域具有曲率半径R_m，其介于该环半径R和2R之间，而且下部区域具有曲率半径R_u，其小于环的高度h。环的高度定义为下部环侧面与上部环侧面之间的最大距离。这些实施例也覆盖了活塞环，其运行表面包括了比例R/r在1到2之间的主轴到角环面的(部分)表面。

活塞环另一实施例的特征为运行表面轮廓上部区域具有曲率半径R_o，其介于该环半径R和1.5R之间，运行表面轮廓中心区域具有曲率半径R_m，其介于该环半径R和1.5R之间，而且下部区域具有曲率半径R_u，其小于环的高度h的一半。运行表面的曲率半径由此直接基于活塞环半径，并且该运行表面具有虚拟球面。这些实施例还覆盖了活塞环，其运行表面包括了比例R/r(其中R和r在此代表环面参数)在1到1.5之间的主轴到角环面的(部分)表面，还包括了球面简并(degeneracy)的情形(在此情形中环面参数R等于0)，以及中心区域形成球面表面一部分的情形。

此外，上部区域的部位通常不形成椭圆区域，但是形成部分环面表面。

活塞环另一实施例的特征为该环轮廓在上部区域和中心区域之间径向部分具有上部过度区域，其具有过渡半径R_ü,om，介于该环高度h的1/100到该环高度h的之间，优选地在该环高度h的1/50到1/5之间，而且更加优选的在该环高度h的1/30到1/10之间。

在活塞环的另一实施例中，该环轮廓在上部区域和中心区域之间径向部分具有上部过渡区域，其具有过渡半径R_ü,om,，介于0.002到0.5mm之间，优选地在0.05到0.04mm之间，而且更加优选的在0.1到0.3mm.之间。

在本活塞环的另一实施例中，该环轮廓在中心区域和下部区域之间径向部分具有下部过渡区域，其具有过渡半径R_ü,mu，介于该环高度h的1/100到该环高度h的之间，优选地在该环高度h的1/50到1/5之间，而且更加优选的在该环高度h的1/30到1/10之间。这里，该过渡半径的尺寸也可以通过活塞环的尺寸来定义。

在活塞环的另一实施例中，该环轮廓在上部区域和中心区域之间在径向截面上具有上部过度区域，其具有过渡半径R_ü,om，介于0.002到0.5mm之间，优选地在0.05到0.4mm之间，而且更加优选的在0.1到0.3mm.之间。

在活塞环的另一示例实施例中，下部曲率半径R_u大于过渡半径R_ü,mu和/或R_ü,om，优选地是R_ü,mu和/或R_ü,om的至少5倍，而且更加优选地是R_ü,mu和/或R_ü,om的至少10倍。

在活塞环的另一示例实施例中，中心曲率半径R_m大于下部曲率半径R_o。中心曲率半径优选地是R_o的2到20倍，而且更加优选地是R_o的至少4到10倍。

在活塞环的另一示例实施例中，中心区域在活塞环高度h的50％和95％之间延伸，优选地在活塞环高度h的60％和90％之间延伸，而且更加优选地在活塞环高度h的70％和85％之间延伸。由此大部分的活塞环护套表面由中心部分形成，其实际上是为了与内部气缸表面接触。

根据本发明的第二方面，提供了改善的磨损性能的活塞环/活塞组合。该活塞环/活塞组合包括活塞，该活塞包括活塞环槽和如上所述的活塞环。该活塞环槽具有活塞环槽宽度B，且该活塞环具有径向厚度或者径向壁厚W。中心区域轴向和平均切线(或各自的平均斜度)之间的角度α的大小由此小于或者等于商的反切线，其中分子由活塞环槽宽度B与该环高度h之间的差构成，分母由该活塞环的径向厚度W构成。因此，分子由活塞环槽中活塞环的轴向间隙定义，而分母对应于活塞环的径向深度。活塞环中心区域的平均斜率由此在一定程度上分别与在活塞环槽中的活塞环的倾斜或扭曲相关。因此，同样可以获得负角度，前提是扭转该环可以达到正角度，通过该负角度活塞和气缸之间间隙中的油可以随着活塞的向下运动而被刮掉。

这方面同样可以通过下面的等式来描述：

换而言之，角度α的大小小于或等于活塞环在活塞环槽中的最大扭转角度。

在活塞环/活塞组合的其他示例实施例中，上部区域的轴向和平均切向(或者各自的平均斜率)之间的角度β的大小在α值与值δ的和之上，值δ在30′到180′之间。由此该上部区域的平均切线向轴向倾斜的角度小于上部平均切线的一半角度值到三角度值。上部和下部区域由此形成(平均的)一种扭结的截台圆锥。

附图说明

下面将通过示例性实施例的示意图来描述本发明。

图1示出了根据本发明第一实施例的穿过活塞环运行表面轮廓的部分。

图2示出了根据本发明另一实施例的穿过活塞环运行表面轮廓的部分。

图3示出了根据本发明另一实施例的通过活塞环运行表面轮廓的上部区域和中心区域之间的角度比。

图4示出了根据本发明的活塞环的俯视图，以使得活塞环半径更清晰易懂。

在附图中使用了相同的或相似的附图标记以指代相同或相似的部件和元件。

具体实施方式

下文中，上部区域、中心区域和下部区域各自的曲率半径与各自区域之间没有进行区分，因为这些区域在每种情况下由其曲率半径所定义。附图标记R_o、R_m和R_u由此代表了运行表面轮廓的轴向区域及其曲率半径的相应值n。

图1示出了根据本发明第一实施例的穿过活塞环运行表面轮廓的部分。在图1中，运行表面轮廓的上部部分具有曲率半径R_o，其介于安装的活塞环各自的环半径或者环直径的一半与∞之间。运行表面轮廓上部区域由此向内倾斜，并形成环面的部分。运行表面轮廓上部区域最面向燃烧室。上部过渡区域R_ü,om位于上部区域R_o下方，其形成从到活塞环中心区域Rm的过渡。上部过渡区域R_ü,om同样形成环面的一部分。同样地曲率半径R_ü,om基本上小于上部区域的曲率半径。同样地曲率半径R_ü,on基本上小于活塞环高度h乘以系数10。实际上与内部气缸接触的中心区域R_m在上部过渡区域R_ü,om下方相连。运行表面轮廓中心区域具有曲率半径R_o，其分别介于安装的活塞环的环半径或者环直径的一半与∞之间。在图1中，另一个过渡区域，下部过渡区域R_ü,mu在中心区域R_m下方相连，其形成了到下部运行表面轮廓部分R_u的过渡。与上部过渡区域R_ü,om一样，下部过渡区域R_ü,mu也具有曲率半径，其小于相应活塞环的高度，并且最大是高度h的1/10。运行表面轮廓下部区域R_u在下部过渡区域下方相连，其曲率半径小于安装的活塞环半径。

根据载荷情况，磨损可以通过设计的方式进行分配，总体而言，其强度低于例如传统的锥面环或凸耳锥面环。

图2示出了根据本发明另一实施例的穿过活塞环运行表面轮廓的部分。在图2中，相对于图1中的实施例，上部区域R_o和中心区域R_m具有明显更大的曲率半径。在图1的情况下，上部过度区域R_ü,om具有相对小的值。与图1相比，运行表面轮廓下部区域R_m具有更小的曲率半径。运行表面轮廓中心区域R_m无缝地过渡到运行表面轮廓下部区域R_u。运行表面轮廓的中心区域R_m和下部区域R_u在一点相遇，在该点处中心区域R_m和下部区域R_u各自的切线重合。由于明显更小的曲率半径，可以放弃图1中所用的下部过渡区域。下部区域R_u的曲率半径由此至少比中心区域达到曲率半径小10倍。然而，下部区域R_u的曲率半径也可以至少比中心区域的曲率半径小100倍。在图2中，运行表面轮廓中心区域R_m稳定地并稳定相切地过渡至运行表面轮廓下部区域R_u。

图3示出了根据本发明的另一实施例，通过活塞环的运行表面轮廓上部区域R_o和中心区域R_m之间的角度比。图中，上部区域R_o具有虚拟的无穷大的曲率半径。由于上部区域R_o大的曲率半径，运行表面轮廓上部区域R_o所有切线在第一近似中重合。在图3中，中心区域Rm同样具有实际上无穷大的曲率半径，运行表面轮廓中心区域Rm大曲率半径具有这样的效果，即运行表面轮廓的该部分的所有切线在第一近似中重合。过渡区域R_ü,om设置在上部区域R_o和中心区域R_m之间，其在上部区域R_o和中心区域R_m之间达到了稳定的切线稳定的过渡。与此同时，上部和中心区域的形状形成一种弯曲的截台圆锥。下部区域R_u通过下部过渡区域R_ü,om稳定且切线稳定地连接至中心区域R_m。该图由此示出了运行表面轮廓中心区域Rm圆锥角度α与运行表面轮廓上部区域R_o圆锥角度β之间的区别。正如从锥面环得知的，上部区域R_o圆锥角度β因此位于某个值范围之内且略高于某个值范围，中心区域Rm圆锥角度α明显位于β值之下且能够在几个几分角之间的区域内达到2个角度值。

图4示出了根据本发明的活塞环轴向俯视图，图中阐明了活塞环半径R。

在所述实施例的情况下，即使在各个区域之间以及各个区域和相应的过渡之间的所有过渡情况下，运行表面轮廓总是稳定的且切线稳定的。

附图标记列表

h 环高度h

R 活塞环半径

R_o 运行表面轮廓上部区域曲率半径

R_m 运行表面轮廓中心区域曲率半径r

R_u 运行表面轮廓下部区域曲率半径

R_ü,om 上部过渡区域在R_o和R_m之间的过渡半径

R_ü,mu 上部过渡区域在R_m和R_u之间的过渡半径

W 活塞环各自的径向厚度或径向壁厚

α 中心区域轴向和平均切线之间的角度α

β 上部区域轴向和平均切线之间的角度

δ 值在30°到180°之间

Claims (14)

1.具有改善的磨损性能的活塞环，

其中所述活塞环具有运行表面、上部环侧面、下部环侧面和内部表面，

其中所述活塞环具有半径R，

其中在径向部分，运行表面轮廓包括上部区域、中心区域和下部区域，

其特征在于，

所述运行表面轮廓的上部区域具有曲率半径R_o，所述曲率半径R_o介于活塞环的半径R和无穷大之间，

所述运行表面轮廓的中心区域具有曲率半径R_m，所述曲率半径R_m介于活塞环的半径R和无穷大之间，

所述下部区域具有曲率半径R_u，所述曲率半径R_u小于所述环的半径R。

2.根据权利要求1所述的具有改善的磨损性能的活塞环，

其特征在于，所述运行表面轮廓的上部区域的平均切线角度β是所述中心区域平均切线角度α的2到40倍，优选地4到30倍，且更加优选地10到20倍。

3.根据权利要求1或2所述的具有改善的磨损性能的活塞环，

其特征在于，所述运行表面轮廓的上部区域具有曲率半径R_o，所述曲率半径R_o介于所述环的半径R和4R之间，所述运行表面轮廓的中心区域具有曲率半径R_m，所述曲率半径R_m介于所述环的半径R和4R之间，而且所述下部区域具有曲率半径R_u，所述曲率半径R_u小于1/2R。

4.根据权利要求1、2或3所述的具有改善的磨损性能的活塞环，

其特征在于，所述运行表面轮廓的上部区域具有曲率半径R_o，所述曲率半径R_o介于所述环的半径R和2R之间，所述运行表面轮廓的中心区域具有曲率半径R_m，所述曲率半径R_m介于所述环的半径R和2R之间，而且所述下部区域具有曲率半径R_u，所述曲率半径R_u小于所述环的高度h。

5.根据以上任一项权利要求所述的具有改善的磨损性能的活塞环，

其特征在于，所述运行表面轮廓的上部区域具有曲率半径R_o，所述曲率半径R_o介于所述环的半径R和1.5R之间，且所述运行表面轮廓的中心区域具有曲率半径R_m，所述曲率半径R_m介于所述环的半径R和1.5R之间，所述下部区域具有曲率半径R_u，所述曲率半径R_u小于环的高度h的一半。

6.根据以上任一项权利要求所述的具有改善的磨损性能的活塞环，

其中，所述环轮廓在所述上部区域和所述中心区域之间的径向部分具有上部过渡区域，所述上部过渡区域具有过渡半径R_ü,om，所述过渡半径R_ü,om介于所述环的高度h的1/100到所述环的高度h的之间，优选地在所述环的高度h的1/50到1/5之间，而且更加优选的在所述环的高度h的1/30到1/10之间。

7.根据以上权利要求1-5中任一项所述的具有改善的磨损性能的活塞环，

其中，所述环轮廓在所述上部区域和所述中心区域之间的径向部分具有上部过渡区域，所述上部过渡区域具有过渡半径R_ü,om,，所述过渡半径R_ü,om介于0.002到0.5mm之间，优选地在0.05到0.04mm之间，而且更加优选的在0.1到0.3mm之间。

8.根据以上任一项权利要求所述的具有改善的磨损性能的活塞环，其中，所述环轮廓在所述中心区域和所述下部区域之间的径向部分具有下部过渡区域，是下部过渡区域具有过渡半径R_ü,mu,，所述过渡半径R_ü,mu,介于所述环的高度h的1/100到所述环的高度h的之间，优选地在所述环的高度h的1/50到1/5之间，而且更加优选的在所述环的高度h的1/30到1/10之间。

9.根据以上权利要求1-7中任一项所述的具有改善的磨损性能的活塞环，

其中，所述环轮廓在所述中心区域和所述下部区域之间的径向部分具有下部过渡区域，所述下部过渡区域具有过渡半径R_ü,mu，所述过渡半径R_ü,mu介于0.002到0.5mm之间，优选地在0.05到0.4mm之间，而且更加优选地在0.1到0.3mm之间。

10.根据以上任一项权利要求所述的具有改善的磨损性能的活塞环，

其中，所述下部曲率半径R_u大于所述过渡半径R_ü,mu和/或R_ü,om，优选地是R_ü,mu和/或R_ü,om的至少5倍，而且更加优选地是R_ü,mu和/或R_ü,om的至少10倍。

11.根据以上任一项权利要求所述的具有改善的磨损性能的活塞环，

其中，所述下部中心曲率半径R_m大于所述上部曲率半径R_o，优选地是R_o的2到20倍，而且更加优选地是R_o的至少4到10倍。

12.根据以上任一项权利要求所述的具有改善的磨损性能的活塞环，

其中，所述中心区域的轴向和平均切线之间的角度α在-4°到+4°之间，优选地在0°到4°之间，而且更加优选地在2°到4°之间。

13.根据以上任一项权利要求所述的具有改善的磨损性能的活塞环，

其中，所述上部区域的轴向和平均切线之间的角度β大于或者等于所述中心区域的轴向和平均切线之间的角度α和值δ之和，所述值δ在30′到180′之间。

14.活塞环/活塞环槽组合，其中所述活塞环是根据权利要求10或11所述的具有改善的磨损性能的活塞环，其中角度(α)的大小小于或等于在所述活塞环槽中所述活塞环的最大扭转角度。

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