專利名稱：減小摩擦的活塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃機(jī)的活塞組件。
在內(nèi)燃機(jī)中，多個活塞得在各自的氣缸中往復(fù)運(yùn)動，減小活塞與氣缸壁之間的摩擦，特別減小活塞裙部與氣缸壁之間的摩擦是人們所希望的。摩擦的減小會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的效率更高。
通常，活塞裙部的光潔表面是由光滑的彎曲凸起部和中間的凹入部所限定。這種結(jié)構(gòu)類似正弦波形狀，具有光滑的交替彎曲的凸起部分和光滑的彎曲的凹入部分。
為了進(jìn)一步減小裙部活塞和缸壁之間的摩擦，眾所周知的是裙部涂覆一種氟碳聚合物。例如，1957年12月24日公布的Fleming等人的美國專利號為2，817，562中示出了一種活塞組件，其裙部涂覆有聚四氟乙烯薄層。
采用輕質(zhì)材料，如鋁制成的活塞，也可增加發(fā)動機(jī)的效率。這種鋁活塞在Reitz的1982年7月13日公布的美國專利號4，338，858中示出。
根據(jù)本發(fā)明提供的在內(nèi)燃機(jī)氣缸中往復(fù)運(yùn)動一類的活塞組件，包括有一個活塞頭，一個與活塞頭成一體并由其伸出的活塞裙部，該活塞裙部的外表面與氣缸貼合，其特征在于活塞裙部的外表面有多個由多個凹槽分開的與氣缸貼合的尖頂凸緣，該凸緣的平均高度約為100-180微英寸，平均寬度約為500-800微英寸，每個凸緣與其相鄰?fù)咕壍拈g距約為0.01-0.014英寸。
相應(yīng)地，輕質(zhì)活塞組件的裙部具有良好的表面光潔度，以減小活塞組件和缸之間的摩擦，從而提高發(fā)動機(jī)的效率。
本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合附圖從下面的說明中將會更好地理解。


圖1是活塞組件的透視圖。
圖2是圖1截面2的放大圖。
圖3是磨損后的一部分裙部的放大圖。
圖4是現(xiàn)有裙部磨損后的放大圖。
圖1中的標(biāo)號10表示一種在內(nèi)燃機(jī)氣缸中往復(fù)運(yùn)動一類的活塞組件，該活塞組件10包括一個活塞頭12和一個與頭部12為一體并由其伸出的活塞裙部14?；钊^12和裙部14均由輕質(zhì)材料，最好是由鋁制成。
活塞頭12包括上頭部頂面16和下環(huán)部18，頭部頂面16是圓形的，下環(huán)部18是圓柱形的并從上頭部頂面伸出，環(huán)繞頭部頂面16的周緣呈圓形的。下環(huán)部18有多個槽20，該槽20是圍繞下環(huán)部18呈圓形延伸，該槽20的其中一個，最好是圖1所示的最下邊的那個槽配裝一個已有技術(shù)中公知的壓縮環(huán)，上二個槽20內(nèi)配置的環(huán)(未示)是防止油流出進(jìn)入氣缸內(nèi)(未示出)。
頭部頂面16上的多個凹陷22是為發(fā)動機(jī)的閥提供間隙的，該閥(未示出)在某些沖程或活塞組件10往復(fù)運(yùn)動過程中向下滑入凹陷22內(nèi)，凹陷防止閥與活塞組件10的頭部頂面16接觸。另外，頭部頂面16上的定位槽口25是使組件10相對發(fā)動機(jī)定位和定向的。
裙部14通常是圓柱形的，并且與活塞頭12的下環(huán)部成一體。該活塞裙部14的外表面與氣缸(未示出)貼合，外表面有許多尖頂凸緣24(如圖2中所見那樣)，該尖頂凸緣24的每一個由凹槽26隔開。如果裙部14與氣缸貼合(表示出)，則該尖頂凸緣24是繞外表面呈環(huán)形延伸。
裙部14上的尖頂凸緣24和凹槽26的形成了一種似鋸齒形的面層，即，每個凸緣24在尖端的漸縮側(cè)之間形成一個可察覺的角度。由于這樣的結(jié)構(gòu)，使得與缸壁貼合的僅僅是尖頂?shù)耐咕?4。因此，因?yàn)榛钊共?4和缸壁的接觸面積明顯地小于現(xiàn)有技術(shù)公知的接觸面積?；钊共?4和缸壁之間的摩擦事實(shí)上是減小了。
除了裙部14有繞其環(huán)形延伸的尖頂凸緣24之外，活塞頭12的下環(huán)部18也可以有繞其延伸的由凹槽26分開的尖頂凸緣24，其理由是下環(huán)部18在組件10往復(fù)運(yùn)動的過程中也可以與缸壁貼合。由于有繞下環(huán)部18呈環(huán)形的尖頂凸緣，組件10和缸壁之間的摩擦就被減小了。
頭部頂面16上也可以有尖頂凸緣，這種尖頂?shù)耐咕壓桶疾墼陬^部頂面16上是與圓形的頭部頂面16的中心點(diǎn)同心的。其光潔度與裙部14的光潔度相類似。
裙部14還有一個以標(biāo)號30表示的連接部分，該連接部分30有一個凹槽平面部分32和一個適于裝配連接桿以便使活塞組件10和該連接桿連接的孔34?；钊M件10和連接桿的連接方式可以做成現(xiàn)有技術(shù)中眾所周知的任一方式。
為了進(jìn)一步減小裙部14和缸壁間的摩擦，裙部涂覆有氟碳聚合物，即裙部可以施加一層涂層28，該涂層28是順沿著尖頂凸緣24和凹槽26的輪廓，使之涂覆后仍然保持凸緣24和凹槽26的外形(正如圖2中清晰可見的那樣)。該涂層可以采用任一常規(guī)方法進(jìn)行涂覆。
用以涂覆尖頂凸緣24和凹槽26的氟碳聚合物最好是聚四氟乙烯干潤滑劑334。聚四氟乙烯干潤滑劑334可以從Acheson Colloids公司購到。涂層28先與缸壁貼合且有特有的潤滑性，從而減小裙部14和缸壁之間的摩擦。
圖3示出的裙部14是使用后已磨損的裙部14。正如可看見的那樣，凸緣24的尖頂已被磨損，該尖頂原由涂層28所覆蓋住的，留下的是露出(未涂覆)鋁材36的區(qū)域和邊緣上的涂層28。露出鋁材36的區(qū)域和涂覆的邊緣均在組件10往復(fù)運(yùn)動時與缸壁貼合。一般將油導(dǎo)入缸中以助于活塞組件10和缸壁之間的摩擦阻力，油涂覆于裙部14。盡管不是特別清楚，但可設(shè)想的是，當(dāng)裙部14已磨損時(圖3)，油會在涂層28和缸壁之間的涂層28上起泡，其原因是涂層28是不潤濕表面，即涂層28是排拒油的，由于油在裙部24和缸壁之間涂層28上起泡，因此油如一層緩沖墊使活塞組件10隨緩沖墊往復(fù)運(yùn)動。換句話說，油使裙部14表面在活塞組件10往復(fù)時離開缸壁。這對于某些涂層26已磨損(圖3)的情況是特別有利的。因?yàn)橥繉尤耘c缸壁接觸，油可以在上面起泡并使露出鋁材的表面離開缸壁。
通過在裙部14上采用具有許多尖頂凸緣24的良好的表面光潔度，活塞組件10磨損后的涂層28和鋁材裙部之間的接觸比相對于現(xiàn)有技術(shù)公知的接觸比要更大。即現(xiàn)有技術(shù)公知的象正弦波形的表面光潔度在涂層磨損時的區(qū)域，其露出鋁材的部分是相當(dāng)大的，即與缸壁貼合的涂層很少。本發(fā)明卻是露出鋁材的部分很小，而與缸壁貼合的涂層相當(dāng)?shù)拇?圖3)。因此，通過采用鋸齒形或尖機(jī)凸緣的結(jié)構(gòu)，涂層28與裸鋁36的接觸比相對于現(xiàn)有技術(shù)事實(shí)上是提高了。正如前面所述的那樣，這就導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的效率較高。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，裙部表面光潔度有一個最佳值，如果光潔度太高，即尖峰或凸緣14太靠近在一起，則這種表面光潔度會因沒有供異物停留其中的空隙或間隙而咬接(scuff)或接合;如果光潔度太低，即尖峰離得太遠(yuǎn)，則每個凸緣24的尖頂會有磨損掉的趨勢，引起活塞裙部14和缸壁之間過大的間隙。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的最佳技術(shù)規(guī)范的表面光潔度要求是其粗糙度特性為100-189Ra，500-800Rz，其間距為0.010-0.014英寸，其中的Ra、Rz和間距為粗糙度的ISO測量規(guī)范。每個尖端Ra計(jì)算的平均高度為100-189微英寸，相鄰尖峰和凹槽R2之間的十點(diǎn)平均高度差為500-800微英寸，相鄰尖峰24之間的間距為0.010-0.014英寸，該間隔定義為從一個尖峰的一點(diǎn)到相鄰尖峰的相同點(diǎn)的距離。
制得的若干種活塞結(jié)構(gòu)裝到發(fā)動機(jī)里，并采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)，以確定出燃油消耗量。試驗(yàn)時的唯一變量是活塞裙部表面光潔度，每個試驗(yàn)都是發(fā)動機(jī)在五種不同工況下運(yùn)行，對各種結(jié)果與裝有不同裙部表面的活塞的發(fā)動機(jī)進(jìn)行比較。
第一組試驗(yàn)是采用Chevrolet V-8 5.7升的發(fā)動機(jī)。各種發(fā)動機(jī)在500RPM和5Ib-ft扭矩條件下運(yùn)行，以模擬發(fā)動機(jī)的怠速狀態(tài)。第二種條件是750RPM和1Ib-ft扭矩，以模擬減速狀態(tài)。各種發(fā)動機(jī)還在1000RPM和30Ib-ft扭矩條件下和在1200RPM和40Ib-ft扭矩條件下運(yùn)行，以模擬常速狀態(tài)。最后，各種發(fā)動機(jī)在1100RPM和85Ib-ft扭矩條件下運(yùn)行，以模擬加速狀態(tài)。
第一組試驗(yàn)是現(xiàn)有技術(shù)公知的常規(guī)的正弦波形的裙部結(jié)構(gòu)和正弦波形的涂覆有聚四氟乙烯干潤滑劑的結(jié)構(gòu)作了比較。其結(jié)果表明，裙部涂覆過的活塞燃油消耗量減小1.56%。因此，對相同波形的裙部表面涂覆有聚四氟乙烯干潤滑劑，發(fā)動機(jī)的效率提高了。
第二組試驗(yàn)是對常規(guī)的正弦波形的表面與本發(fā)明的經(jīng)改善的鋸齒形表面進(jìn)行比較，這兩種裙部表面都是未涂覆過的或是裸鋁的。經(jīng)改善的鋸齒形裙部結(jié)構(gòu)，燃油消耗量都減小了4.96%。
第三組試驗(yàn)是采用經(jīng)改善的裙部鋸齒形表面的活塞和涂覆有聚四氟乙烯干潤滑劑的鋸齒形表面進(jìn)行了比較，本期望涂層會使發(fā)動機(jī)的效率增加到可與第一組試驗(yàn)相匹敵，(第一組試驗(yàn)是對正弦波形的結(jié)構(gòu)涂覆的)。然而，效率的增加比期望的大得多。由于對徑改善的鋸齒形裙部表面涂覆聚四氟乙烯干潤滑劑，燃油消耗量減小了3.70%。
最后的試驗(yàn)是標(biāo)準(zhǔn)的未涂覆過的正弦波形裙部表面和徑改善的涂覆過的鋸齒形裙部之間的直接比較。這里期望得到的變化是正弦波形到鋸齒形結(jié)構(gòu)(試驗(yàn)2)的變化和未涂覆過的鋸齒形結(jié)構(gòu)(試驗(yàn)3)涂上聚四氟乙烯干潤滑劑的變化的多重效果。試驗(yàn)結(jié)果證明正是這種情況。涂覆過的正弦波形裙部相對于標(biāo)準(zhǔn)的未涂覆過的正弦波形的裙部表面，燃油消耗量減小8.34%。
其他類似的試驗(yàn)是采用3.8升V-6發(fā)動機(jī)和2.5升4缸發(fā)動機(jī)進(jìn)行的。這些試驗(yàn)，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速稍有差異，以模擬發(fā)動機(jī)的怠速、減速、常速和加速的各種工況。在各種工況下的試驗(yàn)對徑改善的鋸齒波形表面和經(jīng)涂覆的鋸齒形表面進(jìn)行比較，確定出對鋸齒波形表面的涂覆效果。對于V-6發(fā)動機(jī)，燃油消耗量相對于未涂覆的表面減小4.37%。類似地，對于4缸發(fā)動機(jī)，經(jīng)涂覆的鋸齒形表面相對于未涂覆的鋸齒形表面，燃油消耗量減小5.13%。顯然，由于減小了氣缸的數(shù)量，鋸齒形表面涂了聚四氟乙烯干潤滑劑，效果增加了。對于這種結(jié)果的特有原因是不清楚的，然而，所有情況的結(jié)果表明，燃油消耗量顯著減小。
試驗(yàn)結(jié)果清楚表明，由于表面光潔度由常規(guī)的正弦波形的形狀變化到鋸齒波形的形狀，發(fā)動機(jī)的效率提高了。另外，由于鋸齒波形的結(jié)構(gòu)上涂覆有聚四氟乙烯干潤滑劑，發(fā)動機(jī)的效率，并因此汽車消耗一加侖汽油所行的平均哩程顯著地增加。
以說明性的方式對本發(fā)明作了說明，而應(yīng)該理解的是，所使用的術(shù)語是使說明的用詞具有某種性質(zhì)，而不是限制。
顯然，按照前面的啟示，對本發(fā)明的多種實(shí)例和變型是可能的。因此，應(yīng)該理解在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，其中的參照標(biāo)號只是為了方便，而不是作任何方式的限制，除如專門說明過的之外，是可以實(shí)施本發(fā)明的。
權(quán)利要求
1.一種在內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動一類的活塞組件，該組件(10)包括一個活塞頭(12)；一個與活塞頭(12)成一體并由其伸出的活塞裙部(14)，該裙部的外表面與氣缸貼合；所述組件(10)的特征在于，活塞裙部(14)的外表面的不平度是由與氣缸貼合凹槽(26)分開的許多尖頂凸緣(24)所組成，其所述凸緣的Ra測量值約為100-180微英寸，所述凸緣的Rz測量值約為500-800微英寸，所述凸緣的平均間距約為0.010-0.014英寸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的組件，其特征在于所述的凸緣(24)和所述的凹槽上含有氟碳聚合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的組件，其特征在于沿所述尖頂凸緣(24)和所述凹槽(26)的輪廓的涂層(28)保持著凸緣(24)的形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的組件，其特征是所述的活塞裙部(14)為圓柱形，所述的凸緣(24)繞所述活塞裙部(14)的外表面呈環(huán)形延伸。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的組件，其特征是所述的活塞頭(12)和所述的活塞裙部包括有鋁。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的組件，其特征是所述的氟碳聚合物為聚四氟乙烯干潤滑劑。
全文摘要
一種在內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動一類的活塞組件(10)，該組件(10)有一個整體的鋁頭(12)和裙部(14)，裙部(14)的外表面與缸壁貼合，表面上有許多尖頂凸緣(24)，該尖頂凸緣(24)繞裙部(14)呈環(huán)形延伸并由凹槽(26)分開，凸緣(24)和凹槽(26)涂覆有氟碳聚合物，該塞因此具有良好的耐磨表面，能提高發(fā)動機(jī)的效率。
文檔編號F02F1/20GK1051779SQ90109129
公開日1991年5月29日 申請日期1990年10月11日 優(yōu)先權(quán)日1989年10月11日
發(fā)明者杰里·申克爾 申請人:威克斯制造公司