CN108431467B - 具有减少的摩擦的多件式油控制活塞环 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三件式油控制活塞环(2)，所述三件式油控制活塞环包括上部的圆盘形的刮擦环(4)、下部的圆盘形的稳定环(6)、以及圆形的膨胀器(8)，所述圆形的膨胀器在内面上具有沿轴向方向突出的突出部(10)，其中所述圆形的膨胀器(8)被布置在上部的刮擦环(4)和下部的稳定环(6)之间，其中，所述突出部，在每种情况下，在内侧支承抵靠所述刮擦环(4)的内面(14)或抵靠所述稳定环(6)的内面，以及其中所述刮擦环(4)的外半径(18)大于所述下部的稳定环(6)的外半径(20)，使得在所述刮擦环(4)和稳定环(6)之间存在半径差δ。

Description

具有减少的摩擦的多件式油控制活塞环

技术领域

本发明涉及与传统的活塞环相比具有减少的摩擦的三件式油控制活塞环。

背景技术

传统的油控制活塞环或刮油环或油环通常包括一个具有两个油刮擦轨的环，用于从内燃机的气缸内表面上去除多余的油，并且产生尽可能薄的确定的油膜。

存在不同类型的刮油环：简单的刮油环通常只包括一个具有布置在外表面上的两个刮擦轨的环体。进一步发展的配置涉及具有额外的膨胀弹簧的刮油环，该膨胀弹簧用于在刮油环的整个圆周上实现更均匀的刮擦效果。

在另一个实施方式中，已知的是被称为三件式刮油环的刮油环，其中，两个薄的、圆盘形的刮擦环通过共同的载体被保持在活塞环凹槽中，该载体通常也具有膨胀弹簧的功能。

从1953年的美国专利US 2656230中可知三件式刮油环。

发明内容

所期望的特别是减少内燃机的摩擦。本发明的目的是通过减少由刮油环产生的摩擦来减少内燃机的摩擦损失。

本发明涉及根据其中一个独立权利要求的活塞环，以及从属权利要求所限定的有利的实施方式。

本发明的第一方面详细说明了三件式油控制活塞环，所述三件式油控制活塞环具有上部（即，面向燃烧室或活塞头）的圆盘形的刮擦环、下部（即，面向曲柄箱或活塞裙或活塞销）的圆盘形的稳定环、以及膨胀器，所述膨胀器例如可以为圆形的呈波纹状的平坦的金属条的形式并且在其内面具有轴向突出的突出部。

膨胀器或膨胀弹簧在内面上具有沿轴向方向突出的突出部，并且被布置在刮擦环和稳定环之间。膨胀器确保了刮擦环和稳定环之间的轴向间隔。

圆形膨胀器的突出部至少支承抵靠刮擦环的内部和稳定环的内部，并且将刮擦环和稳定环向外推动。刮擦环具有比稳定环更大的外半径并且因此具有比稳定环更大的外直径。

因此，在基本的实施方式中，稳定环对气缸内表面施加较低的压力，使得稳定环的摩擦相比于刮擦环的摩擦可以被忽略。

在本发明的另一个实施方式中，刮擦环的外直径/外半径与稳定环的外直径/外半径之间的差如此大，使得当油控制活塞环被安装时只有上部的刮擦环的刮擦边缘与气缸内表面接触，并且当油控制活塞环被安装时下部的圆盘形的稳定环不与气缸内表面接触。从而可以确保由下部的环或稳定环产生的摩擦分量可以完全被忽略。

在油控制活塞环的另一个实施方式中，在径向方向上，上部的刮擦环具有与下部的圆盘形的稳定环相同的厚度。因此可以确保只要刮擦环和稳定环是由相同的材料制成的，就产生基本上相同的径向力。完全相同的力可以基本上确保圆形的膨胀弹簧在活塞环沟槽中不是倾斜的或不能倾斜。该实施方式还需要不对称形状的膨胀器，否则无法实现刮擦环和稳定环的不同的外直径/外半径。

在油控制活塞环的另一个实施方式中，上部的刮擦环在径向方向上具有比下部的圆盘形的稳定环更小的厚度。因此，稳定环可以朝活塞环凹槽底部的方向施加比刮擦环更大的径向力。这个力差可以用于平衡由于刮擦环在气缸内壁上的支承力而导致的径向力的差。理想地，刮擦环利用限定的力来支承抵靠气缸的内部，而稳定环利用相同的力来支撑膨胀器的下表面或支撑圆形的呈波纹状的平坦的金属条的下表面，使得稳定环不能在活塞环凹槽中倾斜或使得稳定环不能挤进活塞环凹槽中。

在径向方向上的厚度的影响也可以被转移到轴向方向上。

在三件式油控制活塞环的另一个有利的实施方式中，在轴向方向上，上部的刮擦环和下部的圆盘形的稳定环具有完全相同的厚度。在这种情况下，下部的稳定环可以通过更大的变形来产生力。在轴向方向上的完全相同的厚度也允许使用对称的膨胀器，特别是突出部可以是完全相同的。

在另一个实施方式中，上部的刮擦环在轴向方向上比下部的稳定环更薄。那么，稳定环可以被制作得更刚性，并且可以建立相对于膨胀器的足够的压力，以防止通过膨胀器将稳定环压靠在气缸内表面上。

在一个实施方式中，膨胀器是圆形的呈波纹状的平坦的金属条的形式，所述金属条在轴向方向上是呈波纹状的。在该实施方式中，当处于安装状态时，波纹的幅度以环凹槽的宽度尺寸在环凹槽的两个侧边之间延伸。因此，膨胀器可以简单地为圆周的波形膨胀器的形式。本实施方式可以为使得当活塞环在径向方向上被压缩时，膨胀器的高度更大并且由此活塞环的高度更大的形式。

在三件式油控制活塞环的另一个有利的实施方式中，膨胀器是圆形的呈波纹状的平坦的金属条的形式，所述金属条在径向方向上是呈波纹状的。在该实施方式中，当处于安装状态时，波纹的幅度在环凹槽的底部和气缸内表面之间延伸。该实施方式具有这样的优势：不管活塞环当前的直径/半径如何，活塞环的高度不变。

在三件式油控制活塞环的另一个有利的实施方式中，膨胀弹簧是有槽的螺旋弹簧的形式。有槽的螺旋弹簧可以是具有U形横截面的金属条的形式，槽在所述U形横截面中交替地形成。具有U形横截面的U形轮廓具有从U形轮廓的一侧延伸至另一侧的槽。总的来说，之字形的弹簧被制成，这种之字形形状的之字形弹簧在被弯曲成U形的金属薄片层的平面上延伸。在这种情况下，各个槽延伸使得它们相交，因此产生的形状可以表现得像之字形弹簧。在横截面上，U形的两侧的端部可以是向外成角度的，以形成向外推动刮擦环和稳定环的突出部或耳片。

在另一个实施方式中，膨胀弹簧还被提供有延伸通过呈波纹状的金属条的波侧边中的开口的稳定线。本实施方式主要旨在在径向方向上的呈波纹状的膨胀弹簧和在轴向方向上的呈波纹状的膨胀弹簧。稳定线可防止膨胀弹簧向内侧膨胀并且支承抵靠活塞环凹槽。稳定线还可以确保膨胀弹簧的端部保持压在彼此上。

在另一个示例性实施方式中，突出部由在膨胀弹簧或金属条上的耳片形成。这种耳片可以被推出材料，或支承抵靠膨胀弹簧的材料的边缘。每个突出部应该支承抵靠刮擦环的内边缘和稳定环的内边缘，并且将它们朝气缸内壁的方向上向外推动。

在三件式油控制活塞环的另一个实施方式中，提供这样的突出部，利用该突出部，膨胀弹簧或圆形的呈波纹状的平坦的金属条和/或稳定环在活塞环凹槽中相对于凹槽底部定中心。由于稳定环相对于气缸内壁不受支撑，因此稳定环在活塞环凹槽中的位置没有被进一步地限定。为了使稳定环中心地对齐在活塞环凹槽中，因此可以在稳定环和/或膨胀弹簧上布置内突出部，以实现稳定环在活塞环凹槽中的限定位置。这可以利用相对于凹槽底部支撑稳定环和/或膨胀弹簧的耳片或内突出部来实现。

油控制活塞环的另一个实施方式具有有环缺口区域的稳定环，该环缺口区域被提供有连接元件，所述连接元件允许通过将环缺口的端部彼此连接来封闭稳定环的环缺口。为了避免摩擦，稳定环应该不与气缸内壁接触；这可以最简单地通过以下来确保：环缺口的端部被提供有例如允许环缺口的端部互锁的楔形结构。因此可以确保稳定环不能与气缸内壁接触。可以先安装稳定环，连接环缺口的端部，然后插入膨胀器，并最后将刮擦环放入活塞环凹槽中。

根据本发明的另一个实施方式，三件式油控制活塞环的稳定环被向内侧预装载，使得稳定环趋向于使环缺口的端部相接触。与在径向方向上向外侧预装载的刮擦环相反，在径向方向上向内侧预装载稳定环，以便能够吸收膨胀器或膨胀弹簧的径向向外的有效力。

附图说明

本发明的其它特征和优势可以在结合附图的以下描述中找到，在这些附图中，相同的附图标记表示相同或相似的部件。附图示出了本发明的多个示例性实施方式。在图中，使用示意图对本发明进行说明，这些示意图不按比例并且主要用于示出与传统的刮油环的区别。

图1以局部立体图示出了具有在轴向方向上呈波纹状的膨胀弹簧的传统的三件式刮油环。

图2A以局部立体图示出了根据本发明的具有在轴向方向上呈波纹状的膨胀弹簧的三件式刮油环。

图2B以剖视图示出了图2A的三件式刮油环。

图2C以剖视图示出了图2A的三件式刮油环的变型。

图2D以剖视图示出了图2A的三件式刮油环的另一变型。

图3A以剖视图示出了根据本发明的具有在径向方向上呈波纹状的膨胀弹簧的三件式刮油环。

图3B以剖视图示出了图3A的三件式刮油环的变型。

图4示出了根据本发明的具有有槽的螺旋弹簧形式的膨胀弹簧的三件式刮油环。

具体实施方式

在附图中和以下的说明书中使用相同或相似的附图标记，以指代相同的或相似的元件或部件。

图1以局部立体图示出了具有在轴向方向上呈波纹状的膨胀弹簧的传统的三件式刮油环。传统的三件式刮油环包括两个刮擦元件105和由弹性的易延展的金属条（优选地，钢条）113制成的膨胀器（又称间隔件）107。膨胀器/间隔件确保了两个刮擦元件105之间的轴向间隔，并且将两个刮擦元件以相同的程度向外推动抵靠气缸内壁。钢条113是呈波纹状的，并且包括在轴向方向上的多个均匀地间隔的波108。这些波的弯曲部109被提供有槽110，这些波的部分111是平的以在轴向方向上实现对刮擦环105的支撑。弯曲部的突出超过平的波峰的部分形成支承抵靠刮擦元件105的内面的突出部112，并且将刮擦元件朝向气缸内壁向外推动。突出部112也确保了膨胀器/间隔件107不与气缸壁接触。

当三件式刮油环被插入活塞环凹槽中时，钢条113的波形状和直的部分形成了处于压缩负荷下的周向的一系列弹簧元件。如图所示，膨胀器/间隔件107的端部或突出部112支承抵靠刮擦元件105的下表面并且推动刮擦元件抵靠活塞环侧边。平的部分111可以是非常均匀的形状，并且在该设计中由膨胀器107提供的径向力的大小可以被非常精确地设置。

图2A以局部立体图示出了根据本发明的具有在轴向方向上呈波纹状的膨胀弹簧8的三件式刮油环2。该图与图1基本上对应，在这里，稳定环6代替下部的刮擦元件，该稳定环的外直径/外半径小于上部的圆盘形的刮擦环4的外直径/外半径。膨胀器/间隔件8是在轴向方向上呈波纹状的金属条的形式，并且包括用于刮擦环4和稳定环6的支承面12。在轴向方向上呈波纹状的平坦的金属条具有在轴向方向上突出的突出部10，并且每个突出部支承抵靠刮擦环4的内侧和稳定环6的内侧，并将刮擦环和稳定环向外推动。由于刮擦环4和稳定环6的不同的外直径/外半径，通过稳定环和刮擦环之间的直径/半径差，刮擦环4比稳定环6更加向外突出。因此，只有刮擦环4与气缸内壁接触，或者至少只有刮擦环以相当大的力压靠气缸内壁。在这个实施方式中，只有刮擦环从气缸内壁上刮油，而稳定环要么完全不与气缸内表面接触，要么通过膨胀器仅轻微地压靠气缸内表面，使得稳定环不能对刮油做出实质性的贡献。

图2B以剖视图示出了图2A的三件式刮油环2。几乎所有的附图标记在图2B中被示出。为了避免由于相同附图标记的不必要的、多余的、多次的重复而不必要地影响图的清晰度和描述的简洁和简明，在后续的图中不使用这些附图标记。

根据本发明的三件式油控制活塞环2的实施方式包括上部的圆盘形的刮擦环4、下部的圆盘形的稳定环6、以及布置在刮擦环4和稳定环6之间的圆形的膨胀器/间隔件8。膨胀器8是在轴向方向上呈波纹状的平坦的金属条30的形式。

膨胀器具有在轴向方向上从膨胀器的支承面12延伸的突出部10，每个突出部支承抵靠刮擦环的内表面14和稳定环6的内表面16，并且将刮擦环和稳定环径向向外推动。

刮擦环4是向外侧预装载的，并且还通过膨胀器被向外推动抵靠气缸内壁40。稳定环6是向内侧预装载的，并且使膨胀器8稳定并防止膨胀器8在活塞环凹槽44中倾斜和防止膨胀器挤进活塞环凹槽中。

三件式油控制活塞环2被插入到活塞42的活塞环凹槽44中，并且支承抵靠活塞环凹槽的上部和下部的侧边46。三件式油控制活塞环2不与活塞环凹槽的底部48接触。只有三件式油控制活塞环2的上部的刮擦环4的外边缘与气缸内表面40接触。

膨胀器8是在轴向方向上呈波纹状的平坦的金属条30的形式，并且每个区域50代表金属条30或膨胀器的横截面区域，而另一个视图是呈波纹状的金属条的波的侧边的平面图。

刮擦环4具有与稳定环6的轴向厚度28完全相同的轴向厚度26。刮擦环4具有大于稳定环6的径向厚度24的径向厚度22。这种结构允许使用基本上对称的膨胀器8，其支承面的尺寸对于刮擦环4和稳定环6相同。

箭头18和箭头20分别表示刮擦环4和稳定环6的外半径或外直径。刮擦环4具有比稳定环6的半径大δr的半径。稳定环和刮擦环之间的半径差δr确保只有刮擦环4从气缸内壁40刮油，并且只有刮擦环4贡献三件式油控制活塞环2的摩擦。因此，与图1中通过示例的方式所示的传统的三件式油控制活塞环相比，根据本发明的三件式油控制活塞环2的摩擦阻力应该被降低。实现摩擦阻力的降低是由于根据本发明，只有刮擦边缘刮油，并且只有刮擦边缘与气缸内表面产生摩擦。

图2C以剖视图示出了图2A的三件式刮油环的变型。与图2A的实施方式相比，刮擦环4和稳定环具有完全相同的径向厚度22。使用弯曲的刮擦环4和稳定环6，该设计意味着可以采用同样的材料。膨胀器8是在轴向方向上呈波纹状的金属条30的形式。金属条同样地在径向方向上是呈波纹状的，以便提供给刮擦环4和稳定环6中的每一个不同的直径，突出部10在刮擦环4和稳定环6的内侧上支撑刮擦环4和稳定环6。同样地，在图2C中，膨胀器8的金属条30的横截面也由附图标记50表示。

图2C以剖视图示出了图2A的三件式刮油环的另一个变型。与图2A的实施方式相比，刮擦环4和稳定环具有完全相同的径向厚度22。使用弯曲的刮擦环4和稳定环6，该设计意味着可以采用同样的材料。膨胀器8是金属条30的形式，使得每个突出部10在径向方向上具有距气缸的中心轴的不同的距离。在这种情况下，金属条可以被更简单地制造。在图2D中，膨胀器8的金属条30的横截面由附图标记50表示。

图3A示出了根据本发明的三件式刮油环2的另一变型的横截面视图。如同图2B一样，刮擦环4和稳定环6在径向方向上具有不同的宽度。刮擦环4的径向宽度22大于稳定环6的径向宽度24。在图3A中，刮擦环4和稳定环6在轴向方向上具有完全相同的宽度。在图3A中还使用了呈波纹状的金属条32的形式的膨胀器8。与图2A-图2D的膨胀器8相比，图3A和图3B的膨胀器8是在径向方向上呈波纹状的金属条32的形式。在这种情况下，突出部10可以简单地为竖直地(或向上地和向下地)突出超过膨胀器8的支承面的耳片的形式。

图3B示出了根据本发明的三件式刮油环2的另一变型的横截面视图。如同图3A一样，刮擦环4和稳定环6在径向方向上具有不同的宽度。刮擦环4的径向宽度22大于稳定环6的径向宽度24。

与图3A相比，刮擦环4和稳定环6在轴向方向上具有不同的宽度。刮擦环4的轴向宽度26小于稳定环6的轴向宽度28。在该设计中，稳定环6可以制造得比刮擦环4更稳定。本发明的目的在于能够防止膨胀器8扭曲，并且从而防止膨胀器挤进活塞环凹槽中。为实现这一目的，施加在膨胀器的每个轴向突出部上的力应该尽可能地相等，因为稳定环将具有比刮擦环更小的径向尺寸，并且刮擦环还由其支承抵靠的气缸内壁支撑。因此，稳定环必须能够产生比刮擦环4更大的力。稳定环6可以通过向内侧被预装载和比刮擦环更刚性来实现这一点。

在图3B中，膨胀器8或在径向方向上呈波纹状的金属条被提供有沿周向的开口36，周向的稳定线38布置在开口中。稳定线应该防止膨胀器弯曲并且防止膨胀器被支撑抵靠凹槽底部。

在图4中，膨胀器8是有槽的螺旋弹簧34的形式。有槽的螺旋弹簧34具有U形的横截面。U形横截面的侧面的端部向外弯曲，以支承抵靠刮擦环4的内边缘和稳定环的内边缘。在图4中，有槽的螺旋弹簧34/膨胀器8的横截面由附图标记50表示。

定中心的突出部52被设置在膨胀器8的下边缘的内部。膨胀器8和稳定环6都不是通过与气缸内表面的接触而稳定的，因为这种接触将意味着摩擦的增加。通过与凹槽底部接触，膨胀器8上的定中心的突出部52可以防止稳定环或膨胀器与气缸内表面接触并从而产生摩擦。同样地，可以将定中心的突出部52附接到稳定环6。

还应将示例性实施方式的各个特征的其它组合视为被公开的。特别地，所有的实施方式可以被提供有定中心的突出部，这些环可以在径向方向和轴向方向上具有不同的厚度，以及在轴向方向上的突出部(在膨胀器的防泄漏且径向的位置中)同样地可以是不同的。

在另一个实施方式中，提供三件式油控制活塞环2，该三件式油控制活塞环包括下部的圆盘形的稳定环6、上部的圆盘形的刮擦环4（朝向燃烧室）、以及圆形的膨胀器8，所述膨胀器在内侧上具有在轴向方向上突出的突出部10，并且其中圆形的膨胀器8被布置在下部的稳定环6和上部的刮擦环4之间，其中每个突出部10在内侧支承抵靠刮擦环4的内面14或抵靠稳定环6的内面，其中上部的刮擦环4的外半径大于下部的稳定环6的外半径。

附图标记列表

2 根据本发明的三件式油控制活塞环

4 上部的圆盘形的刮擦环

6 下部的圆盘形的稳定环

8 圆形的膨胀器/间隔件

10 在轴向方向上突出的突出部

12 膨胀器/间隔件的支承面

14 刮擦环的内面

16 稳定环的内面

18 刮擦环的外半径

20 稳定环的外半径

22 刮擦环在径向方向上的厚度

24 稳定环在径向方向上的厚度

26 刮擦环在轴向方向上的厚度

28 稳定环在轴向方向上的厚度

30 在轴向方向上呈波纹状的平坦的金属条

32 在径向方向上呈波纹状的平坦的金属条

34 有槽的螺旋弹簧

36 沿周向的开口

38 稳定线

40 气缸内壁/气缸内表面

42 活塞

44 活塞环凹槽

46 活塞环凹槽侧边

48 活塞环凹槽底部

50 膨胀器/间隔件的横截面

52 定中心的突出部

δr 稳定环和刮擦环之间的半径差

Claims (10)

1.一种三件式油控制活塞环（2），包括：

上部的圆盘形的刮擦环（4），

下部的圆盘形的稳定环（6），以及

圆形的膨胀器（8），所述圆形的膨胀器在内面上具有沿轴向方向突出的突出部（10），所述圆形的膨胀器（8）被布置在上部的刮擦环（4）和下部的稳定环（6）之间，所述突出部（10），在每种情况下，在内侧支承抵靠所述刮擦环（4）的内面或抵靠所述稳定环（6）的内面，

其特征在于：

所述刮擦环（4）的外半径（18）大于所述下部的稳定环（6）的外半径（20）；以及

所述上部的刮擦环（4）的厚度（22）在径向方向上小于所述下部的圆盘形的稳定环（6）的厚度（24），和/或

所述上部的刮擦环（4）的轴向厚度（26）小于所述下部的稳定环（6）的轴向厚度（28）。

2.根据权利要求1所述的三件式油控制活塞环（2），其特征在于：

当所述油控制活塞环（2）被安装时，只有所述上部的刮擦环（4）的刮擦边缘与气缸内表面（40）接触，以及当所述油控制活塞环（2）被安装时，所述下部的圆盘形的稳定环（6）不与所述气缸内表面（40）接触。

3.根据权利要求1所述的三件式油控制活塞环（2），其特征在于：

所述圆形的膨胀器（8）是呈波纹状的平坦的金属条（30）的形式，所述平坦的金属条在轴向方向上呈波纹状。

4.根据权利要求1所述的三件式油控制活塞环（2），其特征在于：

所述圆形的膨胀器（8）是平坦的金属条（32）的形式，所述平坦的金属条在径向方向上呈波纹状。

5.根据权利要求1所述的三件式油控制活塞环（2），其特征在于：

所述膨胀器（8）是有槽的螺旋弹簧（34）的形式。

6.根据权利要求3所述的三件式油控制活塞环（2），其特征在于：

所述膨胀器（8）还被提供有延伸穿过呈波纹状的金属条的波侧边中的开口（36）的稳定线（38）。

7.根据权利要求1所述的三件式油控制活塞环（2），其特征在于：

所述突出部（10）由耳片形成在所述膨胀器（8）上。

8.根据权利要求1所述的三件式油控制活塞环（2），其特征在于：

提供定中心的突出部（52），通过所述定中心的突出部，所述膨胀器（8）和/或所述稳定环（6）相对于凹槽底部（48）被定中心在活塞环凹槽（44）中。

9.根据权利要求1所述的三件式油控制活塞环（2），其特征在于：

所述稳定环（6）的环缺口区域被提供有允许封闭所述稳定环（6）的环缺口的连接元件。

10.根据前述权利要求中任一项所述的三件式油控制活塞环（2），其特征在于：

所述稳定环(6)是向内侧预装载的。

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