專利名稱：用于降低油耗的側軌和安裝有這種側軌的組合式控油環的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于內燃機的控油環上的側軌(side rail)，具體而言，本發明涉及一種側軌及安裝有這種側軌的組合式控油環，其對缸體內的潤滑油具有良好控制功能。
背景技術：
控油環一般被連接到一個設置在活塞的圓筒形外表面上的環形溝槽內， 目的是對內燃機的缸體內表面上的潤滑油進行控制。目前，常用的一種典型控油環就是組合式控油環，該控油環包括一個定距脹環(spacer expander)和一個或一對被連接到該定距脹環上的側軌。在內燃機的工作過程中，該側軌被保持在活塞的環形溝槽內，同時側軌隨活塞一起在缸體內往復移動，以使側軌的外表面在缸體的內表面上滑動。同時，定距脹環產生彈性力，以將側軌的一個側面抵壓在環形溝槽的徑向表面上并將側軌的外表面抵壓在缸體的內表面上。這樣，側軌的外表面就用于將過量的潤滑油從缸體的內表面上刮向曲軸箱，從而在缸體的內表面上形成具有合適厚度的潤滑劑薄膜，以防止潤滑油緩慢進入或緩慢流入燃燒室內。
通常情況下，控油環平行于一個頂部或第二活塞環與活塞相連接，而且控油環位于頂部或第二活塞環的下方，而該頂部或第二活塞環與活塞的上部相連接，控油環的定距脹環一般用于在缸體的內壁上產生比頂部或第二活塞環對缸體內壁的壓力更大的壓力，從而使控油環具有更大的張力。由于很久以來人們一直希望能夠降低活塞環和缸體內壁之間的摩擦力來降低油耗，因此目前，人們一般以越來越小的數值來選擇定距脹環的張力。同時，控油環最好對在工作過程中產生變形的缸體內表面具有緊密的隨動性或匹配的變形性。因此，活塞靈活的往復運動需要張力較小的定距脹環，另一方面，這種定距脹環可能會增加潤滑油的損耗，因為在工作時，該定距脹環會使側軌對缸體的隨動性變差，因此側軌的外表面不能與已經變形的缸體內表面保持緊密的滑動接觸。這樣，目前就需要提供一種寬度較小的控油環，以在降低定距脹環的張力的情況下使側軌對缸體的內表面具有良好的隨動性。
例如，日本專利公開第6-272763披露了一種由高質合金鋼制造扁鋼絲的有效方法，利用這種方法不會產生在用環形材料制造控油環的側軌的過程中所出現的裂縫。在制造過程中，鋼絲通過冷拔或熱拔被擠壓成一種圓形截面，接著通過冷軋或溫軋將其加工成厚度小于1毫米的扁鋼絲，這樣最終制成的扁鋼絲就具有平面狀的側面和介于平面狀側面之間的筒形表面。這種扁鋼絲以更高的精度被加工成盤卷形(線材卷)并切割成環形材料，這樣筒形的外表面和內表面就能夠在缸體的內表面上有效地形成具有合適厚度的油膜。
日本專利公開第2000-320672披露了一種由三個細小部件構成的組合式控油環，這種控油環能夠產生較低的張力，而且對不均勻變形的缸體表面具有良好的隨動性能，這樣就提高了氣密性。這種組合式控油環包括一個定距脹環和兩個與該定距脹環相連接并沿軸向間隔排列的側軌，其中上部和下部側軌的外尖端之間的軸向距離小于穿過上部和下部側軌的假想中央平面之間的軸向距離，目的是提高對在操作中產生變形的缸體內表面的對應變形性或隨動性，但是這并沒有對提高隨動性產生任何實際意義上的作用。
在工作過程中，當活塞處于上沖程時，側軌的外側表面沿著與活塞的移動方向相反的方向在缸體的內表面上產生了一個摩擦力，這樣就使控油環在環形溝槽內向曲軸箱移動。此時，下部側軌位于與環形溝槽的底面相接觸的位置上并且平行于該底面，下部側軌與缸體的內表面基本在筒形外表面的中央部分相互接觸，同時由于控油環和環形溝槽之間存有間隙，而且定距脹環產生膨脹作用，因此摩擦力將使上部側軌朝向曲軸箱傾斜。這樣，上部側軌就與缸體的內表面在一個上部位置上相互接觸，而該上部位置位于外表面的厚度的中央部分的上方。
在活塞的下沖程工作過程中，控油環在環形溝槽內朝向燃燒室移動，這樣，上部側軌就與環形溝槽的頂面相接觸并且平行于該頂面，上部側軌與缸體的內表面基本在筒形表面的中央部分上相互接觸，同時使下部側軌與缸體的內表面在一個下部位置上相互接觸，而該下部位置位于外表面的厚度的中央部分的下方。
盡管側軌與缸體的內表面在定距脹環的彈性力作用下相互接觸，但是，可以相信側軌的圓形外表面既不能在側軌處于傾斜和未傾斜的狀態下在缸體的內表面上一直形成厚度合適的油膜，也不能沿向上和向下的方向將足夠量的潤滑油從缸體的內表面上刮除。具體而言，當控油環安裝有多個具有較小張力的側軌，以用于減小側軌對缸體內表面的壓力時，我們發現這種控油環將會增加耗油量。
本發明的一個目的在于提供一種在較小的控油環設定張力作用下能夠實現良好控油功能的側軌。本發明的另一目的在于提供一種裝配有這種具有較小張力的側軌的控油環。本發明的又一目的在于提供一種能夠降低內燃機的潤滑油損耗量和燃料損耗量的側軌和控油環。
發明內容
根據本發明的側軌(1)被制造成截面大體為矩形的環狀結構，該矩形截面包括一對彼此平行的側表面(2a，2b)；一個外表面(3)，該外表面形成于側表面(2a，2b)的兩個外周邊之間，用來與一個缸體(16)的內表面(17)相接觸；一個內表面(4)，該內表面形成于側表面(2a，2b)的內周邊之間，其用來與控油環的定距脹環相接觸。外表面(3)包括一對與相鄰的側表面(2a，2b)連接在一起的邊緣表面(5)和一個設置在邊緣表面(5)之間的中間表面(6)。邊緣表面(5)的半徑小于現有技術的桶形表面(30)的半徑，這樣，在操作過程中，當側軌(1)處于傾斜狀態下時，就能夠使邊緣表面(5)容易地跨接在缸體(16)的油膜上，而且允許側軌(1)在缸體(16)的內表面(17)上平滑的滑動。中間表面(6)的曲率半徑大于現有技術中的桶形表面(30)的半徑，從而當側軌(1)處于非傾斜狀態下時，能夠有效刮除缸體(16)上的潤滑油，以在缸體(16)的內表面(17)和側軌(1)之間形成厚度最小的所需潤滑油膜。另外，中間表面(6)的較大的曲率半徑還能夠為缸體(16)的內表面(17)提供一個更大的接觸面積，從而提高了耐磨性。
接合附圖，參照下面的詳細說明和權利要求書，可以更完整地理解本發明，其中附圖圖1為現有技術中的側軌的剖視圖；圖2為根據本發明一個最佳實施例的側軌的剖視圖；圖3為根據本發明另一實施例的側軌的剖視圖；圖4為根據本發明又一實施例的側軌的剖視圖；圖5為裝配有根據本發明的側軌的控油環的剖視圖；圖6為裝配有根據本發明的側軌的控油環在安裝有控油環的活塞處于上沖程時的剖視圖；圖7為當活塞處于下沖程時控油環的剖視圖。
對本發明的詳細說明下面將接合附圖，對本發明的多個實施例進行詳細說明。
如圖1所示，一個現有技術中的側軌從外輪廓線上看設置有筒形的外表面和內表面30，但也可以為提高滑動性能而對這些表面進行改型。在現有技術中，筒形表面30可在將鋼絲軋制成扁平截面時同時成形，以使外表面和內表面30能夠沿徑向膨脹成一個曲率半徑基本恒定不變的筒形。
如圖2所示，根據本發明的側軌被制造成一個橫截面大體為矩形的環形結構，而且包括一對彼此平行的徑向側面2a、2b；一個外周面3，該外周面3形成于側面2a、2b的兩個外周邊之間；和一個內圓周表面4，該表面4形成于側面2a、2b的兩個內周邊之間。
每個邊緣表面5的半徑都約等于側軌寬度h6的五分之一(1/5)至五分之八(8/5)。中間表面6具有一個半徑基本恒定不變的圓筒形表面或具有一個曲率半徑大于邊緣表面5的曲率半徑的桶形表面，該桶形表面曲率大體恒定。中間表面6的軸向長度介于側軌寬度h6的約30％至約70％之間的范圍內。
每個邊緣表面5的半徑都不能小于側軌寬度h6的五分之一，因為這種曲率半徑較小的邊緣表面不能從模具中脫出，而且如果每個邊緣表面5的半徑大于側軌寬度h6的五分之八，那么就不能形成厚度合適的油膜，因為該半徑將在介于邊緣表面5和中間表面6之間的邊界部分6a上形成一個尖銳的環形邊緣。當中間表面6的軸向長度h7小于側軌寬度h6的約30％時，中間表面6就會在活塞12的上沖程和下沖程中產生足夠的刮除作用，從而增加了耗油量。當中間表面6的軸向長度h7大于側軌寬度h6的約70％時，即使側軌1已經以最大傾角傾斜，上部側軌1的邊緣表面5也不會在活塞12向上移動的過程中接觸到缸體16的內表面17。這樣，潤滑油就會被位于邊緣表面5附近的中間表面6或平面狀表面刮掉，從而增加了耗油量。
如圖5所示，一對側軌1與一個定距脹環10相互配合，形成了一個組合式控油環11。筒形表面30還會受到進一步的軋制或滾壓，以形成外表面3，該外表面3包括一對與相鄰的側面2a、2b相連接的邊緣表面5和一個中間表面6，該中間表面位于兩邊緣表面5之間并位于外表面3的內部或中間部分內。中間表面6由一個具有恒定半徑的圓筒形表面或具有較大曲率半徑且略微凸出的彎曲表面構成。邊緣表面5是擴張或膨脹后的桶形表面的殘余部分，該筒形表面最初通過軋制成形，但是，邊緣表面5被精確地重新加工成比筒形表面30具有更小曲率半徑的彎曲表面。如圖2的截面圖所示，一個邊界部分6a在中間表面6和各個邊緣表面5之間形成有一個連續彎曲的表面，該表面的截面由一個圓弧或多個組合在一起的圓弧構成，這樣，就使彎曲表面與邊緣表面5及中間表面6都相切，從而由邊界部分6a上形成了一個平滑且連續的連接表面。或者，在該實施例中，邊界部分6a可以是一條不連續的環形線，該環形線介于邊緣表面和中間表面5、6上的不是很銳利的邊緣之間。
側軌寬度h6可以介于約0.3mm至0.65mm之間的范圍內，因為當側軌的寬度h6小于0.3mm，那么側軌就不具有足夠的機械強度；在控油環的較低張力作用下，側軌的寬度大于0.65mm就會降低控油環對缸體16的內表面17的隨動性，這樣也會導致耗油量的增加。與外表面3相似，內表面4也通過軋制成形，以使其能夠沿徑向擴張或膨脹成筒形，該筒形部分的半徑約為側軌寬度h6的一半，接著，在完成軋制工序后，而且沒有進一步形成表面4的前提下，可將側軌與定距脹環連接在一起。但是，如圖3所示，可將外表面3的一個鏡像形狀或類似形狀應用到內表面4上，以便于在加工過程中容易控制軋制材料，或者以便避免軋制材料與卷取機錯誤地連接在一起。
如圖6所示，側軌被連接到定距脹環10上，以將控油環11裝配到活塞12上的環形溝槽7內。在定距脹環10的彈力作用下，上部側軌1被彈性抵壓到環形溝槽7的頂部徑向表面8上并抵壓在缸體16的內表面17上。在定距脹環10的彈性力作用下，下部側軌1彈性壓靠在環形溝槽7的底部徑向表面9上并壓靠在缸體16的內表面17上。
在圖2所示的實施例中，中間表面6被制造成一個半徑基本恒定不變的圓筒形表面，該表面位于一對邊緣表面5之間，而且中間表面6的軸向長度介于側軌寬度h6的約30％至70％的范圍內。圖3所示的另一實施例示出了一個中間表面6，該中間表面6設置有一桶型凸面或凸起，該凸面或凸起由中間表面6和各個邊緣表面5之間的接合處或邊界部分6a沿徑向向外略微突出，而且其高度等于或小于約0.01毫米。凸起高度超過0.01毫米的凸型中間表面6降低了中間表面6對潤滑油的刮除功能。外表面3被制造成一個使上部邊緣表面和下部邊緣表面5關于一個中央假想平面P對稱的鏡像，該中央假想平面P穿過中間表面6的中心，這樣，即使處于翻轉狀態下，側軌也能夠與定距脹環10正確地連接在一起。
在活塞12的上沖程工作過程中，上部側軌1的外表面3處在與缸體16的內表面17相接觸的位置上，同時，由于在上部側軌1和缸體16的內表面17之間產生的摩擦力和控油環和環形溝槽7之間的間隙以及定距脹環10的變形，使得上部側軌1的外表面3朝向曲軸箱移動，這樣，上部側軌1的上側面2a就會克服定距脹環10的彈性力被迫沿遠離環形溝槽7的頂面8的方向移動并與該頂面8分開，如圖6所示。這樣，上部側軌1在傾斜的狀態下向上移動，同時外表面3處于拖后下降的狀態，此時，僅有上部邊緣表面5與缸體16保持滑動接觸。因此，上部側軌1的上部邊緣表面5就能夠保持在一種易于支承在缸體16的油膜上的狀態下，而且用于在上部側軌1的上部邊緣表面5和缸體16之間形成具有足夠厚度的油膜，由上部邊緣表面5刮除的潤滑油量就較少。
這時，下部側軌1被保持在與環形溝槽7的底面9相接觸的位置上，而且該下部側軌1沒有象上部側軌1那樣傾斜很大的角度，而且下部側軌1與缸體16基本在大體為平面狀的表面6的中央部分相互接觸，從而有效地刮除缸體16上的潤滑油并形成具有所需最小厚度的油膜。被下部側軌1刮掉的潤滑油通過定距脹環10上的多個孔(未示出)和多條由環形溝槽7通向曲軸箱的通道(未示出)輸送到曲軸箱內。
在活塞12的下沖程操作過程中，下部側軌1的外表面3處在與缸體16的內表面17相接觸的位置上，同時由于在上部側軌1和缸體16的內表面17之間產生的摩擦力和控油環和環形溝槽7之間的間隙以及定距脹環10的變形，該外表面3在環形溝槽7內朝向燃燒室移動，這樣下部側軌1的底部側面2b就會克服定距脹環10的彈性力被迫沿遠離環形溝槽7的底面9的方向移動并與該底面9分開，如圖7所示。因此，下部側軌1在傾斜的狀態下向下移動，外表面3處于拖后上升的狀態下，僅有下部側軌1的下部邊緣表面5與缸體16保持滑動接觸。因此，下部側軌1的下部邊緣表面5就能夠保持一種易于支承在缸體16的油膜上的狀態，而且用于在下部邊緣表面5和缸體16之間形成具有足夠厚度的油膜，這樣，就減少了由下部邊緣表面5刮除的潤滑油量。
此時，上部側軌1被保持在與環形溝槽7的頂面8相接觸的位置上，而且該上部側軌1沒有象下部側軌1那樣傾斜很大的角度，而且上部側軌1與缸體16基本在大體為平面狀表面6的中央部分處相互接觸，從而有效地刮除缸體16上的潤滑油并形成具有所需最小厚度的油膜。被上部側軌1刮掉的潤滑油通過設置在定距脹環10上的多個孔(未示出)和多條由環形溝槽7通向曲軸箱的通道(未示出)輸送到曲軸箱內。
這樣，在活塞12的上沖程或下沖程工作過程中，上部或下部側軌1就能夠在傾斜的狀態下在環形溝槽7內沿遠離環形溝槽7的頂面8或底面9的方向移動，以使上述側軌1的前述邊緣表面5通過油膜與缸體16滑動接觸，從而提高側軌1的隨動性。同時，隨動的側軌1的中間表面6將足夠量的潤滑油從缸體16上到除，從而將潤滑油的損耗限制在燃燒室內，這樣就降低了油耗。
本發明可被應用到安裝到一個組合式控油環上的至少一個側軌上，以節省潤滑油；當然，也可以將本發明應用到控油環上的兩個或全部側軌上，從而能夠充分降低油耗。另外，上部側軌和下部側軌最好同一類型的側軌，目的是防止在沒有裝配方向的情況下錯誤地連接側軌。
本申請的發明人進行了油耗試驗，目的是證明將根據本發明的側軌應用到水冷4缸、排量為1800cc的發動機上的效果，這些發動機以6000rpm-WOT(Wide Open Throttle)的轉速分別工作10小時。根據本發明的側軌被預先制造成成具有圖2所示的截面形狀的結構形式，而且被裝配到圖5所示的控油環上，而且所有控油環的寬度h1為2.0mm，側軌寬度h6為0.30mm至0.5mm。頂環由馬氏體不銹鋼制成，而且具有經過氮化處理的外表面3；第二環由鑄鐵制成，而且具有錐形的外表面。每次試驗都要更換第一環和第二環。裝配好的所有控油環其標稱直徑都為79mm，而且環的寬度h1均為2.0mm。所用的定距脹環沿軸向具有能夠產生約為20N的復合張力的波浪型結構。上部和下部側軌具有三種型號的軌寬h6，這些側軌寬度選自0.3mm、0.4mm和0.5mm。當側軌被盤卷成圓形時，外側面3被研磨，形成平面狀的中間表面6，該中間表面具有六種環寬h7分別約為20％、約30％、約40％、約50％、約60％和約70％。下面的圖表示出了耗油量Oc的測試結果，平面度Pr＝h6/h7，其中現有技術中的側軌的耗油率作為對比被表示成“1”。類似地，在現有技術中，具有桶形外表面的側軌作為第1、8和15號樣本受到測試，而且其平面度Pr為零。
表中所示的測試結果表明與安裝有第1、2、8、9、15和16號樣本側軌的組合式控油環相比，安裝有第3至7號、10至14號及17至21號樣本側軌的組合式控油環在降低潤滑油的消耗量方面具有更好的效果，而且當中間表面6的寬度h7小于側軌寬度h6的30％時，潤滑油的損耗量將會增加。
圖表
如上所述，本發明可提供具有邊緣表面和中間表面的較薄的側軌，而且當該側軌位于傾斜狀態下和非傾斜的常規狀態下時，邊緣表面和中間表面與缸體的內表面相接觸，這樣就可以達到下述的效果1、邊緣表面容易地支承在缸體的油膜上，從而使側軌能夠實現平滑地滑動；2、中間表面用于將足夠量的潤滑油從缸體上刮除，以在缸體上形成具有所需最小厚度的油膜；
3、中間表面為缸體提供了更大的接觸面積，從而提高了耐磨性；4、具有較小寬度或在較小張力作用下的側軌能夠在工作過程中對已經變形的缸體內表面具有良好的隨動性；5、該側軌具有良好的控油作用，由于本發明的側軌具有出色的刮油功能和良好的隨動性，因此可以顯著降低潤滑油和燃料的損耗量；6、該側軌能夠有效地提高內燃機的性能。
權利要求
1.一種用于控油環的側軌，所述側軌被加工成截面大體為矩形的環形結構，其包括一對相互平行的側表面；一個外表面，該外表面形成在所述對側表面的外周邊之間并用來與缸體的內表面相接觸；一個內表面，該內表面形成在所述對側表面的內周邊之間并用來與所述控油環的定距脹環相接觸；所述外表面包括一對與相鄰的所述側表面相連接的邊緣表面和一個形成在所述對邊緣表面之間的中間表面；每個所述邊緣表面的半徑都基本等于所述側軌寬度的五分之一至五分之八；所述中間表面由一個半徑基本恒定的圓筒形表面構成，或由一個曲率半徑基本恒定不變并大于所述邊緣表面之曲率半徑的桶形表面構成，所述桶形表面形成了一個凸面，該凸面從所述中間表面和邊緣表面之間的連接部分向外略微突出，而且該凸面的高度等于或小于約0.01mm；所述中間表面的軸向長度介于所述側軌寬度的約30％至70％之間。
2.根據權利要求1的側軌，其特征在于所述側軌的寬度介于約0.3mm至0.65mm的范圍內。
3.根據權利要求1或2的側軌，其特征在于所述內表面具有一個約為側軌寬度的一半的曲率半徑。
4.根據權利要求1或2的側軌，其特征在于所述內表面被制造成與所述外表面相同的形狀。
5.根據權利要求1至4之一的側軌，其特征在于所述邊緣表面形成有通過對所述側軌進行軋制形成的擴展表面。
6.一種組合式控油環，其包括定距脹環和被所述定距脹環沿徑向向外擠壓的側軌，其特征在于所述側軌為根據權利要求1至5之一所述的側軌。
全文摘要
一種側軌被加工成橫截面大體為矩形的環形結構，其包括一個外表面3，外表面3設置有一對小半徑的邊緣表面5；一個具有較大曲率半徑并形成于邊緣表面之間的中間表面6。當側軌在操作過程中處于傾斜位置上時，每個邊緣表面5都能夠容易地支承在缸體16內的油膜上并允許側軌1在缸體16的內表面上進行平滑的滑動。該中間表面6能夠有效地刮除缸體上的潤滑油，從而在缸體16的內表面17和側軌1之間形成具有所需最小厚度的潤滑油膜。另外，中間表面6所具有的較大的曲率半徑為缸體16的內表面17提供了更大的接觸面積，從而提高了耐磨性。
文檔編號F02F5/00GK1494641SQ0280571
公開日2004年5月5日 申請日期2002年12月25日 優先權日2001年12月28日
發明者瀧口勝美, 憲, 日馬一憲 申請人:里肯株式會社