ПОРШНЕВОЕ КОЛЬЦО, ИМЕЮЩЕЕ КОМБИНИРОВАННОЕ ПОКРЫТИЕ
PISTON RING HAVING COMBINED COATING

Настоящее изобретение относится  в общем плане к поршневым кольцам поршневых машин и, в частности, к поршневым кольцам двигателей внутреннего сгорания.
С давних пор известно покрытие наружной стороны поршневых колец различными слоями приработки и/или защиты от износа для улучшения фрикционного контакта между поршневым кольцом и внутренней стенкой цилиндра.
Каждое покрытие на наружной стороне поршневого кольца с различными слоями приработки и/или защиты от износа, которое имеет другой коэффициент теплового расширения, чем основной материал поршневого кольца, при переходе между нормальной температурой и температурой эксплуатации приводит к биметаллическому эффекту. В поршневом кольце этот биметаллический эффект воздействует на прижимное усилие и распределение прижимного усилия поршневого кольца на рабочую поверхность цилиндра. При этом биметаллический эффект еще накладывается на явления нормального теплового расширения и возможные воздействия нагрева на твердость материала.
Из уровня техники уже известны полностью покрытые поршневые кольца, Далее, известны поршневые кольца, которые снабжены внутри и снаружи слоем защиты от износа, причем покрытия нанесены способом, допускающим нанесение покрытия на внутреннюю и наружную стороны поршневого кольца. Снабжение покрытием внутренней поверхности поршневых колец обычно рассматривается как расточительство, как правило, дорогостоящего материала покрытия, поскольку внутренняя сторона поршневого кольца не подвергается нагрузке.
Из патентных документов DE 7608044 U1, JP 2005351460 A, JP 2008057671 А и GB 440 уже известны различные поршневые кольца, в которых использованы биметаллические конструкции.
По теме поршневых колец известны различные публикации. Так, в ЕР 2206937 (А1) описано поршневое кольцо с прижимной пружиной, в US 2010/140880 (А1) описано поршневое кольцо с покрытием на верхней и/или нижней стороне, US 2010/127462 (А1) относится к поршневому кольцу с многослойным покрытием рабочей поверхности/наружной поверхности.
В отличие от них в DE 102005063121 (В3) описано поршневое кольцо с многократным покрытием рабочей/наружной поверхности. В ЕР 2183404 (А1) также показано поршневое кольцо с покрытием на наружной поверхности. ЕР 2119807 (А1) также относится к поршневому кольцу, на наружной поверхности которого расположен слой защиты от износа. В WO 2008/151619 (А1) описано поршневое кольцо, выполненное с возможностью переворота в канавке для поршневого кольца.
В известных поршневых кольцах с наружным покрытием это наружное покрытие может приводить к нежелательным биметаллическим эффектам, при которых наружное покрытие поршневого кольца при повышении температуры расширяется отлично от материала самого поршневого кольца, что в результате может негативно влиять на напряжение или на распределение радиального прижимного усилия поршневого кольца. Обычно этими явлениями можно пренебречь, так как обычно покрытие образует только незначительно малую часть площади поперечного сечения поршневого кольца, и твердость покрытия лишь немного превышает твердость материала поршневого кольца.
В современных условиях вследствие непрерывного роста твердости покрытий защиты от износа в поршневых кольцах могут возникать биметаллические эффекты, и это может приводить к изменению создаваемого поршневым кольцом радиального прижимного усилия и изменению распределения радиального прижимного усилия поршневого кольца при нагреве.
Этот эффект не создается в поршневых кольцах без покрытия и в кольцах со сплошным покрытием.
Задачей изобретения является создание поршневого кольца, снабженного покрытием для защиты от износа, с улучшенным распределением радиального прижимного усилия.
Обычно исходят из того, что для устранения биметаллического эффекта покрытие может быть прервано или нанесено только на часть наружной поверхности. Можно ожидать также такого решения, что специалист в данной области изменяет форму поршневого кольца в холодном состоянии таким образом, что ожидаемое от биметаллического эффекта изменение радиального прижимного усилия уже учтено в параметрах поршневого кольца. Во избежание отклонений в распределении радиального прижимного усилия специалист может придать поршневому кольцу такую форму, что оно показывает желаемое распределение радиального прижимного усилия при рабочей температуре и наличии биметаллического эффекта.
Биметаллический эффект проявляет свое воздействие особенно в области замка, приводя к тому, что концы поршневого кольца в замке, то есть замковые концы прижимаются наружу при нагреве. Это явление известно под названием «заедание замка» или «закусывание замка». Оно приводит к тому, что замковые концы нагружены сильнее, чем остальная часть периферии поршневого кольца. Вследствие более сильной нагрузки замковых концов они изнашиваются интенсивнее остальной части поршневого кольца. При этом слой защиты от износа в области замка может сниматься, так что в этой области имеется опасность задира поршня или поршневого кольца.
До сих пор этот эффект компенсировался тем, что при изготовлении колец их предварительно деформировали таким образом, что в области замка они подвергались лишь небольшому давлению. Однако эта мера показала себя недостаточной.
В соответствии с изобретением биметаллический эффект устраняется за счет того, что между основным элементом поршневого кольца и слоем защиты от износа нанесен промежуточный слой. Промежуточный слой имеет размеры и коэффициент теплового расширения, выбранные такими, что биметаллический эффект между слоем защиты от износа и поршневым кольцом значительно ослаблен или устранен.
Вследствие своей большей твердости и прочности слой защиты от износа имеет более низкий коэффициент теплового расширения, чем материал поршневого кольца. Из-за слоя защиты от износа при нагреве поршневого кольца оно выгибается наружу под действием биметаллического эффекта, что особенно проявляется в области замка.
Когда между слоем защиты от износа и материалом поршневого кольца нанесен промежуточный слой, имеющий более высокий коэффициент теплового расширения, чем эти материалы, в идеальном случае два биметаллических эффекта уравновешивают друг друга. Это вполне возможно, так как толщина поршневого кольца намного превышает толщину двух других слоев. При этом слой защиты от износа и промежуточный слой лежат на стороне нейтральной оси снабженного покрытием поршневого кольца.
При выборе из общего числа шести параметров, то есть трех коэффициентов теплового расширения и трех размеров по толщине самого поршневого кольца, слоя защиты от износа и промежуточного слоя, может быть компенсирован или выровнен любой желаемый биметаллический эффект.
В соответствии с изобретением это достигается путем того, что поршневое кольцо (например, из чугуна или стали) вначале покрывают на наружной стороне промежуточным слоем, который имеет более высокий коэффициент теплового расширения, чем материал поршневого кольца. На втором шаге на наружную сторону промежуточного слоя наносят слой защиты от износа, который имеет коэффициент теплового расширения меньше коэффициента теплового расширения материала поршневого кольца. При этом может быть полезно, чтобы толщины промежуточного слоя и слоя защиты от износа были значительно меньше общей толщины поршневого кольца.
Таким образом, решение по изобретению представляет собой примерную комбинацию из двух идентичных биметаллических комбинаций, эффекты которых взаимно устраняются. При этом в изобретении используется двойное покрытие поршневого кольца. Взаимодействие между поршневым кольцом и слоем защиты от износа с одной стороны и взаимодействие между слоем защиты от износа и промежуточным слоем с другой стороны могут быть выбраны таким образом, что поршневое кольцо показывает желаемое температурное поведение.
Согласно первому аспекту изобретения поршневое кольцо предназначено для двигателя внутреннего сгорания. Поршневое кольцо содержит основной элемент поршневого кольца из материала с первым коэффициентом теплового расширения. Далее, поршневое кольцо содержит слой защиты от износа, который расположен на наружной поверхности поршневого кольца в радиальном направлении и изготовлен из материала, имеющего второй коэффициент теплового расширения, меньший, чем первый коэффициент теплового расширения. Далее, поршневое кольцо содержит промежуточный слой, расположенный между основным элементом поршневого кольца и слоем защиты от износа. Промежуточный слой изготовлен из материала, имеющего третий коэффициент теплового расширения, больший, чем первый коэффициент теплового расширения и второй коэффициент теплового расширения.
В следующем примере выполнения толщина слоя защиты от износа меньше толщины промежуточного слоя, а сумма толщин слоя защиты от износа и промежуточного слоя меньше 20% толщины основного элемента поршневого кольца в радиальном направлении. За счет этого обеспечивается расположение обоих слоев на стороне нейтральной оси поршневого кольца, так что эффекты могут противодействовать друг другу.
Таким образом, поршневое кольцо образует наложение двух, а, фактически, трех биметаллических систем. Первая биметаллическая система образована между слоем защиты от износа и основным элементом поршневого кольца, как это известно из уровня техники. Вторая биметаллическая система образована между промежуточным слоем и основным элементом поршневого кольца и должна служить для того, чтобы противодействовать биметаллическому эффекту между слоем защиты от износа и основным элементом. Третья биметаллическая система образована между слоем защиты от износа и промежуточным слоем. Третья биметаллическая система должна иметь наиболее сильный эффект, так как она образована из двух металлов с резко отличными коэффициентами теплового расширения. Однако третья биметаллическая система почти не играет роли, поскольку усилия, которые могут создаваться двумя покрытиями, малы вследствие малой толщины слоя защиты от износа и промежуточного слоя по сравнению с размером поршневого кольца.
Предпочтительно толщина промежуточного слоя превышает толщину слоя защиты от износа с коэффициентом примерно от 1,5 до 15, более предпочтительно от 3 до 8 и еще более предпочтительно от 6 до 8. Разные толщины служат для компенсации разной твердости соответствующих материалов.
В примере выполнения промежуточный слой выполнен переменным по толщине в окружном направлении, чтобы добиться биметаллического эффекта различной интенсивности по окружной периферии и тем самым улучшить распределение радиального прижимного усилия при рабочей температуре. Вследствие относительно низкой твердости промежуточного слоя (которая связана с высоким коэффициентом теплового расширения) его обработка для изменения толщины легче, чем обработка материала основного элемента поршневого кольца или материала слоя защиты от износа. При этом уже при изготовлении, либо при нанесении промежуточного слоя, либо после нанесения его обрабатывают, чтобы получить переменную толщину в окружном направлении. Предпочтительно промежуточный слой выполняют толще в области замкового стыка, чтобы в этом месте лучше противодействовать биметаллическому эффекту между поршневым кольцом и слоем защиты от износа.
В примере выполнения основной элемент поршневого кольца выполнен переменным по толщине в окружном направлении, чтобы добиться биметаллического эффекта различной интенсивности по окружной периферии и тем самым улучшить распределение радиального прижимного усилия. Пример выполнения может служить, в частности, для того, чтобы в комбинации с более толстым промежуточным слоем, с одной стороны, усилить биметаллический эффект между промежуточным слоем и основным элементом поршневого кольца и, с другой стороны, сделать поршневое кольцо более эластичным в области замка. За счет меньшей толщины поршневого кольца в радиальном направлении оно становится более гибким, а биметаллический эффект усиливается.
В следующем примере выполнения поршневое кольцо и/или основной элемент поршневого кольца выполнены по форме некруглыми. При этом некруглая форма относится к холодному состоянию не установленного на место поршневого кольца. Некруглая форма служит для того, чтобы при рабочей температуре воздействовать на поршневое кольцо вместе с внутренней стенкой цилиндра и придавать ему круглую форму с благоприятным распределением прижимного усилия.
Предпочтительно основной элемент поршневого кольца изготовлен из чугуна или из стального материала. В настоящее время чугуны и стальные материалы являются основными и благоприятными материалами, используемыми для поршневых колец.
Далее, предпочтительно слой защиты от износа нанесен способом физического осаждения из газовой фазы (PVD).
Далее, в примере выполнения промежуточный слой изготовлен из меди или из медного материала. Медь достаточно теплостойка вследствие своих свойств материала, таких как точка плавления примерно при температуре 1000°C. Медь обладает относительным удлинением при разрыве, равным 40%, что также находится в благоприятном диапазоне во избежание образования трещин между промежуточным слоем и слоем защиты от износа или основным элементом поршневого кольца.
В примере выполнения слой защиты от износа нанесен в осевом направлении только на часть наружной поверхности основного элемента поршневого кольца или промежуточного слоя. Далее, предусмотрено также снабжать только часть наружной поверхности поршневого кольца промежуточным слоем или частично удалять его после нанесения. При этом настоящее изобретение может использоваться, в частности, также в области маслосъемных колец.
-6
-6
-6
В следующем примере выполнения первый коэффициент теплового расширения составляет от 8 до 12·10/K, второй коэффициент теплового расширения составляет от 2 до 5·10/К и третий коэффициент теплового расширения составляет от 16 до 90·10/К. В этих диапазонах ожидаются наиболее благоприятные эффекты, которые устраняют сегодняшние проблемы с покрытиями поршневых колец.
Предпочтительно снаружи на слое защиты от износа расположен слой притирки. Такой слой может положительно влиять на процесс приработки двигателя.
Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут подробно описаны примеры осуществления изобретения. На чертежах:
фиг. 1 изображает на виде сверху обычное поршневое кольцо,
фиг. 2 изображает на виде сверху обычное поршневое кольцо, снабженное слоем защиты от износа,
фиг. 3 изображает на виде сверху поршневое кольцо по изобретению, снабженное только промежуточным слоем,
фиг. 4 изображает на виде сверху поршневое кольцо по изобретению, снабженное слоем покрытия защиты от износа и промежуточным слоем,
фиг. 5 изображает в разрезе обычное поршневое кольцо,
фиг. 6 изображает в разрезе обычное поршневое кольцо со слоем защиты от износа,
фиг. 7 изображает в разрезе поршневое кольцо по изобретению, снабженное слоем покрытия защиты от износа и промежуточным слоем,
фиг. 8 изображает в разрезе поршневое кольцо по фиг. 7 с дополнительным покрытием притирки,
фиг. 9 изображает в разрезе поршневое кольцо по фиг. 7 в дополнительном примере выполнения, в котором слой защиты от износа нанесен только на часть наружной поверхности поршневого кольца.
В последующем подробном описании и на чертежах одни и те же или сходные элементы или компоненты обозначены одинаковыми позициями. Чертежи служат для наглядности и выполнены не в масштабе, а представляют только схематичные изображения.
На фиг. 1 показано на виде сверху обычное поршневое кольцо 2 без какого-либо покрытия. Основной элемент 4 поршневого кольца представляет собой почти замкнутую дугу окружности. Замковые концы поршневого кольца 2 оказывают на внутреннюю стенку цилиндра небольшое усилие, обозначенное короткими стрелками. При нагреве или достижении рабочей температуры это усилие изменяется не особенно значительно, так как поршневое кольцо из единого материала не проявляет биметаллического эффекта.
На фиг. 2 показано на виде сверху обычное поршневое кольцо 2 из материала со слоем 8 защиты от износа. В этом поршневом кольце 2 на основной элемент 4 способом физического осаждения из газовой фазы (от англ. PVD - physical vapor deposition) нанесен слой 8 защиты от износа. Слой 8 защиты от износа более устойчив и более прочен, чем материал основного элемента 4 поршневого кольца. Поэтому он имеет более низкий коэффициент теплового расширения, чем материал основного элемента 4 поршневого кольца. При нагреве создается биметаллический эффект, особенно на замковых концах, в результате чего они прижимаются наружу, что приводит к более интенсивному износу замковых концов. Вследствие этого более интенсивного износа создается опасность задира поршневого кольца с последующим разрушением двигателя, так как повышенное прижимное усилие замковых концов уже не может компенсироваться смазочной пленкой внутренней стенки цилиндра. Замковые концы поршневого кольца 2 передают высокое усилие на внутреннюю стенку цилиндра, что показано длинными стрелками. Это усилие существенно выше по сравнению с холодным поршневым кольцом.
На фиг. 2 этот эффект показан изображением штриховыми линиями поршневого кольца при рабочей температуре. Более длинные стрелки на замковых концах иллюстрируют более высокое прижимное усилие воздействия замковых концов на внутреннюю стенку цилиндра.
Этот эффект может быть компенсирован формированием поршневого кольца некруглой формы, однако во многих случаях этого бывает недостаточно. При этом поршневое кольцо формируют таким образом, что его деформация при нагреве компенсирует биметаллический эффект.
На фиг. 3 показано на виде сверху обычное поршневое кольцо 2 из материала, снабженное только промежуточным слоем 6. В этом поршневом кольце на основной элемент 4 нанесен медный слой 6. Промежуточный слой 6 имеет меньшую твердость, чем материал основного элемента 4 поршневого кольца. Поэтому он имеет более высокий коэффициент теплового расширения, чем материал основного элемента 4 поршневого кольца. При нагреве создается биметаллический эффект, особенно на замковых концах, в результате чего они прижимаются внутрь, что приводит к меньшему износу замковых концов. Благодаря промежуточному слою устраняется более интенсивный износ. Однако поскольку промежуточный слой состоит из более мягкого, то есть менее твердого материала, чем поршневое кольцо, он быстро снимается по всей окружной периферии, что в результате опять приводит к повышенному износу.
Замковые концы поршневого кольца 2, снабженного только промежуточным слоем 6, передают небольшое прижимное усилие на внутреннюю стенку цилиндра, что показано короткими стрелками. Это усилие снижается при нагреве или при достижении рабочей температуры.
На фиг. 3 этот эффект показан изображением штриховыми линиями поршневого кольца при рабочей температуре. Более короткие стрелки на замковых концах иллюстрируют более низкое прижимное усилие воздействия замковых концов на внутреннюю стенку цилиндра. Штриховые линии показывают деформацию поршневого кольца при нагреве.
На фиг. 4 показано поршневое кольцо 2 по изобретению из материала, снабженного слоем покрытия защиты от износа и промежуточным слоем. В этом примере выполнения на основной элемент 4 поршневого кольца нанесен промежуточный слой 6 и способом физического осаждения из газовой фазы нанесен слой 8 защиты от износа. Описанные ранее биметаллические эффекты могут оказывать взаимное противодействие при соответствующем выборе постоянных материала и толщины слоев. За счет этого прижимное усилие замковых концов может удерживаться на желаемом уровне во всех температурных диапазонах. Одновременно благодаря слою 8 защиты от износа может быть повышен срок службы поршневого кольца, а вместе с ним и двигателя. Благодаря настоящему изобретению можно получать преимущества поршневого кольца, снабженного слоем защиты от износа, без необходимости мириться с недостатками, такими как повышенное прижимное усилие на замковых концах. Преимущество настоящего изобретения состоит в том, что необходимо снабжать покрытием только наружные поверхности поршневого кольца, что в технологическом плане означает существенное упрощение процесса изготовления.
На фиг. 5 показано в разрезе обычное поршневое кольцо или основной элемент 4 поршневого кольца, то есть поршневое кольцо по фиг. 1.
На фиг. 6 показано в разрезе обычное поршневое кольцо с основным элементом 4 и слоем 8 защиты от износа, то есть поршневое кольцо по фиг. 2.
На фиг. 7 показано в разрезе поршневое кольцо 2 по изобретению, в котором на основной элемент 4 нанесены слой 8 защиты от износа и промежуточный слой 6.
На фиг. 8 показано в разрезе поршневое кольцо по фиг. 7 с дополнительным покрытием 10 притирки.
На фиг. 9 показано в разрезе поршневое кольцо по фиг. 7 в дополнительном примере выполнения, в котором слой 8 защиты от износа нанесен только на часть наружной поверхности поршневого кольца 2. Этот пример выполнения особенно подходит для маслосъемных колец, которые прилегают к внутренней стенке цилиндра только двумя или тремя поясками для создания масляной пленки на внутренней стенке цилиндра.
Изображения на чертежах имеют схематичный характер и не отражают реальных соотношений величин. В рамках изобретения возможны дальнейшие комбинации описанных примеров выполнения