ШАТУН С ПОКРЫТИЕМ, УЗЕЛ ДВИГАТЕЛЯ И СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ШАТУН
COATED CONNECTING ROD, ENGINE ASSEMBLY AND METHOD OF APPLYING COATING ON THE CONNECTING ROD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение в целом относится к шатуну с покрытием и способу выполнения такового.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Шатун может использоваться для присоединения поршня к коленчатому валу в узле двигателя, посредством чего, вращательные движения могут преобразовываться в возвратно-поступательные движения. В качестве части компонентов преобразования энергии, любой износ поверхности на шатуне может превращаться в добавочное механическое трение, которое может давать в результате снижение экономии топлива.
Таким образом, было бы полезным, если бы шатуны могли производиться, чтобы иметь относительно большую устойчивость к износу поверхности и механическому трению.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном из аспектов изобретения предложен шатун с покрытием, содержащий:
первую головку с первым проемом;
вторую головку со вторым проемом; и
корпус, соединяющий первую и вторую головки вдоль продольной оси, при этом первая головка дополнительно содержит первые переднюю и заднюю упорные поверхности, примыкающие к первому проему, и антифрикционное покрытие, частично контактирующее с по меньшей мере одной из первых передней и задней упорных поверхностей.
В одном из вариантов предложен шатун, в котором передняя упорная поверхность содержит передний участок с покрытием и передний участок без покрытия, причем передний участок с покрытием расположен между передним участком без покрытия и второй головкой вдоль продольной оси.
В одном из вариантов предложен шатун, в котором передняя упорная поверхность содержит передний участок с покрытием и передний участок без покрытия, причем передний участок без покрытия расположен между передним участком с покрытием и второй головкой вдоль продольной оси.
В одном из вариантов предложен шатун, в котором передняя упорная поверхность содержит передний участок с покрытием, содержащий первое множество передних областей с покрытием, и передний участок без покрытия, содержащий второе множество передних областей без покрытия, причем первое множество передних областей с покрытием разнесены друг от друга вторым множеством передних областей без покрытия.
В одном из вариантов предложен шатун, в котором задняя упорная поверхность содержит задний участок с покрытием и задний участок без покрытия, причем задний участок с покрытием расположен между задним участком без покрытия и второй головкой вдоль продольной оси.
В одном из вариантов предложен шатун, в котором задняя упорная поверхность содержит задний участок с покрытием и задний участок без покрытия, причем задний участок без покрытия расположен между задним участком с покрытием и второй головкой вдоль продольной оси.
В одном из вариантов предложен шатун, в котором задняя упорная поверхность содержит задний участок с покрытием, содержащий первое множество задних областей с покрытием, и задний участок без покрытия, содержащий второе множество задних областей без покрытия, причем первое множество задних областей с покрытием разнесены друг от друга вторым множеством задних областей без покрытия.
В одном из вариантов предложен шатун, в котором передняя упорная поверхность содержит передний участок с покрытием и передний участок без покрытия, причем предусмотрен зазор передний поверхности между участками поверхности с покрытием и без покрытия при измерении по толщине.
В одном из вариантов предложен шатун, в котором задняя упорная поверхность содержит задний участок с покрытием и задний участок без покрытия, причем предусмотрен зазор задней поверхности между участками поверхности с покрытием и без покрытия при измерении по толщине.
В одном из вариантов предложен шатун, в котором передняя упорная поверхность содержит передний участок с покрытием и передний участок без покрытия с некоторым соотношением передних участков между собой, а задняя упорная поверхность содержит задний участок с покрытием и задний участок без покрытия с некоторым соотношением задних участков между собой, при этом по меньшей мере одно из соотношений передних и задних участков составляет от 25 до 75 процентов по величине.
В одном из вариантов предложен шатун, в котором вторая головка содержит вторую переднюю поверхность и вторую заднюю поверхность, примыкающие к второму проему, и антифрикционное покрытие, по меньшей мере частично контактирующее с по меньшей мере одной из второй передний поверхности и второй задней поверхности.
В одном из дополнительных аспектов предложен узел двигателя, содержащий:
шатун с покрытием, содержащий первую головку, вторую головку и корпус, соединяющий первую и вторую головки вдоль продольной оси;
коленчатый вал, принятый через первый проем первой головки, причем первая головка дополнительно содержит первые переднюю и заднюю упорные поверхности, примыкающие к первому проему, и антифрикционное покрытие, частично контактирующее по меньшей мере с одной из первых передней и задней упорных поверхностей; и
поршень, принятый через второй проем второй головки.
В одном из вариантов предложен узел, в котором передняя упорная поверхность содержит передний участок с покрытием, содержащий первое множество передних областей с покрытием, и передний участок без покрытия, содержащий второе множество передних областей без покрытия, причем первое множество передних областей с покрытием разнесены друг от друга вторым множеством передних областей без покрытия.
В одном из вариантов предложен узел, в котором передняя упорная поверхность содержит передний участок с покрытием и передний участок без покрытия, причем предусмотрен зазор передний поверхности между участками поверхности с покрытием и без покрытия при измерении по толщине.
В одном из вариантов предложен узел, в котором передняя упорная поверхность содержит передний участок с покрытием и передний участок без покрытия с некоторым соотношением передних участков между собой, а задняя упорная поверхность содержит задний участок с покрытием и задний участок без покрытия с некоторым соотношением задних участков между собой, при этом по меньшей мере одно из соотношений передних и задних участков составляет от 25 до 75 процентов по величине.
В одном из еще дополнительных аспектов предложен способ нанесения покрытия на шатун для образования шатуна с покрытием, содержащего первую головку с первым проемом для приема коленчатого вала, вторую головку со вторым проемом для приема поршня, и корпус, соединяющий первую и вторую головки вдоль продольной оси, причем первая головка дополнительно содержит первые переднюю и заднюю поверхности, примыкающие к первому проему, при этом способ включает в себя этап, на котором:
наносят антифрикционное покрытие на участок по меньшей мере одной из первых передней и задней поверхностей, примыкающих к первому проему.
В одном из вариантов предложен способ, дополнительно включающий в себя этап, на котором выполняют поднутрение еще одного участка по меньшей мере одной из первых передней и задней поверхностей, примыкающих к первому проему.
В одном из вариантов предложен способ, в котором этап выполнения поднутрения завершают не позже завершения этапа нанесения антифрикционного покрытия.
В одном из вариантов предложен способ, в котором этап выполнения поднутрения завершают раньше начала этапа нанесения антифрикционного покрытия.
В одном из вариантов предложен способ, дополнительно включающий в себя этап, на котором наносят антифрикционное покрытие на по меньшей мере одну из второй передний поверхности и второй задней поверхности второй головки, примыкающих ко второму проему.
Вышеприведенные преимущества и другие преимущества и признаки будут без труда очевидны из последующего подробного описания вариантов осуществления, когда воспринимаются в связи с прилагаемыми чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для более полного понимания вариантов осуществления этого изобретения, далее будет сделана ссылка на варианты осуществления, подробнее проиллюстрированные на прилагаемых чертежах и описанные ниже в качестве примеров, при этом:
фиг. 1A иллюстративно изображает вид спереди шатуна согласно одному или более вариантов осуществления;
фиг. 1B иллюстративно изображает альтернативный вид спереди шатуна, указанного ссылкой на фиг. 1A;
фиг. 1C иллюстративно изображает вид сзади шатуна, указанного ссылкой на фиг. 1A, фиг. 1B или фиг. 1D;
фиг. 1D иллюстративно изображает еще один другой альтернативный вид спереди шатуна, указанного ссылкой на фиг. 1A или фиг. 1B;
фиг. 2 иллюстративно изображает вид сверху вниз шатуна, указанного ссылкой на фиг. 1A или фиг. 1C;
фиг. 3 иллюстративно изображает местный общий вид узла двигателя, содержащего шатун, указанный ссылкой на любой из фиг. 1A - 1D; и
фиг. 4 иллюстративно изображает неограничивающий способ формирования шатуна с покрытием, указанного ссылкой на фиг. 1A - фиг. 1D.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В качестве указанных ссылкой на фигурах, одинаковые ссылочные позиции используются для указания идентичных компонентов. В последующем описании, различные рабочие параметры и компоненты описаны для разных конструктивных вариантов осуществления. Эти специфичные параметры и компоненты включены в состав в качестве примеров и не подразумеваются ограничивающими.
Полагается, что раскрытая обладающая признаками изобретения концепция должна преодолеть одну или более из проблем, связанных с шатунами и узлами двигателя, использующими таковые.
Как детализировано еще в материалах настоящего описания, настоящее изобретение в одном или более вариантов осуществления полезно по меньшей мере предоставлением шатуна с относительно большей устойчивостью к поверхностному износу, а отсюда, с более продолжительным сроком службы. Шатун снабжен антифрикционным покрытием, которое контактирует только с участком упорной поверхности(ей) шатуна. Частичное покрытие обеспечивает антифрикционное действие наряду с синергетической выдачей дополнительного выигрыша экономической эффективности, так как полное покрытие может не быть нужным. Этот выигрыш дополнительно усиливается, когда антифрикционное покрытие содержит материалы и/или работы, которые могут быть очень дорогостоящими сами по себе. Более того, когда антифрикционное покрытие содержит материалы, которые могут требовать высокой температуры для нанесения, высокая температура может отрицать выгоды некоторых поверхностных обработок, таких как может требовать дробеструйная обработка шатуна. Поэтому, посредством частичного покрытия шатуна материалом антифрикционного покрытия на площади и в пределах по мере надобности, излишние материальные затраты и трудозатраты, и ненужное механическое напряжение у шатуна, сообщаемое самим нанесением покрытия, могут уменьшаться.
В одном или более вариантов осуществления, и как иллюстративно изображено на фиг. 1A-1D, 2 и 3, шатун с покрытием, в целом показанный под позицией 100, содержит первую головку 102 с первым проемом 108 для приема коленчатого вала 304, вторую головку 104 со вторым проемом 110 для приема поршня 302, и корпус 106, соединяющий первую и вторую головки 102, 104 вдоль продольной оси L, при этом первая головка 102 дополнительно содержит первые переднюю и заднюю упорные поверхности 112, 114, граничащие с первым проемом 108, и антифрикционное покрытие 116, частично контактирующее с по меньшей мере одной из первых передней и задней упорных поверхностей 112, 114.
Передняя упорная поверхность 112 может включать в себя передний участок 112b с покрытием и передний участок 112a без покрытия, разделяемые линиями 124 и 126. Линии 124, 126 не должны быть прямыми и могут иметь любую пригодную форму, такую как кривая линия и линия с поворотами или углами. Наличие участка 112a без покрытия демонстрирует обладающее признаками изобретения открытие согласно настоящему изобретению, что антифрикционное покрытие 116 не должно покрывать всю упорную поверхность, такую как полная передняя упорная поверхность 112, изображенная на фиг. 1A, фиг. 1B или фиг. 1D. Сравнительное соотношение площадей поверхности между передним участком 112b с покрытием в сравнении с передним участком 112a без покрытия может меняться по мере надобности.
Термин «упорная поверхность» может указывать ссылкой на выступающий участок, примыкающий к проему, такому как первый проем 108 или второй проем 110, где коленчатый вал 304 или поршень 302 могут входить в контакт с шатуном 100.
Возвращаясь к фиг. 1A и фиг. 1B, передний участок 112b с покрытием может быть расположен между передним участком 112a без покрытия и второй головкой 104 вдоль продольной оси L, как показано на фиг. 1A; в качестве альтернативы, передний участок 112a без покрытия может быть расположен между передним участком 112b с покрытием и второй головкой 104 вдоль продольной оси L, как показано на фиг. 1B.
Кроме того, в качестве альтернативы, и как иллюстративно изображено на фиг. 1D, передний участок 112b с покрытием может включать в себя некоторое множество областей 112bi, 112bii, 112biii, 112biv и 112bv с покрытием. Хотя только пять отдельных областей показаны на фиг. 1D, покрытые области могут меняться по количеству, и интервал между любыми двумя смежными областями с покрытием может меняться по значению по мере надобности. Области с покрытием могут быть отделены друг от друга областями 112ai - 112av без покрытия; области без покрытия могут быть поднутрены, чтобы предоставлять утопленный участок относительно ответных областей 112bi-112bv с покрытием. Не ограничиваясь какой бы то ни было конкретной теорией, полагается, что наличие утопленного участка, такого как участки 112a-112av без покрытия, эффективно уменьшает степень контакта между упорной поверхностью шатуна 100 и коленчатым валом 304. Частичный контакт упрочняется посредством использования материала покрытия, такого как антифрикционное покрытие 116.
Чтобы гарантировать, что частичный контакт, производимый выпуклыми участками 112b или с 112bi по 112bv, по-прежнему дает прочность, необходимую для обеспечения соединения с коленчатым валом 304, пригодное соотношение участков может быть спроектировано между общей площадью выпуклых участков по сравнению с общей площадью утопленных участков передний или задней упорных поверхностей. Вообще, соотношение участков может иметь значение от 25 процентов до 75 процентов, от 35 процентов до 65 процентов, или от 45 процентов до 55 процентов.
Фиг. 1C иллюстративно изображает вид сзади шатуна 100 с покрытием, указанного ссылкой на фиг. 1A или фиг. 1B. Те же самые аргументация и конструкция для частичного покрытия, описанного в отношении фиг. 1A и/или фиг. 1B, могут применяться к конструкции задней упорной поверхности 114 шатуна 100 с покрытием, указанного ссылкой на фиг. 1C. Поэтому, задняя упорная поверхность 114 подобным образом может содержать задний участок 114b с покрытием и задний участок 114a без покрытия со сравнительным соотношением участков между собой по мере надобности. Антифрикционное покрытие 116 в качестве нанесенного на передний участок 112b с покрытием и задний участок 114b с покрытием может быть идентичным или разным по составу, толщине покрытия и/или площади охвата. К тому же, подобным образом, задняя упорная поверхность 114 может перенимать конструкцию, изображенную на фиг. 1D, чтобы иметь некоторое множество областей с покрытием, разделенных некоторым множеством областей без покрытия.
F
F
F
F
F
F
Возвращаясь к фиг. 1A или фиг. 1C ввиду фиг. 2, по меньшей мере часть переднего участка 112a без покрытия (не контактирующего с антифрикционным покрытием 116) поднутряется, чтобы был предусмотрен ненулевой зазор G передний поверхности, определяющий различие между поверхностью 212b переднего участка 112b с покрытием и поверхностью 212a переднего участка 112a без покрытия. В некоторых примерах, зазор G передней поверхности может иметь значение, большее, чем толщина антифрикционного покрытия 116. Поэтому зазор G передний поверхности может существовать до нанесения антифрикционного покрытия 116. В некоторых случаях, зазор G передний поверхности составляет от 0,1 до 0,6 миллиметров, от 0,15 до 0,55 миллиметров, от 0,20 до 0,50 миллиметров, от 0,25 до 0,45 миллиметров или от 0,30 до 0,40 миллиметров. Значение G может быть изменено согласно данной конструкции; однако, пригодный диапазон для значения G может быть определен, чтобы конструктивное пространство для ширины подшипника, а отсюда, прочность подшипника, не подвергались ухудшению.
B
B
B
B
F
B
B
Подобным образом, по меньшей мере часть заднего участка 114a без покрытия (не контактирующего с антифрикционным покрытием 116) также может быть поднутрена, чтобы был предусмотрен ненулевой зазор G задней поверхности, определяющий различие между поверхностью 214b заднего участка 114b с покрытием и поверхностью 214a заднего участка 114a без покрытия. В некоторых примерах, зазор G задней поверхности может иметь значение, большее, чем толщина антифрикционного покрытия 116. Поэтому зазор G задней поверхности может существовать до нанесения антифрикционного покрытия 116. В некоторых случаях, зазор G задней поверхности составляет от 0,1 до 0,6 миллиметров, от 0,15 до 0,55 миллиметров, от 0,20 до 0,50 миллиметров, от 0,25 до 0,45 миллиметров или от 0,30 до 0,40 миллиметров. Подобно значению G, значение G может быть изменено согласно данной конструкции; однако, пригодный диапазон для значения G может быть определен, чтобы конструктивное пространство для ширины подшипника, а отсюда, прочность подшипника, не подвергались ухудшению.
В некоторых случаях, и как изображено на фиг. 1A и/или фиг. 1C, антифрикционное покрытие 116 может быть выполнено с возможностью иметь две или более разнесенных области 116i, 116ii. Хотя две области 116i, 116ii показаны на фиг. 1A и фиг. 1C, общее количество областей может меняться по мере надобности. Например, и как иллюстративно изображено на фиг. 1D, антифрикционное покрытие 116 может быть присутствующим в каждой из областей 112bi-112bv с покрытием.
В некоторых случаях, вторая головка 104 может включать в себя вторую переднюю поверхность 130 и вторую заднюю поверхность 122, примыкающие к второму проему 110, и антифрикционное покрытие 116, по меньшей мере частично контактирующее с второй передний поверхностью 120, второй задней поверхностью 122 или обеими.
В еще одном или более вариантов осуществления, и как иллюстративно изображено на фиг. 3, узел двигателя, в целом показанный под позицией 300, содержит шатун 100 с покрытием, описанный в материалах настоящего описания, и поршень 302 и коленчатый вал 304, присоединенные к шатуну 100 с покрытием.
В еще одном другом или дополнительных вариантах осуществления, и как иллюстративно изображено на фиг. 4, предусмотрен способ, в целом показанный под позицией 400, нанесения покрытия на шатун для образования шатуна с покрытием, такого как шатун 100 с покрытием, описанный в материалах настоящего описания, способ включает в себя этап, на котором наносят антифрикционное покрытие на участок по меньшей мере одной из первых передней и задней поверхностей, примыкающих к первому проему.
Возвращаясь к фиг. 4, способ 400 включает в себя, на этапе 402, предоставление шатуна в качестве исходного инструментального средства. На этапе 404, выполнение к поднутрений или утопленных участков, таких как участки и области 112a, 112ai, 112aii, 112aiii, 112aiv и 112av, указываемые ссылкой в материалах настоящего описания. На этапе 406, материал антифрикционного покрытия наносят на оставшиеся участки упорных поверхностей. Оставшиеся участки являются теми, которые могут быть оставлены на упорных поверхностях, которые не были поднутрены, а потому, являются зонами выпуклых участков относительно поднутренных участков.
Возвращаясь к фиг. 4, вслед за этапом 402, способ 400 может изменяться, например, между направлением «A» и направлением «B». Согласно направлению «B», этап выполнения поднутрения, указанного ссылкой на этапе 404, может завершаться не позже завершения этапа нанесения антифрикционного покрытия на этапе 406. Согласно направлению «A», этап выполнения поднутрения, указанного на этапе 404, может завершаться до начала этапа 406 нанесения антифрикционного покрытия.
Шатун 100 с покрытием, исключая антифрикционное покрытие 116, может быть выполнен из любых пригодных материалов. Неограничивающие примеры пригодных материалов включают в себя сталь и/или титан.
Антифрикционное покрытие 116 может иметь любые подходящие антифрикционные составы, в том числе, некоторые неорганические полимеры, такие как оксиды железа, и углеродсодержащие материалы, такие как материалы покрытия из алмазоподобного углерода (DLC).
В частности, покрытия из DLC могут демонстрировать определенный требуемый низкий коэффициент трения и высокую микротвердость, делающую их эффективными в многих применениях с износом. Покрытия из DLC обычно формируются, когда ионизированные и разложенные углеродистые или углеводородные соединения осаждаются на поверхности подложки энергией. Свойства пленки из DLC могут регулироваться посредством регулировки характеристик потока определенной технологии осаждения, такой как распыление или испарение PVD, и Pa-CVD.
Антифрикционное покрытие 116 может включать в себя очень низкое содержание металла, например, иметь содержание металла менее чем 20 весовых процентов, 15 весовых процентов, 10 весовых процентов или 5 весовых процентов. Антифрикционное покрытие содержит меньше, чем 20 весовых процентов хрома или CrN.
В одном или более вариантов осуществления, раскрытое изобретение, как изложено в материалах настоящего описания, преодолевает одну или более проблем, связанных с поверхностным износом шатунов и узлов двигателя. Однако специалист в данной области техники без труда распознает, из такого всестороннего рассмотрения и из прилагаемых чертежей и формулы изобретения, что различные изменения, модификации и варианты могут быть произведены в материалах настоящего описания, не выходя из действительной сущности и справедливого объема изобретения, как определено следующей формулой изобретения.