Поршневое кольцо со сниженным трением
Изобретение относится к механизму, содержащему цилиндр (103) и набор поршневых колец для поршня (109) механизма, содержащего первое поршневое кольцо (207) первого сечения и второе поршневое кольцо (207) второго сечения, причем первое и второе сечения различны, каждое из поршневых колец (207) содержи периферийную поверхность (217), выполненную с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью (105) цилиндра (103), причем внутренняя поверхность (105) содержит по меньшей мере одну канавку (129), углубленную во внутренней поверхности (105), взаимодействие контактного участка периферийной поверхности (217) каждого из поршневых колец (207) с внутренней поверхностью (105) цилиндра (103) определяет соответствующие области контакта (111) между ними и остальная часть периферийной поверхности (217) каждого из поршневых колец (207) не взаимодействует с внутренней поверхностью (105). Контактный участок периферийной поверхности (217) каждого из поршневых колец (207) выполнен таким образом, что отношение размера каждой из областей контакта (211) в направлении перемещения поршня (109) к размеру канавки (129) в направлении перемещения поршня (109) находится в диапазоне приблизительно от 5:1 до 5:3. Изобретение обеспечивает снижение трения между поршневыми кольцами и внутренней поверхностью двигателя. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 10 ил.
Настоящее изобретение относится к поршневому кольцу, выполненному с возможностью снижения трения между поршневым кольцом и полостью цилиндра, и, более конкретно, относится к поршневому кольцу, периферийная поверхность которого выполнена с возможностью удержания смазки в одной или нескольких канавках полости цилиндра.
Введение
Двигатель внутреннего сгорания обычно содержит один или несколько совершающих возвратно-поступательные движения поршней, которые смазывают для снижения трения при скольжении поршня внутри полости цилиндра. Смазанные скользящие контакты, такие как между поршневыми кольцами поршня и внутренней поверхностью полости цилиндра, подвержены потерям на трение вследствие поперечных усилий, возникающих в смазке, контакте между неровностями поверхности, и из-за поверхностных эффектов, вызываемых присадками в масле.
Для повышения эффективности двигателя и снижения износа компонентов двигателя, желательно снижать трение между поршневыми кольцами и внутренней поверхностью цилиндра. Трение между компонентами может определяться несколькими факторами, среди которых рабочие параметры двигателя и форма каждой из поверхностей скольжения. Например, коэффициент трения между компонентами скольжения может быть определен по кривой Штрибека, используемой для классификации свойств скольжения между двумя поверхностями как функции от вязкости смазки и относительной скорости компонентов в зависимости от нагрузки. По существу, трение может быть минимизировано посредством работы в точке, соответствующей минимуму кривой Штрибека, которая определяет переход из области гидродинамического режима смазки в область смешанного режима смазки. Тем не менее, поддерживать работу при точке минимума кривой Штрибека на протяжении всего хода поршня сложно ввиду низкой скорости поршня относительно цилиндра в крайних точках амплитуды движения поршня.
Краткое описание
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, предложено поршневое кольцо для поршня. Поршень может быть поршнем механизма с вращательным и возвратно-поступательным движением, например, поршень может быть поршнем двигателя внутреннего сгорания, компрессора или вакуумного насоса. Поршень может быть поршнем механизма только с возвратно-поступательным движением, например, линейного привода. Поршневое кольцо содержит периферийную поверхность. Цилиндр содержит внутреннюю поверхность. Периферийная поверхность выполнена с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью. Термин 'взаимодействие' употреблен в значении, которое охватывает две поверхности, разделенные тонким слоем смазки, а так же поверхности, имеющие непосредственный физический контакт. Внутренняя поверхность цилиндра может быть внутренней поверхностью полости цилиндра в блоке цилиндров. Внутренняя поверхность может быть внутренней поверхностью гильзы цилиндра полости цилиндра. Внутренняя поверхность содержит по меньшей мере одну канавку, углубленную во внутренней поверхности, например, полость, выполненную с возможностью удерживания смазки.
Взаимодействие периферийной поверхности поршневого кольца с внутренней поверхностью цилиндра определяет область контакта между периферийной поверхностью и внутренней поверхностью. Периферийная поверхность может содержать контактный участок, выполненный с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью цилиндра. Периферийная поверхность может содержать не контактный участок, выполненный с возможностью обеспечения отступа от внутренней поверхности цилиндра. Таким образом, поршневое кольцо может быть выполнено таким образом, что только участок периферийной поверхности, то есть, не вся периферийная поверхность, взаимодействует с внутренней поверхностью цилиндра при работе механизма. Контактный участок периферийной поверхности может определять область контакта между периферийной поверхностью и внутренней поверхностью.
Размер области контакта в направлении перемещения поршня, например, продольный размер, определяет общую длину области контакта в направлении перемещения поршня. Область контакта может иметь максимальный размер в направлении перемещения поршня. Участок периферийной поверхности, взаимодействующий с внутренней поверхностью, может определять максимальный размер области контакта в направлении перемещения поршня. Периферийная поверхность нового поршневого кольца может быть выполнена таким образом, что размер области контакта в направлении перемещения поршня превышает размер канавки в направлении перемещения поршня. Периферийная поверхность поршневого кольца может быть выполнена таким образом, что отношение размера области контакта в направлении перемещения поршня к размеру канавки в направлении перемещения поршня находится в диапазоне приблизительно от 5:1 до 5:3. Например, канавка может иметь максимальный размер приблизительно 60 мкм в направлении перемещения поршня. Периферийная поверхность поршневого кольца может быть выполнена с возможностью обеспечения области контакта размером приблизительно от 100 до 300 мкм в направлении перемещения поршня. Таким образом, периферийная поверхность поршневого кольца может быть выполнена с возможностью перекрывания, то есть полного охвата, углубления канавки для предотвращения вытекания смазки из канавки. В возможных вариантах конструкций упомянутый диапазон может составлять от 5:1 до 5:2 или от 5:2 до 5:3.
Поршневое кольцо может быть выполнено таким образом, что по меньшей мере участок периферийной поверхности поршневого кольца параллелен внутренней поверхности цилиндра при работе двигателя. Поршневое кольцо, например, периферийная поверхность поршневого кольца, может быть выполнено с возможностью упругой деформации при взаимодействии с внутренней поверхностью цилиндра. Размер, например, максимальный размер, области контакта в направлении перемещения поршня может определяться размером, например, максимальным размером, упруго деформируемого участка периферийной поверхности в направлении перемещения поршня. Размер упруго деформируемого участка в направлении перемещения поршня может превышать размер канавки в направлении перемещения поршня.
При работе двигателя в области контакта между периферийной поверхностью поршневого кольца и внутренней поверхностью цилиндра может быть обеспечена тонкая пленка смазки. Упомянутая тонкая пленка смазки может иметь толщину, по существу, неизменную в направлении перемещения поршня, при работе двигателя. Периферийная поверхность поршневого кольца может быть выполнена с возможностью поддержания тонкой пленки смазки, размер которой в направлении перемещения поршня больше, чем размер канавки в направлении перемещения поршня. Например, размер параллельного участка периферийной поверхности в направлении перемещения поршня может быть достаточно велик для поддержания тонкой пленки смазки, размер которой в направлении перемещения поршня больше, чем размер канавки в направлении перемещения поршня.
Поршневое кольцо может содержать множество периферийных поверхностей. Например, каждая периферийная поверхность поршневого кольца может взаимодействовать со внутренней поверхностью и обеспечивать соответствующие области контакта.
Поршневое кольцо может быть компрессионным кольцом, например, поршневым кольцом бочкообразного профиля. Поршневое кольцо может быть маслосъемным кольцом, например, коническим поршневым кольцом или скребковым кольцом. Поршневое кольцо может быть маслоудерживающим кольцом, например, маслоудерживающим кольцом, состоящим из двух частей, каждая из частей которого содержит периферийную поверхность.
Может быть предложен механизм, содержащий одно или более из вышеуказанных поршневых колец. Упомянутый механизм может быть механизмом с вращательными и возвратно-поступательными движениями, например, механизм может быть двигателем внутреннего сгорания, компрессором или вакуумным насосом. Упомянутый механизм может быть механизмом только с возвратно-поступательным движением, например, линейным приводом. Может быть предложено транспортное средство, содержащее одно или несколько упомянутых выше поршневых колец и/или механизмов.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предложен набор поршневых колец для поршня. Каждое из поршневых колец содержит периферийную поверхность, выполненную с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью цилиндра. Внутренняя поверхность цилиндра содержит по меньшей мере одну канавку, углубленную во внутренней поверхности. Взаимодействие периферийной поверхности каждого поршневого кольца с внутренней поверхностью цилиндра определяет область контакта между периферийной поверхностью и внутренней поверхностью. Например, набор поршневых колец может содержать множество поршневых колец, каждое из которых содержит периферийную поверхность, выполненную с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью, в результате чего набор поршневых колец образует множество областей контакта при установке в цилиндре. Каждая область контакта имеет размер в направлении перемещения поршня, например, продольный размер, определяющий общую длину области контакта в направлении перемещения поршня. Каждая область контакта может иметь максимальный размер в направлении перемещения поршня. Участок каждой из периферийных поверхностей, взаимодействующий с внутренней поверхностью, может определять максимальный размер области контакта в направлении перемещения поршня. Периферийная поверхность каждого поршневого кольца может быть выполнена таким образом, что размер области контакта в направлении перемещения поршня превышает размер канавки в направлении перемещения поршня. Периферийная поверхность каждого поршневого кольца может быть выполнена таким образом, что отношение размера области контакта в направлении перемещения поршня к размеру канавки в направлении перемещения поршня находится в диапазоне приблизительно от 5:1 до 5:3. В возможных вариантах конструкций упомянутый диапазон может составлять от 5:1 до 5:2 или от 5:2 до 5:3.
Набор поршневых колец может содержать первое поршневое кольцо, выполненное таким образом, что отношение размера области контакта, например, первой области контакта, в направлении перемещения поршня к размеру канавки в направлении перемещения поршня находится в диапазоне приблизительно от 5:1 до 5:3. Набор поршневых колец может содержать второе поршневое кольцо, выполненное таким образом, что отношение размера области контакта, например, второй области контакта, в направлении перемещения поршня к размеру канавки в направлении перемещения поршня находится в диапазоне приблизительно от 5:1 до 5:3 и отлично от отношения для первого поршневого кольца. Например, отношение размера канавки в направлении перемещения поршня к размеру первой области контакта в направлении перемещения поршня может быть отлично от отношения размера канавки в направлении перемещения поршня к размеру второй области контакта в направлении перемещения поршня.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предложен способ проектирования, выполнения и/или изготовления поршневого кольца для поршня. Поршень может быть поршнем вращательного и/или возвратно-поступательного механизма. Например, поршень может быть поршнем двигателя внутреннего сгорания. Поршневое кольцо содержит периферийную поверхность. Цилиндр содержит внутреннюю поверхность. Периферийная поверхность и внутренняя поверхность выполнены с возможностью взаимодействия друг с другом. Внутренняя поверхность цилиндра может быть внутренней поверхностью полости цилиндра в блоке цилиндров. Внутренняя поверхность может быть внутренней поверхностью гильзы цилиндра полости цилиндра. Внутренняя поверхность содержит по меньшей мере одну канавку, углубленную во внутренней поверхности, например, полость, выполненную с возможностью удерживания смазки. Взаимодействие периферийной поверхности поршневого кольца с внутренней поверхностью цилиндра определяет область контакта между периферийной поверхностью и внутренней поверхностью. Область контакта может иметь максимальный размер в направлении перемещения поршня. Участок периферийной поверхности, взаимодействующий с внутренней поверхностью, может определять максимальный размер области контакта в направлении перемещения поршня. Упомянутый способ содержит определение размера канавки в направлении перемещения поршня. Упомянутый способ может содержать проектирование, выполнение и/или изготовление периферийной поверхности поршневого кольца таким образом, что размер области контакта в направлении перемещения поршня превышает размер канавки в направлении перемещения поршня. Упомянутый способ может содержать проектирование, выполнение и/или изготовление поршневого кольца таким образом, что отношение размера области контакта в направлении перемещения поршня к размеру канавки в направлении перемещения поршня находится в диапазоне приблизительно от 5:1 до 5:3. В возможных вариантах конструкций упомянутый диапазон может составлять от 5:1 до 5:2 или от 5:2 до 5:3.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предложен двигатель с одним или несколькими поршневыми кольцами. Каждое из поршневых колец содержит периферийную поверхность, выполненную с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью цилиндра двигателя. Участок поршневого кольца, взаимодействующий с внутренней поверхностью, определяет область контакта между внутренней поверхностью цилиндра и периферийной поверхностью поршневого кольца. Размер области контакта в направлении перемещения поршня, например, продольный размер, определяет общую длину области контакта в направлении перемещения поршня. Внутренняя поверхность содержит по меньшей мере одну канавку, углубленную во внутренней поверхности. Размер канавки в направлении перемещения поршня, например, продольный размер, определяет общую длину канавки в направлении перемещения поршня. Периферийная поверхность поршневого кольца может быть выполнена таким образом, что размер области контакта в направлении перемещения поршня превышает размер канавки в направлении перемещения поршня. Периферийная поверхность поршневого кольца может быть выполнена таким образом, что отношение размера области контакта в направлении перемещения поршня к размеру канавки в направлении перемещения поршня находится в диапазоне приблизительно от 5:1 до 5:3. В возможных вариантах конструкций упомянутый диапазон может составлять от 5:1 до 5:2 или от 5:2 до 5:3.
Внутренняя поверхность может содержать верхнюю часть со множеством канавок, углубленных во внутренней поверхности. Верхняя часть может проходить в направлении нижнего торца цилиндра от области контакта между верхним поршневым кольцом и внутренней поверхностью, когда поршень находится в верхней мертвой точке такта. Внутренняя поверхность может содержать нижнюю часть со множеством канавок, углубленных во внутренней поверхности. Нижняя часть может проходить в направлении верхнего торца цилиндра от области контакта между нижним поршневым кольцом и внутренней поверхностью, когда поршень находится в нижней мертвой точке такта. Внутренняя поверхность может быть внутренней поверхностью полости цилиндра в блоке цилиндров. Внутренняя поверхность может быть внутренней поверхностью гильзы цилиндра.
Канавка может быть выполнена с возможностью удерживания текучей среды. Например, каждая канавка может содержать полость, выполненную с возможностью удерживания текучей среды на внутренней поверхности. Канавки могут быть выполнены с возможностью снижения скорости с которой текучая среда удаляется с верхней и/или нижней части внутренней поверхности. Верхняя часть и нижняя часть могут быть разделены средней частью, не содержащей канавок, углубленных во внутренней поверхности. Верхняя часть и нижняя часть могут разнесены, например, посредством средней части, в направлении перемещения поршня.
Верхняя часть может содержать верхнюю область канавок, проходящих по всей окружности внутренней поверхности. Нижняя часть может содержать нижнюю область канавок, проходящих по всей окружности внутренней поверхности. Средняя часть может содержать среднюю область, не имеющую канавок, проходящих по всей окружности внутренней поверхности. Верхняя область канавок может иметь продольный размер в направлении перемещения поршня. Нижняя область канавок может иметь продольный размер в направлении перемещения поршня. Средняя область может иметь продольный размер в направлении перемещения поршня. Продольный размер средней области может превышать продольный размер верхней и/или нижней областей.
Область контакта между поршневым кольцом и внутренней поверхностью цилиндра может содержать область, ограниченную кольцевым контактом между верхней гранью поршневого кольца и внутренней поверхностью и нижней гранью поршневого кольца и внутренней поверхностью.
Область контакта, например, верхняя область контакта, между верхним поршневым кольцом и внутренней поверхностью может содержать область, ограниченную кольцевым контактом между верхней гранью верхнего поршневого кольца и внутренней поверхностью и нижней гранью верхнего поршневого кольца и внутренней поверхностью, когда поршень находится в верхней мертвой точке такта.
Область контакта, например, нижняя область контакта, между нижним поршневым кольцом и внутренней поверхностью цилиндра может содержать область, ограниченную кольцевым контактом между верхней гранью нижнего поршневого кольца и внутренней поверхностью и нижней гранью нижнего поршневого кольца и внутренней поверхностью, когда поршень находится в верхней мертвой точке такта.
Верхняя часть может быть смещена, например, на заданное расстояние, от области контакта между верхним поршневым кольцом и внутренней поверхностью, когда поршень находится в верхней мертвой точке такта. Верхняя часть может быть смещена относительно верхней области контакта в направлении нижней части. Верхняя часть может быть смещена приблизительно на 1 мм относительно области контакта между верхним поршневым кольцом и внутренней поверхностью, когда поршень находится в верхней мертвой точке такта.
Нижняя часть может быть смещена, например, на заданное расстояние, относительно области контакта между нижним поршневым кольцом и внутренней поверхностью, когда поршень находится в нижней мертвой точке такта. Нижняя часть может быть смещена относительно нижней области контакта в направлении верхней части. Нижняя часть может быть смещена приблизительно на 1 мм относительно области контакта между нижним поршневым кольцом и внутренней поверхностью, когда поршень находится в нижней мертвой точке такта.
Верхняя часть может проходить от верхней грани верхнего поршневого кольца, когда поршень находится в верхней мертвой точке такта. Верхняя часть может проходить от нижней грани верхнего поршневого кольца, когда поршень находится в верхней мертвой точке такта. Верхняя часть может проходить между верхней и нижней гранями верхнего поршневого кольца, когда поршень находится в верхней мертвой точке такта.
Нижняя часть может проходить от верхней грани нижнего поршневого кольца, когда поршень находится в нижней мертвой точке такта. Нижняя часть может проходить от нижней грани нижнего поршневого кольца, когда поршень находится в нижней мертвой точке такта. Нижняя часть может проходить между нижней и верхней гранями нижнего поршневого кольца, когда поршень находится в нижней мертвой точке такта. Верхняя часть и нижняя часть могут проходить одна к другой.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предложен способ проектирования, выполнения и/или изготовления двигателя. Двигатель содержит одно или несколько поршневых колец. Каждое из поршневых колец содержит периферийную поверхность, выполненную с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью цилиндра двигателя. Участок поршневого кольца, взаимодействующий с внутренней поверхностью, определяет область контакта между внутренней поверхностью цилиндра и периферийной поверхностью поршневого кольца. Размер области контакта в направлении перемещения поршня, например, продольный размер, определяет общую длину области контакта в направлении перемещения поршня. Внутренняя поверхность содержит по меньшей мере одну канавку, углубленную во внутренней поверхности. Размер канавки в направлении перемещения поршня, например, продольный размер, определяет общую длину канавки в направлении перемещения поршня. Упомянутый способ содержит определение размера канавки в направлении перемещения поршня. Упомянутый способ может содержать проектирование, выполнение и/или изготовление периферийной поверхности поршневого кольца таким образом, что размер области контакта в направлении перемещения поршня превышает размер канавки в направлении перемещения поршня. Упомянутый способ может содержать проектирование, выполнение и/или изготовление поршневого кольца таким образом, что отношение размера области контакта в направлении перемещения поршня к размеру канавки в направлении перемещения поршня находится в диапазоне приблизительно от 5:1 до 5:3. В возможных вариантах конструкций упомянутый диапазон может составлять от 5:1 до 5:2 или от 5:2 до 5:3.
В соответствии с аспектом настоящего изобретения, предложено подшипниковое соединение устройства, например, двигателя или коробки переключения передач. Устройство содержит первый элемент и второй элемент. Первый элемент может быть выполнен с возможностью перемещения, например, скольжения и/или вращения, относительно второго элемента при работе устройства. Второй элемент может быть выполнен с возможностью перемещения, например, скольжения и/или вращения, относительно первого элемента при работе устройства. Первый элемент может быть зафиксирован, например, неподвижен, относительно второго элемента при работе устройства. Второй элемент может быть зафиксирован, например, неподвижен, относительно первого элемента при работе устройства. Первый элемент содержит первую рабочую поверхность подшипника. Второй элемент содержит вторую рабочую поверхность подшипника. Первая и вторая рабочие поверхности подшипника выполнены с возможностью взаимодействия друг с другом. Первая рабочая поверхность подшипника выполнена с возможностью взаимодействия по меньшей мере с участком второй рабочей поверхностью подшипника. Участок второго элемента, взаимодействующий с первым элементом, определяет область контакта между первой рабочей поверхностью подшипника и второй рабочей поверхностью подшипника. Первая рабочая поверхность подшипника содержит по меньшей мере одну канавку, например, полость, углубленную во внутренней поверхности. Вторая рабочая поверхность подшипника может быть выполнена таким образом, что размер области контакта в направлении перемещения второго элемента превышает размер канавки в направлении перемещения второго элемента. Вторая рабочая поверхность подшипника может быть выполнена таким образом, что отношение размера области контакта в направлении перемещения второго элемента к размеру канавки в направлении перемещения второго элемента находится в диапазоне приблизительно от 5:1 до 5:3 В возможных вариантах конструкций упомянутый диапазон может составлять от 5:1 до 5:2 или от 5:2 до 5:3.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предложен способ проектирования, выполнения и/или изготовления подшипникового соединения устройства, например, двигателя или коробки переключения передач. Устройство содержит первый элемент и второй элемент. Первый элемент может быть выполнен с возможностью перемещения, например, скольжения и/или вращения, относительно второго элемента при работе устройства. Второй элемент может быть выполнен с возможностью перемещения, например, скольжения и/или вращения, относительно первого элемента при работе устройства. Первый элемент может быть зафиксирован, например, неподвижен, относительно второго элемента при работе устройства. Второй элемент может быть зафиксирован, например, неподвижен, относительно первого элемента при работе устройства. Первый элемент содержит первую рабочую поверхность подшипника. Второй элемент содержит вторую рабочую поверхность подшипника. Первая и вторая рабочие поверхности подшипника выполнены с возможностью взаимодействия друг с другом. Первая рабочая поверхность подшипника выполнена с возможностью взаимодействия по меньшей мере с участком второй рабочей поверхностью подшипника. Участок второй рабочей поверхности подшипника, взаимодействующий с первой рабочей поверхностью подшипника, определяет область контакта между первой рабочей поверхностью подшипника и второй рабочей поверхностью подшипника. Первая рабочая поверхность подшипника содержит по меньшей мере одну канавку, например, полость, углубленную во внутренней поверхности. Способ содержит определение размера области контакта в направлении перемещения второго элемента. Способ может содержать проектирование, выполнение и/или изготовление второй рабочей поверхности подшипника таким образом, что размер области контакта в направлении перемещения второго элемента превышает размер канавки в направлении перемещения второго элемента. Способ может содержать проектирование, выполнение и/или изготовление второй рабочей поверхности подшипника таким образом, что отношение размера области контакта в направлении перемещения второго элемента к размеру канавки в направлении перемещения второго элемента находится в диапазоне приблизительно от 5:1 до 5:3 В возможных вариантах конструкций упомянутый диапазон может составлять от 5:1 до 5:2 или от 5:2 до 5:3.
Во избежание излишнего дублирования усилий и повтора текста описания, некоторые признаки раскрыты в отношении только одного или нескольких аспектов или вариантов конструкций настоящего изобретения. Кроме того, следует понимать, что, при наличии технических возможностей, признаки, раскрытые в отношении любого из аспектов или вариантов конструкции настоящего изобретения, также могут быть использованы в отношении любого другого аспекта или варианта конструкции настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания настоящего изобретения и для более ясной демонстрации вариантов его осуществления, далее для примера будут рассмотрены прилагаемые чертежи, среди которых:
На фиг. 1 представлен подробный вид поршневых колец поршня двигателя, в соответствии с существующим уровнем техники;
На фиг. 2А представлен частичный поперечный разрез поршневого кольца, в соответствии с существующим уровнем техники;
На фиг. 2В представлен подробный вид поршневого кольца на фиг. 2А;
На фиг. 3А представлен частичный поперечный разрез поршневого кольца, в соответствии с существующим уровнем техники;
На фиг. 3В представлен подробный вид поршневого кольца на фиг. 3А;
На фиг. 4 представлено схематическое изображение тонкой пленки текучей среды между поршневым кольцом и внутренней поверхностью цилиндра;
На фиг. 5А представлено частичный поперечный разрез поршневого кольца, в соответствии с настоящим изобретением;
На фиг. 5В представлен подробный вид поршневого кольца на фиг. 5А;
На фиг. 6А представлен частичный поперечный разрез поршневого кольца, в соответствии с настоящим изобретением; и
На фиг. 6В представлен подробный вид поршневого кольца на фиг. 6А; Подробное описание
На фиг. 1 представлен упрощенный вид поперечного разреза цилиндра 103 двигателя. Двигатель может быть двигателем любого типа, например, двигателем с одним верхним распределительным валом ОВРВ (SOHC, single overhead camshaft), двигателем с двумя верхними распределительными валами ДВРВ (DOHC, double overhead camshaft), или другим двигателем подходящего типа. Двигатель может содержать любое подходящее количество цилиндров 103, например, двигатель может быть трехцилиндровым двигателем, шестицилиндровым двигателем или восьмицилиндровым двигателем. Цилиндры 103 могут быть расположены в подходящей конфигурации, например, в ряд, горизонтально оппозитно или V-образно.
Каждый из цилиндров 103 содержит внутреннюю поверхность 105, выполненную с возможностью взаимодействия с поршневыми кольцами 107 поршня 109 двигателя. Внутренняя поверхность 105 может быть внутренней поверхностью полости цилиндра, выполненной непосредственно в блоке цилиндров двигателя. В качестве альтернативы, внутренняя поверхность 105 может быть внутренней поверхностью гильзы цилиндра, установленной в блоке цилиндров.
При работе двигателя, каждый из поршней 109 совершает возвратно-поступательные движения внутри цилиндра 103 между положением верхней мертвой точки и положением нижней мертвой точки. В контексте настоящего изобретения, термин «верхняя мертвая точка» относится к самой дальней точке перемещения поршня, в которой направление хода поршня меняется с перемещения вверх, то есть в сторону от коленчатого вала двигателя, на перемещение вниз, то есть в сторону коленчатого вала. Термин «нижняя мертвая точка» относится к самой дальней точке перемещения поршня, в которой направление хода поршня меняется с перемещения вниз на перемещение вверх. Аналогичным образом, термин «верхний» торец цилиндра 103 относится к торцу цилиндра 103, у которого поршень 109 достигает верхней мертвой точки, и термин «нижний» торец цилиндра 103 относится к торцу цилиндра 103, у которого поршень 109 достигает нижней мертвой точки.
При работе двигателя, линейная скорость поршня 109 варьируется от минимальной скорости, например, нулевой скорости, когда поршень неподвижен относительно цилиндра 103 в верхней мертвой точке или нижней мертвой точке, до максимальной скорости, когда поршень 109 перемещается между верхней и нижней мертвыми точками. В результате изменения скорости поршня 109, коэффициент трения между поршневыми кольцами 107 и внутренней поверхностью 105 цилиндра изменяется по мере перемещения поршня 109 в полости цилиндра.
Для снижения трения между поверхностями скольжения двигателя, такими как поршневые кольца 107 и внутренняя поверхность 105 цилиндра, может быть использована смазка. Коэффициент скольжения между компонентами скольжения может быть определен по кривой Штрибека, используемой для классификации свойств скольжения между двумя поверхностями в функции от вязкости смазки и относительной скорости между компонентами в зависимости от нагрузки. Трение может быть минимизировано посредством работы в точке, соответствующей минимуму кривой Штрибека, определяющей переход из области гидродинамического режима смазки в область смешанного режима смазки. Тем не менее, поддерживать работу при точке минимума кривой Штрибека на протяжении всего хода поршня сложно ввиду циклического ускорения и замедления поршня 109. Например, сложно поддерживать гидродинамический режим смазки около верхней и нижней конечных точек хода поршня вследствие низких скоростей поршня 109 относительно цилиндра 103. В частности, в конечных точках перемещения поршня 109, когда скорость поршня падает до нуля, пленка смазки между поршневыми кольцами 107 и внутренней поверхностью 105 цилиндра 103 может разрушаться, поскольку нет движения, способствующего образованию гидродинамической пленки смазки. Разрушение пленки смазки зависит от того, насколько быстро смазка может быть удалена из области 111 контакта между поршневыми кольцами 107 и внутренней поверхностью 105 цилиндра 103.
На фиг. 1 показаны области 111А, 111В, 111С контакта между между поршневыми кольцами 107 и внутренней поверхностью 105 цилиндра 103. В варианте конструкции, показанном на фиг. 1, поршень 109 содержит верхнее поршневое кольцо 107А, среднее поршневое кольцо 107В и нижнее поршневое кольцо 107С. Кроме того, поршень 109 может содержать любое подходящее число поршневых колец 107. Каждое из поршневых колец 107 может быть выполнено с возможностью выполнения различных функций, например, верхнее поршневое кольцо 107А может быть компрессионным кольцом, выполненным с возможностью обеспечения уплотнения между верхней и нижней частями цилиндра 103 по разные стороны от поршня 109, среднее поршневое кольцо 107В может быть маслосъемным кольцом, выполненным с возможностью удаления избытка масла с внутренней поверхности 105 цилиндра 103, и нижнее поршневое кольцо может быть маслоудерживающим кольцом, выполненным с возможностью регулирования количество масла, подаваемого для смазки области контакта между поршневыми кольцами 107 и внутренней поверхностью 105.
Вследствие их различных функций, каждое из поршневых колец 107 имеет разную конструкцию. Например, верхнее поршневое кольцо 107А имеет криволинейное сечение, то есть бочкообразное сечение, среднее поршневое кольцо 107В имеет коническое сечение, и нижнее поршневое кольцо имеет сечение сложного профиля, содержащее множество выступов, выполненных с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью 105 цилиндра. Сечение каждого из поршневых колец 107 может, тем не менее, иметь любую подходящую форму/вид в зависимости от требуемой функции поршневого кольца 107.
Верхнее, среднее и нижнее поршневые кольца 107А, 107В 107С содержат периферийную поверхность 117А, 117В, 117С, выполненную с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью 105 цилиндра 103. Периферийная поверхность 117А верхнего поршневого кольца содержит высшую точку 118А, например, соответствующую максимальному радиальному размеру верхнего поршневого кольца 107А, взаимодействующего с внутренней поверхностью. На фиг. 2А представлен подробный вид периферийной поверхности 117В среднего поршневого кольца 107В, и на фиг. 2В представлен подробный вид высшей точки 118В периферийной поверхности 117В, например, соответствующей максимальному радиальному размеру среднего поршневого кольца 107В. На фиг. 3А представлен подробный вид периферийной поверхности 117С нижнего поршневого кольца 107С, и на фиг. 3В представлен подробный вид высшей точки 118С периферийной поверхности 117С, например, соответствующий максимальному радиальному размеру нижнего поршневого кольца 107С.
Участки периферийных поверхностей 117А, 117В, 117С, взаимодействующие с внутренней поверхностью, определяют области 111 контакта между каждым из поршневых колец 107 и внутренней поверхностью 105 цилиндра 103. Периферийная поверхность 117А верхнего поршневого кольца 107А взаимодействует с внутренней поверхностью 105 в наивысшей точке криволинейного сечения периферийной поверхности 117А, образуя таким образом область 111А контакта, например, линейный контакт, между окружностью верхнего поршневого кольца 107А и внутренней поверхностью 105. Периферийная поверхность 117В среднего поршневого кольца 107В взаимодействует с внутренней поверхностью 105 в наивысшей точке 118В конического сечения периферийной поверхности 117В, образуя таким образом область 111В контакта, например, линейный контакт, между окружностью среднего поршневого кольца 107В и внутренней поверхностью 105. Периферийная поверхность 117С нижнего поршневого кольца 107В взаимодействует с внутренней поверхностью 105 в наивысшей точке 118С на каждом из двух выступов периферийной поверхности 117С, образуя таким образом две области 111С контакта, например, линейные контакты, между окружностью нижнего поршневого кольца 107С и внутренней поверхностью 105. Внутренняя поверхность 105 цилиндра 103 содержит множество канавок 129, углубленных во внутренней поверхности 105. Канавки 129 могут содержать углубление любого типа во внутренней поверхности 105, которое позволяет удерживать текучую среду, такую как смазка, в углублении, при перемещении поршневого кольца 107 над углублением. Например, канавки 129 могут содержать множество полостей, форма которых позволяет удерживать смазку и/или уменьшить скорость удаления смазки из областей 111 контакта. Полости могут иметь любую форму, например, полости могут быть квадратной, прямоугольной, круглой или любой другой формы. В одном из вариантов конструкций, полости могут быть аналогичной друг с другом формы. В другом варианте конструкции, множество полостей может содержать некоторое количество полостей разного вида и формы, например, множество полостей может содержать ряд полостей с закругленным дном и ряд полостей с квадратным дном, выполненных с возможностью удерживания смазки.
Для того, чтобы полости были эффективны, смазка не должна «вытекать» из полости при перемещении поршневого кольца 107 над ней. Это может быть достигнуто посредством области 111 контакта, размер которой больше углубления 131 канавки 129 в направлении перемещения поршня 109. Однако, как представлено на фиг. 1, каждое из поршневых колец 107 существующего уровня техники содержит периферийную поверхность такой формы, чтобы обеспечить линейный контакт между поршневым кольцом 107 и внутренней поверхностью 105. В результате, смазка может вытекать из канавки 129 при перемещении поршневого кольца 107 над полостью, поскольку форма периферийной поверхности не позволяет перекрыть прорезь 131 канавки 129. При такой конструкции, размер области 111 контакта в направлении перемещения поршня 109 меньше, чем размер полости в направлении перемещения поршня 109. В самом деле, в конструкциях, в которых поршневые кольца 107 имеют криволинейное или заостренное сечения, размер области 111 контакта в направлении перемещения поршня 109 может быть незначительным. Для предотвращения вытекания смазки из полости, конструкция поршневых колец 107 может быть такова, что периферийная поверхность выполнена с возможностью обеспечения области 111 контакта, общий размер которой в направлении перемещения поршня 109 превышает размер полости, например, размер прорези 131 канавки 129 в направлении перемещения поршня 109. В таком случае, поршневые кольца способны предотвратить вытекание смазки из полостей при перемещении поршня над этими полостями.
Размер области 111 контакта в направлении перемещения поршня 109 может определяться размером, например, продольной длиной, упругой области контакта между внутренней поверхностью 105 и участком периферийной поверхности поршневого кольца 107, упруго деформируемого под нагрузкой.
Например, размер области 111 контакта в направлении перемещения поршня 109 может определяться участком криволинейного или конического сечения, упруго деформируемого для обеспечения части периферийной поверхности, параллельной внутренней поверхности 105 цилиндра 103. Размер упругой области контакта может зависеть от радиального усилия между поршневым кольцом 107 и внутренней поверхностью 105, формы/вида периферийной поверхности поршневого кольца 107 и/или свойств материала, например, модуля Юнга, соответствующих поверхностей. Для предотвращения вытекания смазки из полости, поршневые кольца 107 могут быть сконструированы таким образом, что периферийная поверхность выполнена с возможностью деформации на заданную величину для обеспечения области упругого контакта, общий размер которой в направлении перемещения поршня 109 превышает размер полости.
При работе двигателя, между периферийной поверхностью поршневого кольца 107 и внутренней поверхностью 105 цилиндра 103 может образовываться пленка 133 смазки, например, в результате перемещения соответствующих поверхностей. На фиг. 4 представлено схематическое изображение пленки 133 смазки между поршневым кольцом 107 и внутренней поверхностью 105 цилиндра 103 при перемещении поршневого кольца 107 относительно внутренней поверхности 105. Толщина пленки 133 смазки зависит от формы периферийной поверхности поршневого кольца 107, градиента скорости между поршневым кольцом 107 и внутренней поверхностью 105, напряжения сдвига в смазке, динамической вязкости смазки и/или радиальной нагрузки на поршневое кольцо 107. На фиг. 4 толщина пленки 133 смазки варьируется от максимальной толщины в области скопления перед поршневым кольцом 107 до минимальной толщины в области удаления за поршневым кольцом 107, например, в области кавитации пленки 133. На фиг. 4 поршневое кольцо 107 является бочкообразным поршневым кольцом с криволинейной периферийной поверхностью, эластично деформируемой под нагрузкой, что приводит к тому, что участок периферийной поверхности становится параллельным внутренней поверхности 105 цилиндра 103. В результате пленка 133 смазки содержит участок 135 постоянной толщины в той области, где периферийная поверхность параллельна внутренней поверхности 105. Для предотвращения вытекания смазки из полости, полость может быть сконструирована таким образом, что общий размер 131 полости в направлении перемещения поршня 109 меньше длины участка 135 пленки 133 смазки, имеющего постоянную толщину.
Благодаря удерживанию смазки может быть обеспечен режим смазки, который остается гидродинамическим и предотвращает контакт между поршневым кольцом 107 и внутренней поверхностью, например, в тех областях внутренней поверхности 105, где скорость поршня 109 близка к нулю.
На фиг. 5А и 5В представлены подробные виды поршневого кольца 207, в соответствии с настоящим изобретением. Поршневое кольцо 207 может быть модифицированным средним поршневым кольцом 207В, выполненным с возможностью снятия или стирания масла с внутренней поверхности 105 цилиндра 103. Поршневое кольцо 207В содержит контактный участок 217В периферийной поверхности, выполненный с возможностью, по существу, взаимодействия со внутренней поверхностью 105 цилиндра 103, например, для установления взаимодействия поверхность-поверхность между контактным участком 217В периферийной поверхности и внутренней поверхностью 105. Таким образом, область 111В контакта между средним поршневым кольцом 207В и внутренней поверхностью 105 цилиндра 103 может определяться областью, ограниченной кольцевыми контактами между верхней гранью 213В контактного участка 217В и внутренней поверхностью 105 и между нижней гранью 215В контактного участка 217В и внутренней поверхностью 105. Следует отметить, что подобное взаимодействие поверхность-поверхность отличается от существующего уровня техники, показанного на фиг. 2А и 2В, поскольку взаимодействие между поршневым кольцом 107В и внутренней поверхностью 105 цилиндра 103 определяется линейным контактом, например, между точкой максимального диаметра 118В среднего поршневого кольца 107В и внутренней поверхностью 105.
На фиг. 6А и 6В представлены подробные виды другого поршневого кольца 207, в соответствии с настоящим изобретением. Поршневое кольцо 207 может быть модифицированным нижним поршневым кольцом 207С, выполненным с возможностью регулирования количества масла, подаваемого для смазки контакта между поршневыми кольцами 207 и внутренней поверхностью 105.
Аналогично среднему поршневому кольцу 207В, поршневое кольцо 207С содержит контактный участок 217С периферийной поверхности, выполненный с возможностью, по существу, взаимодействия с внутренней поверхностью 105 цилиндра 103, например, с возможностью установления взаимодействия поверхность-поверхность между контактным участком 217С периферийной поверхности и внутренней поверхностью 105. Таким образом, область 111С контакта между нижним поршневым кольцом 207С и внутренней поверхностью 105 цилиндра 103 может определяться областью, ограниченной кольцевыми контактами между верхней гранью 213С контактного участка 217С и внутренней поверхностью 105 и между нижней гранью 215С контактного участка 217С и внутренней поверхностью 105. Следует отметить, что подобное взаимодействие поверхность-поверхность отличается от существующего уровня техники, показанного на фиг. 3А и 3В, поскольку взаимодействие между поршневым кольцом 107С и внутренней поверхностью 105 цилиндра 103 определяется линейным контактом, например, между точкой максимального диаметра 118С среднего поршневого кольца 107В и внутренней поверхностью 105. В другом варианте конструкции (не показан), поршневое кольцо 207 может быть модифицированным верхним поршневым кольцом, выполненным с возможностью обеспечения уплотнения между верхней и нижней частями цилиндра 103 по разные стороны от поршня 109. Аналогично среднему и нижнему поршневым кольцам 207В, 207С, верхнее поршневое кольцо может содержать периферийную поверхность, выполненную с возможностью, по существу, взаимодействия с внутренней поверхностью 105 цилиндра 103, например, с возможностью создания контакта поверхность-поверхность между контактным участком периферийной поверхности и внутренней поверхностью 105. Периферийная поверхность может содержать плоский участок криволинейного, например, бочкообразного, сечения верхнего поршневого кольца. Таким образом, область 111С контакта между верхним поршневым кольцом и внутренней поверхностью 105 цилиндра 103 может определяться областью, ограниченной периферийными контактами между верхней гранью контактного участка периферийной поверхности и внутренней поверхностью 105 и нижней гранью контактного участка периферийной поверхности и внутренней поверхностью 105.
При работе двигателя, поршневые кольца 207 могут отклоняться в сторону оси движения поршня 109 таким образом, что только контактный участок каждой из периферийных поверхностей взаимодействует с внутренней поверхностью 105 цилиндра 103. В связи с этим следует понимать, что области 111 контакта между любым поршневым кольцом 207 могут определяться частью периферийной поверхности поршневого кольца 207, взаимодействующей с внутренней поверхностью 105 цилиндра 103.
Конструкция каждого из поршневых колец 207, в соответствии с настоящим изобретением, может быть такова, что периферийная поверхность выполнена с возможностью обеспечения области 111 контакта, общий размер 220 которой в направлении перемещения поршня 109 превышает размер полости, например, размер прорези 131 канавки 129, в направлении перемещения поршня 109. Например, размер 220 может определяться размером контактного участка 217В, 217С периферийной поверхности поршневого кольца 207В, 207С. Таким образом, поршневые кольца способны предотвратить вытекание смазки из полостей при перемещении поршня над этими полостями, предотвращая тем самым переход режима смазки из гидродинамического режима смазки в граничный режим смазки. Таким образом, коэффициент трения минимизируется посредством поддержания при работе двигателя режима смазки, соответствующего точке минимума кривой Штрибека.
В некоторых вариантах конструкций, может быть особенно предпочтительным контролировать отношение размера 220 в направлении перемещения поршня 109 к размеру прорези 131 канавки 129 в направлении перемещения поршня 109. Например, может быть предпочтительным выполнение поршневых колец 207 таким образом, чтобы отношение размера области 220 контакта в направлении перемещения поршня к размеру прорези 131 канавки 129 в направлении перемещения поршня находилось в диапазоне приблизительно от 5:1 до 5:3. В одном из вариантов конструкций, размер 131 прорези канавки 129 в направлении перемещения поршня 109 может составлять приблизительно 60 микрон. Соответственно, размер 220 поршневого кольца 207 в направлении перемещения поршня 109 может находиться в диапазоне от 100 микрон до 300 микрон. Тем не менее, размер 131 прорези канавки 129 в направлении перемещения поршня 109 не ограничен размером в 60 микрон, и прорезь канавки 129 в направлении перемещения поршня 109 может иметь любой подходящий размер для того, чтобы гарантировать, что преимущества, обеспечиваемые настоящим изобретением, наблюдаются во всем диапазоне различных областей применения цилиндров/поршневых колец.
В одном из вариантов конструкций, в зависимости от размера 131 прорези, может быть желательным выполнение прорези 129 во внутренней поверхности 105 цилиндра посредством технологии лазерной абляции. Такая технология может быть применена, в частности, для изготовления канавок 129 в полости цилиндра, поскольку изготовление канавок 129 в полости цилиндра традиционных технологий методов механической обработки затруднительно. Тем не менее, одним из факторов, который нужно учитывать при изготовлении канавок 129 посредством лазерной абляции, является физическое ограничение диаметра луча лазера, используемого для абляции материала с внутренней поверхности 105 цилиндра 103. Например, сложно получить сфокусированный луч лазера менее 20 микрон в диаметре, что определяет минимально возможный размер канавки 129 в любом измерении.
Другим фактором, который следует учитывать при изготовлении канавок 129, является время обработки при выполнении канавки 129 во внутренней поверхности цилиндра посредством лазерной абляции. Например, чем больше канавка 129 в направлении перемещения поршня 109, тем больше время обработки и/или должно быть увеличено количество этапов изготовления, поскольку необходимо удалить с внутренней поверхности 105 больше материала. Выполнение больших канавок 129 может занять больше времени при использовании маломощного лазера для предотвращения нежелательного нагревания материала, окружающего канавки 129. Большие канавки 129 могут быть выполнены быстрее при использовании более мощного лазера для более быстрого удаления материала за один цикл, но это может требовать механической обработки для очистки от какого-либо материала, отложившегося на внутренней поверхности 105 в результате лазерной абляции. Таким образом, желательно выполнение канавок 129 с использованием менее мощного лазера, что позволяет снизить количество тепла, передаваемого окружающему материалу, и выдерживать размер канавки 129 в направлении перемещения поршня равным приблизительно 60 микрон во избежание дополнительных этапов обработки.
Другим фактором, который следует учитывать при выполнении канавок 129, является само по себе управление положением лазера, что вносит дополнительную погрешность размера канавок 129. Например, при изготовлении канавок 129, сложно контролировать положения лазера с большей точностью, нежели погрешность приблизительно в +/- 20 микрон, сохраняя при этом требуемую выработку производственной линии.
Другим фактором, который следует учитывать при выполнении канавок 129, являются свойства материала внутренней поверхности 105 цилиндра, которые оптимизируют с точки зрения характеристик двигателя, а не технологичности выполнения канавок. Одним из факторов является зернистая структура материала внутренней поверхности 105. Например, внутренняя поверхность 105 цилиндра 103 может быть выполнена из различных материалов, в том числе из чугуна. Например, блок цилиндров двигателя может быть выполнен полностью из чугуна, может содержать выполненную из чугуна гильзу цилиндра и/или может содержать полость цилиндра, покрытую железистым слоем. В каждом из условий зернистая структура и свойства материала меняются, при этом стандартный серый литой чугун (обычно международной марки ISO 520) имеет наибольший размер зерен и размер вкраплений углерода. Размер зерен меняется и зависит от локальной скорости охлаждения, но обычно находится в диапазоне от 1 до 100 микрон. В процессе лазерной абляции происходит воздействие на материал и, в частности, на вкрапления углерода, проводящие тепло лучше, чем металлическая структура, и в результате форма канавки 129 может зависеть от расположения и/или размера вкраплений графита по отношению к металлической структуре. Поэтому, в некоторых случаях, грань прорези 131 канавки 129 может быть не прямой, например, если граница зерна материала находится близко к границе лазерного луча, поскольку это будет способствовать удалению материала вплоть до границы зерна. Это затрудняет выдерживание требуемых размеров канавки 129. Например, если требуется получить канавку 129 размером 60 микрон в направлении перемещения поршня 109, была бы необходима погрешность +/- 10 микрон на каждой грани канавки 129, чтобы учесть взаимодействие между лазером и структурой материала, независимо от контроля фокусного расстояния и других эффектов, связанных с процессом лазерной обработки. Поэтому трудно обеспечить ширину канавки 129 меньше 40 микрон, то есть 20 микрон плюс 10 микрон с каждой стороны от канавки 129, с точки зрения взаимодействия материала с лазером.
С учетом этих факторов, при выполнении канавки 129 размером 60 микрон, фактический размер прорези 131 канавки 129 может составлять 60 +/- 40 микрон. Таким образом, максимально возможный размер прорези может составлять 100 микрон, и минимальный размер прорези может составлять 20 микрон. Следовательно, минимально допустимый размер 220 области контакта в направлении перемещения поршня 109 должен составлять 100 микрон для того, чтобы в достаточной степени изолировать смазку в канавке 129 при перемещении поршневого кольца 207 по поверхности канавки 129.
Если рассмотреть в качестве примера канавку 129 размером 60 микрон в направлении перемещения поршня 109, в соответствии с настоящим изобретением, максимальный размер 220 области контакта должен составлять 300 микрон. Одним из факторов, которые следует учитывать при проектировании поршневого кольца 207, например, маслосъемного кольца 207В или маслоудерживающего кольца 207С, могло бы быть обеспечение минимальной площади контакта между поршневым кольцом 207В, 207С и внутренней поверхностью 105 цилиндра 103, чтобы обеспечить требуемое регулирование количества масла на внутренней поверхности 105. В самом деле, существующий уровень техники, представленный на фиг. 1 - 3В, обеспечивает линейный контакт между поршневым кольцом 107В, 107С и внутренней поверхностью 105 для того, чтобы максимально увеличить возможность регулирования количества масла и минимизировать трение между поршневым кольцом 107В, 107С и внутренней поверхностью 105. Тем не менее, подобный линейный контакт не позволяет изолировать текучую среду в канавке 129 при перемещении поршневого кольца 107 над канавкой 129.
Одним из ключевых факторов в понимании ограничений верхней границы диапазона, то есть 5:1, является определение точных трибологических взаимодействий между внутренней поверхностью 105 и периферийной поверхностью поршневого кольца 207. Таким образом, если во внутренней поверхности предусмотрены канавки 129, существует определенный баланс между минимизацией поверхности контакта для регулирования количества масла и максимальным увеличением поверхности контакта для снижения трения. Фактически, при увеличении размера области контакта существует непредусмотренное преимущество, связанное с износостойкостью внутренней поверхности. Это непредусмотренное преимущество начинает уменьшаться при диапазонах выше 5:1.
Дополнительные утверждения изобретения:
Утверждение 1. Поршневое кольцо для поршня, содержащее периферийную поверхность, выполненную с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью цилиндра, внутренняя поверхность, содержит по меньшей мере одну канавку, углубленную во внутренней поверхности, взаимодействие периферийной поверхности поршневого кольца с внутренней поверхностью цилиндра, определяющее область контакта между ними, отличающееся тем, что периферийная поверхность поршневого кольца выполнена таким образом, что отношение размера области контакта в направлении перемещения поршня к размеру канавки в направлении перемещения поршня находится в диапазоне приблизительно от 5:1 до 5:3.
Утверждение 2. Поршневое кольцо по п. 1, отличающееся тем, что по меньшей мере участок периферийной поверхности поршневого кольца выполнен параллельным внутренней поверхности цилиндра при работе двигателя.
Утверждение 3. Поршневое кольцо по любому из утверждений 1 или 2, отличающееся тем, что периферийная поверхность выполнена с возможностью упругой деформации при взаимодействии с внутренней поверхностью цилиндра, причем размер области контакта в направлении перемещения поршня определяется размером упруго деформируемого участка периферийной поверхности в направлении перемещения поршня.
Утверждение 4. Поршневое кольцо по утверждению 3, отличающееся тем, что размер упруго деформируемого участка в направлении перемещения поршня превышает размер канавки в направлении перемещения поршня.
Утверждение 5. Поршневое кольцо по любому из предшествующих утверждений, отличающееся тем, что в области контакта между периферической поверхностью поршневого кольца и внутренней поверхностью цилиндра при работе двигателя обеспечивается пленка смазки, толщина которой, по существу, постоянна в направлении перемещения поршня при работе двигателя.
Утверждение 6. Поршневое кольцо по утверждению 5, отличающееся тем, что периферийная поверхность поршневого кольца выполнена с возможностью поддержания пленки смазки, размер которой в направлении перемещения поршня больше, чем размер канавки в направлении перемещения поршня.
Утверждение 7. Поршневое кольцо по любому из предшествующих утверждений, отличающееся тем, что, поршневое кольцо содержит множество периферических поверхностей.
Утверждение 8. Поршневое кольцо по любому из предшествующих утверждений, отличающееся тем, что, поршневое кольцо является компрессионным кольцом.
Утверждение 9. Поршневое кольцо по любому из предшествующих утверждений, отличающееся тем, что, поршневое кольцо является маслосъемным кольцом.
Утверждение 10. Поршневое кольцо по любому из предшествующих утверждений, отличающееся тем, что, поршневое кольцо является маслоудерживающим кольцом.
Утверждение 11. Механизм и/или транспортное средство, содержащее поршневое кольцо по любому из утверждений 1-10.
Утверждение 12. Способ изготовления поршневого кольца для поршня, причем поршневое кольцо содержит периферийную поверхность, выполненную с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью цилиндра, внутренняя поверхность содержит по меньшей мере одну канавку, углубленную во внутренней поверхности, и взаимодействие периферийной поверхности поршневого кольца с внутренней поверхностью цилиндра определяет область контакта между ними, отличающийся тем, что способ содержит: определение размера канавки в направлении перемещения поршня; и
формирование поршневого кольца таким образом, что отношение размера области контакта в направлении перемещения поршня к размеру канавки в направлении перемещения поршня находится в диапазоне приблизительно от 5:1 до 5:3.
Утверждение 13. Набор поршневых колец для поршня, каждое из которых содержит периферийную поверхность, выполненную с возможностью взаимодействия со внутренней поверхностью цилиндра, причем внутренняя поверхность содержит по меньшей мере одну канавку, углубленную во внутренней поверхности, и взаимодействие периферийной поверхности каждого из поршневых колец с внутренней поверхностью цилиндра определяет соответствующие области контакта между ними, отличающийся тем, что периферийная поверхность каждого из поршневых колец выполнена таким образом, что отношение размера каждой из областей контакта в направлении перемещения поршня к размеру канавки в направлении перемещения поршня находится в диапазоне приблизительно от 5:1 до 5:3.
Специалисту в уровне техники должно быть ясно, что, хотя настоящее изобретение раскрыто посредством примера со ссылкой на один или несколько вариантов конструкций, оно не ограничивается раскрытыми вариантами конструкций, и возможны альтернативные варианты конструкций, не отступающие от объема изобретения, определенного в последующей формуле изобретения.
1. Механизм, содержащий цилиндр и набор поршневых колец для поршня механизма, причем набор поршневых колец содержит первое поршневое кольцо первого сечения и второе поршневое кольцо второго сечения, причем первое и второе сечения различны, причем каждое из поршневых колец содержит периферийную поверхность, выполненную с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью цилиндра, причем внутренняя поверхность содержит по меньшей мере одну канавку, углубленную во внутренней поверхности, причем взаимодействие контактного участка периферийной поверхности каждого из поршневых колец с внутренней поверхностью цилиндра определяет соответствующие области контакта между ними и остальная часть периферийной поверхности каждого из поршневых колец не взаимодействует с внутренней поверхностью, при этом контактный участок периферийной поверхности каждого из поршневых колец выполнен таким образом, что отношение размера каждой из областей контакта в направлении перемещения поршня к размеру канавки в направлении перемещения поршня находится в диапазоне приблизительно от 5:1 до 5:3.
2. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что контактный участок периферийной поверхности каждого из поршневых колец выполнен параллельным внутренней поверхности цилиндра при работе двигателя.
3. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что периферийная поверхность каждого из поршневых колец выполнена с возможностью упругой деформации при взаимодействии с внутренней поверхностью цилиндра, причем размер области контакта в направлении перемещения поршня определяется размером упруго деформируемого участка периферийной поверхности в направлении перемещения поршня.
4. Механизм по п. 3, отличающийся тем, что размер упруго деформируемого участка в направлении перемещения поршня превышает размер канавки в направлении перемещения поршня.
5. Механизм по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что в области контакта между периферической поверхностью каждого из поршневых колец и внутренней поверхностью цилиндра при работе двигателя обеспечена пленка смазки, толщина которой, по существу, постоянна в направлении перемещения поршня при работе двигателя.
6. Механизм по п. 5, отличающийся тем, что периферийная поверхность каждого из поршневых колец выполнена с возможностью поддержания пленки смазки, размер которой в направлении перемещения поршня больше, чем размер канавки в направлении перемещения поршня.
7. Механизм по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что по меньшей мере одно поршневое кольцо содержит множество периферических поверхностей.
8. Механизм по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что по меньшей мере одно поршневое кольцо является компрессионным кольцом, маслосъемным кольцом или маслоудерживающим кольцом.
9. Механизм по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что взаимодействие между контактным участком периферийной поверхности первого поршневого кольца и внутренней поверхностью определяет первую область контакта.
10. Механизм по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что взаимодействие между контактным участком периферийной поверхности второго поршневого кольца и внутренней поверхностью определяет вторую область контакта.
11. Механизм по п. 9, отличающийся тем, что отношение размера канавки в направлении перемещения поршня к размеру первой области контакта в направлении перемещения поршня отлично от отношения размера канавки в направлении перемещения поршня к размеру второй области контакта в направлении перемещения поршня.
12. Механизм по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что сечение по меньшей мере одного из поршневых колец содержит по меньшей мере один из следующих участков: криволинейный участок, плоский участок и конический участок.
13. Механизм по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что периферийная поверхность содержит множество выступов.
14. Транспортное средство, содержащее механизм по любому из пп. 1-13.
15. Способ изготовления механизма, содержащего цилиндр и набор поршневых колец для поршня механизма, содержащий первое поршневое кольцо первого сечения и второе поршневое кольцо второго сечения, причем первое и второе сечения различны, причем каждое из поршневых колец содержит периферийную поверхность, выполненную с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью цилиндра, причем внутренняя поверхность содержит по меньшей мере одну канавку, углубленную во внутренней поверхности, причем взаимодействие контактного участка периферийной поверхности каждого из поршневых колец с внутренней поверхностью цилиндра определяет соответствующие области контакта между ними и остальная часть периферийной поверхности каждого из поршневых колец не взаимодействует с внутренней поверхностью, причем способ содержит следующие шаги:
определяют размер канавки в направлении перемещения поршня; и
формируют каждое из поршневых колец таким образом, что отношение размера области контакта в направлении перемещения поршня к размеру канавки в направлении перемещения поршня находится в диапазоне приблизительно от 5:1 до 5:3.
