缸套及具有其的发动机、缸套的设计方法

摘要

本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种缸套及具有其的发动机、缸套的设计方法。所述缸套包括缸套本体，在所述缸套本体的内壁上设有第一润滑区和位于第一润滑区下方的第二润滑区，第一润滑区上设有多个第一凹坑，第二润滑区上设有多个第二凹坑，第一凹坑的直径与深度比小于第二凹坑的直径与深度比。根据本发明的缸套，在第一润滑区上设置小而深的第一凹坑，增加第一润滑区的油膜增加，从而降低第一润滑区的摩擦力，避免活塞或缸套过早磨损的情况，在第二润滑区上设置大而浅的第二凹坑，润滑油的一部分进入大而浅的凹坑中，在活塞环刮油能力一定的情况下，分布在第二润滑区的油膜厚度减小，从而减小活塞运动阻力。

说明书

技术领域

本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种缸套及具有其的发动机、缸套的设计方法。

背景技术

活塞式内燃机通过活塞在缸套内的往复运动来做功，活塞作往复运动时缸套与活塞、活塞环的摩擦占到总摩擦的50%以上，为了有效降低缸套与活塞、活塞环的摩擦，通常采用织构技术在缸套的内壁打孔使润滑油储存在孔中，通过润滑油增加缸套与活塞、活塞环的润滑以减小摩擦，此外，该结构还能增强缸套的耐磨能力。由于缸套内不同的润滑区所需的润滑条件不同，而现有的缸套大多采用同一打孔模式在整个缸套的内壁进行打孔，造成有的润滑区域油膜太厚，阻碍活塞的运动，或造成有的润滑区域油膜太薄，增大缸套与活塞之间的摩擦，发生过早磨损的情况。

发明内容

本发明的目的是至少解决现有缸套结构难以满足润滑需求的问题。该目的是通过以下技术方案实现的：

本发明第一方面提出了一种缸套，所述缸套包括缸套本体，在所述缸套本体的内壁上设有第一润滑区和位于所述第一润滑区下方的第二润滑区，所述第一润滑区上设有多个第一凹坑，所述第二润滑区上设有多个第二凹坑，所述第一凹坑的直径与深度的比值小于所述第二凹坑的直径与深度的比值。

根据本发明实施例的缸套，在所述缸套本体的内壁上设有第一润滑区和第二润滑区，根据不同的润滑区设置不同的直径与深度比的凹坑，在第一润滑区上设置小而深的第一凹坑，增加第一润滑区的油膜增加，从而降低第一润滑区的摩擦力，避免活塞或缸套过早磨损的情况，在第二润滑区上设置大而浅的第二凹坑，润滑油的一部分进入大而浅的凹坑中，在活塞环刮油能力一定的情况下，分布在第二润滑区的油膜厚度减小，从而减小活塞运动阻力。

另外，根据本发明实施例的缸套，还可以具有如下的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述第一凹坑的直径为20微米至80微米，所述第一凹坑的深度为4微米至10微米。

在本发明的一些实施例中，所述第二凹坑的直径为活塞环直径的0.15倍至0.5倍，所述第二凹坑的深度为1微米至4微米。

在本发明的一些实施例中，所述多个第一凹坑占所述第一润滑区的面积比小于所述多个第二凹坑占所述第二润滑区的面积比。

在本发明的一些实施例中，所述多个第一凹坑占所述第一润滑区的面积为10%至20%。

在本发明的一些实施例中，所述多个第二凹坑占所述第二润滑区的面积为30%-70%。

在本发明的一些实施例中，所述缸套本体的内壁上未设有所述第一凹坑与所述第二凹坑的区域的粗糙度范围为小于等于2微米。

在本发明的一些实施例中，所述第一凹坑与所述第二凹坑分别均匀地布置在所述第一润滑区与所述第二润滑区。

本发明第二方面提出了一种发动机，所述发动机包括根据上述任一实施例所述的气缸盖。

根据本发明实施例的发动机，在所述缸套本体的内壁上设有第一润滑区和第二润滑区，根据不同的润滑区设置不同的直径与深度比的凹坑，在第一润滑区上设置小而深的第一凹坑，增加第一润滑区的油膜增加，从而降低第一润滑区的摩擦力，避免活塞或缸套过早磨损的情况，在第二润滑区上设置大而浅的第二凹坑，润滑油的一部分进入大而浅的凹坑中，在活塞环刮油能力一定的情况下，分布在第二润滑区的油膜厚度减小，从而减小活塞运动阻力。

本发明第三方面提供了一种缸套的设计方法，所述设计方法用于设计上述任一实施例所述的缸套，包括以下步骤：

S1:根据实测温度计算出缸套的实际粘度：

（1）

式中，为粘度，T为实测温度，a和c为常数；

根据缸压、活塞环弹力、活塞环与缸套的接触面积计算出载荷：

载荷=（经验系数×缸压+活塞环弹力）/活塞环与缸套接触面积（2）

根据实测的活塞的运动速度、载荷、粘度计算出轴承系数：

轴承系数（缸套润滑系数）=粘度*速度/载荷（3）

S2：将不同的轴承系数输入到摩擦试验机中，即可得到相关的摩擦系数，根据轴承系数与摩擦系数绘制斯特贝克曲线，并通过斯特贝克曲线的第一拐点区分边界润滑区域与混合润滑区域，通过第二拐点区分混合润滑区域与动压润滑区域；

S3：根据轴承系数与曲轴转角的关系绘制第一曲线，根据活塞行程与曲轴转角绘制第二曲线，将第二拐点的值带入到第一曲线中对应相应的曲轴转角的值，将曲轴转角的值带入到第二曲线中得到活塞行程的对应值，从而得动压润滑区域对应在缸套中的位置；

S4：在缸套上的动压润滑区域加工浅而大的凹坑，在缸套上的边界润滑区域及混合润滑区域加工深而小的凹坑。

根据本发明实施例的缸套的设计方法，通过该设计方法首先根据现有的参数计算出轴承系数，然后通过摩擦试验机得出轴承系数与摩擦系数之间的关系并找到不同润滑区域的拐点，再将拐点带入到轴承系数与曲轴转角曲线、活塞行程与曲轴转角，并得出不同润滑区域对应在缸套的位置，最后在缸套不同的润滑区域内通过织构技术加工不同的凹坑。通过该设计方法得到的缸套，根据不同的润滑区设置不同的直径与深度比的凹坑，在第一润滑区上设置小而深的第一凹坑，增加第一润滑区的油膜增加，从而降低第一润滑区的摩擦力，避免活塞或缸套过早磨损的情况，在第二润滑区上设置大而浅的第二凹坑，润滑油的一部分进入大而浅的凹坑中，在活塞环刮油能力一定的情况下，分布在第二润滑区的油膜厚度减小，从而减小活塞运动阻力。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例的缸套结构示意图；

图2为斯特贝克曲线图；

图3为做功冲程缸套润滑系数、活塞行程分别与曲轴转角的关系图。

附图中各标记表示如下：

100：缸套本体；

10：第一润滑区、11：第一凹坑；

20：第二润滑区、21：第二凹坑。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与第二区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于第二元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向（旋转90度或者在其它方向）并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

如图1所示，本发明第一方面提出了一种缸套，缸套包括缸套本体100，在缸套本体100的内壁上设有第一润滑区10和位于第一润滑区10下方的第二润滑区20，第一润滑区10上设有多个第一凹坑11，第二润滑区20上设有多个第二凹坑21，第一凹坑11的直径与深度的比值小于第二凹坑21的直径与深度的比值。

根据本发明实施例的缸套，在缸套本体100的内壁上设有第一润滑区10和第二润滑区20，根据不同的润滑区设置不同的直径与深度的比值的凹坑，在第一润滑区10上设置小而深的第一凹坑11，增加第一润滑区的油膜增加，从而降低第一润滑区的摩擦力，避免活塞或缸套过早磨损的情况，在第二润滑区20上设置大而浅的第二凹坑21，润滑油的一部分进入大而浅的凹坑中，在活塞环刮油能力一定的情况下，分布在第二润滑区的油膜厚度减小，从而减小活塞运动阻力。

在本发明的一些实施例中，第一凹坑11的直径为20微米至80微米，第一凹坑11的深度为4微米至10微米，经过大量试验验证，第一凹坑20的直径和深度在该范围内形成的直径与深度的比值的凹坑能够满足储油的需求，同时能够保证第一润滑区10的油膜的厚度。

在本发明的一些实施例中，第二凹坑21的直径为活塞环直径的0.15倍至0.5倍，避免活塞在运动时活塞环卡在第二凹坑21中，影响活塞的正常运动，第二凹坑21的深度根据缸孔粗糙度来确定，选定第二凹坑21的深度为网纹粗糙度RZ值的0.5-2倍，即第二凹坑21深度为1-4微米，经过大量试验验证，第二凹坑21的直径范围与深度范围保证第二润滑区20的油膜不会阻碍活塞的运动。

在本发明的一些实施例中，所述多个第一凹坑11占第一润滑区10的面积比小于所述多个第二凹坑21占第二润滑区20的面积比。所述多个第一凹坑11占第一润滑区10的面积越小，第一润滑区10的强度越大，耐磨性越强，可靠性越高。所述多个第二凹坑21占第二润滑区20的面积越大，活塞环与缸套本体100之间的接触面积越小，摩擦力也越小。

在本发明的一些实施例中，所述多个第一凹坑11占第一润滑区10的面积为10%至20%。经过大量试验验证，所述多个第一凹坑11与第一润滑区10的面积比在该范围下，能够保证第一润滑区10的强度、耐磨性及可靠性。

在本发明的一些实施例中，所述多个第二凹坑21占第二润滑区20的面积为30%-70%。经过大量试验验证，所述多个第二凹坑21与第二润滑区20的面积比在该范围下，能够保证第二润滑区20与活塞环的接触面积、摩擦力与油膜厚度。

在本发明的一些实施例中，缸套的内壁未设有第一凹坑11与第二凹坑21的区域的粗糙度范围为小于等于2微米。在加工第一凹坑11与第二凹坑21之前，将缸套本体100的内壁的十点平均粗糙度加工成RZ≤2微米，以减小缸套本体100的内壁与活塞环之间的摩擦。

在本发明的一些实施例中，第一凹坑11均匀地布置在第一润滑区10，第二凹坑21均匀地布置在第二润滑区20，第一凹坑11与第二凹坑21均匀地布置能够保证活塞环与缸套本体100受力均匀，避免局部受力造成活塞环、缸套本体100损坏的情况。

本发明第二方面提出了一种发动机，发动机包括根据上述任一实施例的气缸盖。

根据本发明实施例的发动机，在缸套本体100的内壁上设有第一润滑区10和第二润滑区20，根据不同的润滑区设置不同的直径与深度比的凹坑，在第一润滑区10上设置小而深的第一凹坑11，增加第一润滑区的油膜增加，从而降低第一润滑区的摩擦力，避免活塞或缸套过早磨损的情况，在第二润滑区20上设置大而浅的第二凹坑21，润滑油的一部分进入大而浅的凹坑中，在活塞环刮油能力一定的情况下，分布在第二润滑区的油膜厚度减小，从而减小活塞运动阻力。

本发明第三方面提供了一种缸套的设计方法，设计方法用于设计上述任一实施例的缸套，包括以下步骤：

S1:根据实测温度计算出缸套的实际粘度：

（1）

式中，为粘度，T为实测温度，a和c为常数；

根据缸压、活塞环弹力、活塞环与缸套的接触面积计算出载荷：

载荷=（经验系数×缸压+活塞环弹力）/活塞环与缸套接触面积（2）

根据活塞的运动速度计算出轴承系数：

轴承系数（缸套润滑系数）=粘度*速度/载荷 （3）

S2：将不同的轴承系数输入到摩擦试验机中，即可得到相关的摩擦系数，根据轴承系数与摩擦系数的关系绘制斯特贝克曲线（如图2所示），并通过斯特贝克曲线的轴承系数为2*10^-9的第一拐点区分边界润滑区域与混合润滑区域，通过轴承系数为3*10^-8的第二拐点区分混合润滑区域与动压润滑区域；

S3：根据轴承系数与曲轴转角通过共有关系变量活塞环运动速度绘制以曲轴转角为横坐标、轴承系数为纵坐标的第一曲线（如图3所示），根据活塞行程与曲轴转角的关系绘制以曲轴转角为横坐标、活塞行程为纵坐标的第二曲线（如图3所示），将第二拐点的值带入到第一曲线中对应相应的曲轴转角的值，将曲轴转角的值带入到第二曲线中得到活塞行程的对应值，从而得动压润滑区域对应在缸套中的位置。具体地，第一曲线中含有两个轴承系数为第二拐点的点A、B，两个第二拐点A、B之间部分为大于第二拐点的轴线系数，将两个第二拐点A、B分别对应第一曲线中的两个曲轴转角α、β，再将两个曲轴转角α、β分别对应到第二曲线中得到两个活塞位置L1、L2，两个活塞位置L1、L2之间的部分即为动压润滑区域。该动压润滑区域即为第二润滑区域20，边界润滑区域与混合润滑区域为第一润滑区域10。

S4：在缸套上的动压润滑区域加工浅而大的凹坑，在缸套上的边界润滑区域及混合润滑区域加工深而小的凹坑。具体地，在缸套本体100未通过织构技术加工第一凹坑11与第二凹坑22之前，将缸套本体100的内壁的十点平均粗糙度加工成RZ≤2微米，以减小缸套本体100的内壁与活塞环之间的摩擦。采用激光处理或腐蚀的方法在动压润滑区域加工直径大深度小的第二凹坑21，采用激光处理或腐蚀的方法在在边界润滑区域及混合润滑区域加工直径小而深度小的第一凹坑11。

根据本发明实施例的缸套的设计方法，通过该设计方法首先根据现有的参数计算出轴承系数，然后通过摩擦试验机得出轴承系数与摩擦系数之间的关系并找到不同润滑区域的拐点，再将拐点带入到轴承系数与曲轴转角曲线、活塞行程与曲轴转角，并得出不同润滑区域对应在缸套的位置，最后在缸套不同的润滑区域内通过织构技术加工不同的凹坑。通过该设计方法得到的缸套，根据不同的润滑区设置不同的直径与深度比的凹坑，在第一润滑区10上设置小而深的第一凹坑11，增加第一润滑区的油膜增加，从而降低第一润滑区的摩擦力，避免活塞或缸套过早磨损的情况，在第二润滑区20上设置大而浅的第二凹坑21，润滑油的一部分进入大而浅的凹坑中，在活塞环刮油能力一定的情况下，分布在第二润滑区的油膜厚度减小，从而减小活塞运动阻力。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。