CN110431334B - 用于热力发动机的动力传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及一种用于热力发动机的机械动力传动装置(9)，该装置包括：‑连杆(10)，其包括用于与曲轴的轴颈配合的连杆大头(13)以及具有内孔(18)的连杆小头(12)，‑活塞(16)，其包括销孔(22)，以及‑活塞销(15)，其插入该活塞(16)的销孔(22)并插入该连杆小头(12)的内孔(18)中，以在该连杆(10)和该活塞(16)之间提供旋转连接，该装置的特征在于，该活塞销(15)涂覆有低摩擦系数表面涂层(14a)，并且活塞(16)的销孔(22)、或插设在该活塞销(15)和该销孔(22)之间的附加件涂覆有摩擦系数低的表面涂层(14b)。

Description

用于热力发动机的动力传动装置

技术领域

本发明涉及用于热力发动机的动力传动装置。特别有利但非排他性地，本发明应用于机动车辆的领域，然而也可应用于任意陆地或海上载具。

背景技术

活塞、活塞销和连杆组合件的当前构造通常由铝制活塞构成，铝制活塞具有重量轻且具有良好导热性的优点。钢制活塞也是可选的，但其通常用于柴油发动机。

销孔直接形成在活塞中并可以具有不同的配置，这些配置允许增加机械强度(轮廓、椭圆度、铣削、青铜环等)和抗咬合(轮廓、凹槽、供油)。

由钢制成活塞销可涂覆低摩擦系数的涂层。因为环境规定(消耗和二氧化碳排放)的连续收紧，在活塞销上使用DLC(英文中“Diamond Like Carbon(类金刚石碳)”的首字母缩写)类型的无定形碳基薄膜涂层已经变得普遍。实际上，随着活塞/活塞销接触处的负荷增加，这些涂层的使用使得可以在活塞/活塞销接触中进一步限制咬合，这种负荷的增加与发动机的气缸工作容积减少有关(英语中的称为“缩小规模”的原理)。

称为NEDC(“New European Driving Cycle(新欧洲驾驶循环)”的首字母缩写，或法语中的新欧洲驾驶循环)的当前污染和/或车辆消耗的测试循环已导致发动机趋向于发展成在同等功率下具有较小的气缸工作容积。

然而，这些现行标准显示出在测试期间测定的消耗与观察到的实际消耗之间的差异越来越大。NEDC测试循环将被所谓的WLTP(英文中的“Worldwide harmonized Lightvehicles Test Procedure(全球统一轻型车辆测试程序)”的首字母缩写，或法语中的针对轻型车辆的全球统一测试程序)的测试循环取代，并且更好表现具有更高负载曲线的真实驾驶循环的这些新标准倾向于减小较小发动机和更大功率发动机之间的差距。实际上，NEDC循环倾向于低功率发动机。相反，以一系列较高速度及负载的相位进行的WLTP循环表明开发具有更高功率的发动机变得有利。通过等几何形状增加比功率或通过增加发动机的排量，可以实现发动机功率的增加。

在现有的发动机基座上，可以通过两种方式来增加这种气缸工作容积。即，增加发动机气缸内径或增加活塞的行程，该气缸内径受限于缸体间距离和最小材料厚度，需满足该最小材料厚度以确保组合件的机械强度。在所有情况下，在等几何形状下气缸工作容积的增加或比功率的增加导致在活塞/活塞销和连杆/活塞销的接触处形成显著的压力且热负荷更高，并且因此尤其是在活塞/活塞销接触处产生更大的咬合风险。

此外，为了降低内燃机的燃料消耗，制造商使用低粘度油并需要在高负荷点大量使用排气再循环系统(称为“EGR”的系统，EGR是“Exhaust Gas Recirculation(排气再循环)”的首字母缩写)，这往往会使油降解。尽管活塞销上存在低摩擦系数涂层，但是部分应用会出现过度磨损。

还可以操作例如油泵的一些部件，以允许在轻度负荷的运行点上中断对活塞供油。这种停止润滑的重复和持续时间可能导致活塞销咬合的风险。在活塞销上施加低摩擦系数涂层允许避免这种缺陷并在一定程度上可以延伸油泵的控制范围。然而，该解决方案不能完全解决系统中机械负荷增加所引起的各种问题，该机械负荷的增加是WLTP循环带来的，该WLTP循环更多地考虑了系统的动态。

发明内容

本发明旨在通过提供一种用于热力发动机的机械动力传动装置而有效地克服上述缺点，该装置包括：

-连杆，其包括与曲轴轴颈配合的连杆大头以及具有内孔的连杆小头，

-活塞，其包括销孔，以及

-活塞销，其插入活塞的销孔并插入连杆小头的内孔中，以在连杆和活塞之间提供旋转连接，这样的活塞销涂覆有低摩擦系数表面涂层，并且活塞的销孔、或插设在活塞销和销孔之间的附加件涂覆有低摩擦系数表面涂层。

因此，通过显着减小活塞/活塞销连接处的摩擦，本发明允许提高发动机的性能。本发明还允许实现部件数量减少的更紧凑的新架构。此外，本发明允许使用具有非常低粘度的油，并且延长油泵的控制范围。

根据本发明，在具有低摩擦系数的两个表面涂层之间进行接触，这对于减小摩擦非常有利。然后，涂层可以从相同或不同的组合物中选择。

根据实施例，低摩擦系数表面涂层中的至少一个基于DLC型无定形碳。

根据实施例，DLC型无定形碳基表面涂层的氢原子含量在20％至50％之间，优选地在20％至30％之间。这允许在硬度和减少部件间摩擦之间实现良好折衷。

根据实施例，该表面涂层覆盖活塞销。

根据实施例，DLC型无定形碳基表面涂层中的至少一个主要包含氢原子含量小于5％的四面体结构。这也允许在硬度和减少部件间摩擦之间实现良好折衷。

根据实施例，该表面涂层覆盖活塞的销孔。

根据实施例，当从活塞移动至低摩擦系数表面涂层的外部时，该涂层的硬度趋于根据梯度增加。这允许在活塞的机械性能和涂层本身的机械性能之间实现最佳过渡。此外，这还允许确保涂层在活塞上的附着。

根据实施例，销孔经过抛光。这允许降低粗糙度，以优化活塞的材料与活塞销的材料之间的联接。

根据实施例，活塞销的粗糙度轮廓的最大高度小于1微米，并且优选地小于0.7微米。

根据实施例，具有低摩擦系数的表面涂层的厚度在1微米至3微米之间。

根据实施例，活塞由基于钢或基于铝的材料制成。

根据实施例，活塞销由钢基材料制成。

根据实施例，活塞包括裙部，该裙部也涂覆有低摩擦系数表面涂层。

附图说明

通过阅读下面的描述并通过审阅与描述相关的附图，将更好地理解本发明。给出这些附图仅为了说明而非限制本发明。

图1是根据本发明的机械动力传动装置的透视图，该装置包括活塞和相关的杆；

图2a是曲线图，其示出了在两种情况下摩擦系数随循环次数的变化，这两种情况为在铝制销孔和涂覆有DLC型涂层的活塞销之间存在接触的情况、以及在均涂覆有DLC型涂层的销孔和活塞销之间存在接触的情况；

图2b是曲线图，其示出了在两种情况下摩擦系数随滑动速度的变化，这两种情况为在钢制销孔和涂覆有DLC型涂层的活塞销之间存在接触的情况、以及在均涂覆有DLC型涂层的销孔和活塞销之间存在接触的情况；

图3是图表，其示出了在校直、抛光或涂覆有DLC型涂层的钢制销孔和涂覆有DLC型涂层的活塞销之间存在接触的情况下分别测量到的磨损率；

图4a、图4b和图4c是在不同温度情况下并针对不同润滑油的曲线图，其示出了随活塞销相对于活塞销孔的滑动速度而变化的摩擦系数；

图5是曲线图，其示出了在润滑油老化的情况下随活塞销相对于活塞销孔的滑动速度而变化的摩擦系数；

图6是图示，其示出了各种DLC类型材料族及其相应的氢、石墨(C sp2)和金刚石(Csp3)的含量；

图7是示意图，其示出了在进行压缩或燃烧膨胀的气缸内的压力峰值期间作用在活塞销上的推力。

具体实施方式

图1示出了机械动力传动装置9，其包括热力发动机的连杆10，该连杆10具有主体11，主体11在其端部中的一端处设置有连杆小头12并在其端部中的另一端处设置有连杆大头13。连杆小头12用于通过内孔18而与发动机活塞16的销15配合，同时连杆大头13用于通过另一个内孔20而允许曲轴的轴颈穿过。

活塞16具有允许活塞销15通过的销孔22。因此，为了确保连杆10和活塞16之间的旋转连接，活塞销15插入活塞16的销孔22中并插入连杆小头12的内孔18中。

发动机功率的增加导致活塞16上的压力以及咬合风险的急剧增加。尽管在活塞销15上存在涂层14，但是这些咬合风险起初仍出现在活塞16和涂覆有DLC(英文中“类金刚石碳”的缩写)型低摩擦系数表面涂层14a的活塞销15之间的接触处，随后接着出现在钢制连杆10和涂覆有涂层14a的活塞销15之间的接触处。

如图2a所示，注意到在涂覆有涂层14b的销孔22和涂覆有涂层14a的活塞销15之间存在接触的情况(DLC/DLC情况)下，随循环次数Nb_cy而变化的摩擦系数C_f通常小于在铝制销孔22和涂覆有涂层14a的活塞销15之间存在接触的情况(Alu/DLC情况)下的摩擦系数C_f。需要说明的是，在图2a的示例中，试验是在干燥情况即无润滑剂的情况下进行的。

如图2b所示，应注意到，在涂覆有涂层14b的销孔22和涂覆有涂层14a的活塞销15之间存在接触的情况(DLC/DLC情况)下，随滑动速度V_g而变化的摩擦系数C_f小于在钢制销孔22和涂覆有涂层14a的活塞销15之间存在接触的情况(A/DLC情况)下的摩擦系数C_f。需要指出的是，在图2b的实施例中，试验是借助5W30油型润滑剂进行的。

在活塞销15紧固在连杆10中的组装情况下，消除了连杆10中的咬合风险。紧密组装还具有额外的优点，即移除在浮动组装活塞销15的情况下通常存在的青铜环，并且因此进一步减小组合件的体积。

然而，由于在杆10中阻止了活塞销15的转动，接触区域不再分布在活塞销15的整个圆周上，因此涂层14的磨损增多。在铝制或钢制的销孔22与涂覆有DLC型涂层14a的活塞销15之间存在接触的情况下，该问题得到了证实，但是在涂覆有涂层14b的销孔22和涂覆有涂层14a的活塞销15之间存在接触的情况下，该问题并未出现。

如图3所示，应注意到，在校直的钢制销孔22和涂覆有涂层14a的活塞销15之间存在接触的情况(DLC/A_r情况)下，磨损率T_u约为20μm³/循环，其中轮廓算术平均偏差Ra等于0.2μm。在抛光的钢制销孔22和涂覆有涂层14a的活塞销15之间存在接触的情况(DLC/A_p情况)下，磨损率T_u约为2.5μm³/循环，其中轮廓算术平均偏差Ra等于0.02μm。在涂覆有涂层14b的销孔22和涂覆有涂层14a的活塞销15之间存在接触的情况(DLC/DLC情况)下，磨损率T_u几乎为零。实际上，观察到DLC型涂层14a/14b所覆盖的两个接触表面在磨合阶段通过后几乎不存在磨损。

此外，由于存在与复合式润滑相关的接触，该复合式润滑使用非常低粘度并快速降解的油，因此，发动机制造商寻求添加具有自润滑性能的涂层14。利用由涂层14b覆盖的销孔22和由涂层14a覆盖的活塞销15的配置使得可以在系统的任意润滑条件下通过确保稳定且可再造的摩擦系数而忽略这些各种要素。

因此，如图4a、图4b和图4c所示，根据DLC/DLC型接触的环/平面配置中的滑动速度V_g，针对五种不同的润滑剂L1、L2、L3、L4、L5分别在50℃、80℃和100℃的不同温度下测量这种类型的配置中的摩擦系数C_f。

在50℃下，五种润滑剂L1、L2、L3、L4、L5分别具有以下运动粘度：L1为35mm²/s；L2、L3、L4为30mm²/s；并且L5为20mm²/s。在80℃下，润滑油分别具有以下运动粘度：L1为15mm²/s；L2、L3、L4为13mm²/s；并且L5为10mm²/s。在100℃下，润滑剂分别具有以下运动粘度：L1为10mm²/s；L2、L3、L4为8mm²/s；并且L5为7mm²/s。

应注意到，无论润滑剂L1、L2、L3、L4、L5的温度和性质如何，在涂覆有涂层14b的销孔22与涂覆有涂层14a的活塞销15之间存在接触的情况下，如图4a所示，摩擦系数C_f被控制并基本恒定在介于0.01至0.04之间的范围内。

+此外，如图5所示，还注意到，对于老化的油，DLC/DLC型环15'和平面16'之间的接触具有比钢/DLC接触(参照该图中的A/DCL副)更小的摩擦系数C_f。

在发动机的情况下，像所有转动机器一样，往复体(活塞、活塞销、连杆小头)产生的非周期性，需要通过利用配重、平衡轴、带轮和双飞轮来补偿该非周期性。与铝制或钢制的活塞16和涂覆有DLC型涂层14a的活塞销15所组成的系统相比，本发明能够承受更大的负荷。因此，使得可以设计出具有较低非周期性的更轻、更紧凑的系统(减小销长、更小的直径、减小活塞16压缩高度)，从而可以简化甚至消除某些平衡配置。

在特定实施例中，DLC类型的涂层14沉积在销孔22中。优选地，涂层14由梯度层构成，该梯度层的特性在于，允许在基体的机械性能与仅作为涂层14的机械性能之间实现最佳过渡，基体在这种情况下为活塞16。因此，在从活塞16移动到涂层14的外部时，该层的硬度趋于以梯度增加。该梯度还使得可以确保涂层14在活塞16上的最佳结合。

如图6所示，涂层14由三种元素Csp2、Csp3和H形成，这三种元素对应于三角形的三个角。越接近三角形的顶点，相应元素的含量越高。

区别主要基于石墨Csp2的a-C:H族与称为“不含氢”的相应a-C族，该a-C:H族具有较高的氢原子含量，该a-C具有的氢原子含量小于5％。

还区别ta-C:H型族与称为“不含氢”的相应ta-C族，该ta-C:H主要包含具有高氢原子含量的四面体结构，该ta-C族具有的氢原子含量小于5％。

有利地，为了实施本发明，选择a-C:H族，其中氢原子含量在20％至50％之间且优选地在20％至30％之间。可替代地，可以选择ta-C族。这些涂层14的优点在于，在硬度和减少部件间摩擦之间获得良好折衷。还可以选择这两个族中的一个用于涂层14a，而另一个用于涂层14b。

规定活塞销15的粗糙度轮廓的最大高度Rz小于1微米，优选地小于0.7微米，并且减小的波峰高度Rpk小于0.12微米，优选地小于0.08微米，更优选地小于0.05微米。

这一点比对抗材料具有低硬度(在为铝的情况下)更为重要。因此，需要确保活塞16的销孔22处的低粗糙度，以通过例如抛光的特定表面处理来优化销孔活塞销副的运转，该销孔活塞销副由涂覆有涂层14b的销孔22和涂覆有涂层14a的活塞销15组成。

无定形碳基薄层的沉积参数已经适用于使销孔22可涂覆有具有最佳应用性能的涂层14b。替代方案在于涂覆例如环的中间件，然后将该中间件箍在活塞16的销孔22中。作为变型，中间件可以是板形或半月形。有利地，通过实施适合的工具，DLC型涂层14b也可以应用于活塞16的裙部24。

下面描述将涂层14b沉积在活塞16的销孔22上的方法。铝制或钢制活塞16的销孔22通过使用特定装置而涂覆有涂层14b，该特定装置允许有利地使活塞16的销孔22相对于沉积源定向并隐藏不应被覆盖的区域。该装置可以呈现具有圆周孔的圆柱体外观。

在清洁活塞16之后，将活塞16放置在装载到真空沉积腔室中的装置上。在泵送气体期间，腔室和活塞16通过辐射加热至设定温度来分离，该设定温度满足部件的回火温度。

当真空达到2.10^-5毫巴的值时，将氩气引入腔室中以达到10^-3毫巴量级的压力，并且表面清洗参数(等离子体功率、偏压)适于允许移除活塞16的自然氧化层，特别是移除在销孔22所处限定区域中的自然氧化层。这些参数适于降低部件上的电压，同时增加电流，从而减少阴极鞘层。

在剥离之后，沉积特性梯度层，以允许在活塞16的材料的机械性能与仅作为涂层14b的机械性能之间实现最佳过渡。该特性梯度层的末端对应于功能性无定形碳类型的沉积。保持该功能性无定形碳层以确保至少1微米量级的厚度。优选地，涂层14b的厚度在1微米至3微米之间。

作为变型，涂层14b可以是通过上述真空方法沉积的任意涂层。

图7示出了：由涂层14a覆盖的销15和活塞16的由涂层14b覆盖的销孔22之间的DLC/DLC接触面促进了这两个元件15、22在区域Z1和Z2中的滑动，在压缩或燃烧膨胀期的气缸内的压力峰值P_g期间，该区域Z1和Z2受到活塞16在销15上施加的较大的力F1和F2。在区域Z3中，力F3对应于连杆10在销15上施加的力。

Claims (15)

1.一种用于热力发动机的机械动力传动装置(9)，所述装置包括：

-连杆(10)，其包括与曲轴的轴颈配合的连杆大头(13)以及具有内孔(18)的连杆小头(12)，

-活塞(16)，其包括销孔(22)，以及

-活塞销(15)，其插入所述活塞(16)的销孔(22)并插入所述连杆小头(12)的内孔(18)中，以在所述连杆(10)和所述活塞(16)之间提供旋转连接，其特征在于，所述活塞销(15)涂覆有低摩擦系数表面涂层(14a)，并且所述活塞(16)的销孔(22)、或插设在所述活塞销(15)和所述销孔(22)之间的添加件涂覆有低摩擦系数表面涂层(14b)；

其中涂覆在所述活塞(16)的销孔(22)、或插设在所述活塞销(15)和所述销孔(22)之间的添加件上的涂层由梯度层构成。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述低摩擦系数表面涂层(14a/14b)基于DLC型无定形碳。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，DLC型无定形碳基表面涂层(14a/14b)中的至少一个的氢原子含量在20％至50％之间。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，DLC型无定形碳基表面涂层(14a/14b)中的至少一个的氢原子含量在20％至30％之间。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述表面涂层覆盖所述活塞销(15)。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，DLC型无定形碳基表面涂层(14a/14b)中的至少一个主要包含氢原子含量小于5％的四面体结构。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述表面涂层覆盖所述活塞(16)的销孔(22)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，当从所述活塞(16)移动至所述低摩擦系数表面涂层(14a/14b)的外部时，所述涂层中的至少一个的硬度趋于根据梯度增加。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述销孔(22)经过抛光。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述活塞销(15)的粗糙度轮廓的最大高度(Rz)小于1微米。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述活塞销(15)的粗糙度轮廓的最大高度(Rz)小于0.7微米。

12.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述低摩擦系数表面涂层(14)的厚度在1微米至3微米之间。

13.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述活塞(16)由基于钢或基于铝的材料制成。

14.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述活塞销(15)由钢基材料制成。

15.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述活塞(16)包括裙部(24)，所述裙部也涂覆有低摩擦系数的表面涂层(14b)。

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