混合式活塞销及其制造方法 |
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| 申请号 | CN201611077287.3 | 申请日 | 2016-11-30 | 公开(公告)号 | CN107303739A | 公开(公告)日 | 2017-10-31 |
| 申请人 | 现代自动车株式会社; | 发明人 | 朴相润; 赵正敏; 崔致勋; 林钟大; 姜熙三; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种混合式 活塞 销 及其制造方法。混合式活塞销包括：圆筒形销，其由 钢 形成；第一增强层，其由包含增强 纤维 和 树脂 的 复合材料 形成，所述第一增强层具有均匀厚度的圆筒形状并联接至圆筒形销的内表面；以及第二增强层，其由包含增强纤维和树脂的复合材料形成，第二增强层的增强纤维具有比第一增强层的增强纤维更小的弹性，所述第二增强层具有均匀厚度的圆筒形状并联接至第一增强层的内表面。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种混合式活塞销，其包括 |
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| 说明书全文 | 混合式活塞销及其制造方法技术领域[0001] 本发明涉及一种混合式活塞销及其制造方法，更具体地，涉及这样一种混合式活塞销，其中由钢形成的圆筒形销的内表面通过由具有高弹性的增强纤维形成的增强层和由具有相对低弹性的增强纤维形成的增强层而得到连续地增强，从而提供圆形结构中的抗弯强度和长度方向上的抗弯强度，并实现重量减小。 背景技术[0002] 由钢形成的活塞销(通过使用常规的SMC415钢制造)很重，且在活塞销应用于车辆的时候不利于燃料效率的提高。此外，活塞销不能满足普通活塞销所需的沿环形方向的抗弯强度和沿长度方向的抗弯强度。因此，需要制造一种代替常规活塞销的活塞销。因此，提出了一种由包含轻质且高强度的碳纤维的复合材料所形成的混合式活塞销。 [0003] 公开于该发明背景技术部分的上述信息仅仅旨在加深对发明背景的理解，因此其可以包含的信息并不构成在本国已为本领域技术人员所公知的现有技术。 发明内容[0004] 本发明提供一种混合式活塞销，其中由钢形成的圆筒形销的内表面通过由具有更大弹性的增强纤维形成的增强层和由具有相对低弹性的增强纤维形成的增强层而得到连续地增强，从而具有提高的圆形结构中的抗弯强度和长度方向上的抗弯强度，并减小整体重量。 [0005] 根据本发明的一个方面，混合式活塞销可以包括：圆筒形销，其由钢形成；第一增强层，其由包含增强纤维和树脂的复合材料形成，所述第一增强层具有基本上均匀厚度的圆筒形状，并联接至圆筒形销的内表面；以及第二增强层，其由包含具有比第一增强层的增强纤维更小弹性的增强纤维和树脂的复合材料形成，所述第二增强层具有基本上均匀厚度的圆筒形状，并联接至第一增强层的内表面。 [0006] 第一增强层和第二增强层的增强纤维可以为碳纤维。第一增强层的增强纤维可以为沥青基碳纤维，第二增强层的增强纤维可以为PAN(聚丙烯腈)基碳纤维。圆筒形销和第一增强层的厚度比例可以为约1:3～1:6。圆筒形销和第二增强层的厚度比例可以为约1:4～1:7。 [0007] 第二增强层可以包括由增强纤维和树脂形成的第一复合材料层，并可以与圆筒形销的长度方向平行地设置。第二复合材料层可以由增强纤维和树脂形成，并可以垂直于圆筒形销的长度方向设置。圆筒形销可以进一步包括设置在圆筒形销和第一增强层之间的粘合薄膜，从而将第一增强层联接至圆筒形销。 [0008] 根据本发明的另一方面，混合式活塞销的制造方法可以包括：堆叠第一预浸渍体和第二预浸渍体，第一预浸渍体包含增强纤维和树脂，第二预浸渍体包含弹性小于第一预浸渍体的增强纤维的增强纤维和树脂，卷曲第一预浸渍体和第二预浸渍体从而通过第一预浸渍体形成外表面，在烘箱中将经卷曲的第一预浸渍体和第二预浸渍体整体成型，将成型的第一预浸渍体和第二预浸渍体附接至由钢形成的圆筒形销的内表面。 [0009] 在某些示例性实施方案中，在堆叠第一预浸渍体和第二预浸渍体中，第一预浸渍体和第二预浸渍体的增强纤维可以为碳纤维，第一预浸渍体的增强纤维可以为沥青基碳纤维，第二预浸渍体的增强纤维可以为PAN基碳纤维。圆筒形销和第一预浸渍体的厚度比例可以为约1:3～1:6。圆筒形销和第二预浸渍体的厚度比例可以为约1:4～1:7。所述制造方法可以进一步包括在卷曲后用耐热性薄膜包裹经卷曲的第一预浸渍体和第二预浸渍体的外表面。附图说明 [0010] 通过随后结合附图所呈现的详细描述将会更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征以及其它优点，在这些附图中： [0011] 图1为显示根据本发明示例性实施方案的混合式活塞销的示例性立体图。 [0012] 图2为根据本发明示例性实施方案的混合式活塞销的示例性横截面图。 [0013] 图3为显示根据本发明示例性实施方案卷曲第一预浸渍体和第二预浸渍体且第一预浸渍体的外表面用薄膜包裹的情况的示例性视图；以及 [0014] 图4为显示根据本发明示例性实施方案的第一预浸渍体和第二预浸渍体在烘箱中整体成型时候的示例性视图。 具体实施方式[0015] 下文将参考所附附图对本发明进行更为全面的描述，在这些附图中显示了本发明的示例性实施方案。虽然本发明与示例性的实施方案相结合进行描述，但是应当了解，本说明书不是要将本发明限制为那些示例性的实施例。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种替换、修改、等同和其它实施方案。 [0016] 本文所使用的术语仅为了描述特定实施方案的目的，并不旨在限制本发明。除非上下文中清楚作出相反表示，如本文所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式。应当进一步了解，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一种或多种其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或添加。如本文所使用的术语“和/或”包括列出的相关项目的一个或多个的任何和全部组合。例如，为了使本发明的说明书清楚，不显示不相关的部分，并且为了清楚而夸张了层的厚度和区域。此外，当记载一层在另一层或基材“上”时，该层可以直接在另一层或基材上，或者第三层可以插在它们之中。 [0017] 除非特别指出或明显区别于上下文，本文中所用的术语“约”理解为在本领域内的普通公差的范围内，例如均值的2个标准偏差内。“约”可以理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非上下文明确说明，本文所提供的所有数值通过术语“约”修改。 [0018] 应当理解，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、大客车、卡车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、可插式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非汽油的能源的燃料)。 [0019] 根据本发明的混合式活塞销，如在图1中示例性地所示，其可以包括：圆筒形销100、第一增强层200以及第二增强层300，所述圆筒形销100由钢形成；所述第一增强层200由包含增强纤维和树脂的复合材料形成，所述第一增强层200具有基本上均匀厚度的圆筒形状，所述第一增强层联接至圆筒形销100的内表面；所述第二增强层300由包含增强纤维(该增强纤维具有比第一增强层200的增强纤维更小的弹性)和树脂的复合材料形成，所述第二增强层300具有均匀厚度的圆筒形状，所述第二增强层300联接至第一增强层200的内表面。 [0020] 常规活塞销由SMC415钢形成。因此，常规活塞具有约4.3mm的厚度和约79g的重量。本发明的圆筒形销100可以由钢形成，特别地可以由SMC415钢形成。如下文所述，增强材料可以联接至圆筒形销100的内表面，圆筒形销100的厚度可以减少至约0.5-1.2mm。 [0021] 然而，当圆筒形销100的厚度小于约0.5mm的时候，圆形结构中的抗弯强度和长度方向上的抗弯强度可能变小，因此圆筒形销100的横截面可能变形为椭圆形状，圆筒形销100的最小厚度可能不满足所需的尺寸公差。当圆筒形销100的厚度超过约1.2mm的时候，本发明的混合式活塞销相比于由钢形成的常规活塞销未显示出重量减小的效果。因此，圆筒形销100的厚度可以限制在约0.5-1.2mm的范围内。由钢形成的圆筒形销100可以设置在混合式活塞销的最外部分处，并可以防止热损伤且可以保护增强材料。圆筒形销100的外直径可以在约7-9mm的范围内。 [0022] 可以卷曲第一增强层200以具有基本上均匀厚度的圆筒形状，第一增强层200可以联接至圆筒形销100的内表面。第一增强层200可以由包含增强纤维和树脂的复合材料形成。特别地，第一增强层200可以由预浸渍体形成，预浸渍体由具有树脂的预浸渍纤维形成。然后，可以卷曲第二增强层300以具有基本上均匀厚度的圆筒形状，第二增强层300可以联接至第一增强层200的内表面。 [0023] 换言之，相对于第一增强层200进行参考，第二增强层300可以由复合材料形成，并可以包含增强纤维和树脂。例如，第二增强层300可以由预浸渍体形成，预浸渍体由具有树脂的预浸渍纤维形成。然而，第二增强层300的增强纤维可以具有与第一增强层200的增强纤维相比减小的弹性。具体地，第二增强层300的增强纤维弹性可以为第一增强层200的增强纤维弹性的约三分之一或更小。因此，形成第一增强层200和第二增强层300的纤维可以为碳纤维，第一增强层200的增强纤维可以为沥青基碳纤维，第二增强层300的增强纤维可以为PAN基碳纤维。 [0024] 沥青基碳纤维可以具有约640GPa或更大的弹性模量，且通常可以具有增大的碳含量和增大的弹性。因此，当沥青基碳纤维可以联接至由钢形成的圆筒形销100内表面的时候，在圆形结构中的混合式活塞销的抗弯强度和材料强度可以增大。例如，可以抑制由于施加的负载而使圆筒形销100产生成为椭圆形的变形和圆筒形销100的弯曲变形。 [0025] PAN基碳纤维具有约240GPa或更大的弹性模量，并通常可以具有增大的压缩强度。此外，PAN基碳纤维当设置在混合式活塞销的最内部分处的时候可以支撑第一增强层200并可以承受负载，在圆形结构中的混合式活塞销的抗弯强度可以增大。因此，可以抑制圆筒形销100产生成为椭圆形的变形。PAN基碳纤维相对便宜，并可以降低成本。此外，如在图2中示例性地所示，第二增强层300可以包括第一复合材料层310和第二复合材料层320；所述第一复合材料层310由增强纤维和树脂形成，并与圆筒形销100的长度方向平行地设置；所述第二复合材料层320由增强纤维和树脂形成，并垂直于圆筒形销100的长度方向设置。 [0026] 第二增强层300的增强纤维不限于设置在一个方向上，例如，联接至第一增强层200的内表面的第一复合材料层310的增强纤维可以设置在与圆筒形销100平行的方向上，联接至第一复合材料层310的内表面的第二复合材料层320的增强纤维可以设置在垂直于圆筒形销100的方向上。因此，混合式活塞销的刚度可以得到提高，并可以承受施加在混合式活塞销的宽度方向上的负载以及施加在混合式活塞销的长度方向上的负载。 [0027] 特别地，第一增强层200和第二增强层300可以整体成型以提高第一增强层200和第二增强层300的联接度。此外，粘合薄膜可以联接至第一增强层200的外表面从而通过粘合薄膜而将第一增强层200联接至圆筒形销100。此外，当第一增强层200的增强纤维为碳纤维的时候，由于碳纤维和由钢形成的圆筒形销100之间的电位差而可能发生电位腐蚀。粘合薄膜可以中断碳纤维和圆筒形销100之间的直接接触，并可以防止电位腐蚀以提高混合式活塞销的耐久性。 [0028] 通过将第一增强层200(其由具有较高弹性的碳纤维形成)和第二增强层300(其由具有低弹性的碳纤维形成)顺序地附接至圆筒形销100的内表面，混合式活塞销可以具有约25-42g的重量，混合式活塞销与常规活塞销相比可以实现46％或更大的重量减小。因此，当本发明的混合式活塞销应用于车辆的时候，车辆的燃料效率可以提高约0.7-1.2％。此外，本发明的混合式活塞销可以具有57MPa或更大的圆形结构中的抗弯强度和53MPa的长度方向上的抗弯强度，并可以满足所需的材料性能。 [0029] 表1 [0030] [0031] 如上表1中所示，在测试实施例1中的混合式活塞销包括第一增强层200(其由具有较高弹性的沥青基碳纤维形成)和第二增强层300(其由PAN基碳纤维形成)。PAN基碳纤维具有较低弹性和提高的压缩强度，并具有这样的圆形结构中的抗弯强度和长度方向上的抗弯强度：等于或大于对比实施例1(其包括由沥青基碳纤维形成的增强层)中的活塞销的圆形结构中的抗弯强度和长度方向上的抗弯强度。 [0032] 此外，测试实施例1中的混合式活塞销具有和对比实施例2中的活塞销相比提高的圆形结构中的抗弯强度并包括由PAN基碳纤维形成的增强层。在对比实施例2中的活塞销具有小于测试实施例1中的混合式活塞销的抗弯模量。相比于包括由PAN基碳纤维形成的外增强层和由沥青基碳纤维形成的内增强层的对比实施例3中的活塞销，测试实施例1中的混合式活塞销具有更大的圆形结构中的抗弯强度。 [0033] 表2 [0034] [0035] 根据上表2可以理解，相比于测试实施例2至5中的混合式活塞销，对比实施例4中的混合式活塞销的圆筒形销100和第一增强层200的厚度比例小于1:3，对比实施例4中的混合式活塞销具有减少的圆形结构中的抗弯强度。对比实施例5中的混合式活塞销的圆筒形销100和第一增强层200的厚度比例超过约1:6的比例，对比实施例5中的混合式活塞销具有减少的长度方向上的抗弯强度。 [0036] 此外，相比于测试实施例2至5中的混合式活塞销，对比实施例6中的混合式活塞销的圆筒形销100和第二增强层300的厚度比例小于约1:4的比例，对比实施例6中的混合式活塞销具有减小的长度方向上的抗弯强度。此外，对比实施例7中的混合式活塞销的圆筒形销100和第二增强层300的厚度比例超过约1:7的比例，对比实施例7中的混合式活塞销具有减小的圆形结构中的抗弯强度。 [0037] 根据本发明的混合式活塞销的制造方法包括：堆叠第一预浸渍体10(其包括增强纤维和树脂)和第二预浸渍体20(其包括具有相比于第一预浸渍体10的增强纤维减小的弹性的增强纤维)。通过将第一预浸渍体10和第二预浸渍体20卷曲而可以形成卷筒，从而通过第一预浸渍体10形成外表面。经卷曲的预浸渍体10和第二预浸渍体20在烘箱中整体成型。此外，将成型的第一预浸渍体10和第二预浸渍体20附接至由钢形成的圆筒形销100的内表面。 [0038] 如在图3中示例性地所示，第一预浸渍体10和第二预浸渍体20可以在向上的方向上顺序地堆叠，然后可以卷曲。例如，经堆叠的第一预浸渍体10和第二预浸渍体20可以卷曲以形成具有较高弹性的第一预浸渍体10的外表面。在卷曲后，经卷曲的第一预浸渍体10和第二预浸渍体20的外表面可以用薄膜30包裹。可以采用具有耐热性的热收缩带作为薄膜30。 [0039] 然后，如在图4中示例性地所示，用薄膜30包裹的第一预浸渍体10和第二预浸渍体20可以放置在烘箱中，并可以整体成型。通过用薄膜30包裹经卷曲的第一预浸渍体10和第二预浸渍体20的外表面，薄膜30可以在烘箱内成型期间的热暴露的过程中收缩，从第一预浸渍体10和第二预浸渍体20可以去除间隙孔。当烘箱内的成型完成的时候，可以去除薄膜 30，成型的第一预浸渍体10和第二预浸渍体20可以联接至圆筒形销100的内表面。然后可以进行可以包括切割、表面磨削等的加工从而完成混合式活塞销的制造。 [0040] 在堆叠中，第一预浸渍体10和第二预浸渍体20的增强纤维可以为碳纤维。特别地，第一预浸渍体10的碳纤维可以为沥青基碳纤维，第二预浸渍体20的碳纤维可以为PAN基碳纤维，且第一预浸渍体10的弹性可以大于第二预浸渍体20的弹性。然后，经堆叠的预浸渍体10和第二预浸渍体20可以联接至圆筒形销100的内表面。圆筒形销100和第一预浸渍体10的厚度比例可以为约1:3～1:6。此外，圆筒形销100和第二预浸渍体20的厚度比例可以为约1: 4～1:7。 [0041] 随着以上描述变得明显的是，根据本发明的混合式活塞销可以通过在由钢形成的圆筒形销的内表面上顺序地堆叠包括具有高弹性的增强纤维的增强层和包括具有较低弹性的增强纤维的增强层而制造。因此，在圆形结构中的抗弯强度可以增大，且长度方向上的抗弯强度可以增大，相比于由钢形成的常规活塞销可以实现约47-67％的重量减小。此外，由于重量减小，因此当混合式活塞销应用至车辆的时候，车辆的燃料效率可以提高约0.7-1.2％，且成本可以降低。 [0042] 尽管出于说明的目的已公开了本发明的示例性实施方案，但是本领域技术人员应当理解，各种修改、增加和替换是可能的，并不脱离所附权利要求中所公开的本发明的范围和精神。 |
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