close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY5823

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 5823
(13) C1
(19)
7
(51) F 16J 9/26, F 02F 5/00
(12)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
ПОРШНЕВОЕ КОЛЬЦО
(21) Номер заявки: 961185
(22) 1996.12.30
(46) 2003.12.30
(71) Заявители: Петухов Арнольд Александрович; Тиманюк Валерий Андреевич; Жданович Олег Егорович;
Тюрин Лев Николаевич; Бестужев
Николай Иванович (BY)
(72) Авторы: Петухов Арнольд Александрович; Тиманюк Валерий Андреевич;
Жданович Олег Егорович; Тюрин Лев
Николаевич; Бестужев Николай Иванович (BY)
(73) Патентообладатели: Петухов Арнольд
Александрович; Тиманюк Валерий
Андреевич; Жданович Олег Егорович;
Тюрин Лев Николаевич; Бестужев Николай Иванович (BY)
(57)
Поршневое кольцо, например, двигателя внутреннего сгорания, ограниченное в его аксиальном направлении верхней и нижней торцевыми, а в радиальном направлении - внутренней
и рабочей поверхностями, и содержащее антифрикционные включения графита, отличающееся тем, что в среднем по телу поршневого кольца аксиальная высота включений графита
больше их радиальной толщины, при этом в направлении к рабочей поверхности радиальная
толщина последних и расстояние между ними уменьшаются, а аксиальная высота увеличивается.
BY 5823 C1
(56)
ГОСТ 621-87. Кольца поршневые двигателей внутреннего сгорания. Технические требования. Из-во стандартов, 1990. - С. 1-5.
Энглиш К. Поршневые кольца. - М.: Машиздат, 1962. - Т. 1. - С. 441-442, фиг. 329-330.
Фиг. 1
BY 5823 C1
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к производству двигателей внутреннего сгорания (ДВС) для тракторов и автомобилей, и может быть использовано при разработке и производстве поршневых колец, обеспечивающих уплотнение
сопряжения "гильза-поршень" ДВС и компрессоров.
Известно поршневое кольцо, изготовленное со вставками из антифрикционного материала, так называемое биметаллическое кольцо [1].
Известно также поршневое кольцо с канавками, заполненными антифрикционным материалом [2].
Периферийная (рабочая) поверхность этих поршневых колец, контактирующая с гильзой, быстро и хорошо прирабатывается к гильзе, а внутренняя часть обеспечивает необходимый уровень и стабильность упругости самого кольца.
Недостатком конструкции таких колец является высокая трудоемкость и сложность их
изготовления, а также повышенная себестоимость и материалоемкость.
Наиболее близким по технической сущности решением является поршневое кольцо
ДВС, ограниченное в его аксиальном направлении верхней и нижней торцевыми поверхностями, а в радиальном направлении - внутренней и рабочей поверхностями и выполненное из однородного материала по всему объему, например из специального серого или
высокопрочного чугуна, включающего металлическую матрицу и произвольно (приблизительно равномерно) распределенные в ней антифрикционные включения графита, причем
средние размеры включений графита и расстояний между последними в различных зонах
и направлениях поршневого кольца практически одинаковы [3].
Как известно, наиболее нагруженные кольца (верхние компрессионные) выполняют из
материала с повышенной термодинамической прочностью - высокопрочного чугуна. Этот
чугун обеспечивает нужные прочностные характеристики, но трибологически не эффективен, поскольку включения графита в нем имеют неразвитую поверхность, более объемны и изолированы металлической матрицей. Это приводит к тому, что суммарная площадь
включений графита, контактирующая с поверхностью трения, не достаточна, из-за повышенного трения теплоподвод высок, смазка удерживается слабо, приработка поршневых
колец затруднена. Поэтому, как правило, выполняя верхние компрессионные кольца из
высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, что обеспечивает нужные их прочностные характеристики, затем покрывают их наружную поверхность износостойким материалом, например пористым твердым хромом. Такое решение усложняет и удорожает
производство поршневых колец, приводит к повышенному износу гильз.
Нижние же компрессионные кольца, как менее термодинамически нагруженные, допускают применение материала с пониженными прочностными характеристиками, например
специального серого чугуна с пластинчатым графитом, но с лучшими трибологическими характеристиками. Такие кольца относительно хорошо работают в паре трения, но хрупки и
имеют невысокую износостойкость.
Таким образом, чем менее развиты объемы и площади включений графита в теле поршневого кольца, тем лучше прочностные характеристики последнего, и наоборот, чем более
развиты объемы и площади включений графита, тем более они совершенны трибологически,
но ниже прочностные характеристики и показатели упругости поршневого кольца.
Основными недостатками прототипа являются:
необходимость использования различных материалов для производства колец различного назначения в одном поршневом комплекте (верхние компрессионные, нижние компрессионные, маслосъемные);
необходимость покрытия износостойкими и антифрикционными покрытиями;
худшая прирабатываемость;
повышенная хрупкость;
высокая материалоемкость и себестоимость (с учетом припусков на механическую
обработку и отходов в брак заготовок).
Задачей изобретения является создание поршневого кольца с заданными различными
свойствами по его телу, т.е. создание такого поршневого кольца, которое имело бы наиболее
2
BY 5823 C1
высокие трибологические характеристики его рабочей поверхности, контактирующей с гильзой, а также необходимую прочность и упругость остальной части поршневого кольца при
возможности изготовления поршневых колец различного назначения (например, верхних и
нижних компрессионных, маслосъемных) из одного и более простого материала.
Поставленная задача решается посредством того, что поршневое кольцо, ограниченное в
его аксиальном направлении верхней и нижней торцевыми, а в радиальном направлении внутренней и рабочей поверхностями и содержащее в своем теле антифрикционные включения, например включения графита, выполняют таким, что в среднем по телу поршневого
кольца аксиальная высота включений графита больше их радиальной толщины, при этом по
мере приближения к рабочей поверхности радиальная толщина последних и расстояние между ними уменьшаются, а аксиальная высота увеличивается.
Такая конструкция поршневого кольца позволяет исключить или существенно уменьшить вышеуказанные недостатки, что в конечном итоге позволит:
использовать для производства поршневых колец одного поршневого комплекта один
материал;
предположительно - упростить материал и отказаться от покрытия твердым хромом;
обеспечить необходимые прочность и упругость;
снизить хрупкость поршневых колец;
уменьшить величину замка поршневого кольца в свободном состоянии, а значит и
уменьшить припуск на механическую обработку;
улучшить приработку;
уменьшить трение в паре "гильза-поршневое кольцо" и, соответственно, уменьшить
износ деталей указанного сопряжения;
снизить материалоемкость и себестоимость производства поршневых колец.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом.
На фиг. 1 изображено поршневое кольцо в рабочем состоянии (сжато до номинального размера) двумя проекциями - вид спереди и вид сверху;
на фиг. 2 изображен фрагмент выносного элемента А на фиг. 1 в увеличенном масштабе, где схематически показаны основные элементы поршневого кольца и признаки
формы включений графита, а также расположения последних в теле поршневого кольца;
на фиг. 3, 4 и 5 изображены в увеличенном масштабе и развернутом виде равные участки площади цилиндрических сечений поршневого кольца:
на фиг. 3 - цилиндрическое сечение Б-Б на фиг. 2, проходящее через образующую α;
на фиг. 4 - цилиндрическое сечение В-В на фиг. 2, проходящее через образующую β;
на фиг. 5 - цилиндрическое сечение Г-Г на фиг. 2, проходящее через образующую γ;
на фиг. 6 изображен схематичный фрагмент объемной модели предлагаемого поршневого кольца с более наглядной иллюстрацией формы включений графита и их расположения в теле поршневого кольца.
Предлагаемое поршневое кольцо содержит тело 1 кольца, ограниченное в аксиальном
направлении верхней 2 и нижней 3 торцевыми поверхностями, а в радиальном направлении - внутренней 4 и рабочей 5 поверхностями.
Поршневое кольцо имеет замок 6. Расстояние между внутренней 4 и рабочей 5 поверхностями в радиальном направлении является радиальной толщиной 7 поршневого
кольца, а расстояние между верхней 2 и нижней 3 торцевыми поверхностями в аксиальном направлении поршневого кольца - его аксиальной высотой 8.
Тело 1 поршневого кольца содержит антифрикционные включения 9 графита, распределенные в его основе 10. Стрелкой 11 на фиг. 2 и 6 указано направление перемещения от
внутренней 4 к рабочей 5 поверхности при описании поршневого кольца.
По мере приближения от внутренней 4 к рабочей 5 поверхности изменяется форма
включений 9 графита, характеризуемая размерами последних в радиальном и аксиальном
направлениях, а также изменяется расстояние между включениями графита в радиальном
направлении. Следует отметить, что тело 1 поршневого кольца содержит включения 9
графита в довольно широком диапазоне размеров, поэтому возможно наличие отдельных
3
BY 5823 C1
больших по размерам включений 9 графита и до подхода к рабочей 5 поверхности поршневого кольца. И это совершенно естественно. Однако поверхность трения характеризуется размерами и площадями не отдельных включений, а суммарной площадью на
поверхности трения включений 9 графита. Поэтому при иллюстрации сущности изобретения следует рассматривать размеры не единичных включений 9 графита, а средние размеры включений 9 графита в рассматриваемых сечениях.
Для упрощения и наглядности описания поршневого кольца, характеризуемого формой включений 9 графита и расстояниями между последними, представлена математическая модель со следующими обозначениями:
bср - средний размер включений 9 графита в радиальном направлении поршневого
кольца (средняя радиальная толщина);
hcp - средний размер включений 9 графита в аксиальном направлении поршневого
кольца (средняя аксиальная высота);
zcp - средний размер расстояния между смежными включениями 9 графита в радиальном направлении поршневого кольца.
Индексами 1, 2 и 3 в верхней части буквенных обозначений bcp, hcp и zcp обозначены
значения, относящиеся соответственно к цилиндрическим сечениям Б-Б, В-В и Г-Г тела 1
поршневого кольца.
С учетом принятых обозначений сущность изобретения может быть представлена в
виде простейших математических зависимостей, отражающих характер изменения формы
по размерам включений 9 графита, а также расстояний между последними по мере удаления от внутренней 4 и приближения к рабочей 5 поверхности поршневого кольца:
bср - в радиальном направлении поршневого кольца уменьшается, в связи с чем включения 9 графита становятся тоньше, т.е.
bср1 > bср2 > bср3,
hcp - в аксиальном направлении поршневого кольца увеличивается, в связи с чем
включения 9 графита удлиняются в указанном направлении, т.е.
hcp1 < hcp2 < hcp3,
zcp - в радиальном направлении поршневого кольца уменьшается, в связи с чем включения 9 графита приближаются друг к другу, т.е.
zср1 > zср2 > zср3.
Из вышеописанного характера изменения формы и относительного расположения
включений 9 графита в теле 1 поршневого кольца видно, что по мере приближения в радиальном направлении последнего от внутренней 4 к рабочей 5 поверхности одновременно имеет место уменьшение радиальной толщины b, увеличение аксиальной высоты h и
сближение включений 9 графита в радиальном направлении 11 поршневого кольца.
Это значит, что в указанном направлении по стрелке 11 форма включений 9 графита
переходит от явно объемной (зерновой, шаровидной и т.д.) к пластинчатой с одновременным повышением количества таких "пластин" в единице объема тела 1 поршневого кольца, т.е. достигается более плотная послойная упаковка этих включений с ориентацией
последних в аксиальном направлении поршневого кольца. А если это так, то минимальные толщины b включений 9 графита и расстояние z между последними, а также максимальная аксиальная высота и число включений 9 графита в единице объема тела 1
поршневого кольца при наибольшем соответствии их аксиальной ориентации достигается
на рабочей 5 поверхности, т.е. на поверхности трения с гильзой цилиндра.
Повышенная плотность послойной упаковки включений 9 графита в указанном направлении приводит при механической обработке заготовок к рассечению большего числа
включений 9 графита, а значит - к выходу большего числа включений 9 графита на рабочую 5 поверхность поршневого кольца.
Повышение высоты h включений 9 графита в аксиальном направлении поршневого кольца приводит к повышению раскрываемой площади каждого включения 9 графита, а значит и
к увеличению суммарной площади графита в площади трения поршневого кольца.
4
BY 5823 C1
Достижение максимальной ориентации включений 9 графита в аксиальном направлений поршневого кольца приводит при механической обработке последнего к рассечению
включений 9 графита по наибольшей площади (практически по всей высоте h и толщине b
включения 9), что дополнительно повышает суммарную площадь включений 9 графита на
рабочей 5 поверхности поршневого кольца.
Таким образом, большая суммарная площадь включений 9 графита ("пластин") на рабочей 5 поверхности поршневого кольца обеспечивается:
большим числом включений 9 графита ("пластин");
большей высотой включений 9 графита;
благоприятной ориентацией включений 9 графита в аксиальном направлении.
Существенное же повышение на рабочей 5 поверхности поршневого кольца (поверхности трения) доли поверхности, занятой графитом, является важным фактором с точки
зрения трибологических требований, обеспечивающих идеальные условия работы поршневого кольца в гильзе цилиндра.
Падения прочностных характеристик поршневого кольца из-за повышения доли суммарной площади включений 9 графита в площади рабочей 5 поверхности поршневого
кольца не может быть и нет, поскольку увеличение числа включений 9 графита в единице
объема тела 1 поршневого кольца сопровождается уменьшением их толщины и не влечет
за собой повышения объемной доли включений графита в теле 1 поршневого кольца.
Напротив, должно и практически имеет место существенное повышение прочностных
характеристик тела 1 поршневого кольца из-за уменьшения радиальной толщины включений 9 графита, а значит - и полостей (гнезд) в теле 1 поршневого кольца под размещение
последних, а также - из-за благоприятной направленности этих полостей: в плоскости нагружения поршневого кольца находится меньшее измерение (поперечная ось) пустоты
(гнезда), которая является ослабляющим поршневое кольцо фактором. Кроме того, предлагаемое поршневое кольцо практически не может содержать включений 9 графита в теле
последнего (а значит и их гнезд) с чисто радиальной направленностью большего измерения (большей оси), сильно ослабляющих поперечное сечение, как это обязательно имеет
место в поршневых кольцах известных конструкций.
Существенное же повышение прочностных характеристик поршневого кольца влечет
за собой и обеспечивает после соответствующей термообработки значительное повышение и его упругости.
В связи с вышеоговоренным комплексом особенностей построения тела 1 предлагаемого поршневого кольца (увеличение высоты, плотности упаковки и благоприятного пространственного расположения включений 9 графита) рабочая поверхность поршневого
кольца в сравнении с поверхностями цилиндрических сечений, расположенных ближе к
внутренней 4 поверхности поршневого кольца, имеет суммарную площадь включений 9
графита выше 30 процентов.
Повышенные прочностные характеристики поршневого кольца допускают возможность большего разведения замка 6 поршневого кольца при надевании последнего на
поршень без поломок.
Повышенная упругость поршневого кольца позволяет изготовлять поршневые кольца
с меньшим зазором в замке 6 в свободном состоянии, что позволяет использовать заготовку меньших размеров с соответствующим уменьшением расхода металла.
Повышенные показатели прочности и упругости позволяют использовать предлагаемое поршневое кольцо в качестве первого компрессионного даже при использовании более простых исходных материалов.
Поскольку предлагаемое поршневое кольцо имеет в сравнении с известными конструкциями рабочую поверхность с повышенным содержанием графита, то уменьшаются
силы трения деталей в сопряжении "кольцо-гильза", а значит уменьшается и их износ,
улучшается и ускоряется приработка.
Все в целом приводит к повышению надежности работы цилиндро-поршневой группы
ДВС при одновременном снижении затрат на производство.
5
BY 5823 C1
Источники информации:
1. Энглиш К. Поршневые кольца. - М.: Машгиз, 1962. - Т.1. - С. 442, фиг. 330.
2. Энглиш К. Поршневые кольца. - М.: Машгиз, 1962. - Тт.1. - С. 441, фиг. 329.
3. ГОСТ 621-87. Кольца поршневые двигателей внутреннего сгорания: Общие технические условия. - С. 1-5 (прототип).
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Фиг. 5
Фиг. 6
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
232 Кб
Теги
by5823, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа