close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY14852

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.10.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
F 02F 5/00
(2006.01)
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОХЛАЖДАЮЩЕГО КАНАЛА
ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
(21) Номер заявки: a 20090752
(22) 2009.05.25
(43) 2009.12.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Физико-технический
институт Национальной академии
наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Волочко Александр Тихонович; Клушин Валерий Александрович; Овчинников Владимир Васильевич; Изобелло Александр Юрьевич (BY)
BY 14852 C1 2011.10.30
BY (11) 14852
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) ВОЛОЧКО А.Т. и др. Материалы, технологии и оборудование в производстве, эксплуатации, ремонте и модернизации машин: Сборник научных
трудов VII научно-технической конференции, 2009. - Т. III. - С. 176.
SU 1657708 А1, 1991.
SU 1312216 А1, 1987.
RU 2176943 C2, 2001.
RU 2307948 C2, 2007.
(57)
1. Способ изготовления охлаждающего канала поршня двигателя внутреннего сгорания, при котором соединяют с образованием полости наружное кольцо и разрезное внутреннее кольцо, выполненные из материалов с различными коэффициентами теплового
расширения, с получением армирующей вставки, устанавливают армирующую вставку в
головке поршня, при этом соединение колец армирующей вставки выполняют путем
установки разрезного внутреннего кольца, предварительно напряженного в радиальном
направлении, в наружное кольцо, причем концы разрезного внутреннего кольца совмещают друг с другом внахлест на длине, превышающей разницу термического расширения
материалов наружного и внутреннего колец армирующей вставки.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют наружное кольцо, выполненное из нирезиста, и внутреннее кольцо, выполненное из углеродистой стали.
Фиг. 1
BY 14852 C1 2011.10.30
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к созданию двигателей внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано при формировании охлаждающего канала в армированной вставке поршня ДВС.
Известен способ изготовления охлаждающей камеры U-образного сечения [1], включающий изготовление металлического кольца профилегибочными операциями из полосы
на шнековой оправке с последующей сваркой встык гнутого профиля. Далее свободные
кромки кольца присоединяются к кольцевым гнездам на внутренней поверхности опорного ободка с помощью кольцевых сварных швов. В результате получается канал для охлаждения, внутренняя поверхность которого образована металлическим кольцом и
поверхностью опорного ободка между кольцевыми гнездами.
Недостатком способа [1] является то, что U-образное металлическое кольцо имеет коэффициент линейного расширения более низкий, чем у поршневого сплава, что сказывается на интенсивности теплоотвода, из-за возможности возникновения зазора между
кольцом и материалом поршня.
В качестве прототипа выбран способ [2] изготовления охлаждающего канала поршня
двигателя внутреннего сгорания, включающий соединение наружного и внутреннего колец армированной вставки с различными коэффициентами теплового расширения, преимущественно, наружное кольцо изготавливают из нирезиста, а внутреннее из
углеродистой стали, с образованием канала масляного охлаждения.
Соединение колец в известном способе осуществляют тепловой сборкой, путем установки внутреннего кольца в разогретое наружное кольцо, в котором выполнен канал для
масляного охлаждения поршня.
В дальнейшем при изготовлении поршня армированную вставку подвергают дробеструйной очистке, алитированию и затем помещают в кокиль в качестве армирующей составляющей для последующего получения алюминиевой отливки поршня с каналом для
циркуляционного охлаждения.
Недостатком прототипа является то, что гарантированный натяг соединения колец армированной вставки поршня, полученный тепловой сборкой деталей, значительно уменьшается в процессе последующей операции алитирования, сопровождающейся нагревом
соединения до температуры 800 °С, из-за различных коэффициентов теплового расширения материалов колец наружного и внутреннего, что может приводить к выпадению внутреннего кольца во время нагрева при алитировании или при кокильном литье поршня или
затеканию расплава алюминиевого сплава в канал для охлаждения. Коэффициент линейного расширения нирезиста при температуре нагрева 800 °С - 18,5⋅10-6 (наружное кольцо),
а стали 40X - 14,6⋅10-6 (внутреннее кольцо).
Таким образом, известный способ [2] может быть реализован, если гарантированный
натяг в соединении колец армированной вставки поршня при тепловой сборке будет
больше разницы изменения посадочных размеров наружного и внутреннего колец при последующих операциях изготовления поршня (алитирования и кокильного литья), вызванных различными коэффициентами термического расширения материалов наружного и
внутреннего колец. Кроме того, соединение деталей с гарантированным натягом должно
удовлетворять требованиям неподвижности соединения и прочности сопрягаемых деталей.
Проведенные исследования оптимальных технологических режимов изготовления
охлаждающего канала по способу [2] показали, что для обеспечения герметичности канала необходимо строгое соблюдение оптимальных режимов сборки: точное исполнение сопрягаемых поверхностей в заданном узком интервале допусков и температурных режимов
сборки и последующих операций изготовления поршня, что связано со значительной трудоемкостью изготовления.
В основу изобретения положена задача обеспечения герметичности охлаждающего
канала поршня за счет оптимизации процесса формирования охлаждающего канала и ис2
BY 14852 C1 2011.10.30
ключения влияния разницы термического расширения материалов наружного и внутреннего колец армированной вставки с различными коэффициентами теплового расширения.
Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления охлаждающего канала поршня двигателя внутреннего сгорания, при котором соединяют с образованием полости наружное кольцо и разрезное внутреннее кольцо, выполненные из материалов с
различными коэффициентами теплового расширения, с получением армированной вставки, устанавливают армированную вставку в головке поршня, при этом соединение колец
армированной вставки выполняют путем установки разрезного внутреннего кольца, предварительно напряженного в радиальном направлении, в наружное кольцо, причем концы
разрезного внутреннего кольца совмещены друг с другом внахлест на длине, превышающей разницу термического расширения материалов наружного и внутреннего колец армированной вставки; а также тем, что используют наружное кольцо, выполненное из
нирезиста и внутреннее кольцо, выполненное из углеродистой стали.
Сущностью заявляемого технического решения является то, что предварительно
напряженное в радиальном направлении разрезное внутреннее кольцо, с концами, совмещенными друг с другом внахлест, и установленное в наружное кольцо, позволяет полностью компенсировать разницу термического расширения материалов наружного и
внутреннего колец армированной вставки за счет возможности перемещения его свободного конца под действием распределенной в радиальном направлении нагрузки.
Совмещение концов разрезного внутреннего кольца друг с другом внахлест выполняют на длине, превышающей разницу термического расширения материалов наружного и
внутреннего колец армированной вставки.
Совмещение концов разрезного внутреннего кольца на длине, равной разнице термического расширения материалов, не обеспечит полного перекрытия охлаждающего канала
поршня из-за возможных колебаний периметра разрезного кольца в пределах допуска на
изготовление исходной заготовки. Поэтому практически установлена минимально рекомендуемая длина перекрытия концов 3 ÷ 5 мм, а максимальная 15 ÷ 20 мм по экономическим соображениям.
Отличительные признаки и технический результат заявляемого способа находятся
между собой в причинно-следственной связи, т.е. совокупность новых признаков с неочевидностью позволяет обеспечивать герметичность охлаждающего канала поршня двигателя внутреннего сгорания за счет установки разрезного внутреннего кольца,
предварительно напряженного в радиальном направлении, в наружное кольцо, при этом
концы разрезного внутреннего кольца совмещены друг с другом внахлест на длине, превышающей разницу термического расширения материалов наружного и внутреннего колец армированной вставки, что свидетельствует о соответствии способа критерию
изобретательский уровень.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где:
фиг. 1 - сборочный чертеж армированной вставки поршня ДВС;
фиг. 2 - наружное кольцо армированной вставки;
фиг. 3 - разрезное внутреннее кольцо в исходном состоянии;
фиг. 4 - разрезное внутреннее кольцо, предварительно напряженное в радиальном
направлении;
фиг. 5 - увеличенное изображение концов разрезного внутреннего кольца, совмещенных друг с другом внахлест;
фиг. 6 - поршень ДВС с охлаждающим каналом.
Охлаждающий канал 1 поршня ДВС (фиг. 1) состоит из охлаждающей полости 2, выполненной в наружном кольце 3, и внутреннего разрезного кольца 4. Наружное кольцо 3
(фиг. 2) и внутреннее разрезное кольцо 4 (фиг. 3-5) образуют армированную вставку 5
поршня.
3
BY 14852 C1 2011.10.30
Наружное кольцо 3 (фиг. 2) выполняют с кольцевой проточкой 6 диаметром d, шириной H и глубиной t для установки внутреннего разрезного кольца 4.
Разрезное внутреннее кольцо 4 (фиг. 1) выполняют шириной h < H для возможности
его установки в наружное кольцо 3 по посадке с зазором. В исходном состоянии (фиг. 3)
разрезное внутреннее кольцо 4 выполняют диаметром D > d одним из известных способов, например, из трубчатой заготовки или из тонколистовой (полосовой) заготовки толщиной S гибкой на гибочных роликовых станках. Периметр трубчатой заготовки или
длина полосовой заготовки определяется выражением L = π⋅d + l, где l - длина перекрытия
концов разрезного внутреннего кольца 4, предварительно напряженного в радиальном
направлении и установленного в наружное кольцо (фиг. 1, 4). В исходном состоянии
(фиг. 3) концы разрезного внутреннего кольца 4 совмещены друг с другом с зазором, равным
(∆3-l), где ∆3 = π (D - d). На одном из концов 7 или 8, например на конце 7, разрезного
внутреннего кольца 4 выполняют фаску 9 (фиг. 4-5). Параметры разрезного внутреннего
кольца (D, h и S) назначают, соблюдая следующие условия: напряжения σ во внутреннем
кольце, при его установке в наружное кольцо, не должны превышать допускаемых напряжений при изгибе [σизг.] материала внутреннего кольца, а среднее давление между внутренним и наружным кольцами должно быть достаточным для обеспечения герметичности
соединения колец.
Охлаждающий канал 1 расположен в головке 10 поршня ДВС, на месте установки
верхнего компрессионного кольца (фиг. 6).
Способ реализуют следующим образом.
Разрезное внутреннее кольцо 4 в исходном состоянии диаметром D и шириной h
(фиг. 3) нагружают в радиальном направлении до момента, когда наружный диаметр разрезного кольца будет равен значению, равному (d-δ), где δ - необходимый монтажный зазор, при этом конец 7 с фаской 9 совмещают с концом 8 внахлест сверху. Монтажный
зазор δ необходим для последующей установки разрезного внутреннего кольца 4 в наружное кольцо 3.
Затем разрезное внутреннее кольцо 4, предварительно напряженное в радиальном
направлении по фиг. 4, устанавливают в проточку 6 наружного кольца 3 (фиг. 1), где оно
(внутреннее разрезное кольцо) упруго разгибается и достаточно равномерно по всей
наружной поверхности прижимается к кольцевой проточке 6 наружного кольца 3 армированной вставки 5 поршня. Концы разрезного внутреннего кольца при этом совмещены
друг с другом внахлест на длине l, превышающей разницу термического расширения материалов наружного и внутреннего колец армированной вставки, и конец 7 с фаской 9
(фиг. 5) расположен сверху, что способствует беззазорному контакту сопрягаемых поверхностей.
Далее осуществляют алитирование армированной вставки 5 и ее заливку в поршень
(фиг. 6).
В процессе алитирования армированная вставка 5 разогревается до 800 °С, наружное
кольцо 3 из нирезиста и, соответственно, ее кольцевая проточка 6 расширяются на большую величину, чем внутреннее кольцо 4 из углеродистой стали, однако при этом соединение наружного и внутреннего колец сохраняет герметичность охлаждающего канала 1
поршня за счет упруго разгибаемого внутреннего разрезного кольца 4, сопровождаемого
взаимным перемещением совмещенных друг с другом внахлест концов 7 и 8.
В процессе отливки поршня армированную вставку 5 помещают в кокиль на месте
установки верхнего компрессионного кольца и осуществляют заливку формы (фиг. 6).
Размещение предварительно напряженного в радиальном направлении разрезного внутреннего кольца 4 в кольцевой проточке 6 наружного кольца 3 исключает возможность затекания расплава алюминиевого сплава в охлаждающий канал 1 поршня ДВС.
Пример использования способа.
4
BY 14852 C1 2011.10.30
Осуществляли изготовление охлаждающего канала для галерейного охлаждения
поршня высокофорсированного двигателя внутреннего сгорания, соответствующего экологическим требованиям "Евро-4", "Евро-5" и выше, осваиваемого в производстве на ЗАО
"Минский моторный завод".
Наружное кольцо 3 (фиг. 2) выполняли с кольцевой проточкой 6 диаметром ∅ 78 мм и
шириной 16,1 мм для установки внутреннего разрезного кольца 4.
Разрезное внутреннее кольцо 4 (фиг. 3) изготавливали гибкой полосовой заготовки из
стали 65Г (механические свойства в отпущенном или отожженном состоянии σв =
60 ÷ 85 кг/мм2, δ5 = 10 % не менее) толщиной 0,8 мм, шириной 16 мм и длиной 260 мм на
диаметр ∅ 95 мм.
Полученное кольцо нагружали в радиальном направлении до момента, когда наружный диаметр разрезного кольца равнялся значению ∅ 70 мм, при этом конец полосовой
заготовки с фаской размещали сверху. Затем разрезное внутреннее кольцо 4 устанавливали в проточку 6 наружного кольца 3 (фиг. 1), где оно упруго разгибалось, прижимаясь к
сопрягаемой поверхности наружного кольца. Концы разрезного внутреннего кольца были
совмещены друг с другом внахлест на длине 260-π⋅78 = 15,1 мм.
Распределение давлений по внутреннему разрезному кольцу зависит от формы кольца
в свободном состоянии и от соотношения жесткостей разрезного внутреннего кольца и
наружного кольца. Среднее давление между разрезным внутренним кольцом и наружным
кольцом определяли по формуле [3]:
4ES3∆ 3 4 ⋅ 20000 ⋅ 0,83 ⋅ 53,4
= 0,0022кг/мм 2 ≈ 0,2кг/см 2 ,
q=
=
4
4
9π ⋅ d
9 ⋅ 3,14 ⋅ 78
где E - модуль упругости материала разрезного кольца, кг/мм2; S - толщина кольца, мм; ∆3 разность зазоров кольца в свободном состоянии и после установки в наружное кольцо, мм;
d - посадочный диаметр наружного кольца, мм.
∆ 3 ≈ π ⋅ (D − d ) = π ⋅ (95 − 78) = 53,4 мм .
Напряжения σ в радиальном направлении в кольце прямоугольного сечения толщиной
S = 0,8 мм от действия равномерно распределенной нагрузки q определяли по формуле
[3]:
4ES∆3 4 ⋅ 20000 ⋅ 0,8 ⋅ 53,4
σ=
=
= 59,6 кг/мм 2 .
2
2
3π ⋅ d
3 ⋅ 3,14 ⋅ 78
Полученные значения напряжения не превышают допустимых значений для выбранного материала - стали 65Г.
Далее осуществляли алитирование армированной вставки 5 и ее заливку в поршень
(фиг. 6). В процессе алитирования армированная вставка 5 разогревалась до 800 °С,
наружное кольцо 3 из нирезиста расширялось на большую величину, чем внутреннее
кольцо 4 из углеродистой стали, из-за разных значений коэффициентов линейного расширения материалов, и длина перекрытия концов внутреннего кольца уменьшалась до 14,5
мм, при этом соединение наружного и внутреннего колец сохраняло герметичность охлаждающего канала 1 поршня.
Для возможности объективной оценки герметичности охлаждающего канала поршня
один из изготовленных образцов был распилен в нескольких местах в радиальном направлении. Затекания расплава алюминиевого сплава в охлаждающий канал не обнаружено,
качество сформированного канала удовлетворяет ТУ.
Таким образом, использование заявляемого способа для изготовления охлаждающего
канала обеспечивает герметичность охлаждающего канала поршня при соединении
наружного и внутреннего колец армированной вставки с различными коэффициентами
теплового расширения. При этом предлагаемый способ не ухудшает основных достоинств
прототипа, в части интенсификации отвода тепла и вероятности нарушения связи между
5
BY 14852 C1 2011.10.30
наружным кольцом армированной вставки из нирезиста и головкой поршня из алюминиевого сплава, за счет близости коэффициентов их линейного расширения.
Источники информации:
1. Металлическое кольцо на ободке для образования охлаждающего канала на поршне
двигателя внутреннего сгорания и способ его изготовления: Патент Испании 04000387,
МПК B 21D 53/18, дата публикации 2005.03.07.
2. Волочко А.Т., Изобелло А.Ю., Клушин В.А. Теоретическое обоснование технологических параметров сборки нирезистовой вставки с галереей масляного охлаждения поршня: Материалы, технологии и оборудование в производстве, эксплуатации, ремонте и
модернизации машин: сб. науч. трудов VII Междунар. науч.-техн. конф. В 3-х т. T.III /
Под общ. ред. П.А.Витязя, С.А.Астапчика. - Новополоцк: ПГУ, 2009.
3. Биргер И.А. и др. Расчет на прочность деталей машин: Справочник. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1979. - 702 с.
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Фиг. 5
6
BY 14852 C1 2011.10.30
Фиг. 6
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
276 Кб
Теги
by14852, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа