close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY15258

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.12.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
F 02F 5/00
F 02F 3/16
(2006.01)
(2006.01)
ПОРШЕНЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
(21) Номер заявки: a 20091403
(22) 2009.10.02
(43) 2011.06.30
(71) Заявители: Государственное научное
учреждение "Физико-технический
институт Национальной академии
наук Беларуси"; Открытое акционерное общество "Минский моторный завод" (BY)
(72) Авторы: Волочко Александр Тихонович; Клушин Валерий Александрович; Соколов Владимир Николаевич; Овчинников Владимир Васильевич; Изобелло Александр Юрьевич (BY)
BY 15258 C1 2011.12.30
BY (11) 15258
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатели: Государственное
научное учреждение "Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси"; Открытое
акционерное общество "Минский моторный завод" (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 254953, 1969.
SU 253485, 1969.
SU 449503, 1974.
US 4593660, 1986.
WO 92/10659 A1.
(57)
Поршень двигателя внутреннего сгорания, содержащий головку, армированную
вставкой с каналом для масляного охлаждения, образованной соединением наружного
кольца из высоколегированного чугуна, в котором выполнена полость в виде кольцевой
проточки, и внутреннего кольца из углеродистой стали, отличающийся тем, что соединение наружного и внутреннего колец выполнено неразъемным путем двухсторонней отбортовки внутреннего кольца, выступающего за пределы наружного кольца на ширину,
составляющую от 2 до 5 толщин внутреннего кольца.
Фиг. 3
BY 15258 C1 2011.12.30
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к автомобилестроению, и может быть использовано при разработке и изготовлении поршней двигателей
внутреннего сгорания (ДВС) с галереей масляного охлаждения.
Существует множество конструкций поршней ДВС, головки которых армированы
вставкой, но большинство из них требуют проведения специальных и достаточно трудоемких операций (вымывание соляных стержней при организации безоболочковой камеры
охлаждения, применение электронно-лучевой сварки для соединения вставки под поршневое кольцо с полостью тороидального профиля и т.д.) по их изготовлению.
Известна конструкция поршня из легкого сплава [1], головка которого армирована
вставкой, на внутренней стороне которой устанавливают трубчатый охлаждающий канал
для циркуляционного (галерейного) охлаждения поршня. На наружной стороне трубчатого канала устанавливают цилиндрические или кольцевые дистанционные элементы, которые свариваются со вставкой под поршневое кольцо для формирования зазора между
радиально внутренней стороной вставки и радиально наружной стороной канала от 0,7 мм
до 10 % от диаметра поршня. Зазор необходим для беспрепятственного затекания металла
в литейную форму при отливке поршня.
При таком исполнении канала происходит недостаточный отвод тепла от трущейся
пары гильза-поршень. Данная конструкция поршня предусматривает изготовление вставки под поршневое кольцо и трубчатого канала из материалов, имеющих более низкий коэффициент линейного расширения, чем у поршневого алюминиевого сплава. При
последующем алитировании, перед заливкой алюминиевым расплавом и в процессе термообработки поршня может происходить нарушение сплошности между сплавом и внешней стенкой канала, что приводит к прорыву газов и влечет за собой вероятность отрыва
дна поршня.
Известна конструкция поршня, головка которого армирована вставкой, включающей
наружное и внутреннее кольца с образованием охлаждающей камеры U-образного сечения [2]. Внутреннее кольцо армирующей вставки поршня выполнено в виде тонкостенной
торообразной оболочки, полученной методом холодного пластического деформирования с
последующей сваркой встык гнутого профиля. Свободные кромки внутреннего кольца
присоединяются к кольцевым гнездам на внутренней поверхности вставки с помощью
кольцевых сварных швов. В результате получается канал для охлаждения, внутренняя поверхность которого образована торообразной оболочкой и внутренней поверхностью
наружного кольца.
Недостатком конструкции поршня [2] 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 выбрана конструкция поршня [3] двигателя внутреннего сгорания, головка которого армирована вставкой с каналом для масляного охлаждения, образованной соединением наружного кольца из высоколегированного чугуна, в котором
выполнена полость в виде кольцевой проточки, и внутреннего кольца из углеродистой
стали.
Полость масляного охлаждения формируют в наружном кольце из высоколегированного чугуна (нирезиста), коэффициент линейного расширения которого близок к коэффициенту линейного расширения поршневого алюминиевого сплава, что способствует
увеличению интенсивности теплоотвода и сохранению надежной связи между этими разнородными материалами в процессе циклического воздействия механических и термических нагрузок.
Соединение колец в известной конструкции осуществляют тепловой сборкой, путем
установки внутреннего кольца в разогретое наружное кольцо, в котором выполнен канал
для масляного охлаждения поршня.
2
BY 15258 C1 2011.12.30
В дальнейшем при изготовлении поршня армирующую 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 армирующей 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.
Кроме того, соединение деталей с гарантированным натягом должно удовлетворять
требованиям неподвижности соединения и прочности сопрягаемых деталей. Взаимное
смещение колец в армирующей вставке (неподвижность соединения) предотвращается за
счет сил трения на поверхностях контакта и зависит от величины натяга или величины
среднего контактного давления q между наружным и внутренним кольцами армирующей
вставки.
Таким образом, известная конструкция поршня [3] может быть реализована, если гарантированный натяг в соединении колец армирующей 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. Второе условие реализации - фактический натяг в соединении (среднее контактное давление) должен обеспечивать неподвижность соединения и
прочность сопрягаемых деталей.
Проведенные исследования оптимальных технологических режимов изготовления
охлаждающего канала [3] показали, что при гарантированном натяге при сборке колец армирующей вставки 0,4 мм на диаметр фактический натяг в соединении уменьшился до
0,15 мм при алитировании. При этом следует отметить, что натяг 0,4 мм, был принят как
максимально допустимый по условию отсутствия пластической деформации в соединении. С учетом принятых допусков на посадочные размеры соединяемых деталей, минимальное значение вероятностного натяга при сборке колец будет равно 0,36 мм и
фактический натяг при алитировании уменьшится, соответственно, до 0,11 мм. В связи с
чем для обеспечения герметичности и неподвижности соединения необходимо строгое
соблюдение режимов сборки, в части исполнения 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 повышения герметичности канала охлаждения
поршня.
Поставленная задача достигается тем, что в поршне двигателя внутреннего сгорания,
содержащего головку, армированную вставкой с каналом для масляного охлаждения, образованной соединением наружного кольца из высоколегированного чугуна, в котором
выполнена полость в виде кольцевой проточки, и внутреннего кольца из углеродистой
стали, соединение наружного и внутреннего колец выполнено неразъемным путем двухсторонней отбортовки внутреннего кольца, выступающего за пределы наружного кольца
на ширину, составляющую от 2 до 5 толщин внутреннего кольца.
Сущностью заявляемого технического решения является то, что охлаждающий канал
остается герметичным на всех стадиях изготовления поршня. Отбортовка внутреннего
кольца создает в соединении гарантированный натяг в осевом направлении, который и
обеспечивает герметичность соединения на стадии его сборки. В последующем при алитировании и получении отливки поршня натяг в соединении в месте отбортовки увеличи3
BY 15258 C1 2011.12.30
вается за счет большего значения термического расширения наружного кольца по сравнению с расширением внутреннего кольца.
Практически установлено, что отбортовка внутреннего кольца, выступающая за пределы наружного кольца на ширину меньше 2 толщин внутреннего кольца, не обеспечивает должной герметичности соединения, а ширина отбортовки более 5 не оправдана
экономически.
Технический результат реализован тем, что соединение наружного и внутреннего колец армирующей вставки поршня выполнено неразъемным и с гарантированным осевым
натягом, который увеличивается в процессе алитирования вставки и при заливке формы
отливки поршня расплавом алюминиевого сплава.
Заявляемое техническое решение поясняется фиг. 1-3, где на фиг. 1 приведен сборочный чертеж армирующей вставки поршня без отбортовки внутреннего кольца, на фиг. 2 сборочный чертеж армирующей вставки поршня с отбортовкой внутреннего кольца, на
фиг. 3 - поршень двигателя внутреннего сгорания с охлаждающим каналом.
Армирующая вставка поршня ДВС (фиг. 1) состоит из наружного кольца 1, в котором
выполнена полость 2 для масляного охлаждения поршня в виде кольцевой проточки, и
внутреннего кольца 3. Наружное кольцо 1 выполняют из высоколегированного чугуна, а
внутреннее кольцо 3 - из углеродистой стали. Внутреннее кольцо 3 в исходном состоянии
выполняют длиннее наружного кольца высотой H, на величину 2l, необходимую для осуществления в последующем отбортовки внутреннего кольца на ширину h, равную 2-5
толщинам t внутреннего кольца (фиг. 2), выступающей за пределы наружного кольца.
Соединение 4 наружного и внутреннего колец (фиг. 2) выполнено неразъемным с
двухсторонней отбортовкой 5, 6 внутреннего кольца 3, выступающей за пределы наружного кольца 2 на ширину h, равную 2-5 толщинам t внутреннего кольца.
Поршень двигателя внутреннего сгорания (фиг. 3) включает головку 7 и юбку 8 из
алюминиевого сплава. Головка 7 поршня армирована вставкой 4 с охлаждающим каналом
2 на месте установки верхнего компрессионного кольца.
Изготовление поршня двигателя внутреннего сгорания предлагаемой конструкции
осуществляют следующим образом.
Вначале осуществляют сборку армирующей вставки (фиг. 1) с гарантированным натягом в радиальном направлении по посадочному размеру D тепловой сборкой, для чего
наружное кольцо 1 нагревают до температуры 600-850 °С в течение 20-30 мин и помещают в него холодное внутреннее кольцо 3 с таким расчетом, чтобы длина l выступающих за
пределы наружного кольца концов внутреннего кольца была, по возможности, одинаковой
и обеспечивала бы получение отбортовки в рекомендуемых интервалах значений
h = (2÷5)⋅t.
Натяг в радиальном направлении выполняют с условием отсутствия пластической деформации в сопрягаемых деталях.
Затем осуществляют окончательную сборку армирующей вставки путем отбортовки
выступающих за пределы наружного кольца 1 (фиг. 2) концов внутреннего кольца 3 длиной l с образованием фланца под углом 90° к оси внутреннего кольца шириной h, равной
2-5 его толщины t.
Отбортовку осуществляют в штампе на прессе, на специальных станках для фасонирования концов труб или токарных станках с использованием давильного инструмента.
Герметичность соединения сопрягаемых деталей в осевом направлении достигается за
счет гарантированного натяга в радиальном направлении при тепловой сборке колец и в
осевом направлении при отбортовке концов внутреннего кольца с образованием фланцев
под углом 90°.
Гарантированный натяг в осевом направлении по размеру H возникает в результате
упругой деформации наружного кольца в зоне контакта с внутренним кольцом в процессе
отбортовки (отгиба) его выступающих концов.
4
BY 15258 C1 2011.12.30
Далее осуществляют дробеструйную очистку и алитирование армирующей вставки 4.
В процессе алитирования армирующую вставку 4 помещают в расплав алюминиевого
сплава, где она разогревается до 800 °С, при этом даже при возможном градиенте температур 100-200 °С в начальный момент нагрева наружного и внутреннего колец (внутреннее, с меньшей толщиной стенки, разогревается быстрее наружного) не происходит
уменьшение натяга в осевом направлении и, следовательно, нет опасности разгерметизации соединения.
В последующем при выравнивании температуры нагрева достигают максимального
значения увеличения натяга между наружным и внутренним кольцами в осевом направлении в месте отбортовки за счет большего значения коэффициента термического расширения материала наружного кольца по сравнению с материалом внутреннего кольца.
После алитирования армирующую вставку 4 устанавливают в кокиль на место установки верхнего компрессионного кольца (фиг. 3) и производят заливку формы расплавом
алюминиевого сплава.
При получении отливки поршня исключается возможность разгерметизации канала
охлаждения и попадания расплава алюминиевого сплава в полость канала 2, ввиду того,
что гарантированный натяг в осевом направлении в соединении наружного 1 и внутреннего 3 колец армирующей вставки 4, выполненной неразъемной с двухсторонней отбортовкой внутреннего кольца, за пределы наружного кольца на ширину, равную 2-5 толщинам
внутреннего кольца, увеличивается за счет большего значения термического расширения
наружного кольца по сравнению с расширением внутреннего кольца.
Пример использования предлагаемой конструкции поршня.
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 1 (фиг. 1) выполняли из высоколегированного чугуна марки
ЧН15Д7 толщиной H, равной 19 мм, и с полостью для масляного охлаждения в виде кольцевой проточкой диаметром ∅ 80,6Н7 мм, шириной 13 мм и глубиной 11,4 мм.
Внутреннее кольцо 4 (фиг. 1) изготавливали из стали 45 (наружный диаметр ∅ 80,9h6 мм,
толщина 1,0 мм, ширина 27 ± 0,1 мм).
Изготовление армирующей вставки (фиг. 1) осуществляли тепловой сборкой с гарантированным натягом в радиальном направлении, равным 0,3 мм. Окончательную сборку
армирующей вставки (фиг. 2) осуществляли двухсторонней отбортовкой внутреннего
кольца, выступающих за пределы наружного кольца на ширину, равную 2-5 толщинам
внутреннего кольца.
Отбортовку осуществляли на токарном станке с использованием в качестве давильного инструмента формовочных роликов, смонтированных в подшипниках качения и установленных на державках, закрепленных в суппорте станка. Армирующую вставку (фиг. 1)
устанавливали в трехкулачковый патрон токарного станка. Во время вращения шпинделя
с полуфабрикатом армирующей вставки (400-600 об/мин) к выступающему концу внутреннего кольца вставки с его внутренней стороны подводили давильник и осуществляли
отбортовку фланца посредством перемещения суппорта. Аналогичным образом осуществляли отбортовку второго выступающего конца внутреннего кольца армирующей
вставки.
Далее осуществляли алитирование армирующей вставки и ее заливку в поршень
(фиг. 3). В процессе алитирования армирующая вставка 4 разогревалась до 800 °С, наружное кольцо 1 из нирезиста расширялось на большую величину, чем внутреннее кольцо 3
из углеродистой стали, из-за разных значений коэффициентов линейного расширения материалов, что обеспечило дополнительный натяг между наружным и внутренним кольцами в месте отбортовки на величину, определяемую зависимостью:
5
BY 15258 C1 2011.12.30
∆T = H⋅T⋅(α1 - α3) = 19⋅800⋅(20,5⋅10-6 - 15,0⋅10-6) ≈ 0,07 мм,
где T - температура нагрева колец армирующей вставки при алитировании и заливки
формы поршня; α1 и α3 соответственно коэффициенты термического расширения наружного и внутреннего колец армирующей вставки поршня.
Для возможности объективной оценки герметичности охлаждающего канала поршня
было изготовлено 20 поршней по прототипу и 20 по заявляемой конструкции. Изготовленные образцы были распилены в нескольких местах в радиальном направлении. В результате этого было установлено, что в 14 из 20 образцов, изготовленных по прототипу,
произошло затекание алюминиевого расплава в полость охлаждения. В свою очередь, во
всех образцах, выполненных по заявляемой конструкции, затекания расплава алюминиевого сплава в охлаждающий канал не обнаружено, качество сформированного канала удовлетворяет ТУ.
Для оценки механических свойств и герметичности канала масляного охлаждения
предлагаемой конструкции поршня были проведены соответствующие испытания.
Испытания заключались в проверке:
прочности на разрыв соединения армирующей вставки с телом поршня;
проверки качества спая нирезистового наружного кольца армирующей вставки с основным материалом поршня;
собираемости канала охлаждения поршня с отверстием для подвода масла путем продувки сжатым воздухом при давлении 0,2-0,4 МПа.
Испытания показали:
прочность на разрыв отливки составила 550 ÷ 610 МПа,
качество спая, определяемое относительным количеством энергии, прошедшей через
область соединения нирезистовой вставки с основным материалом, составляет 58-62 %,
проверка собщаемости канала охлаждения поршня с отверстием для подвода масла
показала полную герметичность системы охлаждения поршня ДВС.
При этом предлагаемая конструкция поршня ДВС не ухудшает основных достоинств
прототипа, в части интенсификации отвода тепла и вероятности нарушения связи между
наружным кольцом армированной вставки из нирезиста и головкой поршня из алюминиевого сплава, за счет близости коэффициентов их линейного расширения.
Таким образом, использование заявляемой конструкции поршня ДВС обеспечивает
герметичность канала его охлаждения, сформированного в армирующей вставке путем
выполнения соединения наружного и внутреннего колец неразъемным с двухсторонней
отбортовкой внутреннего кольца за пределы наружного кольца на ширину, равную 2-5
толщинам внутреннего кольца. Герметичность канала охлаждения поршня обеспечивается
гарантированными натягами в осевом и радиальном направлениях наружного и внутреннего колец, выполненных из материалов с различными коэффициентами теплового расширения.
Источники информации:
1. Поршень из легкого сплава: Патент Германии № 10163060, МПК F 02F 3/22, опубл.
2003-07-10.
2. 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, опубл. 2005-03-07.
3. Волочке А.Т., Клушин В.А., Изобелло А.Ю. Теоретическое обоснование технологических параметров тепловой сборки нирезистовой вставки с галереей масляного охлаждения поршня // Вестник ПТУ. Серия В. Промышленность. Прикладные науки. - Полоцк. 2009. - № 8 (прототип).
6
BY 15258 C1 2011.12.30
Фиг. 1
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
451 Кб
Теги
патент, by15258
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа