close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY 8575

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 8575
(13) C1
(19)
(46) 2006.10.30
(12)
7
(51) F 02F 3/00, 5/00
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
ПОРШЕНЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
BY 8575 C1 2006.10.30
(21) Номер заявки: a 20010702
(22) 2001.08.10
(43) 2003.03.30
(71) Заявитель: Производственное республиканское унитарное предприятие
"Минский моторный завод" (BY)
(72) Авторы: Петухов Арнольд Александрович; Жданович Олег Егорович (BY)
(73) Патентообладатель: Производственное
республиканское унитарное предприятие "Минский моторный завод" (BY)
(56) Взоров Б.А. Тракторные дизели. - М.:
Машиностроение, 1981. - С. 202.
SU 1295020 A1, 1987.
SU 1476165 A1, 1989.
SU 1204766 A, 1986.
SU 1176849 A, 1986.
SU 947454, 1982.
GB 2173570 A, 1986.
DE 3235165 A1, 1984.
(57)
1. Поршень двигателя внутреннего сгорания, содержащий юбку, головку с днищем и
канавками для поршневых колец, верхняя из которых размещена в теле упрочняющей
вставки, неподвижно закрепленной на поршне и имеющей верхнюю и нижнюю опорные
полки, над и под которыми соответственно предусмотрены соосные поршню участки головки, примыкающие к верхнему и нижнему торцам полок и образующими с последними
стыки, отличающийся тем, что наружные периметры максимальных поперечных сечений
соосных поршню участков головки последнего, расположенные по разные стороны упрочняющей вставки, охватывают соответственно наибольшие поперечные сечения опорных
полок с радиальными зазорами, величины которых находятся в пределах, оговоренных
зависимостью:
DH − DK
≤ R ≤ 0,10 h ,
15
Фиг. 1
BY 8575 C1 2006.10.30
где DH - величина максимального диаметра головки поршня;
DK - величина минимального диаметра головки поршня в том же месте после достижения ею предельного износа;
R - величина радиального утопания наибольшего поперечного сечения опорной полки
относительно наружного периметра максимального поперечного сечения соосного поршню участка головки;
h - радиальная глубина канавки под верхнее компрессионное кольцо;
2. Поршень по п. 1, отличающийся тем, что на поршне выполнены соосные ему,
опоясывающие его и расположенные по разные стороны канавки под верхнее кольцо дополнительные радиальные проточки или канавки, каждая из которых является общей для
примыкающих друг к другу в осевом направлении участков головки и опорной полки,
расположена на стыке последних и образована наружной радиальной поверхностью опорной полки, заканчивающейся наружным периметром стыка, и участком поверхности головки, начинающимся этим периметром и заканчивающимся выходом на наружную
поверхность головки.
3. Поршень по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в объемы дополнительных радиальных проточек или канавок помещена масло-графитовая смесь.
Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к поршням из алюминиевых сплавов, имеющим в верхнем поясе головки поршня упрочняющую кольцевую
вставку с канавкой под верхнее компрессионное кольцо.
Известны поршни из алюминиевых сплавов с упрочняющей кольцевой вставкой для
размещения верхнего компрессионного кольца, материал которой значительно более
прочный, чем основа поршня, при этом радиально наружная поверхность этой вставки
имеет общую (расположенную в одну линию) образующую с телом поршня в примыкающих к ней зонах тела последнего. Применяют обычно такие поршни [1], [2] и [3] для комплектации форсированных двигателей. Использование уточняющей вставки поршней
позволяет практически в несколько раз снизить износ вставки по торцам канавки и самих
поршневых колец.
Однако вставки, изготовленные из обычных чугунов и сталей, имеют коэффициент
линейного расширения приблизительно в два раза меньше, чем алюминиевых сплавов,
поэтому конструкция таких вставок имеет тонкие стенки и сложную фигурную форму,
которая обеспечивает механическую связь вставки с поршнем. Вставка такой формы имеет хорошие эластичные свойства и при нагреве деформируется вместе с поршнем, хотя
сложна, трудоемка и не обеспечивает исключения перемещения вставки относительно тела поршня при нагревании последнего.
Известны конструкции поршней (например, [1] - а.с. № 1295020 A1, F02, F3/00, 5/00,
1987 г.), исключающие при нагреве и охлаждении поршня радиальное перемещение относительно его упрочняющей вставки.
Как правило, такие вставки выполняют в виде полуколец - накладок (а не колец), опирающихся на радиально направленные и закрепленные на поршне штифты через промежуточный полимерный материал, заполняющий осевые и радиальные зазоры между
штифтами" полукольцами и телом поршня.
Однако такие поршни не находят широкого применения в автотракторостроении (массовое производство) из-за сложности техпроцесса изготовления, необходимости введения
дополнительных деталей и материалов, значительного повышения затрат на изготовление
и низкой надежности поршней малой размерности в работе.
Поэтому наибольшее распространение получили сплошные кольцевые вставки [3] из
материала типа нирезист, который имеет близкий к алюминиевым сплавам коэффициент
линейного расширения. Вставку выполняют в виде кольца, имеющего в поперечном сече2
BY 8575 C1 2006.10.30
нии форму трапеции со скругленными внутренними углами, для чего используется специальная технология.
Применение вообще таких вставок существенно увеличивает трудоемкость изготовления поршней и их стоимость, однако они широко применяются на форсированных двигателях, чтобы исключить катастрофический износ цельного поршня по опорным полкам
последнего и сохранить размеры его канавки.
Основным недостатком такой конструкции является то, что образующие наружных
цилиндрических поверхностей участков головки поршня, примыкающих к торцам упрочняющей вставки, являются продолжениями в том же направлении наружных цилиндрических поверхностей последней. Это значит, что сразу после изготовления наружная
поверхность упрочняющей вставки в лучшем случае радиально не выступает и не утопает
относительно радиально наружной поверхности поршня.
Такая конструкция поршня не учитывает ряд реальных факторов - производственных
и эксплуатационных (массовость производства, износ режущего инструмента между его
переточками, разные прочностные характеристики и твердость материалов упрочняющей
вставки и тела поршня, режимы загрузки эксплуатируемого двигателя, соответствующие
последним скорости и характер нагревания, остывания и изменения радиальных геометрических размеров упрочняющей кольцевой вставки и тела поршня, разные величины
радиального износа тела поршня и упрочняющей вставки, особенно при наличии абразивного фактора в рядовой эксплуатации и т.д.), влияние которых приводит к проявлению
существенных недостатков этих конструкций, следствием которых являются прихваты и
клинения поверхностей элементов цилиндропоршневой группы (ЦПГ).
Так, во-первых, анализ ряда параметров поршней, определяющих их качество и долговечность работы, позволил установить следующее:
значительное количество изготовленных в производстве поршней еще до установки на
двигатели имеет радиальное выступание наружной поверхности упрочняющей вставки
относительно поверхности тела поршня;
при эксплуатации двигателей на различных режимах загрузки (Pe-кг/см, П-об/мин),
наличии разницы тепловыделения в каждом цилиндре и различной эффективности охлаждения поршней в зависимости от условий окружающей среды и особенностей каждого
образца двигателя, совершенно очевидно, что поршни работают в разных режимах теплоподвода (быстрого или медленного), теплоотвода (быстрого или медленного) и постоянного теплового состояния в течение определенного периода. Это приводит к быстрому
или медленному нагреванию или остыванию элементов поршня и, естественно, к их радиальному расширению или сужению;
имеет место разница в коэффициентах линейного расширения и теплопроводности
материалов тела поршня и упрочняющей кольцевой вставки, а также в теплопередаче от
тела поршня к упрочняющей вставке и наоборот, от тела поршня и упрочняющей вставки
к гильзе и наоборот.
Все вышеуказанное определяет следующий реальный характер работы элементов ЦПГ
(гильза, упрочняющая вставка, тело поршня, поршневые кольца и т.д.).
При наличии после изготовления радиального выступания тела упрочняющей вставки
относительно тела поршня одного пояса опоры на юбке поршня и другого - по упрочняющей вставке, при перекладке поршня на режимах холодной обкатки и медленного
прогрева поршня имеет место прямой контакт тела упрочняющей вставки с зеркалом цилиндра. При этом возможны повреждения зеркала цилиндра, зависящие от величины радиального выступания упрочняющей вставки, формы и материала последней и гильзы
цилиндра.
При дальнейшем прогреве и передаче тепла от тела поршня к упрочняющей вставке
тело поршня прогревается быстрее упрочняющей вставки и, естественно, радиально расширяется быстрее последней, производя радиальное давление на внутреннюю цилиндри3
BY 8575 C1 2006.10.30
ческую поверхность упрочняющей вставки и деформируя ее наружу в радиальном направлении. При этом величина этой деформации, определяемая геометрическими размерами и прочностными характеристиками взаимодействующих элементов, добавляется к
исходному радиальному выступанию упрочняющей вставки.
Имеющее место трение тела только упрочняющей вставки (от его выступания) о зеркало цилиндра может прекратиться, если, с одной стороны, произойдет уменьшение радиального размера вставки из-за ее износа, с другой стороны, когда радиально расширившееся
тело поршня станет по размерам поперечного сечения равным или большим максимального
поперечного сечения упрочняющей вставки. Далее при достижении максимальных температур тела поршня и упрочняющей вставки и поддержании их неизменными взаимное перемещение элементов поршня (тело, вставка) прекращается. В этот момент имеют место
максимальные радиальные размеры тела поршня и упрочняющей вставки, при этом наличие или отсутствие прямого контакта поверхностей упрочняющей вставки с зеркалом цилиндра зависит, в основном, от величины исходного радиального выступания вставки.
При уменьшении загрузки двигателя имеет место (возможно резкое) падение температур тела поршня и упрочняющей вставки, при этом охлаждение тела поршня происходит
значительно быстрее вставки, что приводит к радиальному уходу внутрь тела поршня и
упрочняющей вставки, однако из-за меньших коэффициентов линейного расширения и
теплопроводности, а также наличия границ раздела материалов, упрочняющая вставка
уходит внутрь относительно тела поршня со значительным запаздыванием и на меньшую
величину. В этот момент радиальное выступание наружу упрочняющей кольцевой вставки относительно тела поршня складывается уже из ее исходного выступания, величины ее
радиальной деформации телом поршня при нагревании последнего и разницы величин
радиального расширения при охлаждении и имеющей место разнице температур. Это значит,
что на режиме резкого охлаждения поршня имеют место самые благоприятные условия
для контакта с зеркалом цилиндра тела упрочняющей вставки, что при неприработанных
поверхностях последних приводит к резкому повышению удельного давления в отдельных точках или зонах контакта, локальному перегреву упрочняющей вставки и в ряде
случаев - расплавлению материала тела поршня в перегретых зонах контакта. Следствие
этого - задиры, прихваты, схватывания поршня с зеркалом цилиндра, залегание колец,
ухудшение уплотнения поршня и необратимое нарушение нормальной работы ЦПГ, что
имеет место как при обкатке, так и в процессе эксплуатации.
Эти недостатки вышеуказанной и ряда других конструкций приводят к повышенным
материальным затратам в производстве и снижению долговечности ЦПГ (как следствие и
использующего двигатель агрегата) в рядовой эксплуатации.
Для снижения проявления вышеуказанных отрицательных факторов (в основном
прихват и клинение поршней) используют щадящие режимы обкатки, зеркало цилиндра с
пониженной твердостью (что ухудшает прочностные и износные характеристики последнего), добавляют специальные присадки в масла, наносят специальные приработочные
покрытия на зеркало цилиндра и поршень. Это дополнительные материальные затраты,
которые, однако, не исключают в полной мере вышеуказанных недостатков.
Целью изобретения является исключение прихватов, задиров и клинений в сопряжении "гильза-поршень" из-за влияния упрочняющей кольцевой вставки, улучшение прирабатываемости и повышение долговечности двигателей при их обкатке и в рядовой
эксплуатации.
Поставленная цель достигается тем, что:
у поршня двигателя внутреннего сгорания, содержащего юбку, головку с днищем и
канавками для поршневых колец, верхняя из которых размещена в теле упрочняющей
вставки, неподвижно закрепленной на поршне и имеющей верхнюю и нижнюю опорные
полки, над и под которыми соответственно предусмотрены соосные поршню участки головки, примыкающие к верхнему и нижнему торцам полок и образующими с последними
стыки, согласно изобретению:
4
BY 8575 C1 2006.10.30
наружные периметры максимальных поперечных сечений соосных поршню участков
головки последнего, расположенные по разные стороны упрочняющей вставки, охватывают соответственно наибольшие поперечные сечения опорных полок с радиальными зазорами, величины которых находятся в пределах, оговоренных зависимостью:
Dн − Dк
≤ R ≤ 0,10h ,
15
где Dн - величина исходного максимального диаметра головки поршня;
Dк - величина минимального диаметра головки поршня в том же месте после достижения ею предельного износа;
R - величины радиального утопания наибольшего поперечного сечения опорной полки
относительно наружного периметра максимального поперечного сечения соосного поршню участка головки, примыкающего к торцам упрочняющей вставки;
h - радиальная глубина, канавки под верхнее компрессионное кольцо;
на поршне выполнены соосные ему, охватывающие его и расположенные по разные
стороны канавки под верхнее кольцо дополнительные радиальные проточки или канавки,
каждая из которых является общей для примыкающих друг к другу в осевом направлении
участков головки и опорной полки, расположена на стыке последних и образована радиально наружной поверхностью опорной полки, заканчивающейся наружным периметром
стыка, и участком поверхности головки, начинающимся этим периметром и заканчивающимся выходом на наружную поверхность головки;
в объемы дополнительных радиальных проточек или канавок помещена маслографитовая смесь.
Конструкция поршня по п. 1 формулы изобретения позволяет, как минимум в период
до завершения приработки, гарантированно обеспечить контакт с зеркалом цилиндра не
материала упрочняющей вставки (твердого и высокопрочного), а материала тела поршня
(мягкого и хорошо прирабатывающегося), что исключает высокие удельные контактные
давления и, как следствие, задиры элементов ЦПГ.
Конструкция поршня по п. 2 формулы изобретения позволяет технологически проще
обеспечить соответствие поршня п. 1 формулы изобретения за счет одновременной радиальной обточки самой упрочняющей вставки и участков тела поршня, размешенных по
разные стороны последней в осевом направлении, создающей таким образом на теле
поршня радиальные кольцевые проточки или канавки.
Конструкция поршня по п. 3 формулы изобретения предусматривает размещение в
кольцевых радиальных проточках или канавках масло-графитовой смеси, при этом наличие последних и указанной в них смеси обеспечивает локальную смазку поверхностей
трения (кольцо, гильза) и коагуляцию (со сбором в карманах) продуктов износа в начальный период приработки.
Следует особо отметить, что конструкции поршней, содержащие отличительные признаки по п. 1 или 2 формулы изобретения, во-первых, исключают исходное радиальное
выступание упрочняющей вставки относительно поршня и последствия этого, а, вовторых, позволяют вообще исключить контакт только упрочняющей вставки (без тела
поршня) с зеркалом цилиндра в течение всего периода эксплуатации.
Практически период до наступления одновременного контакта упрочняющей вставки
и тела поршня с зеркалом цилиндра зависит и определяется минимальной исходной величиной радиального утопания наружной цилиндрической поверхности вставки с максимальным диаметром относительно наружной цилиндрической поверхности головки
поршня.
Изобретение поясняется эскизами на фиг. 1-4.
На фиг. 1 показан продольный разрез предложенного поршня, соответствующего п. 1
формулы изобретения.
5
BY 8575 C1 2006.10.30
На фиг. 2 - вариант поршня по п. 1 формулы (фрагмент продольного разреза), соответствующий п. 2 формулы изобретения.
На фиг. 3 - вариант поршня по п. 1 формулы (фрагмент продольного разреза), соответствующий п. 2 формулы изобретения.
На фиг. 4 - поршень (фрагмент продольного разреза), соответствующий п. 3 формулы.
На фиг. 1 поршень 1 имеет юбку 2, головку 3 с днищем 4 и канавками для поршневых
колец, верхняя канавка 5 из которых размещена в теле упрочняющей вставки 6, неподвижно закрепленной (залитой) на головке 3 поршня 1 и имеющей верхнюю опорную
полку 7, выше которой предусмотрен примыкающий к ней по стыку 8 и соосный поршню 1
участок 9 головки 3, и нижнюю опорную полку 10, под которой предусмотрен и примыкает к ней по стыку 11 соосный поршню 1 участок 12 головки 3, при этом участки 9 и 12
головки 3 имеют такие формы и размеры, что наружный периметр максимального поперечного сечения участка 9 охватывает с радиальным зазором в оговоренных формулой
пределах наибольшее поперечное сечение верхней опорной полки 7, а наружный периметр максимального поперечного сечения участка 12 - наибольшее поперечное сечение
нижней опорной полки 10.
На фиг. 2 представлен вариант поршня, соответствующий пп. 1 и 2 формулы изобретения и содержащий дополнительно кольцевые радиальные проточки 13 и 14 с постоянной радиальной глубиной, осевая высота каждой из которых является суммой высот,
складывающейся из примыкающих друг к другу высоты 15 или 16 части опорной полки и
соответственно высоты 17 или 18 (части тела поршня 1).
При этом наружные периметры максимальных поперечных сечений участков 9 и 12
головки 3 охватывают наибольшие поперечные сечения верхней 7 и нижней 10 опорных
полок.
На фиг. 3 - вариант поршня по пп. 1 и 2 формулы с радиальными проточками 19 и 20
радиально переменной глубины на соответственно верхней 7, нижней 10 опорных полках
упрочняющей вставки 6 и теле головки 3 поршня 1, профиль продольного сечения каждой
из которых образован пересечением образующих 21 или 22 соответственно с образующими 23 или 24.
На фиг. 4 показан поршень 1 по пп. 1 и 2 формулы с радиальными проточками 19 и 20,
в кольцевые объемы которых помешена масло-графитовая смесь 25.
Работает предложенный поршень следующим образом.
При возвратно-поступательном перемещении поршня 1 относительно зеркала цилиндра, наличии перекладки, качания последнего на поршневом пальце, радиального давления
на зеркале цилиндра и перемещении вставки 6 относительно тела поршня 1 при нагревании и остывании последнего, выполнение поршня 1 в соответствии с отличительными
признаками по п. 1 или 2 формулы изобретения гарантированно обеспечивает контакт
только тела поршня 1 (алюминиевый сплав) с зеркалом цилиндра исключением исходного
радиального выступания кольцевой упрочняющей вставки 6 относительно тела поршня 1
от момента изготовления до предельного износа поршня 1 в рядовой эксплуатации. При
этом минимально допустимая (в пределах требований к радиальному утопанию п. 1 формулы изобретения) глубина радиальной проточки обеспечивает в худшем случае, вопервых, начало приработки упрочняющей вставки только после полной приработки
поршневых колец и наружной поверхности тела поршня с последующей приработкой
вначале отдельных зон по периметру упрочняющей вставки при минимальном радиальном
удельном давлении (основную долю радиального давления воспринимает тело поршня) и
постепенном, и плавном подключении к приработке и восприятию давления остальных
зон вставки; во-вторых, возможность технологически просто (например, только радиальной подачей резца) обеспечить одновременно выполнение обеих проточек и контроль их
глубины, что делает предложенную конструкцию технологически приемлемой для массового производства.
6
BY 8575 C1 2006.10.30
Это значит, что минимальная величина (в заявленных пределах приведенной формулы) радиального утопания наиболее удаленной от продольной оси поршня точки упрочняющей вставки относительно наименее удаленной от той же оси точки поверхности
головки является достаточной для исключения радиального выступания упрочняющей
вставки и исключения вышеоговоренных недостатков, максимальная же величина - допустимой для обеспечения необходимой для кольца величины опорной площади, ниже
которой имеет место существенное повышение величины удельного давления кольца на
опорную полку и - угла возможного перекоса кольца при изменении направления движения поршня.
Помещение же в предусмотренные проточки или канавки масло-графитовой смеси
обеспечивает локальную графитизацию и смазку наиболее нагруженных участков элементов ЦПГ (гильза, кольцо, вставка, поршень) в период их приработки и имеющего место
износа, продукты которого получают возможность скапливания в карманах, являющихся
частью проточек или канавок, что снижает количество продуктов износа и долю этих продуктов, попадающих на поверхности трения.
Реализация предложенного решения позволяет существенно снизить выход из строя
двигателей из-за задиров, прихватов или полного схватывания поршня с гильзой в период
обкатки двигателя и его эксплуатации в течение установленного моторессурса, а значит повысить надежность, долговечность, качество, технический уровень и конкурентоспособность производимых двигателей.
Таким образом, заявленные отличительные признаки являются существенными, а
предложенная конструкция обладает новизной.
Для установления заявляемых отличительных признаков и подтверждения их эффективности на УП "ММЗ" был выполнен комплекс исследований и испытаний с многократным (по времени) определением диаметральных размеров упрочняющей вставки и
примыкающих к ней и соосных поршню участков последнего непосредственно после изготовления, а также при дискретном повышении температуры поршня в сборе со вставкой
и последующем остывании его на воздухе до нормальной температуры, что позволило установить факт и величины радиального перемещения вставки по времени (т.е. зависимость) относительно тела поршня.
Следует также особо отметить, что при эксплуатации двигателя и всасываниях в
цилиндры воздуха с температурой, например, -20 °C и частотой всасывания, например,
40 Гц охлаждение поршня будет происходить в десятки раз быстрее, чем при проведении
эксперимента с охлаждением в неизменном окружающем воздухе, а значит практически
так же возрастет скорость перемещения вставки относительно тела поршня (если в эксперименте время полного остывания поршня измерялось в минутах, то на реальном двигателе в секундах!).
Источники информации:
1. А.с. CCCР 1295020 A1, МПК F02, F3/00, 5/00, 1987.
2. DE 3235165, A1, 1984.
3. Тракторные дизели: Справочник / Под общей редакцией Взорова Б.А. - М.: Машиностроение, 1981. - С. 202-203 (прототип).
7
BY 8575 C1 2006.10.30
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
8
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
519 Кб
Теги
патент, 8575
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа