Скачать PDF файл.

Текст

Смотреть все

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПОРШЕНЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Волочко Александр Тихонович Клушин Валерий Александрович Овчинников Владимир Васильевич Изобелло Александр Юрьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Поршень двигателя внутреннего сгорания, головка которого армирована вставкой,включающей наружное и внутреннее кольца из материалов с различными коэффициентами теплового расширения, преимущественно наружное из нирезиста, а внутреннее из углеродистой стали, с образованием охлаждающего канала поршня, отличающийся тем,что наружное кольцо выполнено с кольцевой проточкой, расположенной соосно полости охлаждающего канала, а внутреннее кольцо выполнено разрезным и предварительно напряженным в радиальном направлении по отношению к наружному кольцу, при этом концы разрезного внутреннего кольца совмещены друг с другом внахлест на длине,превышающей разницу термического расширения материалов наружного и внутреннего колец армированной вставки. 59362010.02.28 3. 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. трудовМеждунар. науч.-техн. конф. В 3-х т. . / Под общ. ред. П.А. Витязя, С.А. Астапчика. - Новополоцк ПТУ, 2009 (прототип). Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к автомобилестроению, и может быть использована при разработке и изготовлении поршней двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с галереей масляного охлаждения. Известен поршень 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 -образного сечения 2. Внутреннее кольцо армированной 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 поршня 2 является то, что -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, включающей наружное и внутреннее кольца из материалов с различными коэффициентами теплового расширения, преимущественно наружное из нирезиста, а внутреннее из углеродистой стали, с образованием полости масляного охлаждения. Полость масляного охлаждения формируют в наружном кольце из 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. 59362010.02.28 Соединение колец в известной конструкции 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. Кроме того, соединение деталей с гарантированным натягом должно удовлетворять требованиям неподвижности соединения и прочности сопрягаемых деталей. Взаимное смещение колец в армированной вставке (неподвижность соединения) предотвращается за счет сил трения на поверхностях контакта и зависит от величины натяга или величины среднего контактного давлениямежду наружным и внутренним кольцами армированной вставки. Таким образом, известная конструкция поршня 3 может быть реализована, 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. 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 армированной 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 полезной модели положена задача обеспечения герметичности охлаждающего канала поршня, за счет исключения влияния термического расширения материалов наружного и внутреннего колец с различными коэффициентами теплового расширения на неподвижность соединения наружного и внутреннего колец армированной вставки поршня. Поставленная задача достигается тем, что в поршне двигателя внутреннего сгорания,головка которого армирована вставкой, включающей наружное и внутреннее кольца из материалов с различными коэффициентами теплового расширения, преимущественно наружное из нирезиста, а внутреннее из углеродистой стали, с образованием охлаждающего канала поршня, наружное кольцо выполнено с кольцевой проточкой, расположенной соосно полости охлаждающего канала, а внутреннее кольцо выполнено разрезным и предварительно напряженным в радиальном направлении по отношению к наружному кольцу,3 59362010.02.28 при этом концы разрезного внутреннего кольца совмещены друг с другом внахлест на длине, превышающей разницу термического расширения материалов наружного и внутреннего колец армированной вставки. Сущностью полезной модели является то, что охлаждающий канал остается герметичным на всех стадиях изготовления поршня. Внутреннее разрезное кольцо, предварительно напряженное в радиальном направлении по отношению к наружному кольцу и установленное в кольцевую проточку наружного кольца, с концами, совмещенными друг с другом внахлест, позволяет полностью компенсировать разницу термического расширения материалов наружного и внутреннего колец армированной вставки, за счет возможности перемещения его (внутреннего разрезного кольца) 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 35 мм, а максимальная 1520 мм по экономическим соображениям. Технический результат реализован тем, что внутреннее разрезное кольцо, предварительно напряженное в радиальном направлении по отношению к наружному кольцу полностью компенсирует разницу термического расширения материалов наружного и внутреннего колец армированной вставки поршня ДВС и практически не уменьшает величину натяга (величину среднего контактного давления ) между наружным и внутренним кольцами армированной вставки. Неподвижность соединения наружного и внутреннего колец армированной вставки поршня в предлагаемой конструкции поршня обеспечивается постоянством величины натяга в соединении и установкой разрезного внутреннего кольца в специально выполненную проточку (посадочное место) в наружном кольце, что и гарантирует сохранение герметичности охлаждающего канала поршня на всех стадиях его изготовления. Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где фиг. 1 - сборочный чертеж армированной вставки поршня 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 двигателя внутреннего сгорания 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 и внутреннее разрезное кольцо 4 образуют армированную вставку 5 поршня. Наружное кольцо 3 (фиг. 2) выполняют с кольцевой проточкой 6 диаметром , шириной Н глубинойдля установки внутреннего разрезного кольца 4. Разрезное внутреннее кольцо 4 (фиг. 1) выполняют ширинойН для возможности его установки в наружное кольцо 3 по посадке с зазором. В исходном состоянии (фиг. 3) разрезное внутреннее кольцо 4 выполняют диаметромодним из известных способов, например, из трубчатой заготовки или из тонколистовой (полосовой) заготовки толщинойгибкой на гибочных роликовых станках. Периметр трубчатой заготовки или длина полосовой заготовки определяется выражением, где- длина перекрытия 4 59362010.02.28 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 - ), где 3( - ). 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 (,и ) назначают, соблюдая следующие условия напряженияво внутреннем кольце, при его установке в наружное кольцо, не должны превышать допускаемых напряжений при изгибе изг. материала внутреннего кольца, а среднее давление между внутренним и наружным кольцами должно быть достаточным для обеспечения герметичности соединения колец. Поршень двигателя внутреннего сгорания (фиг. 6) включает головку 10 и юбку 11 из алюминиевого сплава. Головка 10 поршня армирована вставкой 5 с охлаждающим каналом 1. Охлаждающий канал 1 расположен в головке 10 поршня ДВС, на месте установки верхнего компрессионного кольца (фиг. 1). Изготовление поршня двигателя внутреннего сгорания предлагаемой конструкции осуществляют следующим образом. Разрезное внутреннее кольцо 4 в исходном состоянии диаметроми шириной(фиг. 3) нагружают в радиальном направлении до момента, когда наружный диаметр разрезного кольца будет равен значению, равному ( - ), где- необходимый монтажный зазор, при этом конец 7 с фаской 9 совмещают с концом 8 внахлест сверху. Монтажный зазорнеобходим 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 , 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 дробеструйную очистку и алитирование армированной вставки 5. 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 головки 10 поршня 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. Осуществляли изготовление предлагаемой конструкции поршня с охлаждающим каналом для галерейного охлаждения поршня высокофорсированного двигателя внутреннего сгорания, соответствующего экологически 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. 5 59362010.02.28 Разрезное внутреннее кольцо 4 (фиг. 3) изготавливали гибкой полосовой заготовки из стали 65 Г (механические свойства в отпущенном или отожженном состоянии в 6085 кг/мм 2, 510 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 - 7815,1 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 0,2 кг/см 2 определяли расчетным путем. Напряженияв радиальном направлении в кольце прямоугольного сечения толщиной 0,8 мм от действия равномерно распределенной нагрузкиравнялось 59,6 кг/мм 2,что не превышает допустимых значений для выбранного материала - стали 65 Г. 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 уменьшается 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. Изготовление охлаждающего канала по прототипу, в условиях отсутствия пластической деформации, с максимальным натягом 0,4 мм (наружное кольцо из нирезиста, внутреннее из стали 40 Х) показало, что при алитировании и литье поршня фактический натяг уменьшался до 0,11 мм и в некоторых случаях происходило затекание алюминиевого расплава в масляной канал. Таким образом, предлагаемая полезная модель поршня двигателя внутреннего сгорания обеспечивает герметичность охлаждающего канала поршня при соединении наружного и внутреннего колец армированной вставки с различными коэффициентами теплового расширения. По сравнению с прототипом предлагаемый поршень двигателя внутреннего сгорания более технологичен и полностью исключает выпадение внутреннего кольца при алитировании армированной вставки и кокильном литье поршня и затекание расплава алюминиевого сплава в канал для охлаждения. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7

МПК / Метки

МПК: F02F 3/16, F16J 9/00, F02F 5/00, F16J 1/00

Метки: поршень, сгорания, внутреннего, двигателя

Код ссылки

<a href="http://bypatents.com/7-u5936-porshen-dvigatelya-vnutrennego-sgoraniya.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Поршень двигателя внутреннего сгорания</a>

Похожие патенты