Способ изготовления охлаждающего канала поршня двигателя внутреннего сгорания

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОХЛАЖДАЮЩЕГО КАНАЛА ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Волочко Александр Тихонович Изобелло Александр Юрьевич Клушин Валерий Александрович Овчинников Владимир Васильевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Способ изготовления охлаждающего канала для поршня двигателя внутреннего сгорания, при котором наружное кольцо и внутреннее кольцо соединяют друг с другом с образованием полости масляного охлаждения так, что кромки внутреннего кольца выступают из наружного кольца от 2 до 5 мм, и запрессовывают выступающие кромки, при этом внутреннее кольцо выполнено с наружным выступом, обеспечивающим натяг с наружным кольцом в радиальном направлении от 0,2 до 0,4 мм и осевом направлении от 0,3 до 0,5 мм, а торцевая сторона внутреннего кольца имеет с внутренней стороны фаску, выполненную под углом, составляющим от 45 до 70. Фиг. 1 Изобретение относится к области машиностроения, в частности к созданию двигателей внутреннего сгорания, и может быть использовано при формировании охлаждающего канала поршня двигателя внутреннего сгорания (ДВС). 15061 1 2011.12.30 Известен способ изготовления трубчатого охлаждающего канала для поршня ДВС из легкого сплава 1, включающий гибку трубчатой заготовки в кольцо с последующей сваркой встык. 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. Данный способ 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. Наиболее близким техническим решением к заявляемому, его прототипом является способ изготовления охлаждающей камеры -образного сечения 2, 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 прототипа является то, что -образное металлическое кольцо имеет коэффициент линейного расширения более низкий, чем у поршневого сплава, что, в свою очередь, сказывается на интенсивности теплоотвода из-за возникновения зазора между кольцом и материалом поршня. Кроме того, необходима электронно-лучевая сварка образного кольца к вставке под поршневое кольцо, что в совокупности с профилегибочными операциями при изготовлении кольца делает весь процесс производства охлаждающей камеры достаточно трудоемким. Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности отвода тепла от днища и камеры сгорания поршня. Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления охлаждающего канала поршня двигателя внутреннего сгорания, при котором наружное и внутреннее кольца соединяют друг с другом с образованием полости масляного охлаждения так, что кромки внутреннего кольца выступают из наружного кольца от 2 до 5 мм, и запрессовывают выступающие кромки, при этом внутреннее кольцо выполнено с наружным выступом, обеспечивающим натяг с наружным кольцом в радиальном направлении от 0,2 до 0,4 мм и осевом направлении от 0,3 до 0,5 мм, а торцевая сторона внутреннего кольца имеет с внутренней стороны фаску, выполненную под углом, составляющим от 45 до 70. Сущностью заявляемого технического решения является то, что охлаждающий канал формируется методом тепловой сборки, характеризующейся малой трудоемкостью. Причем тепловая сборка колец осуществляется с натягами в радиальном и осевом направлениях, что способствует надежному соединению двух колец и исключению возможности затекания алюминиевого расплава на стадиях алитирования и литья поршня. Натяг колец в радиальном и осевом направлениях менее 0,2 и 0,3 мм соответственно может привести к затеканию металла при алитировании или литье поршня. В случае величины натяга более 0,4 и 0,5 мм (радиальное и осевое направления) происходит деформация колец в месте контакта и их последующее разрушение. Внутреннее кольцо необходимо изготавливать больше наружного по высоте на 2-5 мм ввиду последующей запрессовки выступающих кромок внутреннего кольца. Данная операция снижает вероятность попадания алюминиевого расплава в охлаждающую полость. 2 15061 1 2011.12.30 Высота выступающей кромки внутреннего кольца менее 2 мм не удовлетворяет необходимому минимальному количеству металла для выполнения запрессовки. В свою очередь, увеличение высоты свыше 5 мм требует дополнительных усилий прессования и характеризуется неэффективным использованием металла, находящегося на торце нирезистового кольца. Фаска в торцевой части внутреннего кольца не должна быть менее 45, так как в процессе запрессовки выступающая часть металла потечет внутрь стального кольца. Изготовление фаски свыше 70 увеличивает энергосиловые затраты на запрессовку. Заявляемое техническое решение поясняется чертежами (фиг. 1, 2). На фиг. 1 изображено поперечное сечение заявляемого охлаждающего канала поршня, а на фиг. 2 - поперечное сечение поршня ДВС с заявляемым охлаждающим каналом. Охлаждающий нирезистовый канал состоит из охлаждающей полости (1), наружного нирезистового кольца (2) и запрессованного внутреннего кольца (3) из стали 40. В головке поршня двигателя внутреннего сгорания (1), на месте установки верхнего компрессионного кольца, расположен охлаждающий канал (2). Способ реализуют следующим образом. Наружное кольцо (фиг. 1, поз. 2) охлаждающей камеры поршня двигателя внутреннего сгорания нагревают до температуры 600-850 С в течение 20-30 мин. После чего в него помещают холодное внутреннее кольцо (фиг. 1, поз. 3) и проводят прессование колец между двумя плитами. В процессе остывания внутренний диаметр наружного кольца уменьшается, и за счет натягов происходит запрессовка внутреннего кольца. Далее охлаждающая камера подвергалась алитированию и заливке в поршень. Затем поршень распиливали по радиальным направлениям в нескольких местах и оценивали качество сформированного канала. Для исследования интенсивности теплоотвода были проведены стендовые испытания поршней, выполненных с камерой по заявляемому способу и прототипу. Результаты исследований приведены в таблице. Режимы изготовления камеры охлаждения Температура Трудоемкость Натяг колец в Натяг колец Фаска с внуту кромки ниВыступающая сборки (сварки) ренней стороп/ радиальном в осевом резистовой кромка стальноколец, мин п направлении, направлении, ны внутреннего вставки, С го кольца, мм мм мм кольца,Изменение температуры у кромки нирезистовой вставки (в сравнении с прототипом), С Нарушение контакта между кольцами во время алитирования Пластическая деформация стального кольца в радиальном направлении Затекание металла между кольцами в процессе алитирования Деформация стального и нирезистового колец в осевом направлении Прессование выступающих кромок внутреннего кольца ведет к течению металла внутрь кольца Продолжение таблицы Изменение темТемпература пературы у кромТрудоемкость Натяг колец в Натяг колец Фаска с внуту кромки ни- ки нирезистовой Выступающая сборки (сварки) ренней стороп/ радиальном в осевом резистовой вставки (в сравкромка стальноколец, мин п направлении, направлении, ны внутреннего вставки, С нении с прототиго кольца, мм мм мм кольца,пом), С Большие усилия прессования выступающих торцов внутреннего кольца Недостаток металла для запрессовки Большие усилия прессования выступающих торцов внутреннего кольца Режимы изготовления камеры охлаждения 15061 1 2011.12.30 Из приведенных данных следует, что при использовании заявляемого способа формирования охлаждающего канала температура у верхней кромки нирезистовой вставки значительно уменьшается, что характеризуется увеличением эффективности отвода тепла от поршня в зеркало цилиндра. При этом происходит снижение трудоемкости при сборке охлаждающей камеры более чем в 2 раза. Источники информации 1. Поршень из легкого сплава Патент Германии 10163060, МПК 02 3/22, дата публикации 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 21 53/18, дата публикации 2005-03-07 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.