МАСЛОСЪЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1994 года по МПК F16J9/06 

Изобретение относится к машиностроению и может найти применение в качестве маслосъемных колец, устанавливаемых на поршнях двигателей внутреннего сгорания или компрессоров.

Аналогом предлагаемого устройства может быть любой узел маслосъемного поршневого кольца для двигателя внутреннего сгорания, содержащий многоугольный радиальный расширитель, который устанавливается между поршневым кольцом и стенкой канавки поршня. В поршневом кольце и находящимся под ним радиальном расширителе предусмотрены дренажные отверстия для отвода масла со стенок цилиндра двигателя в закольцевое пространство и далее через сквозные отверстия в поршне на его внутреннюю стенку. Назначение радиального расширителя - создание в подпертом кольце постоянно действующее, равномерно распределенное радиальное давление.

Основным недостатком работы аналога является постоянное заданное давление кольца на поверхность цилиндра как при движении поршня к нижней мертвой точке, так и при движении его к верхней мертвой точке, хотя известно, что сброс масла кольцом с поверхности цилиндра происходит только при движении поршня к нижней мертвой точке.

При одинаковом заданном давлении кольца на поверхность цилиндра двигателя наблюдается повышенный расход масла на угар, так как при движении поршня к верхней мертвой точке имеет место транспортирование кольцом части масла с поверхности цилиндра в зону высоких температур и в камеру сгорания двигателя. Отсюда следует, что при движении поршня к верхней мертвой точке надо уменьшать радиальное давление маслосъемного кольца до минимума, нужного для поддержания необходимой толщины масляной пленки на зеркале цилиндра, а при движении к нижней мертвой точке - увеличивать давление кольца для лучшего сброса масла в картер двигателя.

Кроме этого, из-за постоянного давления кольца на стенки цилиндра изменяется толщина слоя масла на ходу поршня - от минимального значения в районе мертвых точек, до максимального, в зоне достижения максимальной скорости поршня (примерно в середине хода поршня). Непосредственный контакт кольца и поверхности цилиндра в районе мертвых точек приводит к увеличению износа рабочих поверхностей в этой зоне за счет возрастания коэффициента трения, а слишком большой слой масла в зоне высоких скоростей движения поршня повышает расход масла на угар.

Таким образом, недостаток известной конструкции узла маслосъемного кольца обусловлен постоянным, по ходу поршня радиальным давлением его на стенки цилиндра.

Прототипом изобретения является узел маслосъемного поршневого кольца для двигателя внутреннего сгорания, который содержит в канавке поршня кольцо и многоугольный радиальный расширитель, а также средство изменения деформации расширителя: на внутренней поверхности поршня по меньшей мере один груз, связанный через сквозное отверстие в канавке поршня с расширителем упругим элементом и гибкой связью. При этом упругий элемент выполнен в виде пружины, установленной между расширителем и дном канавки, а гибкая связь - в виде шарнирного стержня.

При перемещении поршня на него и на все массы, двигающиеся вместе с ним, в том числе и на грузы, действует сила инерции, которая изменяется по закону косинусоиды. Максимум ее достигается в районе мертвых точек (верхней и нижней), а минимум - примерно в середине хода поршня, когда скорость поршня достигает максимума. Под действием силы инерции грузы посредством гибких связей воздействуют на упругие элементы, которые, в свою очередь, перемещают многоугольный расширитель в канавке поршня, изменяя радиальное давление на кольцо. Максимум давления расширителя на кольцо имеет место около середины хода поршня, когда равна нулю сила инерции, а минимум давления - в мертвых точках, где сила инерции достигает максимума.

Таким образом, давление кольца на стенке цилиндра регулируется в зависимости от хода поршня, обеспечивая постоянство масляного слоя.

Недостатком прототипа является то, что средняя величина силы радиального давления кольца одинакова как при движении поршня к нижней мертвой точке, так и при движении поршня к верхней мертвой точке, хотя известно, что это давление должно быть несколько пониженным при движении поршня к верхней мертвой точке. Поэтому оптимальную толщину масляного слоя на зеркале цилиндра по ходу поршня можно организовать либо при движении поршня к нижней мертвой точке, либо при движении поршня к верхней мертвой точке. Если рассчитать радиальное давление маслосъемного кольца прототипа так, что оптимальная толщина масляного слоя на зеркале цилиндра была при движении поршня к нижней мертвой точке, то при движении поршня к верхней мертвой точке это же радиальное давление кольца будет слишком высоким. Наблюдаетcя повышенный расход масла на угар в результате транспортирования его кольцом к верхней мертвой точке - в зону высоких температур. Кроме этого, недостатка следует считать, что наличие у средства изменения деформации расширителя таких подвижных частей как груза, перемещающегося по внутренней поверхности поршня, под воздействием силы инерции, и гибкой связи в виде шарнирного стержня, соединяющей груз с радиальным расширителем, снижают надежность работы узла маслосъемного поршневого кольца.

Цель изобретения - уменьшение расхода масла на угар и увеличение надежности и долговечности работы двигателя.

Цель достигается тем, что средство изменения деформации расширителя выполнено в виде штоков, установленных с возможностью перемещения в отверстиях, выполненных в канавке поршня, выходящих за внутреннюю поверхность поршня и контактирующих с одного конца с двумя сторонами многоугольного плоского расширителя, расположенными диаметрально противоположно и перпендикулярно плоскости качания шатуна, а с другого - с одноплечими пружинными рычагами, которые прикреплены к противоположным сторонам внутренней поверхности поршня в плоскости качания шатуна и взаимодействуют с двумя кулачками, установленными на верхней головке шатуна противоположно друг другу в одной плоскости, проходящей через центр качания шатуна под углом к поперечной плоскости сечения. При этом на концах штоков, выходящих в канавку поршня, выполнены бурты, диаметр которых больше, чем диаметр сквозных отверстий, и цилиндрические выступы, входящие в дренажные отверстия многоугольного плоского расширителя.

Новым в предлагаемом маслосъемном устройстве цилиндропоршневой группы является то, что автоматическое регулирование радиального давления маслосъемного кольца на зеркало цилиндра двигателя осуществляется посредством воздействия кулачков верхней головки шатуна на многоугольный плоский расширитель через одноплечие пружинные рычаги и штоки.

На фиг. 1 показан продольный разрез предлагаемого устройства при положении поршня в верхней или в нижней мертвых точках; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 показан продольный разрез предлагаемого устройства при движении поршня к нижней мертвой точке; на фиг. 4 - то же, при движении поршня к верхней мертвой точке.

Предлагаемое устройство состоит из маслосъемного кольца 1, обладающего радиальной упругостью к зеркалу цилиндра 2, многоугольного плоского расширителя 3 с отверстиями 4 для прохода масла и средства изменения деформации расширителя. Кольцо 1 и расширитель 3 установлены в канавке 5 поршня 6, которая имеет два радиальных сквозных отверстия 7, выполненных диаметрально противоположно в плоскости X-X качания шатуна 8. Отверстия 7 выходят на внутреннюю поверхность 9 поршня 6 и располагаются в его поперечной плоскости.

Средство изменения деформации расширителя находится внутри поршня 6 и одними из связующих деталей ее с многоугольным плоским расширителем 3 являются штоки 10, которые располагаются в сквозных отверстиях 7 с возможностью свободного перемещения в последних. Концы штоков 10, входящие в канавку 5 поршня 6, имеют бурты 11, диаметром больше, чем сквозные отверстия 7, и концентрично расположенные выступы 12, которые входят в отверстия 4 расширителя 3. Часть отверстий 4, куда входят цилиндрические выступы 12, выполнены в центре сторон 13 расширителя 3, причем расширитель 3 должен быть выполнен так, что две его диаметрально противоположные стороны 13 перпендикулярны плоскости X-X качания шатуна 8, а оси отверстий 4 совпадают с осями сквозных отверстий 7 поршня 6. Таким образом, расширитель 3, одновременно упираясь в маслосъемное кольцо 1 и в дно канавки 5 через бурты 11, фиксирует штоки 10 в сквозных отверстиях 7, а цилиндрические выступы 12 штоков 10, входя в отверстия 4 расширителя 3, предотвращают смещение его по окружности канавки 5 поршня 6.

Противоположные концы штоков 10 выступают за внутреннюю поверхность 9 поршня 6 так, что касаются одноплечих пружинных рычагов 14, которые закреплены на внутренней поверхности 9 поршня 6 в плоскости X-X качания шатуна 8 диаметрально противоположно друг другу.

Одноплечие пружинные рычаги 14 представляют собой плоские пружины, установленные параллельно оси Y-Y и внутренней поверхности 9 поршня 6 на некотором расстоянии от поверхности 9, и являются очередным звеном средства изменения деформации расширителя 3.

На верхней головке шатуна 15 в плоскости X-X качания шатуна 8 закреплены основные детали средства изменения деформации расширителя 3 - кулачки 16 и 17. Кулачки 16 и 17 располагаются относительно верхней головки шатуна 15 диаметрально противоположно друг другу в одной плоскости под углом к поперечной плоскости Z-Z, проходящей через центр O качания шатуна 8. Когда поршень 6 неподвижен и находится в верхней мертвой точке, а шатун 8 - в вертикальном положении вдоль Y-Y, то вершины кулачков 16 и 17 касаются поверхности рычагов 14 (фиг. 1). Такое расположение кулачков 16 и 17 позволяет им вступать в контакт с одноплечими рычагами 14, а далее воздействовать на маслосъемное кольцо 1 через штоки 10 и многоугольный расширитель 3 только при движении поршня 6 к нижней мертвой точке, т.е. когда шатун 8 отклоняется вправо от оси Y-Y (фиг. 3).

Прежде чем описать работу маслосъемного устройства, следует пояснить кинематику шатуна 8 по отношению к поршню 6 в процессе работы двигателя.

При возвратно-поступательном движении поршня 6 в цилиндре 2 и вращении коленчатого вала двигателя шатун 8 качается относительно центра O качания в плоскости X-X качания (фиг. 2) и, следовательно, отклоняется вправо и влево относительно оси Y-Y (фиг. 1).

При правом вращении коленчатого вала отклонение шатуна 8 вправо означает движение поршня 6 от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке (фиг. 3). В этот момент происходит сброс масла со стенок цилиндра 2 маслосъемным кольцом 1 и радиальное давление его должно быть увеличенным.

Отклонение шатуна 15 влево от оси Y-Y означает движение поршня 6 от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке и в этот момент радиальное давление маслосъемного кольца 1 должно быть минимально возможным, чтобы не транспортировать масло к верхней мертвой точке.

Работу предлагаемого устройства поэтапно в процессе перемещения поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой и от нижней мертвой точки к верхней следующая.

Когда поршень 6 находится в верхней мертвой точке, а шатун 8 - в вертикальном положении вдоль оси Y-Y (фиг. 1), то кулачки 16 и 17 верхней головки шатуна 15 через одноплечие рычаги 14 и штоки 10 не воздействуют на многоугольный плоский расширитель 3, а через него на маслосъемное кольцо 1. Многоугольный расширитель 3 не деформирован и его стороны 13 расположены на максимальном расстоянии от маслосъемного кольца 1, контактируя с дном канавки 5 поршня 6 через бурты 11 штоков 10. Поэтому сила воздействия многоугольного расширителя 3 на маслосъемное кольцо 1 минимальная, следовательно, минимально и радиальное давление маслосъемного кольца 1 на зеркало цилиндра 2. Это минимальное радиальное давление маслосъемного кольца 1 можно рассчитать, если согласовать собственно упругость маслосъемного кольца 1 и многоугольного расширителя 3 с толщиной масляного слоя на зеркале цилиндра, какая должна быть в верхней мертвой точке при скорости поршня 6, равной нулю.

В первой половине хода поршня 6 от верхней мертвой точки к нижней (90^о поворота кривошипа), когда начинается сброс масла с зеркала цилиндра 2 маслосъемным кольцом 1, шатун 8 отклоняется вправо от вертикальной оси Y-Y (фиг. 3). При этом кулачки 16 и 17, поворачиваясь вместе с головкой шатуна 15 вокруг центра качания O против часовой стрелки, приближаются к внутренней поверхности 9 поршня 6. Находясь в контакте с рычагами 14 и скользя по их поверхностям, кулачки 16 и 17 перемещают рычаги 14 к штокам 10. Воспринимая усилие от рычагов 14, штоки 10 движутся в сквозных отверстиях 7 поршня 6 и буртами 11 нажимают на стороны 13 многоугольного плоского расширителя 3, перемещая их от дна канавки 5 поршня 6 к маслосъемному кольцу 1. Многоугольный расширитель 3 деформируется, так как его стороны 13 приближаются к маслосъемному кольцу 1. Воздействие многоугольного расширителя 3 на маслосъемное кольцо 1 возрастает, следовательно, растет и радиальное давление маслосъемного кольца 1 на зеркало цилиндра 2.

Максимальное радиальное давление маслосъемного кольца 1 будет примерно в середине хода поршня 6, когда шатун 8 отклоняется от вертикальной оси Y-Y на наибольшую величину, а кулачки 16 и 17 максимально приближаются к внутренней поверхности 9 поршня 6, т.е. плоскость, в которой располагаются кулачки 16 и 17, совпадает с поперечной плоскостью Z-Z (фиг. 3).

Постепенное увеличение радиального давления маслосъемного кольца 1 на зеркало цилиндра 2 по ходу поршня 6 и достижение этого давления в середине хода увязано со скоростью поршня 6, которая также постепенно увеличивается и достигает максимума в середине хода поршня 6. Этим самым предотвращается всплытие маслосъемного кольца 1 над зеркалом цилиндра 2 под воздействием гидродинамических сил и выдерживается постоянная и необходимая толщина слоя масла на зеркале цилиндра 2.

Во второй половине хода поршня 6 (следующие 90^о поворота кривошипа) шатун 8 приближается к вертикальной оси Y-Y, а пара кулачков 16 и 17 поворачивается вместе с головкой шатуна 15 вокруг центра O качания в обратную сторону уже по часовой стрелке. Кулачки 16 и 17 удаляются от поверхности 9 поршня 6. Так как рычаги 14 представляют собой плоские пружины, усилие которых в данном случае направлено к головке шатуна 15, то они отходят от внутренней поверхности 9 поршня 6 вслед за кулачками 16 и 17. Совместное действие кулачков 16 и 17 через рычаги 14 и штоки 10 на расширитель 3 ослабляется. Под действием собственных упругих сил многоугольный расширитель 3 восстанавливает свою первоначальную форму: стороны 13 расширителя 3 перемещаются уже от маслосъемного кольца 1 к дну канавки 5 поршня 6. Радиальное давление расширителя 3 уменьшается, а следовательно, уменьшается и радиальное давление маслосъемного кольца 1.

По достижении поршнем 6 нижней мертвой точки шатун 8 находится в вертикальном положении вдоль оси Y-Y и кулачки 16 и 17 не воздействуют через рычаги 14, штоки 10 и радиальный расширитель 3 на маслосъемное кольцо 1 (фиг. 1). Скорость поршня 6 в этот момент равна нулю и радиальное давление маслосъемного кольца 1 на зеркало цилиндра 2 будет по величине минимально необходимое для сохранения нужной толщины слоя масла на зеркале цилиндра 2 (как и при положении поршня 6 в верхней мертвой точке).

При движении поршня 6 от нижней мертвой точки к верхней шатун 8 отклоняется влево от вертикальной оси Y-Y (фиг. 4), причем как и при движении поршня 6 от верхней мертвой точки к нижней, в первые 90^о поворота кривошипа шатун 8 удаляется от вертикальной оси Y-Y, а во вторые 90^о поворота кривошипа шатун 8 приближается к вертикальной оси Y-Y. При этом кулачки 16 и 17, поворачиваясь вместе с головкой шатуна 15, в первой половине хода поршня от нижней мертвой точки удаляются от рычагов 14, а во второй половине хода поршня 6 приближаются к рычагам 14 и касаются их уже, когда поршень 6 находится в верхней мертвой точке (фиг. 2).

Следовательно, при движении поршня 6 от нижней мертвой точки к верхней кулачки 16 и 17 не воздействуют через рычаги 14, штоки 10, расширитель 3 на маслосъемное кольцо 1. Радиальное давление маслосъемного кольца 1 на зеркало цилиндра 2 минимальное и транспортирование масла кольцом 1 к верхней мертвой точке в зону высоких температур не наблюдается.

Итак, радиальное давление маслосъемного кольца 1 на зеркало цилиндра 2 регулируется в зависимости от хода поршня 6: при движении поршня 6 от верхней мертвой точки к нижней, когда совершается сброс масла, радиальное давление маслосъемного кольца 1 повышенное и обеспечивается оно кулачками 16 и 17 через рычаги 14, штоки 10 и многоугольный расширитель 3 (фиг. 3), а при движении поршня 6 к верхней мертвой точке радиальное давление маслосъемного кольца 1 минимальное и зависит от заданных внутренних упругих сил кольца 1 и расширителя 3 (фиг. 4), причем когда совершается сброс масла, на зеркале цилиндра 2 остается необходимый и постоянный по толщине масляный слой за счет согласования переменной скорости поршня 6 и изменяемого радиального давления маслосъемного кольца 1.

Сущность изобретения: многоугольный плоский расширитель с дренажными отверстиями установлен в канавке поршня, в которой выполнены сквозные отверстия, выходящие на внутреннюю поверхность поршня. Средство изменения деформации расширителя в зависимости от хода поршня выполнено в виде штоков, установленных с возможностью перемещения в отверстиях, выполненных в канавке поршня, выходящих за внутреннюю поверхность его и контактирующих с одного конца двумя сторонами расширителя, расположенных диаметрально противоположно и перпендикулярно плоскости качания шатуна, с другого - с одноплечими пружинными рачагами, которые прикреплены к противоположным сторонам внутренней поверхности поршня в плоскости качания шатуна и взаимодействуют с двумя кулачками. Кулачки установлены на верхней головке шатуна противоположно друг другу в одной плоскости, проходящей через центр качания под углом к поперечной плоскости сечения. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. МАСЛОСЪЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ ДВИГАТЕЛЯ, содержащее малосъемное кольцо и многоугольный плоский расширитель с дренажными отверстиями, установленный в канавке поршня, в которой выполнены сквозные отверстия, выходящие на внутреннюю поверхность поршня, а также средство изменения деформации расширителя в зависимости от хода поршня, отличающееся тем, что средство изменения деформации расширителя выполнено в виде штоков, установленных с возможностью перемещения в отверстиях, выполненных в канавке поршня, выходящих за внутреннюю поверхность поршня и контактирующих с одного конца двумя сторонами многоугольного плоского расширителя, расположенными диаметрально противоположно и перпендикулярно плоскости качания шатуна, а с другого - с одноплечими пружинными ручагами, прикрепленными к противоположным сторонам внутренней поверхности поршня в плоскости качания шатуна и взаимодействующими с двумя кулачками, установленными на верхней головке шатуна противоположно друг другу в одной плоскости, проходящей через центр качания шатуна под углом к поперечной плоскости сечения. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на концах штоков, выходящих в канавку поршня, выполнены бурты, диаметр которых больше диаметра сквозных отверстий, и цилиндрические выступы, входящие в дренажные отверстия многоугольного плоского расширителя.