МАСЛОСЪЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ 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 и компрессоров.

Аналогом предлагаемого устройства является маслосъемное поршневое кольцо для двигателей внутреннего сгорания, изготовленное из стальной ленты волнистого профиля, который задает некоторый угол торцовым поверхностям кольца к верхней и нижней поверхностям канавки поршня и соответственно к зеркалу цилиндра (Патент США N 2631908); Энглиш К. Поршневые кольца, т. 1, М. : Машгиз, 1962, с. 512, фиг.430, 431). При этом торцовые наклонные поверхности кольца являются его скребками.

Такое маслосъемное кольцо, находясь в канавке поршня в рабочем положении, обладает упругими силами не только в радиальном направлении, но и в осевом, так как размер кольца по высоте таков, что его торцовые поверхности с определенным усилием упираются в верхнюю и нижнюю поверхности канавки поршня. За счет наклона торцовых поверхностей кольца возникает дополнительная радиальная составляющая от осевой силы. Эта дополнительная сила увеличивает давление прижатия скребков к стенке цилиндра, что улучшает маслосбрасывающие функции кольца.

Основным недостатком работы аналога является постоянное заданное давление скребков 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 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.

Прототипом предлагаемого изобретения является маслосъемное кольцо, состоящее из кольца коробчатого сечения с верхними и нижними скребками, размещенного в канавке поршня, и экспандера, расположенного между скребками кольца (авт. св. N 1390458, кл. F 16 J 9/20). Экспандер имеет боковую рабочую поверхность, которая контактирует с поверхностью цилиндра. Нижний скребок кольца расположен под некоторым углом к поверхности канавки поршня и соответственно к зеркалу цилиндра. Экспандер является нажимным элементом, который в процессе движения поршня воздействует на нижний скребок маслосъемного кольца. При движении поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, при подходе поршня к нижней мертвой точке под действием силы инеpции от массы экспандера нижний скребок стремится занять положение, параллельное верхнему скребку. В результате увеличивается радиальное давление рабочей кромки нижнего скребка на зеркало цилиндра и повышает маслосбрасывающее действие кольца.

Недостатком такого кольца является то, что повышение маслосбрасывающих функций наблюдается только в нижней части цилиндра, в то время как в верхней и средней части цилиндра, где высокая температура и вероятность угорания масла выше, маслосбрасывающие функции кольца не улучшаются. Это связано с тем, что величина силы инерции экспандера зависит от угла поворота кривошипа и изменяется по закону косинуса.

Следует отметить еще один недостаток. Радиальное давление кольца на зеркало цилиндра меняется с квадратичной зависимостью от частоты вращения вала. На высоких оборотах наблюдается слишком большое радиальное давление кольца на зеркало цилиндра как при движении поршня к нижней мертвой точке, так и при движении его к верхней мертвой точке. На малых оборотах из-за пониженного радиального давления ухудшается сброс масла.

Увеличивать радиальное давление маслосъемного кольца на стенки цилиндра следует плавно от верхней мертвой точки, достигая максимума ближе к середине хода поршня, так как в начале рабочего хода поршня из-за высокого давления газов и малой скорости поршня наблюдается повышенное радиальное давление кольца и интенсивный износ цилиндра в зоне верхней мертвой точки.

Целью изобретения является повышение маслосбрасывающих функций устройства.

Для этого средство поджима выполнено в виде дополнительного кольца, установленного под маслосъемным кольцом и взаимодействующего с нажимными лапками, расположенными в канавке поршня, проходящими через выполненные в поршне сквозные прорези и жестко закрепленными на резьбовом кольце, установленном с возможностью перемещения на выполненной на внутренней поверхности поршня резьбе, причем на поверхности резьбового кольца, обращенной к шатуну в плоскости его качания, выполнены диаметрально противоположно расположенные два зуба с возможностью попеременного зацепления с зубьями, выполненными на шатуне по обе стороны от его оси в плоскости качания последнего.

Цель достигается также тем, что рабочие поверхности зубьев резьбового кольца выполнены наклонными в плоскости, проходящей параллельно продольной оси поршня через хорды его окружности, причем рабочие поверхности зубьев резьбового кольца и шатуна обращены друг к другу и направлены к плоскости качания шатуна.

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают предлагаемому устройству соответствие критерию "существенные отличия".

Новым в предлагаемом маслосъемном устройстве цилиндропоршневой группы является то, что дополнительное кольцо, находящееся под нижним скребком маслосъемного кольца, приводится в действие механически от нажимных лапок, которые равномерно размещены в поршневой канавке под дополнительным кольцом, проходят в прорези поршневой канавки и жестко закреплены на резьбовом кольце, установленном подвижно на резьбе внутренней поверхности поршня, причем на поверхности резьбового кольца, обращенной к шатуну в плоскости его качания, выполнены диаметрально противоположно два зуба с возможностью попеременного зацепления с двумя зубьями, выполненными на шатуне по обе стороны от его оси в плоскости качания последнего.

Новым является и то, что рабочие поверхности зубьев резьбового кольца и шатуна, обращенные друг к другу, направлены к плоскости качания шатуна.

Использование изобретения улучшит маслосбрасывающие функции устройства.

На фиг. 1 изображен разрез маслосъемного устройства цилиндропоршневой группы при движении поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - разрез В-В на фиг.3; на фиг.5 - разрез маслосъемного устройства цилиндропоршневой группы при движении поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке; на фиг.6 - сечение Г-Г на фиг.5; на фиг.7 - разрез Д-Д на фиг. 6.

Предлагаемое устройство состоит из маслосъемного кольца 1, обладающего радиальной и осевой упругостью, дополнительного кольца 2 и средства поджима 3 маслосъемного кольца 1 (фиг.1).

Маслосъемное кольцо 1 изготовлено из стальной ленты коробчатого сечения с верхним 4 и нижним 5 скребками (фиг.4). Верхний скребок 4 перпендикулярен к зеркалу цилиндра 6, а нижний скребок 5 расположен под некоторым углом α к зеркалу цилиндра 6 и выполнен в виде конуса с вершиной, направленной вверх. Скребки 4 и 5 имеют соответственно рабочие кромки 7 и 8, которые выполнены коническими с вершинами конусов, направленными вверх. Расположение нижнего скребка 5 под углом α к зеркалу цилиндра должно придавать маслосъемному кольцу 1 пружинящее свойство в осевом направлении в случае нажатия на него снизу по всей окружности скребка 5 (фиг.4 и 7).

Назначение маслосъемного кольца 1 сбрасывать масло с поверхности цилиндра 6 при движении поршня 9 к нижней мертвой точке и пропускать основное количество масла под скребками 4 и 5 при движении поршня 9 к верхней мертвой точке, равномерно распределяя небольшое количество масла необходимым тонким слоем по зеркалу цилиндра 6.

Дополнительное кольцо 2 не обладает ни радиальной, ни осевой упругостью и по внешнему диаметру может равняться диаметру поршневой канавки 10.

Маслосъемное кольцо 1 и дополнительное кольцо 2 расположены в поршневой канавке 10, а средство поджима 3 находится в поршне 9 (фиг.1).

Средство поджима 3 включает резьбовое кольцо 11, установленное на многозаходной правой резьбе 12 внутренней поверхности 13 поршня 9 (фиг.1). Резьбовое кольцо 11 имеет возможность вращаться по резьбе 12 и соответственно перемещаться поступательно вдоль оси У-У поршня 9. Резьбовое кольцо 11 на своей внутренней поверхности 14 в плоскости качания Х-Х шатуна 15 имеет два диаметрально противоположно расположенных зуба 16 и 17 (фиг.2). Рабочие наклонные поверхности 18 и 19 зубьев 16 и 17 могут поочередно входить в контакт с наклонными рабочими поверхностями 20 и 21 зубьев 22 и 23 шатуна 15. Зубья 22 и 23 выполнены за одно с шатуном 15 и располагаются на его противоположных сторонах в плоскости качания Х-Х (фиг.2).

Рабочие наклонные поверхности 18 и 19 зубьев 16 и 17 резьбового кольца 11 и рабочие наклонные поверхности 20 и 21 зубьев 22 и 23 шатуна 15 лежат в плоскостях, проходящих параллельно продольно оси У-У поршня 9 через хорды окружности поршня 9 (фиг.1 и 2). При этом зубья 22 и 23 шатуна 15 наклонены так, что их рабочие поверхности 20 и 21 направлены в одну сторону плоскости качания Х-Х шатуна 15. Соответственно выполнены и рабочие наклонные поверхности 18 и 19 зубьев 16 и 17 резьбового кольца 11, которые направлены в одну сторону плоскости качания Х-Х шатуна 15, но навстречу рабочим наклонным поверхностям 20 и 21 зубьев 22 и 23 шатуна 15 (фиг.2).

Величины углов наклона рабочих поверхностей зубьев 16 и 17 резьбового кольца 11, рабочих поверхностей зубьев 22 и 23 шатуна 15, а также угол захода резьбы 12 на внутренней поверхности 13 поршня 9 не должны превышать угол трения соответствующих контактирующих между собой материалов и должны обеспечивать перемещение резьбового кольца 11 по резьбе 12 поршня 9 в момент контакта зубьев шатуна 15 и резьбового кольца 11 от составляющей окружной силы N (фиг.2).

Назначение шатуна 15 и его зубьев 22 и 23 поочередно передавать усилие S зубьям 16 и 17 резьбового кольца 11 в момент контакта их друг с другом (фиг. 2) при качании шатуна 15 относительно центра качания пальца поршня 24 (фиг. 1) и тем самым преобразовывать качающие движения шатуна 15 во вращательное и одновременно в поступательное вдоль оси У-У поршня резьбового кольца 11 благодаря наличию на нем многозаходной резьбы 12 (фиг.1).

На резьбовом кольце 11 по его окружности равномерно закреплены нажимные лапки 25, каждая из которых входит в прорезь 26 поршневой канавки 10 (фиг.3 и 4). Задняя часть 27 нажимной лапки 25 для удобства монтажа загнута, охватывая резьбовое кольцо 11, и крепится снизу резьбового кольца 11 при помощи винта 28 (фиг.4). Нажимные лапки 25, проходя через прорези 26, располагаются под дополнительным кольцом 2 и под маслосъемным кольцом 1 и не должны выходить за пределы поршневой канавки 10, чтобы в процессе работы не касаться зеркала цилиндра 6.

Назначение резьбового кольца 11 передавать свое поступательное движение вдоль продольной оси У-У поршня 9 нажимным лапкам 25 и далее дополнительному кольцу 2 (фиг.4 и 7).

Назначение нажимных лапок 25 передавать поступательное движение резьбового кольца 11 нажимному кольцу 2 и далее сжимать маслосъемное кольцо 1.

Назначение дополнительного кольца 2 перераспределять сосредоточенные усилия давления нажимных лапок 25 равномерно по всей окружности маслосъемного кольца 1.

Размеры длины l прорези 26 (фиг.3) и высоты h (фиг.4) должны позволять перемещаться нажимным лапкам 25 как вдоль прорези 26, так и по ее высоте. Однако длина должна быть ограничена так, чтобы исключить попадание зубьев 16 и 17 резьбового кольца 11 на вершину зубьев 22 и 23 шатуна 15.

Рассмотрим работу маслосъемного устройства цилиндропоршневой группы поэтапно в процессе перемещения поршня 9 от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке (фиг.1 - 4) и от нижней мертвой точки к верхней (фиг.5 - 7).

При движении поршня 9 от верхней мертвой точки к нижней происходит отклонение шатуна 15 от оси У-У поршня 9 вправо (фиг.1) в плоскости качания Х-Х (фиг. 2). Как только шатун 15 отклонится вправо от оси У-У его зуб 23 рабочей поверхностью 21 вступит в контакт с рабочей поверхностью 19 у вершины зуба 17 резьбового кольца 11 и с окружным усилием N, которое является составляющей силы S (фиг.2), начнет перемещать резьбовое кольцо 11 по резьбе 12 внутренней поверхности 13 поршня 9. Так как резьба 12 правая, то резьбовое кольцо 11 поворачивается по резьбе 12 и одновременно поступательно движется вверх вдоль оси У-У, ввинчиваясь в поршень 9. Вместе с резьбовым кольцом 11 поворачиваются и поднимаются в поршневой канавке 10 нажимные лапки 25, которые жестко прикреплены к резьбовому кольцу 11 винтами 28 (фиг.4).

В процессе подъема лапки 25 через дополнительное кольцо 2 воздействуют на маслосъемное кольцо 1 силой Р, сжимая его вдоль оси У-У. При этом образуется зазор δ между нижней поверхностью поршневой канавки 10 и нажимной лапкой 25 (фиг. 4), так как нижний скребок 5 под действием силы Р стремится занять положение, параллельное верхнему скребку 4. Первоначальный установочный угол α нижнего скребка 5 маслосъемного кольца 1 (фиг.7) уменьшается до α₁ (фиг.4). В результате увеличивается радиальное давление R рабочей кромки 8 скребка 5 на зеркало цилиндра 6 (фиг.4) и повышается маслосбрасывающее действие маслосъемного кольца 1 - масло перемещается им в сторону нижней мертвой точки из зоны высоких температур. Радиальное давление R увеличивается постепенно, достигая максимума в середине хода поршня 9, так как шатун 15 максимально отклоняется вправо при повороте кривошипа на 90^о.

Так как в этот момент резьбовое кольцо 11 повернулось на максимальную величину дуги по окружности резьбы 12 поршня 9, то рабочая поверхность 18 диаметрально противоположного зуба 16 резьбового кольца 11 занимает положение напротив рабочей поверхности 20 второго зуба 22 шатуна 15 около его вершины (фиг.4).

После поворота кривошипа 90^о во второй половине хода поршня 9 к нижней мертвой точке силовое действие зуба 23 шатуна 15 на зуб 17 резьбового кольца 11 прекращается, шатун 15 начинает двигаться в плоскости качания Х-Х уже в обратную сторону к оси У-У, удаляясь от зуба 17 резьбового кольца 11. При этом радиальное давление R рабочей кромки 8 скребка 5 на зеркало цилиндра 6 остается повышенным, т.е. маслосъемное кольцо 1 остается сжатым нажимными лапками 25. Это связано с тем, что упругие силы маслосъемного кольца 1 не смогут сдвинуть резьбовое кольцо 11 в обратную сторону по резьбе 12 из-за больших окружных сил трения, которые возникают между скребком 5, дополнительным кольцом 2 и нажимными лапками 25 (фиг.4). Следовательно, при движении поршня 9 к нижней мертвой точке во второй половине хода поршня (после 90^о поворота кривошипа) наблюдается повышенное радиальное давление R скребка 5, что улучшает маслосбрасывающее действие кольца 1.

Как только шатун 15 пересечет вертикальную ось У-У поршня 9 и начнет отклоняться влево, поршень 9 начинает двигаться от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке (фиг.5). В этот момент зуб 22 шатуна 15 рабочей поверхностью 20 вступает в контакт с рабочей поверхностью 18 у вершины зуба 16 резьбового кольца 11 и с окружным усилием N, которое является составляющей силы S (фиг.6), начинает перемещать резьбовое кольцо 11 по резьбе 12 внутренней поверхности 13 поршня 9, но уже в обратную сторону. Это значит, что резьбовое кольцо 11 поворачивается по резьбе 12 и одновременно поступательно движется вниз вдоль оси У-У, вывинчиваясь из поршня 9. Вместе с резьбовым кольцом 11 поворачиваются и одновременно опускаются в поршневой канавке 10 нажимные лапки 25 (фиг.7). Сжатие маслосъемного кольца 1 силой Р нажимными лапками 25 через дополнительное кольцо 2 ослабевает и через 270^о поворота кривошипа полностью прекращается, так как шатун 15 в этот момент максимально отклоняется влево. Нижний скребок 5 под действием внутренних упругих сил маслосъемного кольца 1 принимает прежнее положение, какое имел до сжатия нажимными лапками 25, угол α скребка 5 к зеркалу цилиндра 6 восстанавливается (увеличивается) до установочного (фиг.7). Зазор δ между нижней поверхностью поршневой канавки 10 и нажимной лапкой 25 исчезает.

В результате радиальное давление скребков 4 и 5 маслосъемного кольца 1 уменьшается и после 270^о угла поворота кривошипа скребки 4 и 5 действуют с минимальным усилием на зеркало цилиндра 6. Масло не захватывается скребками 4 и 5 и перемещаться в зону высоких температур и в камеру сгорания.

После 270^о поворота кривошипа во второй половине хода поршня 9 к верхней мертвой точке силовое действие зуба 22 шатуна 15 на зуб 16 резьбового кольца 11 прекращается, шатун 15 начинает двигаться в плоскости качания Х-Х уже в обратную сторону к оси У-У, удаляясь от зуба 16 резьбового кольца 11.

Следует отметить, что произвольное вращение резьбового кольца 11 по резьбе 12 поршня 9 (например, под действием силы инерции самого резьбового кольца 11) после окончания воздействия зубьев 22 и 23 шатуна 15 на зубья 16 и 7 резьбового кольца 11 произойти не может, так как вращательное движение резьбового кольца 11 ограничивается длиной l прорези 26 и нажимные лапки 25 упираются в нужный момент в край прорези 26. Это также исключает попадание зубьев резьбового кольца 11 на вершины зубьев шатуна 15.

Величина радиального давления R маслосъемного кольца предлагаемого изобретения меняется как по ходу поршня, так и в зависимости от направления поршня. При движении поршня к нижней мертвой точке радиальное давление R маслосъемного кольца на зеркало цилиндра выше, чем при движении поршня к верхней мертвой точке. Увеличение радиального давления R маслосъемного кольца 1 на зеркало цилиндра 6 в начале рабочего хода поршня происходит плавно от верхней мертвой точки и достигает максимума в средней части цилиндра 6. Это улучшает маслосбрасывающие функции устройства. Механическое воздействие на радиальную упругость маслосъемного кольца 1 позволяет точно рассчитывать нужное радиальное давление R по ходу движения поршня 9 как от верхней мертвой точки к нижней, так и при движении поршня 9 от нижней мертвой точки к верхней. Очень важное преимущество предлагаемого маслосъемного устройства цилиндропоршневой группы заключается в том, что радиальное давление R маслосъемного кольца 1 на зеркало цилиндра 6 не будет в большей степени зависит от изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Предлагаемое маслосъемное устройство цилиндропоршневой группы позволяет улучшить маслосъемные функции устройства.

Сущность изобретения: в канавке поршня установлены маслосъемное кольцо коробчатого сечения с верхним и нижним скребками и средство поджима. Нижний скребок выполнен с коническими поверхностями, вершина которых направлена в сторону камеры сгорания. Средство поджима выполнено в виде кольца, установленного под маслосъемным кольцом, и взаимодействует с нажимными лапками, расположенными в канавке поршня, проходящими через выполненные в поршне сквозные прорези и жестко закрепленными на резьбовом кольце, установленном с возможностью перемещения на выполненной на внутренней поверхности поршня резьбе. На поверхности резьбового кольца, обращенной к шатуну в плоскости его качения, выполнены диаметрально противоположно расположенные два зуба с возможностью попеременного зацепления с зубьями, выполненными на шатуне по обе стороны от его оси в плоскости качения последнего. 1 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. МАСЛОСЪЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ двигателя внутреннего сгорания, содержащее установленные в канавке поршня маслосъемное кольцо коробчатого сечения с верхним скребком и нижним, последний выполнен с коническими поверхностями, вершина которых направлена в сторону камеры сгорания, и средство поджима, отличающееся тем, что средство поджима выполнено в виде дополнительного кольца, установленного под маслосъемным кольцом и взаимодействующего с нажимными лапками, расположенными в канавке поршня, проходящими через выполненные в поршне сквозные прорези и жестко закрепленными на резьбовом кольце, установленном с возможностью перемещения на выполненной на внутренней поверхности поршня резьбе, причем на поверхности резьбового кольца, обращенной к шатуну в плоскости его качания, выполнены диаметрально противоположно расположенные два зуба с возможностью попеременного зацепления с зубьями, выполненными на шатуне по обе стороны от его оси в плоскости качания последнего. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рабочие поверхности зубьев резьбового кольца выполнены наклонными в плоскости, проходящей параллельно продольной оси поршня через хорды его окружности, причем рабочие поверхности зубьев резьбового кольца и шатуна обращены одна к другой и направлены к плоскости качания шатуна.