УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПОРШНЯ Российский патент 1998 года по МПК F16J9/00 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, конкретно, к уплотнениям надпоршневого пространства, а также может использоваться в поршневых компрессорах и поршневых насосах.

Известны уплотнительные элементы для поршней двигателей внутреннего сгорания, описанные в кн. "Поршневые кольца" К. Энглиш, т. 1. Вено "Kolbenring" Karl English, band 1, Wien Springer-Verlag, 1958, 436-484, авт.свид. СССР N 1378572, F 02 F 5/00, 1988 г., N 1388726, F 02 F 5/00, 1988 г., N 1379484, F 02 F 5/00, 1988 г., N 1416727, F 02 F 5/00, 1988, в заявках Японии N 62-33428, F 16 F 9/06, 1987, N 1-29657, F 02 F 5/00, 1989, в книге "Трение и теплопередача в поршневых кольцах д.в.с." Справочное пособие под ред. Р.М. Петриченко, Л. Изд-во ЛГУ, 1990 г. В них описаны конструкции цельных и составных уплотнительных элементов, расположенных в поршнях.

Недостатками приведенных выше уплотнительных элементов являются относительно большой вес и габариты, большие механические потери в парах трения "кольца - поршень", "кольца-гильза цилиндра", большие износы, малая эрозионная и коррозионная стойкость. Эти недостатки снижают надежность и долговечность уплотнительного элемента, а также экономичность установки в целом.

Известны также конструкции, уменьшающие вышеперечисленные недостатки, но полностью их не исключающие: использование колец из легких сплавов, описанных в кн. К. Энглиш. "Поршневые кольца", т. 1, с. 570, М., 1962, снижает массу колец, но ухудшает их прочностные характеристики и износостойкость, особенно при высоких рабочих температурах; размещение нескольких тонких стальных колец в одной канавке, описанных в кн. "Трение и теплопередача в поршневых кольцах двигателей внутреннего сгорания" под ред. Р.М. Петриченко. Л. 1990, 248 с., улучшает герметичность уплотнительного элемента, но увеличивает массу, силу инерции, т.е. снижает надежность и долговечность и увеличивает необходимые размеры головки поршня; использование сложных "герметичных" чугунных уплотнительных элементов, описанных в кн. К. Энглиш и Р.М. Петриченко, имеет те же преимущества и недостатки, что и в предыдущем случае, для повышения износостойкости чугунных и стальных колец используют покрытия, как описано в кн. К. Энглиш и Р.М. Петриченко. Эти покрытия наносят на трущиеся поверхности колец различными путями, например электролитическим осаждением или плазменным. В качестве материала покрытия применяют хром, молибден или металлокерамику. Их общие недостатки - сложность технологии, недостаточная прочность и долговечность из-за разнородности материалов кольца и покрытия, уменьшение высоты кольца, что позволяет снизить массу и уменьшить прижатие кольца к гильзе силой давления газов в зазоре за кольцом. Однако такое решение в чугунных кольцах неприемлемо из-за потери прочности при монтаже кольца, а для стальных колец приводит к повышенному их износу.

За прототип принято поршневое кольцо с износостойким слоем и плакированным соединительным никелевым слоем, описанное в заявке ФРГ N 3812656, F 02 F 5/00, 1989 г.

Поршневое кольцо по прототипу снабжено основным кольцевым элеметом с наружной частью поверхности, износостойким слоем высокой твердости, нанесенным на наружную часть поверхности и плакированным никелевым слоем толщиной 5 - 10 мкм, выполненным на износостойком слое высокой твердости.

Недостатки прототипа: кольцо выполнено из металла относительно большой плотности (чугун, сталь), что приводит к большим инерционным силам, а следовательно, износам и механическим потерям в парах трения "кольцо-поршень", "кольцо-гильза", кольцо имеет традиционную величину отношения высоты кольца к диаметру поршня, а следовательно, большую силу прижатия кольца к гильзе, относительно большая высота кольца ухудшает его приспособляемость к гильзе, сложная технология изготовления кольца из чугуна или стали и покрытия его износостойким слоем.

Из-за того, что кольцо изготавливается из чугуна или стали, надежность соединения покрытия и основного материала относительно низкая, требуется специальная подготовка поверхности, покрываемой износостойким слоем.

Задачей изобретения является повышение надежности, долговечности и эффективности элементов цилиндро-поршневой группы, улучшение экономичности двигателя, создание легких, надежных, эффективных уплотнительных элементов для поршней поршневых машин.

Технический результат достигается тем, что в уплотнительном элементе поршня, состоящем из разрезного кольца с износостойким покрытием, согласно изобретению, кольцо выполнено из легкого сплава, покрытие выполнено антифрикционным и нанесено микродуговым оксидированием поверхности кольца, а отношение высоты кольца к диаметру поршня не превышает 0,01.

Согласно изобретению, кольцо выполнено из легкого сплава, например алюминия. Это позволяет сделать его меньшей высоты, так как снижается опасность разрушения при надевании и снятии колец. В предлагаемой конструкции кольцо сделано низким: отношение его высоты к диаметру цилиндра менее 0,01, тогда как в традиционном исполнении это отношение больше 0,025 (см. рис. 309, 310 . кн. К. Энглиш, "Поршневые кольца", т.1, М., 1962, с. 419).

Уменьшение размеров и применение легких сплавов позволяет в несколько раз уменьшить массу кольца, а следовательно, и силы инерции, износы канавок, повысить прочность перемычек. В целом это служит достижению поставленных целей, поскольку относительно большая высота традиционных колец приводит к увеличению вибрации кольца, увеличению сил инерции, разбиению канавок, износу гильз цилиндров. Мощность трения колец увеличивается приблизительно пропорционально увеличению высоты кольца. Высокие кольца хуже смазываются, кольцевые канавки быстрее забиваются посторонними частицами. Приработка высоких колец дольше и труднее. Кроме того, гребни между канавками поршня при высоких кольцах необходимо делать большими из соображений достаточной прочности. Это увеличивает габариты головки поршня и двигателя в целом. Однако, как описано в литературе, использование легких сплавов для изготовления уплотнительного элемента поршня без покрытий приводит к большим износам колец, снижению долговечности и надежности по сравнению с чугунными и стальными. Кроме того, легкие сплавы дают увеличение потерь трения. Все приводит к необходимости покрытия их износостойким и антифрикционным слоем.

По данному изобретению на алюминиевом кольце не требуется создания покрытия из инородного материала: оно создается из материала самого кольца методом микродугового оксидирования (МДО). При этом создается слой керамического покрытия толщиной до 100 мкм. Это покрытие представляет собой окись алюминия (Al₂O₃) - керамический слой высокой твердости. Оно обладает в отличие от традиционных покрытий (хром, молибден, металлокерамика) рядом преимуществ: технологичность; лучшая адгезия с материалом кольца, а значит, прочность сцепления с ним, увеличивает общую упругость и прочность кольца, является коррозионностойким и эрозионностойким, является жаростойким и жаропрочным, обладает более высокими трибологическими свойствами в парах трения с традиционными материалами (чугун, сталь, бронза).

Как показывают исследования авторов, в этих парах трения покрытие практически не изнашивается и поэтому может выполняться достаточно тонким (до 10 - 20 мкм).

Теплозащитные свойства этого покрытия из-за низкого коэффициента теплопроводности (α≤ 20 Вт/м.град) улучшают условия работы основного материала кольца, например алюминия, снижая его температуру.

Технология нанесения покрытия экологически чистая.

Таким образом, преимущества заявляемого изобретения заключаются в том, что благодаря предложенным материалу, покрытию и конструкции уплотнительного элемента поршня уменьшается его масса и, соответственно, сила инерции. Уменьшаются износы элементов поршня (канавки под кольца, кольца) и гильзы цилиндра, нагрузки на перемычки между канавками. Одновременно уменьшаются механические потери в соответствующих парах трения, что приводит к повышению экономических показателей поршневых колец. Так как требуемые конструктивные размеры уплотнительных элементов уменьшаются, то в тех же размерах канавок можно разместить, по крайней мере, по два таких кольца и таким образом обеспечить "герметичность" уплотнительного элемента, т.е. минимальную утечку рабочего тела (воздуха, газа) из рабочего объема цилиндра, с одной стороны, и минимальный расход смазки, попадающий в этот же объем, с другой стороны. Это также приводит к улучшению технико-экономических показателей поршневой машины.

Варианты использования предлагаемого изобретения представлены на фиг. 1, 2.

На фиг. 1 показан уплотнительный элемент поршня с одинарным уплотнительным кольцом в канавке.

На фиг. 2 показан уплотнительный элемент с, по крайней мере, двумя кольцами в одной канавке. На фиг. 3 показано расположение замков при размещении двух уплотнительных элементов в соответствии с фиг. 2. Расположение замков 3 уплотнительных элементов в этом случае - в диаметрально противоположных местах (это "герметичный" вариант).

Заявляемый уплотнительный элемент состоит из собственно кольца 1 из легкого материала, например алюминия, и керамического покрытия 2, например окись этого материала - Al₂O₃.

Кольцо собирается с поршнем традиционным способом, т.е. разжимается так, чтобы можно было его поставить в канавку поршня, и вставляется в эту канавку. При работе в машине уплотнительное кольцо перемещается в пределах поршневой канавки и гильзы цилиндра. При этом оно совершает вращательное осевое и радиальное движение в этой канавке. Покрытие 2, образованное на поверхности кольца 1, защищает его от герметических и механических нагрузок, снижает износ и механические потери в парах трения его с контактирующими поверхностями.

Опытные образцы уплотнительного элемента поршня изготовлены на кафедре ДВС и кафедре металловедения ХГПИ, прошли экспериментальную проверку на стендах и двигателях типа СМД (ЧН 12/14) и 6Д-037 (Д8/92). Подтверждены ожидаемые показатели по трению и износостойкости.

Уплотнительный элемент предназначен для уплотнения надпоршневого пространства и может быть использован в поршневых компрессорах и поршневых насосах. Уплотнительный элемент поршня имеет вид разрезного кольца (1), которое выполнено из легкого сплава. Износостойкое покрытие (2) выполнено антифрикционным и нанесено микродуговым оксидированием поверхности кольца. Отношение высоты кольца (1) к диаметру поршня не превышает 0,01. Изобретение повышает надежность элементов цилиндропоршневой группы. 3 ил.

Уплотнительный элемент поршня, состоящий из разрезного кольца с износостойким покрытием, отличающийся тем, что кольцо выполнено из легкого сплава, износостойкое покрытие выполнено антифрикционным и нанесено путем микродугового оксидирования поверхности кольца, а отношение высоты кольца к диаметру поршня не превышает 0,01.