ПОРШЕНЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК F02B77/13 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности двигателестроения, а более конкретно к усовершенствованию конструкции поршня, и направлено на улучшение виброакустических характеристик двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и других поршневых машин (компрессоров, насосов и т.д.).

Конструкции поршней, направленные на улучшение виброакустических характеристик ДВС, известны.

Известен, например, поршень, описанный в книге: Скуридин A.А. Михеев Е. М. Борьба с шумом и вибрацией судовых ДВС. Судостроение, Л., 1970, 224 с. (с.141, рис.74 и 75) (1).

Указанный поршень состоит из головки, юбки, пальца и поршневых колец.

Днище головки поршня выполнено с полуразделенной камерой в виде сферы, эллипсоида вращения, например, камеры конструкции ТНИДИ (1 стр.141, рис.74) и фирмы MAN ( 1 стр. 141, рис.75).

Однако указанные конструктивные изменения поршней с применением полураз деленных камер в днище головки позволяют снизить шум и вибрацию только газодинамического происхождения, а следовательно, в основном в области высоких частот.

Известен также поршень ДВС, описанный в той же книге (1) стр. 97, рис. 48.

Указанный поршень ДВС содержит цилиндрическую поверхность, условно разделяющуюся на головку, юбку и среднюю часть, внутреннюю полость поршня, днище головки поршня, бобышки, поршневой палец, средство, ограничивающее осевое перемещение поршневого пальца, поршневые кольца, вставку и средство крепления вставки. Вставка поршня выполнена в виде цилиндра с эксцентричным отверстием и устанавливается в отверстиях бобышек поршня вместо поршневого пальца. Диаметр отверстия бобышек предварительно увеличивают до значения, достаточного для установки вставки.

Вставка устанавливается в соответствующее отверстие бобышек таким образом, чтобы эксцентричность отверстия относительно продольной оси поршня была максимальная, т.е. чтобы дезакcаж отверстия был максимальный.

Поршневой палец устанавливается в эксцентричное отверстие вставки и тем самым обеспечивается дезаксаж поршневого пальца, который способствует уменьшению ударного импульса и момента кантующего поршня в пределах теплового зазора между поршнем и втулкой цилиндра.

Существенными недостатками указанного поршня являются следующие:
- вставка с эксцентричным отверстием, во-первых, существенно увеличивает массу поршня и, во-вторых, смещает центр масс поршня как вдоль, так и поперек оси поршня, причем поперечное смещение противоположно оси смещения пальца (дезаксажа);
- дезаксаж поршневого пальца, во-первых, ограничивает возможность размещения и установки верхней головки шатуна со стороны дезаксажа, так как уменьшается расстояние от оси пальца до внутренней стенки поршня, и, во-вторых, препятствует качательному движению шатуна, т.е. ограничивается угол отклонения шатуна со стороны дезаксажа.

Предлагаемое изобретение направлено на усовершенствование поршней ДВС. Это достигается за счет того, что:
- цилиндрическая - средняя часть поршня выполнена без отверстий под поршневой палец;
- внутренняя полость поршня выполнена в виде гладкого цилиндра, которая с внутренней поверхностью днища поршня образует форму стакана;
- вставка размещена во внутренней цилиндрической полости поршня и выполнена из вибродемпфирующего композиционного материала, армированного волокнистым наполнителем, например алюминий, с непрерывными волокнами или с высокопрочной стальной проволокой на основе углепластиков, корунда или карборунда, обладающего хорошими вибродемпфирующими свойствами, и имеет форму цельного или сборного цилиндрического тела с прямоугольной симметричной полостью, расположенной по продольной ее оси под верхнюю головку шатуна и с двумя осесимметричными отверстиями, расположенными перпендикулярно плоскости движения шатуна, под поршневой палец;
- средством, ограничивающим осевое перемещение поршневого пальца, служит стенка внутренней цилиндрической полости поршня, причем контакт между ними т.е. стенкой и торцевой частью (пальца) может быть как непосредственный, так и через заглушку, выполненную, также из композиционного материала и служащую в качестве акустического барьера, или без контакта при установке стопорных колец по торцам пальца в кольцевых пазах, предусмотренных в отверстиях под палец;
- крепление вставки к поршню осуществляется крепежными элементами (шпильки, болты, стопорное кольцо и т.д.).

На фиг. 1 представлен общий вид поршня в разрезе со всеми элементами (деталями).

На фиг.2,3,4 представлены вставки в виде цельного (фиг.3,4) или сборного (фиг.2) цилиндрического тела.

Предложенный поршень содержит цилиндрическую поверхность 1, которая условно состоит из 3-х частей: головки А, юбки В, средней части С, внутренней полости Д, днища головки поршня Е, поршневого пальца 2, средства 3, ограничивающего осевое перемещение поршневого пальца 2 поршневого кольца 4, вставки 5 и средства 6 крепления вставки 5.

Позициями 7 и 8 обозначены верхняя головка шатуна и его подшипник.

Вставка 5 выполнена из вибродемпфирующего композиционного материала в виде цельного (фиг.3,4 ) или сборного ( фиг,2) тела с прямоугольной симметричной полостью F ( фиг.2,3,4 ), расположенной по продольной ее оси под верхнюю головку шатуна и с двумя осесимметричными отверстиями I, H, расположенными перпендикулярно плоскости движения шатуна, под поршневой палец 2 ( фиг.1).

Ширина G (фиг.2, 3, 4 ) полости F выбирается не менее ширины шатунного подшипника 8(фиг.1) верхней головки 7 из условия, достаточного для свободного качательного движения шатуна.

Соединение шатуна с поршнем осуществляется сначала размещением головки 7 шатуна в прямоугольную полость F вставки 5 с отверстием I, Н вставки 5 под поршневой палец 2, а затем установкой поршневого пальца 2 в отверстие H,I вставки и подшипника 8 верхней-поршневой головки шатуна 7.

Средством, ограничивающим осевое перемещение поршневого пальца 2, служит стенка С внутренней цилиндрической полости поршня 1, причем контакт между ними, т.е. стенкой и торцевой частью, может быть как непосредственный, так и через заглушку 9, выполненную из композиционного материала и служащую в качестве акустического барьера (фиг.1) или же без контакта - при установке стопорных колец по торцам пальца в специальных кольцевых пазах, предусмотренных в отверстиях под палец (на фиг.1 не показан).

Заглушки 9 могут также быть предусмотрены, например дополнительные заглушка, изготовленные из алюминия или стали, установлены в промежутке между стенкой С поршня 1 и заглушкой 9 для предотвращения возможного износа заглушки 9 (на фиг.1 металлическая заглушка не изображена).

Крепление вибродемпфирующей вставки 5 из композиционного материала при работе двигателя внутреннего сгорания способствует снижению шума и вибрации благодаря созданию полного (пространственного) акустического барьера между верхней-поршневой головкой шатуна 7, поршневого пальца 2 и самого поршня 1.

Указанный акустический барьер в виде вставки 5 цилиндрического тела, выполненный из композиционного материала, при сложном движении поршня и ударах о стенки цилиндра, демпфируясь, заглушают (изолируют, снижают), возникающие вибрации и излучающие шумы, передаваемые через стенки втулки цилиндров на опоры ДВС и окружающую среду.

Кроме того, в виду малого веса композиционного материала ( 30-50% легче стали) масса поршня со вставкой из композиционного материала меньше массы поршня известного, а следовательно, силы инерции поступательно-движущихся масс уменьшаются, что также способствует уменьшению шума и вибрации ДВС.

Использование: изобретение относится к области двигателестроения, а более конкретно к усовершенствованию конструкции поршня, направленное на улучшение виброаккустических характеристик ДВС и других поршневых машин. Сущность изобретения: поршень выполнен со специальной вставкой из вибродемпфирующего композиционного материала в виде цельного или сборного цилиндрического тела. Вставка размещена во внутренней полости поршня. Крепление верхней головки шатуна и поршневого пальца к поршню происходит через вставку. При этом вставка служит акустическим барьером между деталями поршень-шатун-поршневой палец. Снижение вибрации и шума ДВС достигается при этом не только благодаря применению вставки из вибродемпфирующего композиционного материала, но и облегчения массы поршня в целом, а следовательно, уменьшение сил инерции поступательно движущихся масс, вызывающих шум и вибрации ДВС. 4 ил.

Поршень двигателя внутреннего сгорания, содержащий цилиндрическую поверхность, условно разделяющуюся на головку, юбку и среднюю часть, внутреннюю полость поршня, днище головки поршня, поршневой палец, средство, ограничивающее осевое перемещение поршневого пальца, вставку и средство крепления вставки, отличающийся тем, что цилиндрическая - средняя часть поршня выполнена без отверстий под поршневой палец, а внутренняя полость выполнена в виде гладкого цилиндра, которая с внутренней поверхностью днища поршня образует форму стакана, вставка размещена во внутренней цилиндрической полости поршня и выполнена из вибродемпфирующего композиционного материала в виде цельного или сборного цилиндрического тела с прямоугольной симметричной полостью, расположенной по продольной ее оси под верхнюю головку шатуна, и двумя осесимметричными отверстиями, расположенными перпендикулярно плоскости движения шатуна, под поршневой палец, а средством ограничивающим осевое перемещение поршневого пальца, служит стенка внутренней цилиндрической полости поршня, причем контакт между ними, т. е. стенкой и торцевой частью (пальца), может быть как непосредственный, так и через заглушку, выполненную из композиционного материала и служащую в качестве акустического барьера, иди без контакта при установке стопорных колец по торцам пальца в кольцевых пазах, предусмотренных в отверстиях под палец.