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 может быть использовано в компрессорах и насосах.

Известен поршень ДВС, который содержит цилиндрическую поверхность, условно разделяющуюся на головку, юбку и среднюю часть - область размещения бобышек поршня с отверстиями, поршневой палец, поршневые кольца, и вставку. Металлическая вставка поршня выполнена в виде цилиндра с эксцентричным отверстием и устанавливается в отверстиях бобышек поршня.

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 дезаксаж 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. /Скуридин Д.А., Михеев Е.М. Борьба с шумом и вибрацией судовых ДВС. - Л.: Судостроение, 1970, с.141.

Существенным недостатком поршня является то, что металлическая вставка, выполненная в виде цилиндра с эксцентричным отверстием, предназначена только для смещения оси поршневого пальца относительно продольной оси поршня, т.е., как принято в технической литературе, для обеспечения дезаксажа поршня.

Однако изменение величины дезаксажа поршневого пальца от 0,5 до 6 мм вызывает изменение вибрации и шума по общим уровням не более, чем на 3 дБ. Указанный эффект может быть увеличен.

Задача изобретения - снижение уровня шума и вибраций.

Поставленная задача достигается тем, что в поршне ДВС, содержащим цилиндрическую поверхность, условно разделяющуюся на головку, юбку и среднюю часть - область размещения бобышек поршня с отверстиями, поршневой палец, поршневые кольца и вставку, обеспечивающую дезаксаж поршневого пальца, выполненную в виде цилиндра с эксцентричным отверстием под поршневой палец, установленную в предварительно увеличенные отверстия бобышек поршня, центр масс поршня смещен в сторону оси дезаксиального пальца благодаря тому, что вставка выполнена из неметаллического или композиционного полимерного материала.

Кроме того, для увеличения смещения центра масс вставка выполнена с отрицательными массами /отверстие, пустоты различных форм/.

Композиционный полимерный материал армирован волокнистым наполнителем, например, алюминием с непрерывными волокнами или с высокопрочной стальной проволокой на основе углепластиков, корунда или карборунда, обладающего хорошими вибродемпфирующими свойствами.

Указанное смещение центра масс поршня вызывает дополнительную нормальную силу или момент и при возвратно-поступательном движении поршня способствует изменению моментов перекладки.

У большества ДВС рабочая перекладка поршня начинается близко к ВМТ и колеблется в пределах 1-2 поворота коленчатого вала до В.М.Т.

Однако угол начала перекладки равен 1-2^o до рабочей В.М.Т., что весьма незначительно и для уменьшения интенсивности удара поршня в рабочей В.М.Т. целесообразно его увеличить, для чего и служит предложенный поршень со смещенными центром масс и осью пальца благодаря выполнению вставки из неметаллического или композиционного полимерного материала.

Величина смещения центра масс поршня регулируется без изменения конструкции, для чего композиционная вставка выполнена с "отрицательными массами" /т.е. отверстия, пустоты различных форм/.

Эти "отрицательные массы" - отверстия или пустоты во вставке - способствуют еще большему смещению центра массы поршня от его продольной оси в сторону оси пальца ввиду облегчения той части поршня, где расположены пустоты - "отрицательные массы".

Кроме того, целесообразность применения композиционной вставки улучшает виброакустические характеристики ДВС, что обеспечивается двумя причинами, а именно существенным /в 2-4 раза/ уменьшением массы и вибродемпфирующими свойствами композиционных материалов.

Учитывая изложенные особенности технического решения, от применения предложенного поршня достигается сверхсуммарный эффект снижения шума и вибрации ДВС, а следовательно, повышение его надежности и долговечности.

Изобретение поясняется чертежом, где
на фиг.1 представлен продольный разрез поршня,
на фиг.2 - общий вид поршня,
на фиг. 3 и 4 - вставка с "отрицательными массами" в виде круглых или фигурных отверстий.

Поршень содержит цилиндрическую поверхность, условно разделяющуюся на головку 1, юбку 2, среднюю часть 3 - область размещения бобышек 4 с отверстиями, поршневой палец 5, поршневые кольца 6, вставку 7 в виде цилиндра из вибродемпфирующего неметаллического или композиционного полимерного материала с эксцентричным отверстием под поршневой палец, которая устанавливается в предварительно увеличенные отверстия бобышек 4 поршня. Поршневой палец 5 установлен в эксцентричном отверстии вставки 7.

Позицией 8 на фиг.1 и 2 обозначен шатун.

Вставка 7 устанавливается в соответствующее отверстие бобышек 4 поршня таким образом, чтобы эксцентричность /фиг.2/ отверстия А относительно продольной оси Z поршня была максимальная, т.е. чтобы дезаксаж Δ = ОА отверстия А был максимальный.

Указанный акустический барьер в виде вставки 7 цилиндрического тела, выполненный из вибродемпфирующего материала: неметаллического или композиционного полимерного материала, при сложном движении поршня и ударах о стенки цилиндра, демпфируясь, заглушает /изолирует, уменьшает, гасит/ возникающие вибрации и излучающие шумы, передаваемые через стенки втулки цилиндров на опоры ДВС и окружающую среду.

Кроме того, ввиду малого веса материала вставки 7 /30-50% легче стали/ масса поршня со вставкой 7 из вибродемпфируюшего материала меньше массы поршня известного, а следовательно, силы инерции поступательно движущихся масс /ПДМ/ уменьшаются, что также способствует уменьшению шума и вибрации ДВС.

Меньшая масса вставки 7 из неметаллического материала наиболее близка к "отрицательной массе", а потому центр масс /ЦМ/ Б /фиг.2/ поршня перемещен относительно продольной оси Z на величину δ =ОБ. /Центр масс смещен в сторону оси дезаксиального пальца/.

Величина указанного смещения ЦМ поршня увеличивается при применении вставок 7 c "отрицательными массами" - в виде круглых или фигурных отверстий С /фиг.3/, D /фиг.4/.

Таким образом, предложенная вставка 7 поршня выполняет несколько функций, а именно: обеспечивает дезаксаж /фиг.2-4/ поршневого пальца 5, смещение δ центра массы /ЦМ/ поршня относительно оси дезаксиального пальца, уменьшение массы поршня /следовательно, сил инерции ПДМ/ и демпфирование /гашение, снижение/ интенсивности ударов поршня благодаря вибродемпфирующим свойствам самого неметаллического или композиционного полимерного материала.

При работе ДВС с предложенным поршнем обеспечивается cверхсуммарный эффект по уменьшению шума к вибрации двигателя благодаря:
1. Рабочей перекладке поршня при угле поворота коленчатого вала α ≈2-4^o до В.М.Т. за счет возникновения дополнительной нормальной силы или момента, обусловленных дезаксажом Δ поршневого пальца и смещением δ ЦМ поршня.

2. Демпфированию интенсивности ударов поршня, обусловленных свойствами материала вставки 7.

3. Уменьшению сил инерции ПДМ, обусловленных уменьшением массы поршня за счет применения легкой неметаллической вставки 7.

Данное техническое решение существенно улучшает виброакустические характеристики ДВС, поскольку наиболее интенсивным источником вибрации и, как следствие, шума двигателей механического происхождения являются колебания цилиндрических втулок и блоков двигателей, возникающие в результате перекладок и контования поршней в пределах топливного зазора.

Изобретение относится к двигателестроению, а более конкретно к с усовершенствованию конструкции поршня, направлено на улучшение виброакустических характеристик ДВС. Поршень снабжен специальной неметаллической или композиционной полимерной вставкой, выполненной в виде цилиндра с эксцентричным отверстием под поршневой палец и установленной в предварительно увеличенные отверстия бобышек поршня. Указанная вставка многофункциональная, т.к. обеспечивает не только дезаксаж поршневого пальца, но и смещение центра масс поршня относительно продольной оси, уменьшение массы поршня и демпфирование вибрации. Благодаря многофункциональности вставки при работе двигателя происходит существенное улучшение виброакустических характеристик. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Поршень двигателя внутреннего сгорания, содержащий цилиндрическую поверхность, условно разделяющуюся на головку, юбку и среднюю часть - область размещения бобышек поршня с отверстиями, поршневой палец, поршневые кольца и вставку, обеспечивающую дезаксаж поршневого пальца, выполненную в виде цилиндра с эксцентричный отверстием под поршневой палец, установленную в предварительно увеличенные отверстия бобышек поршня, отличающийся тем, что центр масс поршня смещен в сторону оси дезаксиального пальца, благодаря тому, что вставка выполнена из неметаллического или композиционного полимерного материала. 2. Поршень по п. 1, отличающийся тем, что для увеличения смещения центра масс поршня вставка выполнена с отрицательными массами.