ПОРШЕНЬ Российский патент 2002 года по МПК F02B75/04 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в поршневых машинах с кривошипно-шатунным механизмом.

Аналогом предлагаемого изобретения может служить составной поршень, основание которого выполнено из алюминиевого сплава, а головка - из жаропрочного материала, причем головка поршня относительно основания крепится неподвижно [1].

Недостатком такой конструкции поршней является то, что в процессе эксплуатации вся воспринимаемая поршнем ударная нагрузка напрямую передается кривошипно-шатунному механизму, снижая его долговечность.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является устройство [2] , в котором снижение динамических нагрузок на кривошипно-шатунный механизм осуществляется применением демпфирующих элементов, выполненных в виде концентрически расположенных распорного и пружинного колец, установленных в бобышках поршня, при этом пружинное кольцо выполнено разъемным.

К недостаткам такой конструкции необходимо отнести возможность появления смещения вдоль оси поршневого пальца головки поршня относительно его основания, что в свою очередь может привести к возникновению ударных нагрузок со стороны головки поршня, как через кольца - на рабочую поверхность гильзы цилиндра, так и через шатун и подшипники коленчатого вала - на вал.

Технической задачей изобретения является устранение возможных осевых перемещений в процессе работы кривошипно-шатунного механизма и, как следствие, повышение его надежности и долговечности.

Поставленная техническая задача решается следующим образом. В составном поршне, содержащем головку, на наружной цилиндрической поверхности которой имеются канавки для компрессионных и маслосъемных колец, и основание, соединенное посредством поршневого пальца с шатуном, в нижнюю часть головки запрессовано кольцо-замок, состоящее из двух полуколец, удерживающих головку поршня на расстоянии 2f от его основания при движении поршня от верхней к нижней мертвой точке на такте впуска, а основание подпружинено относительно головки поршня посредством пакета тарельчатых пружин, преобразующих кинетическую энергию динамических нагрузок в потенциальную энергию сжатия пружин, где
2f=H-h₁-h₂,
где Н - высота стандартного неразъемного поршня, h₁ - высота головки поршня, h₂ - высота основания поршня.

Оригинальность изобретения состоит в том, что в отличие от прототипа динамические нагрузки от вспышки в камере сгорания топливо-воздушной смеси воспринимаются пакетом тарельчатых пружин, расположенных между головкой и основанием поршня и преобразующих кинетическую энергию динамических нагрузок в свою потенциальную энергию, при этом головка поршня и его основание удерживаются друг относительно друга на расстоянии 2f, при движении поршня от верхней к нижней мертвой точке на такте впуска, кольцом-замком, состоящим из двух полуколец, где
2f=H-h₁-h₂,
где Н - высота стандартного неразъемного поршня, h₁ - высота головки поршня, h₂ - высота основания поршня.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана принципиальная схема устройства, на фиг.2 - кривые распределения результирующей силы, действующей на поршень в зависимости от угла поворота коленчатого вала, где кривая I - результирующая сила для неразъемного поршня, кривая II - распределение результирующей силы в предлагаемом устройстве.

Устройство состоит (фиг.1) из головки поршня 1, на наружной цилиндрической поверхности которой имеются канавки 2 для компрессионных и маслосъемных колец, взаимодействующей с основанием поршня 3 через пакет стальных тарельчатых пружин 4, предназначенных для перераспределения кинетической энергии динамических нагрузок, воспринимаемых головкой поршня 1, в потенциальную энергию сжатия пружин 4. В нижнюю часть головки 1 запрессовано кольцо-замок 5, состоящее из двух полуколец А и Б, удерживающих при движении поршня от верхней к нижней мертвой точке на такте впуска головку 1 и основание 3 друг от друга на расстоянии 2f, определяемом соотношением:
2f=H-h₁-h₂,
где Н - высота стандартного неразъемного поршня, h₁ - высота головки поршня, h₂ - высота основания поршня.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В исходном состоянии пакет пружин 4 отжимает головку поршня 1 от его основания 3 на величину 2f, при этом полукольца А и Б кольца-замка 5 удерживают и центрируют друг относительно друга головку 1 поршня и его основание 3. При воспламенении в надпоршневом пространстве горючей смеси, давление расширяющихся газов за очень короткий промежуток времени практически полностью передается головке поршня 1, которая начинает перемещаться в направлении от верхней (в.м.т.) к нижней мертвой точке (н.м.т.), выбирая зазор 2f. При этом кинетическая энергия поступательного движения головки 1 поршня преобразуется в потенциальную энергию пакета сжимаемых пружин 4. В момент, когда зазор 2f станет равным нулю и головка 1 поршня соприкоснется с основанием 3 поршня, основание 3 также начнет двигаться к н. м. т. Силы упругости пружин 4 при прохождении поршнем н. м.т. возвращают их в исходное состояние, зазор 2f восстанавливается и потенциальная энергия сжатых пружин 4 преобразуется в кинетическую энергию поступательно движущегося основания 3 поршня. На тактах выпуска, впуска и сжатия поршневой узел ведет себя как обычный цельнолитой, причем на такте впуска поршневые кольца, располагающиеся в канавках 2 головки 1 поршня стремятся снять головку 1 поршня с его основания 3, чему препятствуют полукольца А и Б кольца-замка 5. В результате результирующая сила (P_рез.), действующая на поршень, изменяет свой вид - ее абсолютное значение уменьшается, а пиковая нагрузка растягивается во времени (фиг.2, кривая II).

В результате применения предлагаемой конструкции поршня за счет преобразования одного вида энергии в другой, коэффициент полезного действия узла практически не изменяется. Температура в зоне расположения тарельчатых пружин намного ниже той, которая необходима для потери пружинной сталью ее упругих свойств.

Предложенная конструкция поршня позволяет повысить его надежность исключением элементов, способствующих появлению осевых перемещений при работе устройства в составе механизма, двигателя или машины.

Источники информации
1. ДВС. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей./Под общ. ред. А. С. Орлина, М.Г. Круглова, 4-е изд. перер. и доп. - М.: Машиностроение, 1990 г.

2. А. С. 678228. Поршень. С.В. Величкович, З.Д. Васинечко, Я.В. Васинишин, И.Ю. Гладкий. Бюл. 29 от 05.08.79.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в поршневых машинах с кривошипно-шатунным механизмом. Поршень состоит из головки, на наружной цилиндрической поверхности которой имеются канавки для компрессионных и маслосъемных колец, взаимодействующей с основанием поршня через пакет стальных тарельчатых пружин, предназначенных для перераспределения кинетической энергии удара, воспринимаемой головкой поршня, в потенциальную энергию сжатия пружин. В нижнюю часть головки запрессовано кольцо-замок, состоящее из двух полуколец, удерживающих при движении поршня от верхней к нижней мертвой точке на такте впуска головку и основание друг от друга на расстоянии 2f, определяемом соотношением: 2f=H-h₁-h₂, где Н - высота стандартного неразъемного поршня; h₁ - высота головки поршня; h₂ - высота основания поршня. Благодаря такой конструкции повышается надежность кривошипно-шатунного механизма за счет преобразования кинетической энергии динамических нагрузок в потенциальную энергию сжатия пружин. 2 ил.

Поршень, содержащий головку, на наружной поверхности которой имеются канавки для компрессионных и маслосъемных колец, и основание, соединенное посредством поршневого пальца с шатуном, отличающийся тем, что в нижнюю часть его головки запрессовано кольцо-замок, состоящее из двух полуколец, удерживающих головку поршня на расстоянии 2f от его основания при движении поршня от верхней к нижней мертвой точке на такте впуска, а основание подпружинено относительно головки поршня посредством пакета тарельчатых пружин, преобразующих кинетическую энергию вспышки в потенциальную энергию сжатия пружин, где
2f= H-h₁-h₂,
где H - высота стандартного неразъемного поршня; h₁ - высота головки поршня; h₂ - высота основания поршня.