ПОРШЕНЬ Российский патент 2003 года по МПК F02F3/00 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к среднеоборотным четырехтактным двигателям внутреннего сгорания.

Известна конструкция цельнолитого алюминиевого поршня для среднеоборотных двигателей, например дизелей типа Д50 (6ЧН 31,8/33) 1, 6ЧН 21/21 и др., в которой головка поршня ([1], фиг.1) выполнена толстостенной с плавным переходом от днища 1 к стенкам тронка 2. Тронк поршня имеет две бобышки 3, в которых размещают плавающий палец 4. В кольцевой канавке под верхнее маслосъемное кольцо 5 просверлены отверстия (6; фиг.2, позиция 1 [1]) для отвода масла, снимаемого с зеркала цилиндровой втулки во внутреннюю полость поршня (дренажные отверстия). Поперечные сечения, в частности, в разрезе по кольцевой канавке в нагруженных зонах тронка (НЗТ), расположенных над бобышками поршневого пальца, которые передают силу от давления газов на днище поршня шатуну, со стороны внутренней полости поршня имеют выпуклую форму ([1] и фиг.2,а).

Эта конструкция поршня обладает простотой и надежностью, так как в сравнении с составным поршнем она не требует учета силовой и упругой связей отдельных его частей при работе под нагрузкой, затраты большого времени на доводку и т.д.

Однако в случае неоптимальной конфигурации сечений в НЗТ цельнолитых поршней и связанным с ней неконструктивным выполнением дренажных отверстий в канавках верхних маслосъемных колец эти поршни могут выходить из строя. Так, в эксплуатации судовых дизелей 6Д50М систематически происходил выход из строя цельнолитых поршней по причине образования усталостных трещин на острых кромках дренажных отверстий [2], которые затем приводили к отрыву головок поршней.

Неоптимальность конфигурации сечений НЗТ существующих конструкций цельнолитых поршней заключается в том, что выпуклая форма поперечных сечений в НЗТ со стороны внутренней полости поршня на длине хорды (l хор.,фиг.3,а и б), равной внутреннему диаметру бобышки dб), не соответствует характеру распределения по длине этой хорды осевых реактивных нагрузок, обусловленных действием на внешнюю поверхность поршневого пальца силы от давления газов на днище поршня. Вместе с этим, выпуклая форма сечений НЗТ со стороны внутренней полости поршня, в частности в разрезе по кольцевой канавке под верхнее маслосъемное кольцо, испытывающих кроме деформации сжатия деформацию изгиба, обусловленную прогибом поршневого пальца между бобышками и давлением газов в центре днища поршня, приводит к образованию острых кромок дренажных отверстий с одной их стороны ([1] и фиг.2,а, позиции 3, 6, 10 и 13), которые, как доказали результаты статического тензометрирования, из-за резкого увеличения на них концентрации напряжений (фиг.2,б) значительно снижают величину сопротивления усталостному разрушению тронка.

Проектирование НЗТ цельнолитых поршней с выпуклой формой их сечений со стороны внутренней полости поршня основывается на предположении, принятом в существующих работах, как, например, в работе [3], что нагрузка на внешней поверхности поршневого пальца распределяется по закону косинусоиды.

Однако результаты статического тензометрирования опытного поршня дизеля Д50 без дренажных отверстий при установке тензорезисторов с базой 3 мм на внутренней поверхности тронка вдоль ослабленного кольцевой канавкой выпуклого сечения НЗТ (фиг.3,а) показали (фиг.3,б), что суммарные напряжения (Σσ) сжатия и изгиба изменяются на длине упомянутой выше хорды обратно пропорционально величине его текущей высоты (S_ϕ, фиг.3,а). Это указывает на то, что осевые реактивные нагрузки распределяются по сечениям НЗТ с постоянной интенсивностью.

Причинами этому являются большая горизонтальная овализация поршневого пальца и деформация внутренней поверхности отверстия в бобышке из-за большой разницы величины модулей упругости Юнга материалов пальца и тронка, возникающих от действия во время работы двигателя силы давления газов на днище поршня. Так, например, на дизелях типа Д50 величина горизонтальной овализаиии поршневого пальца при отношении внутреннего его диаметра к наружному, равном 0,72, составляет в бобышке 0,1 мм при радиальном зазоре (0,03-0,05) мм, а модуль упругости Юнга стального поршневого пальца превосходит в 3 раза его величину для алюминиевого тронка. При этом уровни максимальных контактных давлений, действующих в средней части сечений, снижается, а по их концам возрастают, т.е. происходит выравнивание интенсивности давлений по горизонтальному диаметру в бобышке.

В этом случае, как видно из фиг.3,б, уровень нормальных суммарных напряжений сжатия и изгиба на сбегающих участках сечений НЗТ (Σσ =33,4 МПа) почти в 2 раза превосходит величину этих напряжений (Σσ =18 МПа) в середине сечений, в частности в сечении, ослабленном кольцевой канавкой под верхнее маслосъемное кольцо, что значительно снижает несущую способность тронка поршня. В связи с этим при проектировании НЗТ рассматриваемых поршней неправомерно принимать их сечения выпуклыми со стороны внутренней полости поршня.

Оптимальной конфигурацией сечений НЗТ цельнолитых поршней являются сечения, имеющие вогнутую форму со стороны внутренней полости поршня (фиг.3,в). При этом, как показали результаты тензометрирования рабочего поршня дизеля 6Д50М, суммарные осевые напряжения сжатия и изгиба имеют равномерное распределение вдоль хорды сечений НЗТ (фиг.3,г), а их максимальный уровень, по сравнению с выпуклым сечением, снижается с 33,4 до 24,5 МПа.

Что касается величины суммарных напряжений сжатия и изгиба на кромках дренажных отверстий в вогнутом сечении НЗТ в разрезе по кольцевой канавке под верхнее маслосъемное кольцо (фиг.3, г), то по сравнению с выпуклым сечением она снизилась с 86,6 до 39 МПа (фиг.2,б и фиг.3, г). При этом величина сопротивления усталостному разрушению на кромках дренажных отверстий, с учетов снижения величины коэффициента концентрации напряжений с 2,6 до 1,59, повышается с 20,6 до 44,3 МПа, и коэффициент запаса усталостной прочности в ослабленном сечении (А-А) НЗТ заявленного поршня, приведенного на фиг.1, возрастает, по сравнению с существующим, с 1,06 до 2 [4].

Таким образом, сущность изобретения заключается в изменении формы поперечных сечений в нагруженных зонах тронка цельнолитого поршня (в частности, в разрезе по кольцевой канавке под верхнее маслосъемное кольцо) со стороны внутренней его полости с выпуклой на вогнутую, с радиусом вогнутости, равным 0,6 радиуса внутренней поверхности кольцевой канавки с расположением его центра на оси поршня. За счет этого достигается равномерное распределение реактивных нагрузок, а следовательно, снижение максимального уровня суммарных нормальных напряжений сжатия и изгиба в сечениях НЗТ, обусловленных действием на внешнюю поверхность поршневого пальца силы от давления газов на днище поршня три работе двигателя, а также исключение острых кромок с одной стороны дренажных отверстий в кольцевой канавке под верхнее маслосъемное кольцо, что значительно увеличивает сопротивление усталостному разрушению тронка поршня. При этом обеспечивается достаточная прочность по выносливости тронка цельнолитого алюминиевого поршня и увеличение срока его службы до капитального ремонта.

Осуществление изобретения, т. е. выполнение вогнутой формы поперечных сечений в нагруженных зонах тронка заявленного цельнолитого алюминиевого поршня (фиг.1), производится три использовании его серийной заготовки.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРA
1. Дизель 2Д50. Альбом чертежей. Центральное бюро технической информации. Саратов,1966. 160с.

2. Сидорин И.Д. Исследование прочности цельнолитых поршней ДВС. Процессы в тепловых двигателях. Сборник научных трудов. М.: Универ. Дружбы пародов им. П.Лумумбы, 1983. 144с.

3. Ваншейдт В.A, Конструирование и расчеты прочности судовых дизелей. Л : Судостроение, 1969. 640с.

4. Сидорин И. Д. Несущая способность тронка цельнолитых и составных поршней среднеоборотных четырехтактных двигателей //Двигателестроение. 2001. 1. С.5-7.

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к среднеоборотным четырехтактным ДВС. Поршень имеет тронк с бобышками поршневого пальца, кольцевую канавку под верхнее маслосъемное кольцо с дренажными отверстиями. Поперечные сечения в нагруженных зонах тронка в разрезе по кольцевой канавке под верхнее маслосъемное кольцо со стороны внутренней полости поршня имеют вогнутую форму с радиусом вогнутости, равным 0,6 радиуса внутренней поверхности кольцевой канавки. Изобретение позволяет увеличить срок службы поршня. 3 ил.

Цельнолитой алюминиевый поршень для среднеоборотных четырехтактных двигателей внутреннего сгорания, имеющий тронк с бобышками поршневого пальца, кольцевую канавку под верхнее маслосъемное кольцо, причем нагруженные зоны тронка, расположенные над бобышками поршневого пальца предназначены для передачи силы от давления газов на днище поршня шатуну, отличающийся тем, что поперечные сечения в нагруженных зонах тронка в разрезе по кольцевой канавке под верхнее маслосъемное кольцо со стороны внутренней полости поршня имеют вогнутую форму с радиусом вогнутости, равным 0,6 радиуса внутренней поверхности кольцевой канавки.