КОМПОЗИТНЫЙ ПОРШЕНЬ С АНТИФРИКЦИОННЫМ ПОКРЫТИЕМ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2004 года по МПК F02F3/10 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в авиации, автомобилестроении, энергостроении и других областях техники.

Известен поршень для двигателя внутреннего сгорания, описанный в патенте РФ №2007602, кл. F 02 F 3/00, 15.02.1994. “Поршень для двигателя внутреннего сгорания”. Данный поршень содержит головку с жаровым поясом и канавками под компрессионные и маслосъемные кольца и юбку, спрофилированную таким образом, что отношения диаметральных отклонений от номинального диаметра поршня соответственно в верхней кромке жарового пояса (Δ₁), в нижней кромке первой межколечной перемычки (Δ₂), в верхней зоне юбки (Δ₃), в нижнее кромке юбки (Δ₄) к диаметру цилиндра D_ц при заданной величине расстояния от днища поршня до минимального диаметра Н₀ приводит к оптимизации профиля боковой поверхности поршня, учитывающей в достаточной мере сложность динамических и тепловых процессов, происходящих в двигателе при движении поршня в цилиндре.

Геометрические параметры головки и юбки поршня выполнены в соответствии с соотношениями

Δ₁/D_ц=(2,36-4,8)·10^-3,

Δ₂/D_ц=(0,95-3,25)·10^-3,

Δ₃/D_ц=(0,74-1,84)·10^-3,

Δ₄/D_ц=(0,08-0,04)·10^-3,

Н₀/D_ц=0,6-0,9.

Недостатком данной конструкции является невысокие прочностные свойства поршня из-за отсутствия в поршне композитных материалов и антифрикционных покрытий, повышающих прочность конструкции.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному жидкоштампованному поршню с антифрикционным покрытием является поршень, содержащий головку, армированную кварцевыми волокнами с антифрикционным высокотемпературным покрытием и канавками под компрессионные и маслосъемные кольца, юбку с профилированной овально-бочкообразной поверхностью. Геометрические параметры головки и юбки поршня выполнены в соответствии с соотношениями

Δ₁/D_ц=(2,4-2,59)·10^-3,

Δ₂/D_ц=(0,88-0,94)·10^-3,

Δ₃/D_ц=(0,65-0,73)·10^-3,

Δ₄/D_ц=(0,06-0,075)·10^-3,

Н₀/D_ц=0,55-0,59.

Недостатком данной конструкции является то, что, несмотря на попытки оптимизировать профиль рабочей поверхности поршня путем задания ее геометрических параметров, армирование головки кварцевыми волокнами и выполнение ее с антифрикционным высокотемпературным покрытием, в достаточной мере не удалось повысить прочностные свойства поршня из-за произвольной ориентации композитных материалов и отсутствия усиления ими мест наибольших нагрузок, приходящихся на поршень при его работе.

Целью настоящего изобретения является повышение прочностных свойств поршня за счет выполнения в местах наибольших напряжений вставок с ориентированными определенным образом композитными волокнами и оптимизации профиля рабочей поверхности поршня путем задания ее геометрических параметров. Выполнение предложенных антифрикционных покрытий на жаровом поясе и юбке позволяет снизить коэффициент трения, что способствует улучшению приработки цилиндропоршневой группы и служит повышению прочностных свойств поршня.

Поставленная цель достигается тем, что композитный поршень с антифрикционным покрытием для двигателя внутреннего сгорания, содержащий головку с антифрикционным покрытием, канавки под компрессионные и маслосъемные кольца и юбку с профилированной овально-бочкообразной рабочей поверхностью, снабжен вставкой из волокнистого материала, соответствующей размеру головки поршня и состоящей из двух частей, одна из которых расположена в днище поршня и имеет волокна материала ее изготовления, ориентированные перпендикулярно днищу поршня, а вторая выполнена не более размера канавок под компрессионные кольца и имеет волокна, ориентированные параллельно днищу поршня, при этом геометрические параметры головки и юбки выполнены в соответствии с соотношениями

Δ₁/D_ц=(2,35-2,39)·10^-3,

Δ₂/D_ц=(0,81-0,87)·10^-3,

Δ₃/D_ц=(0,61-0,65)·10^-3,

Δ₄/D_ц=(0,05-0,055)·10^-3,

Н₀/D_ц=0,51-0,54,

где Δ₁ - диаметральное отклонение в верхней кромке жарового пояса от номинального диаметра поршня, мм;

Δ₂ - диаметральное отклонение в нижней кромке жарового пояса от номинального диаметра поршня, мм;

Δ₃ - диаметральное отклонение в верхней зоне юбки от номинального диаметра поршня, мм;

Δ₄ - диаметральное отклонение в нижней зоне юбки от номинального диаметра поршня, мм;

Н₀ - расстояние от днища поршня до зоны номинального диаметра, мм;

D_ц- диаметр цилиндра, мм.

Поршень отличается тем, что антифрикционное покрытие выполнено на жаровом поясе в виде высокотемпературного кремнеорганического покрытия, а на юбке в виде эпоксифенольного покрытия.

На фиг. 1 изображен композитный поршень с армированной волокнами головкой объемного наполнения.

Композитный поршень содержит головку 1 с жаровым поясом 2 и канавками 3 под компрессионные и маслосъемное кольца, юбку 4, спрофилированную определенным образом, и бобышки 5 под поршневой палец с выполненными в них отверстиями 6. Вставка, например, из керамических волокон имеет сложную форму: в верхней части 7 вставки волокна имеют направление, перпендикулярное днищу поршня, а в нижней части 8 волокна ориентированы параллельно днищу поршня. На поршень нанесено антифрикционное покрытие, причем на жаровой пояс 2 нанесено жаростойкое кремнеорганическое покрытие, а на юбке 4 находится эпоксифенольное покрытие.

Композитный материал верхней части поршня с волокнами, направленными перпендикулярно действию нагрузки, позволяет значительно повысить прочность и жаростойкость днища поршня, в то время как композитный материал, находящийся ниже, с волокнами, ориентированными параллельно днищу, увеличивает износостойкость боковой части головки поршня, включающей жаровой пояс.

При движении поршня в цилиндре происходят сложные гидравлические и тепловые процессы между цилиндром и боковой поверхностью поршня, приводящие к необходимости профилирования поршня и выбора положения поршневых колец. Отношение диаметральных отклонений от номинального диаметра поршня соответственно в верхней кромке жарового пояса (Δ₁), в нижней кромке первой межколечной перемычки (Δ₂), в верхней зоне юбки (Δ₃), в нижней кромке юбки (Δ₄), к диаметру цилиндра D_ц при заданной величине расстояния от днища поршня до номинального диаметра Н₀ приводит к оптимизации профиля боковой поверхности поршня, учитывающей в достаточной мере сложность динамических и тепловых процессов, происходящих в двигателе при движении поршня в цилиндре.

Δ₁/D_ц=(2,35-2,39)·10^-3,

Δ₂/D_ц=(0,81-0,87)·10^-3,

Δ₃/D_ц=(0,61-0,65)·10^-3,

Δ₄/D_ц=(0,05-0,055)·10^-3,

Н₀/D_ц=0,51-0,54.

Антифрикционное покрытие, наносимое на боковые поверхности поршня, позволяет значительно снизить коэффициент трения поршня о стенки цилиндра. Кроме этого покрытие ускоряет процесс приработки поршня.

При возникновении вспышки в цилиндре рабочее тело, имеющее высокую температуру, воздействует на днище поршня. В днище поршня возникают сильные механические и тепловые напряжения, композитный материал верхней части препятствует появлению деформаций от этих напряжений, что, в свою очередь, повышает запасы прочности поршня в целом. Тепловой поток, направленный от днища поршня к жаровому поясу и канавкам, вызывает диаметральное увеличение головки поршня. Нижняя часть композитного материала позволяет уменьшить тепловые деформации, а за счет этого минимизировать диаметральные зазоры в жаровом поясе.

Предлагаемое устройство позволяет повысить прочностные свойства, что позволяет оптимизировать диаметральные зазоры в цилиндропоршневой группе. При этом снижаются массовые характеристики двигателя и уменьшаются нагрузки на основные детали двигателя.

Композитный поршень с антифрикционным покрытием для ДВС содержит головку с антифрикционным покрытием и канавками под компрессионные и маслосъемные кольца и юбку с профилированной овально-бочкообразной рабочей поверхностью, причем поршень снабжен вставкой из волокнистого материала, соответствующей размеру головки поршня и состоящей из двух частей, одна из которых расположена в днище поршня и имеет волокна материала ее изготовления ориентированные перпендикулярно днищу поршня, а вторая выполнена не более размера канавок под компрессионные кольца и имеет волокна ориентированные параллельно днищу поршня. Приведены геометрические параметры головки и юбки. Антифрикционное покрытие может быть выполнено на жаровом поясе в виде высокотемпературного кремнеорганического покрытия, а на юбке поршня - в виде эпоксифенольного покрытия. Изобретение позволяет повысить прочностные свойства поршня. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Композитный поршень с антифрикционным покрытием для двигателя внутреннего сгорания, содержащий головку с антифрикционным покрытием, канавки под компрессионные и маслосъемные кольца и юбку с профилированной овально-бочкообразной рабочей поверхностью, отличающийся тем, что поршень снабжен вставкой из волокнистого материала, соответствующей размеру головки поршня и состоящей из двух частей, одна из которых расположена в днище поршня и имеет волокна материала ее изготовления, ориентированные перпендикулярно днищу поршня, а вторая выполнена не более размера канавок под компрессионные кольца и имеет волокна, ориентированные параллельно днищу поршня, при этом геометрические параметры головки и юбки выполнены в соответствии с соотношениями

Δ₁/D_ц=(2,35-2,39)·10^-3

Δ₂/D_ц=(0,81-0,87)·10^-3

Δ₃/D_ц=(0,61-0,65)·10^-3

Δ₄/D_ц=(0,05-0,055)·10^-3

Н₀/D_ц=0,51-0,54,

где Δ₁ - диаметральное отклонение в верхней кромке жарового пояса от номинального диаметра поршня, мм;

Δ₂ - диаметральное отклонение в нижней кромке жарового пояса от номинального диаметра поршня, мм;

Δ₃ - диаметральное отклонение в верхней зоне юбки от номинального диаметра поршня, мм;

Δ₄ - диаметральное отклонение в нижней зоне юбки от номинального диаметра поршня, мм;

D_ц - диаметр цилиндра, мм;

Н₀ - расстояние от днища поршня до зоны номинального диаметра.