ТРИБОСОПРЯЖЕНИЕ ПОРШЕНЬ - ЦИЛИНДР ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2005 года по МПК F02F3/00 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Известна конструкция поршня [1] двигателя внутреннего сгорания. Поршень имеет овальное поперечное сечение с большей овальностью и меньшей толщиной стенки на ненагруженной стороне, а также имеет прорезь на ненагруженной стороне в зоне канавки маслосъемного кольца. Такая конструкция дает возможность снизить зазор между нагруженной стороной поршня и стенкой цилиндра и, следовательно, уменьшить расход смазки. Большая длина юбки на нагруженной стороне уменьшает угол наклона поршня и создаваемый им шум при перекладке в районе верхней мертвой точки.

Анализ изобретения показывает, что при прямоугольных несущих поверхностях описанный асимметричный профиль юбки не может создать одинаковую несущую способность при угловых перекладках поршня на тактах "Сжатие" и "Рабочий ход". Снижение потерь на трение при этом мало.

Известна конструкция поршня [2] двигателя внутреннего сгорания, в котором осевое сечение юбки поршня представляет собой асимметричную фигуру, описанную параболическими кривыми, параметры которой выбраны с учетом действия боковых сил в процессе сгорания, тепловых деформаций и принципов гидродинамической теории смазки. Несущие поверхности юбки выполнены в виде Х-образных площадей, которые описаны радиусами окружностей с длиной дуги θ, определяемой соответствующим соотношением. Такой асимметричный профиль юбки может создать одинаковую несущую способность при различных рабочих условиях на тактах "Сжатие" и "Рабочий ход", что характерно для двигателей внутреннего сгорания, так как давление газов в цилиндре и, соответственно, боковая сила в такте "Рабочий ход" из-за взрывного характера сгорания рабочей смеси в несколько раз выше, чем в такте "Сжатие". Несущие поверхности описываются радиусами окружностей с длиной дуги θ, изменяемой в зависимости от радиального зазора, профиля и осевой координаты по выражению

где h₀ - радиальный зазор между цилиндром и юбкой поршня; Z - осевая координата с началом в центре оси отверстия для поршневого пальца; - осевая координата вершины боковой образующей профиля (осевая координата наиболее узкой части несущей Х-образной зоны), i=1, 2 - соответствуют нагруженной и ненагруженной стороне поршня; R - радиус юбки поршня;

, - зазоры между цилиндром и юбкой поршня в верхней и нижней ее части; В⁽ⁱ⁾ - длина юбки на нагруженной и ненагруженной стороне поршня;

Противолежащие боковые образующие юбки поршня образуют асимметричную фигуру, форма которой зависит от размеров юбки, радиального зазора, расположения оси поршневого пальца и определяется по выражению

где h⁽ⁱ⁾ - отклонение профиля от внутренних стенок цилиндра i, причем

Поверхности, перпендикулярные оси отверстия под поршневой палец и лежащие вне Х-образных площадей, находятся в зонах так называемых холодильников и специально не профилируются.

Конфигурация профиля и расположение его вершин выбраны таким образом, что обеспечивают максимальную гидродинамическую подъемную силу на нагруженной стороне, то есть жидкостный режим трения, уменьшают вероятность задира.

Анализ конструкции показывает, что асимметричный профиль решает задачу учета угловых перекладок, однако конструкция не в полной мере учитывает разные рабочие условия на тактах "Сжатие" и "Рабочий ход" и в процессе поперечных перекладок не способствует в полной мере снижению трибологических потерь в сопряжении поршень - цилиндр, так как площадь несущей поверхности поршня на нагруженной и ненагруженной стороне отличаются незначительно.

Под трибологическими потерями понимаются потери на сопротивление движению поршня на смазочном слое в цилиндре и потери смазочной жидкости "на угар" за счет ее расхода через верхнюю кромку юбки поршня.

Указанная конструкция направлена на снижение потерь на трение в сопряжении поршень - гильза.

В основу изобретения положена техническая задача - создание трибосопряжения поршень - цилиндр двигателя внутреннего сгорания такой конструкции, которая обеспечивала бы минимизацию трибологических потерь без снижения его несущей способности.

Эта задача решается тем, что в трибосопряжении поршень - цилиндр двигателя внутреннего сгорания, содержащем цилиндр и поршень с отверстием для поршневого пальца, состоящий из головки и направляющей части (юбки) в виде бочкообразной несимметричной фигуры, несущие поверхности выполнены в виде Х-образных площадей, которые ограничены сверху и снизу краями юбки и описаны радиусами окружностей, и имеющим в трибосопряжении поршень - цилиндр отклонение профиля образующих несущих поверхностей нагруженной и ненагруженной сторон юбки поршня от внутренней стенки цилиндра в плоскости, перпендикулярной оси отверстия, определенное по выражению

где h⁽ⁱ⁾ - отклонение профиля от внутренних стенок цилиндра, h₀ - радиальный зазор между цилиндром и юбкой поршня; Z - осевая координата с началом в центре оси отверстия для поршневого пальца; k⁽ⁱ⁾, m⁽ⁱ⁾, l⁽ⁱ⁾ – параметры кривой профиля, i=1, 2 - соответствуют нагруженной и ненагруженной стороне поршня, причем , где - зазоры между цилиндром и юбкой поршня в верхней и нижней ее части, согласно изобретению длина юбки на нагруженной стороне больше длины юбки на ненагруженной стороне поршня в соответствии с соотношением В⁽¹⁾/В⁽²⁾=1,1...1,3, а толщина юбки на нагруженной стороне больше толщины юбки на ненагруженной стороне поршня в соответствии с соотношением t⁽¹⁾/t⁽²⁾=1,2...1,5, при этом геометрические параметры поршня выполнены следующими: длина поршня L=(0,65...0,9)D, высота уплотняющего пояса H=(0,48...0,60)D, длина юбки поршня максимальная B⁽¹⁾=(0,25...0,45)D, где D - номинальный диаметр поршня.

Предлагаемая конструкция отличается от конструкции [1] геометрией несущих поверхностей юбки поршня, которая соответствует нагруженным областям и тем в большей мере учитывает угловые и боковые перекладки поршня в процессе рабочего цикла, а также поршень имеет иные пропорции его элементов и не имеет прорези на ненагруженной стороне.

Предлагаемая конструкция отличается от конструкции [2] тем, что имеет различную длину юбки на нагруженной и ненагруженной сторонах и тем в большей мере учитывает боковые перекладки поршня и изменение нагрузки на поршень в процессе рабочего цикла, а также меньшую толщину юбки на нагруженной стороне, что увеличивает упругий эффект, препятствующий прямому контакту, чем снижаются потери на трение в сопряжении.

Изобретение основано на анализе характера движения поршня в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, когда при вращении кривошипа поршень при ходе от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) и обратно под действием боковых сил прижимается с наклоном то к одной, то к другой стороне цилиндра (происходят так называемые поперечная и угловая перекладка поршня в цилиндре). Так как ненагруженная сторона поршня несет меньшие нагрузки, то при такой же, как на нагруженной стороне, удельной нагрузке, юбку на этой стороне возможно выполнять меньшей длины, что даст уменьшение потерь мощности на трение в смазочном слое между юбкой поршня и зеркалом цилиндра, а также это даст возможность уменьшить зазор в сопряжении для снижения расхода масла на угар. Существующие конструкции не учитывают угловые перекладки, когда несущие зоны расположены либо вверху, либо внизу юбки поршня в зависимости от угла его наклона.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 дан общий вид трибосопряжения поршень - цилиндр; на фиг.2 - вид сопряжения сбоку; на фиг.3 - поперечное сечение поршня в плоскости оси поршневого пальца; на фиг.4 - характер движения поршня в цилиндре: а - такт впуска; б - такт сжатия; в - такт расширения; г - такт выпуска; на фиг.5 - внешний вид поршня (с вырезом).

На основе сформулированных задач, анализа известных конструкций и характера натиров работающих поршней предлагается следующее трибосопряжение поршень - цилиндр. Трибосопряжение (фиг.1, 2) состоит из цилиндра 1 и поршня 2, содержащего головку 3 и юбку 4 с отверстием 5 под поршневой палец. Длина юбки на нагруженной стороне 6 больше длины юбки на ненагруженной стороне 7 поршня: В⁽¹⁾>В⁽²⁾. Толщина юбки на ненагруженной стороне меньше толщины юбки на нагруженной стороне поршня t⁽¹⁾>t⁽²⁾ (фиг.3). Несущие поверхности юбки образуют на противолежащих сторонах юбки Х-образные асимметричные относительно продольной оси поршня площади 8 и 9, ограниченные соответственно кривыми 10 и 11. Противолежащие боковые образующие 12, 13 юбки поршня (фиг.2) образуют асимметричную фигуру. Конструкция поршня выполняется в следующих пропорциях:

Диаметр поршняDНеобходимыйДлина поршняL(0,65...0,9)DВысота уплотняющего поясаН(0,48...0,63)DДлина юбки поршня максимальнаяB⁽¹⁾(0,25...0,45)DСоотношение длин юбкиB⁽¹⁾/В⁽²⁾1,1...1,3Соотношение толщины юбкиt⁽¹⁾/t⁽²⁾1,2...1,5

Поршень работает следующим образом. При движении поршня в цилиндре боковые силы прижимают его то к одной, то к другой стороне цилиндра (фиг.4), причем нагруженной является сторона 6 поршня, на которую в течение рабочего цикла действует наибольшая боковая сила.

Между юбкой 4 и цилиндром 1 при движении поршня 2 возникает гидродинамическое давление в смазочном слое. Несущая способность смазочного слоя определяется площадью несущих поверхностей трения, однако увеличение площади способствует повышению потерь мощности на трение и расходов смазки на угар. В зависимости от направления движения поршня, профиля юбки, наклона поршня в цилиндре и поперечных перекладок поршня гидродинамическое давление (несущий слой) образуется либо вверху, либо внизу юбки поршня в районах Х-образных площадей 8 и 9 на той стороне юбки, которая прижимается к цилиндру. При этом на такте сжатия (4б) поршень 2 прижимается к цилиндру 1 стороной 7 с меньшей длиной юбки, на такте расширения, когда боковая нагрузка максимальна (4в) - стороной 6 с большей длиной юбки. Большая длина и толщина юбки способствуют также уменьшению деформации юбки и соответствие режима трения расчетному. Меньшая длина и толщина юбки на ненагруженной стороне 7 увеличивает упругие деформации, что препятствует прямому контакту несущих поверхностей поршня 2 и цилиндра 1, при этом снижаются потери на трение в сопряжении.

Таким образом, различная длина и толщина юбки на нагруженной 6 и ненагруженной 7 сторонах в сочетании с несущими поверхностями трения в виде Х-образных асимметричных площадей 8 и 9 в отличие от существующих прямоугольных или трапециевидных наиболее соответствует действительному распределению гидродинамических давлений при работе поршней, уменьшает поверхность трения юбки, снижает потери мощности на трение. Постоянная толщина смазочного слоя между юбкой поршня и цилиндром в радиальном направлении для каждого сечения обеспечивается описанием профиля по радиусу.

Изготовление поршня с предлагаемым профилем не вызовет больших трудностей при обработке его по копиру или на станках с числовым программным управлением. Предлагаемая конструкция может быть использована для двигателей внутреннего сгорания, поршневых компрессоров.

Литература

1. Патент США 5158008, МКИ F 16 J 1/00 /Emil Ripberger; Mahle GmbH. - №688583. Опубл. 27.10.92.

2. Патент Российской Федерации 2095603, МКИ 6 F 02 F 3/00 Опубл. 10.11.97.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания. Поршень содержит головку и юбку с отверстием под поршневой палец. Длина юбки на нагруженной стороне больше длины юбки на ненагруженной стороне поршня, толщина юбки на нагруженной стороне больше толщины юбки на ненагруженной стороне поршня в соответствии с определенными соотношениями. Несущие поверхности юбки образуют на противолежащих сторонах юбки Х-образные асимметричные относительно продольной оси поршня площади, ограниченные соответственно кривыми. Противолежащие боковые образующие юбки поршня образуют асимметричную фигуру. При этом геометрические параметры поршня выполнены следующими: длина поршня L=(0,65...0,9)D, высота уплотняющего пояса Н=(0,48...0,60)D, длина юбки поршня максимальная В⁽¹⁾=(0,25...0,45)D, где D - номинальный диаметр поршня. Изобретение позволяет минимизировать трибологические потери без снижения несущей способности поршня. 5 ил.

Трибосопряжение поршень - цилиндр двигателя внутреннего сгорания, содержащее цилиндр и поршень с отверстием для поршневого пальца, состоящий из головки и направляющей части (юбки) в виде бочкообразной несимметричной фигуры, несущие поверхности выполнены в виде X-образных площадей, которые ограничены сверху и снизу краями юбки и описаны радиусами окружностей, и имеющее в трибосопряжении “поршень - цилиндр” отклонение профиля образующих несущих поверхностей нагруженной и ненагруженной сторон юбки поршня от внутренней стенки цилиндра в плоскости, перпендикулярной оси отверстия, определенное по выражению:

h⁽ⁱ⁾=h₀k⁽ⁱ⁾(Z-m⁽ⁱ⁾)1⁽ⁱ⁾,

где h⁽ⁱ⁾ - отклонение профиля от внутренних стенок цилиндра, h₀ - радиальный зазор между цилиндром и юбкой поршня; Z - осевая координата с началом в центре оси отверстия для поршневого пальца; k⁽ⁱ⁾, m⁽ⁱ⁾, 1⁽ⁱ⁾ - параметры кривой профиля, i=1, 2 - соответствуют нагруженной и ненагруженной стороне поршня, причем h₂ ⁽²⁾>h₁ ⁽²⁾>h₂ ^(l)>h₁ ⁽ⁱ⁾, где h₁ ⁽ⁱ⁾, h₂ ⁽ⁱ⁾ - зазоры между цилиндром и юбкой поршня в верхней и нижней ее частях, отличающееся тем, что длина юбки на нагруженной стороне больше длины юбки на ненагруженной стороне поршня в соответствии с соотношением B⁽¹⁾/B⁽²⁾=1,1÷1,3, а толщина юбки на нагруженной стороне больше толщины юбки на ненагруженной стороне поршня в соответствии с соотношением t⁽¹⁾/t⁽²⁾=1,2÷1,5, при этом геометрические параметры поршня выполнены следующими: длина поршня L=(0,65÷0,9)D, высота уплотняющего пояса Н=(0,48÷0,60)D, длина юбки поршня максимальная В⁽¹⁾=(0,25÷0,45)D, где D - номинальный диаметр поршня.