ЦИЛИНДРОПОРШНЕВАЯ ГРУППА Российский патент 2018 года по МПК F02F3/00 F16J1/16 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкциям тронковых поршневых машин, а именно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), поршневым компрессорам и насосам, и направлено на улучшение их виброакустических характеристик, снижение трения и износа, и может быть использовано в транспортной и стационарной энергетике.

Известно, что в образовании вибрации и структурного шума участвует большинство механизмов и систем поршневой машины.

Шум возникает в результате пульсации давления воздуха и газа в цилиндрах при сгорании топлива, в корпусе воздухоочистителя, в рабочем колесе турбокомпрессора и улитке агрегата наддува ДВС, во впускных и выпускных трубопроводах.

Кроме того, вибрации и шум возникают в результате ударов:

- при работе кривошипно-шатунного, газораспределительного механизмов и привода топливного насоса;

- при перекладках и кантовании поршня во внутреннем объеме цилиндра;

- впускных и выпускных клапанов при посадке на седла;

- игл о посадочные поверхности распылителей форсунок;

- в зацеплениях зубчатых колес приводов и др.

Фактором, вызывающим наибольший уровень вибраций поршневых машин, являются удары по зеркалу гильз (втулок) цилиндров, вызванных перекладкой поршня в тепловом зазоре под воздействием нормальной составляющей движущей силы (см. Чайнов Н.Д., Мягков Л.Л., Руссинковский B.C. Программный комплекс для расчета вибрации и структурного шума корпусных деталей автомобильного дизеля. Двигатели внутреннего сгорания (Украина), №2, 2004, с. 108-110;

Макаров А.Р., Смирнов С.В., Осокин С.В. Математическое моделирование движения поршня в цилиндре. Известия МГТУ «МАМИ» №2(20), 2014, т. 1, с. 23-31;

Павлов Е.П. Расчетное исследование перекладки поршня с целью оптимизации конструктивных соотношений цилиндропоршневой группы дизеля / Е.П. Павлов, А.Л. Бережнев, И.Н. Малинина // Двигателестроение. - 2001. - №1. - С. 10-12;

Никишин В.Н. Основы теории соударения и исследование колебаний пары поршень-гильза автомобильного дизеля: Автореферат дисс. канд. техн. наук. И., 1978. - 25 с.).

Величина и характер вибрации и шума двигателя зависят как от числа, величины, характера, места и способа приложения возмущающих сил, так и от свойств поршневой машины как колебательной системы в целом (Половинкин В.Н., Минасян М.А., Ковалев В.Н., Виноградов Б.Д. Направления решения проблемы акустической экологии и повышения надежности ДВС. Двигателестроение. 1991. №4).

Указанная проблема может быть частично решена применением динамического виброгасителя цилиндровых втулок двигателей внутреннего сгорания ДВС (Патент РФ на полезную модель №100140, МПК F02B 77/13, 06.04.2009).

Однако более эффективным решением этой проблемы является уменьшение вибраций и шума за счет изменения конструкции деталей поршневой машины, порождающих указанные выше негативные явления, например, применением овально-бочкообразных поршней (см. Пушкарев В.К., Якунин Р.В. Разработка методики расчета с помощью численных методов овально-бочкообразных профилей поршней автотракторных двигателей. Труды НАМИ. Вып. 240, 2008, с. 123-129;

Дойкин А.А. Расчетно-экспериментальный метод профилирования образующей поршня для повышения ресурса трибосопряжения «поршень-цилиндр» ДВС. Диссертация на соискание уч. степ. к.т.н. - Челябинск:, 2013, 132 с;

Дорохов А.Ф., Санаев Н.К., Масуев М.А. Снижение потерь мощности на преодоление сил трения в судовых высокооборотных дизелях. Трение и смазка в машинах и механизмах №9, 2008, с. 37-44).

Однако эти технические решения направлены, главным образом, на уменьшение износа трибосопряжения поршень-зеркало втулки цилиндра и расход масла на угар путем самоустановки поршня при специальном проектировании его тронка (юбки) и только косвенно влияют на виброакустические характеристики поршневых машин.

Однако самоустановка поршня происходит при его движении, в то время как перекладки поршня максимальной интенсивности происходят в мертвых точках, когда скорость равна нулю.

Более предпочтительным является устранение причин вибраций в их источнике.

Известны технические решения по авторскому свидетельству СССР №1460378, МПК F02В 75/04 «Составной поршень для ДВС» и патенту РФ на изобретение №2263804, МПК F02B 77/13 «Шатунно-поршневая группа», которые направлены на уменьшение динамических нагрузок, порождающих рабочим процессом, и предаваемых от газа через поршень на шатун, т.е. в плоскости продольной оси цилиндра.

Эти технические решения не могут быть использованы для уменьшения вибраций в поперечной плоскости, возникающих при перекладке поршня.

Известно техническое решение по патенту РФ «Поршень двигателя внутреннего сгорания», №2182243, МПК F02B 77/13, 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 эксцентричным отверстием под поршневой палец, установленную в предварительно увеличенные отверстия бобышек поршня. При этом центр масс поршня смещен в сторону оси дезаксиального пальца, благодаря тому, что вставка выполнена из неметаллического или композиционного полимерного материала.

Известное техническое решение обеспечивает снижение вибраций шатуна и коленчатого вала, порождаемых только процессом сгорания топлива. Однако его основным недостатком является неспособность уменьшать интенсивность вибраций и шума, порождаемых перекладкой поршня в тепловом зазоре между ним и зеркалом цилиндра.

Известен двигатель с возвратно-поступательным перемещением рабочего органа по патенту РФ №1272999, МПК F02F 3/00, опубл. 23.11.1986 г., бюл. №43, содержащий цилиндр, поршень с юбкой, которая снабжена по меньшей мере двумя отверстиями, выполненными на ее противоположных сторонах, и роликами с расположенными между ними упругими элементами.

Известное техническое решение обладает следующими недостатками:

- сложностью конструкции, повышающую трудоемкость изготовления, сборки и ремонта поршня, повышенной массой;

- асимметрией относительно продольной и поперечной осей, приводящей к неравномерному тепловому расширению во время работы двигателя;

- неравномерной жесткостью конструкции юбки (тронка);

- ограниченными возможностями оптимального размещения поршневых компрессионных и маслосъемных колец;

- малой долговечностью несмазываемых принудительно роликов, их подшипников и упругих элементов, контактирующих с прорывающимися через поршневые кольца газами и продуктами изнашивания поршня, колец и втулки.

Однако главным недостатком предложенной конструкции является не возможность модернизации цилиндропоршневой группы сотен миллионов уже выпущенных поршневых машин.

Анализ отобранной в процессе поиска информации позволил выявить цилиндропоршеневую группу (ЦПГ) по патенту РФ №2450147, МПК F02F 3/00; F16J 9/06, являющуюся наиболее близким аналогом заявляемого решения по технической сущности и выбранную в качестве его прототипа.

Это техническое решение обладает следующими недостатками:

1. Масса пружины, которая обеспечивает большую амплитуду расширения и сжатия, имеет значительную величину при зазоре между поршнем и втулкой цилиндра, измеряемым десятыми долями миллиметра, что делает нецелесообразным применение данного типа пружин.

2. Большой вес конструкции ЦПГ, что увеличивает динамические нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма.

3. Между вставкой и зеркалом втулки цилиндра имеет место трение скольжения, что увеличивает механические потери в цилиндропоршневой группе (ЦПГ).

4. Конструкция не препятствует кантованию поршня (вращению вокруг продольной оси поршневого пальца) и его ударам о зеркало втулки цилиндра.

Задача изобретения - снижение вибрации и структурного шума поршневых машин, порождаемых перекладкой поршней в тепловом зазоре между тронком (юбкой) и зеркалом втулок (гильз) цилиндров.

Поставленная задача решается следующим образом. Цилиндропоршневая группа содержит втулку цилиндра, поршень с бобышками, компрессионные и маслосъемные кольца, полый поршневой палец с установленными в нем двумя вставками. Между вставками установлены, по крайней мере, две тарельчатые пружины.

Во вставках выполнены лунки, в которые установлено, по крайней мере, по одному телу качения.

В лунках установлены тела качения шарообразной формы.

Тела качения имеют чечевичную форму.

Прямая линия, соединяющая центры вращения тел качения в лунках не совпадает с продольной осью поршневого пальца.

Вставки и тела качения выполнены из черных и цветных металлов, неметаллических и/или вибродемпфирующих и/или вибропоглощающих материалов (см. Зеленов Б.А. Нетрадиционные сплавы для двигателестроения / Б.А. Зеленов, Б.С. Крылов, В.Ф. Юдкин, А.В. Юдкин // Двигателестроение. - 2007. - №2. - С. 16-18;

Патент на изобретение «Композитный поршень с антифрикционным покрытием для двигателя внутреннего сгорания», №2235216, МПК (7) F02F 3/10 А, 2004).

На всю поверхность тел качения, расположенных в лунках вставок, могут быть нанесены одно- или многослойные антифрикционные покрытия, в том числе тонкопленочные.

Сущность предложенных вариантов изобретения поясняется на чертежах, где:

на фиг. 1 изображен график изменения величины нормальной силы четырехтактного дизельного двигателя и моменты перекладки поршня в течение цикла (точки 1-6);

на фиг. 2 показан продольный разрез цилиндропоршневой группы с установленным во внутренней полости пальца демпфирующим устройством, состоящем из двух вставок с тарельчатыми пружинами, расположенными между вставками. Внутри каждой вставки в специальных лунках установлено, по крайней мере, по одному телу качения, расположенные вдоль продольной оси поршневого пальца;

на фиг. 3 показан поперечный разрез цилиндропоршневой группы, изображенной на фиг. 2;

на фиг. 4 показаны шарообразное (фиг. 4, а) и чечевицеобразное (фиг. 4, б) тела качения;

на фиг. 5 показан поперечный разрез вставки, в которой в эллиптической лунке установлено чечевицеобразное тело качения;

на фиг. 6 показан продольный разрез цилиндропоршневой группы, у которой тела качения расположены на прямой, не совпадающей с продольной осью поршневого пальца;

на фиг. 7 показан поперечный разрез цилиндропоршневой группы, у которой тела качения расположены на прямой, не совпадающей с продольной осью поршневого пальца;

на фиг. 8 показан поперечный разрез вставки, в которой в трех лунках установлены шарообразные тела качения;

на фиг. 9 показан поперечный разрез вставки, в которой в эллиптической лунке установлено тело качения, смещенное относительно продольной оси поршневого пальца;

на фиг. 10 показаны схема сил, действующая на тела качения, в случае, когда они расположены на прямой, проходящей через середину поршневого пальца, но не совпадающую с продольной осью поршневого пальца;

на фиг. 11 показаны схема сил, действующая на тела качения, в случае, когда они расположены на прямой, не проходящей через середину поршневого пальца.

Цилиндропоршневая группа поршневой машины содержит втулку цилиндра 1, поршень 2 с бобышками 3, компрессионные и маслосъемные кольца 4, полый поршневой палец 5, вставки 6, тарельчатые пружины 7, регулировочные шайбы 8, тела качения 9, расположенные в лунках 10.

Предложенное устройство работает следующим образом.

В отличие от прототипа, предложенная ЦПГ позволяет заменить процесс скольжения на качение, так как в каждой вставке 6 выполнены лунки 10, в которых установлено, по крайней мере, одно тело качения.

Так как зазор между поршнем и втулкой цилиндра измеряется десятыми долями миллиметров целесообразна установка тарельчатые пружины 7 вместо цилиндрических как у прототипа, что позволит снизить как массу ЦПГ, так и ее стоимость.

Во время сборки деталей ЦПГ регулировочные шайбы 8, установленные с двух сторон поршневого пальца 5, подбираются таким образом, чтобы компенсировать технологические отклонения деталей цилиндропоршневой группы, поэтому на неработающем, так и работающем двигателе, тарельчатые пружины 7 обеспечивают плотное прилегание тел качения 9 к поверхности зеркала втулки цилиндра 1. В результате поршень 2 занимает центральное положение, при котором его продольная и поперечная оси совпадает с осями втулки цилиндра 1, а тепловые зазоры Δ₁ и Δ₂ имеют одинаковую величину по всей окружности верхней и нижней части тронка поршня.

На неработающем двигателе тела качения 9, установленные в лунках 10 вставок 6, исключают непосредственный контакт тронка поршня 2 и зеркала втулки цилиндра 1.

Тела качения 9 могут быть изготовлены шарообразными (фиг. 4, а). При этом между зеркалом втулки цилиндра 1 и поршнем 2 имеет место точечный контакт.

Для увеличения несущей способности тел качения они могут быть изготовлены чечевицеобразной формы (фиг. 4, б), при этом криволинейная поверхности чечевицы эквидистантна внутренней поверхности зеркала цилиндра 1, а контакт между зеркалом втулки цилиндра 1 и поршнем 2 является линейным.

Во время работы четырехтактного двигателя, как показано на фиг. 1, в течение цикла нормальная составляющая движущей силы, по крайней мере, 6 раз меняет направление своего действия (величина нормальной силы переходит через нулевое значение, меняет знак), что сопровождается перекладкой поршня 2 от одной стороны втулки цилиндра 1 к другой через тепловой зазор между ними. Этот переход сопровождается ударом, который в предложенной конструкции ЦПГ демпфирован с помощью дополнительных элементов - вставок 6, установленных во внутренней полости с двух сторон поршневого пальца 5, в лунках 10 которых размещены, по крайней мере, по одному телу качения 9.

Ввиду того, что во время перекладки поршня 2 величина нормальной составляющей движущей силы равна нулю, для демпфирования удара требуются минимальной значение сил упругости F тарельчатых пружин 7, соизмеримое с силами упругости поршневых колец 4. При этом в отличие от компрессионных и маслосъемных колец 4, контакт тел качения 9 является точечным при изготовлении тел качения шарообразными или линейным при изготовлении тел качения чечевицеобразными, что минимизирует влияние при их установке на механические потери в двигателе.

Перекладка поршня 2 сопровождается не только плоским ударом, но его кантованием - многократными ударами верхней и нижней кромками поршня 2 о зеркало втулки цилиндра 1 в результате вращения поршня 2 вокруг продольной оси поршневого пальца 5. Это вращение особенно интенсивно в случае несовпадения центра тяжести поршня 2 с продольной осью поршневого пальца 5.

Как показано на фиг. 6-11, для уменьшения кантования поршня 2 тела качения 9 смещены от продольной оси поршневого пальца 5, что уменьшает интенсивность ударов при кантовании поршня 2, от его вращение невозможно одновременного вокруг двух осей - оси O₁-O₁ и прямых, соединяющих тела качения 9.

На фиг. 6 показано, что тела качения 9 смещены от оси O₁-O₁ поршневого пальца 5 в вертикальной плоскости и занимают положение на прямой O₂-O₂.

На фиг. 7 показано, что тела качения 9 смещены от оси O₁-O₁ поршневого пальца 5 в горизонтальной плоскости и занимают положение на прямой O₃-O₃.

На фиг. 8 показано, что три тела качения 9 в каждой вставке 6 смещены от оси O₁-O₁ поршневого пальца 5.

На фиг. 9 показано, что тела качения 9 чечевицеобразной формы смещено от оси O₁-O₁ поршневого пальца 5 как в вертикальной, так и горизонтальной плоскостях.

На фиг. 10 и 11 показаны схемы действия сил упругости тарельчатых пружин 7.

Проекция сил упругости тарельчатых пружин 7 на горизонтальную ось F₁ обеспечивает центрирование поршня 2 в продольной плоскости ЦПГ.

Проекция сил упругости тарельчатых пружин 7 на вертикальную ось F₂ обеспечивает центрирование поршня 2 в поперечной плоскости ЦПГ, а в связи с тем, что оси O₂-O₂, O₃-O₃, O₄-O₄ и O₅-O₅ не совпадает с осью O₁-O₁ проекция сила F₂ препятствует перекладке поршня 2, демпфируя ударные импульсы.

Для того чтобы уменьшить ударный импульс, в полом поршневом пальце 5 установлен демпфер, представляющий собой две вставки 6, содержащие тела качания 9, прижатые к зеркалу втулки цилиндра при помощи тарельчатых пружин 7. Степень сжатия пружин 7 регулируется шайбами 8. Пружины 7, прижимая вставки к зеркалу втулки цилиндра 1, постоянно находятся в сжатом состоянии. При этом сила их сжатия пропорциональна значению максимальной нормальной составляющей движущей силы и создает удельное давление на зеркало втулки цилиндра, примерно равное удельному давлению поршневых колец.

Упругие силы пружины прижимают тела качения 9, расположенные во вставках 6, к поверхности зеркала втулки цилиндра 1 и препятствуют перемещению поршня 2 в тепловом зазоре между тронком и внутренней поверхностью втулки цилиндра 1, уменьшая интенсивность ударов после прохождения мертвых точек, когда сила сжатия пружин становится меньше нормальной составляющей силы.

В результате уровень шума и вибрации как новой, так и, особенно, изношенной поршневой машины будет обусловлен величиной ударного импульса, сообщаемого втулке цилиндра поршнем в конце каждой его перекладки (см. Баранов Л.Г. Виброакустический метод диагностики цилиндро-поршневой группы ДВС / Л.Г. Баранов и др. // Судостроение. - 1976. - №11. - С. 26-29).

Для уменьшения трения во вставках 6 могут быть сделаны лунки, в которые установлены тела качения шарообразной формы (см. фиг. 2).

Тело качения может иметь чечевичную форму (см. фиг. 3 (б)).

Таким образом, предлагаемое техническое решение существенно улучшает виброакустические характеристики поршневой машины, поскольку наиболее интенсивным источником вибрации и, как следствие, шума являются колебания цилиндровых втулок и блоков, возникающие в результате перекладок и кантования поршней в пределах теплового зазора.

В результате реализации предложенного технического решения будет достигнуто:

- уменьшение интенсивности ударов при перекладках и кантовании поршня в зазоре между его тронком и зеркалом втулки цилиндра под воздействием нормальной составляющей силы;

- снижение трения между тронком поршня и зеркалом втулки цилиндра за счет обеспечения совпадения продольных осей поршня и втулки цилиндров;

- улучшение условий работы поршневых колец и уменьшение износа поршневых канавок, расхода масла на угар.

По мере изнашивания тронка поршня и зеркала втулки цилиндра эффект от предлагаемого демпфирующего устройства возрастает.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкциям поршневых машин. Цилиндропоршневая группа содержит втулку цилиндра (1), поршень (2) с бобышками (3), компрессионные и маслосъемные кольца (4). В полый поршневой палец (5) установлены две вставки (6). Между вставками (6) установлены, по крайней мере, две тарельчатые пружины (7). Технический результат заключается в уменьшении интенсивности ударов при перекладках и кантовании поршня в зазоре между его тронком и зеркалом втулки цилиндра. 5 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Цилиндропоршневая группа, содержащая втулку цилиндра, поршень с бобышками, компрессионные и маслосъемные кольца, полый поршневой палец с установленными в нем двумя вставками, отличающаяся тем, что между вставками установлены, по крайней мере, две тарельчатые пружины.

2. Цилиндропоршневая группа по п. 1, отличающаяся тем, что во вставках выполнены лунки, в которые установлено, по крайней мере, по одному телу качения.

3. Цилиндропоршневая группа по п. 2, отличающаяся тем, что в лунках установлены тела качения шарообразной формы.

4. Цилиндропоршневая группа по п. 2, отличающаяся тем, что тела качения имеют чечевичную форму.

5. Цилиндропоршневая группа по п. 2, отличающаяся тем, что прямая линия, соединяющая центры вращения тел качения в лунках, не совпадает с продольной осью поршневого пальца.

6. Цилиндропоршневая группа по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что вставки и тела качения выполнены из черных и цветных металлов, неметаллических и/или вибродемпфирующих и/или вибропоглощающих материалов.