Цилиндропоршневая группа поршневой машины Советский патент 1991 года по МПК F02F3/00 

Изобретение относится к машиностроению и представляет собой цилиндропорш- невую группу (ЦПГ), например, двигателя внутреннего сгорания (ДВС), компрессора или холодильной машины и может применяться в автомобилестроении, тракторостроении и т.д., с целью снижения потерь на трение между поршнем и гильзой (втулкой) цилиндра, в частности ДВС.

За базовый образец принят типовой поршень шатунно-кривошипного механизма, состоящий из головки, юбки, поршневого пальца и поршневых колец. Типовой шатунно-кривошипный механизм включает в себя кривошип, шатун и поршень. При вращении кривошипа поршень совершает в гильзе цилиндра возвратно-поступательные перемещения от нижней мертвой точки (ЭНМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ), а от нее к НМТ и т.д. При этом между поршнем и гильзой цилиндра возникает трение, величина которого зависит от боковой составляющей силы (давления), действующей на поршень, и вида трения. Потери на трение составляют 0,1-0,2 мощности, воспринимаемой шатунно-кривошипным механизмом.

Имеются различные технические решения, направленные на уменьшение этих потерь.

Так, в аналоге между поршнем и гильзой цилиндра формируют устойчивую газовую подушку для обеспечения газовой смазки поршня на всех тактах цикла. Это сильно усложняет конструкцию поршня и делает его работу менее надежной, так как требуется снабдить поршень аккумулирующей полостью, обратным клапаном, металлической упругой оболочкой, жестко закрепленной в его теле своими концами, направляющими кольцами и системой газораспределения и изгибй упругой оболочки.

Другим направлением является уменьшение боковой силы, действующей на поршень.

Этот поршень шатунно-кривошипного механизма имеет сбоку дополнительную камеру сгорания. При рабочем ходе в дополнительной камере сгорания появляется встречная уравновешивающая сила, направленная против силы, прижимающей поршень к гильзе цилиндра. Поэтому в таких конструкциях износ поршней и потери на трение несколькЬ уменьшаются. Ухудшаются тепловые условия работы поршня него надежность из-за утечек критических скоростей, вихревых движений и возникает потребность во втором ряде уплотнительных колец, работающих в режиме сухого трения.

Повысить надежность поршня можно, если его выполнить качающимся. Данный

аналог имеет поршень из нескольких сферических шайб из стали или упругой пластмассы. При вращении кривошипа шайбы перемещаются по отношению к неподвижной сферической шайбе - головке поршня и относительно друг друга. От этого снижается износ и потери, связанные с утечкой рабочего тела.

Однако усложнение конструкции порш0 ня не уменьшает потерь от боковой силы, действующей на поршень при вращении кривошипа, а только распределяет их на большую поверхность гильзы цилиндра и элементы уплотнения,

5 Прототип содержит поршень с минимум двумя рядами элементов качения между ним и гильзой цилиндра. Элементы качения могут быть выполнены эластичными.При таком выполнении поршень упруго выведен в

0 центр гильзы цилиндра. Касание им стенок гильзы цилиндра исключается, что обеспечивает равномерный зазор и исключает износпоршня.При возвратно-поступательном перемещении

5 поршня от НМТ и ВМТ элементы качения отслеживают профиль зеркала гильзы цилиндра, создавая условия для безударной работы поршня с зеркала гильзы цилиндра. При этом сила трения, обусловленная боко0 вым давлением поршня на гильзу цилиндра, уменьшается на порядок, что при прочих равных условиях увеличивает полезную мощность двигателя и его технико-экономические показатели.

5 Недостатком прототипа является сложность конструкции,

Целью изобретения является упрощение конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что

0 поршень шатунно-кривошипного механизма, содержащий элементы качения между ним и гильзой цилиндра, расположенные по обе стороны от оси качения шатуна в зоне максимального контакта поршня с гильзой

5 цилиндра, имеет на своей поверхности продольные канавки с телами качения в них в виде шарика или ролика, причем длина продольных канавок равна длине половины хода поршня плюс диаметр тела качения и

0 расположены канавки с перекрытием друг друга на половину своей длины.

Продольные канавки на поверхности поршня с телами качения в них позволяют легко выполнить их технологически, напри5 мер фрезерованием, их можно выполнить в любом типовом (серийно выпускаемом) поршне; это упрощает конструкцию поршня по сравнению с прототипом; сохраняются все эксплуатационные преимущества прототипа, т.е уменьшаются потери на трение,

меньше износ поршней. При этом возникают дополнительные преимущества, т.е. возможность использовать типовые тела качения (шарики, ролики) диаметром от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров и даже сантиметров, имеется возможность использовать тела качения из эластичных материалов (пластмассы, резины), создается гарантированный минимальный зазор между поршнем и гильзой цилиндра для газовой или масляной смазки и т.п.

Выполнение продольных канавок длиной, равной половине длины хода поршня, плюс диаметр тела качения, расположенного в канавке, диктуется соображениями безударного качения шариков, роликов по канавке, а не скольжения их, что можно, если длина канавок будет меньше или больше указанной.

Расположение продольных канавок с перекрытием друг друга на половину своей длины позволяет уменьшить длиновые размеры поршня до длины, обеспечивающей гарантированное движение поршня от НМТ к ВМТ без заклинивания его в гильзе цилиндра.

На фиг.1 схематически изображен поршень шатунно-кривошипного механизма (ЦПГ) с нижним расположением элементов качения в продольных канавах, цикл запуска двигателя внутреннего сгорания, поршень в НМТ; на фиг.2 - произвольное расположение элементов качения в продольных канавках поршня, цикл запуска двигателя внутреннего сгорания, поршень движется к ВМТ ; на фиг. 3 - произвольное расположение элементов качения в продольных канавках поршня, поршень в ВМТ, рабочий цикл; на фиг.4 - поршень движется в НМТ, элементы качения движутся вниз и занимают среднее положение на длине продольных канавок, рабочий цикл; на фиг.5 - поршень в НМС, элементы качения занимают положение вверху продольных канавок, рабочий цикл; на фиг.б - поршень движется к ВМТ, элементы качения перекатываются на середину длины канавок, рабочий цикл.

Далее циклы повторяются по схеме фиг.3-4-5-6-3-2. Для публикации рекомендуется фиг.4, так как она наиболее полно отражает работу поршня шатунно-кривошипного механизма и восприятие максимальных боковых сил элементами качения.

Поршень шатунно-кривошипного механизма состоит из головки поршня 1, снабженной уплотнительными кольцами 2 и юбки поршня 3, снабженной продольными канавками 4 с элементами качения (шарики, ролики) 5 в них. Поршень размещен в гильзе

цилиндра 6 и кинематически связан с помощью поршневого пальца 7 и шатуна 8 с кривошипом 9. Размер шариков или роликов принципиального значения не имеет и 5 может быть от нескольких десятков долей миллиметра до нескольких сантиметров. Ширина канавок должна соответствовать диаметру шариков или ширине роликов с учетом их свободного без заеданий качения

0 в канавках.

Длина канавок должна быть равной половине длины хода поршня плюс диаметр тела качения. Рекомендуется, чтобы канавки перекрывали друг друга на половину

5 своей длины и располагались по обе стороны от оси качения шатуна в зоне действия максимальных боковых сил.

Работа поршня шатунно-кривошипного механизма в принципе не зависит от функ0 ционального его назначения (двигатель внутреннего сгорания или поршневой компрессор, или устройство для дозированной подачи жидкости и т.д.) и осуществляется следующим образом. При вращении криво5 шипа 9 вокруг своей оси поршень осуществляетвозвратно-поступательноеперемещение в гильзе цилиндра б от НМТ к ВМТ и т.д. При этом тела качения будут (при запуске двигателя скользить в поз., изобра0 жены на фиг. 1 и 2) перекатываться по канав- кам 4 по схеме, приведенной на фйг.3-4-5-6-3, воспринимая боковые силы и исключая контакт головки 1 и юбки 3 поршня с гильзой цилиндра 6. Последняя скоро5 сть перемещения тел качения будет в два раза меньше, т.е. 1,5-2,5 м/с и в мертвых точках равняться нулю. Это исключает большие инерционные силы и. следовательно, проскальзывание шариков, роликов (без ка0 ) относительно поршня или гильзы цилиндров, что повышает работоспособность устройства.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в уменьшении по5 терь мощности на трение за счет замены трения скольжения на трения качения, в лучшем охлаждении и смазке поршня за счет гарантированного зазора между гильзой цилиндра и поршнем, возможности быстрого

0 применения изобретения в промышленности.

Формула изобретения 1. Цилиндропоршневая группа поршневой машины, содержащая кривошипно-шэ5 тунный механизм с поршнем и цилиндр, причем на боковой поверхности поршня вдоль его оси выполнены выточки, а между поршнем и стенкой цилиндра в выточках по обе стороны от оси качения шатуна в зоне максимального контакта поршня со стенкой

цилиндра расположены элементы качения, причем длина выточек равна сумме половины длины хода поршня и диаметра тела качения, которое выполнено из эластичного материала, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности, выточки выполнены в виде продольных канавок прямоугольного сечения, расположенных в два параллельных ряда, причем первый ряд продольных канавок выполнен ближе к дни0

щу поршня, а второй - ближе к нижнему торцу поршня.

2.Группа по п.1,отличающаяся тем, что канавки обоих рядов перекрываются на половину своей длины.

3.Группа по пп.1 и 2, отличающая- с я тем, что тела качения выполнены в виде шариков.

4.Группа по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю щ а я- с я тем, что тела качения выполнены в виде роликов.

Изобретение относится к машиностроению и представляет собой цилиндропорш- невую группу, например, двигателя внутреннего сгорания, компрессора или холодильной машины и может применяться в различных отраслях промышленности - автомобилестроении, тракторостроении и т.д. Изобретение позволяет уменьшить потери мощности на трение. Поршень цилиндро- поршневой группы состоит из головки 1 поршня, снабженной уплотнительными кольцами 2, и юбки поршня 3, снабженной продольными канавками 4 с элементами качения 5 (шарики, ролики) в них. Поршень размещен в гильзе 6 цилиндра и кинематически связан с помощью поршневого пальца 7 и шатуна 8 с кривошипом 9. Ширина канавок должна соответствовать диаметру шариков или ширине роликов с учетом их свободного без заеданий качения в канавках. 3 з.п. ф-лы, 6 ил. & Ё Os Ю 00 N VI О

Фиг.1

Фм.г

о г

00

О)

ее

ЈSii3S

Г

Itt

Vxsxw

3

гч;

Ј

О

$

$

Фиг 6