Составной поршень двигателя внутреннего сгорания Советский патент 1992 года по МПК F02F3/02 

Ф2Р-,

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, в частности дви- гателестроения, а более конкретно - к усовершенствованию составных поршней форсированных двигателей.

Составные поршни двигателей внутреннего сгорания известны. Известен, например, поршень по а. с. СССР № 1467240. кл. F 02 F 3/02, принятый за прототип.

Составной поршень по указанному ав- торскому свидетельству содержит алюминиевый корпус и сопряженную с ним жаропрочную накладку на днище поршня, выполненную за одно целое с кольцедержа- телем. При этом, накладка сопряжена с кор- пусом посредством двух буртов, первый из которых расположен ближе к оси симметрии поршня под углом к этой оси, а второй бурт охватывает боковую стенку корпуса и расположен на уровне канавки под первое поршневое кольцо и также под углом к оси симметрии поршня. Причем, образующие сопрягаемых конических поверхностей каждого из буртов пересекаются в точке, расстояние от которой до оси симметрии составляет менее радиуса поршня.

Существенным недостатком та ко го поршня является прежде всего то, что сопрягаемые с корпусом бурты, принадлежащие одной жаропрочной накладке, находятся в различных температурных условиях, что приводит к неравномерному тепловому расширению буртов и к них скручиванию. К недостаткам поршня следует отнести также отсутствие возможности относительного скольжения (перемещения) сопрягаемых конических поверхностей накладки (буртов) и корпуса поршня вдоль образующих что приводит к возникновению чрезмерных касательных напряжений и, как следствие, разрушению поверхностей контакта, Недостатком известной конструкции поршня является и то, что она не обеспечивает компенсацию изменения осевой силы прижимающей накладку при тепловом воздей- ствии, что обусловлено большой разностью углов наклона контактируемых поверхностей буртов и корпуса, образующие которых пересекаются в точках находящихся в пределах одного радиуса от оси симметрии пор- шня.

Указанные выше недостатки являются причинами ненадежной работы поршня.

Уелью изобретения является повышение надежности поршня.

Поставленная цель достигается тем, что в известном составном поршне, содержащем корпус и сопрягаемую с ним накладку, выполненные из разнородных материалов, причем накладка сопряжена с корпусом посредством двух буртов, первый из которых расположен ближе к оси симметрии поршня, а второй охватывает боковую стенку корпуса, имеющих верхнюю и нижнюю конические поверхности, контактирующие с аналогичными коническими поверхностями корпуса, накладка выполнена составной из двух частей, одна из которых образует днище поршня с первым буртом, а вторая - кольцедержатель со вторым буртом, при этом образующие верхних и нижних конических поверхностей каждого из буртов пересекаются в точках, расположенных от оси поршня на расстоянии большем радиуса поршня.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема предлагаемого составного поршня; на фиг. 2-4 - схемы усилий и взаимных перемещений контактирующих поверхностей буртов и корпуса.

Поршень включает в себя корпус 1, жаропрочную накладку 2, образующую днище поршня, с первым буртом 3, верхняя В и нижняя Г кольцевые контактные поверхности которого имеют коническую форму, прямолинейные образующие которых пересекаются в точке, расстояние от которой до центральной оси симметрии больше радиуса RI поршня, износостойкую вставку - кольцедержатель 4 со вторым буртом 5, верхняя А и нижняя Б кольцевые контактные поверхности которого имеют также коническую форму, прямолинейные образующие которых также пересекаются в точке, расстояние от которой до центральной оси больше радиуса RI поршня. Причем угол у, между образующей нижней поверхности Б (или Г) второго бурта (или первого бурта) и осью симметрии поршня больше или равен углу /3 между образующей верхней поверхности А (или В) и осью симметрии поршня, а накладка 2 и вставка 4 имеют возможность относительного перемещения вдоль образующих конических поверхностей корпуса 1.

Накладка 2 и вставка 4 зажаты между принадлежащими корпусу контактными поверхностями А. Б, В и Т усилиями, достаточными для предотвращения их осевого перемещения под действием инерционных сил. Предлагаемый поршень может состоять из двух частей - корпуса 1 и вставки 4 или корпуса 1 и накладки 2. Огневое днище накладки 2 может быть выполнено из нескольких кольцевых концентрически расположенных и не связанных между собой элементов; в этом случае каждый элемент имеет со стороны корпуса 1 удерживающий его бурт.

Отличительной особенностью конструкции является то, то накладка выполнена из нескольких (двух и более) не связанных между собой элементов, а углы /3 и у связаны с геометрическими размерами пор- шня и сопрягаемых с ним накладки и вставки соотношением

h + 2Rctgy - r(ctg/ + ctg у) О,

где г и R - внутренний и внешний радиус конических поверхностей;

h - высота удерживающего бурта на расстоянии г от оси симметрии поршня.

В этом случае образующие поверхно- стей А и Б, а также В и Т либо пересекаются в точке, расстояние от которой до оси симметрии больше радиуса R, т.е. с внешней стороны конусных контактных поверхностей, либо пересекаются в бесконеч- ности, т.е. параллельны.

Поршень работает следующим образом.

При нагревании поршня на температуру At градусов на участке совместной де- формации двух сопряженных с натягом деталей, например корпуса 1 и вставки - кольцедержателя 4, выполненных из материалов с различными по величине значениями коэффициентов см лсс А термического расширения, первоначальное усилие Qo осевого сжатия бурта 5 вставки-кольцедержателя 4 изменяется на величину AQ, прямо пропорциональную разности Д температурных деформаций соединяемых деталей и обратно пропорциональна сумме коэффициентов AI и ХА податливости этих деталей, т.е.:

+ МЛ1 + /

(1)

Поместим продольное сечение поршня в прямоугольную систему координат так. что ось симметрии поршня совпала с осью

ординат (фиг. 2), а точка Ci 4, расположенная на внутренней окружности нижней контактной поверхности Б находилась на оси абсцисс ОХ. При нагревании детали 1 и 4 расширяются свободно. В начальный мо- мент нагрева точка Ci 4, а также точки ai.4 и bi.4, находящиеся соответственно на пересечении контактных поверхностей А и Б с некоторой цилиндрической поверхностью радиусом р, ось которой совпадает с осью поршня, принадлежат одновременно корпусу 1 и вставке 4. При нагревании поршня на At градусов точки ai.4. В1.4 и ci 4 вследствие неодинакового значения коэффициен

тов термического расширения материалов деталей раздваиваются и занимают положение ai, 34, bi, 04 и ci, C4, причем, точки ci и С4 остаются на оси абсцисс перемещаясь вдоль нее. В этом случае разность Д| свободных осевых деформаций корпуса 1 и вставки 4 можно рассматривать как сумму разностей Д|а и Л1ь свободных осевых перемещений точек а и Ь, т.е.:

Д| + А1ь.

(2)

В случае, когда накладка и корпус контактируют по конусным поверхностям деформацию AI можно рассматривать как результат теплового расширения поршня как в осевом, так и в радиальном направлении. Применив метод суперпозиции рассмотрения независимо друг от друга перемещения Alr и Д|у от осевого и радиального расширения. В этом случае

AI Air + А1У ( А)АГ + А1вг) + ( Alay + Alby),

где А|ДГ и AlBr - осевое перемещение поверхностей А и Б в результате радиального расширения;

A lay и Alby - осевое перемещение точек а и b в результате осевого расширения,

а изменение усилия AQ равно:

AQ AQr+ AQy,

(3)

где AQr и AQy - изменение усилия ДО от радиального и осевого расширения.

Случай 1-й. Рассматриваем лишь осевое расширение вдоль оси ОХ. Радиальные деформации принимаем равными нулю. В этом случае перемещения Alayi , и A ibyi, А 1ьу4 точек аи и Ьи, принадлежащих соответственно корпусу 1 и вставке 4 равны (фиг. 3):

Alayi IA At ay, ь At ai;

la At «4; A Iby4 Ib At «4.

где a1 w CCA - коэффициенты термического расширения материалов деталей;

индекс у означает, что перемещение происходит вдоль оси OY; индексы 1 и 4 обозначают номер детали, а индексы а и в - точку, к которой относятся рассматриваемые перемещения. Разность свободных осевых перемещений и Alby верхней и нижней конических поверхностей на расстоянии р от оси поршня соответственно равны:

A lay A Iay4 A Iayi ; A Iby A Iby4 - A Ibyiсо знаком минус и выражение (5) можно

записать в виде

а суммарное осевое перемещение при

совместной осевой деформации корпуса 1 иАЦ А1дг + (- )

вставки 4 равно Aly Alay + Alby5(6)

Учитывая, что IB (p-r)ctgy: IA- h + + At -p (сы-ai)(ctg/3-ctg у),

VO-r)ctg/3,

имеем Aly At( од - «0 h + (p-r) (ctg/Jfа осевое усилие от радиального расши+ ctg у)рение в этом случае равно а величина AQy соответствующего измене- 1

ния усилия сжатия накладки равно:дц. At р ОА-а ) ( ctgp- ctg у)

AI -Ь /ч

A Qy At( ал - «1) h + (/ -r) (ctg fr ctg y).(7)

(4)Согласно выражению (З) и учитывая вы15ражения (4) и (7) изменение усилия сжимаюСлучай 2-й. Рассматриваем лишь ради-Щего бурт при нагреве поршня на At градуальное расширение поршня. Осевые дефор-сов для/5 R. равно мации принимаем равными нулю. В этом случае (фиг. 4)точки ai4 и b 14 перемещаютсяAU-ДЦг+ДОу - в радиальном направлении на расстоянии At (од-«1 ) h+2 R ctgy-r (ctg/3+ ctgy)

A/01 p-pi и -p-p поверхности---

А и Б, принадлежащие корпусу 1, зани-tQ

мают положение AI и Бт а принадлежащиеУсловие компенсации температурных

вставке 4 - положение А4 и Б4 одновремен-напряжений имеет вид: но поверхности AI, A4, 61 и Б4 перемещаются в осевом направлении на расстоянияAQ 0(9) А 1дг1 , А дг4 и A IBM . А 1вг4 соответственно,

а разности осевых перемещений этих по-в нашем случае At 0 ищ «т.следоверхностей равны А дг Дзг4 - А 1дг1 иД1Бг Зовательно условие (9) выполняется в том слу А 1вг4 А Бг1 .чае, когда выражение в квадратных скобках

Так как из геометрических соотношенийв числителе выражения (8) равно нулю, то

мы имеем:есть в случае:

Д1дп Д/Э1 ctg/S At -р -а ctg/3; 35 h + 2 R ctg у-r(ctg/3+ctgy) 0 (10)

А1дг4 Ар4 ctg/3 At р ОА ctg/З;Разделив полученное выражение на R

приводим его к безразмерному виду:

A IBM А/01 ctg у At р т ctg у;

40 +2ctgy-(ctgy5 + ctgy) 0 (11) А 1вг4 A/D4 ctg у A t р ал ctg у,

Hr

то разности перемещения поверхно-Отношения - и - для двигателей разстей равны: ныхтипов меняются незначительно, Для ди. . .,чозеля КамАЗ они равны:

А 1дг At р (ал - «1 ) ctg р и

Al6r At ( 04-0:1) ctg у,-R 60яЮ 13и : 60Я50 85

50 а сумма разностей равнаПриведем уравнение (11) к виду:

Air А1дг +AlBr At -pxActg/5- Bctgy- C 0 (12)

(5)

X («4 - at ) ( ctgp - ctg у )., тогда условием полной термокомпенсации вставок поршней двигателей КамАЗ буВ нашем случае «1 04, в результатедет А 0,85; В 1,35 и С 0,13. В таблице

перемещение AlAr приводит к увеличениюприведены результаты расчета для этого

натяга, а - к уменьшению. В результатедвигателя по формуле (12) в интервале угразность перемещений следует писатьлов:

90° у В

Нижний предел углов /3 и у, равный 35°, принят из условия предотвращения заклинивания.

Из результатов расчета, приведенных в таблице 1, следует, что полная термокомпенсация осевых напряжений поршня предлагаемой конструкции достигается при условии в интервале 85,..60° и при ,..50 в интервале 60...35°, м, следовательно, образующие конусных контактных поверхностей либо должны вообще не пересекаться (быть параллельными) либо пересекаться в точке, удаленной от оси симметрии поршня на расстояние, превышающее его радиус R.

Аналогичные результаты были получены для поошня дизеля типа ЧН14/14.

Предлагаемая конструкция поршня была успешно испытана на дизеле 2485/11 в течении 1021 ч.

Формула изобретения Составной поршень двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус и сопрягаемую с ними накладку, выполненные из

разнородных материалов, причем накладка сопряжена с корпусом посредством двух буртов, первый из которых расположен ближе к оси симметрии поршня, а второй охватывает боковую стенку корпуса, имеющих

верхнюю и нижнюю конические поверхности, контактирующие с аналогичными коническими поверхностями корпуса, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения надежности, накладка выполнена составной из двух частей, одна из которых образует днище с первым буртом, а другая - кольцедержатель с вторым буртом, при этом образующие верхних и нижних конический поверхностей каждого из буртов пересекаются в точках, расположенных от оси поршня на расстоянии, большем радиуса поршня.

Поршень содержит корпус 1 из легкого сплава и накладку 2 из жаропрочного материала, износостойкую вставку 4. Вставка 4 и накладка 2 удерживаются в корпусе 1 посредством буртов 3 и 5 и контактируют с ним по кинематическим поверхностям А, Б, В и Г В результате того, что образующие конических поверхностей каждого из буртов пересекаются в точках, расстояние от которых до оси поршня радиуса последнего, происходит термокомпенсация осевых усилий, возникающих в удерживающих буртах 3 и 5 при нагревании поршня 4 ил, 1 табл

Результаты расчета условий термокомпенсации вставки дизеля КамАЗ

Ј

cv Со

е

vr T1 г

J J L - /

e Ul- fa. / j

g.

-7

Фиг

г

-7 Т