Композитный поршень с антифрикционным покрытием для двигателя внутреннего сгорания
Патент 2235216
Авторы
Классы МПК
Композитный поршень с антифрикционным покрытием для двигателя внутреннего сгорания
Реферат
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.
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 (1), в нижней кромке первой межколечной перемычки (2), в верхней зоне юбки (3), в нижнее кромке юбки (4) к диаметру цилиндра Dц 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 1/Dц=(2,36-4,8)10-3, 2/Dц=(0,95-3,25)10-3, 3/Dц=(0,74-1,84)10-3, 4/Dц=(0,08-0,04)10-3, Н0/Dц=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 1/Dц=(2,4-2,59)10-3, 2/Dц=(0,88-0,94)10-3, 3/Dц=(0,65-0,73)10-3, 4/Dц=(0,06-0,075)10-3, Н0/Dц=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 1/Dц=(2,35-2,39)10-3, 2/Dц=(0,81-0,87)10-3, 3/Dц=(0,61-0,65)10-3, 4/Dц=(0,05-0,055)10-3, Н0/Dц=0,51-0,54, где 1 - диаметральное отклонение в верхней кромке жарового пояса от номинального диаметра поршня, мм; 2 - диаметральное отклонение в нижней кромке жарового пояса от номинального диаметра поршня, мм; 3 - диаметральное отклонение в верхней зоне юбки от номинального диаметра поршня, мм; 4 - диаметральное отклонение в нижней зоне юбки от номинального диаметра поршня, мм; Н0 - расстояние от днища поршня до зоны номинального диаметра, мм; Dц- 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 (1), в нижней кромке первой межколечной перемычки (2), в верхней зоне юбки (3), в нижней кромке юбки (4), к диаметру цилиндра Dц 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. 1/Dц=(2,35-2,39)10-3, 2/Dц=(0,81-0,87)10-3, 3/Dц=(0,61-0,65)10-3, 4/Dц=(0,05-0,055)10-3, Н0/Dц=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.Формула изобретения
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 1/Dц=(2,35-2,39)10-3 2/Dц=(0,81-0,87)10-3 3/Dц=(0,61-0,65)10-3 4/Dц=(0,05-0,055)10-3 Н0/Dц=0,51-0,54, где 1 - диаметральное отклонение в верхней кромке жарового пояса от номинального диаметра поршня, мм; 2 - диаметральное отклонение в нижней кромке жарового пояса от номинального диаметра поршня, мм; 3 - диаметральное отклонение в верхней зоне юбки от номинального диаметра поршня, мм; 4 - диаметральное отклонение в нижней зоне юбки от номинального диаметра поршня, мм; Dц - диаметр цилиндра, мм; Н0 - расстояние от днища поршня до зоны номинального диаметра. 2. Поршень по п.1, отличающийся тем, что антифрикционное покрытие выполнено на жаровом поясе в виде высокотемпературного кремнийорганического покрытия, а на юбке - в виде эпоксифенольного покрытия.РИСУНКИ
Рисунок 1