Поршень для двигателя внутреннего сгорания

Поршень для двигателя внутреннего сгорания

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советских

Социв(лмстических

Республик ((((661180

А, Ьб,.:, «þ™ j (6! ) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 10.09.76 (21) 2403589/25-06 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (51) М. Кл.

F 16 J 1/04

F 02 F 3/00

Госудврствеииый иамитет

СССР по делам изебретеиий и открытий

Опубликовано 05.05.79. Бюллетень № 17

Дата опубликования описания 10.05.79 (53) УДК 621.432..4 (088.8) (72) Автор изобретения

В. И. Кольченко

Владимирский научно-исследовательский конструкторскотехнологический институт тракторных и комбайновых двигателей (71) Заявитель (54) ПОРШЕНЬ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания.

Известен поршень для двигателей внутреннего сгорания (DBC), содержащий головку с юбкой, криволинейная боковая поверхность которой образована совокупностью по меньшей мере пяти парабол с прямолинейными участками между ними, причем вершины крайних парабол ориентированы к торцам поршня, а вершины сердних — от торцов (1) .

Юбка такого поршня обеспечивает вертикальное его перемещение в гильзе цилиндра и восприятие нормальных (боковых) сил поршневой группы. Поэтому поршни современных двигателей должны иметь достаточную по площади опорную юбку, соприкасающуюся со стенками гильзы, исходя из минимальной скорости ее изнашивания и наименьших сил трения в сопряжении юбка-гильза.

Однако выполнение юбки поршня. в виде совокупности, по меньшей мере, пяти парабол, приводит к резкому (более чем в два раза) сокращению площади сопряжения юбки поршня с гильзой цилиндров и увеличению удельного давления (из-за действия боковых сил) в сопряжении поршень-гильза. В результате нарушается смазка трущихся поверхностей и возникает так называемое полусухое трение, а в связи с тем, что IOGK2 llO )ill HR IIOCTOSIHHO HB XOQHTCH HO3, действием высокого давления и температуры рабочих газов. увеличивается износ сопряженных деталей, возрастают механические потери на трение и снижается экономичность двигателя в целом.

Наиболее бли3ким теxíè÷åñêèм решением является поршень для дви гателя внутреннего сгорания, преимущественно дизеля, с поршневой маслосъемной канавкой, выполненной с криволинейными образующими на участках сопряжения с юбкой поршня (2).

Однако профиль такой юбки поршня не учитывает необходимости постепенного (без выпуклостей и вогнутостей) его изменения по высоте пропорционально температурному перепаду. Количество тепла, проходя(цего к

20 гильзе через сечение юбки по ее высоте, является переменным и уменьшается по мере удаления сечения юбки вниз (от головки поршня), а температурная кривая по высоте

661180 юбки имеет форму кривой экспоненциальной функции. При этом профиль юбки (и ее диаметр) изменяются по высоте в соответствии с температурой (температурным градиентом и коэффициентом линейного расширения. Однако выполнение профиля поршня по четы5 рем кубическим параболам (т. е. наличие на ней выпуклостей и вогнутостей), не учитывающее постепенных температурных изменений профиля юбки по высоте, приводит либо к задирам на поверхности юбки, либо к перекосам поршня (вибрация, по- @ вышенный шум) во время «перекладки» поршня. Наличие «разрыва» профиля юбки поршня в зоне сопряжения парабол препятствует возникновению гидравлического давления от действия масляной пленки, т. е. гидродинамического трения. Гидродинамическое давление масляной пленки возникает в сопряжении движущихся деталей только в том случае, если при переходе от закругленного участка к прямолинейному поверхность последнего имеет целостный характер без каких-либо углублений и каналов, или выступов. Кроме того, характер изменений кривизны поверхности, выполненной по кубической параболе, значительно сокрагцает площадь сопряжения юбки поршня с гильзой цилиндра. Площадь юбки этого поршня меньше площади юбки серийных поршней примерно в два раза. Наличие на нижнем торце поршня кольцевого выступа в виде экрана практически исключает эффективное функционирование нижней поверхности юбки поршня, изготовленной в виде кубической параболы 4, так как в этом случае поршень опирается на стенку гильзы в своей нижней части через кольцевой уступ, и масляный клин в нижней части юбки не возникает.

Таким образом, уменьшение размеров площади юбки увеличивает механические потери, ускоряет износ, приводит к вибрации, снижает долговечность раооты поршня в целом. Проведенные испыта ни я показал и, что при низкой частоте вращения вала ме- 46 ханические потери на трение таких поршней больше, чем у серийных деталей.

Целью изобретения является уменьшение механических потерь на трение поршневой группы путем улучшения условий смаз- 4 ки в сопряжении «поршень-гильза».

Для этого криволинейная образующая на участках сопряжения с поршневыми канавками выполнена по зависимости вида

y = а со значениями основания и показателей функции в пределах: 1О(а 15 и -1 х: 1/2, а суммарная высота криволинейных участков сопряжения составляет 10-30"/О общей высоты юбки.

Образуюшая юбки поршня как совокупность криволинейных участков, выполнен« ных по экспоненте y = — 3. в местах сопряжения с поршневыми канавками, в преде4 лах 10 — -30% высоты юбки (и прямолинейных участков соответственно в пределах

?0-90%) обеспечивает с одной стороны необходимую площадь сопряжения, а с другой создает благоприятные условия для возникновения расклиниваюгцей масляной пленки (гидродинамической смазки). Таким образом возникает полное подобие движения поршня по гильзе, как движение плоского ползуна с закругленными кромками по прямолинейной плоскости.

Предлагаемый профиль юбки поршня в соответствии с рекомендациями гидродинамической теории смазки выполнен в местах сопряжения криволинейных участков с прямолинейными без каких-либо выступов, впадин и без разрыва плошади юбки поршневыми канавками.

При наличии на поршне двух маслосъемных канавок, из которых одна расположена выше оси пальца у. головки поршня (верхний участок), а другая — ниже оси пальца у торца, противо. лежащего головке (нижний участок), профиль юбки образуется совокупностью прямолинейного участка и трех криволинейных образующих вида у =- а".

При этом вершины двух крайних функций ориентированы в сторону головки поршня, а средний — в сторону нижнего торца поршня. При наличии на поршне одной маслосъемной канавки, расположенной на верхнем участке, профиль юбки образуется совокупностью прямолинейного участка и двух криволинейных образующих вида у = а", вершины которых ориентированы во взаимно противоположные стороны, к торцам поршня.

Характер изменения нижней криволинейной образующей при наличии йа поршне второй маслосьемной канавки, расположенной на нижнем участке поршня, позволяет плавно увеличивать диаметр нижней части юбки в направлении к нижнему торцу поршHHH и, таким образом, создать профиль торца юбки так называемого скрепкового типа. Причем для уменьшения изнашивания скребка профиль сго в нижнем конце выполняется l3 виде небольшого прямолинейного участка. Такое выполнение нижнего торца увеличивает малос ьемную способность поршня.

На фиг. изображсн поршень, общий вид; «а фиг. 2 -- юбка поршня с расположением координат для выполнения ее профиля.

Поршень 1 содержит головку 2 и юбку поршня 3. Образующая 4 юбки поршня состоит из совокупности прямолинейных А и Ь участков и криволинейных 5, 6 и 7 участков. Криволинейные у истки 5-7 образующей 4 выполнены по функции у = а" с основанием 10 а 15 и показателем степени -1 х g 1/2. Вершины криволиней661180

50 ных участков 5 и 7 ориентированы в сторону головки поршня, а вершина участка

6 обращена в противоположную сторону от головки поршня и позволяет плавно увеличивать диаметр нижней части юбки в направлении к нижнему торцу в виде профиля скребкового типа. Такой профиль обеспечивается за счет того, что нижняя экспоненциальная кривая 7 образует острый угол с торцовой поверхностью юбки поршня (опорной поверхностью может быть прямолиней— ный участок, равный 1-8 мм, что уменьшает ее изнашивание).

Предлагаемый профиль строится следующим образом.

Для перехода от безразмерной функции

y = а" к линейным размерам поршней ДВС аналитическим путем определяются переходные масштабы, с учетом необходимости обеспечения в прогретом состоянии ДВС определенного зазора в сопряжении поршеньгильза и требуемого профиля юбки. При этом исходят из следующих теоретических предпосылок.

Количество тепла Qi/, проходящее через сечение юбки по высоте у к цилиндру (фиг.2) является переменным и связано с температурным градиентом dt/dy законом Фурье

Qi/. = -Э,Е dt/dy, (1) где А — коэффициент теплопроводности материала;

F — площадь поперечного сечения поршня.

При F = const выражение (1) приобретет вид

dt/dy = const. Qy, Количество отводимого от юбки тепла уменьшается по мере удаления сечения юбки от верхней ее кромки (расположенной у головки поршня). Это приводит к тому, что температурная кривая распределения температуры вдоль юбки имеет форму отрезка экспоненциальной функции y = а". Такой характер температурной кривой подтверждается многочисленными измерениями температурного поля поршня.

Диаметр поршня при его равномерном нагреве до температуры увеличивается

A D = а. D(t — 20 С), (2) где а — температурный коэффициент линейного расширения;

20 С вЂ” температура, при которой измеряются первоначальные размеры поршня.

Различные горизонтальные пояса поршня прогреваются до различных температур.

Поэтому в соответствии с выражением (2) расширение элементов поршня в этих поясах должно быть. различным, пропорциональным разностям температур поршня (t —

†- 20 С). Таким образом, температурная кривая (H некотором масштабс) опрсдсляст форму нагретой юбки поршня. Для того, чтобы получить в рабочих условиях прямолинейную юбку поршня, г> холодном состоянии се следуег выполнить бочкообразной формы. Вместе с тем желательно в холодном состоянии выполнить юбку поршня такой формы, чтобы в местах сопряжения с поршневыми канавками имелись бы некоторые закругления и после нагревания для сохранения достаточной площади сопряжения со стенками гильзы.

Исходя из расчетно-теоретических предпосылок, величина переходного масштаба выбирается различной для криволинейной образующей, расположенной вблизи верхней головки поршня (верхнес сопряжение), и для криволинейных образующих, расположенных вблизи нижнего торца поршня.

Так, при выборе а" для верхнего и нижнего сопряжений величина масштаба соответственно берется из соотношений — — — — — и

0 О

100 —: 500 800 —: (000, (3) при условии х = 0 (т.е. когда а = 1), где Д вЂ” диаметр поршня в мм. Для

D (170 мм следует ориентироваться на верхний предел основания а = 15, а для

D )170 мм — на нижний предел — а = 10.

При практическом вычерчивании профиля юбки поршня вначале вычисляется значение функции у = а» в указанных пределах и заполняется табл. 1.

Затем данные табл. 1 перемножаются на соответствующий масштаб (для верхнего и нижнего сопряжения). При этом значения функции, умноженной на масштаб, откладывается по оси ОУ, расположенной параллельно прямолинейной образующей сопряжения поршень-гильза на расстоянии х/2 от кромки образующей максимального диаметра юбки поршня (фиг 2). Значения переменных Х, умноженных на масштаб, откладываются по оси ОХ, раcnîëoæcnnой по торцу соответствующей порп невой канавки, и представляют собой значения припусков, необходимых при обработке заготовки поршня для получения заданного функцией профиля юбки nopillHB. С учетом системы образующих, формирующих профиль юбки, и овальности юбки поршня данные табл. 1 преобразуются в результаты табл. 2, содержащей конкретные значения величин для обработки юбки поршня по высоте.

Таким образом использование изобрстсния, создающего в сопряжении юбка гильза ДВС гидродинамическос трение за счет образования расклинивающей масляной пленки, позволяет снижать мсханичсские потери и удсльный расход топлива ДВС.

661180

Таблица1

Изменение переменных

Х в пределах -1- 1/2

-1 -0,5 -0,25 О 0,05 0,10 ... 0,5

Значение функции у =а"

0,1 0,32 0,56 1 1,12 1,26 ... 3,16

Таблица2

О, 125 О, 125 О, 134 0,1 50

0,255 0,125

0,228 0,101

0,1 98 0.070

2,0

0,101 0,110 0,126

0,101

0,070 0,070 0,08 0,096

3,0

Формула изобретения

Поршень для двигателя внутреннего сгорания, преимущественно дизеля, с поршневой маслосъемной канавкой, выполненной с криволинейными образующими на участках сопряжения с юбкой поршня, отлинаюи ийся тем, что, с целью уменьшения механических потерь на трение путем улучшения условий смазки, криволинейная образующая выполнена по зависимости вида у=а", где 10 < а < 15 и -1 < х < 1/2, а суммарная ,щ высота криволинейных участков сопряжения составляет 10 — 30 /о общей высоты юбки.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

l. Авторское свидетельство СССР № 345308, кл. F 16 1 1/04, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР № 280098, кл. F 16 J 1/04, 1965.

661i80

Раг

cPlli7b

man7unO

721 г7иг.2

Составитель В. Ткаченко

Редактор О.Филиппова Техред О. Луговая Корректор М. Пожо

Заказ 2408 31 . Тираж 1138 Подписное

ЦН ИИ П И Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 13035, Москва, )К вЂ” 35, Раугпская наб., д. 45

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная. 4