Поршень для двигателя внутреннего сгорания

Союз Советскнх Соцналнстнческнх Реслублнк(23) Приоритет -Опубликовано 05.05.79. 16 3 1/04 02 Г 3/00 осудврствеииыи комитет СССР по делам изобретений и открытий. Кольченк Владимирский научно-исследовательский конструкторскотехнологический институт тракторных и комбайновых двигателе(71) Заявител ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАН) ПОРШЕНЬ Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания.Известен поршень для двигателей внутреннего сгорания (ВВС), 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 111.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 деиствия боковых сил) в сопряжении поршень-гильза. В результате нарушается смазка трущихся поверхностей и возникает так называемое полусухое трение, а в связи с тем, что юбка поршня постоянно находится под действием высокого давления и температуры рабочих газов. увеличивается износ сопряженных деталей, возрастают механические потери на трение и снижается экономичность двигателя в целом.Наиболее близким техническим решением является поршень для двигателя внутреннего сгорания, преимущественно дизеля, с порпневой маслосъемной канавкой, выполненной с криволинейными образующими на участках сопряжения с юбкой поршня 21.Однако профиль такой юбки поршня не учитывает необходимости постепенного (без выпуклостей и вогнутостей) его изменения по высоте пропорционально температурному перепаду. Количество тепла, проходящего к гильзе через сечение юбки по ее высоте, является переменным и уменьшается по мере удаления сечения юбки вниз (от головки поршня), а температурная кривая по высоте66180 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 четы 5 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 порцшя (вибрация, по- ф 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 ха- ф рактер без каких-либо углублений и каналов, или выступов. Кроме того, характер изменений кривизны поверхности, выполненной по кубической параболе, значительно сокращает 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 ханические потери на трение таких поршней больше, чем у серийных деталей.Целью изобретения является уменьшение механических потерь на трение поршневой группы путем улучшения условий смазки в сопряжении поршень-гильза.Для этого криволинейная образующая на участках сопряжения с поршневыми канавками выполнена по зависимости вида у = а со значениями основания и показателей функции в пределах: 1 О( а ." 5 и -1х:" 1/2, а суммарная высота криволинейных участков сопряжения составляет 10-30"/общей высоты юбки. Образующая юбки поршня как совокупность криволинейных участков, выполненных по экспоненте у = - Ь в местах сопряжения с поршневыми канавками, в преде 4лах 10 - -30% высоты юбки (и прямолинейных участков соответственно в пределах0-90%) обеспечивает с одной стороны необходимую площадь сопряжения, а с другой создает благоприятные условия для возникновения расклинивающей масляной пленки (гидродинамической смазки), Таким образом возникает полное подобие движенияпоршня по гильзе, как движение плоскогоползуна с закругленными кромками по прямолинейной плоскости.Предлагаемый профиль юбки поршня всоответствии с рекомендациями гидродинамической теории смазки выполнен в местах сопряжения криволинейных участков спрямолинейными без каких-либо выступов,впадин и без разрыва площади юбки поршневыми канавками.При наличии на поршне двух маслосъемных канавок, из которых одна расположенавыше оси пальца у головки поршня (верхний участок), а другая - ниже оси пальца у торцы, противолежащего головке (нижний участок), профиль юбки образуется совокупностью прямолинейного участка и трехкриволинейных образующих вида у =- а".При этом вершины двух крайних функцийориентированы в сторону головки поршня, асредний - в сторону нижнего торца поршня, При наличии на поршне одной маслосъемной канавки, расположенной на верхнем участке, профиль юбки образуется совокупностью прямолинейного участка и двухкриволинейных образующих вида у = а",вершины которых ориентированы во взаимно противоположные стороны, к торцам порХарактер изменения нижней криволинейной образующей при наличии йа поршневторой маслос.ьемной канавки, расположенной ны нижнем участке поршня, позволяетплавно увеличивать диаметр нижней частиюбки в направлении к нижнему торцу поршния и, таким образом, создаь профиль торца юбки так называемого скрепкового типа. Гричем для уменьшения изнашиванияскребка профиль сго в нижнем конце выполняется в виде небольшого прямолинейного участка. Такое выполнение нижнего торца увеличивает малосьемную способностьпоршня,На фиг.изображсн поршень, общийвид; на фиг. 2юбка поршня с расположением координат для вьполнения 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 участки 5-7 образующей 4 выполнены по функции у = а" с основанием Оа15 и показателем степени -1 х1/2. Вершины криволиней 661180ных участков 5 и 7 ориентированы в сторону головки поршня, а вершина уцастка 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 уцасток, равный 1-8 мм, что уменьшает ее изнашивание).Предлагаемый профиль строится следующим образом.Для перехода от безразмерной функции у = а" к линейным размерам поршней ДВС аналитическим путем определяются переходные масштабы, с учетом необходимости обеспечения в прогретом состоянии ДВС определенного зазора в сопряжении поршень- гильза и требуемого профиля юбки. При этом исходят из следующих теоретических предпосылок.Количество тепла Я, проходящее через сечение юбки по высоте у к цилиндру (фиг,2) является переменным и связано с температурным градиентом дцду законом ФурьеЯу. = -Э,Г йИУ, (1)где А - коэффициент теплопроводности материала;Г - площадь поперечного сечения поршня.При Г = сопз( выражение (1) приобретет видд(/ду = сопз( Су,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 у = а". Такой характер температурной кривой подтверждается многочисленными измерениями температурного поля поршня.Диаметр поршня при его равномерном нагреве до температуры увеличиваетсял 0 = а, О - 20 С), (2) где а - температурный коэффициент линейного расширения;20 С - 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 (т -в - 20 С). Таким образом, температурная кривая (в 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 маснггаба 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 соотношенийв О100 - : 500 800 - : 000,(3) при условии х = 0 (т.е. когда а = 1),где Д - диаметр поршня в мм. Для В ( 170 мм следует ориентироваться на верхний предел основания а = 15, а для 1 )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 образуюпгсй 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, расположенной по торцу соответствующей порпневой канавки, и представляют собой значения припусков, необходимых при обработке заготовки поршня для получения заданного функцией профиля юбки порпня. 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 мсханицсские потери и удсльный расход топлива ДВС.-1 -0,5 -0125 0 0105 Оф 10 .0,5 Значение функции у =а" 0,1 0,32 0,56 1 1,12 1,263,16 Таблица 2 0,125 0,125 0,134 0,150 0,255 0,125 0,228 0,101 0,198 0,070 2,0 0,101 0,110 0)126 0,101 0,070 0,070 0,08 0,096 3,0 формула изобретенияПоршень для двигателя внутреннего сгорания, преимущественно дизеля, с поршневой маслосъемной канавкой, выполненной с криволинейными образующими на участках сопряжения с юбкой поршня, отличаюиийся тем, что, с целью уменьшения механических потерь на трение путем улучшения условий смазки, криволинейная образующая выполнена по зависимости видау=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 з 1. Авторское свидетельство СССР Мо 345308, кл. Г 16 1 1/04, 1971.2. Авторское свидетельство СССРМо 280098, кл. Г 16 Л 1/04, 1965.66180 лтато х едактор О.филиппов аказ 240831 . И Государственного комитета СССРделам изобретений и открытийосква, Ж - 35, Раугпская наб., д. 45Патент, г, Ужгород, ул. Проектная. ЦНИИпо13035,иал ПП Составитель ВТехред О. ЛуговТираж 1138 каченко Корректор М. Пожо Подписное