Составной поршень двигателя внутреннего сгорания

Номер патента: 1763694

Авторы: Ильиных, Шиманский

ZIP архив

Текст

(54) СОСТАВНОЙ ВНУТРЕННЕГО С (57) Поршень соде ОРШЕНЬРАНИЯит корпус ИГАТЕЛ из легкого г ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Авторское свидетельство СМ 1467240, кл, Г 02 Г 3/02, 19 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,Предлагаемое изобретение относится кобласти машиностроения, в частности двигателестроения, а более конкретно - к усо-.вершенствованию составных поршнейфорсированных двигателей. 5Составные поршни двигателей внутреннего сгорания известны. Известен, например, поршень по а. с. СССР М 1467240. кл.Е 02 Р 3/02, принятый за прототип.Составной поршень по указанному авторскому свидетельству содержит алюминиевый корпус и сопряженную с нимжаропрочную накладку на днище поршня,выполненную за одно целое с кольцедержателем. При этом, накладка сопряжена с корпусом посредством двух буртов, первый изкоторых расположен ближе к оси симметрии поршня под углом к этой оси, а второйбурт охватывает боковую стенку корпуса ирасположен на уровне канавки под первое 20поршневое кольцо и также под углом к осисимметрии поршня. Причем, образующиесопрягаемых конических поверхностей каждого из буртов пересекаются в точке, расстояние от которой до оси симметрии 25составляет менее радиуса поршня.Существенным недостаткомтакого поршйя является прежде всего то, что сопрягаемые с корпусом бурты, принадлежащиеодной жаропрочной накладке, находятся в 30различных температурных условиях, чтоприводит к неравномерному тепловому расширению буртов и к них скручиванию, Кнедостаткам поршня следует отнести такжеотсутствие возможности относительного 35скольжения (перемещения) сопрягаемыхконических поверхностей накладки (буртов)и корпуса поршня вдоль образующих чтоприводит к возникновению чрезмерных касательных напряжений и, как следствие, 40разрушению поверхностей контакта, Недостатком известной конструкции поршня является и то, что она не обеспечиваеткомпенсацию изменения осевой силы прижимающей накладку при тепловом воздействии, что обусловлено большой разностьюуглов наклона контактируемых поверхностей буртов и корпуса, образующие которыхпересекаются в точках находящихся в пределах одного радиуса от оси симметрии поршня,Указанные выше недостатки являютсяпричинами ненадежной работы поршня,Целью изобретения является повышение надежности поршня. 55Поставленная цель достигается тем, чтов 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 й 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 радиусэ В 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 "Г" 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,1763694 тов термического расширения материалов деталей раздваиваются и занимают положение а 1, а 4, Ь 1, Ь 4 и с 1, с 4, причем, точки с 1 и с 4 остаются на оси абсцисс перемещаясь 5 вдоль нее. В этом случае разность Ь свободных осевых деформаций корпуса 1 и вставки 4 можно рассматривать как сумму разностей Д 1 а и Д 1 Ь свободных осевых пеРемещений точек а и Ь, т.е.: 10 В случае, когда накладка и корпус контактируют по конусным поверхностям де формацию Д можно рассматривать какрезультат теплового расширения поршня как в осевом, так и в радиальном направлении, Применив метод суперпозиции рассмотрения независимо друг от друга 20 перемещения Д 1 г и Д 1 у от осевого и радиального расширения, В этом случае 25 где Д 1 А, и Д 1 вг - осевое перемещение поверхностей А и Б в результате радиального расширения;Д ау и Льу - осевое пеРемещение точека и Ь в результате осевого расширения, 30 а изменение усилия ДО равно; где ДОг и ДОу - изменение усилия ДО от радиального и осевого расширения,Случай 1-й, Рассматриваем лишь осевоерасширение вдоль оси ОХ. Радиальные деформации принимаем равными нулю. В этом случае перемещения дду 1 д 1 ау 4 и 40. Д Ьу 1, Д ьу 4 точек а 14 и Ь 14, принадлежащихсоответственно корпусу 1 и вставке 4 равны (фиг. 3): Поместим продольное сечение поршня в прямоугольную систему координат так, что ось симметрии поршня совпала с осью 4 ординат (фиг. 2), а точка С 1,4, 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 С 1,4, а также точки а 1,4 и Ь 1,4, 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 д 1 градусов точки а 1.4, в 1.4 и с 1,4 вследствие неодинакового значения коэффициена 4; Д ьу 4 = 1 ь Д с а 4. 4=1 агдЕ а 1 иа 4расши ренииндекспроисходитобозначаютточку, к комые перемосевых пернижней констоянии рравны; 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 поршня и сопрягаемых с ним накладки и вставки соотношением 11 + 2 йсс 9) - г(ст 9 Р + ст 9 = О,где г и Я - внутренний и внешний радиус конических поверхностей;Ь - высота удерживающего бурта на расстоянии г от оси симметрии поршня,В этом случае образующие поверхностей "А" и "Б", а также "В" и "Г" либо пересекаются в точке, расстояние от которой до оси симметрии больше радиуса Й, т.е, с внешней стороны конусных контактных поверхностей; либо пересекаются в бесконечности, т,е. параллельны.Поршень работает следующим образом,При нагревании поршня на температуру д градусов на участке совместной деформации двух сопряженных с натягом деталей, например корпуса 1 и вставки - кольцедержателя 4, выполненных из материалов с различными по величине значениями коэффициентов а 1 иа 4 термического расширения, первоначальное усилие Оо осевого сжатия бурта 5 вставки - кольцедержателя 4 изменяется на величину ДО, прямо пропорциональную разности Д температурных деформаций соединяемых деталей и обратно пропорциональна сумме коэффициентов 4,1 и Й податливости этих деталей, т,е,: дО д(а 4 а 1 )дХ +Б Д 1 = Да + Д 1 Ь (2) Д = Д 1 г + Д 1 у = ( ЛАг + Д 1 Вг) + ( Д 1 ау + Д 1 Ьу),дО=дО,+ дО, (3) дау 1=1 А д 1 а 1; дЬу 1 =1 ьдт а- коэффициенты термического материалов деталей;у означает, что перемещение вдоль оси ОУ; индексы 1 и 4 номер детали, а индексы а и в - орой относятся рассматриваеещения, Разность свободных емещений Д 1 ау и Д 1 ьу веРхней и ических поверхностей на раст оси поршня соответственно(5) 55 Л ау - Л 1 ау 4 Л 1 ау 1 Л 1 ьу - Л 1 ьу 4 Л 1 ьу 1 а суммарное осевое перемещение Л 1 у при совместной осевой деформации корпуса 1 и вставки 4 равно Л 1 у = Л 1 ау+ Л 1 ьу5Учитывая, что 1 в =(р-г) стду; 1 д = 11+ + р - г) сЩВ,имеем Л 1 у = Лх(ж - а 1) 11 + (р-г)(стд,д+ + стд у)а величина ЛС 1 у соответствующего изменения усилия сжатия накладки равно: ЛС 1 у = й(а 4 - а 1) 11 + (Р-г) (стдф+ стд УСлучай 2-й. Рассматриваем лишь радиальное расширение поршня, Осевые деформации принимаем равными нулю. В этом случае (фиг. 4) точки а 14 и Ь 14 перемещаются в радиальном направлении на расстоянии Лр 1 =р-р 1 и Лр 4 =р-р 4, псвЕрхнОСти "А" и "Б", принадлежащие корпусу 1, занимают положение А 1 и Б 1 а принадлежащие вставке 4 - положение А 4 и Б 4 одновременно поверхности А 1, А 4, Б 1 и Б 4 перемещаются в осевом направлении на расстояния Л дг 1, Лдг 4 и Л 1 Бг 1 Л 1 Бг 4 соответственно, а разности осевых перемещений этих поверхностей равны Л дг = Лаг 4 - Лдг 1 иЛ 1 Бг=Л 1 Бг 4 Л 1 Бг 1Так как из геометрических соотношений мы имеем: Лдг 1= ЛР 1С(ЯД= Л 1 ргХ 1Сандр35Лдг 4=Лр 4 стдф=Л 1 р а сандр; ЛБг 1 = Лр; стду=ЛС р а 1 стду;40 Л Бг 4= ЛР 4С 19 у = Л СЭЯ 4Стд у то разности перемещения поверхностей равны: Лдг =Лт р(гх 4 - (Х 1 )СтдфиЛ Бг.= Л р (а 4 - а 1 ) Стд у,а сумма разностей равнаЛ 1, = Л 1 д, + Л 1 Б, = Л т р хх ( а 4 - а 1 ) ( сщ ф - сщ у ),В нашем случае а 1 )а 4, в результате перемещение Л 1 дг приводит к увеличению натяга, а Л 1 Бг - к уменьшению, В результате Разность пеРемеЩений Л 1 Бг слеДУет писать со знаком минус и выражение (5) можнозаписать в виде Л 14 = Л 1 дг + (- Л Бг) =а осевое усилие от радиального расширение в этом случае равно(7)Согласно выражению (3) и учитывая выражения (4) и (7) изменение усилия сжимающего бурт при нагреве поршня на й градусов для р= В, равно Условие компенсации температурныхнапряжений имеет вид: В нашем случае Л 1О и а 2а 1, следовательно условие (9) выполняется в том случае, когда выражение в квадратных скобках в числителе выражения (8) равно нулю, то есть в случае: 11 + 2 В стд у- г(С 19 Р+ стду) = 0 (10) Разделив полученное выражение на Вприводим его к безразмерному виду;- + 2 стд у -- ( ссд р + стд у ) = 0 (1 1) 11 гОтношения - и - для двигателей разВ Вных типов меняются незначительно, Для дизеля КамАЗ они равны:- = - =4,13 и - = - = 0,85 11 8 г 51 В 60В 60 Приведем уравнение (11) к виду: Астд Р - Вссд у - С = 0 (12) тогда условием полной термокомпенсации вставок поршней двигателей КамАЗ будет А = 0,85; В = 1,35 и С = 0,13, В таблице приведены результаты расчета для этого двигателя по формуле (12) в интервале углов;1763694 10 25 Результаты расчета условий тер/ВаксилвиСавиое ВСтавки Лизелл Каила Угол Угол 4 О5565 Во ) ВО/5/О656055-0,14331 -0,10753 900 ф 35,90 уВНижний предел углов/3 иу, 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 3 =у в интервале 85,60 и при у - Р 2,5 в интервале 6035 О, и, 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 В.Аналогичные результаты были получены для поошня дизеля типа ЧН 14714,Предлагаемая конструкция поршня была успешно испытана на дизеле 2 Ч 85/11 в течении 1021 ч. Формула изобретения Составной поршень двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус и сопрягаемую с ними накладку, выполненные из.5 разнородных материалов, причем накладкасопряжена с корпусом посредством двух буртов, первый из которых расположен ближе к оси симметрии поршня, а второй охватывает боковую стенку корпуса, имеющих 10 верхнюю и нижнюю конические поверхности, контактирующие с аналогичными коническими поверхностями корпуса, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности, накладка выполнена состав ной из двух частей, одна из которых образует днище с первым буртом, а другая - кол ьцедержатель с вторым буртом, при этом образующие верхних и нижних конический поверхностей каждого из буртов пересека ются в точках, расположенных от оси поршня на расстоянии, большем радиуса поршня,"0603799 ОВ 00771 +0/02335 +ОВ 05524)г з 3440 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5

Смотреть

Заявка

4901856, 04.12.1990

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ДИЗЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

ШИМАНСКИЙ РОМАН АНТОНОВИЧ, ИЛЬИНЫХ ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ

МПК / Метки

МПК: F02F 3/02

Метки: внутреннего, двигателя, поршень, сгорания, составной

Опубликовано: 23.09.1992

Код ссылки

<a href="https://patents.su/7-1763694-sostavnojj-porshen-dvigatelya-vnutrennego-sgoraniya.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентов СССР">Составной поршень двигателя внутреннего сгорания</a>

Похожие патенты