уплотнительное устройство поршня

Формула изобретения

Уплотнительное устройство поршня, содержащее в канавке поршня разрезное кольцо, на внутренней поверхности которого между верхним и нижним торцами выполнены полости, размещенные симметрично по обе стороны замка на дуге 20 - 60^o, отличающееся тем, что полости выполнены сквозными к прорези замка и в заколечном пространстве, между поршнем и кольцом, симметрично прорези замка расположена перемычка, выполненная в виде пружинящей в радиальном направлении фигурной пластины, выпуклая дугообразная часть которой свободно входит в полости и повторяет внутреннее очертание задних стенок полостей в случае сжатия кольца до соединения торцов замка, а концы перемычки отогнуты по окружности канавки поршня в сторону от прорези замка и упираются в дно канавки поршня, причем высота выпуклой дугообразной части перемычки равна высоте задних стенок полостей, высота отогнутых концов равна высоте кольца.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве уплотнения пары поршень-цилиндр двигателей внутреннего сгорания.

Известны уплотнительные поршневые кольца прямоугольного поперечного сечения, пружинящие наружу, которые в свободном состоянии на своих концах должны иметь для достижения пружинного эффекта соответствующие зазоры (Энглиш К. Поршневые кольца. -М.: Машгиз, 1962, с. 436, фиг. 325). Они предназначены для уплотнения и создания совместно с поршнем изолированных пространств, находящихся по обе стороны поршня в цилиндре поршневой машины.

К недостаткам указанных уплотнительных устройств можно отнести такое явление, как вибрацию колец. Вибрация сопровождается поперечными колебаниями кончиков кольца вблизи замка. Работа в таких условиях нередко оканчивается поломкой колец - у замка отламываются кусочки небольшой длины, а на торцевых поверхностях канавок поршня образуются выбоины. Вибрация возникает у быстроходных двигателей за пределами некоторой "критической" частоты вращения коленчатого вала, и при этом резко повышается пропуск кольцами газа, увеличивается расход смазки, а мощность двигателя снижается (Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца. -М.: Машиностроение, 1979, с. 174).

Основной причиной, вызывающей вибрацию, является наличие зазора в стыке поршневого кольца.

При работе двигателя и возвратно-поступательном движении поршня на кольцо действует в основном два силовых давления газа P_г и переносные силы инерции P_j самого кольца, направленные вдоль оси поршня. Эти силовые факторы не зависят друг от друга и являются переменными как по величине, так и по направлению (Гинцбург Б. Я. Теория поршневого кольца. - М.: Машиностроение, 1979, с. 179).

Если бы кольцо не имело прорези в замке, то силы давления газа P_г равномерно распределялись по торцу кольца по всей окружности, а переносные сил инерции P_j равномерно распределялись по объему кольца. В этом случае и результирующие от сил давления газа и сил инерции так же равномерно распределялись бы по окружности кольца и вызывали перемещение кольца в канавке поршня как целого элемента.

Наличие прорези в замке, куда устремляется поток газа, делает эпюру давления газа криволинейной. Равномерность распределения результирующих сил от сил давления газа и сил инерции по окружности кольца нарушается вблизи прорези замка, и у кончиков замка появляется поперечный изгибающий момент переменного направления. Этот момент вызывает многоузловую форму колебаний кольца по всей его окружности (Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца. - М. : Машиностроение, 1979, с.179).

Наиболее близким к предлагаемому устройству по достигаемому эффекту является поршневое компрессионное кольцо, кольцевой элемент с замком, а на внутренней поверхности кольца, между его верхним и нижним торцами, выполнены замкнутые полости, размещенные симметрично по обе стороны замка на дуге 20 - 60^o и расположенные от концов замка на расстоянии 0,3 - 0,5 высоты кольца (а. с. СССР N 1227825, кл. F 02 F 5/00-прототип). Такое поршневое компрессионное кольцо работает следующим образом. При движении поршня прорывающиеся через замок газы в определенных условиях возбуждают в кольцевом элементе поперечные колебания кончиков кольца, которые с силой инерции P_j действуют на торцевые поверхности канавки поршня. Известно, что силы инерции прямо пропорциональны массе кольца. Выполнение полостей по обе стороны замка снижает массу кольца в этой зоне и, соответственно, уменьшает силу инерции, с которой действует кольцо при вибрациях на плоскости канавки. При этом увеличивается время износа как самого кольца, так и поршня.

Недостатком такого изобретения является то, что не устраняется возможность возникновения вибрации кольца, особенно с увеличением скорости хода поршня. Поэтому остается разрушающее воздействие вибрирующих кончиков кольца на торцевые поверхности поршневой канавки и большая вероятность поломки кончиков кольца, так как известно, что сила инерции прямо пропорциональна квадрату угловой скорости коленчатого вала двигателя.

Еще один недостаток такого поршневого компрессионного кольца - это более быстрое снижение заданных радиальных упругих свойств кольца вблизи замка в процессе работы двигателя по сравнению с обычными кольцами. Причиной всего этого - ухудшение механических свойств кольца в районе замка из-за наличия полостей по обе стороны от прорези - напряжение (н/м²) в поперечных сечениях, проходящих через полости концов кольца, увеличится от механических воздействий вследствии уменьшения площади поперечного сечения кольца. Возрастут и температурные напряжения. Уменьшение надлежащего радиального давления к зеркалу цилиндра вблизи замка будет приводить к прорыву газа. При этом резко ухудшаются показатели работы двигателя, такие как мощность и расход масла. Очевидно, что срок службы кольца сократится по сравнению с обычными кольцами и будет определяться моментом, когда силы упругости концов кольца станут недостаточными для обеспечения надлежащего прилегания к цилиндру.

Технической задачей изобретения является устранение вибрации кольца в уплотнительном устройстве поршня и стабилизация надлежащего радиального давления концов кольца к зеркалу цилиндра и, тем самым, увеличение срока службы как самого кольца, так и поршня.

Задача достигается в уплотнительном устройстве поршня, содержащем в канавке поршня разрезное кольцо, на внутренней поверхности которой между верхним и нижним торцами выполнены полости, размещенные симметрично по обе стороны замка на дуге 20 - 60^o, где согласно изобретению полости выполнены сквозными к прорези замка и в заколечном пространстве, между поршнем и кольцом, симметрично прорези замка расположена перемычка, выполненная в виде пружинящей в радиальном направлении фигурной пластины, выпуклая дугообразная часть которой свободно входит в полости и повторяет внутреннее очертание задних стенок полостей в случае сжатия кольца до соединения торцов замка, а концы перемычки отогнуты по окружности канавки поршня в сторону от прорези замка и упираются в дно канавки поршня, причем выпуклая дугообразная часть перемычки равна высоте задних стенок полостей, а высота отогнутых концов равна высоте кольца.

Посредством предлагаемого уплотнительного устройства поршня можно устранить такое вредное явление, как вибрацию поршневых колец и стабилизировать надлежащее радиальное давление концов кольца к зеркалу цилиндра и, тем самым, увеличить надежность работы и срок службы кольца и поршня.

Наличие изобретения в предлагаемом уплотнительном устройстве поршня доказывается присутствием такой простой детали, как перемычка, жесткой в поперечной плоскости и пружинящей в радиальной, которая, располагаясь в полостях концов кольца, соединяет последние в единое целое и не позволяет концам колебаться в поперечной плоскости кольца в случае возникновения поперечных изгибающих моментов переменного направления.

Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что полости на концах кольца выполнены сквозными к прорези замка и в этих полостях располагается перемычка, пружинящая в радиальном направлении и жесткая в поперечной плоскости.

Уплотнительное устройство поршня поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид устройства - разрез части поршня в сборе с уплотнительным устройством; на фиг. 2 изображен вид А-А фиг. 1; на фиг. 3 изображен вид Б-Б фиг. 2.

Предлагаемое устройство состоит из поршня 1, в канавке 2 которого располагается разрезное кольцо 3, выполненное в виде криволинейного бруса, имеющего прямоугольное сечение (фиг. 1). Концы 4 кольца 3 образуют прямой замок 5. На внутренней цилиндрической поверхности 6 концов 4 симметрично прорези замка 5 имеются полости 7 (фиг. 2). Полости 7 выполнены между верхним 8 и нижним 9 торцами кольца 3 и сквозными к прорези замка 5 (фиг. 1 и 2). В заколечном пространстве 10, между поршнем 1 и кольцом 3, симметрично прорези замка 5, расположена перемычка 11, выполненная в виде пружинящей в радиальном направлении фигурной пластины. Выпуклая дугообразная часть 12 перемычки 11 свободно входит в полости 7.

Профиль выпуклой части 12 повторяет внутреннее очертание задних стенок 13 полостей 7 в случае сжатия кольца 3 до соединения торцов 14 замка 5. Концы 15 перемычки 11 отогнуты по окружности канавки 2 поршня 1 в сторону от прорези замка 5 и упираются в дно 16 канавки 2 (фиг. 2). Высота выпуклой части 12 перемычки 11 равна высоте задних стенок 13 полостей 7 (фиг. 1 и 2), а размеры поперечного сечения выпуклой части 12 должны быть выполнены с учетом поперечных нагрузок, возникающих при вибрации концов 4 кольца 3. Для устойчивого положения перемычки 11 в поршневой канавке 2 в радиальной плоскости высота отогнутых концов 15 равна высоте кольца 3 (фиг. 3).

Устройство работает следующим образом. При возвратно-поступательном движении поршня 1 и определенных условиях, например, при увеличении частоты вращения вала выше "критической", у концов 4 кольца 3 появляется поперечный изгибающий момент переменного направления, который старается вызвать колебания концов 4 кольца 3 в поршневой канавке 2. Однако в заколечном пространстве 10 между поршнем 1 и кольцом 3 симметрично прорези замка 5 расположена перемычка 11, которая выпуклой дугообразной частью 12 входит в полости 7. Эта выпуклая часть 12 перемычки 11, являясь жестким конструктивным элементом в своей поперечной плоскости, соединяет два конца 4 кольца 3 в единое целое. Воспринимая на себя поперечные нагрузки, возникающие в кольце 3, выпуклая часть 12 перемычки 11 не позволяет концам 4 колебаться в поршневой канавке 2 (фиг. 2).

Заданное радиальное давление перемычки 11 сохраняет надлежащее радиальное давление концов 4 кольца 3 к зеркалу цилиндра двигателя.

Предлагаемое уплотнительное устройство поршня позволит устранить вибрацию концов кольца в поршневой канавке и сохранить надлежащее радиальное давление концов кольца к зеркалу цилиндра и тем самым увеличить срок службы как самого кольца, так и поршня.