поршневое кольцо с вспомогательной радиальной упругостью

Формула изобретения

Поршневое кольцо с вспомогательной радиальной упругостью, содержащее уплотнительное поршневое кольцо и радиальный расширитель в виде пружин, которые располагаются в сжатом состоянии в цилиндрических отверстиях, выполненных в поршне, а торцы цилиндрических пружин со стороны внутренней окружной поверхности поршня подпираются самопружинящим в радиальном направлении от продольной оси поршня плоским разрезным съемным запорным кольцом, установленным в окружной канавке поршня, выполненной на его внутренней поверхности, при этом противоположные торцы цилиндрических пружин воздействуют на поршневое кольцо, отличающееся тем, что цилиндрические отверстия, в которых располагаются цилиндрические пружины, выполнены по радиальным осям поршня и по его окружности периодически, при этом цилиндрические отверстия выполнены одного диаметра и сквозными, соединяющими внутреннюю окружную поверхность поршня с окружной поверхностью задней стенки поршневой канавки, куда между поршневым кольцом и цилиндрическими пружинами помещены с возможностью свободного перемещения вдоль продольных осей цилиндрических отверстий цилиндрические штоки, которые одними торцевыми поверхностями контактируют со сжатыми цилиндрическими пружинами, а другими торцевыми поверхностями цилиндрических штоков, частично выходящими в поршневую канавку, контактируют через дугообразные полосы с внутренней окружной поверхностью поршневого кольца, причем дугообразные полосы жестко прикреплены к торцовым поверхностям цилиндрических штоков, а дугообразность полос выполнена по радиусу внутренней окружной поверхности поршневого кольца, причем высота дугообразных полос соответствует высоте поршневого кольца по его образующей.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в качестве уплотнительных или маслосъемных колец с вспомогательной упругостью устанавливаемых на поршнях двигателей внутреннего сгорания или компрессоров.

Аналогом предлагаемого поршневого кольца с вспомогательной радиальной упругостью может служить поршневое кольцо с радиальным расширителем, выполненным в виде спиральной пружины, разделенной на группы витков, оси которых расположены по радиусам к оси поршня, при этом по меньшей мере одна из пружинных групп отличается от другой количеством витков, а также по меньшей мере одна из пружинных групп имеет отличный от других угловой шаг / Рыбкин В.Л. и др. Радиальный расширитель. А. с.СССР № 574566, М. кл. F16j 9/06/. Опубл. 30.09.77. Бюл. № 36/.

Назначение такого спирального расширителя - увеличение радиального давления самопружинящего поршневого кольца на стенку цилиндра двигателя.

Аналог имеет ряд положительных свойств благодаря своей конструкции. Расположение за поршневым кольцом в заколечном пространстве спиральной пружины, разделенной на группы витков, оси которых расположены по радиусам к оси поршня, позволяет виткам спиральной пружины работать на сжатие, упираясь одновременно своими торцами как в заднюю стенку поршневой канавки, так и во внутреннюю поверхность поршневого кольца. Такой способ расположения группы витков спиральной пружины по отношению к поршневому кольцу и к поршню позволяет рационально передавать радиальные усилия сжатых витков спиральной пружины поршневому кольцу вдоль своих продольных осей в радиальном направлении.

Известно, что для увеличения срока службы поршневые кольца изготавливают с неравномерным радиальным давлением по всей окружности.

У замка - повышенные давления, а на других участках - пониженные (Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца / Б.Я. Гинцбург. - М.: Машиностроение, 1979. - 133 с.). Поэтому еще одним положительным свойством аналога является возможность корректировки радиального давления пружинных групп спирального расширителя на поршневое кольцо изменением количества витков в отдельных пружинных группах и путем изменения углового шага расположения пружинных групп по отношению друг к другу. Это позволит согласовать реальное радиальное давление поршневого кольца на стенку цилиндра двигателя с теоретически рассчитанной оптимальной эпюрой радиального давления.

Однако аналог имеет недостатки, которые могут влиять на надежность и долговечность работы поршневого кольца с вспомогательной упругостью.

Одним из серьезных недостатков аналога является то, что спиральная пружина расширителя располагается непосредственно за поршневым кольцом в поршневой канавке, что приводит к необходимости увеличения объема заколечного пространства. В этот увеличенный объем заколечного пространства с меньшим сопротивлением и в большем количестве могут проникать раскаленные газы из камеры сгорания, которые будут заметно понижать упругость витков спиральной пружины и упругость самого поршневого кольца. В результате между поршневым кольцом и стенкой цилиндра в образовавшиеся зазоры будут прорываться газы с большей скоростью. Температура кольца и поршня в этих местах значительно возрастет. Кольцо начнет обрастать коксом и будет терять упругость еще больше. Возрастут износы кольца, поршня и гильзы. Упадет мощность двигателя, увеличится удельный расход топлива и расход масла.

Следующим недостатком аналога является то, что в заколечном пространстве поршневой канавки практически невозможно разместить требуемое количество витков спиральной пружины из-за ограниченных размеров заколечного пространства. Так, при конструктивном оформлении поршня при наличии за кольцом расширителя максимальное расстояние между внутренней поверхностью поршневого кольца и дном канавки поршня принимают равным 1,8 мм (Болтинский В.Н. Теория, конструкция и расчет тракторных и автомобильных двигателей / В.Н.Болтинский. - М.: Издательство сельскохозяйственной литературы, 1962, - 155 с.).

В случае увеличения размеров заколечного пространства для размещения спиральной пружины с большим количеством витков, количество прорвавшихся раскаленных газов также увеличится. Упругость витков спиральной пружины и самого поршневого кольца резко понизятся. Сократится срок службы таких поршневых колец с радиальной вспомогательной упругостью. Следует добавить, что по этим же всем причинам нельзя устанавливать подобную конструкцию поршневого кольца с вспомогательной радиальной упругостью в первой (верхней) поршневой канавке головки поршня.

Еще одним аналогом предлагаемого поршневого кольца с вспомогательной радиальной упругостью может служить поршневое кольцо с вспомогательной радиальной упругостью, содержащее поршневое кольцо и радиальный расширитель, выполненный в виде спиральной пружины, которая разделена на отдельные упругие пары параллельных между собой, равных по длине спиральных пружинных витков, которые образованы двумя концами согнутых под углом к дугообразной средней части проволоки таким образом, что ось симметрии каждой упругой пары спиральных пружинных витков направлена по радиальной оси поршня, а сами спиральные пружинные витки каждой упругой пары свободно и полностью входят в соответствующие пары цилиндрических параллельных друг другу глухих отверстий, которые выполнены на одинаковую глубину в поршне, в задней стенке поршневой канавки по ее окружности, а ось симметрии каждой пары цилиндрических глухих отверстий направлена по радиусу поршня и совпадает с осью симметрии каждой упругой пары спиральных пружинных витков, при этом каждая упругая пара спиральных пружинных витков одновременно упирается своей дугообразной средней частью проволоки во внутреннею поверхность поршневого кольца, а торцами спиральных пружинных витков - в дно цилиндрических глухих отверстий, причем средняя дугообразная часть проволоки каждой упругой пары спиральных пружинных витков выполнена по радиусу поршневого кольца (Горшков В.Н. и др. Поршневое кольцо с вспомогательной упругостью. Патент России № 2399819, С1, кл. F16J 9/06/. Опубл. 20.09.2010. Бюл. № 26).

Аналог обладает многими положительными качествами. Так, например, располагая упругие пары спиральных пружинных витков расширителя внутри цилиндрических глухих отверстий в поршне, можно существенно уменьшить объем заколечного пространства в поршневой канавке поршня и, тем самым, создать дополнительное сопротивление прорывающимся раскаленным газам. Устраняется прямое воздействие прорывающихся раскаленных газов на упругие элементы расширителя и, таким образом, понижается и стабилизируется температура расширителя. Появляется реальная возможность устанавливать в каждой упругой паре расчетное количество спиральных пружинных витков и, таким образом, влиять на радиальное давление поршневого кольца по его окружности. Перечисленные преимущества позволяют устанавливать предлагаемое поршневое кольцо с вспомогательной радиальной упругостью на головке поршня в первой (верхней) поршневой канавке, что существенно повысит уплотняющую возможность поршня.

Однако аналог имеет весьма серьезный недостаток, который заключается в том, что температура упругой части расширителя, состоящего из отдельных пар спиральных пружинных витков, остается очень высокой. Это связано с тем, что цилиндрические глухие отверстия, в которых располагаются спиральные пружинные витки радиального расширителя, выполнены в задней стенке поршневой канавки по ее окружности так, что являются открытыми для проникновения прорвавшихся раскаленных газов. Кроме этого, температура поршня в районе цилиндрических отверстий очень высокая по той причине, что тепловой поток поступает от днища поршня к уплотнительным кольцам. То есть теплоотдача осуществляется в направлении поршень - поршневое кольцо (Дьяченко Н.Х. и др. Теплообмен в двигателях и теплонапряженность их деталей.- Л.: Машиностроение, 1969. 247 с.). Таким образом, потеря упругости спиральных пружинных витков радиального расширителя возможна и от прорывающихся через заколечное пространство в цилиндрические глухие отверстия раскаленных газов, так и от контакта спиральных пружинных витков с нагретой до высокой температуры поверхностью цилиндрических отверстий. По этим причинам срок службы таких поршневых колец с радиальной вспомогательной упругостью сократится.

Прототипом предлагаемого поршневого кольца с вспомогательной радиальной упругостью может служить поршневое кольцо с вспомогательной радиальной упругостью, содержащее уплотнительное поршневое кольцо и радиальный расширитель в виде спиральной пружины, которая разделена на отдельные упругие пары параллельных между собой, равных по длине спиральных пружинных витков, которые представляют собой самостоятельные, не связанные между собой цилиндрические пружины, которые располагаются в сжатом состоянии в соответствующих парах цилиндрических отверстий, выполненных в поршне со стороны его внутренней окружной поверхности, и торцы цилиндрических пружин с внутренней поверхности поршня подпираются самопружинящим в радиальном направлении от продольной оси поршня плоским разрезным съемным запорным кольцом, установленным в окружной канавке поршня, выполненной на его внутренней поверхности, а противоположные торцы каждой пары сжатых цилиндрических пружин упираются в подвижные шайбы и через них воздействуют вдоль оси цилиндрических отверстий на концы дугообразной проволоки, которые свободно проходят из поршневой канавки через сквозные каналы в соответствующую пару цилиндрических отверстий и упираются в подвижные шайбы со стороны поршневого кольца, при этом концы проволок согнуты к ее средней дугообразной части параллельно друг другу, равны по длине и их продольные оси совпадают с продольными осями _tсквозных каналов, соединяющих заднюю стенку поршневой канавки с цилиндрическими отверстиями (Горшков В.Н. и др. Поршневое кольцо с вспомогательной радиальной упругостью. Патент России № 2451852, С1, кл. F16j 9/06. Опубл. 27.07.2012, Бюл. № 15).

Прототип обладает весьма значительными положительными качествами. Посредством такой конструкции поршневого кольца с вспомогательной радиальной упругостью можно понизить рабочую температуру цилиндрических пружин расширителя, полностью устранив воздействие на них прорывающихся раскаленных газов в заколечное пространство поршневой канавки путем расположения пружин расширителя в цилиндрических отверстиях, выполненных в поршне со стороны его внутренней окружной поверхности. Кроме этого, предлагаемая схема расположения цилиндрических пружин радиального расширителя позволяет применять известные способы охлаждения внутренней поверхности поршня, например через форсунку, установленную в верхней головке шатуна (Дизели. Справочник. Изд-е 3-е, перераб. и доп. Под общей редакцией В.А.Ванштейдта, Н.Н.Иванченко, Л.К.Коллерова. - Л.: Машиностроение, 1977. 480 с.). В результате увеличится долговечность радиального расширителя и поршневого кольца прототипа.

Однако прототип имеет недостатки, которые заключаются в том, что конструкция поршневого кольца с вспомогательной радиальной упругостью конструктивно выполнена сложно, имеет много деталей, а технология исполнения такой конструкции требует сложные дополнительные операции при изготовлении не только радиального расширителя, но и самого поршня. Кроме того, конструкция прототипа создает трудности при установки радиального расширителя на поршень.

С целью упрощения конструкции поршневого кольца с вспомогательной радиальной упругостью каждую пару цилиндрических пружин можно заменить одной пружиной, которая будет действовать конкретно по радиусу поршня на цилиндрический шток, который так же можно расположить по радиусу поршня в том же цилиндрическом отверстии, где находится цилиндрическая пружина, и через шток воздействовать на поршневое кольцо.

Технической задачей изобретения является упрощение конструкции поршневого кольца с вспомогательной радиальной упругостью путем уменьшения количества деталей в радиальном расширителе, сокращение технологических операций на поршне при его изготовлении и упрощение процесса установки радиального расширителя на поршень при монтаже поршневого кольца с вспомогательной радиальной упругостью.

Задача достигается в поршневом кольце с вспомогательной радиальной упругостью, содержащим уплотнительное поршневое кольцо и радиальный расширитель в виде пружин, которые располагаются в сжатом состоянии в цилиндрических отверстиях, выполненных в поршне, а торцы цилиндрических пружин со стороны внутренней окружной поверхности поршня подпираются самопружинящими в радиальном направлении от продольной оси поршня плоским разрезным съемным запорным кольцом, установленным в окружной канавке поршня, выполненной на его внутренней поверхности, при этом противоположные торцы цилиндрических пружин воздействуют на поршневое кольцо, где согласно изобретению цилиндрические отверстия, в которых располагаются цилиндрические пружины, выполнены по радиальным осям поршня и по его окружности периодически, при этом цилиндрические отверстия выполнены одного диаметра и сквозными, соединяющими внутреннюю окружную поверхность поршня с окружной поверхностью задней стенки поршневой канавки, куда между поршневым кольцом и цилиндрическими пружинами помещены с возможностью свободного перемещения вдоль продольных осей цилиндрических отверстий цилиндрические штоки, которые одними торцевыми поверхностями контактируют с сжатыми цилиндрическими пружинами, а другими торцевыми поверхностями цилиндрических штоков, частично выходящими в поршневую канавку, контактируют через дугообразные полосы с внутренней окружной поверхностью поршневого кольца, причем дугообразные полосы жестко прикреплены к торцовым поверхностям цилиндрических штоков, а дугообразность полос выполнена по радиусу внутренней окружной поверхности поршневого кольца, причем высота дугообразных полос соответствует высоте поршневого кольца по его образующей.

Посредством предлагаемого поршневого кольца с вспомогательной радиальной упругостью можно уменьшить в два раза количество цилиндрических пружин, не будет подвижных шайб в цилиндрических отверстиях и дугообразных проволок с отогнутыми концами. При этом упрощается технология изготовления как самого радиального расширителя, так и поршня, так как не потребуется выполнять дополнительные отверстия как под цилиндрические пружины, так и под согнутые концы дугообразных проволок. Отверстия, которые необходимы под оставленные цилиндрические пружины и цилиндрические штоки расширителя, выполняются сквозными одного диаметра. Это позволяет выполнять и обрабатывать эти отверстия с наружной окружной поверхности поршня, а не с внутренней, как у прототипа. Установка цилиндрических пружин и штоков радиального расширителя при его сборке на поршень также облегчается, так как может осуществляться с наружной окружной поверхности поршня.

Наличие изобретения в предлагаемом поршневом кольце с вспомогательной радиальной упругостью доказывается тем, что цилиндрические отверстия, в которых располагаются цилиндрические пружины, выполнены по радиусу поршня по его окружности периодически. Цилиндрические отверстия выполнены одного диаметра и сквозными, соединяющими внутреннюю окружную поверхность поршня с окружной поверхностью задней стенки поршневой канавки, куда между поршневыми кольцами и цилиндрическими пружинами помещены с возможностью свободного перемещения вдоль продольных осей цилиндрических отверстий цилиндрические штоки, которые одними торцевыми поверхностями контактируют с сжатыми цилиндрическими пружинами, а другими торцевыми поверхностями контактируют через дугообразные полосы с внутренней окружной поверхностью поршневого кольца, причем дугообразные полосы жестко прикреплены к торцовым поверхностям цилиндрических штоков, дугообразность полос выполнена по радиусу внутренней поверхности поршневого кольца, а ширина полос соответствует высоте поршневого кольца, по его образующей.

Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что цилиндрические отверстия, в которых располагаются цилиндрические пружины, выполнены по радиусу поршня по его окружности периодически, одного диаметра и сквозными, соединяющими внутреннюю окружную поверхность поршня с окружной поверхностью задней стенки поршневой канавки. Это позволяет уменьшить количество цилиндрических отверстий в поршне в два раза и соответственно уменьшить в два раза количество цилиндрических пружин. Технология изготовления поршня и радиального расширителя упрощается.

Поршневое кольцо с вспомогательной радиальной упругостью поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен продольный разрез верхней части поршня с поршневым кольцом и радиальным расширителем.

На фиг.2 изображен разрез А - А фиг.1.

На фиг.3 изображен разрез Б - Б фиг.2.

Предлагаемое поршневое кольцо с вспомогательной радиальной упругостью содержит поршневое кольцо 1, установленное в поршневой канавке 2 поршня 3 (фиг.1). Поршневое кольцо 1 имеет разрез 4, так называемый замок, и, обладая собственной радиальной упругостью наружу, плотно прижимается к поверхности цилиндра двигателя 5 (фиг.2). Для усиления радиального давления поршневого кольца 1 на поверхность цилиндра двигателя 5 в радиальной плоскости, проходящей через окружную ось поршневого кольца 1, установлен радиальный расширитель, включающий не связанные между собой цилиндрические пружины 6, которые располагаются в сжатом состоянии в соответствующих цилиндрических отверстиях 7, выполненных в поршне 3 по его радиальным осям 8 от продольной оси Z периодически.(фиг.1, 2). Цилиндрические отверстия 7 выполнены одного диаметра и сквозными, соединяющими внутреннюю окружную поверхность 9 поршня 3 с окружной поверхностью задней стенки 10 поршневой канавки 2. Торцы 11 цилиндрических пружин 6 со стороны внутренней окружной поверхности 9 поршня 3 подпираются самопружинящим в радиальном направлении от продольной оси Z поршня 3 плоским разрезным съемным запорным кольцом 12, которое установлено в окружной канавке 13 поршня 3, выполненной на его внутренней окружной поверхности 9 (фиг.1, 2, 3). Противоположные торцы 14 сжатых цилиндрических пружин 6 упираются в торцы 15 цилиндрических штоков 16, которые также как цилиндрические пружины 6 расположены цилиндрических отверстиях 7 с возможностью свободного перемещения вдоль продольных радиальных осей 8 цилиндрических отверстий 7 (фиг.1, 2). Противоположные торцы 17 цилиндрических штоков 16, которые частично входят в поршневую канавку 2, через дугообразные полосы 18 контактируют с внутренней окружной поверхностью 19 поршневого кольца 1 (фиг.1). Дугообразные полосы 18 жестко прикреплены к торцам 17 цилиндрических штоков 16, а дугообразность полос 18 выполнена по радиусу внутренней окружной поверхности 19 поршневого кольца 1. Высота дугообразных полос 18 соответствует высоте поршневого кольца 1 по его образующей (фиг.3).

Предлагаемое поршневое кольцо с вспомогательной радиальной упругостью работает следующим образом.

При возвратно-поступательном движении поршня 3 высокая скорость скольжения поршневого кольца 1 по поверхности цилиндра двигателя 5, значительные нагрузки на поршневое кольцо 1 от раскаленных газов и сил трения при отсутствии жидкостной смазки повышают температуру поршневого кольца 1 так, что со временем механические качества металла последнего снижаются и радиальное давление его на поверхность цилиндра двигателя 5 уменьшается. Компенсирует падение радиального давления поршневого кольца 1 на поверхность цилиндра двигателя 5 радиальный расширитель, состоящий из упругих, не связанных между собой цилиндрических пружин 6, которые располагаются в сжатом состоянии в соответствующих цилиндрических отверстиях 7, выполненных в поршне 3 по его радиальным осям 8 от продольной оси Z. Сжатые цилиндрические пружины 6, опираясь своими торцами 11 на самопружинящее в радиальном направлении от продольной оси Z поршня 3 плоское разрезное запорное кольцо 12, воздействуют на поршневое кольцо 1 через цилиндрические штоки 16 с дугообразными полосами 18, прижимая его к поверхности цилиндра двигателя 5 по всей ее окружности. Именно так передается дополнительное радиальное давление поршневому кольцу 1 от радиального расширителя.

Таким образом, применение предлагаемой конструкции поршневого кольца с вспомогательной радиальной упругостью, когда цилиндрические отверстия 7, в которых располагаются цилиндрические пружины 6, выполнены по радиальным осям 8 поршня 3 и по его окружности периодически, при этом цилиндрические отверстия 7 выполнены одного диаметра и сквозными, соединяющими внутреннюю окружную поверхность 9 поршня 3 с окружной поверхностью задней стенки 10 поршневой канавки 2, а цилиндрические пружины 6, воздействуя на цилиндрические штоки 16 с дугообразными полосами 18, прижимают поршневое кольцо 1 к поверхности цилиндра двигателя 5 по всей ее окружности, создавая дополнительное радиальное давление поршневому кольцу 1 от радиального расширителя, позволяет упростить конструкцию поршневого кольца с вспомогательной радиальной упругостью путем уменьшения количества деталей в радиальном расширителе, сократить технологические операции на поршне 3 при его изготовлении и упростить процесс установки радиального расширителя на поршень 3 при монтаже поршневого кольца с вспомогательной радиальной упругостью.