ПОРШНЕВОЙ ПАЛЕЦ

MIIK: F16J 1/16
Поршневой палец
Полезная модель относится к области машиностроения, а именно, к двигателестроению автомобильного, автотракторного, судостроительного и тепловозостроительного производства и может быть использована в конструкциях поршневой группы двигателей внутреннего сгорания.
Известен поршневой палец, состоящий из полого цилиндра, ограниченного с двух сторон плоскими кольцевыми торцами с наружным закаленным слоем и выполненного из термически обработанной стали (Болштянский А.П., Зензин Ю.А., Щерба В.Е. Основы конструкции автомобиля. М., Легион-Автодата, 2005, с. 41-42).
Однако известный поршневой палец, при своем использовании, имеет следующие недостатки:
- не обладает ремонтоспособностью из-за того, что после износа наружного закаленного слоя его невозможно восстановить до требуемых размеров;
- обладает недостаточной усталостной долговечностью и надежностью при эксплуатации из-за того, что наружный закаленный слой имеет небольшую и не равномерную толщину с микроструктурой в виде отпущенного мартенсита с длиной игл более 10 мкм;
- обладает недостаточной статической прочностью при раздавливании и изгибе из-за того, что под закаленным слоем после термообработки образуется зона с пониженной твердостью с интервалом от 22 до 30 HRC;
- имеет высокую стоимость изготовления из-за применения дорогих легированных сталей марок 40Х или 20ХН3А, а также из-за значительных затрат на выполнение термической обработки в виде улучшения с последующей поверхностной закалкой ТВЧ или в виде цементации.
Задачей предложенной полезной модели является устранение перечисленных недостатков известного поршневого пальца.
В основу полезной модели положена задача создания поршневого пальца не имеющего перечисленных недостатков известного поршневого пальца.
Техническим результатом при использовании предложенного поршневого пальца является обеспечение его ремонтоспособности, повышение усталостной долговечности и надежности при эксплуатации с одновременным повышением статической прочности при раздавливании и изгибе, а также снижением стоимости изготовления.
Технический результат достигается тем, что предложен поршневой палец, состоящий из полого цилиндра, ограниченного с двух сторон плоскими кольцевыми торцами с наружным закаленным слоем и выполненный из термически обработанной стали, при этом его полый цилиндр выполнен составным из внешнего цилиндра и размешенной внутри него втулки с наружными прямыми рифлениями треугольного профиля высотой 0,2-0,6 мм, внешний цилиндр состоит из наружного закаленного слоя толщиной не более 0,5 толщины самого цилиндра с микроструктурой отпущенного мартенсита с твердостью 54…61 HRC и упрочненной матрицы с твердостью 32…54 HRC, втулка полностью состоит из отпущенного мартенсита с твердостью 54…61 HRC, причем мартенсит внешнего цилиндра и втулки выполнен с длиной игл не более 4 мкм, а в качестве термически обработанной стали применена сталь пониженной прокаливаемости. Кроме того, внешний цилиндр выполнен из стали пониженной прокаливаемости с идеальным критическим диаметром равным или не более чем в 2 раза большим идеального критического диаметра стали втулки, втулка выполнена с наружным закаленным слоем и упрочненной матрицей внешнего цилиндра, кроме того втулка может быть полностью выполнена с микроструктурой и твердостью упрочненной матрицы внешнего цилиндра.
Среди признаков, характеризующих предложенный поршневой палец, существенными являются:
- выполнение поршневого пальца составным из внешнего цилиндра и размешенной внутри него втулки с наружными прямыми рифлениями треугольного профиля высотой 0,2-0,6 мм;
- выполнение внешнего цилиндра с наружным закаленным слоем толщиной не более 0,5 толщины самого цилиндра;
- выполнение наружного закаленного слоя внешнего цилиндра с микроструктурой отпущенного мартенсита с твердостью 54…61 HRC;
- выполнение упрочненной матрицы внешнего цилиндра с твердостью 32…54 HRC;
- выполнение втулки полностью из отпущенного мартенсита с твердостью 54…61 HRC;
- выполнение мартенсита внешнего цилиндра и втулки с длиной игл не более 4 мкм;
- выполнение внешнего цилиндра и втулки из термически обработанной стали пониженной прокаливаемости;
- выполнение внешнего цилиндра из стали пониженной прокаливаемости с идеальным критическим диаметром равным или не более чем в 2 раза большим идеального критического диаметра стали втулки;
- выполнение втулки с наружным закаленным слоем и упрочненной матрицей внешнего цилиндра;
- выполнение втулки полностью с микроструктурой и твердостью упрочненной матрицы внешнего цилиндра.
Выполнение предложенного поршневого пальца составным из внешнего цилиндра и размешенной внутри него втулки с наружными прямыми рифлениями треугольного профиля высотой 0,2-0,6 мм обеспечивает ему в выбранном интервале ремонтоспособность за счет того, что можно произвести замену изношенного внешнего цилиндра на новый внешней цилиндр путем его установки на эту же втулку. Выбранный интервал высоты рифлений также обеспечивает повышение усталостной долговечности предложенного поршневого пальца за счет плотного соединения внешнего цилиндра со втулкой.
При выполнении высоты рифлений ниже нижнего предела 0,2 мм не обеспечивается ремонтоспособность предложенного поршневого пальца из-за смятия рифлений в процессе сборки внешнего цилиндра со втулкой.
При выполнении высоты рифлений выше верхнего предела 0,6 мм не обеспечивается ремонтоспособность предложенного поршневого пальца из-за большой концентрации напряжений в местах образования рифлений, что приводит к их хрупкому разрушению в процессе сборки внешнего цилиндра со втулкой.
Выполнение наружного закаленного слоя внешнего цилиндра толщиной не более 0,5 толщины самого цилиндра обеспечивает повышение усталостной долговечности и надежности предложенного поршневого пальца, а также повышение его статической прочности при изгибе по сравнению с известным поршневым пальцем за счет получения в закаленном слое благоприятного распределения остаточных напряжений сжатия.
При выполнении наружного закаленного слоя внешнего цилиндра толщиной более 0,5 толщины самого цилиндра усталостная долговечность и надежность, а также статическая прочность при изгибе снижаются из-за получения в слое остаточных напряжений растяжения.
Выполнение наружного закаленного слоя внешнего цилиндра с микроструктурой отпущенного мартенсита с твердостью 54…61 HRC обеспечивает в выбранном интервале повышение усталостной долговечности и надежности предложенного поршневого пальца по сравнению с известным поршневым пальцем за счет получения высокой общей прочности, отсутствия в слое микротрещин после окончательной термообработки, что уменьшает износ этого слоя в процессе эксплуатации, а также исключения деформации внешнего цилиндра.
При выполнении наружного закаленного слоя внешнего цилиндра с твердостью отпущенного мартенсита ниже нижнего предела 54 HRC усталостная долговечность и надежность снижаются из-за уменьшения общей прочности слоя в связи с получением после окончательной термообработки микроструктуры троостомартенсита или троостита вместо отпущенного мартенсита, а также быстрого износа этого слоя в процессе эксплуатации.
При выполнении наружного закаленного слоя внешнего цилиндра с твердостью отпущенного мартенсита выше верхнего предела 61 HRC усталостная долговечность и надежность снижаются из-за возникновения закалочных микротрещин в этом слое, что приводит к хрупкому разрушению внешнего цилиндра и к значительной его деформации после окончательной термообработки.
Выполнение упрочненной матрицы внешнего цилиндра с твердостью 32…54 HRC обеспечивает в выбранном интервале повышение статической прочности при раздавливании и изгибе предложенного поршневого пальца по сравнению с известным поршневым пальцем за счет более высокой ее общей прочности.
При выполнении упрочненной матрицы внешнего цилиндра с твердостью ниже нижнего предела 32 HRC статическая прочность при раздавливании и изгибе снижается из-за понижения общей прочности матрицы.
При выполнении упрочненной матрицы внешнего цилиндра с твердостью выше верхнего предела 54 HRC статическая прочность при раздавливании и изгибе предложенного поршневого пальца снижается из-за хрупкого разрушения матрицы.
Выполнение втулки полностью из отпущенного мартенсита с твердостью 54…61 HRC обеспечивает в выбранном интервале повышение статической прочности при изгибе предложенного поршневого пальца по сравнению с известным поршневым пальцем за счет более высокой ее общей прочности.
При выполнении втулки полностью из отпущенного мартенсита с твердостью ниже нижнего предела 54 HRC статическая прочность при изгибе снижается из-за уменьшения общей прочности втулки в связи с получением после окончательной термообработки микроструктуры троостомартенсита или троостита вместо отпущенного мартенсита.
При выполнении втулки полностью из отпущенного мартенсита с твердостью выше верхнего предела 61 HRC статическая прочность при изгибе снижается из-за возникновения закалочных микротрещин в ней, что приводит к хрупкому разрушению втулки и к значительной ее деформации после окончательной термообработки.
Выполнение мартенсита внешнего цилиндра и втулки с длиной игл не более 4 мкм обеспечивает повышение усталостной долговечности и надежности предложенного поршневого пальца по сравнению с известным поршневым пальцем за счет получения бесструктурного игольчатого мартенсита, в котором не образуются закалочные микротрещины после окончательной термообработки.
При выполнении мартенсита внешнего цилиндра и втулки с длиной игл более 4 мкм усталостная долговечность и надежность снижаются из-за получения более крупной игольчатой структуры мартенсита, что приводит к образованию в нем закалочных микротрещин после окончательной термообработки.
Выполнение внешнего цилиндра и втулки из термически обработанной стали пониженной прокаливаемости обеспечивает повышение статической прочности при раздавливании и изгибе предложенного поршневого пальца по сравнению с известным поршневым пальцем за счет более высокой общей прочности, а также позволяет снизить стоимость его изготовления.
Выполнение внешнего цилиндра из стали пониженной прокаливаемости с идеальным критическим диаметром равным или не более чем в 2 раза большим идеального критического диаметра стали втулки обеспечивает повышение статической прочности при раздавливании и изгибе предложенного поршневого пальца по сравнению с известным поршневым пальцем за счет более высокой общей прочности.
При выполнении внешнего цилиндра предложенного поршневого пальца из стали пониженной прокаливаемости с идеальным критическим диаметром в 2 раза большим идеального критического диаметра стали втулки его статическая прочность при раздавливании и изгибе снижаются из-за хрупкого разрушения внешнего цилиндра.
Выполнение втулки с наружным закаленным слоем и упрочненной матрицей внешнего цилиндра обеспечивает повышение статической прочности при изгибе предложенного поршневого пальца по сравнению с известным поршневым пальцем за счет более высокой общей прочности.
Выполнение втулки полностью с микроструктурой и твердостью упрочненной матрицы внешнего цилиндра обеспечивает повышение статической прочности при раздавливании предложенного поршневого пальца по сравнению с известным поршневым пальцем за счет более высокой общей прочности.
Следует отметить, что химический состав стали пониженной прокаливаемости и технология изготовления предложенного поршневого пальца являются «Ноу-Хау» и в данной заявке не рассматриваются.
Стендовые испытания предложенного поршневого пальца показали его высокую эффективность. Было установлено, что предложенный поршневой палец по сравнению с известным поршневым пальцем, обладает ремонтоспособностью, повышенной усталостной долговечностью и надежностью, а также повышенной статической прочностью при раздавливании и изгибе, при этом было достигнуто снижение стоимости его изготовления по сравнению с известным как минимум на 30%.
Результаты стендовых испытаний приведены в таблице.
В качестве известного поршневого пальца в таблице представлен поршневой палец КМЗ 740.51.1004020 ООО «Камского моторного завода», выполненного из углеродистой стали марки 40Х и прошедшего термическую обработку в виде улучшения с последующей закалкой ТВЧ наружной цилиндрической поверхности.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез поршневого пальца, на фиг. 2 - разрез А-А.
Поршневой палец состоит из внешнего цилиндра 1 и втулки 2 с наружными прямыми рифлениями треугольного профиля 3. Внешний цилиндр 1 состоит из наружного закаленного слоя 4 и упрочненной матрицы 5.
Эксплуатация предложенного поршневого пальца является стандартной. Однако, за счет своей ремонтоспособности и более высоких прочностных характеристик, эксплуатация предложенного поршневого пальца может производиться в более тяжелых условиях работы и экономически выгодна, чем эксплуатация известного поршневого пальца.