ПОРШНЕВОЕ КОЛЬЦО С ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ РАДИАЛЬНОЙ УПРУГОСТЬЮ
PISTON RING WITH AUXILIARY RADIAL FLEXIBILITY

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 /Рывкин 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 понизится. 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.
Прототипом 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).
Прототип 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 тем самым конкретно влиять на радиальное давление поршневого кольца. 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 прототип 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.
Технической задачей изобретения является увеличение надежности работы и повышение срока службы поршневого кольца с вспомогательной упругостью, а следовательно, повышение мощностных и экономических показателей двигателя внутреннего сгорания.
Задача достигается в поршневом кольце с вспомогательной радиальной упругостью, содержащем 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 и дугообразные в средней части проволоки, концы которых согнуты под углом к дугообразной ее средней части, при этом средняя дугообразная часть каждой проволоки упирается во внутреннюю поверхность поршневого кольца и выполнена по радиусу поршневого кольца, а 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 отверстий, которые выполнены на одинаковую глубину в поршне по его окружности, и ось симметрии каждой пары цилиндрических отверстий направлена по радиальной оси поршня и совпадает с осью симметрии каждой упругой пары спиральных пружинных витков, где согласно изобретению каждая упругая пара спиральных пружинных витков представляет 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 цилиндрических отверстий и продольными осями сквозных каналов, соединяющих заднюю стенку поршневой канавки с цилиндрическими отверстиями.
Посредством предлагаемого поршневого кольца с вспомогательной радиальной упругостью можно значительно понизить рабочую температуру цилиндрических пружин расширителя, полностью устранив воздействие на них прерывающихся раскаленных газов в заколечное пространство поршневой канавки путем расположения цилиндрических 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 и, следовательно, упругой части радиального расширителя - цилиндрических пружин, например, через форсунку, установленную в верхней головке шатуна (Дизели. Справочник. Изд. 3-е, перераб. и доп. Под общей редакцией В.А.Ваншейдта, Н.Н.Иванченко, Л.К.Коллерова. Л., "Машиностроение", 1977. 480 с.). В результате значительно увеличится долговечность радиального расширителя и поршневого кольца. Экономические показатели двигателя внутреннего сгорания, такие как удельные расходы топлива и масла, улучшатся.
Наличие изобретения в предлагаемом поршневом кольце с вспомогательной радиальной упругостью доказывается тем, что каждая упругая пара спиральных пружинных витков представляет 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 цилиндрических отверстий и продольными осями сквозных каналов, соединяющих заднюю стенку поршневой канавки с цилиндрическими отверстиями.
Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что упругая часть радиального расширителя, а именно цилиндрические пружины, полностью изолированы от поршневой канавки, куда прорываются раскаленные газы, так как располагаются в цилиндрических отверстиях, выполненных в поршне со стороны его внутренней окружной поверхности, температура которой ниже температуры наружной поверхности поршня в районе канавок, выполненных под поршневые кольца. Такое расположение цилиндрических пружин позволяет применять известные способы охлаждения не только внутренней поверхности поршня, но и конкретно цилиндрические пружины радиального расширителя. В результате увеличится долговечность радиального расширителя, а следовательно, и поршневого кольца. Улучшаются экономические показатели двигателя внутреннего сгорания, такие как удельный расход топлива и удельный расход масла.
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, состоящий из упругих пар, не связанных между собой, цилиндрических пружин 6, которые располагаются в сжатом состоянии в соответствующих парах цилиндрических отверстий 7, выполненных в поршне 3 с его внутренней окружной поверхности 8. Торцы 9 цилиндрических пружин 6 со стороны внутренней поверхности 8 поршня 3 подпираются самопружинящим в радиальном направлении от продольной оси Z поршня 3 плоским, разрезным съемным запорным кольцом 10, которое установлено в окружной канавке 11 поршня 3, выполненной на его внутренней поверхности 8 (фиг.1, 2, 3). Противоположные торцы 12 каждой пары сжатых цилиндрических пружин 6 упираются в подвижные шайбы 13 и через них воздействуют вдоль оси 14 цилиндрических отверстий 7 на концы 15 дугообразной проволоки 16. Концы 15 дугообразной проволоки 16 свободно проходят из поршневой канавки 2 через сквозные каналы 17 в соответствующую пару цилиндрических отверстий 7 и упираются в подвижные шайбы 13 со стороны поршневого кольца 1. Концы 15 дугообразных проволок 16 согнуты к ее средней дугообразной части параллельно друг другу, равны по длине и их продольные оси совпадают с продольными осями 14 цилиндрических отверстий 7 и с продольными осями сквозных каналов 17, которые соединяют заднюю стенку 18 поршневой канавки 2 с цилиндрическими отверстиями 7 (фиг.2, 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 пар, не связанных между собой цилиндрических пружин 6, которые располагаются в сжатом состоянии в соответствующих парах цилиндрических отверстий 7, выполненных в поршне 3 с его внутренней окружной поверхности 8. Сжатые пары пружин 6, опираясь своими торцами 9 на самопружинящее в радиальном направлении от продольной оси поршня плоское разрезное запорное кольцо 10, воздействуют в направлении поршневого кольца 1 по радиусу поршня 3 через подвижные шайбы 13 на концы 15 дугообразных в средней части проволок 16. Концы 15 дугообразных проволок 16, свободно располагаясь в каналах 17, которые соединяют цилиндрические отверстия 7 с поршневой канавкой 2, передают через дугообразные части проволок 16 радиальное давление на поршневое кольцо 1 по всей его окружности. Именно так передается дополнительное радиальное давление поршневому кольцу 1 от радиального расширителя.
Таким образом, расположение цилиндрических пружин 6 в сжатом состоянии в соответствующих парах цилиндрических отверстий 7, которые выполнены в поршне 3 со стороны его внутренней окружной поверхности 8, позволяет полностью устранить воздействие на них раскаленных газов и высокой температуры самого поршня 3. Это снизит температуру нагрева упругой части радиального расширителя. Увеличится долговечность радиального расширителя, а следовательно, и поршневого кольца 1. Улучшатся экономические показатели двигателя внутреннего сгорания, такие как удельный расход топлива и удельный расход масла.