ПОРШНЕВОЙ ПАЛЕЦ

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно, к двигателестроению автомобильного, автотракторного, судостроительного и тепловозостроительного производства и может быть использовано в конструкциях шатунно-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания.
Известен поршневой палец, содержащий стенку, образованную наружной и внутренней цилиндрическими поверхностями, которые с двух сторон ограничены кольцевыми плоскими торцами, причем стенка состоит из сердцевины и закаленного слоя, расположенного на ее наружной цилиндрической поверхности, а также закаленного слоя, расположенного на обоих торцах на длине не менее половины толщины стенки, кроме того палец выполнен из термически обработанной углеродистой стали (см. патент РФ на изобретение №2410590, МПК F16J 1/16, 23.12.2009 г.).
Однако известный поршневой палец, при своем использовании, имеет следующие недостатки:
- обладает недостаточной усталостной долговечностью, так как в месте стыковки краев внутренней цилиндрической поверхности стенки с плоскими кольцевыми торцами есть острая кромка, являющаяся концентратором напряжения, на которой зарождаются усталостные микротрещины, что приводит к постепенному продольному разрушению поршневого пальца и выходу двигателя из строя;
- обладает недостаточной надежностью и недостаточной общей статической прочностью, т.к. твердость внутренней цилиндрической поверхности стенки после термообработки может быть в интервале 30…50 HRC, что приводит при значительных знакопеременных или пульсирующих нагрузках, возникающих во время эксплуатации, к появлению овальности поршневого пальца, в результате которой возможно его заклинивание в бобышках поршня;
- имеет большую массу, в связи с чем при работе шатунно-поршневой группы возникают повышенные силы инерции, которые приводят к снижению долговечности и надежности работы шатунно-поршневой группы двигателя;
- имеет высокую себестоимость из-за относительно большой трудоемкости изготовления.
Задачей предлагаемой полезной модели является устранение перечисленных недостатков известного поршневого пальца.
Техническим результатом при использовании предложенного поршневого пальца является повышение его усталостной долговечности и надежности работы при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания с одновременным снижением его массы и себестоимости изготовления.
Технический результат достигается тем, что предложен поршневой палец, содержащий стенку, образованную наружной и внутренней цилиндрическими поверхностями, которые с двух сторон ограничены кольцевыми плоскими торцами, причем стенка состоит из сердцевины и закаленного слоя, расположенного на ее наружной цилиндрической поверхности, а также закаленного слоя, расположенного на обоих торцах на длине не менее половины толщины стенки, кроме того палец выполнен из термически обработанной углеродистой стали, при этом с двух сторон во внутренней цилиндрической поверхности пальца размещены цилиндры с центральным отверстием и с прямыми рифлениями треугольного профиля высотой 0,7-1,1 мм на своем наружном диаметре, выполненные из термически обработанной углеродистой стали пониженной прокаливаемости, имеющие по всему своему объему микроструктуру в виде отпущенного мартенсита с твердостью 55…63 HRC.
Среди признаков, характеризующих предложенный поршневой палец, существенными являются:
- размещение с двух сторон во внутренней цилиндрической поверхности пальца цилиндров;
- выполнение цилиндров с центральным отверстием;
- выполнение цилиндров с прямыми рифлениями треугольного профиля высотой 0,7-1,1 мм на своем наружном диаметре;
- выполнение цилиндров из термически обработанной углеродистой стали пониженной прокаливаемости;
- выполнение цилиндров по всему своему объему с микроструктурой в виде отпущенного мартенсита и с твердостью 55…63 HRC.
Размещение с двух сторон во внутренней цилиндрической поверхности пальца цилиндров позволяет повысить усталостную долговечность предложенного поршневого пальца за счет исключения концентрации напряжений на кромке, которая есть в месте стыковки краев внутренней цилиндрической поверхности стенки с плоскими кольцевыми торцами, в связи с чем не происходит продольного разрушения пальца. Кроме того, размещение цилиндров позволяет снизить массу предложенного поршневого пальца за счет увеличения диаметра внутренней цилиндрической поверхности, что ведет к уменьшению толщины стенки. Также размещение цилиндров обеспечивает увеличение общей статической прочности предложенного поршневого пальца при сохранении его габаритных размеров.
Выполнение цилиндров с центральным отверстием позволяет повысить надежность работы при эксплуатации предложенному поршневому пальцу за счет того, что они изготавливаются одинаковой массы, которая достигается изготовлением центрального отверстия диаметром с разными допусками. Одинаковая масса поршневых пальцев обеспечивает при работе шатунно-поршневой группы одинаковую силу инерции в каждом цилиндре двигателя. Кроме того, центральные отверстия в цилиндрах позволяют их демонтировать без деформации из изношенных поршневых пальцев и потом повторно использовать эти цилиндры в новых поршневых пальцах, что снижает себестоимость изготовления предложенного поршневого пальца.
Выполнение цилиндров с прямыми рифлениями треугольного профиля высотой 0,7-1,1 мм на своем наружном диаметре обеспечивает предложенному поршневому пальцу в выбранном интервале высоты рифлений надежную работу при его эксплуатации за счет плотного соединения цилиндров с внутренней цилиндрической поверхностью стенки пальца.
При выполнении высоты рифлений на цилиндрах ниже нижнего предела 0,7 мм не обеспечивается плотное и надежное соединение их с внутренней цилиндрической поверхностью стенки предложенного поршневого пальца из-за деформации рифлений в процессе сборки.
При выполнении высоты рифлений на цилиндрах выше верхнего предела 1,1 мм нецелесообразно, так как увеличивается трудоемкость изготовления предложенного поршневого пальца, из-за того, что потребуется оборудование, обеспечивающее большое усилие для запрессовки цилиндров во внутреннюю цилиндрическую поверхность тела, а это ведет к увеличению себестоимости его изготовления.
Выполнение цилиндров из термически обработанной углеродистой стали пониженной прокаливаемости обеспечивает предложенному поршневому пальцу снижение себестоимости его изготовления, за счет того, что стоимость предлагаемой стали значительно меньше стоимости используемых сталей, применяемых для изготовления известных поршневых пальцев.
Выполнение цилиндров по всему своему объему с микроструктурой в виде отпущенного мартенсита и с твердостью 55…63 HRC.
Выполнение цилиндров по всему своему объему с микроструктурой отпущенного мартенсита обеспечивает повышение долговечности и надежности предложенного поршневого пальца по сравнению с известным поршневым за счет получения его более высокой общей статической прочности, а также исключению при эксплуатации пальца овальности, в результате чего не возникает его заклинивания в бобышках поршня.
При выполнении цилиндров из отпущенного мартенсита с твердостью ниже нижнего предела 55 HRC долговечность и надежность предложенного поршневого пальца снижаются, из-за уменьшения прочности цилиндров после их окончательной термообработки, в связи с получением микроструктуры троостомартенсита или троостита вместо отпущенного мартенсита по всему их объему.
При выполнении цилиндров из отпущенного мартенсита с твердостью выше верхнего предела 63 HRC надежность предложенного поршневого пальца снижается из-за возникновения закалочных микротрещин на прямых рифлениях треугольного профиля при термообработке цилиндров, что может привести к их хрупкому разрушению во время запрессовки во внутреннюю цилиндрическую поверхность пальца.
Следует отметить, что изготовление предложенной конструкции поршневого пальца не представляет собой особой сложности, однако технология изготовления пальца и цилиндров 7 является предметом «НОУ-ХАУ» и в данной заявке не рассматривается.
Проведенные расчеты и предварительные испытания предложенного поршневого пальца показали его высокую эффективность. Предложенный поршневой палец обладает повышенной усталостной долговечностью, высокой надежностью и более высокой общей статической прочностью по сравнению с известным поршневым пальцем. При этом масса предложенного поршневого пальца значительно меньше известного поршневого пальца. Кроме того, за счет снижения трудоемкости изготовления предложенного поршневого пальца уменьшается себестоимость его изготовления по сравнению с известным поршневым пальцем.
В таблице приведены сравнительные параметры известного поршневого пальца и предложенного поршневого пальца.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан продольный разрез поршневого пальца, а на фиг. 2 - вид А.
Поршневой палец содержит наружную цилиндрическую поверхность 1, внутреннюю цилиндрическую поверхность 2, образующие между собой стенку, и ограниченные двумя кольцевыми плоскими торцами 3. Стенка поршневого пальца состоит из сердцевины 4 и закаленного слоя 5, расположенного на наружной цилиндрической поверхности 1. На торцах 3 расположен на длине не менее половины толщины стенки закаленный слой 6. Во внутренней цилиндрической поверхности 2 поршневого пальца размещены цилиндры 7, имеющие центральное отверстие 8 и прямые рифления треугольного профиля 9, расположенные на их наружном диаметре.
Эксплуатация предложенного поршневого пальца является стандартной. Однако, за счет своих более высоких прочностных характеристик и меньшей массы, эксплуатация предложенного поршневого пальца может производиться в более тяжелых условиях работы, чем эксплуатация известного поршневого пальца.