УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОФИКСАЦИИ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ В ПАКЕТЕ
PACKAGED PISTON RING HEAT-SETTING MACHINE

Изобретение относится к термической обработке, в частности к термофиксации поршневых колец в пакете, и может быть использовано для получения различного распределения радиального давления и упругости при изготовлении разрезанных круглых поршневых и уплотнительных колец с параллельными торцовыми поверхностями.
Известно устройство для термофиксации поршневых колец в пакете, состоящее из разводящей вставки (сухаря) для разведения замков колец, позволяющей получать радиальное давление, близкое к равномерному, и приспособления для осевого сжатия пакета по торцам для исключения коробления (Гинцбург Б.Я. Теория поршневых колец. - М.: Машиностроение, 1979, с.226, рис.124, а) (аналог).
К недостаткам такого устройства для термофиксации колец следует отнести невозможность получения равномерного радиального давления, поскольку торцовые поверхности кольца в замке при разведении его концов и установки между ними разводящей вставки располагаются под острым углом к оси симметрии кольца, проходящей через его замок и спинку, что вызывает условия нагружения, отличные от тех, которые позволяют получать равномерное радиальное давление (наблюдается пониженное давление в зоне замка, что подтверждается рис.125 в книге Гинцбурга Б.Я. Теория поршневых колец. - М.: Машиностроение, 1979, с.227), а также невозможность получения поршневых колец с повышенным радиальным давлением в зоне замка, что часто требуется условиями долговечной эксплуатации узла уплотнения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является устройство для термофиксации поршневых колец в пакете, содержащее разводящую вставку с внутренней и наружной поверхностями, выполненную с возможностью размещения в замке поршневых колец, и средство осевого сжатия пакета поршневых колец в виде подвижного фланца, установленного с возможностью перемещения, и неподвижного фланца, связанных посредством цилиндрического стержня с резьбой и гайки. Устройство для термофиксации снабжено средством радиального деформирования пакета поршневых колец по оси замок - спинка, выполненного в виде двух крайних и средней направляющих пластин, в которые установлены болты, и жестко связанных с упомянутыми направляющими пластинами опор с внутренней и наружной поверхностями для деформирования поршневых колец посредством болтов. Опоры как средство радиального деформирования пакета поршневых колец установлены с возможностью касания наружными поверхностями внутренних поверхностей колец и внутренней поверхности разводящей вставки для повышения радиального давления в зоне замка, а также с возможностью касания внутренними поверхностями наружных поверхностей поршневых колец и наружной поверхности разводящей вставки для понижения радиального давления в зоне замка (патент РФ №2309992) (прототип).
К недостаткам такого устройства для термофиксации следует отнести невозможность получения поршневых колец с повышенным радиальным давлением в зоне замка, для которых эпюра радиальных давлений соответствовала бы оптимальной эпюре, обеспечивающей наибольшую долговечность поршневых колец. При грушевидном распределении оптимальной считается такая эпюра, когда минимальные давления в кольце находятся на расстоянии по дуге с углом в 120° от спинки поршневого кольца относительно диаметральной оси, проходящей через замок и спинку (Хохлов А.В. Эпюра радиальных давлений и долговечность поршневых колец. - Автомобильная промышленность, 2003 г., №10, с.15-17).
Устройство для термофиксации по прототипу не обеспечивает требуемую форму поршневых колец в свободном состоянии и, как следствие, соответствующую оптимальную эпюру радиальных давлений поршневого кольца, так как опоры средства радиального деформирования пакета воздействуют на кольца только по оси замок-спинка. Они не могут обеспечить минимальные давления в соответствующих расчетных зонах.
Технической задачей изобретения является осуществление возможности получать поршневые кольца при их термофиксации с оптимальной эпюрой радиальных давлений (повышенным радиальным давлением в зоне замка и минимальным давлением в расчетных зонах, которые находятся на расстоянии по дуге с углом в 120° от спинки поршневого кольца относительно диаметральной оси, проходящей через замок и спинку), обеспечивающей наибольшую долговечность двигателя.
Задача достигается путем использования устройства для термофиксации поршневых колец в пакете, содержащего разводящую вставку, выполненную с возможностью размещения в замке поршневых колец, средство осевого сжатия пакета поршневых колец, выполненного в виде фланца, установленного с возможностью передвижения, и неподвижного фланца, связанных посредством цилиндрического стержня с резьбой и гайки, кроме этого, оно снабжено средством радиального деформирования пакета поршневых колец, выполненным в виде двух крайних и средней направляющих пластин, в которые установлены болты, жестко связанные с упомянутыми направляющими пластинами, опор с наружной поверхностью для деформирования поршневых колец посредством болта, отличающегося тем, что средство радиального деформирования пакета поршневых колец имеет три опоры, из которых две опоры принадлежат к средней пластине, а третья опора принадлежит к двум крайним пластинам, установленным с возможностью касания их внутренних поверхностей наружных поверхностей колец: одна опора в спинке колец, а две опоры в плоскости, проходящей вдоль продольной оси пакета колец и перпендикулярно диаметральной оси, проходящей через замок и спинку кольца на расстоянии 1,5 радиуса колец от спинки в сторону замков, причем расстояние между двумя опорами в плоскости должно быть меньше размера колец на величину их деформации для повышения радиальных давлений в зоне замков и обеспечения минимальных давлений в кольцах.
Предложенное решение отличается от прототипа тем, что средство радиального деформирования пакета поршневых колец имеет три опоры, из которых две опоры принадлежат к средней пластине, а третья опора принадлежит к двум крайним пластинам, установленным с возможностью касания их внутренних поверхностей наружных поверхностей колец: одна опора в спинке колец, а две опоры в плоскости, проходящей вдоль продольной оси пакета колец и перпендикулярно диаметральной оси, проходящей через замок и спинку кольца на расстоянии 1,5 радиуса колец от спинки в сторону замков, причем расстояние между двумя опорами в плоскости должно быть меньше размера колец на величину их деформации для повышения радиальных давлений в зоне замков и обеспечения минимальных давлений в кольцах.
На фиг.1 изображен продольный разрез устройства для термофиксации поршневых колец, на фиг.2 изображено устройство для термофиксации поршневых колец, вид сверху, на фиг.3 - средство радиального сжатия пакета поршневых колец, на фиг.4 - вид А средства радиального сжатия пакета поршневых колец, на фиг.5 - схема нагружения пакета колец в плоскости, проходящей вдоль продольной оси пакета колец и перпендикулярно диаметральной оси, проходящей через замок и спинку кольца на расстоянии 1,5 радиуса колец от спинки в сторону замков, на фиг.6 - приращения радиус-векторов формы уплотнительных колец диаметром 115 мм с равномерным (кривая 1) и повышенным в зоне замка давлением, на фиг.7 - линейная зависимость деформации (Δ) колец от степени коррекции (z), термофиксированных предлагаемым устройством.
Устройство состоит из неподвижного фланца 1, цилиндрического стержня 2 с резьбой для осуществления осевой стяжки пакета поршневых колец 3 гайкой 4, подвижного фланца 5 и разводящей вставки 6 (фиг.1, 2). Средство радиального сжатия пакета поршневых колец состоит из болтов 7 и 11, с помощью которых фиксируется положение направляющих пластин 9 и 10 (фиг.3, 4), болта 8, с помощью которого деформируют (сжимают) пакет поршневых колец в плоскости, проходящей вдоль продольной оси пакета колец и перпендикулярно диаметральной оси, проходящей через замок и спинку кольца на расстоянии 1,5 радиуса колец от спинки в сторону замков (повышается радиальное давление в зоне замка и уменьшается давление в зонах, которые находятся на расстоянии по дуге с углом в 120° от спинки поршневого кольца относительно диаметральной оси, проходящей через замок и спинку), из средней направляющей пластины 9 и двух крайних направляющих пластин 10. Пакет поршневых колец 3 деформируют с помощью трех опор 12, 13 и 14, которые жестко закреплены к пластинам 9 (опоры 13 и 14) и 10 (опора 12) и располагаются: опора 12 - на диаметральной оси, опоры 13 и 14 - в плоскости, проходящей вдоль продольной оси пакета колец и перпендикулярно диаметральной оси, проходящей через замок и спинку кольца на расстоянии 1,5 радиуса колец от спинки в сторону замков, расстояние между опорами L (фиг.4) должно быть меньше размера колец на величину их деформации Δ.
1
Для термофиксации поршневые кольца 3 (фиг.1) набираются в пакет на неподвижном фланце 1, в замки колец устанавливается разводящая вставка 6, обеспечивающая размер замка кольца в свободном состоянии (S) (фиг.5) и соответствующую ему упругость. С помощью микрометра измеряется диаметр колец в плоскости, проходящей вдоль продольной оси пакета колец и перпендикулярно диаметральной оси, проходящей через замок и спинку кольца на расстоянии 1,5 радиуса колец от спинки в сторону замков, (плоскость ВОС, фиг.5). В этой плоскости необходимо обеспечить минимальное давление с углом φ, равным 120°, от спинки кольца. После чего, в зависимости от того, с какой степенью коррекции z необходимо получить поршневые кольца, пакет деформируют предлагаемым средством сжатия в измеренной плоскости. В этом случае после термофиксации поршневые кольца будут иметь эпюру радиальных давлений с повышенным давлением в зоне замка (z>1) и с минимальным давлением в 120° от спинки кольца. Для этого опоры 12, 13 и 14 средства сжатия (фиг.3) устанавливают в пазы подвижного фланца 5 (фиг.2), так чтобы внутренняя поверхность опоры 12 касалась наружных поверхностей колец в их спинке, а внутренние поверхности опор 13 и 14 касались наружных поверхностей колец в плоскости, проходящей вдоль продольной оси пакета колец и перпендикулярно диаметральной оси, проходящей через замок и спинку кольца на расстоянии, большем 1,5 радиуса колец от спинки в сторону замков. Сжатие пакета колец 3 осуществляется опорами 12, 13 и 14 при помощи перемещения болта 8 на требуемую деформацию. После этого пакет колец фиксируют между подвижным 5 и неподвижным 1 фланцами затягиванием гайки 4 (фиг.1), а средство радиального сжатия снимается с устройства для термофиксации колец. Набранный таким образом пакет колец подвергается термообработке. Режим термообработки колец должен обеспечить снятие внутренних напряжений в материале и зафиксировать заданную форму колец в свободном состоянии.
9
С помощью предлагаемого устройства проведена термофиксация одной партии уплотнительных колец диаметром 115 мм, высотой 3 мм, радиальной толщиной 5 мм для коробок перемены передач тракторов из специального серого чугуна с модулем упругости материала колец 85-10 Па и эпюрой радиального давления 70 кПа. Предварительно уплотнительные кольца набираются в пакет, в их замки устанавливается разводящая вставка, обеспечивающая размер замка кольца в свободном состоянии S=21,3 мм и требуемую упругость. В этом случае форма колец в свободном состоянии, соответствующая равномерной эпюре радиальных давлений (нагружение кольца обеспечивается только размером шпонки), описывается приращениями радиус-векторов AR (фиг.6, кривая 1). После этого с помощью микрометра измеряется диаметр колец в плоскости, проходящей вдоль продольной оси пакета колец на расстоянии 1,5 радиуса колец от спинки в сторону замков (при угле φ, равном 120°, фиг.6). 3атем средство радиального деформирования устанавливается с возможностью касания внутренних поверхностей опор наружных поверхностей колец в спинке (опора 12) и в плоскости, проходящей вдоль продольной оси пакета колец на расстоянии, большем 1,5 радиуса колец, от спинки в сторону замков (опоры 13 и 14), и пакет колец сжимается на величину 0,4 мм. Предварительно рассчитывается и обеспечивается конструктивно расстояние L между опорами 13 и 14:
L=2·OB·cosα,
(φ=120°)
где OB=ΔR=57,5+3,8=61,3 мм, а α=60°С, тогда
L=2·61,3·cos60°=61,3 мм.
После этого пакет уплотнительных колец сжимают в осевом направлении гайкой посредством подвижного и неподвижного фланцев, связанных цилиндрическим стержнем с резьбой, и термофиксируют. Форма уплотнительных колец соответствует приращениям радиус-векторов ΔR (фиг.6, кривая 2), а эпюра радиальных давлений имеет повышенное давление в зоне замка со степенью коррекции z=1,6 и минимальным давлением в 120° от спинки кольца. На фиг.7 приведена линейная зависимость деформации (Δ) пакета колец от степени коррекции (z) для выбора степени коррекции по деформации уплотнительных колец диаметром 115 мм, где при деформации пакета колец на величину 0,4 мм степень коррекции соответствует 1,6.
Технико-экономический эффект предлагаемого устройства заключается в том, что имеется возможность изготовить поршневые и уплотнительные кольца с необходимым радиальным давлением, что повысит их долговечность и надежность работы в узлах уплотнения по сравнению с кольцами, изготовленными с помощью существующих устройств для термофиксации.