ПОРШЕНЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С НЕСИММЕТРИЧНЫМИ ВЫЕМКАМИ В БОБЫШКАХ

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к конструкциям поршней двигателей внутреннего сгорания.
Известна конструкция поршней двигателей внутреннего сгорания, содержащая головку с днищем, уплотнительным поясом с канавками для поршневых компрессионных и маслосъемных колец, юбку поршня для обеспечения контакта с цилиндром и бобышки для размещения поршневого пальца (см. заявка США №4669366, кл. F02F 3/02 от 02.06.87 г., а также «Двигатели внутреннего сгорания», т.2, стр.124, под редакцией члена-корреспондента РАН, проф., д.т.н. В.Н.Луканина и проф., д.т.н. М.Г.Шатрова, изд. «Высшая школа», Москва, 2005 г.).
Недостатком этой конструкции является то, что бобышки выполнены симметричными относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось поршневого пальца, что приводит к неравномерности нагрузки в частях бобышки, расположенных слева и справа от выемки, а также к неравномерности распределения контактных давлений в паре бобышка -поршневой палец.
Наиболее близкой конструкцией того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности признаков является поршень двигателя внутреннего сгорания, содержащий головку с днищем, уплотнительным поясом с канавками для поршневых компрессионных и маслосъемных колец, юбку поршня для обеспечения контакта с цилиндром и бобышки для размещения поршневого пальца, имеющие выемки над поршневым пальцем для облегчения поршня и уменьшения теплового потока к поршневому пальцу (см. заявка Японии №10159974 кл. F02F 3/00 от 16.06.98 г.).
Недостатком конструкции поршня, принятого за прототип, является то, что выемка в бобышке над поршневым пальцем выполняется симметричной относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось поршневого пальца. В момент действия наибольшего давления в камере сгорания равнодействующая нагрузок на поршневой палец (и соответственно на бобышки) действует по оси шатуна, имеющей отклонение от вертикальной плоскости. Симметричное расположение бобышки приводит к неравномерности нагрузки в частях бобышки, расположенных слева и справа от выемки, что делает поршень не равнопрочным и, следовательно - перетяжеленным, а также к неравномерности распределения контактных давлений в паре бобышка - поршневой палец, что часто приводит к образованию трещины в бобышке и выходу двигателя из строя.
Сущность полезной модели - обеспечение равномерного распределения напряжений в бобышке поршня и снижение массы поршня при обеспечении необходимых несущих свойств за счет выполнения выемок, повернутыми относительно оси поршневого пальца на угол δ, равный углу между осью шатуна и осью цилиндра в момент действия на поршень максимальных газовых сил.
Технический результат - снижение массы поршня, повышение равномерности распределения напряжений поршня, снижение шума, вибраций, расхода топлива двигателя и повышение эксплуатационной надежности конструкции поршня.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в поршне двигателя внутреннего сгорания, содержащем головку с днищем, уплотнительным поясом с канавками для поршневых компрессионных и маслосъемных колец, юбку и бобышки для размещения поршневого пальца, имеющие выемки над поршневым пальцем, особенностью является то, что для выравнивания нагрузки в частях бобышки, расположенных слева и справа от выемки, указанные выемки выполнены повернутыми относительно оси поршневого пальца на угол δ,
1
1
2
2
равный углу между осью шатуна и осью цилиндра в момент действия на поршень максимальных газовых сил. При этом, нижняя грань выемки располагается перпендикулярно оси шатуна в момент действия на поршень максимальных газовых сил, верхняя грань выемки совпадает с внутренней поверхностью днища поршня, боковые грани выемки образованы дугами окружностей, вписанных между верхней и нижней гранями. Кроме того, глубина выемки плавно изменяется от максимальной h со стороны боковой грани большего радиуса R, до минимальной h, со стороны боковой грани меньшего радиуса R, для снижения неравномерности распределения контактных давлений в паре бобышка - поршневой палец.
Выполнение поршня двигателя внутреннего сгорания описанным выше образом с использованием всей предложенной совокупности существенных признаков позволяет снизить массу поршня, повысить равномерность распределения напряжений поршня, снизить шум, вибрации, расход топлива двигателя и повысить эксплуатационную надежность конструкции поршня.
Для пояснения настоящей полезной модели приведены следующие иллюстрации:
на фиг.1 - представлен фрагмент конструкции поршня двигателя внутреннего сгорания с несимметричной бобышкой;
на фиг.2 - представлено сечение А-А бобышки поршня;
на фиг.3 - представлены результаты расчета напряжений в поршне бензинового двигателя объемом 2.2 л с несимметричной бобышкой;
на фиг.4 - представлены результаты расчета напряжений в поршне бензинового двигателя объемом 2.2 л с симметричной бобышкой.
Поршень 1 содержит головку с днищем 2 и уплотнительным поясом с канавками для поршневых компрессионных и маслосъемных колец 3, юбку поршня 4 для обеспечения контакта с цилиндром и бобышки 5 для размещения поршневого пальца 6, имеющие выемки 7 над поршневым пальцем для облегчения поршня и уменьшения теплового потока к поршневому пальцу. Нижняя грань выемки 8 располагается перпендикулярно
1
2
1
1
2
2
оси шатуна 9 в момент действия на поршень максимальных газовых сил, верхняя грань выемки 10 совпадает с внутренней поверхностью днища поршня, боковые грани выемки образованы дугами окружностей радиусов R и R, вписанных между верхней и нижней гранями. Кроме того, глубина выемки плавно изменяется от максимальной h, со стороны боковой грани большего радиуса R, до минимальной h, со стороны боковой грани меньшего радиуса R. Ширина, высота, глубина и радиусы галтельных переходов выемки определяются по условию минимизации действующих напряжений в бобышке.
Поршень двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом. Усилие от давления газов, действующее на днище поршня 2 передается через материал головки поршня в бобышки 5 и далее через поверхность отверстия для поршневого пальца 6 к механизму преобразования, например - кривошипно-шатунному механизму, а также через юбку поршня 4 к блоку цилиндров. В момент действия наибольшего давления в камере сгорания равнодействующая нагрузок на поршневой палец (и соответственно на бобышки) действует по оси шатуна 9, повернутой от оси цилиндра 11 на угол δ относительно оси поршневого пальца 12. Жескостные свойства бобышки для размещения поршневого пальца с несимметричной выемкой 7 плавно изменяются при удалении от линии действия силы, действующей на бобышку в момент наибольшего давления газов. Это приводит к выравниванию силовых потоков, действующих слева и справа от выемки, а также к увеличению зоны контакта бобышки с поршневым пальцем, что в свою очередь приводит к снижению действующих напряжений и большей равнопрочности конструкции.
В качестве иллюстрации эффективности применения поршня с несимметричной бобышкой на фиг.3-4 приведены результаты расчета напряжений в поршне бензинового двигателя объемом 2.2 л с несимметричной и симметричной бобышкой соответственно в момент действия максимального давления в цилиндре. При меньшей массе
максимальные напряжения в поршне с несимметричной бобышкой на 13% ниже, чем в поршне с симметричной бобышкой, что приводит к повышению усталостной прочности поршня на 40%.
Преимущество полезной модели состоит в том, что по сравнению с известными поршнями двигателей внутреннего сгорания, предложенная конструкция поршня обеспечивает более равномерное распределение напряжений в бобышке поршня, что приводит к уменьшению его массы и снижению инерционных сил движущихся деталей кривошипно-шатунного механизма при обеспечении необходимых несущих свойств.