УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ПОРШНЯ
SEALING DEVICE OF PISTON

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для уплотнения поршней и механизмов.
Известно уплотнительное устройство поршня, содержащее установленные в канавке поршня разрезное поршневое кольцо с периодически выполненными по окружности внутренней цилиндрической поверхности пазами, у которых одна боковая плоская поверхность расположена в радиальной плоскости, другая - под углом к ней, расширитель, выполненный в виде набора спиральных пружин, каждая из которых помещена в гнездо соответствующего паза, и установлено концентрично с поршневым кольцом в его заколечное пространство с контактом по всей окружности дна канавки дополнительное разрезное кольцо с клинообразными выступами, входящими во внутрь пазов поршневого кольца, ширина которых больше ширины клинообразных выступов, при этом выступы дополнительного разрезного кольца имеют плоские боковые поверхности, параллельные плоским боковым поверхностям пазов поршневого кольца и контактируют с пазами поршневого кольца по наклонным плоским поверхностям, а спиральные пружины расширителя расположены между боковыми поверхностями клинообразных выступов дополнительного разрезного кольца и пазов поршневого кольца (патент RU №2103573, МКИ F16j 9/06 - аналог).
В результате одновременного воздействия сжатых спиральных пружин расширителя в тангенциальном направлении к окружностям поршневого и дополнительного колец на радиальные поверхности клинообразных выступов дополнительного кольца и пазов поршневого кольца, последний, взаимодействуя своими наклонными поверхностями пазов с наклонными поверхностями выступов дополнительного кольца, отодвигается от дополнительного кольца и прижимается к зеркалу цилиндра, создавая уплотняющий эффект устройства.
Однако, аналог имеет существенный недостаток, который заключается в том, что на внутренней цилиндрической поверхности поршневого кольца по всей ее окружности периодически выполнены пазы, которые уменьшают площадь поперечного сечения поршневого кольца. В этих сечениях в процессе работы двигателя будут наблюдаться повышенные напряжения, ослабляющие прочность поршневого кольца. Кроме этого, сами пазы поршневого кольца являются сосредоточением повышенных местных напряжений, которые возникают в местах резкого изменения формы и размеров поперечного сечения. Такое явление называется концентрацией напряжений (Кинасошвилли Р.С. Сопротивление материалов. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы. 1960, с.50). Местные повышенные напряжения в местах расположения пазов так же снижают прочность поршневого кольца и могут привести к его разрушению. И главное следует отметить то, что поршневое кольцо воспринимает практически все нагрузки, возникающие в процессе работы двигателя. В то же время дополнительное кольцо, располагаясь в заколечном пространстве и плотно контактируя своей внутренней цилиндрической поверхностью с окружной поверхностью дна поршневой канавки, находится в более благоприятных условиях. Именно поршневое кольцо скользит с высокой скоростью по зеркалу цилиндра двигателя при значительной нагрузке переменных сил давления газов, сил трения, сил инерции в условиях высокой температуры и неудовлетворительной смазки. Под действием всех этих факторов в поршневом кольце возникают значительные переменные напряжения, которые воспринимаются поршневым кольцом по всей своей окружности, в том числе в тех местах, где выполнены пазы. Такая конструкция уплотнительного устройства поршня, когда пазы для установки спиральных пружин расширителя выполнены по окружности внутренней цилиндрической поверхности поршневого кольца, ненадежная и недолговечная.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является уплотнительное устройство поршня, содержащее установленные в канавке поршня разрезное поршневое кольцо, дополнительное разрезное кольцо, расположенное в заколечном пространстве концентрично с поршневым кольцом и контактирующее своей внутренней цилиндрической окружной поверхностью с цилиндрической поверхностью дна поршневой канавки, и расширитель, выполненный в виде набора спиральных пружин периодически расположенных по окружности между поршневым и дополнительным кольцами, контактирующими между собой по наклонным плоским боковым поверхностям пазов и клинообразных выступов, причем клинообразные выступы свободно входят в пазы, ширина которых больше клинообразных выступов, а спиральные пружины расширителя располагаются в пазах между боковыми поверхностями пазов и клинообразных выступов, плоскости которых расположены в радиальном направлении, при этом пазы выполнены на внешней цилиндрической окружной поверхности дополнительного разрезного кольца, а клинообразные выступы выполнены на внутренней цилиндрической поверхности поршневого кольца (патент RU №2416750, МКИ F16j 9/06 - прототип).
Уплотнительное устройство поршня будет более надежно в работе и долговечнее по той причине, что пазы для установки спиральных пружин расширителя устранены на поршневом кольце и выполнены на менее загруженном внешними силовыми факторами дополнительном кольце. Тем самым площадь поперечного сечения поршневого кольца в местах ранее располагавшихся пазов возрастет, а напряжения в процессе работы двигателя уменьшатся. Исчезнут также причины, вызывающие концентрацию местных напряжений.
Однако прототип обладает существенными недостатками. Один из которых заключается в том, что взаимодействующие между собой боковые наклонные плоские поверхности клинообразных выступов поршневого кольца и боковые наклонные плоские поверхности пазов дополнительного кольца направлены под углом к окружности уплотнительного устройства в одну сторону по всей ее окружности. При этом между наклонными поверхностями возникают силы взаимодействия. Это радиальные силы R и тангенциальные силы T, создающие равнодействующие силы F, действующие по боковым наклонным плоскостям клинообразных выступов и пазов колец. Равнодействующие силы F направлены под углом к окружности уплотнительного устройства по всей ее окружности в одну сторону.
Равнодействующие силы F могут вызвать постепенное перемещение уплотняющего устройства по окружности поршневой канавки. У прототипа равнодействующие силы F направлены по часовой стрелке, следовательно, и перемещение колец будет по часовой стрелке (патент RU №2416750, МКИ F16j 9/06, фиг.2). В то же время известно, что проворачивание колец в канавке поршня в процессе работы двигателя замедляет и ухудшает приработку колец к зеркалу цилиндра, а следовательно, понижает герметичность цилиндра и повышает возможность закоксовывания колец. Стопорение колец у четырехтактных двигателей дает положительный эффект. А у двухтактных двигателей, имеющих значительную длину выпускных и продувочных окон, концы колец могут попасть в окна и вызвать аварию. Поэтому у таких двигателей поршневые кольца стопорятся в обязательном порядке (Болтинский В.Н. Теория, конструкция и расчет тракторных и автомобильных двигателей. - М.: Издательство сельскохозяйственной литературы, 1962, с.166).
Еще одним недостатком прототипа является то, что узлы уплотнительного устройства, включающие пазы дополнительного кольца, спиральные пружины расширителя и клинообразные выступы поршневого кольца, выполнены периодически по окружности уплотнительного устройства без учета неравномерности износа и падения радиального давления поршневого кольца по его окружности в процессе работы двигателя. Известно, что радиальное давление поршневого кольца от сил упругости на зеркало цилиндра двигателя в первую очередь падает вблизи замка, в пределах 30° по обе стороны от прорези замка (Б.Я. Гинцбург. Теория поршневого кольца. - М.: Машиностроение, 1979, с.124, с.133). Появление просветов на окружности поршневого кольца в этом районе вызывает прорыв газов высокой температуры с большой скоростью. Температура в районе замка значительно возрастает, кольцо в этом месте обрастает коксом, еще больше теряют упругость кончики кольца в замке и герметичность цилиндра падает. Срок службы уплотнительного устройства прототипа будет понижаться.
Таким образом, такая конструкция уплотнительного устройства поршня прототипа, когда при работе двигателя возникает возможность проворачивания колец в канавке поршня и падение радиального давления кончиков поршневого кольца в его замке, ненадежна и недолговечна.
Технической задачей изобретения является повышение надежности работы уплотнительного устройства поршня и увеличение срока службы.
Задача достигается в уплотнительном устройстве поршня, содержащем, установленные в канавке поршня разрезное поршневое кольцо, дополнительное разрезное кольцо, расположенное в заколечном пространстве концентрично с поршневым кольцом и контактирующее своей внутренней цилиндрической окружной поверхностью с цилиндрической поверхностью дна поршневой канавки, и расширитель, выполненный в виде набора спиральных пружин, периодически расположенных по окружности между поршневым и дополнительным кольцами, контактирующими между собой по наклонным плоским боковым поверхностям пазов и клинообразных выступов, причем клинообразные выступы свободно входят в пазы, ширина которых больше клинообразных выступов, а спиральные пружины расширителя располагаются в пазах между боковыми поверхностями пазов и клинообразных выступов, плоскости которых расположены в радиальном направлении, причем пазы выполнены на внешней цилиндрической окружной поверхности дополнительного разрезного кольца, а клинообразные выступы выполнены на внутренней цилиндрической поверхности поршневого кольца, где согласно изобретению, наклоны, взаимодействующих между собой боковых плоских поверхностей клинообразных выступов поршневого кольца и боковых плоских поверхностей пазов дополнительного кольца, выполненных в левой полуокружности уплотнительного устройства от спинки колец до прорези замков, направлены по часовой стрелке, а наклоны взаимодействующих меду собой боковых плоских поверхностей клинообразных выступов поршневого кольца и боковых плоских поверхностей пазов дополнительного кольца, выполненых в правой полуокружности уплотнительного устройства от спинки колец до прорези замков, направлены против часовой стрелки, к тому же узлы уплотнительного устройства, включающие клинообразные выступы поршневого кольца, свободно входящие в пазы дополнительного кольца, и спиральные пружины расширителя, каждая из которых располагается в пазах между боковыми радиальными поверхностями пазов и клинообразных выступов соответственно, выполнены в левой и правой полуокружностях уплотнительного устройства периодически попарно и симметрично поперечной оси, проходящей через спинку колец и прорезь замков колец, при этом одна пара симметричных узлов выполнена в районе замков колец так, что бы радиальные составляющие от равнодействующих сил, возникающих на взаимодействующих между собой боковых наклонных плоских поверхностях клинообразных выступов поршневого кольца и боковых наклонных плоских поверхностях пазов дополнительного кольца от каждого узла симметричной пары, проходили под углом 10 градусов к поперечной оси колец.
Предлагаемое уплотнительное устройство поршня будет более надежно в работе и долговечнее по причине отсутствия проворачивания колец в канавке поршня, а так же и по причине увеличения радиального давления кончиков поршневого кольца в его замке. Это улучшит приработку колец к зеркалу цилиндра, повысит герметичность цилиндров и увеличит долговечность работы двигателя.
Наличие изобретения в предлагаемом уплотнительном устройстве поршня доказывается тем, что наклоны взаимодействующих между собой боковых плоских поверхностей клинообразных выступов поршневого кольца и боковых плоских поверхностей пазов дополнительного кольца, выполненных в левой полуокружности уплотнительного устройства от спинки колец до прорези замков направлены по часовой стрелке, а наклоны взаимодействующих между собой боковых плоских поверхностей клинообразных выступов поршневого кольца и боковых плоских поверхностей пазов дополнительного кольца, выполненных в правой полуокружности уплотнительного устройства от спинки колец до прорези замков, направлены против часовой стрелки, к тому же узлы уплотнительного устройства выполнены в левой и правой полуокружностях уплотнительного устройства попарно и симметрично поперечной оси, проходящей через спинку колец и прорезь замков колец, при этом одна пара симметричных узлов выполнена в районе замков колец так, что бы радиальные составляющие от равнодействующих сил, возникающих на взаимодействующих между собой боковых наклонных плоских поверхностях клинообразных выступов поршневого кольца и боковых наклонных плоских поверхностях пазов дополнительного кольца от каждого узла симметричной пары, проходили под углом 10 градусов к поперечной оси колец.
Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что проворачивание уплотнительного устройства в поршневой канавке в процессе работы двигателя возможно приостановить путем направления равнодействующих сил, действующих в каждой паре симметричных друг другу узлов в левой и правой полуокружностях уплотнительного устройства, навстречу друг другу и тем самым свести к нулю их суммарное окружное воздействие на поршневое и дополнительное кольца. И еще, одна из пар симметричных узлов уплотнительного устройства выполнена в районе замков колец так, что бы радиальные составляющие от равнодействующих сил проходили под углом 10 градусов к поперечной оси колец. Это увеличивает радиальное давление кончиков поршневого кольца в его замке к поверхности цилиндра двигателя.
Предлагаемое уплотнительное устройство поршня поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен продольный разрез части поршня в сборе с уплотнительным устройством; на фиг.2 - разрез А-А фиг.1 (в районе замков уплотнительного устройства, где выполнена пара симметричных узлов I, равнодействующие силы F и одна из составляющих сил F - тангенциальные силы T, условно не показаны с целью более четкого рассмотрения действия радиальных сил R); на фиг.3 - разрез Б-Б фиг.2 (в качестве обстановки показан цилиндр двигателя вместе с уплотнительным устройством); на фиг.4 - узел I фиг.2.
Уплотнительное устройство поршня содержит поршень 1, в канавке 2 которого установлены рабочее поршневое разрезное кольцо 3 с клинообразными выступами 4, выполненными на его внутренней цилиндрической поверхности 5, и разрезное дополнительное кольцо 6 с фигурными пазами 7 (фиг.1 и 2).
Дополнительное кольцо 6 установлено в заколечное пространство 8 рабочего поршневого кольца 3 концентрично с последним так, что внутренняя цилиндрическая поверхность 9 дополнительного кольца 6 по всей окружности контактирует с дном 10 поршневой канавки 2 (фиг.1, 2 и 3), а в фигурные пазы 7, которые выполнены по окружности внешней цилиндрической поверхности 11 дополнительного кольца 6, свободно входят клинообразные выступы 4 поршневого кольца 3, так как ширина пазов 7 выполнена больше ширины клинообразных выступов 4 (фиг.2).
Клинообразные выступы 4 поршневого кольца 3 имеют боковые плоские поверхности 12, расположенные в радиальных плоскостях, и боковые плоские поверхности 13, лежащие в плоскостях, расположенных наклонно к радиальным плоскостям 12 клинообразных выступов 4 (фиг.2). Пазы 7 дополнительного кольца 6 также имеют плоские поверхности 14 и 15, которые параллельны соответственно плоским боковым поверхностям 12 и 13 клинообразных выступов 4 (фиг.2).
В гнезда 16 пазов 7 дополнительного кольца 6 помещены спиральные пружины 17, которые располагаются между боковыми радиальными плоскими поверхностями 14 пазов 7 и радиальными плоскими поверхностями 12 клинообразных выступов 4. Клинообразные выступы 4 поршневого кольца 3 размещаются в пазах 7 дополнительного кольца 6 так, что бы боковые наклонные плоские поверхности 13 клинообразных выступов 4 контактировали с боковыми наклонными плоскими поверхностями 15 пазов 7 (фиг.2 и 3). При этом наклоны, взаимодействующих между собой боковых плоских поверхностей 13 клинообразных выступов 4 поршневого кольца 3 и боковых плоских поверхностей 15 пазов 7 дополнительного кольца 6, выполненных в левой полуокружности 18 уплотнительного устройства поршня от спинки колец 19 до прорези замков 20, направлены по часовой стрелке, а наклоны взаимодействующих между собой боковых плоских поверхностей 13 клинообразных выступов 4 поршневого кольца 3 и боковых плоских поверхностей 15 пазов 7 дополнительного кольца 6, выполненных в правой полуокружности 21 уплотнительного устройства от спинки колец 19 до прорези замков 20, направлены против часовой стрелки уплотнительного устройства поршня (фиг.2).
Узлы I (фиг.2) уплотнительного устройства поршня, включающие клинообразные выступы 4 поршневого кольца 3, свободно входящие в пазы 7 дополнительного кольца 6, и спиральные пружины 17 расширителя, каждая из которых располагается в пазах 7 между боковыми радиальными плоскими поверхностями 14 пазов 7 и радиальными плоскими поверхностями 12 клинообразных выступов 4 (фиг.4), выполнены в левой 18 и правой 21 полуокружностях уплотнительного устройства периодически попарно и симметрично поперечной оси 22, проходящей через спинку колец 19 и прорезь замков 20 (фиг.2). При этом одна пара симметричных узлов I выполнена на кончиках 23 поршневого кольца 3 в районе прорези замков 20 так, что бы радиальные составляющие R от равнодействующих сил F, возникающих на взаимодействующих между собой боковых наклонных плоских поверхностях 13 клинообразных выступов 4 поршневого кольца 3 и боковых наклонных плоских поверхностях 15 пазов 7 дополнительного кольца 6, от каждого узла I симметричной пары, проходили под углом 10 градусов к поперечной оси 22 уплотнительного устройства (фиг.2).
Поршень 1 размещен в цилиндре двигателя 24, а поршневое кольцо 3 всей своей внешней окружной поверхностью 25 контактирует с зеркалом цилиндра 26 (фиг.3).
Уплотнительное устройство поршня работает следующим образом. В процессе перемещения поршня 1 рабочее поршневое кольцо 3 и цилиндр двигателя 23 подвергаются действию переменных сил давления газов, сил инерции движущихся частей поршневой группы и сил трения. Поршневое кольцо 3 деформируется. При этом теряется контакт на некоторых участках внешней окружной поверхности 25 рабочего поршневого кольца 3 с зеркалом цилиндра 26 (фиг.3). По этой причине будет наблюдаться некоторое смещение поршневого кольца 3 от зеркала цилиндра 26 по наклонным контактирующим плоским поверхностям 13 и 15 клинообразных выступов 4 поршневого кольца 3 и пазов 7 дополнительного кольца 6 в каждой полуокружности 18 и 21 уплотнительного устройства. Это может вызывать прорыв газов. Однако в этот момент спиральные пружины сжатия 17 расширителя в узлах I уплотнительного устройства как в левой полуокружности 18, так и в правой полуокружности 21 воздействуют в тангенциальном направлении (сила T) одновременно как на поршневое кольцо 3, так и на дополнительное кольцо 6, упираясь в боковые радиальные плоские поверхности 12 клинообразных выступов 4 поршневого кольца 3 и боковые радиальные плоские поверхности 14 пазов 7 дополнительного кольца 6 (фиг.2). В результате взаимодействия поршневого кольца 3 с дополнительным кольцом 6 по наклонным плоским поверхностям 13 клинообразных выступов 4 и наклонным плоским поверхностям 15 пазов 7 поршневое кольцо 3 отодвигается от дополнительного кольца 6 по его наклонным поверхностям 15 пазов 7 по направлению силы F, действующей в каждой паре симметричных узлов I, выполненных в левой 18 и правой 21 полуокружностях уплотнительного устройства. При этом поршневое кольцо 3 прижимается к зеркалу цилиндра 26 в радиальном направлении (сила R) с определенным усилием всей своей внешней окружной поверхностью 25, создавая тем самым уплотняющий эффект предлагаемого устройства (фиг.2 и 3).
Так как уплотнительное устройство поршня выполнено таким образом, что в левой полуокружности 18 наклоны контактирующих плоских поверхностей 13 и 15 поршневого кольца 3 и дополнительного кольца 6 соответственно направлены по часовой стрелке, а в правой полуокружности 21 уплотнительного устройства - против часовой стрелки (фиг.2), то отсюда следует, что равнодействующие силы F, возникающие в контактирующих наклонных плоских поверхностях 13 и 15 в левой и правой полуокружностях 18 и 21 уплотнительного устройства так же направлены по часовой стрелке и против часовой стрелки соответственно. Поэтому, равнодействующие силы F, действующие в левой полуокружности 18 уплотнительного устройства поршня будет уравновешиваться равнодействующими силами F, действующими в правой полуокружности 21. Следовательно, уплотнительное устройство поршня в процессе работы двигателя перемещаться по окружности поршневой канавки не будет.
Радиальные составляющие силы R от равнодействующих сил F, действующие в узлах I, выполненных на кончиках 23 поршневого кольца 3 в районе замков уплотнительного устройства, увеличивают радиальное давление кончиков 23 поршневого кольца 3 к зеркалу цилиндра 26 (фиг.3).
Предлагаемое уплотнительное устройство поршня будет более надежно в работе и долговечнее по причине отсутствия проворачивания уплотнительного устройства в поршневой канавке 2, а также по причине увеличения радиальных давлений R кончиков 23 поршневого кольца 3 к зеркалу цилиндра 26 (фиг.2). Это улучшит приработку колец уплотнительного устройства к зеркалу цилиндра 26, повысит герметичность цилиндра 24 и увеличит долговечность работы двигателя.