УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОФИКСАЦИИ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ В ПАКЕТЕ
DEVICE FOR THERMAL FIXATION OF PISTON RINGS IN PACKET

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 установке 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, на 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, выполненную с возможностью размещения в замке поршневых колец, средство осевого сжатия пакета поршневых колец, выполненное в виде подвижного фланца, установленного с возможностью перемещения, и неподвижного фланца, связанных посредством цилиндрического стержня с резьбой и гайкой. 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. Средство радиального деформирования пакета поршневых колец имеет три опоры, из которых две опоры принадлежат к средней пластине, а третья опора принадлежит двум крайним пластинам. Опоры установлены с возможностью касания их внутренними поверхностями наружных поверхностей колец: одна опора - спинки колец, а две опоры - плоскости, проходящей вдоль продольной оси пакета колец и перпендикулярно диаметральной оси, которая проходит через замок и спинку кольца на расстоянии 1,5 радиуса колец от спинки в сторону замков, при этом расстояние между двумя опорами в плоскости установлено меньшим размера колец на величину их деформации для повышения радиальных давлений в зоне замков и обеспечения минимальных давлений в кольцах (патент РФ №2364635) (прототип).
Для термофиксации поршневые кольца набирают в пакет на неподвижном фланце, а в замки колец устанавливается разводящая вставка, обеспечивающая размер замков колец в свободном состоянии и соответствующую им упругость. Далее три опоры средства радиального деформирования устанавливают в пазы подвижного фланца так, чтобы внутренние поверхности опор касались наружных поверхностей колец в пакете в его расчетных зонах. Сжатие пакета поршневых колец в радиальном направлении осуществляется тремя опорами при помощи перемещения регулировочного болта на требуемую деформацию. Деформированный таким образом пакет поршневых колец фиксируют между подвижным и неподвижным фланцами затягиванием гайки, установленной на цилиндрическом стержне с резьбой, жестко закрепленном на неподвижном фланце средства осевого сжатия. А затем средство радиального деформирования пакета поршневых колец снимается с пакета поршневых колец. Далее пакет поршневых колец подвергается термообработке. По мнению авторов прототипа режим термообработки набранных таким образом поршневых колец в пакет должен обеспечить снятие внутренних напряжений в материале колец и зафиксировать заданную форму деформации колец в свободном состоянии.
Недостатком использования устройства для термофиксации колец в пакете по прототипу является то, что оно не обеспечивает требуемую форму поршневых колец в свободном состоянии и как следствие сами кольца не дают соответствующую оптимальную эпюру радиальных давлений на зеркало цилиндра двигателя внутреннего сгорания в процессе его работы. В результате в процессе работы двигателя внутреннего сгорания возможно неплотное прилегание колец к зеркалу цилиндра и прорыв газов через неплотности. Будут наблюдаться падение мощности, повышенный расход смазочного материала и пониженный моторесурс двигателя внутреннего сгорания.
Причиной получения неудовлетворительной формы поршневых колец в свободном состоянии по прототипу является то, что перед термофиксацией деформированного пакета колец как в осевом, так и в радиальном направлениях средство радиального деформирования пакета поршневых колец снимается с пакета. Оставшегося средства осевого сжатия пакета поршневых колец будет недостаточно для надежной фиксации расчетных радиальных деформаций в заданных трех зонах пакета поршневых колец в процессе его термофиксации. Дело в том, что в расчетных трех зонах поршневых колец, в их поперечных сечениях, в процессе радиальной деформации будут возникать внутренние радиальные силы сопротивления, равные по величине и противоположно направленные внешним радиальным силам, которые создаются средством радиального деформирования пакета поршневых колец. После снятия средства радиального деформирования пакета поршневых колец внутренние радиальные силы, направленные от продольной оси пакета поршневых колец, остаются свободными. И уже в процессе термофиксации пакета поршневых колец возникающие напряжения в поршневых кольцах от температурных изменений (нагрев до высокой температуры и охлаждение) будут способствовать внутренним радиальным силам, действующим в поперечных сечениях деформированных колец, восстанавливать первоначальную форму колец, которая была еще до воздействия на пакет поршневых колец средством радиального деформирования. Таким образом, удержать деформированные поршневые кольца от перемещений в радиальном направлении в заданных расчетных зонах только за счет сил трения, возникающих между поверхностями торцов колец в пакете, сжатом в осевом направлении, практически невозможно. Для устранения такого недостатка необходимы внешние радиальные силы, которые могли бы препятствовать местным перемещениям в расчетных зонах поршневых колец в процессе термофиксации поршневых колец.
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) посредством использования оригинального приспособления, позволяющего не только сжимать пакет поршневых колец в осевом направлении и деформировать его в радиальном направлении, но самое главное, надежно фиксировать пакет поршневых колец в деформированном состоянии как в осевом, так и радиальном направлениях в процессе термофиксации.
Задача достигается путем использования устройства для термофиксации поршневых колец в пакете, содержащего разводящую вставку, выполненную с возможностью размещения в замках поршневых колец, средство осевого сжатия пакета поршневых колец, выполненное в виде связанных между собой верхнего подвижного и нижнего неподвижного фланцев, и средство радиального деформирования пакета поршневых колец, включающее регулировочный болт и три опоры с возможностью касания их внутренними поверхностями наружных поверхностей колец, причем одна опора - спинки колец, а две опоры - 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, при этом расстояние между двумя опорами в плоскости установлено меньшим размера колец на величину их деформации для повышения радиальных давлений в зоне замков и обеспечения минимальных давлений в кольцах, где согласно изобретению две опоры средства для термофиксации поршневых колец в пакете жестко закреплены на нижнем неподвижном фланце, а их свободные концы с резьбой свободно входят в соответствующие сквозные пазы, выполненные на краях верхнего подвижного фланца, при этом продольные оси пазов располагаются параллельно друг другу и симметрично диаметральной оси пакета поршневых колец, проходящей через замок, продольную ось пакета поршневых колец и спинку колец, а третья опора подвижная и представляет собой болт, свободно установленный в сквозные пазы верхнего подвижного и нижнего неподвижного фланцев, выполненные друг над другом на краях последних, симметрично друг другу, и их продольные оси направлены по радиусу пакета поршневых колец к его продольной оси и совпадают с диаметральной вертикальной плоскостью пакета поршневых колец, проходящей через замок, продольную ось пакета поршневых колец и спинку колец, при этом верхний конец с резьбой подвижной опоры свободно входит в сквозной паз верхнего подвижного фланца, а головка нижнего конца подвижной опоры свободно контактирует с нижней поверхностью нижнего неподвижного фланца так, что подвижная опора может перемещаться в сквозных пазах верхнего подвижного и нижнего неподвижного фланцев в диаметральной вертикальной плоскости пакета поршневых колец при помощи регулировочного болта, находящегося в резьбовом отверстии вертикальной стойки, жестко закрепленной на радиальном выступе круглой пластины, на которой установлен пакет поршневых колец вместе с верхним подвижным и нижним неподвижным фланцами, и для свободного перемещения подвижной опоры под ее головкой в теле круглой пластины и в ее радиальном выступе со стороны верхней поверхности выполнен глухой паз в радиальном направлении, а регулировочный болт вертикальной стойки упирается в наружную поверхность подвижной опоры в середине ее длины, перпендикулярно ее оси, при этом нижний неподвижный фланец имеет круглое сквозное отверстие, продольная ось которого совпадает с продольной осью пакета поршневых колец и с продольной осью цилиндрического выступа круглой пластины, который свободно входит в круглое отверстие нижнего неподвижного фланца.
Наличие изобретения в предлагаемом устройстве для термофиксации поршневых колец в пакете доказывается тем, что две опоры жестко закреплены на нижнем неподвижном фланце, а их свободные концы с резьбой свободно входят в соответствующие сквозные пазы, выполненные на краях верхнего подвижного фланца, при этом продольные оси пазов располагаются параллельно друг другу и симметрично диаметральной оси пакета поршневых колец, проходящей через замок, продольную ось пакета поршневых колец и спинку колец, а третья опора подвижная и представляет собой подвижный болт, свободно установленный в сквозные пазы верхнего подвижного и нижнего неподвижного фланцев, выполненные друг над другом на краях последних симметрично друг другу, и их продольные оси направлены по радиусу пакета поршневых колец к его продольной оси и совпадают с диаметральной вертикальной плоскостью пакета поршневых колец, проходящей через замок, продольную ось пакета поршневых колец и спинку колец, при этом верхний конец с резьбой подвижной опоры свободно входит в сквозной паз верхнего подвижного фланца, а головка нижнего конца подвижной опоры свободно контактирует с нижней поверхностью нижнего неподвижного фланца так, что подвижная опора может перемещаться в сквозных пазах верхнего подвижного и нижнего неподвижного фланцев в диаметральной вертикальной плоскости пакета поршневых колец при помощи регулировочного болта, находящегося в резьбовом отверстии вертикальной стойки, жестко закрепленной на радиальном выступе круглой пластины, на которой установлен пакет поршневых колец вместе с верхним подвижным и нижним неподвижным фланцами, и для свободного перемещения подвижной опоры под ее головкой в теле круглой пластины и в ее радиальном выступе со стороны верхней поверхности выполнен глухой паз в радиальном направлении, а регулировочный болт вертикальной стойки упирается в наружную поверхность подвижной опоры в середине ее длины, перпендикулярно ее оси, при этом нижний неподвижный фланец имеет круглое сквозное отверстие, продольная ось которого совпадает с продольной осью пакет поршневых колец и с продольной осью цилиндрического выступа круглой пластины, который свободно входит в круглое отверстие нижнего неподвижного фланца.
Оригинальность предлагаемого устройства для термофиксации поршневых колец в пакете заключается в том, что все три опоры способствуют не только радиальной деформации пакета поршневых колец, но и являются средством осевого сжатия. И главное это то, что после снятия устройства радиального сжатия пакета поршневых колец, состоящего из круглой пластины с радиальным выступом, к которому жестко прикреплена вертикальная стойка с регулировочным болтом, термофиксация пакета поршневых колец протекает вместе с оставшимися тремя опорами. Именно от того, что все три опоры являются еще и средством осевого сжатия пакета поршневых колец, они надежно удерживают пакет поршневых колец в радиальном деформированном состоянии в течение всего технологического процесса термофиксации.
Посредством предлагаемого устройства для термофиксации поршневых колец в пакете можно получить поршневые кольца после термофиксации в свободном состоянии, обладающие требуемой формой, которые могут дать соответствующую оптимальную эпюру радиальных давлений на зеркало цилиндра двигателя внутреннего сгорания. Прорыв газов через неплотности уменьшится, мощность двигателя увеличится, расход топлива и смазочного материала уменьшится, а моторесурс двигателя возрастет.
Устройство для термофиксации поршневых колец в пакете поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен продольный разрез пакета поршневых колец в сборе с устройством для его термофиксации.
На фиг.2 изображен вид сверху фиг.1 (гайки 9 на опорах 5, 6 и 7 условно не показаны).
На фиг.3 изображен вид слева фиг.1.
На фиг.4 изображен разрез А-А фиг.1.
Предлагаемое устройство для термофиксации поршневых колец в пакете содержит пакет поршневых колец 1 с разводящей вставкой 2, средство осевого сжатия, включающее верхний подвижный фланец 3 и нижний неподвижный фланец 4, которые связаны между собой опорами 5, 6 и 7, представляющими собой цилиндрические болты, каждый из которых имеет на верхнем конце резьбу 8 и гайку 9 для осевой стяжки пакета поршневых колец 1 (фиг.1, фиг.3).
Две опоры 5 и 6 неподвижны и жестко закреплены на нижнем неподвижном фланце 4, а их свободные концы с резьбой 8 свободно входят в сквозные пазы 10 и 11 соответственно, выполненные на краях верхнего подвижного фланца 3, при этом продольные оси 12 и 13 пазов 10 и 11 располагаются параллельно друг другу и симметрично диаметральной оси 14 пакета поршневых колец 1, проходящей через замок 15, продольную ось Z пакета поршневых колец 1 и спинку 16 поршневых колец 1 (фиг.2, фиг.3).
Третья опора 7 подвижная и свободно установлена в сквозные пазы 17 и 18 верхнего подвижного 3 и нижнего неподвижного 4 фланцев, выполненные друг над другом на краях последних, симметрично друг другу (фиг.1, фиг.2). Продольные оси пазов 17 и 18 направлены по радиусу пакета поршневых колец 1 к его продольной оси Z и совпадают с диаметральной вертикальной плоскостью пакета поршневых колец 1, проходящей через замок 15, продольную ось Z и спинку 16 поршневых колец в пакете 1.
Головка 19 подвижной опоры 7 свободно контактирует с нижней поверхностью 20 нижнего неподвижного фланца 4 (фиг.1, фиг.2). Подвижная опора 7 может перемещаться в сквозных пазах 17 и 18 верхнего подвижного 3 и нижнего неподвижного 4 фланцев в диаметральной вертикальной плоскости пакета поршневых колец 1 при помощи устройства радиального сжатия пакета поршневых колец 1, включающего регулировочный болт 21, который находится в резьбовом отверстии 22 вертикальной стойки 23, жестко закрепленной на радиальном выступе 24 круглой пластины 25, на которой установлен пакет поршневых колец 1 вместе с верхним подвижным 3 и нижним неподвижным 4 фланцами (фиг.1, фиг.4).
Для свободного перемещения подвижной опоры 7 под ее головкой 19 в теле круглой пластины 25 и в ее радиальном выступе 24 со стороны верхней поверхности 26 выполнен глухой паз 27 в радиальном направлении, а регулировочный болт 21 вертикальной стойки 23 упирается в наружную поверхность 28 подвижной опоры 7 в середине ее длины и перпендикулярно ее оси 29 (фиг.1). Нижний неподвижный фланец 4 имеет круглое сквозное отверстие 30, продольная ось которого совпадает с продольной осью Z пакета поршневых колец 1 и с продольной осью цилиндрического выступа 31 круглой пластины 25, который свободно входит в круглое отверстие 30 нижнего неподвижного фланца 4.
Нахождение цилиндрического выступа 31 круглой пластины 25 в круглом отверстии 30 нижнего неподвижного фланца 4 необходимо для того, чтобы нижний неподвижный фланец 4, на котором установлен пакет поршневых колец 1, и круглая пластина 25 устройства радиального деформирования пакета поршневых колец 1 были взаимосвязаны и не перемещались относительно друг друга в процессе радиального деформирования пакета поршневых колец 1 регулировочным болтом 21 через подвижную опору 7.
Для термофиксации поршневые кольца собирают в пакет 1 вместе с разводящей вставкой 2, помещенной в замках 15 поршневых колец, и устанавливают на нижний неподвижный фланец 4 так, чтобы наружная поверхность пакета поршневых колец 1 со стороны той части пакета поршневых колец 1, где находятся замки поршневых колец 15 вместе с разводящей вставкой 2, касались внутренних поверхностей двух неподвижных, жестко закрепленных на нижнем неподвижном фланце 4, опор 5 и 6, а продольная ось Z пакета поршневых колец 1 совпадала с продольной осью отверстия 30 нижнего неподвижного фланца 4 (фиг.1, фиг.4). Затем на пакет поршневых колец 1 устанавливается верхний подвижный фланец 3 так, чтобы верхние концы с резьбой 8 неподвижных опор 5 и 6 вышли из сквозных пазов 10 и 11 соответственно, а в пазы 17 и 18 верхнего подвижного фланца 3 и нижнего неподвижного фланца 4 соответственно вставляется подвижная опора 7 так, чтобы ее поверхность касалась наружных поверхностей спинок 16 поршневых колец в пакете 1 по всей его высоте, верхний конец с резьбой 8 выходил из сквозного паза 17 верхнего подвижного фланца 3, а нижняя часть подвижной опоры 7 - головка 19, вошла в контакт с нижней поверхностью 20 нижнего неподвижного фланца 4 (фиг.1, фиг.4).
После этого на резьбовые концы 8 всех трех опор 5, 6, 7 навинчиваются гайки 9 и производится предварительное неокончательное осевое сжатие пакета поршневых колец 1, позволяющее установить последний на круглую пластину 25 устройства радиальной деформации пакета поршневых колец 1 (фиг.1, фиг.2). Цилиндрический выступ 31 круглой пластины 25, выполненный в ее центре, должен свободно войти в круглое отверстие 30 нижнего неподвижного фланца 4, головка 19 подвижной опоры 7 должна свободно войти в глухой паз 27, выполненный на верхней поверхности круглой пластины 25 и радиального выступа 24, а продольная ось регулировочного болта 21, находящегося в резьбовом отверстии 22 вертикальной стойки 23, должна быть направлена перпендикулярно продольной оси 29 подвижной опоры 7, при этом сам регулировочный болт 21 своим концом должен упираться в наружную поверхность 28 подвижной опоры 7 в середине ее длины (фиг.1).
Радиальная деформация пакета поршневых колец 1 осуществляется неподвижными опорами 5 и 6 и подвижной опорой 7 путем перемещения регулировочного болта 21 в резьбовом отверстии 22 вертикальной стойки 23 и воздействия на подвижную опору 7 (фиг.1). В результате подвижная опора 7 перемещает пакет поршневых колец 1 вместе с верхним подвижным фланцем 3 и нижним неподвижным фланцем 4 по верхней поверхности 26 круглой пластины 25 устройства радиального деформирования до тех пор, пока не выберется радиальный зазор между сквозным отверстием 30 нижнего неподвижного фланца 4 и цилиндрическим выступом 31 круглой пластины 25 (фиг.1). В этот момент взаимное и противоположное друг другу перемещение пакета поршневых колец 1 с верхним 3 и нижним 4 фланцами и устройства радиальной деформации, включающего круглую пластину 25 с радиальным выступом 24, вертикальную стойку 23 с регулировочным болтом 21, прекращается, а дальнейшее перемещение регулировочного болта 21 в резьбовом отверстии 22 вертикальной стойки 23 должно осуществляться на требуемую величину деформации пакета поршневых колец 1.
Далее пакет поршневых колец 1 фиксируют в деформированном состоянии между верхним подвижным фланцем 3 и нижним неподвижным фланцем 4 путем окончательного затягивания гаек 9 на неподвижных опорах 5 и 6 и на подвижной опоре 7, а средство радиального деформирования пакета поршневых колец 1, включающее круглую пластину 25 с радиальным выступом 24, к которому жестко прикреплена вертикальная стойка 23 с регулировочным болтом 21, снимается (фиг.1, фиг.2). Набранный таким образом пакет поршневых колец 1 подвергается термообработке.
Режим термообработки пакета поршневых колец 1 вместе с оставшимися тремя опорами 5, 6, 7, которые надежно удерживают пакет поршневых колец 1 в радиальном и осевом деформированном состоянии, должен обеспечить снятие внутренних напряжений в материале поршневых колец и зафиксировать заданную форму колец в свободном состоянии.
Технико-экономический эффект предлагаемого устройства заключается в том, что имеется возможность изготовить поршневые кольца с необходимым радиальным давлением на зеркало цилиндра двигателя, что уменьшит прорыв газов через неплотности, мощность двигателя увеличится, расход топлива и смазочного материала уменьшится, а моторесурс двигателя возрастет.