ЦИЛИНДРО-ПОРШНЕВОЙ МЕХАНИЗМ

Область применения: все области техники, где используются такие механизмы.
Известен цилиндро-поршневой механизм, широко используемый в двигателях внутреннего сгорания (см. Кузьмин Г.А. "Конструкция авиационных двигателей", Государственное научно-техническое изд-во Оборонгиз, М. 1962, стр.365, фиг.18.5). Этот механизм содержит цилиндр, поршень с уплотнительными и маслосбрасывающими кольцами, поршневой палец и кривошипно-шатунный механизм привода.
Недостатком этого механизма является ограниченный ресурс из-за износа внутренней стенки цилиндра вследствие трения о нее уплотнительных колец под действием бокового давления со стороны кривошипно-шатунного привода,
при этом износ стенки цилиндра становится неравномерным, увеличивается зазор между стенкой цилиндра и поршнем, что способствует прорыву газов из камеры сгорания и снижению эффективности работы цилиндро-поршневого механизма.
Наиболее близким техническим решением заявляемому механизму является плунжерный насос, используемый для подачи топлива в авиационной технике (см. Кузьмин Г.А. "Конструкция авиационных двигателей", Государственное научно-техническое изд-во Оборонгиз, М. 1962 г. стр.312, фиг.15,б). Плунжерный насос содержит: цилиндр, поршень, шток, соединенный с плунжером (поршнем) и приводным механизмом.
Недостатком плунжерного насоса также является ограниченный ресурс из-за износа внутренней стенки цилиндра, поскольку плунжер не имеет уплотнительных колец их функцию выполняет зазор между плунжером и стенкой цилиндра, являясь, по сути дела, щелевым уплотнением. Для этого цилиндр насоса делается длинномерным, чтобы повысить гидравлическое сопротивление зазора и, тем самым, его уплотнительные свойства. Вместе с тем увеличение протяженности цилиндра увеличивает поверхность трения и, чтобы его уменьшить, приходится зазор делать достаточно большим. Получается, что оба фактора: и величина зазора и трение, которое несмотря на увеличенный зазор все же будет иметь место из-за боковых смещений (качаний) плунжера, приводят к преждевременному износу и снижению эффективности работы плунжерного насоса.
Технический результат достигается тем, что в цилиндро-поршневом механизме поршень выполнен ступенчатым, для чего нижняя часть поршня (юбка) сделана меньшего диаметра, чем его верхняя (рабочая) часть, которая входит в цилиндр на широкоходовой посадке. Вблизи границы между верхней частью поршня и юбкой помещено маслосбрасывающее кольцо, а зазор между юбкой поршня и стенкой цилиндра заполнены мелкими шариками одного и того же размера примерно на 75% объема. Для того чтобы шарики не выпадали из этого зазора, на юбке поршня помещен фиксирующий элемент, например в виде гайки, навернутой на резьбовой конец юбки.
Наличие шариков обеспечивает надежную центровку поршня относительно стенок цилиндра, позволяет уменьшить зазор между ними, исключая их взаимное касание и, таким образом, увеличить ресурс механизма благодаря отсутствию в этой паре трения.
Схема предлагаемого цилиндро-поршневого механизма приведена на чертеже.
Этот механизм содержит цилиндр 1 с внутренней стенкой 2. В цилиндре 1 находится поршень 3, который выполнен ступенчатым - верхняя часть 4 поршня 3 имеет больший диаметр, чем его юбка 6, и помещена в цилиндр 1 на широкоходовой посадке, т.е. с очень малым зазором - 10μ, и несет на себе маслосбрасывающее кольцо 5. Юбка 6 поршня 3, в которую встроен полый палец 7 с торцевыми заглушками 8, служащий для соединения с приводом 9, образует со стенкой 2 кольцевой объем, куда помещены шарики 10. Выпадению шариков 10 из кольцевого объема препятствует гайка 11, навернутая на резьбовой конец
юбки 6 с зазором по отношению к стенке 2, не превышающим половину диаметра шариков. Торцевые заглушки 8 предохраняют палец 7 от попадания в него шариков 10.
Для лучшей центровки, в особенности длинномерного поршня 3, и повышения надежности уплотнения на верхней части 4 поршня 3 дополнительно может быть установлен сепаратор 12 с подшипниками 13, позволяющий увеличить стабильность центровки и уплотнения зазора между поршнем 3 и стенкой цилиндра 1.
Принцип действия цилиндро-поршневого механизма состоит в следующем. Во время работы поршень 3 совершает в цилиндре 1 возвратно-поступательное движение, передавая его через палец 7 с заглушками 8 на механическую часть 9.
Вследствие строгого центрирования шариками 10 юбки 6 относительно стенки 2 цилиндра 1 верхняя часть 4 поршня 3 не касается стенки 2, благодаря чему трение здесь отсутствует. Оно остается только там, где юбка 6 контактирует со стенкой 2 через шарики 10, удерживаемыми гайкой 11. При этом обычное трение скольжения заменяется трением качения. Но так как это трение происходит лишь в точках касания шариков 10 о стенку 2 цилиндра 1 и юбку 6 поршня 3, оно очень мало. К тому же на стенке 2 цилиндра 1 постоянно находится уменьшающая трение масляная пленка, равномерно распределяемая маслосбрасывающим кольцом 6.
Возможная постановка сепаратора 12 с подшипниками 13 позволяет улучшить стабильность центровки и уплотнения зазора между поршнем 3 и стенкой цилиндра 1.
Такие условия работы цилиндро-поршневого механизма резко снижают износ его элементов и, следовательно, значительно повышают его ресурс. Кроме того, поскольку зазор между верхней частью 4 поршня 3 и стенкой 2 цилиндра 1 очень мал, у маслосбрасывающего кольца 5 он отсутствует вовсе, а совокупность шариков 10 создает очень надежный уплотнительный лабиринт, что соответственно повышает эффективность работы цилиндро-поршневого механизма.