ЦИЛИНДРОПОРШНЕВАЯ ГРУППА
CYLINDER-PISTON GROUP

Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкциям тронковых поршневых машин, а именно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), поршневым компрессорам и насосам, и направлено на улучшение их виброакустических характеристик и снижение трения и износа.
Известно, что при работе поршневых машин возникают ударные импульсы при перекладках поршня в цилиндре, в сочленениях шатуна с поршнем, в шатунных подшипниках коленчатого вала, при работе форсунок, впускных и выпускных клапанов, зубчатых парах и т.д.
Величина и характер вибрации двигателя зависят как от числа, величины, характера, места и способа приложения возмущающих сил, так и от свойств поршневой машины как колебательной системы.
Центрами возбуждения колебаний в механизмах являются зоны контакта деталей в момент их соударения.
Фактором, вызывающим наибольший уровень вибраций поршневых машин, являются удары по зеркалу втулок цилиндров, вызванных перекладкой поршня в тепловом зазоре под воздействием нормальной составляющей силы (см.:
1. Безюков O.K., Афанасьева О.В. Безразмерные комплексы для оценки виброактивности судовых дизелей. // Эксплуатация морского транспорта. - СПб.:, 2008, №4, - С.56-59.
2. Афанасьева, О.В. Вибродиагностирование технического состояния судовых дизелей по критериям подобия: автореф. дис. … канд. техн. наук. / О.В.Афанасьева. - СПб.:, СПГУВК, 2004. - 23 с).
Известен поршень по авторскому свидетельству СССР №1019093, МПК F02F 3/00, опубл. 23.05.1983 г., бюл. №19, содержащий головку и юбку (тронк) и связанный с шатуном при помощи поршневого пальца, который снабжен ползуном, установленным шарнирно на поршневом пальце, а юбка выполнена с двумя сквозными окнами для размещения ползуна, расположенными симметрично относительно оси поршневого пальца.
Известное техническое решение обладает следующими недостатками:
1) сложностью конструкции, повышающую трудоемкость изготовления, сборки и ремонта поршня, повышенной массой;
2) асимметрией относительно продольной и поперечной осей, приводящей к неравномерному тепловому расширению во время работы двигателя;
3) неравномерной жесткостью конструкции юбки (тронка);
4) ограниченными возможностями оптимального размещения поршневых компрессионных и маслосъемных колец;
5) большой поверхностью трения между ползуном и зеркалом втулки цилиндра;
6) повышенной виброактивностью ДВС, так как необеспечена соосность цилиндра и поршня, имеющего возможность проворачиваться вокруг оси поршневого пальца и ползуна и ударять о цилиндр нижней кромкой юбки (тронка) и верхней кромкой головки.
В АС №1019093 только декларируется возможность теплоизоляции ползуна, но оно в описании изобретения не приведено. Кроме того, тепловому расширению подвергается не только поршень и ползун, но и втулка, что исключает возможность получения значительного эффекта при применении данной конструкции. Данное техническое решение невозможно применить в существующих конструкциях поршней.
Известен двигатель с возвратно-поступательным перемещением рабочего органа по патенту РФ №1272999, МПК F02F 3/00, опубл. 23.11.1986 г., бюл. №43, содержащий цилиндр, поршень с юбкой, которая снабжена по меньшей мере двумя отверстиями, выполненными на ее противоположных сторонах, и роликами с расположенными между ними упругими элементами.
Известное техническое решение обладает следующими недостатками:
1) сложностью конструкции, повышающую трудоемкость изготовления, сборки и ремонта поршня, повышенной массой;
2) асимметрией относительно продольной и поперечной осей, приводящей к неравномерному тепловому расширению во время работы двигателя;
3) неравномерной жесткостью конструкции юбки (тронка);
4) ограниченными возможностями оптимального размещения поршневых компрессионных и маслосъемных колец;
5) малой долговечностью роликов и упругих элементов, контактирующих с прорывающимися через поршневые кольца газами и продуктами изнашивания поршня, колец и втулки;
6) повышенной виброактивностью ДВС, так как поршень имеет возможность проворачиваться вокруг осей поршневого пальца и роликов и ударять о цилиндр нижней кромкой юбки (тронка) и верхней кромкой головки (см. Павлов Е.П. Расчетное исследование перекладки поршня с целью оптимизации конструктивных соотношений цилиндро-поршневой группы дизеля / Е.П.Павлов, А.Л.Бережнев, И.Н.Малинина. // Двигателестроение. - 2001. - №1. - С.10-12).
Кроме того, конструкция роликов не будет обладать необходимой долговечностью, так как при возвратно-поступательном движении поршня высокооборотного дизеля типа КАМАЗ ЧН 12/12 частота вращения роликов будет составлять более 10 тысяч оборотов в минуту, что приведет к интенсивному изнашиванию и потере упругости контактирующих с роликами спиральной или дисковых пружин.
В качестве прототипа выбран поршень двигателя внутреннего сгорания (см. Патент JP 58-59340, МПК F02F 3/00; F16J 9/06; F16J 9/20), который направлен на сокращение расхода моторного масла в поршневой машине (ДВС).
Это техническое решение не решает проблему снижения вибрации ДВС, вызванную перекладкой поршня в зазоре между его тронком и зеркалом втулки цилиндра (см. Афанасьева О.В. Вибродиагностирование технического состояния судовых дизелей по критериям подобия: автореф. дис. … канд. техн. наук. / О.В.Афанасьева. СПб.: СПГУВК, 2004. - 23 с).
Авторами предложена цилиндропоршневая группа поршневой машины, обеспечивающая повышение ее надежности путем снижения уровня вибрации и трения между тронковой частью поршня и зеркалом втулки цилиндра за счет введения в конструкцию поршня демпфирующего устройства, установленного во внутренней полости пальца и состоящего из двух вставок и пружины сжатия, расположенной между вставками.
Зазоры между вставкой и внутренними поверхностями пальца (δ) меньше, чем зазор между тронком поршня и зеркалом втулки цилиндра (Δ).
Поверхности вставок, контактирующих с зеркалом втулки цилиндра, в плоскости, перпендикулярной движению поршня, имеют радиус, равный половине внутреннего диаметра втулки цилиндра в ее рабочем состоянии.
Поверхности вставок, контактирующих с зеркалом втулки цилиндра, в вертикальной плоскости имеют по 2 фаски под утлом 30'…5°, разделенные посередине цилиндрическими поясками, составляющими 10…50% высоты вставок.
Вставки могут быть выполнены из черных и цветных металлов, неметаллических и/или вибродемпфирующих, и/или вибропоглощающих материалов (металлополимерных многофункциональных композиционных материалов, керамоматричных композитов на основе высокотемпературных карбидкремниевых структур; функционально-градиентных и слоистых металлокомпозитов и др.).
На всю или только на примыкающую к зеркалу втулки цилиндров наружную поверхность вставок могут быть нанесены одно- или многослойные антифрикционные покрытия, в том числе тонкопленочные.
Вставки могут быть выполнены в виде собой П-образные конструкции, открытые стороны которых направлены во внутреннюю часть поршня.
Вставки могут быть выполнены в виде цилиндрических оболочек, причем торцевые поверхности вставок в плоскости, перпендикулярной движению поршня и прилегающие к зеркалу втулки цилиндра, выполнены по радиусу, равному половине внутреннего диаметра втулки цилиндра в ее рабочем состоянии, а противоположные торцевые поверхности - перпендикулярно к продольной оси вставок.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:
на фиг.1 показан продольный разрез цилиндропоршневой группы и зазоры между поршнем и зеркалом втулки цилиндра, а также между вставками и внутренней поверхностью поршневого пальца;
на фиг.2 показан поперечный разрез цилиндропоршневой группы выполнением поверхности вставок, прилегающей к зеркалу втулки цилиндров, по радиусу, равному половине внутреннего диаметра втулки в ее рабочем состоянии;
на фиг.3 показаны вставки, имеющие на поверхностях, прилегающих к зеркалу втулки цилиндров, по 2 фаски, разделенные посередине цилиндрическими поясками;
на фиг.4 показан фрагмент маслоудерживающего микрорельефа, выполненный на поверхностях вставок, контактирующих с зеркалом втулки цилиндра.
на фиг.5 показано антифрикционное покрытие торцевых поверхностей вставок;
на фиг.6 показаны масляные каналы, соединяющие поверхности вставок, прилегающие к зеркалу втулки цилиндров, с подшипниками, выполненными в бобышках поршня и/или в верхней головке шатуна;
на фиг.7 показаны вставки, выполненные составными из материалов с различными вибродемпфирующими и вибропоглощающими свойствами.
на фиг.8 показано полое выполнение вставок;
на фиг.9 показана П-образная конструкция вставок;
на фиг.10 показаны вставки, выполненные в виде цилиндрических оболочек.
Цилиндропоршневая группа поршневой машины содержит втулку цилиндра 1, поршень 2 с бобышками 3, компрессионные и маслосъемные кольца 4, полый поршневой палец 5, вставки 6 и 7, пружину 8, регулировочные шайбы 9, антифрикционное покрытие 10, масляные каналы 11, 12 и 13, шайбу из металла 14, шайбу 15 из вибродемпфирующего материала, шайбу 16 из вибропоглощающего материала.
Предложенное устройство работает следующим образом.
На неработающем двигателе под воздействием вставок 6 и 7 в поршневой палец 5 и пружины сжатия 8 поршень 2 занимает центральное положение, при котором его продольная и поперечная оси совпадает с осями втулки цилиндра 1, а тепловой зазор Δ имеет одинаковую величину по всей окружности тронка поршня.
За счет того, что поверхности вставок 6 и 7, контактирующие с зеркалом втулки цилиндра 1, имеют радиус R, в плоскости, перпендикулярной движению поршня 2, равный половине диаметра (D), втулки цилиндра 1 (в рабочем состоянии) R=D/2, обеспечивается плотное прилегание вставок 6 и 7 к поверхности зеркала втулки цилиндра 1.
Во время работы поршневой машины величина нормальной составляющей движущей силы, действующей на поршень 2, изменяет свою величину и направление (см. Параграф 8.5. Суммарные силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме с.167-170, рис.8.4. Построение сил по углу поворота кривошипа. // Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. - М.: Высш. Шк., 2002. - 496 с).
При изменении знака действия нормальной силы, то есть в мертвых точках, происходит перекладка поршня 2. При этом число перекладок зависит от особенностей конструкции и режима работы поршневой машины и может насчитывать от 6 до 9.
Наибольший размах имеют колебания втулки, вызванные ударом поршня вблизи верхней мертвой точки на рабочем такте. При этом величина кинетической энергии колебательного движения втулки цилиндров и других деталей остова будет пропорциональна величине зазора между тронком поршня 2 и зеркалом цилиндра 1 в степени 4/3.
Процесс перекладки поршня состоит из двух фаз. В первой фазе, где доминирует поперечное перемещение поршня, происходит удар о зеркало втулки нижней кромкой тронка. Во второй фазе доминирует вращение поршня, в результате которого имеет место его удар о втулку верхней частью тронка.
Для того чтобы уменьшить ударный импульс, в полом поршневом пальце 5 установлен демпфер, представляющий собой две вставки 6 и 7, имеющие специальную форму, прижатые к зеркалу втулки цилиндра при помощи пружины 8. Степень сжатия пружины 8 регулируется шайбами 9. Пружина 8, прижимая вставки к зеркалу втулки цилиндра 1, постоянно находится в сжатом состоянии. При этом сила ее сжатия пропорциональна значению максимальной нормальной составляющей движущей силы и создает удельное давление на зеркало втулки цилиндра, примерно равное удельному давлению поршневых колец.
Упругие силы пружины прижимают вставки 6 и 7 к поверхности зеркала втулки цилиндра 1 и препятствуют перемещению поршня 2 в тепловом зазоре между тронком и внутренней поверхностью втулки цилиндра 1, уменьшая интенсивность ударов после прохождения мертвых точек, когда сила сжатия пружин станет меньше нормальной составляющей силы.
В результате уровень шума и вибрации дизеля как новой, так и особенно изношенной поршневой машины обусловлен величиной ударного импульса, сообщаемого втулке цилиндра поршнем в конце каждой его перекладки (см. Баранов Л.Г. Виброакустический метод диагностики цилиндро-поршневой группы ДВС. / Л.Г.Баранов [и др.] // Судостроение. - 1976. - №11. - С.26-29).
Для уменьшения сил трения на торцевых поверхностях вставок 6 и 7, примыкающих к зеркалу втулки цилиндра 1, выполнены фаски, создающие масляные клинья при возвратно-поступательном движении поршня 2 (фиг.3).
Для уменьшения сил трения на торцевых поверхностях вставок 6 и 7 выполнен маслоудерживающий микрорельеф (фиг.4), антифрикционное покрытие (фиг.5).
Для уменьшения сил трения и температуры может быть организована принудительная смазка моторным маслом торцевых поверхностей вставок 6 и 7 с помощью масляных каналов 11, 12 и 13 (фиг.6).
Для уменьшения высокочастотных колебаний вставки 6 и 7 могут быть выполнены составными из материалов с различными вибродемпфирующими и вибропоглощающими свойствами (фиг.7). В этом случае вставки состоят из металлических 14, вибродемпфирующих 15, из вибропоглощающих шайб 16.
Для уменьшения сил массы, а следовательно, сил инерции деталей поршневого комплекта вставки 6 и 7 могут быть выполнены полыми (фиг.8), П-образными (фиг.9) или в виде цилиндрических оболочек (фиг.10).
Таким образом, данное техническое решение существенно улучшает виброакустические характеристики поршневых машин, поскольку наиболее интенсивным источником вибрации и, как следствие, шума являются колебания цилиндровых втулок и блоков, возникающие в результате перекладок и кантования поршней в пределах теплового зазора.
Кроме того, снижение интенсивности перекладок и кантования поршней уменьшает износ поршневых колец и поршневых канавок, расход масла на угар.
По мере изнашивания тронка поршня и зеркала втулки цилиндра эффект от предлагаемого демпфирующего устройства возрастает.