ПОРШНЕВОЙ УЗЕЛ
PISTON ASSEMBLY

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в качестве маслосъемных колец, устанавливаемых на поршнях двигателей внутреннего сгорания или компрессоров.
Аналогом предлагаемого устройства является маслосъемное кольцо, состоящее из кольца коробчатого сечения с верхним и нижним скребками, размещенное в канавке поршня, и экспандер, расположенный между скребками кольца (а.с. СССР №1390458, МПК F16J 9/20). Экспандер имеет боковую рабочую поверхность, которая контактирует с поверхностью цилиндра. Нижний скребок кольца расположен под некоторым углом к поверхности канавки поршня и соответственно к зеркалу цилиндра.
При движении поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке при подходе поршня к нижней мертвой точке под действием силы инерции от массы экспандера нижний скребок стремится занять положение, параллельное верхнему скребку. В результате увеличивается радиальное давление рабочей кромки нижнего скребка на зеркало цилиндра и повышается маслосбрасывающее действие кольца.
Недостатком такого кольца является то, что повышение маслосбрасывающих функций кольца наблюдается только в нижней части цилиндра, в то время как в верхней части цилиндра, там где высокая температура и вероятность угорания масла выше, маслосбрасывающие функции кольца не улучшаются. Кроме этого при движении поршня к верхней мертвой точке повышенное радиальное давление кольца в нижней части цилиндра остается. Это может вызывать транспортирование части масла к верхней мертвой точке, что нежелательно ввиду повышения расхода масла на угар.
Прототипом предлагаемого изобретения является поршневой узел, состоящий из основного двухскребкового маслосъемного кольца, выполненного из упругого материала, и инерционного элемента с кольцевой проточкой, в которой установлено дополнительное маслосъемное кольцо (а.с. СССР №1724974, МПК F16J 9/00). Дополнительное маслосъемное кольцо поджимается к поверхности цилиндра радиальным плоским расширителем.
Основное маслосъемное кольцо и инерционный элемент с дополнительным маслосъемным кольцом размещены в канавке поршня, при этом инерционный элемент располагается под основным маслосъемным кольцом. Нижний скребок основного маслосъемного кольца расположен под углом к верхней поверхности инерционного элемента и к зеркалу цилиндра.
При движении поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке в первой половине хода под действием силы инерции от массы инерционного элемента и силы трения дополнительного маслосъемного кольца нижний скребок стремится занять положение, параллельное верхнему скребку. В результате увеличивается радиальное давление рабочей кромки нижнего скребка на зеркало цилиндра и повышается маслосбрасывающее действие кольца в верхней части цилиндра. Экономический эффект от применения такого поршневого узла выше, чем у аналога, так как снижается расход масла на угар.
Однако такой поршневой узел имеет недостаток, который заключается в том, что основное маслосъемное кольцо обладает малой упругостью в осевом направлении, в котором действует сила инерции инерционного элемента и сила трения дополнительного маслосъемного кольца. Объясняется это тем, что нижний наклонный скребок образует собой конус с вершиной, направленной вверх. Под действием осевой силы нижний скребок, стремясь занять положение, параллельное верхнему скребку, деформируется не только по сгибу, но одновременно испытывает дополнительную деформацию по окружности. Потребуется относительно большое осевое усилие для деформации такого кольца, а это можно сделать увеличением массы инерционного элемента, что повлечет за собой увеличение массы поршневого узла в целом. Кроме этого кольцо, обладающее малой упругостью в осевом направлении, менее чувствительно к изменению величины осевой нагрузки. А поскольку сила инерции инерционного элемента по ходу перемещения поршня изменяется от максимума до минимума, то активность сброса масла нижним скребком с зеркала цилиндра будет падать при уменьшении величины силы инерции.
Еще один недостаток прототипа заключается в том, что при одновременном увеличении радиального давления на зеркало цилиндра нижним наклонным скребком радиальное давление верхнего скребка ослабляется и маслосбрасывающие функции его падают.
Объясняется это тем, что нижний скребок в поперечном сечении кольца длиннее верхнего, так как является наклонным к зеркалу цилиндра. При стремлении его занять положение, параллельное верхнему, нижний скребок будет сдвигать все кольцо к днищу канавки поршня (реакция от радиального давления наклонного скребка на зеркало цилиндра будет направлена к днищу канавки поршня). Радиальное давление верхнего скребка на зеркало цилиндра будет падать.
Следует добавить, что обязательное применение в прототипе в качестве основного маслосъемного кольца кольца, обладающего упругими свойствами в осевом направлении, сужает диапазон применения данного поршневого узла в машиностроении. В большинстве случаев применяются кольца, изготовленные литьем маслот с дальнейшей обработкой и пластинчатые (В.П.Молдованов, А.Р.Пикман, В.Х.Авербух. Производство поршневых колец двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1980, с.43…45). Устанавливаются маслосъемные кольца часто с радиальными расширителями, обладающими хорошей упругостью в радиальном направлении.
Технической задачей изобретения является уменьшение расхода масла на угар путем обеспечения эффективного удаления масла с поверхности цилиндра.
Задача достигается в поршневом узле, содержащем размещенные в канавке поршня инерционный элемент и маслосъемное кольцо с радиальным плоским многоугольным расширителем, установленное в кольцевой проточке инерционного элемента, а сам инерционный элемент выполнен наружным диаметром, меньшим, чем наружный диаметр маслосъемного кольца, где согласно изобретению окружные поверхности верхнего торца инерционного элемента и верхнего торца поршневой канавки выполнены в виде контактирующих между собой конических поверхностей, вершины конусов которых направлены к нижней мертвой точке, причем образующие конических поверхностей имеют наклон к зеркалу цилиндра, превышающий угол трения между ними.
Новым в предлагаемом поршневом узле является то, что верхний торец инерционного элемента и верхний торец поршневой канавки скошены, их окружные поверхности обращены друг к другу и контактируют между собой, при этом скошенные поверхности наклонены под углом больше, чем угол трения, и направлены от оси поршня к зеркалу цилиндра вверх. Это позволяет при движении поршня и возникающих сил инерции перемещающегося инерционного элемента автоматически регулировать через многоугольный расширитель радиальное давление маслосъемного кольца на стенку цилиндра с целью эффективного удаления масла с поверхности цилиндра. К тому же предлагаемый поршневой узел является более универсальным. В нем можно использовать маслосъемное кольцо любой конструкции с радиальным плоским расширителем.
Использование изобретения улучшит маслосбрасывающие функции кольца, что обеспечит уменьшение расхода масла на угар.
Поршневой узел поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен поршневой узел при положении поршня вблизи нижней мертвой точки в процессе движения его от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке.
На фиг.2 изображен поршневой узел при положении поршня вблизи верхней мертвой точки в процессе движения его от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке.
На фиг.3 изображен поршневой узел при положении поршня вблизи верхней мертвой точки в процессе движения его от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке.
На фиг.4 изображен поршневой узел при положении поршня вблизи нижней мертвой точки в процессе движения его от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке.
На фиг.5 изображен разрез А-А по фиг.1.
На всех фигурах тонкими линиями в качестве обстановки изображена часть цилиндра.
Предлагаемый поршневой узел состоит из маслосъемного кольца 1 с радиальным плоским многоугольным расширителем 2 и инерционного элемента 3 (фиг.1). Инерционный элемент 3 имеет проточку 4, куда вставлено маслосъемное кольцо 1 с радиальным плоским многоугольным расширителем 2. Инерционные элемент 3 вместе с маслосъемным кольцом 1 и расширителем 2 находятся в поршневой канавке 5 поршня 6. Поверхность верхнего торца 7 поршневой канавки 5, которая также представляет собой конус, вершина которого направлена к нижней мертвой точке. Образующие конической поверхности 7 и 8 должны быть направлены под углом α к зеркалу цилиндра 9, превышающим угол трения контактирующих между собой поверхностей (фиг.2). Это необходимо для предотвращения возможного заклинивания инерционного элемента 3 между поршнем 6 и зеркалом цилиндра 9 в процессе перемещения поршня 6 от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке.
Инерционный элемент 3 состоит из двух секций - двух полуколец 10 и 11, которые фиксируются в собранном виде маслосъемным кольцом 1 и радиальным плоским многоугольным расширителем 2 (фиг.1 и фиг.5). В проточке 4 инерционного элемента 3 радиальный плоский многоугольный расширитель 2 упирается попеременно во внутреннюю поверхность 12 маслосъемного кольца 1 и в дно 13 проточки 4 (фиг.1 и фиг.5). Под воздействием радиальной упругой силы многоугольного плоского расширителя 2 маслосъемное кольцо 1 прижимается рабочими поясками 14 к зеркалу цилиндра 9, а инерционный элемент 3 прижимается верхним коническим торцом 8 к поверхности верхнего конического торца 7 поршневой канавки 5 и своей внутренней поверхностью 15 (фиг.3) к дну 16 поршневой канавки 5 (фиг.1, фиг.3). В таком положении наружный диаметр инерционного элемента 3 должен быть меньше диаметра кольца 1. Это необходимо для того, чтобы была возможность полукольцам 10 и 11 перемещаться в поршневой канавке 5 в поперечном направлении и не касаться зеркала цилиндра 9 в случае воздействия на полукольца 10 и 11 сил инерции и сил трения (фиг.3).
Назначение инерционного элемента 3 автоматически воздействовать в радиальном направлении на маслосъемное кольцо 1 через радиальный плоский многоугольный расширитель 2 и таким образом усиливать радиальное давление маслосъемного кольца 1 на зеркало цилиндра 9 и при движении поршня 6 к нижней мертвой точке и ослаблять радиальное давление маслосъемного кольца 1 при движении поршня 6 к верхней мертвой точке.
Следует отметить, что инерционный элемент 3 может состоять из секций по количеству больше чем два (два полукольца 10 и 11). В этом случае воздействие большего количества секций на маслосъемное кольцо 1 через радиальный расширитель 2 будет равномерней по окружности поршня 6.
Прежде чем описать работу уплотнительного устройства поршня, следует пояснить физическую сущность сил трения и сил инерции, действие которых используется в предлагаемом устройстве.
Известно, что величина силы трения зависит от коэффициента трения и усилия прижатия движущегося тела к поверхности, по которой движется это тело, а вектор силы направлен против движения тела (Политехнический словарь под редакцией академика Артоболевского И.И. М.: Издательство "Советская энциклопедия", 1976, с.510).
и
и
и
и
и
Известно также, что силы инерции, действующие на поршень и его детали (например, на инерционный элемент 3, находящийся в поршневой канавке 5), изменяются по величине и направлению и зависят от массы движущихся деталей, скорости их перемещения и направления движения (A.M.Гуревич, Е.И.Сорокин. Тракторы и автомобили. "Колос", Т.2. 1978, с.43-46). А так как скорость поршня меняется от нуля в нижней и верхней мертвых точках до максимума, когда поршень движется приблизительно в средней части цилиндра (около 80° угла поворота коленчатого вала двигателя), то и силы инерции Р инерционного элемента 3 будут изменяться от максимальных значений (в верхней и нижней мертвых точках) и до нуля (около 80° угла поворота коленчатого вала двигателя). После нулевого значения силы инерции Р изменяют направление действия по причине изменения направления ускорения движущихся деталей. При этом вектор силы инерции Р всегда направлен противоположно вектору ускорения. Поэтому вблизи верхней мертвой точки сила инерции Р инерционного элемента 3 направлена в сторону верхней мертвой точки (фиг.2 и фиг.3), а вблизи нижней мертвой точки сила инерции Р инерционного элемента 3 направлена к нижней мертвой точке (фиг.1 и фиг.4).
Рассмотрим работу предлагаемого уплотнительного устройства поршня поэтапно в процессе перемещения поршня 6 от нижней мертвой точки к верхней (фиг.1 и фиг.2) и от верхней мертвой точки к нижней (фиг.3 и фиг.4).
и
1
и
При движении поршня 6 от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке в первой половине хода поршня силы трения Т маслосъемного кольца 1 и силы инерции Р инерционного элемента 3 направлены в одну сторону - против движения поршня 6, т.е. против увеличивающегося по величине ускорения поршня (фиг.1 - направление движения V). Следовательно, и маслосъемное кольцо 1, и инерционный элемент 3 прижимаются совместным усилием от силы трения Т и силы инерции Р к нижнему торцу поршневой канавки 5, а сам инерционный элемент 3 не воздействует на маслосъемное кольцо 1 в радиальном направлении. Поэтому радиальная сила R маслосъемного кольца 1, действующая на зеркало цилиндра 9, незначительна и равна заданной внутренней упругой силе маслосъемного кольца 1. Ввиду этого масло, находящееся на зеркале цилиндра 9, не будет перемещаться рабочими поясками 14 маслосъемного кольца 1 к верхней мертвой точке в зону высоких температур и в камеру сгорания.
и
и
и
Во второй половине хода поршня 6 при движении его к верхней мертвой точке направление действия силы инерции Р инерционного элемента 3 изменяется на противоположное, т.к. движение поршня замедляется и ускорение всех его деталей изменяет направление. Но сила трения Т маслосъемного кольца 1 остается постоянной и по величине, и по направлению (фиг.2). Путем подбора массы инерционного элемента 3 с сочетанием количества установки маслосъемных колец 1 в проточке инерционного элемента 3 можно рассчитать силы трения Т маслосъемного кольца 1 (или маслосъемных колец 1, если, например, будут установлены два таких кольца) таким образом, что силы трения Т будут компенсировать силы инерции Р инерционного элемента 3 при подходе поршня 6 к верхней мертвой точке (в верхней мертвой точке, так же как и в нижней мертвой точке, сила инерции Р имеет максимальное значение). Инерционный элемент 3 будет оставаться на месте. Поэтому маслосъемное кольцо 1 не будет испытывать воздействие в радиальном направлении со стороны инерционного элемента 3 и во второй половине хода поршня 6.
Таким образом, на всем пути движения поршня 6 от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке маслосъемное кольцо 1 с минимальным усилием воздействует рабочими поясками 14 на зеркало цилиндра 9 и масло не будет захватываться кольцом 1 и перемещаться в зону высоких температур и камеру сгорания.
и
и
1
1
1
2
1
При движении поршня 6 от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке в первой половине хода поршня 6 силы инерции Р инерционного элемента 3 и маслосъемного кольца 1 и силы трения этого же кольца 1 направлены в одну сторону - против хода поршня 6 к верхней мертвой точке и создают суммарную силу F=Р+T (фиг.3). Суммарную силу F можно разложить по правилам параллелограмма на две составляющие: силу S, действующую вдоль соприкасающихся конических торцов 8 и 7, соответственно инерционного элемента 3 и поршневой канавки 5, и силу R, направленную перпендикулярно зеркалу цилиндра 9. Под воздействием этих двух составляющих S и R секции инерционного элемента - полукольца 10 и 11 перемещаются по коническому торцу 7 поршневой канавки 5 одновременно к верхней мертвой точке и зеркалу цилиндра 9, сжимая радиальный плоский многоугольный расширитель 2 на величину Δ (фиг.3). Первоначальное заданное радиальное давление R маслосъемного кольца 1 на зеркало цилиндра 2 увеличится на величину R и будет уже составлять радиальное давление R=R+R. В результате повышается маслосбрасывающее действие маслосъемного кольца 1 и масло перемещается им в сторону нижней мертвой точки из зоны высоких температур.
и
и
и
и
и
Во второй половине хода поршня 6 при движении его к нижней мертвой точке направление силы инерции Р инерционного элемента 3 изменяется на противоположное, но сила трения Т маслосъемного кольца 1 остается направленной к верхней мертвой точке. И пока сила инерции Р еще мала (около 80° поворота коленчатого вала сила инерции Р равна нулю, а далее возрастает), сила трения Т, передающаяся от маслосъемного кольца 1 инерционному элементу 3, продолжает воздействовать на ее секции - полукольца 10 и 11 в осевом направлении, удерживая их в прежнем верхнем положении. Радиальный плоский многоугольный расширитель 2 остается в сжатом состоянии, и радиальное давление маслосъемного кольца 1 также остается пока еще повышенным. Маслосъемное кольцо 1 продолжает активно сбрасывать масло с зеркала цилиндра 9. Но чем ближе к нижней мертвой точке, тем больше по величине сила инерции Р инерционного элемента 3. И уже в нижней мертвой точке сила инерции Р сравнивается по величине с силой трения Т маслосъемного кольца 1. Под воздействием упругой силы радиального плоского многоугольного расширителя 2 полукольца 10 и 11 возвращаются в исходное состояние, т.е. инерционный элемент 3 прижимается своей внутренней поверхностью 15 к дну 16 поршневой канавки 5 (фиг.4). Радиальная сила маслосъемного кольца 1 на зеркало цилиндра 9 уменьшается до начального значения R. Активность сброса масла кольцом 1 ослабевает. Но в нижней части цилиндра 9 температура его стенок относительно низкая и масло здесь уже не горит.
2
Таким образом, при движении поршня 6 от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, особенно в первой половине хода поршня, где наблюдается высокая температура зеркала цилиндра 9, происходит сброс масла с наибольшим радиальным усилием R маслосъемного кольца 1.
Предлагаемый поршневой узел позволит улучшить маслосъемные функции кольца, снизит попадание масла в камеру сгорания, уменьшит нагарообразование на поршне, снизит расход масла в процессе эксплуатации двигателя или компрессора.