ПОРШНЕВОЕ КОЛЬЦО С ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ РАДИАЛЬНОЙ УПРУГОСТЬЮ
PISTON RING WITH ADDITIONAL RADIAL FLEXIBILITY

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в качестве уплотнительных или маслосъемных колец с вспомогательной упругостью, устанавливаемых на поршнях двигателей внутреннего сгорания или компрессоров.
Аналогом предлагаемого поршневого кольца с вспомогательной радиальной упругостью является разрезное самопружинящее наружу поршневое кольцо и плоский многоугольный расширитель, установленные в канавке поршня. Плоский многоугольный расширитель располагается между поршневым кольцом и стенкой канавки поршня и попеременно упирается во внутреннюю поверхность кольца и в дно канавки поршня (Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца. / Б.Я.Гинцбург. - М.: Машиностроение, 1979. - 74 с., рис.45, а).
Назначение поршневого кольца - уплотнение и создание совместно с поршнем и цилиндром двигателя изолированных пространств, находящихся по обе стороны поршня. Помимо задачи уплотнения на долю поршневых колец выпадает задача - распределение смазочного масла по рабочей поверхности цилиндра и регулирование его расхода. Назначение плоского многоугольного расширителя - усиление радиального давления поршневого кольца на стенку цилиндра двигателя. Для маслосъемных колец каждая сторона плоского многоугольного расширителя имеет сверления для прохода масла в заколечное пространство поршневой канавки и далее через дренажные отверстия поршня в картер двигателя (Энглиш К. Поршневые кольца. Т. 1/К. Энглиш - М.: Машиностроение, 1962, с.492, фиг.407).
К недостаткам указанных поршневых колец с вспомогательной радиальной упругостью можно отнести следующие:
- склонность к поломке расширителей вследствие большой кривизны в углах многоугольного расширителя и из-за натиров в точках его опирания;
- большая потеря упругости как расширителей, так и поршневых колец под действием нагрева от прорывающихся в заколечное пространство раскаленных газов из камеры сгорания. Прорыву раскаленных газов способствует увеличенный объем заколечного пространства по причине наличия за кольцом расширителя. По этой же причине верхние компрессионные кольца применяются без расширителей;
- невозможность получить по окружности поршневого кольца желаемой эпюры радиального давления по причине симметричного выполнения радиального плоского многоугольного расширителя относительно своих осей.
Еще одним аналогом предлагаемого поршневого кольца с вспомогательной радиальной упругостью служит поршневое кольцо с так называемым тангенциальным расширителем, представляющим собой витую цилиндрическую пружину, предварительно сжатую в окружном направлении и установленную в соответствующую выточку на внутренней стороне кольца. При этом вытянутый конец проволоки при монтаже вставляется в витки другого конца так, что витая цилиндрическая пружина получается замкнутой (Энглиш К. Поршневые кольца. Т. 1/К. Энглиш. - М.: Машиностроение, 1962, с.493, фиг.410). Назначение тангенциального расширителя - усиление радиального давления поршневого кольца на стенку цилиндра двигателя. Сжатая в осевом направлении и изогнутая по окружности поршневого кольца витая цилиндрическая пружина действует в радиальном направлении на поршневое кольцо двояким образом: во-первых, от того, что пружина стремиться выпрямиться и, во-вторых, от того, что в местах контакта витой цилиндрической пружины с внутренней поверхностью поршневого кольца возникают касательные или тангенциальные силы, у которых одна из составляющих направлена по радиусу к поршневому кольцу.
В противоположность действию плоского многоугольного расширителя радиальные давления тангенциального расширителя концентрируются не в отдельных точках подпертого поршневого кольца, а распределяются практически равномерно по всей его окружности. Поршневые кольца с тангенциальными расширителями нашли широкое применение в двигателестроении в качестве маслосъемных и все больше используют их как компрессионные, начиная со второго кольца. Однако и такие поршневые кольца с тангенциальными расширителями имеют недостатки:
- наличие выточки на внутренней стороне поршневого кольца для расположения пружины расширителя ослабляет сечение кольца;
- износ выточки поршневого кольца и самой пружины расширителя как следствие действия контактных тангенциальных усилий пружины на поршневое кольцо;
- потеря упругости пружины расширителя под действием высокой температуры от прорывающихся горячих газов в заколечное пространство и высокой температуры трения, контактирующих с пружиной расширителя уплотняющих поршневых колец;
- ограничение по высоте поршневого кольца из-за наличия выточки под витую цилиндрическую пружину расширителя. Монтаж таких витых пружин расширителей предполагает высоту поршневых колец не менее 6 мм (Энглиш К. Поршневые кольца. Т. 1/К. Энглиш. - М.: Машиностроение, 1962, - с.582 с.);
- невозможность получить по окружности поршневого кольца желаемой эпюры радиального давления по причине равномерного распределения радиальных давлений на поршневое кольцо от сжатой пружины расширителя;
- невозможность использования уплотнительных поршневых колец с тангенциальными расширителями в первой поршневой канавке по причине прорыва раскаленных газов из камеры сгорания двигателя в увеличенный объем заколечного пространства из-за наличия за кольцом расширителя. По этой причине будет наблюдаться быстрая потеря упругости и расширителя, и уплотнительного кольца.
Прототипом предлагаемого поршневого кольца с вспомогательной радиальной упругостью может служить поршневое кольцо с радиальным расширителем, выполненным в виде спиральной пружины, разделенной на группы витков, оси которых расположены по радиусам к оси поршня, при этом по меньшей мере одна из пружинных групп отличается от другой количеством витков, а также по меньшей мере одна из пружинных групп имеет отличный от других угловой шаг (Рывкин В.Л. и др. Радиальный расширитель. А.с. СССР №574566, М. кл. F16j 9/06/. Опубл. 30.09.77. Бюл. №36).
Назначение такого спирального расширителя - увеличение радиального давления самопружинящего поршневого кольца на стенку цилиндра двигателя.
Прототип имеет ряд положительных свойств по сравнению с аналогом благодаря своей конструкции. Расположение за поршневым кольцом в заколечном пространстве спиральной пружины, разделенной на группы витков, оси которых расположены по радиусам к оси поршня, позволяет виткам спиральной пружины работать на сжатие, упираясь одновременно своими торцами как в заднюю стенку поршневой канавки, так и во внутреннюю поверхность поршневого кольца. Такой способ расположения группы витков спиральной пружины по отношению к поршневому кольцу и к поршню позволяет рационально передавать радиальные усилия сжатых витков спиральной пружины поршневому кольцу вдоль своих продольных осей в радиальном направлении.
Известно, что для увеличения срока службы поршневые кольца изготавливают с неравномерным радиальным давлением по всей окружности. У замка - повышенные давления, а на других участках - пониженные (Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца. / Б.Я.Гинцбург. - М.: Машиностроение, 1979. - 133 с.). Поэтому еще одним положительным свойством прототипа является возможность корректировки радиального давления пружинных групп спирального расширителя на поршневое кольцо изменением количества витков в отдельных пружинных группах и путем изменения углового шага расположения пружинных групп по отношению друг к другу. Это позволит согласовать реальное радиальное давление поршневого кольца на стенку цилиндра двигателя с теоретически рассчитанной оптимальной эпюрой радиального давления.
Однако прототип имеет недостатки, которые могут влиять на надежность и долговечность работы поршневого кольца с вспомогательной упругостью.
Одним из серьезных недостатков прототипа является то, что спиральная пружина расширителя располагается непосредственно за поршневым кольцом в поршневой канавке, что приводит к необходимости увеличения объема заколечного пространства. В этот увеличенный объем заколечного пространства с меньшим сопротивлением и в большем количестве могут проникать раскаленные газы из камеры сгорания, которые будут заметно понижать упругость витков спиральной пружины и упругость самого поршневого кольца. В результате между поршневым кольцом и стенкой цилиндра в образовавшиеся зазоры будут прорываться газы с большей скоростью. Температура кольца и поршня в этих местах значительно возрастет. Кольцо начнет обрастать коксом и будет терять упругость еще больше. Возрастут износы кольца, поршня и гильзы. Упадет мощность двигателя, увеличится удельный расход топлива и расход масла.
Следующим недостатком прототипа является то, что в заколечном пространстве поршневой канавки практически невозможно разместить требуемое количество витков спиральной пружины из-за ограниченных размеров заколечного пространства. Так, при конструктивном оформлении поршня при наличии за кольцом расширителя, максимальное расстояние между внутренней поверхностью поршневого кольца и дном канавки поршня принимают равным 1,8 мм (Болтинский В.Н. Теория, конструкция и расчет тракторных и автомобильных двигателей. / В.Н.Болтинский. - М.: Издательство сельскохозяйственной литературы, 1962, - 155 с.).
В случае увеличения размеров заколечного пространства для размещения спиральной пружины с большим количеством витков, количество прорвавшихся раскаленных газов также увеличится. Упругость витков спиральной пружины и самого поршневого кольца резко понизятся. Сократится срок службы таких поршневых колец с радиальной вспомогательной упругостью. Следует добавить, что по этим же всем причинам нельзя устанавливать подобную конструкцию поршневого кольца с вспомогательной радиальной упругостью в первой (верхней) поршневой канавке головки поршня.
Технической задачей изобретения является увеличение надежности работы и срока службы поршневого кольца с вспомогательной упругостью, а следовательно, повышение мощностных и экономических показателей двигателя внутреннего сгорания.
Задача достигается в поршневом кольце с вспомогательной радиальной упругостью, содержащем уплотнительное поршневое кольцо и радиальный расширитель в виде спиральной пружины, установленные в канавке поршня, причем, спиральная пружина разделена на группы витков, оси которых расположены по радиусам к оси поршня и при этом, по меньшей мере, одна из пружинных групп отличается от других количеством витков, и по меньшей мере, хотя бы одна из пружинных групп имеет отличный от других угловой шаг, где согласно изобретению спиральная пружина разделена на отдельные упругие пары параллельных между собой, равных по длине спиральных пружинных витков, которые образованы двумя концами согнутых под углом к дугообразной средней части проволоки таким образом, что ось симметрии каждой упругой пары спиральных пружинных витков направлена по радиальной оси поршня, а сами спиральные пружинные витки каждой упругой пары свободно и полностью входят в соответствующие пары цилиндрических параллельных друг другу глухих отверстий, которые выполнены на одинаковую глубину в поршне, в задней стенке поршневой канавки по ее окружности, а ось симметрии каждой пары цилиндрических глухих отверстий направлена по радиусу поршня и совпадает с осью симметрии каждой упругой пары спиральных пружинных витков, при этом каждая упругая пара спиральных пружинных витков одновременно упирается своей дугообразной средней частью проволоки во внутреннею поверхность поршневого кольца, а торцами спиральных пружинных витков в дно цилиндрических глухих отверстий, причем, средняя дугообразная часть проволоки каждой упругой пары спиральных пружинных витков выполнена по радиусу поршневого кольца.
Посредством предлагаемого поршневого кольца с вспомогательной радиальной упругостью можно путем расположения упругих пар спиральных пружинных витков расширителя внутри цилиндрических глухих отверстий в поршне существенно уменьшить объем заколечного пространства в поршневой канавке поршня и, тем самым, создать дополнительное сопротивление прорывающимся раскаленным газам. Устраняется прямое воздействие прорывающихся раскаленных газов на упругие элементы расширителя и, таким образом, понижается и стабилизируется температура расширителя. Появляется реальная возможность устанавливать в каждой упругой паре расчетное количество спиральных пружинных витков и, тем самым, конкретно влиять на радиальное давление поршневого кольца. Перечисленные выше преимущества позволяют устанавливать предлагаемое поршневое кольцо с вспомогательной радиальной упругостью на головке поршня в первой (верхней) поршневой канавке, что существенно повысит уплотняющую возможность поршня.
Таким образом, все указанные положительные качества предлагаемого поршневого кольца с вспомогательной радиальной упругостью увеличат надежность работы и срок службы как самого поршневого кольца, так и радиального расширителя, а следовательно, повысятся экономические показатели двигателя внутреннего сгорания, такие как удельный расход топлива и масла.
Наличие изобретения в предлагаемом поршневом кольце с вспомогательной радиальной упругостью доказывается тем, что спиральная пружина разделена на отдельные упругие пары параллельных между собой, равных по длине, спиральных пружинных витков, которые образованы двумя концами, согнутых под углом к дугообразной средней части проволоки таким образом, что ось симметрии каждой упругой пары спиральных пружинных витков направлена по радиальной оси поршня, а сами спиральные пружинные витки каждой упругой пары свободно и полностью входят в соответствующие пары цилиндрических параллельных друг другу глухих отверстий, которые выполнены на одинаковую глубину в поршне, в задней стенке поршневой канавки по ее окружности, а ось симметрии каждой пары цилиндрических глухих отверстий направлена по радиусу поршня и совпадает с осью симметрии каждой упругой пары спиральных пружинных витков, при этом каждая упругая пара спиральных пружинных витков одновременно упирается своей дугообразной средней частью проволоки во внутреннюю поверхность поршневого кольца, а торцами спиральных пружинных витков в дно цилиндрических глухих отверстий, причем, средняя дугообразная часть проволоки каждой упругой пары спиральных пружинных витков выполнена по радиусу поршневого кольца.
Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что упругая часть радиального расширителя, а именно упругие пары спиральных пружинных витков предлагаемого радиального расширителя располагаются вне поршневой канавки, а конкретнее скрыты в цилиндрических глухих отверстиях поршня. Такое положение спиральных пружинных витков существенно уменьшает объем заколечного пространства поршневой канавки и устраняет прямой контакт упругой части расширителя с нагретым поршневым кольцом и с прорвавшимися раскаленными газами. Уменьшенный объем заколечного пространства поршневой канавки создает большое сопротивление прорывающимся раскаленным газам. Уплотняющая возможность поршня увеличивается, а температура упругих пар спиральных пружинных витков расширителя, находящихся в цилиндрических глухих отверстиях поршня, снижается и стабилизируется. В результате увеличивается долговечность расширителя и поршневого кольца. Экономические показатели двигателя внутреннего сгорания, такие как удельные расходы топлива и масла, улучшатся.
Поршневое кольцо с вспомогательной радиальной упругостью поясняется чертежами.
На фиг 1 изображен продольный разрез верхней части поршня с поршневым кольцом и радиальным расширителем.
На фиг.2 изображен разрез А-А фиг.1.
На фиг.3 изображен разрез Б-Б фиг.2.
Предлагаемое поршневое кольцо с вспомогательной радиальной упругостью содержит поршневое кольцо 1, установленное в поршневой канавке 2 поршня 3 (фиг.1). Поршневое кольцо 1 имеет разрез 4, так называемый замок, и, обладая собственной радиальной упругостью наружу, плотно прижимается к поверхности цилиндра двигателя 5 (фиг.2). Для усиления радиального давления поршневого кольца 1 на поверхность цилиндра двигателя 5 за поршневым кольцом 1 по его окружности в радиальной плоскости, проходящей через окружную ось поршневого кольца 1, установлены упругие пары спиральных пружинных витков 6 и 7, которые образованы концами 8 и 9, согнутых под углом к дугообразной средней части проволоки 10. Спиральные пружинные витки 6 и 7 каждой упругой пары параллельны и симметричны между собой, равны по длине и полностью располагаются в цилиндрических глухих отверстиях 11 и 12 (фиг.2 и фиг.3). Цилиндрические глухие отверстия 11 и 12 каждой пары выполнены в поршне 3 симметрично и параллельно друг другу на одинаковую глубину в задней стенке 13 поршневой канавки 2 по ее окружности. Оси симметрии 14 упругих пар спиральных пружинных витков 6 и 7 и цилиндрических глухих отверстий 11 и 12 совпадают и направлены по радиусу поршня 3. Каждая цилиндрическая пара спиральных пружинных витков 6 и 7 одновременно упирается своей дугообразной частью 10 во внутреннюю поверхность 15 поршневого кольца 1, а торцами 16 и 17 в дно 18 и 19 цилиндрических глухих отверстий 11 и 12. Средняя дугообразная часть проволоки 10 каждой упругой пары спиральных пружинных витков 6 и 7, находящаяся в заколечном пространстве 20, выполнена по радиусу поршневого кольца 1.
Предлагаемое поршневое кольцо с вспомогательной радиальной упругостью работает следующим образом.
При возвратно-поступательном движении поршня 3 высокая скорость скольжения поршневого кольца 1, значительные нагрузки давления раскаленных газов, отсутствие жидкостной смазки повышают температуру поршневого кольца 1 так, что механические качества металла последнего снижаются и радиальное давление поршневого кольца 1 на поверхность цилиндра двигателя 5 со временем уменьшается. Компенсирует падение радиального давления поршневого кольца 1 на поверхность цилиндра двигателя 5 радиальный расширитель, состоящий из отдельных упругих пар спиральных пружинных витков 6 и 7, расположенных за поршневым кольцом 1 в соответствующих парах цилиндрических глухих отверстий 11 и 12, которые выполнены в задней стенке 13 поршневой канавки 2 по ее окружности. Каждая упругая пара спиральных пружинных витков 6 и 7 одновременно упирается своей дугообразной частью проволоки 10 во внутреннюю поверхность 15 поршневого кольца 1, а торцами 16 и 17 упругих пар спиральных пружинных витков 6 и 7 в дно 18 и 19 цилиндрических глухих отверстий 11 и 12. Именно таким образом передается радиальное давление поршневому кольцу 1 от радиального расширителя.
Таким образом, расположение упругих пар спиральных пружинных витков 6 и 7 радиального расширителя вне поршневой канавки 2, а именно в цилиндрических глухих отверстиях 11 и 12, устраняет их прямой контакт как с нагретым до высокой температуры поршневым кольцом 1, так и с прорывающимися в заколечное пространство 20 раскаленными газами. Это снизит и стабилизирует температуру нагрева упругой части радиального расширителя. Кроме этого, такое расположение спиральных пружинных витков 6 и 7 позволяет существенно уменьшить объем заколечного пространства 20 и тем самым создать повышенное сопротивление прорывающимся газам.
В результате уплотняющие свойства поршня увеличиваются и появляется возможность установки уплотнительного кольца 1 с радиальным расширителем в первой поршневой канавке 2. Увеличивается работоспособность и долговечность как радиального расширителя, так и поршневого кольца 1. Экономические показатели двигателя внутреннего сгорания, такие как удельные расходы топлива и масла, улучшатся.