Шатунно-поршневая группа для четырехтактного двигателя внутреннего сгорания
CONNECTING ROD-PISTON GROUP FOR FOUR-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в четырехтактных, преимущественно автомобильных двигателях внутреннего сгорания (ДВС).
Известны шатунно-поршневые группы (ШПГ) для четырехтактных автомобильных ДВС, содержащие шатун в сборе с поршнем, причем в зоне перехода стержня шатуна в кривошипную головку шатуна по центральной оси стержня шатуна выполнено отверстие, через которое в момент совпадения указанного отверстия с отверстием на шатунной шейке коленчатого вала, выполняемым из соображений сохранения прочности и снижения износа шатунной шейки, чаще всего под прямым углом к плоскости кривошипа коленчатого вала с выходом на ненагруженную сторону цилиндра (правую при взгляде на носок коленчатого вала ДВС), в который устанавливается ШПГ, происходит выброс струи моторного масла в зону внутренней поверхности юбки поршня для осуществления смазывания сопряжения "юбка поршня-цилиндр", сопряжения "бобышка поршня-поршневой палец", толкателей кулачков распределительного вала и, частично, охлаждения днища поршня [1, стр. 25, фиг. 13]; [2, стр. 178, рис. 112]; [3, стр. 44, рис. 2.77].
Недостатками этого известного технического решения является преимущественное обслуживание смазочным материалом в плоскости качания шатуна только одной из сторон сопряжения "юбка поршня-цилиндр", на которую направлена ось указанного маслоподающего отверстия в кривошипной головке шатуна, поскольку попадание масла на противоположную сторону указанного сопряжения невозможно либо существенно ослаблено экранирующим перекрытием струи масла торцовой (боковой) поверхностью стержня шатуна. Этим обусловливается, а в ряде случаев усиливается, известная неравномерность распределения смазочного материала по окружности сопряжения "поршень-цилиндр", вызывающая локальное увеличение износа поверхностей сопряжения в местах дефицита смазки.
Известны также ШПГ для четырехтактных автомобильных ДВС, содержащие шатун в сборе с поршнем, причем шатун имеет центральное (выполненное по центральной оси стержня шатуна) отверстие, соединяющее кривошипную головку шатуна с его поршневой головкой, в которой установлена втулка, имеющая центральную кольцевую канавку с выполненным в ней проходящим сквозь стенку поршневой головки отверстием, ось которого является продолжением оси центрального отверстия в стержне шатуна, предназначенным для охлаждения струей масла внутренней поверхности днища поршня [3, стр. 44, рис. 2.76]. Недостаток данного технического решения состоит в низкой эффективности охлаждения днища поршня и полном отсутствии струйного маслоснабжения сопряжения "юбка поршень-цилиндр".
И, наконец, известны ШПГ для четырехтактных автомобильных ДВС, включающие шатун в сборе с поршнем, на одной или двух сторонах юбки которого в зоне, расположенной ближе к кромке юбки, примыкающей к головке поршня, выполнены сквозные отверстия (иногда называемые маслодренажными), предназначенные для "… дополнительной подачи масла в зону контакта поршня со стенками цилиндра", т.е. для проникновения масла из внутреннего пространства юбки поршня на наружную, трущуюся о цилиндр, поверхность юбки поршня в зону сопряжения "юбка поршня-цилиндр" [4, стр. 6, рис. 1.3].
К недостатку известного устройства следует отнести отсутствие объяснений того, каким образом, под действием каких сил или вследствие каких процессов моторное масло изнутри юбки поршня способно проникать через отверстия в стенке юбки на ее наружную поверхность, т.е. в зону, где действуют давление газов и давление масла, значительно превышающие при прочих равных условиях значения давлений указанных сред во внутренней полости юбки поршня. Отсутствует также указание о том, на какой именно стороне юбки поршня, обращенной к нагруженной или к ненагруженной стороне цилиндра в плоскости качания шатуна, или сразу на обеих сторонах юбки поршня следует выполнять эти отверстия.
Очевидно, что известным следует считать и объединение этих трех рассмотренных выше технических решений [1]…[4] в одной конструкции ШПГ, что является прототипом, т.е. наиболее близким к заявляемому устройству техническим решением.
Недостатки устройства-прототипа представляют собой совокупность или сумму вышеуказанных недостатков известных устройств [1]…[4].
Целью изобретения является повышение надежности и экономичности работы ДВС путем улучшения маслоснабжения трущихся поверхностей сопряжения юбки поршня с цилиндром, осуществляемого за счет рационального выбора количества и размещения маслоподающих отверстий на шатуне, а также маслодренажных отверстий на определенной стороне и в определенной зоне юбки поршня.
Поставленная цель достигается тем, что в теле шатуна в плоскости его качания выполнены два сообщающиеся с имеющимся в стержне шатуна сквозным центральным отверстием и ориентированные на противоположные стороны от центральной оси шатуна в указанной плоскости отверстия, одно из которых, направленное на так называемую нагруженную сторону стенки юбки поршня (сторона, воспринимающая максимальную боковую силу поршня на прямом ходе последнего - такте "Рабочий ход" и находящаяся у четырехтактных ДВС с правым вращением коленчатого вала слева от центральной оси цилиндра при взгляде на носок коленчатого вала в состоянии сборки ШПГ и установки ее в цилиндр ДВС), располагается на определенной высоте в пределах длины и под определенным углом к оси стержня шатуна, а другое отверстие выполняется в стенке поршневой головки шатуна под прямым углом к центральной оси стержня шатуна, причем в стенке юбки поршня, на которую ориентировано данное отверстие, выполнен ряд сквозных отверстий.
Новизна изобретения состоит в том, что отверстие в теле шатуна, ориентированное на внутреннюю поверхность нагруженной стороны стенки юбки поршня, выполнено, в отличие от прототипа, не в зоне перехода кривошипной головки шатуна в стержень шатуна, а в самом стержне в определенной точке по высоте и под определенным углом к центральной оси шатуна в плоскости его качания, выбираемыми таким образом, чтобы обеспечить попадание струи масла в наиболее нагруженный момент времени работы ШПГ и в наиболее выгодную для повышения эффективности смазывания юбки поршня зону, а именно: под нижнюю кромку юбки поршня при прямом ходе последнего, т.е. при движении поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), что соответствует у четырехтактных ДВС такту "Впуск" и, что особенно важно, наиболее динамически нагруженному такту "Рабочий ход". Кроме того, в поршневой головке шатуна и юбке поршня предлагаемой ШПГ имеются отверстия, ориентированные на внутреннюю поверхность ненагруженной стороны юбки поршня и располагаемые именно в той зоне по осевой высоте сопряжения "юбка поршень-цилиндр", которая, как известно, испытывает масляное голодание на обратных ходах поршня (от НМТ к ВМТ или на тактах "Сжатие" и "Выпуск") у четырехтактных ДВС [3]. Таким образом, в предлагаемом устройстве струйное маслоснабжение трущейся поверхности юбки поршня распространяется не только на нагруженную, но и на ненагруженную сторону последнего, что приводит к устранению имеющей место неравномерности износа по окружности как поршня, так и цилиндра и, как следствие, приводит к повышению надежности работы ДВС и снижению его расхода масла на угар.
Анализом выполненных технических решений ШПГ установлено, что в конструкциях шатунов отсутствует размещение маслоподающего отверстия в стержне шатуна в сочетании с маслоподающим отверстием в поршневой головке, направленным на внутреннюю поверхность стенки юбки поршня по нормали к центральной оси стержня шатуна. Кроме того, в известных конструкциях поршней с отверстиями в верхней части юбки [2] отсутствуют технически обоснованные указания касательно количества, взаимного расположения и зоны размещения этих отверстий по отношению к той или иной стороне стенки юбки поршня (при сборке ШПГ и последующей ее установке в цилиндр), что доказывает новизну предлагаемого технического решения.
Вышеуказанное свидетельствует о том, что заявляемое техническое решение обладает достаточным изобретательским уровнем.
Изобретение поясняется фиг. 1, на которой показаны общие виды и местные разрезы ШПГ.
Устройство на фиг. 1 включает тело шатуна, представляющее собой единую деталь, состоящую из стержня шатуна 1, на концах которого имеются кривошипная головка 2, а также поршневая головка 3 и по центральной оси которого выполнено сквозное, соединяющее указанные головки, отверстие 4, с которым сообщается выполненное в плоскости качания и выходящее наружу тела шатуна отверстие 5, ориентированное на нагруженную сторону стенки юбки 6 поршня 7. Благодаря центральной кольцевой канавке 8 во втулке 9, установленной в поршневую головку 3, отверстие 4 сообщается с проходящим через стенку центральной кольцевой канавки 8 и стенку поршневой головки 3 отверстием 10, ориентированным на ненагруженную сторону стенки юбки поршня 11 поршня 7 и выполненным в плоскости качания шатуна под прямым углом к центральной оси стержня шатуна 1, который через установленный во втулку 9 поршневой палец 12 связывается с поршнем 7, содержащим головку 13 и юбку 14, длина которой по осевой высоте поршня 7 ограничена двумя кромками - нижней 15, наиболее удаленной от головки поршня 13, и верхней 16, расположенной наиболее близко к головке поршня 13, на ненагруженной стороне в стенке юбки 11 которого имеются отверстия 17.
Предлагаемое устройство работает следующим образом (фиг. 1). При прямых ходах поршня 7 в цилиндре (не показан) четырехтактного ДВС, в том числе в течение наиболее динамически нагруженного такта "Рабочий ход", струя моторного масла, проходя по отверстию 4, выбрасывается из отверстия 5, расположенного в стержне шатуна 1 в плоскости его качания на определенной высоте  и под определенным углом γ к центральной оси стержня шатуна 1, выбираемым из рациональных соотношений, зависящих соответственно от длины шатуна L и номинальной частоты вращения ДВС n, попадая преимущественно под нижнюю кромку 15 юбки 14 поршня 7, обеспечивая тем самым эффективное смазывание нагруженной стороны сопряжения "юбка поршня-цилиндр" ДВС. Рациональные значения линейной и угловой координат маслоподающего отверстия 5 в стержне шатуна 1 (соответственно  и γ - фиг. 1) ориентировочно могут быть определены путем направленного перебора значений указанных параметров с последующим геометрическим построением траектории струи с учетом массы порции масла в струе и скоростного режима (сил инерции). Однако более надежным является назначение величин этих показателей на основе применения специальной расчетной программы CRJet [5].
Так, использование указанной выше программы CRJet позволило для представительной выборки размерностей четырехтактных автомобильных ДВС установить диапазон рациональных значений данных координат, первую из которых (линейную ) предлагается выбирать в зависимости от длины шатуна L, а вторую (угловую γ) назначать исходя из номинальной частоты вращения коленчатого вала ДВС n (табл. 1).
При обратных ходах поршня в цилиндре четырехтактного ДВС (т.е. от ВМТ к НМТ), в том числе на втором по динамической нагруженности (после такта "Рабочий ход") такте "Сжатие" моторное масло через центральное отверстие 4, соединяющуюся с ним центральную кольцевую канавку 8 во втулке 9 поршневой головки шатуна 3 и выполненное в ней под прямым углом к центральной оси стержня шатуна 1 отверстие 10 моторное масло разбрызгивается на внутреннюю поверхность ненагруженной стороны юбки 11 поршня 7, откуда через отверстия 17 проходит на внешнюю поверхность юбки поршня в зону, ограниченную в направлении продольной оси поршня расстоянием z между расположенной ближе к головке поршня 13 кромкой 16 юбки 14 поршня 7 и центральной осью О-О поршневого пальца 12, а в направлении развернутой окружности юбки 14 поршня 7 ограничено длиной хорды m, стягивающей дугу окружности на внешней поверхности юбки 14 поршня 7 с центральным углом α, равным 90°, биссектриса которого проходит через плоскость качания шатуна, обеспечивая гарантированное маслоснабжение испытывающей масляное голодание ввиду движения поршня по осушенной действием горячих газов и скребковым эффектом поршневых колец на предыдущем такте (при ходе поршня от ВМТ к НМТ) ненагруженной стороне сопряжения "юбка поршня-цилиндр" (фиг. 1).
Значения диаметра центрального отверстия 4 в стержне шатуна 1, диаметра соединяющегося с ним отверстия 5 с координатами  и γ, диаметра отверстия 10 в кривошипной головке шатуна 3 и отверстий 17 в стенке юбки поршня исходя из требования сохранения прочности, технологичности и унификации устройства целесообразно выбирать одинаковыми, равными d, значение которого определяется в каждом случает из конструкционных соображений с учетом конкретных размеров сечений соответствующих элементов ШПГ, внутри которых выполняются эти отверстия (фиг. 1). Анализ процесса струйного маслоснабжения сопряжения "юбка поршня-цилиндр", выполненный с помощью программы CRJet, а также сопоставление размеров деталей ШПГ в атласах выполненных конструкций показали, что в зависимости от диаметра юбки поршня D, диаметр указанных отверстий применительно к четырехтактным автомобильным ДВС рационально принимать исходя из соотношения d=0,018…0,035D.
Количество отверстий 17 в стенке юбки поршня определяется размерностью ДВС, в частности, диаметром юбки поршня D и в зависимости от этого диаметра может быть три (фиг. 2), четыре (фиг. 3) или пять (фиг. 4). Минимальное количество отверстий 17 в стенке юбки поршня, равное трем, обусловлено необходимостью, с одной стороны, равномерного обеспечения маслом окружной зоны юбки, на которую распространяется действие боковой силы поршня (обычно ±45°, считая от плоскости качания шатуна); максимальное количество, равное пяти, ограничено соображениями сохранения прочности юбки поршня и гидродинамической несущей способности слоя масла на юбке. При выполнении отверстий 17 в стенке юбки поршня ось хотя бы одного отверстия с целью гарантированного обеспечения подачи масла в наиболее нагруженное сечение юбки поршня следует располагать в плоскости качания шатуна в состоянии сборки ШПГ, оси остальных отверстий 17 в стенке юбки поршня с учетом известной симметрии гидродинамического давления в слое масла на юбке поршня необходимо размещать симметрично плоскости качания шатуна так, чтобы ни одно из отверстий 17 не выходило за пределы прямоугольной (в развертке юбки поршня) зоны, ограниченной размерами z и m (фиг. 1 и фиг. 2).
Как показывают выполненные расчеты напряженно-деформированного состояния юбки поршня и гидродинамики находящегося на ней слоя масла, из соображений прочности юбки и сохранения гидродинамической несущей способности масляного слоя в сопряжении "юбка поршня-цилиндр" при использовании четырех и пяти отверстий 17 в юбке поршня (фиг. 3 и фиг. 4), их оси следует располагать в два ряда, при этом в случае использования пяти отверстий 17 (фиг. 4) их оси целесообразно размещать в шахматном порядке; кроме того, по тем же причинам обеспечения прочности, независимо от количества отверстий 17 (из числа от трех до пяти) минимальное расстояние k между осями соседних отверстий 17 не должно быть меньше значения 2d (фиг. 2).
Как показали сравнительные макетные испытания на четырехтактном дизеле 1Ч 8,5/8,0, использование предлагаемой ШПГ с двумя маслоподаю-щими отверстиями в теле шатуна, одно из который направлено на нагруженную, а другое на ненагруженную стороны юбки поршня, последняя из которых снабжена маслодренажными отверстиями, приводит к более (примерно в 6 раз) равномерному распределению смазочного материала по окружности цилиндра и поршня (табл. 2).
При этом, как следует из табл. 2, характер маслоснабжения становится более рациональным: нагруженные стороны стенок юбки поршня и цилиндра получают смазочного материала больше, чем ненагруженные, что ведет к повышению надежности и экономичности работы ДВС за счет снижения механических потерь, износа и риска задира указанных деталей.
Промышленная применимость заявляемого устройства обусловлена простотой технической реализации его отличительных признаков, легко вписывающихся в существующие и перспективные способы изготовления составляющих ШПГ сборочных единиц (штамповка для шатунов, литье в кокиль, жидкая и изотермическая штамповка для поршней с последующей металлообработкой, включая точение, фрезерование, развертывание и сверление), а также значимостью получаемых улучшений функционирования устройства, положительно влияющих на надежность работы, технический уровень и конкурентоспособность ДВС в целом.
Источники информации:
1. Автомобиль М-21 Волга / В.И. Борисов, А.И. Гор, A.M. Невзоров и др. - М.: Машгиз, 1962. - 448 с.
2. Попык К.Г. Конструирование и расчет автомобильных и тракторных двигателей. Изд. 2-е переработ. и доп. Учебник для втузов. - М.: Высшая школа, 1973. - 400 с.
3. Хрулев А.Э. Ремонт двигателей зарубежных автомобилей. Производственно-практ. издание - М.: За рулем, 1999. - 440 с.
4. Рождественский Ю.В. Компьютерное моделирование динамики трибосопряжения "поршень-цилиндр": учебное пособие. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2009. - 50 с.
5. Путинцев С.В., Бикташев А.Ф. Расчетная программа CRJet для моделирования процесса струйного маслоснабжения цилиндропоршневой группы // Грузовик. - 2018. - №8. - С. 3-6.