Составной поршень двигателя внутреннего сгорания

 

Поршень содержит корпус 1 из легкого сплава и накладку 2 из жаропрочного материала , износостойкую вставку 4. Вставка 4 и накладка 2 удерживаются в корпусе 1 посредством буртов 3 и 5 и контактируют с ним по кинематическим поверхностям А, Б, В и Г В результате того, что образующие конических поверхностей каждого из буртов пересекаются в точках, расстояние от которых до оси поршня радиуса последнего, происходит термокомпенсация осевых усилий, возникающих в удерживающих буртах 3 и 5 при нагревании поршня 4 ил, 1 табл

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (ll) (s1)s F 02 F 3/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТО РСКОМУ СВИДЕТЕЛ6СТВУ 2

Ф 2Г2

b. 1 (21) 4901856/06 (22) 04.12.90 (46) 23.09.92 . Бюл. ¹ 35 (71) Центральный научно-исследовательский дизельный институт (72) P. А. Шиманский и В. И, Ильиных (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1467240, кл, F 02 F 3/02, 1981, (54) СОСТАВНОЙ ПОРШЕНЬ ДВИГАТЕЛЯ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (57) Поршень содержит корпус 1 из легкого сплава и накладку 2 из жаропрочного материала, износостойкую вставку 4. Вставка 4 и накладка 2 удерживаются в корпусе 1 посредством буртов 3 и 5 и контактируют с ним по кинематическим поверхностям А, Б, В и

Г. В результате того, что образующие конических поверхностей каждого из буртов пересекаются в точках, расстояние от которых до оси поршня радиуса последнего, происходит термокомпенсация осевых усилий, возникающих в удерживающих буртах 3 и 5 при нагревании поршня. 4 ил, 1 табл, 1763694

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, в частности двигателестроения, а более конкретно — к усо-. вершенствованию составных поршней форсированных двигателей. 5

Составные поршни двигателей внутреннего сгорания известны. Известен, например, поршень по а. с. СССР М 1467240. кл.

F 02 F 3/02, принятый за прототип.

Составной поршень по указанному ав- 10 торскому свидетельству содержит алюминиевый корпус и сопряженную с ним жаропрочную накладку на днище поршня, выполненную за одно целое с кольцедержателем. При этом, накладка сопряжена с кор- 15 пусом посредством двух буртов, первый из которых расположен ближе к оси симметрии поршня под углом к этой оси, а второй бурт охватывает боковую стенку корпуса и расположен на уровне канавки под первое 20 поршневое кольцо и также под углом к оси симметрии поршня. Причем, образующие сопрягаемых конических поверхностей каждого из буртов пересекаются в точке, расстояние от которой до оси симметрии 25 составляет менее радиуса поршня.

Существенным недостатком такого поршйя является прежде всего то, что сопрягаемые с корпусом бурты, принадлежащие одной жаропрочной накладке, находятся в 30 различных температурных условиях, что приводит к неравномерному тепловому расширению буртов и к них скручиванию, К недостаткам поршня следует отнести также отсутствие возможности относительного 35 скольжения (перемещения) сопрягаемых конических поверхностей накладки (буртов) и корпуса поршня вдоль образующих что приводит к возникновению черезмерных касательных напряжений и, как следствие, 40 разрушению поверхностей контакта, Недостатком известной конструкции поршня является и то, что она не обеспечивает компенсацию изменения осевой силы прижимающей накладку при тепловом воздей- 45 ствии, что обусловлено большой разностью углов наклона контактируемых поверхностей буртов и корпуса, образующие которых пересекаются в точках находящихся в пределах одного радиуса от оси симметрии пор- 50 шня.

Указанные выше недостатки являются причинами ненадежной работы поршня, Целью изобретения является повышение надежности поршня. 55

Поставленная цель достигается тем, что в известном составном поршне, содержащем корпус и сопрягаемую с ним накладку, выполненные из разнородных материалов, причем накладка сопряжена с корпусом посредством двух буртов, первый из которых расположен ближе к оси симметрии поршня, а второй охватывает боковую стенку корпуса, имеющих верхнюю и нижнюю конические поверхности, контактирующие с аналогичными коническими поверхностями корпуса, накладка выполнена составной из двух частей, одна из которых образует днище поршня с первым буртом, а вторая— кольцедержатель со вторым буртом, при этом образующие верхних и нижних конических поверхностей каждого из буртов пересекаются в точках, расположенных от оси поршня на расстоянии большем радиуса поршня.

На фиг, 1 представлена конструктивная схема предлагаемого составного поршня; на фиг, 2-4 — схемы усилий и взаимных перемещений контактирующих поверхностей буртов и корпуса.

Поршень включает в себя корпус 1, жаропрочную накладку 2, образующую днище поршня, с первым буртом 3, верхняя "В" и нижняя "Г" кольцевые контактные поверхности которого имеют коническую форму, прямолинейные образующие которых пересекаются в точке, расстояние от которой до центральной оси симметрии больше радиуса R> поршня, износостойкую вставку— кольцедержатель 4 со вторым буртом 5, верхняя "А" и нижняя "Б" кольцевые контактные поверхности которого имеют также коническую форму, прямолинейные образующие которых также пересекаются в точке, расстояние от которой до центральной оси больше радиусэ R> поршня. Причем угол у, между образующей нижней поверхности

"Б" (или "Г") второго бурта (или первого бурта) и осью симметрии поршня больше или равен углу Р между образующей верхней поверхности "А" (или "В") и осью симметрии поршня, а накладка 2 и вставка 4 имеют возможность относительного перемещения вдоль образующих конических поверхностей корпуса 1, Накладка 2 и вставка 4 зажаты между принадлежащими корпусу контактными поверхностями "А". "Б", "В" и "Г" усилиями, достаточными для предотвращения их осевого перемещения под действием инерционных сил, Предлагаемый поршень может состоять из двух частей — корпуса 1 и вставки 4 или корпуса 1 и накладки 2, Огневое днище накладки 2 может быть выполнено из нескольких кольцевых концентрически расположенных и не связанных между собой элементов; в этом случае каждый элемент имеет со стороны корпуса 1 удерживающий его бурт, 1763694

Отличительной особенностью конструкции является то, то накладка выполнена из нескольких (двух и более) не связанных между собой элементов, а углы Р и у связаны с геометрическими размерами пор- 5 шня и сопрягаемых с ним накладки и вставки соотношением

h + 2Rctg у — r(ctg)3 + ctg y) =О, 10 где r u R — внутренний и внешний радиус конических поверхностей;

h — высота удерживающего бурта на расстоянии r от оси симметрии поршня, В этом случае образующие поверхно- 15 стей "А" и "Б", а также "В" и "Г" либо пересекаются в точке, расстояние от которой до оси симметрии больше радиуса R, т.е, с внешней стороны конусных контактных поверхностей; либо пересекаются в бесконеч- 20 ности, т,е. параллельны.

Поршень работает следующим образом, При нагревании поршня на температуvv At градусов на участке совместной де- 25 формации двух сопряженных с натягом деталей, например корпуса 1 и вставки— кольцедержателя 4, выполненных из материалов с различными по величине значениями коэффициентов а1 иа 4 термического 30 расширения, первоначальное усилие Q< осевого сжатия бурта 5 вставки — кол ьцедержателя 4 изменяется на величину ЛО, прямо пропорциональную разности Al температурных деформаций соединяемых деталей и 35 обратно пропорциональна сумме коэффициентов 41 и Й податливости этих деталей, т.е.:

At (а4 — а1 ) Дl 40

= — +- — (1)

Поместим продольное сечение поршня в прямоугольную систему координат так, что Ось симметрии поршня совпала с Осью 45 ординат (фиг. 2), а точка С14, расположенная на внутренней окружности нижней контактной поверхности "Б" находилась на оси абсцисс ОХ. При нагревании детали 1 и 4 расширяются свободно. В начальный мо- 50 мент нагрева точка С1,4, а также точки à1,4 и

Ь1,4, находящиеся соответственно на пересечении контактных поверхностей "А" и "Б" с некоторой цилиндрической поверхностью радиусом р, ось которой совпадает с осью поршня. принадлежат одновременно корпусу 1 и вставке 4. При нагревании поршня на At градусов точки а14, в1.4 и с1.4 вследствие неодинакового значения коэффициентов термического расширения материалов деталей раздваиваются и занимают положение а1, а4, Ь1, b4 и с1, с4, причем, точки с1 и с4 остаются на оси абсцисс перемещаясь вдоль нее. B этом случае разность А свободных осевых деформаций корпуса 1 и вставки

4 можно рассматривать как сумму разностей Ala u Alb свободных осевых перемещений точек а и Ь, т.е.:

Л = 1а + Л!ь . (2)

В случае, когда накладка и корпус контактируют по конусным поверхностям деформацию Al можно рассматривать как результат теплового расширения поршня как в осевом, так и в радиальном направлении. Применив метод суперпозиции рассмотрения независимо друг от друга перемещения Alr и Ау от осевого и радиального расширения. B этом случае

Al = г+ у = (Аг+ Вг) + (Alay+ ьу), где ЬА и Alar — осевое перемещение поверхностей А и Б в результате радиального расширения;

A lay u Alby — осевое пеРемещение точек а и Ь в результате осевого расширения, а изменение усилия ЛО равно:

AQ = AQr+ ЛОу, (3) где ЛОг и AQy — изменение усилия ЛО от радиального и осевого расширения.

Случай 1-й, Рассматриваем лишь осевое расширение вдоль оси ОХ. Радиальные деформации принимаем равными нулю. В этом случае перемещения A (ау1 A ау4 и

Л lby1, Л1ьу4 точек а14 и Ь14, принадлежащих соответственно корпусу 1 и вставке 4 равны (фиг. 3):

Ыау1=!А At а1; A!Ьу1 = Ib At а1;

Л 1ау4 — la Лт À Л!ьу4 — lb ЛС а4. где а1 и а4 — коэффициенты термического расширения материалов деталей; индекс у означает, что перемещение происходит вдоль оси ОУ; индексы 1 и 4 обозначают номер детали, а индексы а и в— точку, к которой относятся рассматриваемые перемещения. Разность свободных осевых пеРемеЩений Alay u Alby веРхней и нижней конических поверхностей на расстоянии р от оси поршня соответственно равны;

1763694

Л lay = Л lay4 Л lay1; Л Iby = Л !Ьу4 Л !Ьу1 со знаком минус и выражение (5) можно записать в виде !4 = !Аг + (- Л! Бг) =

= лт . р (а4 — ct1) (ctg P — ctg y ), (6) (7)

Согласно выражению (3) и учитывая выражения (4) и (7) изменение усилия сжимающего бурт при нагреве поршня на ht градусов для р= R, равно

A Qy = kt(Q4 — а1) (Ь + (Р -r) (ctg P+ ctg y)) . (4) С = Gг+ СунувЂ

20 ф (а -а 1I + (8) Условие компенсации температурных напряжений имеет вид:

ЛО=О (9) В нашемслучае Лt О иаг а1, следовательно условие (9} выполняется в том случае, когда выражение в квадратных скобках в числителе выражения (8) равно нулю, то есть в случае:

Л!p,г1= Лр1 ctgÄ= Л1 р а1 ctgp; 35 h+2 R ctg у- r(ctgp+ ctgy) =0 (10) Разделив полученное выражение на R приводим его к безразмерному виду:

A IAr4 = Ap4 СТЯ Д= ЛС p Q4 Ctg j9;

Л!Бг1= Лр1 ctg y= At р а1 ctg y; — + 2 ctg g — (ctgP + ctg g) = 0 (11)

h г

Л !Бг4 hp4 сщ у = h t р ад ctg y, h 8 r 51 — = — -"43,13 и — = — = 0,85

R 60 Я 60

Приведем уравнение (11) к виду:

Actg P — Bctg у — С = 0 (12) (5) тогда условием полной термокомпенсации вставок поршней двигателей КамАЗ будет А = 0,85; В = 1,35 и С = 0,13, В таблице приведены результаты расчета для этого двигателя по формуле (12) в интервале углов:

В нашем случае а1 )а4, в результате перемещение Лдг приводит к увеличению натЯга, а ЛБг — к УменьшЕнию. B РеэУльтатЕ

РаЗНОСтЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ АБг СЛЕДУЕТ ПИСатЬ а суммарное осевое перемещение Ьу при совместной осевой деформации корпуса 1 и вставки 4 равно Ау = Лау+ Аьу

Учитывая, что IB = (p-г) ctgy: IA = h+ + (p — r) ctgP, имеем Лу = Ж(а1 — а1) (и + (P — г)(ст9,д+

+ ctg у)) а величина ЛОу соответствующего изменения усилия сжатия накладки равно:

Случай 2-й. Рассматриваем лишь радиальное расширение поршня. Осевые деформации принимаем равными нулю. В этом случае (фиг. 4) точки а14 и Ь14 перемещаются в радиальном направлении на расстоянии

ЛР1 =Р- Р1 и ЬР4 =Р- Р4, псвЕРхнОСти

"А" и "Б", принадлежащие корпусу 1, занимают положение А1 и Б1 а принадлежащие вставке 4 — положение А4 и Б4 одновременно поверхности А1, А4, Б1 и Б4 перемещаются в осевом направлении на расстояния !Аг1, 5, IAr4 и Л !Бг1, h, I lг4 соответственно, а разности осевых перемещений этих поВЕрХНОСтЕй раВНЫ Л lAr = Лзг4 A IAr1 И Бг

Л !Бгл Л !Бг1 °

Так как из геометрических соотношений мы имеем: то разности перемещения поверхностей равны:

Л!Дг =5t Р (а4 — а1 ) CtgфИ

Л!Бг =Лт Р («4 — 01)Ctgy, а сумма разностей равна

A lr = A lAr + A lgr = Лт P X

X (а4 — а1 ) (ctg p — ctg у ) . а осевое усилие от радиального расширение в этом случае равно

h r

Отношения — и — для двигателей разR R

45 ных типов меняются незначительно, Для дизеля КамАЗ они равны:

1763694

25

Результаты расчета условий териокоилеисации вставки лизеля Каило

Угол

Угол

40 ! 5II (lj

8 180 (/5 (7a Jai (460 (55 (35

80.

6оь

40"

-0,10375

-0,17927

-0,25714

-о,33876

-0,42574

-0,52014

-0,62456

-0,74262

-О ° 87939

-1,04000

-1,243»

-0,07710

-0,15498

-о,23660

-0,32359

-0,41797

-0,52240

-0,64046

-0,77722

-0,94021

-1,14115

64

-0,05986

-0,04962

-0,13123

-0,21822

-0,31261

-0,41703

-0,53509

-0,67186

-0,83485

- 1,03578

63

-0,03479

-0,0208

-0,10780

-О ° 20218

-0,30661

-0,42467

-0, 56143

-0,72422

-0,92536

62

-О ° 00928

-0,00990

-o,oa449

-0,18892

-.0,30698

-0,44375

-0,60674

-0,80767

61

+0,01671

+0,04320

-0,06124

-О, 17928

-0,31605

-0,47904

-0,67997

+0,08006

-0,03799

-0,17476

+0,12173

-0,01508

-о,17803

-0,37896

+о,17ooo

+о,оо7о1

-0,19393

+0,22753

+0,02659 в0,29040

52 51

-0,33775

-о,53869

60 -0,08450

49

40 -О, 17805

46

-0,07060

+0,00701

47

-0,14331 -Oi10753

90 >P >35 ;

90 >у) В

Нижний предел углов/3 иу, равный 350. принят из условия предотвращения заклинивания, Из результатов расчета, приведенных в таблице 1, следует, что полная термокомпенсация осевых напряжений поршня предлагаемой конструкции достигается при условии P =y в интервале 85„,60 и при

y— - P2„,5 в интервале 60...350, и, следовательно, образующие конусных контактных поверхностей либо должны вообще не пересекаться (быть параллельными) либо пересекаться в точке, удаленной от оси симметрии поршня на расстояние, превышающее его радиус R.

Аналогичные результаты были получены для поошня дизеля типа ЧН14/14, Предлагаемая конструкция поршня была успешно испытана на дизеле 2Ч85/11 в течении 1021 ч.

Формула изобретения

Составной поршень двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус и сопрягаемую с ними накладку, выполненные из.

5 разнородных материалов, причем накладка сопряжена с корпусом посредством двух буртов, первый из которых расположен ближе к оси симметрии поршня, а второй охватывает боковую стенку корпуса, имеющих

10 верхнюю и нижнюю конические поверхности, контактирующие с аналогичными коническими поверхностями корпуса, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения надежности, накладка выполнена состав15 ной из двух частей, одна из которых образует днище с первым буртом, а другая— кол ьцедержатель с вторым буртом, при этом образующие верхних и нижних конический . поверхностей каждого из буртов пересека20 ются в точках, расположенных от оси поршня на расстоянии, большем радиуса поршня, -0,03799 -0,00771 +0,02335 +О ° 05524

1763694

1763694 б л

Составитель B.Ëoáàíoâ

Техред М,Моргентал Корректор С.Пекарь

Редактор Т.Иванова

Заказ 3440 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 о

/ !i

Фиг 4. 1