Поршневой палец

Изобретение относится к поршневому пальцу и предназначено для шарнирного соединения поршня с верхней головкой шатуна в двигателе внутреннего сгорания. Поршневой палец выполнен из термически обработанной углеродистой стали с пониженной прокаливаемостью, с содержанием углерода от 0,40 до 0,85 мас.%, имеющей идеальный критический диаметр, характеризующий ее прокаливаемость, равный 0,8-1,2 толщины его стенки. Поршневой палец состоит из наружной цилиндрической поверхности и внутренней цилиндрической поверхности, которые образуют его стенку и которые с двух сторон ограничены кольцевыми плоскими торцами. Стенка пальца состоит из сердцевины и расположенного на ее наружной цилиндрической поверхности закаленного слоя. Закаленный слой продлен на оба его торца, по крайней мере, на длину не менее половины толщины стенки. Глубина закаленных слоев поршневого пальца составляет 0,12-0,24 толщины его стенки. Микроструктура закаленных слоев состоит из отпущенного мартенсита с твердостью 55…63 HRC и организована из исходного аустенита с величиной действительного размера зерна 11-14 баллов. Сердцевина стенки поршневого пальца, имеет микроструктуру в виде троостита, или троостосорбита, или сорбита, с твердостью 30…50 HRC. Изобретение повышает усталостную долговечность поршневого пальца. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателестроению автомобильного, автотракторного, судостроительного и тепловозостроительного производства, и может быть использовано в конструкциях поршневой группы двигателей внутреннего сгорания.

Известен поршневой палец, включающий наружную и внутреннюю цилиндрические поверхности, образующие его стенку, и которые с двух сторон ограничены кольцевыми плоскими торцами, выполненный из термически обработанной стали, причем стенка пальца состоит из расположенного на наружной цилиндрической поверхности закаленного слоя и сердцевины (Болштянский А.П., Зензин Ю.А., Щерба В.Е. Основы конструкции автомобиля. М., Легион-Автодата, 2005, с.41-42).

Однако известный поршневой палец при своем использовании имеет следующие недостатки:

- обладает недостаточной усталостной долговечностью, т.к. после термической обработки закаленный слой имеет микроструктуру в виде среднеигольчатого мартенсита 5-6 баллов, который образуется из исходного аустенита применяемой стали с величиной действительного зерна 7-9 баллов;

- большой разброс по статической прочности и усталостной долговечности, т.к. после термической обработки закаленный слой получается с различной глубиной и неравномерной твердостью по всей его длине, кроме того, образуется зона пониженной твердости между закаленным слоем и сердцевиной стенки;

- обладает недостаточной статической прочностью при изгибе и при раздавливании, из-за низкой твердости сердцевины стенки порядка 22…30 HRC, а также из-за отсутствия закаленного слоя на внутренней цилиндрической поверхности и торцах;

- высокая стоимость изготовления как в случае применения дорогих легированных сталей марки 20Х или 20ХНЗА, с термической обработкой в виде цементации, так и в случае применения углеродистой стали марки 40Х или 45Х, с термической обработкой в виде улучшения с последующей поверхностной закалкой ТВЧ.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение перечисленных недостатков известного поршневого пальца.

Техническим результатом при использовании предложенного поршневого пальца является повышение его усталостной долговечности, повышение статической прочности при изгибе и при раздавливании с одновременным получением на каждом изготавливаемом поршневом пальце одинаковых прочностных характеристик, что обеспечит всем пальцам одной размерности одинаковый срок службы. Кроме того, техническим результатом при использовании предложенного поршневого пальца является снижение стоимости его изготовления.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что предложен поршневой палец, включающий наружную и внутреннюю цилиндрические поверхности, образующие его стенку, и которые с двух сторон ограничены кольцевыми плоскими торцами, выполненный из термически обработанной стали, причем стенка пальца состоит из сердцевины и расположенного на ее наружной цилиндрической поверхности закаленного слоя, при этом он выполнен из углеродистой стали с пониженной прокаливаемостью, с содержанием углерода от 0,40 до 0,85 мас.%, имеющей идеальный критический диаметр, характеризующий ее прокаливаемость, равный 0,8-1,2 толщины стенки пальца, закаленный слой продлен на оба его торца, по крайней мере, на длину не менее половины толщины стенки, при этом глубина закаленного слоя составляет 0,12-0,24 толщины стенки, а его микроструктура состоит из отпущенного мартенсита с твердостью 55…63 HRC и организована из исходного аустенита с величиной действительного размера зерна 11-14 баллов, кроме того, сердцевина стенки выполнена с микроструктурой в виде троостита, или троостосорбита, или сорбита с твердостью 30…50 HRC. При этом закаленный слой продлен на оставшуюся часть обоих торцов и на всю длину внутренней цилиндрической поверхности с той же твердостью, или с твердостью закаленного слоя на внутренней цилиндрической поверхности, равной 50…55 HRC.

Среди признаков, характеризующих предложенный поршневой палец, существенными являются:

- выполнение из углеродистой стали с пониженной прокаливаемостью с содержанием углерода от 0,40 до 0,85 мас.%, имеющей идеальный критический диаметр, характеризующий ее прокаливаемость, равный 0,8-1,2 толщины стенки пальца;

- продление закаленного слоя на оба его торца, по крайней мере, на длину не менее половины толщины стенки;

- выбор глубины закаленного слоя пальца в пределах 0,12-0,24 толщины стенки;

- выполнение микроструктуры закаленного слоя пальца в виде отпущенного мартенсита с твердостью 55…63 HRC;

- организация микроструктуры закаленного слоя пальца из исходного аустенита с величиной действительного размера зерна 11-14 баллов;

- выполнение сердцевины стенки пальца с микроструктурой в виде троостита, или троостосорбита, или сорбита с твердостью 30…50 HRC;

- продление закаленного слоя на оставшуюся часть обоих торцов и на всю длину внутренней цилиндрической поверхности с той же твердостью или с твердостью закаленного слоя на внутренней цилиндрической поверхности, равной 50... 55 HRC.

Выполнение предложенного поршневого пальца из углеродистой стали с пониженной прокаливаемостью с содержаним углерода от 0,40 до 0,85 мас.%, имеющей идеальный критический диаметр, характеризующий ее прокаливаемость, равный 0,8-1,2 толщины стенки пальца, позволяет получать закаленный слой, имеющий одинаковую глубину и равномерную твердость по всей его длине, а также организовать плавный переход твердости от закаленного слоя к сердцевине стенки. Это обеспечивает получение одинаковых прочностных характеристик и одинаковый срок службы поршневых пальцев одной размерности.

Идеальный критический диаметр - параметр, характеризующий прокаливаемость стали - диаметр прутка стали, который при закалке с бесконечно быстрым охлаждением поверхности приобретает в центре сечения прутка структуру полумартенсита, а на поверхности прутка - структуру мартенсита.

Выбор интервала содержания углерода от 0,40 до 0,85 мас.% в углеродистой стали с пониженной прокаливаемостью обеспечивает применение предложенного поршневого пальца как в бензиновом двигателе внутреннего сгорания, так и в дизельном двигателе.

Выбор глубины закаленного слоя пальца в пределах 0,12-0,24 толщины стенки позволяет обеспечивать изготовление как тонкостенных, так и толстостенных поршневых пальцев с заданной усталостной долговечностью. Расширение верхнего предела глубины закаленного слоя создает опасность получения сквозной закалки на тонкостенных поршневых пальцах.

Организация микроструктуры закаленного слоя пальца из исходного аустенита с величиной действительного размера зерна 11-14 баллов позволяет получить ее в виде скрыто- или мелкоигольчатого мартенсита не крупнее 3 балла, что обеспечивает предложенному поршневому пальцу более высокую усталостную долговечность.

Продление закаленного слоя на оба торца, по крайней мере, на длину не менее половины толщины стенки, а также выполнение сердцевины стенки пальца с микроструктурой в виде троостита, или троостосорбита, или сорбита с твердостью 30…50 HRC обеспечивает предложенному поршневому пальцу более высокую статическую прочность при изгибе.

Продление закаленного слоя на оставшуюся часть обоих торцов и на всю длину внутренней цилиндрической поверхности с той же твердостью или с твердостью закаленного слоя на внутренней цилиндрической поверхности, равной 50…55 HRC, обеспечивает предложенному поршневому пальцу более высокую статическую прочность при раздавливании.

Следует отметить, что технология изготовления предложенной конструкции поршневого пальца не представляет собой особой сложности, при этом содержание остальных химических элементов в используемой стали с пониженной прокаливаемостью и технология термической обработки поршневого пальца являются предметом «НОУ-ХАУ» и служат предметом отдельной заявки.

Экспериментальные исследования и испытания предложенного поршневого пальца показали его высокую эффективность. Было установлено, что предложенный поршневой палец по сравнению с известным обладает повышенной усталостной долговечностью, повышенной статической прочностью при изгибе и при раздавливании с одновременным получением на каждом изготавливаемом поршневом пальце одинаковых прочностных характеристик, что обеспечивает всем пальцам одной размерности одинаковый срок службы. Кроме того, при изготовлении предложенного поршневого пальца достигнуто снижение стоимости его изготовления по сравнению с известным не менее чем в 1,5 раза.

Результаты экспериментальных исследований и испытаний приведены в таблице.

№ п/п Параметры Известный поршневой палец Предложенный поршневой палец
1. Содержание углерода в стали, мас.% 0,42 0,40-0,85
2. Идеальный критический диаметр стали, мм 38,9 9,3-14,0
3. Отношение идеального критического диаметра стали к толщине стенки пальца 3,33 0,8-1,2
4. Отношение глубины закаленного слоя к толщине стенки 0,27 0,12-0,24
5. Отклонение твердости на наружной цилиндрической поверхности ±5 HRC ±1 HRC
6. Микроструктура закаленного слоя Среднеигольчатый мартенсит 5 балла Мелкоигольчатый мартенсит 3 балла
7. Твердость сердцевины стенки пальца 25…28 HRC 35…38 HRC
8. Количество поршневых пальцев одной размерности, имеющих одинаковые прочностные характеристики и одинаковый срок службы, % 70 100
9. Статическая прочность при изгибе, % 100 130
10. Статическая прочность при раздавливании, % 100 125
11. Усталостная долговечность, % 100 Не менее 150

В качестве известного поршневого пальца в таблице представлен поршневой палец КМЗ 740.51.1004020 ООО «Камского моторного завода», выполненный из углеродистой стали марки 40Х, прошедший термическую обработку в виде улучшения с последующей закалкой ТВЧ только наружной цилиндрической поверхности.

Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан поршневой палец, имеющий закаленный слой на наружной цилиндрической поверхности и на обоих торцах, выполненный на длине не менее половины толщины его стенки, на фиг.2 - поршневой палец, имеющий закаленный слой на наружной и внутренней цилиндрических поверхностях и на обоих торцах, а на фиг.3 - вид А.

Поршневой палец содержит наружную цилиндрическую поверхность 1, внутреннюю цилиндрическую поверхность 2, которые образуют между собой стенку, два кольцевых плоских торца 3. Стенка поршневого пальца содержит сердцевину 4 и закаленный слой 5, который расположен на наружной цилиндрической поверхности 1, а также на торцах 3. Кроме того, закаленный слой 5 расположен на внутренней цилиндрической поверхности 2 стенки.

Эксплуатация предложенного поршневого пальца является стандартной. Однако за счет своих более высоких прочностных характеристик эксплуатация предложенного поршневого пальца может производиться в более тяжелых условиях работы, чем эксплуатация известного поршневого пальца.

1. Поршневой палец, включающий наружную и внутреннюю цилиндрические поверхности, образующие его стенку и которые с двух сторон ограничены кольцевыми плоскими торцами, выполненный из термически обработанной стали, причем стенка пальца состоит из сердцевины и расположенного на ее наружной цилиндрической поверхности закаленного слоя, отличающийся тем, что он выполнен из углеродистой стали с пониженной прокаливаемостью, с содержанием углерода от 0,40 до 0,85 мас.%, имеющей идеальный критический диаметр, характеризующий ее прокаливаемость, равный 0,8-1,2 толщины стенки пальца, закаленный слой продлен на оба его торца, по крайней мере, на длину не менее половины толщины стенки, при этом глубина закаленного слоя составляет 0,12-0,24 толщины стенки, а его микроструктура состоит из отпущенного мартенсита с твердостью 55…63 HRC и организована из исходного аустенита с величиной действительного размера зерна 11-14 баллов, кроме того, сердцевина стенки выполнена с микроструктурой в виде троостита, или троостосорбита, или сорбита с твердостью 30...50 HRC.

2. Поршневой палец по п.1, отличающийся тем, что закаленный слой продлен на оставшуюся часть обоих торцов и на всю длину внутренней цилиндрической поверхности с той же твердостью или с твердостью закаленного слоя на внутренней цилиндрической поверхности, равной 50…55 HRC.



 

Похожие патенты:

Поршень // 2395699
Изобретение относится к двигателестроению. .

Поршень // 2379563

Изобретение относится к несущей конструкции демпфера в гидроцилиндре. .

Изобретение относится к машиностроению, в частности к производству поршневых и комбинированных двигателей внутреннего сгорания. .

Изобретение относится к двигателестроению и м.б. .

Изобретение относится к двигателестроению и м.б. .

Изобретение относится к области машиностроительной гидравлики и может быть использовано для создания нагрузок при испытаниях рулевых машин, а также для настройки параметров гидравлических усилителей.

Изобретение относится к пневматической технике и может быть использовано для выдвижения телескопических конструкций типа мачт и колонн большой высотности без использования подъемно-транспортной техники.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к узлам поршневых машин, преимущественно, двигателей внутреннего сгорания

Поршень // 2419736
Изобретение относится к поршням для использования в двигателях

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при создании пространственных четырехзвенных механизмов

Изобретение относится к поршню для тормозной системы с гидравлическим приводом

Изобретение относится к нефтепромысловой технике, в частности к устройствам для изготовления двухсторонних поршней для буровых насосов, используемых в буровых установках при перекачивании абразивосодержащих жидкостей, главным образом при повышенных давлениях и температурах

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, авторемонту и к компрессорному оборудованию, поршневой машине, содержащей цилиндропоршневую группу, включающую поршень с размещенными в его канавках компрессионными кольцами, и имеющей два вкладыша, установленные в выемках на боковой поверхности поршня, а также конструктивные узлы, предназначенные для взаимно смещенной ориентации положения замков колец, вкладыши размещены над вторым компрессионным кольцом, симметрично положению центра его замка, с расстоянием между краями выемок, не превышающим минимально заданный запас. Каждый конструктивный узел для взаимно смещенной ориентации положения замков колец выполнен ограниченно подвижным, в частности в виде ролика, входящего в верхнюю (кольцевую) часть обоймы с масленым зазором и скользящего с масленным зазором между концевыми упорами нижней обоймы, выполненной в виде сегментного желоба, выфрезерованного в теле поршня, углы конусности верхних и нижних проточек в замках компрессионных колец выполнены разными. Изобретение обеспечивает повышение эксплуатационных качеств. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к кривошипно-шатунным механизмам. Кривошипно-шатунный механизм ДВС состоит из коленчатого вала, шарнирно соединенного с шатунами, взаимосвязанными своей головкой через шлицы с ответными шлицами, выполненными на поверхности поршневого пальца в его средней части. Шатуны при помощи поршневого пальца связаны с поршнями, подвижно размещенными в блоке цилиндров двигателя. Один конец поршневого пальца также при помощи шлицев соединен с ответными шлицами, нарезанными во втулке, размещенной неподвижно в бобышке поршня. Другой конец поршневого пальца имеет гладкую поверхность и подвижно установлен во втулке, жестко закрепленной в другой бобышке поршня. Технический результат - повышение эксплуатационной надежности кривошипно-шатунного механизма ДВС. 2 ил.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Способ осевой фиксации шатуна двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что шатун удерживают в осевом направлении по верхней головке шатуна приливами поршня и стопорными элементами в виде пружинных колец. Шатун устанавливают неподвижно относительно поршневого пальца посадкой с натягом, а пружинные кольца устанавливают в канавках приливов поршня. Технический результат заключается в увеличении ресурса работы и снижении механических потерь. 1 ил.

Изобретение относится к поршневому подшипниковому устройству двигателя внутреннего сгорания. Устройство содержит поршень с по меньшей мере верхней частью и нижней частью, жестко скрепленными друг с другом, и шатун (2), имеющий верхний конец (2а) с поршневыми пальцевыми средствами (3), установленными между упомянутыми частями (1a, 1b) поршня и соединенными с возможностью поворота с поршнем. Верхний конец (2а) шатуна (2) выполнен с первой рабочей поверхностью (2а1) подшипника, зацепленной с возможностью поворота с внутренней поверхностью верхней части поршня. Поршневые пальцевые средства (3) имеют вторую и третью рабочие поверхности (3а) подшипника, расположенные с каждой стороны шатуна (2) и на противоположной стороне поршневых пальцевых средств (3) относительно первой рабочей поверхности (2а1) подшипника. Рабочие поверхности (2а1; 3а) имеют по существу форму половины цилиндра, и радиус (R1) кривизны первой рабочей поверхности (2a1) по существу больше, чем радиус (R2) кривизны второй и третьей рабочих поверхностей (3а). Технический результат: обеспечение надежного решения для выдерживания увеличенных давлений цилиндра и скоростей, использующихся в двигателях внутреннего сгорания, особенно больших дизельных двигателях. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

Заявляемая группа изобретений относится к области машиностроения, а именно к компрессоростроению, и может быть использована в цилиндрах различного назначения, в частности в цилиндропоршневых узлах поршневых компрессоров. Достигается упрощение конструкции, а также предотвращение самоотвинчивания поршня высокого давления с одновременным прижатием поршня низкого давления к упорному бурту штока. Поршень составной дифференциальный по варианту 1 содержит шток (1) с упорным буртом (2), поршни низкого (3) и высокого (4) давлений. Поршень низкого давления (3) выполнен с осевым отверстием и насажен на шток (1) до упорного бурта (2). Поршень высокого давления (4) выполнен сплошным и закреплен на штоке (1) со стороны насаживания поршня низкого давления (3) при помощи резьбового соединения. При этом поршень высокого давления (4) прижимает поршень низкого давления (3) к упорному бурту (2) штока (1). При этом между поршнями высокого (4) и низкого (3) давлений расположена корончатая шайба (5). Поршень составной дифференциальный по варианту 2 содержит шток (1) с упорным буртом (2), поршни низкого (3) и высокого (4) давлений. Поршень низкого давления (3) выполнен с осевым отверстием и насажен на шток (1) до упорного бурта (2). Поршень высокого давления (4) выполнен полым и закреплен на штоке (1) со стороны насаживания поршня низкого давления (3) при помощи резьбового соединения. При этом поршень высокого давления (4) прижимает поршень низкого давления (3) к упорному бурту (2) штока (1). При этом между поршнями высокого (4) и низкого (3) давлений расположена корончатая шайба (5). 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к поршневому пальцу и предназначено для шарнирного соединения поршня с верхней головкой шатуна в двигателе внутреннего сгорания

Наверх