Цилиндропоршневая группа

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использовано в поршневых машинах, например, в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Цилиндро-поршневая группа содержит поршень, с размещенными на нем кольцами, контактирующими с цилиндром, имеющим на рабочей поверхности микрорельеф в виде расположенных по винтовым линиям равномерно чередующихся фрагментов, каждый из которых состоит из канавки, сопряженной с плоским, параллельным оси цилиндра, участком. Глубина канавки выбирается равной радиальному зазору поршневого кольца в цилиндре, длины участков микрорельефа с положительным, нулевым и отрицательным углами атаки составляют третью часть шага микрорельефа, а шаг микрорельефа соизмерим с осевой высотой поршневого кольца. Благодаря таким, полученным в результате гидродинамического анализа, шаго-высотным соотношениям, привязанным к осевой высоте поршневого кольца, достигается повышение износостойкости сопряжения «поршневое кольцо-цилиндр» за счет максимизации гидродинамической несущей способности смазочного материала в зазоре, исчезает необходимость применения дорогостоящих цветных металлов, применительно к ДВС снижается вероятность роста расхода масла на угар.

Фиг.3, Табл.1

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в поршневых машинах, в частности двигателях внутреннего сгорания.

Аналогом предлагаемой полезной модели является устройство [Патент США 2292662, F02F 1/20, опубл. 1942 г.], на трущейся поверхности цилиндра которого выполнены две встречно направленные винтовые канавки, заполненные сплавом цветных металлов.

К недостаткам данного устройства можно отнести расположение канавок в наиболее нагретой зоне цилиндра (верхней мертвой точки), что, из-за существенно различного (практически в два раза) коэффициента линейного расширения материалов цилиндра и сплава в канавках, повлечет к нарушению адгезии указанных материалов, и, кроме того, вызовет повышение расхода масла на угар.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту может быть признано устройство [Патент РФ 2186234, F02F 1/20, опубл. 2002 г.], представляющее собой цилиндро-поршневую группу (ЦПГ), содержащую поршень с кольцами в цилиндре, имеющем на рабочей поверхности две встречно выполненные винтовые канавки заполненные цветным металлом, причем угол подъема (угол атаки) сторон канавок лежит в пределах от 15 до 60°, а величина шага не превышает расстояние между верхним компрессионным и нижним маслосъемным кольцами.

Указанное устройство имеет ряд недостатков:

1. Заполнение канавок сплавом цветным металлов приводит к полной либо частичной (по мере расходования сплава) потере основного гидродинамического свойства канавки, для формирования которого она и предназначена, а именно: создание резервной гидродинамической несущей способности (ГНС) смазочного материала в сопряжении «поршень-цилиндр» и, главным образом, «поршневое кольцо-цилиндр». В случае двигателей внутреннего сгорания наличие и изнашивание (присутствие частиц износа) цветных металлов в моторном масле дополнительно приводит к повышению зольности последнего.

2. Значения угла атаки сторон канавки, даже минимальное, равное 15°, как показывают исследование функции гидродинамической несущей способности на максимум, весьма (в два раза) больше оптимальных значений (6...8°); максимальное значение угла, равное 60°, дополнительно приводит к неоправданному увеличению глубины канавки, что провоцирует рост расхода масла на угар.

3. Шаг микрорельефа необоснованно завышен: рекомендованная верхняя граница - не более высоты колечного пояса поршня - не учитывает количество колец на поршне, которое, например, для тихоходных двигателей может достигать 6. Приведенные ниже оценки показывают, что при несоизмеримо большом по отношению к осевой высоте единичного кольца шаге микрорельефа, гидродинамическая несущая способность последнего резко падает.

Технической задачей полезной модели является повышение износостойкости сопряжения «поршневое кольцо-цилиндр» путем увеличения гидродинамической несущей способности цилиндра..

Поставленная техническая задача достигается тем, что в цилиндро-поршневой группе, содержащей поршень с размещенными на нем поршневыми кольцами, контактирующими с цилиндром, имеющим на рабочей поверхности микрорельеф в виде расположенных по винтовым линиям равномерно чередующихся фрагментов, каждый из которых состоит из канавки, сопряженной с плоским, параллельным оси цилиндра, участком, глубина канавки выполняется равной радиальному зазору поршневого кольца в цилиндре, а длины участков микрорельефа с положительным, нулевым и отрицательным углами атаки составляют третью часть шага микрорельефа, причем шаг микрорельефа соизмерим с осевой высотой поршневого кольца.

Оригинальность полезной модели состоит в том, что, в отличие от прототипа, канавки микрорельефа не заполнены сплавом цветных металлов, а, наоборот, имеют четкие геометрические формы, при этом значения шаго-высотных параметров микрорельефа поставлены в соответствие с размерами поршневого кольца таким образом, что способствуют максимизации ГНС.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема контактирования единичного поршневого кольца (например, компрессионного) с фрагментом микрорельефа на рабочей поверхности цилиндра.

Устройство (фиг.1) состоит из цилиндра l, на рабочей поверхности которого выполнен микрорельеф шага L, состоящий из чередующихся фрагментов в виде треугольной канавки 2 глубиной Н, сопряженной с плоским, параллельным оси цилиндра участком 3, и обращенный к поршневому кольцу 4 осевой высотой S, расположенному в канавке поршня 5. Зазор сопряжения «поршневое кольцо-цилиндр» заполнен вязким несжимаемым смазочным материалом (например, моторным маслом) с динамической вязкостью µ. Кольцо 4 вместе с поршнем 5 движется возвратно-поступательно со скоростью . Участок канавки длиной l₁ с сужающимся в направлении вектора скорости зазором имеет положительный угол атаки и, согласно гидродинамической теории смазки, создает положительную ГНС, которая увеличивается благодаря сопряженному участку длиной l₂ с нулевым углом атаки (ввиду параллельности этого участка поверхности кольца 4), участок длиной l₃ с отрицательным углом атаки создает отрицательную ГНС. Как видно из фиг.2, где показано полученное расчетом распределение гидродинамического давления p(х) вдоль зазора сопряжения «поршневое кольцо-микрорельеф», положительная часть эпюры превалирует над отрицательной, что и служит причиной появления ГНС (геометрически интерпретируемой как площадь положительной эпюры гидродинамического давления), противостоящей сближению и контактированию (изнашиванию) поверхностей в эксплуатации.

При смене направления движения картина повторяется с той разницей, что несущими становятся участки l₃ и l_2.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Общеизвестно, что максимизация ГНС позволяет сократить интенсивность и время контактирования сопряжения, которые являются главными причинами изнашивания поверхностей в нормальном (неабразивном) режиме эксплуатации. Для максимизации ГНС в устройстве реализована оптимизация шаго-высотных параметров микрорельефа на основе положений гидродинамической теории смазки. Суть гидродинамического анализа изложена ниже.

Выведенная путем решения уравнения Рейнольдса функция ГНС для формы зазора, представленного на фиг.1, имеет вид:

Здесь g(, ) - безразмерная функция, зависящая только от шаго-высотных параметров микрорельефа:

где - относительная длина наклонного участка микрорельефа (шаговый параметр);

- относительный перепад высот микрорельефа (высотный параметр).

При допущении неизменности геометрических параметров, входящих в выражение (1), решение задачи сводится к нахождению значений (или соотношений) для шаго-высотных параметров микрорельефа и , максимизирующих безразмерную функцию g(, ), определяемую выражением (2).

С учетом геометрии фрагмента микрорельефа на фиг.1 область существования значений относительной длины наклонного участка : 00,5. Для относительного перепада высот микрорельефа на основе анализа параметров топографии выполненных конструкций область существования может быть определена как 05. Аналитический способ нахождения глобального максимума функции двух переменных g(, ) весьма трудоемок, поэтому применяли графический прием (фиг.3).

Полученные в результате этого рациональные значения параметров и , а также связанного с ними глобального максимума функции g(, ) составили:

₀=1,121; ₀=0,344; g(₀, ₀)=0,011. (3)

Из определения относительного перепада высот следует, что глубина канавки равна произведению относительного перепада высот на минимальный зазор:

H=·H₁.

Подставляя в (4) максимизирующее ГНС (рациональное) значение параметра относительного перепада высот, получали рациональное значение глубины канавки:

Н=₀·H₁=1,121·H₁ .

Из (5) следует, что, с учетом малости множителя 1,121 по сравнению с единицей, рациональная глубина канавки Н в первом приближении может быть принята равной минимальному зазору в сопряжении «поршневое кольцо-цилиндр» H ₁. Собственно минимальный зазор указанного сопряжения определяется из конструкции ЦПГ как радиальный зазор поршневого кольца в пределах выбора зазора в замке

H₁=/2/6,28. (6)

Параметр H₁ согласно выражению (6) представляет собой гидродинамически обоснованный высотный параметр микрорельефа предлагаемого устройства и определяется конструкционно задаваемой, известной величиной, а именно: значением зазора в замке поршневого кольца .

Поскольку для симметричной канавки

L=2l_1,3+l₂, то, с учетом (3), рациональные значения шаговых параметров (длин характерных участков) микрорельефа при заданном значении шага микрорельефа L составят:

l_1,3=0,344L;

l₂ =0,312L

или, с применением упрощающей замены множителей 0,344 и 0,312 на единый множитель 0,333,

l _1,2,3=0,3331L.

Из соотношения (7) получаем, что рациональные значения длин участков фрагмента микрорельефа с положительным, отрицательным и нулевым углами атаки должны составлять одну третью часть шага микрорельефа.

Очевидно, что при осевой высоте поршневого кольца S возможны следующие основные варианты выбора шага микрорельефа L:

1. Соизмеримый шаг (LS);

2. Увеличенный шаг (L>S);

3. Уменьшенный шаг (L<S).

В первом варианте в пределах длины поршневого кольца располагается один фрагмент микрорельефа; во втором - определенная его часть; в третьем, наоборот, несколько фрагментов. В устройстве-прототипе применен вариант увеличенного шага микрорельефа по отношению к единичному поршневому кольцу.

В целях обоснованности выбора шага микрорельефа были проведены расчеты ГНС по формуле (1), результаты которых приведены в таблице.

Как следует из таблицы, максимальную ГНС при прочих равных условиях обеспечивает микрорельеф с соизмеримым по отношению к заданной длине поршневого кольца шагом. Снижение значения ГНС при переходе от соизмеримого шага к увеличенному составило 37%, к уменьшенному - 58%.

Таким образом, в первом приближении задавать рациональное значение шага микрорельефа L следует, исходя из осевой высоты поршневого кольца S, которая является известным конструкционным параметром, при этом рациональное значение L должно быть соизмеримо (т.е. примерно равно) величине S.

Технико-экономическим преимуществом заявляемой полезной модел является повышение надежности и долговечности поршневых машин за счет снижения изнашивания, трения и расхода масла на угар, а также экономии дорогостоящих цветных металлов, введение которых в канавку или на плоскость микрорельефа не требуется. Отсутствие продуктов изнашивания цветных металлов в смазочном материале позволит также снизить зольность последнего. Нанесение рекомендуемого микрорельефа с рациональными шаго-высотными параметрами не влечет за собой никакой доработки существующей технологии, например, роликовой раскатки в ходе поверхностного пластического деформирования. Привязка выбора рациональных шаго-высотных параметров к осевой высоте поршневого кольца является максимально обобщенной и, поэтому, применима к самому широкому кругу размерностей поршневых машин.

Таблица
Результаты расчета ГНС для фрагментов микрорельефа с различными вариантами шага: 1 - соизмеримый; 2 - увеличенный; 3 - уменьшенный
Вариант			Р, (×µ)Н/м
Абсолютное значение	Относительная разница, %
1	1,0	0,333	0,613	0
2	0,5	0,167	0,384	-37
3	0,5	0,333	0,258	-58

Цилиндропоршневая группа, содержащая поршень с размещенными на нем поршневыми кольцами, контактирующими с цилиндром, имеющим на рабочей поверхности микрорельеф в виде расположенных по винтовым линиям равномерно чередующихся фрагментов, каждый из которых состоит из канавки, сопряженной с плоским, параллельным оси цилиндра участком, отличающаяся тем, что канавки выполнены глубиной, равной радиальному зазору поршневого кольца в цилиндре, длины участков микрорельефа с положительным, нулевым и отрицательным углами атаки составляют третью часть шага микрорельефа, а шаг микрорельефа соизмерим с осевой высотой поршневого кольца.