Устройство для термофиксации поршневых колец в пакете

Изобретение относится к термической обработке, в частности к термофиксации поршневых и уплотнительных колец в пакете, и может быть использовано при изготовлении разрезанных круглых поршневых и уплотнительных колец с параллельными торцевыми поверхностями.

Известно устройство для термофиксации поршневых колец в пакете, содержащее трубу соответствующего диаметра, на которую предварительно устанавливают кольца с разведением замков до определенной величины для получения упругости и требуемой формы в свободном состоянии. (Энглиш К. Поршневые кольца. - М.: 1962, Т. 1, с. 365) (аналог).

К недостаткам такого устройства для термофиксации следует отнести получение колец с большой овальностью и повышенным давлением в спинке и на концах кольца. В других зонах кольца возможны просветы в контрольном калибре, т.е. качество колец, изготовленных термофиксацией на трубе, очень низкое. Также с помощью данного устройства невозможно получение поршневых колец с равномерным радиальным давлением и пониженным давлением в зоне замка. Причем такие кольца используются в современных двигателях внутреннего сгорания и уплотнительных устройствах.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является устройство для термофиксации поршневых колец в пакете, содержащее цилиндрическую оправку, набранный на оправку пакет поршневых колец, средство осевой стяжки, выполненное в виде двух фланцев, связанных посредством цилиндрического стержня с резьбой и гайки, причем верхний фланец подвижный, а нижний фланец неподвижный и выполнен заодно с оправкой, где оправка состоит из двух цилиндрических частей, одна часть которой формирует половину кольца от спинки (0°) до 90° и 270° радиусом r₁, равным r₁=d/2=(πD+Skα/2sin(α/2))/2π-t, где d - диаметр цилиндрической части оправки, мм, D - номинальный диаметр поршневого кольца, мм, S - размер замка поршневых колец в свободном состоянии, мм, k - коэффициент усадки материала кольца, равный 1,15-1,25, α - угол, определяющий зону замка S кольца, град, t - радиальная толщина поршневого кольца, мм, другая цилиндрическая часть оправки состоит из двух дополнительных цилиндрических частей, из которых первая дополнительная цилиндрическая часть оправки формирует часть кольца от 90° до 140° и от 220° до 270°, а центр радиуса цилиндрической части расположен от центра номинального радиуса кольца в сторону замка на расстоянии Δ=R·f, где R - номинальный радиус поршневого кольца, мм, f - коэффициент, равный для колец с пониженным давлением в зоне замка - 0,026, для колец с равномерной эпюрой давления - 0,036, для колец с повышенным давлением в зоне замка - 0,046, а вторая дополнительная цилиндрическая часть оправки формирует часть кольца от 140° и 210° до замка, а центр радиуса цилиндрической части расположен от центра номинального радиуса кольца в сторону спинки на расстоянии Δ₁=R·f₁, где f₁ - коэффициент, равный 0,03, при этом наружная поверхность пакета поршневых колец охватывается по окружности средством радиальной стяжки в виде гибкой упругой стальной ленты, на концах которой выполнены лапки, отогнутые в радиальном направлении наружу, при этом в лапках выполнены отверстия, куда вставлены стяжные болты с навинченными на их концах гайками, причем ширина гибкой упругой стальной ленты должна соответствовать высоте сжатого в осевом направлении пакета поршневых колец (прототип - Патент РФ №2487179, МПК C21D 9/40, опубл. 10.07.2013, бюл. №18).

С помощью устройства для термофиксации возможно получать поршневые кольца с равномерной эпюрой давления, а также кольца с пониженным и повышенным давлением в зоне замка путем применения оправок с соответствующей формой радиальной поверхности. Гибкая упругая стальная лента прилегает своей внутренней поверхностью к радиальной наружной поверхности поршневых колец и от усилия стяжных болтов, стягивающих ленту совместно с гайками, стремится прижать поршневые кольца к радиальной поверхности оправки. Однако это не получается в отдельных зонах колец из-за резкого отличия формы оправки от формы окружности. Особенно явно это наблюдается для колец с корректированным давлением (повышенным или пониженным давлением в зоне замка). Второй причиной неполного прижатия лентой колец к оправке может служить разная радиальная толщина колец в пакете. Это получается при обтачивании и растачивании колец на токарных станках с различной установкой резца, при изготовлении колец для одного пакета из разных маслот, при влиянии упругой системы СПИД на погрешности обработки из-за неравномерно снимаемого припуска по периметру колец и других причин. Гибкая лента, ограниченная в радиальном перемещении кольцами с большой радиальной толщиной, не обеспечит плотного прилегания колец с меньшей радиальной толщиной к поверхности оправки. Такое же явление можно наблюдать и при разнотолщинности колец по их периметру. После термофиксации поршневые кольца, не прилегающие своей внутренней радиальной поверхностью к поверхности оправки, не будут обеспечивать необходимую форму, соответствующую требуемой эпюре радиальных давлений. Поэтому устройство для термофиксации поршневых колец в пакете по прототипу не может обеспечить необходимую форму поршневых колец в свободном состоянии и, как следствие, соответствующую оптимальную эпюру радиальных давлений поршневого кольца при его изготовлении из-за возможных зазоров между оправкой и внутренней радиальной поверхностью поршневых колец.

Технической задачей изобретения является повышение долговечности и надежности работы узлов уплотнения.

Задача достигается путем использования устройства для термофиксации поршневых колец в пакете, содержащего цилиндрическую оправку, набранный на оправку пакет поршневых колец, средство осевой стяжки, выполненное в виде двух фланцев, связанных посредством цилиндрического стержня с резьбой и гайки, причем верхний фланец подвижный, а нижний фланец неподвижный и выполнен заодно с оправкой, где оправка состоит из двух цилиндрических частей, одна часть которой формирует половину кольца от спинки (0°) до 90° и 270° радиусом r₁, равным r₁=d/2=(πD+Skα/2sin(α/2))/2π-t, где d - диаметр цилиндрической части оправки, мм, D -номинальный диаметр поршневого кольца, мм, S - размер замка поршневых колец в свободном состоянии, мм, k - коэффициент усадки материала кольца, равный 1,15-1,25, α - угол, определяющий зону замка S кольца, град, t - радиальная толщина поршневого кольца, мм, другая цилиндрическая часть оправки состоит из двух дополнительных цилиндрических частей, из которых первая дополнительная цилиндрическая часть оправки формирует часть кольца от 90° до 140° и от 220° до 270°, а центр радиуса цилиндрической части расположен от центра номинального радиуса кольца в сторону замка на расстоянии Δ=R·f, где R - номинальный радиус поршневого кольца, мм, f - коэффициент, равный для колец с пониженным давлением в зоне замка 0,026, для колец с равномерной эпюрой давления - 0,036, для колец с повышенным давлением в зоне замка - 0,046, а вторая дополнительная цилиндрическая часть оправки формирует часть кольца от 140° и 210° до замка, а центр радиуса цилиндрической части расположен от центра номинального радиуса кольца в сторону спинки на расстоянии Δ₁=R·f₁, где f₁ - коэффициент, равный 0,03, при этом наружная поверхность пакета поршневых колец охватывается по окружности средством радиальной стяжки в виде гибкой упругой стальной ленты, на концах которой выполнены лапки, отогнутые в радиальном направлении наружу, при этом в лапках выполнены отверстия, в которые вставлены стяжные болты с навинченными на их концах гайками, причем ширина гибкой упругой стальной ленты должна соответствовать высоте сжатого в осевом направлении пакета поршневых колец, где согласно изобретению между наружной поверхностью поршневых колец и внутренней поверхностью гибкой упругой стальной ленты располагаются витые стальные расширители в виде круглых колец, количество которых соответствует количеству поршневых колец в оправке, при этом внутренний диаметр колец равен наружному диаметру поршневых колец, а диаметр навивки колец равен высоте поршневых колец.

Наличие изобретения в предлагаемом устройстве для термофиксации поршневых колец в пакете доказывается тем, что между наружной поверхностью поршневых колец и внутренней поверхностью гибкой упругой стальной ленты располагаются витые стальные расширители в виде круглых колец, количество которых соответствует количеству поршневых колец в оправке, при этом внутренний диаметр витых стальных расширителей в виде круглых колец равен наружному диаметру поршневых колец, а диаметр сечения колец равен высоте поршневых колец.

Оригинальность данного решения заключается в том, что применение предлагаемого средства радиальной стяжки пакета поршневых колец позволяет обеспечить гарантированное плотное прилегание внутренней радиальной поверхности поршневых колец к поверхности оправки по всему периметру с различной ее формой. Вследствие этого после термофиксации поршневые кольца будут иметь по всей своей окружности эпюры радиального давления, соответствующие расчетным.

Предложенное устройство для термофиксации поршневых колец в пакете отличается от прототипа тем, что кроме осевой и радиальной стяжек пакета поршневых колец между внутренней поверхностью гибкой упругой стальной ленты и наружной поверхностью поршневых колец используются круглые упругие кольца, обеспечивающие плотное прилегание поршневых колец к поверхности оправки по всему ее периметру. Количество витых стальных расширителей в виде круглых колец соответствует количеству поршневых колец в оправке. Внутренний диаметр витых стальных расширителей в виде круглых колец равен наружному диаметру поршневых колец, а диаметр сечения витых стальных расширителей в виде круглых колец равен высоте поршневых колец. Такие расширители можно изготовить из тонкой стальной проволоки в виде витого расширителя, применяемого для маслосъемных колец (Энглиш К. Поршневые кольца. - М.: 1962, Т. 1, с. 493, фиг. 410). Они, сжимаясь гибкой упругой стальной лентой, воздействуют своей внутренней поверхностью на наружную поверхность поршневых колец индивидуально и прижимают их к наружной поверхности оправки по всему периметру.

Предлагаемое устройство для термофиксации поршневых колец в пакете поясняется чертежами. На фиг. 1 показан продольный разрез устройства для термофиксации поршневых колец в пакете; на фиг. 2 - разрез А-А фиг. 1.

Устройство для термофиксации поршневых колец в пакете содержит цилиндрическую оправку 1 с неподвижным фланцем 2 и цилиндрическим стержнем 3, снабженным резьбой и гайкой 4 для осуществления осевой стяжки пакета поршневых колец 5 с замками 6 через подвижный фланец 7. Средство радиальной стяжки состоит из гибкой упругой стальной ленты 8 с отогнутыми в радиальном направлении наружу лапками 9 с отверстиями, куда устанавливаются стяжные болты 10 с гайками 11. Между гибкой упругой стальной лентой 8 и поршневыми кольцами 5 располагаются витые стальные расширители в виде круглых колец 12 (фиг. 1, фиг. 2).

Перед термофиксацией поршневые кольца 5 набирают на оправку 1. Первое поршневое кольцо устанавливается на неподвижный фланец 2. Все остальные кольца устанавливаются на оправке 1 друг на друга. Причем поршневые кольца располагают таким образом, чтобы замки 6 поршневых колец 5 располагались симметрично поперечной оси оправки 1, проходящей через замок 6 и спинку поршневых колец 5. Затем по окружности пакета поршневых колец 5 устанавливают круглые упругие кольца 12 и гибкую упругую стальную ленту 8 так, чтобы замки поршневых колец 6 и отогнутые лапки 9 располагались симметрично продольной плоскости оправки 1. С помощью гибкой упругой стальной ленты 8, стяжных болтов 10 и гаек 11 пакет поршневых колец 5 стягивают в радиальном направлении до полного прилегания внутренней поверхности пакета поршневых колец 5 к наружной поверхности оправки 1. Сверху на пакет поршневых колец 5 устанавливают подвижный фланец 7 и, навинчивая гайку 4 на цилиндрический стержень 3, сжимают пакет поршневых колец в осевом направлении для предотвращения коробления поршневых колец 5 по их торцам в процессе термофиксации. Набранный таким образом пакет поршневых колец 5 подвергается термообработке, в результате чего поршневые кольца 5 приобретают требуемую форму. Режим термообработки должен обеспечить снятие внутренних напряжений в материале поршневых колец 5 и зафиксировать полученную расчетную форму поршневых колец 5 в свободном состоянии. Режим термообработки не относится к предмету данного изобретения, который определяется физико-механическими свойствами и химическим составом материала, размерами колец и технологическим процессом предшествующей механической обработки (Энглиш К. Поршневые кольца. Теория, изготовление, конструкция и расчет. Т. 1. М.: Машгиз, 1963, с. 366).

Технико-экономический эффект предлагаемого устройства для термофиксации поршневых колец в пакете заключается в том, что имеется возможность изготовить поршневые и уплотнительные кольца с требуемым расчетным радиальным давлением по их окружности. Это повысит долговечность и надежность работы узлов уплотнения.

Устройство для термофиксации поршневых колец в пакете, содержащее цилиндрическую оправку с пакетом поршневых колец на ней, средство осевой стяжки, выполненное в виде двух фланцев, связанных посредством цилиндрического стержня с резьбой и гайки, причем верхний фланец выполнен подвижным, а нижний фланец выполнен неподвижным и заодно с оправкой, при этом оправка состоит из двух цилиндрических частей, одна из которых формирует половину поршневого кольца от его спинки до 90° и 270° радиусом r₁, равным r₁=d/2=(πD+Skα/2sin(α/2))/2π-1, где d - диаметр цилиндрической части оправки, мм, D - номинальный диаметр поршневого кольца, мм, S - размер замка поршневых колец в свободном состоянии, мм, k - коэффициент усадки материала кольца, равный 1,15-1,25, α - угол, определяющий зону замка S кольца, t - радиальная толщина поршневого кольца, мм, другая цилиндрическая часть оправки состоит из двух дополнительных цилиндрических частей, из которых первая дополнительная цилиндрическая часть оправки формирует часть поршевого кольца от 90° до 140° и от 220° до 270°, а центр радиуса цилиндрической части расположен от центра номинального радиуса кольца в сторону замка на расстоянии Δ=R·f, где R - номинальный радиус поршневого кольца, мм, f - коэффициент для колец с пониженным давлением в зоне замка, равный 0,026, для колец с равномерной эпюрой давления - 0,036, для колец с повышенным давлением в зоне замка - 0,046, а вторая дополнительная цилиндрическая часть оправки формирует часть поршневого кольца от 140° и 210° до замка, а центр радиуса цилиндрической части расположен от центра номинального радиуса упругого кольца в сторону спинки на расстоянии Δ₁=R·f₁, где f₁ - коэффициент, равный 0,03, при этом наружная поверхность пакета поршневых колец охватывается по окружности средством радиальной стяжки в виде гибкой упругой стальной ленты, на концах которой выполнены лапки, отогнутые в радиальном направлении наружу, при этом в лапках выполнены отверстия для установленных в них стяжных болтов с гайками, причем ширина гибкой упругой стальной ленты соответствует высоте в осевом направлении сжатого пакета поршневых колец, отличающееся тем, что между наружной поверхностью поршневых колец и внутренней поверхностью гибкой упругой стальной ленты расположены витые стальные расширители в виде круглых колец, количество которых соответствует количеству поршневых колец в оправке, при этом внутренний диаметр витых стальных расширителей равен наружному диаметру поршневых колец, а диаметр сечения витых стальных расширителей равен высоте поршневых колец.