Поршневое кольцо

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявители Петухов Арнольд Александрович Тиманюк Валерий Андреевич Жданович Олег Егорович Тюрин Лев Николаевич Бестужев Николай Иванович(72) Авторы Петухов Арнольд Александрович Тиманюк Валерий Андреевич Жданович Олег Егорович Тюрин Лев Николаевич Бестужев Николай Иванович(73) Патентообладатели Петухов Арнольд Александрович Тиманюк Валерий Андреевич Жданович Олег Егорович Тюрин Лев Николаевич Бестужев Николай Иванович(57) Поршневое кольцо, например, двигателя внутреннего сгорания, ограниченное в его аксиальном направлении верхней и нижней торцевыми, а в радиальном направлении - внутренней и рабочей поверхностями, и содержащее антифрикционные включения графита, отличающееся тем, что в среднем по телу поршневого кольца аксиальная высота включений графита больше их радиальной толщины, при этом в направлении к рабочей поверхности радиальная толщина последних и расстояние между ними уменьшаются, а аксиальная высота увеличивается.(56) ГОСТ 621-87. Кольца поршневые двигателей внутреннего сгорания. Технические требования. Из-во стандартов, 1990. - С. 1-5. Энглиш К. Поршневые кольца. - М. Машиздат, 1962. - Т. 1. - С. 441-442, фиг. 329-330. 5823 1 Изобретение относится к области машиностроения, в частности к производству двигателей внутреннего сгорания (ДВС) для тракторов и автомобилей, и может быть использовано при разработке и производстве поршневых колец, обеспечивающих уплотнение сопряжения гильза-поршень ДВС и компрессоров. Известно поршневое кольцо, изготовленное со вставками из антифрикционного материала, так называемое биметаллическое кольцо 1. Известно также поршневое кольцо с канавками, заполненными антифрикционным материалом 2. Периферийная (рабочая) поверхность этих поршневых колец, контактирующая с гильзой, быстро и хорошо прирабатывается к гильзе, а внутренняя часть обеспечивает необходимый уровень и стабильность упругости самого кольца. Недостатком конструкции таких колец является высокая трудоемкость и сложность их изготовления, а также повышенная себестоимость и материалоемкость. Наиболее близким по технической сущности решением является поршневое кольцо ДВС, ограниченное в его аксиальном направлении верхней и нижней торцевыми поверхностями, а в радиальном направлении - внутренней и рабочей поверхностями и выполненное из однородного материала по всему объему, например из специального серого или высокопрочного чугуна, включающего металлическую матрицу и произвольно (приблизительно равномерно) распределенные в ней антифрикционные включения графита, причем средние размеры включений графита и расстояний между последними в различных зонах и направлениях поршневого кольца практически одинаковы 3. Как известно, наиболее нагруженные кольца (верхние компрессионные) выполняют из материала с повышенной термодинамической прочностью - высокопрочного чугуна. Этот чугун обеспечивает нужные прочностные характеристики, но трибологически не эффективен, поскольку включения графита в нем имеют неразвитую поверхность, более объемны и изолированы металлической матрицей. Это приводит к тому, что суммарная площадь включений графита, контактирующая с поверхностью трения, не достаточна, из-за повышенного трения теплоподвод высок, смазка удерживается слабо, приработка поршневых колец затруднена. Поэтому, как правило, выполняя верхние компрессионные кольца из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, что обеспечивает нужные их прочностные характеристики, затем покрывают их наружную поверхность износостойким материалом, например пористым твердым хромом. Такое решение усложняет и удорожает производство поршневых колец, приводит к повышенному износу гильз. Нижние же компрессионные кольца, как менее термодинамически нагруженные, допускают применение материала с пониженными прочностными характеристиками, например специального серого чугуна с пластинчатым графитом, но с лучшими трибологическими характеристиками. Такие кольца относительно хорошо работают в паре трения, но хрупки и имеют невысокую износостойкость. Таким образом, чем менее развиты объемы и площади включений графита в теле поршневого кольца, тем лучше прочностные характеристики последнего, и наоборот, чем более развиты объемы и площади включений графита, тем более они совершенны трибологически,но ниже прочностные характеристики и показатели упругости поршневого кольца. Основными недостатками прототипа являются необходимость использования различных материалов для производства колец различного назначения в одном поршневом комплекте (верхние компрессионные, нижние компрессионные, маслосъемные) необходимость покрытия износостойкими и антифрикционными покрытиями худшая прирабатываемость повышенная хрупкость высокая материалоемкость и себестоимость (с учетом припусков на механическую обработку и отходов в брак заготовок). Задачей изобретения является создание поршневого кольца с заданными различными свойствами по его телу, т.е. создание такого поршневого кольца, которое имело бы наиболее 2 5823 1 высокие трибологические характеристики его рабочей поверхности, контактирующей с гильзой, а также необходимую прочность и упругость остальной части поршневого кольца при возможности изготовления поршневых колец различного назначения (например, верхних и нижних компрессионных, маслосъемных) из одного и более простого материала. Поставленная задача решается посредством того, что поршневое кольцо, ограниченное в его аксиальном направлении верхней и нижней торцевыми, а в радиальном направлении внутренней и рабочей поверхностями и содержащее в своем теле антифрикционные включения, например включения графита, выполняют таким, что в среднем по телу поршневого кольца аксиальная высота включений графита больше их радиальной толщины, при этом по мере приближения к рабочей поверхности радиальная толщина последних и расстояние между ними уменьшаются, а аксиальная высота увеличивается. Такая конструкция поршневого кольца позволяет исключить или существенно уменьшить вышеуказанные недостатки, что в конечном итоге позволит использовать для производства поршневых колец одного поршневого комплекта один материал предположительно - упростить материал и отказаться от покрытия твердым хромом обеспечить необходимые прочность и упругость снизить хрупкость поршневых колец уменьшить величину замка поршневого кольца в свободном состоянии, а значит и уменьшить припуск на механическую обработку улучшить приработку уменьшить трение в паре гильза-поршневое кольцо и, соответственно, уменьшить износ деталей указанного сопряжения снизить материалоемкость и себестоимость производства поршневых колец. Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг. 1 изображено поршневое кольцо в рабочем состоянии (сжато до номинального размера) двумя проекциями - вид спереди и вид сверху на фиг. 2 изображен фрагмент выносного элемента А на фиг. 1 в увеличенном масштабе, где схематически показаны основные элементы поршневого кольца и признаки формы включений графита, а также расположения последних в теле поршневого кольца на фиг. 3, 4 и 5 изображены в увеличенном масштабе и развернутом виде равные участки площади цилиндрических сечений поршневого кольца на фиг. 3 - цилиндрическое сечение Б-Б на фиг. 2, проходящее через образующуюна фиг. 4 - цилиндрическое сечение В-В на фиг. 2, проходящее через образующуюна фиг. 5 - цилиндрическое сечение Г-Г на фиг. 2, проходящее через образующуюна фиг. 6 изображен схематичный фрагмент объемной модели предлагаемого поршневого кольца с более наглядной иллюстрацией формы включений графита и их расположения в теле поршневого кольца. Предлагаемое поршневое кольцо содержит тело 1 кольца, ограниченное в аксиальном направлении верхней 2 и нижней 3 торцевыми поверхностями, а в радиальном направлении - внутренней 4 и рабочей 5 поверхностями. Поршневое кольцо имеет замок 6. Расстояние между внутренней 4 и рабочей 5 поверхностями в радиальном направлении является радиальной толщиной 7 поршневого кольца, а расстояние между верхней 2 и нижней 3 торцевыми поверхностями в аксиальном направлении поршневого кольца - его аксиальной высотой 8. Тело 1 поршневого кольца содержит антифрикционные включения 9 графита, распределенные в его основе 10. Стрелкой 11 на фиг. 2 и 6 указано направление перемещения от внутренней 4 к рабочей 5 поверхности при описании поршневого кольца. По мере приближения от внутренней 4 к рабочей 5 поверхности изменяется форма включений 9 графита, характеризуемая размерами последних в радиальном и аксиальном направлениях, а также изменяется расстояние между включениями графита в радиальном направлении. Следует отметить, что тело 1 поршневого кольца содержит включения 9 графита в довольно широком диапазоне размеров, поэтому возможно наличие отдельных 3 5823 1 больших по размерам включений 9 графита и до подхода к рабочей 5 поверхности поршневого кольца. И это совершенно естественно. Однако поверхность трения характеризуется размерами и площадями не отдельных включений, а суммарной площадью на поверхности трения включений 9 графита. Поэтому при иллюстрации сущности изобретения следует рассматривать размеры не единичных включений 9 графита, а средние размеры включений 9 графита в рассматриваемых сечениях. Для упрощения и наглядности описания поршневого кольца, характеризуемого формой включений 9 графита и расстояниями между последними, представлена математическая модель со следующими обозначениями ср - средний размер включений 9 графита в радиальном направлении поршневого кольца (средняя радиальная толщина)- средний размер включений 9 графита в аксиальном направлении поршневого кольца (средняя аксиальная высота)- средний размер расстояния между смежными включениями 9 графита в радиальном направлении поршневого кольца. Индексами 1, 2 и 3 в верхней части буквенных обозначений ,иобозначены значения, относящиеся соответственно к цилиндрическим сечениям Б-Б, В-В и Г-Г тела 1 поршневого кольца. С учетом принятых обозначений сущность изобретения может быть представлена в виде простейших математических зависимостей, отражающих характер изменения формы по размерам включений 9 графита, а также расстояний между последними по мере удаления от внутренней 4 и приближения к рабочей 5 поверхности поршневого кольца ср - в радиальном направлении поршневого кольца уменьшается, в связи с чем включения 9 графита становятся тоньше, т.е. ср 1 ср 2 ср 3, - в аксиальном направлении поршневого кольца увеличивается, в связи с чем включения 9 графита удлиняются в указанном направлении, т.е. 123, - в радиальном направлении поршневого кольца уменьшается, в связи с чем включения 9 графита приближаются друг к другу, т.е. ср 1 ср 2 ср 3. Из вышеописанного характера изменения формы и относительного расположения включений 9 графита в теле 1 поршневого кольца видно, что по мере приближения в радиальном направлении последнего от внутренней 4 к рабочей 5 поверхности одновременно имеет место уменьшение радиальной толщины , увеличение аксиальной высотыи сближение включений 9 графита в радиальном направлении 11 поршневого кольца. Это значит, что в указанном направлении по стрелке 11 форма включений 9 графита переходит от явно объемной (зерновой, шаровидной и т.д.) к пластинчатой с одновременным повышением количества таких пластин в единице объема тела 1 поршневого кольца, т.е. достигается более плотная послойная упаковка этих включений с ориентацией последних в аксиальном направлении поршневого кольца. А если это так, то минимальные толщинывключений 9 графита и расстояниемежду последними, а также максимальная аксиальная высота и число включений 9 графита в единице объема тела 1 поршневого кольца при наибольшем соответствии их аксиальной ориентации достигается на рабочей 5 поверхности, т.е. на поверхности трения с гильзой цилиндра. Повышенная плотность послойной упаковки включений 9 графита в указанном направлении приводит при механической обработке заготовок к рассечению большего числа включений 9 графита, а значит - к выходу большего числа включений 9 графита на рабочую 5 поверхность поршневого кольца. Повышение высотывключений 9 графита в аксиальном направлении поршневого кольца приводит к повышению раскрываемой площади каждого включения 9 графита, а значит и к увеличению суммарной площади графита в площади трения поршневого кольца. 4 5823 1 Достижение максимальной ориентации включений 9 графита в аксиальном направлений поршневого кольца приводит при механической обработке последнего к рассечению включений 9 графита по наибольшей площади (практически по всей высотеи толщиневключения 9), что дополнительно повышает суммарную площадь включений 9 графита на рабочей 5 поверхности поршневого кольца. Таким образом, большая суммарная площадь включений 9 графита (пластин) на рабочей 5 поверхности поршневого кольца обеспечивается большим числом включений 9 графита (пластин) большей высотой включений 9 графита благоприятной ориентацией включений 9 графита в аксиальном направлении. Существенное же повышение на рабочей 5 поверхности поршневого кольца (поверхности трения) доли поверхности, занятой графитом, является важным фактором с точки зрения трибологических требований, обеспечивающих идеальные условия работы поршневого кольца в гильзе цилиндра. Падения прочностных характеристик поршневого кольца из-за повышения доли суммарной площади включений 9 графита в площади рабочей 5 поверхности поршневого кольца не может быть и нет, поскольку увеличение числа включений 9 графита в единице объема тела 1 поршневого кольца сопровождается уменьшением их толщины и не влечет за собой повышения объемной доли включений графита в теле 1 поршневого кольца. Напротив, должно и практически имеет место существенное повышение прочностных характеристик тела 1 поршневого кольца из-за уменьшения радиальной толщины включений 9 графита, а значит - и полостей (гнезд) в теле 1 поршневого кольца под размещение последних, а также - из-за благоприятной направленности этих полостей в плоскости нагружения поршневого кольца находится меньшее измерение (поперечная ось) пустоты(гнезда), которая является ослабляющим поршневое кольцо фактором. Кроме того, предлагаемое поршневое кольцо практически не может содержать включений 9 графита в теле последнего (а значит и их гнезд) с чисто радиальной направленностью большего измерения (большей оси), сильно ослабляющих поперечное сечение, как это обязательно имеет место в поршневых кольцах известных конструкций. Существенное же повышение прочностных характеристик поршневого кольца влечет за собой и обеспечивает после соответствующей термообработки значительное повышение и его упругости. В связи с вышеоговоренным комплексом особенностей построения тела 1 предлагаемого поршневого кольца (увеличение высоты, плотности упаковки и благоприятного пространственного расположения включений 9 графита) рабочая поверхность поршневого кольца в сравнении с поверхностями цилиндрических сечений, расположенных ближе к внутренней 4 поверхности поршневого кольца, имеет суммарную площадь включений 9 графита выше 30 процентов. Повышенные прочностные характеристики поршневого кольца допускают возможность большего разведения замка 6 поршневого кольца при надевании последнего на поршень без поломок. Повышенная упругость поршневого кольца позволяет изготовлять поршневые кольца с меньшим зазором в замке 6 в свободном состоянии, что позволяет использовать заготовку меньших размеров с соответствующим уменьшением расхода металла. Повышенные показатели прочности и упругости позволяют использовать предлагаемое поршневое кольцо в качестве первого компрессионного даже при использовании более простых исходных материалов. Поскольку предлагаемое поршневое кольцо имеет в сравнении с известными конструкциями рабочую поверхность с повышенным содержанием графита, то уменьшаются силы трения деталей в сопряжении кольцо-гильза, а значит уменьшается и их износ,улучшается и ускоряется приработка. Все в целом приводит к повышению надежности работы цилиндро-поршневой группы ДВС при одновременном снижении затрат на производство. 5 5823 1 Источники информации 1. Энглиш К. Поршневые кольца. - М. Машгиз, 1962. - Т.1. - С. 442, фиг. 330. 2. Энглиш К. Поршневые кольца. - М. Машгиз, 1962. - Тт.1. - С. 441, фиг. 329. 3. ГОСТ 621-87. Кольца поршневые двигателей внутреннего сгорания Общие технические условия. - С. 1-5 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6