Способ изготовления охлаждающего канала поршня двигателя внутреннего сгорания

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОХЛАЖДАЮЩЕГО КАНАЛА ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Волочко Александр Тихонович Клушин Валерий Александрович Овчинников Владимир Васильевич Изобелло Александр Юрьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(56) ВОЛОЧКО А.Т. и др. Материалы, технологии и оборудование в производстве, эксплуатации, ремонте и модернизации машин Сборник научных трудовнаучно-технической конференции, 2009. - Т. . - С. 176.1657708 А 1, 1991.1312216 А 1, 1987.2176943 2, 2001.2307948 2, 2007.(57) 1. Способ изготовления охлаждающего канала поршня двигателя внутреннего сгорания, при котором соединяют с образованием полости наружное кольцо и разрезное внутреннее кольцо, выполненные из материалов с различными коэффициентами теплового расширения, с получением армирующей вставки, устанавливают армирующую вставку в головке поршня, при этом соединение колец армирующей вставки выполняют путем установки разрезного внутреннего кольца, предварительно напряженного в радиальном направлении, в наружное кольцо, причем концы разрезного внутреннего кольца совмещают друг с другом внахлест на длине, превышающей разницу термического расширения материалов наружного и внутреннего колец армирующей вставки. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют наружное кольцо, выполненное из нирезиста, и внутреннее кольцо, выполненное из углеродистой стали. 14852 1 2011.10.30 Изобретение относится к области машиностроения, в частности к созданию двигателей внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано при формировании охлаждающего канала в армированной вставке поршня ДВС. Известен способ изготовления охлаждающей камеры -образного сечения 1, включающий изготовление металлического кольца профилегибочными операциями из полосы на шнековой оправке с последующей сваркой встык гнутого профиля. Далее свободные кромки кольца присоединяются к кольцевым гнездам на внутренней поверхности опорного ободка с помощью кольцевых сварных швов. В результате получается канал для охлаждения, внутренняя поверхность которого образована металлическим кольцом и поверхностью опорного ободка между кольцевыми гнездами. Недостатком способа 1 является то, что -образное металлическое кольцо имеет коэффициент линейного расширения более низкий, чем у поршневого сплава, что сказывается на интенсивности теплоотвода, из-за возможности возникновения зазора между кольцом и материалом поршня. В качестве прототипа выбран способ 2 изготовления охлаждающего канала поршня двигателя внутреннего сгорания, включающий соединение наружного и внутреннего колец армированной вставки с различными коэффициентами теплового расширения, преимущественно, наружное кольцо изготавливают из нирезиста, а внутреннее из углеродистой стали, с образованием канала масляного охлаждения. Соединение колец в известном способе осуществляют тепловой сборкой, путем установки внутреннего кольца в разогретое наружное кольцо, в котором выполнен канал для масляного охлаждения поршня. В дальнейшем при изготовлении поршня армированную вставку подвергают дробеструйной очистке, алитированию и затем помещают в кокиль в качестве армирующей составляющей для последующего получения алюминиевой отливки поршня с каналом для циркуляционного охлаждения. Недостатком прототипа является то, что гарантированный натяг соединения колец армированной вставки поршня, полученный тепловой сборкой деталей, значительно уменьшается в процессе последующей операции алитирования, сопровождающейся нагревом соединения до температуры 800 С, из-за различных коэффициентов теплового расширения материалов колец наружного и внутреннего, что может приводить к выпадению внутреннего кольца во время нагрева при алитировании или при кокильном литье поршня или затеканию расплава алюминиевого сплава в канал для охлаждения. Коэффициент линейного расширения нирезиста при температуре нагрева 800 С - 18,510-6 (наружное кольцо),а стали 40 - 14,610-6 (внутреннее кольцо). Таким образом, известный способ 2 может быть реализован, если гарантированный натяг в соединении колец армированной вставки поршня при тепловой сборке будет больше разницы изменения посадочных размеров наружного и внутреннего колец при последующих операциях изготовления поршня (алитирования и кокильного литья), вызванных различными коэффициентами термического расширения материалов наружного и внутреннего колец. Кроме того, соединение деталей с гарантированным натягом должно удовлетворять требованиям неподвижности соединения и прочности сопрягаемых деталей. Проведенные исследования оптимальных технологических режимов изготовления охлаждающего канала по способу 2 показали, что для обеспечения герметичности канала необходимо строгое соблюдение оптимальных режимов сборки точное исполнение сопрягаемых поверхностей в заданном узком интервале допусков и температурных режимов сборки и последующих операций изготовления поршня, что связано со значительной трудоемкостью изготовления. В основу изобретения положена задача обеспечения герметичности охлаждающего канала поршня за счет оптимизации процесса формирования охлаждающего канала и ис 2 14852 1 2011.10.30 ключения влияния разницы термического расширения материалов наружного и внутреннего колец армированной вставки с различными коэффициентами теплового расширения. Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления охлаждающего канала поршня двигателя внутреннего сгорания, при котором соединяют с образованием полости наружное кольцо и разрезное внутреннее кольцо, выполненные из материалов с различными коэффициентами теплового расширения, с получением армированной вставки, устанавливают армированную вставку в головке поршня, при этом соединение колец армированной вставки выполняют путем установки разрезного внутреннего кольца, предварительно напряженного в радиальном направлении, в наружное кольцо, причем концы разрезного внутреннего кольца совмещены друг с другом внахлест на длине, превышающей разницу термического расширения материалов наружного и внутреннего колец армированной вставки а также тем, что используют наружное кольцо, выполненное из нирезиста и внутреннее кольцо, выполненное из углеродистой стали. Сущностью заявляемого технического решения является то, что предварительно напряженное в радиальном направлении разрезное внутреннее кольцо, с концами, совмещенными друг с другом внахлест, и установленное в наружное кольцо, позволяет полностью компенсировать разницу термического расширения материалов наружного и внутреннего колец армированной вставки за счет возможности перемещения его свободного конца под действием распределенной в радиальном направлении нагрузки. Совмещение концов разрезного внутреннего кольца друг с другом внахлест выполняют на длине, превышающей разницу термического расширения материалов наружного и внутреннего колец армированной вставки. Совмещение концов разрезного внутреннего кольца на длине, равной разнице термического расширения материалов, не обеспечит полного перекрытия охлаждающего канала поршня из-за возможных колебаний периметра разрезного кольца в пределах допуска на изготовление исходной заготовки. Поэтому практически установлена минимально рекомендуемая длина перекрытия концов 35 мм, а максимальная 1520 мм по экономическим соображениям. Отличительные признаки и технический результат заявляемого способа находятся между собой в причинно-следственной связи, т.е. совокупность новых признаков с неочевидностью позволяет обеспечивать герметичность охлаждающего канала поршня двигателя внутреннего сгорания за счет установки разрезного внутреннего кольца,предварительно напряженного в радиальном направлении, в наружное кольцо, при этом концы разрезного внутреннего кольца совмещены друг с другом внахлест на длине, превышающей разницу термического расширения материалов наружного и внутреннего колец армированной вставки, что свидетельствует о соответствии способа критерию изобретательский уровень. Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где фиг. 1 - сборочный чертеж армированной вставки поршня ДВС фиг. 2 - наружное кольцо армированной вставки фиг. 3 - разрезное внутреннее кольцо в исходном состоянии фиг. 4 - разрезное внутреннее кольцо, предварительно напряженное в радиальном направлении фиг. 5 - увеличенное изображение концов разрезного внутреннего кольца, совмещенных друг с другом внахлест фиг. 6 - поршень ДВС с охлаждающим каналом. Охлаждающий канал 1 поршня ДВС (фиг. 1) состоит из охлаждающей полости 2, выполненной в наружном кольце 3, и внутреннего разрезного кольца 4. Наружное кольцо 3(фиг. 2) и внутреннее разрезное кольцо 4 (фиг. 3-5) образуют армированную вставку 5 поршня. 14852 1 2011.10.30 Наружное кольцо 3 (фиг. 2) выполняют с кольцевой проточкой 6 диаметром , ширинойи глубинойдля установки внутреннего разрезного кольца 4. Разрезное внутреннее кольцо 4 (фиг. 1) выполняют ширинойдля возможности его установки в наружное кольцо 3 по посадке с зазором. В исходном состоянии (фиг. 3) разрезное внутреннее кольцо 4 выполняют диаметромодним из известных способов, например, из трубчатой заготовки или из тонколистовой (полосовой) заготовки толщинойгибкой на гибочных роликовых станках. Периметр трубчатой заготовки или длина полосовой заготовки определяется выражением, где- длина перекрытия концов разрезного внутреннего кольца 4, предварительно напряженного в радиальном направлении и установленного в наружное кольцо (фиг. 1, 4). В исходном состоянии(фиг. 3) концы разрезного внутреннего кольца 4 совмещены друг с другом с зазором, равным(3-), где 3( - ). На одном из концов 7 или 8, например на конце 7, разрезного внутреннего кольца 4 выполняют фаску 9 (фиг. 4-5). Параметры разрезного внутреннего кольца (,и ) назначают, соблюдая следующие условия напряженияво внутреннем кольце, при его установке в наружное кольцо, не должны превышать допускаемых напряжений при изгибе изг. материала внутреннего кольца, а среднее давление между внутренним и наружным кольцами должно быть достаточным для обеспечения герметичности соединения колец. Охлаждающий канал 1 расположен в головке 10 поршня ДВС, на месте установки верхнего компрессионного кольца (фиг. 6). Способ реализуют следующим образом. Разрезное внутреннее кольцо 4 в исходном состоянии диаметроми шириной(фиг. 3) нагружают в радиальном направлении до момента, когда наружный диаметр разрезного кольца будет равен значению, равному (-), где- необходимый монтажный зазор, при этом конец 7 с фаской 9 совмещают с концом 8 внахлест сверху. Монтажный зазорнеобходим для последующей установки разрезного внутреннего кольца 4 в наружное кольцо 3. Затем разрезное внутреннее кольцо 4, предварительно напряженное в радиальном направлении по фиг. 4, устанавливают в проточку 6 наружного кольца 3 (фиг. 1), где оно(внутреннее разрезное кольцо) упруго разгибается и достаточно равномерно по всей наружной поверхности прижимается к кольцевой проточке 6 наружного кольца 3 армированной вставки 5 поршня. Концы разрезного внутреннего кольца при этом совмещены друг с другом внахлест на длине , превышающей разницу термического расширения материалов наружного и внутреннего колец армированной вставки, и конец 7 с фаской 9(фиг. 5) расположен сверху, что способствует беззазорному контакту сопрягаемых поверхностей. Далее осуществляют алитирование армированной вставки 5 и ее заливку в поршень(фиг. 6). В процессе алитирования армированная вставка 5 разогревается до 800 С, наружное кольцо 3 из нирезиста и, соответственно, ее кольцевая проточка 6 расширяются на большую величину, чем внутреннее кольцо 4 из углеродистой стали, однако при этом соединение наружного и внутреннего колец сохраняет герметичность охлаждающего канала 1 поршня за счет упруго разгибаемого внутреннего разрезного кольца 4, сопровождаемого взаимным перемещением совмещенных друг с другом внахлест концов 7 и 8. В процессе отливки поршня армированную вставку 5 помещают в кокиль на месте установки верхнего компрессионного кольца и осуществляют заливку формы (фиг. 6). Размещение предварительно напряженного в радиальном направлении разрезного внутреннего кольца 4 в кольцевой проточке 6 наружного кольца 3 исключает возможность затекания расплава алюминиевого сплава в охлаждающий канал 1 поршня ДВС. Пример использования способа. 4 14852 1 2011.10.30 Осуществляли изготовление охлаждающего канала для галерейного охлаждения поршня высокофорсированного двигателя внутреннего сгорания, соответствующего экологическим требованиям Евро-4, Евро-5 и выше, осваиваемого в производстве на ЗАО Минский моторный завод. Наружное кольцо 3 (фиг. 2) выполняли с кольцевой проточкой 6 диаметром 78 мм и шириной 16,1 мм для установки внутреннего разрезного кольца 4. Разрезное внутреннее кольцо 4 (фиг. 3) изготавливали гибкой полосовой заготовки из стали 65 Г (механические свойства в отпущенном или отожженном состоянии в 6085 кг/мм 2, 510 не менее) толщиной 0,8 мм, шириной 16 мм и длиной 260 мм на диаметр 95 мм. Полученное кольцо нагружали в радиальном направлении до момента, когда наружный диаметр разрезного кольца равнялся значению 70 мм, при этом конец полосовой заготовки с фаской размещали сверху. Затем разрезное внутреннее кольцо 4 устанавливали в проточку 6 наружного кольца 3 (фиг. 1), где оно упруго разгибалось, прижимаясь к сопрягаемой поверхности наружного кольца. Концы разрезного внутреннего кольца были совмещены друг с другом внахлест на длине 260-7815,1 мм. Распределение давлений по внутреннему разрезному кольцу зависит от формы кольца в свободном состоянии и от соотношения жесткостей разрезного внутреннего кольца и наружного кольца. Среднее давление между разрезным внутренним кольцом и наружным кольцом определяли по формуле 3 43 3 4200000,8353,40,0022 кг/мм 20,2 кг/см 2 ,4 4 993,1478 где- модуль упругости материала разрезного кольца, кг/мм 2- толщина кольца, мм 3 разность зазоров кольца в свободном состоянии и после установки в наружное кольцо, мм- посадочный диаметр наружного кольца, мм.3(9578)53,4 мм . Напряженияв радиальном направлении в кольце прямоугольного сечения толщиной 0,8 мм от действия равномерно распределенной нагрузкиопределяли по формуле 3 43 4200000,853,4 59,6 кг/мм 2 . 2 2 333,1478 Полученные значения напряжения не превышают допустимых значений для выбранного материала - стали 65 Г. Далее осуществляли алитирование армированной вставки 5 и ее заливку в поршень(фиг. 6). В процессе алитирования армированная вставка 5 разогревалась до 800 С,наружное кольцо 3 из нирезиста расширялось на большую величину, чем внутреннее кольцо 4 из углеродистой стали, из-за разных значений коэффициентов линейного расширения материалов, и длина перекрытия концов внутреннего кольца уменьшалась до 14,5 мм, при этом соединение наружного и внутреннего колец сохраняло герметичность охлаждающего канала 1 поршня. Для возможности объективной оценки герметичности охлаждающего канала поршня один из изготовленных образцов был распилен в нескольких местах в радиальном направлении. Затекания расплава алюминиевого сплава в охлаждающий канал не обнаружено,качество сформированного канала удовлетворяет ТУ. Таким образом, использование заявляемого способа для изготовления охлаждающего канала обеспечивает герметичность охлаждающего канала поршня при соединении наружного и внутреннего колец армированной вставки с различными коэффициентами теплового расширения. При этом предлагаемый способ не ухудшает основных достоинств прототипа, в части интенсификации отвода тепла и вероятности нарушения связи между 5 14852 1 2011.10.30 наружным кольцом армированной вставки из нирезиста и головкой поршня из алюминиевого сплава, за счет близости коэффициентов их линейного расширения. Источники информации 1. Металлическое кольцо на ободке для образования охлаждающего канала на поршне двигателя внутреннего сгорания и способ его изготовления Патент Испании 04000387,МПК 21 53/18, дата публикации 2005.03.07. 2. Волочко А.Т., Изобелло А.Ю., Клушин В.А. Теоретическое обоснование технологических параметров сборки нирезистовой вставки с галереей масляного охлаждения поршня Материалы, технологии и оборудование в производстве, эксплуатации, ремонте и модернизации машин сб. науч. трудовМеждунар. науч.-техн. конф. В 3-х т. . / Под общ. ред. П.А.Витязя, С.А.Астапчика. - Новополоцк ПГУ, 2009. 3. Биргер И.А. и др. Расчет на прочность деталей машин Справочник. 3-е изд., перераб. и доп. - М. Машиностроение, 1979. - 702 с. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7