RU2184863C2

RU2184863C2 - Piston

Info

Publication number: RU2184863C2
Application number: RU2000120073A
Authority: RU
Inventors: А.А. Симдянкин; Б.П. Загородских; С.В. Баринов
Original assignee: Симдянкин Аркадий Анатольевич; Загородских Борис Павлович; Баринов Сергей Вячеславович
Priority date: 2000-07-27
Filing date: 2000-07-27
Publication date: 2002-07-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering; piston machines with crank mechanism. SUBSTANCE: proposed piston has head with grooves for compression and oil control piston rings on outer cylindrical surface engaging with piston base through pack of steel plate springs designed for conversion of kinetic shock energy taken by piston head into potential spring compression energy. Ring-lock is press-fitted into lower part of head. Ringlock consists of two semirings holding head and base at distance 2f with piston moving from top dead center to bottom dead center at intake stroke. Distance 2f is calculated by equation 2f = H-h₁-h₂ where H is height of standard solid piston, h₁ is height of piston head, and h₂ is height of piston base. EFFECT: improved reliability of crank mechanism owing to conversion of kinetic energy of dynamic loads into potential energy of compression of springs. 2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в поршневых машинах с кривошипно-шатунным механизмом. The invention relates to mechanical engineering and can be used in reciprocating machines with a crank mechanism.

Аналогом предлагаемого изобретения может служить составной поршень, основание которого выполнено из алюминиевого сплава, а головка - из жаропрочного материала, причем головка поршня относительно основания крепится неподвижно [1]. An analogue of the present invention can serve as a composite piston, the base of which is made of aluminum alloy, and the head is made of heat-resistant material, and the piston head is fixed relative to the base [1].

Недостатком такой конструкции поршней является то, что в процессе эксплуатации вся воспринимаемая поршнем ударная нагрузка напрямую передается кривошипно-шатунному механизму, снижая его долговечность. The disadvantage of this design of the pistons is that during operation, the entire shock load perceived by the piston is directly transmitted to the crank mechanism, reducing its durability.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является устройство [2] , в котором снижение динамических нагрузок на кривошипно-шатунный механизм осуществляется применением демпфирующих элементов, выполненных в виде концентрически расположенных распорного и пружинного колец, установленных в бобышках поршня, при этом пружинное кольцо выполнено разъемным. The closest in technical essence to the claimed object is a device [2], in which the dynamic loads on the crank mechanism are reduced by the use of damping elements made in the form of concentrically arranged spacer and spring rings installed in the piston bosses, while the spring ring is detachable .

К недостаткам такой конструкции необходимо отнести возможность появления смещения вдоль оси поршневого пальца головки поршня относительно его основания, что в свою очередь может привести к возникновению ударных нагрузок со стороны головки поршня, как через кольца - на рабочую поверхность гильзы цилиндра, так и через шатун и подшипники коленчатого вала - на вал. The disadvantages of this design include the possibility of a displacement along the axis of the piston pin of the piston head relative to its base, which in turn can lead to shock loads from the piston head side, both through the rings to the working surface of the cylinder liner and through the connecting rod and bearings crankshaft - to the shaft.

Технической задачей изобретения является устранение возможных осевых перемещений в процессе работы кривошипно-шатунного механизма и, как следствие, повышение его надежности и долговечности. An object of the invention is to eliminate possible axial displacements during operation of the crank mechanism and, as a result, increase its reliability and durability.

Поставленная техническая задача решается следующим образом. В составном поршне, содержащем головку, на наружной цилиндрической поверхности которой имеются канавки для компрессионных и маслосъемных колец, и основание, соединенное посредством поршневого пальца с шатуном, в нижнюю часть головки запрессовано кольцо-замок, состоящее из двух полуколец, удерживающих головку поршня на расстоянии 2f от его основания при движении поршня от верхней к нижней мертвой точке на такте впуска, а основание подпружинено относительно головки поршня посредством пакета тарельчатых пружин, преобразующих кинетическую энергию динамических нагрузок в потенциальную энергию сжатия пружин, где
2f=H-h₁-h₂,
где Н - высота стандартного неразъемного поршня, h₁ - высота головки поршня, h₂ - высота основания поршня.The technical task is solved as follows. In a composite piston containing a head, on the outer cylindrical surface of which there are grooves for compression and oil scraper rings, and a base connected by a piston pin to a connecting rod, a locking ring is pressed into the lower part of the head, consisting of two half rings holding the piston head at a distance of 2f from its base when the piston moves from the top to bottom dead center on the intake stroke, and the base is spring-loaded relative to the piston head by means of a disk cup springs that convert kinetic energy dynamic loads in the potential energy of compression springs, where
2f = Hh ₁ -h ₂ ,
where H is the height of the standard one-piece piston, h ₁ is the height of the piston head, h ₂ is the height of the piston base.

Оригинальность изобретения состоит в том, что в отличие от прототипа динамические нагрузки от вспышки в камере сгорания топливо-воздушной смеси воспринимаются пакетом тарельчатых пружин, расположенных между головкой и основанием поршня и преобразующих кинетическую энергию динамических нагрузок в свою потенциальную энергию, при этом головка поршня и его основание удерживаются друг относительно друга на расстоянии 2f, при движении поршня от верхней к нижней мертвой точке на такте впуска, кольцом-замком, состоящим из двух полуколец, где
2f=H-h₁-h₂,
где Н - высота стандартного неразъемного поршня, h₁ - высота головки поршня, h₂ - высота основания поршня.The originality of the invention lies in the fact that, unlike the prototype, dynamic loads from a flash in the combustion chamber of a fuel-air mixture are perceived by a package of disk springs located between the head and base of the piston and converting the kinetic energy of the dynamic loads into their potential energy, while the piston head and its the base is held relative to each other at a distance of 2f, when the piston moves from the top to bottom dead center at the intake stroke, with a lock ring consisting of two half rings, where
2f = Hh ₁ -h ₂ ,
where H is the height of the standard one-piece piston, h ₁ is the height of the piston head, h ₂ is the height of the piston base.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана принципиальная схема устройства, на фиг.2 - кривые распределения результирующей силы, действующей на поршень в зависимости от угла поворота коленчатого вала, где кривая I - результирующая сила для неразъемного поршня, кривая II - распределение результирующей силы в предлагаемом устройстве. The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a schematic diagram of a device, Fig. 2 - distribution curves of the resulting force acting on the piston depending on the angle of rotation of the crankshaft, where curve I is the resultant force for the integral piston, curve II is the distribution of the resultant strength in the proposed device.

Устройство состоит (фиг.1) из головки поршня 1, на наружной цилиндрической поверхности которой имеются канавки 2 для компрессионных и маслосъемных колец, взаимодействующей с основанием поршня 3 через пакет стальных тарельчатых пружин 4, предназначенных для перераспределения кинетической энергии динамических нагрузок, воспринимаемых головкой поршня 1, в потенциальную энергию сжатия пружин 4. В нижнюю часть головки 1 запрессовано кольцо-замок 5, состоящее из двух полуколец А и Б, удерживающих при движении поршня от верхней к нижней мертвой точке на такте впуска головку 1 и основание 3 друг от друга на расстоянии 2f, определяемом соотношением:
2f=H-h₁-h₂,
где Н - высота стандартного неразъемного поршня, h₁ - высота головки поршня, h₂ - высота основания поршня.The device consists (Fig. 1) of a piston head 1, on the outer cylindrical surface of which there are grooves 2 for compression and oil scraper rings interacting with the piston base 3 through a stack of steel disk springs 4 designed to redistribute the kinetic energy of dynamic loads perceived by the piston head 1 , into the potential energy of compression of the springs 4. A lock ring 5 is pressed into the lower part of the head 1, consisting of two half rings A and B, which hold the piston from the upper to the lower dead ke in the intake stroke head 1 and the base 3 from each other by a distance 2f, defined by the relation:
2f = Hh ₁ -h ₂ ,
where H is the height of the standard one-piece piston, h ₁ is the height of the piston head, h ₂ is the height of the piston base.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В исходном состоянии пакет пружин 4 отжимает головку поршня 1 от его основания 3 на величину 2f, при этом полукольца А и Б кольца-замка 5 удерживают и центрируют друг относительно друга головку 1 поршня и его основание 3. При воспламенении в надпоршневом пространстве горючей смеси, давление расширяющихся газов за очень короткий промежуток времени практически полностью передается головке поршня 1, которая начинает перемещаться в направлении от верхней (в.м.т.) к нижней мертвой точке (н.м.т.), выбирая зазор 2f. При этом кинетическая энергия поступательного движения головки 1 поршня преобразуется в потенциальную энергию пакета сжимаемых пружин 4. В момент, когда зазор 2f станет равным нулю и головка 1 поршня соприкоснется с основанием 3 поршня, основание 3 также начнет двигаться к н. м. т. Силы упругости пружин 4 при прохождении поршнем н. м.т. возвращают их в исходное состояние, зазор 2f восстанавливается и потенциальная энергия сжатых пружин 4 преобразуется в кинетическую энергию поступательно движущегося основания 3 поршня. На тактах выпуска, впуска и сжатия поршневой узел ведет себя как обычный цельнолитой, причем на такте впуска поршневые кольца, располагающиеся в канавках 2 головки 1 поршня стремятся снять головку 1 поршня с его основания 3, чему препятствуют полукольца А и Б кольца-замка 5. В результате результирующая сила (P_рез.), действующая на поршень, изменяет свой вид - ее абсолютное значение уменьшается, а пиковая нагрузка растягивается во времени (фиг.2, кривая II).The proposed device operates as follows. In the initial state, the spring package 4 presses the piston head 1 from its base 3 by 2f, while the half rings A and B of the lock ring 5 hold and center the piston head 1 and its base 3 relative to each other. When ignited in the over-piston space of the combustible mixture, the pressure of the expanding gases in a very short period of time is almost completely transmitted to the piston head 1, which begins to move in the direction from the top (bm) to the bottom dead point (bm), choosing a gap 2f. In this case, the kinetic energy of the translational movement of the piston head 1 is converted into the potential energy of the pack of compressible springs 4. At the moment when the gap 2f becomes equal to zero and the piston head 1 contacts the base 3 of the piston, the base 3 will also begin to move to n. m. t. The elastic forces of the springs 4 when passing the piston n. mt they return to their original state, the gap 2f is restored and the potential energy of the compressed springs 4 is converted into the kinetic energy of the translationally moving base 3 of the piston. At the exhaust, intake and compression strokes, the piston assembly behaves like a regular solid cast, and at the intake stroke, the piston rings located in the grooves 2 of the piston head 1 tend to remove the piston head 1 from its base 3, which is prevented by the half rings A and B of the lock ring 5. As a result, the resulting force (P _res. ) Acting on the piston changes its appearance - its absolute value decreases, and the peak load stretches in time (Fig. 2, curve II).

В результате применения предлагаемой конструкции поршня за счет преобразования одного вида энергии в другой, коэффициент полезного действия узла практически не изменяется. Температура в зоне расположения тарельчатых пружин намного ниже той, которая необходима для потери пружинной сталью ее упругих свойств. As a result of the application of the proposed piston design due to the conversion of one type of energy into another, the efficiency of the node practically does not change. The temperature in the area of the Belleville springs is much lower than that which is necessary for the spring steel to lose its elastic properties.

Предложенная конструкция поршня позволяет повысить его надежность исключением элементов, способствующих появлению осевых перемещений при работе устройства в составе механизма, двигателя или машины. The proposed design of the piston allows you to increase its reliability by eliminating the elements that contribute to the appearance of axial movements during operation of the device as part of a mechanism, engine or machine.

Источники информации
1. ДВС. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей./Под общ. ред. А. С. Орлина, М.Г. Круглова, 4-е изд. перер. и доп. - М.: Машиностроение, 1990 г.Sources of information
1. ICE. The device and operation of piston and combined engines. / Under total. ed. A. S. Orlina, M.G. Kruglova, 4th ed. break and add. - M.: Mechanical Engineering, 1990.

2. А. С. 678228. Поршень. С.В. Величкович, З.Д. Васинечко, Я.В. Васинишин, И.Ю. Гладкий. Бюл. 29 от 05.08.79. 2. A. S. 678228. Piston. S.V. Velichkovich, Z.D. Vasinechko, Y.V. Vasinishin, I.Yu. Smooth. Bull. 29 from 08/05/79.

Claims

A piston containing a head, on the outer surface of which there are grooves for compression and oil scraper rings, and a base connected by a piston pin to a connecting rod, characterized in that a locking ring is pressed into the lower part of its head, consisting of two half rings holding the piston head on distance 2f from its base when the piston moves from the top to bottom dead center at the intake stroke, and the base is spring-loaded relative to the piston head by means of a disk cup spring that converts kinetic flash energy into the potential compression energy of the springs, where
2f = Hh ₁ -h ₂ ,
where H is the height of the standard one-piece piston; h ₁ - the height of the piston head; h ₂ - the height of the base of the piston.