Шатунно-поршневая группа для четырехтактного двигателя внутреннего сгорания - RU2722915C1
Код документа: RU2722915C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в четырехтактных, преимущественно автомобильных двигателях внутреннего сгорания (ДВС).
Известны шатунно-поршневые группы (ШПГ) для четырехтактных автомобильных ДВС, содержащие шатун в сборе с поршнем, причем в зоне перехода стержня шатуна в кривошипную головку шатуна по центральной оси стержня шатуна выполнено отверстие, через которое в момент совпадения указанного отверстия с отверстием на шатунной шейке коленчатого вала, выполняемым из соображений сохранения прочности и снижения износа шатунной шейки, чаще всего под прямым углом к плоскости кривошипа коленчатого вала с выходом на ненагруженную сторону цилиндра (правую при взгляде на носок коленчатого вала ДВС), в который устанавливается ШПГ, происходит выброс струи моторного масла в зону внутренней поверхности юбки поршня для осуществления смазывания сопряжения "юбка поршня-цилиндр", сопряжения "бобышка поршня-поршневой палец", толкателей кулачков распределительного вала и, частично, охлаждения днища поршня [1, стр. 25, фиг. 13]; [2, стр. 178, рис. 112]; [3, стр. 44, рис. 2.77].
Недостатками этого известного технического решения является преимущественное обслуживание смазочным материалом в плоскости качания шатуна только одной из сторон сопряжения "юбка поршня-цилиндр", на которую направлена ось указанного маслоподающего отверстия в кривошипной головке шатуна, поскольку попадание масла на противоположную сторону указанного сопряжения невозможно либо существенно ослаблено экранирующим перекрытием струи масла торцовой (боковой) поверхностью стержня шатуна. Этим обусловливается, а в ряде случаев усиливается, известная неравномерность распределения смазочного материала по окружности сопряжения "поршень-цилиндр", вызывающая локальное увеличение износа поверхностей сопряжения в местах дефицита смазки.
Известны также ШПГ для четырехтактных автомобильных ДВС, содержащие шатун в сборе с поршнем, причем шатун имеет центральное (выполненное по центральной оси стержня шатуна) отверстие, соединяющее кривошипную головку шатуна с его поршневой головкой, в которой установлена втулка, имеющая центральную кольцевую канавку с выполненным в ней проходящим сквозь стенку поршневой головки отверстием, ось которого является продолжением оси центрального отверстия в стержне шатуна, предназначенным для охлаждения струей масла внутренней поверхности днища поршня [3, стр. 44, рис. 2.76]. Недостаток данного технического решения состоит в низкой эффективности охлаждения днища поршня и полном отсутствии струйного маслоснабжения сопряжения "юбка поршень-цилиндр".
И, наконец, известны ШПГ для четырехтактных автомобильных ДВС, включающие шатун в сборе с поршнем, на одной или двух сторонах юбки которого в зоне, расположенной ближе к кромке юбки, примыкающей к головке поршня, выполнены сквозные отверстия (иногда называемые маслодренажными), предназначенные для "… дополнительной подачи масла в зону контакта поршня со стенками цилиндра", т.е. для проникновения масла из внутреннего пространства юбки поршня на наружную, трущуюся о цилиндр, поверхность юбки поршня в зону сопряжения "юбка поршня-цилиндр" [4, стр. 6, рис. 1.3].
К недостатку известного устройства следует отнести отсутствие объяснений того, каким образом, под действием каких сил или вследствие каких процессов моторное масло изнутри юбки поршня способно проникать через отверстия в стенке юбки на ее наружную поверхность, т.е. в зону, где действуют давление газов и давление масла, значительно превышающие при прочих равных условиях значения давлений указанных сред во внутренней полости юбки поршня. Отсутствует также указание о том, на какой именно стороне юбки поршня, обращенной к нагруженной или к ненагруженной стороне цилиндра в плоскости качания шатуна, или сразу на обеих сторонах юбки поршня следует выполнять эти отверстия.
Очевидно, что известным следует считать и объединение этих трех рассмотренных выше технических решений [1]…[4] в одной конструкции ШПГ, что является прототипом, т.е. наиболее близким к заявляемому устройству техническим решением.
Недостатки устройства-прототипа представляют собой совокупность или сумму вышеуказанных недостатков известных устройств [1]…[4].
Целью изобретения является повышение надежности и экономичности работы ДВС путем улучшения маслоснабжения трущихся поверхностей сопряжения юбки поршня с цилиндром, осуществляемого за счет рационального выбора количества и размещения маслоподающих отверстий на шатуне, а также маслодренажных отверстий на определенной стороне и в определенной зоне юбки поршня.
Поставленная цель достигается тем, что в теле шатуна в плоскости его качания выполнены два сообщающиеся с имеющимся в стержне шатуна сквозным центральным отверстием и ориентированные на противоположные стороны от центральной оси шатуна в указанной плоскости отверстия, одно из которых, направленное на так называемую нагруженную сторону стенки юбки поршня (сторона, воспринимающая максимальную боковую силу поршня на прямом ходе последнего - такте "Рабочий ход" и находящаяся у четырехтактных ДВС с правым вращением коленчатого вала слева от центральной оси цилиндра при взгляде на носок коленчатого вала в состоянии сборки ШПГ и установки ее в цилиндр ДВС), располагается на определенной высоте в пределах длины и под определенным углом к оси стержня шатуна, а другое отверстие выполняется в стенке поршневой головки шатуна под прямым углом к центральной оси стержня шатуна, причем в стенке юбки поршня, на которую ориентировано данное отверстие, выполнен ряд сквозных отверстий.
Новизна изобретения состоит в том, что отверстие в теле шатуна, ориентированное на внутреннюю поверхность нагруженной стороны стенки юбки поршня, выполнено, в отличие от прототипа, не в зоне перехода кривошипной головки шатуна в стержень шатуна, а в самом стержне в определенной точке по высоте и под определенным углом к центральной оси шатуна в плоскости его качания, выбираемыми таким образом, чтобы обеспечить попадание струи масла в наиболее нагруженный момент времени работы ШПГ и в наиболее выгодную для повышения эффективности смазывания юбки поршня зону, а именно: под нижнюю кромку юбки поршня при прямом ходе последнего, т.е. при движении поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), что соответствует у четырехтактных ДВС такту "Впуск" и, что особенно важно, наиболее динамически нагруженному такту "Рабочий ход". Кроме того, в поршневой головке шатуна и юбке поршня предлагаемой ШПГ имеются отверстия, ориентированные на внутреннюю поверхность ненагруженной стороны юбки поршня и располагаемые именно в той зоне по осевой высоте сопряжения "юбка поршень-цилиндр", которая, как известно, испытывает масляное голодание на обратных ходах поршня (от НМТ к ВМТ или на тактах "Сжатие" и "Выпуск") у четырехтактных ДВС [3]. Таким образом, в предлагаемом устройстве струйное маслоснабжение трущейся поверхности юбки поршня распространяется не только на нагруженную, но и на ненагруженную сторону последнего, что приводит к устранению имеющей место неравномерности износа по окружности как поршня, так и цилиндра и, как следствие, приводит к повышению надежности работы ДВС и снижению его расхода масла на угар.
Анализом выполненных технических решений ШПГ установлено, что в конструкциях шатунов отсутствует размещение маслоподающего отверстия в стержне шатуна в сочетании с маслоподающим отверстием в поршневой головке, направленным на внутреннюю поверхность стенки юбки поршня по нормали к центральной оси стержня шатуна. Кроме того, в известных конструкциях поршней с отверстиями в верхней части юбки [2] отсутствуют технически обоснованные указания касательно количества, взаимного расположения и зоны размещения этих отверстий по отношению к той или иной стороне стенки юбки поршня (при сборке ШПГ и последующей ее установке в цилиндр), что доказывает новизну предлагаемого технического решения.
Вышеуказанное свидетельствует о том, что заявляемое техническое решение обладает достаточным изобретательским уровнем.
Изобретение поясняется фиг. 1, на которой показаны общие виды и местные разрезы ШПГ.
Устройство на фиг. 1 включает тело шатуна, представляющее собой единую деталь, состоящую из стержня шатуна 1, на концах которого имеются кривошипная головка 2, а также поршневая головка 3 и по центральной оси которого выполнено сквозное, соединяющее указанные головки, отверстие 4, с которым сообщается выполненное в плоскости качания и выходящее наружу тела шатуна отверстие 5, ориентированное на нагруженную сторону стенки юбки 6 поршня 7. Благодаря центральной кольцевой канавке 8 во втулке 9, установленной в поршневую головку 3, отверстие 4 сообщается с проходящим через стенку центральной кольцевой канавки 8 и стенку поршневой головки 3 отверстием 10, ориентированным на ненагруженную сторону стенки юбки поршня 11 поршня 7 и выполненным в плоскости качания шатуна под прямым углом к центральной оси стержня шатуна 1, который через установленный во втулку 9 поршневой палец 12 связывается с поршнем 7, содержащим головку 13 и юбку 14, длина которой по осевой высоте поршня 7 ограничена двумя кромками - нижней 15, наиболее удаленной от головки поршня 13, и верхней 16, расположенной наиболее близко к головке поршня 13, на ненагруженной стороне в стенке юбки 11 которого имеются отверстия 17.
Предлагаемое устройство работает следующим образом (фиг. 1). При прямых ходах поршня 7 в цилиндре (не показан) четырехтактного ДВС, в том числе в течение наиболее динамически нагруженного такта "Рабочий ход", струя моторного масла, проходя по отверстию 4, выбрасывается из отверстия 5, расположенного в стержне шатуна 1 в плоскости его качания на определенной высоте
Так, использование указанной выше программы CRJet позволило для представительной выборки размерностей четырехтактных автомобильных ДВС установить диапазон рациональных значений данных координат, первую из которых (линейную
При обратных ходах поршня в цилиндре четырехтактного ДВС (т.е. от ВМТ к НМТ), в том числе на втором по динамической нагруженности (после такта "Рабочий ход") такте "Сжатие" моторное масло через центральное отверстие 4, соединяющуюся с ним центральную кольцевую канавку 8 во втулке 9 поршневой головки шатуна 3 и выполненное в ней под прямым углом к центральной оси стержня шатуна 1 отверстие 10 моторное масло разбрызгивается на внутреннюю поверхность ненагруженной стороны юбки 11 поршня 7, откуда через отверстия 17 проходит на внешнюю поверхность юбки поршня в зону, ограниченную в направлении продольной оси поршня расстоянием z между расположенной ближе к головке поршня 13 кромкой 16 юбки 14 поршня 7 и центральной осью О-О поршневого пальца 12, а в направлении развернутой окружности юбки 14 поршня 7 ограничено длиной хорды m, стягивающей дугу окружности на внешней поверхности юбки 14 поршня 7 с центральным углом α, равным 90°, биссектриса которого проходит через плоскость качания шатуна, обеспечивая гарантированное маслоснабжение испытывающей масляное голодание ввиду движения поршня по осушенной действием горячих газов и скребковым эффектом поршневых колец на предыдущем такте (при ходе поршня от ВМТ к НМТ) ненагруженной стороне сопряжения "юбка поршня-цилиндр" (фиг. 1).
Значения диаметра центрального отверстия 4 в стержне шатуна 1, диаметра соединяющегося с ним отверстия 5 с координатами
Количество отверстий 17 в стенке юбки поршня определяется размерностью ДВС, в частности, диаметром юбки поршня D и в зависимости от этого диаметра может быть три (фиг. 2), четыре (фиг. 3) или пять (фиг. 4). Минимальное количество отверстий 17 в стенке юбки поршня, равное трем, обусловлено необходимостью, с одной стороны, равномерного обеспечения маслом окружной зоны юбки, на которую распространяется действие боковой силы поршня (обычно ±45°, считая от плоскости качания шатуна); максимальное количество, равное пяти, ограничено соображениями сохранения прочности юбки поршня и гидродинамической несущей способности слоя масла на юбке. При выполнении отверстий 17 в стенке юбки поршня ось хотя бы одного отверстия с целью гарантированного обеспечения подачи масла в наиболее нагруженное сечение юбки поршня следует располагать в плоскости качания шатуна в состоянии сборки ШПГ, оси остальных отверстий 17 в стенке юбки поршня с учетом известной симметрии гидродинамического давления в слое масла на юбке поршня необходимо размещать симметрично плоскости качания шатуна так, чтобы ни одно из отверстий 17 не выходило за пределы прямоугольной (в развертке юбки поршня) зоны, ограниченной размерами z и m (фиг. 1 и фиг. 2).
Как показывают выполненные расчеты напряженно-деформированного состояния юбки поршня и гидродинамики находящегося на ней слоя масла, из соображений прочности юбки и сохранения гидродинамической несущей способности масляного слоя в сопряжении "юбка поршня-цилиндр" при использовании четырех и пяти отверстий 17 в юбке поршня (фиг. 3 и фиг. 4), их оси следует располагать в два ряда, при этом в случае использования пяти отверстий 17 (фиг. 4) их оси целесообразно размещать в шахматном порядке; кроме того, по тем же причинам обеспечения прочности, независимо от количества отверстий 17 (из числа от трех до пяти) минимальное расстояние k между осями соседних отверстий 17 не должно быть меньше значения 2d (фиг. 2).
Как показали сравнительные макетные испытания на четырехтактном дизеле 1Ч 8,5/8,0, использование предлагаемой ШПГ с двумя маслоподаю-щими отверстиями в теле шатуна, одно из который направлено на нагруженную, а другое на ненагруженную стороны юбки поршня, последняя из которых снабжена маслодренажными отверстиями, приводит к более (примерно в 6 раз) равномерному распределению смазочного материала по окружности цилиндра и поршня (табл. 2).
При этом, как следует из табл. 2, характер маслоснабжения становится более рациональным: нагруженные стороны стенок юбки поршня и цилиндра получают смазочного материала больше, чем ненагруженные, что ведет к повышению надежности и экономичности работы ДВС за счет снижения механических потерь, износа и риска задира указанных деталей.
Промышленная применимость заявляемого устройства обусловлена простотой технической реализации его отличительных признаков, легко вписывающихся в существующие и перспективные способы изготовления составляющих ШПГ сборочных единиц (штамповка для шатунов, литье в кокиль, жидкая и изотермическая штамповка для поршней с последующей металлообработкой, включая точение, фрезерование, развертывание и сверление), а также значимостью получаемых улучшений функционирования устройства, положительно влияющих на надежность работы, технический уровень и конкурентоспособность ДВС в целом.
Источники информации:
1. Автомобиль М-21 Волга / В.И. Борисов, А.И. Гор, A.M. Невзоров и др. - М.: Машгиз, 1962. - 448 с.
2. Попык К.Г. Конструирование и расчет автомобильных и тракторных двигателей. Изд. 2-е переработ. и доп. Учебник для втузов. - М.: Высшая школа, 1973. - 400 с.
3. Хрулев А.Э. Ремонт двигателей зарубежных автомобилей. Производственно-практ. издание - М.: За рулем, 1999. - 440 с.
4. Рождественский Ю.В. Компьютерное моделирование динамики трибосопряжения "поршень-цилиндр": учебное пособие. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2009. - 50 с.
5. Путинцев С.В., Бикташев А.Ф. Расчетная программа CRJet для моделирования процесса струйного маслоснабжения цилиндропоршневой группы // Грузовик. - 2018. - №8. - С. 3-6.
Реферат
Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в четырехтактных, преимущественно автомобильных двигателях внутреннего сгорания (ДВС), в частности, при изготовлении шатунов и поршней, входящих в состав шатунно-поршневой группы (ШПГ) этих ДВС. ШПГ для четырехтактных ДВС включает тело шатуна, представляющее собой единую деталь, состоящую из стержня шатуна (1), на концах которого имеются кривошипная головка (2), а также поршневая головка (3) и по центральной оси которого выполнено сквозное отверстие (4), с которым сообщается выполненное в плоскости качания и выходящее наружу тела шатуна отверстие (5), ориентированное на нагруженную сторону стенки юбки (6) поршня (7). Благодаря центральной кольцевой канавке (8) во втулке (9), установленной в поршневую головку (3), отверстие (4) сообщается с проходящим через стенку центральной кольцевой канавки (8) и стенку поршневой головки (3) отверстием (10), ориентированным на ненагруженную сторону стенки юбки (11) поршня (7). Поршень (7) содержит головку (13) и юбку (14), длина которой по осевой высоте поршня (7) ограничена двумя кромками - нижней (15) и верхней (16). На ненагруженной стороне в стенке юбки (11) поршня имеются отверстия (17). Технический результат – улучшение маслоснабжения трущихся поверхностей сопряжения юбки поршня с цилиндром. 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.
Формула
