Поршневе кільце сауніна

1 Поршневое кольцо с рабочей поверхностью по внешнему периметру и постоянной высотой и шириной профиля и торцовых полок, со спинкой, двумя боковыми ветвями и прямыми с прорезью замком неполного профиля за счет выполненных в них на рабочей поверхности по внутреннему периметру кольцевой непрерывной канавки постоянной высоты и глубины, причем кольцо в свободном распружиненном состоянии с соответствующим раскрытием замка имеет в плане устойчивую предварительную эллиптичность или овальность, существенно отличную от его формы и размеров при минимальном раскрытии замка в установленном положении внутри цилиндрообразной камеры той же формы и размеров, отличающееся тем, что канавка выполнена прерывистой без выборки материала на спинке и в замке и симметрично главной оси по обеим ветвям переменной глубины с плавным увеличением ее от нуля на спинке к максимуму у замка на расстоянии, равном радиусу округления донышек канавок от их выхода в направлении спинки, а кольцо выполнено с дополнительной эллиптичностью или овальностью пропорционально этому максимуму, причем площадь поперечного сечения каждой канавки по указанному максимуму не превышает 50% площади полного профиля кольца 2 Кольцо по п 1, отличающееся тем, что выполнено в виде круга 3 Кольцо по п 1, отличающееся тем, что выполнено в виде скругленного квадрата с отношением размера диагонали к размеру стороны, равным 1,2-1,4 4 Кольцо по п 1, отличающееся тем, что выполнено в виде скругленного выпуклого прямоугольника с отношением размера диагонали к наибольшему короткому размеру, измеренному по оси симметрии, равным 1,4-1,9 5 Кольцо по п 1, отличающееся тем, что выполнено в виде эллипса с отношением размеров по главным осям симметрии, равным 1,5-2 вш 6 Кольцо по п 1, отличающееся тем, что выполнено в виде овала с отношением размеров по главным осям симметрии, равным 1,5-2 7 Кольцо по п 1, отличающееся тем, что оно выполнено в виде овоида с отношением длины к ширине, равным 1,5-2 8 Кольцо по п 1, отличающееся тем, что выполнено в виде формы, которая состоит из двух сопряженных своими концами навстречу экспонент с отношением большего размера фигуры к меньшему, равным 1,5-2 9 Кольцо по п 1, отличающееся тем, что выполнено в виде формы, которая состоит из сопряженных дуг окружностей разных радиусов и образует выпуклую наружу замкнутую фигуру с отношением большего размера к короткому, равным 1,5-2 10 Кольцо по п 1, отличающееся тем, что выполнено в виде замкнутой фигуры из двух полуокружностей одного или разных радиусов, вершины которых направлены в противоположные стороны, и двух прямых, соединяющих их концы, с отношением наибольшего размера между вершинами полуокружностей к короткому, измеренному по диаметру большей полуокружности, равным 1,5-2 11 Кольцо по п 1, отличающееся тем, что выполнено в виде замкнутой выпуклой бочкообразной фигуры со скругленными вершинами, с отношением наибольшего размера между выпуклыми донышками к наибольшему размеру между выпуклыми криволинейными боковыми стенками, равным 1,5-2 12 Кольцо по п 1, отличающееся тем, что выполнено в виде замкнутой фигуры из сопряженных четырех дуг окружностей, причем две из них выпуклые одного радиуса, а две их соединяющие такого же или другого радиуса вогнутые, с отношением наибольшего размера между выпуклостями по оси симметрии к диаметру наибольшей из выпуклых дуг окружностей, равным 1,5-2 13 Кольцо по п 1, отличающееся тем, что выполнено в виде трохоида с одним пережимом посередине, с отношением наибольшего размера между выпуклостями по оси симметрии к наибольшему размеру, измеренному перпендикулярно оси симметрии, равным 1,5-2 14 Кольцо по п 1, отличающееся тем, что выполнено в виде выпуклой с трех сторон замкнутой фигуры из трех сопряженных дуг окружностей и прямой с четвертой стороны, соединяющей две о 00 00 5 41878 дуги окружностей меньшего радиуса с вершинами, направленными в противоположные стороны, и одной дуги окружности большего радиуса, соединяющей две дуги меньшего радиуса, с отношением большего размера между вершинами дуг меньшего радиуса к наименьшему между прямой и вершиной дуги большего радиуса, равным 1,5-2 15 Кольцо по п 1, отличающееся тем, что выполнено в виде конхоида с отношением ее большего размера к длине по оси симметрии, равным 1,5-2 16 Кольцо по п 1, отличающееся тем, что выполнено в виде выпуклого и вытянутого эволюта окружности с отношением наибольшего размера к наименьшему по главным осям, равным 1,5-2 17 Кольцо по п 1, отличающееся тем, что выполнено в виде выпуклого замкнутого циклоида с отношением наибольшего размера по оси симметрии к размеру самой широкой ее части, измеренной перпендикулярно оси симметрии, равным 1,5-2 18 Кольцо по п 1, отличающееся тем, что выполнено в виде замкнутой фигуры, выпуклой с трех сторон и вогнутой с четвертой стороны, образованной вращающейся фрезой, центр которой проходит по дуге окружности с большим радиусом, чем радиус фрезы, с отношением максимального размера между крайними точками к диаметру фрезы, равным 1,5-2 19 Кольцо по п 1, отличающееся тем, что выполнено в виде замкнутой выпуклой фигуры, которая состоит из двух парабол и двух сопряженных с ними по концам полуокружностей с отношением максимального размера к минимальному по осям симметрии, равным 1,5-2 20 Кольцо по п 1, отличающееся тем, что выполнено в виде замкнутой выпуклой фигуры, которая состоит из двух гипербол и двух сопрягающих их полуокружностей с отношением максимального размера к минимальному по осям симметрии, равным 1,5-2 Изобретение относится к энергетике, а именно, двигателестроению, поэтому оно может с успехом использоваться в качестве компрессионных, уплотняющих и маслосъемных колец во всех поршневых механизмах, машинах и аппаратах, дизелях, двигателях внешнего и внутреннего сгорания, в поршневых авиадвигателях, автодвигателях, в других транспортных двигателях, танковых и тракторных, вездеходов и бронемашин, корабельных и судовых двигателях, компрессорах и насосах, пневмо- и гидродвигателях и может применяться также для осевой фиксации деталей вал-втулка в качестве стопорных разрезных пружинных колец мерное распределение давления кольца на стенки при сравнительно низкой упругости колец, но одновременно желательно повысить гибкость кольца и его упругость без ухудшения равномерности распределения давления и уменьшения периода его эксплуатации Известно также, что подавляющее большинство поршневых двигателей, механизмов, машин, аппаратов, компрессоров и насосов имеют пока в поперечном сечении цилиндров, колец и поршней форму окружности (круга) Но при изготовлении колец круглой формы из круглых заготовок механической обработкой или отлитых в специальные формы с несколько увеличенным размером по диаметру приходится идти на некоторые специальные нарушения формы реального кольца, у которого номинальный-окончательный диаметр меньше чем заготовка, так как в ней вырезается "вставка-замок", соответствующий раствору замка готового кольца, и кольцо затем сжимается при вводе в цилиндр двигателя до номинального - окончательного размера Это вырезание материала кольца (с учетом перспективного износа и сохранения упругости) резко меняет теоретическую форму кольца и концентричность прилегания его к стенкам камеры действия (цилиндров) Из-за нарушения формы и появления в разрезном пружинном кольце свободных концов в замке существенно нарушается распределение давления участков кольца на стенки цилиндров Поэтому кольца круглой формы не обеспечивают равномерного давления по окружности Типичная полярная диаграмма (роза-эпюра) давлений резко выраженной грушевидной формы с большим разбросом пиков и впадин давлений по участкам для этих колец показана на рис 292, с 126 [1] и рис 32, с 62 [2] Изобретение применимо в широком диапазоне мощностей машин и аппаратов, как для небольших малой мощности быстроходных, например, двигателей авиамоделей, мотовелосипедов, мопедов и мотоциклов, так и для больших и мощных - до 20 тыс кВт - быстроходных дизель-генераторных электростанций, так и громадных судовых тихоходных двигателей и дизелей с мощностью до 50 тыс кВт Из технической литературы [1, 2, 3] известен ряд конкретных отдельных конструктивных решений выполнения поршневых колец со своими достоинствами и недостатками, которые по устройству, конструкции, формам и элементам близки предложенному техническому решению по устройству поршневого кольца и оказывают в той или иной мере влияние на их уплотняющую, компрессионную или маслосъемную способность, равномерность прилегания и распределения давлений по участкам, гибкость, упругость, прочность и износостойкость Известно - см с 232[3], что у тихоходных двигателей особенно важно устройство по возможности совершенного уплотнения цилиндров кольцами из пружинных материалов для того, чтобы предотвратить повреждение очень тонкой масляной пленки, поэтому, в таких двигателях обязательно следует применять возможно более равно Известны также два вида колец, обеспечивающих достаточную или приемлемую равномерность распределения давлений по участкам кольца на стенки цилиндра Первый из них - см рис 293, I [1] выполнен в форме кольца, образованного двумя окружностями, из которых внутренняя 41878 смещена до соприкосновения в одном месте с наружной (рабочей) окружностью, а концы замка, выполненные в этом же месте, сходят на нет и кольцо при длительной работе фактически не выдерживает никакого износа и серьезных нагрузок, а также быстро теряет свои уплотняющие свойства Практически такие кольца невыполнимы и никогда не изготовлялись промышленностью, можно только в большей или меньшей степени приблизиться к подобной форме Например, второй вид кольца - см рис 293, II [1] - выполнен близким указанной форме, но у которой основная масса профиля сечения тела кольца вместе с торцовыми полками в районе замка уменьшена (удалена) на 50% и более по сравнению с полным профилем на спинке Такую форму придавали ранее эксцентрично обточенным поршневым кольцам с конечной радиальной толщиной (шириной) см с 74 [2] - и придают иногда пружинным стопорным кольцам для выравнивания давления по окружности и повышения гибкости кольца с целью облегчения монтажа Кольца такой формы избегают и в настоящее время применять в двигателях и компрессорах, так как с точки зрения современного производства в них нет никакой необходимости, они более сложны в изготовлении, у них при больших износах резко падают упругие свойства, несколько увеличены утечки (прорывы) газов в районе замка из-за уменьшения длины щели и уменьшения ширины торцовых полок, по этой же и по причине появления гудронистых отложений и нагара в канавках поршня, не срезаемых короткими торцовыми полками при их работе и перемещениях, такие кольца имеют склонность к пригоранню, закоксовыванию и заклиниванию в канавках поршня, которые, к тому же необходимо выполнять специальной формы Известно также конструктивное техническое решение, фрагмент которого показан на рис 348, стр 453 [2], в виде пружинного разрезного маслосъемного поршневого кольца, у которого на внешней рабочей поверхности наибольшего диаметра выполнена непрерывная канавка постоянной высоты и глубины, причем в самом замке выборка материала кольца из канавки не произведена для того, чтобы сохранить плотность в замке и не уменьшить длину щели в нем, то есть не увеличивать утечки (прорывы) газов и масла по замку, при этом выводят скруглення донышек канавки до щели в замке на ту же рабочую поверхность кольца Однако такое выполнение слабо влияет на повышение местной гибкости, на понижение местной упругости, на приспособляемость кольца к изменению кривизны стенок, - и не приводит к существенному увеличению прилегания и равномерности распределения давлений на стенки цилиндра Другое широко известное в двигателестроении техническое решение (см стр 126 [1], стр 149 [2]) по конструктивному выполнению поршневых колец с равномерным распределением давления по окружности, применяемое при изготовлении их, состоит в том, что кольцу в свободном распружиненном состоянии предварительно придают устойчивую промежуточную некруглую форму, с увеличенным разведением концов замка, несколько напоминающую эллипс (такие кольца называют "условно эллиптическими") или овал (такие кольца называют "с положительной овальностью") Эти кольца после введения в цилиндр в установленном положении в канавке поршня принимают круглую форму, повторяющую форму рабочих поверхностей стенок цилиндра, и оказывают более равномерное давление на стенки, чем обычное круговое кольцо Однако такое конструктивное решение также не лишено недостатков колебания давления (пики и впадины) и плотность прилегания по участкам кольца на стенки цилиндра еще остаются значительными и не поддаются регулировке даже при индивидуальной подгонке, поэтому их стремятся несколько сгладить еще на стадии изготовления кольца, например, как в сторону повышения давления от концов кольца у замка для предотвращения утечек газов за счет подгибки концов в сторону стенки, так и в сторону понижения давления от концов кольца у замка за счет осаживания и подгибки в обратную сторону от стенки, чтобы концы кольца не разбивались в продувочных окнах двухтактных дизелей Такие кольца зачастую требуют индивидуального изготовления и подгонки, поэтому у них затруднительно при всех, в том числе широко применяемых расточках по копиру рабочих поверхностей снаружи и нерабочих изнутри, операциях механической обработки рабочих поверхностей, термофиксации, насечки, рифления, вальцовки, накатки, упрочнения или обжатия в матрице, получать равную и требуемую теоретическую и расчетную условную эллиптичность или положительную овальность для группы колец, так как всякое индивидуальное дополнительное формообразование при этом всегда являлось и продолжает оставаться слабым местом в изготовлении колец За ближайший аналог принят пружинный кольцеобразный элемент - скребковый сегмент известного "Составного маслосъемного поршневого кольца" по а с № 1712715, F16J9/06, 1992, который выполнен с прямым разрезным замком и с непрерывной кольцевой канавкой постоянной высоты и глубины на внутренней наименьшей по периметру нерабочей поверхности этого сегмента, причем кольцеобразный сегмент в свободном распружиненном состоянии имеет устойчивую в плане промежуточную форму с предварительной эллиптичностью или овальностью и соответствующим раскрытием замка, а после введения в цилиндр в установленном положении в канавке поршня и непродолжительной приработки кольцеобразный сегмент принимает круглую форму, повторяющую реальную форму внутренних рабочих поверхностей стенок цилиндра в его поперечном сечении Достоинством этих сегментов при работе с непрерывным пружинным тангенциальным расширителем являются приемлемые в эксплуатации и сохраняющие свои значения длительное время их повышенная общая гибкость, упругость и прочность, а также достаточно высокая равномерность, близкая к круговой форме, распределения давлений, с пониженными пиками и впадинами, по участкам кольцеобразных сегментов на стенки цилиндра Однако из недостатков этого скребкового элемента, выполненного в виде кольца, необходимо отметить следующие Удовлетворительная его работа возможна только при наличии тангенциального пружинного расширите 41878 ля, а короткая ослабленная канавкой и тонким скребком прямая щель в замке не исключает прорывы газов и масла по нему Такое выполнение кольца само по себе при работе его без расширителя или в качестве компрессионного также слабо влияет на повышение местной гибкости, на понижение местной упругости, на приспособляемость кольца к изменению кривизны стенок, - и не приводит к существенному увеличению прилегания и равномерности распределения давлений на стенки цилиндров Задача, на разрешение которой направлено изобретение, заключается в устранении конструктивных и эксплуатационных недостатков известных и сравниваемых поршневых колец, изготовляемых по различным технологиям и способам, и, путем внесения минимальных конструктивных изменений, использовать и объединить, по возможности, отдельные их достоинства для достижения суммарного технического эффекта и увеличения приспособляемости колец к изменению кривизны и формы цилиндрических, цилиндрообразных и цилиндроподобных камер действия любой сложности, равномерности распределения давлений и прилегания по участкам на стенки, гибкости их без существенной потери прочности и упругости, что позволило бы повысить эксплуатационные качества, износостойкость, надежность и моторесурс поршневых колец Предлагаемое техническое решение заключается в одновременном совмещении при изготовлении условно эллиптических или с положительной овальностью разрезных (в одном месте) пружинных поршневых колец с полным разведением концов замка в свободном распружиненном состоянии с выполнением в них постоянной по высоте прерывистой асимметричной канавки переменной плавно меняющейся глубины на внутренней наименьшей по периметру нерабочей поверхности кольца и за счет асимметричности канавки, т е смещения ее относительно оси кольца перпендикулярной к главной оси замок-спинка, достичь наивысших величин предварительной эллиптичности или овальности и разведения концов замка в свободном состоянии прямо пропорциональных смещению ее расположения и максимальной глубине выборки материала в канавке, что позволяет объединить известные по прототипу и другим аналогам вышеуказанные конструктивные решения практически и применить из совместно без ухудшения уплотняющей или маслосъемной способности кольца и без изменения внешнего вида и геометрических форм рабочей наибольшей по периметру и торцовых поверхностей кольца, а это приводит к достижению наибольшего суммарного эффекта по улучшению прилегания кольца, максимальной равномерности распределения давлений по участкам кольца на стенки, существенному увеличению гибкости при сохранении упругости и прочности кольца, повышению приспособляемости кольца к изменениям кривизны цилиндрических, цилиндрообразных и цилиндроподобных камер действия, т е применить и использовать их не только для уплотнения существующих цилиндрических камер действия, где уплотнение обеспечить сравнительно легче и кривизна незначительно меняется в процессе эксплуатации - см фиг 1-3, но главное, обеспечить совершенное уплотнение цилиндрообразных и цилиндроподобных камер действия, где уплотнение обеспечить крайне трудно, т е с любой сложной формой поперечного сечения и со значительными перепадами и изменениями кривизны контура рабочих поверхностей для новых типов двигателей 21-го века - см фиг 1-35, а именно, в виде скругленного квадрата фиг 4, 5, скругленного прямоугольника - фиг 6, 7, эллипса - фиг 8, 9, овала - фиг 10, 11, овоида фиг 12, 13, овалообразных и овалоподобных фиг 14-19, например, с двумя экспонентами фиг 14, 15, из двух дуг окружностей - фиг 16, 17, из двух полуокружностей и двух прямых - фиг 18, 19, бочкообразных-фиг 20, 21, из выпукло-вогнутых четырех дуг окружностей - фиг 22, 23, трохоиды - фиг 24, 25, трех дуг и одной прямой фиг 26, 27, выпукло-вогнутой, образованной вращающейся фрезой - фиг 28, 29, конхоиды - фиг 30, 31, циклоиды или эволюты окружности - фиг 32, 33, двух парабол или гипербол и двух полуокружностей - фиг 34, 35 При этом с помощью увеличения асимметричности выборки пружинного материала в прерывистой канавке профиля кольца вплоть до 50% от его площади на спинке (больше не допускается выбирать, т к начинается резкое падение местной прочности и упругости кольца) удается еще больше увеличить гибкость кольца и предварительную эллиптичность или овальность с соответствующим разведением концов замка не только для круглых в установленном положении колец, но и всех вышеперечисленных сложных и криволинейных форм и фигур, т е в конечном итоге поддерживать их уплотняющую и маслосъемную способность на достаточно высоком уровне и добиться наиболее равномерного распределения давления участков кольца на стенки камер действия разной (непостоянной) по периметру рабочей поверхности кривизны при вытянутости этих фигур до величины соотношения определяющих размеров в плане - равной 1,5-2 Дальнейшее увеличение выборки пружинного материала колец свыше 50% или вытянутости фигур колец с соотношением определяющих размеров по их главным осям более 2-х нежелательны и бессмысленны из-за потери прочности и упругости колец, невозможности при этом длительной работы, возможных частых поломок, потери плотности прижима, утечек-прорывов газов и, главное, не удается достигнуть равномерности распределения давления и плотности прилегания по участкам колец на стенки камеры действия Выполнение предлагаемого поршневого кольца с прерывистыми канавками переменной глубины существенно повышающими его гибкость, и придание ему дополнительной предварительной эллиптичности или овальности с соответствующим раскрытием прорези замка прямо пропорциональных асимметричности канавок и их максимальной глубине, практически не снижает прочность и упругость кольца по сравнению с известным по прототипу, у которого прерывистые канавки выполнены с постоянной средней глубиной в два раза меньшей, чем максимум у канавок переменной глубины, так как по количеству выборки материала из профиля по внутреннему периметру, снижению общей массы кольца и его ослабле 41878 нию, сравниваемые конструкции равноценны, то есть у них равны прочность и упругость, а профили колец (балок несущих нагрузку) еще сохраняют свою коробовую, либо квадратную, либо прямоугольную, либо другую симметричную или несимметричную, или трапецеидальную форму Предлагаемые для простых и сложных цилиндрообразных камер действия формы поршневого кольца, показанные сплошными линиями, с расположенными на нерабочей поверхности прерывистыми канавками переменной глубины, показанные на всех формах пунктирными линиями, изображены на следующих чертежах Фиг 1 - кольцо в форме круга в свободном распружиненном состоянии с предварительной и дополнительной эллиптичностью или овальностью и продольным сечением одной ветви по канавке, Фиг 2 - кольцо в форме круга в установленном положении в цилиндрической камере действия с поперечными сечениями его профиля на спинке и обеих ветвях, и с продольным сечением одной ветви по канавке, Фиг 3 - кольцо в форме круга, - вид сверху на кольцо, изображенное на фиг 2, с поперечным сечением профиля ветви с канавкой, Фиг 4 - кольцо в форме скругленного квадрата в свободном распружиненном состоянии с предварительной и дополнительной эллиптичностью или овальностью, Фиг 5 - кольцо в форме скругленного квадрата в установленном положении в цилиндрообразной камере действия, Фиг 6 - кольцо в форме скругленного прямоугольника в свободном распружиненном состоянии с предварительной и дополнительной эллиптичностью или овальностью, Фиг 7 - кольцо в форме скругленного прямоугольника в установленном положении в цилиндрообразной камере действия, Фиг 8 - кольцо в форме эллипса в свободном распружиненном состоянии с предварительной и дополнительной овальностью или большей эллиптичностью, Фиг 9 - кольцо в форме эллипса в установленном положении в цилиндрообразной камере действия, Фиг 10 - кольцо в форме овала в свободном распружиненном состоянии с предварительной и дополнительной эллиптичностью или большей овальностью, Фиг 11 - кольцо в форме овала в установленном положении в цилиндрообразной камере действия, Фиг 12 - кольцо в форме овоида в свободном распружиненном состоянии с предварительной и дополнительной эллиптичностью или овальностью, Фиг 13 - кольцо в форме овоида в установленном положении в цилиндрообразной камере действия, Фиг 14 - кольцо в форме фигуры из двух сопряженных экспонент в свободном распружиненном состоянии с предварительной и дополнительной эллиптичностью или овальностью, Фиг 15 - кольцо в форме фигуры из двух сопряженных экспонент в установленном положении в цилиндрообразной камере действия, Фиг 16 - кольцо в форме фигуры из сопряженных дуг окружностей в свободном распружиненном состоянии с предварительной и дополнительной эллиптичностью или овальностью, Фиг 17 - кольцо в форме фигуры из сопряженных дуг окружностей в установленном положении в цилиндрообразной камере действия, Фиг 18 - кольцо в форме фигуры из двух полуокружностей и двух прямых в свободном распружиненном состоянии с предварительной и дополнительной эллиптичностью или овальностью, Фиг 19 - кольцо в форме фигуры из двух полуокружностей и двух прямых в установленном положении в цилиндрообразной камере действия, Фиг 20 - кольцо в форме выпуклой бочкообразной фигуры в свободном распружиненном состоянии с предварительной и дополнительной эллиптичностью или овальностью, Фиг 21 - кольцо в форме выпуклой бочкообразной фигуры в установленном положении в цилиндрообразной камере действия, Фиг 22 - кольцо в форме фигуры из сопряженных двух выпуклых и двух вогнутых дуг окружностей в свободном распружиненном состоянии с предварительной и дополнительной эллиптичностью или овальностью, Фиг 23 - кольцо в форме фигуры из сопряженных двух выпуклых и двух вогнутых дуг окружностей в установленном положении в цилиндрообразной камере действия, Фиг 24 - кольцо в форме трохоиды в свободном распружиненном состоянии с предварительной и дополнительной эллиптичностью или овальностью, Фиг 25 - кольцо в форме трохоиды в установленном положении в цилиндрообразной камере действия, Фиг 26 - кольцо в форме выпуклой фигуры из сопряженных трех дуг окружностей и прямой в свободном распружиненном состоянии с предварительной и дополнительной эллиптичностью или овальностью, Фиг 27 - кольцо в форме выпуклой фигуры из сопряженных трех дуг окружностей и прямой в установленном положении в цилиндрообразной камере действия, Фиг 28 - кольцо в форме выпукло-вогнутой фигуры, образованной вращающейся фрезой, в свободном распружиненном состоянии с предварительной и дополнительной эллиптичностью или овальностью, Фиг 29 - кольцо в форме выпукло-вогнутой фигуры, образованной вращающейся фрезой, в установленном положении в цилиндрообразной камере действия, Фиг 30 - кольцо в форме конхоиды в свободном распружиненном состоянии с предварительной и дополнительной эллиптичностью или овальностью, Фиг 31 - кольцо в форме конхоиды в установленном положении в цилиндрообразной камере действия, Фиг 32 - кольцо в форме циклоиды или эволюты окружности в свободном распружиненном состоянии с предварительной и дополнительной эллиптичностью или овальностью, 41878 Фиг 33 - кольцо в форме циклоиды или эволюты окружности в установленном положении в цилидрообразной камере действия, Фиг 34 - кольцо в форме фигуры из сопряженных двух парабол или гипербол с двумя полуокружностями в свободном распружиненном состоянии с предварительной и дополнительной эллиптичностью или овальностью, Фиг 35 - кольцо в форме фигуры из сопряженных двух парабол или гипербол с двумя полуокружностями в установленном положении в цилиндрообразной камере действия Поршневое кольцо для каждой из предложенных на фиг 1-35 его конкретных промежуточных и окончательных форм конфигурации и кривизны выполнено как единая и неделимая плоская по торцам с постоянной высотой и шириной профиля деталь из однородного пружинного материала В названиях чертежей, также как в описании, под термином "кольцо" подразумеваются все кольцеобразные замкнутые, но разрезанные поперек в замке, фигуры любой из предложенных простых и сложных форм от круга, квадрата, прямоугольника до эллипса, овала, овоида, трохоиды, конхоиды, циклоиды и т д Предпочтительные соотношения определяющих размеров всех предлагаемых форм поршневого кольца в плане в установленном положении внутри цилиндрообразной камеры его действия равны 1 - для кольца, изображенного на фиг 1-3, 1,2-1,4 - для кольца, изображенного на фиг 4-5, 1,4-1,9 - для кольца, изображенного на фиг 6-7, 1,5-2 - для всех остальных форм кольца, изображенных на фиг 8-35 Устройство и элементы предлагаемого поршневого кольца всех форм на фиг 1-35 для цилиндрообразных и цилиндроподобных камер действия рассмотрим на примере поршневого кольца круговой формы на фиг 1-3 для цилиндрических камер действия Предлагаемое поршневое кольцо с плоскими торцами и с постоянным по всему периметру высотой и шириной профиля состоит из спинки 1 полного профиля, двух боковых ветвей 2 неполного профиля и разрезного прямого замка 3 полного профиля с прорезью "Б" Между торцами на внешнем периметре кольца расположена рабочая поверхность 4, а на внутреннем периметре - нерабочая поверхность 5, края которых ограничены верхней торцовой полкой 6 и нижней торцовой полкой 7 На нерабочей поверхности боковых ветвей выполнены симметрично главной оси кольца замок-спинка постоянной высоты прерывистые канавки "А" с переменной плавно увеличивающейся глубиной в направлении от спинки к замку, причем все они выполнены со скругленными углами 8, фасками 9 и выходами скруглении 10 донышек 11 канавок "А" по обе стороны от прорези "Б" замка 3 на нерабочую поверхность 5 Кольцо с приданной ему предварительной и дополнительной эллиптичностью или овальностью в свободном распружиненном состоянии обладает устойчивой в плане промежуточной формой, изображенной на фиг 1, с увеличенным раскрытием прорези "Бп" замка, чем его действительная, реальная или окончательная форма, изображенная на фиг 2, в уста новленном положении (т е в статикеШ) в цилиндрической камере действия этого кольца с минимальным раскрытием прорези "Бр" замка В рассмотренном примере поршневое кольцо обретает реальную форму круга после установки его промежуточной формы в опоясывающую прорезь-канавку на поршне, введения вместе с поршнем кольца со сжатием в номинальный размер в цилиндрическую камеру действия и непродолжительной его приработки при обкатке, -только после этого внешняя рабочая поверхность 4 кольца действительно полностью повторяет в статическом положении реальную цилиндрическую форму внутренней рабочей поверхности стенок камеры действия, образованной прямой линией движущейся от окружности Указанные взаимосвязи и соотношения между элементами поршневого кольца, его промежуточной и действительной реальной формой, характерны как для простого кругового кольца, так и для кольца с любой сложной из предлагаемых конкретных реальных форм, в том числе с переменной кривизной рабочей поверхности, изменениями или перепадами кривизны в цилиндрообразных и цилиндроподобных камерах действия со сложными формами их поперечного сечения, как показано на фиг 4-35, где под четными номерами фигур показана промежуточная форма сложного кольца, а под соседним нечетным показана реальная форма этого же кольца в установленном положении Приведенные на фиг 1-35 формы предлагаемого поршневого кольца с идентичными конструктивными элементами (поз І-ІІ) по устройству обладают более качественными рабочими характеристиками (по сравнению с известными пружинными разрезными кольцами) по гибкости, плотности прижима, приспособляемости к изменениям кривизны по участкам, продолжительности работы, степени износа в эксплуатации, полученными за счет выполненных в них на нерабочей поверхности 5 прерывистых канавок "А" переменной плавно увеличивающейся от спинки 1 к замку 3 глубины, где она имеет максимум равный двойной средней глубине, что позволило всем предложенным формам придать дополнительную предварительную эллиптичность или овальность с раскрытием прорези до "Бп" в замке 3, обеспечивающих кольцу в работе в сжатом состоянии снижение общего уровня его пиковых давлений на стенки камер действия, увеличение равномерности распределения давлений по участкам от кольца на стенки, повышение плотности прижима кольца к стенке, сохранение тонкой масляной пленки на ней, увеличение точек и площадок контакта между их рабочими поверхностями, - что в целом приводит к увеличению надежности и эффективности уплотнения, компрессии или маслосъема и повышению износостойкости в паре трения кольцо-втулка в цилиндрических, цилиндрообразных и цилиндроподобных камерах действия этого кольца Уже в работе, после обкатки предложенных форм кольца внутри цилиндрообразных камер действия, кривая (роза-эпюра) распределения величин давлений всех участков кольца на стенки становится наиболее пологой и равномерной, без пиков и впадин, и остается стабильной на длительное время, при этом она практически полностью пов 41878 торяет внутреннюю форму поперечного сечения камеры и кольца в ней Вследствие этого при работе кольца его внешняя, обычно выступающая за пределы поршня по периметру на величину зазора между ним и стенками камеры действия, рабочая поверхность 4 постоянно и равномерно плотно прижата к указанным стенкам, как на спинке 1 и на замке 3, так и на боковых охватывающих поршень ветвях 2 кольца Кроме того, предлагаемое кольцо существенно уменьшает в работе утечкипрорывы рабочего газа или жидкости и не склонно к залипанню, залеганию, пригоранню, закоксовыванию и последующему заклиниванию в канавке поршня, так как оно постоянно "играет" - то есть пружинит, двигается, перемещается, вибрирует в очень небольших пределах в канавке поршня, что обеспечено как за счет минимально необходимого раскрытия "Бр" прорези в замке, не препятствующего его пружинению, так и за счет минимального необходимого зазора между торцовыми полками 6 или 7 кольца и канавки на поршне, не препятствующего его скольжению и перемещению, в том числе и в пределах двойного зазора между внутренней нерабочей поверхностью 5 кольца и донышком опоясывающей поршень канавки, где оно установлено, то есть в работе, даже при случайных перемещениях и пружинных скачков кольца, когда вся ширина (толщина) профиля утапливается полностью в канавку поршня, оно все равно не касается своей нерабочей поверхностью 5 указанного донышка Причем даже при выборке материала в канавке "А" кольца в месте ее максимальной глубины до 50% полного профиля кольца, ширина его торцовых полок 6 и 7 на замке, на спинке, на ветвях и длина прорези в замке всегда остаются постоянными и равными ширине профиля кольца по всему периметру (естественно за исключением случаев запредельных износов кольца), что обеспечивает при работе и перемещениях кольца в вышеуказанных зазорах наибольшие давления сжатия рабочего газа или жидкости и наименьшие его утечки-прорывы, а также срезание краями торцовых полок кольца гудронистых отложений и нагара как на стенках камеры действия, так и в зазорах между торцами кольца и канавки на поршне, при этом нет необходимости канавку на поршне выполнять специальной формы отличной от формы кольца, и некоторое снижение в работе концентрации напряжений в кольце в местах вырезов канавок "А" достигается как за счет повышения общей и местной гибкости и приспособляемости кольца к изменениям кривизны с соответствующим снижением общего уровня напряжения в нем без пиков и впадин, так и за счет выполненных в канавках "А" скругленных углов 8, фасок 9 и плавных скруглений 10 донышек 11с радиусом равным ее глубине Показанное на фиг 1-3 предлагаемое поршневое кольцо для цилиндрических камер действия по некоторым своим свойствам и качествам превосходит в работе существующие по следующим соображениям и признакам, а именно - простому прямому замку и практическому отсутствию при работе кольца сил и реакций сдвигающих его вдоль опоясывающей прорези в поршне, - гашение динамического воздействия струи, вытекающей из щели в замке в зазор между кольцом и донышком прорези в поршне, за счет его прямого удара в указанное донышко и симметричного резкого расширения в объемах прерывистой канавки с максимальной глубиной по обе стороны от замка, - увеличенной предварительной эллиптичности или овальности кольца и большому количеству опорных площадок прилегания - контактов со стенками цилиндров, - полной симметрии геометрической формы кольца, центров тяжести охватывающих поршень ветвей, сил упругости и давлений относительно главной оси замок-спинка и существенному смещению по этой оси к спинке общего центра тяжести, - поэтому предлагаемое кольцо практически не имеют склонности к вращению в опоясывающей прорези в поршне вокруг его центра, что повышает возможности приработки и приспособляемости кольца к рабочим поверхностям цилиндров и позволяет применять их во всех существующих и новых типах поршневых механизмах, двигателях, машинах, компрессорах и насосах Показанные на фиг 4-35 другие формы предлагаемого поршневого кольца для цилиндрообразных и цилиндроподобных камер действия (сверх перечисленных выше положительных свойств и качеств предлагаемых колец для цилиндрических камер действия) вообще не имеют возможности в работе вращаться или сдвигаться вдоль опоясывающей прорези в поршне вокруг его оси, что резко увеличивает способность к приработке и приспособляемости колец к рабочим поверхностям камер действия со значительными изменениями и перепадами кривизны, поэтому без такого типа колец новые поршневые двигатели, механизмы, машины, компрессоры и насосы со сложными в поперечном сечении камерами действия никак не смогут обходиться, а их применение станет обязательным для существования и обеспечения эффективной работы этих двигателей Изготовление всех форм предлагаемых колец с асимметричной канавкой в них осуществляется фактически по тем же технологиям, что и обычные кольца, их вальцуют, накатывают и упрочняют для обретения необходимой устойчивой предварительной промежуточной формы в свободном состоянии и затем прорезают канавку, или заготовку отливают сразу с асимметричной канавкой и припуском на необходимую предварительную эллиптичность или овальность в свободном состоянии и затем растачивают по копиру, или выполняют заготовку кольца для принятой (выбранной) окончательной формы, но в устойчивом промежуточном и свободном состоянии сдавливанием трубы на необходимый размер с увеличенной с учетом на дополнительную величину предварительной эллиптичностью или овальностью канавки прямо пропорционально ее асимметричности и максимальной глубине с учетом плавно изменяющейся выборке материала в канавке и (по всем технологиям) с большим разведением концов замка При перечисленных технологиях изготовления необходимо тщательно следить, чтобы прерывистая канавка была симметрична по глубинам относительно главной оси замок-спинка коль 41878 ца и асимметричной по глубинам относительно оси кольца перпендикулярной к главной (и лежащей в плоскости кольца) с направлением асимметричности смещения ее и увеличением глубины от спинки, где она равна нулю, к замку, где глубина может достигать только определенного максимума, при котором еще площадь поперечного сечения канавки не превышает 50% площади поперечного сечения профиля кольца на спинке Т к асимметричная прерывистая канавка располагается на самой нерабочей части кольца, то выборку пружинного материала можно производить практически на 70% осевой высоты по всему периметру кольца (за исключением замка и спинки), не достигая его торцов Обязательно следует учесть при изготовлении следующие обстоятельства если возможна в эксплуатации угроза раскрытия полок кольца, то канавку, а это фактически две прерывистые канавки на ветвях кольца, выполняют более прерывистой с перемычками, естественно выводя при этом скруглення донышек на эту же нерабочую поверхность, а перемычки, что очевидно, поддерживают прочность полок и кольца и не дают возможности полкам раскрываться Если такой угрозы нет, т е раскрытия полок кольца после сжатия его в номинальной окончательный размер и в эксплуатации не превосходят зазора между кольцом и канавкой поршня (это касается гофр и волнистости полок торцов) - т о ее оставляют непрерывной (т е одной прерывистой в двух местах - на спинке и у замка канавкой, а это получается фактически две непрерывные канавки симметричные главной оси замок-спинка) по обеим охватывающим поршень ветвям кольца Или, на всякий случай, на 0,05-0,1 мм заваливают (шлифуют) на конус верхнюю (обычно тонкую) торцовую полку в направлении от рабочей к нерабочей поверхности кольца Кроме того, рекомендуется еще выполнять канавку слегка асимметричной по высоте кольца с целью утолщения наиболее изнашиваемой, обычно нижней, торцовой полки кольца, а в связи с существенным повышением гибкости кольца, для сохранения его прочности и упругости рекомендуется на несколько процентов увеличить высоту профиля кольца или, предпочтительнее, ширину профиля кольца Применение предлагаемых поршневых колец позволяет - увеличить равномерность распределения давления от сил упругости по участкам кольца на стенки цилиндрических, цилиндрообразных и цилиндроподобных камер действия любой кривизны, - уменьшить местные удельные давления, разбросы давлений и общий уровень пиковых давлений, - повысить гибкость кольца практически без существенной потери его прочности и упругости, - сократить период приработки кольца к цилиндрическим, цилиндрообразным и цилиндроподобным стенкам камер действия в процессе обкатки, - уменьшить износ колец, что приводит к более длительному периоду их эксплуатации, - увеличить площадь прилегания и поддерживать плотность прижима кольца к стенке во всех его точках и на весы увеличенный срок эксплуатации, - уменьшить утечки и прорывы газов и рабочих жидкостей в скользящих контактах на рабочей поверхности и обеим торцовым полкам, - уменьшить износ цилиндров и цилиндрообразных и цилиндроподобных камер действия за счет понижения пиковых, местных и общих уровней давления на стенку и сохранения на ней тонкой масляной или другой, снижающей трение, пленки, - использовать их практически при любых пружинных материалах разной степени твердости и упругости, как металлических и стальных, так и металлокерамических и других с наполнителями из менее твердой смазки, - использовать их по любому назначению в качестве компрессионных, уплотнительных, маслосъемных и стопорных колец при простых и сложных профилях сечения тела колец, как симметричных так и несимметричных, - использовать их практически при любых сложных формах поперечного сечения камер действия со значительными перепадами и изменениями, плавными и неплавными, кривизны круговых, квадратных, прямоугольных, эллиптических, эллипсоподобных, овальных и овалоподобных, экспоненциальных, эволютных, трохоидальных, конхоидальных, циклоидальных, гиперболических, параболических, образованных дугами окружностей разных радиусов и участками сопряжений, в том числе и прямыми и т д , - расширить предельно допустимую по определяющим размерам степень износа кольца с обеспечением надежной и эффективной работы его без существенной потери прочности и упругости, - расширить предельно допустимую по определяющим размерам степень износа цилиндрических, цилиндрообразных и цилиндроподобных камер действия любой сложности без существенной потери плотности прижима кольца к стенке, - увеличить приспособляемость кольца к изменению в процессе эксплуатации кривизны формы цилиндрических, цилиндрообразных и цилиндроподобных камер действия любых поршневых механизмов, машин, двигателей, компрессоров и насосов, - несколько сократить число рядов колец в поршне и его высоту и, соответственно, потери на трение в цилиндро-поршневой группе, -заранее изменять, корректировать, регулировать общую и местную прочность, гибкость, упругость, уровень давлений по участкам и их перераспределение еще на стадиях изготовления кольца или его ремонта с восстановлением всех первоначальных качеств Все это в конечном итоге позволит увеличить надежность работы и период эксплуатации колец и поршневых двигателей в целом без потери мощности и повышения расхода топлива, а в поршневых механизмах, машинах, компрессорах и насосах- без потери их функциональных возможностей, производительности и давления газов и рабочих жидкостей Источники, на которые приведены ссылки в описании 1 Орлов П И Основы конструирования Книга 3 - М Машиностроение, 1977 41878 2 Энглиш К Поршневые кольца Том 1 Теория, изготовление, конструкция и расчет - М ГосНТИмашиностроительной литературы, 1962 3 Энглиш К Поршневые кольца Том 2 Эксплуатация и испытание - М ГосНТИмашиностроительной литературы, 1963 Фиг. 2 Фиг. 1 шз. Фиг. 3 Фиг. 4 Фиг. 5 Фиг. 6 Фиг. 7 41878 Фиг. 8 Фиг. 12 Фиг. 10 Фиг. 9 Фиг. 13 Фиг. 16 Фиг. 20 Фиг. 14 Фиг. 18 Фиг. 17 Фиг. 22 Фиг. 21 ю Фиг. 11 Фиг. 15 Фиг. 19 Фиг. 23 41878 Фиг. 24 Фиг. 25 Фиг. 26 Фиг. 27 Фиг. 28 Фиг. 29 Фиг. 30 Фиг. 31 Фиг. 32 Фиг. 33 Фиг. 34 Фиг. 35 Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122) 3 - 7 2 - 8 9 (03122) 2 - 5 7 - 0 3 11 41878 12