Поршневе кільце

Винахід відноситься до конструкцій ущільнювальних елементів систем "поршень-гільза циліндра", зокрема, до конструкції поршневих кілець, переважно компресійних, виготовлених з вуглецевої сталі, для двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ). Відомі конструкції поршневих кілець ДВЗ, виготовлених з чавуну, виконаних з розніманням по окружності - замком кільця [І.К. Энглиш. Поршневые кольца. T.1. M.: 1962. - 570c.]. Недоліками відомих конструкцій поршневих кілець є низька надійність і недовговічність роботи систем "поршень - поршневе кільце - гільза циліндра". Це обумовлено значними інерційними силами, що виникають у цій системі через велику масу і матеріалоємність чавунних поршневих кілець; нерівномірними тисками на стінки циліндра внаслідок низької стабільності пружних сил кільця і, як наслідок, епюри тиску; низьким запасом міцності кілець, що приводить до поломок при одяганні їх на поршень; значної різнотовщинності кілець у радіальному перерізі та ін. Зазначені обставини істотно збільшують відбраковування поршневих кілець, знижують техніко-економічні показники виробництва і конкурентноздатність цього виду продукції. За прототип прийняте поршневе кільце, переважно, компресійне, виконане у виді кільцевого елемента з розніманням по окружності - замком кільця [2. Патент 2021553 Российская Федерация. МПК6 F16J9/02 Заявлена 08.07.91 Опубликовано 15.10.94]. Недоліком прототипу є те, що при його використанні не забезпечується необхідна надійність і довговічність роботи систем "поршень - поршневе кільце - гільза циліндра" внаслідок ряду причин: - значних інерційних сил, що виникають у системі "поршень - поршневе кільце - гільза циліндра" через велику масу і матеріалоємність поршневих кілець, виготовлених з чавун у; - високої нерівномірності тиску на стінки циліндра, обумовленої нестабільністю пружних сил кільця по периметру і, як наслідок, нестабільністю епюри тиску; - низьким запасом міцності кілець, що приводить до поломок при одяганні їх на поршень; значної різнотовщинності кілець у радіальному перетині та ін. Зазначені обставини, істотно збільшують відбраковування поршневих кілець, знижують техніко-економічні показники виробництва і конкурентноздатність цього виду продукції. Задача, розв'язувана винаходом, полягає в зниженні інерційних сил у системі "поршень - поршневе кільце - гільза циліндра" і зменшенні нерівномірності тиску на стінки циліндра компресійного поршневого кільця, виготовленого з вуглецевої сталі. Рішення поставленої задачі спрямовано, насамперед, на зниження відбраковування поршневих кілець, підвищення техніко-економічних показників виробництва і конкурентноздатності цього виду продукції. Технічний результат, що досягається при використанні винаходу, полягає в зменшенні маси і матеріалоємності компресійних поршневих кілець при високому запасі міцності і підвищенні стабільності пружних сил кільця по периметру, що забезпечує стабільність епюри тиску. Рішення поставленої задачі забезпечується тим, що в поршневому кільці, переважно, компресійному, виготовленому з вуглецевої сталі, та виконаному у вигляді кільцевого елемента з розніманням по окружності - замком кільця, зазначене рознімання по окружності у вільному стані, виконано рівним 0,07-0,10 номінального діаметра кільця, при цьому відношення висоти кільця до його номінального діаметра складає 0,010-0,025. Порівняння з прототипом показує, що поршневе кільце, переважно, компресійне, що заявляється, відрізняється тим, що воно виконано з розніманням по окружності у вільному стані, рівним 0,07-0,10 номінального діаметра кільця, при цьому відношення висоти кільця до його номінального діаметра складає 0,010-0,025. Отже, поршневе кільце, що заявляється, відповідає критерію "новизна". Порівняння з іншими технічними рішеннями в даній галузі показало наступне. Відомі конструкції поршневих кілець, виконаних у вигляді кільцевого елемента, виготовлені з чавунів різних складів [1], в яких співвідношення геометричних параметрів виконані відмінними від тих, що заявляються: зазор у розніманні по окружності у вільному стані складає 0,16 номінального діаметра кільця і більше, а відношення висоти кільця до його номінального діаметра складає більше 0,025. Низькі техніко-економічні показники виробництва чавунних поршневих кілець зв'язані з підвищеним відбраковуванням, обумовленим значною різнотовщинністю кілець у радіальному перетині, нерівномірними тисками на стінки циліндра внаслідок низької стабільності пружних сил кільця, нестабільністю епюри тиску; низьким запасом міцності кілець, що приводять до поломок при одяганні їх на поршень. Крім того, використання чавунних поршневих кілець збільшує сили інерції в системі "поршень - поршневе кільце гільза циліндра" через велику масу і матеріалоємність чавунних поршневих кілець внаслідок збільшених геометричних параметрів кільця. Зазначені обставини знижують їхню конкурентноздатність. Відомі також конструкції поршневих кілець, виконаних у вигляді кільцевого елемента, виготовлені з легких сплавів на основі алюмінію [3. Патент 2119108 Российская Федерация, МПК6 F16J9/00 Заявлено 11.06.96 Опубликовано 20.09.98, Бюл. №26]. У цих конструкціях поршневих кілець співвідношення геометричних параметрів також відмінні від тих, що заявляються. Так, рознімання по окружності у вільному стані не регламентується, а відношення висоти кільця до його номінального діаметра виконано меншим 0,01. Поршневі кільця, виготовлені зі сплавів на основі алюмінію, позбавлені недоліків, властивих чавунним кільцям. Однак, для їхнього виробництва потрібні спеціальні сплави, ціна яких істотно вище вартості штаби з вуглецевої сталі, одержуваної в умовах масового виробництва на підприємствах чорної металургії. Крім того, використання легких сплавів у виробництві поршневих кілець збільшує їхній знос, знижує їхню довговічність і надійність роботи у порівнянні зі сталевими і чавунними кільцями. У цьому зв'язку, для зниження зносу поршневих кілець, виготовлених з легких сплавів, на робочі елементи поверхні цих кілець наносять різні захисні антифрикційні і зносостійкі покриття. Це збільшує вартість поршневих кілець і, за інших рівних умов, знижує їхню конкурентноздатність. Відсутність регламенту величини зазору в розніманні по окружності кільця у вільному стані у відомому те хнічному рішенні не гарантує забезпечення необхідних компресійних властивостей кільця, а мала висота кільця знижує його запас міцності, що може привести до поломок кілець при одяганні їх на поршень. Слід також зазначити, що поршневі кільця з легких сплавів не забезпечують у поршневих група х ДВЗ необхідної компресії у зв'язку з низькими пружними властивостями матеріалу. Невисокі пружні властивості легких сплавів не забезпечують щільного контакту кільця з поверхнею циліндра ДВЗ, що знижує компресійні властивості поршневого кільця. Таким чином, порівняння технічного рішення, що заявляється, з іншими технічними рішеннями в даній галузі техніки не дозволило виявити в них ознаки, що відрізняють технічне рішення, що заявляється, від прототипу. Отже, те хнічне рішення, що заявляється, має "винахідницький рівень". Винахід пояснюється кресленням, де на Фіг.1 і 2 зображено компресійне поршневе кільце у вільному стані, відповідно, вид у плані і розріз по А-А на Фіг.1, а на Фіг.3 і 4 зображене компресійне поршневе кільце в робочому стані, відповідно, вид у плані і розріз по Б-Б на Фіг.3. Поршневе кільце, являє собою кільцевий елемент 1, виконаний у ви гляді криволінійного бруса прямокутного перерізу 2. У кільцевому елементі 1 виконане рознімання по окружності - замок кільця. У вільному стані (стані постачання) зазор у розніманні між торцевими частинами кільцевого елемента визначається величиною S1. Зазор у вільному стані S1 у поршневому кільці, що заявляється, складає 0,070,10 номінального діаметра кільця D. У робочому стані зазор у розніманні між торцевими частинами кільцевого елемента мінімальний і визначається величиною S. При цьому відношення висоти кільця b до його номінального діаметра (діаметра кільця в робочому стані) у конструкції поршневого кільця, що заявляється, складає 0,010-0,025. Виконання зазначених співвідношень геометричних параметрів поршневого кільця, виготовленого з вуглецевої сталі, забезпечує стабільність епюри тиску пружних сил кільця по його периметру в робочому стані, що, у свою чергу, підви щує рівномірність тиску компресійного поршневого кільця на стінки циліндра. Поршневі кільця з зазначеними конструктивними параметрами повинні бути виготовлені з вуглецевої сталі, наприклад, відповідно до винаходів за патентами [4. Патент №42120 (Україна), МПК6 С22С38/04, F16J9/26. Сталь для поршневих кілець. Опубліковано 15.10.2001. - Бюл. №9; 5. Патент №56026А (Україна), МПК6 С22С38/00, F16J9/26. Сталь для поршневих кілець. Опубліковано 15.04.2003. - Бюл. №4.]. Якщо відношення висоти поршневого кільця b до його номінального діаметра буде менше 0,010, то буде знижений запас міцності поршневого кільця, не буде забезпечена стабільність пружних сил кільця по периметру і необхідна епюра тиску. Це знизить компресійні властивості поршневого кільця, довговічність і надійність його роботи. Більше 0,025 відношення висоти поршневого кільця b до його номінального діаметра безпідставно збільшить його габарити, а, отже, підвищить інерційні сили в системі "поршень поршневе кільце - гільза циліндра", збільшить нерівномірність тиску кільця на стінки циліндра. Крім того, високі поршневі кільця сутужніше і довше припрацьовувати, при цьому істотно збільшується потужність тертя кілець. Суттєвою є регламентація величини зазору в розніманні між торцевими частинами кільцевого елементу, обумовленого величиною S1. Якщо зазор S1 у поршневому кільці буде менше 0,07 номінального діаметра кільця D, то не буде забезпечена необхідна епюра тиску. Це знизить компресійні властивості поршневого кільця, довговічність і надійність його роботи. Більша за 0,10 номінального діаметра кільця D величина зазору S1 у поршневому кільці приведе до надмірного підвищення пружних властивостей кільця в робочому стані, що спричинить підвищення зносу стінок циліндра і погіршить, тим самим, його експлуатаційні характеристики. Виготовлене з вуглецевої сталі компресійне поршневе кільце, що заявляється, працює аналогічно до відомих конструкцій поршневих кілець, виготовлених зі сталі, чавуну та інши х сплавів. Регламентація його геометричних параметрів рознімання по окружності у вільному стані і висоти кільця в ув'язуванні з матеріалом кільця забезпечують рішення поставленої у винаході технічної задачі: знижуються сили інерції, що виникають у системі "поршень - поршневе кільце - гільза циліндра" за рахунок зменшення маси і матеріалоємності поршневих кілець у порівнянні з кільцями, виготовленими з чавуну; зменшується нерівномірність тиску на стінки циліндра, стабілізується епюра тиску; збільшується запас міцності кілець та ін. У порівнянні з поршневими кільцями, виготовленими зі спеціальних сплавів, за рахунок зменшення зносу збільшується їхня довговічність і надійність роботи. При цьому, завдяки тому, що у виробничому циклі виготовлення поршневих кілець важливою складовою є продукція масового виробництва підприємств чорної металургії, використовувана як напівпродукт у виробництві поршневих кілець, забезпечується рішення задачі оптимізації виробництва кілець за критерієм "ціна-якість". Це також сприяє підвищенню техніко-економічних показників виробництва поршневих кілець і підвищує їхню конкурентноздатність на внутрішньому і зовнішньому ринках. Експерименти з визначення співвідношень геометричних параметрів, що заявляються, сталевих поршневих кілець виконувалися в умовах Одеського заводу поршневих кілець (ОЗПК), Інституті чорної металургії (ІЧМ) ім. З.І. Некрасова НАН України і Дніпропетровському дочірньому підприємстві ОЗПК "ОЗПК-Дніпро". Експериментальні зразки компресійних поршневих кілець діаметром 72...130мм, які застосовуються в ДВЗ вантажних, легкових автомобілів і сільськогосподарських машин, випробували за стандартними методиками, приведеними в [6. ДСТ 621-87. Кільця поршневі двигунів вн утрішнього згоряння. С.6-12]. Результати цих іспитів є основою для встановлення співвідношень геометричних параметрів поршневих кілець, що заявляються. Таким чином, рішення поставленої у винаході технічної задачі було забезпечено за рахунок регламентації геометричних параметрів поршневого кільця - рознімання по окружності у вільному стані і висоти кільця в ув'язуванні з матеріалом, з якого воно виготовлено. При цьому забезпечене підвищення техніко-економічних показників виробництва і конкурентноздатності сталевих компресійних поршневих кілець. Джерела інформації, прийняті до уваги при складанні заявки. 1. Авторське посвідчення 1294436 СРСР МКИ 4 B22F3/00. Заявлено 03.10.85. Опубліковано 07.03.87. 2. Патент 2021553 Российская Федерация. МКИ 6 F16J9/02 Заявлено 08.07.91. Опубликовано 15.10.94 прототип. 3. Патент 2119108 Российская Федерация. МПК6 F16J9/00 Заявлено 11.06.96. Опубликовано 20.09.98, Бюл. №26. 4. Патент №42120 (Україна), МПК6 С22С38/04, F16J9/26. Сталь для поршневих кілець. Опубліковано 15.10.2001. - Бюл. №9. 5. Патент №56026А (Україна), МПК6 С22С38/00, F16J9/26. Сталь для поршневих кілець. Опубліковано 15.04.2003. - Бюл. №4. 6. ДСТ 621-87. Кільця поршневі двигунів внутрішнього згоряння. М.: Видавництво стандартів. - 1988. - 47с.