RU2028485C1 - Compound piston ring - Google Patents

Abstract

FIELD: engine engineering. SUBSTANCE: ring has plate rings and spring tangential expander. The ring provide oil removing and compression. The distance between inner surfaces of radial shelves of the tangential expander is no more than the thickness of metal belt of which it is made. The plate rings can be compound and made as a ring stack. EFFECT: enhanced efficiency. 2 cl, 15 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть применено в качестве поршневого кольца в двигателях внутреннего сгорания, компрессорах и других поршневых машинах. The invention relates to mechanical engineering, namely to engine building, and can be used as a piston ring in internal combustion engines, compressors and other reciprocating machines.

К поршневым кольцам предъявляются высокие требования по долговечности, обеспечению максимального расхода масла на угар, прорыву газов и потерям на трение, снижение которых сокращает расход топлива. При этом количество поршневых колец на поршне должно быть минимальным. High demands are placed on piston rings for durability, ensuring maximum oil consumption for burning, gas breakthroughs and friction losses, the reduction of which reduces fuel consumption. The number of piston rings on the piston should be minimal.

Для обеспечения этих требований конструкции поршневых колец должны обладать следующими свойствами: высокой эластичностью, обеспечивающей прилегаемость кольца при искажениях геометрической формы цилиндра; мягкой (пологой) характеристикой пружины, тангенциального расширителя, обеспечивающей незначительное падение упругой силы при износе трущихся элементов кольца; высокой сопротивляемостью процессу релаксации при температуре до 300^оС; хорошей собираемостью на поршень и вместе с поршнем в гильзу цилиндра; надежно герметизировать рабочее пространство между поршнем, цилиндром и головкой блока.To ensure these requirements, the design of piston rings should have the following properties: high elasticity, ensuring the fit of the ring with distortions of the geometric shape of the cylinder; soft (gentle) characteristic of the spring, the tangential expander, providing a slight drop in the elastic force during wear of the friction elements of the ring; high resistance to relaxation process at temperatures up to 300 ^C; good collectability on the piston and together with the piston in the cylinder liner; reliably seal the working space between the piston, cylinder and block head.

Известна конструкция составного маслосъемного кольца, которая содержит пластинчатые кольца и цельноизогнутый тангенциальный расширитель С-образного профиля в поперечном сечении, выполненный из металлической ленты прямоугольного сечения со скругленными кромками. Эта конструкция составного маслосъемного кольца не полностью отвечает предъявленным требованиям по следующим причинам. Соотношение радиальной и осевой нагрузок на пластинчатые кольца, образующееся от тангенциальной силы расширителя, практически не управляемо, так как вертикальные стенки тангенциального расширителя выполнены по отношению к горизонтальной полке под углом большим 90^о (под тупым углом). При сжатии витков тангенциального расширителя вертикальные стенки поворачиваются и занимают перпендикулярное положение к горизонтальным полкам. При недостаточном зазоре между кольцом и канавкой поршня происходит резкое увеличение осевого усилия и пластинчатые кольца частично или полностью теряют подвижность в канавке поршня, что ухудшает маслораспределяющую способность кольца в целом. Это явление не позволяет на ряде отечественных двигателей перейти с двух маслосъемных колец на одно. Переход на одно маслосъемное кольцо обеспечивает значительное снижение расхода топлива, благодаря уменьшению потерь на трение. Тангенциальный расширитель имеет жесткую (крутую) пружинную характеристику, что ограничивает повышение долговечности маслосъемного кольца в целом. Улучшить пружинную характеристику за счет увеличения длины развертки расширителя нельзя, так как длина развертки ограничена возможностью монтажа кольца в канавку поршня. При большой длине развертки расширителя, благодаря радиальной и осевой нагрузке на пластинчатые кольца, происходит их самодемонтаж из канавки поршня, не позволяющей вставить поршень в гильзу.A known construction of a composite oil scraper ring, which contains plate rings and an integral curved tangential expander of a C-shaped profile in cross section made of a metal tape of rectangular cross section with rounded edges. This design of a composite oil scraper ring does not fully meet the requirements for the following reasons. The ratio of the radial and axial loads on the ring plate, which is formed by the tangential force expander hardly controllable because vertical wall tangential dilator made in relation to a horizontal shelf at an angle ^of greater than 90 (obtuse angle). When compressing the turns of the tangential expander, the vertical walls rotate and occupy a perpendicular position to the horizontal shelves. If there is insufficient clearance between the ring and the piston groove, a sharp increase in axial force occurs and the plate rings partially or completely lose mobility in the piston groove, which impairs the oil distribution capacity of the ring as a whole. This phenomenon does not allow a number of domestic engines to switch from two oil scraper rings to one. Switching to one oil scraper ring provides a significant reduction in fuel consumption due to the reduction of friction losses. The tangential expander has a rigid (steep) spring characteristic, which limits the increase in the durability of the oil scraper ring as a whole. It is impossible to improve the spring characteristic by increasing the sweep length of the expander, since the sweep length is limited by the possibility of mounting the ring in the piston groove. With a long sweep length of the expander, due to the radial and axial load on the plate rings, they are self-dismantled from the piston groove, which does not allow the piston to be inserted into the sleeve.

Долговечность составного маслосъемного кольца этой конструкции, как показал опыт, в основном ограничивается толщиной хрома на рабочей поверхности пластинчатых колец и запасом упругой силы тангенциального расширителя, прижимающей их к стенке цилиндра. При износе хрома на пластинчатых кольцах темп износа резко возрастает. Одновременно резко уменьшается из-за крутой пружинной характеристики упругая сила тангенциального расширителя, нарушается прилегаемость колец к стенке цилиндра и кольцо выходит из строя. Увеличение толщины хрома связано с ухудшением его сцепляемости с основным металлом пластинчатых колец и склонностью к сколам. The durability of the composite oil scraper ring of this design, as experience has shown, is mainly limited by the thickness of chromium on the working surface of the plate rings and the elastic reserve of the tangential expander, which presses them against the cylinder wall. When chromium is worn on plate rings, the rate of wear increases sharply. At the same time, the elastic force of the tangential expander sharply decreases due to the steep spring characteristic, the fit of the rings to the cylinder wall is broken, and the ring fails. The increase in chromium thickness is associated with a deterioration in its adhesion to the base metal of plate rings and a tendency to chips.

На долговечность кольца также влияет поверхность контакта упорных буртов тангенциального расширителя с пластинчатыми кольцами. Чем больше эта поверхность, тем меньше удельные нагрузки и выше износостойкость и мест контакта. Однако при таком выполнении вертикальных стенок количество упорных буртов ограничивается шагом пружинных витков, выполненных в змеевидной заготовке. The longevity of the ring is also affected by the contact surface of the thrust collars of the tangential expander with the plate rings. The larger this surface, the less specific loads and higher wear resistance and contact points. However, with such a vertical wall, the number of thrust collars is limited by the pitch of the spring coils made in the serpentine blank.

Известно составное поршневое маслосъемное кольцо, которое является наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту и поэтому принято за прототип. Оно состоит из пластинчатых колец и цельноизогнутого тангенциального расширителя, у которого расстояние между соседними центрами радиусов гибки пружинных элементов выполнено в соответствии с соотношением
t < 2R + 2S, где t - расстояние между соседними центрами радиусов гибки;
R - радиус гибки пружинного элемента;
S - толщина ленты в плоскости ее изгиба.Known composite piston oil scraper ring, which is closest to the invention in terms of technical nature and the achieved effect and therefore taken as a prototype. It consists of plate rings and an integral curved tangential expander, in which the distance between adjacent centers of the bending radii of the spring elements is made in accordance with the ratio
t <2R + 2S, where t is the distance between adjacent centers of bending radii;
R is the bending radius of the spring element;
S is the thickness of the tape in the plane of its bend.

Такое конструктивное выполнение тангенциального расширителя наиболее полно отвечает требованиям маслосъемного поршневого кольца, но не может выполнять функции компрессионного, так как радиальные полки расположены консольно и имеют возможность под действием газов и вибрации перемещаться в осевом направлении на сравнительно большое расстояние, не обеспечивая между пластинчатыми кольцами и торцовыми поверхностями поршневой канавки. Such a constructive implementation of the tangential expander most fully meets the requirements of the oil scraper piston ring, but cannot perform the compression function, since the radial shelves are cantilevered and are able, under the action of gases and vibration, to move in the axial direction for a relatively large distance, without providing between the plate rings and the end rings piston groove surfaces.

При такой конструкции составного маслосъемного кольца на поршне необходимо иметь не менее двух компрессионных колец, обеспечивающих герметизацию камеры сгорания, что увеличивает потери на трение и следовательно расход топлива. With this design of the composite oil scraper ring on the piston, it is necessary to have at least two compression rings providing sealing of the combustion chamber, which increases friction losses and therefore fuel consumption.

Целью изобретения является повышение эффективности путем придания кольцу одновременно с маслосъемными компрессионных свойств. The aim of the invention is to increase efficiency by imparting ring compression properties simultaneously with oil scraper.

Поставленная цель достигается тем, что в составном поршневом кольце для ДВС, содержащем пластинчатые кольца и пружинный тангенциальный расширитель, выполненный цельноизогнутым из металлической ленты прямоугольного сечения со скругленными кромками и снабженный радиальными полками, имеющими концевые упоры и соединенными между собой при помощи перемычек, расстояние между внутренними плоскостями радиальных полок тангенциального расширителя составляет не более толщины металлической ленты, а пластинчатые кольца выполнены составными в виде пакета. Такие конструктивные выполнения в составном поршневом кольце позволяет ограничить осевые перемещения радиальных полок тангенциального расширителя от вибраций и давления газов в процессе его работы в двигателе и исключить прорывы газов при минимальном количестве компрессионных колец на поршне. В известных технических решениях не обнаружены признаки, сходные с отличительными заявленного изобретения. This goal is achieved by the fact that in a composite piston ring for internal combustion engines containing plate rings and a spring tangential expander, made integrally curved from a metal tape of rectangular cross section with rounded edges and provided with radial shelves having end stops and interconnected by jumpers, the distance between the internal the planes of the radial shelves of the tangential expander is not more than the thickness of the metal tape, and the plate rings are made integral in package view. Such design in a composite piston ring allows you to limit the axial movement of the radial shelves of the tangential expander from vibration and gas pressure during its operation in the engine and to prevent gas breakthroughs with a minimum number of compression rings on the piston. In the known technical solutions, no signs are found that are similar to the distinguishing features of the claimed invention.

На фиг. 1 показано поперечное сечение составного поршневого кольца, в сборе с тангенциальным расширителем; на фиг. 2 - часть составного поршневого маслосъемного кольца с пластинчатыми кольцами, изображенного в перспективе; на фиг. 3 - металлическая лента прямоугольного сечения со скругленными кромками, изогнутая в плоскости толщины S в змеевидную заготовку радиусом R с шагом t и шириной В; на фиг. 4 - змеевидная заготовка с отогнутыми упорными буртами под пластинчатые кольца в размер h; на фиг. 5 - сечение А-А на фиг. 4; на фиг. 6 - змеевидная заготовка с отогнутыми буртами с формированным профилем, у которого расстояние между внутренними плоскостями К радиальных полок не более толщины металлической ленты; на фиг. 7 - то же, вид сверху; на фиг. 8 - сечение Б-Б на фиг. 6; на фиг. 9-15 - различные комбинации выполнения составного поршневого кольца с пакетами пластинчатых колец. In FIG. 1 shows a cross section of a composite piston ring, complete with a tangential expander; in FIG. 2 is a part of a composite piston oil scraper ring with plate rings, shown in perspective; in FIG. 3 - a metal tape of rectangular cross section with rounded edges, curved in the plane of thickness S into a serpentine billet of radius R with a step t and a width B; in FIG. 4 - serpentine billet with bent thrust collars under the plate rings in size h; in FIG. 5 is a section AA in FIG. 4; in FIG. 6 - serpentine billet with bent shoulders with a formed profile, in which the distance between the inner planes K of the radial shelves is not more than the thickness of the metal strip; in FIG. 7 - the same, top view; in FIG. 8 is a section BB in FIG. 6; in FIG. 9-15 - various combinations of a composite piston ring with packs of plate rings.

Составное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания содержит пластинчатые кольца 1 и 2 и тангенциальный расширитель 3, выполненный цельноизогнутым из металлической ленты прямоугольного сечения и снабженный радиальными поддерживающими полками 4 и 5 с упорами 6 и 7, прижимающими кольца 1 и 2 к поверхностям 8 и 9 канавки поршня и стенке цилиндра 10 и соединенными между собой перемычкой 11, при этом расстояние К между внутренними плоскостями 12 и 13 радиальных полок 4 и 5 составляет не более толщины металлической ленты, из которой выполнен тангенциальный расширитель. The composite piston ring for an internal combustion engine contains lamellar rings 1 and 2 and a tangential expander 3 made integrally curved from a metal strip of rectangular cross section and provided with radial support flanges 4 and 5 with stops 6 and 7, pressing rings 1 and 2 against groove surfaces 8 and 9 the piston and the wall of the cylinder 10 and interconnected by a jumper 11, while the distance K between the inner planes 12 and 13 of the radial shelves 4 and 5 is not more than the thickness of the metal tape of which potential expander.

В зависимости от высоты канавки поршня, процесса сгорания (дизельный, карбюраторный и др.) и числа оборотов двигателя возможны различные комбинации выполнения пакета пластинчатых колец с тангенциальным расширителем (фиг. 9-15). Depending on the height of the piston groove, the combustion process (diesel, carburetor, etc.) and the engine speed, various combinations of performing a package of plate rings with a tangential expander are possible (Fig. 9-15).

Так, например, пакеты пластинчатых колец могут состоять из двух или трех колец сверху или снизу (фиг. 9 и 10), двух сверху и одного снизу (фиг. 11) и наоборот (фиг. 15), трех сверху и одного снизу (фиг. 12), трех сверху и двух снизу (фиг. 13) и наоборот (фиг. 14) и т. п. For example, packets of plate rings can consist of two or three rings above or below (Fig. 9 and 10), two above and one below (Fig. 11) and vice versa (Fig. 15), three above and one below (Fig. . 12), three from above and two from below (Fig. 13) and vice versa (Fig. 14), etc.

Тангенциальный расширитель 3 (фиг. 1) изготавливается из упругой металлической ленты прямоугольного сечения со скругленными кромками. The tangential expander 3 (Fig. 1) is made of an elastic metal tape of rectangular cross section with rounded edges.

Лента толщиной S гнется на ребро так, как показано на фиг. 3, образуя пружинные витки с шагом t, шириной В и радиусом R, а затем заготовка с пружинными витками последовательно сгибается как показано на фиг. 4-8, образуя упорные бурты высотой h и далее радиальные полки с расстоянием К между внутренними их плоскостями. A tape of thickness S bends to the rib as shown in FIG. 3, forming spring coils with a pitch t, a width B and a radius R, and then the workpiece with spring coils is sequentially bent as shown in FIG. 4-8, forming thrust collars of height h and then radial shelves with a distance K between their inner planes.

Поршневое составное кольцо работает следующим образом. The piston composite ring operates as follows.

При возвратно-поступательном движении поршня пластинчатые кольца 1 и 2 прижимаются опорными буртами 6 и 7 радиальных поддерживающих полок 4 и 5 расширителя 3 в радиальном направлении к стенке цилиндра 10, а в осевом направлении радиальными полками 4 и 5 - к поверхностям 8 и 9 канавки поршня. When the piston is reciprocating, the plate rings 1 and 2 are pressed by the supporting collars 6 and 7 of the radial support shelves 4 and 5 of the expander 3 in the radial direction to the cylinder wall 10, and in the axial direction by the radial shelves 4 and 5 to the surfaces 8 and 9 of the piston groove .

В результате использования изобретения экономический эффект ожидается от уменьшения количества колец на поршне, снижения расхода топлива и моторного масла на угар. As a result of using the invention, the economic effect is expected from reducing the number of rings on the piston, reducing fuel consumption and engine oil for waste.

Claims (2)

1. СОСТАВНОЕ ПОРШНЕВОЕ КОЛЬЦО для двигателя внутреннего сгорания, содержащее пластинчатые кольца и пружинный тангенциальный расширитель, выполненный цельноизогнутым из металлической ленты прямоугольного сечения со скругленными кромками и радиальными полками с концевыми упорами, соединенными между собой перемычками, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности путем придания кольцу одновременно с маслосъемными компрессионных свойств, расстояние между внутренними поверхностями радиальных полок тангенциального расширителя составляет не более толщины металлической ленты. 1. COMPOSITIVE PISTON RING for an internal combustion engine, containing plate rings and a spring tangential expander made integrally curved from a metal strip of rectangular cross section with rounded edges and radial shelves with end stops interconnected by jumpers, characterized in that, in order to increase efficiency by giving the ring simultaneously with the oil scraper compression properties, the distance between the inner surfaces of the radial shelves of the tangential expander I am no more than the thickness of a metal tape. 2. Кольцо по п.1, отличающееся тем, что пластинчатые кольца установлены в виде пакета. 2. The ring according to claim 1, characterized in that the plate rings are installed in the form of a package.

Images