專利名稱:內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞的制作方法
本發(fā)明是關(guān)于內(nèi)燃活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，亦即是關(guān)于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞。
在此推薦的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞可以用于各種類型的內(nèi)燃活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，也可用于壓縮機(jī)上。
眾所周知，在內(nèi)燃活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)由于活塞的扭動(dòng)而降低活塞環(huán)的密封性。活塞環(huán)是在活塞扭動(dòng)瞬間靠閉合形成足以使汽從燃燒室排入發(fā)動(dòng)機(jī)箱體內(nèi)的有效通過(guò)截面的。
為了消除活塞的扭動(dòng)，必須最大限度地減小活塞裙與汽缸之間的間隙，以便保證活塞在汽缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)使汽缸與活塞裙的中心線相一致(即無(wú)偏斜現(xiàn)象)。
為人熟知的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞，為了保證活塞裙在汽缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)的同心度，在活塞裙側(cè)面的凹槽內(nèi)，在活塞裙與發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸之間裝一氟塑料鑲塊(美國(guó)，A，4158328)。氟塑料鑲塊的縱截面從活塞頭的方向開(kāi)始收縮呈楔形。凹槽的長(zhǎng)度大于鑲塊，這樣，鑲塊就可以在凹槽內(nèi)沿著活塞裙的中心線從所在位置的一邊移向另一邊。在此情況下，在鑲塊與凹槽兩端之間的邊緣處必須有間隙。
不過(guò)汽缸與活塞裙之間的間隙是可以消除的。當(dāng)活塞從下死點(diǎn)向上死點(diǎn)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，鑲塊楔住在間隙中;而當(dāng)活塞向相反的方向，即從上死點(diǎn)向下死點(diǎn)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，鑲塊即退楔;此時(shí)，在活塞裙鑲塊和汽缸之間就形成間隙并出現(xiàn)活塞的扭動(dòng);這實(shí)質(zhì)上加劇了對(duì)活塞的磨損并降低了活塞的工作壽命。此外，在使用過(guò)程中鑲塊的厚度也遭到了磨損。這會(huì)導(dǎo)致鑲塊與凹槽下端面之間的間隙逐漸減小，而當(dāng)間隙消失的時(shí)間，鑲塊就重新工作，這樣便消除了在活塞裙和汽缸之間形成的間隙。
但是同樣為人所知的，鑲塊在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞上消除活塞裙與汽缸之間的間隙并非以活塞的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檗D(zhuǎn)移的(德國(guó)，A，393755)。
活塞設(shè)置一個(gè)帶活塞銷孔的活塞裙，活塞銷孔的中心線垂直于活塞裙的中心線;在活塞裙的側(cè)表面上于孔中心線的兩邊有兩個(gè)園柱形表面的凹槽，兩個(gè)凹槽的中心線平行于活塞裙的中心線;每個(gè)凹槽鑲嵌著一個(gè)與發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸表面相接觸的有園柱形外表面的鑲塊;鑲塊的曲率半徑與有園柱形內(nèi)表面的發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的半徑相等;鑲塊的曲率半徑與凹槽的曲率半徑相等。還裝有兩根彈簧，其中的每一根都裝在鑲塊和活塞裙之間。彈簧的彈力將鑲塊壓向發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸。
鑲塊因受兩個(gè)同心園的相互制約，在橫截面上有相等的厚度。鑲塊裝入凹槽內(nèi)時(shí)在鑲塊的內(nèi)表面和凹槽的表面之間留有間隙。鑲塊和凹槽的長(zhǎng)度彼此相等，以此限制鑲塊在凹槽內(nèi)相對(duì)于活塞裙的移動(dòng)(沿活塞裙中心線)。此外，鑲塊借助銷子與活塞裙連結(jié)在一起，這樣，鑲塊就不能圍繞活塞裙的中心線旋轉(zhuǎn)。
每根彈簧是按以下要求安裝在鑲塊和活塞裙之間的相應(yīng)凹槽內(nèi)的，即彈簧的中心線處于徑向，彈簧的彈力作用方向也趨于徑向，從而將鑲塊壓向汽缸壁。
以此方式，鑲塊可以在彈簧的作用下僅作徑向移動(dòng)的同時(shí)，消除活塞裙與汽缸之間的間隙，從而保證活塞在汽缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)的同心度、達(dá)到減少活塞扭動(dòng)的目的。
這樣安裝彈簧是為了彈簧能造成提高作用于活塞的側(cè)向壓力。雖然作用于活塞的側(cè)向壓力比作用于活塞的軸向(工作)力小四分之三到五分之四，但是這已經(jīng)是夠高的了。因此，必須采用大剛性的壓縮彈簧。在活塞使用過(guò)程中，當(dāng)鑲塊磨損到一定程度，彈簧作用于鑲塊的壓力急劇下降，這樣便縮短了活塞的使用期限。在這種情況下，鑲塊和凹槽表面的間隙增大，其結(jié)果，活塞在汽缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)的同心度遭到破壞，活塞就出現(xiàn)扭動(dòng)。
由此，解決內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)活塞帶什么樣的鑲塊的任務(wù)就作為本發(fā)明的基礎(chǔ)。即在活塞的使用過(guò)程中這種鑲塊應(yīng)能完全消除活塞裙和汽缸之間的間隙，而不以鑲塊和汽缸的磨損程度為轉(zhuǎn)移;排除活塞的扭動(dòng)并延長(zhǎng)活塞的使用期限。
所提出的任務(wù)通過(guò)下述方法得到了解決。這些方法是在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞上裝一個(gè)帶活塞銷孔的活塞裙，使該孔的中心線垂直于活塞裙的中心線;在活塞裙的側(cè)面上于孔中心線的兩邊制作兩個(gè)園柱形表面的凹槽，兩個(gè)凹槽的中心線平行于活塞裙的中心線;在每個(gè)凹槽中鑲嵌一個(gè)與發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸表面相接觸的有園柱形外表面的鑲塊;該鑲塊的曲率半徑與有園柱形內(nèi)表面的發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的半徑相等，鑲塊的曲率半徑與凹槽的曲率半徑相等;還裝兩根彈簧，其中的每一根都裝在與之相應(yīng)的鑲塊和活塞裙之間;彈簧的彈力將鑲塊壓向汽缸;按照發(fā)明，鑲塊的橫截面呈曲線楔的形狀，曲線楔的最大角度不超過(guò)鑲塊的摩擦角;鑲塊的內(nèi)表面與凹槽的園柱形表面相接觸，凹槽的中心線沿著活塞銷孔的中心線向楔的收縮方向偏移活塞裙的中心線，其偏移量與鑲塊內(nèi)表面的曲率半徑乘以楔的最大角度的量相等。與此同時(shí)，使每根彈簧的安裝方式保證使彈簧彈力的作用方向與相應(yīng)鑲塊內(nèi)表面相切的切線之間的夾角在其向楔的收縮方向的作用點(diǎn)上小于90°。
鑲塊的這種曲線楔形狀的結(jié)構(gòu)，可以完全消除活塞裙和汽缸之間的間隙，而不以鑲塊和汽缸磨損的程度為轉(zhuǎn)移。因?yàn)樵谀p過(guò)程中，在彈簧的作用下鑲塊可以圍繞活塞裙的中心線沿著凹槽的表面轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，消除間隙，從而排除活塞的扭動(dòng)。由于鑲塊楔的最大角度不超過(guò)鑲塊的摩擦角，轉(zhuǎn)動(dòng)此鑲塊不要求施大力。因此，在這樣的活塞中可采用剛性不高的彈簧;同時(shí)，對(duì)鑲塊材料強(qiáng)度特性的要求可以降低，而提高其耐摩擦特性;用于制造活塞的材料可以采用強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性較高的材料。
這些措施可以將內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)這種活塞的使用期限至少提高到5倍。
下面列舉具體例子說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施情況并舉以略圖加以說(shuō)明。這些略圖中有圖1，根據(jù)發(fā)明給出了內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞概貌圖(其中有部分縱剖面圖);
圖2，是圖1的Ⅱ-Ⅱ剖面圖。
內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞設(shè)置一個(gè)帶活塞頭2的活塞裙1(圖1)，在活塞頭的外側(cè)面有兩個(gè)園柱段，這兩個(gè)園柱段有一與活塞裙1中心線相一致的共同中心線“O”。在活塞裙1上，其中間部分有一個(gè)活塞銷(在圖上未標(biāo)出)孔3，活塞銷孔的中心線“O1”垂直于活塞裙1的中心線“O”。在活塞裙1的外表面上，中心線“O1”的兩邊制有兩個(gè)凹槽4，在每個(gè)凹槽中鑲嵌著一個(gè)鑲塊5;同時(shí)，每個(gè)鑲塊5的長(zhǎng)度等于凹槽4的長(zhǎng)度。
鑲塊5(圖2)有一與發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸6內(nèi)表面(圖1、2中的示意圖)相接觸的凸出的園柱形外表面。鑲塊5外表面的曲率半徑R與發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸6的半徑相等，與凹槽4表面相接觸的鑲塊5的內(nèi)表面是凹狀的，同時(shí)，鑲塊5內(nèi)表面的曲率半徑r與凹槽4表面的曲率半徑相等。
在每個(gè)鑲塊5和活塞裙1之間裝一壓縮彈簧7(圖2);壓縮彈簧的一端頂在活塞裙1內(nèi)的凹肩8之中，而其另一端頂在鑲塊5的凹肩9之中。
鑲塊5的橫截面呈曲線楔形狀，同時(shí)該楔的最大角度α不超過(guò)鑲塊5的摩擦角。角α-由于鑲塊5的外表面和內(nèi)表面相切的切線“m”和“n”的夾角是在沿中心線“O”作用于活塞的力P(圖1)的側(cè)向分力N的作用點(diǎn)Q上。
鑲塊5可采用具有高耐摩擦性能的材料制成，例如用陶瓷金屬、氟塑料和用于制造活塞鑲塊的其它已知材料。
眾所周知，對(duì)大多數(shù)的材料而言，最大的摩擦角約為6°。摩擦角是按照手冊(cè)性文件的列表，依據(jù)摩擦力偶和其它因素(例如“潤(rùn)滑、表面光潔度、外形和負(fù)載特性)的資料確定的。
鑲塊5楔的最大角度α不應(yīng)超過(guò)鑲塊5的摩擦角，而且應(yīng)該保證鑲塊于力P的分力N的作用下在凹槽4內(nèi)自行制動(dòng)。假如楔的角度α大于摩擦角，則鑲塊5在分力N的作用下將自動(dòng)由凹槽4內(nèi)頂出，這樣就要求安裝強(qiáng)度更高的彈簧7。
在選擇鑲塊5的楔角時(shí)應(yīng)該考慮外形(是均勻分布還是集中)和負(fù)載特性(不變的、脈動(dòng)的、還是變向的)。
對(duì)此角合理地選擇為小于摩擦角。例如，為了使“活塞-汽缸”的共軛，建議摩擦系數(shù)應(yīng)在0.07-0.085范圍內(nèi)選擇，這樣便可滿足摩擦角的度數(shù)為4-5°。
如果要遵循結(jié)構(gòu)上的意圖，最好選擇另一種摩擦角。那末在此情況下，為達(dá)到活塞在負(fù)載作用下工作時(shí)保證使鑲塊在凹槽4中自行制動(dòng)的目的，則必須建立相適應(yīng)的潤(rùn)滑條件，相適應(yīng)的表面粗糙度以及相適應(yīng)的彈簧彈力的作用方向。
鑲塊5的內(nèi)表面與凹槽4的園柱形表面相接觸，這些園柱形表面有平行于活塞裙1中心線“O”的一中心線“O2”。同時(shí)，凹槽4的中心線“O2”沿著活塞銷孔3的中心線“O1”朝楔的收縮方向偏移，其偏移量等于凹槽的半徑-r乘以α-楔的最大角度;則距離O2O＝r·α。式中α以弧度表示，這是因?yàn)槭剐〗侵糜谀Σ两堑姆秶鷥?nèi)tgα≈α。因此，凹槽4的橫截面是重復(fù)鑲塊5的形狀。彈簧7安裝成使和彈簧7的中心線相一致的彈力作用方向“l(fā)”與鑲塊5內(nèi)表面相切的切線“K”的夾角β在其作用點(diǎn)上，亦即是在彈簧7與鑲塊5內(nèi)表面相接觸的C點(diǎn)上永遠(yuǎn)小于90°;以此保證鑲塊與在其磨損范圍內(nèi)在凹槽4內(nèi)向鑲塊的收縮方向移動(dòng)。
內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞按下述方式進(jìn)行工作。當(dāng)活塞裙1(圖1、2)在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸6內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在凹槽4中的鑲塊5在彈簧7的作用下消除活塞裙1和汽缸6之間的間隙，并以其整個(gè)的外表面與汽缸6的整個(gè)內(nèi)表面相接觸，同時(shí)，也與活塞裙1的凹槽4之表面相接觸。
在此情況下鑲塊5在凹槽4中處于縱向，即不是沿著活塞裙1的中心線“O”移動(dòng)，因此，在活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，磨損情況僅僅發(fā)生在相對(duì)于汽缸6內(nèi)表面作移動(dòng)的鑲塊的外表面上。
在鑲塊5的磨損范圍內(nèi)，鑲塊5和汽缸6之間不會(huì)出現(xiàn)間隙，因?yàn)閺椈?在不停地移動(dòng)著鑲塊5的同時(shí)，將其推著在凹槽4中向收縮的方向移動(dòng)并將其壓向汽缸6，以此保證活塞在汽缸6內(nèi)的運(yùn)動(dòng)無(wú)扭動(dòng)。在此情況下，彈簧7的彈力必須提高鑲塊5對(duì)活塞裙1的摩擦力，而這個(gè)力與汽缸6和鑲塊5外表面之間的摩擦力相比是不大的。因此，這個(gè)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的結(jié)構(gòu)，可以在整個(gè)使用活塞的過(guò)程中實(shí)際上安全消除活塞裙1和汽缸6之間的間隙，而不以鑲塊5和發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸6的磨損程度為轉(zhuǎn)移。這就便可最終大幅度地提高活塞的工作壽命。
權(quán)利要求
內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞設(shè)置一個(gè)帶活塞銷孔(3)的活塞裙(1)，活塞銷孔的中心線(O1)垂直于活塞裙(1)的中心線(O)；在活塞裙的側(cè)面上，于孔(3)中心線(O1)的兩邊制有兩個(gè)園柱形表面的凹槽(4)，兩個(gè)凹槽的中心線(O1)平行于活塞裙(1)的中心線(O)；每個(gè)凹槽中鑲嵌著一個(gè)與發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸(6)表面相接觸的有園柱形外表面的鑲塊(5)；該鑲塊的曲率半徑與有園柱形內(nèi)表面的發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸(6)的半徑相等，鑲塊的曲率半徑與凹槽(4)的曲率半徑相等，還裝有兩根彈簧(7)，其中的每一根都裝在與之相應(yīng)的鑲塊(5)和活塞裙(1)之間；彈簧的彈力將鑲塊(5)壓向發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸(6)，本發(fā)明的特點(diǎn)是每塊鑲塊(5)的橫截面呈曲線楔的形狀，曲線楔的最大角度不超過(guò)鑲塊的摩擦角；鑲塊的內(nèi)表面與凹槽(4)的園柱形表面相接觸，凹槽的中心線(O2)沿著活塞銷孔(3)的中心線(O1)向楔的收縮方向偏移，活塞裙(1)的中心線(O)，其偏移量與鑲塊(5)內(nèi)表面的曲率半徑(r)乘以楔的最大角度(α)的量相等。同時(shí)，每根彈簧(7)的安裝方式能使彈簧(7)彈力的作用方向與相應(yīng)鑲塊(5)內(nèi)表面相切的切線(K)之間的夾角(β)在其向楔的收縮方向的作用點(diǎn)上小于90°。
專利摘要
內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞設(shè)置一個(gè)帶活塞銷孔的活塞裙，銷孔中心線垂直于活塞裙中心線；在活塞裙的側(cè)面上于孔中心線的兩邊有兩個(gè)圓柱形表面的凹槽，其中心線平行于活塞裙中心線，每一個(gè)凹槽中鑲嵌著與發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸表面相接觸的有圓柱形外表面的鑲塊。鑲塊的曲率半徑與有圓柱形內(nèi)表面的發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的半徑一致，鑲塊的曲率半徑與凹槽的曲率半徑一致。另有兩根彈簧，各自裝在鑲塊與活塞裙之間，并將相應(yīng)的鑲塊壓向汽缸。鑲塊橫截面呈曲線楔形狀，曲線楔的最大角度不超過(guò)鑲塊的摩擦角。
文檔編號(hào)F02F3/00GK87103522SQ87103522
公開(kāi)日1988年11月30日 申請(qǐng)日期1987年5月15日
發(fā)明者尼古萊·馬卡羅維奇·斯托爾切夫奧伊 申請(qǐng)人:十月革命六十周年基輔汽車公路學(xué)院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan