RU2318127C2 - Non-round piston ring with variable degree of irregularity of distribution of radial partial pressures (versions) - Google Patents
Non-round piston ring with variable degree of irregularity of distribution of radial partial pressures (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2318127C2 RU2318127C2 RU2004119014/06A RU2004119014A RU2318127C2 RU 2318127 C2 RU2318127 C2 RU 2318127C2 RU 2004119014/06 A RU2004119014/06 A RU 2004119014/06A RU 2004119014 A RU2004119014 A RU 2004119014A RU 2318127 C2 RU2318127 C2 RU 2318127C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- degree
- piston ring
- distribution
- pressure
- radial
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
- Medicinal Preparation (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к поршневым кольцам.The invention relates to the field of engine engineering, in particular to piston rings.
В двигателестроении известно несколько видов поршневых колец: круглые поршневые кольца - подразумевается, что распределение удельного радиального давления по всему объему поршневого кольца, когда оно вмонтировано в цилиндр, одинаково, а степень неравномерности и овальность равны нулю. Некруглые поршневые кольца - с постоянной степенью неравномерности - имеют во всех точках по объему различную силу давления. В случае максимально возможной, согласно теории Арнольда (Энглиш К. Поршневые кольца. М., 1962, с.57-58), степени неравномерности 0,9 величина давления составляет:In engine manufacturing, several types of piston rings are known: round piston rings - it is understood that the distribution of specific radial pressure over the entire volume of the piston ring when it is mounted in the cylinder is the same, and the degree of unevenness and ovality are zero. Non-circular piston rings - with a constant degree of unevenness - have different pressure forces at all points in volume. In the case of the maximum possible, according to the theory of Arnold (English K. Piston rings. M., 1962, p.57-58), the degree of non-uniformity of 0.9 pressure value is:
на 180°: 1,605 pm (здесь поршневые кольца имеют замок в свободном состоянии),180 °: 1,605 p m (here the piston rings have a lock in the free state),
на 0°: 1,329 pm (диаметрально противоположно),0 °: 1.329 p m (diametrically opposite),
на 96°: 0,6147 pm (наименьшее),96 °: 0.6147 p m (smallest)
где pm - единичное среднее радиальное давление для особого случая (n=0, l=1). Такое распределение удельного радиального давления называется яйцевидной формой. В противоположность этой форме, для двухтактных двигателей определяют сердцевидное распределение удельного радиального давления со следующими значениями:where p m is the unit mean radial pressure for a special case (n = 0, l = 1). Such a distribution of specific radial pressure is called an ovoid form. In contrast to this form, for two-stroke engines determine the heart-shaped distribution of specific radial pressure with the following values:
на 180°: 0,379 pm,180 °: 0.379 p m ,
на 0°: 0,671 pm,at 0 °: 0.671 p m ,
на 96°: 1,385 pm.at 96 °: 1.385 p m .
Следовательно, сердцевидная форма распределения удельного радиального давления имеет, в противоположность яйцевидной, наименьшее давление в той точке на оси, которая проходит через замок поршневого кольца и соединяется с диаметрально противоположной точкой на кривой. Как видно, наибольшее удельное давление на 96°.Consequently, the heart-shaped distribution of the specific radial pressure has, in contrast to the egg-shaped, the lowest pressure at that point on the axis that passes through the lock of the piston ring and is connected to a diametrically opposite point on the curve. As can be seen, the highest specific pressure is 96 °.
Некруглые поршневые кольца - с непостоянной степенью неравномерности - имеют также на каждой точке поверхности, которая определена внешним диаметром поршневого кольца во встроенном состоянии, неодинаковую интенсивность давления.Non-circular piston rings — with a varying degree of unevenness — also have an uneven pressure intensity at each point on the surface, which is determined by the external diameter of the piston ring in the integrated state.
Характерные величины для степени неравномерности δр=1,9:Typical values for the degree of non-uniformity δ p = 1.9:
на 180°: 2,507 pm,180 °: 2.507 p m ,
на 0°: 1,298 pm,at 0 °: 1.298 p m ,
на 129°: 0,508 pm (наименьшее давление).129 °: 0.508 p m (lowest pressure).
Такое распределение удельного радиального давления называется грушевидной формой и используется для четырехтактных двигателей. Соответствующей формой для двухтактных двигателей является распределение удельного радиального давления яблоковидной формы с характерными величинами давления:This distribution of specific radial pressure is called a pear-shaped and is used for four-stroke engines. The corresponding form for two-stroke engines is the distribution of the specific radial pressure of the apple-shaped form with characteristic pressure values:
на 180° - 0,593 pm.180 ° - 0.593 p m .
Это неприемлемо, так как давление меньше 0 кг/см2, при этом поршневое кольцо "висит", протекание газов неизбежно. Чтобы избежать этого, необходимо выбрать меньшую степень неравномерности для двухтактных моторов (см. фиг.11 с. δр=-1,9, где представлено соответствующее решение):This is unacceptable, since the pressure is less than 0 kg / cm 2 , while the piston ring "hangs", the flow of gases is inevitable. To avoid this, it is necessary to choose a lesser degree of unevenness for two-stroke engines (see Fig. 11, p. P = -1.9, where the corresponding solution is presented):
на 0°: 0,7015 pm,at 0 °: 0.7015 p m ,
на 180°: 0,042 pm,180 °: 0.042 p m ,
на 129°: 1,492 pm (наибольшее),129 °: 1.492 p m (highest)
что подтверждается диаграммой распределения удельного радиального давления яблоко-сердцевидной формы и груше-яблоковидной формы (см.фиг.11).which is confirmed by the distribution diagram of the specific radial pressure of the apple-heart-shaped and pear-apple-shaped form (see figure 11).
При этом диаграмму давления надо читать следующим образом: например, для 180°: рφ=2,507 pm, которое определяется следующим соотношением (100-50)/20 и это значение давления равно 2,5 кг/см2, где рm=р0=1 кг/см2 и представляет единичный вектор для круглых поршневых колец, без учета величины замка, характеристик поршневого кольца и модуля эластичности материала. При этом 50 - это радиус кольца в сжатом состоянии, а 20 - это масштаб графического изображения.In this case, the pressure diagram should be read as follows: for example, for 180 °: p φ = 2.507 p m , which is determined by the following ratio (100-50) / 20 and this pressure value is 2.5 kg / cm 2 , where p m = p 0 = 1 kg / cm 2 and represents a single vector for round piston rings, without taking into account the size of the lock, the characteristics of the piston ring and the modulus of elasticity of the material. Moreover, 50 is the radius of the ring in a compressed state, and 20 is the scale of the graphic image.
Определение диаметр кольца по оси Х (D2), проходящей через замок кольца, осуществляется следующим образом. Предварительно определяется D1:The determination of the diameter of the ring along the X axis (D 2 ) passing through the ring lock is as follows. Predefined D 1 :
где D1 - диаметр поршневого кольца в свободном состоянии по оси Y, которая перпендикулярна оси X, при этом ось Х проходит через замок поршневого кольца, при этом Δ=0,00381S′, а S′=1,15S для поршневых колец, которые копируются только по внешнему диаметру, a D - номинальный диаметр. После высечения и обработки внутреннего диаметра в сжатом состоянии величина раствора замка уменьшается примерно на 15% (Энглиш К. Поршневые кольца. М., 1962, с.373).where D 1 is the diameter of the piston ring in a free state along the Y axis, which is perpendicular to the X axis, while the X axis passes through the lock of the piston ring, with Δ = 0.00381S, and S = 1.15S for the piston rings, which are copied only by the outer diameter, and D is the nominal diameter. After cutting and processing the internal diameter in a compressed state, the size of the castle solution decreases by about 15% (English K. Piston rings. M., 1962, p. 373).
Величина раствора замка в свободном состоянии выбирается равнойThe value of the lock solution in the free state is chosen equal to
Уравнение (1) полностью соответствует точному расчету на основе теории упругости для круглых поршневых колец. Расчет верен и для отливки, и для модели, причем радиус увеличивается на припуск для обработки. При этом абсолютное значение 8 определяется процентным соотношением:Equation (1) is fully consistent with the exact calculation based on the theory of elasticity for round piston rings. The calculation is true for both casting and model, and the radius increases by the allowance for processing. In this case, the absolute value of 8 is determined by the percentage ratio:
где D=100 мм в данном случае.where D = 100 mm in this case.
При изготовлении отливки край замка должен соединиться с определенной точкой на оси Х, которая определяется следующим образом:In the manufacture of casting, the edge of the castle must connect to a certain point on the X axis, which is determined as follows:
С выбранными значениями для cх и cу производится расчет для любой точки окружности поршневого кольца (а также шаблона, отливки, модели) и его радиуса. Полученный радиус определяет угол иссечения замка, который соединяется с точкой на оси X, и определяется выражением:With the selected values for c x and c y , a calculation is made for any point on the circumference of the piston ring (as well as the template, casting, model) and its radius. The resulting radius determines the angle of excision of the castle, which connects to a point on the X axis, and is determined by the expression:
(см. фиг.5).(see figure 5).
Это основной радиус, через который трансформируются яйцевидная форма в сердцевидную и обратно; грушевидная в яблоковидную и обратно.This is the main radius through which the egg-shaped form is transformed into the heart-shaped and vice versa; pear-shaped apple-shaped and vice versa.
Рассмотрим исходные положения распределения радиального удельного давления. Согласно уравнению 19 Лейбница (Энглиш К. Поршневые кольца. М., 1962, стр.29) для поршневых колец произвольной формы в свободном состоянии предполагается, что поршневое кольцо оказывает давление на стенку цилиндра по всему объему, исходя из уравнения:Consider the initial position of the distribution of radial specific pressure. According to
Продифференцировав это уравнение дважды по φ и решив дифференциальные уравнения второго порядка, он получил формулу для давления рφ:By differentiating this equation twice with respect to φ and solving the second-order differential equations, he obtained the formula for the pressure pφ:
Арнольд положил в основу распределения радиального давления следующую функцию давления, которая удовлетворяет условиям равновесия в направлении осей Х и Y и требованию повышенного радиального давления на концах кольца (введя давление pm, соответственно pm1 и pm2), а через них определив коэффициенты n и l:Arnold based the distribution of radial pressure on the following pressure function, which satisfies the equilibrium conditions in the direction of the X and Y axes and the requirement of increased radial pressure at the ends of the ring (by introducing pressure p m , p m1 and p m2 , respectively), and through them determining the coefficients n and l:
Арнольд отмечает, что эта функция давления ни в коем случае не может представлять собой идеальное распределение давлений; однако она позволяет осуществить благоприятные условия уплотнения и износа кольца (Энглиш К. Поршневые кольца. М., 1962, стр.57-58).Arnold notes that this pressure function can by no means represent an ideal pressure distribution; however, it allows the implementation of favorable conditions for sealing and wear of the ring (English K. Piston rings. M., 1962, pp. 57-58).
Это уравнение, как приблизительное решение, вполне довольно для контроля за просветом между поршневым кольцом и цилиндром и удовлетворяет условию равновесия: ∑X=0, ∑Y=0, ∑M=0.This equation, as an approximate solution, is quite sufficient for controlling the clearance between the piston ring and the cylinder and satisfies the equilibrium condition: ∑X = 0, ∑Y = 0, ∑M = 0.
Для частного случая, когда n=0, l=1 и рm=1 кг/см2, а степень неравномерностиFor a special case when n = 0, l = 1 and p m = 1 kg / cm 2 , and the degree of unevenness
среднее радиальное давление вычисляется решением интеграла:mean radial pressure is calculated by solving the integral:
На фиг.6 показаны радиальные давления в прямоугольной системе координат, на которых видно, что
а на фиг.1 и фиг.2 показаны радиальные давления в полярной системе координат, при этом коэффициенты n и t заданы выражениями:and figure 1 and figure 2 shows the radial pressure in the polar coordinate system, while the coefficients n and t are given by the expressions:
Для этого частного случая приводятся характерные величины средних давлений, которые видны на фиг.6, а расчет это подтверждает:For this particular case, characteristic values of average pressures are given, which are visible in FIG. 6, and the calculation confirms this:
на 180° (раствор) pmax=4,940 кг/см2,180 ° (solution) p max = 4.940 kg / cm 2 ,
на 96° pmin=1,709 кг/см2,at 96 ° p min = 1.709 kg / cm 2 ,
на 0° Р=4 кг/см2.at 0 ° P = 4 kg / cm 2 .
Для всех практических случаев Арнольд определяет δр=0-0,9 как константу.For all practical cases, Arnold defines δ p = 0-0.9 as a constant.
Известен также патент США №4957212, 18.09.1990 года, в котором поршневое некруглое кольцо для цилиндра двигателя, имеющего поверхность, которая контактирует с кольцом, цилиндр, имеющийся в двигателе, находящемся в холодном состоянии прежде, чем быть приведенным в действие, указанное кольцо, имеющее множество первичных круговых областей разнесенных вокруг указанного кольца, причем каждая из окружностей имеет радиус заданной кривизны, изменяющийся от первой области до следующей, и множество вторичных круговых областей, при этом каждая последующая расположена между двумя последующими и каждая сформирована таким образом, чтобы иметь возможность перемещения между радиусами кривизны двух последующих первичных областей, где указанные вторичные области формируются для создания радиального контактного давления в цилиндре, которое меньше чем в первичных областях, когда указанное кольцо установлено в цилиндре, и двигатель находится в его холодном состоянии.Also known is US patent No. 4957212, 09/18/1990, in which a piston non-circular ring for a cylinder of an engine having a surface that is in contact with the ring, a cylinder in the engine in a cold state before this ring is actuated, having a plurality of primary circular regions spaced around the ring, each circle having a radius of a given curvature varying from the first region to the next, and a plurality of secondary circular regions, with each subsequent I am located between the two subsequent ones and each is formed in such a way as to be able to move between the radii of curvature of the two subsequent primary regions, where these secondary regions are formed to create a radial contact pressure in the cylinder, which is less than in the primary regions when the specified ring is installed in the cylinder, and the engine is in its cold state.
Этот патент взят в качестве прототипа. К недостаткам прототипа относится то, что в нем рассматривается проблема измерения овальности поршневых колец с помощью тангенциальных сил, прилагаемых к стальной ленте. Этим способом рассчитывается перемещение точки по осям Х и У поршневого кольца в невстроенном состоянии, чем констатируется положительная или отрицательная овальность и ее роль во встроенном состоянии холодного и горячего (рабочее состояние) моторов.This patent is taken as a prototype. The disadvantages of the prototype include the fact that it addresses the problem of measuring the ovality of the piston rings using the tangential forces applied to the steel tape. In this way, the displacement of the point along the X and Y axes of the piston ring in the non-built state is calculated, which establishes a positive or negative ovality and its role in the built-in state of cold and hot (working state) motors.
Двигатель с такими поршневыми кольцами обладает рядом недостатков, ограничивающих их эффективность. Главный из них - это сильная вибрация поршневых колец при высоких оборотах двигателя. Вследствие чего появляется проникновение масла в газовую камеру, что вызывает ее загрязнение и ведет к образованию окалины, загрязнению атмосферы. Проникновение газов из камеры сгорания в масло приводит к ухудшению его смазочных свойств, к повышенному расходу горючего, снижению КПД двигателя, снижает его ресурс, а также вызывает шумы, превышающие нормы, установленные в развитых странах.An engine with such piston rings has a number of disadvantages that limit their effectiveness. The main one is the strong vibration of the piston rings at high engine speeds. As a result, oil penetrates into the gas chamber, which causes its pollution and leads to the formation of scale, pollution of the atmosphere. The penetration of gases from the combustion chamber into oil leads to a deterioration in its lubricating properties, to increased fuel consumption, lower engine efficiency, reduces its resource, and also causes noise that exceeds the norms established in developed countries.
Сущностью заявленного изобретения является изготовление некруглого поршневого кольца с расширенным диапазоном распределения радиальных парциальных давлений с непостоянной степенью неравномерности, полученным математическим способом, вследствие чего поршневое кольцо некруглой формы отличается тем, что имеет величину раствора в свободном состоянии в диапазоне от 11% до 18%, от величины диаметра цилиндра, в котором это поршневое кольцо устанавливается в сжатом состоянии и при этом степень неравномерности распределения радиальных парциальных давлений δр находится в пределах от -5,175333187 до +2,339517464, в зависимости от материала поршневого кольца и поршневое кольцо имеет степень неравномерности распределения радиальных парциальных давлений δр в районе раствора (на 180°) в диапазоне от -1,3 до -1,9, а в точке, находящейся напротив раствора (на 0°), нижний предел степени неравномерности распределения радиальных парциальных давлений находится в пределах от -0,225 до -0,825, верхний предел степени неравномерности распределения радиальных парциальных давлений находится в пределах от 0 до -0,6.The essence of the claimed invention is the manufacture of a non-circular piston ring with an extended range of distribution of radial partial pressures with an uneven degree of unevenness obtained mathematically, as a result of which the non-circular piston ring differs in that it has a solution in a free state in the range from 11% to 18%, from the diameter of the cylinder in which this piston ring is installed in a compressed state and the degree of uneven distribution of radial parts total pressure δ p is in the range from -5.175333187 to +2.339517464, depending on the material of the piston ring and the piston ring has a degree of uneven distribution of radial partial pressures δ p in the region of the solution (180 °) in the range from -1, 3 to -1.9, and at the point opposite the solution (by 0 °), the lower limit of the degree of unevenness of the distribution of radial partial pressures is in the range from -0.225 to -0.825, the upper limit of the degree of unevenness of the distribution of radial partial pressures is in the range from 0 to -0.6.
Вариантом поршневого кольца является поршневое кольцо некруглой формы, которое отличается тем, что имеет величину раствора в свободном состоянии в диапазоне от 11% до 18%, от величины диаметра цилиндра, в котором это поршневое кольцо устанавливается в сжатом состоянии и при этом его степень неравномерности распределения радиальных парциальных давлений δр находится в пределах от -5,175333187 до +2,339517464, в зависимости от материала поршневого кольца и поршневое кольцо имеет степень неравномерности распределения радиальных парциальных давлений δр в районе раствора (на 180°) в диапазоне от 1,3 до 1,9, а в точке, находящейся напротив раствора (на 0°), нижний предел степени неравномерности распределения радиальных парциальных давлений находится в пределах от 0 до 0,6, верхний предел степени неравномерности распределения радиальных парциальных давлений находится в пределах от 0,225 до 0,825.A variant of the piston ring is a non-circular piston ring, which differs in that it has a solution in a free state in the range from 11% to 18%, from the diameter of the cylinder in which this piston ring is installed in a compressed state and at the same time its distribution unevenness of radial partial pressures δ p ranges from -5.175333187 to +2.339517464, depending on the material of the piston ring and the piston ring has a degree of uneven distribution of radial partial pressures δ p in the region of the solution (by 180 °) in the range from 1.3 to 1.9, and at the point opposite the solution (by 0 °), the lower limit of the degree of uneven distribution of radial partial pressures is in the range from 0 to 0.6 , the upper limit of the degree of uneven distribution of radial partial pressures is in the range from 0.225 to 0.825.
Предлагаемая разработка решает проблемы распределения парциальных радиальных давлений благодаря замене яйцевидной формы поршневого кольца на грушевидную форму в четырехтактном двигателе, и сердцевидной формы поршневого кольца на яблоковидную форму в двухтактном двигателе, сохранив при этом круглую форму в цилиндре, что приводит к достижению технического результата: значительному снижению вибрации поршневых колец, сохранению чистоты масла, устранению проникновения масла в камеру сгорания, снижению степени загрязнения атмосферы, снижению шумов, к уменьшению износа трущихся деталей, снижению специфицеского расхода топлива и, в конечном счете, к увеличению срока эксплуатации двигателя.The proposed development solves the problem of the distribution of partial radial pressures by replacing the egg-shaped piston ring with a pear-shaped in a four-stroke engine and the heart-shaped piston ring with an apple-shaped in a two-stroke engine, while maintaining a round shape in the cylinder, which leads to a technical result: a significant reduction vibration of the piston rings, preserving the purity of the oil, eliminating the penetration of oil into the combustion chamber, reducing the degree of pollution of the atmosphere, sn reducing noise, reducing wear of rubbing parts, reducing specific fuel consumption and, ultimately, increasing the life of the engine.
Расчеты формы поршневых колец позволяют значительно сократить время процесса изготовления колец любой заданной формы (диаметр, окно в свободном состоянии, степень неравномерности).Calculations of the shape of the piston rings can significantly reduce the time of the manufacturing process of rings of any given shape (diameter, window in a free state, degree of unevenness).
Новизна состоит в том, что впервые представлена возможность изготовления поршневого кольца некруглой формы с соответствующими характеристиками (диаметр, окно в свободном состоянии, степень неравномерности, тангенциальная сила) с абсолютным учетом коэффициента модуля эластичности материала, причем как с отрицательной, так и положительной степенями неравномерности распределения радиальных парциальных давлений.The novelty is that for the first time the possibility of manufacturing a non-circular piston ring with the corresponding characteristics (diameter, window in the free state, degree of unevenness, tangential force) with absolute allowance for the coefficient of elasticity of the material, both with negative and positive degrees of uneven distribution, is presented radial partial pressures.
Предложенная форма поршневого кольца дает повышение плотности прилегания к цилиндру, а также удовлетворяет условиям статически определенного носителя ∑x=0, ∑у=0 и ∑м=0. При этом можно получить любую величину овальности с помощью непостоянной степени неравномерности δр.The proposed shape of the piston ring gives an increase in the abutment density to the cylinder, and also satisfies the conditions of a statically defined support ∑x = 0, ∑у = 0 and ∑м = 0. In this case, you can get any value of ovality using a variable degree of unevenness δ p .
Расчет допускает два варианта:The calculation allows two options:
1. изготовление поршневого кольца с твердой формы (традиционный метод),1. the manufacture of a piston ring with a solid form (traditional method),
2. изготовление формы на основе расчетов, минуя твердую форму, на станках с ЧПУ.2. the manufacture of molds based on calculations, bypassing the solid mold, on CNC machines.
Расчет позволяет точно и быстро рассчитывать шаблоны для изготовления любых видов поршневых колец. Выведена математическая зависимость степени неравномерности от остальных коэффициентов. Найден предел +/- степени неравномерности для используемых материалов (серой чугун, стальное литье и др.), в области которого можно вывести кривую эластичности материалов.Calculation allows you to accurately and quickly calculate patterns for the manufacture of any kind of piston rings. The mathematical dependence of the degree of unevenness on the remaining coefficients is derived. A limit of +/- the degree of unevenness for the materials used (gray cast iron, steel casting, etc.) was found, in the region of which a material elasticity curve can be derived.
При расчете формы шаблона указывается, какая должна быть проведена коррекция степени неравномерности δр, чтобы давление в критических точках вернулось в пределы коэффициентов эластичности материала со "свободным" выбором степени неравномерности δр.When calculating the shape of the template, it is indicated which correction of the degree of non-uniformity δ p should be carried out so that the pressure at critical points returns to within the elastic coefficients of the material with a “free” choice of the degree of non-uniformity δ p .
Решена задача - получены нужные формы поршневого кольца при расширенных значениях степени неравномерности до границ, которые позволяют свойства используемого материала, а именно модуль эластичности. Каждая точка находится в границах коэффициента эластичности, определяемых законом Гука.The problem is solved - the necessary forms of the piston ring are obtained with extended values of the degree of unevenness to the boundaries that allow the properties of the material used, namely the elastic modulus. Each point is within the elastic coefficient determined by Hooke's law.
На чертежах изображено:The drawings show:
На фиг.1 представлены давления в полярной системе координат для степени неравномерности δр=0,9, постоянной по всему объему, гдеFigure 1 presents the pressure in the polar coordinate system for the degree of non-uniformity δ p = 0.9, constant throughout the volume, where
1 - поршневое кольцо,1 - a piston ring,
2 - распределение радиальных парциальных давлений яйцевидной формы - Pφ,2 - distribution of radial partial pressures of the ovoid form - Pφ,
3 - распределение радиальных парциальных давлений круглой формы.3 - distribution of radial partial pressures of a circular shape.
На фиг.2 представлены давления сердцевидной формы в полярной системе координат для степени неравномерности δр=0,9 постоянной по всему объему, гдеFigure 2 presents the pressure of the heart-shaped in the polar coordinate system for the degree of unevenness δ p = 0.9 constant throughout the volume, where
4 - поршневое кольцо,4 - a piston ring,
5 - распределение радиальных парциальных давлений яйцевидной формы Рφ,5 - distribution of radial partial pressures of the egg-shaped form Pφ,
6 - распределение радиальных парциальных давлений круглой формы.6 - distribution of radial partial pressures of a circular shape.
На фиг.3 представлены давления в полярной системе координат для степени неравномерности δр=1,9 для точки на 180°, гдеFigure 3 presents the pressure in the polar coordinate system for the degree of non-uniformity δ p = 1.9 for a point at 180 °, where
7 - распределение радиальных парциальных давлений грушевидной формы Рφ,7 - distribution of radial partial pressures of the pear-shaped form Pφ,
8 - распределение радиальных парциальных давлений круговидной формы Pφ,8 - distribution of radial partial pressures of circular shape Pφ,
9 - распределение радиальных парциальных давлений яблоковидной формы Рφ.9 - distribution of radial partial pressures of the apple-shaped form Pφ.
На фиг.4 представлен основной расчет шаблона, гдеFigure 4 presents the main calculation of the template, where
10 - основной радиус,10 - the main radius,
11 - шаблон.11 is a template.
На фиг.5 представлен расчет диаметра D2 по оси Х (закрытый замок поршневого кольца в свободном состоянии), гдеFigure 5 presents the calculation of the diameter D2 along the X axis (closed lock of the piston ring in the free state), where
12 - основной радиус,12 is the main radius
13 - шаблон.13 is a template.
На фиг.6 представлены значения радиальных парциальных давлений, используемых при расчете величин n и l (по Арнольду и Флоринну), гдеFigure 6 presents the values of the radial partial pressures used in the calculation of the quantities n and l (according to Arnold and Florinn), where
Pφ - радиальное парциальное давление,P φ - radial partial pressure,
Рmin - минимальное радиальное парциальное давление,P min - the minimum radial partial pressure,
Рmax - максимальное радиальное парциальное давление,P max - maximum radial partial pressure,
Рm1 - среднее радиальное давление,P m1 - average radial pressure,
Рm2 - постоянная полоска давлений,P m2 is a constant pressure strip,
на оси Х представлены значения φrrad (угол, взятый в радианах).on the X axis are the values of φ r rad (angle taken in radians).
На фиг.7 показана функция степени неравномерности δр в пределах 0-0,9, используемая для расчета шаблона с постоянным δр, гдеFigure 7 shows the function of the degree of non-uniformity δ p in the range 0-0.9, used to calculate the template with a constant δ p , where
Рm - радиальное давление,P m - radial pressure
Рm1 - среднее радиальное давление,P m1 - average radial pressure,
Рm2 - постоянная полоска давлений.P m2 is a constant pressure strip.
На фиг.8 представлена диаграмма значений давлений функции степени неравномерности для δр в пределах от - 5 до 2, гдеOn Fig presents a diagram of the pressure values of the function of the degree of unevenness for δ p in the range from - 5 to 2, where
Рm - радиальное давление,P m - radial pressure
Рm1 - среднее радиальное давление,P m1 - average radial pressure,
Рm2 - постоянная полоска давлений.P m2 is a constant pressure strip.
На фиг.9 представлена диаграмма значений давлений функции степени неравномерности δр в пределах от - 300 до 60, используемая для расчета шаблона с непостоянным δр, гдеFigure 9 presents a diagram of the pressure values of the function of the degree of unevenness δ p ranging from - 300 to 60, used to calculate the template with a variable δ p , where
Рm - радиальное давление,P m - radial pressure
Рm1 - среднее радиальное давление,P m1 - average radial pressure,
Рm2 - постоянная полоска давлений.P m2 is a constant pressure strip.
На фиг.10 представлена диаграмма значений n и l коэффициенты для расчета парциальных давлений, графическое изображение коэффициентов n и l, для расчета парциальных давлений для δр в пределах от - 5 до 2, используемая для расчета шаблона с непостоянной δр.Figure 10 presents a diagram of the values of n and l coefficients for calculating the partial pressures, a graphical representation of the coefficients n and l, for calculating the partial pressures for δ p ranging from - 5 to 2, used to calculate the template with a variable δ p .
На фиг.11 представлена диаграмма распределения радиальных парциальных давлений для δр=-1,9 в точке 180°, гдеFigure 11 presents a diagram of the distribution of radial partial pressures for δ p = -1.9 at 180 °, where
14 - распределение радиальных парциальных давлений яблоковидной формы,14 - distribution of radial partial pressures of the apple-shaped form,
15 - распределение радиальных парциальных давлений грушевидной формы,15 - distribution of radial partial pressures pear-shaped,
16 - распределение радиальных парциальных давлений круговидной формы.16 - distribution of radial partial pressures of a circular shape.
На фиг.12 - представлены распределения давления для δр=0,6, постоянной по всему объему в полярной системе координат, гдеOn Fig - presents the pressure distribution for δ p = 0.6, constant throughout the volume in the polar coordinate system, where
17 - распределение радиальных парциальных давлений круговидной формы Рφ,17 - distribution of radial partial pressures of circular shape P φ ,
18 - распределение радиальных парциальных давлений яйцевидной формы Pφ,18 - distribution of radial partial pressures of the ovoid form P φ ,
19 - поршневое кольцо.19 - a piston ring.
На фиг.13 приведены давления для δр=0,6 постоянной по объему полярной системе координат, гдеIn Fig.13 shows the pressure for δ p = 0.6 constant throughout the volume of the polar coordinate system, where
20 - распределение радиальных парциальных давлений круговидной формы Рφ,20 - distribution of radial partial pressures of circular shape P φ ,
21 - распределение радиальных парциальных давлений сердцевидой формы Pφ,21 - distribution of radial partial pressures of the heart-shaped form P φ ,
22 - поршневое кольцо.22 - a piston ring.
На фиг.14 представлена диаграмма значений коэффициента модуля эластичности k0 и величины раствора замка в процентах cу, где по оси Х отложены значения степени неравномерности δр, а по оси Y - величины коэффициента k0 в зависимости от величины раствора замка в процентах, где 23 - cу=0,11......41-су=0,18,On Fig presents a chart of values of the coefficient of elasticity modulus k 0 and the value of the castle solution in percent c y , where the values of the degree of unevenness δ p are plotted along the X axis, and the values of coefficient k 0 depending on the size of the castle solution in percent, are plotted along the Y axis where 23 - c y = 0.11 ... 41-s y = 0.18,
На фиг.15 - приведена диаграмма давлений Pφ на цилиндр в функции степени неравномерности δр, представленная в прямоугольной системе координат, где 42 - давление Рφ.On Fig - shows a diagram of the pressure P φ on the cylinder as a function of the degree of unevenness δ p presented in a rectangular coordinate system, where 42 is the pressure P φ .
На фиг.16 - диаграмма формы шаблонов яблоковидной и грушевидной формы δр=1,6i для точки 180° в полярной системе координат, гдеOn Fig is a diagram of the shape of the patterns of apple and pear-shaped δ p = 1,6 i for the
43 - шаблон яблоковидной формы,43 is an apple-shaped pattern,
44 - шаблон грушевидной формы.44 is a pear-shaped pattern.
На фиг.17 - диаграмма формы шаблонов яблоковидной и грушевидной формы, δр=1,6а для точки 180° в полярной системе координат, гдеOn Fig is a diagram of the shape of the patterns of apple-shaped and pear-shaped, δ p = 1,6A for a point of 180 ° in the polar coordinate system, where
45 - шаблон яблоковидной формы,45 is an apple-shaped pattern,
46 - шаблон грушевидной формы.46 is a pear-shaped pattern.
Для применения вышеприведенных расчетов необходимо определить степень неравномерности как функцию рm2:To apply the above calculations, it is necessary to determine the degree of unevenness as a function of p m2 :
При этом степень неравномерности можно выбрать в границах ±∞, что позволяет спроектировать линию между двумя точками, которая может иметь неограниченное число вариантов. Задача, поставленная здесь, должна удовлетворять нескольким условиям:Moreover, the degree of unevenness can be chosen within ± ∞, which allows you to design a line between two points, which can have an unlimited number of options. The task set here must satisfy several conditions:
1. достаточная плотность прилегания,1. sufficient fit,
2. соблюдение условия равновесия X: ∑X=0, ∑Y=0, ∑M=0,2. compliance with the equilibrium condition X: ∑X = 0, ∑Y = 0, ∑M = 0,
3. широкий диапазон между максимальной и минимальной величинами давления на одном поршневом кольце в сжатом состоянии в различных точках кривой.3. a wide range between the maximum and minimum values of pressure on one piston ring in a compressed state at various points of the curve.
Это приводит к максимальному снижению вибрации при соблюдении закона Гука для сопротивления материалов. Найденное решение позволяет установить: δр=-5,175333187 до +2.339517464.This leads to a maximum reduction in vibration, subject to Hooke's law for the resistance of materials. The solution found allows us to establish: δ p = -5.175333187 to +2.339517464.
Следующие диаграммы показывают изменение давления pm, pm1, pm2, то есть коэффициенты n и l в функции δр находятся в пределах от 0 до 0,9; от 5 до +2; от 300 до 60, которые представлены на фиг.7, фиг.8, фиг.9, при этом новый разброс степени неравномерности в границах δр≈7,5 не может быть выбран как константа. При применении упомянутого выше решения Арнольда (оно показано на фиг.1) возможно получить расчет со степенью неравномерности только от 0 до 0,9, включая и нулевую степень неравномерности.The following diagrams show the change in pressure p m , p m1 , p m2 , that is, the coefficients n and l in the function δ p are in the range from 0 to 0.9; from 5 to +2; from 300 to 60, which are presented in Fig.7, Fig.8, Fig.9, while the new spread of the degree of unevenness within the boundaries of δ p ≈ 7.5 cannot be selected as a constant. When applying the Arnold solution mentioned above (it is shown in FIG. 1), it is possible to obtain a calculation with the degree of unevenness only from 0 to 0.9, including the zero degree of unevenness.
Для постоянного δp, лежащего в пределах 0÷0,9, Арнольд дает уравнение для расчета координат Х и Y для любого градуса на окружности от 0° до 180° (этого диапазона достаточно, учитывая симметрию по оси Х), на основе которых он получил контур кривой поршневого кольца в свободном состоянии.For a constant δ p lying in the
В уравнении введено по 8 корректирующих коэффициентов для расчета координат Х и Y, данные в виде таблицы для каждого градуса. Также введены два коэффициента n и l, на основе которых получены значения двух новых коэффициентов:The equation introduced 8 correction factors for calculating the coordinates of X and Y, data in the form of a table for each degree. Two coefficients n and l are also introduced, based on which the values of two new coefficients are obtained:
И в конце в уравнение введен коэффициент модуля эластичности k0,And at the end, the coefficient of elasticity modulus k 0 is introduced into the equation,
Этот коэффициент точен для круглых поршневых колец, но не может быть применен для некруглых поршневых колец. Наряду с этим, k0, как результирующая, может использоваться для расчета кривой с функциями: Δr и Δt. В том случае, когда контур кривой рассчитывается в координатах ΔX и ΔY, нужно произвести расчет со значениями: kx и ky для любой, сколь угодно малой части кривой и рассматривать ее как круглое кольцо, а это значит, что и р0 как среднее давление трансформируется в рφ, чье значение также различно.This ratio is accurate for round piston rings, but cannot be applied to non-circular piston rings. Along with this, k 0 , as the resulting one, can be used to calculate a curve with functions: Δ r and Δ t . In the case when the curve contour is calculated in the coordinates Δ X and Δ Y , it is necessary to calculate with values: k x and k y for any arbitrarily small part of the curve and consider it as a round ring, which means that p 0 how the average pressure transforms into p φ , whose value is also different.
Проверка расчета кривой поршневого кольца в свободном состоянии, по приведенным данным в формуле (17), дает в результате замок в свободном состоянии ≅30% D, что технически невыполнимо.Checking the calculation of the curve of the piston ring in the free state, according to the data in formula (17), results in a lock in the free state of ≅30% D, which is technically impossible.
Предлагается более эффективное решение с использованием непостоянной степени неравномерности распределения парциальных радиальных давлений с учетом свободного выбора степени неравномерности.A more effective solution is proposed using a variable degree of uneven distribution of partial radial pressures, taking into account the free choice of the degree of unevenness.
Предлагаемое техническое решение позволяет рассчитать форму поршневого кольца с учетом характеристик поршневого кольца, с величиной раствора замка и любого правильно определенного распределения радиального давления. Таким образом было спроектировано несколько типов поршневых колец со следующими вариантами распределения удельного радиального давления, которое удовлетворяет всем требованиям к характеристикам материалов:The proposed technical solution allows you to calculate the shape of the piston ring taking into account the characteristics of the piston ring, with the size of the lock solution and any correctly defined distribution of radial pressure. Thus, several types of piston rings were designed with the following specific radial pressure distribution variants that satisfy all the requirements for material characteristics:
Между двумя этими пределами, как и полосами δр, возможно быстро и легко получить любую желаемую форму кривой распределения давлений для получения поршневых колец с заранее заданными характеристиками.Between these two limits, as well as the strips δ p , it is possible to quickly and easily obtain any desired shape of the pressure distribution curve to obtain piston rings with predetermined characteristics.
Согласно формуле 17 соотношение радиуса и радиальной толщины для стандартных поршневых колец является постоянным. Формула приобретает следующий вид:According to
Коэффициент k0 и радиальные парциальные давления рφ u расчет k0 для любой точки кривой видны на фиг.14 и фиг.15, модуль упругости материала получают лабораторным путем.The coefficient k 0 and the radial partial pressures p φ u calculation k 0 for any point on the curve are visible in Fig.14 and Fig.15, the modulus of elasticity of the material is obtained by laboratory means.
Например, возьмем данные по модулю эластичности для стального литья. На критической части кривой шаблона pφ≅0,8 кг/см2, откуда следует, что возможно применение материала с k0=0,0077, при этом k0<0.0045, что определяет шаблон, а k0 должен быть больше или равен k0 материала, из которого изготовлено поршневое кольцо.For example, take data on the modulus of elasticity for steel casting. On the critical part of the curve of the template, p φ ≅ 0.8 kg / cm 2 , which implies that it is possible to use material with k 0 = 0.0077, with k 0 <0.0045, which determines the template, and k 0 must be greater than or equal to k 0 the material from which the piston ring is made.
Следует коррекция исходного рассчитанного варианта таким образом, что степень неравномерности меняется и входит в границы между -5,175 - +2,339. Это делается для всех материалов с целью достичь максимально возможного проектируемого давления в точке 180° (для четырехтактных двигателей) или ≈129° (для двухтактных двигателей).A correction of the initial calculated variant follows in such a way that the degree of unevenness changes and falls within the boundaries between -5.175 - +2.339. This is done for all materials in order to achieve the maximum design pressure possible at 180 ° (for four-stroke engines) or ≈129 ° (for two-stroke engines).
Получена система проектирования шаблона, которая позволяет легко и быстро получить формы распределения удельного радиального давления на поршневом кольце, вставленном в цилиндр.A template design system has been obtained that allows you to quickly and easily obtain the distribution forms of specific radial pressure on a piston ring inserted in the cylinder.
Проверка периметра поршневого кольца, помещенного внутрь цилиндра до и после упомянутой коррекции, показала, что его форма осталась неизменной.Checking the perimeter of the piston ring, placed inside the cylinder before and after the correction, showed that its shape remained unchanged.
Таким образом, заявляемая форма поршневых колец позволяет кроме вышеуказанных преимуществ уменьшить расход горючего, масла и повысит КПД двигателя на 10% и выше.Thus, the inventive shape of the piston rings allows in addition to the above advantages to reduce fuel consumption, oil and increase engine efficiency by 10% or more.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004119014/06A RU2318127C2 (en) | 2004-06-24 | 2004-06-24 | Non-round piston ring with variable degree of irregularity of distribution of radial partial pressures (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004119014/06A RU2318127C2 (en) | 2004-06-24 | 2004-06-24 | Non-round piston ring with variable degree of irregularity of distribution of radial partial pressures (versions) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2004119014A RU2004119014A (en) | 2005-12-10 |
| RU2318127C2 true RU2318127C2 (en) | 2008-02-27 |
Family
ID=35868503
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2004119014/06A RU2318127C2 (en) | 2004-06-24 | 2004-06-24 | Non-round piston ring with variable degree of irregularity of distribution of radial partial pressures (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2318127C2 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB714364A (en) * | 1951-04-18 | 1954-08-25 | Goetzewerke | Improvements relating to piston rings and methods of making the same |
| US4198065A (en) * | 1978-03-31 | 1980-04-15 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Piston ring for internal combustion engine |
| US4306730A (en) * | 1979-06-20 | 1981-12-22 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Piston ring for internal combustion engine |
-
2004
- 2004-06-24 RU RU2004119014/06A patent/RU2318127C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB714364A (en) * | 1951-04-18 | 1954-08-25 | Goetzewerke | Improvements relating to piston rings and methods of making the same |
| US4198065A (en) * | 1978-03-31 | 1980-04-15 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Piston ring for internal combustion engine |
| US4306730A (en) * | 1979-06-20 | 1981-12-22 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Piston ring for internal combustion engine |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ЭНГЛИШ К. Поршневые кольца. Теория, изготовление, конструкция и расчет, т.1. : М. : Машгиз, с.47-73. АФИНЕЕВСКИЙ С.А. и др. Особенности конструкций поршневых колец современных автомобильных двигателей. Обзорная информация. М. : НИИНавтопром, 1984, с.3-9. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2004119014A (en) | 2005-12-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| WO2019008780A1 (en) | Combined oil ring | |
| JP5329362B2 (en) | piston | |
| EP3176474A1 (en) | Combination oil ring | |
| Ma et al. | A three-dimensional analysis of piston ring lubrication Part 1: Modelling | |
| KR102094349B1 (en) | COMPRESSION PISTON RING WITH PROFILED SECTION | |
| US3926166A (en) | Ring manufacture, productive of line contact seal | |
| JP6422526B2 (en) | Piston and piston ring for internal combustion engine | |
| RU2318127C2 (en) | Non-round piston ring with variable degree of irregularity of distribution of radial partial pressures (versions) | |
| WO2003019050A1 (en) | Two piece oil control ring with nitrided surface layers | |
| JP4710263B2 (en) | Sliding device | |
| JP7662568B2 (en) | Sliding structure of an internal combustion engine | |
| JP6695663B2 (en) | Piston rings for internal combustion engines | |
| JP7593932B2 (en) | Sliding structure of an internal combustion engine | |
| WO2020251058A1 (en) | Piston ring | |
| JP2009257370A (en) | Sliding bearing for internal combustion engine | |
| Mishra et al. | Modeling for design optimization of piston crown geometry through structural strength and lubrication performance correlation analysis | |
| CN120548410A (en) | Piston ring and piston ring assembly | |
| JP2003328852A (en) | Internal combustion engine piston ring | |
| JP6603284B2 (en) | side rail | |
| CN107002872A (en) | Oil ring | |
| JP2019078267A (en) | Cylinder for internal combustion engine and manufacturing method | |
| Tomanik et al. | Piston ring pack and cylinder wear modelling | |
| Deng et al. | Effects of micropit depths on tribology performance of textured port plate pair | |
| JP6467222B2 (en) | Combination oil ring | |
| JP6675157B2 (en) | Oil control ring |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100625 |