| JPH09287660 | PISTON FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE |
| JPH1144251 | PISTON OF TWO CYCLE ENGINE |
| WO1998025017A1 | 1998-06-11 |
| RU2119108C1 | 1998-09-20 | |||
| GB1399997A | 1975-07-02 |
| ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Деталь имеет, по меньшей мере одну износостойкую поверхность, являющейся рабочей поверхностью контакта, по меньшей мере одну поверхность, которая примыкает к вышеуказанной износо- стойкой поверхности, по меньшей мере один износостойкий слой, отличающаяся тем, что вышеуказанный износостойкий слой расположен на вышеуказанной поверхности, которая примы- кает к вышеуказанной износостойкой поверхности, при этом, по меньшей мере один из краев вышеуказанного износостойкого слоя выходит на вышеуказанную износостойкую поверхность. 2. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена в виде стального компрессионного поршневого кольца двигателя внутреннего сгорания, вышеуказанная износостойкая поверхность представляет собой внешнюю (например, цилиндрическую по форме) поверхность поршневого кольца, которая выполнена с возможностью контакта с внутренней цилиндрической поверхно- стью цилиндра двигателя, вышеуказанная поверхность, на которой расположен износостойкий слой, выполнена плоской и является боковой поверхностью поршневого кольца, выполненная с воз- можностью контакта с боковой гранью проточки поршня. 3. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что вышеуказанные износостойкая поверхность и поверхность, на которой расположен износостойкий слой, выполнены плоскими. 4. Деталь по любому из п.п.1-3, отличающаяся тем, что в ка- честве вышеуказанного износостойкого слоя использован или азо- тированный слой или хромированный слой. 5. Деталь по любому из п. п.1-3, отличающаяся тем, что име- ет, по меньшей мере еще одну поверхность, которая примыкает к вышеуказанной износостойкой поверхности, на этой поверхности расположен свой износостойкий слой, при этом, по меньшей мере один из краев вышеуказанного износостойкого слоя выходит на вышеуказанную износостойкую поверхность. 6. Деталь по п.5, отличающаяся тем, что в качестве вышеука- занных износостойких слоев использованы или азотированные слои или хромированные слои. 7. Сборочная единица, имеет, по меньшей мере, одну износостойкую поверхность, являющейся рабочей поверхностью контакта, отличающаяся тем, что содержит, по меньшей мере, две детали по п.1, вышеуказанные детали соединены между собой по- средством, или пайки или склейки или сварки или их заливки или металлом или пластмассой таким образом, что края износостой- ких слоев вышеуказанных деталей выходят на вышеуказанную из- носостойкую поверхность сборочной единицы. 8. Сборочная единица по п.7, отличающаяся тем, что выше- указанная износостойкая поверхность сборочной единицы обра- зована вышеуказанными износостойкими поверхностями выше- указанных деталей. |
СБОРОЧНАЯ ЕДИНИЦА И ДЕТАЛЬ С ИЗНОСОСТОЙКОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
Область техники
Изобретение имеет отношение к деталям, имеющим износостойкие поверхности, и касается в частности поршневых колец и гильз цилинд- ров двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Предшествующий уровень техники
Одним из важнейших направлений совершенствования ДВС является увеличения их срока службы (ресурса).
Затраты на ДВС (в процентах от общих затрат) составляют: на изго- товление - 10%; на техобслуживание - 25%; на эксплуатационные ре- монты - 45%; на капитальные ремонты - 20% (Венцель СВ. Смазка и долговечность двигателей внутреннего сгорания. Киев.: Техника. 1977, С.95, [1]).
Стоимость капитального ремонта составляет 70-^80% от стоимости но- вого ДВС (Григорьев М.А., Делецкий В. А. Отечественный и зарубеж- ный опыт повышения надежности и долговечности автомооильных дви- гателей. М.: НИИНАвтопром. 1973, с. П , [2]).
У современных автотракторных дизелей ресурс гильзы цилиндра в 2- З раза выше ресурса поршневых колец (Трение и теплопередача в порш- невых кольцах двигателей внутреннего сгорания. П/р. Петриченкова P.M. Л.: ЛГУ, 1990, с.7, [3])
Следовательно, увеличение ресурса поршневых колец до ресурса гильз цилиндров может дать большую экономию в затратах на ДВС.
Для увеличения ресурса поршневых колец и гильз цилиндров в на- стоящее время используют разные способы: химико-термическая обра- ботка поверхности (азотирование; и другое); нанесение на поверхность износостойких покрытий (хромирование; и другое).
Азотированная поверхность имеет высокие: износостойкость; коррози- онную стойкость; и теплостойкость (Технология двигателестроения. М.: МАМИ, 2001, с.409^-410, [4]). Широкому распространению азотирования препятствует большая длительность процесса (до 70-^90 часов) ([4], С.41 К412).
Азотирование стальных и чугунных гильз цилиндров ДВС уменьшает их износ в 8-^20 раз, а долговечность азотированных коленчатых валов превосходит амортизационный срок службы ДВС (Гаркунов Д.Н. Три- ботехника. М.: МСХА, 2002, с.334, [5]).
Для штампов применяют азотирование перед закалкой. Температура закалки 1000-^1050°С (Лахтин Ю.М. Азотирование стали. М.: Машино- строение, 1976, с.43-44, [6])
При кратковременных нагревах (до 20 минут) до температур 800°С твердость азотированного слоя все еще велика (Юргенсон А.А. Азоти- рование в энергомашиностроении. М.: Машгиз. 1962, с.38, [7]). Азоти- рованный слой очень хорошо шлифуется ([7], с.108).
Гильзы цилиндров ДВС азотируют на глубину 0,5-Ю,9 мм (Юргенсон А.А. Металлы быстроходных дизелей и их термообработка. Справочное пособие. М.: Машиностроение. 1964, с.54, [8] ). Следовательно, азотирование рабочих поверхностей деталей ДВС (в частности, гильз цилиндров) является одним из эффективных способов увеличения их срока службы (ресурса). Недостатком азотирования (по- мимо длительности процесса азотирования) является ограниченная тол- щина азотированного слоя, которая не позволяет иметь ресурс гильз ци- линдров ДВС равный ресурсу азотированных коленчатых валов ДВС.
Другим способом повышения срока службы (ресурса) поршневых ко- лец и гильз цилиндров ДВС является нанесение на их рабочие поверхно- сти износостойких покрытий, в частности, хромирование.
Хромовое покрытие имеет высокие: износостойкость; коррозионную стойкостью; и теплостойкостью ( рагельский И.В. и др. Трение, изна- шивание и смазка. Книга 2. М.: Машиностроение, 1979, с.181, [9]).
Компрессионные поршневые кольца ДВС из стали Х12М после закал- ки и отпуска проходят окончательную механическую обработку и по- ристое хромирование ([8], с.160).
Износостойкость хромированных поршневых колец в 2- З раза выше, чем нехромированных (Молдованов В. П. и др. Производство поршне- вых колец. М.: Машиностроение, 1980, с.36, [10]).
Высота компрессионных колец у современных карбюраторных ДВС лежит в пределах 1,5-^2,0 мм (Афинеевский С. А. и др. Особенности кон- струкций поршневых колец современных автомобильных двигателей. М.: НИИНавтопром, 1984, с. 1 11, таблица 2, [1 1]).
Недостатком хромирования поршневых колец является то, что обыч- ная технология позволяет наносить слой хрома толщиной не более 0,5 мм ([3], с.26).
Это ограничивает срок службы (ресурс) поршневых колец ДВС (ре- сурс поршневых колец ДВС меньше ресурса гильз цилиндров и ресурса коленчатых валов). Многие детали современных ДВС (блоки цилиндров, головки цилинд- ров, и другое) изготавливаются методом литья из алюминиевых сплавов.
Температура литья у литейного алюминиевого сплава АЛ25 равна 68(Н730°С ([4], с.216, таблица 6.2).
Прочность литейных алюминиевых сплавов можно повысить термиче- ской обработкой (закалкой) (Конструкционные материалы. Справочник. П/р. Арзамасова Б.Н. М.: Машиностроение, 1990, с.257, [12]). Закалку литейных алюминиевых сплавов АЛ4 и АЛ9 проводят при температуре 535°С ([12], с.268, таблица 19).
В технике довольно широко используется диффузионная сварка.
Температура диффузионной сварки для однородных металлов состав- ляет 0,5-Ю,7 от температуры плавления металла, а при сварке разнород- ных металлов - 0,5-Ю,7 от температуры плавления металла с более низ- кой температурой плавления (Сварка в машиностроении. Том 1. М.: Машиностроение, 1978, с.401, [13]). Диффузионная сварка может проис- ходить или с расплавляющейся прослойкой (в качестве которой может выступать фольга из припоя) или без расплавляющейся прослойки ([13], С.410).
В различных областях технике широко используется пайка.
Алюминиевые припои имеют температуру плавления 490-^530°С, а температуру пайки - 505^-580°С (Лашко СВ., Лашко Н.Ф. Пайка метал- лов. М.: Машиностроение, 1988, с.102, [ 14]).
Во всех известных технических решениях, вне зависимости от исполь- зуемого у них износостойкого слоя (азотирование или хромирование по- верхности; и другое), этот износостойкий слой расположен непосредст- венно на рабочей поверхности (износостойкой поверхности) детали (у гильзы цилиндра ДВС - это ее внутренняя поверхность, контактирую- щая в процессе работы ДВС с внешней поверхностью поршневого коль- ца, а у поршневого кольца - это его внешняя поверхность, контакти- рующая в процессе работы ДВС с внутренней поверхностью гильзы ци- линдра).
Однако, из-за ограниченности (по технологическим причинам) толщи- ны износостойкого слоя (неважно какого, азотированного или хромиро- ванного) несколькими десятыми долями миллиметра, срок службы (ре- сурс) таких износостойких слоев в несколько раз меньше ресурса колен- чатого вала ДВС.
Наиболее близкими к заявляемому изобретению являются азотирован- ные стальные гильзы цилиндров ДВС, например, известные из [5].
Недостаток прототипа: небольшая глубина (толщина) азотированного слоя, что ограничивает срок службы (ресурс) гильзы цилиндра.
Раскрытие изобретения
Задачей заявляемого изобретения является устранение недостатка про- тотипа.
Очевидно, если такая задача может быть решена, то это "неочевидное" решение для специалиста, сведущего в соответствующей области техни- ки, поскольку у прототипа она не решена.
Заявляемое изобретение, в одном из возможных вариантов его испол- нения, например, в варианте компрессионного поршневого кольца ДВС, имеет следующие общие с прототипом существенные признаки: деталь имеет, по меньшей мере одну износостойкую поверхность, являющейся рабочей поверхностью контакта, по меньшей мере одну поверхность, которая примыкает к вышеуказанной износостойкой поверхности, по меньшей мере один износостойкий слой. Отличительными от прототипа существенными признаками являются: вышеуказанный износостойкий слой расположен на вышеуказанной по- верхности, которая примыкает к вышеуказанной износостойкой поверх- ности, при этом, по меньшей мере один из краев вышеуказанного изно- состойкого слоя выходит на вышеуказанную износостойкую поверх- ность.
Такое взаимное расположение в заявляемом изобретении износостой- кой поверхности и износостойкого слоя позволяет заявляемому изобре- тению иметь следующее.
Например, пусть заявляемое изобретение представляет собой компрес- сионное поршневое кольцо ДВС, а его износостойкой поверхностью яв- ляется его внешняя цилиндрическая поверхность (рабочая поверхность - поверхность контакта компрессионного поршневого кольца с внутрен- ней поверхностью гильзы цилиндра). Вышеуказанный износостойкий слой (например, получаемый путем азотирования поверхности) распо- ложен на боковой поверхности компрессионного поршневого кольца, которая примыкает к вышеуказанной износостойкой поверхности, и ко- торая контактирует с боковой гранью проточки поршня ДВС (в которую устанавливается компрессионное поршневое кольцо). При этом, один из краев вышеуказанного азотированного износостойкого слоя выступает на вышеуказанную износостойкую поверхность (по сути, этот край (в виде поверхности, так как износостойкий слой имеет вполне конкрет- ную, не равную нулю, толщину (глубину)) представляет собой единое целое с вышеуказанной износостойкой поверхностью).
Такое расположение вышеуказанного износостойкого слоя (при задан- ной его толщине) по отношению к вышеуказанной износостойкой по- верхности приводит к тому, что в заявляемом изобретении износ изно- состойкого слой идет не по его толщине (как у прототипа), а по его дли- не (в направлении радиальной ширины компрессионного поршневого кольца - в направлении, перпендикулярном поверхности контакта порш- невого кольца с внутренней поверхностью гильзы цилиндра), которая может быть любой требуемой величины.
Это позволяет увеличить срок службы (ресурс) компрессионного поршневого кольца ДВС в несколько раз (до любой приемлемой вели- чины), по сравнению с прототипом, а, следовательно, резко снизить за- траты на эксплуатацию ДВС.
В заявляемом изобретении износостойкая поверхность может иметь любую приемлемую форму (плоскую, цилиндрическую, любую иную приемлемую форму). В заявляемом изобретении износостойкий слой также может располагаться на поверхности, которая может иметь лю- бую приемлемую форму (плоскую, цилиндрическую, любую иную при- емлемую форму). Однако, обязательным является условие, чтобы изно- состойкий слой был расположен на поверхности, которая примыкает к износостойкой поверхности (тоесть, износостойкая поверхность и изно- состойкий слой не должны совпадать между собой), и чтобы хотя бы один край износостойкого слоя выходил на износостойкую поверхность. Только в этом случае можно обеспечить требуемый срок службы (ре- сурс) износостойкой поверхности заявляемой детали.
Краткое описание фигур чертежей
На ФИГ.1 -КЗ показано заявляемое изобретение в варианте разрезно- го компрессионного поршневого кольца ДВС .
На ФИГ.1- З показан один из возможных вариантов исполнения за- являемого изобретения, когда компрессионное поршневое кольцо состоит из одной детали. На ФИГ.1-^-3 обозначено (обозначения идентичны для всех фигур): 1 - стальное разрезное (с замком) ком- прессионное поршневое кольцо; D - внешний диаметр кольца 1 ; d - внутренний диаметр кольца 1 ; е - радиальная ширина кольца 1 ; з - высота кольца 1 ; и и к - азотированные износостойкие слои ; л— не азотированный слой; Б ] - поверхность контакта (ра- бочая поверхность) компрессионного поршневого кольца 1 с внутренней поверхностью гильзы цилиндра (поверхность B i - это износостойкая поверхность); В | и Т \ - боковые поверхности компрессионного поршневого кольца; Ж] - внутренняя поверх- ность компрессионного поршневого кольца 1 . Граница между вышеуказанными азотированными слоями на фигурах показана штрихпунктирными линиями.
На ФИГ.1 показан вид сверху (в плане) компрессионного поршне- вого кольца 1. Показано место сечения A Ai .
На ФИГ.2 показано сечение АрА] варианта исполнения заявляемого изобретения, когда на поверхность Б ] кольца 1 выходятся два азо- тированных износостойких слоя и и к, и один не азотированный слой л.
На ФИГ.З показано сечение Ai-Aj варианта исполнения заявляемого изобретения, когда кольцо 1 имеет азотированные износостойкие слои и, к, м и н на всех четырех поверхностях Б], В Γι и Ж \ . Име- ется не азотированная область п. Граница между вышеуказанными азотированными слоями на фигуре показана штрихпунктирными л иниями.
На ФИГ.4-^5 показан вариант исполнения заявляемого изобретения, когда компрессионное поршневое кольцо состоит из трех деталей, соединенных между собой посредством диффузионной сварки. По су- ти, в данном варианте своего исполнения компрессионное поршне- вое кольцо представляет собой сборочную единицу, состоящую (до момента сборки) из трех отдельных деталей. На ФИГ.4-^5 обозначе- но: 2 и 3 - стальные разрезные кольца с азотированными износо- стойкими слоями (каждое кольцо 2 и 3 подобно показанному на ФИГ.2 кольцу); 4 - медное кольцо; Б 2 - поверхность контакта (ра- бочая поверхность) компрессионного поршневого кольца с внутренней стенкой гильзы цилиндра (поверхность Б 2 - это из- носостойкая поверхность); В 2 и Г 2 - боковые поверхности ком- прессионного поршневого кольца; Ж 2 - внутренняя поверхность компрессионного поршневого кольца; р - азотированные изно- состойкие слои; с - не азотированные слои . Граница между вы- шеуказанными азотированными слоями на фигуре показана штрихпунктирными линиями.
На ФИГ.4 показан вид сверху (в плане) компрессионного поршне- вого кольца. Показано место сечения А 2 -А 2 .
На ФИГ.5 показано сечение А 2 -А 2 .
На ФИГ.6 показан вариантов исполнения заявляемого изобретения, когда компрессионное поршневое кольцо 5 такое же, как показан- ное на ФИГ.4^-5 кольцо, а гильза цилиндра состоит из набора сталь- ных (неразрезных) колец 6 с азотированными износостойкими слоями (кольца 6 подобны показанному на ФИГ.2 кольцу), размещенных на некотором (не равном нулю) расстоянии друг относительно друга в направлении оси цилиндра, пространство между которыми заполнено материалом блока цилиндра 7 (литейным алюминиевым сплавом). На ФИГ.6 обозначено: 8 - поршень; Б - поверхность контакта (рабо- чая поверхность) компрессионного поршневого кольца 5 с внут- ренней поверхностью гильзы цилиндра (поверхность Б 2 - это износостойкая поверхность); Т 2 - внутренняя поверхность (ра- бочая поверхность) гильзы цилиндра (поверхность Т 2 - это из- носостойкая поверхность). Граница между вышеуказанными азотированными слоями на фигуре показана штрихпунктирными линиями.
На ФИГ.7 показан вариантов исполнения заявляемого изобретения, когда компрессионное поршневое кольцо 10 такое же, как показан- ное на ФИГ. 4-^5 кольцо, а гильза цилиндра состоит из набора чере- дующихся между собой стальных (неразрезных) колец 1 1 с азотиро- ванными износостойкими слоями (подобны показанным на ФИГ.2) и колец из припоя 12, соединенных между собой в единую сборочную единицу посредством пайки. На ФИГ.7 обозначено: 13 - блок цилин- дра; 14 - поршень; Б 3 - поверхность контакта (рабочая поверх- ность) компрессионного поршневого кольца 10 с внутренней по- верхностью гильзы цилиндра (поверхность Б 3 - это износостой- кая поверхность); Т 3 - внутренняя поверхность (рабочая по- верхность) гильзы цилиндра (поверхность Т 3 - это износостой- кая поверхность). Граница между вышеуказанными азотирован- ными слоями показана на фигуре штрихпунктирными линиями.
На ФИГ.8-^10 показан вариант исполнения заявляемого изобрете- ния, когда оно выполнено в виде плоской уплотнительной пластины. На ФИГ.8^- 10 обозначено: 16 - алюминиевая матрица (литейный алюминиевый сплав); 17 - куски (фрагменты) определенной (не равной нулю) длины стальной проволоки с внешним азотирован- ным износостойким слоем; Ф - поверхность контакта (рабочая поверхность) уплотнительной пластины (поверхность Ф - это износостойкая поверхность); ш - толщина азотированного изно- состойкого слоя на внешней поверхности куска стальной прово- локи 17; г— высота пластины. На ФИГ.8 показан вид сбоку и на- правление вида У. На ФИГ.9 показан вид У (вид сверху на поверх- ность Ф) и показано место сечения Х-Х. На ФИГ.10 показано сечение Х-Х. Граница вышеуказанного азотированного слоя на кусках проволоки 17 показана на ФИГ.9 10 штрихпунктирной линией.
Варианты осуществление изобретения
В одном из возможных вариантов своего исполнения (ФИГ.1+2), в ва- рианте стального разрезного (с замком) компрессионного поршневого кольца ДВС, заявляемое изобретение представляет собой следующее. Стальное разрезное (с замком) компрессионное поршневое кольцо 1 состоит из одной детали. В процессе изготовления кольцо 1 азотиру- ется со всех сторон. После азотирования кольцо 1 дорабатывается пу- тем механической обработки поверхностей Б] и Ж] (любым приемлемым способом, например, путем шлифования). При этом, азотированные слои на поверхностях Б] и Ж] полностью удаляются. Поверхности Ei и Ж ! в окончательно обработанном виде имеют цилиндрическую форму. По- верхности Г] и В ] после азотирования кольца 1 не дорабатыва- ются механически (но могут и дорабатываться - например, пу- тем их шлифования, при этом, после доработки часть азотиро- ванных слоев на них остается). Поверхности Г, и В ) являются плоскими поверхностями, при этом, они перпендикулярны оси цилиндра цилиндрической поверхности Б ] . Кольцо 1 на боковой поверхности Г] имеет азотированный износостойкий слой и, а на бо- ковой поверхности B i имеет азотированный износостойкий слой к. Между вышеуказанными слоями и и к имеется не азотирован- ный слой л. Слои и и к имеют равную толщину, например, 0,8 мм. He азотированный слой л может иметь любую приемлемую толщину, зависящую от высоты з кольца 1 , например, равную 0,4 мм. Поверхность Б] является поверхностью контакта (рабо- чей поверхностью) кольца 1 с внутренней поверхностью (рабо- чей поверхностью) гильзы цилиндра (тоесть, поверхность Б \ яв- ляется износостойкой поверхностью кольца 1 ). Боковые поверх- ности В ] и Г | являются поверхностями, контактирующими с бо- ковыми гранями проточки поршня ДВС (в которое устанавлива- ется кольцо 1 ). Боковая поверхность Ж ] является внутренней поверхностью компрессионного поршневого кольца 1 (не рабо- чая поверхность). Таким образом, износостойкие азотированные слои и и к расположены на поверхностях Г] и В которые при- мыкают к поверхности Б ) . На износостойкую поверхность Б ] выходят края двух азотированных износостойких слоев и и к, и край одного не азотированного слоя л . По сути, края слоев и к (в виде поверхностей - так как слои и и к имеют вполне кон- кретную толщину, равную 0,8 мм) являются частью износостой- кой поверхности Б ] . Не азотированный слой л (в виде поверхно- сти - так как слой л имеют вполне конкретную толщину, равную 0,4 мм) также являются частью износостойкой поверхности Б] . Следовательно, износостойкая поверхность Б [ состоит из краев слоев и, к и л. Граница между вышеуказанными слоями и, к и л на ФИГ.1 ^2 показана штрихпунктирными линиями.
Таким образом, так как износостойкая поверхность Б ] являет- ся цилиндрической поверхностью, а слои и и к лежат на плоских поверхностях Г] и В ] (которые перпендикулярны оси цилиндра цилиндрической поверхности Б] ), то слои и и к перпендикуляр- ны оси цилиндра цилиндрической поверхности Б ] . В вышеуказанном варианте исполнения у заявляемого изобретения в процессе работы ДВС изнашивается износостойкая поверхность Bi (кон- тактирующая с внутренней поверхностью гильзы цилиндра). При этом, начинают изнашиваться выходящие на поверхность Б] азотированные износостойкие слои и и к (имеющие равную толщину), и не азоти- рованный слой л. Вклад не азотированного слоя л на срок служ- бы (ресурс) кольца 1 невелик, так как срок службы (ресурс) кольца 1 определяется азотированными износостойкими слоями и и к, длина которых в направлении, перпендикулярном к по- верхности Б ] (в направлении радиальной ширины е кольца 1 ), может быть любой (равной радиальной ширине е кольца 1 ).
Таким образом, в заявляемом изобретении износ износостой- ких слоев и и к происходит не по их толщине (как у известных технических решений), которая ограничена вполне конкретной величиной, а по их долине, которая может быть любой прием- лемой величины.
Следовательно, в таком варианте исполнения заявляемого изобретения его строк службы (ресурс) может быть равным сро- ку службы коленчатого вала. Это позволит резко снизить затра- ты на эксплуатацию (на ремонт) ДВС.
На ФИГ.2 приведено кольцо 1 с двумя азотированными изно- состойкими слоями и к, и одним не азотированным слоем л в качестве примера одного из возможных вариантов исполнения заявляемого изобретения.
Из ([8], с.54) известно, что стальные гильзы цилиндров ДВС азоти- руют на глубину 0,5-Ю,9 мм.
В ([1 1], с. 1 11, таблица 2) указывалось, что высота компрессионных поршневых колец у современных карбюраторных ДВС равна 1 ,5^2,0 мм. Следовательно, если высота з кольца 1 (ФИГ.2) будет равна 1 ,5 мм, и при принятой толщине азотированных слоев и н к, равной 0,8 мм, то практически не азотированного слоя л не бу- дет. Тоесть, все кольцо 1 будет азотировано - вся износостойкая поверхность B i будет состоять из износостойких азотированных слоев. Следовательно, в таком варианте исполнения заявляемого изобретения его строк службы (ресурс) может быть максималь- но возможным. Это позволит резко снизить затраты на эксплуа- тацию (на ремонт) ДВС.
Возможен вариант исполнения заявляемого изобретения (ФИГ.З), от- личающийся от показанного на ФИГ.2 тем, что кольцо 1 после азотиро- вания со всех сторон не дорабатывается (после азотирования кольцо 1 имеет окончательные размеры - оно готово к установке на пор- шень). В этом варианте исполнения заявляемого изобретения все боко- вые поверхности Б 1 ? В Г] и Ж] кольца 1 имеют азотированные износостойкие слои н, к, и и м, соответственно. Поверхности Б В ] , Г, и Ж] имеют такую же форму и взаимное расположение, что и показанные на ФИГ.2 поверхности Б В Г] и Ж, . Азоти- рованные износостойкие слои и, к, т и п имеют равную толщину (например, равную 0,8 мм). Кольцо 1 имеет не азотированную внутреннюю область п. Граница между вышеуказанными азоти- рованными слоями на фигуре показана штрихпунктирными ли- ниями. При этом, слой н расположен на боковой поверхности Б] (износостойкой поверхности). Боковая поверхность Б ] (рабочая поверхность) является поверхностью контакта кольца 1 с внут- ренней поверхностью (рабочей поверхностью) гильзы цилиндра. Боковые поверхности В ] и Г] являются поверхностями, контак- тирующими с боковыми гранями проточки поршня ДВС (в кото- рое устанавливается кольцо 1 ). Боковая поверхность Ж] являет- ся внутренней (не рабочей) поверхностью кольца 1 .
Так как азотированный износостойкий слой н кольца 1 лежит на износостойкой поверхности Б то в процессе работы ДВС данный слой постепенно весь изнашивается. При дальнейшей работе ДВС начинают изнашиваться азотированные износостой- кие слои и и к, которые расположены на поверхностях Г] и В и которые могут иметь любую приемлемую длину (в направлении радиальной ширины е кольца 1 - в направлении, перпендику- лярном к поверхности Б] ). Следовательно, кольцо 1 может иметь любой требуемый срок службы (ресурс), в том числе равный сроку службы (ресурсу) коленчатого вала.
Из ([5], с.334) известно, что износостойкость шеек азотированных ко- ленчатых валов ДВС по долговечности превосходит амортизационный срок службы ДВС.
Следовательно, заявляемое изобретение в варианте стального ком- прессионного поршневого кольца ДВС с азотированными износостой- кими слоями будет иметь долговечность (ресурс), равную амортизаци- онному сроку службы ДВС. Тоесть, один комплект стальных компрес- сионных поршневых колец будет работать в течение всего срока службы ДВС. Это резко снижает эксплуатационные затраты на ДВС.
Возможен вариант исполнения заявляемого изобретения (ФИГ.4 5), отличающийся от показанного на ФИГ.1+2 тем, что компрессионное поршневое кольцо состоит из трех деталей (но может состоять и из большего количества деталей), соединенных между собой посредст- вом диффузионной сварки (но могут быть соединены между собой любым иным приемлемым способом: посредством других типов свар- ки; пайки; склейки; и другое). По сути, в данном варианте своего ис- полнения компрессионное поршневое кольцо представляет собой сборочную единицу, состоящую (до момента сборки) из трех отдель- ных деталей - из двух стальных разрезных колец 2 и 3 с азотирован- ными износостойкими слоями р и одним не азотируемым слоем с (каждое из колец 2 и 3 подобно показанному на ФИГ.2 кольцу), и одного медного кольца 4 (прослойки). Поверхность Б 2 является поверхностью контакта (рабочей поверхностью) компрессион- ного поршневого кольца с внутренней поверхностью (рабочей поверхностью) гильзы цилиндра (тоесть, поверхность Б 2 являет- ся износостойкой поверхностью компрессионного поршневого кольца). Поверхности В 2 и Г 2 являются боковыми поверхностя- ми компрессионного поршневого кольца, контактирующие с бо- ковыми гранями проточки поршня (в которую устанавливается вышеуказанное компрессионное поршневое кольцо). Поверх- ность Ж 2 является внутренней поверхностью (не рабочей по- верхностью) компрессионного поршневого кольца. На износо- стойкую поверхность Б 2 выходят края: азотированных износо- стойких слоев р колец 2 и 3 ; не азотированных слоев с колец 2 и 3 ; медного кольца 4. При этом, внешние вышеуказанные азоти- рованные износостойкие слои р расположены на поверхностях Г 2 и В 2 , которые примыкают к поверхности Б 2 , а внутренние вышеуказанные азотированные износостойкие слои р парал- лельны внешним азотированным износостойким слоям р. Таким образом, азотированные износостойкие слои р колец 2 и 3, не азотированные слои с колец 2 и 3 , и медное кольцо 4 (в виде поверхностей, так как они имеют некоторую, не равную нулю толщину) являются частью износостойкой поверхности Б 2 . Гра- ница между вышеуказанными азотированными слоями на фигуре показана штрихпунктирными линиями.
В таком варианте исполнения у заявляемого изобретения в процессе работы ДВС изнашивается износостойкая поверхность Б 2 (контакти- рующая с внутренней поверхностью гильзы цилиндра). При этом начи- нают изнашиваться выходящие на поверхность Б 2 азотированные изно- состойкие слои р колец 2 и 3 (имеющие равную толщину, напри- мер, равную 0,8 мм), не азотированные слои с колец 2 и 3 и медное кольцо 4. Вклад не азотированных слоев с колец 2 и 3 и медного кольца 4 на срок службы компрессионного поршневого кольца невелик, так как срок службы компрессионного поршне- вого кольца определяется азотированными износостойкими слоями р колец 2 и 3 , длина которых (в направлении, перпенди- кулярном поверхности Б 2 - в направлении радиальной ширины компрессионного поршневого кольца), может быть любой вели- чины (равной радиальной ширине компрессионного поршневого кольца). Следовательно, в таком варианте исполнения заявляе- мого изобретения его строк службы (ресурс) может быть равным сроку службы коленчатого вала, что резко снижает эксплуатацион- ные затраты на ДВС.
Возможен вариант исполнения заявляемого изобретения (ФИГ.6), при его использовании в поршневом ДВС, когда оно представляет собой следующее. Имеется блок цилиндра 7 ДВС (ФИГ.6), изготовленный из литейного алюминиевого сплава. Внутренняя рабочая поверхность Т 2 (износостойкая поверхность, имеющая цилиндрическую форму) цилин- дра 7, контактирующая с компрессионным поршневым кольцом 5 (с ра- бочей поверхностью Б 2 (износостойкая поверхность) кольца 5), набрана из нескольких стальных неразрезных колец 6 с азотированными износо- стойкими слоями. Компрессионное поршневое кольцо 5 аналогично то- му, что показано на ФИГ.4-^5. Кольца 6 (аналогичные тому, что показано на ФИГ.2, только не разрезные) расположены на некотором (не равном нулю) расстоянии друг относительно друга в направлении оси цилиндра 7, а пространство между ними заполнено литейным алюминиевым спла- вом. При этом, вышеуказанные азотированные износостойкие слои ко- лец 6 являются плоскими слоями и расположены под углом 90° к оси цилиндра цилиндрической поверхности Т 2 (поверхность Т 2 - износо- стойкая поверхность). Граница между вышеуказанными азотиро- ванными слоями на фигуре показана штрихпунктирными линия- ми. Расстояние между стальными кольцами 6 меньше, чем высота ком- прессионного поршневого кольца 5 (в направлении оси цилиндра 7).
Такая конструкция цилиндра 7 (являющаяся, по сути, сборочной еди- ницей, состоящей из нескольких деталей - нескольких стальных азоти- рованных колец 6 и алюминиевого блока 7) получается следующим об- разом. Перед отливкой цилиндра 7 кольца 6 азотируются и дорабатыва- ются механически (например, путем шлифовки) с внутренней и внешней сторон (но могут и не дорабатываться). Боковые азотированные поверх- ности не дорабатываются. Затем азотированные кольца 6 перед отлив- кой цилиндра 7 устанавливаются в форму для литья на некотором (не равном нулю) расстоянии друг относительно друга вдоль оси цилиндра 7. В процессе заливки формы литейным алюминиевым сплавом расстоя- ние между кольцами 6 заполняется литейным алюминиевым сплавом. Таким образом, стальные азотированные кольца 6 прочно схватываются с алюминиевым сплавом.
После отливки цилиндра 7 происходит его механическая обработка, в том числе растачивание внутренней износостойкой поверхности Т 2 . При этом, часть внутренней поверхности колец 6 стачивается. Однако, ос- тавшейся радиальной толщины колец 6 достаточно для обеспечения требуемого ресурса износостойкой поверхности Т 2 цилиндра 7. В окон- чательно обработанном виде на износостойкую поверхность Т 2 (внут- реннюю поверхность гильзы цилиндра) выходят края вышеуказанных азотированных и не азотированных слоев стальных колец 6, и края алю- миниевого блока цилиндра 7. Таким образом, в таком варианте исполне- ния заявляемого изобретения внутренняя поверхность гильзы цилиндра (износостойкая поверхность Т 2 ) представляет собой чередующиеся меж- ду собой азотированные и не азотированные слои стальных колец 6, и слои алюминиевого сплава блока цилиндра 7.
В таком варианте исполнения заявляемого изобретения расстояние между кольцами 6 меньше высоты компрессионного поршневого кольца 5. Следовательно, в процессе работы ДВС кольцо 5 все время будет кон- тактировать (скользить) по какому-либо из колец 6 с азотированными износостойкими слоями, что обеспечит высокий срок службы как изно- состойкой поверхности Т 2 цилиндра 7, так и износостойкой поверхности Б 2 кольца 5. Это резко снижает эксплуатационные затраты на ДВС.
На ФИГ.7 показан вариант исполнения заявляемого изобретения, от- личающийся от показанного на ФИГ.6 тем, что у него гильза цилиндра ДВС состоит из набора нескольких чередующихся между собой стальных неразрезных колец 1 1 (каждое из колец подобно показанно- му на ФИГ.2 кольцу) с азотированными износостойкими слоями, и колец из припоя 12. Кольца 1 1 и 12 соединенных между собой (до процесса заливки блока цилиндра 13) в единую сборочную единицу посредством пайки. Перед заливкой блока цилиндра 13 вышеуказан- ная паяная гильза цилиндра (представляющая собой сборочную еди- ницу) устанавливается в форму для литья. После заливки цилиндра 13 гильза цилиндра прочно схватываются с алюминиевым сплавом. В даль- нейшем происходит механическая обработка (например, растачива- ние) внутренней поверхности (рабочей поверхности) гильзы ци- линдра Т 3 (поверхность Т 3 - является износостойкой поверхно- стью). В окончательно обработанном виде на износостойкую поверх- ность Т 3 (внутреннюю поверхность гильзы цилиндра) выходят края вы- шеуказанных азотированных и не азотированных слоев стальных колец 1 1 , и края колец из припоя 12. Граница между вышеуказанными азотированными слоями на фигуре показана штрихпунктирными линиями. Вышеуказанные азотированные слои расположены по отношению к поверхности Т 3 также, как на ФИГ.6 азотированные слои расположены по отношению к поверхности Т 2 (как указано выше).
В таком варианте исполнения заявляемого изобретения в процессе ра- боты ДВС кольцо 10 все время будет контактировать (скользить) своей износостойкой поверхностью Б 3 по какому либо из колец 1 1 с азотиро- ванными износостойкими слоями, что обеспечит высокий срок службы как износостойкой поверхности Т 3 цилиндра 13, так и износостойкой поверхности Б 3 кольца 10.
На ФИГ.8+- 10 показан вариант исполнения заявляемого изобрете- ния, когда оно выполнено в виде плоской уплотнительной пластины. Такие уплотнительные пластины, например, используются для уплот- нения треугольного ротора в известных роторно-поршневых двигате- лях Ванкеля. Уплотнительная пластина имеет износостойкую поверх- ность Ф (рабочая поверхность), которая в процессе работы дви- гателя контактирует с ответной деталью - с внутренней поверх- ностью цилиндра двигателя Ванкеля . Уплотнительная пластина получается методом заливки литейным алюминиевым сплавом 16 (матрицей) кусков (фрагментов) проволоки 17 (или прутков или труб), имеющей на внешней поверхности азотированный износостой- кий слой толщиной ш. После заливки кусков проволоки 17 литейным алюминиевым сплавом (матрицей) 16 полученная пластина (в том числе поверхность Ф) дорабатывается механически (но может и не дорабатываться). При этом, вышеуказанные азотированные износо- стойкие слои толщиной ш проволоки 17 перпендикулярны износо- стойкой поверхности Ф (тоесть, ось цилиндра проволоки 17 перпен- дикулярна поверхности Ф - но может иметь любой иной угол, не рав- ный 0° и 180°). Куски проволоки 17 расположены на некотором (не равном нулю) расстоянии друг относительно друга (пространство между ними заполнено литейным алюминиевым сплавом - матрицей). Граница между вышеуказанными азотированными слоями на проволоке 17 на ФИГ.9-Н О показана штрихпунктирными линия- ми. При этом, проволока 17 расположена по всей высоте h пла- стины (но может занимать и не всю высоту пластины). Края из- носостойких слоев деталей (проволоки) 17 выходят на износо- стойкую поверхность Ф.
Таким образом, в данном варианте исполнения заявляемое изобретение представляет собой сборочную единицу, состоя- щую из нескольких деталей 17, имеющих износостойкие слои толщиной ш и матрицы 16 из алюминиевого сплава.
В таком варианте исполнения заявляемого изобретения срок службы уплотнительной пластины может быль любой требуемой величины, так как проволока 1 7 может занимать всю высоту пластины h и иметь азотированные износостойкие слои толщи- ной ш на всю свою высоту. Из ([7], с.38) известно, что при испытаниях азотированных образцов при кратковременных нагревах (до 20 минут) до температур 800°С твер- дость азотированного слоя все еще велика.
В ([6], с.43-44) указывалось, что для штампов применяют азотирование перед закалкой. Температура закалки 100(Н1050°С.
Следовательно, нагрев до 1050°С не влияет на азотированный слой - тоесть, азотированный слой теплостоек (сохраняет свои высокие износо- стойкие свойства при кратковременном нагреве до 1050°С).
В ([4], с.216, таблица 6.2) указывалось, что температура литья у литей- ного алюминиевого сплава АЛ25 равна 68(Н730 °С.
Из ([12], с.257; с.268, таблица 19) известно, что прочность литейных алюминиевых сплавов можно повысить термической обработкой (закал- кой), и что закалку литейных алюминиевых сплавов АЛ4 и АЛ9 прово- дят при температуре 535°С.
Следовательно, в заявляемом изобретении в процессе литья цилиндра из литейного алюминиевого сплава и в процессе последующей его тер- мической обработки (закалки) свойства азотированных износостойких слоев стальных колец (их высокие износостойкие свойства) полностью сохраняются.
Из ([13], с.401 , с.403 и с.410) известно, что температура диффузионной сварки при сварке разнородных металлов составляет 0,5^-0,7 от темпера- туры плавления металла с более низкой температурой плавления. Диф- фузионная сварка может происходить также с расплавляющейся про- слойкой (в качестве которой может выступать фольга из припоя).
Выше в ([14], с.102) указывалось, что алюминиевые припои имеют температуру плавления 490^-530°С, а температуру пайки - 505^-580°С.
Следовательно, в заявляемом изобретении, при его изготовлении из нескольких деталей методом диффузионной сварки или пайки, свойства азотированных износостойких слоев (их высокие износостойкие свойст- ва) полностью сохраняются.
В ([7], с.108) указывалось, что азотированный слой очень хорошо шлифуется.
Следовательно, механическая обработка заявляемого изобретения по- сле его азотирования и заливки литейным алюминиевым сплавом не представляет никакой проблемы.
Из ([10], с.36) известно, что износостойкость хромированных поршне- вых колец в 2-^3 раза выше, чем нехромированных.
Следовательно, в заявляемом изобретении в качестве износостойких слоев могут использоваться как азотированные поверхности детали (как рассмотрено выше), так и хромированные слои (расположенные по от- ношению к износостойкой поверхности так же, как вышерассмотренные азотированные износостойкие слои).
В более общем плане, в заявляемом изобретении в качестве износо- стойких слоев могут использоваться любые приемлемые износостойкие слои: азотированные поверхности; хромированные поверхности; по- верхности с нанесенным износостойким керамическим слоем; и другое. При этом, эти износостойкие слои должны быть расположенные по от- ношению к износостойкой поверхности так же, как вышерассмотренные азотированные износостойкие слои.
Возможен вариант исполнения заявляемого изобретения, когда у него износостойкая поверхность представляет собой хаотически ориентиро- ванные куски (фрагменты) хромированной или азотированной проволо- ки (или другой формы, например, шарики), залитые литейным алюми- ниевым сплавом (или пластмассой).
Возможен вариант исполнения заявляемого изобретения, когда у него износостойкая поверхность представляет собой ткань из хромированной или азотированной (или с иным износостойким покрытием) проволоки, залитая алюминиевым сплавом (или пластмассой).
В заявляемом изобретении, когда у него сборочная единица получает- ся методом заливки деталей литейным материалом, в качестве литейно- го материала может использоваться любой его приемлемый тип: метал- лы (например, литейные алюминиевые сплавы - как в рассмотренных на ФИГ.6-Ч0 случаях); пластмассы и другое. Разумеется, тип заливочного материала должен соответствовать условиям эксплуатации заявляемого изобретения.
Возможен вариант исполнения заявляемого изобретения, отличаю- щийся от показанного на ФИГ.4-^-5 тем, что детали выполнены не в виде колец, а в виде круглых пластин. В таком варианте исполнения заявляе- мое изобретение может использоваться, например, в виде ролика в под- шипнике качения.
В заявляемом изобретении деталь, имеющая износостойкую поверх- ность, может иметь любую приемлемую форму: кольца; плоской пла- стины; куска проволоки (или прутка или трубы); и другое.
В заявляемом изобретении в качестве материала детали, имеющей из- носостойкую поверхность, может использоваться любой его приемле- мый тип (сталь (как в рассмотренных выше случаях); чугун: алюминие- вые сплавы; и другое), на которых возможно нанесение износостойких слоев (путем азотирования, хромирования и другое).
В заявляемом изобретении износостойкая поверхность детали или сборочной единицы может иметь любую приемлемую форму (плоскую, цилиндрическую, любую иную приемлемую форму). В заявляемом изо- бретении износостойкий слой может располагаться на поверхности де- тали, которая может иметь любую приемлемую форму (плоскую, ци- линдрическую, любую иную приемлемую форму). Заявляемая деталь (или сборочная единица) может быть использована как в качестве детали трения (как в рассмотренном выше варианте ком- прессионного поршневого кольца), так и в детали качения (например, в варианте ролика, состоящего из нескольких стальных дисков с азотиро- ванными износостойкими слоями, соединенных между собой, например, посредством пайки).
Таким образом, в заявляемом изобретении, в варианте детали, обяза- тельным является условие, чтобы износостойкий слой был расположен на поверхности, которая примыкает к износостойкой поверхности (тоесть, износостойкая поверхность и износостойкий слой не должны совпадать между собой), и чтобы хотя бы один край износостойкого слоя выходил на износостойкую поверхность.
В заявляемом изобретении, в варианте сборочной единицы, обяза- тельным является условие, чтобы край износостойкого слоя (или слоев) должен выходить на износостойкую поверхность сборочной единицы. Только в этом случае износ износостойкого слоя будет происходить не по его толщине (которая ограничена вполне конкретной величиной) а по его длине (величина которой может быть любой). Только в этом случае можно обеспечить требуемый срок службы (ресурс) износостойкой по- верхности заявляемой детали или сборочной единицы.
Промышленная применимость
Заявляемое изобретение может быть использовано в любой области техники, где используются детали или сборочные единицы, имеющие износостойкие поверхности: в ДВС; в компрессорах; в гидравлических машинах; и другое.
Next Patent: RAILWAY STATION