КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F16C3/06 F16C9/04 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в конструкциях коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания и других машин и механизмов, содержащих коренные и шатунные шейки, сопряженные со щеками с помощью галтельных переходов.

Известен коленчатый вал (КВ), содержащий коренные и шатунные шейки, кольцевой элемент, изготовленный из стальной ленты с заданными триботехническими свойствами, установленный и зафиксированный на каждой шейке (см. авт. свид. СССР N 1796781, кл. F 16 C 3/04, 1993).

Из вышеуказанного источника информации известен и способ изготовления коленчатого вала, включающий установку и фиксацию на каждой шейке кольцевого элемента, изготовленного из стальной ленты с заданными триботехническими свойствами.

Известное техническое решение не обладает достаточной надежностью, особенно применительно к коленчатым валам дизельных двигателей. Задача изобретения заключается в повышении надежности и эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что коленчатый вал содержит коренные и шатунные шейки, кольцевой элемент, изготовленный из стальной ленты с заданными триботехническими свойствами, установленный и зафиксированный на каждой шейке, причем кольцевой элемент выполнен в виде сменной тонкостенной свальцованной профилированной втулки с полированными поверхностями или в виде двух свальцованных тонкостенных полуколец, введен торцами в кольцевые круговые галтельные переходы, поднутренные в щеку, и закреплен стопорными полукольцами. Втулка может быть выполнена цилиндрической формы и закреплена увеличенными по ширине стопорными полукольцами, выступающими над опорной поверхностью щек; стык втулки может быть выполнен под углом γ к оси коленчатого вала, причем 0^° ≤ γ ≤ 40^°; стык может быть выполнен стрельчатой формы с углом при вершине δ = 80^°-110^°. Стопорные полукольца дополнительно могут быть прижаты по краям втулки стопорными винтами, поверхность стопорных полуколец, прилегающая к краям втулки, может быть выполнена в виде кругового конуса с углом при вершине α, 0^° < α ≤ arctgf , где α - угол трения, f - коэффициент трения сухих поверхностей.

Кроме того, поставленная задача может быть решена тем, что способ изготовления коленчатого вала, содержащего коренные и шатунные шейки, включает установку и фиксацию на каждой шейке кольцевого элемента, изготовленного из стальной ленты с заданными триботехническими свойствами, причем кольцевой элемент изготавливают в виде тонкостенной свальцованной профилированной втулки с полированными поверхностями, длина которой равна расстоянию между опорными поверхностями щек, или в виде двух свальцованных тонкостенных полуколец, и вводят торцами в кольцевые круговые галтельные переходы, поднутренные в щеку, и закрепляют стопорными полукольцами для плотного прижатия. Втулку могут изготавливать цилиндрической формы с высотой, равной расстоянию между опорными поверхностями щек, для закрепления ее могут изготавливать уширенные стопорные кольца, выступающие над опорной поверхностью щек; стопорные полукольца дополнительно могут прижиматься по краям втулки стопорными винтами, расположенными в зонах минимальной концентрации напряжений от галтелей, то есть вне зон перекрытия соответствующих коренных и шатунных шеек, а в щеках создаются специальные отверстия для облегчения демонтажа стопорных полуколец; на внутреннюю поверхность втулки или полуколец могут наносить слой клея.

Фиг. 1 изображает общий вид коленчатого вала и его галтельные переходы: 1 - шатунная шейка; 2 - коренная шейка; 3 - щека; фиг. 2 - простой круговой галтельный переход; фиг. 3 - простой круговой галтельный переход с дополнительным заглублением; фиг. 4 - двойной круговой галтельный переход; фиг. 5 - двойной круговой галтельный переход с дополнительным заглублением; фиг. 6 - цилиндрическую свальцованную втулку; фиг. 7 - профилированную свальцованную втулку; на фиг. 8 - прямой стык свальцованных втулок; фиг. 9 - косой стык свальцованных втулок; фиг. 10 - стрельчатый стык свальцованных втулок; фиг. 11, 12 - стопорные полукольца к галтелям без дополнительного заглубления; фиг. 13, 14 - стопорные полукольца к галтелям с дополнительным заглублением; фиг. 15 - узел крепления цилиндрической свальцованной втулки к шейке коленчатого вала с простой круговой галтелью: 1, 2 - шатунная или коренная шейка; 3 - щека; 4 - свальцованная втулка, 5 - стопорное кольцо; фиг. 16 - вид I фиг. 15; фиг. 17 - узел крепления цилиндрической свальцованной втулки к шейке коленчатого вала с двойной круговой галтелью (поз. 1, 2, 3, 4, 5, см. фиг. 15); фиг. 18 - вид I фиг. 17; фиг. 19 - узел крепления профилированной свальцованной втулки к шейке коленчатого вала с простой круговой галтелью при дополнительном заглублении; фиг. 20 - вид I фиг. 19; фиг. 21 - узел крепления профилированной свальцованной втулки к шейке коленчатого вала с двойной круговой галтелью при дополнительном заглублении; фиг. 22 - вид I фиг. 21; фиг. 23, 24 - установку стопорных полуколец; фиг. 25 - расположение стопорного винта, вид А-А фиг. 24; фиг. 26 - расположение отверстия для извлечения стопорного полукольца, вид Б-Б фиг. 24; фиг. 27 - геометрию двойного кругового галтельного перехода с дополнительным заглублением, его конструктивные особенности; фиг. 28 - схему построения двойного кругового галтельного перехода с дополнительным заглублением.

Галтельные переходы от шеек к щекам (фиг. 1) выполняются с поднутрением в щеки. На фиг. 2 - 5 представлены простые и двойные галтельные переходы (в том числе) и с дополнительным заглублением.

Здесь: R и R₁ - соответственно радиусы основной и дополнительной галтели;
длина l кольцевого углубления, радиус основной галтели R и длина шейки от опорных поверхностей смежных щек L связаны соотношением L - 2R≤l<L-R, (I), а радиус R₁ = (0,5 - 0,6)R;
C - расстояние от точки пересечения галтельных переходов основного и дополнительного до плоскости щеки (фиг. 4).

Из условия обеспечения оптимальной усталостной прочности для двойных галтельных переходов получены неравенства
0,5 R≤R₁≤0,6R
0,4 R≤C≤0,5R
На фиг. 6 и 7 представлены тонкостенные свальцованные втулки толщиной δ_вт со стыком, параллельным оси шеек КВ. Изображены два типа втулок - цилиндрическая (фиг.6) и профилированная в виде круговой бочкообразной поверхности высотой H, равной расстоянию между опорными поверхностями смежных щек кривошипа КВ.

Длина образующей бочкообразной втулки:
l = H+2Δ (4)
Максимальный диаметр этой втулки равен d_ш+2_h, где h - стрела прогиба образующей ее; d_ш - диаметр шейки вала.

На фиг. 8 - 10 представлены разные варианты стыков свальцованных втулок: прямой (фиг. 8), косой (фиг. 9) и стрельчатый (фиг. 10). Применительно к цилиндрическим втулкам все варианты приемлемы, а для бочкообразных - приемлем только прямой. Наряду с разрезной втулкой могут быть использованы полукольца либо несколько сегментов.

Толщина δ_вт втулки составляет:
0,4 ≤ δ_вт≤ 0,7 (5)
для коленчатых валов с диаметром d_ш (мм) соответственно равны:
50≤d_ш≤120 (6)
При использовании полуколец или отдельных сегментов толщина втулки может быть увеличена до 2,0 - 2,5 мм.

Стопорное кольцо (фиг. 11 - 14), разрезное или состоящее из полуколец, имеет тороидальную форму с размерами:

при этом для круговых галтельных переходов δ_вт*= 0, , а для двойных галтельных переходов оно больше нуля и определяется неравенством (9).

Высота стопорного кольца равна:
R+Δ_к, (10)
где
Δ_к - ширина пояска, прижимающего втулку к шейке КВ.

Внутренняя поверхность кольца выполнена конической с углом при вершине конуса α , где α подчиняется неравенству:
0 ≤ α ≤ arctgf, (11)
где
f - коэффициент трения сопряжения кольца и свернутой втулки.

На фиг. 15 - 22 представлены узлы крепления цилиндрических (фиг. 15 - 18) и профилированной втулок (фиг. 19 - 22) к шейкам КВ, где 12 - шейки (коренные и шатунные) КВ, 3 - щека КВ, 4 - свальцованная тонкостенная втулка, 5 - стопорное кольцо.

На фиг. 23 - 26 представлены узлы дополнительного крепления стопорных колец специальными винтами и отверстия для извлечения стопорных колец из галтельных переходов.

Для повышения надежности крепления стопорного кольца в галтельном переходе служат стопорные винты, а для извлечения стопорных колец из галтельных переходов служат сверления в щеках, наиболее удаленные от зоны перекрытия шеек, где имеет место максимальная концентрация напряжений в галтельных переходах.

Восстановление работоспособности шатунных и коренных подшипников коленчатого вала в условиях их нормальной работы производится заменой изношенных разрезных свальцованных втулок и стопорных колец.

Вследствие аварийных ситуаций могут возникнуть задиры на поверхности коренных и шатунных шеек. Восстановление работоспособности шатунных и коренных подшипников производится при этом шлифовкой шеек на ремонтные размеры с использованием разрезных свальцованных втулок большей толщины. При этом галтельный переход радиусом R механической обработке не подлежит. Обрабатывается галтельный переход только по радиусу R₁.

Для увеличения надежности крепления тонкостенной свальцованной втулки или полуколец применительно к мощным дизельным двигателям на их внутреннюю поверхность наносится слой клея.

В соответствии с данным техническим решением коленчатый вал превращается в сборочную единицу. Это изменяет требования к конструкции коленчатого вала.

Коленчатый вал может быть изготовлен и не из дорогих высокопрочных сталей или чугунов, а из более дешевых конструкционных материалов, обеспечивающих ресурс его только по усталостной прочности. Поверхностная твердость шатунных и коренных шеек и соединяющих их щек коленчатого вала может быть одинаковой - 200...220 НВ. Требования к чистоте поверхности шатунных и коренных шеек вала могут быть существенно снижены.

Разрезные свальцованные втулки или полукольца изготавливаются из калиброванной шлифованной и полированной термообработанной стандартной ленты, широко используемой в промышленности, толщиной 0,4...0,7 мм, твердостью 58... 62 НРС и чистотой поверхности R_a = 0,15...0,20 мкм.

Стопорные кольца изготавливаются из углеродистой нормализованной стали с содержанием углерода 0,4-0,5% и чистотой обработки контактирующих поверхностей R_a=0,4...0,6 мкм.

Достоинствами данного технического решения является следующее:
1. Независимость между собой ресурсов по усталостной прочности и износостойкости КВ, что обеспечивается использованием сменных изнашиваемых тонкостенных втулок и шлифовальных шеек КВ, при необходимости, не затрагивая основной галтели с радиусом R, а только по дополнительной галтели с радиусом R₁, что к тому же только снижает концентрацию напряжений по основной галтели при переменном изгибе коленчатого вала в плоскости кривошипа, который является главным видом нагружения коленчатого вала, определяющим его усталостную прочность в условиях эксплуатации.

2. Чрезвычайная простота восстановления ресурса по износостойкости.

3. Отпадает необходимость в сложной термической обработке шеек (ТВЧ, азотирование и др.).

4. Выбор материала для коленчатого вала определяется только технологичностью обработки (литье, обработка давлением, термообработка, мехобработка и др.).

5. Простота демонтажа разрезных изношенных втулок при их замене.

Величина радиуса галтельного перехода R диктуется необходимостью обеспечения усталостной прочности сравниваемых коленчатых валов и поэтому должна быть у них одинаковой. Предлагаемое техническое решение позволяет использовать тонкостенные элементы толщиной от 0,4 мм. Этим достигается экономия дорогостоящей легированной стали не менее чем на порядок.

Наличие дополнительной галтели радиусом R₁ позволяет повысить усталостную прочность коленчатого вала при ремонтных перешлифовках, не нарушая исходной геометрии основной поднутренней галтели радиусом R. Основная галтель радиусом R механической обработке при ремонте КВ не подлежит. Это позволяет пользоваться лентами как разной толщины, сохраняя толщину вкладышей, либо сохраняя постоянную толщину ленты, но используя вкладыши различных ремонтных размеров. При этом и стопорные кольца имеют несколько ремонтных размеров.

Представляется возможным использование для изготовления втулок (полуколец) из стандартной полированной закаленной ленты, не требующей дополнительной механической и термической обработки.

Представляется возможным использования цилиндрических свертных втулок.

Предлагаемое решение базируется на использовании наклонных элементов с прямыми торцами.

Предлагаемое техническое решение не требует механической обработки по радиусу R даже при аварийных ситуациях.

Необходимость обработки галтельного перехода при ремонтной перешлифовке шеек КВ связана с большими затратами высококвалифицированного труда, необходимость использования сложного технологического оборудования ведет к росту основного радиуса R галтели и, как вследствие, к увеличению толщины наклона элемента.

Таким образом, предлагаемая конструкция КВ обладает более высокой надежностью и ведет к снижению затрат при изготовлении КВ, а также к экономии дорогостоящих материалов.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Пусть даны применительно к шатунной шейке КВ следующие основные размеры: d_ш = 60 мм, R = 3 мм, H_шат = 30 мм (ширина шатуна в зоне его нижней головки), δ_вт = 0,4 мм, , Δ_шат= 0,2 мм (односторонний зазор между шатуном и опорной поверхностью щек).

Остальные геометрические параметры КВ устанавливаются следующим образом:
H_ш= H_шат+2Δ_шт= 30+2x0,2 = 30,4 мм
R₁ = 0,6R = 0,6 • 3 = 1,8 мм
C = 0,5R = 0,5 • 3 = 1,5 мм
Δ = 2 мм (из конструктивных сооружений)
l_вт = H_ш+2 Δ = 30,4+2•2=34,4 мм (длина профилированной втулки в рабочем состоянии)

D_вт=d_ш+2h=60+2•6,97=73,94 мм
δ_вт*≤ δ_вт , принимаем δ_вт*= δ_вт= 0,4

Обратимся к фиг. 27 - 28, где приведены дополнительные параметры сечения галтельного перехода:
АО = ОБ = ОВ = R = 3 мм

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению и может быть использовано в конструкциях коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания и других машин и механизмов, содержащих коренные и шатунные шейки, соединенные щетками с помощью галтельных переходов. Повышение надежности и эксплуатационных качеств сопряжений шейки коленчатого вала и тонкостенной свальцованной сменной разрезной втулки (или полукольца) с профилированными или цилиндрическими поверхностями обеспечивается жесткой фиксацией втулок или полуколец относительно шеек специальными стопорными полукольцами. Втулки или полукольца устанавливаются в круговые галтельные переходы, поднутренные в щеку, и дополнительно прижимаются винтами по краям тонкостенных втулок. Для демонтажа стопорных полуколец в щеках выполняются специальные отверстия. Допускается нанесение клея на внутреннюю поверхность свальцованной втулки или полуколец. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 28 ил.

1. Коленчатый вал, содержащий коренные и шатунные шейки, кольцевой элемент, изготовленный из стальной ленты с заданными триботехническими свойствами, установленный и зафиксированный на каждой шейке, отличающийся тем, что кольцевой элемент выполнен в виде сменной тонкостенной свальцованной профилированной втулки с полированными поверхностями или в виде двух свальцованных тонкостенных полуколец, введен торцами в кольцевые круговые галтельные переходы, поднутренные в щеку, и закреплен стопорными полукольцами. 2. Вал по п.1, отличающийся тем, что втулка выполнена цилиндрической формы и закреплена увеличенными по ширине стопорными полукольцами, выступающими над опорной поверхностью щек. 3. Вал по пп.1 и 2, отличающийся тем, что стык втулки выполнен под углом γ и оси коленчатого вала, причем 0 ≤ γ ≤ 40^°.
4. Вал по пп.1 и 2, отличающийся тем, что стык выполнен стрельчатой формы с углом при вершине δ = 80 ... 110^°.
5. Вал по пп.1 и 2, отличающийся тем, что стопорные полукольца дополнительно прижаты по краям втулки стопорными винтами. 6. Вал по пп.1 и 2, отличающийся тем, что поверхность стопорных полуколец, прилегающая к краям втулки, выполнена в виде кругового конуса с углом при вершине α: 0 < α ≤ arctgf, где α - угол трения, f - коэффициент трения сухих поверхностей. 7. Способ изготовления коленчатого вала, содержащего коренные и шатунные шейки, включающий установку и фиксацию на каждой шейке кольцевого элемента, изготовленного из стальной ленты с заданными триботехническими свойствами, отличающийся тем, что кольцевой элемент изготавливают в виде тонкостенной свальцованной профилированной втулки с полированными поверхностями, длина которой равна расстоянию между опорными поверхностями щек, или в виде двух свальцованных тонкостенных полуколец, и вводят торцами в кольцевые круговые галтельные переходы, поднутренные в щеку и закрепляют стопорными полукольцами для плотного прижатия. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что втулку изготавливают цилиндрической формы с высотой, равной расстоянию между опорными поверхностями щек, для закрепления ее изготавливают уширенные стопорные кольца, выступающие над опорной поверхностью щек. 9. Способ по пп.7 и 8, отличающийся тем, что стопорные кольца дополнительно прижимаются по краям втулки стопорными винтами, расположенными в зонах минимальной концентрации напряжений от галтелей, то есть вне зон перекрытия соответствующих коренных и шатунных шеек, а в щеках создаются специальные отверстия для облегчения демонтажа стопорных полуколец. 10. Способ по пп.7 - 9, отличающийся тем, что на внутреннюю поверхность втулки или полуколец наносят слой клея.