СОСТАВНОЙ ПОЛЫЙ ВАЛ, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ЭТИХ ВАЛОВ Российский патент 2000 года по МПК F01L1/47 

Настоящее изобретение относится к составным полым валам, состоящим из внутренней трубы и размещенных снаружи функциональных элементов и собранным путем раздачи некоторых расположенных в осевом направлении участков, причем внутренняя труба на участках раздачи деформирована пластично, а функциональные элементы на участках раздачи деформированы только эластично и участки раздачи расположены между функциональными элементами, которые частично объединены в многофункциональные элементы. Изобретение также относится к способам изготовления таких валов и многофункциональных элементов для этих валов.

В производстве приводных и распределительных валов для тепловых двигателей, в частности, распределительных кулачковых валов, с внедрением двигателей с многоклапанными системами все большую остроту приобретает проблема изготовления валов со множеством близко расположенных друг к другу элементов такие, как кулачки и другие функциональные узлы, например, подшипники скольжения и осевые упоры. Традиционная техника изготовления таких валов создает все возрастающие трудности. В частности, дополнительная проблема состоит в том, что у валов с увеличением диаметра их вес возрастает в квадратичной зависимости.

Определенные предпосылки для решения этой проблемы заключаются, в частности, в изготовлении полых кулачковых валов. При этом удается решить проблему размещения соседних кулачков при снижении веса, однако одновременно возникают трудности, связанные со снижением жесткости при кручении вала. Кроме того, число размещаемых на валу и точно позиционируемых функциональных элементов при этом существенно возрастает. При изготовлении валов, в частности, для дизельных двигателей грузовых автомобилей, сталкиваются с проблемой, заключающейся в том, что толщина стенок полого вала из-за необходимой жесткости при кручении и с учетом промежутков между функциональными элементами, должна выдерживаться относительно толстой так, что преимущество снижения веса не может быть реализовано в достаточной мере. Прежде всего при изготовлении длинных валов подготовительное время перед сборкой, например, вследствие медленного вдвигания зондов высокого давления в полый вал, является очень продолжительным и снижает эффективность использования дорогих инвестиционных средств.

Снижение остроты по крайней мере нескольких из названных проблем при производстве составных полых валов может быть достигнуто за счет применения многофункциональных элементов, например, многокулачковых элементов. Такие предложения уже известны. Для этой цели, например, уже предлагалось изготавливать многокулачковые элементы из трубчатых профилей путем скручивания или путем производства многокулачковых элементов из листовых заготовок, которые соответствующим образом профилируют, а затем пластично деформируют в кольцевой элемент и сваривают.

Однако у названного первым предложения существует проблема, состоящая в том, что возможность изготовления ограничена цельным кулачковым профилем, в котором не обеспечивается высокая жесткость к действию наружного давления, например, нажатию на кулачок толкателя. У обоих известных предложений существует одно значительное ограничение касательно поперечного наклона, различного углового деления выступов кулачков по периметру, что согласно второму известному предложению может быть преодолено только за счет трудоемкости и удорожания способа изготовления.

Из EP-A-292795 известны полые валы указанного выше типа. В этой публикации описываются кулачковые элементы с двумя выступами, у которых между обоими расположенными снаружи кулачковыми участками размещены участки раздачи. Основой для такой конструкции является то, что кулачковые участки цельного кулачка с двумя выступами дополнительно закаливают, и вследствие охрупчивания они не могут быть эластично деформированы в необходимой степени, за счет чего раздаче подвергают только не закаленные средние участки. Однако эти кулачки с двумя выступами имеют тот недостаток, что кулачковые участки вала должны быть размещены на строго определенном расстоянии друг от друга, вследствие чего конструкция валов со многими расположенными близко друг к другу функциональными элементами усложняется или ее вообще невозможно реализовать. Кроме того, конструкция ограничена комбинацией двух элементов, выполняющих одинаковую функцию и воспринимающих одинаковую нагрузку.

Поэтому в основу изобретения была положена задача создать новую конструкцию составных полых валов с расположенными снаружи функциональными элементами, которая позволила бы устранить вышеуказанные проблемы, обеспечила бы достижение существенных преимуществ и позволила бы снизить трудоемкость изготовления, а также предложить способ изготовления таких валов и многофункциональных элементов с высокой производительностью, высокой точностью и малыми затратами.

Эта задача согласно изобретению решается благодаря составному полому валу, состоящему из внутренней трубы и размещенных снаружи функциональных элементов и собранному путем раздачи некоторых расположенных в осевом направлении участков трубы, которая на участках раздачи деформирована пластично, а функциональные элементы на участках раздачи деформированы только эластично и участки раздачи расположены между функциональными элементами, которые частично объединены в многофункциональные элементы. Согласно изобретению многофункциональные элементы состоят из нескольких отдельных деталей, смонтированных в осевом направлении, причем отдельные детали некруглой формы имеют в осевом направлении расположенные концентрично основной окружности кольцевые уступы, внутренний диаметр которых больше наружного диаметра внутренней трубы вала и которые со стороны, примыкающей к детали некруглой формы, имеют кольцевой поясок с не менее, чем половинной толщиной стенки, которая дополняется до полной толщины размещенной рядом деталью некруглой формы, а отдельные детали круглой формы имеют внутренний диаметр, соответствующий наружному диаметру кольцевых уступов.

В предпочтительной форме выполнения изобретения многофункциональный элемент имеет внутренний выступ с профилем, соответствующим аксиально проходящему пазу на наружной поверхности трубы.

В конкретном случае собранный таким образом вал представляет собой распределительный кулачковый вал, а многофункциональные элементы - многокулачковые модули, содержащие кулачковые элементы, подшипниковые элементы и элементы привода.

При этом кольцевые уступы являются участками раздачи, на части которых материал имеет трехслойную структуру.

Указанная задача решается также с помощью способа изготовления составных полых валов, в котором раздачу отдельных участков изнутри трубы осуществляют гидравлическим давлением жидкости, которую вводят в трубу с помощью зонда, который уплотняют относительно трубы на обоих концах в осевом направлении в месте участка раздачи уплотнительными элементами. Согласно изобретению зонды, имеющие быстроразъемный присоединительный штуцер для подачи жидкости под давлением, перед подсоединением к источнику давления жидкости вводят в трубу и позиционируют в местах раздачи, а затем несколько уже собранных валов с размещенными в них зондами одновременно подсоединяют к источнику давления жидкости и соединяют с раздаточной магистралью.

Задача изобретения также решается с помощью способа изготовления многофункциональных элементов, в частности, многокулачковых модулей, применяемых для изготовления составных полых валов с расположенными снаружи функциональными элементами, в частности, распределительных кулачковых валов. Согласно изобретению отдельные функциональные элементы изготавливают из труб с фасонным профилем, соответствующим профилю функциональных элементов, и собирают в многокулачковые модули, причем функциональные элементы некруглой формы имеют в осевом направлении концентричные основной окружности кольцевые уступы, внутренний диаметр которых больше наружного диаметра трубы вала и которые на своих боковых кромках имеют кольцевую зону с не менее, чем половинной толщиной стенки, которая дополняется до полной толщины расположенным рядом некруглым функциональным элементом, причем эти кольцевые уступы изготавливают путем восстановления формы трубы фасонного профиля.

За счет применения предлагаемых многокулачковых элементов (или модулей) реализуется целый ряд преимуществ. Согласно изображенным в прилагаемой таблице A примерам кулачки впускных клапанов, кулачки выпускных клапанов, кулачки клапанной форсунки дизеля и подшипники скольжения монтируются по модульному типу, что позволяет снизить число отдельных деталей, например, для шестицилиндрового дизельного двигателя, по сравнению со сборкой однофункциональных деталей согласно уровню техники, с 26 до 9 деталей. Эти примеры были выбраны с учетом обычных функций современных двигателей для грузовых автомобилей. Технология согласно изобретению позволяет оптимальным образом реализовать концепции с несколькими кулачками на каждый цилиндр, например, для учета особенностей впрыскивания топлива или отключения клапанов и поперечного наклона для угла замкнутого состояния.

Это сопоставление, представляющее собой сравнение кулачковых распределительных валов, которые имеют одинаковые размеры, выполняют одинаковые функции и изготовлены по обычной, традиционной технологии сборки, с валами по предлагаемой согласно изобретению технологии сборки, показывает различие их форм выполнения относительно веса и прочности при кручении, которая указана в виде полярного момента инерции J_р с размерностью см⁴. Преимущества валов согласно изобретению достигаются в большей мере за счет того, что вес с увеличением диаметра трубы возрастает только линейно, в то время как прочность при кручении с увеличением диаметра возрастает в четвертой степени, и, кроме того, многослойная конструкция оказывает положительное влияние на места стыковки.

Преимущества изобретения станут более ясны из подробного описания примеров его реализации с ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 показывает продольное сечение части вала согласно изобретению;
фиг. 2 - сечение по линии II-II на фиг. 1;
фиг. 3 - многокулачковый модуль, выполненный методом точного литья по выплавляемым моделям;
фиг. 4 - многокулачковый модуль, собранный из отдельных деталей;
фиг. 5 - поэлементное изображение многокулачкового модуля на фиг. 4;
фиг. 6 - многокулачковый модуль на фиг. 4 со схематическим изображением устройства для обжатия модуля;
фиг. 7 - сечение устройства с модулем на фиг. 6;
фиг. 8а и 8б - примеры труб фасонного профиля для изготовления отдельных кулачков;
фиг. 9 - сечение схематического изображения инструмента (объемного штампа) для восстановления формы кольцевых уступов на трубе фасонного профиля;
фиг. 10 - схематический вид сбоку устройства по линии IX-IX на фиг. 9, повернутый на 90^o;
фиг. 11 - схематическое изображение работы автомата для механической обработки труб фасонного профиля-заготовок для изготовления отдельных кулачков; и
фиг. 12 - изображение процесса отделения друг от друга кулачков из труб фасонного профиля - заготовок.

На фиг. 1 показана часть кулачкового распределительного вала 1 для грузового автомобиля с дизельным двигателем, у которого функциональные элементы подшипника 6 скольжения, кулачка выпускного клапана, кулачка форсуночного клапана и кулачка впускного клапана 2 составляют единый модуль М, который должен выполняться в виде многокулачкового элемента и в виде цельной детали насаживаться на трубу 3 вала. Кроме того, на этом чертеже на правом конце вала показана крышка 7 вала или концевая деталь. В приведенном примере выполнения кулачок впускного клапана выше и уже кулачка выпускного клапана, в то время как кулачок для форсуночного клапана имеет типичную форму с очень вытянутой плоской и очень короткой крутой рабочей поверхностью, как это наглядно представлено на фиг. 2. Здесь также показано, что на трубе 3, например, с интервалом в 60^o, могут быть предусмотрены проходящие аксиально пазы 18, в которые заходят выполненные соответствующим образом выступы или шлицы на внутренней поверхности многокулачкового элемента. Благодаря этому обеспечивается очень точная ориентация положения многокулачкового модуля на трубе 3. В самом многокулачковом модуле М угол смещения выступов кулачков может быть достаточно точно выверен и установлен на заданную величину. За счет этого возможна очень точная и быстрая предварительная сборка составного вала 1.

На фиг. 3 показан многокулачковый модуль М, который выполнен цельным методом литья по выплавляемым моделям из подшипниковой стали. Этот способ изготовления позволяет обеспечить очень высокую точность, например, 1/10 мм. На этом чертеже видно, что размеры поверхностей стыковки, т.е. участки внутренней поверхности с соответственно наименьшим диаметром, могут быть назначены с достаточно большим допуском для всего модуля. Таким образом, участки поверхности, предназначенные для функциональных элементов, т.е. являющиеся местами стыковки, не должны подвергаться нагрузкам, благодаря чему функциональные элементы могут быть выполнены "полыми" с диаметром, превышающим наименьший внутренний диаметр. Несмотря на это вся имеющаяся поверхность стыковки обеспечивает достаточный момент трения, что при выбранном способе сборки обеспечивает надежное силовое замыкание.

На фиг. 4 показан многокулачковый модуль, имеющий одинаковые размеры с модулем на фиг. 3, однако собранный из отдельных деталей 4. На фиг. 5 показано поэлементное изображение образующих этот модуль М деталей 4. На этом чертеже видно, что кольцевые уступы 5, которые представляют собой продолжение в осевом направлении самих функциональных элементов и которые всегда, если они расположены рядом с другими функциональными деталями некруглой формы, на своем наружном конце снабжены ступенчатым кольцевым пояском с примерно половинной толщиной стенки. Неполная толщина стенки в зонах таких ступенчатых поясков или уступов расположенных рядом "некруглых" функциональных деталей дополняется за счет такого выполнения до полной, и они все вместе образуют составную часть участка стыковки. В этих зонах соединения внахлестку, а также в зоне соединения внахлестку подшипникового кольцевого участка 6 с бесступенчатым уступом расположенного рядом функционального элемента в таком составном валу образуется трехслойная структура материала или, например, при применении более одного трубчатого слоя для валов структура, имеющая более трех слоев, что значительно увеличивает прочность вала при кручении.

На фиг. 6 и 7 показано, каким образом отдельные детали на фиг. 5 обжимаются с получением многокулачкового модуля М на фиг. 4, а также схематически показано предназначенное для этого монтажное устройство "a, b". Предварительно ориентированные отдельные детали 4 закладывают в неразъемный нижний штамп "b". Далее опускают верхний, выполненный разъемным из двух половин штамп "a" и предельно точно устанавливают по одной оси профили функциональных элементов. Затем части разъемного верхнего штампа сдвигают по направлению друг к другу, вдвигая при этом отдельные детали 4 друг в друга до тех пор, пока они будут правильно взаимно установлены в осевом направлении, и не примут правильное осевое положение относительно упоров в нижнем штампе "b". Места стыковки отдельных деталей 4 могут быть предварительно точно обработаны таким образом, чтобы они состыковывались при этом по прессовой посадке 2-го класса точности, что делает этот модуль более технологичным. Однако альтернативно этому могут быть предусмотрены другие устройства для фиксации отдельных деталей 4 относительно друг друга, например, аппарат для точечной сварки.

На фиг. 8а и 8б показаны примеры труб фасонного профиля, из которых изготавливают отдельные кулачки. Эти профили могут либо точно соответствовать профилям функциональных элементов, либо иметь в соответствующих местах припуск на обработку. На фиг. 9 и 10 схематически показано, каким образом из упомянутых труб фасонного профиля - заготовок - путем восстановления формы получают отдельные контуры с размещенными между функциональными элементами кольцевыми уступами 5. В показанном примере выполнения для этого предназначен пресс, которым восстанавливают форму кольцевых уступов 5 путем обжатия вокруг расположенной внутри трубы фасонного профиля оправки 11. На этом чертеже сплошными и прерывистыми линиями показан пример, в котором основная окружность кулачка и внутренняя часть кольцевого уступа 5 являются соосными. Согласно этому примеру выполнения оправка 11 должна быть выполнена по меньшей мере из двух частей, как это показано соответствующей штриховкой, чтобы после восстановления формы можно было сначала вынуть нижнюю часть оправки 11. Для облегчения монтажа и демонтажа предусматриваются направляющие скосы, благодаря чему верхняя часть оправки опускается вниз и может быть также легко вынута из трубы. Для случая, когда основная окружность кулачка радиально выступает над окружностью кольцевого уступа 5, оправка 11 должна быть выполнена из трех частей, как это показано на чертеже штрихпунктирной линией. Таким образом, при демонтаже из трубы сначала вынимают среднюю часть оправки, затем верхнюю и в заключение нижнюю.

На фиг. 11 схематически показано, каким образом деформированная труба фасонного профиля - заготовка - после соответствующей окончательной обработки может быть разделена на отдельные функциональные элементы 4. В таком прутковом автомате используют инструменты, соответственно и приспособления, например, для пяти технологических переходов. В данном случае предусмотрены расточной токарный резец 12 и токарный резец 13 для наружной обработки, с помощью которых могут предельно точно обрабатываться внутренние и наружные контуры, показанные на фиг. 5. В этом автомате используются выполненные из двух частей, перемещающиеся независимо друг от друга в осевом направлении, зажимные патроны 15, 16, с помощью которых могут осуществляться как зажим, так и перемещение деталей в осевом направлении. После окончательной обработки наружных и внутренних поверхностей осуществляют разделение на отдельные детали прорезным резцом 14. На фиг. 12 показан инструмент для разделения, в данном случае прорезной резец, а также показана ширина прорезания при отделении деталей.

Как показано на фиг. 3 - 6 и 12, боковые поверхности кулачков выполнены слегка коническими, что целесообразно для изготовления многокулачковых модулей (или элементов). Восстановление формы труб фасонного профиля - заготовок, как это показано на фиг. 9 и 10, может осуществляться с помощью прессов, в которые в соответствующие формы закладывают рядом друг с другом несколько труб фасонного профиля - заготовок - длиной в несколько метров, и тем самым за один ход ползуна пресса одновременно может быть изготовлено большое количество кулачков. В качестве материала для труб фасонного профиля - заготовок наиболее пригодны, в частности, холоднотянутые фасонные трубы соответствующего класса точности на цилиндричность, у которых могут соблюдаться допуски меньше 1/10 мм.

Выше были описаны и показаны на чертежах примеры изготовления отдельных кулачков 4 путем восстановления формы соответствующим образом профилированных труб-заготовок. В описанном примере выполнения восстановление формы осуществляют обжатием. Однако такое восстановление формы можно осуществлять и другими методами пластической деформации, например, ковкой на молоте, штамповкой или прокаткой. Профили отдельных функциональных элементов можно также изготавливать путем придания круглой трубе соответствующей формы деформацией изнутри.

Показанная на примере выполнения разбивка на модули предусмотрена для комплекта функциональных элементов на один цилиндр двигателя. Однако модуль может также состоять из двух дополняющих друг друга участков функциональных элементов двух смежных цилиндров, если это целесообразно с точки зрения распределения функциональных профилей по периметру.

Отдельные функциональные элементы изготавливают соответственно из пригодных для этих целей материалов. При этом целесообразно оптимизировать задачу разделения на элементы при изготовлении, обработке и установке вращающихся, соответственно воспринимающих нагрузку профилей, поскольку не всегда удается достичь всех свойств с использованием одного материала без его дополнительной обработки. Если, например, выбирают шарикоподшипниковую сталь марки 100 Cr6, то она наиболее пригодна для высокого контактного давления, но трудно поддается обработке. Если выбирают легко обрабатываемые марки стали, то целесообразно после проверки пригодности такой стали подвергать ее поверхностной закалке. Можно также использовать легко деформируемые цементируемые стали, которые после обработки давлением науглероживают. Очевидно, что для отдельных функциональных элементов в соответствии с нагрузкой на их профиль могут быть выбраны самые различные материалы. Важно принять во внимание то, что в зонах стыковки, которыми наряду с функциональными элементами по существу являются кольцевые уступы 5, имеются термически улучшенные структуры для раздачи.

Показанный на фиг. 8а профиль является типичным для кулачка форсуночного клапана дизельного двигателя, а профиль, показанный на фиг. 8б, является типичным для кулачков впускного и выпускного клапанов. В процессе изготовления составных распределительных валов при раздаче с учетом прямолинейности готовых валов их целесообразно зажимать на опорных участках в призматических направляющих, которые известны.

В изобретении описан составной полый вал с размещенными снаружи функциональными элементами, собранный путем раздачи некоторых расположенных в осевом направлении участков. При этом внутренняя труба на участках раздачи деформирована пластически, а функциональные элементы на участках раздачи деформированы только эластично. Функциональные элементы частично объединены в многофункциональные элементы, при этом участки раздачи расположены между функциональными элементами. Многофункциональные элементы (М) состоят из нескольких отдельных деталей, которые смонтированы в осевом направлении, причем отдельные детали некруглой формы имеют в осевом направлении расположенные концентрично основной окружности кольцевые уступы, внутренний диаметр которых немного больше наружного диаметра внутренней трубы и которые со стороны, примыкающей к детали некруглой формы, имеют кольцевой поясок с примерно половинной толщиной стенки, которая дополняется до полной толщины размещенной рядом деталью некруглой формы, а отдельные детали круглой формы имеют внутренний диаметр, точно соответствующий наружному диаметру кольцевых уступов. Согласно изобретению предложен также способ изготовления таких составных полых валов, а также способ изготовления многофункциональных элементов, в частности многокулачковых модулей. Такие многофункциональные элементы применяются при изготовлении составных полых валов. Отдельные функциональные элементы изготавливают из труб с профилем, соответствующим профилю функционального элемента, а затем объединяют в многокулачковый модуль. При этом функциональные элементы некруглой формы в осевом направлении имеют кольцевые уступы, которые расположены концентрично основной окружности и внутренний диаметр которых немного больше наружного диаметра трубы вала. Изобретение повышает надежность полых валов. 3 c. и 3 з.п.ф-лы, 13 ил., 1 табл.

1. Составной полый вал, состоящий из внутренней трубы (3) и размещенных снаружи функциональных элементов и собранный путем раздачи некоторых расположенных в осевом направлении участков трубы, которая на участках раздачи деформирована пластично, а функциональные элементы на участках раздачи деформированы только эластично и участки раздачи расположены между функциональными элементами, частично объединенными в многофункциональные элементы (М), отличающийся тем, что многофункциональные элементы (М) состоят из нескольких отдельных деталей (4), смонтированных по длине трубы, причем отдельные детали (2) некруглой формы имеют в осевом направлении расположенные концентрично основной окружности кольцевые уступы (5), внутренний диаметр которых больше наружного диаметра внутренней трубы (3) и которые со стороны, примыкающей к детали (2) некруглой формы, имеют кольцевой поясок с не менее чем половинной толщиной стенки, которая дополняется до полной толщины размещенной рядом деталью (2) некруглой формы, а отдельные детали круглой формы имеют внутренний диаметр, соответствующий наружному диаметру кольцевых уступов (5). 2. Вал по п.1, отличающийся тем, что многофункциональный элемент (М) имеет внутренний выступ с профилем, соответствующим аксиально проходящему пазу (18) на наружной поверхности трубы. 3. Вал по п.1 или 2, отличающийся тем, что представляет собой распределительный кулачковый вал, а многофункциональные элементы (М) - многокулачковые модули (М), содержащие кулачковые элементы (2), подшипниковые элементы (6) и элементы привода. 4. Вал по любому из пп.1, 2, или 3, отличающийся тем, что кольцевые уступы (5) являются участками раздачи, на части которых материал имеет трехслойную структуру. 5. Способ изготовления составных полых валов (1) по п.1, при котором раздачу отдельных участков осуществляют изнутри трубы гидравлическим давлением жидкости, которую вводят в трубу с помощью зонда, зонд уплотняют относительно трубы на обоих концах в осевом направлении по месту участка раздачи уплотнительными элементами, отличающийся тем, что зонды, имеющие быстроразъемный присоединительный штуцер для передачи давления, перед подсоединением к источнику давления жидкости вводят в трубу и позиционируют на участках раздачи, а затем несколько уже собранных валов с размещенными в них зондами одновременно подсоединяют к источнику давления жидкости и соединяют раздачей. 6. Способ изготовления многофункциональных элементов (М), в частности многокулачковых модулей, применяемых для изготовления составных полых валов (1) с расположенными снаружи функциональными элементами (2, 3), в частности распределительных кулачковых валов по п.3 или 4, отличающийся тем, что отдельные функциональные элементы (2) изготавливают из труб с фасонным профилем, соответствующим профилю функциональных элементов, и собирают в многокулачковые модули (М), причем функциональные элементы (2) некруглой формы имеют в осевом направлении концентричные основной окружности кольцевые уступы (5), внутренний диаметр которых больше наружного диаметра трубы (3) и которые на своих боковых кромках имеют кольцевую зону с не менее чем половинной толщиной стенки, которая дополняется до полной толщины расположенным рядом некруглым функциональным элементом (2), и что эти кольцевые уступы (5) изготавливают путем восстановления формы трубы с фасонным профилем.