Шатун двигателя внутреннего сгорания Российский патент 2021 года по МПК F16C7/02 

Изобретения относится к машиностроению, а именно к двигателестроению и касается конструкции составных шатунов поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Известны конструкции шатунов выполненных из высокопрочных алюминиевых сплавов, а также из композитных материалов. Вышеуказанные шатуны не получили широкого применения из-за сложности и высокой стоимости их изготовления. Они используются, в основном, в высокофорсированных по оборотам каленчатого вала двигателях, которые устанавливаются на спортивные автомобили. Применение рассматриваемых шатунов обусловлено необходимостью снижения инерционных сил за счет уменьшения веса возвратно-поступательно движущихся масс кривошипно-шатунного механизма в высокооборотных двигателях.

В высокооборотных поршневых двигателях внутреннего сгорания силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс кривошипно-шатунного механизма на режиме максимальной мощности вызывают значительные усилия растяжения в стержне шатуна при такте впуска во время движения поршня от верхней мертвой точки (В.М.Т.) к нижней мертвой точке (Н.М.Т). Напряжения растяжения в стержне шатуна от растягивающих усилий могут достигать величин напряжения сжатия от суммарного действия газовых и инерционных сил во время рабочего такта двигателя.

В связи с вышеуказанным следует отметить, что предел прочности большинства конструкционных материалов из композитов и легких сплавов при растяжении значительно меньше предела прочности при сжатии. Поэтому возникает необходимость усиления прочности шатунов при восприятии растягивающих усилий за счет усовершенствования их конструкций, а также технологического упрочнения.

Наиболее простым решением для усиления прочности шатуна при растяжении является установка высокопрочной стальной ленты по его внешнему контуру с предварительным натягом, обуславливающим напряжение сжатия в стержне шатуна в собранном состоянии. Таким образом, при работе двигателя растягивающие усилия в шатуне воспринимаются также высокопрочной стальной лентой. Для создания предварительного натяга, за счет стягивающего усилия в стальной ленте применяют соединение болт - гайка. Однако указанное техническое решение увеличивает массу и габариты шатуна, что является значительным его недостатком.

Заявителю неизвестно техническое решение, которое могло бы служить аналогом для заявляемого изобретения.

Задачей заявляемого изобретения является разработка конструкции составного шатуна с дополнительным его упрочнением в виде высокопрочной стальной ленты, установленной по внешнему контуру шатуна с предварительным натягом, что обеспечивает увеличение прочности при его растяжении.

Поставленная задача решается тем, что составной шатун двигателя внутреннего сгорания, содержащим стержень шатуна, нижнюю и верхнюю головки, крышку нижней головки шатуна, болты крепления крышки с переменным диаметром по его длине, высокопрочную стальную ленту установленную по внешнему контуру шатуна и планку из высокопрочной листовой стали, расположенной на внешней поверхности крышки шатуна. Стальная лента установленная по внешнему контуру стержня шатуна ограничена по длине двумя отверстиями на ее концах, через которые проходят болты крепления крышки шатуна при ее присоединении к нижней головке данной детали. Планка на внешней стороне крышки шатуна имеет на концах отверстия через которые также проходят болты при креплении крышки шатуна к его нижней головке. Расстояние между центрами отверстий на ленте, установленной по внешнему контуру стержня шатуна меньше геометрического расстояния между осями болтов, если измерение производить по внешнему контуру шатуна через верхнюю его головку. Расстояние между осями отверстий в планке, установленной на крышке шатуна, также меньше расстояния между осями болтов. Болты крепления крышки к нижней головке шатуна имеют переменный, ступенчатый диаметр по его длине. Резьбовая часть болта плавно соединена конической поверхностью с увеличенной цилиндрической посадочной поверхностью, непосредственно примыкающей к его головке.

В процессе сборки шатуна при завинчивании болтов, отверстия в ленте, установленной по внешнему периметру шатуна и в планке на его крышке, перемещаются по конической поверхности и занимают окончательное положение на цилиндрическом посадочном поясе стержня полностью завинченных болтов. При этом возникают растягивающие усилия в ленте расположенной по внешнему периметру шатуна при одновременном сжатии его стержня. Аналогично возникают растягивающие усилия и в планке на крышке шатуна. В результате образуется силовой пояс по внешнему контуру шатуна в виде составного обруча из упрочняющей ленты и планки на крышке шатуна.

Предлагаемая конструкция составного шатуна обеспечивает эффективное упрочнение шатуна при восприятии максимальных растягивающих усилий в его стержне при работе двигателя на режиме максимальной мощности.

На фиг. 1 представлена заявляемая конструкция составного шатуна в сборе; на фиг. 2 стержень шатуна с болтом; на фиг. 3 схема натяжения упрочняющей ленты, расположенной по внешнему контуру шатуна; на фиг. 4 изображена схема растяжения планки на крышке шатуна; на фиг. 5 показана крышка шатуна.

Упрочнение стержня шатуна 1 (фиг. 1) осуществляется посредством ленты 2, которая зафиксирована на внешнем контуре шатуна 1 и крышки шатуна 3 болтами 4 и 5, а также выступами 6 и 7 (фиг. 2) на верхней головке шатуна 8. Крышка 3 усилена планкой 9, изготовленной из той же тонколистовой стали, которая применяется для изготовления ленты 2. Планка 9 через два отверстия плотно прижата болтами 4 и 5 к наружной поверхности крышки 3. Болты 4 и 5 имеют переменный, ступенчатый диаметр стержня по своей длине. Резьбовая часть 10 болта (фиг. 2) плавно соединена конической поверхностью 11 с увеличенным по диаметру цилиндрическим посадочным поясом 12, непосредственно примыкающим к его головке 13. В ленте 2 (фиг. 3) расстояние по ее контуру между центрами отверстий под болты 4 и 5 меньше геометрического расстояния в шатуне между осью болтов 4 и 5, если измерение проводить по условной линии опоясывающей внешний периметр шатуна от оси болта 4 через верхнюю головку шатуна, по середине между выступами 6 и 7 (фиг. 2) до оси болта 5. Поэтому образуется несовпадение осей отверстий в ленте 2 и болтов 4 и 5, которое показано на схематическом рисунке (фиг. 3). Как видно из схемы, расстояние между болтами 4 и 5 L меньше расстояния L₁ между отверстиями в ленте 2, условно, плотно, без зазоров прижатой к поверхности шатуна. Эта разность определяет величину натяга ленты 2 и соответственно сжатия стержня 14 в собранном шатуне 1 (фиг. 1).

В планке 9 расстояние между осью отверстий L₂ меньше расстояния L между осью болтов 4 и 5, и эта разность определяет величину растягивающих усилий в ней при сборке шатуна (фиг. 4). Наружная поверхность 15 крышки шатуна 3 (фиг. 5), к которой плотно прилегает, находящаяся под натягом планка 9 (фиг. 1), выполнена выпуклосферической, что обеспечивает повышение ее жесткости.

В процессе сборки шатуна 1 при завинчивании болтов 4 и 5 происходит перемещение отверстий на концах ленты 2 и планки 9 (фиг. 1) по конической поверхности 11 с последующим их окончательным расположением на цилиндрическом посадочном пояса 13, примыкающем к головке болта 13 (фиг. 2). После сборки шатуна 1 лента 2 и планка 9 находятся под действием растягивающих усилий, что вызывает сжатие стержня 14 шатуна и увеличение жесткости его крышки 3. Лента 2 и планка 9 в совокупности образуют стягивающий силовой обруч на внешнем контуре шатуна 1.

При работе двигателя в стержне шатуна возникают законопеременные нагрузки сжатия и растяжения. Растягивающие усилия совместно и одновременно воспринимают стержень шатуна и упрочняющая его стальная высокопрочная лента.

Таким образом, установка высокопрочной стальной ленты по внешнему контуру шатуна и планки на его крышке, значительно повышает прочность и надежность данной детали. Иными словами, заявляемое изобретение обеспечивает усовершенствование кривошипно-шатунного механизма и повышение надежности двигателя внутреннего сгорания.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Шатун (1) двигателя внутреннего сгорания содержит стержень шатуна, верхнюю головку (8) и нижнюю головку, крышку (3) нижней головки, болты (4), (5), упрочняющие ленту (2) и планку (9). Упрочняющая лента (2) закреплена через отверстия на своих концах болтами (4), (5) на крышке (3) шатуна, опоясывает стержень шатуна по его внешнему контуру от одного болта (4) до другого болта (5) через верхнюю головку (8) шатуна. Расстояние между центрами отверстий на концах ленты (2) меньше расстояния между осями болтов, (4), (5) измеренного по внешнему контуру шатуна через его верхнюю головку (8). В планке (9) на крышке (3) шатуна расстояние между центрами отверстий меньше расстояния между осями болтов (4), (5). Резьбовая часть болта (4) или (5) через коническую поверхность соединена с увеличенным по диаметру цилиндрическим осадочным поясом под отверстия в упрочняющих ленте (2) и планке (9). Технический результат заключается в повышении прочности и надежности шатуна. 5 ил.

Шатун двигателя внутреннего сгорания, содержащий стержень шатуна, верхнюю и нижнюю головки, крышку нижней головки, болты, упрочняющие ленту и планку, отличающийся тем, что упрочняющая лента, закрепленная через отверстия на своих концах болтами на крышке шатуна, опоясывает стержень шатуна по его внешнему контуру от одного болта до другого через верхнюю головку шатуна, расстояние между центрами отверстий на концах ленты меньше расстояния между осями болтов, измеренного по внешнему контуру шатуна через его верхнюю головку, в планке на крышке шатуна расстояние между центрами отверстий меньше расстояния между осями болтов, резьбовая часть болта через коническую поверхность соединена с увеличенным по диаметру цилиндрическим осадочным поясом под отверстия в упрочняющих ленте и планке.