ТОЛКАТЕЛЬ ТОПЛИВНОГО НАСОСА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области дизельного двигателестроения, а именно к топливным насосам высокого давления (далее - ТНВД).
Широкое распространение получили ТНВД поршневого типа. В отечественной технической литературе поршень ТНВД принято называть плунжером, а общепринятым наименованием промежуточной детали, через которую происходит передача осевого усилия от вала топливного насоса к плунжеру и обратно, является толкатель (см., например, И.И. Габитов, Л.В. Грехов, А.В. Неговора. Техническое обслуживание и диагностика топливной аппаратуры автотракторных дизелей: Учебное пособие. - Уфа: Изд-во БГАУ, 2008. - 240 с.).
Привод плунжеров в современных ТНВД часто осуществляется с помощью кольцеобразного кулачка, установленного на эксцентриковом валу. Одной из наиболее высоконагруженных пар трения в таких ТНВД является пара «толкатель-кольцеобразный кулачок».
Известен топливный насос высокого давления (заявка RU 2020130890, заявл. 18.09.2020), в котором на торце толкателя плунжера, контактирующем с кольцеобразным кулачком, выполнена центральная цилиндрическая впадина заданных размеров с плоским внутренним торцом. Расположение цилиндрической впадины на толкателе при работе ТНВД соответствует расположению зоны выпучивания на кольцеобразном кулачке. Контакт между толкателем и кольцеобразным кулачком происходит по плоским поверхностям, площадь которых определяется размерами кольцевой зоны на торце толкателя, ограниченной, с одной стороны его наружным диаметром и, с другой стороны, диаметром центральной цилиндрической впадины на его торце. Несмотря на то, что контакт в данном случае происходит по значительно большим площадям, к недостаткам известного решения все же относится повышенное контактное давление в сопряжении кольцевой плоской поверхности толкателя, взаимодействующей с трущейся поверхностью кольцеобразного кулачка. Наличие повышенного контактного давления может быть потенциальным источником натиров и задиров в паре трения.
Одним из мероприятий по повышению износостойкости пар трения является использование эффекта избирательного переноса (эффекта Д.Н. Гаркунова - И.В. Крагельского), осуществляемого путем предварительного создания на поверхности деталей, составляющих пару трения, пленки меди.
Известен способ обработки поверхностей трения, предполагающий заполнение системы смазки изделия раствором однохлористой меди в ацетоне и вращение деталей в эксплуатационном режиме, причем дополнительно возможна установка медного катода и пропускание электрического тока между деталями пары трения и медным катодом (A.C. SU №1463804, опубл. 07.03.1989. Бюл. №9). К недостаткам известного решения относится удорожание производства ТНВД из-за введения в технологический процесс дополнительной затратной операции, которая требует специфических расходных материалов (раствор соли меди в ацетоне, медный катод), дополнительного оборудования (вытяжка при работе с ацетоном и установка для подачи тока) и мер безопасности, необходимых при работе с электроустановками.
Наиболее близким, по совокупности существенных признаков - прототипом заявляемой полезной модели - является поршневой насос, в частности радиально-поршневой насос, для топлива двигателя внутреннего сгорания, в котором толкатель включает дополнительную деталь, содержащую по меньшей мере один слой самосмазывающегося материала и контактирующую этим слоем с плоским участком кольцеобразного кулачка (пат. RU 2196248, опубл. 10.01.2003, Бюл. №1).
По известному решению, в кольцеобразную полость корпуса толкателя, называемого авторами подушкой, по тугой посадке установлена дополнительная деталь - дискообразный башмак. При этом каждый башмак содержит металлическую опору из стали или бронзы, покрытую по меньшей мере одним слоем самосмазывающегося материала, включающего политетрафлуорен и свинец, каждый слой обращен к соответствующему плоскому участку и поддерживается эластично соприкасающимся с ним посредством соответствующей пружины для обеспечения смазки между подушкой и плоским участком при любом рабочем режиме насоса. Каждый башмак дополнительно прикреплен к подушке посредством болтов, сварки или связующего вещества. По крайней мере, в тех случаях, когда металлическая опора башмака изготовлена из бронзы, в контакте используется эффект избирательного переноса.
К недостаткам известного решения относятся:
усложнение технологии изготовления топливного насоса высокого давления из-за необходимости нанесения на башмак слоя самосмазывающегося материала;
необходимость выполнения точных размеров башмака и полости в подушке для обеспечения заданной («тугой») посадки;
необходимостью крепления башмаков к подушкам болтами, сваркой или связующим материалом.
ограниченностью применения известного решения из-за ограниченной механической прочности слоя тефлона и возможными проблемами с его долговечностью при давлениях топлива 180 МПа и выше, характерных для современного уровня развития топливных систем;
ограниченностью применения известного решения из-за потенциально вредного влияния свинца на живые организмы (см., например, Титов А.Ф. и др. Влияние свинца на живые организмы. Журнал общей биологии. Том 81, №2. Март-апрель, 2020. Стр. 147-160. [Электронный ресурс]. URL:/ https://elementy.ru/genbio/resume/626/Vliyanie_svintsa_na_zhivye_organizmy; дата обращения: 07.07.2021).
Технической задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является устранение недостатков прототипа - повышение технологичности конструкции толкателя топливного насоса высокого давления за счет упрощения конструкции башмака и его соединения с корпусом толкателя, обеспечение надежной работы «толкатель-кольцеобразный кулачок» при давлениях до 180 МПа и отсутствие вредного влияния на жизнь и здоровье человека.
Поставленная техническая задача решается за счет совокупного применения следующих конструктивных решений:
выполнение башмака в виде цельной детали из бронзового сплава марки БрО5Ц5С5 без дополнительного покрытия;
установки башмака в полость, выполненную в корпусе толкателя по посадке с зазором с последующим объемным пластическим деформированием башмака и образованием неразборного соединения его с корпусом толкателя.
Новизной в толкателе топливного насоса высокого давления, предлагаемом в качестве настоящей полезной модели, является форма полости, выполняемой под установку башмака, применение башмака из бронзового сплава марки БрО5Ц5С5 без какого-либо покрытия, установка башмака с первоначальным диаметральным зазором и далее его объемное деформирование для обеспечения неразборного соединения и заданного выступания над торцовой поверхностью толкателя.
Указанные признаки являются новыми, существенным и промышленно выполнимыми и направлены на решение поставленной полезной моделью технической задачи.
Конструкция толкателя топливного насоса высокого давления, предлагаемая в соответствии с заявляемой полезной моделью, поясняется чертежами (фиг. 1, фиг. 2). Толкатель ТНВД включает корпус 1 и башмак 2.
В корпусе 1 выполнена центральная кольцевая полость заданного профиля, образованная последовательным сочетанием следующих поверхностей: цилиндрической 12, конической 13, плоским кольцевым торцом 14, конической 15, плоским кольцевым торцом 16, цилиндрической 17 и плоским торцом 18. Поверхности 14, 16 и 18 параллельны наружной торцовой поверхности 11 подушки 1. Поверхности 12-18 сопряжены радиусами, величина которых определяется технологическими возможностями заточки режущего инструмента, применяемого при обработке корпуса 1
Коническая поверхность 13 необходима для формообразования части башмака 2, которая, после деформации, будет обеспечивать фиксацию башмака 2 от выпадения из корпуса 1. Усилие удержания башмака 2 в корпусе 1 в предлагаемом толкателе ТНВД обеспечивается не силой трения наружной поверхности башмака 2 о поверхность кольцевой полости корпуса 1, как в решении, принятом за прототип, а за счет прочности деталей. Это делает возможным отказаться от дополнительных мер по фиксации башмака 2 в корпусе 1, в том числе от винтов, сварки, клея и т.д. Угол конусности поверхности 13 составляет 5°.
Коническая поверхность 15 играет роль второй направляющей в процессе деформирования башмака 2 при установке. Угол конусности поверхности 15 составляет 5°.
Башмак 2 выполнен из сплава БрО5Ц5С5 и перед установкой в корпус 1 имеет форму плоского диска.
Наружный диаметр башмака 2 и диаметр цилиндрической поверхности 12 подобраны таким образом, что образуют в начальный момент сборки диаметральный зазор от 0,1 мм до 0,3 мм. При этом величина поля допуска на наружный диаметр башмака 2 составляет 0,1 мм, а величина поля допуска на диаметр цилиндрической поверхности 12 составляет 0,2 мм. Такие заданные требования позволяют не считать корпус 1 и башмак 2 прецизионными деталями (в отношении этих размеров). Сопрягаемые поверхности корпуса 1 и башмака 2 могут быть обработаны на металлообрабатывающих станках средней точности. Башмак 2 может быть изготовлен, например, точением из круглой заготовки - серийно производимых в России бронзовых прутков марки БрО5Ц5С5. Кроме того, с учетом того, что наружный диаметр корпуса 1 толкателя в современных ТНВД, практически, не превышает 050 мм, а также с учетом величины диаметрального зазора при установке башмака 2 в корпус 1 и величины полей допусков на размеры сопрягаемых поверхностей, башмак 2 может быть получен листовой штамповкой из соответствующего листа или ленты, что еще более упростит и удешевит технологию его изготовления в массовом производстве.
Башмак 2 устанавливают с диаметральным зазором в отверстие корпуса 1, ограниченное поверхностью 12, до упора в плоский кольцевой торец 16. Затем воздействуют на наружный, выступающий из корпуса 1, торец башмака 2 усилием, необходимым для объемной деформации, при которой башмак 2 заполняет кольцевую полость в корпусе 1 (см. фиг. 1). Исходная толщина башмака 2 и размеры поверхностей 12-18, образующих профиль кольцевой полости в корпусе 1, подобраны таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить заполнение кольцевой полости в корпусе 1 материалом башмака 2 и, во-вторых, чтобы обеспечить заданное выступание наружного торца башмака 2 над торцом 11 корпуса 1.
Частным случаем исполнения предлагаемого в качестве настоящей полезной модели толкателя топливного насоса высокого давления является применение башмака 2 с упрочненным слоем, образованным на его наружном торце, выступающем над поверхностью 11 корпуса 1 в процессе запрессовки. В зависимости от способа приложения усилия к наружному торцу башмака 2 при запрессовке в корпус 1, на наружном торце башмака 2 может образоваться деформационный наклеп. Такой вариант исполнения толкателя топливного насоса высокого давления является полезным, так как будет способствовать повышению прочности башмака и, соответственно, повышению верхней границы диапазона давлений топлива, которые должен создавать ТНВД.
Предлагаемый в качестве настоящей полезной модели толкатель топливного насоса высокого давления работает следующим образом.
При вращении вала 4 плоские участки 51 кольцеобразного кулачка 5 совершают плоскопараллельные перемещения, передавая поступательное движение через башмак 2 и корпус 1 толкателя плунжеру 6. При этом происходит взаимное проскальзывание башмака 2 относительно плоского участка 51 кольцеобразного кулачка 5. Медь, входящая в состав материала башмака 2, образует на поверхности плоского участка 51 кольцеобразного кулачка 5 защитную пленку - осуществляется процесс избирательного переноса: пленка меди возникает в зонах наибольшего контактного давления, так называемых пятнах контакта.
Пример осуществления полезной модели.
На Алтайском заводе прецизионных изделий был изготовлен двухсекционный ТНВД с толкателями по предлагаемому решению. Наибольшая глубина кольцевой полости в корпусах толкателей составляла 1,02 мм и 1,05 мм. Толщина башмаков перед установкой в корпуса толкателей составляла 1,5 мм и 1,48 мм. Диаметральный зазоры при установке башмаков составляли 0,15 мм и 0,18 мм. После сборки ТНВД был установлен на стенд и успешно прошел 1000 часовые безмоторные испытания при номинальном давлении топлива в системе 180 МПа. Состояние поверхностей кольцеобразного кулачка и башмаков обоих толкателей - удовлетворительное. ТНВД направлен на 1000 часовые моторные испытания без замены комплектующих.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение надежности и долговечности топливного насоса высокого давления за счет уменьшения износа деталей в паре «толкатель - кольцеобразный кулачок», а также повышение технологичности конструкции за счет возможности расширения допусков на размеры сопрягаемых деталей, а также за счет отказа от нанесения на башмак самосмазывающегося слоя и обязательного крепления башмака к толкателю с помощью винтов, сварки или клея.