КАРТЕР ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ИЛИ КОМПРЕССОРА
CARTER FOR ENGINE OR COMPRESSOR

Изобретение относится к экономичному в изготовлении картеру для двигателя или компрессора, к двигателю или компрессору с таким картером, а также к способу его изготовления.
Для обеспечения сжатым воздухом пневматических тормозных устройств грузовиков и автобусов, как правило, используются компрессоры с одним или двумя поршнями. Коленчатый вал приводится во вращение с помощью приводного агрегата. Шатуны установлены с возможностью вращения как на коленчатом валу, так и в поршнях. Вращательное движение коленчатого вала преобразуется шатунами в возвратно-поступательное движение поршней в своих цилиндрах. Благодаря такому возвратно-поступательному движению воздух уплотняется. Картеры таких компрессоров отливают, как правило, цельными из чугуна в песчаной форме или изложнице. В качестве альтернативы известен цельно отливаемый в песчаной форме цилиндр из серого чугуна, монтируемый на основной картер из алюминия, изготовленный способом литья под высоким давлением.
У компрессоров с двумя или более цилиндрами изготовление кривошипной камеры большого объема, в которой во время работы вращается коленчатый вал, с использованием способа литья под высоким давлением весьма затруднительно. Вследствие этого часть картера, содержащая кривошипную камеру, часто изготавливают из двух деталей. Это требует после литья трудоемкого монтажа и приводит к стыкам между деталями картера, которые принципиально подвержены течи.
Отсюда задача изобретения состоит в создании такого картера для двигателя или компрессора, который можно изготавливать простым способом в виде цельного блока, чтобы было проще его монтировать и чтобы одновременно он был меньше подвержен течи, чем картер, изготовленный из нескольких деталей согласно уровню техники.
Эта задача решается в изобретении с помощью картера согласно основному пункту формулы изобретения, двигателя или компрессора согласно дополнительному независимому пункту формулы изобретения, а также способа изготовления согласно другому независимому пункту формулы изобретения. Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения вытекают из соподчиненных зависимых пунктов формулы изобретения.
В рамках изобретения был создан картер для двигателя или компрессора. Такой картер имеет продолговатую кривошипную камеру с двумя торцевыми поверхностями. Под продолговатостью понимается, что кривошипная камера располагается по оси и имеет вдоль этой оси больший размер, чем размер в перпендикулярном этой оси направлении. Кривошипная камера служит для размещения коленчатого вала.
Кроме того, предусматривается по меньшей мере одна полость цилиндра, в которой в результате вращения коленчатого вала поршень совершает возвратно-поступательное движение.
Кривошипная камера имеет на первой торцевой поверхности отверстие, через которое в нее вводится коленчатый вал. Согласно изобретению, внутренний диаметр кривошипной камеры плавно уменьшается от первой торцевой поверхности ко второй.
Под плавным сужением понимается, что внутренний диаметр кривошипной камеры на участке вдоль ее оси от первой торцевой поверхности ко второй торцевой поверхности только уменьшается или остается неизменным, но не увеличивается.
Было установлено, что кривошипную камеру такой формы можно особенно просто изготавливать путем заливки материала картера вокруг профилирующего стержня. Такой профилирующий стержень должен плавно сужаться от своего первого конца к своему второму концу, чтобы его можно было извлекать из картера после заливки за его первый конец. Кривошипные камеры, известные из уровня техники, имеющие форму прямого цилиндра или множество поднутрений, не позволяют изготавливать их таким простым способом. Благодаря формованию кривошипной камеры согласно изобретению картер может изготавливаться цельным и одновременно очень компактным.
При этом сначала пришлось мириться с недостатком, что у двигателя или компрессора с несколькими цилиндрами по меньшей мере у одного шатуна одного из цилиндров имеется заметно меньшая зона перемещения в кривошипной камере и, таким образом, как правило, шатун должен иметь меньшие размеры и/или объем кривошипной камеры вблизи первого торца должен быть выполнен большим. Установлено, что этот недостаток с избытком компенсируется существенным упрощением изготовления картера.
Предпочтительно, чтобы кривошипная камера сужалась от первой торцевой поверхности ко второй торцевой поверхности в виде конуса или усеченного конуса. Предпочтительно боковая поверхность конуса или усеченного конуса имеет угол наклона к оси симметрии от 0,5 до 10°, более предпочтительно от 0,5 до 5° и особенно предпочтительно от 1 до 5°. В таком случае используемый для изготовления профилирующий стержень будет наиболее просто извлекаться после заливки. Картер предпочтительно отливается цельным. Предпочтительно, чтобы он, по меньшей мере, частично состоял из алюминия, магния, титана, алюминиевого, магниевого или титанового сплава или другого легкого сплава, разливаемого под давлением. Кривошипная камера может также сужаться в виде конуса или усеченного конуса от обеих своих торцевых поверхностей к ее внутренней части соответственно, что, например, может достигаться заливкой вокруг двух профилирующих стержней, которые затем извлекаются в противоположных направлениях. Тем самым может быть увеличена зона перемещения шатуна вблизи второй торцевой поверхности. У компрессора с двумя цилиндрами, например, можно достичь того, что в обоих цилиндрах могут использоваться шатуны одинаковых размеров.
Двигатель или компрессор согласно изобретению содержит картер по изобретению. В этом картере предусмотрены, по меньшей мере, две полости цилиндра, каждая для размещения одного поршня. Поршни приводятся в действие коленчатым валом. Для этого в каждой полости цилиндра предусмотрен шатун, который своей первой головкой на коленчатом валу и второй головкой на перемещающемся в полости цилиндра поршне установлен с возможностью вращения. Согласно изобретению, по сравнению с двумя расположенными по оси коленчатого вала шатунами, вместе с соответствующим внутренним диаметром кривошипной камеры уменьшается также наружный диаметр шатуна на участке первой головки шатуна и/или внутренний диаметр первого шатуна.
Если картер содержит, например, два цилиндра, то первый цилиндр будет располагаться ближе к отверстию, через которое коленчатый вал может вставляться в кривошипную камеру, чем второй цилиндр. Тогда в месте расположения первого шатуна, где внутренний диаметр кривошипной камеры больше, имеется больше пространства для перемещения головки шатуна вокруг коленчатого вала. В месте расположения второго шатуна, где внутренний диаметр кривошипной камеры меньше, имеется вокруг коленчатого вала соответственно меньше пространства для перемещения первой головки второго шатуна вокруг коленчатого вала. Согласно изобретению второй шатун адаптирован к этому.
Разумеется, можно использовать меньший шатун в обоих цилиндрах. Однако шатун увеличенной толщины естественно будет также более стабильным. Ценой незначительного повышения издержек при изготовлении двух отличающихся деталей можно в целом повысить выдерживаемую шатунами нагрузку при использовании двух отличающихся по размерам шатунов. Точные размеры шатунов определяются в зависимости от потребной мощности компрессора или двигателя.
Как правило, шатун, расположенный по оси коленчатого вала ближе к приводу компрессора, нагружается механически сильнее. Это относится также к шатунной шейке, связывающей этот шатун с коленчатым валом. Поэтому предпочтительно подключать привод к концу коленчатого вала, который проходит через первую торцевую поверхность. В таком случае шатун, который находится наиболее близко к приводу, имеет максимальную свободу движения в кривошипной камере и соответственно может иметь большие размеры.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения поршни имеют идентичные диаметры и/или идентичные длины хода. Особенно предпочтительно, когда они имеют как идентичные диаметры, так и идентичные длины хода. В таком случае сжатие воздуха происходит равномерно; сужение кривошипной камеры более не сказывается на расположенном за компрессором устройстве снабжения воздухом. Предпочтительно компрессор имеет для этого только одну ступень сжатия.
Предпочтительно на первой торцевой поверхности кривошипной камеры расположен фланец. Такой фланец позволяет адаптировать картер к самым разным ведомым валам, приводам и прочей аппаратуре в моторном отсеке транспортного средства без необходимости какого-либо изменения литейной формы для картера. Особенно предпочтительно, чтобы для соединения с ведомым валом или приводом коленчатый вал проходил через упомянутый фланец.
В качестве альтернативы или в комбинации с этим фланец может выполнять и другие функции. Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения он может быть выполнен с возможностью крепления двигателя или компрессора в моторном отсеке транспортного средства. В качестве альтернативы или в комбинации он может быть также выполнен с возможностью крепления дополнительного агрегата на двигателе или компрессоре, приводимого в действие коленчатым валом. Таким дополнительным агрегатом может быть, например, насос гидравлического усилителя рулевого привода.
Полости цилиндра могут полностью располагаться в картере. Однако они могут также лишь начинаться в картере и продолжаться в цилиндрах, которые монтируются на картере в качестве отдельных деталей. Рабочие поверхности цилиндров являются быстроизнашивающимися деталями. Если они изношены, то экономичнее заменить лишь отдельно монтируемый цилиндр, чем отказаться от всего картера. Кроме того таким образом можно сэкономить на весе картера. Например, алюминий особенно предпочтителен в качестве материала для картера, так как он легок. Сталь, напротив, более износостойкая и, таким образом, больше подходит для изготовления рабочей поверхности цилиндра. Посредством картера из алюминия и цилиндров из стали можно комбинировать особые преимущества обоих материалов.
В рамках изобретения был также создан способ изготовления картера согласно изобретению. Этот способ отличается тем, что кривошипная камера изготавливается путем заливки материалом картера вокруг продолговатого профилирующего стержня с двумя концами, наружный диаметр которого плавно уменьшается от его первого конца ко второму. В качестве материала картера особенно предпочтителен алюминий.
Установлено, что изготовление кривошипной камеры особенно критично, так как она представляет собой наибольшую полость в картере. Посредством профилирующего стержня этой полости придается стабильность до тех пор, пока залитый материал не остынет и полость не станет самонесущей. Таким образом, изготовление цельного картера существенно упрощается. Предпочтительно профилирующий стержень после его заливки извлекался из картера за его первый конец. Однако при других способах, отличных от способов литья под давлением, может оказаться целесообразным удалять его путем разрушения, например, разбивания или растворения травильным раствором.
Материал картера должен по возможности слабо сцепляться с материалом профилирующего стержня. Поэтому предпочтительно он состоит из иного материала, чем материал картера.
Профилирующий стержень может сужаться, в частности, в виде конуса или усеченного конуса. Предпочтительно боковая поверхность этого конуса или усеченного конуса наклонена к его оси симметрии под углом от 5 до 30°, еще более предпочтительно от 5 до 15°.
Если же профилирующий стержень сужается существенно больше, то кривошипная камера на своем втором конце будет возможно слишком тесной для движения шатуна вокруг коленчатого вала. Если профилирующий стержень сужается существенно меньше, то будет значительно сложнее извлекать его из остывшего материала картера и возможно он разрушится при этой попытке.
Ниже предмет изобретения поясняется с помощью фигур, которые его не ограничивают и на которых изображено:
фиг. 1 – двусоставной картер согласно уровню техники;
фиг. 2 – двусоставной картер согласно уровню техники с дополнительным фланцем для соединения с приводом;
фиг. 3 – изготовление картера согласно изобретению;
фиг. 4 – сравнение двух шатунов, применяемых согласно варианту осуществления изобретения в картере с двумя цилиндрами;
фиг. 5 – внешний вид картера согласно изобретению с дополнительным фланцем для соединения с приводом или ведомым валом.
На фиг. 1 показан двусоставной картер согласно уровню техники. Он состоит из корпусных деталей 11 и 12. Недостатком является необходимость наличия на его конце 13, через который пропущен коленчатый вал, T-образного уплотнения для соединения с приводом. Последнее подвержено течи.
На фиг. 2 показан другой картер компрессора согласно уровню техники. Этот картер также состоит из двух деталей 21 и 22. Для соединения с приводом в нем предусмотрен дополнительный фланец 23. Благодаря этому фланцу уплотнение обеих деталей 21 и 22 картера относительно друг друга разъединено от уплотнения для соединения с приводом. Вследствие этого риск течи уменьшается. Однако недостатком по-прежнему является необходимость трудоемкого монтажа, и требуемые для этого болты и гайки часто труднодоступны для пользователя из-за узости пространства.
На фиг. 3 показано изготовление картера 3 согласно изобретению. Этот картер имеет кривошипную камеру 31, первую полость 32a цилиндра и вторую полость 32b цилиндра. У кривошипной камеры имеются два торца 31a и 3lb. На торце 31a имеется отверстие 33, через которое в кривошипную камеру 31 может заводиться коленчатый вал. В показанном на фиг. 3 состоянии в этом отверстии и в части кривошипной камеры находится профилирующий стержень 34 со своими концами 34a и 34b. Этот профилирующий стержень сужается от своего первого конца 34a к своему второму концу 34b. В показанном на фиг. 3 положении он уже частично извлечен из картера 3 после остывания отлитого материала.
На фиг. 4 показано сравнение двух шатунов, которые используются в изображенном на фиг. 3 варианте выполнения картера компрессора. Слева от линии «а» показаны первый шатун 41a и необходимая для его перемещения зона 45а кривошипной камеры. Справа от линии «а» показаны второй шатун 41b и необходимая для его перемещения зона 45b кривошипной камеры. Второй шатун 41b используется в полости 32b цилиндра, которая находится дальше от отверстия 33, чем первая полость 32a цилиндра. В полости 32a цилиндра используется первый шатун 41a. Здесь имеющаяся зона перемещения является большей.
Первый шатун 41a имеет первую головку 42a шатуна и вторую головку 43a шатуна. Посредством первой головки 42a шатун установлен с возможностью вращения на коленчатом валу, а именно, на оси вращения, смещенной относительно оси вращения коленчатого вала. Тем самым при вращении коленчатого вала он приводится в возвратно-поступательное движение. Это движение преобразуется второй головкой 43a шатуна, установленной с возможностью вращения относительно поршня, в возвратно-поступательное движение поршня. Участок, который охватывает первую головку 42a шатуна, обозначен позицией 44a. Его максимальный радиус действия при движении вокруг коленчатого вала определяет зону 45a перемещения, которая необходима первому шатуну в кривошипной камере.
Аналогично второй шатун 41b имеет первую головку 42b шатуна, которая установлена с возможностью вращения на коленчатом валу. Своей второй головкой 43b он располагается с возможностью вращения во втором поршне. Головка 42b шатуна охвачена участком 44b, максимальный радиус действия которого определяет зону 45b перемещения, которая в целом необходима шатуну внутри кривошипной камеры 31. Зона 45b перемещения второго шатуна 41b меньше, чем зона 45a перемещения первого шатуна 41a. Это является следствием того, что внутренний диаметр кривошипной камеры 31 в месте расположения полости 32b цилиндра уменьшился по сравнению с местом расположения полости 32a цилиндра.
На фиг. 5 показан внешний вид готового картера 5 согласно изобретению. На отверстие 51, в которое может заводиться коленчатый вал, установлен фланец 52. Если картер 5 применяется в компрессоре, то к этому фланцу 52 присоединяется привод. Если же картер 5 применяется в двигателе, то к фланцу 52 присоединяется ведомый вал. Полости 53a и 53b цилиндров располагаются внутри картера 5 лишь частично. Они заканчиваются в основной плите 54 со средствами 55 крепления. Впоследствии к основной плите 54 крепится головка блока цилиндров. Поршни не перемещаются непосредственно по алюминию в полостях 53a и 53b цилиндра, а по запрессованным в них гильзам цилиндров, которые могут заменяться при износе.
Картер может изготавливаться методом литья под высоким давлением, но также и с применением других способов литья алюминия, таких, например, как метод литья в песчаные формы или литья в формы. Он может также изготавливаться не из алюминия, а, например, из чугуна.
Перечень позиций
11, 12 корпусные детали
21, 22 корпусные детали
3 картер
31 кривошипная камера
31a, 31b концы кривошипной камеры 31
32a, 32b полости цилиндров
33 отверстие на торце 31a кривошипной камеры 31
34 профилирующий стержень
34a, 34b концы профилирующего стержня 34
41a, 41b шатуны
42a, 42b первая головка шатунов 41a и 41b
43a, 43b вторая головка шатунов 41a и 41b
44a, 44b участок, охватывающий первую головку 42a, 42b шатуна
45а, 45b зоны перемещения шатунов 41а, 41b в кривошипной камере 31
5 картер
51 отверстие картера 5
52 фланец
53a, 53b полости цилиндров
54 основная плита
55 средства крепления