ШАТУН ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ИЗ ЖЕСТКОГО МАТЕРИАЛА С ГИБКОЙ КОНСТРУКЦИЕЙ
ICE CONNECTING ROD OF RIGID MATERIAL WITH FLEXIBLE CONSTRUCTION

Область техники
Настоящее изобретение относится к шатуну поршневого двигателя внутреннего сгорания, а именно к шатуну двигателя внутреннего сгорания с поршневым пальцем «неплавающего» типа, имеющему гибкую конструкцию из жесткого материала.
Предшествующий уровень техники
Шатун двигателя внутреннего сгорания служит для соединения поршня с коленчатым валом для передачи движущей силы и движения между ними. Верхняя головка шатуна соединена с поршнем через шатунный палец, а нижняя головка шатуна соединена с шатунной шейкой коленчатого вала, за счет чего давление при воспламенении смеси, действующее на поршень, передается на коленчатый вал, и возвратно-поступательное движение поршня вызывает вращательное движение коленчатого вала. В этом процессе на шатун действуют переменные нагрузки сжатия, растяжения и изгиба. В случае с плавающим поршневым пальцем, при работе шатуна возникает небольшое относительное смещение между верхней головкой шатуна и поршневым пальцем, что вызывает повреждение верхней головки и поршневого пальца под действием переменных нагрузок. Повреждение создает зазор между верхней головкой и поршневым пальцем, что вызывает неприятный звук поршневого пальца, повреждает верхнюю головку и поршневой палец, или даже вызывает удары по цилиндру. Для снижения повреждения верхней головки и поршневого пальца, в верхнюю головку запрессовывают биметаллический вкладыш в качестве подшипника скольжения, что снижает вероятность повреждения. На биметаллическом вкладыше выполняют канавки или отверстия для подвода масла для распределения смазочного масла при работающем двигателе.
Так как давление воспламенения смеси в двигателях грузовых автомобилей является более высоким, то давление на поверхность вкладыша верхней головки в таких двигателях также является более высоким, и становится достаточно трудно подобрать подходящий материал и сконструировать двигатель с высоким давлением воспламенения, что увеличивает стоимость производства.
При использовании подшипников скольжения в предшествующем уровне техники, используют базу для монтажа подшипника скольжения в виде конструкции повышенной жесткости для обеспечения надежной прессовой посадки при установке подшипника скольжения. Тоже относится и к поршневым двигателям внутреннего сгорания, где подшипник скольжения запрессовывают в центральное отверстие верхней головки, имеющей высокую жесткость, как показано на фиг.1. Надежность работы известной конструкции такого соединения ограничена допустимым давлением на материал вкладыша подшипника скольжения, положением масляной канавки на поверхности трения, технологическими особенностями операции запрессовывания, возможностью появления микроповреждений трущихся поверхностей, а также степенью гибкости и деформации поршневого пальца при восприятии нагрузки. При использовании, т.к. вкладыш может провернуться, масляный канал закупоривается, и происходит повреждение или заклинивание поверхности трения вкладыша из-за отсутствия масла. Из-за этого, нарушение функции вкладыша верхней головки шатуна является одной из наиболее распространенных проблем при работе поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Для решения вышеуказанных проблем, в патентной заявке CN 200480034352.3 раскрыт фосфатированный поршень с поршневым пальцем «неплавающего» типа и шатунный узел, имеющий внутренний проход и профилированный поршневой палец. Палец и поршневой узел главным образом разработаны для оптимизации конструкции поршневого пальца, а слой фосфора нанесен на поршень и шатунный узел для улучшения сопротивления износу между верхней головкой и поршневым пальцем. Однако, конструкция верхней головки здесь остается без всяких улучшений.
Заявителем была подана патентная заявка CN 201120265392.6 от 26.07.2011 г, в которой раскрыт шатун с поршневым пальцем «неплавающего» типа, имеющий верхнюю головку, для поршневого двигателя внутреннего сгорания. Центральное отверстие шатуна используется для поршневого пальца и имеет профилированную конструкцию, при этом соединение между центром центрального отверстия и рабочим окном отверстия сформировано за счет поворота сечения относительно широкого ребра и за счет выполнения масляной канавки, позволяя масляной канавке и широкому ребру сформировать замкнутую петлю. Профилированный поршневой палец используется в обычной жесткой конструкции верхней головки, а не в оптимальной гибкой конструкции верхней головки. В продольном сечении, нижняя внутренняя поверхность профилированного отверстия поршневого пальца, имеет дугообразную форму, а внешняя поверхность поршневого пальца имеет в этом сечении форму прямой линии. Когда линия деформации изгиба поршневого пальца под действием поршня совпадает по форме с дугообразной внутренней поверхностью отверстия профилированного поршневого пальца, деформация изгиба действующая на отверстие профилированного поршневого пальца, соответствует усилию со стороны от поршневого пальца, что позволяет воспринимать усилие от воспламенения смеси высокого давления. Однако, когда деформация изгиба поршневого пальца под давлением не совпадает по форме с дугообразной нижней внутренней поверхностью профилированного отверстия поршневого пальца, то поршневой палец находится в профилированном отверстии поршневого пальца не плотно.
Раскрытие изобретения
Для решения проблемы невозможности использования существующих материала вкладыша для восприятия высоких нагрузок будущих двигателей, имеющих высокое давление воспламенения, и проблемы нарушения функции вкладыша верхней головки шатуна поршневого двигателя внутреннего сгорания, в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения обеспечивается шатун двигателя внутреннего сгорания из жесткого материала с гибкой конструкцией. Настоящее изобретение позволяет улучшить характеристики трения между центральным отверстием и поршневым пальцем без запрессовывания вкладыша подшипника скольжения в центральное отверстии верхней головки шатуна.
B
Техническое решение по настоящему изобретению является следующим. Шатун двигателя внутреннего сгорания включающий верхнюю головку (1) и стержень (2), где верхняя головка (1) имеет центральное отверстие (3). Верхняя головка (1) имеет гибкую конструкцию, выполненную из жесткого материала. В качестве жесткого материала использована сталь или сплав, имеющий предел прочности на разрыв σ, который больше или равен 700 мПа. Верхняя головка (1) соединена по посадке с поршневым пальцем (4). Гибкая конструкция верхней головки (1) позволяет упругую деформацию (Δ2) центрального отверстия (3) вдоль направления его оси, возникающую под действием давления в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, воздействующего на поршневой палец (4), с приспособлением этой упругой деформации к деформации изгиба (Δ1) поршневого пальца (4) вдоль направления его оси.
Верхняя головка (1) может включать корпус кругового сечения (1.1) и гибкую опору. Корпус кругового сечения (1.1) окружает центральное отверстие (3), при этом центральное отверстие (3) является круглым отверстием с постоянным диаметром. Гибкая опора сформирована двумя желобчатыми опорными частями (1.2), выступающими с двух сторон центрального отверстия (3) в его осевом направлении, соответственно. Каждая желобчатая опорная часть (1.2) имеет угловой размер менее половины окружности и выполнена открытой, при этом открытая часть желобчатой опорной части (1.2) обращена к верхней части верхней головки (1). Внутренняя цилиндрическая поверхность желобчатой опорной части (1.2) является продолжением внутренней цилиндрической поверхности нижней части центрального отверстия (3).
Предпочтительно, когда желобчатая опорная часть (1.2) выполнена с толщиной, уменьшающейся в осевом направлении от начала ее выступания к внешнему торцу.
Предпочтительно, когда обе торцевые поверхности центрального отверстия (3) корпуса кругового сечения (1.1) параллельны друг другу.
Предпочтительно, когда обе желобчатые опорные части (1.2) расположены симметрично с двух сторон центрального отверстия (3) на корпусе кругового сечения (1.1).
Предпочтительно, когда каждая из желобчатых опорных частей имеет толщину (H2) 4-8 мм.
Предпочтительно, когда желобчатая опорная часть (1.2) и корпус кругового сечения (1.1) соединены по плавной соединительное дуге с радиусом (R3) 10-30 мм.
Предпочтительно, когда расстояние (L1) между двумя внешними торцевыми поверхностями двух желобчатых опорных частей составляет 1,5-2,5 от расстояния (L2) между двумя торцевыми поверхностями корпуса кругового сечения (1.1).
Предпочтительно, когда масляная канавка с дугообразным профилем (5) выполнена в осевом направлении на внутренней цилиндрической поверхности центрального отверстия (3) рядом со стержнем (2).
B
Улучшение по настоящему изобретению состоит в том, что нижняя часть поверхности центрального отверстия шатуна, на которую действуют напряжения, имеет более гибкую локальную конструкцию в отличие от существующей жесткой конструкции. В частности, верхняя головка шатуна имеет гибкое основание, выполненное из жесткого материала, а именно верхняя головка (1) выполнена из стали или сплава, имеющего предел прочности на разрыв σ, который больше или равен 700 мПа; верхняя головка (1) шатуна соединена по посадке с поршневым пальцем (4); и гибкая конструкция верхней головки (1) обеспечивает упругую деформацию Δ2 центрального отверстия (3) вдоль направления его оси, возникающую под действием давления в цилиндре, воздействующего на поршневой палец (4), с обеспечением соответствия этой упругой деформации деформации изгиба (Δ1) поршневого пальца (4) вдоль направления его оси. Упругая деформация и деформация изгиба продемонстрированы на фиг.6. Таким образом, жесткий контакт обеспечивается между трущимися поверхностями не на малом, а на большом участке, что также предотвращает заклинивание.
В частности, верхняя головка имеет специальную гибкую конструкцию. Корпус кругового сечения (1.1) окружает центральное отверстие (3), которое является круглым отверстием с постоянным диаметром, при этом с двух сторон центрального отверстия (3) выступают желобчатые опорные части (1.2), благодаря чему эта гибкая конструкция позволяет центральному отверстию плотно удерживать поршневой палец при деформации центрального отверстия (3) под давлением поршневого пальца или в недеформированном состоянии покоя, а также при других положения поршневого пальца. Таким образом, между центральным отверстием (3) и поршневым пальцем достигается плотный контакт во всех рабочих положениях, а характеристики трения между центральным отверстием и поршневым пальцем значительно улучшаются.
Дополнительно, две масляные канавки (5) выполнены на двух сторонах центрального отверстия, соответственно, которые проходят вдоль оси центрального отверстия (3). Две желобчатые опорные части (1.2) расположены с двух торцов верхней головки, а каждая из желобчатых опорных частей (1.2) в поперечном сечении представляет собой профиль менее половины окружности и выполнена открытой. Выполнение желобчатой опорной части (1.2) позволяет получать смазочное масло от картера двигателя и подавать смазочное масло на трущиеся поверхности через масляные канавки 5. Такие параметры масляной канавки, как угол наклона, равный углу между вертикальной центральной линией центрального отверстия и линией, соединяющей в поперечном сечении центральную ось масляной канавки (5) и центр центрального отверстия, глубина (H3) масляной канавки и вязкость смазочного масла, могут быть отрегулированы для эффективного использования смазки и обеспечения ее равномерности, а также для предотвращения заклинивания между трущимися поверхностями.
Здесь не требуется использование вкладыша в центральном отверстии, что предотвращает блокировку масляного канала, которая может иметь место при провороте вкладыша.
Другими словами, шатун двигателя внутреннего сгорания, включающий гибкую конструкцию из жесткого материала, имеет практическое значение в улучшении безопасности работы двигателя, упрощении конструкции шатуна, а также позволяет снизить стоимость его изготовления.
Краткое описание фигур чертежей
Фиг. 1 – схема конструкции верхней головки известного шатуна, обеспеченного вкладышем подшипника скольжения;
фиг. 2 – вид в поперечном разрезе верхней головки шатуна по настоящему изобретению;
фиг. 3 – вид слева верхней головки шатуна с фиг. 2;
фиг. 4 – вид в аксонометрии верхней головки шатуна по настоящему изобретению;
фиг. 5 – увеличенный местный вид А с фиг. 4; и
фиг. 6 – вид в сборе, демонстрирующий упругую деформацию центрального отверстия, совпадающую с деформацией изгиба поршневого пальца.
Варианты осуществления изобретения
Для лучшего понимания настоящего изобретения, далее шатун двигателя внутреннего сгорания, имеющий гибкую конструкцию из жесткого материала, будет описан более подробно на примерах со ссылкой на приложенные чертежи.
B
Как показано на фиг. 2, 3 и 4, шатун двигателя внутреннего сгорания имеет гибкую конструкцию из жесткого материала. Шатун включает верхнюю головку 1 и стержень 2. Верхняя головка 1 имеет центральное отверстие 3. Верхняя головка 1 имеет гибкую конструкцию из жесткого материала. Верхняя головка 1 выполнена из стали или сплава, например марки 38MnVS6 или C70S6 с пределом прочности на разрыв σ, который больше или равен 700 мПа.
Верхняя головка 1 шатуна соединена по посадке с поршневым пальцем 4, при этом гибкая конструкция верхней головки 1 обеспечивает упругую деформацию Δ2 центрального отверстия 3 вдоль направления его оси, возникающую под действием давления в цилиндре, воздействующему на поршневой палец 4, для приспособления к деформации изгиба Δ1 поршневого пальца 4 вдоль направления его оси. Верхняя головка 1 с гибкой конструкцией включает корпус кругового сечения 1.1 и гибкую опору. Корпус кругового сечения 1.1 окружает центральное отверстие 3, а центральное отверстие 3 является круглым отверстием с постоянным диаметром. Гибкая опора сформирована двумя желобчатыми опорными частями 1.2, выступающими с двух сторон центрального отверстия 3 в его осевом направлении, соответственно. Каждая желобчатая опорная часть 1.2 меньше полукруга и выполнена открытой; открытая часть желобчатой опорной части 1.2 обращена к верхней головке 1. Внутренняя цилиндрическая поверхность желобчатой опорной части 1.2 является продолжением внутренней цилиндрической поверхности нижней части центрального отверстия 3.
Толщина H2 желобчатой опорной части 1.2 постоянна и составляет 4-8 мм, или может быть непостоянной, например, толщина желобчатой опорной части 1.2 может плавно уменьшаться в осевом направлении от начала ее выступания из корпуса кругового сечения к внешнему торцу.
Две масляные канавки с дугообразным профилем 5 расположены в осевом направлении на двух сторонах внутренней цилиндрической поверхности центрального отверстия 3 рядом с местом соединения верхней головки со стержнем 2, при этом каждая масляная канавка с дугообразным профилем 5 имеет диаметр ØD2, равный 10-30 мм, и глубину H3, равную 0,1-0,3 мм.
Шатун содержит локальную гибкую конструкцию для замены ей жесткой конструкции верхней головки в существующем поршневом двигателе внутреннего сгорания. В частности, параметры по настоящему изобретению можно изменять для изменения жесткости стыка между стержнем и верхней головкой шатуна с получения большей гибкости, чем в существующем шатуне, и достижения гибкости конструкции, обеспечивающей упругую деформацию Δ2 центрального отверстия 3 вдоль направления его оси, возникающую под действием давления в цилиндре, приложенного к поршневому пальцу 4, для обеспечения соответствия этой упругой деформации степени деформации изгиба Δ1 поршневого пальца 4 вдоль направления его оси. Таким образом, точечный жесткий контакт на трущихся поверхностях и эффект заклинивания предотвращаются. К регулируемым параметрам относятся: L1, L2, R1, R2, R3 и H2, где L1 - расстояние между двумя внешними торцевыми поверхностями двух желобчатых опорных частей, L2 - расстояние между двумя торцевыми поверхностями корпуса круглого сечения 1.1, R1 - радиус дуги плавного соединительного перехода между ребром жесткости стержня 2 и желобчатой опорной частью, R2 - радиус дуги плавного соединительного перехода между корпусом стержня и желобчатой опорной частью, R3 - радиус соединительной дуги плавного соединительного перехода между желобчатой опорной частью и корпусом кругового сечения 1.1, и H2 - толщина желобчатой опорной части.
Как показано на фиг. 4, две масляные канавки 5 выфрезерованы на двух сторонах центрального отверстия, соответственно, и эти масляные канавки проходят по центральному отверстию 3 вдоль его оси. Две желобчатые опорные части 1.2 расположены на двух торцах верхней головки, и каждая из желобчатых опорных частей 1.2 имеет в поперечном сечении угловой размер менее половины окружности и выполнена открытой. Расположение желобчатой опорной части 1.2 позволяет получать смазочное масло из картера двигателя и подавать смазочное масло на трущиеся поверхности через масляные канавки 5. Такие параметры масляной канавки, как угол наклона α между вертикальной центральной линией центрального отверстия и линией, соединяющей в поперечном сечении центральную ось масляной канавки 5 с центром центрального отверстия, глубина H3 масляной канавки, и вязкость смазочного масла, могут быть отрегулированы для эффективного использования смазки и обеспечения ее равномерного распределения, а также предотвращения заклинивания между трущимися поверхностями.
В этом примере шатун двигателя внутреннего сгорания выполнен из жесткого материала, а гибкая конструкция имеет следующие параметры: L1=44 мм, L2=23 мм, R1=8 мм, R2=15 мм, R3=20 мм, H1=13,65 мм, H2=5,9 мм, H3=0,15 мм, D1=44 мм, D2=25 мм и α=50°, где D1 - диаметр центрального отверстия шатуна. Верхняя головка такого шатуна в ходе экспериментов деформировалась, взаимодействуя с поршневым пальцем с предотвращением заклинивания. Шатун прошел серию испытаний. После 1000 ч испытания двигателя не было выявлено никаких механических повреждений центрального отверстия, а максимальный износ центрального отверстия в радиальном направлении после испытания составил 0,005 мм, также не было выявлено деформаций центрального отверстия вдоль направления его оси.
Хотя выше были раскрыты и описаны только варианты осуществления настоящего изобретения, для специалиста в этой области техники должно быть очевидно, что возможно использовать другую гибкую конструкцию верхней головки 1 шатуна для восприятия упругой деформации Δ2 центрального отверстия 3 вдоль направления его оси, создаваемой под действием давления цилиндра на поршневой палец 4, для соответствия деформации изгиба Δ1 поршневого пальца 4 вдоль направления его оси. Поэтому такие изменения не выходят за рамки приложенной формулы изобретения.