ВАЛ КОЛЕНЧАТЫЙ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к конструкциям коленчатых валов.
5
Известна конструкция вала коленчатого двигателя внутреннего сгорания с полыми шейками, в щеках коленчатого вала, через сечения устанавливаются распорные элементы в отверстиях в области коренной шейки и шатунной шейки или также в отверстиях вне сечения шейки, которые вместе с распорными элементами в сквозных отверстиях коренной шейки и/или шатунной шейки создают и поддерживают постоянное предварительное напряжения в материале коленчатого вала и шейке вала (см. патент на изобретение DE 3837292 A1, дата публикации 10.05.90, Int,Cl.: F16C 3/10).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что коленчатый вал представляет сложную, состоящую из отдельно смонтированных друг с другом элементов, конструкцию, при этом сборка элементов может производиться в результате горячей запрессовки либо раздачи вставленных одна в другую деталей при выравнивании температур, материалы составных элементов должны быть подобраны с учетом коэффициентов теплового расширения, пределов текучести, что является менее технологичным и трудоемким в производстве, кроме этого, при запрессовке деталей возникают напряжения, которые могут быть распределены неравномерно в зоне соединения, что ухудшает прочностные характеристики вала, а, следовательно, и его надежность в эксплуатации.
Известна конструкция стального, кованного, пятиопорного вала коленчатого, имеющего четыре противовеса, выполненных как одно целое со щеками кривошипов. Противовесы предназначены для уменьшения деформаций коренных и шатунных шеек при работе двигателя. Для исключения вибрационных нагрузок на двигатель коленчатый вал балансируется динамически. В шейках коленчатого вала под коренные и шатунные подшипники выполнены радиальные сверления, которые попарно соединяются между собой наклонными каналами, просверленными через щеки вала. Эти каналы предназначены для подачи моторного масла к шатунным подшипникам (см. Автомобиль “Москвич” моделей 2140 и 2138: Многокрасочный альбом / С.С. Сиянии, П.Г. Романчиков, А.И. Луканин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1988. - 104 с: ил., стр. 20, 22, 23).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что, стальной вал обладает большей удельной массой и в сочетании с одним противовесом на колене вала увеличивает удельные нагрузки на коренные опоры, что приводит к неравномерному износу пары “шейка коленчатого вала - подшипник”, и, как следствие, снижению ресурса подшипника, кроме этого увеличение массы двигателя способствует повышению вибрационных нагрузок, увеличению расхода топлива, также, стальные коленчатые валы имеют большую стоимость и большие припуски на механическую обработку.
Наиболее близкой конструкцией к заявленной полезной модели по совокупности признаков является вал коленчатый отливаемый из высокопрочного специального чугуна и состоящий из шатунных и коренных шлифованных шеек, щек и противовесов, соответствующий ходу поршня 60,6 мм или 71 мм. Для уменьшения деформаций при работе двигателя вал сделан пятиопорным и с большим перекрытием коренных и шатунных шеек. Высокая усталостная прочность обеспечивается плавно выполненными переходами между шейками и щеками и тщательной обработкой напряженных мест. Высокая износостойкость шеек вала достигается большим диаметром шеек, благодаря чему уменьшаются нагрузки в подшипниках, и поверхностной закалкой шеек токами высокой частоты на глубину 2-3 мм. Диаметр коренных шеек коленчатого вала составляет 50,799-50,819 мм, диаметр шатунных шеек 47,83-47,85 мм. Для уменьшения нагрузки от центробежных сил на коренные подшипники и уменьшения вибрации двигателя вал снабжен противовесами, отлитыми как одно целое с ним. Противовесы уравновешивают центробежные силы шатунной шейки, шатуна и поршня, которые возникают при работе двигателя. Для обеспечения работы двигателя без вибрации коленчатый вал динамически балансируют. При балансировке высверливают металл в противовесах. Неуравновешенный момент не должен превышать 1,5 Н·м. В теле вала просверлены каналы, соединяющие 1, 2, 4 и 5-ю коренные шейки с шатунными. По этим каналам подводится масло для смазки шатунных подшипников. Технологические выводы каналов закрыты колпачковыми стальными заглушками, которые запрессовываются и зачеканиваются в трех точках. Вход и выход масла для смазки шатунного подшипника осуществляется в двух местах через горизонтальные сквозные каналы, в шейках, что способствует более равномерному изнашиванию шеек по окружности. В шатунных шейках коленчатого вала происходит центробежная очистка масла от посторонних включений, которые под действием центробежных сил скапливаются в наклонных каналах в пространстве отверстий в шатунной шейке до заглушки масляного канала коленчатого вала. Ведущий шкив привода крепится шпонкой сегментной на переднем конце коленчатого вала (см. Автомобили ВА3-2108, ВА3-2109: Многокрасочный альбом / Г.К. Мирзоев, В.А. Вершигора, А.П. Игнатов и др. - М.: Машиностроение, 1989. - 92 с: ил., стр. 4, 24, 25, 26, 28).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что вал коленчатый не позволяет его использование для двигателей с большим ходом поршня и имеющих соответственно более высокие мощностные и тяговые характеристики, кроме этого, выводы наклонных каналов закрыты колпачковыми стальными заглушками, что увеличивает трудоемкость при обслуживании и ремонте вала в эксплуатации, при этом заглушки запрессовываются и зачеканиваются в трех точках, что создает дополнительные напряжения в щеках, тем самым снижая их прочность, также на переднем конце коленчатого вала выполнен паз под сегментную шпонку для установки шкива привода генератора, ослабляющий сечение цилиндрической поверхности крепления шкива.
Сущность полезной модели заключается в создании вала коленчатого оптимальной конструкции по усталостной прочности и массе для двигателя с высокими мощностными и тяговыми характеристиками, с улучшением условий работы подшипников скольжения и ремонтопригодности коленчатого вала в эксплуатации за счет увеличения расстояния между шатунными шейками и осью вращения вала, с увеличенным диаметром коренных и шатунных шеек, а также применения оптимальной геометрии соединяющих их щек и плавно выполненных переходов между шатунными шейками и щеками и коренными шейками и щеками, кроме этого применены конструктивные варианты исполнения системы каналов для подвода масла.
Технический результат - применение вала на высокофорсированных двигателях, улучшение условий работы подшипников скольжения и ремонтопригодности вала в эксплуатации, увеличение ресурса коленчатого вала.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в коленчатом вале двигателя внутреннего сгорания, изготовленном литьем из высокопрочного чугуна, содержащем противовесы, коренные и шатунные шейки, соединяющие их щеки посредством плавно выполненных переходов, имеющим единую монолитную полноопорную конструкцию с перекрытием коренных и шатунных шеек, особенностью является то, что конструкция коленчатого вала содержит следующие отличительные признаки от признаков ближайшего прототипа:
- расстояние от оси шатунных шеек до оси вращения вала выполнено с размерным диапазоном от 41 мм до 52 мм, для обеспечения оптимального соотношения прочности и массы, мощностных и тяговых характеристик двигателя. Данный параметр интервала рассчитан и проверен экспериментальным путем, отклонение в меньшую сторону приведет к снижению мощностных и тяговых характеристик двигателя в целом;
- вал содержит крайние и среднюю коренные шейки, с целью предотвращения осевого смещения коленчатого вала средняя коренная шейка по краям содержит упорные буртики, плавно переходящие на щеки и противовесы, толщина их находится в размерном пределе от 3 мм до 10 мм. Данные параметры интервалов рассчитаны и проверены экспериментальным путем, отклонение от диапазонов в меньшую сторону приведет к снижению прочности вала, в большую сторону - к увеличению массы вала;
- диаметр коренных шеек выполнен в размерном диапазоне от 60 мм до 64 мм, а их ширина находится в размерном пределе от 32 мм до 36 мм, при этом диаметр шатунных шеек выполнен в размерном диапазоне от 54 мм до 58 мм, а их ширина находится в размерном переделе от 24 мм до 28 мм. Данные параметры интервалов рассчитаны и проверены экспериментальным путем и обеспечивают необходимую прочность вала, выход за указанные диапазоны в меньшую сторону приведет к снижению прочности вала, в большую сторону - к увеличению массы вала;
- с целью повышения износостойкости шеек вала поверхность коренных и шатунных шеек имеет термическую обработку, например, токами высокой частоты. Данные параметры интервалов рассчитаны и проверены экспериментальным путем и обеспечивают необходимую износостойкость поверхностей, ресурс, выход за указанные диапазоны приведет к увеличению износа вала и сопрягаемых деталей, а также к снижению ресурса;
- для обеспечения изготовления вала в различных производственных условиях и снижения затрат на изготовление, а также для работы вала с различными материалами и конструктивными исполнениями подшипников скольжения в каждом узле «крайняя коренная шейка - шатунная шейка -щеки» выполнена система каналов для подвода масла с отверстиями диаметром в размерном пределе от 4 мм до 10 мм. Данные параметры интервалов рассчитаны и проверены экспериментальным путем, отклонение от диапазонов приводит к ухудшению подвода масла и увеличению износа сопряжения «шейка коленчатого вала - подшипник», ухудшению ремонтопригодности. При этом конструкция системы каналов для подвода масла может быть выполнена следующими конструктивными вариантами исполнения:
- вариант 1: для улучшения ремонтопригодности вала в эксплуатации система каналов для подвода масла выполнена посредством группы сквозных отверстий, проходящих в крайней коренной и шатунной шейках, где оси сквозных отверстий расположены в плоскостях перпендикулярных оси вращения вала, при этом сквозные отверстия соединены между собой соединительным отверстием, проходящим через обе щеки, причем на входе соединительного отверстия установлена резьбовая пробка;
- вариант 2: с целью улучшения ремонтопригодности вала в эксплуатации система каналов для подвода масла выполнена посредством сквозного отверстия в крайней коренной шейке, где ось сквозного отверстия расположена в плоскости перпендикулярной оси вращения вала, и посредством глухого отверстия, проходящего из шатунной шейки через сопряженную с шейками щеку до пересечения со сквозным отверстием в крайней коренной шейке;
- вариант 3: с целью повышения ремонтопригодности вала в эксплуатации система каналов для подвода масла выполнена посредством сквозного отверстия, проходящего из шатунной шейки в крайнюю коренную шейку через сопряженную с шейками щеку;
- с целью повышения усталостной прочности вала при сохранении неизменной опорной длины подшипников переходы между шатунными и коренными шейками и щеками, выполнены плавно посредством радиуса в размерном пределе от 1,5 мм до 4 мм. Данные параметры интервалов рассчитаны и проверены экспериментальным путем, отклонение от диапазонов в меньшую сторону приведет к снижению усталостной прочности, а в большую к ухудшению условий работы подшипников;
- для достижения оптимального соотношения прочности и массы вала, а также с целью уменьшения нагрузки на подшипники скольжения подобрана оптимальная геометрия щек, причем толщина каждой щеки находится в размерных пределах от 17 мм до 24 мм, а поверхность щеки выполнена посредством плавных радиусных переходов или образована поверхностью, состоящей из прямолинейного участка, расположенного под углом в пределах от 24° до 29° к торцу шатунной шейки, и плавных радиусных переходов. Данные параметры интервалов рассчитаны и проверены экспериментальным путем, отклонение от диапазонов в меньшую сторону приведет к снижению прочности, а в большую к увеличению массы вала;
- для уменьшения нагрузки от центробежных инерционных сил шатунной шейки, шатуна и поршня на коренные подшипники и уменьшения вибрации работающего двигателя вал содержит противовесы, толщина которых находится в размерном пределе от 16 мм до 22 мм, кроме этого противовесы выполнены посредством радиуса в размерном пределе от 75 мм до 90 мм и ограниченные угловым сектором в диапазоне от 90° до 130°;
- в передней части коленчатый вал содержит носок, состоящий из двух цилиндрических ступеней, одна из которых предназначена для установки звездочки привода газораспределительного механизма, при этом, для фиксации звездочки выполнен шпоночный паз под сегментную шпонку, другая цилиндрическая ступень предназначена для установки шкива коленчатого вала, при этом для центрирования выполнен шпоночный паз под призматическую шпонку, кроме этого цилиндрические ступени разделены канавкой, предназначенной для размещения резинового уплотнительного кольца, препятствующего просачиванию масла в зазор между втулкой и шейкой вала;
- для стяжного болта в торце передней части носка выполнено отверстие, причем отверстие может быть выполнено резьбовым глубиной в размерном диапазоне от 25 мм до 50 мм. Параметры отверстия рассчитаны и проверены экспериментальным путем для надежного крепления и оптимального по габаритным параметрам крепежных и сопрягаемых деталей, а также обеспечения прочности носка коленчатого вала;
- в задней части коленчатого вала имеется фланец диаметром в размерном диапазоне от 76 мм до 84 мм и толщиной в размерном пределе от 20 мм до 28 мм, цилиндрическая поверхность которого имеет термическую обработку, например, токами высокой частоты, и является рабочей для кромки заднего сальника. Данные параметры интервалов рассчитаны и проверены экспериментальным путем, отклонение от диапазонов приводит к ухудшению износостойкости и ухудшению уплотнения задней части коленчатого вала;
- для установки и фиксации маховика фланец содержит посадочный выступ, шириной в размерном пределе от 3 мм до 7 мм и диаметром в размерном диапазоне от 35 мм до 45 мм. Данные параметры интервалов рассчитаны и проверены экспериментальным путем отклонение от диапазонов приводит к ухудшению собираемости маховика с коленчатым валом, увеличению внутренних напряжений в деталях, снижению ресурса.
- во фланце крепежные отверстия выполнены резьбовыми, с глубиной в размерном пределе от 14 мм до 21 мм и выполнено штифтовое отверстие диаметром с размерным диапазоном от 8 мм до 12 мм, глубиной в размерном пределе от 13 мм до 18 мм. Данные параметры интервалов рассчитаны и проверены экспериментальным путем отклонение от диапазонов приводит к ухудшению собираемости маховика с коленчатым валом, увеличению внутренних напряжений в деталях, снижению ресурса.
Для пояснения настоящей полезной модели приведены следующие иллюстрации:
на фиг. 1 - показан общий вид конструкции вала коленчатого двигателя внутреннего сгорания;
на фиг. 2 - показан вид на фланец коленчатого вала;
на фиг. 3 - показан разрез А-А на фиг. 1, вид на упорный буртик средней коренной шейки;
на фиг. 4 - показано исполнение Б на фиг. 1, вид на конструкцию плавно выполненных переходов между шейками;
на фиг. 5 - показан разрез В-В на фиг. 1, вид со стороны первой крайней коренной шейки;
на фиг. 6 - показан разрез Г-Г на фиг. 1, вид конструкции шатунной шейки;
на фиг. 7 - показано исполнение Д на фиг.1, вид конструкции системы каналов для подвода масла по варианту 1;
на фиг. 8 - показан общий вид конструкции вала коленчатого с системой каналов для подвода масла по варианту 2;
на фиг. 9 - показан разрез Е-Е на фиг. 8, вид со стороны первой крайней коренной шейки с системой каналов для подвода масла;
на фиг. 10 - показан общий вид конструкции вала коленчатого с системой каналов для подвода масла по варианту 3;
на фиг. 11 - показан разрез Ж-Ж на фиг. 10, вид со стороны первой крайней коренной шейки с системой каналов для подвода масла;
на фиг.12 - показано исполнение И на фиг. 1, вид конструкции носка коленчатого вала;
на фиг. 13 - показано исполнение К на фиг. 1, вид конструкции фланца;
на фиг. 14 - показан разрез Л-Л на фиг. 2, вид крепежных отверстий;
на фиг. 15 - показан разрез М-М на фиг. 2, вид штифтового отверстия.
Вал коленчатый двигателя внутреннего сгорания содержит следующие функциональные элементы: крайние 1 и среднюю 2 коренные шейки, диаметром D1 выполненным в размерном диапазоне от 60 мм до 64 мм, при этом ширина коренных шеек b1 находится в размерном пределе от 32 мм до 36 мм, причем средняя коренная шейка 2 по краям содержит упорные буртики 3, плавно переходящие на щеки 4 и противовесы 5, толщина буртиков b2 находится в размерном пределе от 3 мм до 10 мм, кроме этого ось шатунных шеек 6 расположена от оси вращения коленчатого вала на расстоянии L1 размерном диапазоне от 41 мм до 52 мм, причем диаметр D2 шатунных шеек 6 имеет размерный диапазон от 54 мм до 58 мм и ширину b3 с размерным пределом от 24 мм до 28 мм, при этом крайние 1 и средняя 2 коренные шейки и шатунные шейки 6 соединены между собой щеками 4, посредством плавно выполненных переходов радиусом R1 в размерном пределе от 1,5 мм до 4 мм, причем щеки 4 выполнены толщиной b4 в размерных пределах от 17 мм до 24 мм, поверхность каждой щеки может быть выполнена посредством плавных радиусных переходов R2 или образована поверхностью, состоящей из прямолинейного участка, расположенного под углом α1 в пределах от 24° до 29° к торцу шатунной шейки, и плавных радиусных переходов R2, кроме этого за одно целое с щеками 4 выполнены противовесы 5, толщина b5 которых находится в размерном пределе от 16 мм до 22 мм, а также выполненные посредством радиуса R3 в размерном пределе от 75 мм до 90 мм и ограниченные угловым сектором α2 в диапазоне от 90° до 130°.
В каждом узле «крайняя коренная шейка - шатунная шейка - щеки» система каналов для подвода масла, диаметром отверстий в размерном диапазоне от 4 мм до 10 мм, может быть выполнена в трех вариантах:
- по варианту 1 система каналов для подвода масла выполнена посредством группы сквозных отверстий 7 и 8, соответственно, проходящих в крайней коренной 1 и шатунной 6 шейках, где оси сквозных отверстий расположены в плоскостях перпендикулярных оси вращения вала, при этом сквозные отверстия 7 и 8 соединены между собой соединительным отверстием 9, проходящим через обе щеки 4, причем в отверстие 9 на входе установлена резьбовая пробка 10.
- по варианту 2 система каналов для подвода масла выполнена посредством сквозного отверстия 7 в крайней коренной шейке 1, где ось сквозного отверстия 7 расположена в плоскости перпендикулярной оси вращения вала, и посредством глухого отверстия 11, проходящего из шатунной шейки 6 через сопряженную с шейками щеку 4 до пересечения со сквозным отверстием 7 в крайней коренной шейке 1;
- по варианту 3 система каналов для подвода масла выполнена посредством сквозного отверстия 12, проходящего из шатунной шейки 6 в крайнюю коренную шейку 1 через сопряженную с шейками щеку 4;
Вал в передней части содержит носок, состоящий из двух цилиндрических ступеней 13 и 14, разделенных канавкой 15, при этом в цилиндрической ступени 13 выполнен шпоночный паз 16, а в цилиндрической ступени 14 выполнен шпоночный паз 17, кроме этого в торце передней части носка выполнено отверстие 18 глубиной h1 в размерном диапазоне от 25 мм до 50 мм. В задней части коленчатого вала имеется фланец 19 диаметром D3 в размерном диапазоне от 76 мм до 84 мм и толщиной b6 в размерном пределе от 20 мм до 28 мм, содержащий посадочный выступ 20, шириной b7, имеющей размерный предел от 3 мм до 7 мм и диаметром D4 с размерным пределом от 35 мм до 45 мм, кроме этого во фланце 19 выполнены крепежные отверстия 21 глубиной h2 в размерном пределе от 14 мм до 21 мм и штифтовое отверстие 22 диаметром d6 с размерным диапазоном от 8 мм до 12 мм, глубиной h3 с размерным пределом от 13 мм до 18 мм.
Вал коленчатый двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом:
В двигателе коленчатый вал установлен на крайних 1 и средней 2 коренных шейках. Усилие от поршней (не показаны) передаются шатунами (не показаны) на шатунные шейки 6 коленчатого вала, тем самым происходит преобразование поступательного движения поршня во вращательное коленчатого вала. Вал коленчатый приводит в действие навесные агрегаты (не показаны), размещенные на цилиндрических ступенях носка коленчатого вала 13 и 14, для фиксации определенным образом в цилиндрических ступенях имеются шпоночные пазы 16 и 17 соответственно, при этом в торце передней части носка выполнено отверстии 18, кроме этого уплотнение передней части коленчатого вала осуществляется по канавке 15, также вал коленчатый приводит в действие маховик (не показан), для установки и крепления которого на фланце 19 имеется выступ 20, штифтовое отверстие 22 и крепежные отверстия 21; кроме этого уплотнение задней части коленчатого вала осуществляется по цилиндрической поверхности фланца 19. Для ограничения смещения коленчатого вала в осевом направлении средняя коренная шейка 2 содержит упорные буртики 3. В процессе работы двигателя масло через крайние коренные шейки 1 к шатунным шейкам 6 может подаваться через различные конструкции системы каналов для подвода масла. По варианту 1 масло подается через систему каналов для подвода масла, образованную группой отверстий, сквозных 7 и 8, и соединительного 9, причем в соединительное отверстие 9 на входе установлена резьбовая пробка 10, также при выполнении системы каналов для подвода масла по варианту 2 масло через крайние коренные шейки 1 к шатунным шейкам 6 подается через сквозное отверстие для подвода масла 7 и глухое отверстие 11, кроме этого при выполнении системы каналов для подвода масла по варианту 3 масло через крайние коренные шейки 1 к шатунным шейкам 6 подается через сквозное отверстие 12, в итоге от шатунных шеек масло через отверстия шатунов (не показаны) подается к деталям шатунно-поршневой группы (не показаны). Высокая износостойкость и длительный ресурс рабочих поверхностей обеспечивается термической обработкой, например, токами высокой частоты, крайних 1 и средней 2 коренных и шатунных 6 шеек, а также цилиндрической поверхности фланца 19. Повышение усталостной прочности коленчатого вала обеспечивается плавно выполненными переходами между шатунными шейками 6 и щеками 4, а также крайними 1 и средней 2 коренными шейками и щеками 4.
Преимущество заявленной полезной модели состоит в том, что по сравнению с принятыми за аналог конструкциями, выполненный вал коленчатый двигателя внутреннего сгорания описанный выше с использованием всей предложенной совокупности существенных признаков имеет оптимальную конструкцию по усталостной прочности, массе, позволяющей применить вал на высокофорсированных двигателях, улучшить условия работы подшипников скольжения и ремонтопригодность вала в эксплуатации, увеличить ресурс коленчатого вала.