ШАРИКОВЫЙ КЛАПАН

Полезная модель относится к клапанам и может быть использована, в частности, в конструкции топливных насосов высокого давления двигателей внутреннего сгорания.
В различных механизмах, в том числе топливных насосах двигателей внутреннего сгорания часто используют так называемые шариковые клапаны, в которых подвижный запорный элемент выполнен в виде сферической детали - шарика, а усилие закрытия обеспечивается пружиной сжатия. При этом пружина сжатия может опираться непосредственно на шарик или на промежуточную деталь.
Известно, что важной характеристикой пружин сжатия является их продольная устойчивость, то есть способность сопротивляться искривлению своей оси под нагрузкой. Искривление оси пружины может приводить к трению поверхности витков о стенки отверстий - колодцев, углублений - в которых, по компоновочным соображениям, установлены пружины, и последующему их разрушению.
Непосредственное опирание пружины сжатия на шарик может быть интерпретировано, как шарнирное ее закрепление. В этом случае, по условию обеспечения продольной устойчивости, регламентированное отношение высоты пружины в свободном состоянии к ее наружному диаметру по сравнению с жестким закреплением опорных витков, уменьшается более, чем в два раза, (Гусев А.В. и др. Анализ методов расчета винтовых цилиндрических пружин на устойчивость при сжатии. - Известия ПГУПС., 2015. №4. С. 108-116).
Известен нагнетательный клапан топливного насоса высокого давления, включающий шарик, нагруженный цилиндрической пружиной сжатия, опирающей с одной стороны своими опорными витками непосредственно на поверхность шарика (А.С. №109108). По известному решению, углубление в корпусе, где расположены шарик и пружина, должен иметь минимальные мертвые пространства (лист 1 абзац 2 вышеупомянутого источника). Для протока топлива предлагается выполнять специальные продольные каналы, показанные на фиг. 3. Наличие продольных каналов в известном решении, а также изображения на фиг. 1, 3 позволяют обоснованно предположить, что, во-первых, диаметральный зазор между пружиной и стенкой углубления в корпусе, где она установлена, весьма мал, а, во-вторых, что углубление в корпусе в зоне расположения шарика и нагружающей его пружины выполнено одним диаметром, весьма близким к наружному диаметру пружины, К недостаткам известного решения относится то, что при уменьшении диаметра применяемого шарика, должен быть одновременно уменьшен диаметр отверстия под пружину, что, в свою очередь, может привести к нарушению условия продольной устойчивости пружины, ее недопустимому изгибу в эксплуатации и, даже поломке.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков - прототипом заявляемой полезной модели - является обратный клапан, включающий корпус с седлом, шарик, ограничитель хода шарика и пружину с витками разного диаметра (AC. SU 1237854, опубл. 15.06.1986. Бюл. №22). По известному решению, шарик размещен в неподвижной цилиндрической направляющей корпуса и контактирует с седлом клапана через промежуточную деталь - тарель. Ограничитель хода шарика выполнен в виде конструктивного элемента корпуса. Пружина, изображенная в описании к известному решению, вероятно, обладает повышенной продольной устойчивостью и уменьшенными рисками повреждения наружной поверхности витков из-за трения о стенки корпуса.
Из фигуры, приведенной в описании известного решения, следует:
пружина имеет опорные витки разного диаметра: большего, выполненные со стороны, противоположной шарику, и меньшего диаметра, опирающиеся непосредственно на шарик,
витки, опирающиеся на шарик, выполнены монотонно уменьшающегося диаметра навивки,
со стороны шарика пружина не имеет поджатых витков.
К недостаткам известного решения относится чрезмерная сложность конструкции, связанная с наличием внутри корпуса неподвижной цилиндрической направляющей и организацией уплотнения в форме кольцевого пояска на торце ответной детали, к которому должна прилегать тарель. Кроме того, из-за отсутствия поджатых витков, плоскость, проведенная по линии контакта пружины с шариком в известном решении, будет располагаться под углом к продольной оси пружины. Это приведет к тому, что вектор силы со стороны пружины будет не совпадать с продольной осью пружины, возникнет боковая составляющая усилия, шарик будет стремиться сместиться из своего исходного положения в сторону. В конечном счете, это может привести к потере герметичности клапана.
Технической задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является устранение недостатков прототипа - создание конструкции шарикового клапана, в котором вектор силы со стороны пружины действует на шарик по оси пружины и не приводит к образованию боковой силы, стремящейся сместить шарик вбок из исходного положения.
Поставленная техническая задача решается за счет выполнения на пружине в процессе ее навивки посадочного места заданной формы для шарика.
Новизной в шариковом клапане, предлагаемом в качестве настоящей полезной модели, является совокупное применение следующих технических решений:
выполнения ограничителя хода шарика в виде отдельно детали, устанавливаемой в корпус;
выполнения пружины двухконусной с сопряжением конических частей по вершинам, опиранием опорным торцом большего конуса в опорную плоскость детали, являющейся ограничителем хода шарика, и центрированием по опорным виткам большего конуса;
размещения шарика в специально выполненном для него посадочном месте в форме конуса, сформированном на пружине в процессе ее навивки;
выполнения посадочного места на пружине под шарик с обеспечением контакта шарика не менее, чем с двумя полными витками пружины.
Указанные признаки является новыми, существенным и промышленно выполнимыми и направлены на решение поставленной полезной моделью технической задачи.
Конструкция шарикового клапана, предлагаемая в соответствии с заявляемой полезной моделью, поясняется чертежом (фиг. 1) и включает корпус 1, шарик 2, пружину 3 и ограничитель 4 хода шарика 2.
В корпусе 1 выполнено седло 11, посадка на которое шарика 2 характеризует закрытое состояние шарикового клапана.
Пружина 3 имеет части «А» и «В», выполненные в форме противолежащих конусов, сопряженных вершинами переходной частью «Б», имеющей минимальный диаметр навивки. При этом основание конической части А образовано опорными витками и опирается на поверхность 41 ограничителя 4, а внутренняя поверхность конической части «В» служит посадочным местом для шарика 2. Центрирование пружины 3 выполнено по наружному диаметру опорных витков конической части «А». Количество витков пружины 3 в конической части «В» зависит от диаметра применяемого шарика 2 и должно быть достаточным для обеспечения контакта поверхности шарика 2 не менее чем с двумя полными витками.
Ограничитель 4 имеет опорную поверхность 41 для пружины 3 и выступ 42, ограничивающий ход шарика 2. За счет центрирования пружины 3 по наружному диаметру опорных витков конической части «А», выступ 42 ограничителя 4 может иметь простую цилиндрическую форму, не требует выполнения наружного диаметра с жесткими допусками. Единственным точным размером, который необходимо обеспечить при обработке выступа 42, является его длина, определяющая ход шарика 2. В ограничителе 4 также выполнены отверстия для протока рабочей жидкости. Способ соединения ограничителя 4 с корпусом 1 может быть любым, известным из уровня техники. Предпочтительным является установка ограничителя 4 в корпус 1 по резьбе.
Предлагаемый в качестве настоящей полезной модели шариковый клапан следующим образом.
Под действием давления рабочей жидкости шарик 2 смещается в направлении от посадочного конуса (седла) 11, сжимая пружину 3. Применение конической пружины с центрированием по опорным виткам большего конуса позволяет исключить трение подвижных наружных витков о поверхности окружающих деталей и, как следствие, повысить надежность конструкции. Одновременно улучшается технологичность за счет упрощения одной из деталей шарикового клапана - отсутствия необходимости задавать жесткие допуски на диаметр ограничителя хода шарика. Благодаря тому, что шарик 2 размещен внутри конической части «В» пружины 3, он не смещается в сторону от оси при любом положении относительно седла 11.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение технологичности и надежности конструкции шарикового клапана.