ОПОРНАЯ КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА (ВАРИАНТЫ)
SUPPORT STRUCTURE FOR CRANK SHAFT

Настоящее изобретение относится к опорной конструкции для коленчатого вала, и, в частности, к опорной конструкции коленчатого вала, удерживающей с возможностью вращения коленчатый вал с помощью нижнего участка блока цилиндров и крышки подшипника, расположенной под нижним участком блока цилиндров.
Обычная опорная конструкция коленчатого вала удерживает его с возможностью вращения между металлическим вкладышем подшипника, расположенным в полукруглой выемке, выполненной в блоке цилиндров, и другим металлическим вкладышем подшипника, размещенным в полукруглой выемке, выполненной в крышке подшипника. Крышка подшипника крепится к блоку цилиндров болтами, с противолежащих сторон выемки в крышке подшипника, с применением заданного крутящего момента. Коленчатый вал плавно вращается вокруг своей оси поддерживаемый металлическими вкладышами подшипника.
В публикации выложенной заявки на патент Японии №2005-195114 (далее - Патентный Документ 1) раскрыта опорная конструкция, поддерживающая множество участков коленчатого вала, количество которых соответствует числу цилиндров двигателя. Опорная конструкция поддерживает участки вала с помощью крышки подшипника и подшипника в блоке цилиндров, обеспечивая плавность вращения коленчатого вала.
Как показано на Фиг.8(b), обычная опорная конструкция включает в себя нижний участок 51 блока цилиндров, крышку 52 подшипника, верхний металлический вкладыш 53 подшипника, нижний металлический вкладыш 54 подшипника, болты 56, 57 и установочные штифты 58, 59, служащие соединительными деталями. Опорная конструкция коленчатого вала включает в себя отверстия для сцепления, выполненные в противолежащих поверхностях сцепления крышки 52 подшипника и нижнего участка 51 блока цилиндров. Вдавливая установочные штифты 58, 59 в отверстия для сцепления, соединяют крышку подшипника 52 и нижний участок 51 блока цилиндров.
Однако крышку 52 подшипника крепят к нижнему участку 51 блока цилиндров болтами 56, 57 с заданным крутящим моментом (Нм). Нижняя поверхность нижнего блока 51 цилиндров воспринимает напряжения (МРа) от крышки 52 подшипника. Напряжение (МРа) представляет собой напряжение сжатия (МРа) на всех участках нижней поверхности нижнего участка 51 блока цилиндров, кроме участков, соответствующих боковым поверхностям 52а, 52b крышки 52 подшипника (напряжения, показанные стрелками А и В). Однако на участках, показанных стрелками А и В, действует напряжение сдвига.
Когда коленчатый вал 55 вращается в таком состоянии, сила С инерции со взрывной нагрузкой соответствующим образом действует в направлении радиуса коленчатого вала 55. В частности, сила С инерции, действующая вниз относительно крышки 52 подшипника, слегка сгибает крышку 52 подшипника вниз. Это приводит к воздействию концентрированного напряжения на участки нижней поверхности нижнего участка 51 блока цилиндров, показанные стрелками А и В (Фиг.8(а)).
После циклического воздействия силы С инерции на нижний участок 51 блока цилиндров и крышку 52 подшипника нижняя поверхность нижнего участка 51 блока цилиндров отделяет верхнюю поверхность от крышки 52 подшипника. В результате в участках нижней поверхности нижнего участка 51 блока цилиндров, показанных стрелками А и В, появляются трещины от усталости из-за коррозионно-механического изнашивания.
Чтобы предотвратить образование таких трещин, концентрированные напряжения можно уменьшить путем выполнения дугоообразной канавки в каждом из участков нижней поверхности нижнего участка 51 блока цилиндров, показанных стрелками А и В. Однако дугообразные канавки уменьшают силу крепления нижнего участка 51 блока цилиндров и крышки 52 подшипника, удерживающих коленчатый вал 55.
Кроме того, когда в участках нижней поверхности нижнего участка 51 блока цилиндров, показанных стрелками А и В, выполняют дугообразные канавки, крышка 52 подшипника должна быть увеличена, чтобы обеспечить достаточную область контакта между нижним участком 51 блока цилиндров и крышкой 52 подшипника. В результате увеличиваются вес и габариты опорной конструкции, что нежелательно.
Соответственно, технической задачей настоящего изобретения является создание очень долговечной опорной конструкции коленчатого вала, которая позволяет предотвратить возникновение трещин от усталости из-за коррозионно-механического изнашивания в нижнем участке блока цилиндров, обеспечивая при этом необходимую область контакта между нижним участком блока цилиндров и крышкой подшипника.
Для выполнения поставленной выше задачи и в соответствии с первым аспектом изобретения обеспечена опорная конструкция для коленчатого вала с возможностью вращения удерживаемого нижним участком блока цилиндров и крышкой подшипника, расположенной под нижним участком блока цилиндров, при этом канавки для релаксации напряжений, проходящие вдоль оси коленчатого вала, выполнены в верхних участках противоположных сторон крышки подшипника, причем канавки для релаксации напряжений открыты на противолежащих боковых поверхностях крышки подшипника, при этом путем формирования канавок для релаксации напряжений в верхних участках с противолежащих сторон крышки подшипника выполнены выступающие концы, проходящие вдоль оси коленчатого вала, причем выступающие концы упруго сгибаются под действием нагрузки на крышку подшипника при вращении коленчатого вала.
Предпочтительно каждый из выступающих концов имеет верхнюю поверхность, контактирующую с нижним участком блока цилиндров, боковую поверхность заданной длины, измеряемой вниз от верхней поверхности, и нижнюю поверхность, образующую, по меньшей мере, участок соответствующей одной из канавок для релаксации напряжений, при этом нижняя поверхность содержит наклонный участок, наклоненный по отношению к верхней поверхности, и дугообразный участок, в который плавно переходит наклонный участок.
Каждый выступающий конец может иметь верхнюю поверхность, контактирующую с нижним участком блока цилиндров, боковую поверхность заданной длины, измеряемой вниз от верхней поверхности, и нижнюю поверхность, образующую соответствующую канавку для релаксации напряжений, причем нижняя поверхность может содержать параллельную поверхность, параллельную верхней поверхности, и дугообразную поверхность, плавно переходящую из параллельной поверхности.
Каждый из выступающих концов может иметь верхнюю поверхность, контактирующую с нижним участком блока цилиндров, боковую поверхность заданной длины, измеряемой вниз от верхней поверхности, и нижнюю поверхность, образующую, по меньшей мере, участок соответствующей одной из канавок для релаксации напряжений, причем нижняя поверхность может быть выполнена дугообразной.
Как вариант, каждый выступающий конец может иметь верхнюю поверхность, контактирующую с нижним участком блока цилиндров, боковую поверхность, в которую переходит верхняя поверхность, и нижнюю поверхность, образующую, по меньшей мере, участок соответствующей канавки для релаксации напряжений, причем нижняя поверхность может иметь поверхность, которая плавно переходит от боковой поверхности и наклонена по отношению к верхней поверхности, или параллельна ей.
Преимущественно нижняя поверхность включает в себя наклонную поверхность, плавно переходящую из боковой поверхности и наклоненную по отношению к верхней поверхности таким образом, что толщина соответствующего выступающего конца увеличивается от дальнего конца к ближнему.
Кроме того, для выполнения поставленной выше задачи и в соответствии со вторым аспектом изобретения обеспечена опорная конструкция для коленчатого вала с возможностью вращения удерживаемого с помощью нижнего участка блока цилиндров и крышки подшипника, расположенной под нижним участком блока цилиндров, при этом выступы, проходящие вдоль оси коленчатого вала, выполнены в верхних участках противолежащих сторон крышки подшипника, причем выступы выступают из противолежащих боковых поверхностей крышки подшипника, по направлению от коленчатого вала, и имеют верхнюю поверхность, контактирующую с нижним участком блока цилиндров, дальнюю поверхность, имеющую заданную длину, измеряемую вниз от верхней поверхности, и нижнюю поверхность, причем нижняя поверхность имеет наклонную поверхность, плавно переходящую из дальней поверхности, и дугообразную поверхность, плавно переходящую от наклонной поверхности, при этом наклонная поверхность наклонена относительно верхней поверхности таким образом, что толщина соответствующего выступа уменьшается от ближнего конца к дальнему, тем самым придавая выступу гибкость.
Предпочтительно ширина между выступами с противолежащих сторон крышки подшипника меньше ширины нижней поверхности в области нижнего участка блока цилиндров, с которым контактирует крышка подшипника.
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - общий вид с разнесением деталей, на котором показана опорная конструкция коленчатого вала согласно первому варианту осуществления изобретения;
Фиг.2 - общий вид, на котором показана крышка подшипника опорной конструкции коленчатого вала, проиллюстрированной на Фиг.1;
Фиг.3(a) - вид в разрезе по линии 3-3 с Фиг.2;
Фиг.3(b) - увеличенный вид в разрезе участка 3(b); представленного на Фиг.3(a);
Фиг.4(a) - диаграмма напряжений, действующих на место крепления крышки к опорной конструкции коленчатого вала; проиллюстрированной на Фиг.1;
Фиг.4(b) - вид в разрезе, на котором показана опорная конструкция коленчатого вала, соответствующая Фиг.4(a);
Фиг.5(a) - вид в разрезе, на котором показан участок крышки подшипника опорной конструкции коленчатого вала согласно второму варианту осуществления;
Фиг.5(b) - увеличенный вид в разрезе участка 5(b), проиллюстрированного на Фиг.5(a);
Фиг.6(a) - вид в разрезе, на котором показан участок крышки подшипника опорной конструкции коленчатого вала, согласно третьему варианту осуществления;
Фиг.6(b) - увеличенный вид в разрезе участка 6b, проиллюстрированного на Фиг.6(a);
Фиг.7(a) - вид в разрезе, на котором показан участок крышки подшипника опорной конструкции коленчатого вала, согласно четвертому варианту осуществления;
Фиг.7(b) - увеличенный вид в разрезе участка 7b, проиллюстрированного на Фиг.7(а);
Фиг.8(a) - диаграмма напряжений, действующих на место крепления крышки подшипника в обычной опорной конструкции коленчатого вала; и
Фиг.8(b) - вид в разрезе опорной конструкции коленчатого вала, представленной на Фиг.8(a).
Далее будет описана опорная конструкция 1 коленчатого вала 6 согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг.1-4 иллюстрируют опорную конструкцию 1 коленчатого вала 6.
Как проиллюстрировано на Фиг.1 и 2, опорная конструкция 1 включает в себя нижний участок 2 блока цилиндров, крышку 3 подшипника, верхний металлический вкладыш 4 подшипника, нижний металлический вкладыш 5 подшипника, коленчатый вал 6, болты 7, 8 и установочные штифты 9, 10. Вал состоит из множества участков, соответствующих множеству цилиндров двигателя. Каждый участок вала опирается на соответствующую опорную конструкцию 1, как проиллюстрировано на Фиг.2. В частности, опорная конструкция 1, проиллюстрированная на Фиг.2, представляет собой одну из множества опорных конструкций 1. Далее будет описана одна опорная конструкция.
Нижний участок 2 блока цилиндров снабжен полукруглой выемкой 2а, обращенной вниз и выполненной в центральной части нижнего участка 2 блока цилиндров, в направлении, перпендикулярном расположению цилиндров в блоке 19 цилиндров. В выемке 2а размещается верхний металлический вкладыш подшипника 4. Нижний участок 2 блока цилиндров включает в себя резьбовые отверстия 2b, 2с под болты и отверстия 2d, 2е под штифты, расположенные с противолежащих сторон выемки 2а. Болты 7, 8 ввинчены в соответствующие резьбовые отверстия 2b, 2с, а установочные штифты 9, 10 пропущены через соответствующие отверстия 2d, 2е под штифты. Блок 19 цилиндров принадлежит к известному типу, изготовлен из легкого алюминиевого сплава и т.п. и снабжен отверстиями, в которых размещаются поршни, и водяной рубашкой, по которой течет поток воды для охлаждения. Хотя проиллюстрированный на Фиг.1 блок цилиндров 19 предназначен для однорядного четырехцилиндрового двигателя, блок цилиндров 19 может включать в себя только один цилиндр или другое количество цилиндров, отличное от четырех. Кроме того, блок 19 цилиндров может относиться к двигателю другого типа, например к V-образному двигателю.
Крышка 3 подшипника изготовлена из железного сплава, такого как литой чугун, и представляет собой отдельный четырехугольный блок. Выемка 3а (Фиг.2), в которой размещается нижний металлический вкладыш 5 подшипника, выполнена в верхней части крышки 3 подшипника. Крышка 3 включает в себя сквозные отверстия 2b, 2c под болты и отверстия 3g, 3h под штифты, выполненные с противолежащих сторон выемки 3а. Сквозные отверстия 3е и 3f под болты расположены в местах, соответствующих расположению резьбовых отверстий 2b и 2с под болты в нижнем участке 2 блока цилиндров, соответственно. Отверстия 3g и 3h под штифты расположены напротив отверстий 2d и 2е под штифты в нижнем участке 2 блока цилиндров, соответственно.
Канавка 15 для снятия напряжений, открытая на боковой поверхности 3с крышки 3 подшипника и проходящая вдоль оси коленчатого вала 6, выполнена в верхней части боковой поверхности 3с. Участок крышки 3 над канавкой 15 для релаксации напряжений образует выступающий конец 11, контактирующий с нижним участком 2 блока цилиндров. Выступающий конец 11 проходит в осевом направлении коленчатого вала 6. Канавка 16 для снятия напряжений, аналогично канавке 15 для снятия напряжений, выполнена в верхней части боковой поверхности 3b крышки подшипника 3, противоположной относительно боковой поверхности 3с. Участок крышки 3 над канавкой 16 для релаксации напряжений образует выступающий торец 12, контактирующий с нижним участком 2 блока цилиндров. Выступающий торец 12 проходит в осевом направлении коленчатого вала 6.
Как проиллюстрировано на Фиг.3(a) и 3(b), сечение канавки 15 для снятия напряжений плоскостью, перпендикулярной оси коленчатого вала 6, образовано прямыми линиями, соединяющими точку Р1 с точкой Р2 и точку Р3 с точкой Р4, а также кривой линией, соединяющей точку Р2 и точку Р4. Точка Р1 отнесена от верхней поверхности 3d крышки 3 подшипника на расстояние L1 вдоль боковой поверхности 3с крышки подшипника. Точка Р2 отнесена от точки Р1 по направлению внутрь канавки 15 для релаксации напряжений. Точка Р3 отнесена вниз от точки Р1 вдоль боковой поверхности 3с крышки подшипника на расстояние L2. Точка Р4 отнесена от точки Р3 по направлению внутрь канавки 15 для релаксации напряжений. Кривая, соединяющая точки Р2 и Р4, имеет радиус кривизны r1. Радиус кривизны представляет собой радиус окружности, приближающейся к локальной кривизне кривой.
Прямая линия, соединяющая точки Р1 и Р2, наклонена относительно верхней поверхности 3d под углом θ. Угол θ варьируется в зависимости от типа транспортного средства, характеристик двигателя, материала блока 19 цилиндров и крышки 3 подшипника и других условий. Угол θ может иметь любое подходящее значение, при условии, что он уменьшает жесткость выступающего конца 11 над канавкой 15 для релаксации напряжений и обеспечивает гибкость выступающего конца 11. Другими словами, угол θ может иметь любое подходящее значение при условии, что напряжение сдвига в нижнем участке 2 блока цилиндров уменьшается.
Как и угол θ, расстояние L1 варьируется в зависимости от типа транспортного средства, характеристик двигателя, материала блока 19 цилиндров и крышки 3 подшипника и других условий. Расстояние L1 может иметь любое подходящее значение, при условии, что оно уменьшает жесткость выступающего конца 11 над канавкой 15 для релаксации напряжений и обеспечивает гибкость выступающего конца 11. Прямая линия, соединяющая точки Р3 и Р4, может быть параллельна верхней поверхности 3d или наклонена таким образом, что точка Р3 оказывается выше или ниже точки Р4. Прямая линия, соединяющая точки Р1 и Р2, в точке Р2 плавно переходит в кривую, соединяющую точки Р2 и Р4. Кривая, соединяющая точки Р2 и Р4, в точке Р4 плавно переходит в прямую, соединяющую точки Р3 и Р4.
Канавка 15 для релаксации напряжений имеет глубину D1 по отношению к боковой поверхности 3с. Аналогично углу θ и расстоянию L1, глубина D1 варьируется в зависимости от типа транспортного средства, характеристик двигателя, материала блока 19 цилиндров и крышки 3 подшипника, угла θ, расстояния L1 и других условий. Глубина D1 может иметь любое подходящее значение при условии, что она уменьшает жесткость выступающего конца 11 и придает ему гибкость. Кроме того, хотя дно канавки 15 для релаксации напряжений параллельно оси коленчатого вала 6, оно также может быть наклонено вверх или вниз по отношению к оси коленчатого вала под заданным углом. Хотя является предпочтительным, чтобы глубина D1 была одинакова в продольном направлении канавки 15 для релаксации напряжений, глубина D1 может варьироваться в продольном направлении.
Расположение, форма и размеры канавки 16 для релаксации напряжений могут соответствовать расположению вышеупомянутой канавки 15 для релаксации напряжений, а могут быть и другими. Например, канавка 16 для релаксации напряжений может находиться и в другом месте, отличном от соответствующего месту расположения канавки 15 для релаксации напряжений, и иметь форму и размеры, отличные от канавки 15 для релаксации напряжений, в соответствии с направлением вращения или формой коленчатого вала 6. Множество крышек 3 подшипников обеспечено в соответствии с множеством участков коленчатого вала 6. Канавки 15, 16 для релаксации напряжений выполнены в каждой из крышек 3 подшипников. Положение, форма и размеры канавок 15, 16 для релаксации напряжений в каждой из крышек 3 подшипника могут быть как различными, так и одинаковыми.
С помощью надлежащего выбора положений, форм и размеров канавок 15, 16 для релаксации напряжений вышеописанным образом обеспечивают опорную конструкцию для коленчатого вала 6, осуществляемую нижним участком 2 блока цилиндров и крышкой 3 подшипника посредством нижнего металлического вкладыша 5 подшипника с соблюдением равновесия в латеральном направлении. Это позволяет уменьшить напряжение сдвига, возникающее в нижнем участке 2 блока цилиндров.
Как проиллюстрировано на Фиг.3(b), выступающий конец 11 проходит в направлении оси коленчатого вала 6. В частности, выступающий конец 11 имеет верхнюю поверхность 42, контактирующую с нижним участком 2 блока цилиндров, боковую поверхность 43 заданной длины L1, измеряемой вниз от верхней поверхности 42, и нижнюю поверхность 31, образующую канавку 15 для релаксации напряжений. Нижняя поверхность 31 имеет два участка: наклонную поверхность 31а, наклоненную по отношению к верхней поверхности 42 под вышеупомянутым углом θ, и дугообразную поверхность 31b с радиусом кривизны r1, в которую плавно переходит наклонная поверхность 31а. Наклонная поверхность 31а наклонена относительно верхней поверхности 42 таким образом, что толщина выступающего конца 11 увеличивается от дальнего конца к ближнему. Когда сила инерции, порождаемая вращением коленчатого вала 6, действует вниз относительно крышки 3 подшипника, напряжение сдвига приложено к нижнему участку 2 блока цилиндров со стороны верхних участков боковых поверхностей 3b, 3с крышки 3 подшипника, нажимающих на нижний участок 2 блока цилиндров. Однако выступающий конец 11, имеющий вышеописанную конструкцию, деформируется по отношению к канавке 15 для релаксации напряжений таким образом, что происходит релаксация напряжения сдвига.
Расположение, форма и размеры выступающего конца 12 могут соответствовать расположению вышеупомянутого выступающего конца 11, а могут быть и другими. Например, выступающий конец 12 может находиться и в другом месте, отличном от соответствующего места расположения выступающего конца 11, и иметь форму и размеры, отличные от выступающего конца 11, в соответствии с направлением вращения или формой коленчатого вала 6. Крышки 3 подшипников выполнены в соответствии с множеством участков коленчатого вала 6. Выступающие концы 11, 12 обеспечены в каждой из крышек 3 подшипников. Расположение, форма и размеры выступающих концов 12 в разных крышках 3 подшипников могут быть как одинаковыми, так и различными. С помощью надлежащего выбора положений, форм и размеров выступающих концов 11, 12, как в вышеописанном случае с канавками 15, 16 для релаксации напряжений, обеспечивают опорную конструкцию для коленчатого вала 6, осуществляемую нижним участком 2 блока цилиндров и крышкой 3 подшипника посредством нижнего металлического опорного участка с соблюдением равновесия в латеральном направлении. В результате уменьшается напряжение сдвига, возникающее в нижнем участке 3 блока цилиндров.
Верхний металлический вкладыш 4 подшипника и нижний металлический вкладыш 5 подшипника выполнены, например, посредством формования листа металла, такого как сталь, с приданием ему дугообразной формы. Для улучшения прилегаемости во внутренних поверхностях стенок верхнего металлического вкладыша 4 подшипника и нижнего металлического вкладыша подшипника выполнены тонкие дорожки или смазочные канавки.
Коленчатый вал 6 является широко известным, имеет некоторое количество шатунных шеек, соответствующее количеству цилиндров двигателя, присоединен к поршням шатунами и приводится во вращение посредством возвратно-поступательного движения поршней.
Установочные штифты 9, 10 могут представлять собой, например, цилиндрические штифты из стали. Один конец каждого из установочных штифтов 9, 10 запрессован в соответствующее одно из отверстий 2d, 2е под штифты, выполненных в нижнем участке 2 блока цилиндров. Другой конец каждого из установочных штифтов 9, 10 запрессован в соответствующее одно из отверстий 3g, 3h под штифты, выполненных в крышке 3 подшипника. Путем вдавливания обоих концов каждого из установочных штифтов 9, 10 в соответствующие отверстия крышку 3 подшипника устанавливают в нужном положении в нижнем участке 2 блока цилиндров.
В опорной конструкции 1, имеющей вышеописанную компоновку, один конец каждого установочного штифта 9, 10 установлен в соответствующее отверстие 2d, 2е под штифт в нижнем участке 2 блока цилиндров (Фиг.2, 3(a) и 3(b)). Вслед за этим верхний металлический вкладыш 4 подшипника устанавливают в выемке 2а нижнего участка 2 блока цилиндров. Затем соответствующий участок коленчатого вала 6 размещают в верхнем металлическом вкладыше 4 подшипника. Следующим этапом нижний металлический вкладыш 5 подшипника размещают в выемке 3а крышки 3 подшипника, а другой конец каждого установочного штифта 9, 10 вдавливают в соответствующее отверстие 3g, 3h под штифты в крышке 3 подшипника, пока верхняя поверхность 3d крышки 3 подшипника не вступит в контакт с нижним участком 2 блока цилиндров. В результате крышка 3 подшипника позиционируется относительно нижнего участка 2 блока цилиндров.
Затем болты 7, 8 ввинчивают в соответствующие резьбовые отверстия 2b, 2с под болты в нижнем участке 2 блока цилиндров, пропустив их сквозь соответствующие сквозные отверстия 3е, 3f под болты. Затем крышку 3 подшипника крепят к нижнему участку 2 блока цилиндров с заданным крутящим моментом (Нм). Это позволяет коленчатому валу 6 плавно вращаться в положении, поддерживаемом верхним металлическим вкладышем 4 подшипника и нижним металлическим вкладышем 5 подшипника.
Как уже было описано, посредством формирования канавок 15, 16 для релаксации напряжений в верхних участках соответствующих боковых поверхностей 3b, 3c крышки 3 подшипника в крышке 3 подшипника обеспечены выступающие концы 11, 12, которые контактируют с нижним участком 2 блока цилиндров. Это позволяет уменьшить напряжение сдвига, возникающее в нижнем участке 2 блока цилиндров, при этом обеспечивая достаточную площадь поверхности контакта между нижним участком 2 блока цилиндров и крышкой 3 подшипника.
В частности, как проиллюстрировано на Фиг.4(a) и 4(b), напряжение сдвига (МРа), возникающее в каждом из участков нижнего участка 2 блока цилиндров, соответствующем боковым поверхностям 3b, 3с крышки 3 подшипника, значительно уменьшается. На Фиг.4(a) пунктирными линиями показано усилие сдвига, возникающее в обычной опорной конструкции, а сплошными линиями - усилие сдвига, возникающее в опорной конструкции 1 по изобретению. Напряжение сдвига, возникающее в каждом из участков нижнего участка 2 блока цилиндров (Фиг.4(a)), контактирующих с выступающими концами 11, 12 крышки 3 подшипника, уменьшается приблизительно на 70% по сравнению с обычной опорной конструкцией. График, представленный на Фиг.4(a), отображает результаты компьютерного моделирования. График получен путем моделирования в оптимальных условиях, с использованием угла G, расстояния L1 и глубины D1, представленных на Фиг.3, в качестве параметров. На графике отображены напряжение сжатия (МРа) и напряжение сдвига (МРа) в нижнем участке 2 блока цилиндров. Другими словами, напряжение сдвига возникает в участках нижнего участка 2 блока цилиндров, соответствующих боковым поверхностям 3b, 3c крышки 3 подшипника, а напряжение сжатия возникает в других участках.
Когда напряжение сдвига уменьшается вышеописанным образом, предотвращается разъединение нижней поверхности нижнего участка 2 блока цилиндров и верхней поверхности 3d крышки 3 подшипника, даже если сила инерции постоянно действует в направлении радиуса коленчатого вала 6 в процессе его вращения. Кроме того, не образуются трещины в результате усталости от коррозионно-механического изнашивания. Соответственно, получена опорная конструкция с повышенной долговечностью.
Далее будет описана опорная конструкция 1 согласно второму варианту осуществления изобретения, со ссылкой на прилагаемые чертежи, причем описание будет в основном посвящено различиям между вторым и первым вариантами осуществления.
Фиг.5(a) и 5(b) иллюстрируют опорную конструкцию 1 согласно второму варианту осуществления изобретения.
Крышка 23 подшипника согласно второму варианту осуществления изготовлена из железного сплава, такого как литой чугун (FC), и представляет собой четырехугольный блок, аналогичный крышке 3, проиллюстрированной на Фиг.2. Выемка 3а, в которой размещается нижний металлический вкладыш 5 подшипника, выполнена в верхней части крышки 23 подшипника. Крышка 23 подшипника включает в себя сквозные отверстия 3е, 3f под болты и отверстия 3g, 3h под штифты, выполненные с противолежащих сторон выемки 3а. Сквозные отверстия 3е и 3f под болты расположены в местах, соответствующих расположению резьбовых отверстий 2b и 2с под болты в нижнем участке 2 блока цилиндров, соответственно. Отверстия 3g и 3h под штифты расположены напротив отверстий 2d и 2е под штифты в нижнем участке 2 блока цилиндров, соответственно.
Как проиллюстрировано на Фиг.5(a) и 5(b), канавка 15а для релаксации напряжений, открытая на боковой поверхности 3с крышки 23 подшипника и проходящая вдоль оси коленчатого вала 6, выполнена в верхней части боковой поверхности 3с. Участок крышки 23 над канавкой 15 для релаксации напряжений образует выступающий конец 11а, контактирующий с нижним участком 2 блока цилиндров. Выступающий конец 11а проходит в направлении оси коленчатого вала 6. Канавка 16а для релаксации напряжений, аналогично канавке 15 для снятия напряжений, выполнена в верхней части боковой поверхности 3b крышки 23 подшипника, противоположной относительно боковой поверхности 3с. Участок крышки 23 над канавкой 16а для релаксации напряжений образует выступающий конец 12а, контактирующий с нижним участком 2 блока цилиндров. Выступающий конец 12а проходит в направлении оси коленчатого вала 6. Расположение, форма и размеры канавки 16а для релаксации напряжений могут отличаться от таковых для канавки 15а для релаксации напряжений, в соответствии с направлением вращения или формой коленчатого вала 6. Выступающий конец 12а может находиться и в другом месте, отличном от соответствующего месту расположения выступающего конца 11а, и иметь форму и размеры, отличные от выступающего конца 11а, в соответствии с направлением вращения или формой коленчатого вала 6. Кроме того, расположение, форма и размеры канавки 16а для релаксации напряжений могут быть такими же, как и у канавки 15а. Расположение, форма и размеры выступающего конца 12а могут быть такими же, как и у выступающего конца 11а. Множество крышек 23 подшипников выполнено в соответствии с множеством участков коленчатого вала 6. В каждой из крышек 23 подшипников выполнены канавки 15а, 16а для релаксации напряжений. Положение, форма и размеры канавок 15а, 16а для релаксации напряжений в каждой из крышек 23 подшипников могут быть как различными, так и одинаковыми. Положение, форма и размеры выступающих концов 11а, 12а в каждой из крышек 23 подшипников могут быть как различными, так и одинаковыми.
Сечение канавки 15а для релаксации напряжений плоскостью, перпендикулярной оси коленчатого вала 6 (Фиг.5(a) и 5(b)), образовано кривой линией, соединяющей точку Р5 и точку Р6. Точка Р5 отнесена от верхней поверхности 3d крышки 23 подшипника на расстояние L4 вдоль боковой поверхности 3с крышки 23 подшипника. Точка Р6 отнесена вниз от точки Р5 вдоль боковой поверхности 3с крышки 23 подшипника на расстояние L5. Кривая, соединяющая точки Р5 и Р6, имеет радиус кривизны r2. Расстояние L4 варьируется в зависимости от типа транспортного средства, характеристик двигателя, материала блока цилиндров и крышки 23 подшипника и других условий. Расстояние L4 может иметь любое подходящее значение, при условии, что оно уменьшает жесткость выступающего конца 11а и обеспечивает его гибкость. Радиус кривизны г2 задан в соответствии с глубиной D2.
Канавка 15а для релаксации напряжений имеет глубину D2 по отношению к боковой поверхности 3с. Как и расстояние L4, глубина D2 варьируется в зависимости от типа транспортного средства, характеристик двигателя, материала блока 19 цилиндров крышки 23 подшипника, расстояния L4 и других условий. Глубина D2 может иметь любое подходящее значение, при условии, что она уменьшает жесткость выступающего конца 11а и обеспечивает его гибкость.
Кроме того, согласно второму варианту осуществления дно канавки 15а для релаксации напряжений параллельно оси коленчатого вала 6. Дно канавки 15а для релаксации напряжений может быть наклонено вверх или вниз относительно оси коленчатого вала 6 под заданным углом. То есть дно канавки 15а для релаксации напряжений может быть наклонено по отношению к оси коленчатого вала 6, например, под углом от 1 до 10 градусов. Хотя является предпочтительным, чтобы глубина D2 была одинакова в продольном направлении канавки 15а для релаксации напряжений, глубина D2 также может варьироваться в продольном направлении.
Выступающий конец 11а проходит вдоль оси коленчатого вала 6. Аналогично выступающему концу 11а выступающий конец 12а имеет верхнюю поверхность 44, контактирующую с нижним участком 2 блока цилиндров, боковую поверхность 45 заданной длины L4, измеряемой вниз от верхней поверхности 44, и нижнюю поверхность 35, образующую канавку 15а для релаксации напряжений. Как уже было описано, нижняя поверхность 35 представляет собой дугообразную поверхность с радиусом кривизны r2. Когда сила инерции, возникающая при вращении коленчатого вала 6, действует вниз относительно крышки 23 подшипника, верхние участки боковых поверхностей 3b, 3с крышки 23 подшипника нажимают на нижний участок 2 блока цилиндров. Это приводит к деформации выступающего конца 11а в сторону канавки 15а для релаксации напряжений, таким образом, чтобы обеспечить релаксацию напряжения сдвига, действующего на нижний участок 2 блока цилиндров.
Как уже было описано, посредством формирования канавок 15а, 16а для релаксации напряжений в верхних участках соответствующих боковых поверхностей 3b, 3с крышки 23 подшипника в крышке 23 подшипника обеспечены выступающие концы 11а, 12а, которые контактируют с нижним участком 2 блока цилиндров. Соответственно, обеспечивая достаточную площадь поверхности контакта между нижним участком 2 блока цилиндров и крышкой 23 подшипника, можно уменьшить напряжение сдвига, возникающее в нижнем участке 2 блока цилиндров. Говоря конкретнее, получены те же преимущества, что и в опорной конструкции 1 согласно первому варианту осуществления.
Далее будет описана опорная конструкция 1 согласно третьему варианту осуществления изобретения, со ссылкой на прилагаемые чертежи, причем описание будет в основном посвящено различиям между третьим и первым вариантами осуществления.
Фиг.6(a) и 6(b) иллюстрируют опорную конструкцию 1 согласно третьему варианту осуществления изобретения.
Крышка 24 подшипника согласно третьему варианту осуществления изготовлена из железного сплава, такого как литой чугун (FC), и представляет собой четырехугольный блок, аналогичный крышке 3, проиллюстрированной на Фиг.2. Выемка 3а, в которой размещается нижний металлический вкладыш 5 подшипника, выполнена в верхней части крышки 24 подшипника. Крышка 24 подшипника включает в себя сквозные отверстия 3е, 3f под болты и отверстия 3h, 3g под штифты, выполненные с противолежащих сторон выемки 3а. Сквозные отверстия 3е и 3f под болты расположены в местах, соответствующих расположению резьбовых отверстий 2b и 2с под болты в нижнем участке 2 блока цилиндров, соответственно. Отверстия 3h и 3g под штифты расположены напротив отверстий 2d и 2е под штифты в нижнем участке 2 блока цилиндров, соответственно.
Как проиллюстрировано на Фиг.6(a) и 6(b), канавка 15b для релаксации напряжений, открытая на боковой поверхности 3с крышки 24 подшипника и проходящая вдоль оси коленчатого вала 6, выполнена в верхней части боковой поверхности 3с. Участок крышки 24 подшипника над канавкой 15b для релаксации напряжений образует выступающий конец 11b, контактирующий с нижним участком 2 блока цилиндров. Выступающий конец 11b проходит в направлении оси коленчатого вала 6. Канавка 16b для релаксации напряжений, аналогично канавке 15b для снятия напряжений, выполнена в верхней части боковой поверхности 3b крышки подшипника 24, противоположной относительно боковой поверхности 3с. Участок крышки 24 над канавкой 16b для релаксации напряжений образует выступающий конец 12b, контактирующий с нижним участком 2 блока цилиндров. Выступающий конец 12b проходит в направлении оси коленчатого вала 6. Положение, форма и размеры канавки 16b для релаксации напряжений могут отличаться от положения, формы и размеров канавки 15b для релаксации напряжений в соответствии с направлением вращения коленчатого вала 6. Положение, форма и размеры выступающего конца могут отличаться от положения, формы и размеров выступающего конца 11b в соответствии с направлением вращения коленчатого вала 6. Кроме того, расположение, форма и размеры канавки 16b для релаксации напряжений могут быть такими же, как и у канавки 15b. Расположение, форма и размеры выступающего конца 12b могут быть такими же, как и у выступающего конца 11b. Множество крышек 24 подшипников выполнено в соответствии с множеством участков коленчатого вала 6. Канавки 15b, 16b для релаксации напряжений выполнены в каждой из крышек 24 подшипников. Положение, форма и размеры канавок 15b, 16b для релаксации напряжений в каждой из крышек 24 подшипников могут быть различными. Положение, форма и размеры выступающих концов 11b, 12b в каждой из крышек 24 могут быть как различными, так и одинаковыми.
Сечение канавки 15 для снятия напряжений плоскостью, перпендикулярной оси коленчатого вала 6 (Фиг.6(a) и 6(b)), образовано прямой линией, соединяющей точку Р7 с точкой Р8, линией, соединяющей точку Р10 с точкой Р9, и кривой линией, соединяющей точку Р8 и точку Р9. Точка Р7 отнесена от верхней поверхности 3d крышки 24 подшипника на расстояние L6 вдоль боковой поверхности 3с крышки 23 подшипника. Точка Р8 отнесена от точки Р7 по направлению внутрь канавки 15b для релаксации напряжений. Точка Р10 отнесена вниз от точки Р7, вдоль боковой поверхности 3с, на расстояние L7. Прямая линия, соединяющая точки Р7 и Р8, параллельна верхней поверхности 3d или крышки 24 подшипника. Кривая, соединяющая точки Р8 и Р9, имеет радиус кривизны r3.
Расстояние L6 варьируется в зависимости от типа транспортного средства, характеристик двигателя, материала блока 19 цилиндров и крышки 24 подшипника и других условий. Расстояние L6 может иметь любое подходящее значение, при условии, что оно уменьшает жесткость выступающего конца 11b и обеспечивает его гибкость. Аналогично расстоянию L6, радиус кривизны r3 варьируется в зависимости от типа транспортного средства, характеристик двигателя, материала блока 19 цилиндров и крышки 24 подшипника и других условий. Радиус r3 может иметь любое подходящее значение, при условии, что оно уменьшает жесткость выступающего конца 11b и обеспечивает его гибкость.
Канавка 15b для релаксации напряжений имеет глубину D3 по отношению к боковой поверхности 3с. Как и расстояние L6, глубина D3 варьируется в зависимости от типа транспортного средства, характеристик двигателя, материала блока 19 цилиндров и крышки 24 подшипника и других условий. Глубина D3 может иметь любое подходящее значение, при условии, что она уменьшает жесткость выступающего конца 11b и обеспечивает его гибкость.
Кроме того, согласно третьему варианту осуществления дно канавки 15b для релаксации напряжений параллельно оси коленчатого вала 6. Дно канавки 15b для релаксации напряжений может быть наклонено вверх или вниз относительно оси коленчатого вала 6 под заданным углом. Хотя является предпочтительным, чтобы глубина D3 была одинакова в продольном направлении канавки 15b для релаксации напряжений, глубина D3 также может варьироваться в продольном направлении.
Выступающий конец 11b продолжается в направлении оси коленчатого вала 6. Как проиллюстрировано на Фиг.6(b), выступающий конец 11b имеет верхнюю поверхность 46, контактирующую с нижним участком 2 блока цилиндров, боковую поверхность 47 заданной длины L6, измеряемой вниз от верхней поверхности 46, и нижнюю поверхность 32, образующую канавку 15b для релаксации напряжений. Нижняя поверхность 32 состоит из параллельной поверхности 36 и дугообразной поверхности 37 с радиусом кривизны r3. Когда сила инерции, возникающая при вращении коленчатого вала 6, действует вниз относительно крышки 24 подшипника, верхние участки боковых поверхностей 3b, 3с крышки 24 подшипника нажимают на нижний участок 2 блока цилиндров. Это приводит к деформации выступающего конца 11b в сторону канавки 15b для релаксации напряжений таким образом, что происходит релаксация напряжения сдвига, действующего на нижний участок 2 блока цилиндров.
Как уже было описано, выполнение канавок 15b, 16b для релаксации напряжений в верхних участках соответствующих боковых поверхностей 3b, 3с крышки 24 подшипника обеспечивает в крышке 24 подшипника выступающие концы 11b, 12b, которые контактируют с нижним участком 2 блока цилиндров. Соответственно, обеспечивая достаточную площадь поверхности контакта между нижним участком 2 блока цилиндров и крышкой 24 подшипника, можно уменьшить напряжение сдвига, возникающее в нижнем участке 2 блока цилиндров. Говоря конкретнее, получены те же преимущества, что и в опорной конструкции 1 согласно первому варианту осуществления.
Далее будет описана опорная конструкция 1 согласно четвертому варианту осуществления изобретения, со ссылкой на прилагаемые чертежи, причем описание будет в основном посвящено различиям между четвертым и первым вариантами осуществления.
Фиг.7(a) и 7(b) иллюстрируют опорную конструкцию 1 согласно четвертому варианту осуществления изобретения.
Крышка 25 подшипника согласно третьему варианту осуществления изготовлена из железного сплава, такого как литой чугун (FC), и представляет собой четырехугольный блок, аналогичный крышке 3, проиллюстрированной на Фиг.2. Выемка 3а, в которой размещается нижний металлический опорный участок 5, выполнена в верхней части крышки 25 подшипника. Крышка 25 подшипника включает в себя сквозные отверстия 3е, 3f под болты и отверстия 3g, 3h под штифты, выполненные с противолежащих сторон выемки 3а. Сквозные отверстия 3е и 3f под болты расположены в местах, соответствующих расположению резьбовых отверстий 2b и 2с под болты в нижнем участке 2 блока цилиндров, соответственно. Отверстия 3g и 3h под штифты расположены напротив отверстий 2d и 2е под штифты в нижнем участке 2 блока цилиндров, соответственно.
Как проиллюстрировано на Фиг.7(a) и 7(b), выступ 17, проходящий вдоль оси коленчатого вала 6, выполнен в верхнем участке боковой поверхности 3с крышки 25 подшипника. Выступ 18, аналогично выступу 17, выполнен в верхней части боковой поверхности 3b крышки 25 подшипника, противоположной относительно боковой поверхности 3с. Положение, форма и размеры выступа 18 могут отличаться от положения, формы и размеров выступа 17 в соответствии с направлением вращения коленчатого вала 6. В качестве альтернативы, расположение, форма и размеры выступа 17 могут быть такими же, как и у выступа 18. Множество крышек 25 подшипников выполнено в соответствии с множеством участков коленчатого вала 6. Выступы 17, 18 выполнены в каждой из крышек 25. Положение, форма и размеры выступов 17, 18 в каждой из крышек 25 могут быть как различными, так и одинаковыми.
Выступ 17 проходит в направлении оси коленчатого вала 6. Как проиллюстрировано на Фиг.7(a) и 7(b), выступ 17 имеет верхнюю поверхность 48, контактирующую с нижним участком 2 блока цилиндров, боковую поверхность 49, проходящую вниз от верхней поверхности 48, и нижнюю поверхность 50, состоящую из наклонной поверхности 39, наклоненной относительно боковой поверхности 49 под заданным углом, и дугообразной поверхности 41. Сечение выступа 17 плоскостью, перпендикулярной оси коленчатого вала 6, образовано прямой линией, соединяющей точку Р11 с точкой Р12, и кривой линией, соединяющей точку Р13 и точку Р12. Точка Р11 отнесена от верхней поверхности 48 крышки 25 подшипника на расстояние L8 вдоль боковой поверхности 49 крышки 25 подшипника. Точка Р12 отнесена внутрь относительно точки Р11. Точка Р13 расположена на боковой поверхности 3с и отнесена вниз от точки Р12. Прямая линия, соединяющая точки Р11 и Р12, наклонена относительно верхней поверхности 48 под углом 91. Кривая, соединяющая точки Р13 и Р12, имеет радиус кривизны r4.
Расстояние L8 варьируется в зависимости от типа транспортного средства, характеристик двигателя, материала блока 19 цилиндров и крышки 25 подшипника и других условий. Расстояние L8 может иметь любое подходящее значение, при условии, что оно уменьшает жесткость выступа 17 и придает ему гибкость. Угол θ1 варьируется в зависимости от типа транспортного средства, характеристик двигателя, материала блока 19 цилиндров и крышки 25 подшипника и других условий. Угол θ1 может иметь любое подходящее значение, при условии, что он уменьшает жесткость выступа 17 и придает ему гибкость. Аналогично расстоянию L8, радиус кривизны r4 варьируется в зависимости от типа транспортного средства, характеристик двигателя, материала блока 19 цилиндров и крышки 25 подшипника и других условий. Радиус кривизны r4 может иметь любое подходящее значение, при условии, что он уменьшает жесткость выступа 17 и придает ему гибкость.
Как и расстояние L8, высота Н дистальной поверхности 49 выступа 17 по отношению к боковой поверхности 3с варьируется в зависимости от типа транспортного средства, характеристик двигателя, материала блока 19 цилиндров и крышки 25 подшипника, расстояния L8 и других условий. Высота Н может иметь любое подходящее значение при условии, что она уменьшает жесткость выступа 17 и придает ему гибкость. Кроме того, согласно четвертому варианту осуществления дистальная поверхность 49 выступа 17 и ось коленчатого вала 6 параллельны. Дистальная поверхность 49 выступа 17 может быть наклонена по отношению к оси коленчатого вала 6 под заданным углом. Хотя является предпочтительным, чтобы высота Н была одинакова в продольном направлении выступа 17, она также может варьироваться в продольном направлении.
Как уже было описано, посредством формирования выступов 17, 18 в верхних участках соответствующих боковых поверхностей 3b, 3c крышки 25 подшипника напряжение сдвига в нижнем участке 2 блока цилиндров уменьшается, при этом обеспечивается достаточная площадь поверхности контакта между нижним участком 2 блока цилиндров и крышкой 25 подшипника. Говоря конкретнее, получены те же преимущества, что и в опорной конструкции 1 согласно первому варианту осуществления.
Как уже разъяснялось ранее, в опорной конструкции 1 по изобретению в верхних участках боковых поверхностей 3b, 3c выполнены канавки 15, 16 для релаксации напряжений, каждая из которых содержит отверстие в соответствующей одной из боковых поверхностей 3b, 3с крышки 3 подшипника и продолжается вдоль оси коленчатого вала 6. Соответственно, когда внешняя сила, возникающая при вращении коленчатого вала 6, действует вниз относительно крышки 3 подшипника, верхние участки боковых поверхностей 3b, 3с крышки 3 подшипника нажимают на нижний участок 2 блока цилиндров, уменьшая тем самым напряжение в нижнем участке 2 блока цилиндров. В результате, обеспечивая достаточную площадь поверхности контакта между блоком цилиндров и крышкой подшипника, можно уменьшить напряжение сдвига, возникающее в блоке цилиндров. Это действенным образом улучшает долговечность и предотвращает возникновение трещин из-за усталости от коррозионно-механического изнашивания. Кроме того, опорная конструкция коленчатого вала по изобретению пригодна в основном для опорных конструкций, где подшипник вращающегося вала удерживается отдельной, независимой крышкой.