Составной коленчатый вал
COMPOSITE CRANKSHAFT

Изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно к кривошипно-шатунным механизмам двигателей внутреннего сгорания автотракторных двигателей.
Известен составной коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания [1], который содержит щеки со сквозными цилиндрическими отверстиями шатунные и коренные шейки. Коренные шейки своими концами жестко (с натягом) установлены в сквозные цилиндрические отверстия щек и имеют у своих концов сегментные выемки. Шатунная шейка выполнена отдельно от щек и запрессована в отверстия щек. У данного коленчатого вала момент, стремящийся повернуть щеку относительно коренной шейки, воспринимается моментом трения в месте посадки шейки в отверстие. Анализ конструкции коленчатого вала данной конструкции показывает его низкую надежность, так как при сборке сопряжений шатунная шейка - отверстие щеки, отверстие щеки - коренная шейка применена посадка с натягом, что ненадежно. Посадка с натягом сама по себе не стабильна, так как ее надежность зависит от способа сборки, шероховатости сопрягаемых поверхностей, от температуры сопрягаемых деталей. Так как коленчатый вал работает в условиях больших динамических знакопеременных нагрузок, вибраций, то при такой конструкции коленчатого вала, она будет обладать низкой надежностью и ресурсом. Это основной недостаток коленчатого вала данной конструкции.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является коленчатый вал [2], который содержит соединенные между собой коренные и шатунные шейки с соответствующими полущеками. С целью упрощения технологии элементы коленчатого вала соединены между собой с помощью сварки. Хотя целью изобретения является упрощение технологического процесса изготовления коленчатого вала, при внимательном анализе коленчатого вала данной конструкции, фактического упрощения технологического процесса не будет по следующим причинам. Коленчатый вал данной конструкции состоит из большого количества элементов, и каждый элемент необходимо изготовить отдельно, по отдельной технологии. То есть, изготовление коленчатого вала необходимо рассмотреть в комплексе, а не только как технологический процесс сборки сваркой, поэтому процесс изготовления не упрощается, а наоборот, усложняется. Коленчатый вал изделие высокой точности по относительному угловому расположению шатунных и коренных шеек и по другим геометрическим параметрам. Недостатком процесса сварки является то, что из-за перегрева сварочных швов и материала детали происходит деформация изделия в целом, что приводит к большим погрешностям геометрических параметров коленчатого вала, состоящего из большого количества элементов и собранного путем сварки. Кроме того, известно, что сварные соединения плохо работают в условиях вибрации, а коленчатый вал в процессе работы испытывает знакопеременные нагрузки и вибрации. Поэтому, у коленчатых валов, изготовленных по данной технологии, надежность и долговечность будут очень низкими, это большой недостаток.
Таким образом, известные конструкции составных коленчатых валов имеют существенные недостатки как с точки зрения упрощения технологии их изготовления, так и с точки зрения применимости в двигателях внутреннего сгорания. Они конструктивно сложны, состоят из большого количества отдельно изготовленных элементов. Применение при сборке таких технологических процессов как сварка и запрессовка существенно снижают их надежность и ресурс.
Цель изобретения - повышение ремонтопригодности при выходе из строя отдельных шатунных или коренных шеек, в уменьшении количества операций (в повышении производительности) при удалении шатунно-поршневой группы из блока и установке ее обратно в блок, универсальность (приспособленность) предложенной конструкции коленчатого вала для двигателей различным числом цилиндров, то есть, расширение области применения, а также возможность изменения степени сжатия в камере сгорания автотракторных двигателей.
На фиг. 1 (вид спереди) показан общий вид собранного коленчатого вала предложенной конструкции, где приняты следующие обозначения: а, б, в, г, д - соответственно опорные звеня; е, ж, з, и - соответственно шатунные звенья; 1, 2, 3, 4, 5 - соответственно коренные шейки; 6, 7, 8, 9 - соответственно шатунные шейки; 10 - щека опорного звена а; 11 - левая щека опорного звена б; 12 - правая щека опорного звена б; 13 - левая щека опорного звена в; 14 - правая щека опорного звена в; 15 - левая щека опорного звена г; 16 - правая щека опорного звена г; 17 - щека опорного звена д; 18 - конец для установки шестерен привода механизмов двигателя; 19 - фланец для установки маховика; 20 - штифты для базирования маховика относительно фланца;
На фиг. 2 (вид спереди) фрагмент опорного звена а, обозначения те же, что и на фиг. 1.
На фиг. 3 (вид спереди) фрагмент опорного звена б, обозначения те же, что и на фиг. 1.
На фиг. 4 (вид спереди) фрагмент опорного звена в, обозначения те же, что и на фиг. 1.
На фиг. 5 (вид спереди) фрагмент опорного звена г, обозначения те же, что и на фиг. 1.
На фиг. 6 (вид спереди) фрагмент опорного звена д, обозначения те же, что и на фиг. 1.
На фиг. 7 (вид спереди) показана шатунная шейка 6 между щеками 10 и 11 по фиг. 1.
На фиг. 8 (вид сбоку) показана шатунная шейка 6 между щеками 10 и 11 по фиг. 1.
На фиг. 9 (вид спереди) показаны опорные звенья а и б соединенные шатуном 6. Обозначения те же, что и на фиг.1.
На фиг. 10 (вид сбоку) показано сопряжение шатунной шейки 6 со щекой 10 опорного звена а, где приняты следующие обозначения: 21 - регулировочные вкладыши; 22 - крышка щеки 10; 23 - болты крепления крышки к щеке 10. Остальные обозначения те же, что и на фиг. 1.
Сущность изобретения заключается в том, что составной коленчатый вал включает отдельно изготовленные опорные звенья а, б, в, г и д (соответственно фиг. 1, 2, 3, 4, 5 и 6). Каждое опорное звено предварительно изготавливается в отдельности и представляет цельный элемент. Опорные звенья б, в и г состоят из коренной шейки и двух щек, расположенных в двух параллельных плоскостях, перпендикулярных к оси коренной шейки. Плоскость симметрии щек проходит через ось коренной шейки. На торцах каждой щеки выполнены пазы для установки в них отдельно изготовленного шатунного звена фиг. 10. Крайние опорные звенья переднее - д и заднее - а также представляют цельно изготовленные отдельные элементы. Переднее опорное звено - д включает опорную шейку 5, слева которой перпендикулярно к ее оси расположена щека 17 с пазом на ее торце, а справа конец 18, для установки шестерен привода механизмов двигателя. Заднее опорное звено - а включает коренную шейку 1, справа которой расположена щека 10 перпендикулярно к ее оси, а слева фланец 19 для установки маховика. На торце щеки 10 также выполнен паз для установки шатунной шейки. Два штифта 20 на фланце 19 служат для базирования маховика относительно фланца коленчатого вала. Конструктивной особенностью составного коленчатого вала предложенной конструкции является то, что его сборка осуществляется непосредственно в ходе общей сборки двигателя.
На фиг 1. показан составной коленчатый вал на примере четырехцилиндрового четырехтактного двигателя. Одним из достоинств составного коленчатого вала предложенной конструкции является то, его можно собрать на двигателях разным количеством цилиндров меняя количество опорных звеньев. Переднее и заднее опорные звенья в любом случае будут иметь место при любом количестве цилиндров. Фигуры 9 и 10 поясняют конструкцию установки шатунной шейки 6 в пазы на торцах щек 10 и 11. Шатунная шейка 6 в пазах на торцах щек 10 и 11 устанавливается и фиксируется не непосредственно крышкой 22 и двумя болтами 23, а через набор регулируемых шайб 21. Такая конструкция позволяет при необходимости регулировать ход поршня (увеличивать или уменьшать). Изменение хода поршня может потребоваться при установке сборного коленчатого вала на многотопливные двигатели. При установке шайб 21 (фиг. 10) с нижней стороны, как показано на фиг. 10 ход поршня уменьшается, тем самым уменьшается и степень сжатия в камере сгорания. При установке вкладышей 21 с верхней стороны - ход поршня увеличивается, тем самым увеличивается и степень сжатия в камере сгорания. В процессе эксплуатации происходит изнашивание деталей цилиндро-поршневой группы, что приводит к уменьшению компрессии в камере сгорания и снижению эффективности работы двигателя. Применение регулировочных шайб в предложенной конструкции коленчатого вала позволяет увеличить ход поршня, тем самым повысить степень сжатия и компенсировать уменьшение компрессии и повысить эффективность работы двигателя.
Сборка и укладка предложенного сборного коленчатого вала в блок двигателя (на примере четырехцилиндрового и четырехтактного двигателя внутреннего сгорания) осуществляется в следующей технологической последовательности.
Запрессовывают установочные штифты 20 (фиг. 1) во фланец 19 коленчатого вала. Нагревают в масле до температуры 110…130°С шестерню или блок шестерен и напрессовывают на передний конец 18 опорного звена д до упора.
Проверяют правильность комплектования коленчатого вала вкладышами: они должны быть подобраны в соответствии маркировкой, нанесенной на площадке коленчатого вала, или в соответствии с ремонтным размером шеек коленчатого вала. Отвертывают гайки и снимают крышки коренных подшипников, смазывают постели блока поверхности крышек и устанавливают вкладыши в соответствии с порядковым номером коренного подшипника и условной маркировкой верхних и нижних вкладышей. Во вкладышах, устанавливаемых в постель блока, предусмотрено отверстие для смазки, которое должно совпадать с масляным каналом в блоке, а во впадинах, устанавливаемых в крышку, отверстий нет. Качание вкладышей в гнездах или зависание их на фиксирующих втулках не допускается.
Затем крышки ставят на место и затягивают их гайками с номинальным моментом затяжки. Индикаторным нутромером измеряют внутренний размер вкладышей: он должен быть равен номинальному размеру установленных вкладышей. Нормальный зазор между шейкой вала и вкладышами определяют как разность измеренным отверстием вкладышей, затянутых в блоке, и шейкой вала.
Затем снимают крышки, проверяют прилегаемость вкладышей к постели блока и крышке.
Конструктивной особенностью коленчатого вала предложенной конструкции является то, что коленчатый вал собирается непосредственно в блоке двигателя, а не как отдельный узел (отдельный коленчатый вал) в известных конструкциях.
1 этап. Смазывают вкладыши и шейки опорных звеньев коленчатого вала моторным маслом. Устанавливают по своим местам опорные звенья коленчатого вала и крышки коренных опор и затягивают гайки нормальным усилием. Проверяют легкость вращения каждого опорного звена в отдельности.
2. этап. Выставляют опорные звенья б, в и г с пазами в щеках 12, 13, 14, 15, в вертикальной плоскости с пазами вверх. Снимают со щек 12, 13, 14, 15 крышки 22 (фиг. 10), освобождая пазы для установки шатунных шеек 7 и 8 коленчатого вала. Совмещают отверстия для подачи масла шатунных звеньев с отверстиями для подачи масла в щеках 12 и 13, 14 и 15 опорных звеньев б, в и г. Устанавливают шатунные шейки 7 и 8 в соответствующие пазы и затягивают болты 23 нормальным усилием. Места установки регулировочных вкладышей 21 определяются сортом применяемого моторного топлива.
3 этап. Поворачивают собранный фрагмент коленчатого вала на 180° с пазами в щеках 11 и 16 вверх и выставляют в вертикальной плоскости. Также выставляют в вертикальной плоскости с пазами в щеках 10 и 17 опорные звенья а и д. Снимают со щек 10 и 11, 16 и 17 опорных звеньев д и а крышки 22 освобождая пазы для установки шатунных шеек 6 и 9. Совмещают отверстия для подачи масла шатунных шеек 6 и 7 с отверстиями для подачи масла в щеках 10 и 11 и 16 и 17 опорных звеньев а и б и г и д. Устанавливают шатунные шейки 6 и 9 в соответствующие пазы и затягивают болты 23 нормальным усилием.
При этом в зависимости от необходимости увеличения или уменьшения хода поршня, вкладыши 21 устанавливают или с верхней или нижней стороны шатунного звена. Вкладыши имеют отверстия.
Проверяют момент затяжки резьбовых соединений крышек опорных и шатунных звеньев коленчатого вала. Проверяют легкость вращения коленчатого вала.
Вал должен легко вращаться от усилия руки за штифт 20 на фланце 19 коленчатого вала.
На этом сборка и укладка предлагаемого коленчатого вала на примере четырехцилиндрового четырехтактного двигателя завершена, дальнейшая сборка двигателя осуществляется по общепринятой технологии.
Технический эффект от применения составного коленчатого вала предложенной конструкции заключается в повышенной технологичности изготовления составных частей и замене при ремонте не всего коленчатого вала, а только его отказавшей составной части, снижении при этом объема балластных работ, экономии материала коленчатого вала за счет замены только отказавшей составной части и в возможности приспособления двигателя внутреннего сгорания к различным сортам моторного топлива за счет изменения степени сжатия в камере сгорания.
Источники информации
1. Составной коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания. Патент РФ №2115036, F16C 3/10, опубл. 10.07.1998.
2. Составной коленчатый вал. Авт. свид. СССР №365493, МПК F16 с3/10, опубл. 08.01.1973, Бюл. №6.