ЭКСЦЕНТРИКОВЫЙ ВАЛ
ECCENTRIC SHAFT

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в различных механизмах для преобразования вращательного движения в линейное возвратно-поступательное или поступательное движение, в частности в оппозитных, крестообразных и V-образных двигателях внутреннего сгорания (ДВС).
Широко известны эксцентриковые валы, взаимодействующие с исполнительным узлом по принципу скольжения, например распредвал в системе газораспределения ДВС. Основные недостатки - это ограниченная область применения, повышенный шум и износ кулачков вала и рычагов, следствием чего является периодический ремонт, регулирование зазоров клапанов или замена деталей.
В изобретении «Эксцентриковое шатунное устройство» (патент РФ №95120917, F16C 1/00, 1995) эксцентрик имеет форму неправильного круга, а шатун взаимодействует с эксцентриком с помощью 4-х подшипников качения, расположенных в корпусе шатуна по окружности через 90 градусов. Среди основных недостатков следует отметить сложность конструкции и низкую надежность при работе устройства на повышенных частотах вращения цилиндрического вала и, как следствие, ограниченный срок эксплуатации.
Известно также изобретение (патент РФ №2178106, F16H 21/18, 1999) «Эксцентриковый шатун» принятое за прототип, в котором диск-эксцентрик с круглым отверстием насажен на цилиндрический вал и жестко закреплен на нем. Диск-эксцентрик, выполненный с возможностью вращения вместе с цилиндрическим валом вокруг одной общей оси, проходящей через центр эксцентриситетного отверстия диска-эксцентрика и вдоль оси цилиндрического вала, связан средствами качения со звеньями шатуна, который имеет возможность возвратно-поступательного перемещения. Изобретение имеет значительные преимущества перед другими видами преобразования вращательного движения в линейные возвратно-поступательные, или качательные перемещения и значительно расширяет область использования такого вида преобразования в различных отраслях машиностроения.
Однако в конструкции прототипа также имеются недостатки, среди которых следует отметить низкую надежность эксцентрикового шатуна при его работе на повышенных частотах вращения цилиндрического вала, относительную сложность конструкции, отсутствие возможности регулировки диска-эксцентрика в радиальном и угловом смещении, недостаточно широкую область применения, относительно высокий уровень затрат и времени на его изготовление и сборку.
Расчеты показывают, что уже при вращении цилиндрического вала с диском-эксцентриком с частотой более 100 оборотов в минуту необходимо компенсировать вибрации с помощью противовесов, при этом наиболее надежной конструкцией в системе цилиндрический вал - диск-эксцентрик - шатун является конструкция, когда радиус цилиндрического вала равен радиусу кривошипа или больше радиуса кривошипа. Другими словами, когда сумма длин радиусов кривошипа и цилиндрического вала не превышает длины радиуса диска-эксцентрика. Низкая надежность устройства эксцентрикового вала, в котором радиус диска-эксцентрика больше суммы радиусов кривошипа и цилиндрического вала, проявляется в том, что при повышенных частотах вращения цилиндрического вала с диском-эксцентриком в конструкции прототипа будут возникать вибрации в радиальном направлении, которые могут приводить к быстрому износу средств качения и звеньев шатуна и к их возможному разрушению. Такие вибрации наиболее сильно будут проявляться в конструкциях с нечетным числом шатунов, устранить которые с помощью различных противовесов достаточно сложно, а порой и невозможно. Наличие вибраций в системе цилиндрический вал - диск-эксцентрик - шатун будет создавать также дополнительные нагрузки на элементы крепления цилиндрического вала, особенно когда конструкция выполнена в консольном варианте. Кроме того, при выполнении отверстия в диске-эксцентрике могут возникать напряжения, снижающие прочностные характеристики материала, что при повышенных частотах вращения также может приводить к быстрой усталости материала диска-эксцентрика и к его преждевременному разрушению.
При больших частотах вращения цилиндрического вала с диском-эксцентриком (свыше 100 оборотов в минуту) радиальные вибрации будут «способствовать» ослаблению жесткости двухсторонней фиксации и шпоночного соединения диска-эксцентрика на цилиндрическом валу. В результате этого будут также возникать и продольные колебания диска-эксцентрика относительно цилиндрического вала, что будет ограничивать срок службы устройства.
Целью настоящего технического решения является улучшение характеристик прототипа, а именно: повышение его надежности; упрощение конструкции; уменьшение времени и затрат на его изготовление и сборку и расширение области применения.
Поставленная цель достигается тем, что эксцентриковый вал, включающий цилиндрический вал, диск-эксцентрик и диск-ограничитель, закреплен с помощью подшипников либо с одного торца, либо с двух торцов на жестком основании, цилиндрический вал выполнен заодно с диском-ограничителем и, по меньшей мере, с одним диском-эксцентриком, а диски-эксцентрики выполнены либо с одной стороны, либо с двух сторон диска-ограничителя, при этом радиусы кривошипов либо совпадают друг с другом в радиальном направлении, либо смещены относительно друг друга по окружности на угол, кратный 90 градусов, с возможностью применения эксцентрикового вала, например, в поршневом ДВС, а на наружной радиальной поверхности дисков-эксцентриков выполнены шлицы, совместимые с ответными шлицами на поверхности внутренней обоймы подшипников качения с возможностью их плотной посадки на диски-эксцентрики, наружная обойма подшипника качения связана с рычагом или шатуном, который передает линейное возвратно-поступательное движение исполнительному узлу, а вращение эксцентрикового вала происходит вокруг оси, проходящей через центр цилиндрического вала, при этом длина радиуса кривошипа либо не превышает длину радиуса цилиндрического вала при оборотах эксцентрикового вала более 100 оборотов в минуту, либо длина радиуса кривошипа больше длины радиуса цилиндрического вала при оборотах эксцентрикового вала менее чем 100 оборотов в минуту.
Надежность работы эксцентрикового вала при повышенных частотах его вращения обеспечивается тем, что цилиндрический вал изготавливают заодно с диском-ограничителем и заодно либо с одним, либо с двумя и более дисками-эксцентриками по обе стороны диска-ограничителя.
Упрощение конструкции, а также уменьшение времени и затрат на ее изготовление и сборку заключается в том, что цилиндрический вал, диск-ограничитель и диск-эксцентрик являются одной деталью, а конструкцию изготавливают в течение одной операции на токарном станке, не снимая заготовки. При этом повышается точность изготовления эксцентрикового вала, что существенно влияет на уменьшение вибраций в процессе его эксплуатации.
Расширение области применения осуществляется за счет различных вариантов конструктивного исполнения эксцентрикового вала.
Упрощение сборки и разборки при замене деталей в случае их износа упрощается применением шлицевого соединения диска-эксцентрика с подшипником качения. Выполнение шлицов на поверхности диска-эксцентрика и ответных шлицов на внутренней обойме подшипника качения также обеспечивает надежность соединения конструкции при больших частотах вращения эксцентрикового вала. Указанные изменения в конструкции позволяют применять эксцентриковый вал при повышенных частотах вращения в устройствах с различным числом исполнительных узлов.
Заявляемое устройство отличается от прототипа тем, что предложена новая более простая конструкция эксцентрикового вала с повышенной надежностью, с уменьшением затрат и времени на ее изготовление и сборку, с более широкой областью применения, что позволяет судить о соответствии заявляемого устройства критерию «новизна».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведен продольный разрез эксцентрикового вала в консольном исполнении, у которого радиус кривошипа (Rкр) меньше радиуса цилиндрического вала (Rв), на фиг.2 приведен продольный разрез эксцентрикового вала в консольном исполнении, у которого радиус кривошипа равен радиусу цилиндрического вала, на фиг.3 приведен продольный разрез эксцентрикового вала в консольном исполнении, у которого диски-эксцентрики выполнены по обеим сторонам диска-ограничителя, на фиг.4 приведен продольный разрез эксцентрикового вала со съемными дисками-эксцентриками, выполненными отдельно от цилиндрического вала и закрепленными на диске-ограничителе, на фиг.5 приведен продольный разрез эксцентрикового вала с разнесенными по длине дисками-ограничителями и дисками-эксцентриками, выполненными заодно с цилиндрическим валом, на фиг.6 приведен поперечный разрез эксцентрикового вала в сборе с подшипником качения, на фиг.7 приведен продольный разрез эксцентрикового вала с четырьмя дисками-эксцентриками, смещенными относительно друг друга по окружности на 90 градусов, на фиг.8 приведен вариант использования эксцентрикового вала в поршневом устройстве классического ДВС, на фиг.9, 10, 11 приведен вид, соответственно крестообразного, оппозитного и V-образного ДВС с использованием эксцентрикового вала.
Эксцентриковый вал (фиг.1) представляет собой конструкцию, у которой цилиндрический вал 1 выполнен заодно с диском-эксцентриком 2 и диском-ограничителем 3, при этом радиус цилиндрического вала 1 (Rв) больше радиуса кривошипа (Rкр.). Конструкция эксцентрикового вала (фиг.2) выполнена так же, как и конструкция на фиг.1, но радиус цилиндрического вала 1 равен радиусу кривошипа. Оба варианта конструкции (фиг.1, 2) могут быть использованы в узлах механизмов с повышенной частотой вращения эксцентрикового вала как с одним, так и с двумя исполнительными узлами, например с одним или с двумя оппозитными шатунами, соединенными с поршнями. Консольный вариант эксцентрикового вала (фиг.3) может быть использован в схемах с двумя или с четырьмя оппозитными шатунами. Цилиндрический вал 1 (фиг.1, 2, 3) закрепляют на жестком основании с помощью одного или двух подшипников 4. Приведенные консольные варианты конструкций (фиг.1, 2, 3) могут быть использованы в различных механизмах с повышенной частотой вращения эксцентрикового вала.
В варианте конструкции эксцентрикового вала (фиг.5) диски-ограничители 3 и диски-эксцентрики 2 выполнены заодно с цилиндрическим валом 1 и расположены симметрично от его центра по торцам цилиндрического вала 1. На фиг.6 представлен поперечный разрез эксцентрикового вала в сборе с подшипником качения 6, установленного на диске-эксцентрике 2 с помощью шлицов 5. Шлицы 5 могут быть нанесены либо полностью на наружной радиальной поверхности диска-эксцентрика, либо на отдельных диаметрально противоположных сегментах наружной поверхности диска-эксцентрика. Подшипник качения 6 также выполнен с ответными шлицами на его внутренней обойме, что обеспечивает его плотную посадку на диск-эксцентрик. В некоторых случаях, при отсутствии шлицов, подшипник качения 6 может быть также запрессован на диске-эксцентрике 2. На диски-эксцентрики могут быть насажены средства качения в виде либо шарикового, либо роликового подшипника качения. В конструкциях эксцентрикового вала (фиг.1, 2, 4, 5) радиусы кривошипов (Rкр) совпадают друг с другом, а в конструкции эксцентрикового вала (фиг.3) радиусы кривошипов (Rкр) смещены относительно друг друга по окружности на 180 градусов (оппозитное исполнение). На фиг.7 представлен эксцентриковый вал с цилиндрическим валом, выполненным заодно с дисками-эксцентриками 2, расположенными по обе стороны диска-ограничителя 3 (по два с каждой стороны) и смещенными относительно друг друга по окружности на 90 градусов. Такая конструкция эксцентрикового вала может быть использована в поршневом устройстве классического ДВС. Схема 4-поршневого ДВС с использованием цилиндрического вала, изготовленного заодно с диском-ограничителем и дисками-эксцентриками, смещенными относительно друг друга по окружности на 90 градусов, приведена на фиг.8. На фиг.9, 10, 11 приведены схемы использования эксцентрикового вала в поршневых устройствах, соответственно крестообразного, оппозитного и V-образного ДВС и виды их поперечных разрезов с торца эксцентрикового вала.
Длину каждого диска-эксцентрика выполняют с учетом толщины промежуточной шайбы 9, отделяющей каждый последующий подшипник качения 6 от предыдущего на заданное расстояние, при этом промежуточную шайбу закрепляют с помощью винтов и радиальных резьбовых отверстий на дисках-эксцентриках.
Использование эксцентриковых валов в напряженных условиях работы, например в поршневом устройстве ДВС или в качестве распредвала требует одновременного охлаждения и смазки вращающихся деталей и узлов, В этих случаях эксцентриковые валы в сборе с подшипниками качения 6 обеспечиваются смазкой, предусмотренной в самой системе двигателя и не требуют дополнительного устройства для удержания смазки в подшипниках качения 6, соединенных с дисками-эксцентриками. В других случаях для удержания в подшипниках качения 6 смазки могут быть установлены герметичные вводы вращения из керамики или металлокерамики, выполняющие роль торцовых уплотнений (на чертежах не показаны).
При сборке на шлицы дисков-эксцентриков устанавливают подшипники качения 6, отделенные друг от друга промежуточными шайбами 9. Подшипники качения 6 от продольного смещения с одной стороны ограничивает диск-ограничитель 3, а с другой стороны с помощью винтов и резьбовых отверстий в торце диска-эксцентрика устанавливают стопорные шайбы 10.
В процессе эксплуатации часто возникает необходимость замены отдельных деталей. При этом шлицевые соединения 5 обеспечивают не только надежность соединения, но и дают возможность достаточно легко собрать и разобрать такое соединение.
В случае, когда диски-эксцентрики выполняют отдельно от цилиндрического вала с возможностью их перемещения относительно цилиндрического вала в радиальном направлении с целью изменения длины хода шатуна или углового смещения, диски-эксцентрики выполняют с отверстиями. При этом на диске-ограничителе также выполняют отверстия в виде пазов, а на диске-эксцентрике внутреннее отверстие выполняют в виде эллипса, малый радиус которого с небольшим припуском равен радиусу цилиндрического вала. Для перемещения диска-эксцентрика ослабляют стягивающие диск-ограничитель и диск-эксцентрик винты перемещают диск-эксцентрик и снова закрепляют винты. Продольное смещение дисков-эксцентриков осуществляют установкой промежуточных шайб одинаковой или различной толщины между диском-ограничителем и подшипниками качения.
При больших частотах вращения эксцентрикового вала важным моментом является соотношение длин радиусов диска-эксцентрика, кривошипа и цилиндрического вала. Если эксцентриковый вал с нечетным числом шатунов вращается с частотой более чем 100 оборотов в минуту, то сумма длин радиусов цилиндрического вала и кривошипа не должна превышать длину радиуса диска-эксцентрика, в противном случае возникающие при этом радиальные вибрации достаточно сложно погасить применением различного рода противовесов.
При использовании конструкций с несколькими исполнительными узлами как с односторонним линейным перемещением, так и с оппозитным, диски-эксцентрики по обе стороны диска-ограничителя выполняют удлиненными с таким расчетом, чтобы можно было закрепить на шлицах дисков-эксцентриков нужное число подшипников качения 6 с учетом толщины промежуточных шайб 9, отделяющих один подшипник качения 6 от другого на необходимое расстояние. Для повышения надежности соединений эксцентрикового вала промежуточные шайбы 9 одинаковой или различной толщины также изготавливают со шлицами на их внутренней поверхности. При этом вся конструкция закрепляется с торцов дисков-эксцентриков 2 с помощью стопорных шайб 10 и винтов.
В некоторых конструкциях могут быть изготовлены эксцентриковые валы, когда на цилиндрическом валу либо с одной стороны диска-ограничителя, либо с двух его сторон выполнены ступенчатые диски-эксцентрики (несколько ступеней), которые обеспечивают разный ход шатунов.
Таким образом, предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом и другими известными автору техническими решениями обладает (техническими) преимуществами, которые заключаются в повышении надежности, упрощении конструкции, уменьшении времени и затрат на его изготовление и сборку и расширении области применения эксцентрикового вала.