ТОПЛИВНЫЙ НАСОС ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ АККУМУЛЯТОРНОЙ ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к двигателестроению, а именно системам питания аккумуляторного типа с электронным управлением для двигателей внутреннего сгорания.
Изучение уровня техники в этой области позволил выявить близкие к новому техническому решению аналоги.
Известна конструкция топливных насосов высокого давления (ТНВД), предложенная фирмой Robert Bosch GmbH (Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей: Учебник для вузов. - М.: Изд-во Легион-Автодата, 2004. - 344 с.), в которых привод плунжера осуществляется плоским толкателем с цилиндрической направляющей поверхностью, приводимым в движение от эксцентрика, выполненного на валу, через промежуточную втулку на внешней поверхности которой выполнены лыски. Недостаток конструкции - ограничение нагруженности привода из-за трения скольжения толкателя о лыску промежуточной втулки. Это трение происходит при малых скоростях, при возвратно-поступательном движении с малыми относительными ходами. В результате не обеспечивается образование несущего клина, смазка не поступает в зазор, а только выдавливается из него. Работа происходит в условиях полусухого трения, а работоспособность обеспечивается подбором материалов: закаленная сталь по графитизированной металлокерамической поверхности. Известна проблема увеличения давления подачи с использованием такого механизма.
Известен также топливный насос высокого давления аккумуляторной топливной системы двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус, в котором размещены плунжер, плоский толкатель с опорной торцевой поверхностью и внешней цилиндрической направляющей поверхностью, приводной экцентриковый вал, снабженный эксцентриком и промежуточной втулкой, имеющей внешнюю цилиндрическую поверхность и установленную подвижно на эксцентрик, причем внешняя цилиндрическая поверхность промежуточной втулки контактирует с опорной поверхностью толкателя (Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей: Учебник для вузов. - М.: Изд-во Легион-Автодата, 2004. - 344 с.). Описанная конструкция ТНВД является наиболее близкой к заявленному устройству и принята в качестве прототипа.
К недостаткам известной конструкция ТНВД следует отнести нарушение нормальной работы, заедание в подшипнике "промежуточная втулка-эксцентрик", контактные перегрузки при неточном изготовлении деталей, даже в пределах допусков. В таком случае линейный контакт в сопряжении "промежуточная втулка-толкатель" превращается в точечный. Вероятность возникновения такого дефекта велика из-за большого числа погрешностей формы и взаимного расположения поверхностей при изготовлении различных деталей: корпуса ТНВД, эксцентрика, промежуточной втулки, толкателя и др.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение несущей способности и ресурса привода плунжеров ТНВД аккумуляторной топливной системы с электронным управлением.
Технический результат достигается тем, что в топливном насосе высокого давления аккумуляторной топливной системы двигателя внутреннего сгорания, содержащем корпус, в котором размещенны плунжер, плоский толкатель с опорной торцевой поверхностью и внешней цилиндрической направляющей поверхностью, приводной экцентриковый вал, снабженный эксцентриком и промежуточной втулкой, имеющей внешнюю цилиндрическую поверхность и установленную подвижно на эксцентрик, причем внешняя цилиндрическая поверхность промежуточной втулки контактирует с опорной поверхностью толкателя, торцевая опорная поверхность толкателя выполнена со скосом к плоскости, перпендикулярной оси цилиндрической поверхности толкателя, при этом угол скоса имеет величину 0,05°-6°. Толкатель и плунжер могут быть выполнены в виде единой детали, а на внешней цилиндрической поверхности промежуточной втулки выполнена лыска с возможностью обеспечения контакта с торцевой опорной поверхностью толкателя.
Наличие скоса позволяет скомпенсировать любую погрешность изготовления (погрешность формы или взаимного расположения поверхностей) деталей привода и корпуса ТНВД. Это обеспечивается самоустановкой толкателя путем его поворота вокруг своей оси, в результате которой точечный контакт в паре "промежуточная втулка-толкатель" превращается в линейный, т.е. равномерный и не приводящий к перекосу толкателя в корпусе и к концентрации контактных напряжений между толкателем и промежуточной втулкой. При отсутствии погрешностей или их малости, избыточность скоса компенсируется самостоятельным разворотом толкателя в направлении большего выступания контактной поверхности в направлении обкатывания промежуточной втулкой. Факт самоустановки толкателя подтверждается анализом действующих сил и прямыми визуальными наблюдениями за работой механизма.
Смещение линии контакта толкателя с промежуточной втулкой к оси толкателя позволяет обеспечить уменьшение момента, перекашивающего толкатель в корпусе насоса, и вызываемые этим моментом неравномерные по поверхности боковые силы, изнашивающие или заклинивающие толкатель.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить высокую надежности и большой ресурс привода плунжеров ТНВД за счет компенсации технологических дефектов изготовления деталей ТНВД при автоматическом развороте толкателя со скосом опорной поверхности, а также за счет уменьшения момента, перекашивающего толкатель в корпусе ТНВД при его автоматическом развороте.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен поперечный разрез топливного насоса высокого давления; на фиг.2 изображена предлагаемая схема привода плунжера и сила, приложенная к скошенной опорной поверхности толкателя; на фиг.3 изображен контакт между втулкой и толкателем со скошенной торцевой поверхностью в плоскости эксцентрикового вала; на фиг.4 изображен толкатель и плунжер выполненные в виде единой детали; на фиг.5 показано применение скоса на опорной поверхности плоского толкателя при использовании втулки с лысками; на фиг.6 показано применение скоса на опорной поверхности толкателя, выполненного в виде единой детали с плунжером при использовании втулки с лысками.
э
в
ТНВД содержит корпус 1, в котором размещен плунжер 2, плоский толкатель 3 с внешней цилиндрической направляющей поверхностью 4 и опорной поверхностью 5, имеющей наклон под углом α к плоскости, перпендикулярной оси цилиндрической поверхности толкателя. Вал ТНВД имеет эксцентрик 6 привода, снабженный промежуточной втулкой 7, установленной на него подвижно и имеющей внешнюю цилиндрическую поверхность, контактирующую с опорной поверхностью толкателя 3. Пунктиром изображена траектория движения центра эксцентрика О при его вращении с эксцентриситетом ε относительно центра вращения вала О. Угол γ - это угол давления, равный углу между суммарной и осевой силой. Он образован между осью толкателя и линией, проведенной из точки контакта перпендикулярно опорной поверхности 5 толкателя 3. В пренебрежении силами трения в подшипнике угол давления близок к углу скоса: γ≈α.
В частном случае толкатель 3 выполнен заодно с плунжером 2, тогда скос сделан на торце 5 плунжера.
Если имеются дефекты изготовления деталей привода плунжера, то при использовании нового технического решения за счет проворота толкателя 3 вокруг своей оси и имеющегося скоса его опорной поверхности 5 даже при дефектах изготовления деталей контакт остается распределеным по линии в плоскости эксцентрикового вала.
Применение скоса опорной поверхности 5 толкателя 3 позволяет достичь эффекта дезаксиального механизма при фактическом отсутствии конструктивного дезаксиала. Так, при использовании нового решения - применении толкателя 3 со скосом опорной поверхности 5 - сила Z от промежуточной втулки 7 в месте контакта смещается к центру толкателя 3 и наклонена в ту же сторону. В результате перекашивающий момент, действующий на толкатель 3, может быть доведен до нуля, а в общем случае - минимизирован.
Предлагаемая полезная модель функционирует следующим образом.
в
э
При работе ТНВД приводной вал с эксцентриком 6 вращается вокруг своей оси О. При этом центр эксцентрика О описывает окружность с радиусом ε (траектория его движения изображена пунктирной линией). Эксцентриковый вал вращается по часовой стрелке.
При наличии технологических дефектов типа погрешностей формы (например, нецилиндричность промежуточной втулки по внешней или внутренней поверхностям) или погрешности взаимного расположения поверхностей (например, неперпендикулярность оси толкателя оси эксцентрикового вала) контакт промежуточной втулки с опорной поверхностью плоского толкателя из линейного превращается в точечный, а в месте контакта происходит выкрашивание, смятие или иные повреждения. В новом техническом решении в этом случае толкатель 3 проворачивается вокруг своей оси благодаря тангенциальному моменту от горизонтальной проекции силы в контакте. Угол разворота автоматически устанавливается таким, что проекция угла скоса α на плоскость, перпендикулярную оси эксцентрикового вала становится равной разнице в проекциях углов наклона к оси эксцентрикового вала 6 плоскостей толкателя 3 и промежуточной втулки 7 и контакт превращается в распределенный по линии.
Решающим достоинством механизма привода плунжера является устойчивость положения толкателя 3 вокруг своей оси. Если толкатель 3 провернется на больший угол, то возникнет точечный контакт уже на противоположной стороне от оси толкателя и возникнет момент противоположного направления, который вернет толкатель в положение, когда контакт распределен по линии. Такое поведение толкателя подтверждается визуальными наблюдениями. Без нагрузки толкатель разворачивается в устойчивое положение за 2-3 оборота вала, под нагрузкой - за 5-20 оборотов. Изменить положение толкателя 3 может только изменение направления вращения вала (тогда он разворачивается на 180°).
При работе ТНВД на толкатель 3 со скосом опорной поверхности со стороны контакта действует сила Z, наклоненная под углом давления γ и смещенная к его оси. Наклон силы Z приблизительно под углом α (γ≈α) приводит к образованию поперечной силы N, передаваемой к боковой цилиндрической поверхности 4 толкателя 3. Ввиду малости угла α, сила N невелика и равномерно распределена по боковой поверхности 4. Это не нарушает работоспособности и не уменьшает ресурс ТНВД. В этом случае исключается или минимизируется перекашивающий толкатель момент, который вызывает большие, неравномерно распределенные по боковой поверхности толкателя силы, которые сильнее изнашивают боковую поверхность, приводят к выработке уступа в корпусе ТНВД и возможному подклиниванию толкателя. Этот дефект также был зафиксирован при испытаниях ТНВД с различными толкателями.
Два описанных достоинства новой конструкции обусловливают различные оптимальные углы скоса α опорной поверхности 5. Так, для компенсации погрешностей изготовления достаточен угол скоса 0,05° 0-0,2°. Для повышения работоспособности ТНВД по боковой поверхности аксиального плоского толкателя в зависимости от соотношения параметров привода рекомендуется скос 1°-6°. Применение толкателя 3 с большими углами скоса автоматически решает первую задачу - компенсацию погрешностей изготовления, поэтому эти два условия не являются взаимно противоречивыми.
Наибольшая эффективность нового решения достигается при наличии у промежуточной втулки 7 ненарушенной внешней цилиндрической поверхности. Однако, возможен вариант исполнения с лысками 8, находящимися в контакте с торцевой опорной поверхностью толкателя 3, как это сделано в известных конструкциях ТНВД. При этом толкатель 3 может быть выполнен совместно с плунжером 2. В случае применения промежуточной втулки с лысками 8 конструкция ТНВД имеет отмеченные недостатки (износ и задиры по поверхности лысок), но все же может компенсировать погрешности изготовления, т.е. лучше известной конструкции.