КОНСТРУКЦИЯ ПОДШИПНИКОВОГО УЗЛА ДВИГАТЕЛЯ, БЛОК ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЯ, КАРТЕР ДВИГАТЕЛЯ И ГОЛОВКА ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к подшипниковым узлам, используемым для опоры вала двигателя с возможностью вращения.
Уровень техники
Из уровня техники известно использование подшипникового узла для вращения вала двигателя, например, узла коренного подшипника коленчатого вала, подшипникового узла распределительного вала, подшипникового узла уравновешивающего вала.
В таких подшипниковых узлах, известных из уровня техники, часто используется конструкция подшипника, в которой вкладыш подшипника выполнен в виде части компонента двигателя, используемого для опоры подшипникового узла, например, блока цилиндров двигателя в случае узла коренного подшипника коленчатого вала или подшипникового узла уравновешивающего вала и головки цилиндров в случае подшипникового узла распределительного вала. Пример подобной конструкции раскрыт в патенте США 4,612,885 (опубл. 23.09.1986), который может быть выбран в качестве ближайшего аналога полезной модели.
Такой подшипниковый узел имеет крышку подшипника, которая прикреплена к вкладышу подшипника, образуя вместе с ним вращающуюся опору соответствующего вала. При таком расположении отверстие каждого подшипникового узла обычно обрабатывают на месте на компоненте двигателя, а затем торцевую крышку необходимо снять, чтобы установить вал, после чего прикрепить обратно к вкладышу подшипника на компоненте двигателя для использования.
Такой порядок изготовления является сложным, занимает много времени и предусматривает выполнение в компоненте двигателя сложных форм и контуров для вкладышей подшипников.
Еще один недостаток такой конструкции заключается в том, что из-за теплопроводящей природы такого подшипникового узла большая часть тепла, переданного маслу, используемому для смазки подшипникового узла, теряется за счет переноса на очень большую массу компонента двигателя.
Например, в случае узла коренного подшипника большая часть выделяющегося тепла теряется за счет передачи на блок цилиндров.
Кроме того, известно, что после запуска из холодного состояния, т.е. запуска двигателя при температуре близкой к температуре окружающей среды, возникают значительные потери на трение вызванные тем, что температура смазочного масла ниже оптимальной рабочей температуры. Эти потери увеличивают потребление топлива в начальный период прогрева и, кроме того, увеличивают износ, если температура масла ниже минимальной температуры, при которой добавки в масле полностью активируются.
В попытке уменьшить эти потери, было предложено выполнить изоляцию канала подачи масла двигателя таким образом, чтобы уменьшить потери тепла от масла, таким образом ускоряя процесс нагревания масла и уменьшая расход топлива. Хотя такой подход обеспечивает значительное снижение времени нагревания масла, потери тепла от масла в подшипнике вращающегося вала такого двигателя не уменьшаются.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является уменьшение потерь тепла от масла, используемого для смазки подшипникового узла вращающегося вала двигателя, а также упрощение конструкции и уменьшение стоимости и сложности изготовления компонента двигателя, к которому присоединен подшипниковый узел.
Для достижения указанного эффекта предложен подшипниковый узел двигателя, который включает в себя по крайней мере один корпус подшипника, обеспечивающий опору для вращения вала с масляной смазкой, и средство для крепления по крайней мере одного корпуса подшипника к плоской монтажной поверхности на крупном компоненте двигателя, причем подшипниковый узел выполнен с возможностью обеспечивать тепловой барьер между валом и плоской монтажной поверхностью таким образом, чтобы уменьшить потери тепла на крупный компонент двигателя от масла, используемого для смазки вала.
В одном варианте подшипниковый узел может содержать два корпуса подшипника, которые прикреплены к крупному компоненту двигателя с помощью пары разнесенных резьбовых крепежных деталей, которые проходят через отверстия в обоих корпусах подшипника. При этом тепловой барьер обеспечен за счет наличия слоя изолирующего материала, расположенного между торцевой поверхностью одного из корпусов подшипника и плоской монтажной поверхностью компонента двигателя таким образом, чтобы исключить контакт этого корпуса подшипника с плоской монтажной поверхностью.
В другом варианте подшипниковый узел может содержать один корпус подшипника, прикрепленный к крупному компоненту двигателя с помощью пары разнесенных резьбовых крепежных деталей, которые проходят через отверстия в корпусе подшипника. При этом тепловой барьер обеспечен за счет наличия слоя изолирующего материала, расположенного между торцевой поверхностью корпуса подшипника и плоской монтажной поверхностью компонента двигателя таким образом, чтобы исключить контакт корпуса подшипника с плоской монтажной поверхностью.
Слой изоляционного материала может представлять собой изолирующую пластину, изготовленную из материала с низкой теплопроводностью. Изолирующая пластина отделяет торцевую поверхность примыкающего корпуса подшипника от плоской монтажной поверхности таким образом, чтобы исключить контакт корпуса подшипника с плоской монтажной поверхностью. Изолирующим материалом может являться керамический материал.
Каждая резьбовая крепежная деталь может иметь удлиненный хвостовик, который проходит через по крайней мере один корпус подшипника, а между каждым удлиненным хвостовиком и по крайней мере одним корпусом подшипника, через который он проходит, предусмотрен вторичный тепловой барьер. В качестве вторичного теплового барьера может быть использована либо трубка, изготовленная из изолирующего материала, либо воздушный зазор, либо слой изолирующего материала на удлиненном хвостовике.
В другом варианте подшипниковый узел может содержать два корпуса подшипника, которые сами изготовлены из теплоизоляционного материала и прикреплены к крупному компоненту двигателя с помощью пары разнесенных резьбовых крепежных деталей, которые проходят через отверстия в двух корпусах подшипника, а тепловой барьер обеспечен материалом корпусов подшипника.
В еще одном варианте подшипниковый узел может содержать один корпус подшипника, изготовленный из теплоизоляционного материала и прикрепленный к крупному компоненту двигателя с помощью пары разнесенных резьбовых крепежных деталей, которые проходят через отверстия в корпусе подшипника, причем тепловой барьер обеспечен материалом корпуса подшипника.
При этом каждый корпус подшипника может быть выполнен из керамического материала с низкой теплопроводностью, а также из керамического материала с коэффициентом теплового линейного расширения, меньшим чем коэффициент теплового линейного расширения материала, из которого выполнен вал с масляной смазкой.
Кроме того, предложен крупный компонент двигателя, который имеет несколько описанных выше подшипниковых узлов, прикрепленных к нему на расстоянии друг от друга, и на которые опирается для вращения вал с масляной смазкой.
Крупный компонент двигателя может иметь одну плоскую монтажную поверхность, к которой прикреплены все соответствующие подшипниковые узлы, или несколько плоских монтажных поверхностей, количество которых соответствует количеству подшипниковых узлов, при этом каждый подшипниковый узел прикреплен к одной плоской монтажной поверхности.
Крупный компонент двигателя может представлять собой либо блок цилиндров двигателя, либо картер двигателя, либо головку цилиндров двигателя.
Краткое описание чертежей
Далее полезная модель будет описана на примере со ссылкой на сопроводительные чертежи.
На Фиг. 1 показан вид с торца первого варианта выполнения подшипникового узла;
на Фиг. 2 показан вид с торца второго варианта выполнения подшипникового узла;
на Фиг. 3 показано поперечное сечение подшипникового узла с Фиг. 1, на котором показан первый вариант расположения крепления и изоляции;
на Фиг. 4 показано поперечное сечение подшипникового узла с Фиг. 1, на котором показан второй вариант расположения крепления и изоляции;
на Фиг. 5 показано поперечное сечение подшипникового узла с Фиг. 1, на котором показан третий вариант расположения крепления и изоляции;
на Фиг. 6 показан вид с торца третьего варианта выполнения подшипникового узла;
на Фиг. 7 показано поперечное сечение подшипникового узла с Фиг. 6, на котором показано расположение крепления и изоляции;
на Фиг. 8 показан вид с торца четвертого варианта выполнения подшипникового узла;
на Фиг. 7 показано поперечное сечение подшипникового узла с Фиг. 8, на котором показано расположение крепления и изоляции.
Фигуры выполнены схематично и предоставлены для облегчения понимания предложенной конструкции.
Осуществление полезной модели
На Фиг. 1 показан крупный компонент двигателя в виде блока 5 цилиндров двигателя. Блок 5 цилиндров имеет плоскую поверхность, образующую плоскую монтажную поверхность 6 для крепления подшипникового узла 10.
Следует учитывать, что может быть предусмотрено несколько плоских монтажных поверхностей 6, количество которых соответствует количеству подшипниковых узлов 10, или может быть предусмотрено, что несколько подшипниковых узлов 10 крепится к одной большой монтажной поверхности.
Подшипниковый узел 10 включает в себя первый и второй металлические корпуса 11 и 12 подшипника и тепловой барьер, образованный слоем изолирующего материала в виде плоской изолирующей пластины 19.
Первый корпус 11 подшипника имеет торцевую поверхность 13 и рабочую поверхность 15, которая может быть выполнена неразъемной в виде покрытия подшипникового материала, нанесенного на первый корпус 11 подшипника, или может представлять собой отдельную обойму, изготовленную из подшипникового материала. В первом корпусе 11 подшипника выполнены два разнесенных отверстия для ввода резьбовых крепежных деталей 20.
Второй корпус 12 подшипника имеет плоскую торцевую поверхность 14 и рабочую поверхность 16, которая может быть выполнена неразъемной в виде покрытия подшипникового материала, нанесенного на второй корпус 12 подшипника, или может представлять собой отдельную обойму, изготовленную из подшипникового материала. Во втором корпусе 12 подшипника выполнены два разнесенных отверстия для установки резьбовых крепежных деталей 20.
Первый и второй корпуса 11 и 12 подшипника в сочетании создают опору для вращения коленчатого вала 7. Маслопровод (не показан) входит во второй корпус 12 подшипника для подачи смазочного масла на коленчатый вал 7. Плоская изолирующая пластина 19 выполнена из материала с очень низкой теплопроводностью, например, карбида кремния или другого подходящего керамического материала.
Изолирующая пластина 19 расположена между плоской торцевой поверхностью 14 второго корпуса 12 подшипника и плоской монтажной поверхностью 6 на блоке 5 цилиндров таким образом, чтобы никакая часть торцевой поверхности 14 второго подшипникового узла 12 не соприкасалась с плоской монтажной поверхностью 6 блока 5 цилиндров. На изолирующей пластине 19 выполнены два разнесенных отверстия для установки резьбовых крепежных деталей 20, и предусмотрена плоская поверхность для стыковки с плоской монтажной поверхностью 6, а также плоская поверхность для стыковки с торцевой поверхностью 14.
Следует учитывать, что в качестве альтернативы слой изолирующего материала может быть выполнен в виде покрытия на втором корпусе 12 подшипника и необязательно должен быть отдельной деталью в форме пластины. В этом случае изолирующий слой может быть выполнен таким образом, чтобы никакая часть второго корпуса 12 подшипника не соприкасалась с плоской монтажной поверхностью 6 блока 5 цилиндров.
Предпочтительно, чтобы вся торцевая поверхность 16 второго корпуса 12 подшипника была покрыта изолирующим слоем или изолирующей пластиной, так как это уменьшает риск деформации второго корпуса 12 подшипника во время использования. Изолирующая пластина 19 отделяет второй корпус 12 подшипника от плоской монтажной поверхности 6 таким образом, чтобы никакая часть второго корпуса 12 подшипника не соприкасалась с плоской монтажной поверхностью 6.
При вращении коленчатого вала 7 в подшипниковом узле 10 возникает трение и, следовательно, нагревание масла, но в связи с тем, что подшипниковый узел 10 образует тепловой барьер между маслом, используемым для смазки коленчатого вала 7, и блоком 5 цилиндров, тепловые потери от масла значительно уменьшаются, что приводит к более эффективному нагреванию масла, в частности после холодного запуска двигателя, в который входит блок 5 цилиндров.
На Фиг. 3 показан первый вариант расположения крепления и изоляции, где видно, что у каждой из резьбовых крепежных деталей 20 есть головка 21, удлиненный хвостовик 22 и резьбовая концевая часть 23, которая соединена путем вкручивания с отверстием с внутренней резьбой в блоке 5 цилиндров. Изолирующая шайба 18 расположена между головкой 21 резьбовой крепежной детали 20 и торцевой поверхностью 13 первого корпуса 11 подшипника, при этом в отверстиях первого и второго корпусов 11 и 12 подшипника установлена изолирующая трубка 17, которая создает тепловой барьер между хвостовиком 22 резьбовой крепежной детали 20 и первым и вторым корпусами 11 и 12 подшипника. Следует учитывать, что в качестве альтернативы может быть предусмотрено две изолирующие трубки, одна в первом корпусе 11 подшипника, и одна во втором корпусе 12 подшипника. Следует также учитывать, что хвостовик 22 резьбовой крепежной детали 20 также может быть покрыт теплоизоляционным материалом.
Изолирующая трубка 17 и изолирующая шайба 18 выполнены из материала с низкой теплопроводностью, например, карбида кремния, и создают тепловой барьер между первым и вторым корпусами 11 и 12 подшипника и соответствующей резьбовой крепежной деталью 20.
Для крепления корпусов 11 и 12 подшипника к блоку 5 цилиндров использованы две резьбовые крепежные детали 20, вкрученные в отверстие с внутренней резьбой в блоке 5 цилиндров. Следует учитывать, что изолирующая пластина 19 также прижата или прикреплена к блоку 5 цилиндров, так как она установлена между плоской монтажной поверхностью 6 блока 5 цилиндров и плоской торцевой поверхностью 14 второго корпуса 12 подшипника.
Тепловые барьеры в форме изолирующей пластины 19, шайбы 18 и изолирующей трубки 17, таким образом, расположены между маслом, используемым для смазки вала 7, и блоком 5 цилиндров, чтобы уменьшить рассеяние тепла от масла. Таким образом, путь теплового потока между маслом, используемым для смазки коленчатого вала 7, и блоком 5 цилиндров прерывается из-за наличия по крайней мере одного теплового барьера между валом, смазываемым маслом, и блоком 5 цилиндров. Использование таких тепловых барьеров уменьшает переход тепла от масла к крупному конструктивному компоненту (коленчатому валу 5), к которому прикреплен подшипниковый узел 10, и, тем самым, сокращает время, необходимое для нагревания масла до необходимой рабочей температуры.
На Фиг. 4 показан второй вариант расположения крепления и изоляции, который является альтернативным расположению, описанному выше со ссылкой на Фиг. 3.
Единственное существенное различие между этим вариантом и ранее описанным со ссылкой на Фиг. 3, состоит в том, что изолирующая трубка 17 заменена в данном варианте на воздушный зазор 17а. Как и ранее, две крепежные детали 20 использованы для крепления подшипникового узла 10 к блоку 5 цилиндров, при этом тепловые барьеры в форме изолирующей пластины 19, шайбы 18 и воздушного зазора 17а расположены между маслом, используемым для смазки вала 7, и блоком 5 цилиндров.
Этот вариант осуществления также приводит к прерыванию пути теплового потока между маслом, используемым для смазки коленчатого вала 7, и блоком 5 цилиндров за счет наличия по крайней мере одного, а в данном случае трех, тепловых барьеров между валом, смазываемым маслом, и блоком 5 цилиндров. Тепловые потери от масла на крупный конструктивный компонент 5, таким образом, уменьшается, а также уменьшается время, необходимое для нагревания масла до необходимой рабочей температуры.
На Фиг. 5 показан третий вариант расположения крепления и изоляции, который является альтернативным расположению, описанному выше со ссылкой на Фиг. 3.
Единственное существенное различие между этим вариантом и ранее описанным со ссылкой на Фиг. 4 состоит в том, что между головкой 21 резьбовой крепежной детали 20 и первым корпусом 11 подшипника отсутствует изолирующая шайба, причем именно такое расположение показано на Фиг. 1.
Как и в ранее описанном случае, две крепежные детали 20 использованы для крепления подшипникового узла 10 к блоку 5 цилиндров, при этом тепловые барьеры в форме изолирующей пластины 19 и воздушного зазора 17а расположены на пути теплового потока между маслом, используемым для смазки вала 7, и блоком 5 цилиндров. Однако в этом варианте осуществления остается путь прохождения теплового потока через головку 21 резьбовой крепежной детали 20. Однако этот путь теплового потока относительно мал из-за очень малой площади соприкосновения между головкой 21 резьбовой крепежной детали 20 и первым корпусом 11 подшипника.
Этот вариант также приводит к прерыванию пути теплового потока между маслом, используемым для смазки коленчатого вала 7, и блоком 5 цилиндров за счет наличия тепловых барьеров между коленчатым валом, смазываемым маслом, и блоком 5 цилиндров. Как и в ранее описанном случае, тепловые потери от масла на крупный конструктивный компонент (коленчатый вал 5), таким образом, уменьшаются, а также уменьшается время, необходимое для нагревания масла до необходимой рабочей температуры.
Варианты воплощения с Фиг. 3 и 4 являются предпочтительными по сравнению с вариантами воплощения с Фиг. 5, поскольку между резьбовой крепежной деталью 20 и корпусами 11 и 12 подшипника находятся вторичные тепловые барьеры. Таким образом, в этих вариантах соприкосновение между резьбовой крепежной деталью 20 и корпусами 11 и 12 подшипника невозможно.
Хотя полезная модель описана на примере, в котором используется корпус подшипника, обеспечивающий опору для вращения коленчатого вала и крепления коленчатого вала к блоку цилиндров двигателя, следует понимать, что в качестве вала может быть использован любой вал двигателя, для которого необходимо выполнять смазку маслом, а крупным конструктивным компонентом может быть компонент, к которому присоединен подшипниковый узел.
Например, в качестве вала может быть использован распределительный кулачковый вал, а крупным конструктивным компонентом может быть головка цилиндров; в качестве альтернативы валом может быть уравновешивающий вал, а крупным конструктивным компонентом может быть блок цилиндров или картер.
Одно из преимуществ предложенной конструкции состоит в том, что компоненты, используемые в подшипниковом узле, имеют простую форму и конструкцию.
Еще одним преимуществом является то, что крупный конструктивный компонент не должен иметь специальную форму, чтобы его можно было вставить в подшипниковый узел - необходима только плоская ровная поверхность или плоские поверхности, к которым будут прикреплены подшипниковые узлы.
Следует понимать, что для обеспечения опоры для одного вала обычно необходимо несколько подшипниковых узлов, а плоская поверхность или плоские поверхности на крупном конструктивном компоненте должны быть правильно выровнены для обеспечения правильного положения вала. Однако обработка таких выровненных плоских поверхностей или одной плоской поверхности проще в выполнении, может быть произведена с высокой степенью точности и потенциально дешевле, чем в случае конструкции, известной из уровня техники, где одна часть подшипникового узла выполнена неразъемной с крупным конструктивным компонентом.
Для изготовления первого и второго корпусов 11 и 12 подшипника могут быть использованы технологии, известные из патента США 6,379,754, описанные для крупного концевого подшипника с использованием процесса крекинга и нанесения покрытия.
На Фиг. 2 показан второй вариант выполнения подшипникового узла 30, который является альтернативным подшипниковому узлу 10, показанному выше и описанному со ссылкой на Фиг. 1.
Как и в ранее описанном случае, крупный компонент двигателя в виде блока 5 цилиндров двигателя имеет плоскую монтажную поверхность 6 для крепления подшипникового узла 30.
Как и в ранее описанном случае, может быть предусмотрено несколько плоских монтажных поверхностей 6, количество которых соответствует количеству подшипниковых узлов 30, или может быть предусмотрено, что несколько подшипниковых узлов 30 прикреплены к одной большой плоской монтажной поверхности.
Подшипниковый узел 30 включает в себя один металлический корпус 31 подшипника и тепловой барьер, образованный слоем изолирующего материала в форме плоской изолирующей пластины 39.
Корпус 31 подшипника имеет первую и вторую торцевые поверхности 33 и 34 и рабочую поверхность 36 подшипника. Рабочая поверхность 36 выполнена в форме отдельной обоймы, изготавливаемой из подшипникового материала. В корпусе 12 подшипника выполнены два разнесенных отверстия для установки резьбовых крепежных деталей 20.
Резьбовые крепежные детали 20 и изоляция этих крепежных деталей 20 от корпуса 31 подшипника идентичны описанным выше со ссылкой на Фиг. 3-5, за исключением того, что в данном варианте предусмотрен только один корпус 31 подшипника. Как и в ранее описанном случае, варианты крепления и изоляции с Фиг. 3 и 4 являются предпочтительными по сравнению с вариантом с Фиг. 5, поскольку там предусмотрены вторичные тепловые барьеры между резьбовой крепежной деталью 20 и корпусом 31 подшипника. Таким образом, в этих вариантах соприкосновение между резьбовой крепежной деталью 20 и корпусом 31 подшипника невозможно.
Как и в ранее описанном случае, корпус 31 подшипника обеспечивает опору для вращения коленчатого вала 7, при этом маслопровод (не показан) входит в корпус 31 подшипника для подачи смазочного масла на коленчатый вал 7.
Плоская изолирующая пластина 39 выполнена из материала с очень низкой теплопроводностью, например, карбида кремния или другого подходящего керамического материала.
Изолирующая пластина 39 расположена между второй плоской торцевой поверхностью 34 корпуса 31 подшипника и плоской монтажной поверхностью 6 на блоке 5 цилиндров таким образом, чтобы никакая часть корпуса 31 подшипника не соприкасалась с плоской монтажной поверхностью 6 блока 5 цилиндров.
На изолирующей пластине 39 выполнены два разнесенных отверстия для установки резьбовых крепежных деталей 20. На изолирующей пластине 39 выполнена плоская поверхность для стыковки с плоской монтажной поверхностью 6 и плоская поверхность для стыковки с торцевой поверхностью 34.
Следует учитывать, что в качестве альтернативы изолирующий слой может быть выполнен в виде покрытия на корпусе 31 подшипника и необязательно должен быть отдельной деталью. В этом случае изолирующий слой выполнен таким образом, чтобы никакая часть корпуса 31 подшипника не соприкасалась с плоской монтажной поверхностью 6 блока 5 цилиндров.
Предпочтительнее, чтобы вся торцевая поверхность 34 корпуса 31 подшипника была покрыта изолирующим слоем или изолирующей пластиной 39, так как это уменьшает риск деформации корпуса 31 подшипника во время использования. Изолирующая пластина 39 отделяет корпус 31 подшипника от плоской монтажной поверхности 6 таким образом, чтобы никакая часть корпуса 31 подшипника не соприкасалась с плоской монтажной поверхностью 6.
Изолирующая пластина 39, таким образом, уменьшает теплопередачу от корпуса 31 подшипника к блоку 5 цилиндров, тем самым поддерживая температуру масла на более высоком уровне, чем это было бы в ином случае, в особенности, если температура блока 5 цилиндра равна или близка к температуре окружающей среды, а температура окружающей среды низкая. Следует учитывать, что некоторое количество тепла будет рассеиваться из масла на корпус 31 подшипника, но оно будет минимальным по сравнению с теплом, которое переходило бы на блок 5 цилиндров, если бы корпус 31 подшипника непосредственно соприкасался с блоком 5 цилиндров.
При вращении коленчатого вала 7 в корпусе 31 подшипника возникает трение и, следовательно, нагревание масла, но подшипниковый узел 30 образует тепловой барьер между маслом, используемым для смазки коленчатого вала 7, и блоком 5 цилиндров. Таким образом, рассеивание тепла от масла значительно уменьшается, что приводит к более эффективному нагреванию масла после холодного запуска двигателя, в который входит блок 5 цилиндров.
Следует учитывать, что при такой моноблочной конструкции подшипникового узла соответствующий вал необходимо проектировать таким образом, чтобы можно было его устанавливать в подшипниковые узлы, используемые в качестве опоры для него. Другими словами, необходим сборный вал, состоящий из нескольких деталей.
На Фиг. 6 показан третий вариант подшипникового узла 110, который может быть использован вместо подшипникового узла 10 с Фиг. 1.
Как и в ранее описанном случае, компонент двигателя в форме блока 5 цилиндров имеет плоскую монтажную поверхность 6 для крепления подшипникового узла 110.
Следует понимать, что может быть предусмотрено несколько плоских монтажных поверхностей 6, количество которых соответствует количеству подшипниковых узлов 110, или несколько подшипниковых узлов 110 может быть прикреплено к одной большой плоской монтажной поверхности.
Подшипниковый узел 110 включает в себя первый и второй изолирующие корпуса 11 и 12 подшипника.
Первый корпус 111 подшипника имеет торцевую поверхность 113 и рабочую поверхность 115 подшипника, которая может быть выполнена неразъемной в виде покрытия из подшипникового материала, нанесенного на первый корпус 111 подшипника, или разъемной в форме обоймы, изготовленной из подшипникового материала. В первом корпусе 111 подшипника выполнены два разнесенных отверстия для ввода резьбовых крепежных деталей 120.
Второй корпус 112 подшипника имеет плоскую торцевую поверхность 114 и рабочую поверхность 116 подшипника, которая может быть выполнена неразъемной в виде покрытия из подшипникового материала, нанесенного на второй корпус 112 подшипника, или разъемной в форме обоймы, изготовленной из подшипникового материала. Во втором корпусе 112 подшипника выполнены два разнесенных отверстия для резьбовых крепежных деталей 120.
Первый и второй корпус 111 и 112 подшипника вместе обеспечивают опору для вращения коленчатого вала 7, и маслопровод (не показан) входит в корпус 112 подшипника для подачи смазочного масла на коленчатый вал 7.
Первый и второй корпуса 111 и 112 подшипника выполнены из материала с очень низкой теплопроводностью, например, карбида кремния или другого подходящего керамического материала.
Плоская торцевая поверхность 114 второго корпуса 112 подшипника образует плоскую поверхность, которая примыкает непосредственно к плоской поверхности 6 на блоке 5 цилиндров. Первый и второй корпуса 111 и 112 подшипника создают большой тепловой барьер между маслом и блоком 5 цилиндров.
При вращении коленчатого вала 7 в подшипниковом узле 110 возникает трение и, следовательно, нагревание масла, но подшипниковый узел 110 образует тепловой барьер между маслом, используемым для смазки коленчатого вала 7, и блоком 5 цилиндров. Таким образом, перенос тепла от масла значительно уменьшается, что обеспечивает более эффективное нагревание масла, в частности после холодного запуска двигателя, в который входит блок 5 цилиндров.
На Фиг. 7 показано расположение крепежной детали и изоляции, являющихся частью подшипникового узла 110.
Для этого использованы две резьбовые крепежные детали 120, при этом каждая из резьбовых крепежных деталей 120 имеет головку 121, удлиненный хвостовик 122 и резьбовую концевую часть 123, которая путем вкручивания закрепляется в отверстии с внутренней резьбой в блоке 5 цилиндров. Головка 121 резьбовой крепежной детали 120 взаимодействует непосредственно с торцевой поверхностью 113 первого корпуса 111 подшипника.
Воздушный зазор 117а образуется в данном случае между хвостовиком 122 резьбовой крепежной детали 120 и отверстиями в первом и втором корпусах 111 и 112 подшипника таким образом, что создается тепловой барьер между хвостовиком 122 резьбовой крепежной детали 120 и первым и вторым корпусами 111 и 112 подшипника. Однако отверстия должны иметь достаточный диаметр, чтобы хвостовик 122 резьбовой крепежной детали мог свободно в них проходить, так как очень незначительное количество тепла передается на хвостовик 122 от корпусов 111 и 112 подшипника из-за их хороших теплоизоляционных свойств.
Для крепления корпусов 111 и 112 подшипника к блоку 5 цилиндров использованы две резьбовые крепежные детали 120, вкручиваемые в отверстие с внутренней резьбой в блоке 5 цилиндров. Таким образом, между маслом, используемым для смазки вала 7, и блоком 5 цилиндров создается тепловой барьер в форме изолирующих первого и второго корпусов 111 и 112 подшипника.
Таким образом, поскольку оба корпуса 111 и 112 подшипника выполнены из изолирующего материала, теплопередача от масла, используемого для смазки вала 7, на блок цилиндров значительно уменьшается, что обеспечивает лучшее нагревание масла.
Использование керамического изолирующего материала для корпусов 111 и 112 подшипника является особенно эффективным средством предотвращения теплопередачи от масла, используемого для смазки вала, к блоку 5 цилиндров. Кроме того, так как коэффициент теплового расширения керамических корпусов 111 и 112 подшипника значительно меньше, чем у материала, использованного для изготовления коленчатого вала 7 (сталь или чугун), возникают другие полезные эффекты.
Например, предпочтительнее, если зазор между коленчатым валом 7 и корпусами 111 и 112 подшипника будет больше, когда компоненты находятся в холодном состоянии, например, при температуре окружающей среды, так как это обеспечивает более низкое трение по сравнению с использованием меньшего по размеру зазора, что приводит к уменьшению потребления топлива. Однако при высоких температурах предпочтительно использовать небольшой зазор в подшипнике для уменьшения потока масла, проходящего через подшипник.
При использовании металлических корпусов подшипника обычно невозможно обеспечить большой зазор, когда компоненты находятся в холодном состоянии, например, при температуре окружающей среды, так как коэффициенты расширения коленчатого вала и корпусов подшипника будут очень близки, и, таким образом, большой зазор сохранится даже тогда, когда масло нагрето до высокой температуры. Такой большой зазор между валом и корпусами подшипника в момент, когда масло нагрето до высокой температуры, приведет к чрезмерному потоку масла через подшипник, вследствие чего необходим будет большее мощный масляный насос, или масляный насос должен будет работать более интенсивно. В любом случае необходимо будет использовать больше топлива для перекачки масла на вал.
Однако при использовании керамического материала для корпусов подшипника можно использовать большой зазор между коленчатым валом 7 и подшипниковым материалом 116, когда коленчатый вал 7 и подшипниковый узел 110 находятся в холодном состоянии, что предотвращает чрезмерное трение в подшипнике. Причина состоит в том, что такой керамический материал имеет гораздо более низкий коэффициент линейного термического расширения, чем материал, использованный для изготовления коленчатого вала 7. Таким образом, когда компоненты нагреты, большой зазор между коленчатым валом 7 и материалом 116 подшипника уменьшается за счет различного относительного расширения, что приводит к меньшему размеру зазора. Поэтому, когда масло нагрето до высокой температуры и имеет более низкую вязкость, зазор подшипника становится меньше, что предотвращает чрезмерную потерю масла из подшипника без значительного увеличения трения.
На Фиг. 8 показан четвертый вариант выполнения подшипникового узла 210, который может быть использован вместо подшипникового узла 10, показанного и описанного со ссылкой на Фиг. 1.
Как и в ранее описанном случае, компонент двигателя 5 в форме блока 5 цилиндров двигателя имеет плоскую монтажную поверхность 6 для крепления подшипникового узла 210.
Как и в ранее описанном случае, может быть предусмотрено несколько плоских поверхностей 6, количество которых соответствует количеству подшипниковых узлов 210, или несколько подшипниковых узлов 210 может быть прикреплено к одной большой плоской поверхности.
Подшипниковый узел 210 содержит один изолирующий корпус 231 подшипника и две резьбовые крепежные детали 220.
Корпус 231 подшипника имеет первую торцевую поверхность 233 и вторую торцевую поверхность 234 и рабочую поверхность 216 подшипника. Рабочая поверхность 216 выполнена в форме отдельной обоймы, изготавливаемой из подшипникового материала. В корпусе 231 подшипника выполнены два разнесенных отверстия для установки резьбовых крепежных деталей 220.
Резьбовые крепежные детали 220 и изоляция этих крепежных деталей 220 от корпуса 231 подшипника показаны на Фиг. 9, и в принципе они идентичны описанным выше со ссылкой на Фиг. 7, за исключением того, что в данном варианте предусмотрен только один изолирующий корпус 231 подшипника.
Использованы две разнесенные резьбовые крепежные детали 220, при этом каждая из резьбовых крепежных деталей 220 имеет головку 221, удлиненный хвостовик 222 и резьбовую концевую часть 223, которая путем вкручивания закрепляется в отверстии с внутренней резьбой в блоке 5 цилиндров. Головка 221 резьбовой крепежной детали 220 взаимодействует непосредственно с торцевой поверхностью 213 корпуса 231 подшипника.
Воздушный зазор 217а образуется между хвостовиком 222 резьбовой крепежной детали 220 и отверстиями в корпусе 231 подшипника таким образом, что создается тепловой барьер между хвостовиком 222 резьбовой крепежной детали 220 и корпусом 231 подшипника.
Корпус 231 подшипника выполнен из материала с очень низкой теплопроводностью, например, карбида кремния или другого подходящего керамического материала. Кроме того, предпочтительно, чтобы материал, используемый для изготовления корпуса 231 подшипника, имел более низкий коэффициент линейного расширения, чем материал, из которого изготовлен вал, опирающийся на него. Причина состоит в том, что относительное расширение может быть использовано, как описано выше, для изменения зазора между коленчатым валом 7 и подшипниковым материалом 216 при изменении температуры. Зазор имеет большой размер, когда температура компонентов равна или близка к температуре окружающей среды, и малый размер, когда компоненты нагреты до обычной рабочей температуры.
Корпус 231 подшипника обеспечивает опору для вращения коленчатого вала 7, причем маслопровод (не показан) входит в корпус 231 подшипника для подачи смазочного масла на коленчатый вал 7.
Вторая плоская торцевая поверхность 234 корпуса 231 подшипника образует плоскую поверхность, которая примыкает непосредственно к плоской опорной поверхности 6 на блоке 5 цилиндров.
Следует учитывать, что некоторое количество тепла будет переходить из масла в корпус 231 подшипника, но такая потеря тепла будет минимальна по сравнению с теплом, которое уходило бы на блок 5 цилиндров, если бы подшипниковый узел был изготовлен из теплопроводного материала и непосредственно соприкасался бы с блоком 5 цилиндров.
При вращении коленчатого вала 7 в корпусе 231 подшипника возникает трение и, следовательно, нагревание масла, но в связи с тем, что подшипниковый узел 210 образует тепловой барьер между маслом, используемым для смазки коленчатого вала 7, и блоком 5 цилиндров, потери тепла от масла значительно уменьшаются, тем самым обеспечивая более эффективное нагревание масла, в частности, после холодного запуска двигателя, в который входит блок 5 цилиндров.
Использование керамического изолирующего материала для корпуса 231 подшипника является особенно эффективным средством предотвращения передачи тепла от масла, используемого для смазки вала, к блоку 5 цилиндров.
Кроме того, как описано выше, так как коэффициент теплового расширения керамического корпуса 231 подшипника значительно меньше, чем у материала, из которого изготовлен коленчатый вал 7 (сталь или чугун), возникают другие полезные эффекты, связанные с трением и потоком масла.
Следует учитывать, что в случае крупного компонента двигателя, например, блока цилиндров двигателя или головки цилиндров двигателя, как правило, необходимо несколько подшипниковых узлов описанного ранее типа, которые прикреплены к нему на расстоянии друг от друга, для опоры вращаемого вала, например, коленчатого вала, уравновешивающего вала или распределительного кулачкового вала.
В одном варианте крупный компонент двигателя 5 имеет одну плоскую монтажную поверхность 6, к которой прикреплены все соответствующие подшипниковые узлы 10, 30, 110, 210.
В альтернативном варианте на крупном компоненте двигателя 5 предусмотрено несколько плоских монтажных поверхностей 6, количество которых соответствует количеству подшипниковых узлов 10, 30, 110, 210, и каждый подшипниковый узел 10, 30, 110, 210 прикреплен к соответствующей одной плоской монтажной поверхности 6.
Следует понимать, что четыре описанных варианта выполнения подшипниковых узлов имеют очень простую конструкцию, при этом все они крепятся к плоской поверхности, выполненной на крупном конструктивном компоненте, что снижает время и стоимость изготовления как подшипниковых узлов, так и крупного компонента двигателя, к которому они присоединены.
Таким образом, обобщая вышесказанное, предложенная конструкция подшипникового узла двигателя обеспечивает уменьшение рассеивания тепла от масла, используемого для смазки вала, который опирается на подшипниковый узел, таким образом, обеспечивая более эффективное нагревание масла, особенно после запуска двигателя из холодного состояния, и снижение потребления топлива.
В двух особенно предпочтительных вариантах корпус или корпуса подшипника выполнены из изолирующего материала с более низким коэффициентом линейного расширения, чем у опирающегося на них вала. Это позволяет использовать стратегию изменения зазора в зависимости от температуры для опорной конструкции, состоящей из вала и подшипникового узла, в которой использован зазор больше обычного, когда температура вала и подшипникового узла равна температуре окружающей среды, что приводит к уменьшению трения и потребления топлива, когда масло холодное. Из-за относительного расширения материалов зазор уменьшается, когда вал и подшипниковый узел нагреты до нормальной рабочей температуры, что приводит к уменьшению потока масла в подшипнике.
Следует учитывать, что для обеспечения правильного расположения каждого подшипникового узла на крупном компоненте двигателя, к которому он прикреплен, на практике могут быть использованы локационные приспособления, например направляющие штифты.