ШАТУН
CONNECTING ROD

Область техники
Настоящее изобретение относится к шатуну, содержащему малую головку шатуна, которая может быть соединена с возможностью вращения с поршнем, большую головку шатуна, которая имеет разъемную конфигурацию и может быть соединена с возможностью вращения с коленчатым валом, и стержень шатуна между головками шатуна, при этом большая головка шатуна содержит основание стержня шатуна на стороне стержня шатуна и крышку шатунного подшипника, которая может быть привинчена к указанному основанию стержня шатуна, сквозные отверстия, расположенные по обе стороны большой головки шатуна в крышке шатунного подшипника, и резьбовые отверстия в основании стержня шатуна, которые находятся на одном уровне с указанными сквозными отверстиями и проходят через основание стержня шатуна,, причем предусмотрены болты, которые проходят через сквозные отверстия и ввинчены в резьбовые отверстия.
Уровень техники
Во время эксплуатации, шатуны подвергаются высоким переменным нагрузкам растяжения/сжатия, на которые накладываются изгибающие нагрузки и скручивающие нагрузки. Каждая отдельная одна из различных нагрузок может значительно варьироваться по поперечному сечению или длине шатуна. Особенно в области разъемной большой головки шатуна шатун подвергается большим нагрузкам, вследствие выполненного там болтового соединения. Кроме того, нагрузки изменяются во время использования, в зависимости от положения шатуна и поэтому являются переменными с течением времени, что приводит в целом к сложной эпюре нагрузки, которую шатун должен выдержать во время использования. В случае шатуна для высокоэффективных применений, в дополнение к критерию высокой стабильности и соответствующего длительного срока службы, существует дополнительный критерий возможности справляться с высокими оборотами двигателя.
Шатун типа, упоминавшегося в начале, известен из документа ЕР 1602841 А2. В указанном документе описан предпочтительный вариант осуществления шатуна в аспекте болтового соединения, реализованного в основании стержня шатуна и крышке шатунного подшипника. Болтовое соединение происходит исключительно посредством болтов, причем никакие дополнительные гайки, которые взаимодействуют с болтом, не предусмотрены.
Несмотря на то, что в известном шатуне резьбовое отверстие проходит через все основание стержня шатуна, болт, который относится к резьбовому отверстию, ввинчивается в резьбовое отверстие лишь частично. В результате, несмотря на то, что усилия могут быть удобно переданы между основанием стержня шатуна и болтом, резьбовое отверстие остается неиспользованным в части длины резьбового отверстия в той области основания стержня шатуна, которая обращена в сторону от крышки шатунного подшипника. Больший вес основания стержня шатуна является в этом случае неблагоприятным результатом, со следствием в виде большей массы, которая должна быть перемещена.
Кроме того, из практики известны шатуны типа, указанного в начале, в которых соответствующий болт ввинчен в резьбовое отверстие по всей длине соответствующего резьбового отверстия основания стержня шатуна. Здесь отверстие, то есть недорез резьбы на конце резьбы резьбового отверстия, лишь немного больше, чем внутренний диаметр резьбового отверстия. Это приводит к тому, что эксплуатационная нагрузка большей частью поглощается последним (верхним) несущим нагрузку витком резьбы. Это приводит к очень большим напряжениям в основании резьбы непосредственно над последним несущим нагрузку витком резьбы.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка шатуна типа, указанного в начале, таким образом, что компонентные напряжения в области последнего витка резьбы соответствующего резьбового отверстия минимизированы, а срок службы шатуна может быть увеличен на длительное время.
Эта задача может быть решена посредством шатуна, который сконфигурирован в соответствии с признаками по пункту 1 формулы изобретения.
В шатуне в соответствии с изобретением предусмотрено, что основание стержня шатуна имеет на своей стороне, которая обращена в сторону от крышки шатунного подшипника, вырез в области соответствующего резьбового отверстия. Указанный вырез направлен в направлении большой головки шатуна и расположен эксцентрично по отношению к оси резьбы.
Эта конструкция шатуна в области основания стержня шатуна позволяет достичь ситуации, когда нагрузка на последний виток резьбы, вызванная эксплуатационной нагрузкой, уменьшается и распространяется на дальнейшие витки резьбы. Как следствие, компонентные напряжения также уменьшаются в указанной области, что увеличивает выдерживаемые усилия и продлевает срок службы шатуна.
Вырез, который предусмотрен в соответствии с изобретением и представляет определенный радиальный уступ в основании стержня шатуна в области соответствующего резьбового отверстия, подавляет передачу усилия на конец резьбы и, соответственно, приводит к существенной разгрузке, в частности, последнего витка резьбы.
В соответствии с этим аспектом предпочтительным считается, если контур выреза проходит параллельно продольной оси резьбового отверстия. Кроме того, эта конструкция выреза позволяет выполнить вырез в основании стержня шатуна простым способом.
Вырез предпочтительно имеет параболический или частично круглый контур на стороне, которая обращена к большой головке шатуна, относительно направления наблюдения в осевой протяженности резьбового отверстия. Эта конструкция, в частности, способствует проведению усилия в шатун способом, который сокращает пики напряжения.
Протяженность выреза в радиальном направлении соответствующего резьбового отверстия, начинающаяся от соответствующего резьбового отверстия, преимущественно составляет от 10% до 20%, предпочтительно от 13% до 17%, в частности, 15% от диаметра резьбового отверстия.
Предусмотрено, в частности, что в области резьбовых отверстий расположены идентичные вырезы.
Краткое описание чертежей
Дополнительные признаки изобретения вытекают из зависимых пунктов формулы, прилагаемых графических материалов и описания примерных вариантов осуществления, проиллюстрированных на графических материалах, не ограничиваясь этим. В графических материалах:
на фиг. 1 показан трехмерный вид шатуна в соответствии с изобретением, если смотреть под углом сверху в направлении большой головки шатуна,
на фиг. 2 показана часть, помеченная кругом на фиг. 1 в области основания стержня шатуна в трехмерном изображении,
на фиг. 3 показана часть в соответствии с фиг. 1 в продольном разрезе, по отношению к продольной оси болта, который ввинчен в основание стержня шатуна, разрезанная перпендикулярно по отношению к опорной оси обеих головок шатуна,
на фиг. 4 показано схематическое изображение сечения шатуна в соответствии с фиг. 1, показанное для нижней области стержня шатуна и большой головки шатуна, разрезанное перпендикулярно к опорной оси большой головки шатуна,
на фиг. 5 показана деталь изображения, показанная на фиг. 4, в увеличенном масштабе,
на фиг. 6 показан вариант осуществления в соответствии с предшествующим уровнем техники в соответствии с иллюстрацией на фиг. 4,
на фиг. 7 показана деталь изображения, в соответствии с фиг. 6, относящаяся к предшествующему уровню техники, в увеличенном масштабе,
на фиг. 8 показана схема, относящаяся к шатуну в соответствии с изобретением и в соответствии с предшествующим уровнем техники, иллюстрирующая отношение напряжения, в зависимости от углового положения в витке резьбы,
на фиг. 9 показывает относящуюся к предшествующему уровню техники схему для иллюстрации отношения напряжения в наружной резьбе и внутренней резьбе в зависимости от соответствующего витка резьбы,
на фиг. 10 показана относящаяся к изобретению схема для иллюстрации отношения напряжения в наружной резьбе и внутренней резьбе в зависимости от соответствующего витка резьбы,
на фиг. 11 показана относящаяся к предшествующему уровню техники схема для иллюстрации отношения напряжения касательно верхнего напряжения и нижнего напряжения в зависимости от соответствующего витка резьбы, и
на фиг. 12 показана относящаяся к изобретению схема для иллюстрации отношения напряжения касательно верхнего напряжения и нижнего напряжения в зависимости от соответствующего витка резьбы.
Осуществление изобретения
Шатун в соответствии с настоящим изобретением показан на фиг. 1-5, ссылка на которые прежде всего сделана в следующем описании:
Показан шатун 1, содержащий малую головку 2 шатуна, которая может быть соединена с возможностью вращения с поршнем, кроме того, содержащий большую головку 3 шатуна, которая имеет разъемную конфигурацию, и может быть соединена с возможностью вращения с коленчатым валом. Шатун 1 содержит стержень 4 шатуна между головками 2, 3 шатуна. В силу разъемной конфигурации большой головки 3 шатуна, последняя имеет основание 5 стержня шатуна на стороне стержня шатуна и крышку 6 шатунного подшипника, которая может быть привинчена к указанному основанию 5 стержня шатуна. Сквозные отверстия 7 расположены в крышке 6 шатунного подшипника по обе стороны большой головки 3 шатуна. Предусмотрены два сквозных отверстия 7, по одному на каждой стороне большой головки 3 шатуна. Основание 5 стержня шатуна снабжено резьбовыми отверстиями 8, которые проходят в нем и находятся на одном уровне со сквозными отверстиями 7, когда шатун 1 собран. Предусмотрено два болта 9. Соответствующий болт 9 вставлен в соответствующее сквозное отверстие 7 крышки 6 шатунного подшипника и ввинчен в соответствующее резьбовое отверстие 8 основания 5 стержня шатуна. Поэтому крепление крышки 6 шатунного подшипника к основанию 5 стержня шатуна происходит исключительно с помощью двух болтов 9, соответственно без гаек.
На своей стороне, которая обращена в сторону от крышки 6 шатунного подшипника, основание 5 стержня шатуна имеет вырез 10 в области соответствующего резьбового отверстия 8. Указанный вырез 10 направлен в направлении большой головки 3 шатуна и расположен эксцентрично по отношению к оси 11 резьбы. В соответствии со своей осевой протяженностью, соответствующее резьбовое отверстие 8 смежно с вырезом 10. В области резьбовых отверстий 8 расположены идентичные вырезы 10.
Контур 12 выреза 10 проходит параллельно продольной оси соответствующего резьбового отверстия 8, то есть параллельно оси 11 резьбы. По отношению к направлению просмотра в осевой протяженности резьбового отверстия 8 вырез 10 имеет параболический контур 12 на стороне, которая направлена к большой головке 3 шатуна. Безусловно, вместо параболического контура в указанной области может быть выполнен частично круглый, в частности полукруглый контур, при этом частично круглый контур соединяется двумя участками контура, которые проходят параллельно.
Рассмотренная в принципе, протяженность выреза 10 в радиальном направлении соответствующего резьбового отверстия 8, начинающаяся от соответствующего резьбового отверстия 8, составляет от 10 до 20%, предпочтительно от 13 до 17%, в частности, 15% диаметра резьбового отверстия 8.
Из варианта предшествующего уровня техники, показанного на фиг. 6 и 7, в прямом сравнении с вариантом осуществления согласно настоящему изобретению по фиг. 4 и 5 может быть заключено, что (безрезьбовое) отверстие в конце резьбы шатуна лишь немного больше в предшествующем уровне техники, чем диаметр внутренней резьбы основания стержня шатуна. Эксплуатационная нагрузка поэтому поглощается по большей части последним (верхним) несущим нагрузку витком резьбы. Это показано на фиг. 7 с помощью показанного круга 13. Это приводит к очень большим напряжениям в основании резьбы непосредственно над последним несущим нагрузку витком резьбы.
В варианте осуществления в соответствии с настоящим изобретением (сделана ссылка, в частности, к иллюстрации по фиг. 5) предусмотрен вырез 10, который направлен в направлении большой головки 3 шатуна и эксцентрично по отношению к оси 11 резьбы. За счет этого достигается то, что загрузка последнего витка резьбы, вызванная эксплуатационной нагрузкой, уменьшается и распределяется на дальнейшие витки резьбы. Как следствие, компонентные напряжения также уменьшаются в указанной области. Это увеличивает выдерживаемые усилия и продлевает срок службы шатуна.
В конкретном варианте осуществления согласно фиг. 1-3, вырез 10 сконфигурирован таким образом, чтобы проходить внутрь на 2 мм, то есть внутрь на 2 мм, начиная с той стороны резьбового отверстия 8, которая обращена к большой головке 3 шатуна. Здесь образован радиус R, составляющий 1,0 мм по отношению к нижней части 14 выреза 10.
На фиг. 8-12 изображены диаграммы, которые показывают подробности, относящиеся к шатуну в соответствии с предшествующим уровнем техники или в соответствии с настоящим изобретением, или непосредственно сравнивают подробности, относящиеся к этим шатунам:
На фиг. 8 показаны максимальные нагрузки, определенные во время испытания в резьбовом отверстии 8, то есть во внутренней резьбе, причем максимальные нагрузки определены в направлении вдоль окружности резьбового отверстия и в примере относятся к предпоследнему витку резьбы внутренней резьбы. Для углового положения в витке резьбы 90°, что соответствует внутренней стороне шатуна, то есть соответствует области, которая обращена к большой головке 3 шатуна, кривая для предшествующего уровня техники показывает, что здесь преобладает максимальное напряжение. Для кривой, относящейся к варианту осуществления шатуна в соответствии с настоящим изобретением, при указанном угловом положении 90° в витке резьбы, напротив, получен значительный минимум, вызванный выполненным вырезом 10. Указанный вырез 10 уменьшает напряжения, именно там, где они находятся на своем максимуме. В остальном волнообразные кривые показывают выраженное изгибающее напряжение в самой резьбе в случае присутствия только нагрузки растяжения/сжатия на шатун.
На фиг. 9 показаны относящиеся к предшествующему уровню техники максимальные нагрузки в зависимости от отдельных витков резьбы резьбового отверстия 8. Здесь предусмотрено пятнадцать несущих нагрузку витков резьбы. Показаны эпюры напряжения для внутренней резьбы, то есть резьбового отверстия 8 шатуна, который выполнен из титана, и наружной резьбы болта 9, который выполнен из стали 10.9. Как видно из указанной диаграммы, введение усилия в конец внутренней резьбы, то есть в резьбовое отверстие 8 в области первого витка резьбы, приводит к возникновению вредящего относительного максимального напряжения.
Для иллюстрации, которая соответствует фиг. 9, на фиг. 10 показано, что относительное максимальное напряжение снижается вследствие образования выреза 10 в области соответствующего резьбового отверстия 8 в конце внутренней резьбы, то есть в области первого витка резьбы.
На диаграмме в соответствии с фиг. 11 максимальное напряжение показано для предшествующего уровня техники в зависимости от витка резьбы, в свою очередь для пятнадцати несущих нагрузку витков резьбы, главным образом со статической нагрузкой, путем усилия предварительного напряжения болта. Показаны максимальные амплитуды напряжений на витках резьбы, при этом одна кривая показывает верхнее напряжение, а другая кривая, показывает нижнее напряжение. Верхнее и нижнее напряжения служат в качестве основы для оценки срока службы шатуна. Из указанной иллюстрации может быть заключено, что особенно большие вредящие амплитуды в результате растяжения/сжатия на шатуне создаются в области первого витка резьбы.
В соответствии с иллюстрацией на фиг. 11 на фиг. 12 показаны соотношения в конструкции шатуна в соответствии с изобретением. По фиг. 12 можно заключить, что значение верхнего напряжения и значение нижнего напряжения значительно ниже в области первого витка резьбы, и в остальном амплитуда между верхним напряжением и нижним напряжением также снижена.
Для описанного варианта в соответствии с предшествующим уровнем техники можно определить, что в указанной конфигурации шатуна передача силы в шатуне осуществляется целенаправленно в конец резьбового отверстия, то есть внутренней резьбы, и высокие напряжения и, прежде всего, большие амплитуды также создаются там в витках резьбы.
Вместо этого в варианте осуществления в соответствии с настоящим изобретением подрезание конца резьбы, то есть конфигурация вырезов 10 на внутренней стороне шатуна 1, с использованием определенных радиальных уступов, делает возможным подавление передачи силы в конец резьбы и существенную разгрузку шатуна там.
По сравнению с предшествующим уровнем техники настоящее изобретение обеспечивает вероятность увеличения срока службы в области резьбового отверстия или внутренней резьбы на коэффициент, который больше 10. Расположение максимального повреждения смещается от конца резьбы к передним виткам резьбы, то есть к классическому месту разрушения в случае болтового соединения.
Список обозначений
1
Шатун
2
Малая головка шатуна
3
Большая головка шатуна
4
Стержень шатуна
5
Основание стержня шатуна
6
Крышка шатунного подшипника
7
Сквозное отверстие
8
Резьбовое отверстие
9
Болт
10
Вырез
11
Ось резьбы
12
Контур
13
Круг
14
Нижняя часть