Коленчатый вал и способ его изготовления
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению и может быть использовано в конструкциях коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания и других машин и механизмов, содержащих коренные и шатунные шейки, соединенные щетками с помощью галтельных переходов. Повышение надежности и эксплуатационных качеств сопряжений шейки коленчатого вала и тонкостенной свальцованной сменной разрезной втулки (или полукольца) с профилированными или цилиндрическими поверхностями обеспечивается жесткой фиксацией втулок или полуколец относительно шеек специальными стопорными полукольцами. Втулки или полукольца устанавливаются в круговые галтельные переходы, поднутренные в щеку, и дополнительно прижимаются винтами по краям тонкостенных втулок. Для демонтажа стопорных полуколец в щеках выполняются специальные отверстия. Допускается нанесение клея на внутреннюю поверхность свальцованной втулки или полуколец. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 28 ил.
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в конструкциях коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания и других машин и механизмов, содержащих коренные и шатунные шейки, сопряженные со щеками с помощью галтельных переходов.
Известен коленчатый вал (КВ), содержащий коренные и шатунные шейки, кольцевой элемент, изготовленный из стальной ленты с заданными триботехническими свойствами, установленный и зафиксированный на каждой шейке (см. авт. свид. СССР N 1796781, кл. F 16 C 3/04, 1993). Из вышеуказанного источника информации известен и способ изготовления коленчатого вала, включающий установку и фиксацию на каждой шейке кольцевого элемента, изготовленного из стальной ленты с заданными триботехническими свойствами. Известное техническое решение не обладает достаточной надежностью, особенно применительно к коленчатым валам дизельных двигателей. Задача изобретения заключается в повышении надежности и эксплуатации. Поставленная задача решается тем, что коленчатый вал содержит коренные и шатунные шейки, кольцевой элемент, изготовленный из стальной ленты с заданными триботехническими свойствами, установленный и зафиксированный на каждой шейке, причем кольцевой элемент выполнен в виде сменной тонкостенной свальцованной профилированной втулки с полированными поверхностями или в виде двух свальцованных тонкостенных полуколец, введен торцами в кольцевые круговые галтельные переходы, поднутренные в щеку, и закреплен стопорными полукольцами. Втулка может быть выполнена цилиндрической формы и закреплена увеличенными по ширине стопорными полукольцами, выступающими над опорной поверхностью щек; стык втулки может быть выполнен под углом![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/176.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/176.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/948.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/176.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/176.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/176.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/948.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/948.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/948.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
50
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
При использовании полуколец или отдельных сегментов толщина втулки может быть увеличена до 2,0 - 2,5 мм. Стопорное кольцо (фиг. 11 - 14), разрезное или состоящее из полуколец, имеет тороидальную форму с размерами:
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/29962.gif)
при этом для круговых галтельных переходов
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/948.gif)
R+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
0
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
где
f - коэффициент трения сопряжения кольца и свернутой втулки. На фиг. 15 - 22 представлены узлы крепления цилиндрических (фиг. 15 - 18) и профилированной втулок (фиг. 19 - 22) к шейкам КВ, где 12 - шейки (коренные и шатунные) КВ, 3 - щека КВ, 4 - свальцованная тонкостенная втулка, 5 - стопорное кольцо. На фиг. 23 - 26 представлены узлы дополнительного крепления стопорных колец специальными винтами и отверстия для извлечения стопорных колец из галтельных переходов. Для повышения надежности крепления стопорного кольца в галтельном переходе служат стопорные винты, а для извлечения стопорных колец из галтельных переходов служат сверления в щеках, наиболее удаленные от зоны перекрытия шеек, где имеет место максимальная концентрация напряжений в галтельных переходах. Восстановление работоспособности шатунных и коренных подшипников коленчатого вала в условиях их нормальной работы производится заменой изношенных разрезных свальцованных втулок и стопорных колец. Вследствие аварийных ситуаций могут возникнуть задиры на поверхности коренных и шатунных шеек. Восстановление работоспособности шатунных и коренных подшипников производится при этом шлифовкой шеек на ремонтные размеры с использованием разрезных свальцованных втулок большей толщины. При этом галтельный переход радиусом R механической обработке не подлежит. Обрабатывается галтельный переход только по радиусу R1. Для увеличения надежности крепления тонкостенной свальцованной втулки или полуколец применительно к мощным дизельным двигателям на их внутреннюю поверхность наносится слой клея. В соответствии с данным техническим решением коленчатый вал превращается в сборочную единицу. Это изменяет требования к конструкции коленчатого вала. Коленчатый вал может быть изготовлен и не из дорогих высокопрочных сталей или чугунов, а из более дешевых конструкционных материалов, обеспечивающих ресурс его только по усталостной прочности. Поверхностная твердость шатунных и коренных шеек и соединяющих их щек коленчатого вала может быть одинаковой - 200...220 НВ. Требования к чистоте поверхности шатунных и коренных шеек вала могут быть существенно снижены. Разрезные свальцованные втулки или полукольца изготавливаются из калиброванной шлифованной и полированной термообработанной стандартной ленты, широко используемой в промышленности, толщиной 0,4...0,7 мм, твердостью 58... 62 НРС и чистотой поверхности Ra = 0,15...0,20 мкм. Стопорные кольца изготавливаются из углеродистой нормализованной стали с содержанием углерода 0,4-0,5% и чистотой обработки контактирующих поверхностей Ra=0,4...0,6 мкм. Достоинствами данного технического решения является следующее:
1. Независимость между собой ресурсов по усталостной прочности и износостойкости КВ, что обеспечивается использованием сменных изнашиваемых тонкостенных втулок и шлифовальных шеек КВ, при необходимости, не затрагивая основной галтели с радиусом R, а только по дополнительной галтели с радиусом R1, что к тому же только снижает концентрацию напряжений по основной галтели при переменном изгибе коленчатого вала в плоскости кривошипа, который является главным видом нагружения коленчатого вала, определяющим его усталостную прочность в условиях эксплуатации. 2. Чрезвычайная простота восстановления ресурса по износостойкости. 3. Отпадает необходимость в сложной термической обработке шеек (ТВЧ, азотирование и др.). 4. Выбор материала для коленчатого вала определяется только технологичностью обработки (литье, обработка давлением, термообработка, мехобработка и др.). 5. Простота демонтажа разрезных изношенных втулок при их замене. Величина радиуса галтельного перехода R диктуется необходимостью обеспечения усталостной прочности сравниваемых коленчатых валов и поэтому должна быть у них одинаковой. Предлагаемое техническое решение позволяет использовать тонкостенные элементы толщиной от 0,4 мм. Этим достигается экономия дорогостоящей легированной стали не менее чем на порядок. Наличие дополнительной галтели радиусом R1 позволяет повысить усталостную прочность коленчатого вала при ремонтных перешлифовках, не нарушая исходной геометрии основной поднутренней галтели радиусом R. Основная галтель радиусом R механической обработке при ремонте КВ не подлежит. Это позволяет пользоваться лентами как разной толщины, сохраняя толщину вкладышей, либо сохраняя постоянную толщину ленты, но используя вкладыши различных ремонтных размеров. При этом и стопорные кольца имеют несколько ремонтных размеров. Представляется возможным использование для изготовления втулок (полуколец) из стандартной полированной закаленной ленты, не требующей дополнительной механической и термической обработки. Представляется возможным использования цилиндрических свертных втулок. Предлагаемое решение базируется на использовании наклонных элементов с прямыми торцами. Предлагаемое техническое решение не требует механической обработки по радиусу R даже при аварийных ситуациях. Необходимость обработки галтельного перехода при ремонтной перешлифовке шеек КВ связана с большими затратами высококвалифицированного труда, необходимость использования сложного технологического оборудования ведет к росту основного радиуса R галтели и, как вследствие, к увеличению толщины наклона элемента. Таким образом, предлагаемая конструкция КВ обладает более высокой надежностью и ведет к снижению затрат при изготовлении КВ, а также к экономии дорогостоящих материалов. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения. Пусть даны применительно к шатунной шейке КВ следующие основные размеры: dш = 60 мм, R = 3 мм, Hшат = 30 мм (ширина шатуна в зоне его нижней головки),
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/948.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
Hш= Hшат+2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
R1 = 0,6R = 0,6
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
C = 0,5R = 0,5
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
lвт = Hш+2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/29963.gif)
Dвт=dш+2h=60+2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/948.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/948.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/948.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/948.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/29964.gif)
Обратимся к фиг. 27 - 28, где приведены дополнительные параметры сечения галтельного перехода:
АО = ОБ = ОВ = R = 3 мм
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/29965.gif)
Формула изобретения
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/176.gif)
4. Вал по пп.1 и 2, отличающийся тем, что стык выполнен стрельчатой формы с углом при вершине
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/948.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/176.gif)
5. Вал по пп.1 и 2, отличающийся тем, что стопорные полукольца дополнительно прижаты по краям втулки стопорными винтами. 6. Вал по пп.1 и 2, отличающийся тем, что поверхность стопорных полуколец, прилегающая к краям втулки, выполнена в виде кругового конуса с углом при вершине
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23, Рисунок 24, Рисунок 25, Рисунок 26, Рисунок 27