Вал и способ его изготовления

 

Изобретение касается области машиностроения , в частности деталей двигателей внутреннего сгорания с множеством клаланов , а именно распределительного вала, который изготовлен из трубчатого вала и насаженных на него элементов, таких как распределительные кулачки, кольца подшипников , простые или конические шестерни . Цель изобретения - улучшение эксплуатационных характеристик распределительного вала. По предлагаемому способу осуществляется расширение трубчатого вала 1 внутренним давлением в области отдельных насаживаемых элементов 2. Вследствие этого материал на определенных отрезках трубчатого вала 1 подвергается упругой деформации, причем материал насаживаемого элемента 2 переводится в состояние большей упругой дег формации. Изобретение касается изготовленного в соответствии с этим способом распределительного вала или аналогичных ему деталей. 2 с. и 18 з.п.ф-лы, 5 ил. I з Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4203553/27 (22) 30,09,87 (31) P 3633435.9 (32) 01.10.86 (33) DE (46) 23.03.92.Бюл, N 11 (71) Емитек Гезельшафт фюр Емиссионстехнологи мбХ (DE) (72) Ханс-Юрген Бройер., Вольфганг Маус, Рудольф Шулце, Хелмут Сварс, Ханс Хансвиллеменке, Хельмут Римшайд, Карл Вейс, Хеберт Фрилингодорф, Енгелберт Шварц, Хериберт Греве и Клаус Гройлих (ОЕ) (53) 621.774.72 (088.8) (56) Заявка ФРГ

N 3227693, кл. F 01 (1/04, 26.01.84. (54) ВАЛ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) Изобретение касается области машиностроения, в частности деталей двигателей внутреннего сгорания с множеством клапа» .Ы 1722243 АЗ (н)5 F 16 С 3/00, В 23 P 11/00, В 21 О 39/06 нов, а именно распределительного вала, который изготовлен из трубчатого вала и насаженных на него элементов, таких как распределительные кулачки, кольца подшипников, простые или конические шестерни. Цель изобретения — улучшение эксплуатационных характеристик распределительного вала. По предлагаемому способу осуществляется расширение трубчатого вала 1 внутренним давлением в области отдельных насаживаемых элементов 2. Вследствие этого материал на определенных отрезках трубчатого вала 1 подвергается упругой деформации, причем материал насаживаемого элемента 2 переводится в состояние большей упругой де.формации. Изобретение касается изготовленного в соответствии с этим способом распределительного вала или аналогичных ему деталей, 2 с. и 18 з.п.ф-лы, 5 ил.

1722243

Изобретение касается области машинои моторостроения, а именно вала и способа изготовления преимущественно распределительных валов и аналогичных им деталей из трубчатого вала и насаженных нв него элементов.

Целью изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик распределительного вала.

На фиг. 1 показан участок соединения перед соединением кулачков и трубы, продольный разрез; на фиг. 2 — то же, после соединения; на фиг. 3- то же, с двумя соседними элементами после соединения; на фиг.

4 — снабженный продольной выемкой элемент, продольное и поперечное сечения; на фиг. 5 — элемент, имеющий различное поперечное сечение, продольное и поперечное сечения.

Вал состоит из трубчатого вала 1 и насаженных на него по прессовой посадке элементов2, которыми являются кулачки и подшипниковые втулки. Между валом 1 и насаживаемым элементом имеется периферический зазор

3. Вал 1 между продольными участками 4, на которых насажены элементы 2, имеет диаметр меньший, чем на продольных участках

4. Между продольными участками 4 вала 1 предусмотрено свободное пространство 5.

На внутренней поверхности насаживаемого элемента 2 выполнены преимущественно три расположенных по периметру углубления 6, занимающие в сумме 1/3 периметра внутренней поверхности.

Внутренняя поверхность насаживаемого элемента состоит из среднего участка 7 постоянного поперечного сечения и по меньшей мере конически уменьшающихся по отношению к зоне среднего участка 7 в сторону торцовых поверхностей конечных зон.

Трубчатый вал 1 имеет прочность, на

25 — 35% меньшую прочности материала насаживаемого элемента 2. Трубчатый вал 1 изготовлен из тянутой необработанной по поверхности прецизионной трубы из стали с прочностью при растяжении 50 — 70 кгlмм2, пределом текучести 28 — 39 кгlмм

2 и относительным удлинением при разрыве

22-15%.

Насаженные элементы 2 типа кулачков изготовлены из чугуна, стали или спекаемого материала большой твердости (синтерматериал), преимущественно шарикоподшипниковой стали состава, %: .

Углерод 0,9-1,0

Марганец 0,25-0,30

Кремний 0,25-0,30

Хром 1,3-1,5

Железо Остальное

Внутренняя поверхность отверстия насаженного элемента 2, кроме углублений б, может быть выполнена с покрытием, в котором в качестве связующего вещества ис5 пользуется специальная металлическая паста, состоящая из твердых металлов: вольфрама, молибдена или хрома.

Вал изготавливается по предлагаемому способу, который осуществляется следую10 щим образом.

При соединении трубчатого вала 1 и насаживаемого элемента 2 характеристики обоих материалов не нарушаются. Поскольку соединение осуществляется без нагрева15 ния снаружи, а также в связи с тем, что не требуется тепловая обработка для снятия напряжений изменения структуры материала, отрицательно влияющие на соединение, а также потери прочности не происходят.

20 Происходящие при расширении изменения размеров соединяемых деталей в отличие от тепловой обработки могут быть рассчитаны.

Вследствие большой свободы при выборе исходного материала для изготовления

25 элементов может производиться более тщательная подборка материала для изготовления кулачков с учетом различных нагрузок.

Могут применяться кулачки и опоры подшипников из различных материалов и при

30 этом обеспечивается надежная передача необходимого крутящего момента, Способ и устройство, применяемые для гидравлического расширения отдельных продольных участков, просты и недорогостоящи по срав35 нению с расширением вала с нагнетанием внутрь него пластической массы. Кроме того, внутреннее пространствотрубы вала остается открытым, что обеспечивает возможность охлаждения вала и внутрен40 нюю смазку опор подшипников. Предлагаемый вал легко изготавливается и с учетом соответствующих процессов соединения может являться законченным изделием, не требующим последующего шлифования ку45 лачков или опор подшипника, Возможность обеспечения небольших расстояний между закрепляемыми элементами и специально подобранные с учетом функционирования исходные материалы обеспечивают значи50 тельную свободу при конструировании соответствующей головки блока цилиндров.

Способ заключается в том, что на вал 1 в виде трубчатого вала насаживают элементы 2, в качестве которых могут быть распре55 делительные кулачки, кольца подшипников, цилиндрические и конические шестерни, и вал 1 расширяют в радиальном направлении посредством внутреннего давления гидросреды, прикладывая давление только на отдельных продольных участках 4 вала 1, 1722243 сопряженных с насаживаемыми элементами 2, до получения пластических деформаций по всему поперечному сечению этих участков трубчатого вала и упругих деформаций во внутреннем слое насаживаемых элементов, после чего гидросреду удаляют.

Способ является оптимальным в тех случаях, если разница U«< между наружным диаметром вала d> и внутренним диаметров элементов Di перед расширением определяется как 0,9 от величины наружного диаметра вала, умноженное на отношение 0,2 предела текучести при растяжении Rp к модулю упругости Е. При достижении этой величины в наружном слое внутреннего сквозного отверстия устанавливается упругое предварительное напряжение, необходимое для силового замыкания устанавливаемых элементов, т.е, когда соблюдается соотношение макс = Dl da 0,9 08

R где Rp — модуль текучести при растяжении;

Š— модуль упругости материала трубы;

da- наружный диаметр трубчатого вала;

D — внутренний диаметр насаживаемого элемента.

Расширение трубчатого вала 1 осуществляется вдоль осевого участка, который выходит по меньшей мере примерно на 50 и максимум примерно на 150 от толщины стенки за торцовую поверхность насаживаемого элемента с каждой стороны. Вследствие этого оптимальным образом обеспечивается полное и по существу с равным напряжением прилегание стенок трубчатого вала к сквозному отверстию в насаживаемом элементе по всей длине, благодаря чему уменьшается опасность микрапроскальзывания и исключается возможность образования посадочной коррозии.

Аналогичным образом предотвращается вспучивание трубчатого вала с концентрацией напряжений на торцовых поверхностях элементов. Особые условия возникают в том случае, если несколько насаживаемых элементов тесно располагаются рядом один с другим, как это бывает, в частности, в трех- или четырехклапанных двигателях, т,е. при расположении трех или четырех клапанов на каждый цилиндр. С учетом этого способ можно изменять таким образом, чтобы расширение трубчатого вала осуществлялось одновременно на участке, превышающем длину двух или нескольких насаживаемых элементов. Поскольку при этом максимальное расстояние между насаживаемыми элементами составляет не более чем 40 от толщины стенки трубчатого вала, то можно не опасаться вздутия трубчатого вала, кроме того, обеспечивается равномерная прочная посадка различных насаживаемых

5 элементов.

Упругая радиальная деформация кромки сквозного отверстия насаживаемого элемента в случае использования пластичных материалов таких как сталь, происходит в

10 материале до глубины, составляющей приблизительно 10 — 15 толщины наиболее тонкой радиальной стенки насаживаемого элемента, При этом достигается достаточная сила соединения и прочность насажива15 емых элементов не подвергается отрицательному воздействию. В случае использования твердых материалов, таких как чугун, упругая деформация кромки в этих же пределах невозможна и необходимость в

20 ней отсутствует.

Происходящая в наружной зоне насаживаемого элемента в тангенциальном направлении продольная деформация должна составлять после расширения величину по25 рядка до 1, чтобы при эксплуатации избежать повреждения поверхности в случае дополнительных нагрузок. При использовании таких тягучих материалов, как сталь, предпочтительные границы продольной де30 формации составляют 0,1 — 0,4, в то время как в случае использования хрупких материалов, таких как чугун, эти границы должны составлять 0,01 — 0,2 .

Способ предусматривает, что для рас35 ширения в области насаживаемого элемента (кулачков) внутреннее гидравлическое давление должно составлять 2000 — 3500 бар, а для расширения трубчатого вала в области насаживаемого элемента (более тонкостен40 ной опоры подшипника) внутреннее гидравлическое давление должно составлять

1000 — 2500 бар.

Возможно, помимо соответствующего силового замыкания между трубчатым ва45 лом и насаживаемым элементом, осуществлять также и геометрическое замыкание.

Для этого, в частности, предусматривается в сквозном отверстии насаживаемого элемента один или несколько пазов, в которые вдавливается материал, из которого выпол50 нен трубчатый вал, при его упругой деформации. Другая возможность геометрического замыкания заключается в создании имеющего большее поперечное сечение среднего участка насаживаемого элемента, к торцовым поверхностям которо55 ro примыкают участки с меньшим поперечным сечением.

Достигается преимущество, заключающееся в обеспечении прочной посадки, 1722243 устойчивой в течение длительного времени к нагрузкам крутящего момента, а также достигается равномерное прижатие по всей длине опоры и предотвращается подверженность трубчатого вала вздутию перед торцовыми поверхностями насаживаемых элементов. Помимо указанных возможностей макрогеометрического замыкания, существует также возможность микрогеометрического замыкания, обусловленная тем, что на поверхности сквозного отверстия насаживаемого элемента предусмотрено покрытие из твердых частиц, которые при соединении вдавливаются в материал, из которого выполнен трубчатый вал, другая возможность такого микрогеометрического замыкания обеспечивается целенаправленно осуществляемой обработкой, а именно нанесением по периметру пазов в сквозном отверстии насаживаемого элемента, которые перекрещиваются с аналогичными оставшимися после обработки пазами (желобками, царапинами) на поверхности трубчатого вала, и таким образом при вдавливании один в другой образуют прочное соединение, Следы обработки в виде точечных углублений получаются при пескоструйной обработке или обработке стеклянными шариками насаживаемого элемента перед соединением, что связано с черезвычайно низкими затратами.

B случае использования указанных приемов вместе или в различных комбинациях необходимое для расширения давление может быть уменьшено. Вследствие этого достигается уменьшение допусков на погрешность формы вала после расширения. Помимо этого, для продления срока службы вала насаживаемые элементы (кулачки) могут изготавливаться из твердых и хрупких материалов.

Изобретение касается распределительных валов или аналогичных им деталей, выполненных из трубчатого вала, и насаженных элементов, таких как распределительные кулачки, кольца подшипников, простые и конические шестерни, посредством расширения трубчатого вала в области насаживаемых элементов путем подачи давления внутрь трубчатого вала, в частности, в соответствии со способом, при котором материал, из которого выполнен трубчатый вал, упругого деформируется на продольных участках, материал, из которого выполнены насаживаемые элементы, дефо р ми руется в бол ьшей степени. П роцесс деформации предпочтительно осуществлять путем подачи внутрь давления гидравлическим путем, Материал, из которого выполнен трубчатый вал, должен иметь предел прочности при разрыве на 25-35 меньше, чем материал, из которого выполнены насаживае5 мые элементы. Этим обеспечивается воэможность выбора требуемого вида соединения, а также выбора относительно мягкого материала для изготовления трубчатого вала с учетом его стоимости.

10 . В качестве кулачков могут применяться окончательно обработанные перед соединением чугунные, стальные или синтерэлементы, причем для повышения срока службы кулачкового вала могут выбираться

15 материалы повышенной прочности, такие как, например, шарикоподшипниковая сталь, и это не оказывает вредного влияния на качество соединения.

Предлагаемый вал и способ его изготов20 ления целесообразно применять при установке пустотелых цапф в отверстия, для соединения двух труб с помощью трубчатой муфты или для соединения двух установленных один в другой отрезков труб.

Формула изобретения

1, Вал, в частности распределительный вал, состоящий из трубчатого вала и насаженных на него по прессовой посадке эле30 ментов типа распределительных кулачков, колец подшипников, цилиндрических и конических шестерен, отличающийся тем, что, с целью улучшения эксплуатационных характеристик распределительного ва35 ла, трубчатый вал между продольными участками, на которых насажены элементы, выполнен с диаметром меньшим, чем на продольных участках.

2, Вал по и. 1, отличающийся тем, 40 что материал трубчатого вала имеет прочность, на 25...35 меньшую прочности материала насаживаемого элемента, 3. Вал по пп. 1-2, отличающийся тем, что трубчатый вал выполнен из тянутой

45 необработанной по поверхности прецизионной трубы, изготовленной из стали с прочностью при растяжении 50„.70 кг/мм, 2 пределом текучести 28„,39 кгlмм и относи2 тельным удлинением при разрыве 22.„15 /, 50 4, Вал по пп. l-3, отличающийся тем, что насаженные элементы типа кулачков изготовлены из чугуна, стали или спекаемого материала большой твердости (синтерматериал), преимущественно шари55 коподшипниковой стали состава, .

Углерод 0,9 — 1,0

Марганец 0,25-0,30

Кремний 0,25 — 0,30

Хром 1,3-1,5

Железо Остальное

1722243

8. Вал по пп. 1-7, отличающийся тем, что насаживаемые элементы выполнены с внутренней поверхностью, состоящей из среднего участка постоянного поперечного сечения и по меньшей мере конически

25 уменьшающихся по отношению к зоне среднего участка в сторону торцевых поверхностей конечных зон.

9. Способ изготовления вала, в частности распределительного вала, из трубчатого

30 вала и насаживаемых на него элементов типа распределительных кулачков, колец подшипников, цилиндрических и конических шестерен путем расширения трубчатого вала в области насаживаемых элементов по35 средством внутрен него давления гидросреды, отличающийся тем, что, с целью улучшения эксплуатационных характеристик распределительного вала, расширение осуществляют в радиальном

40 направлении только на отдельных продольных участках трубчатого вала, сопряженных с насаживаемыми элементами, до получения пластических деформаций по всему поперечному сечению этих участков трубчатого вала упругих деформаций во 45 внутреннем слое насаживаемых элементов, после чего гидросреду удаляют.

10. Способ по и. 9, отличающийся тем, что перед расширением трубчатого вала разницу Омакс между наружным диамет- 50 ром d> трубчатого вала и внутренним диаметром Di насаживаемого элемента определяют из соотношения:

Омакс Di ба «0,9 ба Rð где Rp — предел текучести при растяжении;

Š— модуль упругости материала трубы, 11. Способ по пп. 9 и 10, о т л и ч а юшийся тем, что расширение трубчатого

5. Вал по пп. 1-4, отличающийся тем, что внутренняя поверхность отверстия насаживаемого элемента выполнена с рифлениями по периметру или с покрытием, в котором в качестве связующего вещества 5 использована специальная металлическая паста. состоящая из твердых металлов; вольфрама, молибдена или хрома, 6. Вал поп.5, отл ича ющийся тем, что рифления выполнены в виде распреде- 10 ленных по периметру продольных углублений глубиной 0,2...1% толщины стенки трубчатого вала.

7. Вал по и. 6, отличающийся тем, что рифление выполнено в виде преимуще- 15 ственно трех расположенных аксиально и распределенных по периметру углублений, занимающих в сумме 1/3 общего периметра. вала осуществляют на продольном участке длиной, равной длине насаживаемого элемента, и двух длин участков, выступающих за насаживаемый элемент с каждой стороны на величину, составляющую по меньшей мере 50% и максимум 150% от толщины стенки трубчатого вала.

12. Способ по и. 11, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что при установке двух насаживаемых элементов, расстояние между которыми меньше величины, составляющей 40% толщины стенки трубчатого вала, осуществляют одинаковое расширение трубчатого вала на участке длиной, перекрывающей длину двух соседних насаживаемых элементов.

13. Способ по пп. 9-12, о т л и ч а юшийся тем, что одновременно с расширением трубчатого вала дополнительно осуществляют геометрическое замыкание между трубчатым валом и насаживаемыми элементами.

14. Способ по и. 13, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что макрогеометрическое замыкание осуществляют путем вдавливания материала трубчатого вала при его расширении в распределенные по периметру продольные углубления насаживаемого элемента.

15. Способ пои. 13, отл и ч а ю щи йс я тем, что макрогеометрическое замыкание осуществляют путем вдавливания материала трубчатого вала при его расширении в средний участок большего диаметра насаживаемого элемента, 16. Способ по и. 13. о т л и ч а ю щ и йс я тем, что макрогеометрическое замыкание осуществляют путем вдавливания в материал трубчатого вала при его расширении слоя из твердых частиц, расположенного на внутренней поверхности насаживаемого элемента, 17. Способ по и. 13, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что макрогеометрическое замыкание осуществляют путем вдавливания материала трубчатого вала при его расширении в пазы насаживаемого элемента.

18. Способ по пп.9 — 17, отличаюшийся тем, что после расширения продольная деформация во внутренней зоне насаживаемого элемента в тангенциальном направлении составляет величину 0,01-1%.

19. Способ по пп. 9-17, о т л и ч а юшийся тем, что при изготовлении насаживаемого элемента из стали, после расширения продольная деформация во внутренней зоне насаживаемого элемента в тангенциальном направлении составляет величину

0,1 — 0,4%.

20. Способ по пп. 9-17, отл и ч а юшийся тем, что при изготовлении насажи12

1722243

11 ваемого элемента из твердых материалов типа чугуна или синтерматериала после расширения продольная деформация во внутренней зоне насаживаемого элемента в тангенциальном направлении составляет величину 0,01-0,2%.

1722243

45

Составитель Ю. Марков

Техред М,Моргентал Корректор В. Гирняк

Редактор И. Шулла

Заказ 968 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101