Блок кулачков

 

Изобретение относится к двигателестроению и позволяет снизить массу и стоимость изготовления кулачковых валов. Блок кулачков содержит пустотелый элемент 1, состоящий по крайней мере из двух овальных втулок 3 и соответственно расположенной между этими двумя втулками 3 кольцеобразной соединительной перемычки 4. Внешние периферические поверхности втулок 3 по крайней мере в зоне наименьшего радиуса кривизны выступают над соединительной перемычкой 4. Длина, на которую выступает вершина в зоне наименьшего радиуса кривизны, больше, чем в остальных зонах, а периметр кольцеобразной перемычки 4 меньше периметра овальных втулок 3. Этот пустотелый элемент 1 выполнен из пластичного материала. Втулки 3 и соединительные перемычки 14 по периметру имеют соответственно практически постоянную толщину стенок, причем толщина стенки соединительной перемычки 4 по крайней мере на некоторой ее части превышает толщину стенок втулки 3, но максимально на такую величину, что площадь поперечного сечения втулок 3 и соединительной перемычки 4 равны. Кроме того, в заявке описан способ изготовления такого пустотелого элемента 1. 2 с. и 12 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к пустотелому элементу, состоящему по крайней мере из двух овальных втулок и соответственно расположенной между этими двумя втулками кольцеобразной соединительной перемычки, причем внешние периферические поверхности втулок по крайней мере в зоне наименьшего радиуса кривизны выступают над соединительной перемычкой, а длина, на которую выступает вершина в зоне наименьшего радиуса кривизны, больше, чем в остальных зонах, и периметр кольцеобразной соединительной перемычки меньше периметра овальной втулки, а также изобретение относится к способу изготовления таких пустотелых элементов.

Такие пустотелые элементы, на примере которых описано настоящее изобретение, но которыми оно неограничено, представляют собой конструкции, состоящие по крайней мере из двух кулачков, т.е. так называемые блоки или группы кулачков. В известных составных пустотелых кулачковых валах по меньшей мере соответственно по два кулачка объединены в группы, при этом отдельные кулачки в группе соединены друг с другом соединительной втулкой.

В европейском патенте EP 0213529 описаны такие группы кулачков, в которых кулачки и расположенные между ними соединительные втулки имеют одинаковый внутренний диаметр. При насаживании таких групп кулачков на трубу, в процессе которого участки трубы, расположенные под кулачковой группой, деформируются пластически, а кулачковые группы деформируются только упруго, так что упругая отдача кулачковых групп приводит к возникновению давления, осуществляющего силовое замыкание между обеими частями, необходимо использовать очень большие давления.

Чтобы избежать таких высоких давлений, в европейском патенте EP 0309899 предложены кулачковые группы, в которых внутренний диаметр кулачков больше, чем у соединительных втулок, так что при расширении силовое замыкание действует только на соединительные втулки, благодаря чему, прежде всего в том случае, если эти соединительные втулки являются тонкостенными, требуются существенно меньшие деформирующие усилия.

Известные блоки кулачков такого типа обычно изготавливают методом литья или спекания либо изготавливают из сплошного профиля.

Изготовление таких кулачковых групп связано с очень большими затратами.

Задачей настоящего изобретения является разработка блоков кулачков, изготовление которых было бы менее дорогостоящим, которые были бы более легкими по сравнению с известными кулачковыми группами и обладали бы преимуществами при механической обработке кулачков, а также разработка способа изготовления таких блоков кулачков.

Согласно изобретению указанная задача решена за счет того, что описанный выше пустотелый элемент выполнен из пластичного материала, каждая из его втулок и соединительных перемычек имеют практически одинаковую толщину стенок по периметру, а толщина стенки соединительной перемычки по крайней мере на некоторой ее части превышает толщину стенок втулок максимум на такую величину, что площадь поперечного сечения втулок и соединительной перемычки равны, а также указанная задача решена с помощью способа изготовления такого пустотелого элемента из трубы, которую предварительно деформируют по всей ее длине с приданием овальной формы, соответствующей форме втулок, в котором трубу через определенные промежутки на отдельных участках пластически деформируют с приданием кольцевой формы с заданным внутренним диаметром, при этом между втулками соответственно образуется соединительная перемычка.

Преимущество такого пустотелого элемента по сравнению с известными кулачковыми группами заключается в том, что он может быть изготовлен более простым и рациональным образом из дешевого исходного материала и он является более легким.

В другом примере выполнения изобретения материал между втулками и соединительной перемычкой в зоне наименьших радиусов кривизны частично разделяют, например, разрезают. В то время как в известных кулачковых группах вершины кулачков не смещены по периметру, в пустотелом элементе в соответствии с изобретением вершины в наименьших радиусах кривизны втулок могут быть повернуты друг относительно друга на заданный угол. Если соединительная перемычка в зонах, где длина выступа превышает толщину стенок втулки, входит в боковом направлении во внутреннее пространство втулок, то за счет этого образуется предпочтительная опора для втулок в зоне наименьших радиусов кривизны.

В то время как у традиционных кулачков вогнутые участки рабочей поверхности необходимо изготавливать путем шлифования, то в соответствии с изобретением, при необходимости после обычной шлифовальной обработки рабочих поверхностей кулачков, их можно изготавливать очень простым образом путем вдавливания втулок ниже вершин с наименьшими радиусами. Если такой пустотелый элемент имеет несколько соединительных перемычек, например, также и на внешних сторонах боковых втулок, то их круговые внутренние поверхности располагают на одной прямой. Кольцеобразные соединительные перемычки для таких пустотелых элементов могут быть предпочтительно выполнены в виде радиальных подшипников. Однако коаксиально соединительным перемычкам можно также предусмотреть другие кольцевые элементы, внутренний диаметр которых больше диаметра соединительных перемычек, и эти кольца можно выполнить в виде функциональных элементов, например, в виде подпятника или радиального подшипника, регулируемого многогранника, фланцевого элемента и т.д. Выполненные таким образом пустотелые элементы можно непосредственно использовать в качестве кулачковых валов. Если же для определенных областей применения такой вал не обладает достаточной прочностью, соответственно жесткостью, то в его внутреннем пространстве можно предпочтительно расположить усиливающую трубу. Особенно предпочтительно насаживать такой пустотелый элемент на трубу с силовым замыканием, например, путем раздачи трубы с помощью гидравлики. Преимущество таких пустотелых элементов, применяемых в виде блоков кулачков, заключается в том, что их изготовление является очень дешевым и высокоточным и при этом после пластической деформации не требуется никакой последующей обработки отверстий и внешнего контура. Особенно предпочтительно пластическая деформация многометровых труб с получением большого количества таких блоков кулачков, при этом после завершения обработки давлением блоки кулачков могут быть отделены от этой трубы по отдельности или группами.

Пустотелые элементы в соответствии с изобретением обладают особыми преимуществами в отношении насаживания таких групп кулачков на трубы с получением пустотелых кулачковых валов. Они позволяют использовать упрощенное крепление на расширительном устройстве и достигать меньшего допуска по углу, а также меньшего позиционного допуска по сравнению с традиционно изготавливаемыми блоками кулачков. Кроме того, такие группы кулачков до сборки могут быть подвергнуты чистовой обработке, например, шлифовке или закалке. Их преимущество заключается в возможности использования относительно узких кулачковых дисков, которые могут быть расположены плотно друг к другу, так как благодаря разрезанию в зоне наименьших радиусов кривизны, т.е. в зоне вершин кулачков, отсутствуют имеющие относительно большие размеры промежуточные переходные зоны материала.

С помощью монолитного соединения кулачков, образованных с помощью втулок и соединительных перемычек, служащих в качестве стыковочных мест, можно достичь увеличения передаваемого крутящего момента. Так как при сборке раздаются (расширяются) только соединительные элементы, то раздача не влияет на контуры кулачков и качество последних не ухудшается.

Разрезы рядом с зонами выпуклостей кулачков, т.е. в зоне наименьших радиусов кривизны овала с обеих сторон от кулачков, предпочтительно могут быть сделаны путем среза материала при скручивающей пластической деформации. В соответствии с изобретением пустотелые элементы можно изготавливать предпочтительно путем холодной деформации как для обратного осаживания соединительных перемычек, так и для скручивающей пластической деформации вершин кулачков, при этом возможно использование таких способов обработки, как, например, прессование, ковка или комбинация обоих методов. Предпочтительно при скручивающей пластической деформации и обратном осаживании производить обработку с калибровочной оправкой в центре пустотелого элемента, при этом наилучшим образом обеспечивается и выдерживается необходимый допуск по расширению.

Закалку рабочих поверхностей кулачков, например, с помощью электроннолучевой или лазерной обработки, можно осуществлять перед насаживанием, т.е. до расширения, а также после него, так как зоны расширения четко отделены от закаливаемых рабочих поверхностей кулачков. Вследствие этого в случае предшествующей закалки не происходит ухудшения твердости при расширении. Многокулачковое устройство позволяет осуществлять более быстрый, недорогой и более точный монтаж, при этом обрабатываемость всего блока кулачков до насаживания дает преимущество в отношении соблюдения заданной точности, прежде всего в отношении допусков по углу. Увеличение толщины стенок соединительных перемычек и возможность расширяющего деформирования внутреннего пространства втулок позволяет получить более жесткую конструкцию всего пустотелого элемента.

Изготавливаемые в виде блоков многокулачковые устройства наиболее целесообразно использовать в различных клапанных распределителях. Блоки кулачков могут быть расположены на валу в виде трубчатых втулок с возможностью поворота или продольного смещения.

На фиг.1 показано аксонометрическое изображение трубы, деформированной в форме кулачка; на фиг.2 - аксонометрический вид пустотелого элемента, состоящего из чередующихся соединительных перемычек и кулачковых втулок; на фиг.3 - аксонометрическое изображение нескольких пустотелых элементов с кулачковыми втулками, соединительными перемычками и функциональными элементами, изготовленными зацело из длинной трубы; на фиг.4 - вид сбоку другого варианта выполнения пустотелого элемента по изобретению, насаженного на трубу; на фиг.5 - поперечное сечение пустотелого элемента по изобретению с изготовленным вдавливанием, частично вогнутым профилем кулачка.

Согласно изображенным на чертежах примерам выполнения пустотелый элемент 1 в соответствии с изобретением изготавливают из трубы из пластичного материала, причем на первой технологической операции трубу 2 деформируют, придавая ей по всей длине форму кулачка, как показано на фиг.1.

На фиг. 2 изображен пустотелый элемент, в котором рядом со втулками 3, имеющими форму кулачка, по обе стороны от них путем пластического деформирования образованы кольцеобразные соединительные перемычки 4. В представленном примере выполнения наглядно видна выступающая повсюду над кольцеобразной соединительной перемычкой часть кулачковой втулки, прежде всего в зоне наименьшего радиуса кривизны, т.е. в зоне вершины кулачка 5.

Пластическую деформацию зон соединительных перемычек трубы 2, первоначально имеющей по всей длине кулачковый профиль, наиболее предпочтительно осуществлять в холодном состоянии, например, путем ковки, прессования или их комбинации. Так как периметр соответствующих участков трубы первоначально имеет больший размер, то при деформировании в кольцеобразную соединительную перемычку 4 с меньшим периметром вследствие постоянства объема материала получают соответственно большую толщину стенок. Однако указанная толщина стенок практически постоянна по всему периметру и имеет такой размер, что площадь поперечного сечения кольцеобразной соединительной перемычки 4 приблизительно равна площади поперечного сечения втулки 3, имеющей форму кулачка.

Если, как в изображенном примере выполнения, выступающая в радиальном направлении над кольцеобразной соединительной перемычкой 4 вершина кулачка 5 больше толщины стенки кулачковой втулки 3, то образуется выступающая полость 6. Разделение материала между боковыми поверхностями кольцеобразной соединительной перемычки 4 и кулачковыми втулками 3 может быть осуществлено путем предварительного изготовления разрезов на поверхности трубы, однако такое разделение можно выполнить простым образом путем среза во время процесса деформирования, при этом между соединительными перемычками 4 и втулками 3 в осевом направлении не образуются промежуточные зоны. Посредством соответствующего управления процессом пластической деформации при изготовлении кольцеобразных соединительных перемычек можно достичь того, что в зоне выступающей полости 6 материал соединительной перемычки 4 при деформировании будет раздаваться таким образом, что в этой зоне боковые поверхности соединительной перемычки 4 будут заходить в выступающую полость 6 втулки 3. Благодаря этому в переходной зоне обеспечивается дополнительная опора соответствующей зоны втулки.

В изображенном на фиг. 2 примере с обеих сторон от концевых втулок 3 предусмотрены соединительные перемычки 4. Однако соответствующие кулачковые втулки в таком пустотелом элементе могут быть также внешними элементами.

Посредством соответствующего выбора способа пластической деформации, например, посредством бокового надреза или насечки, может быть получен очень четкий переход между соединительной перемычкой 4 и кулачковой втулкой 3. Преимущество этого заключается в том, что такие конструкции могут быть выполнены очень точными и компактными в осевом направлении, так как не образуются нечеткие переходные зоны. В примерах выполнения с более, чем одной соединительной перемычкой внутренние диаметры соединительных перемычек 4 выровнены по одной линии в продольном направлении. Это условие необходимо по крайней мере для двух соединительных перемычек, если пустотелый элемент должен быть усилен внутренней усиливающей трубой или он должен быть насажен на внутреннюю трубу. Если при этом не все соединительные перемычки отвечают данному требованию, то внутренние диаметры остальных соединительных перемычек должны быть больше диаметров выровненных по линии перемычек и не должны даже частично заходить на эту прямую линию.

В примере выполнения, изображенном на фиг.3, вершины 5 кулачков частично смещены друг относительно друга. Все эти вершины кулачков на первой стадии были направлены в одну сторону, как показано на фиг.2. Пластическое деформирование для смещения вершин 5 кулачков также можно осуществлять методом холодной деформации, и оно позволяет в значительной мере сохранить основную форму кулачка.

В примере выполнения по фиг.3 также предусмотрены дополнительные функциональные элементы. Зацело с пустотелым элементом 1 можно также изготовить, например, регулируемый многогранник 7, в данном случае четырехгранник 7, радиальный подшипник 8, подпятник 9 и фланцевые элементы 10 (см. фиг.4).

Как видно на продольном сечении по фиг.4, радиальный подшипник 8 и фланцевые элементы 10 могут быть образованы на тех частях, внутренние диаметры которых равны таковым лежащих на одной линии наименьших соединительных перемычек, т.е. на тех частях, которые прилегают с геометрическим, соответственно силовым замыканием к установленной внутри усиливающей или внутренней трубе 11, на которую насаживают пустотелый элемент для получения окончательно собранного пустотелого вала. Регулируемый многогранник 7 и подпятник 9 не прилегают своими внутренними поверхностями к внутренней трубе.

Пустотелые элементы 1 можно использовать каждый по отдельности или в виде нескольких, расположенных один за другим в качестве приводных валов. Такие пустотелые элементы можно предпочтительно зацело изготавливать по типу модулей из единой длинной трубы и по мере необходимости отделять от последней. Если такие пустотелые элементы 1 используют для насаживания на внутреннюю трубу для изготовления составных пустотелых валов, например, пустотелых кулачковых валов, то особое значение имеет точное соблюдение размеров внутреннего диаметра посадочных поверхностей. Предпочтительно это достигают путем пластической деформации с помощью расположенной внутри калибровочной оправки.

Перед насадкой пустотелого элемента можно проводить необходимую при определенных условиях обработку, например, шлифование, полирование, закалку и т. д., благодаря которой может быть сокращена последующая обработка после изготовления собранного вала. При этом преимущество пустотелого элемента по изобретению заключается в том, что подвергаемые поверхностной отделке или обработке части при насаживании не деформируются, что позволяет избежать оказывающих отрицательное влияние процессов обработки. Однако обработку можно также осуществлять после насаживания, если это в определенных случаях преимущественно для всего изделия в целом.

На фиг. 5 изображено поперечное сечение пустотелого элемента, в котором участок, расположенный ниже вершины наименьшего радиуса кривизны и обозначенный позицией 12, сдеформирован путем вдавливания. Примером применения таких форм являются, например, кулачковые профили с вогнутыми рабочими поверхностями, которые, например, требуются для управления перекидным механизмом клапана. Обычно такие вогнутые рабочие поверхности кулачка изготавливают путем шлифования, что особенно затруднено и особенно дорого вследствие особенностей геометрии. В случае пустотелого элемента по изобретению это возможно осуществить путем простого вдавливания соответствующего участка, поскольку пластичный материал имеет постоянную толщину стенок, что является особенно хорошей предпосылкой для такого деформирования, при котором не образуется никакой стружки. Хотя в изображенном примере этот вдавленный участок 12 расположен только на одной стороне, очевидно, что он может быть образован с обеих сторон от вершины кулачка, симметрично или асимметрично.

Пустотелые элементы по изобретению по сравнению с обычными блоками кулачков дают явную экономию в весе. Благодаря монолитной конструкции, усиленной за счет увеличения толщины стенок соединительных перемычек 4 в процессе пластической деформации, такие пустотелые элементы обладают также высокой прочностью и жесткостью.

Формула изобретения

1. Пустотелый элемент, состоящий по крайней мере из двух овальных втулок и соответственно расположенной между этими двумя втулками кольцеобразной соединительной перемычки, причем внешние периферические поверхности втулок по крайней мере в зоне наименьшего радиуса кривизны выступают над соединительной перемычкой, а длина, на которую выступает вершина в зоне наименьшего радиуса кривизны, больше, чем в остальных зонах, отличающийся тем, что материал между гильзами (3) и соединительной перемычкой (4) по крайней мере в зоне наименьших радиусов кривизны частично разрезан, а втулки (3) и соединительная перемычка (4) в этой зоне расположены вплотную друг к другу без промежуточной перегородки и что толщина стенки соединительной перемычки (4) по крайней мере на некоторой ее части превышает толщину стенок втулок (3) на такую величину, что площадь поперечного сечения втулок и соединительной перемычки в этом месте равны.

2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что вершины зон втулок с наименьшим радиусом кривизны смещены по периметру друг относительно друга на заданный угол.

3. Элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что длина, на которую выступает вершина в зоне (5) наименьшего радиуса кривизны втулки, больше толщины стенки втулки (3), а соединительная перемычка (4) в зоне наименьших радиусов втулок входит в боковом направлении во внутреннее пространство по крайней мере, одной из смежных втулок (3).

4. Элемент по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что по крайней мере у одной втулки (3) с ее внешней стороны размещена еще одна соединительная перемычка (4), а круговые внутренние поверхности соединительных перемычек (4) лежат на одной линии друг с другом.

5. Элемент по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что по крайней мере одна боковая сторона втулок (3) ниже вершины зоны наименьшего радиуса кривизны сдеформирована путем вдавливания таким образом, что радиус кривизны вдавленного участка (12) существенно превышает радиусы кривизны смежных невдавленных участков.

6. Элемент по п.5, отличающийся тем, что кривизна вдавленного участка (12) противоположна кривизне смежных невдавленных участков.

7. Элемент по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что по крайней мере некоторая часть соединительной перемычки (4) выполнена в виде радиального подшипника.

8. Элемент по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он содержит коаксиальные соединительным перемычкам (4) кольцевые элементы, внутренний диаметр которых превышает внутренний диаметр соединительных перемычек (4), и эти кольцевые элементы выполнены в виде функциональных элементов.

9. Элемент по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что по крайней мере один пустотелый элемент насажен на трубу (11), причем труба (11) в результате внутреннего расширения деформирована пластично, а соединительная перемычка (4) деформирована упруго и внутренние поверхности соединительных перемычек (4) пустотелого элемента (1) прилегают к внешней поверхности трубы с силовым замыканием.

10. Элемент по одному из пп.1 - 8 для изготовления кулачкового вала, отличающийся тем, что по крайней мере один пустотелый элемент насажен на трубу и посредством раздачи трубы, осуществляемой известным способом, соединен с ней с силовым замыканием, при этом труба деформирована пластически, а соединительные перемычки деформированы упруго так, что внутренние поверхности соединительных перемычек пустотелого элемента прилегают ко внешней поверхности трубы с силовым и геометрическим замыканием.

11. Способ изготовления пустотелого элемента из трубы, профиль которой соответствует профилю втулок или которую по всей ее длине пластически деформируют с приданием овальной формы, соответствующей форме втулок, и которую через определенные промежутки на отдельных участках пластически деформируют с приданием кольцевой формы с заданным внутренним диаметром, предпочтительно с использованием калибровочной оправки путем прессования и/или обработки молотом, при этом между втулками соответственно образуется кольцеобразная соединительная перемычка, отличающийся тем, что материал между втулкой и соединительной перемычкой по крайней мере в зоне наименьшего радиуса кривизны частично разрезают и по крайней мере одну втулку подвергают скручивающей пластической деформации таким образом, что вершина зоны с наименьшим радиусом кривизны смещается относительно вершин смежных втулок на заданный угол по меньшей мере со значительным сохранением формы поперечного сечения этой втулки.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что материал соединительной перемычки в зоне периметра, где длина выступа превышает толщину стенки втулки, пластически деформируют раздачей в сторону зон, лежащих ниже вершин кулачков.

13. Способ по п.11 или 12, отличающийся тем, что пластическую деформацию соединительной перемычки и скручивающую пластическую деформацию втулок осуществляют в холодном состоянии в различных угловых положениях.

14. Способ по одному из пп. 11 - 13, отличающийся тем, что из одной длинной трубы зацело формируют несколько пустотелых элементов, а затем отделяют их по отдельности или группами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5