Вал и способ его изготовления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК БРЕТЕН ПАТЕНТУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ И(71) Емитек Гезельшафт фюр Емиссионстехнологи мбХ (ОЕ)(54) ВАЛ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) Изобретение касается области машиностроения, в частности деталей двигателей внутреннего сгорания с множеством клапа Я 2 1722243 5 ц 5 Р 16 СЗ/00, В 23 Р 11/00, В 21039/О 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 спо- З собом распределительного вала или аналогичных ему деталей, 2 с. и 18 з.п.ф-л ы, 5 ил.Изобретение касается области машино- и 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 неопо прессовой посадке элементов 2, 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 кг/мм 2, пределом текучести 28 - 39 кг/мм2 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 0,9-1,0Марганец 0,25-0,30Кремний 0,25-0,30Хром 1,3-1,5Железо Остальное Внутренняя поверхность отверстия насаженного элемента 2, кроме углублений б,может быть выполнена с покрытием, в котором в качестве связующего вещества ис 5 пользуется специальная металлическаяпаста, состоящая из твердых металлов;вольфрама, молибдена или хрома,Вал изготавливается по предлагаемомуспособу, который осуществляется следую 10 щим образом.При соединении трубчатого вала 1 и насаживаемого элемента 2 характеристикиобоих материалов не нарушаются. Поскольку соединение осуществляется без нагрева 15 ния снаружи, а также в связи с тем, что нетребуется тепловая обработка для снятиянапряжений изменения структуры материала, отрицательно влияющие на соединение,а также потери прочности не происходят.20 Происходящие при расширении измененияразмеров соединяемых деталей в отличие оттепловой обработки могут быть рассчитаны.Вследствие большой свободы при выборе исходного материала для изготовления25 элементов может производиться более тщательная подборка материала для изготовления кулачков с учетом различных нагрузок,Могут применяться кулачки и опоры подшипников из различных материалов и при30 этом обеспечивается надежная передачанеобходимого крутящего момента, Способ иустройство, применяемые для гидравлического расширения отдельных продольныхучастков, просты и недорогостоящи по срав 35 нению с расширением вала с нагнетаниемвнутрь него пластической массы. Кроме того, внутреннее пространствотрубы вала остается открытым, что обеспечиваетвозможность охлаждения вала и внутрен 40 нюю смазку опор подшипников. Предлагаемый вал легко изготавливается и с учетомсоответствующих процессов соединенияможет являться законченным изделием, нетребующим последующего шлифования ку 45 лачков или опор подшипника, Возможностьобеспечения небольших расстояний междузакрепляемыми элементами и специальноподобранные с учетом функционированияисходные материалы обеспечивают значи 50 тельную свободу при конструировании соответствующей головки блока цилиндров,Способ заключается в том, что на вал 1в виде трубчатого вала насаживают элементы 2, в качестве которых могут быть распре 55 делительные кулачки, кольца подшипников,цилиндрические и конические шестерни, ивал 1 расширяют в радиальном направлении посредством внутреннего давлениягидросреды, прикладывая давление толькона отдельных продольных участках 4 вала 1,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 Омичи между наружным диаметром вала б и внутренним диаметров элементов О перед расширением определяется как 0,9 от величины наружного диаметра вала, умноженное на отношение 0,2 фпредела текучести при растяжении бр 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 соотношениеО макс = О ба0,9 баВгде Йр - модуль текучести при растяжении;Е - модуль упругости материала трубы; ба- наружный диаметр трубчатого вала; О - внутренний диаметр насаживаемого элемента.Расширение трубчатого вала 1 осуществляется вдоль осевого участка, который выходит по меньшей мере примерно на 50 фи максимум примерно на 150 от толщины стенки за торцовую поверхность насаживаемогоэлемента 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 микро- проскальзывания 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 можноне опасаться вздутия трубчатого вала, кроме того, обеспечивается равномерная прочная посадка различных насаживаемых5 элементов.Упругая радиальная деформация кромки сквозного отверстия насаживаемого элемента в случае использования пластичныхматериаловтаких как сталь, происходит в10 материале до глубины, составляющей приблизительно 10 - 15 фтолщины наиболеетонкой радиальной стенки насаживаемогоэлемента, При этом достигается достаточная сила соединения и прочность насажива 15 емых элементов не подвергаетсяотрицательному воздействию. В случае использования твердых материалов, таких какчугун, упругая деформация кромки в этих жепределах невозможна и необходимость в20 ней отсутствует.Происходящая в наружной зоне насаживаемого элемента в тангенциальном направлении продольная деформация должнасоставлять после расширения величину по 25 рядка до 1 ф, чтобы при эксплуатации избежать повреждения поверхности в случаедополнительных нагрузок. При использовании таких тягучих материалов, как сталь,предпочтительные границы продольной де 30 формации составляют 0,1 - 0,4 , в то времякак в случае использования хрупких материалов, таких как чугун, эти границы должнысоставлять 0,01 - 0,2 .Способ предусматривает, что для рас 35 ширения в области насаживаемого элемента (кулачков) внутреннее гидравлическоедавление должно составлять 2000 - 3500 бар,а для расширения трубчатого вала в областинасаживаемого элемента (более тонкостен 40 ной опоры подшипника) внутреннее гидравлическое давление должно составлять1000 - 2500 бар,Возможно, помимо соответствующегосилового замыкания между трубчатым ва 45 лом и насаживаемым элементом, осуществлять также и геометрическое замыкание,Для этого, в частности, предусматриваетсяв сквозном отверстии насаживаемого элемента один или несколько пазов, в которыевдавливается материал, из которого выпол 50 нен трубчатый вал, при его упругой деформации. Другая возможностьгеометрического замыкания заключается всоздании имеющего большее поперечноесечение среднего участка насаживаемогоэлемента, к торцовым поверхностям которо 55 го примыкают участки с меньшим поперечным сечением.Достигается преимущество, заключающееся в обеспечении прочной посадки, 1722243устойчивой 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 чрезвычайно низкими затратами.В 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 трубчатоговала 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, деформируется в большей степени, Процесс деформации предпочтительно осуществлять путем подачи внутрь давления гидравлическим путем,Материал, из которого выполнен трубчатый вал, должен иметь предел прочности при разрыве на 25-35 фменьше, чем материал, из которого выполнены насаживае мые элементы. Этим обеспечиваетсявоэможность выбора требуемого вида соединения, а также выбора относительно мягкого материала для изготовления трубчатого вала с учетом его стоимости.10 В качестве кулачков могут применятьсяокончательно обработанные перед соединением чугунные, стальные или синтерэлементы, причем для повышения срока службы кулачкового вала могут выбираться 15 материалы повышенной прочности, такиекак, например, шарикоподшипниковая сталь, и это не оказывает вредного влияния на качество соединения.Предлагаемый вал и способ его изготов 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.25Формула изобретения1, Вал, в частности распределительныйвал, состоящий из трубчатого вала и насаженных на него по прессовой посадке эле 30 ментов типа распределительных кулачков,колец подшипников, цилиндрических и конических шестерен, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью улучшения эксплуатационных характеристик распределительного ва 35 ла, трубчатый вал между продольнымиучастками, на которых насажены элементы,выполнен с диаметром меньшим, чем напродольных участках.2, Вал по и. 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем,40 что материал трубчатого вала имеет прочность, на 25.356 меньшую прочности материала насаживаемого элемента,3. Вал по пп. 1-2, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что трубчатый вал выполнен из тянутой45 необработанной по поверхности прецизионной трубы, изготовленной из стали с прочностью при растяжении 50.70 кг/мм,2пределом текучести 28,39 кгlмм и относи 2тельным удлинением при разрыве 22,15/,50 4, Вал по пп. 1-3, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что насаженные элементы типа кулачков изготовлены из чугуна, стали или спекаемого материала большой твердости20 8. Вал по пп. 1-7, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что насаживаемые элементы выполнены с внутренней поверхностью, состоящей из среднего участка постоянного поперечного сечения и по меньшей мере конически 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 по 35 средством внутреннего давления гидросреды, о т л и ч а ю щ и й с я 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 45внутреннем слое насаживаемых элементов,после чего гидросреду удаляют.10. Способ по и, 9, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что перед расширением трубчатого ва-. ла разницу Осаке между наружным диамет ром б трубчатого вала и внутренним диаметром О насаживаемого элемента определяют из соотношения:эс -О 9 С йргде Вр - предел текучести при растяжении;Е - модуль упругости материала трубы, 11. Способ по пп. 9 и 10, о т л и ч а ющ и й с я тем, что расширение трубчатого 5. Вал по пп. 1-4, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что внутренняя поверхность отверстиянасаживаемого элемента выполнена с рифлениями по периметру или с покрытием, вкотором в качестве связующего вещества 5использована специальная металлическаяпаста, состоящая из твердых металлов,вольфрама, молибдена или хрома,6. Вал поп.5,отличающийся тем,что рифления выполнены в виде распределенных по периметру продольных углублений глубиной 0,21% толщины стенкитрубчатого вала.7, Вал по и. 6, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что рифление выполнено в виде преимущественно трех расположенных аксиально ираспределенных 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. 1.1, 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, отл ич а ющ и й с я 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 поп.13, отл ич 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 поп.13, отл ича ю щи 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, отл и ч а ющ и й с я 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 ющ и й с я 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 попп. 9-17, отл ич а ющ и й с я тем, что при изготовлении насаживаемого 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 Составитель Ю. Марковедактор И. Шулла Техред М,Моргентал ектор В. Гирняк изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 аказ 968 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета по 113035, Москва, ЖПодписноеобретениям и открытиям при ГКНТ СССРаушская наб 4/5