Вал и способ его изготовления - SU1722243A3

Фш.1

Изобретение касается области машино- и моторостроения, а именно вала и способа изготовления преимущественно распределительных валов и аналогичных им деталей из трубчатого вала и насаженных на 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 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/мм2, 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 (син- терматермал),преимущественно

шарикоподшипниковой стали состава, %:

Углерод0,9-1,0

Марганец0,25-0,30

Кремний0,25-0,30

Хром1,3-1,5

ЖелезоОстальное

Внутренняя поверхность отверстия насаженного элемента 2, кроме углублений 6, может быть выполнена с покрытием, в котором в качестве связующего вещества используется специальная металлическая паста, состоящая из твердых металлов: вольфрама, молибдена или хрома.

Вал изготавливается по предлагаемому способу, который осуществляется следую0 щим образом.

При соединении трубчатого вала 1 и насаживаемого элемента 2 характеристики обоих материалов не нарушаются. Поскольку соединение осуществляется без нагрева5 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.

0 Происходящие при расширении изменения размеров соединяемых деталей в отличие от тепловой обработки могут быть рассчитаны. Вследствие большой свободы при выборе исходного материала для изготовления

5 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

0 этом обеспечивается надежная передача необходимого крутящего момента. Способ и устройство, применяемые для гидравлического расширения отдельных продольных участков, просты и недорогостоящи посрав5 нению с- расширением вала с нагнетанием внутрь него пластической массы. Кроме того , внутреннее пространство трубы вала остается открытым, что обеспечивает возможность охлаждения вала и внутрен0 нюю смазку опор подшипников. Предлагаемый вал легко изготавливается и с учетом соответствующих процессов соединения может являться законченным изделием, не требующим последующего шлифования ку5 лачков или опор подшипника. Возможность обеспечения небольших расстояний между закрепляемыми элементами и специально подобранные с учетом функционирования исходные материалы обеспечивают значи0 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 распре5 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,

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 1)Мин между наружным диаметром вала da 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

Умакс Drda 0,9 da- ,

где Rp - модуль текучести при растяжении;

Е - модуль упругости материала трубы;

da - наружный диаметр трубчатого вала;

DI - 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 рав- ным напряжением прилегание стенок трубчатого вала к сквозному отверстию в насаживаемом элементе по всей длине, благодаря чему уменьшается опасность микропроскальзывания 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 четы- рех 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 максималь- мое 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 элементов.

Упругая радиальная деформация кромки сквозного отверстия насаживаемого элемента в случае использования пластичных материалов,,таких как сталь, происходит в материале до глубины, составляющей приблизительно 10-15% толщины наиболее тонкой радиальной стенки насаживаемого элемента. При этом достигается достаточная сила соединения и прочность насажива- емых элементов не подвергается отрицательному воздействию. В случае использования твердых материалов/гаких как чугун, упругая деформация кромки в этих же пределах невозможна и необходимость в ней отсутствует.

Происходящая в наружной зоне насаживаемого элемента в тангенциальном направлении продольная деформация должна составлять после расширения величину порядка до 1 %, чтобы при эксплуатации избежать повреждения поверхности в случае дополнительных нагрузок. При использовании таких тягучих материалов, как сталь, предпочтительные границы продольной деформации 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 расширения в области насаживаемого элемента (кулачков) внутреннее гидравлическое давление должно составлять 2000-3500 бар, а для расширения трубчатого вала в области насаживаемого элемента (более тонкостенной опоры подшипника) внутреннее гидравлическое давление должно составлять 1000-2500 бар.

Возможно, помимо соответствующего силового замыкания между трубчатым валом 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 выполнен трубчатый вал, при его упругой деформации .Другаявозможность геометрического замыкания заключается в создании имеющего большее поперечное сечение среднего участка насаживаемого элемента, к торцовым поверхностям которого примыкают участки с меньшим поперечным сечением.

Достигается преимущество, заключающееся в обеспечении прочной посадки,

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 такжевозможность микрогеометрического замыкания, обуслов- ленная 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 до- стигается 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, вы- полненных 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 дав- ления 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 выпол- йены 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% меньше, чем материал , из которого выполнены насаживаемые элементы. Этим обеспечивается возможность выбора требуемого вида соединения , а также выбора относительно мягкого материала для изготовления трубчатого вала с учетом его стоимости,

В качестве кулачков могут применяться окончательно обработанные перед соединением чугунные, стальные или синтерэле- менты, причем для повышения срока службы кулачкового вала могут выбираться материалы повышенной прочности, такие как, например, шарикоподшипниковая сталь, и это не оказывает вредного влияния на качество соединения.

Предлагаемый вал и способ его изготовления 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 элементов типа распределительных кулачков, колец подшипников, цилиндрических и конических шестерен, отличающийся тем, что, с целью улучшения эксплуатационных характеристик распределительного вала , трубчатый вал между продольными участками, на которых насажены элементы, выполнен с диаметром меньшим, чем на продольных участках.

2.Вал поп. 1,отличающийся тем, 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 необработанной по поверхности прецизи- оннойтрубы, изготовленной из стали с прочностью при растяжении 50.,.70 кг/мм2, пределом текучести 28..,39 кг/мм2 и относительным удлинением при разрыве 22...15%.

4.Вал по пп. 1-3, отличающийся тем, что насаженные элементы типа кулачков изготовлены из чугуна, стали или спекаемого материала большой твердости (синтерматериал), преимущественно шарикоподшипниковой стали состава, %:

Углерод0,9-1,0

Марганец0,25-0,30

Кремний0,25-0,30

Хром1,3-1,5

ЖелезоОстальное

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 использована специальная металлическая паста, состоящая из твердых металлов: вольфрама, молибдена или хрома.

6.Вал по п. 5, отличающийся тем, что рифления выполнены в виде распределенных по периметру продольных углублений глубиной 0,2...1% толщины стенки трубчатого вала.

7.Вал по п. 6, отличающийся тем, что рифление выполнено в виде преимущественно трех расположенных аксиально и распределенных по периметру углублений, занимающих в сумме 1/3 общего периметра .

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

9.Способ изготовления вала, в частности распределительного вала, из трубчатого вала и насаживаемых на него элементов типа распределительных кулачков, колец подшипников , цилиндрических и конических шестерен путем расширения трубчатого вала в области насаживаемых элементов посредством внутреннего давления гидросреды, отличающийся уем, что, с целью улучшения эксплуатационных характеристик распределительного вала, расширение осуществляют в радиальном направлении только на отдельных продольных участках трубчатого вала, сопряженных с насаживаемыми элементами, до получения пластических деформаций по всему по- перечному сечению этих участков трубчатого вала упругих деформаций во внутреннем слое насаживаемых элементов, после чего гидросреду удаляют.

10.Способ по п, 9, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что перед расширением трубчатого вала разницу Умакс между наружным диаметром da трубчатого вала и внутренним диаметром DI насаживаемого элемента определяют из соотношения:

имакс-Drda 0,9da,

где Rp - предел текучести при растяжении; Е - модуль упругости материала трубы.

11.Способ по пп. 9 и 10, отличающийся тем, что расширение трубчатого

вала осуществляют на продольном участке длиной, равной длине насаживаемого элемента , и двух длин участков, выступающих за насаживаемый элемент с каждой сторо- ны на величину, составляющую по меньшей мере 50% и максимум 150% от толщины стенки трубчатого вала.

12.Способ по п. 11, отл ича ющи й- с я тем, что при установке двух насаживае0 мых элементов, расстояние между которыми меньше величины, составляющей 40% толщины стенки трубчатого вала, осуществляют одинаковое расширение трубчатого вала на участке длиной, перекрывающей

5 длину двух соседних насаживаемых элементов .

13.Способ по пп. 9-12, отличающийся тем, что одновременно с расширением трубчатого вала дополнительно осу0 ществляют геометрическое замыкание между трубчатым валом и насаживаемыми элементами.

14.Способ по п. 13, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что макрогеометрическое замыка5 ние осуществляют путем вдавливания материала трубчатого вала при его расширении в распределенные по периметру продольные углубления насаживаемого, элемента.

15.Способ по п. 13, о т л и ч а ю щ и й- 0 с я тем, что макрогеометрическое замыкание осуществляют путем вдавливания материала трубчатого вала при его расширении в средний участок большего диаметра насаживаемого элемента.

5 16. Способ по п. 13, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что макрогеометрическое замыкание осуществляют путем вдавливания в материал трубчатого вала при его расширении слоя из твердых частиц, расположенного на

0 внутренней поверхности насаживаемого элемента,

17.Способ по п. 13, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что макрогеометрическое замыкание осуществляют путем вдавливания мате5 риала трубчатого вала при его расширении в пазы насаживаемого элемента.

18.Способ по пп. 9-17, отличающийся тем, что после расширения продольная деформация во внутренней зоне

0 насаживаемого элемента в тангенциальном направлении составляет величину 0,01-1 %.

19.Способ по пп. 9-17, отличающийся тем, что при изготовлении насаживаемого элемента из стали, после расшире5 ния продольная деформация во внутренней зоне насаживаемого элемента в тангенциальном направлении составляет величину 0,1-0,4%.

20.Способ по пп. 9-17, отличающийся тем, что при изготовлении насаживаемого элемента из твердых материалов ренней зоне насаживаемого элемента в тан- типа чугуна или синтерматериала после рас- генциальном направлении составляет вели- ширения продольная деформация во внут- чину 0,01-0.2%.

Y7/S

///№

1№/ -&itt4lSЈ- -

///////////77777.

%

Y/////////№(( 4

Хч Ч Г

J о

Ч,

1

S

LaxE

4

LaxR

Фиг. г

//77777.

%

3z

VT/T/

Ч Г

J о

Aax

ФигЗ

Фаг. 5