CZ287113B6 - Crankshaft and use thereof - Google Patents

Description

Klikový hřídel a jeho použití

Oblast techniky

Vynález se týká klikového hřídele pro dvoutaktní spalovací motor s rameny klik zahrnujícími klikový čep s dvěma klikovými rameny, z nichž každé má axiální díru a vybrání umístěné na přechodu mezi klikovým čepem a axiální dírou, přičemž ramena klik jsou spolu spojena prostřednictvím hlavních ložiskových čepů se středním hlavním ložiskovým úsekem a dvěma válcovými koncovými úseky, které jsou umístěny v těsné blízkosti ke střednímu hlavnímu ložiskovému úseku a jsou vloženy do axiální díry přidruženého klikového ramena, a přičemž každý z koncových úseků má centrální osu, která je radiálně posunuta vzhledem k centrální ose středního hlavního ložiskového úseku.

Dosavadní stav techniky

Podobný klikový hřídel je známý ze švýcarského patentu č. 567194. Vybrání na přechodu mezi klikovým čepem a dírou snižuje koncentrace napětí v této oblasti na přijatelnou úroveň. Posun koncových úseků od klikového čepu umožňuje konstruovat střední ložiskový úsek s větším průměrem. V uvedeném švýcarském patentu mají střední ložiskový úsek a dva koncové úseky stejné průměry.

Britský patent č. 1 095 370 popisuje klikový hřídel, jehož hlavní ložiskové čepy jsou spojeny s přidruženým ramenem prostřednictvím uložení za tepla nebo lisovaným uložením. Válcové kontaktní povrchy spoje jsou odstupňovány alespoň ve dvou úsecích s rozdílnými průměry. Úsek kontaktního povrchu ložiskového čepu, který je nejblíže k ložiskovému povrchu klikového čepu má nejmenší průměr. Řešení uvedené ve jmenovaném britském patentu má ten účinek, že druhý úsek kontaktního povrchu je konstruován s větším přesahem než menší úsek, čímž se zvyšují napětí v materiálu kolem většího úseku. Zvětšený průměr většího úseku zahrnuje zvětšený průměr přilehlého ložiskového úseku ložiskového čepu, výsledkem čehož může být kratší ložisko bez zmenšení ložiskové plochy.

Německý patent č. 347 103 popisuje klikový hřídel bez vybrání na přechodové oblasti, což znamená, že klikový hřídel není příliš zatěžován. Hlavní ložiskové čepy mají válcové koncové úseky, které jsou uloženy za tepla do děr v přidružených klikových ramenech a mají menší průměr než přiléhající ložiskový úsek.

Cílem předkládaného vynálezu je navrhnout klikový hřídel krátké délky a velkého ložiskového průměru bez zeslabení ramen tak, aby klikový hřídel mohl být značně zatěžován a mohl přenášet velký točivý moment.

Podstata vynálezu

Se zřetelem na požadovaný cíl spočívá podstata klikového hřídele podle vynálezu v tom, že dva koncové úseky hlavního ložiskového čepu mají menší průměr než přilehlý hlavní ložiskový úsek, že válcová vnější strana koncového úseku a/nebo vnitřní strana axiální díry je/jsou opatřena materiálem zvyšujícím tření, a že součet průměrů klikového čepu a hlavního ložiskového úseku má hodnotu alespoň 108 % zdvihu motoru.

Předkládaný vynález tak umožňuje vyrobit klikový hřídel o velmi krátké délce vzhledem k výkonu motoru, protože skok v průměrech mezi ložiskovým a koncovými úseky hlavního ložiskového čepu umožňuje konstruovat ložiskový úsek s větším průměrem bez axiální díry

-1 CZ 287113 B6 v klikovém ramenu, která by měla mít větší průměr, to znamená že klikové rameno si udržuje svojí pevnost a ani vybrání není ovlivněno.

Radiální posun mezi centrálními osami úseků způsobuje, že koncové úseky jsou uloženy excentricky na ložiskovém úseku. To může být využito pro umístění axiální díry v klikovém ramenu ve větší vzdálenosti od centrální osy klikového čepu, což ovšem dále umožňuje buď snížit úroveň napětí v klikovém ramenu, nebo zvětšit průměr klikového čepu tak, že délka klikového hřídele může být dále zmenšena.

Pokud je zvětšený ložiskový průměr využit pro zvětšení ložiskové plochy tak, že klikový hřídel je schopen přenášet větší síly a točivé momenty, musí být spoj, kliková ramena a koncové úseky vložené do axiálních děr vyrobeny tak, aby byly schopny snášet velký točivý moment, který se přirozeně vytvoří zvětšením průměru nebo délky koncových úseků. Podle vynálezu tedy válcová vnější strana koncového úseku a/nebo vnitřní strana axiální díry je/jsou opatřena materiálem zvyšujícím tření, čímž se umožní, aby spoj přenášel větší točivý moment.

Výhodně je součet průměru klikového čepu a hlavního ložiskového čepu alespoň 112% délky zdvihu motoru, takže shora uvedené výhody jsou ještě zvýrazněny.

Vynález se také týká způsobu použití klikového hřídele shora uvedeného typu, přičemž tento způsob spočívá v tom, že zdvih motoru se mění otáčením hlavních ložiskových čepů kolem jejich centrální osy vzhledem k přidruženým klikovým ramenům, přičemž se mění středová vzdálenost mezi hlavními ložiskovými čepy a klikovými čepy. Se standardizovanými komponenty klikových hřídelů je tak možné vyrobit klikové hřídele s vzájemně rozdílnými vzdálenostmi mezi osami ložisek. Změna této vzdálenosti centrální osy se projeví dvojnásobnou změnou zdvihu motoru. Stejný typ motoru může tedy být dodáván se zdvihem, který je velmi pečlivě upraven pro určené použití tohoto motoru. Prostřednictvím předkládaného vynálezu je ovšem také možné měnit zdvih dodávaného motoru otáčením ramen kliky vzhledem k hlavním ložiskovým čepům pomocí speciálních nástrojů, což poskytuje značnou volnost při zvyšování výkonu motoru, pokud jsou jeho pracovní podmínky neustále měněny.

Příkladné provedení vynálezu bude nyní podrobněji popsáno a vysvětleno níže s odkazy na připojené schematické výkresy.

Přehled obrázků na výkresech

Obr. 1 je bokorys části známého klikového hřídele,

Obr. 2 je řez rovinou Π-II z obr. 1, částí známého klikového hřídele,

Obr. 3 odpovídá v mírně zmenšeném měřítku pohledu podle obr. 1, ale na hřídel podle vynálezu,

Obr. 4 odpovídá v mírně zmenšeném měřítku pohledu podle obr. 2, ale na hřídel podle vynálezu, a je řezem rovinou IV-Γν z obr. 3, a

Obr. 5 až obr. 7 znázorňují v ještě menším měřítku pohledy v řezech, které jsou vedeny hřídelem podle vynálezu pro ilustraci toho, jak může být zdvih měněn otáčením ložisek vůči sobě navzájem.

-2CZ 287113 B6

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 znázorňuje vykované nebo odlité rameno 1 kliky se dvěma klikovými rameny 2, vyrobené integrálně s klikovým čepem 3. Každé klikové rameno 2 má axiální díru 4 umístěnou v takové radiální vzdálenosti od klikového čepu 3, že v přechodové oblasti mezi obvodem klikového čepu 3 a hranou axiální díry 4 je prostor pro vytvoření vybrání 5 v klikovém ramenu 2. Tvar vybrání 5 je upraven známým způsobem tak, že koncentrace napětí v .klikovém ramenu 2 se zmenšují na nejmenší možnou míru. Jednotlivá ramena i kliky jsou vzájemně spojena hlavními ložiskovými čepy 6 majícími střední ložiskový úsek 7, který v podstatě plynule přechází do koncového úseku 8, který byl s vhodným přesahem za tepla uložen do válcové axiální díry 4 v klikovém ramenu 2. U tohoto známého klikového hřídele jsou axiální díry 4 upraveny koaxiálně s hlavními ložiskovými úseky 7 a zdvih motoru je pevný, přičemž je dvojnásobkem středové vzdálenosti c mezi axiálními dírami 4 a klikovým čepem 3.

Obr. 3 a obr. 4 znázorňují rameno 11 kliky klikového hřídele podle vynálezu, kde jsou dvě kliková ramena 12 ramena 11 kliky vykována nebo odlita integrálně s klikovým čepem 13. Každé klikové rameno 12 je upevněno ke koncovému úseku 18 hlavního ložiskového čepu 16, přičemž tento koncový úsek 18 je vytvořen s přesahem vzhledem k axiální díře 14 v klikovém ramenu 12· Hlavní ložiskový čep 16 má střední hlavní ložiskový úsek 17 s podstatně větším průměrem než mají koncové úseky 18. Jak je nejlépe patmé z obr. 4, kde je obvod hlavního ložiskového úseku 17 znázorněn čárkovanou čárou, je koncový úsek 18 uložen excentricky vzhledem k hlavnímu ložiskovému úseku 17. To má za následek, že vzdálenost mezi centrální osou 19 klikového čepu 13 a centrální osou 20 hlavního ložiskového čepu 16 se odlišuje od vzdálenosti mezi centrální osou 19 klikového čepu 13 a centrální osou 21 axiální díry 14. Hlavní ložiskový čep 16 je symetrický kolem střední roviny 22 v pravých úhlech vzhledem k centrální ose 20 hlavního ložiskového čepu 16.

V radiálním směru se klikový čep 13 a hlavní ložiskový úsek 17 vzájemně přesahují, ale vzhledem k excentrickému uložení koncového úseku 18 zbývá zde stále ještě minimální vzdálenost mezi klikovým čepem 13 a koncovým úsekem 18, takže je zde prostor pro vytvoření vybrání 15 obvyklým způsobem.

Při montáži hlavního ložiskového čepu 16 do klikového ramena 12, jak je znázorněno na obr. 3, má excentrické spojení koncového úseku 18 a hlavního ložiskového úseku 17 za následek, že axiální díra 14 má větší excentrickou vzdálenost e, která odpovídá excentrickému posunu koncového úseku 18, od centrální osy 19 klikového čepu 13 než by tato axiální díra 14 měla u klikového hřídele se stejnou středovou vzdáleností c as koncovým úsekem 18 upraveným koaxiálně s přiléhajícím hlavním ložiskovým úsekem 17. Tento posun axiální díry 14 ve směru od klikového čepu 13 je použit pro zvětšení průměru klikového čepu 13 u tohoto znázorněného provedení klikového hřídele podle vynálezu.

Z obr. 3 a obr. 4 může být patmé, že klikový hřídel podle vynálezu má značně velký ložiskový průměr vzhledem k středovou vzdálenosti c mezi centrálními osami 19 a 20 čepů 13 a 16, protože průměr hlavního ložiskového čepu 16 d_m = 1,33 c, zatímco průměr klikového čepu 13 je d_c = 0,95 c.

Protože zde musí být prostor pro vybrání 5 je součet průměrů hlavního ložiskového čepu 6 a klikového čepu 3 u známých klikových hřídelů menší než zdvih motoru vynásobený číslem 0,9, zatímco součet průměrů hlavního ložiskového čepu 16 a klikového čepu 13 u klikového hřídele podle vynálezu je nejméně o 8 procent, a výhodně o 12 procent, větší než zdvih motoru.

V závislosti na vybraném typu motoru může být celkový průměr hlavního ložiskového čepu 16 a klikového čepu 13 u klikového hřídele podle vynálezu rozložen rovnoměrně na oba tyto čepy nebo nerovnoměrně. Větší průměry čepů umožňují přenášet větší sílu vzhledem k délce

-3 CZ 287113 B6 klikového hřídele, což způsobuje, že klikový hřídel podle vynálezu je zvláště vhodný jako klikový hřídel motoru s válci do V, a zejména jako klikový hřídel velkého dvoutaktního křižákového motoru s válci do V. Takový motor může mít dva písty spojené se stejným klikový čepem, čímž se vytvoří větší zatížení jak na klikovém čepu tak i na hlavním ložiskovém čepu. Pro úplnost je možné uvést, že motorem s válci do V je v této souvislosti míněn motor se dvěma řadami válců, umístěnými vzájemně vedle sebe, a s pouze jedním klikovým hřídelem. Jeden klikový čep může být spojen se dvěma písty, přesněji s jedním pístem v každé řadě válců. Pokud je tento motor křižákovým motorem, je tím míněn motor, u něhož je spojení mezi pístem a klikovým čepem provedeno prostřednictvím pístnice, křižáku a ojnice. Pokud tento motor není s křižákovým motorem, je tím míněn motor, u něhož je toto spojení provedeno prostřednictvím ojnice.

Jeden nebo oba vzájemně přiléhající povrchy na vnitřní straně axiální díry 14 a vnější straně koncového úseku 18 mohou být opatřeny materiálem zvyšujícím tření, jako je například niklový potah a/nebo potah z částic podstatně tvrdších než je základní materiál klikového hřídele a ložiskových prvků, jako je například prášek karborundum (SiC). Materiál zvyšující tření zlepšuje záběr mezi koncovým úsekem 18 a klikovým ramenem 12, takže spoj může přenášet větší točivé momenty.

Nyní bude vysvětleno jak zdvih motoru závisí na vzájemné úhlové poloze mezi hlavními ložiskovými čepy 16 a přidruženými klikovými rameny 12, do nichž jsou vloženy koncové úseky 18 těchto hlavních ložiskových čepů 16. Při prvním pohledu na obr. 3 je zřejmé, že všechny centrální osy 20 hlavních ložiskových čepů 16 jsou koaxiální a shodují se s centrální osou hlavního ložiska. Jednotlivá ramena 11 kliky jsou uspořádána obvyklým způsobem ve vzájemných úhlových polohách závisejících na počtu válců motoru.

Obr. 5 až obr. 7 znázorňují účinek otáčení ramena 1 kliky vzhledem k centrálním osám koncových úseků 18 přidružených hlavních ložiskových čepů 16. Na obr. 5 je klikové rameno 12 upevněno vzhledem k hlavnímu ložiskovému čepu tak, že excentrická vzdálenost e koncového úseku 18 je umístěna na spojovací čáru mezi centrální osou 19 klikového čepu 13 a centrální osou 20 hlavního ložiskového čepu 16, a tak, že středová vzdálenost c mezi těmito osami a tím také zdvih motoru je minimální.

Ve srovnání s obr. 5 může být na obr. 6 a obr. 7 patrné, že klikové rameno 12 bylo otočeno o 60° respektive o 120° vzhledem k hlavnímu ložiskovému čepu 16, což v provedení znázorněném na obr. 6 způsobí, že středová vzdálenost ď mezi centrální osou 19 klikového čepu 13 a centrální osou 20 hlavního ložiskového čepu 16 je větší než středová vzdálenost c u provedení znázorněného na obr. 5, ale menší než vzdálenost c u provedení podle obr. 7. Středová vzdálenost c může být měněna až o dvojnásobek excentrické vzdálenosti e, což dále znamená, že zdvih motoru může být měněn až o čtyřnásobek excentrické vzdálenosti e. U provedení, které je znázorněno na obrázcích, může být zdvih motoru měněn až o 18,3 procent, což při stejných komponentech motoru představuje značnou volnost při úpravách a změnách parametrů motoru.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Klikový hřídel pro dvoutaktní spalovací motor s rameny (11) klik zahrnujícími klikový čep (13) s dvěma klikovými rameny (12), z nichž každé má axiální díru (14) a vybrání (15) umístěné na přechodu mezi klikovým čepem (13) a axiální dírou (14), přičemž ramena (11) klik jsou spolu spojeny prostřednictvím hlavních ložiskových čepů (16) se středním hlavním ložiskovým úsekem (17) a dvěma válcovými koncovými úseky (18), které jsou umístěny v těsné blízkosti ke střednímu hlavnímu ložiskovému úseku (17) a jsou vloženy do axiální díry (14) přidruženého klikového ramena (12), a přičemž každý z koncových úseků (18) má centrální osu, která je radiálně posunuta vzhledem k centrální ose (20) středního hlavního ložiskového úseku (17), vyznačující se tím, že dva koncové úseky (18) hlavního ložiskového čepu (16) mají menší průměr než přilehlý hlavní ložiskový úsek (17), že válcová vnější strana koncového úseku (18) a/nebo vnitřní strana axiální díry (14) je/jsou opatřena materiálem zvyšujícím tření, a že součet průměrů klikového čepu (13) a hlavního ložiskového úseku (17) má hodnotu alespoň 108 % zdvihu motoru.
2. 2. Klikový hřídel podle nároku 1,vyznačující se tím, že součet průměrů klikového čepu (13) a hlavního ložiskového úseku (17) má hodnotu alespoň 112 % zdvihu motoru.
3. 3. Použití klikového hřídele podle nároku 1 nebo 2 pro motory s válci do V, zejména pro dvoutaktní křižákové motory s válci do V.