PL242075B1 - Hydrauliczne urządzenie do dynamicznego nagniatania sworzni tłokowych silników spalinowych - Google Patents

Abstract

Hydrauliczne urządzenie do dynamicznego nagniatania sworzni tłokowych silników spalinowych charakteryzuje się tym, że posiada bijaki (2) osadzone luźno w wirującym wieńcu (1) w otworach (17) wypełnionych cieczą chłodząco - smarującą (18) wtłaczaną poprzez dysze (6). Bijaki (2) usytuowane są w wieńcu (1) pod kątem α o wartości 2÷25° w stosunku do promienia wieńca (1). Bijaki (2) usytuowane są w wieńcu (1) pod kątem β o wartości 2÷20° w stosunku do płaszczyzny wirowania wieńca (1).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest hydrauliczne urządzenie do dynamicznego nagniatania sworzni tłokowych silników spalinowych.

Urządzenie przeznaczone jest do umacniania zgniotem powierzchniowym sworzni tłokowych silników spalinowych poprzez dynamiczne nagniatanie warstwy wierzchniej sworzni. Sworznie tłokowe silników spalinowych, zwłaszcza wysokoprężnych, narażone są na przenoszenie dużej liczby cykli obciążeń zmiennych w warunkach wysokich temperatur. Jednocześnie spełniają funkcję czopów łożysk ślizgowych układu tłok-korbowód przy niemożności spełnienia warunków pełnego smarowania hydrodynamicznego z uwagi na przemienny kierunek poślizgu przy niedużym zakresie kąta obrotu. Warunki pracy sworzni tłokowych silników spalinowych powodują występowanie stanu dużego wytężenia o charakterze zmęczeniowym i narażenie na zużycie ścierne. Jednocześnie dąży się poprzez downsizing do minimalizacji masy sworzni, a więc i ich średnicy w celu zmniejszenia oddziaływań o charakterze dynamicznym na cały układ napędowy silników spalinowych. W opisanej sytuacji wymagana jest szczególnie duża trwałość zmęczeniowa, wysoka odporność na zużycie ścierne i duża sztywność kontaktowa sworzni tłokowych. Wszystkie wymienione własności mogą być wydatnie poprawione w wyniku odpowiedniej obróbki zgniotem powierzchniowym o dużej intensywności.

Szczególne trudności obróbki zgniotem w przypadku sworzni tłokowych silników spalinowych wynikają z tego, że są one najczęściej wytwarzane z wysokowytrzymałych stali stopowych poddanych obróbce cieplnej i cieplno-chemicznej warstwy wierzchniej przez nawęglanie, azotowanie i hartowanie w celu uzyskania dużej twardości. Wywołanie powierzchniowych odkształceń plastycznych w tej sytuacji wymaga zastosowania dużych nacisków stykowych w sposób, który nie doprowadzi do deformacji sworzni w postaci skrzywienia lub skażenia profilu ich przekroju poprzecznego. Warunki te zapewnia urządzenie nagniatające według wynalazku, gdyż umożliwia intensywne działanie elementów nagniatających w krótkim czasie w każdej strefie powierzchni sworzni z jednoczesnym chłodzeniem i smarowaniem strefy obróbki zgniotem powierzchniowym.

Znane urządzenia do nagniatania elementów maszyn w tym i dynamicznego opisuje praca: Przybylski W. „Technologia obróbki nagniataniem”, WNT W-wa 1987. Urządzenia te nie umożliwiają dostatecznie dużej intensywności obróbki wymaganej dla takich elementów jak sworznie tłokowe silników spalinowych, zwłaszcza wysokoprężnych. Opis patentowy nr 139508 przedstawia „Urządzenie do nagniatania dynamicznego powierzchni zewnętrznych przedmiotów walcowych”, gdzie stalowe kulki miotane są strumieniem sprężonego powietrza. Jest to urządzenie o zbyt niskiej efektywności i ograniczonym zakresie zastosowań z uwagi na ograniczoną fizykalnie prędkość możliwą do uzyskania u wylotu dyszy ze sprężonym powietrzem. Opis patentowy nr 150864 „Urządzenie do umacniania metodą pneumokulowania przedmiotów metalowych” opisuje urządzenie, które posiada tę samą niedogodność co wspomniane uprzednio. Wszystkie znane urządzenia do obróbki zgniotem powierzchniowym ponadto nie umożliwiają jednoczesnego chłodzenia i smarowania stref umacnianych, co jest pożądane przy większych intensywnościach wywoływanych odkształceń plastycznych warstwy wierzchniej, gdy duża praca odkształcenia plastycznego zamienia się na ciepło i silnie rośnie lokalna temperatura. Wówczas występują niekorzystne zjawiska rekrystalizacji struktury odkształconego plastycznie materiału oraz relaksacja naprężeń własnych ściskających, które są główną przesłanką stosowania umocnienia zgniotem powierzchniowym elementów o wysokich wymaganiach co do własności zmęczeniowych. Brak smarowania jest przyczyną znacznego pogorszenia stanu powierzchni oraz sprzyja tworzeniu się produktów zużycia w postaci pyłu metalicznego grożącego wybuchem.

Istota hydraulicznego urządzenia do dynamicznego nagniatania sworzni tłokowych silników spalinowych według wynalazku polega na tym, posiada bijaki osadzone luźno w wirującym wieńcu w otworach na które skierowane są dysze z cieczą chłodząco-smarującą znajdujące się w pierścieniu, przy czym bijaki usytuowane są w wieńcu pod kątem α o wartości 2^25° w stosunku do promienia wieńca a pod kątem β o wartości 2^20° w stosunku do płaszczyzny wirowania wieńca.

Urządzenie umożliwia wysoką efektywność umacniania, co służy wydatnej poprawie własności zmęczeniowych sworzni, jednocześnie tworząc gęstą sieć mikrokieszeni smarnych na powierzchni sworzni polepsza warunki ich smarowania w eksploatacji. Wzrost twardości i sztywności kontaktowej warstwy wierzchniej służy poprawie odporności na zużycie ścierne i zatarcie sworzni w trudnych warunkach eksploatacji sworzni w silnikach spalinowych. W wyniku obróbki urządzeniem według wynalazku ma miejsce szczególnie wysoka efektywność nagniatania, gdyż uzyskuje się dużą głębokość zalegania korzystnych naprężeń własnych ściskających, wydatnie polepszających własności zmęczeniowe sworzni tłokowych. W wyniku dużej gęstości elementarnych odcisków plastycznych na powierzchni sworzni tworzony jest korzystny układ mikrokieszeni smarnych tworząc korzystny mikrorelief powierzchni. Polepsza to efektywność smarowania sworzni tłokowych w eksploatacji. Jednocześnie rośnie sztywność kontaktowa warstwy wierzchniej i twardość powierzchni sworzni, co silnie zwiększa ich odporność na zużycie ścierne. Łącznie powoduje to znaczne polepszenie trwałości eksploatacyjnej obrabianych sworzni tłokowych. Najkorzystniejsze ukształtowanie mikroreliefu obrabianej powierzchni sworzni uzyskuje się, gdy przy kolejnym przejściu obróbki danego sworznia zastosowana zostanie zmiana kierunkowości mikrokieszeni smarnych na obrabianej powierzchni, co może być osiągnięte przykładowo przez zamianę miejscami końców obrabianego sworznia przy kolejnym przejściu obróbczym, tj. zamiana w układzie zabierak - kieł obrotowy lub łączną zamianę kierunku obrotów tarczy nagniatającej i obrabianego sworznia.

Urządzenie zostało przedstawione na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój wzdłużny przez hydrauliczną tarczę nagniatającą, fig. 2 przykładowe rozmieszczenie elementów nagniatających - bijaków, fig. 3 szczegół osadzenia bijaków w tarczy, fig. 4 to przekrój w płaszczyźnie wirowania tarczy a fig. 5 widok osłony tarczy nagniatającej z odbiorem i filtracją cieczy chłodząco-smarującej.

Wynalazek przedstawiony jest w przykładzie realizacji.

W zewnętrznej części wirującego wieńca 1 umieszczony jest szereg bijaków 2 w taki sposób, że każdy z nich ma możliwość swobodnego przemieszczania się wzdłuż oraz obrotu wokół swoich osi. Części robocze 3 bijaków 2 wystają poza zewnętrzny zarys wieńca 1 a całe bijaki opierają się o gniazda 4 korzystnie stożkowe. Od strony wewnętrznej ruch bijaków ograniczony jest pierścieniem 5, w którym wykonane są otwory - dysze 6. Do wnętrza komory urządzenia utworzonej przez tarczę 7 i pokrywę czołową 8 tłoczona pod ciśnieniem jest ciecz chłodząco-smarująca, korzystnie emulsja olejowo - wodna stosowana w procesach obróbki skrawaniem metali. Ciecz dostarczona jest przez drążony wał 9.

Bijaki 2 wskutek działania siły odśrodkowej i ciśnienia cieczy 18 samoczynnie zajmują skrajne zewnętrzne położenie wyjściowe zamykając wypływ cieczy z wieńca 1. Po uderzeniu w umacnianą powierzchnię obrabianego sworznia 10 bijaki 2 kolejno odrzucane są siłą odrzutu w głąb wieńca 1. Pierścień 5 pełni funkcję odbojnika, zaś porcja cieczy 18 pod bijakami 2 pełni funkcję amortyzatora hydraulicznego. Wskutek chwilowego znacznego wzrostu ciśnienia pod bijakami 2 i siły odśrodkowej część cieczy 18 wypływa na zewnątrz chłodząc i smarując części robocze bijaków 2 oraz obrabianą powierzchnię. W procesie nagniatania wykorzystywany jest swoisty odwrócony efekt uderzenia hydraulicznego, dzięki czemu znacznie wzrasta intensywność nagniatania. Część cieczy przy zbyt wysokim impulsie ciśnieniowym ma możliwość cofania się do wnętrza urządzenia. Przez odpowiedni dobór średnicy otworów - dysz 6, luzu między bijakami 2 a otworami 17, w których są osadzone oraz grubości pierścienia 5, masy bijaków 2 i prędkości obrotowej można w dużym zakresie regulować wielkość siły nagniatania bijaków 2. Po wyjściu ze strefy uderzenia bijaków 2 w powierzchnię obrabianą wskutek siły odśrodkowej i ciśnienia cieczy przedostającej się przez otwory - dysze 6 do przestrzeni pod bijakami 2, bijaki 2 wracają do pozycji wyjściowej zamykając automatycznie wypływ cieczy z wieńca 1. Bijaki 2 swoimi częściami roboczymi 3 wystają poza zewnętrzny profil wieńca 1 oraz jednocześnie oparte są na poduszkach hydraulicznych cieczy chłodząco-smarującej dostarczonej do przestrzeni pod bijakami 2 poprzez otwory - dysze 6 wykonane w pierścieniu 5.

Wirująca część urządzenia zamknięta jest w stałej obudowie 11 z uchylną częścią 11a. Obudowa 11 ma na celu zebranie cieczy, która wypływa w trakcie obróbki. Ciecz chłodząco-smarująca 18 po odfiltrowaniu z produktów zużycia w filtrze 12 i po ewentualnym schłodzeniu wraca do układu zasilającego, tworząc obieg zamknięty.

Korzystnym jest usytuowanie bijaków 2 pod kątem α = (2^20°) (fig. 3) w stosunku do promienia wieńca 1, co zmniejsza obciążenie poprzeczne bijaków 2 ułatwiając ich wzdłużne przemieszczanie się. Bijaki 2 mogą być dodatkowo usytuowane pod kątem β = (2^25°) (fig. 4) w stosunku do płaszczyzny wirowania wieńca 1, dzięki czemu po uderzeniu każdy z bijaków 2 obraca się o pewien kąt wokół swojej osi, co sprzyja równomiernemu zużywaniu się końcówek roboczych bijaków 2 oraz polepsza warunki chłodzenia i smarowania bijaków 2. Dodatkowo ułatwia to technologię wykonywania przez wiercenie i ewentualne rozwiercanie otworów w wieńcu 1 dla osadzenia bijaków 2. Bijaki 2 należy wykonać ze stali o dużej twardości lub korzystniej z węglików spiekanych.

Urządzenie może być mocowane bezpośrednio na wale silnika elektrycznego przez pierścienie rozporowe 16 lub inne połączenie przenoszące moment obrotowy. Mocowanie urządzenia na wale wyjściowym przekładni mechanicznej pozwala dodatkowo na regulację prędkości obrotowej urządzenia.

PL 242075 BI

Do obróbki przy użyciu urządzenia według wynalazku wykorzystana może być typowa tokarka, która nadaje ruch obrotowy obrabianego sworznia współbieżnie lub przeciwbieżnie poprzez zabierak 13 z wysokocierną wykładziną 14. Drugi koniec sworznia podparty może być przez kieł obrotowy 15. Całe urządzenie mocowane może być do imaka tokarki, co umożliwia regulowany dosuw urządzenia do obrabianego sworznia i mechaniczny przesuw wzdłuż jego osi. Optymalne parametry nagniatania takie jak prędkość i kierunek wirowania urządzenia i obrabianego elementu, posuw wzdłużny, dosuw bijaków do obracanej powierzchni, ciśnienie i rodzaj cieczy chłodząco-smarującej, krotność przejść obróbczych dobierane są indywidualnie dla każdego przypadku obróbki w wyniku prób, z uwagi na występującą dużą różnorodność materiałów, rozmiarów i stosowanych uprzednich zabiegów technologicznych przy wytwarzaniu sworzni tłokowych silników spalinowych o bardzo zróżnicowanym przeznaczeniu i różnych warunkach ich użytkowania.

Urządzenie według wynalazku może być wykorzystane przy produkcji nowych sworzni jak też w procesie regeneracji sworzni po określonym czasie eksploatacji. Może być wykorzystane również do obróbki umacniającej innych elementów maszyn o analogicznej budowie. Urządzenie cechuje się bardzo dużą efektywnością umocnienia przy niewielkim zużyciu energii.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Hydrauliczne urządzenie do dynamicznego nagniatania sworzni tłokowych silników spalinowych mający układ chłodząco-smarujący, znamienne tym, że posiada bijaki (2) osadzone luźno w wirującym wieńcu (1) w otworach (17), na które skierowane są dysze (6) z cieczą chłodząco-smarującą (18) znajdujące się w pierścieniu (5), przy czym bijaki (2) usytuowane są w wieńcu (1) pod kątem a o wartości 2=25° w stosunku do promienia wieńca (1) a pod kątem β o wartości 2=20° w stosunku do płaszczyzny wirowania wieńca (1).