RU2238445C1 - Crankshaft for internal combustion engine - Google Patents
Crankshaft for internal combustion engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2238445C1 RU2238445C1 RU2003118997A RU2003118997A RU2238445C1 RU 2238445 C1 RU2238445 C1 RU 2238445C1 RU 2003118997 A RU2003118997 A RU 2003118997A RU 2003118997 A RU2003118997 A RU 2003118997A RU 2238445 C1 RU2238445 C1 RU 2238445C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- crankshaft
- crank
- neck
- radius
- connecting rod
- Prior art date
Links
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 title claims description 5
- 210000003739 neck Anatomy 0.000 claims description 40
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 11
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 210000003127 knee Anatomy 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 208000020180 CADDS Diseases 0.000 description 1
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000009661 fatigue test Methods 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
- 239000013585 weight reducing agent Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Shafts, Cranks, Connecting Bars, And Related Bearings (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при производстве коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания.The invention relates to mechanical engineering and can be used in the production of crankshafts of internal combustion engines.
Известен коленчатый вал, содержащий шатунные шейки, коренные шейки и щеки, при этом переход от шатунной шейки к коренной шейке по внешней стороне щеки выполнен в виде плоскости с углом к оси коленчатого вала около 60° (см. “Автомобили КАМАЗ типа 6х4”, Руководство по эксплуатации 5320-3902004РЭ, М., Машиностроение, 1994, стр.40, рис.29).There is a known crankshaft containing connecting rod journals, root necks and cheeks, while the transition from the connecting rod neck to the root neck on the outside of the cheek is made in the form of a plane with an angle to the axis of the crankshaft of about 60 ° (see “KAMAZ 6x4 vehicles”, Manual manual 5320-3902004RE, M., Engineering, 1994, p. 40, Fig. 29).
Недостатком этого коленчатого вала является наличие в переходе от шатунной шейки к коренной шейки по внешней стороне щеки материала, который практически не нагружен. Это приводит к утяжелению коленчатого вала, а, следовательно, и всего двигателя, повышенному расходу материала и к ухудшению балансируемости коленчатого вала.The disadvantage of this crankshaft is the presence in the transition from the connecting rod neck to the root neck on the outside of the cheek material, which is practically not loaded. This leads to a heavier crankshaft, and, consequently, the entire engine, increased consumption of material and to a deterioration in the balance of the crankshaft.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному техническому решению является цельный коленчатый вал для поршневых двигателей, содержащий шатунную и коренную шейки, соединяющиеся при взаимном перекрытии с помощью щеки, которая утолщается по внешней стороне в направлении от шатунной шейки к коренной до максимальной толщины “a” в зоне перекрытия, при этом степень перекрытия определяется размером “b”. Переход по внешней стороне щеки от шатунной шейки к коренной выполнен по сфере и определяется кривой у=(х/2)n и экспонентом n=loga/2b. Исходной точкой кривой “у” со стороны шатунной шейки является толщина щеки х=2(0,2r)l/n, где r - радиус шатунной шейки, (см. заявку DE №3614722 Al, F 16 С 3/06, опубл. 05.11.87 г.).The closest set of essential features to the claimed technical solution is a one-piece crankshaft for reciprocating engines, containing a connecting rod and root neck connected by mutual overlap with the cheek, which thickens on the outside in the direction from the connecting rod neck to the root to a maximum thickness of “a” in the overlap zone, while the degree of overlap is determined by the size “b”. The transition along the outer side of the cheek from the connecting rod to the main neck is made along the sphere and is determined by the curve y = (x / 2) n and the exponent n = loga / 2b. The starting point of the curve “y” from the side of the connecting rod neck is the thickness of the cheek x = 2 (0.2r) l / n , where r is the radius of the connecting rod neck (see application DE No. 3614722 Al, F 16 C 3/06, publ. 11/05/87).
Недостатком известного коленчатого вала является его ослабление в наиболее нагруженном сечении, проходящем через центры галтелей шатунной и коренной шейки перпендикулярно плоскости кривошипа.A disadvantage of the known crankshaft is its weakening in the most loaded section, passing through the centers of the fillets of the connecting rod and root neck perpendicular to the plane of the crank.
Была поставлена задача увеличить прочность коленчатого вала, обеспечив при этом уменьшение его массы и улучшение балансировки.The task was to increase the strength of the crankshaft, while ensuring a decrease in its mass and improved balancing.
Поставленная задача решается за счет того, что в коленчатом валу двигателя внутреннего сгорания, содержащем шатунные шейки, коренные шейки и соединяющие их щеки с переходом от шатунной к коренной шейке по внешней стороне щеки, выполненным по сфере, в средней части сферическая поверхность перехода сопряжена в сторону коренной шейки по радиусу с двумя плоскостями, пересечение которых находится в плоскости кривошипа на оси шатунной шейки, а угол их наклона α в плоскости, перпендикулярной плоскости кривошипа, определяется по формулеThe problem is solved due to the fact that in the crankshaft of an internal combustion engine containing connecting rod journals, root necks and connecting their cheeks with the transition from the connecting rod to the root neck along the outer side of the cheek, made on a sphere, in the middle part the spherical transition surface is conjugated to the side of the radical neck along the radius with two planes, the intersection of which is in the plane of the crank on the axis of the connecting rod neck, and their angle of inclination α in the plane perpendicular to the plane of the crank is determined by the formula
α°=90°-arctg(Rкр-Rк.ш)/(В/2),α ° = 90 ° -arctg (R cr -R c.sh ) / (B / 2),
где Rкр - радиус кривошипа коленчатого вала;where R cr - the radius of the crankshaft;
Rк.ш - радиус коренной шейки;R K.Sh - radius of the radical neck;
В - ширина щеки.B is the width of the cheek.
Анализ известных технических решений по научно-технической и патентной документации показал, что совокупность существенных признаков заявляемого решения ранее не были известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности “новизна”.Analysis of known technical solutions for scientific, technical and patent documentation showed that the set of essential features of the proposed solution were not previously known, therefore, it meets the patentability condition of “novelty”.
Заявленное техническое решение является неочевидным для квалифицированных специалистов в данной области, так как оно разрешило, казалось бы, неразрешимое противоречие, а именноThe claimed technical solution is not obvious to qualified specialists in this field, since it resolved a seemingly insoluble contradiction, namely
- с одной стороны, для уменьшения массы и улучшения балансируемости коленчатого вала необходимо убирать материал на переходе от шатунной шейки к коренной шейки по внешней стороне щеки, с другой стороны, удаление материала может привести к снижению прочности и жесткости коленчатого вала, что недопустимо. Выполнение же перехода от шатунной шейки к коренной шейки по сфере с последующим сопряжением ее в сторону коренной шейки по радиусу с двумя плоскостями, пересечение которых находится в плоскости кривошипа на оси шатунной шейки, а угол их наклона α в плоскости, перпендикулярной плоскости кривошипа определяется по формуле- on the one hand, to reduce the mass and improve the balance of the crankshaft, it is necessary to remove material at the transition from the connecting rod neck to the root neck on the outside of the cheek, on the other hand, material removal can lead to a decrease in the strength and rigidity of the crankshaft, which is unacceptable. The transition from the connecting rod neck to the root neck along the sphere is followed by its conjugation towards the root neck along the radius with two planes, the intersection of which is in the plane of the crank on the axis of the connecting rod neck, and their angle of inclination α in the plane perpendicular to the plane of the crank is determined by the formula
α°=90°-arctg(Rкр-Rк.ш)/(В/2),α ° = 90 ° -arctg (R cr -R c.sh ) / (B / 2),
где Rкр - радиус кривошипа коленчатого вала;where R cr - the radius of the crankshaft;
Rк.ш - радиус коренной шейки;R K.Sh - radius of the radical neck;
В - ширина щеки.B is the width of the cheek.
позволило увеличить прочность коленчатого вала с одновременным уменьшением его массы и улучшением балансируемости, и таким образом разрешило вышеуказанное противоречие, что является доказательством соответствия заявленного решения критерию “изобретательский уровень”. Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображен фрагмент кривошипа коленчатого вала ДВС; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.allowed to increase the strength of the crankshaft with a simultaneous decrease in its mass and improved balance, and thus resolved the above contradiction, which is evidence of the conformity of the claimed solution to the criterion of "inventive step". The claimed technical solution is illustrated by drawings, where figure 1 shows a fragment of the crank of the crankshaft of the internal combustion engine; figure 2 is a section aa in figure 1.
Кривошип коленчатого вала содержит коренную шейку 1, шатунную шейку 2, щеку 3, галтели 4 на коренной шейке и галтели 5 на шатунной шейке. Переход щеки 3 от шатунной шейки 2 к коренной шейке 1 по внешней стороне в средней части выполнен в виде сферы 6, радиусом Rcф., которая сопрягается радиусом г с двумя плоскостями Ф-Ф и N-N, линия пересечения которых находится на оси 7 шатунной шейки 2. Плоскость П-П определяет опасное сечение коленчатого вала, проходящее через линию К-К, проведенную через середины галтелей 4 и 5, перпендикулярно плоскости кривошипа. Геометрические характеристики этого сечения (площадь, момент сопротивления кручению и изгибу) при проведении оптимитизации щеки кривошипа должны остаться неизменными, в противном случае резко возрастают напряжения в элементах коленчатого вала, что недопустимо. Введение в состав элементов составляющих конструкцию щеки 3 двух плоскостей с линией пересечения на оси 7 и углом наклона α к плоскости кривошипа решает эту задачу. При этом оптимальным считается угол, при котором точки Т1 и Т2 пересечения плоскости П-П с плоскостями Ф-Ф и N-N находятся на грани щеки 3 по торцу 8, обращенному к коренной шейке 1 и определяемому максимальным размером В по ширине щеки 3. Исходя из этого, оптимальный угол определяется по формулеThe crankshaft crank contains a root neck 1, a connecting rod neck 2, a cheek 3, a fillet 4 on a root neck and a
α°=90°-arctg(Rкр-Rк.ш)/(В/2),α ° = 90 ° -arctg (R cr - Rc.sh ) / (B / 2),
где Rкр - радиус кривошипа коленчатого вала;where R cr - the radius of the crankshaft;
Rк.ш - радиус коренной шейки;R K.Sh - radius of the radical neck;
В - ширина щеки.B is the width of the cheek.
Конструкция заявляемого коленчатого вала была проверена на примере коленчатого вала двигателя автомобиля КАМАЗ, имеющего следующие параметрыThe design of the inventive crankshaft was tested on the example of the crankshaft of the engine of a KAMAZ automobile having the following parameters
Rкр.=60 мм - радиус кривошипа коленчатого вала;R cr = 60 mm - radius of the crank of the crankshaft;
Rк.ш=47,5 мм - радиус коренной шейки;R K.sh = 47.5 mm - radius of the radical neck;
В=130 - ширина щеки.B = 130 is the width of the cheek.
Угол α, определяемый по формулеThe angle α determined by the formula
α°=90°-arctg(Rкр-Rк.ш)/(В/2),α ° = 90 ° -arctg (R cr -R c.sh ) / (B / 2),
при данных параметрах равен 79°.with these parameters it is equal to 79 °.
Исследования проводились с помощью метода конечных элементов с уточнением результата при проведении усталостных безмоторных испытаний натурных коленчатых валов. Начальным этапом этой работы явилась разработка электронной модели коленчатого вала с использованием пакета объемного параметрического моделирования "CADDS-5". Далее проводился расчет модели, при этом с целью ускорения получения результатов использовалась разрезная схема - электронная модель отдельного колена. Расчет проводился в среде “ANSYS”, v.5.4 методом конечных элементов. В качестве основного было принято нагружение колена совместной нагрузкой - изгиб с кручением.The studies were carried out using the finite element method with the refinement of the result when conducting fatigue-free engine tests of natural crankshafts. The initial stage of this work was the development of an electronic model of the crankshaft using the CADDS-5 volumetric parametric modeling package. Next, the model was calculated, and in order to accelerate the results, a split circuit was used - an electronic model of an individual knee. The calculation was carried out in the ANSYS, v.5.4 environment using the finite element method. As the main loading of the knee was taken joint load - bending with torsion.
Результаты расчета сведены в таблице, в которой представленыThe calculation results are summarized in the table in which
1. - кривошип с облегчением по щекам, выполненным по сферической поверхности и отсутствием дополнительных элементов в виде плоскостей со стороны коренной шейки (α°=0);1. - a crank with relief on the cheeks made on a spherical surface and the absence of additional elements in the form of planes from the side of the root neck (α ° = 0);
2. - кривошип, выполненный в соответствии с заявляемым техническим решением (α°=79°);2. - a crank made in accordance with the claimed technical solution (α ° = 79 °);
3. - кривошип, выполненный с облегчением по щекам со сферической поверхностью и наличием дополнительных элементов в виде плоскостей со стороны коренной шейки с углом их наклона α°, равным 90°.3. - a crank, made with relief on the cheeks with a spherical surface and the presence of additional elements in the form of planes from the side of the main neck with their angle of inclination α ° equal to 90 °.
4. - кривошип серийного коленчатого вала, в котором переход от шатунной шейки к коренной по внешней стороне щеки выполнен в виде плоскости с углом наклона к оси коленчатого вала около 60°.4. - the crank of the serial crankshaft, in which the transition from the connecting rod to the main shaft on the outside of the cheek is made in the form of a plane with an angle of inclination to the axis of the crankshaft of about 60 °.
Анализ показывает, что максимальные по величине напряжения возникают в районах галтелей шатунной и коренной шеек в плоскости П-П и их величины различны при различном конструктивном исполнении щек шатунных шеек.The analysis shows that the maximum stresses occur in the regions of the fillet of the connecting rod and root neck in the P-P plane and their values are different for different design of the connecting rod journal cheeks.
Наиболее нагружен кривошип по п.1 (α=0°). Кривошипы по п.2 (α=79°), п.3 (α=90°) и п.4 (серийный коленчатый вал) по величинам максимальных напряжений, геометрическим характеристикам опасного сечения в плоскости П-П практически одинаковы, но при этом масса кривошипа уменьшена на 12,8% и 10,1%. Таким образом, оптимальной является конструкция с α=79°, где величина напряжения в опасном сечении практически одинакова с серийной конструкцией, но имеется снижение массы на 12,8%. Данный результат был подтвержден проведенными усталостными испытаниями, которые показали одинаковые значения запаса прочности как у серийного коленчатого вала, так и у коленчатого вала, выполненного в соответствии с заявляемым техническим решением.The most loaded crank according to claim 1 (α = 0 °). Cranks according to claim 2 (α = 79 °), claim 3 (α = 90 °) and claim 4 (serial crankshaft) in terms of maximum stresses, geometric characteristics of the dangerous section in the PP plane are almost identical, but at the same time crank mass reduced by 12.8% and 10.1%. Thus, the design with α = 79 ° is optimal, where the voltage in the hazardous section is almost the same as the serial design, but there is a weight reduction of 12.8%. This result was confirmed by fatigue tests, which showed the same values of safety margin for both a serial crankshaft and a crankshaft made in accordance with the claimed technical solution.
Использование заявляемой конструкции коленчатого вала в ОАО “КамАЗ” позволит уменьшить вес готовой детали на 2 кг, сохранив при этом прочность коленчатого вала и практически исключить ручной труд при проведении операции балансировки коленчатого вала в условиях работы автоматической линии.Using the inventive design of the crankshaft at KamAZ will reduce the weight of the finished part by 2 kg, while maintaining the strength of the crankshaft and virtually eliminate manual labor during the operation of balancing the crankshaft in an automatic line.
Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости и возможно для реализации на стандартном технологическом оборудовании с использованием современных технологий.The claimed technical solution meets the requirement of industrial applicability and is possible for implementation on standard technological equipment using modern technologies.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003118997A RU2238445C1 (en) | 2003-06-24 | 2003-06-24 | Crankshaft for internal combustion engine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003118997A RU2238445C1 (en) | 2003-06-24 | 2003-06-24 | Crankshaft for internal combustion engine |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2238445C1 true RU2238445C1 (en) | 2004-10-20 |
| RU2003118997A RU2003118997A (en) | 2004-12-20 |
Family
ID=33538131
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003118997A RU2238445C1 (en) | 2003-06-24 | 2003-06-24 | Crankshaft for internal combustion engine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2238445C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0199907A1 (en) * | 1985-04-11 | 1986-11-05 | GebràDer Sulzer Aktiengesellschaft | Crankshaft for an internal-combustion piston engine |
| DE3541903A1 (en) * | 1985-11-27 | 1987-03-19 | Daimler Benz Ag | Crankshaft of an internal combustion engine with cylinders arranged in a V shape |
| RU2001321C1 (en) * | 1991-06-28 | 1993-10-15 | Тавлыбаев Фасхегпин Низаметдинович Тавлыбаев Эдуард Фасхетдинович | Crankshaft for internal combustion engine |
| RU2025582C1 (en) * | 1990-10-29 | 1994-12-30 | Др.инж.Х.Ц.Ф. Порше АГ | Crankshaft for internal combustion engine |
| WO2003016729A1 (en) * | 2001-08-16 | 2003-02-27 | Daimlerchrysler Ag | Lightweight crankshaft |
-
2003
- 2003-06-24 RU RU2003118997A patent/RU2238445C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0199907A1 (en) * | 1985-04-11 | 1986-11-05 | GebràDer Sulzer Aktiengesellschaft | Crankshaft for an internal-combustion piston engine |
| DE3541903A1 (en) * | 1985-11-27 | 1987-03-19 | Daimler Benz Ag | Crankshaft of an internal combustion engine with cylinders arranged in a V shape |
| RU2025582C1 (en) * | 1990-10-29 | 1994-12-30 | Др.инж.Х.Ц.Ф. Порше АГ | Crankshaft for internal combustion engine |
| RU2001321C1 (en) * | 1991-06-28 | 1993-10-15 | Тавлыбаев Фасхегпин Низаметдинович Тавлыбаев Эдуард Фасхетдинович | Crankshaft for internal combustion engine |
| WO2003016729A1 (en) * | 2001-08-16 | 2003-02-27 | Daimlerchrysler Ag | Lightweight crankshaft |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10066699B2 (en) | Crankshaft | |
| CN105102832A (en) | Selectively strengthened crankshaft | |
| KR920006622B1 (en) | Low-vibration crankshaft for engine | |
| US3978828A (en) | V-Type internal combustion engine | |
| EP3171044B1 (en) | Crankshaft for reciprocating engine, and design method thereof | |
| RU2238445C1 (en) | Crankshaft for internal combustion engine | |
| EP3059460A1 (en) | Crankshaft for reciprocating engine | |
| JP3890558B2 (en) | Crankshaft and engine | |
| EP3171045A1 (en) | Crank shaft for reciprocating engine | |
| CN109322903B (en) | Balance weight and crankshaft comprising same | |
| Ramesh et al. | Analysis and optimization of connecting rod with different materials | |
| EP1130281A3 (en) | Balance shaft for combustion engine | |
| KR100941204B1 (en) | A crankshaft for a ?-type internal combustion engine | |
| JP6795018B2 (en) | Reciprocating engine crankshaft | |
| JP6945480B2 (en) | How to set the mass of the crankshaft and the counterweight of the crankshaft | |
| CN107709803B (en) | Crankshaft of reciprocating engine | |
| KR100412558B1 (en) | Crank shaft balancing device for V8 engine | |
| CN114810796B (en) | crankshaft | |
| JP3975568B2 (en) | Main motion system parts structure of inline 4-cylinder internal combustion engine | |
| EP0994273A3 (en) | Balancing shaft for internal combustion engines | |
| JP2020190212A (en) | Crankshaft balance adjustment method | |
| Keralapura Basavaraju | CAE ANALYSIS ON A FORD ECOBOOST MUSTANG CONNECTING ROD FOR FORGED STEEL, ALUMINUM 7075 | |
| SU1157094A1 (en) | Method of local surface hardening of crankshafts | |
| Mosaad et al. | A New Approach for Marine Propulsion Shafting Design | |
| Seong-Youn | The development of the new type Crankshaft in the V6 engine |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Effective date: 20090625 |
|
| QZ4A | Changes in the licence of a patent |
Effective date: 20090625 |
|
| QZ4A | Changes in the licence of a patent |
Effective date: 20090625 |
|
| QC41 | Official registration of the termination of the licence agreement or other agreements on the disposal of an exclusive right |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20090625 Effective date: 20111122 |