[go: up one dir, main page]

RU2238445C1 - Crankshaft for internal combustion engine - Google Patents

Crankshaft for internal combustion engine Download PDF

Info

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
Application number
RU2003118997A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2003118997A (en
Inventor
А.П. Сосновский (RU)
А.П. Сосновский
В.И. Ищенко (RU)
В.И. Ищенко
С.М. Леонов (RU)
С.М. Леонов
А.В. Перевертов (RU)
А.В. Перевертов
А.Р. Горейко (RU)
А.Р. Горейко
Р.К. Галиев (RU)
Р.К. Галиев
Original Assignee
Открытое акционерное общество "КАМАЗ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "КАМАЗ" filed Critical Открытое акционерное общество "КАМАЗ"
Priority to RU2003118997A priority Critical patent/RU2238445C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2238445C1 publication Critical patent/RU2238445C1/en
Publication of RU2003118997A publication Critical patent/RU2003118997A/en

Links

Images

Landscapes

  • Shafts, Cranks, Connecting Bars, And Related Bearings (AREA)

Abstract

FIELD: mechanical engineering.
SUBSTANCE: crankshaft has crank pins 2, main journal 1 and webs 3 which go from crank pin to main journal and interconnect them. The spherical surface is conjugated with main journal 1 over the radius with two planes whose intersection is in the plane of the crankpin at axis 7 of the crank pin 2, and their angle of inclination is determined form the formula α=90o-arctg(Rcr-Rcp)/(B/2), where Rcr is the radius of the crank of the crankshaft, Rcp is the radius of the crankpin, and B is the width of the web.
EFFECT: strengthened crankshaft.
2 cl, 1 tbl

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 fillet 5 on a crank neck. The transition of the cheek 3 from the connecting rod neck 2 to the main neck 1 on the outside in the middle part is made in the form of a sphere 6, radius R cf. , which is mated with a radius r with two planes Ф-Ф and NN, the intersection line of which is on the axis 7 of the connecting rod journal 2. The plane П-П determines the dangerous section of the crankshaft passing through the line К-К, drawn through the middle of the fillets 4 and 5, perpendicular to the plane of the crank. The geometric characteristics of this section (area, torsion and bending moment) during optimization of the crank cheeks must remain unchanged, otherwise the voltage in the crankshaft elements increases sharply, which is unacceptable. The introduction of two planes with the intersection line on the axis 7 and the angle of inclination α to the crank plane into the composition of the structure of the cheek 3 3 solves this problem. In this case, the angle is considered optimal at which the points T1 and T2 of the intersection of the П-П plane with the Ф-Ф and NN planes are located on the edge of the cheek 3 along the end 8 facing the root neck 1 and determined by the maximum size B along the width of the cheek 3. Based on of this, the optimal angle is determined by the formula

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.

Figure 00000003
Figure 00000003

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)

Коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания, содержащий шатунные шейки, коренные шейки и соединяющие их щеки с переходом от шатунной к коренной шейке по внешней стороне щеки, выполненным по сфере, отличающийся тем, что 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 формулой:The crankshaft of an internal combustion engine containing connecting rod necks, root necks and connecting cheeks with a transition from the connecting rod to the root neck along the outer side of the cheek, made in a sphere, characterized in that in the middle part the spherical transition surface is conjugated to the side of the radical neck in radius c two planes, the intersection of which is in the plane of the crank on the axis of the crank pin, and the angle of inclination α in the plane perpendicular to the plane of the crank is determined by the formula:
Figure 00000004
Figure 00000004
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.
RU2003118997A 2003-06-24 2003-06-24 Crankshaft for internal combustion engine RU2238445C1 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0199907A1 (en) * 1985-04-11 1986-11-05 GebràœDer 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

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0199907A1 (en) * 1985-04-11 1986-11-05 GebràœDer 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