Подшипник скольжения двигателя внутреннего сгорания

(51) 01 9/12 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ Благодаря графитовому заполнению углублений во вкладышах, высокой теплопроводности меди и высокой температуре ее плавления, из которой выполнены вкладыши, возрастает стойкость подшипника, особенно при кратковременных перегрузках подшипника радиальными силами в момент сгорания топлива в цилиндре, а также при нагреве масла или кратковременном уменьшении его подачи в скользящий контакт подшипника, а также при потере маслом смазывающих свойств, т.е. в нештатных режимах работы подшипника. Графитовое заполнение углублений во вкладышах обеспечивает создание графитового микроскопического слоя на скользящей поверхности подшипника, а также его постоянную регенерацию после преодоления перегрузок. За счет такой конструкции подшипник приобретает, повышенную стойкость к нештатным моментам его работы, увеличивается его ресурс. Подшипник выполняется по обычным технологиям машиностроения без привлечения специализированных производств,например,порошковой металлургии. Увеличение стоимости подшипника компенсируется его большей стойкостью к преодолению нештатных режимов работы и продолжительным ресурсом его работы.(72) Надиров Надир Каримович Некрасов Вадим Георгиевич Куанышев Мурат Кулынтаевич(73) Актюбинский Государственный Университет им. К. Жубанова Министерство образования и науки Республики Казахстан(56) Карагельский И.В. Трение и износ. М. Машиностроение, 1968 Коровчинский М.В. Теоретические основы работы подшипников скольжения. М. Машиностроение, 1959(54) ПОДШИПНИК СКОЛЬЖЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ(57) Изобретение относится к области подшипников для двигателей внутреннего сгорания. Для увеличения стойкости и ресурса подшипников вала двигателя и кривошипов механизмов преобразования энергии, которые работают при резко переменных нагрузках с возникновением ударных сил при сгорании топлива в цилиндрах, предложен скользящий подшипник, в котором вкладыши, воспринимающие нагрузку от вала, выполняются из меди. На скользящей поверхности вкладышей выполняются углубления на величину 70-80 толщины вкладыша, которые заполняются твердеющей пастой, содержащей графит на связующем из жидкого стекла. 21802 Изобретение относится к области подшипников валов и кривошипов двигателей внутреннего сгорания. В современном машиностроении широко используются подшипники качения (шариковые,роликовые цилиндрические и конические,игольчатые). Промышленность производит широкий ассортимент подшипников качения, используемых в машинах, применяемых в различных отраслях техники. Но в подшипниках качения контакт тел качения с опорными поверхностями имеет существенно меньшую площадь контакта, чем вся площадь подшипника. Поэтому подшипники качения имеют ограничения по восприятию радиальных нагрузок. Подшипники кривошипно-шатунного механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала в двигателях внутреннего сгорания(ДВС) испытывают резко переменные нагрузки вплоть до ударных, которые проявляются в момент сгорания топлива в цилиндрах. По этой причине в кривошипно-шатунных механизмах ДВС подшипники качения применяются только на маломощных двигателях, преимущественно, для мотоциклов 1, 2. В автомобильных двигателях,имеющих большие мощности и предназначенные для длительного срока эксплуатации, как правило,используются подшипники скольжения, имеющие существенно большую опорную поверхность при ограниченных габаритах 3. Для снижения трения скольжения применяются подшипники скольжения, представляющие собой сочетание шлифованного и имеющего высокую твердость вращающегося цилиндрического элемента (шейки вала из легированного чугуна или стали, закаленные токами высокой частоты или другими методами упрочнения) и опорную поверхность в виде обоймы из мягкого материала,например, из баббита (сплав на основе свинца и олова), свинцовой бронзы 3 или других сплавов. Подшипники скольжения ДВС работают при смазке под давлением. А для снижения трения опорные поверхности подшипника часто покрывается тонким слоем антифрикционных материала, например,применяются свинцово-индиевое покрытие 4. Для упрощения ремонта механизмов опорные поверхности подшипников выполняются со сменными вкладышами,имеющими мягкий материал только в виде тонкого слоя опорной поверхности, с антифрикционным покрытием. В частности широко используются биметаллические вкладыши, т.е. представляющие собой стальную ленту с покрытием опорной поверхности сплавом с низким коэффициентом трения и высокой прирабатываемостью 4-7. В частности, в современном двигателестроении стран СНГ применяются вкладыши, представляющие собой стальную дугу, на которую нанесен сплав антифрикционного материала в виде сплава алюминия с высоким содержанием олова, которые производятся в массовом количестве для двигателей внутреннего сгорания различных модификаций,2 производимых практически всеми заводами стран СНГ. Известным решением,близким к рассматриваемому, является широко используемая конструкция серийных подшипников, повсеместно используемых в современном двигателестроении, в которых используются сталеалюминиевые вкладыши с опорной поверхностью из алюминиевого сплава с большим содержанием олова, (сплавы АСС-6-5, , , -2,5) 3, 8. Такие подшипники в настоящее время широко используются в ДВС в автомобилестроении 4,5,6,а также в тракторных двигателях 7, они обеспечивают низкое сопротивление трению при вращении вала при нормальной работе двигателя и при нормальном функционировании системы смазки. Нарушение работы подшипника происходит по следующим причинам - радиальной перегрузке подшипника,превышающей его расчетное допустимое усилие, при прекращение подачи масла или потере маслом смазывающих свойств за счет перегрева масла или разложении его при длительной эксплуатации без замены при длительном контакте масла с горячими поверхностями ДВС. В таком случае происходит разрушение масляной пленки, возникает полусухое или даже сухое трение, разогрев трущихся поверхностей до температуры выше плавления металла (сплава) опорной поверхности подшипника,прихватка контактирующих поверхностей между собой (по аналогии со сваркой трением, только в микрозоне), вырыв сварившегося металла, задир скользящей поверхности и полное разрушение подшипника. Подшипники трения рассчитывают по удельному давлению и скорости скольжения 9,11. Однако этих параметров недостаточно для оценки работоспособности подшипников скольжения. Учитывая, что нарушение работы подшипников происходит за счет недостаточного отвода тепла при повышении температуры в локальных зонах скользящей поверхности выше температуры плавления материала одного из контактирующих поверхностей (обычно, это опорная поверхность вкладыша), стойкость подшипника можно оценить по произведению теплопроводности металла опорной поверхности и температуре его плавления. Так, для баббита эта величина составляет 9385. Для отмеченных выше подшипников с алюминиевой поверхностью скольжения эта величина имеет значение 134945. Отсюда видно, что алюминиевый подшипник имеет стойкость более чем в 14 раз более высокую, чем баббитовые подшипники. Это показывает,почему в современном двигателестроении баббитовые подшипники полностью вытеснены алюминиевыми подшипниками. Известно применение графита в качестве опорной поверхности пары скольжения. Графит обладает высокой температурой разрушения кристаллической структуры (более 2000 С), имеет высокую теплопроводность, за счет чешуйчатой 21802 структуры кристаллов он имеет низкий коэффициент трения 9. Подшипники из графита требуют специальной технологии изготовления,поэтому применение их в массовом машиностроении ограничено. Наиболее близким решением является применение в скользящих узлах деталей из композитного материала на основе меди, бронзы или железа с использованием графита 8, 9. Промышленностью на основе порошковой металлургии производятся композитные материалы с содержанием графита около 5 с матрицей из меди, бронзы или железа. В современном двигателестроении используются втулки клапанов в системе газораспределения ДВС, выполненные из железо-графитового материала, втулки работают в условиях повышенной температуры и с применением жидкой смазки. Стартерные двигатели ДВС выполняются с подшипниками из бронзографитового материала, они работают при консистентной смазке. Работа композитных материалов с применением графита основана на том, что при работе такого подшипника на поверхности опорных деталей кроме слоя смазки создается слой из чешуйчатого графита,исключающего контакт металлических поверхностей и снижающих трение даже при кратковременных перегрузках подшипников или нарушениях их смазки. Подшипники с использованием композитных материалов, содержащих графит, применяются с использованием общих требований для скользящих подшипников 9,11, а именно, скользящая поверхность образована шейкой вала и опорной поверхностью вкладыша, вал должен иметь шлифованную шейку и высокую твердость материала шейки,в корпусе подшипника размещаются вкладыши, имеющую опорную поверхность со слоем композитного материала, на скользящей поверхности которого имеются отверстия для подвода масла и каналы для распределения жидкой смазки по поверхности скольжения. Ограничением в применении подшипников с использованием композитных материалов является необходимость привлечения для их изготовления специальной отрасли промышленности порошковой металлургии. Технически это имеет положительный эффект, но технологически и организационно такая технология усложнят изготовление таких подшипников, увеличивает их стоимость. Техническая задача, которая ставится в настоящем случае, заключается в дальнейшем повышении стойкости подшипников ДВС и увеличения их ресурса, решаемая по технологиям,доступным для применения на предприятиях машиностроения и ремонтных предприятиях с обычной технологией. Технический результат достигается тем, что в качестве контактирующих поверхностей применяются материалы, во-первых, обладающие более высокой температурой плавления. Во-вторых, материал опорной поверхности подбирается с учетом более высокого коэффициента теплопроводности. В-третьих, применяются меры,исключающие при работе подшипника контакт металлических поверхностей вала и опорной поверхности. При этом все операции по изготовлению подшипников производятся на машиностроительных или ремонтных предприятиях с использованием обычных технологий машиностроения. Новым является применение комплекса мероприятий,используемых в конструкции подшипника скольжения. Они включают следующие. Опорная поверхность подшипника выполняется в виде вкладыша, выполненного из меди. Поверхность вкладыша в области,воспринимающей нагрузку от вала, имеет углубления малого диаметра,заполненные твердеющей пастой, содержащей графит. Предложение поясняется рисунком. На рисунке показано 1 - корпус подшипника (из двух разъемных половин), 2 - шейка вала, 3 - канал для подведения масла к скользящей поверхности, 4 вкладыши подшипника, 5 - канал для распределения масла, 6 - углубления во вкладыше, заполненные твердеющей пастой, содержащей графит. Подшипник выполняется следующим образом. В корпусе подшипника 1, состоящем из двух половин,имеются вкладыши 4, на которые опирается шейка вала 2. Шейка вала имеет высокую твердость,получаемую по известным технологиям(легированный чугун, закалка стальных валов токами высокой частоты,насыщение поверхностного слоя шейки стального валя углеродом,азотом и т.п.),освоенными промышленностью. Для подведения в скользящий контакт масла имеется канал 3 - в валу или корпусе подшипника, в зависимости от того, неподвижный корпус (коренные подшипники коленчатого вала) или он движущийся (нижний подшипник шатуна). На скользящей поверхности вкладыша имеются канавки для распределения масла 5. Опорная поверхность вкладыша имеет углубления 6(сверления на глубину 7080 от толщины вкладыша), заполненные твердеющей пастой,содержащей графит. Паста представляет собой смесь порошка графита с жидким стеклом, которая в пастообразном виде наносится на поверхность вкладыша для заполнения углублений 6, которая при сушке затвердевает. Изготовление вкладышей с выполнением углублений для графитового заполнения производится сверлением (малые объемы производства),а при массовом производстве - по технологии сверления на заданную глубину на станках с программным управлением или штамповки медной ленты. Рассмотренный подшипник выполняется по машиностроительным технологиям без привлечения специализированных производств, в частности,предприятий порошковой металлургии. Отличительной особенностью рассматриваемого подшипника является следующее. Вкладыш подшипника (или его опорная поверхность) 3 21802 выполняется из меди. Во вкладыше на скользящей поверхности имеются углубления, заполненные затвердевшей пастой, содержащей графит. Подшипник работает следующим образом. При нормальной работе в скользящий контакт между валом 2 и вкладышами 4, расположенными в корпусе 1, по каналу 3 подается масло. Для смазываемых поверхностей коэффициент трения независимо от материала скользящих поверхностей составляет 0,070,08. За счет наличия графита в углублениях вкладыша, вся скользящая поверхность вкладышей имеет микроскопический слой из чешуйчатого графита. Наличие полостей во вкладыше, заполненных затвердевшей графитовой пастой не снижет несущей способности подшипника, так как полости с графитовой пастой не сквозные, а графит передает давление от вала на всю поверхность вкладыша. При кратковременной перегрузке подшипника,что может происходить в момент сгорания топлива в цилиндре ДВС и появлении давления сгорания,возможно разрушение масляной пленки и возникновение полусухого или сухого трение вала о вкладыши. Однако оно не приведет к резкому увеличению трения,нагреву скользящих поверхностей и их прихватке. Это происходит потому, что поверхность вкладышей имеет микрослой графита и металлического контакта между валом и вкладышем даже в этом случае не возникает. Коэффициент сухого трения графита по металлической поверхности равен 0,20 (а при полусухом трении, соответственно, менее этой величины). Кроме того, при возникновении сухого трения (даже без учета наличия слоя графита на поверхности вкладышей) высокая теплопроводность меди обеспечивает отвод тепла от места контакта и исключит повышение температуры выше температуры плавления металла вкладышей. Произведение коэффициента теплопроводности меди на температуру ее плавления составляет 347643, что в 2,5 раза превышает такой параметр для подшипников с алюминиевой поверхностью скольжения (а с учетом эвтектики в алюминиевооловянном сплаве опорной поверхности стандартного подшипника и применении чистой меди в подшипнике этот параметр для рассматриваемой конструкции подшипников может быть еще больше). При работе подшипника в нормальном режиме работы без перегрузок большого износа вкладышей не происходит ввиду работы подшипника в режиме жидкостного трения. Износ возможен только при нарушениях режима работы подшипника, в частности, при перегрузках двигателя или нарушении режима его смазки. Рассмотрение работы подшипника в нештатных ситуациях,рассмотренное выше, показало, что и при таких кратковременных отклонениях от нормального режима работы двигателя разрушения подшипника не происходит. Даже при некотором износе скользящей поверхности вкладышей графитовый слой на его поверхности будет постоянно 4 регенерироваться,обеспечивая исключение металлического контакта вала и вкладышей. Эффект от применения рассмотренного подшипника заключается в следующем. В условиях нормальной работы при отсутствии перегрузки и нормальных условиях смазки работа подшипника не отличается от работы известных и используемых в настоящее время подшипников скольжения. Но данный подшипник отличается большей стойкостью при возникновении нарушений работы подшипника. Его перегрузка (до определенной величины перегрузки), либо кратковременное нарушение смазки не приводит к разрушению подшипника и выходу всего агрегата из строя. Подшипник позволяет преодолевать некоторые перегрузки или ограниченные по времени нарушение работы системы смазки,при этом остается в работоспособном состоянии. Его несущая способность в процессе работы постоянно регенерируется за счет восстановления графитового слоя. Это увеличивает межремонтный периода и общий ресурс двигателя. Отмеченные изменения конструкции подшипника, в частности, применение меди вместо алюминия, выполнение наполнения опорной поверхности графитом, требующие дополнительных затрат, окупаются увеличением надежности, уменьшением периодичности ремонта и увеличением ресурса двигателя. Источники информации 1. Иваницкий С.Ю., Карманов Б.С., Рогожин В.В.,Волков А.Т. Мотоцикл теория, конструкция, расчет. М. Машиностроение,1971 2. Бекман В.В. Гоночные мотоциклы. Л. Машиностроение, 1975. 1. Автомобиль (основы конструкции). Под редакцией А.Н. Островцева. М. Машиностроение, 1976. 2. Автомобиль Москвич-2140. Под редакцией И. К. Чарнацкого. М. Машиностроение, 1982. 3. Вершигора В.А., Игнатов А.П., Новокшенов К.В.,Пятков К.Б. Автомобили Ока ВАЗ-1111 -11113. М. Транспорт, 1992. 4. Фучаджи К.С, Стрюк Н.Н. Автомобиль ЗАЗ-1102 Таврия. М. Транспорт, 1991. 5. Тракторы Беларусь МТЗ-80 Х. Минск,Ураджай, 1976. 6. Спеченные материалы для электротехники и электроники. Справочник Под ред. Г.Г. Гнесина. М. Металлургия, 1981. 7. Гаркунов Д.Н. Триботехника. М. Машиностроение. 1989. 8. Крагельский И.В. Трение и износ. М. Машиностроение, 1968. 9. Коровчинский М.В. Теоретические основы работы подшипников скольжения. М. Машиностроение,1959. 10. Иванов М.И. Детали машин. М. Высшая школа 1984.-336 с. 11. Чернавский С.А. Подшипники скольжения. М.,1963 21802 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Подшипник скольжения двигателя внутреннего сгорания,служат опорами для валов и вращающихся осей, воспринимая радиальные и осевые нагрузки, приложенные к валу, и сохраняют заданное положение оси вала, имеющие опорную поверхность из материала с низким коэффициентом трения, в корпусе подшипника имеются отверстия для подачи масла, а на поверхности вкладышей имеются каналы для распределения масла по скользящей поверхности, отличающийся тем, что вкладыши выполняются из меди, на опорной поверхности вкладышей выполняются углубления на 7080 толщины вкладыша, которые заполнены твердеющей пастой из графита на связующем,например, из жидкого стекла.