Комбинированное полое тело вращения и способ его изготовления

 

Использование: в машиностроении для восприятия крутящих моментов и/или растягивающих, сжимающих или изгибающих усилий. Тело содержит наружный и внутренний (опорный) слои материала. Внутренний слой нагружен в радиальном направлении, наружный - равномерно по окружности в осевом направлении. Предел текучести материала внутреннего слоя меньше, чем предел текучести материала наружного слоя. Внутренний слой может содержать промежуточные опорные элементы. Тело может быть выполнено в виде коленчатого, приводного или кулачкового вала. При изготовлении создают радиальное давление во внутреннем слое в области пластических деформаций по всей его длине и равномерное по окружности предварительное растягивающее напряжение наружного слоя. 2 с. и. 7 з. п. ф - лы, 4 ил.

Изобретение относится к машиностроению и касается конструкции и способа изготовления комбинированного полого тела для восприятия крутящих моментов и/или растягивающих, сжимающих или изгибающих усилий.

Известно комбинированное полое тело, в котором армированный цилиндр установлен на отрезке трубы так, что в отрезке трубы остается предварительное сжимающее напряжение, а в армированном цилиндре - предварительное растягивающее напряжение. Армированный цилиндр при этом состоит преимущественно из волокнистого комбинированного материала и установка друг в друге обеих частей становится возможна посредством упругой деформации путем расширения армированного тела и радиального сжатия трубного тела, причем при установке осуществляется соединение с силовым замыканием [1] .

Цель изобретения - изготовить различные элементы в форме комбинированных полых тел, которые отличаются при легкой конструкции высокой прочностью и при этом могут быть легко изготовлены.

Для этого в наружном слое материала посредством воспринимающего давления в радиальном направлении внутреннего опорного средства в основном по всей длине преобладает равномерное по окружности предварительное растягивающее напряжение. Соответственно распределению толщины стенки и величины местного напряжения сжатия или временной последовательности напряжения сжатия отдельных осевых участков предусмотрено, что в наружном слое материала преобладает при известных условиях одновременно равномерное по оси или неравномерное предварительное сжимающее напряжение.

Прилегающий по окружности к наружному слою пластически расширенный внутренний слой из материала с меньшим пределом текучести образует опорное средство. Благодаря этому расширению можно получить просто изготавливаемые полые тела, которые благодаря внутреннему предварительному напряжению имеют повышенную жесткость в отношении изгибающей и скручивающей нагрузки, как это, например, имеет место в коленчатых валах, приводных валах или кулачковых валах. Посредством соответствующего взаимного согласования пределов текучести материалов может достигаться желаемое напряженное состояние известным способом благодаря внутреннему напряжению сжатия.

По второму варианту осуществления предусмотрено, что несколько прилегающих к наружному слою частично по окружности пластически расширенных кольцевых или втулочных тел из материала с меньшим пределом текучести, в частности в соединении с промежуточными наполнителями, образуют опорные средства. Изготавливаемые при этом тела являются подходящими для случаев применения, при которых поперечное сечение полого тела не круглое, причем предпочтительный пример следует усматривать в шатунах. При этом несколько круглых втулок вставляется в одно задающее внешний контур тело, которые затем пластически расширяются с помощью известных средств. Находящиеся между наружным слоем и внутренними втулками промежуточные слои должны быть дополнены несколькими наполнителями, которые имеют скользящие стыки между собой с углом в направлении силы упругой отдачи, который обуславливает самоторможение, в каждом случае самые крайние противоположные втулки могут найти применение в качестве головок шатуна.

Этим самым получается при расширении сравнительно малое усилие для деформирования опорного средства и после расширения очень большое опорное усилие. Также здесь в задающем наружный контур слое возникает равномерное растягивающее предварительное напряжение, в то время как внутренние втулки находятся под сжимающим предварительным напряжением. Предварительно напряженный материал полого тела проявляет при легкой конструкции высокую стабильность формы.

В качестве предпочтительных материалов для наружного слоя подходят материалы с высоким пределом прочности при растяжении и высоким пределом текучести, например улучшенные стали, пружинные стали, титан или волокнистые комбинированные материалы.

В качестве материалов для внутреннего слоя или втулок, которые должны быть пластически деформируемыми, следует предложить соответственно подобранные конструкционные стали, углеродистые стали или цветные металлы. Наружный и внутренний слои или внутренние втулки могут состоять в каждом случае со своей стороны из нескольких пластов с возрастающей наружу прочностью. Опорные элементы промежуточного слоя должны быть предусмотрены предпочтительно из керамики или жесткого под давлением твердого материала, причем также являются возможным хрупкие материалы. Посредством остаточного предварительного напряжения между наружным и внутренним слоем создается сцепление также между отдельными пластами. Благодаря сцеплению является возможным наружный слой и/или внутренний слой или внутренние втулки собирать из нескольких отдельных осевых участков, причем при наличии стыков во внутреннем и наружном слое последние должны быть смешены по оси достаточно далеко друг от друга. Комбинированное полое тело должно собираться таким образом из коротких втулочных частей.

Толщины стенок комбинированных слоев или показатели прочности составленных по оси из отдельных участков полых тел в продольном направлении могут распределяться по ступеням так, что последовательно воздействуя с разным давлением расширения или одновременно воздействуя с одинаковым давлением расширения получается различное осевое и радиальное предварительное напряжение, причем последнее в отдельных поперечных сечениях в каждом случае является почти равномерным.

Пластическое расширение внутреннего слоя в каждом случае или внутренних втулок должно осуществляться посредством внутренней подачи давления, при этом должен быть предусмотрен зазор для расширения.

Во внутреннем слое или внутренних втулках дополнительные опорные средства могут запрессовываться или формироваться в форме поперечных или им подобных днищ, которые, например, в участке перехода поперечного сечения приводят к повышению радиальной жесткости.

Поддерживаемое в каждом случае во внутреннем и наружном слое предварительное напряжение может получаться также посредством других методов соединений, в частности термических соединений или посредством чистого прессового соединения.

На фиг. 1 показано комбинированное полое тело перед расширением в поперечном сечении; на фиг. 2 - комбинированное полое тело иного сечения перед расширением в поперечном сечении; на фиг. 3 - полое тело, согласно фиг. 1, после расширения в поперечном сечении; на фиг. 4 - полое тело, согласно фиг. 2, после расширения в поперечном сечении.

На фиг. 1 и 3 показано круглое полое тело, которое включает состоящую из нескольких отдельных слоев наружную втулку 1. На расстоянии от нее расположены внутренняя втулка 2, причем между обоими втулками расположены имеющие в радиальном направлении клиновидные поверхности опорные тела 3, 4. Последние при пластической или термической деформации втулки могут перемещаться друг против друга, в то время как при упругой отдаче расширенной втулки 1 они заклиниваются друг относительно друга и тем самым участвуют в сжимающем предварительном напряжении.

На фиг. 1 показана ситуация перед деформацией внутренней втулки 2, причем опорные тела 3, 4 в контактных поверхностях смещены друг относительно друга; на фиг. 3 - после деформации внутренней втулки 2 и радиального смещения опорных тел 3 между опорными телами 4, которые в этой позиции упруго предварительно напряженный наружный слой удерживают на увеличенной опорной окружности в распределенном друг относительно друга положении. Внутренняя втулка 2 может монтироваться после термического охлаждения или при обычном монтаже и последующем пластическом расширении.

На фиг. 2 и 4 показано полое тело иного поперечного сечения с наружным слоем 5 и несколькими вставленными в него круглыми или овальными втулками 6, 7, 8, которые для образования упругого сжимающего предварительного напряжения в наружном слое 5 подвержены внутреннему расширению и пластической деформации. В каждом случае между двух втулок вставлены опорные тела 9-14, обладающие высокой прочностью при сжатии (керамика), которые служат для передачи давления от неприлегающих непосредственно участков втулочного тела на наружный слой 5 и которые при пластической или термической деформации втулок 6, 7, 8 перемещаются друг относительно друга, в то время как при упругой отдаче упруго расширенного слоя 5 они заклиниваются друг относительно друга и тем самым участвуют в сжимающем предварительном напряжении.

На фиг. 2 представлена ситуация перед деформацией внутренних втулок 6, 7, 8, причем опорные тела по их контактным поверхностям смещены попеременно друг относительно друга внутрь и наружу.

На фиг. 4 представлена ситуация после деформации внутренних втулок 6, 7, 8, причем смещенные сначала внутрь опорные тела 10, 13 радиально наружу между другими опорными телами 9, 11, 12, 14 сдвинуты и опорные тела все вместе удерживают наружный слой 5. Внутренние втулки могут монтироваться после термического охлаждения или при ненапряженном монтаже после механического или гидравлического расширения до пластической деформации.

Формула изобретения

1. Комбинированное полое тело вращения для восприятия вращающего момента и/или растягивающих, сжимающих или изгибающих усилий, содержащее наружный и внутренний слои материала, установленные в контакте друг с другом, внутренний слой выполнен нагруженным в радиальном направлении по всей длине, а наружный слой выполнен нагруженным равномерно по окружности предварительным растягивающим напряжением, отличающееся тем, что, с целью упрощения конструкции за счет ее облегчения и упрочнения, внутренний слой выполнен из пластически расширенного материала с пределом текучести, меньшим, чем предел текучести материала наружного слоя, причем наружный и внутренний слои материала в осевом направлении находятся соответственно в предварительно сжатом и растянутом состоянии.

2. Тело вращения по п. 1, отличающееся тем, что во внутренний слой материала заформованы промежуточные опорные элементы.

3. Тело вращения по п. 1, отличающееся тем, что оно выполнено в виде коленчатого вала.

4. Тело вращения по п. 1, отличающееся тем, что оно выполнено в виде приводного вала.

5. Тело вращения по п. 1, отличающееся тем, что оно выполнено в виде кулачкового вала.

6. Способ изготовления комбинированного полого тела вращения, включающий размещение опорного тела с контактом в отверстии наружного тела, создание радиального давления в опорном теле по всей его длине и равномерного по окружности предварительного растягивающего напряжения наружного тела, отличающийся тем, что, с целью упрощения изготовления легких и прочных комбинированных тел, воспринимающих крутящие моменты, растягивающие, сжимающие и изгибающие нагрузки, радиальное давление в опорном теле создают в области пластических деформаций с расширением концевых его участков и жесткого соединения последних с наружным телом, после чего в опорном теле радиальное давление в области пластических деформаций создают на среднем его участке при одновременном расширении последнего, его аксиальном сокращении и создании предварительного сжимающего напряжения в продольном направлении в наружном теле.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что радиальное давление в опорном теле создают посредством внутреннего гидравлического давления.

8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что расширение опорного тела осуществляют изнутри посредством механических средств.

9. Способ по п. 6, отличающийся тем, что создание радиального давления осуществляют посредством предварительного переохлаждения опорного тела и нагрева наружного тела перед установкой одного в другом с последующим выравниванием температур.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4