Туннельный картер

Туннельный картер , туннельный коленчатый вал или коленчатый вал с дисковой перепонкой. ^{[ 1 ]} Это конструктивная особенность поршневого двигателя , в которой коренные подшипники, поддерживающие коленчатый вал внутри картера, имеют наибольший диаметр среди всех частей коленчатого вала и больше, чем шейки кривошипа. Для этого требуется картер с большим туннелем вместо поперечных опор для более узких коренных подшипников, отсюда и название.

Туннельные картеры появились в 1930-е годы вместе с появлением первых высокооборотных дизелей . Некоторые производители предпочитали их больше других, особенно Saurer в Швейцарии. ^{[ 2 ]} и Maybach-Motorenbau GmbH (ныне MTU ) Фридрихсхафен . Их описывают как «туннельные картеры» и « кривошипы с роликовыми подшипниками »; ^{[ 2 ]} эти два аспекта связаны, и неясно, какой из них породил другой.

Происхождение

С разработкой высокоскоростного дизельного двигателя примерно в 1930 году стали доступны мощные дизельные двигатели тех размеров, которые ранее использовались бензиновыми двигателями меньшей мощности. В частности, их высокий BMEP и высокий крутящий момент привели к высоким нагрузкам на подшипники коленчатого вала. Эти силы были больше, чем могли выдержать маленькие подшипники из белого металла, используемые в бензиновых двигателях. Хотя двигатели самолетов и спортивных автомобилей в 1920-х годах развивались так, чтобы иметь значительную мощность в небольшом пространстве, это были машины, требующие регулярного обслуживания. Новые дизели предназначались для длительной коммерческой эксплуатации, где техническое обслуживание было ключевым моментом, требующим сокращения.

Потребность в улучшенной технологии подшипников привела к использованию роликовых подшипников вместо подшипников из белого металла. Хотя сегодня их можно считать эзотерическими, шариковые и роликовые подшипники коленчатого вала уже использовались в 1920-х годах для таких обычных двигателей, как Austin 7 .

Для роликовых подшипников требуются цельные кольца как для внутренних, так и для наружных дорожек подшипника. Хотя сплит-расы возможны, они дороги и сложны в реализации. ^{[ примечание 1 ]} Более простой способ установки роликовых подшипников — увеличить диаметр подшипника так, чтобы он стал больше всей стенки коленчатого вала. Сборка теперь выполняется путем надевания внешнего кольца подшипника на коленчатый вал в осевом направлении с одного конца, а не путем сборки двух частей радиально.

Ранней разработкой стал полутуннельный коленчатый вал. В качестве центральных подшипников использовались большие шариковые или роликовые подшипники туннельного типа, но концевые подшипники (несущие нагрузку от поршней только на одной стороне) остались с подшипниками обычного типа небольшого диаметра. Это снизило стоимость подшипников, а также снизило линейную скорость этих подшипников меньшего размера. Это было важно, поскольку также снижало скорость движения сальников картера рядом с ними.

Коленчатые валы с роликовыми подшипниками пользовались предпочтением в Центральной Европе: Германии, Швейцарии и Чехословакии из-за местного развития и преобладания подшипников качения , в отличие от улучшенной металлургии, развивающейся для материалов подшипников скольжения в англоязычном мире.

Бензиновые двигатели Майбах

Туннельные коленчатые валы редко применялись в бензиновых двигателях . Разработка больших мощных двигателей, выходящих за рамки редких аэрокосмических материалов авиационных двигателей , совпала с разработкой практичных легких дизельных двигателей, которые имели тенденцию вытеснять бензиновые.

Одним из рынков, на котором остался бензин, был рынок двигателей для дирижаблей , рынок, на котором Maybach . доминировал ^{[ 3 ]} Хотя дизельные двигатели были разработаны для использования на дирижаблях, они в целом оказались безуспешными. Британский Beardmore Tornado был основан на среднеоборотных дизельных двигателях и был тяжелым, маломощным и ненадежным. ^{[ 4 ]} Только Maybach широко использовал туннельные коленчатые валы для бензиновых двигателей как в своих двигателях для дирижаблей, так и в ряде танковых двигателей времен Второй мировой войны , таких как Maybach HL210 и HL230 . ^{[ 5 ]} Эти двигатели использовались на всех немецких средних и тяжелых танках. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}^{[ 8 ]} Были произведены тысячи этих двигателей, хотя сохранившиеся экземпляры сейчас крайне редки, особенно в рабочем состоянии. ^{[ 9 ]}

Дизельные двигатели Майбах

После войны Maybach применила свои знания о компактных высокоскоростных двигателях к дизельным двигателям для развивающегося рынка дизельных железнодорожных локомотивов. Эти двигатели отличались от двигателей других производителей тем, что были особенно мощными как по весу, так и по объему. Особенно это касалось длины, поскольку в двигателях Maybach использовалась компактная V-образная компоновка в то время, когда большинство производителей все еще производили длинные однорядные рядные двигатели. ^{[ 10 ]} Имя Maybach стало особенно ассоциироваться с туннельной конструкцией картера, и эти двигатели до сих пор являются наиболее известными вариантами использования туннельного коленчатого вала. ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}^{[ 13 ]} Эти двигатели широко использовались в Германии для локомотивов типа V200 . В Великобритании они были как импортированы, так и построены на месте по лицензии. Следуя немецкой практике, эти высокооборотные двигатели использовались в сочетании с гидравлической трансмиссией , чтобы создать мощный, но легкий локомотив по сравнению с конкурирующими дизель-электрическими конструкциями. ^{[ 14 ]} Двигатели продавались и в США, хотя там они использовались в более устоявшихся дизель-электрических конструкциях. ^{[ 15 ]}

Сборные и цельные шатуны

Первые туннельные коленчатые валы были изготовлены с перемычками, прикрепленными болтами к боковым сторонам коренных подшипников, как и обычный коленчатый вал, только большего размера (см. изображение двигателя Saurer в разрезе). Их примеры также были построены компанией John Fowler & Co. в Англии. ^{[ 16 ]}

Туннельный коленчатый вал, сломанный насквозь через одну шатунную шейку.

Более поздняя разработка заключалась в увеличении коренных подшипников настолько, чтобы они стали больше всей шейки кривошипа. Теперь это позволило использовать цельный коленчатый вал.

Туннельный коленчатый вал считается «туннельным», если наружный диаметр наружного кольца установленных подшипников превышает максимальный размер перемычек. Ранние или меньшие двигатели могли иметь коленчатые валы с подшипниковыми шейками. ^{[ примечание 2 ]} меньше этого размера, но все же считались таковыми, поскольку при установке подшипников они были больше.

Чтобы избежать прохождения всего коленчатого вала через подшипники, диаметры подшипников обычно изменялись по размеру в конической прогрессии. Теперь каждый подшипник нужно было перемещать только на длину его собственной ширины, поскольку он был достаточно мал, чтобы легко проходить через любые предыдущие корпуса. Это означало, что коленчатый вал можно было вставить только с одного конца картера. ^{[ 15 ]}

Преимущества

Диаметр подшипника

Подшипники большего размера могут выдерживать нагрузки этих мощных двигателей.

Использование роликовых подшипников.

Они могут справиться с большей силой и более высокими скоростями новых высокоскоростных двигателей.

Сборка

Коленчатый вал можно вставлять в собранный картер, а не собирать вокруг него крышки подшипников. Обычно это делается путем поворота картера вверх, а затем вертикального опускания в него коленчатого вала. ^{[ 15 ]}

Это была характерная особенность некоторых двигателей Maybach 1960-х годов , используемых в тепловозах.

Уменьшенная длина коленчатого вала

Длина, ранее необходимая для одной группы перемычек + опора + перемычка, теперь заменяется одной длиной опоры, которая также действует как обе перемычки.

Поскольку эта уменьшенная длина коленчатого вала также уменьшает расстояние между цилиндрами, это было одним из факторов, стимулирующих использование туннельных коленчатых валов в V-образных двигателях , где между соседними цилиндрами имеется большее осевое расстояние. Это еще больше уменьшает общую длину двигателей с туннельным коленчатым валом.

Повышенная жесткость коленчатого вала.

Коленчатый вал, особенно вдоль перемычек, становится шире и жестче.

Недостатки

Увеличенная скорость линейного подшипника

Благодаря простой геометрии, по мере увеличения диаметра подшипника увеличивается и линейная скорость на поверхности подшипника. Это превышает возможное для подшипников из белого металла. Таким образом, роликовые подшипники были не только одной из причин увеличения туннельного коленчатого вала, но и стали из-за этого необходимыми.

Производство коленчатого вала

Диаметр и масса коленчатого вала увеличены, так что он больше не помещается в стандартные станки для шлифования коленчатых валов и для их изготовления может потребоваться специализированное оборудование. Хотя уменьшенная длина коленчатого вала может позволить создавать большие двигатели с более короткими механизмами.

Инерция коленчатого вала

Увеличенные перемычки имеют большую массу, а значит, и большую инерцию вращения , особенно потому, что они размещают эту массу по наибольшему радиусу от оси коленчатого вала. Это дает двигателю более медленное ускорение, хотя это также означает, что двигателю легче поддерживать постоянную скорость при быстро меняющейся нагрузке.

По этой причине туннельный коленчатый вал наиболее подходит для двигателей, работающих в течение длительного времени с постоянной скоростью, таких как генераторные установки, железнодорожные локомотивы и лодки. Их не применяют для автомобилей, где необходим резкий разгон и торможение.

Жесткость картера

Большое количество материала, удаленного из картера для создания туннеля, не оставляет достаточно места для ребер жесткости поперек картера, поэтому общая жесткость картера может быть меньше.

Двухтактные двигатели

Небольшой двухтактный коленчатый вал с перемычками диска, но не туннельный коленчатый вал.

Многие небольшие двухтактные двигатели с компрессионным картером имеют коленчатый вал с большими круглыми перемычками. ^{[ 17 ]} аналогичен туннельному коленвалу. Однако эти перемычки представляют собой просто перемычки, а не подшипники, и их опоры имеют обычный малый диаметр рядом с перемычками. Вместо этого эти увеличенные перемычки используются для увеличения степени сжатия двигателя. Заполняя больший объем «мертвого» картера, соотношение между рабочим объемом цилиндра и оставшимся объемом картера увеличивается. ^{[ 17 ]}

В некоторых многоцилиндровых двухтактных двигателях также используется картерное сжатие, почти все они относятся к морским подвесным моторам . В этих двигателях объем картера для каждого цилиндра должен быть отдельным. Таким образом, полотна получаются круглыми, большими и герметизированными газовыми уплотнениями по их внешней окружности. ^{[ 18 ]} Опять же, они не считаются туннельными коленчатыми валами, если перемычки имеют только уплотнение, но могут считаться таковыми, если большая перемычка также образует подшипник.

См. также

Эксцентрик , аналогичный подход для кривошипов, приводимых в движение осью, особенно для клапанного механизма паровоза. Эксцентрик увеличивается в диаметре до тех пор, пока он не станет больше общего диаметра шейки кривошипа.
Подрез коленчатого вала — метод сокращения общей длины коленчатого вала за счет перекрытия подшипников.

Ссылки

^ Роликоподшипники с разъемными дорожками использовались в качестве центрального подшипника шатуна в шатуне некоторых трехцилиндровых паровозов . Поскольку кривошипная ось сложна и включает в себя также колеса, невозможно установить роликовые подшипники в центр каким-либо другим способом. Подшипники из белого металла были гораздо более распространены, но были признанным слабым местом некоторых классов, таких как LNER A4.
^ «Шерша» — это часть вала , образующая подшипник, кольца подшипника — это отдельный компонент, надеваемый на нее.

^ Болтон, Уильям Ф. (1963). Руководство железнодорожника по дизелю (4-е изд.). п. 77.
^ Перейти обратно: ^а ^б Чепмен, GW (1949). «19: Коленчатые валы и коренные подшипники». Современные высокооборотные нефтяные двигатели . Том. II (изд. 2 июня 1956 г.). Кэкстон. стр. 279–280.
^ Дэвид ЛаШанс (сентябрь 2006 г.). «Когда «Майбахи» бродили по небу: дирижабли ВМФ взлетали на мощности немецкого V-12» . Хеммингс .
^ «Дирижабль HM R101» . Рейс : 1094. 11 октября 1929 г.
^ Алан Хэмби (2003). «Двигатель Майбах» . Информационный центр «Тигр I».
^ «Страница 25 – Финальный этап!» . Бовингтонский танковый музей .
^ «Страница 28 – Прогресс в разработке двигателя Tiger» . Бовингтонский танковый музей .
^ «Пришло время сообщить обновленную информацию о ситуации с двигателем» . Бовингтонский танковый музей . 2002.
^ «Почему мы используем двигатель HL230» . Бовингтонский танковый музей . 2003. Архивировано 26 июля 2016 года. Компактный картер двигателя V12 HL210.
^ Руководство по дизелю, 1963 г. , стр. 75–78.
^ Клаф, Дэвид Н. (2011). «8: Контраст в дизайне». Гидравлический против электрического: битва за дизельный парк BR . Ян Аллан . стр. 78–79. ISBN 978-0-7110-3550-8 .
^ Льюис, Дж. К. (2006) [1977]. Гидравлика вестерна . Ноттингем: Публикации книжного права. п. 25. ISBN 1-901945-54-5 .
^ «Майбах МД870» . Проект «Южная часть Тихого океана 9010».
^ Клаф, Дэвид Н. (2011). Гидравлический против электрического: битва за дизельный парк BR . Ян Аллан . ISBN 978-0-7110-3550-8 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с «Механическая работа» . Проект «Южная часть Тихого океана 9010».
^ Х. Керр Томас, изд. (1939). Автомобильная инженерия . Лондон: Исаак Питман. стр. 143 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Ирвинг, ЧП (1967). Двухтактные силовые агрегаты . Ньюнес . стр. 61–63.
^ Ирвинг 1967 , с. 257

[3] Роликоподшипники с разъемными дорожками использовались в качестве центрального подшипника шатуна в шатуне некоторых трехцилиндровых паровозов . Поскольку кривошипная ось сложна и включает в себя также колеса, невозможно установить роликовые подшипники в центр каким-либо другим способом. Подшипники из белого металла были гораздо более распространены, но были признанным слабым местом некоторых классов, таких как LNER A4.

[18] «Шерша» — это часть вала , образующая подшипник, кольца подшипника — это отдельный компонент, надеваемый на нее.

[Diesel_Manual,_77-1] Болтон, Уильям Ф. (1963). Руководство железнодорожника по дизелю (4-е изд.). п. 77.

[Caxton,_High-Speed_Oil_Engines,_roller_crankshafts-2] Перейти обратно: ^а ^б Чепмен, GW (1949). «19: Коленчатые валы и коренные подшипники». Современные высокооборотные нефтяные двигатели . Том. II (изд. 2 июня 1956 г.). Кэкстон. стр. 279–280.

[4] Дэвид ЛаШанс (сентябрь 2006 г.). «Когда «Майбахи» бродили по небу: дирижабли ВМФ взлетали на мощности немецкого V-12» . Хеммингс .

[5] «Дирижабль HM R101» . Рейс : 1094. 11 октября 1929 г.

[Hamby,_Tiger_engine-6] Алан Хэмби (2003). «Двигатель Майбах» . Информационный центр «Тигр I».

[7] «Страница 25 – Финальный этап!» . Бовингтонский танковый музей .

[8] «Страница 28 – Прогресс в разработке двигателя Tiger» . Бовингтонский танковый музей .

[9] «Пришло время сообщить обновленную информацию о ситуации с двигателем» . Бовингтонский танковый музей . 2002.

[10] «Почему мы используем двигатель HL230» . Бовингтонский танковый музей . 2003. Архивировано 26 июля 2016 года. Компактный картер двигателя V12 HL210.

[Diesel_Manual,_MD650-11] Руководство по дизелю, 1963 г. , стр. 75–78.

[12] Клаф, Дэвид Н. (2011). «8: Контраст в дизайне». Гидравлический против электрического: битва за дизельный парк BR . Ян Аллан . стр. 78–79. ISBN 978-0-7110-3550-8 .

[13] Льюис, Дж. К. (2006) [1977]. Гидравлика вестерна . Ноттингем: Публикации книжного права. п. 25. ISBN 1-901945-54-5 .

[SP9010,_Maybach-14] «Майбах МД870» . Проект «Южная часть Тихого океана 9010».

[Clough-15] Клаф, Дэвид Н. (2011). Гидравлический против электрического: битва за дизельный парк BR . Ян Аллан . ISBN 978-0-7110-3550-8 .

[SP9010,_Mechanical-16] Перейти обратно: ^а ^б ^с «Механическая работа» . Проект «Южная часть Тихого океана 9010».

[17] Х. Керр Томас, изд. (1939). Автомобильная инженерия . Лондон: Исаак Питман. стр. 143 .

[Irving,_Two_stroke_power_units-19] Перейти обратно: ^а ^б Ирвинг, ЧП (1967). Двухтактные силовые агрегаты . Ньюнес . стр. 61–63.

[Irving,_Two_stroke_power_units,_outboard-20] Ирвинг 1967 , с. 257

[ 1 ]

[ 2 ]

[ примечание 1 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ примечание 2 ]

[ 17 ]

[ 18 ]