專利名稱：內(nèi)燃機(jī)曲軸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與一種內(nèi)燃機(jī)曲軸有關(guān)，其類型為銷件與曲柄臂通過冷縮/熱脹連接。
當(dāng)將一個(gè)內(nèi)燃機(jī)曲軸通過冷縮/熱脹連接時(shí)，其含義一般指全組合曲軸或半組合曲軸，全組合曲軸的每一個(gè)曲拐的構(gòu)造，為將一個(gè)曲柄銷在兩個(gè)曲柄臂銷孔中牢固冷縮/熱脹，然后將各個(gè)曲拐用主軸承軸頸銷連接，主軸承軸頸銷也類似在曲拐臂的銷孔中借助于冷縮/熱脹緊固;半組合曲軸為將預(yù)鍛或預(yù)鑄的曲拐，借助于在曲柄臂的孔中被冷縮/熱脹的銷作連接。如英國(guó)專利第1，345，769號(hào)所述，曲拐也可改用環(huán)形銷件連接，環(huán)在外側(cè)牢固地冷縮/熱脹在與相應(yīng)曲拐相關(guān)的兩個(gè)相對(duì)的軸向延伸銷上。
由于在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，必須保持曲拐相互的角度關(guān)系，尤其軸轉(zhuǎn)矩的傳遞能力，特別受熱裝/冷縮配合面積及垂直作用在該表面上的冷縮/熱脹力限定。由于材料在熱裝/冷縮表面周圍區(qū)域流動(dòng)性是不希望的，故理想冷縮/熱脹力和熱裝/冷縮孔周圍材料必要厚度之間有直接的關(guān)系。要求不斷減小曲軸重量和其傳遞力矩之間的比率，導(dǎo)致鑄造曲軸的使用，但比全組合或半組合的軸要昂貴。
本發(fā)明的一個(gè)目的，是減小上述類型曲軸的軸重與最大容許轉(zhuǎn)矩的比率。
按照這一觀點(diǎn)，本發(fā)明的軸的特點(diǎn)為至少在一個(gè)配合的熱裝/冷縮表面上，設(shè)有摩擦增高材料。
與先有技術(shù)的曲軸比較，并由于熱裝/冷縮表面之間的摩擦增高材料產(chǎn)生的較高的摩擦系數(shù)，對(duì)于同樣的轉(zhuǎn)矩和同樣的熱裝/冷縮面積，軸可用較小的冷縮/熱脹力將該軸保持在一起，即裝配后的軸的熱裝/冷縮面之間的表面壓力較小。這樣便降低了曲柄臂的應(yīng)力值，從而可減小臂的截面積，從而減輕重量，尤其在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)時(shí)，在臂的僅有比較小的動(dòng)量載荷的區(qū)域內(nèi)。
曲軸重量的這種可能的減小，對(duì)大型低速內(nèi)燃機(jī)是特別有利的，在某些情況下為了便于搬運(yùn)，在向發(fā)動(dòng)機(jī)底架上安裝時(shí)必須將軸分為兩組裝件，在普通的曲軸車床和曲軸裝配臺(tái)中，最大提升能力達(dá)到180頓，相當(dāng)于8或9氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)的已知熱裝/冷縮軸的重量。假如發(fā)動(dòng)機(jī)要用10至12個(gè)氣缸組裝，必須將軸分為兩部件，對(duì)于凸輪軸為鏈驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)在中部位置上的鏈輪處裝配。就本發(fā)明的曲軸較輕的情況下，要求曲軸分開的氣缸數(shù)目提高了，因此，具有許多氣缸的發(fā)動(dòng)機(jī)可用不分開的曲軸來制造，其鏈輪配置在發(fā)動(dòng)機(jī)的端部，從而除了可降低曲軸的制造成本外，還可使發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度較短。
還可利用曲柄臂的較低應(yīng)力值來減小曲柄銷與主軸承軸頸的中心距，于是連桿減短，并降低發(fā)動(dòng)機(jī)高度。
當(dāng)將銷件設(shè)計(jì)成冷縮/熱脹在曲柄臂上的軸向延伸孔中的軸向延伸銷時(shí)，從工藝及成本考慮可僅在銷的外周的熱裝/冷縮面上設(shè)有摩擦增高材料。在一個(gè)優(yōu)點(diǎn)實(shí)施方案中，本發(fā)明的效果的提高在于在銷的外周上和孔的圓柱內(nèi)側(cè)上的配合熱裝/冷縮面上，都設(shè)有摩擦增高材料。
在某一方案中，摩擦增高材料可以是鎳涂層，在鋼件上滑動(dòng)時(shí)提供高摩擦力，而在鎳上滑動(dòng)時(shí)，摩擦力更加增高。鎳涂層可涂成任何需要的厚度。對(duì)于小曲軸，舉例而言，采用等離子涂布或化學(xué)沉積涂層可以很薄，而較大的軸則可用熱涂布。
在第二實(shí)施方案中，摩擦增高材料中可含有顆粒，最好用金鋼砂粉末，比曲軸或軸頸件的基礎(chǔ)材料硬度高得多。在熱裝/冷縮前，將顆粒分布在一個(gè)或兩個(gè)配合熱裝冷面上，例如將其用諸如脂肪等的粘性液粘附，或?qū)⑵溆媚z粘在表面上，當(dāng)將組件熱裝/冷縮連接時(shí)，硬顆粒陷入兩熱裝/冷縮面內(nèi)，在里面形成某種微齒，很大提高縮熱裝/冷面的轉(zhuǎn)矩傳遞能力。金剛砂粉特別適合作顆粒材料，因其硬度非常高，結(jié)晶成化學(xué)性能非常穩(wěn)定的金剛石結(jié)構(gòu)，從而可在發(fā)動(dòng)機(jī)的全部使用壽命中，獲得高度可靠性、防止顆粒向周圍鋼結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)移，或?yàn)槠湮铡?br> 在第三實(shí)施方案中，顆粒埋入金屬基質(zhì)，基質(zhì)為鎳涂層有利，然后可將上述摩擦增高性能結(jié)合于該涂層中。
現(xiàn)通過實(shí)施方案參照高度簡(jiǎn)略的附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明，附圖如下

圖1及2分別表示半組合曲拐的帶局部剖面的側(cè)視圖，和端視圖;
圖3為主軸承軸頸銷側(cè)視圖，圖4為一組合曲軸的側(cè)剖視5至7表示通過本發(fā)明三種不同曲軸結(jié)構(gòu)的熱裝/冷縮面的放大比例橫剖視圖。
圖1及2所示的半組合曲軸的曲拐可用鍛造或鑄造制造，有兩個(gè)臂和一個(gè)連接的曲柄銷3。每一臂有一個(gè)軸向伸展的孔4，其基本為圓柱形的內(nèi)側(cè)，構(gòu)成兩個(gè)相關(guān)的熱裝/冷縮面之一。圖3表示銷5，有三個(gè)沿軸向分隔的基本圓柱形段，中間的一段為軸頸面6，銷末梢兩端段7，各構(gòu)成另外的熱裝/冷縮面，在軸的配裝狀態(tài)下被約束在相關(guān)的孔4中。
按已知的方法，通過將曲拐夾持曲軸裝配臺(tái)上，使相互間成正確角度，對(duì)曲拐臂加熱和/或?qū)N5冷卻，然后將銷的區(qū)段7插入孔4中可將各曲拐1連接或一個(gè)完整的軸。銷相對(duì)于孔設(shè)計(jì)成這樣的超差尺寸，當(dāng)該兩部件達(dá)到相同溫度時(shí)，產(chǎn)生使該兩件牢固連接所需要的冷縮/熱脹應(yīng)力。
在下文中，與上述元件有相同功能的元件，無論有關(guān)全組合或半組合軸予以相同的標(biāo)號(hào)。在圖4所示的全組合曲軸的曲拐1中，主軸承軸頸銷和曲柄銷一樣制成，熱裝/冷縮在曲柄臂2的孔中的銷件5。
隨后的圖5至7表示銷件5與曲柄臂之間的過渡區(qū)，圖的比例很大，從而可見相關(guān)冷縮/熱脹面上的摩擦增高材料。
在圖5中，銷件的冷縮/熱脹面7涂鎳層8，孔4的內(nèi)側(cè)面也類似涂覆鎳層9。與已知的無涂覆層的鋼表面比較，兩部分上的鎳涂覆層約提高兩表面間的摩擦系數(shù)200%，而僅在一個(gè)部分上的鎳涂覆層，一般僅在銷件上約提高摩擦系數(shù)50%?？蓪⑺蟮睦淇s/熱脹應(yīng)力或熱裝/冷縮面的面積，按與摩擦系數(shù)變化的反比改變，亦即容許轉(zhuǎn)矩相同時(shí)，可使現(xiàn)成的曲軸的重量減小。兩部分上有鎳涂覆層時(shí)，例如，在圍繞銷件5的徑向最外半部的環(huán)形區(qū)上配置的臂材料重量，約可減小20%。
鎳涂覆層可通過電沉積，或用等離子涂覆或噴霧作熱涂布。
如圖6所示，通過將比臂或銷件5的基礎(chǔ)材料硬度高得多的顆粒10涂在至少一個(gè)熱裝/冷縮面上，還可將摩擦系數(shù)更為提高，如上所述，該顆粒當(dāng)被壓入兩部分上時(shí)，造成某種微齒，從而在達(dá)到相同溫度時(shí)，互相銷緊。
假如使用了硬度高的鐵磁材料，諸如CrO作顆粒材料，則至少可在一個(gè)熱裝/冷縮面上設(shè)置顆粒，將軸連接時(shí)，不需用粘合劑將顆粒粘在熱裝/冷縮面上。在將兩個(gè)部件放在曲軸臺(tái)上后，至少將一個(gè)部件磁化，從而在將鐵磁顆粒散布后，顆粒由磁性保持在熱裝/冷縮面上，直到將各部分互相插接。熱裝/冷縮時(shí)，假使兩部件中的一個(gè)受熱，必然將冷的部件磁化。磁化可用電磁鐵進(jìn)行，或用繞在一個(gè)部件上的電磁線圈。這種在熱裝/冷縮面上設(shè)置摩擦增高材料的方法有利，因?yàn)槟芎芸煸诂F(xiàn)有的曲軸制造車間中應(yīng)用，僅需增設(shè)磁源。
圖7表示第三實(shí)施方案，其熱裝/冷縮面上設(shè)有含硬顆粒10的金屬涂層11，12。假如希望將顆粒10，例如如金鋼砂粉末牢固粘在熱裝/冷面上，并且希望臂和銷件轉(zhuǎn)移到軸裝配現(xiàn)場(chǎng)前已制成，則這一方案有利?？蓪⒔饘倩|(zhì)作為均勻厚層涂布，具有這樣的精確厚度，使得在裝好的軸上的冷縮/熱脹應(yīng)力達(dá)到預(yù)定的大小?？捎玫入x子噴涂，將含顆粒的涂層涂布到熱裝/冷縮面上。
借助于相關(guān)表面上的顆粒幾何形狀互鎖而獲得的冷縮/熱脹面的改善的轉(zhuǎn)矩傳遞能力，還可以進(jìn)一步提高，因?yàn)榻饘倩|(zhì)用鎳制造，使設(shè)有顆粒的基質(zhì)表面區(qū)域中的摩擦系數(shù)增大。盡管該圖表示了在兩個(gè)部件2及5上有基質(zhì)涂層，當(dāng)然可以僅在一個(gè)部件的熱裝/冷縮表面上涂布。
曲軸可改用環(huán)形的銷件制成，環(huán)通過冷縮/熱脹，固定在與相應(yīng)的一個(gè)曲拐相關(guān)的兩個(gè)相對(duì)的軸向伸展的銷的外側(cè)上，本例中相關(guān)的曲軸表面包括環(huán)的內(nèi)側(cè)和銷的外側(cè)，但在這情況下，還可以有至少一個(gè)配合的熱裝/冷縮表面，與上述很相似，上面設(shè)有摩擦增高材料。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機(jī)的曲軸，其類型為有一個(gè)銷件(5)和一個(gè)曲柄臂(2)，通過熱裝/冷縮連接在一起，其特征在于至少配合的熱裝/冷縮表面之一，設(shè)有摩擦增高材料(8，9；10；11，12)。
2.如權(quán)利要求1所述之曲軸，其中銷件為用來熱裝/冷縮于曲柄臂的軸向延伸孔(4)中的軸向延伸銷(5)其特征為在銷的周緣上的和孔的圓柱形內(nèi)側(cè)上的配合熱裝/冷縮面上，都設(shè)有摩擦增高材料(8，9;10;11，12)。
3.如權(quán)利要求1所述之曲軸，其中銷件為用來在外部熱裝/冷縮套在與相應(yīng)曲拐相關(guān)的兩個(gè)相對(duì)的軸向延伸的銷上的環(huán)，其特征為環(huán)的內(nèi)側(cè)上和銷的外側(cè)上的配合熱裝/冷縮表面，設(shè)有摩擦增高材料。
4.如權(quán)利要求1所述之曲軸，其中的銷件為用于通過熱裝/冷縮緊固在曲柄臂孔(4)中的軸向延伸銷(5)，其特征為銷的兩個(gè)圓柱形熱裝/冷縮表面(7)，設(shè)有摩擦增高材料(8，9;10;11，12)，而中部的軸頸面(6)上沒有這種材料。
5.如權(quán)利要求1至4中任何項(xiàng)所述之曲軸，其特征為摩擦增高材料為鎳涂層(8，9)。
6.如權(quán)利要求1至4中任何項(xiàng)所述之曲軸，其特征為摩擦增高材料中含有比曲柄臂(5)和銷件(5)的基礎(chǔ)材料硬度高得多的顆粒(10)。
7.如權(quán)利要求1至4中任何項(xiàng)所述之曲軸，其特征為摩擦增高材料為包括埋有硬度比曲柄臂(2)及銷件(5)的基礎(chǔ)高得多的顆粒(10)的金屬基質(zhì)(11，12)的涂層。
8.如權(quán)利要求6或7中所述之曲軸，其特征為所述顆粒包括鋼砂粉末(SiC)(10)
9.如權(quán)利要求7或8中所述之曲軸，其特征為金屬基質(zhì)(11，12)含有鎳。
10.如上述任一權(quán)利要求所述之曲軸，其特征為摩擦增高材料包括(CrO2C10)。
全文摘要
內(nèi)燃機(jī)曲軸為用熱裝/冷縮連接的曲柄臂與銷件的全組合件或半組合件。至少配合的熱裝/冷縮表面之一設(shè)有摩擦增高材料，該材料可以包括鎳涂層，或硬度比臂或銷件的基礎(chǔ)材料高得多的顆粒，或?yàn)橐环N包括埋于鎳基質(zhì)(11，12)中的硬顆粒的涂層，摩擦增高涂層增加了熱裝/冷縮面的轉(zhuǎn)矩傳遞能力，冷縮/熱脹應(yīng)力降低，從而可制造重量較小的曲軸。
文檔編號(hào)F16B2/00GK1061467SQ9111056
公開日1992年5月27日 申請(qǐng)日期1991年10月31日 優(yōu)先權(quán)日1990年11月12日
發(fā)明者T·S·克努森, J·邁耶 申請(qǐng)人:曼·B及W柴油機(jī)公司