帶有鍛造鋼芯插入件的球墨鑄鐵鑄造曲軸的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開(kāi)的發(fā)明概念大體涉及用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸。更具體地，本公開(kāi)的發(fā)明概念涉及具有用于強(qiáng)度的低成本鍛造鋼芯以及在該鍛造鋼芯周圍形成的球墨鑄鐵外層的曲軸。該外部鑄造層包括平衡重、曲柄臂、桿、凸緣和軸頸。因此而形成的曲軸，能夠減小軸頸的直徑以在不降低曲軸的耐用性的情況下減小機(jī)械摩擦。
【背景技術(shù)】
[0002]內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵部件就是曲軸。自從發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)的早期就已經(jīng)對(duì)曲軸進(jìn)行了某些改進(jìn)。
[0003]然而，仍需要進(jìn)一步的進(jìn)步。其中一個(gè)面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的最大的挑戰(zhàn)就是曲軸摩擦。眾所周知，曲軸抵靠作為發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的一部分形成的主軸承軸頸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)被潤(rùn)滑時(shí)，這些軸承表面產(chǎn)生效率折衷的摩擦(efficiency-compromising frict1n)。在連桿與在曲軸上形成的連桿軸頸之間會(huì)產(chǎn)生額外的效率折衷的摩擦。
[0004]在減少在曲軸的旋轉(zhuǎn)下產(chǎn)生的摩擦的努力中，減小粘度的潤(rùn)滑劑已經(jīng)被開(kāi)發(fā)。然而促進(jìn)了曲軸的旋轉(zhuǎn)摩擦力的減小，因此仍然存在用于減小摩擦的其它機(jī)會(huì)。
[0005]—個(gè)被提出的用來(lái)減小由曲軸產(chǎn)生的主軸承機(jī)械摩擦和桿軸承機(jī)械摩擦的量的概念是減小曲軸軸頸的尺寸，因此減小整個(gè)表面面積，必然地減小摩擦。然而，當(dāng)被引入實(shí)踐中時(shí)，此概念受到了已知的曲軸制造技術(shù)的挑戰(zhàn)。
[0006]根據(jù)已知的生產(chǎn)技術(shù)，取決于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載特性，典型的曲軸是鍛造鋼設(shè)計(jì)或者是鑄造球墨鑄鐵。作為一個(gè)普遍的問(wèn)題，鍛造成型的曲軸比鑄造成型的曲軸強(qiáng)度更大。
[0007]在鍛造過(guò)程中，熱鋼坯(通常地由SAE1045或類似鋼組成)經(jīng)由一系列的鍛模加工通過(guò)坯料的形狀在每個(gè)鍛造階段被輕微的改變被加工。根據(jù)已知技術(shù)，產(chǎn)生的坯料然后經(jīng)歷廣泛的加工過(guò)程。在加工過(guò)程期間，可能將曲軸軸頸的尺寸減小，由于鍛造鋼曲軸非常密實(shí)而因此耐用。然而，不管軸頸的直徑是多少，生產(chǎn)鍛造曲軸的成本由于材料成本和工藝成本都是相對(duì)較高的。因此，盡管鍛造曲軸是用于減小的尺寸的軸頸的更好的候選，但是此方法成本高昂。
[0008]相反地，鑄造球墨鑄鐵曲軸的生廣在成本上更低廉，因?yàn)槟軌驅(qū)⒆畛醯蔫T件制造成相對(duì)地更接近所期望的最終形狀和尺寸。鑄造工藝允許即使具有復(fù)雜形狀的曲軸也可通過(guò)最小限度的后期制作加工而生產(chǎn)。只有軸承表面的加工和驅(qū)動(dòng)端的精加工需要被保證。
[0009]然而，盡管由于更低要求的加工而更低的生產(chǎn)成本，但是軸頸尺寸的減小大幅度地降低了典型鑄造球墨鑄鐵曲軸的耐用特性。球墨鑄鐵曲軸的彎曲度變得更差并且顯示出降低的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。
[0010]改進(jìn)這些曲軸設(shè)計(jì)特性的典型的方法是將材料選擇從鑄造球墨鑄鐵改變?yōu)殄懺熹?，但是，如以上所討論的，?dāng)與鑄造球墨鑄鐵相比時(shí)，鍛造鋼曲軸增加了相當(dāng)大的制造成本。
[0011]總而言之，尋找一種減小主軸承摩擦和桿軸承摩擦同時(shí)滿足所有曲軸耐用性要求的經(jīng)濟(jì)的曲軸設(shè)計(jì)解決方案是直到本發(fā)明為止的仍然未被解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本公開(kāi)的發(fā)明概念克服了與生產(chǎn)用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸的已知方法相關(guān)的問(wèn)題。本公開(kāi)的發(fā)明概念提供了一種精加工的并且耐用的曲軸，該曲軸具有低成本鍛造鋼芯，該鍛造鋼芯帶有在該芯上形成的球墨鑄鐵外層。具體地，具有本公開(kāi)的發(fā)明概念的鍛造鋼芯的鑄造球墨鑄鐵曲軸提供了與傳統(tǒng)的鑄造鐵曲軸相比的更低成本的制造解決方案，同時(shí)提高了整體耐用特性。
[0013]根據(jù)本公開(kāi)的發(fā)明概念的用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸包括由第一材料形成的曲軸芯以及在曲軸芯上由不同于第一材料的第二材料形成的層。第一材料和第二材料盡管不是絕對(duì)地但是都優(yōu)選地為金屬。曲軸芯優(yōu)選地由鍛造鋼(例如C1117AISI或類似鋼)形成。在曲軸芯上形成的層優(yōu)選地為鐵，例如球墨鑄鐵。曲軸芯優(yōu)選地形成為具有在每一端的定向拱石鎖(orienting keystone lock)。
[0014]盡管碳是在所有碳素鋼中發(fā)現(xiàn)的典型地主要合金元素，但是其他元素，例如銅、鎳、鉻、鋁和鉬也同樣存在，盡管數(shù)量更少。由于比其他鋼具有更多的錳，C1117AISI可提供優(yōu)良的淬透性。然而，盡管C1117AISI由于它的淬透性是一種已知的優(yōu)選的鋼，但是其他表現(xiàn)出優(yōu)良淬透性的鋼也同樣適用。
[0015]在曲軸芯上形成的鐵層可為多種鐵，盡管球墨鑄鐵是優(yōu)選的?！扒蚰T鐵”(也被稱為“延性鑄鐵”和“球狀石墨鐵”)指通過(guò)包含以球狀形式的石墨而被加強(qiáng)的鐵，其中，該球狀形式不同于如在灰鐵的情況中的單片形式。此外，球墨鑄鐵通常地包含鈰和鎂。其他的添加物也可被包含。此創(chuàng)新的組合使球墨鑄鐵產(chǎn)生了相比于灰鐵而言更高程度的抗撞擊性和抗疲勞性。因此，球墨鑄鐵理想地適合作為在本公開(kāi)的發(fā)明概念的鑄造球墨鑄鐵曲軸中的外層。
[0016]本公開(kāi)的發(fā)明概念通過(guò)使用低成本鍛造鋼芯以及鑄造包括平衡重、曲柄臂、桿、凸緣和軸頸的球墨鑄鐵外層為傳統(tǒng)的更高制造成本的鍛造鋼曲軸提供了一種可替代的選擇。由于鑄造公差與鍛造公差，在此設(shè)計(jì)中的平衡重可為毛坯鑄件，因此使得加工變得不必要并且進(jìn)一步降低制造成本。低成本設(shè)計(jì)將允許軸頸尺寸減小(因此改善軸承摩擦)同時(shí)將彎曲、扭轉(zhuǎn)和疲勞特性提高以滿足曲軸的耐用要求。
[0017]當(dāng)參照附圖時(shí)，以上優(yōu)勢(shì)和其他優(yōu)勢(shì)以及特征從以下優(yōu)選的實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明書中將會(huì)是顯而易見(jiàn)的。
【附圖說(shuō)明】
[0018]為了更完全的理解本發(fā)明，現(xiàn)應(yīng)參考在附圖中更詳細(xì)地示出以及在下文中通過(guò)本發(fā)明的實(shí)例的方式描述的實(shí)施例，其中:
[0019]圖1是根據(jù)本公開(kāi)的發(fā)明概念的球墨鑄鐵鑄造曲軸的鍛造鋼芯插入件的立體圖；
[0020]圖2是具有圖1的鍛造鋼芯插入件的球墨鑄鐵鑄造曲軸的側(cè)視截面圖；以及
[0021]圖3是以虛線示出了鍛造鋼芯的圖2的鑄造球墨鑄鐵曲軸的立體圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]在以下的附圖中，相同的參考標(biāo)號(hào)將用來(lái)指代相同的部件。在以下的描述中，不同的操作參數(shù)和部件用于不同構(gòu)造的實(shí)施例被描述。這些具體的參數(shù)和部件作為實(shí)例被包括并且并不意味著限制。
[0023]參照?qǐng)D1，示出了根據(jù)本公開(kāi)的發(fā)明概念的用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的在球墨鑄鐵鑄造曲軸(nodular iron cast crankshaft)中使用的鍛造鋼曲軸芯(forged steel crankshaftcore)的立體圖。圖2和圖3是具有鍛造鋼芯插入件的球墨鑄鐵鑄造曲軸的視圖，在視圖中插入件被示出。應(yīng)當(dāng)理解，所示出的具有鍛造鋼芯插入件的球墨鑄鐵鑄造曲軸的整體構(gòu)造在圖1、圖2和圖3中僅以提示性的目的說(shuō)明，這是因?yàn)樵撜w構(gòu)造可與圖示不同。
[0024]參照?qǐng)D1，鍛造鋼芯插入件10具有旋轉(zhuǎn)軸線12。鍛造鋼曲軸芯可由幾種鍛造鋼中的任意一種形成，例如但不限制于C1117AISI。鍛造鋼芯插入件10包括主軸頸區(qū)域14、14’、14”、14”’和14””。鍛造鋼芯插入件10進(jìn)一步包括在主軸頸區(qū)域14、14’、14”、14”’和14””之間形成的桿軸頸區(qū)域16、16’、16”和16”’。
[0025]鍛造鋼芯插入件10包