CN101959627A

CN101959627A - 金属锻造的曲轴、用于金属锻造曲轴的设备以及金属锻造曲轴的方法

Info

Publication number: CN101959627A
Application number: CN2008801276064A
Authority: CN
Inventors: A·D·基尔伯恩
Original assignee: Perkins Engines Co Ltd
Current assignee: Perkins Engines Co Ltd
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2011-01-26
Also published as: EP2274120B9; EP2274120B1; US20100326235A1; WO2009106142A1; EP2274120A1

Abstract

一种用于金属锻造曲轴(100)的设备(30)，所述曲轴具有多个曲柄(6、7、8、9)，所述多个曲柄具有平行的轴线(31、32、33、34)，该设备包括上锻模和下锻模，所述上锻模和所述下锻模均具有限定与所述曲轴(100)的相应一半相反的刻入形状的腔。所述两个锻模具有位于不同的平行平面上的配合表面。通过这种设备(30)锻造的金属锻造的曲轴(100)包括多个曲柄(6、7、8、9)，所述多个曲柄具有位于同一对称平面(41)内的平行的曲柄轴线(31、32、33、34)和在锻造过程中形成的位于大致垂直于所述对称平面(41)的平面(42、43)中的分型线(17、18、19、20)。

Description

金属锻造的曲轴、用于金属锻造曲轴的设备以及金属锻造曲轴的方法

技术领域

本发明整体涉及内燃机，更具体地，涉及用于这种内燃机的曲轴装置。

背景技术

众所周知，在工业中曲轴是能够用于内燃机中以将活塞的往复直线运动转换为旋转运动的装置。曲轴可以由多个元件组装而成，或者被制造为整体式的部件。

锻造，特别是金属锻造，是生产具有高阻性并能承受高疲劳强度的整体式曲轴的常用方法。为了锻造曲轴，可以将加热的金属件(例如金属棒材或坯材)放置在两个锻模之间。每个锻模可以设有腔，腔具有形状限定表面，形状限定表面刻有与曲轴的相应一半相反的形状。作用在锻模上的压力推动锻模朝向彼此，直至各自的配合表面紧密接触，同时压力使得金属变形且金属充满形成于两个锻模之间的腔。

在压力机所施加的高压下，过量的金属可能会漏到两个锻模之间的空隙中。因此，当锻模分开时，由两个锻模的配合表面所限定的平面附近的曲轴表面残留有毛刺，必须通过清理毛刺或类似的后处理来去除毛刺。

甚至在去除毛刺之后，在曲轴上还是可能看到在曲轴的整个长度上延伸的、被称为“分型线”或“突起线”的可视的线。因为在锻造过程中金属杂质可能聚集在靠近分型线的曲轴区域，而且由于空气通过锻模之间的空隙接触金属可能形成氧化层剥落，所以该区域可能比曲轴的其他区域更加脆弱。

上述传统的曲轴制造方法可以适用于例如如图1所示的现有的四缸曲轴。在这种情况下，可以通过将具有位于单个平面内的配合表面的两个形状对称的锻模互相抵压、并且在图1中箭头所示的方向上施加压力来执行锻造过程。这一过程可以产生在所有曲柄侧壁的中央部分延伸的分型线。

测试显示，曲柄区域是在发动机运转中承受最大力的区域。曲柄上的分型线(这里可以指整条分型线的部分)可能限制能够施加到曲柄上的最大强度，因此可能影响整个曲轴的强度。

在另一方面，发动机设计师始终追求对发动机的改进，例如改进低排放要求或提供更大的动力。可以采用的一个思路是提高发动机缸内压力，这通常意味着，必须重新设计整条曲轴以提高其强度。但是，重新设计可能包括增大曲轴的尺寸，这又要求对诸如连杆和发动机缸体的其他发动机组成部件进行重新设计以配合新的曲轴设计。此外，这一解决方案可能不希望地增加发动机的重量。

已经尝试使用金属处理来增加曲柄区域的稳定性和疲劳强度，从而在避免重新设计曲轴和/或发动机的情况下使得曲轴能够承受更高的压力。例如，一种过程包括对曲柄表面进行渗氮处理。但是，这一处理可能是相对慢的并且对于某些金属不能适用。使用这一技术所涉及的成本也可能使其对于批量生产来说是低效的。

本发明旨在克服或缓解上述缺点中的至少一部分。

发明内容

在一个方面，本发明说明了一种金属锻造的曲轴，其包括多个曲柄，所述多个曲柄具有位于同一对称平面内的平行的曲柄轴线和在锻造过程中形成的位于大致垂直于所述对称平面的平面中的分型线。

在另一个方面，本发明说明了一种用于金属锻造曲轴的设备，曲轴具有多个曲柄，多个曲柄具有平行的曲柄轴线，该设备包括上锻模和下锻模，所述上锻模和所述下锻模均具有对应于与所述曲轴的相应一半相反的刻入形状的腔，所述上锻模和所述下锻模具有位于不同的平行平面上的配合表面。

在又一个方面，本发明说明了一种金属锻造曲轴的方法，曲轴包括多个曲柄，多个曲柄具有平行的曲柄轴线，该方法包括下述步骤：加热金属棒材以使得金属大致可变形；将所述金属棒材定位在两个锻模之间，所述两个锻模具有位于不同的平行平面上的配合表面以及限定所述曲轴中的在互相相反的方向上延伸的成对曲轴的形状限定表面；在所述两个锻模上施加锻造压力，直至相应的配合表面彼此接触。

附图说明

参照附图，根据下文对多种实施方式的说明，将更全面地理解本发明的上述和其他特征和优点。

图1是根据现有技术的四缸曲轴的透视图；

图2是根据本发明的类似的四缸曲轴的透视图；

图3是根据本发明的类似的四缸曲轴的透视图，示出相交平面；

图4是根据本发明的锻模的中央部分的示意图，其中锻模互相接触；

图5是根据本发明的锻模的中央部分的示意图，其中锻模处于分离位置；

图6是根据本发明的下锻模的透视图。

具体实施方式

本发明整体涉及一种金属锻造的曲轴，并且在一种实施方式中，涉及具有更高强度的四缸曲轴的锻造过程。

图1示出现有技术已知的四缸曲轴1。该曲轴可以具有第一端2和第二端3。在两端中的一端处可以形成圆柱形部分4，并且在相对的一端处可以形成圆形元件5。

曲柄，例如第一曲柄6、第二曲柄7、第三曲柄8和第四曲柄9，可以定位为在两端2和3之间的区域内延伸，这些曲柄可以具有大致相同的形状。曲柄中的两个，即外侧曲柄6和9，可以被布置为靠近两端2和3，且两个曲柄，即内侧曲柄7和8，可以被布置为在外侧曲柄6和9之间。相对于内侧曲柄7和8，外侧曲柄6和9可以布置在绕曲轴1的纵向主轴线22旋转180度的位置处。

因为每个曲柄6、7、8、9可以具有大致相同的形状，为了简洁，仅具体说明一个曲柄。曲柄6包括第一侧元件11和第二侧元件12，两个侧元件11、12(或臂)彼此隔开并且与用于接合发动机的活塞(图中未示出)的大致圆形的构件(或栓35)互相连接。侧元件11、12可以具有肩部24和曲柄侧壁23。此外，侧元件11、12可以具有截面减小的或渐缩的第一区域14以及截面减小的第二区域15，大致圆形的构件35位于这两个区域之间。侧元件11、12之间在靠近曲轴纵向主轴线22的区域中可以形成开口13。为便于引用，本文中为每个曲柄6、7、8、9限定有曲柄轴线31、32、33、34，这些轴线大致垂直于曲轴纵向主轴线22并且在每个曲柄的中央从曲柄6、7、8、9的基部向顶部延伸，如图2和图3所示。这里曲柄的基部是指相对于曲轴100的主轴线22近侧的部分，且曲柄的顶部是指相对于曲轴100的主轴线22远侧的部分。

如图1所示的曲轴1可以通过传统的双锻模锻造过程来制造，其中，锻模被沿着力方向箭头26和27所指示的方向彼此抵压。这使得分型线10平行于曲柄的曲柄轴线31穿过侧壁23的整个中央区域延伸，并且在曲柄的顶部平行于纵向主轴线22地延伸。因此，分型线10可以基本上在曲柄周围延伸，并且会对曲柄的强度有负面影响。

图2和图3示出根据本发明的、可以通过下面将参照图4至图6说明的锻造过程和锻造设备获得的曲轴100。

图4和图5以二维视图示意性地示出设备30，其包括上锻模40和下锻模50，上锻模40和下锻模50均具有限定与曲轴100的相应一半相反的刻入形状的腔。

特别地，图4示出两个锻模40、50的中央区域处于大致接触位置，而图5示出同样的两个锻模40、50彼此分开。

作为例子，如前文中关于图1所说明的，由图4和图5的设备锻造的曲轴100可以设有分成两对的四个曲柄6、7、8、9，每对中的两个曲柄6、9与7、8在彼此相反的方向上延伸。

两个锻模40、50具有配合表面62、63、64、65，在锻造过程中，配合表面与相对的锻模上的相应表面(图4和图5中未示出)大致接触。

关于上锻模40，其腔以及多个形状限定表面可以包括在锻模的内表面70上的第一凹陷66和第二凹陷67以及第一突起68和第二突起69。

下锻模50可以具有类似的腔和形状限定表面，包括与上锻模40中形状互补的凹陷66、67和突起68、69大致对应的第三凹陷72和第四凹陷73以及第三突起74和第四突起75。

为了更好地说明根据本发明的锻模的结构，图6示出了下锻模50的透视图，特别是与要制造的曲轴100的相应一半相反的形状。特别地，在锻模的内表面71上标示出不同的平面，即第一平面80、第二平面81、第三平面82、第四平面83和第五平面84。可以通过诸如激光切割或CNC处理的传统技术获得这种锻模。

根据本发明，通过金属锻造制造包括多个曲柄6、7、8、9且所述曲柄具有栓35、36、37、38的曲轴100。为此，金属棒材被加热以使得金属大致可变形，棒材被定位在两个锻模40、50之间，如上文所述，锻模40、50具有位于不同的平行平面上的配合表面62、63、64、65以及限定曲轴100形状的腔。根据要求，金属可以是钢、铁、或合金。

如图2中的力方向箭头28和29所示，在垂直于锻模40、50的外表面76、77(如图5所示)、并且平行于曲柄6、7、8、9的曲柄主轴线31、32、33、34的方向上施加压力，直至锻模40、50的各个配合表面大致互相接触。

更具体地，在锻模40、50的外边缘配合的点处，可以形成两个通道，即，第一通道60和第二通道61，以使得过量的金属流出。但是，在曲轴100的锻造过程中，随着两个锻模彼此靠近，金属可能漏到两个锻模之间的空隙中，从而在两个锻模彼此靠近时形成位于不同平面上的分型线。

多个曲柄6、7、8、9可以互相平行并且具有位于同一对称平面41内的曲柄主轴线31、32、33、34。对称平面41可以包括曲轴100的纵向轴线22，并且可以是曲轴100的对称平面。锻造过程形成的分型线17、18、19、20可以位于大致垂直于对称平面41的平面42、43内。栓轴线16可以平行于曲轴100的纵向轴线延伸并且可以位于同一对称平面41内。

在一种实施方式中，锻模的配合表面62、63、64、65可以在大致靠近每个曲柄6、7、8、9的基部处相接触。

如图5所示，当锻模40、50分离时，得到曲轴100。

该曲轴100的形状与参照图1的现有技术所说明的曲轴1的形状大致相同。因此，具有与图1的曲轴中相同功能的那些元件将使用同样的附图标记来说明。

可以通过上述锻造过程获得的金属锻造曲轴100包括多个曲柄6、7、8、9，曲柄具有平行的曲柄轴线31、32、33、34并且具有第一分型线17、第二分型线18、第三分型线19和第四分型线20，且大致圆形的元件5可以具有第五分型线21。

由于锻模40、50的形状以及压力机所作用的压力方向28、29，分型线17、18、19、20可以在平行于曲轴100的主轴线22并且垂直于曲柄6、7、8、9的曲柄轴线31、32、33、34的方向上延伸。

在图2和图3的示例性的曲轴中，具有栓35、36的至少两个曲柄6、7的分型线17、18位于不同的平面42、43上。

更具体地，多个曲柄6、7、8、9包括两对曲柄6、9和7、8，其中，一对曲柄中的两个曲柄在相反的方向上延伸。在每对曲柄6、7和8、9中，曲柄6、8的分型线17、19相对于另一对曲柄7、9的分型线18、20位于不同的平面上。

曲柄6、7、8、9的分型线17、18、19、20或栓35、36、37、38可以接近每个曲柄6、7、8、9的基部，其中曲柄6、7、8、9的基部可以被限定为曲轴100的纵向主轴线22附近的区域。在这种情况下，可以使得曲柄6、7、8、9和栓35、36、37、38的强度进一步增高。

工业实用性

本发明说明了一种加强的金属锻造曲轴，其中，分型线被从曲柄的侧向和顶部区域的中央移开，从而具有更高的强度，在曲柄彼此平行地延伸的曲轴，特别是四缸曲轴中，这是最重要的。根据本发明的制造过程在不需要改变曲轴形状的情况下实现了曲轴强度的提高，使得不需要重新设计曲轴或马达的零部件以满足更高的疲劳强度要求。

根据上述讨论，将更容易理解使用如本文所说明的锻模制造的曲轴的工业实用性。

本发明适用于但不限于四缸发动机的曲轴。

应当理解，前述说明提供所公开的系统和技术的例子。但是，可以想到，本发明的其他实施方式可以在细节上与前述例子不同。

例如，虽然所说明的例子提到曲轴的曲柄在互相相反的方向上延伸，但是也可以生产例如用于特殊发动机的具有在相同的方向上延伸的曲柄的曲轴。

类似地，应当理解，锻模的配合表面可以都位于不同的平行平面内，使得曲柄中的每个分型线位于不同的位置。

对前后、左右、顶部底部、上下和向前向后的任何提及都是为便于说明，而不是用于将本发明或其组成部件限制在特定的位置或空间定向上。例如，很清楚地，下锻模和上锻模可以用于在相对于地面水平的平面上操作的压力机中，使得锻模处于同一高度。

因此，如适用法律所规定的，本发明包括权利要求中所述的主题的所有修正和等价物。此外，除非这里另有说明，上述元件以所有可能的变形的任何组合都包含在本发明的范围内。

在任何权利要求所提及的技术特征后附有附图标记的情况下，附图标记仅为便于理解权利要求而被包含。因此，不管是否附有附图标记都不会对上述技术特征或任何权利要求元件的范围造成任何限制性的影响。

本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的精神或其基本特征的情况下，本发明可以以其他特定的形式实施。因此，前述实施方式在各方面对本发明来说都应当被认为是示例性的而非限制性的。所以本发明的范围由权利要求而非前述的说明书表示，在权利要求的等价物的含义和范围内的所有变化都意于包含在其中。

Claims

1.一种金属锻造的曲轴(100)，包括多个曲柄(6、7、8、9)，所述多个曲柄具有位于同一对称平面(41)内的多个曲柄轴线(31、32、33、34)和在锻造过程中形成的位于大致垂直于所述对称平面(41)的平面(42、43)中的分型线(17、18、19、20)。

2.根据权利要求1所述的金属锻造的曲轴(100)，其中，至少两个所述曲柄(6、7、8、9)的分型线(17、18、19、20)位于不同的平面(42、43)上。

3.根据权利要求2所述的金属锻造的曲轴(100)，其中，所述多个曲柄(6、7、8、9)包括至少两对曲柄，一对曲柄(6、7、8、9)中的两个曲柄在相反的方向上延伸。

4.根据权利要求3所述的金属锻造的曲轴(100)，其中，在每对曲柄(6、7、8、9)中，一个曲柄(6、7、8、9)中的分型线(17、18、19、20)相对于另一个曲柄(6、7、8、9)的分型线(17、18、19、20)位于不同的平面上。

5.根据前述权利要求中的任意一项所述的金属锻造的曲轴(100)，其中，所述金属为钢。

6.根据权利要求1至4中的任意一项所述的金属锻造的曲轴(100)，其中，所述金属为铁。

7.一种用于金属锻造曲轴(100)的设备(30)，所述曲轴(100)具有多个曲柄(6、7、8、9)，所述多个曲柄具有平行的曲柄轴线(31、32、33、34)，该设备包括上锻模(40)和下锻模(50)，所述上锻模和所述下锻模均具有限定与所述曲轴(100)的相应一半相反的刻入形状的腔，所述上锻模(40)和所述下锻模(50)具有位于不同的平行平面上的配合表面(62、63、64、65)。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述相反的刻入形状限定所述曲轴(100)中的四个曲柄(6、7、8、9)。

9.根据权利要求7或8所述的设备，其中，所述曲柄(6、7、8、9)成对地划分，每对中的两个曲柄在互相相反的方向上延伸。

10.根据权利要求7至9中的任意一项所述的设备(30)的上锻模(40)。

11.根据权利要求7至9中的任意一项所述的设备(30)的下锻模(50)。

12.一种金属锻造曲轴(100)的方法，所述曲轴(100)包括多个曲柄(6、7、8、9)，所述多个曲柄具有平行的曲柄轴线(31、32、33、34)，所述方法包括下述步骤：

加热金属棒材以使得金属大致可变形；

将所述金属棒材定位在两个锻模(40、50)之间，所述两个锻模具有位于不同的平行平面上的配合表面(62、63、64、65)以及限定所述曲轴(100)中的在互相相反的方向上延伸的成对曲柄(6、7、8、9)的形状限定表面；

在所述两个锻模(40、50)上施加锻造压力(28、29)，直至相应的配合表面(62、63、64、65)彼此接触。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述锻造压力(28、29)垂直于所述锻模(40、50)的外表面并且平行于所述曲柄(6、7、8、9)的曲柄主轴线(31、32、33、34)地施加。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述配合表面(62、63、64、65)位于不同的平行平面上。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述配合表面(62、63、64、65)在大致靠近每个曲柄(6、7、8、9)的基部的位置处接触。