CN1020945C - 带空心轴颈的曲轴以及其制造方法 - Google Patents

Abstract

在一个带空心轴颈的曲轴内，分布在曲柄臂的横截面上的胀撑件嵌入主轴轴颈和曲柄轴颈的出口孔中，这些胀撑件在曲柄臂的材料中建立一个预应力以提高抗弯与抗扭强度并防止在曲轴的危险横截面上产生裂纹。通过其它的在轴颈的全长伸展的胀撑件将曲轴的固有频率提高到非危险区域内。

Description

本发明涉及一种带具有在曲柄臂上露头的通孔的空心轴颈的曲轴以及其制造方法。

基于成本考虑，这种曲轴越来越多被采用来降低重量、减小惯性矩以及节约材料。曲轴可以连同通孔一起铸出或锻出，或者在事后镗孔，可以整体制出，也可以由分立的节段事后连接成一体来制出。

在上述类型的曲轴中，在高负荷下需具备足够大的抗弯和抗扭强度的问题以及在曲柄臂上的轴颈凸出部部位形成裂纹的危险较之常规的实心曲轴更为突出。特别是由于空心轴颈截面在燃气力及离心力的作用下有可能变形，从而更增大了上述危险。

本发明的目的在于进一步发展上述类型的曲轴以及其制造方法，使这类曲轴在其重量仍保持有利的情况下能承受更高的负荷并可防止上述危险。这个目的可以通过以下的解决方案来实现。在曲柄臂的横截面上分布的胀撑件（Spreizmittel）嵌入在主轴轴颈与曲柄轴颈的部位内的开孔内，在有些情况下也嵌入设在轴颈横截面以外的开孔中，这些胀撑件特定地跟在主轴轴颈与/或曲柄轴颈的通孔中的胀撑件一起在曲柄臂和在曲柄轴颈的材料内建立并保持着一种持久的预应力。

由于可通过相应的尚待详述的胀撑件在曲轴的基材内、特别也在曲柄臂的基材内建立一种这样的均匀分布的持久的预应力，因此大大地提高曲轴的抗弯和抗扭强度，从而有可能进一步减小重量。通过施加压力来预加应力的胀撑件，实现从内部来加固空心轴结构，通过顶压效应防止了引起出口处开裂危险的局部应力集中。通过预加应力的胀撑件的加固，可使不利的应力集中离开轴颈至曲柄臂的过渡区上的薄弱开裂部位 均匀分布到曲柄臂的其它区域内。这样可以避免在危险区域出现交变应力，其原因在于，在相应的设计结构中，可使应力变化低于预应力。一个围绕一个正值或一个负值摆动的应力，对在基材产生裂纹来说，比拉力-压力交变应力的危险性小一些。此外，材料预加应力尚有有益的作用，即提高了曲轴的固有频率，结果使在这方面也存在问题的空心轴的固有频率提高了，这一提高了的空心轴的固有频率相对于通过曲轴的工作转速确定的激励范围是有利的。

根据一种有利的设计结构，多个衬套作为胀撑件嵌入在曲柄臂区域内的主轴轴颈和曲柄轴颈的出口孔中，这些衬套在曲柄臂的基材中建立预应力，该预应力在曲柄臂截面上或至少在其圆周上基本上是均匀分布的。通过这种胀撑件，通过叠加抗压预应力有目的地对曲轴的薄弱的、受形成裂纹危及的区域施加影响，因此，本发明的胀撑件最好用在这种场合。

锥形圆盘也可作为胀撑件来设置，这种锥形圆盘在受压时会弹性或塑性变形并在径向增大。最简单的形式是将锥形金属薄板圆盘嵌入在曲柄臂上的出口孔中并通过机械方法把圆盘压平。另一种装置是将锥形圆盘成对地相互反向设置并在中间相互反向拉紧。可以把一对圆盘嵌入相应两个相邻的曲柄臂中并把这一对圆盘拉紧，也可以分别将一对紧凑地相邻的圆盘嵌入在一个曲柄臂区域内的相应一个出口孔中。拉紧可以通过设有螺纹段的拉杆来进行或通过将跟锥形圆盘连成一体的中间套管用机械方式或液压方式来扩张。在上述各种情况中，均是通过拉平或压平锥形或圆拱形的圆盘发挥其作用。这些圆盘应分别放置在曲柄臂范围内的曲柄轴颈的和主轴轴颈的出口孔中的平面内。

与上述曲柄臂加固措施相结合，除在主轴轴颈和曲柄轴颈的出口孔中设置胀撑件外，还在位于轴颈截面以外的曲柄臂上的开孔内嵌入其它胀撑件。这里指的可能也是圆形套筒或圆形轴颈，但这些胀撑件最好用 在近似圆形或卵形曲柄臂上，这种形状的曲柄臂特别适于嵌入截面为楔形或月牙形的胀撑件。轴向压入时，这些胀撑件可为锥形或棱柱形。也可以通过将待插接的另部件分别预冷收缩与预热膨胀然后接合、在温度平衡后建立了预应力。在此应力求应力均匀分布，特别是在曲柄臂的边缘区域内。

按照另一种推荐的组合，也可将套筒形胀撑件嵌入主轴轴颈和曲柄轴颈的圆筒段内，这些胀撑件在主轴轴颈和曲柄轴颈的基材中也建立切向预张力。显然，前面提到的嵌入曲柄臂上的开孔中的胀撑件已经部分地起到这种作用。在推荐的设计结构中，设置了圆筒衬套作为轴颈的胀撑件，这些圆筒衬套被超出其弹性极限地塑性扩张。在材料消耗是小的并且材料是比较便宜的条件下，使轴颈区域的抗弯、抗压屈和抗扭强度得到了改善。需要强调的是，这里阐述的细节也具体涉及整体结构的，例如经过镗孔的或空心铸造的曲轴，在一种特殊的分段组成的曲轴的结构中，起加固作用的、在轴颈中建立切向拉应力的衬套件同时也对相互插接的轴颈部分的连接产生压紧的作用。

尽管前面描述过，锥形圆盘只是作为在曲柄臂区域内的胀撑件，而圆筒衬套则是作为在轴颈区域内的最好的胀撑件，因此要指出，两种胀撑件的使用范围是可以毫无困难地互相置换的，换言之，在轴颈中可以嵌入分立的可撑开的圆盘物体的装置，也可以在曲柄臂区域内优先使用可扩张的衬套。不仅可以通过液压方式，而且还可以通过机械扩张手段使上述衬套抗御了基材的弹性变形而塑性扩张。此外，也可选用衬套跟附加嵌入的圆盘物体或堵头结合的结构，达到补充加固的目的，以防止圆的空心部位变成卵形。

虽然，用衬套的塑性扩张来抗衡曲轴材料的弹性预应力被称作推荐的生产方法，在这方法中，所选用的材料必须具有自内往外增大的屈服点，用带有间隙相互插接的不同温度的零部件进行热接合（收缩、膨胀 同样是一种合适的生产方法。此外，只要能接触到，用轴向压入来形成相应的压配合也是可行的生产方法。

一种特别适用于由在轴颈部位分开的节段组成的曲轴的胀撑件或张力构件的推荐的结构是一个相互连接在一起的带台阶的衬套，该衬套既嵌入轴颈区域内的通孔中，也特别以直径缩小的一端伸展进入曲柄臂区域内的通孔之中。由于主轴轴颈和曲柄轴颈两者搭接，在一种推荐的结构中在曲柄臂区域内设有多个在半个圆上偏心设置的圆孔。可把分立的可扩张的衬套嵌入这些圆孔之中。通过径向圆盘件或通过前述的锥形圆盘，可在空心的曲轴的轴颈内部分隔出封闭的空腔。在另一种推荐的设计结构中，这些空腔可用诸如陶瓷或塑料颗粒这样的减振材料来填充。

在附图中示出了本发明的推荐的实施例。其中：

图1是一个带有衬套作为张力和连接装置的曲轴段的剖视图;

图2是按图1的箭头A-A看的剖视图;

图3是按图1的箭头B-B看的剖视图;

图4是一个带有衬套和锥形圆盘作为张力装置的曲轴段的剖视图;

图5是一个带有锥形圆盘作为张力装置的曲轴段的剖视图。

图1示出一个曲轴的一个节段，该节段包括两个通过一个曲柄轴颈3相互连在一起并在其上接有空心的主轴轴颈4、5的曲柄臂1、2。在曲柄臂上设有配重6、7。曲柄轴颈3由互相插接的轴颈凸出部23、24组成，这两个轴颈凸出部通过嵌入的衬套26连接和施加预应力。跟衬套26不相关的圆筒形衬套27、28嵌入通孔10的出口孔29、30内;这两个圆筒形衬套也跟衬套26一样通过机械方式或最好是液压方式扩张。主轴轴颈4、5跟曲柄轴颈3同样分别由相互插接的轴颈凸出部33和34、35和36组成，在这两对轴颈凸出部内分别嵌入扩张衬套39和40用以建立预应力并把轴颈凸出部连在一起。有跟这两个扩张衬套不相关的圆筒形衬套41和42在曲柄臂的区域内分别嵌入通孔48和49内，这两个圆筒形衬套 也是通过液压方式或机械方式使其塑性变形，并在曲柄臂区域内建立预应力。

图2以沿图1中的A-A线切的剖面示出主轴轴颈4由轴颈凸出部33、34连在一起来组成并在其内嵌入衬套39作为连接装置与预应力构件。从视图中可以看出曲柄臂在空心曲柄轴颈的出口孔29旁边还设有圆形出口孔56、57，跟出口孔29通过衬套27扩张和建立预应力一样，通过衬套58和59对这两个出口孔进行扩张和建立预应力。在其旁边还可以看到在曲柄臂中有形成筋的不贯通的凹槽或通孔52、53、54、55，其内嵌入成型件60、61、62、63作为胀撑件。

图3以沿图1中的B-B线切的剖面示出曲柄轴颈3由轴颈凸出部23、24连在一起来组成并设有内衬套26作为预应力构件，在曲柄轴颈上可以看到出口孔30。在图中示出的曲柄臂2中，在设有衬套42的通孔49附近可看到还有两个也设有扩张衬套66、67的出口孔64、65。其它形成筋的不贯通的凹槽或通孔68、69、70、71用成型件72、73、74、75作为胀撑件来建立预应力。

图4示出了有两个通过一个曲柄轴颈3连在一起并在其上接有主轴轴颈4、5的曲柄臂1、2的又一个曲轴。在曲柄臂上设有配重6、7。曲柄轴颈3由互相插接的、外面还有一个套筒25包住的轴颈凸出部23、24组成。这个套筒25用适于做轴承的、同时能承受高预应力的高强度材料制成。在曲柄轴颈的通孔10内装有一个带台阶的衬套26，其中段匹配地插入在轴颈凸出部内，其与该中段连接的、直径较小的圆筒形节段27、28伸展进入到曲柄臂中的出口孔29、30中。通过特别是液压方式使衬套26、轴颈凸出部23和轴颈连接段27、28塑性扩张，在轴颈凸出部24和外套筒25以及在曲柄臂1、2区域内的材料内形成了预张力。在出口孔30内在衬套节段28内外加地嵌入锥形圆盘50，该圆盘通过外加塑性变形、例如通过机械加压，能够促成预应力的支撑作用以及加固了圆柱 孔。由于带台阶的衬套，在曲柄轴颈内部形成了环形空腔31、32，其内可用减振材料来填充。主轴轴颈4、5以跟曲柄轴颈3同样的方式也分别由跟曲柄臂成一体结构的轴颈凸出部33与34、35与36连在一起来组成，这两套连在一起的轴颈凸出部又分别由夹持套筒37、38包住。在通孔8、9内嵌入跟带台阶衬套26类似结构的衬套39、40，其上分别带有伸展进入在曲柄臂区域内的出口孔48、49中的直径较小的衬套凸出部41、42。通过衬套39、40和轴颈凸出部34、35的塑性扩张，在轴颈凸出部33、36和套筒37、38中产生预应力，同时把各轴颈凸出部相互连接在一起以及在曲柄臂中产生预应力。在曲柄轴颈2内，同时把一对通过连接套管45相互连成一体的锥形圆盘43、44嵌入衬套凸出部42内。通过对连接套管45进行机械方式或液压方式扩张而对圆盘43、44加压并从而促成对衬套凸出部42进一步施加预应力以及加固了圆柱孔。由于衬套39、40而形成了环形空腔46、47，其内可用减振材料来填充。

图5示出一个在两个曲柄臂1、2的部位通过曲柄轴颈3相互连接、并在其凸出部接有主轴轴颈4、5的简单的一体制造出来的曲轴的截面。曲柄臂1、2在其与曲柄轴颈3相反的部位上分别设有配重6、7。主轴轴颈具有其直径在曲柄臂区域内缩小的通孔8、9。曲柄轴颈3有一个贯通的带台阶的通孔10。分别有成对地反向设置的锥形圆盘15与16、17与18嵌入在曲柄臂1、2区域内的主轴轴颈4、5的出口孔48、49之中。在曲柄轴颈3的通孔10的出口孔29、30中也相应地设有这种成对地反向设置的锥形圆盘11与12、13与14。在曲柄轴颈3的通孔10内的圆盘对之中分别嵌入了带旋向相反的螺纹段以将圆盘相向拉紧的螺杆19、20，而在曲柄轴颈4、5的通孔8、9内的圆盘对则通过空心铆钉21、22分别相互相向拉紧。肯定还有其它相似的拉紧手段。图中示出的直径沿朝外方向缩小的通孔的形状为锻造的曲轴在轴颈部位装合、例如通过在轴颈中分面上对焊，提供了条件。

在图4和图5所示的实施例中，在剖切平面之外也有其它胀撑件嵌入在曲柄臂上的其它开口中并在其内扩张，或轴向压入这些开口中。

Claims (17)

1、带具有在曲柄臂上露头的通孔的空心轴颈的曲轴，其特征在于，在曲柄臂(1、2)的横截面上分布的胀撑件(Spreizmittel)(27、28、41、42、58、59、60、61、66、67、72、73)嵌入在主轴轴颈(4、5)与曲柄轴颈(3)的部位内的开孔(29、30、48、49、56、57、52、53、64、65、68、69)内，这些胀撑件在曲柄臂的材料内建立并保持着一个持久的预应力。

2、按权利要求1的曲轴，其特征在于，胀撑件嵌入在主轴轴颈（4、5）与/或曲柄轴颈（3）内的通孔（8、9、10）内，这些胀撑件在曲轴的轴颈的材料内建立并保持着一种持久的预应力;圆筒形衬套（27、28，41、42，58、59，66、67）作为胀撑件设置在曲柄臂（1、2）内，这些胀撑件特定地被超出其弹性极限地塑性径向扩张。

3、按权利要求1的曲轴，其特征在于，在曲柄臂（1、2）上，胀撑件（62、63、74、75）嵌入在轴颈横截面之外的开孔（54、55、70、71）内，这些胀撑件在曲柄臂的材料内建立并保持着一种持久的预应力;截面为圆形或月牙形的、具有特定地沿纵向是锥形或棱柱形的形状的成型物体作为胀撑件嵌入或压入曲柄臂内，建立了持久的预应力。

4、按权利要求1的曲轴，其特征在于，锥形圆盘（11、12，13、14，15、16，17、18，43、44）作为胀撑件设置在曲柄臂（1、2）内，这些锥形圆盘通过弹性或塑性变形变成平的圆盘而径向扩大。

5、按权利要求4的曲轴，其特征在于，锥形圆盘（11、12，13、14，15、16，17、18，43、44）成对地反向设置并在中间沿轴向相向拉紧。

6、按权利要求5的曲轴，其特征在于，锥形圆盘（11、12，13、14）通过拉杆（19、20）或通过空心铆钉（21、22）而沿轴向相互相向拉紧。

7、按权利要求5的曲轴，其特征在于，锥形圆盘（43、44）通过将一体形成的连接套管（45）扩张而沿轴向被拉紧。

8、按权利要求1至7中之一项的曲轴，其特征在于，曲轴设计成整体锻件或铸件。

9、按权利要求1至7中之一项的曲轴，其特征在于，曲轴是由在曲柄轴颈与/或主轴轴颈（3、4、5）的区域内对焊的、特定的分立锻件制成。

10、按权利要求1至7中之一项的曲轴，其特征在于，曲轴是由设有相互插接的、相对压紧的或相互焊接在一起的、曲柄轴颈与/或主轴轴颈（3、4、5）的轴颈件的分立节段制成。

11、按权利要求1至7中之一项的曲轴，其特征在于，用作设在曲柄臂（1、2）内的胀撑件的圆筒形衬套（27、28）跟衬套段（26）设计成一整体，圆筒形衬套（41、42）分别跟衬套段（39、40）设计成一整体，这些衬套段用作曲柄轴颈与主轴轴颈（3、4、5）的胀撑件，必要时也可用作曲柄轴颈与主轴轴颈的压紧件（Verspannmittel）。

12、按权利要求1至7中之一项的曲轴，其特征在于，用于插装式主轴轴颈（4、5）的胀撑件与压紧件由一个直径较大的中段衬套（39、40）与同轴地连接在其两端上的直径较小的衬套（41、42）构成。

13、一种制造如权利要求1所述的、带有在曲轴柄上露头的通孔的空心主轴轴颈与空心曲柄轴颈的曲轴的方法，将胀撑件同轴地嵌入轴颈的通孔内，其特征在于，胀撑件通过从内向外扩张在曲柄臂的材料内建立并保持一个持久的预应力。

14、按权利要求13的制造曲轴的方法，其特征在于，胀撑件通过液力内压力而扩张。

15、按权利要求13的制造曲轴的方法，其特征在于，胀撑件通过机械方法胀撑或扩张。

16、按权利要求13的制造曲轴的方法，其特征在于，在装配前将胀撑件冷却与/或将曲柄臂加热，并在相互插接后达到温度平衡。

17、按权利要求13的制造曲轴的方法，其特征在于，胀撑件以过盈配合轴向压入。

Images