CN102124235B

CN102124235B - 法兰轴承和法兰

Info

Publication number: CN102124235B
Application number: CN200880130446.9A
Authority: CN
Inventors: S·尤哈拉; E·阿尔梅达阿尔维斯; P·塞希罗特拉莫托
Original assignee: Mahler Metal Products Co ltd
Current assignee: Mahler Metal Products Co ltd
Priority date: 2008-05-20
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2015-09-23
Anticipated expiration: 2028-05-20
Also published as: CN102124235A; EP2294325A1; US20110200281A1; EP2294325B1; BRPI0822725B1; WO2009140745A1; BRPI0822725A8; BRPI0822725A2

Abstract

法兰，尤其开发成用在法兰轴承上并用于约束内燃机的曲轴，所述法兰（4）具有铸造油槽，其后带有或不带有斜面及在两槽之间的圆形垫，使得能够形成更好的润滑油膜。

Description

法兰轴承和法兰

技术领域

本发明涉及一种曲轴轴承，尤其是具有组装法兰且设计成适应高推力载荷的轴承，其轮廓（profile）促进了更好的油膜构造。法兰具有铸造油槽，其后带有或不带有斜面及在两槽之间的圆形垫。此外，法兰轴承支撑高轴向载荷。为了达到以上性能，该法兰包括特别设计的槽及新颖的和有创造性的轮廓。

背景技术

内燃机，如奥托柴油循环四冲程发动机，包括一个或多个连接到杆的往复活塞，其将活塞的线性矩（linear moment）转换为轴（称为曲轴）的旋转。活塞的线性运动在“爆发”冲程期间产生，并且其被转换为曲轴的旋转，这对于移动车辆或进行其它工作是有用的。

内燃机(以下简称IC发动机)的工作在概念上很简单，但是，由于涉及高载荷，很有必要避免曲轴的径向和轴向运动，否则发动机的耐用性和可靠性会严重降低。

约束曲轴、避免其径向和轴向运动的部件称为轴承。

几乎所有的发动机都具有至少两个主轴承，在曲轴的各端部各设置一个主轴承，且它们可能会具有与多于曲柄销数量的一个一样多。主轴承的数量是大数量轴承的过大尺寸、成本和稳定性及小数量的紧凑性、轻重量之间的折衷。这两种都有性能上的优点，因为较短的且更稳定的曲柄将产生更好的发动机平衡。

在二十世纪开始时，IC发动机通常具有很少的约束曲轴的轴承，因为这些旧发动机不能良好的接受高转速(转/分钟)，产生的动力并不显著。通常，当考虑所产生的动力量时，这些发动机还具有低能量效率和高燃料消耗量。

在19世纪60年代，发动机的发展主要着眼于提高能量效率，得到的发动机更小、更有效，因此能在更高转速下输出动力。这些因素的组合(高转速和更大输出动力)导致了轴承的高度发展。

更详细地描述，曲轴由一系列轴向间隔的发动机轴承(二、三、四、五、七个等)约束到发动机缸体中。每个发动机轴承都包括上半部轴承和下半部轴承，上半部轴承安置在缸体的弓形凹口中，下半部轴承由支撑轴承盖夹紧抵靠上半部轴承，该支撑轴承盖用螺栓连接到发动机缸体。

该组中至少一个发动机轴承设计成吸收曲轴在操作期间输入的轴向推力。该轴承称为推力轴承，且不同于其它轴承，因为它具有两个轴向间隔的径向向外突出的推力法兰(它们具有“C”形状)。

推力轴承呈现出相反的轴向向外导引的推力面，该推力面以其背部抵靠缸体的支撑表面而安置，并当有必要提供支撑时，与曲轴的相关联的叶片接合。通常这些推力法兰厚度均匀，并通常形成有油槽及轮廓（contour），以将液力油膜作用到轴承上。

只有曲轴半部轴承的一个或两个吸收轴向推力，它们的突出部需要高水平的制造。很明显，当只有一个推力垫圈支撑推力载荷时，承载法兰（loaded flange）上的单位载荷更高。

用于旋转曲轴的法兰半部轴承在一些现有技术文件中已有显示，简要讨论如下。

美国专利No.4,599,147提到一种分裂轴颈轴承，通过使用特殊的电镀架的方法能减轻压碎，该电镀架具有聚氨酯罩用于在电镀期间覆盖分裂轴承的端部。具有法兰的分裂推力轴承也可以根据本发明通过提供罩元件来制造，该罩元件在相邻轴承之间，以防止在法兰卸载（relief）区域或法兰槽处过度电镀。该方法消除了在轴承上形成减轻压碎区域的钻孔和/或打孔操作，而代替地是通过罩从所述区域排除过度电镀来提供所需的减轻区域。电镀架的特点是有可调节罩，其适应于接收大范围尺寸的轴承。

美国专利No.4,702,624提到一种包括滑动半部轴承的法兰半部轴承，滑动半部轴承通过凸焊刚性连接到一对法兰。在组装前在分离轴承部件上进行所有精加工操作，使得在焊接后得到成品。每个法兰设置有突起，其在凸焊过程中塌陷。凸焊防止对轴承耐磨材料的损害也防止轴承部件在焊接时变形。

美国专利No.4,714,356提到一种由径向轴承形成的用于旋转轴的复合推力轴环，其中，转动轴可以在该径向轴承中转动，至少一个轴向推力轴环防止轴的轴向运动，其特征在于径向轴承或一个或多个轴向推力轴环具有至少一个凸瘤，并且径向轴承通过沿着所述至少一个凸瘤焊接固定于轴向推力轴环，且所述至少一个凸瘤与径向轴承或轴向推力轴环以如下方式互连：使得如果焊接破裂，则轴承和轴环既不能相对于彼此旋转也不能相对于彼此径向布置。

美国专利No.4,488,826提到一种发动机轴承或衬套，其具有圆柱形轴承内表面，该内表面相对于轴承外表面略微偏移。偏移量非常小，该偏移的方向是大致远离暴露于最大载荷的轴承的部分。轴承内表面偏移，使得轴颈构件和轴承最大载荷部分之间的油隙最小，以降低那部分区域的油膜压力并增加油膜厚度。该偏移增加了轴颈构件和在轴承低载荷区域的轴承之间的间隙，以提高油的流速并降低油的温度。从高间隙区域到最小间隙区域的过渡是均匀的，使得油膜厚度也将均匀地增加到它的潜在最大值。

美国专利No.3,972,576提到一种具有法兰的法兰半部轴承，该法兰通过法兰上的凸耳连接到轴承衬里，法兰接合到衬里边缘中的槽中，以允许衬里径向弯曲。衬里边缘具有邻接部，以在衬里上保持法兰，且如从通过轴承轴线的横截面所看到的，轴承的法兰端部的内周边边缘的轮廓是弯曲的。

美国专利No.6,471,405提到一种组装的法兰轴承壳体，包括半壳形状的径向轴承部分及轴向轴承部分，该轴向轴承部分能够在一侧上固定到径向轴承部分的轴向前面的区域中，或包括部分环轮形状的轴向轴承部分，该轴向轴承部分能够在两侧固定。每个轴向轴承部分围绕其半径具有向内突出的保持舌部。保持舌部能够接合到径向轴承部分的轴向边缘部分区域中的保持凹口中。法兰轴承壳体在形成底切（undercut）的顶点两侧具有两保持舌部。底切从下面通过径向轴承部分的夹子接合，该夹子在轴向位于与每个相应开放边缘的保持凹口相邻。该夹子沿轴向方向从其延伸部沿周围向内弯曲到保持凹口中，以固定轴向轴承部分使其不会脱离。

美国专利No.5,363,557和5,192,136提到一种分裂的曲轴轴承组件，包括适应于共同环绕曲轴的两法兰半部轴承。法兰形成有油供给槽，其将法兰表面再分成推力轴承垫。每个垫都包括向着升起平台表面的正向斜面。旋转曲轴在平台表面上铺有一层油膜，在那里为轴提供液力推力支撑。为了便于在推力轴承垫轮廓上的紧公差控制，所进行的制造过程使得形成油供给槽并且在形成垫最终轮廓之前预设计推力面的大小。垫轮廓由铸造操作形成。

所示半部轴承提出配备有油供给槽或袋的径向推力轴承法兰，用于在法兰表面分配油，在旋转轴和静止推力轴承表面之间提供至少部分油膜支撑。美国专利No.4,488,826示出使用一种应用于径向轴承构造的楔形膜液力支撑。

通过定义，法兰轴承具有法兰，该法兰通过法兰上的凸耳连接到轴承衬里，法兰接合到衬里边缘中的槽中，以允许衬里径向弯曲。(美国专利No.3,972,576)。有若干方法将法兰与滑动轴承连接，如在美国专利No.6,471,405、No.4,702,624和No.4,714,356的专利中所提到的。

在承受高轴向推力载荷条件下，现有技术轴承提供的油膜支撑不能总是足以维持期望的轴和推力轴承之间的分离。油可能被挤出轴承-轴界面，以允许金属-金属的接触和相关联的推力轴承法兰表面的磨损。法兰上的更好的轮廓在部件加载期间有助于该部件建立油膜，如在美国专利No.5,363,557或美国专利No.5,192,136中示出的。

发明内容

本发明涉及一种用于发动机曲轴的三片组装半部轴承，以及一种通过确定的推力垫圈轮廓改进其载荷承载能力的方法。

每个半部轴承的径向延伸环形法兰都具有一组油供给槽(3至6个槽，分布在推力垫圈的180°上)，将法兰表面再分为多个推力轴承垫。由油泵通过供给槽泵送的油形成包覆曲轴的膜，避免曲轴在发动机工作时接触轴承。

在研究和开发后，申请人发现圆形垫与槽一起促进了在推力垫圈操作期间形成更好的油膜，提高轴承的耐用性，并因此提高如此配备的发动机的耐用性。

优选地，轴承通过称为铸造的制造过程而获得，因为通过该过程可在同样的冲压机器上获得槽和圆形轮廓。在该研究和开放期间，申请人发现，当槽是铸造的和垫轮廓是圆形时，铸造过程中需要较低载荷，并且从槽区域移除的材料在圆形垫上一致。作为对照，轴承以前的版本具有平表面，并需要较高的压模载荷。采用这种新铸造工艺方案，工具寿命也增加了，因此将降低工具更换或维护的成本。

法兰轴承包括一个主件，至少一个法兰从该主件径向向外突出，当轴向载荷施加时，该法兰能够径向弯曲。法兰具有轮廓，该轮廓包括至少两个通道，该至少两个通道等距地定位限定了它们之间的空间，该限定的空间具有至少两部分，其中第一部分限定了斜面，该斜面开始于通道，第二部分是弓形的。该通道由铸造形成，且该限定的空间具有圆形轮廓。

该斜面长度在2.5至4.5毫米之间，深度在0.050至0.150毫米之间，并且该空间高度在0.06至0.19毫米之间。

附图说明

图1是本发明的三片法兰轴承对象的透视图。

图2是本发明的三片法兰轴承对象的拆卸的透视图。

图3是图2所示的三片法兰轴承的法兰轮廓的示意图。

图4是2000 lbf撞击试验之后法兰轴承的当前法兰的视图。

图5是图4所示的法兰的试验结果的图形。

图6是2500 lbf撞击试验之后法兰轴承的当前法兰的视图。

图7是图6所示的法兰的试验结果的图形。

图8是2000 lbf撞击试验之后本发明的三片法兰轴承对象的法兰的视图。

图9是图8所示的法兰的试验结果的图形。

图10是2500 lbf撞击试验之后本发明的三片法兰轴承对象的法兰的视图。

图11是图10所示的法兰的试验结果的图形。

具体实施方式

本发明涉及一种改进的带有异型推力垫圈的组装法兰轴承，其由于特殊形状的法兰轮廓使油膜的效率提高而呈现出更高的耐用性。

正如已经提到的，IC发动机需要轴承以避免曲轴的径向和轴向运动，否则发动机的耐用性和可靠性会显著降低。曲轴由一系列轴向间隔的发动机轴承(三、四、五、七个等)约束到发动机缸体中。每个发动机轴承都包括上半部轴承和下半部轴承，上半部轴承安置在缸体的弓形凹口中，下半部轴承由支撑轴承盖夹紧抵靠上半部轴承，该支撑轴承盖用螺栓连接到发动机缸体。

该组中至少一个发动机轴承设计成吸收曲轴在操作期间输入的轴向推力。该轴承称为推力轴承，且不同于其它轴承，因为它具有两个轴向间隔的径向向外突出的推力法兰(它们呈“C”形状)。

推力轴承呈现出相反的轴向向外导引的推力面，该推力面以其背部抵靠缸体的支撑表面而安置，并当有必要提供支撑时，接合曲轴的相关联的叶片。通常这些推力法兰厚度均匀，并通常形成有油槽及轮廓，以将液力油膜作用到轴承上。

只有曲轴半部轴承中的一个或两个吸收轴向推力，它们的突出部需要高水平的制造。很明显，当只有一个推力垫圈支撑推力载荷时，承载法兰上的单位载荷更高。

带有异型推力垫圈的法兰轴承1，本发明的对象，包括主件2，该主件2与两个法兰4相关联。

主件2位于发动机缸体(特别是曲轴所定位的缸体部分，称为曲轴箱)和曲轴之间，避免后者相对于缸体的径向运动。主件可见于图2中。

主件2具有基本上“C”形状，包括至少一个孔(未显示)，该孔与发动机缸体的油沟可操作地相关联。因此，当发动机工作时，油泵供给加压油，该加压油经过该孔并形成油膜，该油膜为曲轴提供液力推力支撑，避免后者和主件2之间的金属-金属接触，这能严重降低这些部件的使用寿命。

主件2的侧部5具有至少一个，但优选是三个，用于定位法兰的孔/凹口6，将描述如下。

主件2能够由硬化和抛光的钢、软青铜或其它金属/合金制造。更优选地，主件由双金属材料、镀铝合金的钢背、AlSnSiCu合金、AlSnCu合金或其它材料制造。

每个法兰4都具有基本上180°的“C”形状，当推力轴承1组装好时，它从主件2上的相应侧部5径向向外突出(见图2和图3)。

由每个法兰4的主体限定的“C”的内表面3都包括三个突出部7，当推力轴承1组装好时(法兰4“围绕”主件2)，该三个突出部7占据由主件2的相应孔/凹口6限定的空间。显然，孔/凹口6和突出部7的数量和位置必须相当，以便使法兰4和主件2之间能够配合与关联。

法兰4的突出部7和主件的孔6之间的配合使得在曲轴施加轴向载荷时，法兰能够径向弯曲。

法兰4能够由硬化和抛光的钢、软青铜或其它金属/合金制造，即双金属材料、镀铝合金的钢背、AlSnSiCu合金、AlSnCu合金或其它材料。

本发明的推力垫圈1对象的创新依赖于法兰的轮廓(其主表面中的一个，尤其是面对曲轴的主表面)，这使得形成更好的油膜，一致地提高轴承的耐用性。在认真研究和开发过程中，申请人得出的结论是，在改变法兰的轮廓的情况下，他可以同时（concomitantly）降低轴承的制造成本并提高其耐用性。

法兰4的轮廓具有基本上180°并包括至少两个通道8，至少两个通道8等距地(彼此相距90°)位于法兰中并与发动机的油沟相关联。为了更好的操作，另一优选实施例能够具有三个或六个通道8。如果使用三个通道，它们相对于彼此以60°定位，如果设置六个通道，它们相对于彼此相距以30°定位。

两个通道8之间的空间包括两部分，第一部分9是开始于通道的直斜面，第二部分10是弓形的(从斜面9之后开始)。在一些优选实施例中，设置有第三部分，其具有与第一部分类似的斜面形式，从而将第二部分10连接到另一个通道8。更多细节见图3。

在优选实施例中，法兰4的轮廓具有以下特点:

-斜面9长度L:2.5到4.5毫米；

-斜面9深度h:0.050到0.150毫米；

-斜面长度和深度比:大约35；

-通道之间的空间的最大高度H:0.06到0.19毫米(包括斜面9和轮廓10的高度；不包括通道壁的高度)；以及

-没有突起物。

有了上述轮廓，法兰4的轮廓允许形成更好性能的油膜，并有助于其在法兰和曲轴之间建立，也就是说，将会避免曲轴和法兰之间的金属与金属接触，因为油不会被挤干。其结果是极大提高了这些部件的耐用性。

这些突起物通常是在法兰轮廓的通道由压模过程制造时而获得。突起物形成的主要特点是它位于靠近通道(在斜面中)处，由压制材料形成。突起物比与其相邻部分的高度高，导致更糟的油膜性能，因为在某些情况下当发动机工作时突起物的高度会破坏油膜。

因此，有时需要进行加工操作来去除突起物，这增加了法兰的成本。

另一方面，本发明的推力轴承1的法兰4的通道8由铸造过程制造，它既便宜又不会导致形成突起物。在铸造过程中，法兰垫的圆形轮廓及弯曲半径适应压制/变形材料，避免形成突起物。

因此，没有必要使用其它制造过程以获得能够形成提高性能的油膜的法兰。

本发明的推力轴承1的法兰轮廓允许形成和维护油膜，并且一些研究和开发允许申请人得出的结论是具有六个通道的圆形轮廓与现有技术相比，轴承的载荷能力提高到8倍。

下面表1包括三个优先实施例的特点:

表1

本发明的对象非常成功地完成了台架试验，显示出优良的性能，并在2000 lbf撞击试验时显示只是轻微标识图案（marking pattern）(比现有技术的部件显著减少)。即使在2500 lbf撞击测试之后，标识图案也是轻微的(当前部件经常在该载荷下卡住（seizure）)。更多细节见图4至图11。

测试描述总结:

1.撞击试验(见以下表2)

该试验由Modified Underwood机器进行，并在试验中具有指定和控制参数。

-目的:

模拟快速换挡

-批准的标准:

高于转矩变换器上所测量的最大轴向载荷50%。

-程序:

间歇性恒定载荷应用:施加载荷10秒/停止载荷10秒

表2

	撞击试验
		轴速(rpm)	3060
面（cheek）材料	球墨铸铁(ASTM A 536-Class 65-45-12)^*
		粗糙度-Ra(μm)	0.20-0.25
面硬度	30 HRC
		油类型	SAE 30
进口油温度	95±5(℃)
		油流速	1升/分钟
油压	1.5 bar
		应用载荷模式	10s开/10s关，30分钟，组装检查，10个循环中250 lbf
故障检测模式	如果钢背温度达到180 ℃，或发动机电流达到9 A。

另一优点是，为生产本发明的法兰只需要改变一个加工（tooling）阶段。

制造根据本发明的推力轴承是可能的，其主件和法兰实际上都是单件。另外，值得注意的是，法兰4本身也是所附权利要求所包括的一项发明，也就是说所述法兰也可以用作法兰轴承衬套的法兰。

一些优选实施例已经被描述，应该理解的是本发明的范围包括其他可能的变化，仅受所附权利要求的内容限制，所附权利要求的内容包括可能的等同物。

Claims

1.用于法兰轴承上的法兰，当施加轴向载荷时，所述法兰(4)能够径向弯曲，其特征在于：

-所述法兰(4)具有圆形垫的轮廓，所述轮廓包括六个铸造通道(8)，所述铸造通道(8)分布在所述法兰轴承的180度上，所述铸造通道相对于彼此相距以30°定位，所述铸造通道在所述法兰轴承上径向延伸并且等距地定位限定了它们之间的空间；

-所述铸造通道之间的所述限定的空间的特征在于具有圆形轮廓，该圆形轮廓包括至少两部分，其中第一部分限定了直斜面(9)，所述直斜面(9)开始于通道(8)之一，并结束于第二部分(10)的开始；

-所述第二部分(10)是弓形的；

-两个通道(8)之间的空间还具有第三部分，所述第三部分具有与由所述直斜面(9)限定的第一部分类似的斜面形式，该第三部分将所述第二部分(10)连接到另一通道(8)；

-所述斜面(9)具有长度和深度，所述长度在2.5至4.5毫米之间，所述深度在0.050至0.150毫米之间；

-所述斜面(9)的长度和深度比基本上为35；

-所述两个通道(8)之间的空间的高度在0.06至0.19毫米之间，所述两个通道(8)之间的空间的高度值包括所述斜面(9)和所述第二部分(10)的高度，而不包括所述通道的壁的高度。

2.根据权利要求1所述的法兰，其特征在于，所述两个通道(8)之间的空间由铸造形成。

3.根据权利要求2所述的法兰，其特征在于，所述两个通道（8）之间的限定的空间没有突起物。