CN1027189C - 内燃机曲轴 - Google Patents

Abstract

内燃机曲轴为用热装/冷缩连接的曲柄臂与销件的全组合件或半组合件。至少配合的热装/冷缩表面之一设有摩擦增高材料，该材料可以包括镍涂层，或硬度比臂或销件的基础材料高得多的颗粒，或为一种包括埋于镍基质(11，12)中的硬颗粒的涂层，摩擦增高涂层增加了热装/冷缩面的转矩传递能力，冷缩/热胀应力降低，从而可制造重量较小的曲轴。

Description

本发明与一种内燃机曲轴有关，其类型为销件与曲柄臂通过热/冷装连接。

当将一个内燃机曲轴通过热/冷装连接时，其含义一般指全组合曲轴或半组合曲轴，在全组合曲轴中每一个曲拐借助于将一个曲柄销牢固地热/冷装于两个曲柄臂销孔中来组装，然后将各个曲拐用主轴颈连接，主轴颈也同样借助于热/冷装紧固在曲拐臂的销孔中。在半组合曲轴中预锻或预铸的曲拐，借助于将销件热/冷装在曲柄臂的孔中来连接。如英国专利第1，345，769号所述，曲拐也可改用环形销件连接，环形销件在外面牢固地热/冷装在与相应曲拐相连的两个轴向相对延伸销上。

由于在发动机工作时，必须保持曲拐相互的角度关系，尤其轴转矩的传递能力，被热/冷装配合面积及垂直作用在该表面上的热/冷装力所限定。由于材料在热/冷装表面周围区域的流动性是不希望的，故理想的热/冷装力和热/冷装孔周围材料必要厚度之间有直接的关系。要求不断减小曲轴重量和其传递力矩之间的比率，导致了铸造曲轴的使用，但这种铸造曲轴比全组合或半组合的轴要昂贵。

本发明的一个目的，是减小上述类型曲轴的轴重与最大容许转矩的比率。

按照这一观点，本发明的轴的特点为至少在一个配合的热/冷装表面上，设有摩擦增高材料。

与先有技术的曲轴比较，并由于热/冷装表面之间的摩擦增高材 料产生的较高的摩擦系数，对于同样的转矩和同样的热/冷装面积，轴可用较小的热/冷装力将该轴保持在一起，即装配后的轴的热/冷装面之间的表面压力较小。这样便降低了曲柄臂的应力值，从而可减小臂的截面积，减轻重量，尤其在曲柄臂的区域内，在发动机工作期间，那里只存在较小的动量载荷。

曲轴重量的这种可能的减小，对大型低速内燃机是特别有利的，在某些情况下为了便于搬运，在向发动机底架上安装时必须将轴分为两组装件，在普通的曲轴车床和曲轴装配台中，最大提升能力达到180顿，相当于8或9气缸发动机的已知热/冷装轴的重量。假如发动机要用10至12个气缸组装，必须将轴分为两部件，对于凸轮轴为链驱动的发动机，在中部位置上的链轮处装配。就本发明的曲轴较轻的情况下，要求曲轴分开的气缸数目提高了，因此，具有许多气缸的发动机可用不分开的曲轴来制造，其链轮配置在发动机的端部，从而除了可降低曲轴的制造成本外，还可使发动机的长度较短。

还可利用曲柄臂的较低应力值来减小曲柄销与主轴颈的中心距，导致连杆减短，并降低发动机高度。

当将销件设计成热/冷装在曲柄臂上的轴向延伸孔中的轴向延伸销时，从工艺及成本考虑可仅在销的外周的热装/冷缩面上设有摩擦增高材料。在一个优先实施方案中，本发明的效果的提高在于在销的外周上和孔的圆柱内周上的配合热/冷装面上，都设有摩擦增高材料。

在某一方案中，摩擦增高材料可以是镍涂层，在钢件上滑动时提供高摩擦力，而在镍上滑动时，摩擦力更加增高。镍涂层可涂成任何需要的厚度。对于小曲轴，举例而言，采用等离子涂布或化学沉积涂层可以很薄，而较大的轴则可用热涂布。

在第二实施方案中，摩擦增高材料中可含有颗粒，最好用金钢砂粉末，比曲轴或轴颈件的基础材料硬度高得多。在热/冷装前，将颗 粒分布在一个或两个配合热装冷面上，例如将其用诸如脂肪等的粘性液粘附，或将其用胶粘在表面上，当将组件热/冷装连接时，硬颗粒陷入两热/冷装面内，在里面形成某种微齿，很大提高热/冷装面的转矩传递能力。金钢砂粉特别适合作颗粒材料，因其硬度非常高，结晶成化学性能非常稳定的金钢石结构，从而可在发动机的全部使用寿命中，获得高度可靠性、防止颗粒向周围钢结构中转移，或为其吸收。

在第三实施方案中，颗粒埋入金属基质，基质为镍涂层有利，然后可将上述摩擦增高性能结合于该涂层中。

现参照颇为简略的附图通过实施方案，详细说明本发明，附图如下：

图1及2分别表示半组合曲拐的带局部剖面的侧视图，和端视图;

图3为主轴颈侧视图;

图4为一组合曲轴的侧剖视图;

图5至7表示通过本发明三种不同曲轴结构的热/冷装面的放大比例横剖视图。

图1及2所示的半组合曲轴的曲拐可用锻造或铸造制造，有两个臂2和一个连接的曲柄销3。每一臂有一个轴向伸展的孔4，其基本为圆柱形的内侧，构成两个相关的热/冷装面之一。图3表示销5，有三个沿轴向分隔的基本圆柱形段，中间的一段为轴颈面6，销末梢两端段7，各构成另外的热/冷装面，在轴的配装状态下被约束在相关的孔4中。

按已知的方法，通过将曲拐夹持曲轴装配台上，使相互间成正确角度，对曲拐臂加热和/或将销5冷却，然后将销的区段7插入孔4中可将各曲拐1连接成一个完整的轴。销相对于孔设计成这样的超差尺寸，当该两部件达到相同温度时，产生使该两件牢固连接所需要的热/冷装应力。

在下文中，与上述元件有相同功能的元件，无论是全组合或半组合轴分别标以相同的标号。在图4所示的全组合曲轴的曲拐1中，随着销件5被热/冷装在曲柄臂2的孔中，主轴颈和曲柄销便被制成。

随后的图5至7表示销件5与曲柄臂之间的过渡区，图的比例很大，从而可见相关热/冷装面上的摩擦增高材料。

在图5中，销件的热/冷表面7涂有镍层8，孔4的内侧面也同样涂覆镍层9。与已知的无涂覆层的钢表面比较，两部分上的镍涂覆层约提高两表面间的摩擦系数200%，而仅在一个部分上的镍涂覆层，一般仅在销件上，约提高摩擦系数50%。可将所要求的热/热装应力或热/冷装面的面积，按与摩擦系数变化的反比改变，亦即容许转矩相同时，可使现成的曲轴的重量减小。两部分上有镍涂覆层时，例如，在围绕销件5的径向最外半部的环形区上配置的臂材料重量，约可减小20%。

镍涂覆层可通过电沉积，或用等离子涂覆或喷雾作热涂布。

如图6所示，通过将比臂或销件5的基础材料硬度高很多的颗粒10涂在至少一个热/冷装面上，还可将摩擦系数更为提高，如上所述，该颗粒当被压入两部分上时，造成某种微齿，从而在达到相同温度时，互相销紧。

假如使用了硬度高的铁磁材料，诸如CrO₂作颗粒材料，则至少可在一个热/冷装面上设置颗粒，在将轴连接时，不需用粘合剂将颗粒粘在热/冷装面上。在将两个部件放在曲轴台上后，至少将一个部件磁化，从而在将铁磁颗粒散布后，颗粒由磁性保持在热/冷装面上，直到将各部分互相插接。热/冷装时，假使两部件中的一个受热，必然将冷的部件磁化。磁化可用电磁铁进行，或用绕在一个部件上的电磁线圈。这种在热/冷装面上设置摩擦增高材料的方法是有利的，因为能很快在现有的曲轴制造车间中应用，仅需增设磁源。

图7表示第三实施方案，其热/冷装面上设有含硬颗粒10的金属涂层11，12。假如希望将颗粒10，例如金钢砂粉末牢固粘在热/冷装面上，并且希望臂和销件转移到轴装配现场前已制成，则这一方案是有利的。可将金属基质作为均匀厚层涂布，具有这样的精确厚度，使得在装好的轴上的热/冷装应力达到预定的大小。可用等离子喷涂，将含颗粒的涂层涂布到热/冷装面上。

借助于相关表面上的颗粒几何形状互锁而获得的热/冷装面的改善的转矩传递能力，还可以进一步提高，因为金属基质用镍制造，使设有颗粒的基质表面区域中的摩擦系数增大。尽管该图表示了在两个部件2及5上有基质涂层，当然可以仅在一个部件的热/冷装表面上涂布。

曲轴可改用环形销件装配，环形销通过热/冷装，固定在与相应曲拐相连的两个轴向相对伸展的销的外面，在此情况下，相关的曲轴表面包括环的内侧和销的外侧，但至少一个热/冷装配合面，与上述情况很相似，可设有摩擦增高材料。

Claims (10)

1、一种内燃机的曲轴，其类型为有一个销件(5)和一个曲柄臂(2)，通过热/冷装连接在一起，其特征在于至少配合的热/冷装表面之一，设有摩擦增高材料(8，9；10；11，12)。

2、如权利要求1所述之曲轴，其特征为销件为用来热/冷装于曲柄臂的轴向延伸孔（4）中的轴向延伸销（5），在销的周缘上的和孔的圆柱形内侧上的配合热/冷装面上，都设有摩擦增高材料（8，9;10;11，12）。

3、如权利要求1所述之曲轴，其特征为销件为用于在外面热/冷装在与相应曲拐相连的两个轴向相对延伸的销上的环，在环内侧和销外侧的配合热/冷装表面上，设有摩擦增高材料。

4、如权利要求1所述之曲轴，其特征为其中的销件为用于通过热/冷装紧固在曲柄臂孔（4）中的轴向延伸销（5），销的两个圆柱形热/冷装表面（7），设有摩擦增高材料（8，9;10;11，12），而中部的轴颈面（6）上没有这种材料。

5、如权利要求1至4中任一项所述之曲轴，其特征为摩擦增高材料为镍涂层（8，9）。

6、如权利要求1至4中任一项所述之曲轴，其特征为摩擦增高材料中含有比曲柄臂（5）和销件（5）的基础材料硬度高得多的颗粒（10）。

7、如权利要求1至4中任一项所述之曲轴，其特征为摩擦增高材料为包括埋有硬度比曲柄臂（2）及销件（5）的基础材料高得多的颗粒（10）的金属基质（11，12）的涂层。

8、如权利要求1至4中任一项所述之曲轴，其特征为所述摩擦增高材料包括金钢砂粉末颗粒（SiC）（10）。

9、如权利要求1至4中任一顶所述之曲轴，其特征为摩擦增高材料包括一种含镍的金属基质（11，12）。

10、如权利要求1至4中任一项所述之曲轴，其特征为摩擦增高材料包括CrO₂（10）。

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