CN103157769A - 曲轴的制造方法 - Google Patents

Abstract

曲轴在模具内铸造，以限定多个销支承轴颈和多个主支承轴颈、多个销支承轴颈和多个主支承轴颈的至少一个具有穿过其中的空心部分。单个型芯位于模具内，以形成所有空心部分。单个型芯可包括限定了椭圆形状的截面，以形成具有椭圆截面形状的空心部分，来进一步降低曲轴的重量。每一个空心部分都沿着将曲轴内的应力最小化的路径定位。该路径可包括相对于曲轴纵向轴线的非线性路径或相对于该纵向轴线成角度的线性路径，以弯曲或引导空心部分远离曲轴的高应力区域。型芯的非圆形截面可绕其自身的轴线呈螺旋状以最大化质量削减。

Description

曲轴的制造方法

技术领域

本发明通常涉及一种曲轴，更具体地涉及曲轴的一种制造方法。

背景技术

发动机的曲轴将活塞的往复线性运动转换为绕纵向轴线的旋转运动，来提供扭矩以驱动交通工具，交通工具例如但不局限于火车、船、飞机或汽车。曲轴是发动机的重要部分，是发动机设计的起点。曲轴的设计影响发动机的整体封装（packaging），从而影响发动机的总重量。因此，使得曲轴的尺寸和/或重量最小化可减小发动机的尺寸和重量，所述发动机的尺寸和重量对交通工具的整体尺寸、质量和燃油经济性有复合影响。

曲轴包括至少一个偏离纵向轴线的曲柄销，往复运动的活塞经由连杆附接于其上。由活塞施加至曲轴的力通过二者间的偏离连接（offset connection）在曲轴内产生扭矩，该扭矩使曲轴绕纵向轴线旋转。曲轴进一步包括至少一个主支承轴颈，其同心地放置在纵向轴线附近。曲轴在支承轴颈处被固定至发动机缸体。轴承设置在主支承轴颈附近，在曲轴和发动机缸体之间。

为了降低曲轴的重量，空心部分可形成在曲柄销和主支承轴颈内并延伸穿过曲柄销和主支承轴颈。曲轴通常通过铸造过程形成或生产，例如但不局限于湿型铸造过程或壳模铸造过程。形成在曲柄销和/或主支承轴颈内的任何空心部分在铸造过程中由放置在模具内的多个不同的型芯限定。这些不同的型芯中的每一个必须相对彼此以及模具精确定位，以在正确的位置正确地形成空心部分。

发明内容

提供了一种制造用于发动机的曲轴的方法。该方法包括形成模具的第一半部和第二半部以在它们之间限定空腔。该空腔形成曲轴的外部形状。曲轴的外部形状包括多个销支承轴颈和多个主支承轴颈。单个型芯位于在模具的第一半部和第二半部之间的空腔内。将熔融金属引入空腔以形成曲轴。熔融金属流入空腔内并围绕单个型芯，以同时形成延伸穿过多个销支承轴颈的至少一个和多个主支承轴颈中的至少一个的空心部分。

还提供了一种用于发动机的曲轴。该曲轴包括轴，所述轴具有多个主支承轴颈和多个销支承轴颈。至少一个主支承轴颈和至少一个销支承轴颈包括穿过其延伸的空心部分。主支承轴颈和销支承轴颈内的每个空心部分在铸造过程中由单个型芯同时形成。主支承轴颈和销支承轴颈内的每个空心部分沿着路径相对于轴的纵向轴线延伸，以使得轴内的应力最小化。

因此，主支承轴颈和销支承轴颈内的全部空心部分是由单个型芯形成的。因此，仅需要使单个型芯相对于模具正确地定位，以使所有空心部分自动地相对于彼此和模具定位，从而提高了空心部分的空间准确性，并提高了曲轴的生产效率。

从下文中对实现本发明的最佳模式的有附图的详细描述可知，本发明的上述特征和优势以及其他特征和优势是很明显的。

附图说明

图1是其上仍附接有单个型芯的曲轴铸件（cast crankshaft）的示意性平面图；

图2是沿图1中显示的切割线2-2剖开的示意性剖视图，其显示了单个型芯的截面形状以及曲轴铸件内的最终空心部分。

图3是用来铸造曲轴的、其内设置有单个型芯的模具的示意性平面图；

图4是曲轴的示意图；

图5是固接有单个非圆形型芯的曲轴铸件的可替换实施例的示意性透视图；

图6是非平面型芯的示意性透视图；

图7是沿图5中所示的切割线7-7剖开的示意性截面图。

具体实施方式

本领域技术人员将理解，诸如“上”、“下”、“向上”、“向下”、“顶”、“底”等术语是对附图的描述性的使用，不代表本发明保护范围的局限性，所述保护范围由附加的权利要求来限定。

参考附图，其中相同的附图标记在若干幅视图中代表相同的部件，曲轴大致显示在20。参考图1，曲轴20可被配置用于发动机，例如但不局限于汽油发动机或柴油发动机、压气机或其他类似装置。曲轴20包括沿纵向轴线24延伸的轴22，该轴22限定了多个主支承轴颈26、多个臂部27、多个销支承轴颈28以及至少一个配重件30。

主支承轴颈26绕纵向轴线24同心地放置。销支承轴颈28中的每一个横向地偏离纵向轴线24，且通过臂部被附接至主支承轴颈26。每个臂部从主支承轴颈26中的一个延伸至销支承轴颈28中的一个，并包括或不包括配重件30中的一个。每个配重件30径向地远离纵向轴线24延伸。每个主支承轴颈26支撑其附近的轴承（未示出），并提供用来将曲轴20附接至发动机缸体（未示出）的附接位置。每个销支承轴颈28绕其自身支撑轴承（未示出），并提供附接点，连杆（未示出）在该附接点处将活塞（未示出）附接至曲轴20。配重件30抵偿活塞、活塞环、活塞销和保持夹、连杆的小端的往复运动质量、轴承和连杆大端的旋转质量以及曲轴自身的旋转质量（销支承轴颈28和臂部27）的往复运动质量。主支承轴颈位于曲轴轴线24上且不要求任何配重件。配重件30降低作用在主支承轴颈上的力，从而提高轴承的耐久性。配重件30使曲轴20绕纵向轴线24的旋转平衡，以降低那里的振动。

图1中显示的曲轴20的实施例是用于直列式四缸发动机的，并包括四个销支承轴颈28、八个臂部27、五个主支承轴颈26以及四个配重件30。参考图4，图1中显示的曲轴20的示例性实施例示意性地显示为包括编号分别为90、92、94、96和98的五个主支承轴颈26；编号分别为100、102、104、106的四个销支承轴颈28；编号分别为108、110、112、114、116、118、120和122的八个臂部；以及编号分别为124、126、128和130的四个配重件30。如图所示，配重件124被附接至臂部108并从臂部108延伸，配重件126被附接至臂部114并从臂部114延伸，配重件128被附接至臂部116并从臂部116延伸，配重件130被附接至臂部122并从臂部122延伸。然而，应该理解的是，曲轴20可配置为不同于图1和4中所示。同样，曲轴20也可配置为用于任何类型和/或配置的发动机，包括但不局限于具有六个或八个气缸的V型发动机，或具有3、5、6或其他数量气缸的直列式发动机。另外，由于臂部27是曲轴20的结构部分，且配重件30仅用来降低力和振动，所以曲轴20可具有以任何构造附接到各臂部27的任何数量的配重件30。例如，直列式四缸曲轴可包括六个或八个配重件。因此，图1和4所示的以及这里描述的具体曲轴20仅仅是示例性的，且不应认为是对权利要求范围的限制。

至少一个销支承轴颈28和至少一个主支承轴颈26包括穿过其延伸的空心部分32。如下文将详细叙述的，销支承轴颈28和主支承轴颈26内的每个空心部分32大致沿着纵向轴线24延伸，但不必平行于纵向轴线24。曲轴20内的空心部分32减小用于形成曲轴20的金属的体积，从而降低了曲轴20的总重量。另外，通过降低销支承轴颈28（其横向地偏离纵向轴线24）的重量，配重件30的质量也可被减小了相应的量，从而进一步降低曲轴20的总重量。

每个空心部分32相对于轴22的纵向轴线24沿路径34延伸。每个空心部分32的路径34被配置为使轴22内、其各部件之间（即相邻的主支承轴颈26、销支承轴颈28和臂部27之间）的应力最小化。空心部分32的路径34可包括非直线路径，例如在36显示的，其被设计为使空心部分32弯曲而远离曲轴20的高应力区域（例如用54所显示），或可包括相对纵向轴线24成角度线性路径（例如在38显示的），以使空心部分32成角度地远离曲轴20的高应力区域54。销支承轴颈28和主支承轴颈26内的每个空心部分32的具体路径34以及每个空心部分32的截面形状取决于曲轴20的具体形状、尺寸和配置。

参考图2，每个空心部分32包括限定了一形状的截面。每个空心部分32的截面形状可包括但不局限于非圆形的形状。如图2所示，空心部分32的截面形状包括椭圆形。每个空心部分32的椭圆形的截面形状包括长轴40和短轴42。长轴40优选地包括但不局限于25mm至40mm范围的距离。短轴42优选地包括但不限于15mm至35mm范围的距离。空心部分32的椭圆形状使得用来形成曲轴20的材料的减少最大化，从而使其重量的减小最大化。

回头参考图1，多个主支承轴颈26的每一个和销支承轴颈26每一个内的每个空心部分32在铸造过程中由单个型芯44同时形成。单个型芯44形成为在其空心部分32的精确位置处穿过每个销支承轴颈28和主支承轴颈26延伸，而不妨碍或接触轴22的其他部分，例如但不局限于配重件30。

优选地，曲轴20通过铸造过程形成，例如但不局限于湿沙铸造（greensand casting process）或壳模铸造过程，如通常所理解的。同样，参考图3，制造或铸造曲轴20包括形成模具50的第一半部46和第二半部48，以限定二者之间的空腔52，该空腔52形成曲轴20的外部形状。第一半部46可称为上型箱或上半部，第二半部48可称为下型箱或下半部。如通常所理解的，形成模具50的第一半部46和第二半部48可通过以下方式形成：将模型（其限定了想要得到的曲轴20的最终外部形状的一半）压入湿沙或其他合适形式的介质内，而在其中留下那一半曲轴20的反向压印（negative imprint）。将第一半部46和第二半部48结合起来形成模具50时，反向压印在其中相连以完成空腔52并限定曲轴20的外部形状。曲轴20的外部形状包括销支承轴颈28、臂部27、主支承轴颈26和配重件30。如图1所示，曲轴20包括四个销支承轴颈28、八个臂部27、五个主支承轴颈26以及四个配重件30。因此，模具50的第一半部46和第二半部48形成为限定空腔52，所述空腔52形成了四个销支承轴颈28、八个臂部27、五个主支承轴颈26、具有配重件30的四个幅部（web），以及不具有任何配重件30的四个幅部（web）。然而，如上所述，销支承轴颈28和主支承轴颈26的具体数目可以不同于本文所描述和显示的示例性实施例。

如图1所示，单个型芯44形成为单个部件，具有穿过多个销支承轴颈28中的至少一个以及多个主支承轴颈26中的至少一个的形状。如图1所示，单个型芯被配置为在四个销支承轴颈28和三个主支承轴颈26内限定空心部分。例如，单个型芯44可通过通常所理解的用来形成型芯（在铸件内形成的空穴）的沙模铸造过程（sand molding process）形成。单个型芯44可形成为关于单个型芯44的纵向中心对称，从而使其是可颠倒的。这允许单个型芯44可容易地定位在模子50内，并有助于铸造过程防错。

如图1所示，单个型芯44可形成为包括一段材料，该段材料具有圆形或非圆形横截面并形成一平面形状。然而，为了将单个型芯44用于其他发动机配置中，单个型芯44可形成为包括具有圆形或非圆形横截面的一段材料，该段材料形成非平面的三维形状，例如如图5至7所示。另外，单个型芯44可形成为单个整体构件，以限定或形成主支承轴颈26和销支承轴颈28内的全部空心部分32，而不会接触或妨碍曲轴的其他部分，例如但不局限于配重件30。可替换地，单个型芯44可通过部分地限定曲轴20的一部分的方式形成，例如但不局限于主支承轴颈26、销支承轴颈28或配重件30。

如图2所示，单个型芯44的截面形状可形成为限定但不局限于椭圆形。单个型芯44的截面形状可沿线性路径或非线性路径延伸，并可替换地关于截面形状的中心轴线呈螺旋状。单个型芯44的截面形状限定和/或形成了空心部分32的截面形状。如上所述，椭圆形状包括长轴40（具有25mm到40mm范围的距离）和短轴42（具有25mm到35mm范围的距离）。单个型芯44的具体截面形状取决于曲轴20的具体尺寸、形状和构造，且被配置为使得用来形成曲轴20的材料的量最小化，同时仍提供具有所需的强度和/或刚度的曲轴20。因此，型芯的截面形状以及由此限定的最终空心部分32可不同于本文显示和描述的单个型芯44的截面形状。

单个型芯44形成为限定路径34，每个空心部分32沿该路径34延伸。因此，单个型芯44可形成为限定相对于纵向轴线24的非线性路径36。如上所述，非线性路径36可包括弯曲的或非线性的路径36或相对于纵向轴线24成角度的线性成角度的路径38，如上所述。每个空心部分32的路径34被配置为使得空心部分32弯曲或成角度，以远离曲轴20的高应力区域，从而在最小化曲轴20的重量的同时在曲轴20的高应力区域周围保留了尽可能多的材料以提高其强度。例如，曲轴20的、在相邻的主支承轴颈26和销支承轴颈28之间的区域54可被限定为高应力区域54。同样，路径34（空心部分32跟随该路径穿过相邻的主支承轴颈26和销支承轴颈28中的每一个）引导空心部分32远离相邻的主支承轴颈26和销支承轴颈28之间的交接处，从而使区域54内的材料最大化，以提高轴22的强度。

一旦单个型芯44正确形成为单个整体型芯（其限定了穿过主支承轴颈26和销支承轴颈28的全部空心部分32），则单个型芯44被定位在模具50的第一半部46和第二半部48之间的空腔52内。一旦正确地相对于模具50的第一半部46和第二半部48定位，则单个型芯44自动正确地定位，以形成穿过每个主支承轴颈26和销支承轴颈2的全部空心部分32。

一旦将单个型芯44定位在空腔52内且将模具50的第一半部46相对于模具50的第二半部48固定，则将熔融金属引入空腔52内以形成曲轴20。熔融金属流入空腔52并围绕单个型芯44，以同时形成延伸穿过每个销支承轴颈28和每个主支承轴颈26的每个空心部分32。将熔融金属引入（例如灌注）到空腔52内之后，允许熔融金属冷却和固化。一旦固化，则可将模具50的第一半部46和第二半部48分开，从而使曲轴铸件20和单个型芯44暴露出来。进而可通过破坏、碎片化和/或冲走形成单个型芯44的材料，将单个型芯从曲轴移除，从而留下其内形成有空心部分32的曲轴20。

由于单个型芯44形成为单个部件，所述单个部件不接触曲轴20，而不是位于空心部分32将要形成的位置，所以曲轴20的其余部分形成为不具有任何盲孔、凹陷等，其中所述盲孔、凹陷在使用多个型芯形成主支承轴颈26和销支承轴颈28内的空心部分32的铸造过程的一些现有工艺中可能发生。因此，可正确地定位曲轴20的质量，以最优地最大化其性能并最小化曲轴20的尺寸。

参考图5至7，曲轴的可替换实施例大致显示在220。曲轴220被设计用于V-8型发动机。曲轴220包括多个主支承轴颈226、多个销支承轴颈228以及多个配重件230。曲轴220的销支承轴颈228不沿共同平面布置。如此，单个的非平面型芯244用于在每个主支承轴颈226和销支承轴颈228内限定多个空心部分。

单个的非平面型芯244包括至少一个连接部分260。连接部分260包括表面，在该表面形成其中一个主支承轴颈226、其中一个销支承轴颈228或其中一个配重件230的至少一部分。这允许在该区域内增大非平面型芯244的尺寸，从而提高非平面型芯244的强度。最佳如图7所示，连接部分260包括径向的内表面262，其形成了其中一个主支承轴颈226的外表面264。然而，应该理解的是，单个的非平面型芯244可被形成为包括一个或更多其他连接部分260，该连接部分260其形成了其中一个销支承轴颈228、其中一个主支承轴颈226，或其中一个配重件230中的至少一部分。

参考图7，图7中显示的主支承轴颈226的空心部分232形成为绕空心部分232的中心266呈螺旋状。同样，非平面型芯244也包括类似的螺旋形状，以限定空心部分232延伸穿过主支承轴颈226的螺旋路径。空心部分232的这种螺旋配置允许优化最小短轴高度和距路径234的距离，以使得重量的减小最大化。应该理解的是，在主支承轴颈226和销支承轴颈228中的任何空心部分可沿着它们各自的中心延伸和绕它们各自的中心螺旋地延伸。

详细的描述和附图或图片是对本发明的支持和描述，但本发明的保护范围仅由权利要求来限定。尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。

相关申请的交叉引用

本发明要求申请号为No.61/570,511、申请日为2011.12.14的美国临时专利申请的优先权，其公开内容被合并在此作为引用。

Claims (10)

1.一种曲轴制造方法，该方法包括：

将单独的型芯定位在具有第一半部和第二半部的模具的空腔内，所述第一半部和第二半部形成曲轴的外部形状，其中曲轴的外部形状包括多个销支承轴颈和多个主支承轴颈；和

将熔融金属引入空腔内以形成曲轴，其中熔融金属流入空腔内并围绕单个型芯，以同时形成延伸穿过多个销支承轴颈中的至少一个以及多个主支承轴颈中的至少一个的空心部分。

2.如权利要求1所述的方法，其进一步包括将单个型芯形成为单个部件，以具有穿过多个销支承轴颈中的至少一个以及多个主支承轴颈中的至少一个的形状。

3.如权利要求2所述的方法，其中形成单个型芯进一步被限定为形成包括一段材料的单个型芯，该段材料形成平面形状。

4.如权利要求2所述的方法，其中形成单个型芯进一步被限定为形成包括一段材料的单个型芯，该段材料形成非平面三维形状。

5.如权利要求2所述的方法，其中将单个型芯形成为单个部件包括形成关于型芯的纵向中心对称的单个型芯。

6.如权利要求2所述的方法，其中形成单个型芯进一步被限定为形成包括一段材料的单个型芯，该段材料具有限定了非圆形截面形状的截面。

7.如权利要求6所述的方法，其中单个型芯的非圆形截面形状包括椭圆形。

8.如权利要求2所述的方法，其中将单个型芯形成为单个部件以具有穿过多个销支承轴颈中的至少一个以及多个主支承轴颈中的至少一个的形状包括：为至少一个空心部分形成限定了相对于曲轴的纵向轴线为非线性的路径，其中所述空心部分延伸穿过多个销支承轴颈中的至少一个或多个主支承轴颈中的至少一个。

9.如权利要求8所述的方法，其中非线性路径包括成角度的路径，所述路径相对于纵向轴线成角度，以直线地引导空心部分远离曲轴的高应力区域。

10.如权利要求2所述的方法，其中将单个型芯形成为单个部件包括：形成包括至少一个连接部的单个型芯，所述连接部具有表面，该表面限定了其中一个主支承轴颈、其中一个销支承轴颈或多个配重件中的一个的至少一部分。

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