CN104302447A - 提高机轴,特别是曲轴的强度的方法和工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高机轴，特别是曲轴的承载面的强度的方法和辊压工具，通过切削预先制备该承载面，其中曲轴的主轴颈及连杆轴颈的圆柱形表面和轴颈的圆柱形表面具有附加的油道。根据该方法，用至少一个圆柱形辊压体辊压至少一个承载面，该辊压体具有一种表面构造，并在承载面的宽度上延伸。接着以微切削深度对经过辊压的承载面进行切削加工。该辊压工具由一个圆柱形辊压体和一个相对的支撑体组成，其中该辊压体在其圆柱形表面具有若干加厚部分，它们或沿圆周方向，或沿轴向，或相对于轴线方向呈对角线分布。

Description

提高机轴,特别是曲轴的强度的方法和工具

技术领域

本发明涉及一种提高机轴的承载面的强度，特别是提高曲轴的圆柱面的方法和辊压工具，通过切削预先制备该承载面，其中曲轴的主轴颈及连杆轴颈的圆柱形表面和轴颈的圆柱形表面具有附加的油道。

背景技术

曲轴大规模应用在轿车的内燃机上，数量在百万规模。其中钢制锻造曲轴优先作为高负荷曲轴(比如柴油发动机)使用。铸铁制曲轴的成本则明显更低廉，优先使用在普通负荷的发动机上。发动机发展的进步导致更高的燃气动力，因此也导致更高负荷的曲轴，然而出于能源消耗的原因，轴承尺寸却正在变小(关键词“Downsizing”)。钢制或铸铁制曲轴的轴承的承载能力因此消耗得更为剧烈。

此外高负荷轴承也部分运用在混合摩擦领域，现代运输工具在无负荷状态下通常关闭发动机，这种启动-停止-循环造成了轴承的额外磨损。发动机运转时轴承间隙小于1μm。高负荷轴承模型精度很高，并且由于同轴承套的金属的化学亲和性，要求非常低的表面粗糙度。硬化轴承工作面在曲轴的运输和使用上，以及在轴承承载能力方面具有优势。为了利用这种优势，需要极低的，1/10mm范围的硬化深度。

这种硬化同样可使用在油道的保护上。

并不只有曲轴具有主轴承和连杆轴承以及轴颈的承载面。凸轮轴也具有类似的承载面在气缸阀门的顶端滚动。但不同于曲轴的承载面，凸轮轴承载面的横截面是由一大一小两个圆组成。对于两种机轴同样设置提高承载面的强度。

本领域技术人员已熟知承载面的硬化，比如借助感应硬化或氮化硬化。轴承半径辊压设备也是同样的情况，因此可不需描述本发明范围内的此类设备。相比硬化工艺，辊压是一种低成本且非常环保的方法。在辊压过程中，使工作表面在由工具钢制或硬质合金制的辊压体造成的高压力下成型并辊压。经过辊压的表面的特征在于正的内部应压力达到毫米范围的深度。由此，通过辊压，在后续精加工过程之后，也能保障强度，并使轴承工作面更能抵抗安装运输或发动机运转带来的表面损伤。借此也可减少发动机运转时的轴承磨损。相对摩擦面的滑动轴承套因此能有更长的使用寿命。

因此本发明的目的在于，以辊压取代硬化提高工作面的强度，工作面包括钢制或铸铁制或其他合金制曲轴的主轴承和连杆轴承上的、以及轴颈和法兰直径上的工作面，以此提高内燃发动机的使用寿命。油道强度的提升同样也可以通过以辊压取代硬化实现。

相关技术状况已为申请人所知，特别是通过JP 2006 34 6801 A1和WO 2006/135 014 A1，下面将进行说明。

由JP 2006 34 6801 A1可知，无横向沟槽的曲轴轴颈表面的结构得到了优化，同时使用特殊方式抛光轴颈，即使在有油道的情况下。为此设置了一对相同盘形构造的抛光滚筒。在轴颈上滚动的该抛光滚筒的圆周上具有四个突出部，以相同间隔按轴向分布。相邻突出部之间的间隔大于油道的内径。以此方式抛光的表面明显无法进行后续的微切削深度的切削加工，以致在轴颈内辊压形成波浪结构。油道完全未得到处理。

由WO 2006/135 014 A1可知一种抛光曲轴的方法和工具。一对等高的盘形抛光滚筒相对布置在曲轴轴颈的两侧。曲轴由动力源驱动而旋转。该对抛光滚筒朝彼此远离的方向移动，而该曲轴轴颈由实现曲轴抛光的抛光滚筒的外圆周表面固定。然而该公开文献并未说明是否在抛光的同时使抛光后的轴颈的具有表面构造。

发明内容

本发明的目的由此实现，使用至少一个圆柱形辊压体辊压至少一个承载面，该辊压体具有一种表面构造，并在承载面的宽度上延伸，最后以微切削深度对经过辊压的承载面进行切削加工。

特别可使用3个圆柱形辊压体同时进行辊压。

优选对曲轴的主轴颈和连杆轴颈的圆柱形承载表面进行辊压。而曲轴法兰也可如此处理，以提高其表面强度，并因此避免在运转过程中形成的、可造成渗油的裂缝的产生。

如曲轴的轴颈具有油道，可用同样方式对曲轴的轴颈进行辊压。

优选使用圆柱形辊压体对曲轴的主轴颈和连杆轴颈以及曲轴轴颈进行辊压，该辊压体在油道区域具有一个点状的加厚部分。

使用多个圆柱形辊压体进行辊压，该辊压体具有若干加厚部分在待辊压的圆柱形表面的宽度上彼此相邻。

使用具有表面构造的辊压体进行辊压之后，需要以微切削深度进行切削再加工，以重建承载面的模型精度。这样再加工后的承载面最后还要进行打磨，比如通过抛光或使用激光射线进行表面处理。

实行该方法的辊压工具设置至少一个圆柱形辊压体和至少一个支撑部件，该支撑部件关于待辊压承载面的横截面与辊压体相对，其中辊压体在其圆柱形表面具有若干加厚部分或凹口，它们或沿圆周方向，或沿轴向，或相对于轴线方向呈对角线分布。

经证明这种在其圆柱形表面上具有类似菱形图案凹口的辊压体是合适的。在多个辊压体的应用上，设置辊压体关于待辊压承载面的横截面相对。

在一个辊压工具中设置三个辊压体的应用上，当三个辊压体关于待辊压承载面的横截面呈三角形设置时，经证明是有益的。

至少两个辊压体的表面结构相互跟随是有益的。在三个辊压体中一个可以作为支撑体，其具有平滑圆柱形表面。但应有一个辊压体在其圆柱形表面具有一个点状加厚部分，其余部分则为光滑的表面，该加厚部分设置为，在辊压体在承载面上的滚动中，精确击中已存的油道的位置。

附图说明

下面，凭借实施例对本发明作出详细说明。以未按照比例的、示意性的图示示出：

图1示出了曲轴的纵向截面；

图2示出了两个相互对应的辊压体的端面及侧面视图；

图3示出了另一辊压体的端面及侧面视图；

图4示出了另一具有点状加厚部分的辊压体的端面、侧面及俯视图；

图5示出了辊压体在辊压工具内的一种可能的设置；

以下图示各自以缩小比例尺示出：

图6示出了曲轴的主轴颈以及轴颈和法兰；

图7示出了连杆轴颈；

图8示出了曲轴上的油道走向。

附图标记说明

1     曲轴

2     承载面

3     承载面

4     曲拐臂

5     曲拐臂截面

6     曲拐臂截面

7     油道

8     油道孔

9     油道孔

10    辊压工具

11    辊压体

12    辊压体

13    辊压体

14    三角形

15    外壳

16    外壳

17    圆柱形表面

18    圆柱形表面

19    加厚部分

20    加厚部分

21    间距

22    间距

23    转轴

24    转轴

25    辊压体

26    加厚部分

27    转轴

28    间距

29    圆柱形表面

30    辊压体

31    透镜形加厚部分

32    圆柱形表面

33    曲轴

34    轴颈

35    法兰

36    曲轴

37    曲轴

38    油道孔

39    油道孔

40    油道

Ji    主轴颈

Pi    连杆轴颈

具体实施方式

图1示出了带有主轴颈Ji和连杆轴颈Pi的曲轴1的纵向截面。承载的圆柱形表面由数字2和3表示。主轴颈Ji和连杆轴颈Pi之间是曲拐臂4的截面。另外的曲拐臂截面5和6连接在图1外缘。虚线示出了承载的圆柱形表面2和3上的、具有油道孔8和9的油道7。

如图5所示，使用辊压工具10对承载的圆柱形表面2和3进行辊压。辊压工具10以三个圆柱形辊压体11、12和13设置在主轴颈Ji或连杆轴颈Pi周围。由图5不难看出，三个辊压体11、12和13组成了三角形14。辊压体11独自位于辊压外壳15内，而辊压体12和13共同位于外壳16内。

举例来说，如图2以侧面及端面视角所示，辊压体11和12的圆柱形表面17和18上具有若干加厚部分19和20。该加厚部分19和20为圆形凸起，分别沿圆柱形表面17和18的圆周延伸。可以看出，辊压体11的各加厚部分19之间都存在空隙21。辊压体12的圆柱形表面18上的加厚部分20也是同样的情况。这里各加厚部分20之间也有空隙22。从图2还可以看出，辊压体12的加厚部分20正对辊压体11的空隙21。这表示，在辊压体11和12的转轴23和24的方向，加厚部分19和20彼此相邻。通过这种相邻排序，在受到辊压的承载面2和3形成了一种连续的图案。加厚部分19和20并不高，比各自的圆柱形表面17和18高出0.1到0.5mm。它们的宽度同样微小，处于0.1到0.5mm之间，优选是0.2mm。间距21和22也是同样的情况，间隔通常在0.1到1.0mm之间，优选是0.5mm。通过对承载面2和3的辊压，在该处仍能产生正的内部压应力，并达到毫米范围的深度。由此，通过辊压，在后续精加工过程之后，也能保障强度，并使得轴承工作面2和3更能抵抗安装运输或者发动机运转带来的表面损伤。

图3示出了另一种辊压体25的侧面和端面视图。该辊压体25也具有多个与辊压体11和12的加厚部分19和20类似的加厚部分26。与其不同的是，从图3可以看出，加厚部分26沿着辊压体25的转轴27方向设置。各加厚部分26之间也存在间距28。

第二个辊压体在图3中不再示出，其设置与图2相似。这里两个辊压体的加厚部分26也会彼此相邻咬合。

除了加厚部分19、20和26这种径向和轴向的设置之外，其他的设置也是可能的，比如在圆柱形表面17、18、29呈对角线分布。通过这种设置可在承载面2和3上形成其他图案，比如矩形交织的或是波状的或是任何其他纹样的图案。

油道7的油道孔8和9示出了一个特殊问题。为预防可能从该处形成的裂缝，油道孔8和9也需要特别加强。针对此种加强可设置特别的辊压体30，图4示出了其侧面、俯视及端面视图。该辊压体30在其圆柱形表面32具有一个透镜形加厚部分31。该透镜形加厚部分31设置如下，在辊压体30在承载面2或3上的滚动中，该加厚部分始终分别击中油道7的油道孔8或9。该透镜形加厚部分31高出圆柱形表面32大约0.1到1.5mm。

图4为了特别说明而单独示出的透镜形加厚部分31，也可设置在辊压体11、12或25上。

图6以缩小比例尺示出了曲轴33的侧面视图。该曲轴33具有主轴颈1J至5J。连杆轴颈1P至4P位于主轴颈Ji之间。轴颈34构成该曲轴33的前端，末端则由法兰35构成。除根据本发明对主轴颈Ji进行辊压外，轴颈34以及法兰35的圆柱形表面也可进行辊压。

图7特别示出了连杆轴颈P。此处为了说明处理方法的应用，设置对连杆轴颈1P至4P根据本发明进行辊压。

根据图8，曲轴37中油道40的油道孔38和39为观察重点。通过辊压，油道40的油道孔38和39的边缘得到了打磨。

Claims (15)

1.一种提高机轴的承载面，特别是曲轴(1、33、36、37)的圆柱形承载面(2、3)的强度的方法，通过切削预先制备所述承载面，其中曲轴(1、33、36、37)的主轴颈(Ji)及连杆轴颈(Pi)的圆柱形承载面和轴颈(34)的圆柱形承载面(2、3)具有附加的油道，其特征在于，

-使用至少一个圆柱形辊压体(11、12、25、30)对至少一个承载面进行辊压，

-所述辊压体具有表面构造(19、20、26)，并且

-在承载面的宽度上延伸，最后

-以微切削深度对经过辊压的承载面进行切削加工。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用三个所述圆柱形辊压体(11、12、13)同时进行辊压。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述曲轴(1、33、36、37)的所述主轴颈(Ji)和所述连杆轴颈(Pi)进行辊压。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述曲轴(1、33、36、37)的法兰(35)进行辊压。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述曲轴(1、33、36、37)的所述轴颈(34)进行辊压。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用所述圆柱形辊压体(30)对所述曲轴(1、33、36、37)的主轴颈(Ji)和连杆轴颈(Pi)以及轴颈(34)进行辊压，所述辊压体在油道(7、40)区域具有一个加厚部分(31)。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，使用多个所述圆柱形辊压体(11、12、13、25)进行辊压，所述辊压体具有若干所述加厚部分(19、20、26)在待辊压的所述圆柱形表面(2、3)的宽度上彼此相邻排序。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对经过辊压及切削再加工的所述承载面(2、3)进行打磨。

9.用以实施根据权利要求1所述的方法的辊压工具，其特征在于，所述辊压工具(15、16)具有至少一个辊压体(12、13)，其关于待辊压承载面(2、3)的横截面与辊压体(11)相对，其中所述辊压体(11)在其圆柱形表面(17)具有若干加厚部分(19)或凹口，它们或沿圆周方向，或沿轴向(23)，或相对于轴线(23)方向呈对角线分布。

10.根据权利要求9所述的辊压工具，其特征在于，所述辊压工具(11、12、13、25)的圆柱体表面(17、18、29)的所述加厚部分(19、20、26)具有菱形图案。

11.根据权利要求9所述的辊压工具，其特征在于，所述辊压工具具有两个辊压体(11、12)，所述两个辊压体关于待辊压承载面的横截面相对。

12.根据权利要求9所述的辊压工具，其特征在于，所述辊压工具(10)具有三个辊压体(11、12、13)，所述三个辊压体关于待辊压承载面(Ji、Pi)的横截面呈三角形(14)设置。

13.根据权利要求12所述的辊压工具，其特征在于，所述至少两个辊压体(11、12)的表面构造(19、20)彼此相邻排序。

14.根据权利要求12所述的辊压工具，其特征在于，设置一个所述辊压体形成为具有平滑圆柱形表面的支撑体(13)。

15.根据权利要求12所述的辊压工具，其特征在于，所述辊压体(30)在其所述圆柱形表面(32)具有一个透镜形加厚部分(31)，所述加厚部分设置为，在所述辊压体(30)在所述承载面(Ji、Pi)上的滚动中，精确击中在此位置已存的油道(7、40)的油道口(8、9、38、39)。