CN104919195A - 组合式曲轴以及生产组合式曲轴的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生产内燃机用的组合式曲轴的方法，其中带有接收孔(4)的曲柄臂(1)以及在其端部具有固定部(3)的曲柄销(2)被提供作为结合匹配件，其中接收孔(4)或固定部(3)设有沿曲轴纵向方向x延伸的齿结构，其中固定部(3)的横截面在某些区域中通过齿结构延伸超过所分配接收孔(4)的内横截面，从而在结合匹配件连接时，在曲柄臂(1)的接收孔(4)处或在曲柄销(2)的固定部(3)处发生材料移位和轮廓变形，并且结合匹配件因此通过形式配合的方式被连接。根据本发明，固定部(3)被压入接收孔(4)中，从而结合匹配件在没有纵向方向x上的额外连接以及没有另外固定装置的情况下，以力配合的方式被可操作地可靠固定在一起。

Description

组合式曲轴以及生产组合式曲轴的方法

本发明涉及一种生产内燃机用的组合式曲轴的方法，其中带有接收孔的曲柄臂以及在其端部带有固定部的曲柄销被提供作为结合匹配件，其中接收孔或固定部提供有沿曲轴纵向延伸的齿结构，其中固定部的横截面通过齿结构在某些区域中延伸超过所分配接收孔的内横截面，从而在结合匹配件连接时，在曲柄臂的接收孔处或在曲柄销的固定部处发生材料移位和轮廓变形，并且结合匹配件因此通过形式配合的方式连接在一起，并且其中固定部被压入接收孔中，从而结合匹配件以力配合连接的方式被可操作地可靠固定在一起，而不需要不需要纵向上的额外连接以及另外的固定装置。

内燃机的曲轴由于其具有曲柄销的偏心布置的曲柄形式，可以将通过连杆连接到曲轴的活塞的往复运动转换为旋转运动。由于内燃机的曲轴是力传递的中心元件，因此发生非常高的力矩和弯矩以及时间和局部剧烈变化的力。因此曲轴必须具有适当的稳定性和强度。

在现有技术已知的曲轴中，材料选择和生产方法取决于负载。高负载曲轴通常是锻造而成的，而对于小引擎来说，出于成本和重量的原因使用铸造的曲轴(Bosch,Automotive Handbook,26th Edition,2007,page 477.ff)。

为了使曲轴更多用途、更简单以及更便宜，现有技术还提出了组合式曲轴，其由曲柄臂和布置在曲柄臂之间的曲柄销构成。这首先具有以下优势，即不需要生产完整的紧密结合曲轴，而是需要生产小的元件，为此还可以使用相应更小的锻造或铸造模具。此外，由于模块化结构，多用途组件是可行的。

DE822036已知一种组合式曲轴。在其端部，曲柄螺栓具有进入曲柄臂上所分配孔的齿，其中齿结构切入所分配的接收孔中。齿结构的切入获得了形式配合的连接，其中曲柄销通过螺栓被固定到曲柄臂。这里的主要优点是，最终的曲轴可以在任意希望的点处被再次分拆。在后续再组装时，必须确保每个齿与其此前形成的缺口相重合，从而确保平滑推动。

DE822036已知的组合式曲轴的设计构造相对来说很复杂，因为具有不同尺寸的固定部的齿结构、带有垫圈的固定螺栓以及曲柄销的相邻柱形部分必须在接收孔内侧被接收。为此，接收孔具有逐步变化的横截面，其中获得了形式配合的区域相对很短。固定螺栓的安装很复杂。已知曲轴的机械承载能力有限。

DE10038857A1和DE891641公开了用于内燃机的组合式曲轴，其包括具有接收孔的曲柄臂和在其端部具有固定部的曲柄销。获得了形式配合以及力配合的连接，因为接收孔和固定部具有偏离圆形的互补形式，其中曲柄臂缩紧到曲柄销上。根据DE10038857A1，还提出曲柄销具有中心部和与中心部偏心布置的连接部，从而在连接到曲柄臂时，通过曲柄销的布置可以改变升降高度。利用两个公开文件中描述的收缩工艺的缺点是，材料选择受限，并且工艺也非常复杂。

GB747742公开了一种曲轴，其由至少两个工件制成并且适于分拆。分拆能力指的是曲轴可以被方便地安装以及再次移除。为了允许所描述的单独部件的生产，设置的销是被压到所分配的曲柄臂中的或者是与相应的曲柄臂一同生产的。这些销随后简单地啮合到其他曲柄臂的孔中，从而可以方便地进行分离与连接。缺点是这种松散连接构成了薄弱点。GB747742中描绘的曲轴特别适用于小引擎或类似的型号。

DE1270893公开了一种根据初始描述的方法生产的组合式曲轴。曲柄臂和曲柄销被压在一起。如果在纵向方向上设置可以具有不同槽深度的槽，则可以获得特别好的无法分离的压接。

DE4018542A1公开了一种组合式曲轴，其中单独的曲柄臂和曲柄销以过盈配合的方式结合在一起。过盈配合的形成并未被进一步描述。曲柄臂的接收孔首先变细，然后再次拓宽。

CH567194A公开了一种活塞式内燃机的曲轴，其由U形曲柄部件构成，每个曲柄部件包括曲柄销和两个曲柄臂，并且通过支承部件连接，其中每个支承部件具有支承轴颈和固定钉，固定钉附接到相邻曲柄臂的孔中的过盈配合之处。支承部件的固定钉相对于支承轴颈的轴来说与其轴偏离，从而在其所分配的曲柄臂中在曲柄面内其远离曲柄销。

DE2925058A1概括描述了借助于带有齿结构和材料移位的形式配合的两个金属部件之间的连接。

DE559779 A公开了一种在螺栓和具有孔的部件之间的收缩连接，其中纵沟被机加工成螺栓的柱形座表面。

在本上下文中，本发明的目的是设计一种生产组合式曲轴的方法，利用该方法可以简单的方式生产耐高负载的曲轴。特别地，组合式曲轴应当被形成使得其生产过程中材料缺陷或材料损坏的风险被降低。

始自具有初始描述特征的方法，上述目的是根据具有权利要求1所述特征的发明来实现的。

根据本发明，在不需要其他固定装置、焊接等的情况下，特别简单地实现了力配合连接和形式配合连接。力矩通过沿曲轴纵向方向上延伸的齿结构被可靠地传递。此外，力配合被创建，其自身便足以在操作上可靠地保持曲柄臂和曲柄销，即即使是曲柄在内燃机中工作期间。模块化结构使得可以降低成本以及增加设计灵活性。为了实现例如不同的升降高度，仅需要选择相应适配的曲柄臂，其中曲柄销可以保持不变。并且，通过提供不同的曲柄销和曲柄臂可以满足不同的规格。利用组合式曲轴，另外实现了以下优点，即轴承可以是多用途的，特别地还可以使用闭合辊或止推轴承，其在结合匹配件压合之前被放置在曲柄销上。

根据本发明，从面向所分配曲柄销的插入侧开始向着对侧的方向，接收孔至少在部分区域以一曲率逐渐变细。此外，固定部也可以朝向它们的自由端逐渐变细。

曲柄销的固定部和接收孔可选地还可以至少在部分具有曲线形式，以便实现特别均匀的力传递。特别地，固定部可以具有凸曲率，而接收孔在它们内侧上以互补的方式弯曲。特别优选的实施例是，接收孔和/或固定部在纵剖面上至少在部分之中具有抛物线形状。通过与齿结构相结合，这确保了在更长的区域上发生压入配合，同时材料形变增加，从而避免了齿结构面上的负荷。此外，还避免了压入配合上陡然增加的力。

由于接收孔的以及可选为固定部的至少部分之中弯曲的特别是抛物线形的逐渐变细，在柱形形式和锥形形式两者之上实现了实质性的改进。利用柱形形式，在结合处发生的力的分布并不理想。利用柱形设计，在具有齿结构的通常更硬的结合匹配件的面上获得了非常高的负荷。在齿结构的面上实质上发生更软结合匹配件的材料移位，从而存在过载的风险。此外，利用固定部和接收孔的柱形设计，力配合连接需要改进。

如果接收孔和所分配的固定部具有互补的锥形形式，则固定部首先可以被松散插入所分配的接收孔中，其中在很长的区域中同时发生两个结合匹配件之间的接触。始自该第一接触，利用相对较短的行程即发生压入，从而可以产生很大的力。

由于一个结合匹配件上形成的齿结构可以切入或咬入另一结合匹配件的材料中，并且将另一结合匹配件的材料移位，因此下述做法是适宜的，即设有齿结构的结合匹配件具有更大硬度以便实现定义的连接。

应当选择压力、曲柄销的固定部和接收孔的几何形状以及材料组合，使得实现根据本发明提供的力配合连接，其即使在操作期间也在纵向方向上牢牢固定结合匹配件。

始自根据本发明的逐渐变细形状，为形成齿结构，距接收孔的纵轴成一距离处可以形成纵槽，该距离在槽的路线上保持恒定。相应地，所描述的逐渐变细形状导致以下情况，即在纵槽之间形成了齿，其高度从插入侧起向着对侧的方向增加。如果槽的侧翼不垂直于槽的基底的话，齿的宽度也相应地在其齿尖处减小。该配置意味着齿必须在最初仅仅具有较低高度的时候就切入更软结合匹配件的材料中，其中随后随着插入深度增加材料移位均匀增加。这确保了来自结合处的切入力分布在齿或其侧翼的很大区域上。

根据本发明的另一实施例，如果固定部设有齿结构并且在向着它们自由端的方向上逐渐变细，则还发生齿高度的相应增加以及齿宽度的减小。在自由端处，不存在齿或仅存在低齿，其中齿的高度随后从自由端开始增加。槽可以通过在纵向方向上引导的铰销工具形成。通过相应选择铰销直径和接收孔或固定部的形状，可以实现从接收孔的插入侧开始，前部区域未被铰销，形成了具有中心效应的插入区域。由于齿结构实际上平滑地跟随未铰销的区域，因此可以减小发生的任何应力。

由于作为本发明一部分提出的材料移位和轮廓形变，尽管取决于内燃机的循环周期发生的力和力矩实质上变化，还是确保了在内燃机工作条件下不存在游隙。

作为本发明的一部分，齿结构的具体实施例并不受局限。为了实现力矩传递的形式配合，原则上形成一个槽或一个齿就已经是足够的。然而优选绕接收孔的内圆周或固定部的外圆周均匀分部布置齿，并且齿沿着纵向延伸。

特别优选是下述实施例，其中为形成齿结构，形成有沿纵向延伸且带有弧形截面的槽，以便减小应力集中度。特别是在到达最大齿高度时，即在相应曲柄销对面的接收孔侧，齿的宽度可以近似对应于槽的弧形半径。因而齿是实质上均匀形成的，即它们沿着通常横截面为圆形的固定部的初始外表面或接收孔的内表面延伸。

根据本发明的优选实施例，接收孔在插入侧具有无齿的中心与支撑直径，在插入侧处插入有所分配曲柄销的固定部，其中曲柄销也具有互补的中心与支撑直径。相互分配的支撑直径相比于接收孔或固定部的相邻区域具有径向加宽，其中相互分配的中心与支撑直径可以在它们长度的至少一部分上被形成为柱形或近似柱形。由于相互分配的中心与支撑直径，在结合之后，施加在曲柄销上的力可以被更好地吸收和分解，而不会影响通过齿结构的形式配合连接。由于齿结构的力传递和力施加之前安装的中心与支撑直径，齿结构可以长期得到保护，免于形变劣化。这避免了由撞击或磨损引起的曲柄臂和曲柄销之间固定力的降低。

此外，中心与支撑直径确保了在结合工艺结束时，将要连接在一起的两个部件被放入精确定义的位置，并且以彼此成直角的方式精确布置。

可以根据各自要求选择将每个接收孔分成具有支撑直径的前端无齿区域以及后端有齿区域。优选地具有支撑直径的接收孔无齿部分从相应插入侧开始延伸超过接收孔总体长度的15％至45％。特别地，该比例可以在25％至35％之间。

本发明的目的还涉及一种用于内燃机的组合式曲轴，其可以使用上文描述的方法生产。组合式曲轴包括具有接收孔的曲柄臂和具有端固定部的曲柄销，其中曲柄臂和曲柄销可以通过形式配合和力配合的方式被连接在一起，而无需另外的固定装置如螺栓，并且也不需要通过焊接等的材料配合。根据本发明，曲柄臂和曲柄销作为结合匹配件被压在一起，其中结合匹配件具有不同的硬度，其中更硬的结合匹配件具有预形成的齿结构，并且其中更软的结合匹配件的材料在区域中被齿结构移位并且变形。此外在组合状态下，根据本发明特别优选的实施例，相互分配的结合匹配件的接触面至少沿着齿结构的齿尖呈抛物线状延伸。

在其一般配置中，曲柄臂通常具有两个相邻接收孔。环绕接收孔必须提供足够的材料厚度，以确保适当的稳定性。然而在两个接收孔之间，曲柄臂可以具有缩减区以减小旋转质量。

特别地，曲柄臂可被形成为锻件，其中42CrMo4特别适于用作材料。接收孔逐渐变细的优选为抛物线状逐渐变细的内部形状例如可以在锻造曲柄臂已被喷砂和硬化之后通过钻孔而形成。如果接收孔将安装齿结构的话，齿结构是通过在接收孔的纵向方向上铰销槽而适当形成的。

在面向曲柄销的一侧，可以绕接收孔设置环形凹口，以便允许部件结合处一定程度的材料扩展。最终，从该表面起在插入侧上形成漏斗状半径是适当的。

支承轴颈例如可以由材料100Cr6形成。固定部优选具有逐渐变细的形式，特别是抛物线状逐渐变细的形式。在曲柄销的固定部和后续部之间设置台阶的情况下，优选地设置始自固定部的半径，以便确保均匀的力传递。

为了方便引入到接收孔中，固定部还可以设有波纹(beading)。这意味着在固定部上在圆周方向上形成有突起和凹陷，从而在纵剖面上形成波浪形状。于是在结合匹配件连接时，切割齿结构所需的压力可以根据波浪形状而被调制，其中由于所描述的抛物线形式以及齿高度的增加，由于不同长度部分中的同时形变，该调制的效果被降低。

本发明上下文中的抛物线形态指的是当抛物线的Y轴沿着接收孔的纵轴延伸时，与抛物线的形状相对应的形式。在最广泛意义下，这给出了杯状设计，其中接收孔两端开口，从而该形态仅对应于抛物线型旋转体的一部分。基于截头椎体的概念，该形态可以被描述为截头抛物线体。

本发明将在下文结合附图中示出的一个示例性实施例进行更加详细地描述。附图中：

图1示出了具有用于接收曲柄销的固定部的两个接收孔的曲柄臂，其中曲柄销已被压入，

图2示出了具有端固定部的曲柄销的部分视图，

图3示出了在形成齿结构之前的接收孔的纵剖面细节图，

图4示出了在形成齿结构之后的接收孔的纵剖面细节图，

图5示出了完整曲柄臂的纵剖面视图，

图6示出了接收孔的齿结构的横截面细节图，

图7示出了其上布置有两个曲柄销的曲柄臂的侧视图，

图8示出了根据图7布置的纵剖面视图，

图9示出了曲柄臂的另一实施例，

图10示出了曲柄销的另一实施例，

图11示出了连接状态下的基于图9的曲柄臂和基于图10的曲柄销。

图1示出了曲柄臂1和曲柄销2，曲柄销2通过固定部3被插入到曲柄臂1的接收孔4中。曲柄臂1包括另一接收孔4，其用来接收来自对侧的另一曲柄销2。由若干曲柄销2和曲柄臂1形成的曲轴或连杆(未示出)可以被安装在曲柄销2上。

不管两个曲柄销2在曲柄臂1上的插入方向是否相反，从被分配给相应曲柄销2的接收孔4的插入侧5开始，在曲柄臂1上的两个接收孔4的配置在所示出的示例性实施例中是相同的。如图1所示，两个接收孔4均具有沿曲轴的纵向方向x延伸的齿结构，其中齿6与槽7交替布置。图1中很明显的是，从插入侧5起，齿6首先从距离接收孔4的边缘一定距离处开始，其中从插入侧5开始到接收孔6中，齿6的尖部和槽7的基底之间的高度差增加。同时，齿6在其齿尖处的宽度减小。

图3示出了在生产齿结构之前的曲柄臂1的接收孔4。很清楚的是，接收孔4首先具有漏斗状的加宽8，当曲柄销2所分配的固定部3被压入时，其首先具有中心效应。此外，漏斗状加宽8还避免了接收孔4边缘处即时的材料应力。

此外，很明显的是接收孔4从插入侧5起逐渐变细。特别优选地，连接区域从插入侧5到漏斗状加宽8呈抛物线状延伸。

图3还示出了由在纵向方向x上引导的铰销工具形成齿结构的槽7。齿结构的槽7随之沿着其路线距接收孔的纵轴具有恒定距离a。

如图4所示，槽7仅在插入侧5上距离曲柄臂1的表面成一定距离处开始，其中始自槽7的基底，齿6的高度从插入侧5起增加，并且齿6在其尖部变窄。由于该形式，图2中示出的曲柄销2，其也在其固定部3处形成为抛物线状，在被压入到接收孔4中时，在其外表面上均匀变形，从而实现了分散的力传递和特别牢固的力配合连接。

图4还示出了在插入侧5，可绕接收孔4形成圆周卸荷缺口9，以减小曲柄臂1中的应力。

从图1和图2看很明显，根据优选实施例，整个曲柄销2是中空的，以便减小重量和旋转质量。并且出于相同目的，曲柄臂1在接收孔4之间具有凹口10。

最后，图2示出了固定部3可选地还可以设有波纹11，其中形成的波浪结构绕圆周延伸。

图5最终示出了完整的曲柄臂，其在其具有相对插入侧5的两个接收孔4处具有齿结构。很明显的是，尽管插入侧5是相对的布置，但是配置是相同的。

图6最终示出了齿结构的优选实施例，其中沿纵向方向延伸的槽7具有半径为r的弧形横截面。图6示出了远离插入侧5的区域中的齿结构，在该处齿6的宽度近似对应于槽7的半径r。所描述的槽7的形状有效降低了应力集中。

最后，图7和8示出了具有从相对侧压入的两个曲柄销2的曲柄臂1。曲柄销2由齿结构保持，并且首先以形式配合的方式再次以力配合的方式按压。不需要将曲柄销2以额外的方式固定到曲柄臂1，即使是用于曲轴的操作。额外的固定措施不仅增加成本，还可能产生不良的失衡。

从图8看很明显，整个曲轴由结合在一起的多个曲柄臂1和曲柄销2构成，其中由于模块化结构，存在多种变化可能。

图9示出了曲柄臂1的另一实施例，其在其插入侧5首先具有如上文所述的漏斗状加宽8，并且随后具有后续的中心与支撑直径12。漏斗状加宽8和中心与支撑直径12被布置在接收孔4的无齿部分，该无齿部分延伸超过接收孔4的总体长度的约30％。

从图10和11很明显，曲柄销2设有所分配的中心与支撑直径12’。

中心与支撑直径12、12’首先确保在压入时，曲柄销2相对于曲柄臂1的精确居中和对准。此外，在组装之后，整个组合式曲轴也具有优点，因为施加在曲柄销2上的力经由相互分配的中心与支撑直径12、12’可以被传递到相邻的曲柄臂1上，而无需由齿6和槽7形成的齿结构过载。

Claims (9)

1.一种生产内燃机用的组合式曲轴的方法，

其中带有接收孔(4)的曲柄臂(1)以及在其端部具有固定部(3)的曲柄销(2)被提供作为结合匹配件，

其中接收孔(4)或固定部(3)设有沿曲轴纵向方向x延伸的齿结构，

其中固定部(3)的横截面在区域中通过齿结构延伸超过所分配接收孔(4)的内横截面，从而在结合匹配件连接时，在曲柄臂(1)的接收孔(4)处或在曲柄销(2)的固定部(3)处发生材料移位和轮廓变形，并且结合匹配件因此通过形式配合被连接，以及

其中固定部(3)被压入接收孔(4)中，从而结合匹配件在没有纵向方向x上的额外连接以及没有另外固定装置的情况下，以力配合连接的方式被可操作地可靠固定在一起，

其特征在于，曲柄臂(1)设有接收孔(4)，所述接收孔(4)从面向所分配的曲柄销(2)的插入侧(5)起在朝向对侧的方向上，至少在部分区域中在纵剖面中以抛物线的形状逐渐变细。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为形成齿结构，槽(7)距接收孔(4)的纵轴成距离a而被形成，其中距离a在槽(7)的路线上保持恒定，从而齿(6)在槽(7)之间形成，齿(6)的高度从插入侧(5)起在朝向对侧的方向上增加。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，槽(7)是通过在纵向方向x上引导的铰销工具而形成的。

4.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，固定部(3)朝着其自由端逐渐变细。

5.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，为形成齿结构，形成有具有弧形横截面且沿纵向方向延伸的槽(7)。

6.一种用于内燃机的组合式曲轴，其使用如权利要求1-5中任一权利要求所述的方法生产，包括具有接收孔(4)的曲柄臂(1)和具有端固定部(3)的曲柄销(2)，其中曲柄臂(1)和曲柄销(2)在没有另外固定装置的情况下通过形式配合和力配合被连接在一起，其特征在于，曲柄臂(1)和曲柄销(2)作为结合匹配件被压在一起，并且具有不同的硬度，其中更硬的结合匹配件具有预形成的齿结构，其中更软的结合匹配件的材料在区域中被齿结构移位并且变形，并且其中结合匹配件之间的接触面至少沿着齿结构的齿尖呈抛物线状延伸。

7.根据权利要求6所述的组合式曲轴，其特征在于，曲柄臂(1)被形成为锻件。

8.根据权利要求6或7所述的组合式曲轴，其特征在于，接收孔(4)在插入侧(5)具有无齿的中心与支撑直径(12)，在插入侧(5)处插入有所分配曲柄销(2)的固定部(3)，其中曲柄销(2)具有互补的中心与支撑直径(12’)。

9.根据权利要求8所述的组合式曲轴，其特征在于，具有中心与支撑直径(12)的接收孔(4)的无齿部分从相应的插入侧起，延伸超过接收孔(4)总体长度的15％至45％。