CN105081687B - 制造轴的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造轴(10)的方法，该轴具有至少一个基本呈环形的轴承座(15、31)和至少一个失衡部段(20、21)且尤其是平衡轴、曲轴等，该方法至少包括以下步骤：提供轴坯；借助成型方法来形成至少一个失衡部段(20、21)和至少两个对置的轴承座支臂(17、18)；以及借助壳套工具(40、41)来变形加工所述至少两个对置的轴承座支臂(17、18)，即，所述轴承座支臂(17、18)相向弯曲，并且由此形成至少一个基本呈环形的轴承座(15、31)。

Description

制造轴的方法
技术领域
本发明涉及一种制造具有至少一个基本呈环形的轴承座和至少一个失衡部段的轴的方法。本发明还涉及这样一种具有至少一个基本呈环形的轴承座和至少一个失衡部段的轴。
背景技术
在现有技术中已知许多轴，它们具有不同的失衡部段和轴承座。尤其是在汽车领域，这样的轴作为所谓的平衡轴被应用在内燃机中以便部分地或完全地补偿自由惯性力。此时已知的是，所述轴在轴承座外表面处和在对置的轴端处设有轴承(尤其是滚动轴承或滚针轴承)。其中，使所述轴这样旋转，即，通过失衡部段至少实现自由惯性力的部分补偿。这样的轴承座通常以实心盘状构件或桶状构件的形式被设置于轴上，在轴承座外表面上设有轴承。此时，相对于该轴承座固定不动的失衡部段将导致主要负载施加在该轴承座朝向失衡部段的一侧。与此相比，在该轴承座的与失衡部段对置的一侧的负载较小。因而，呈实心状的轴承座在其无负载区域或低负载区域内在机械上无论如何是超出尺寸的。结果，这导致具有这样的轴的内燃机的较高的资源消耗，尤其是较高燃料消耗。鉴于该认知，在现有技术中已经研发出包括实心轴承座的轴，其中，在该轴承座的负载较低区域内切除或者省去材料以便能够相应减轻轴承座重量。这样的轴例如在文献DE202007018991U1和DE102009035684A1中被公开，其中，以圆弧式切除材料，从而在轴承座中产生相应的沟槽。但这样的轴承座具有以下缺点，即，为了将轴承设置在轴承座上，原则上须将一个单独的轴承环布置在轴承座上以便能提供用于该轴承的连贯的接触面。
此外，还期望的是，进一步减轻已知轴的且尤其是轴承座的重量，以便一方面因此节约制造材料，而另一方面减少配备有该轴的内燃机的燃料消耗。
发明内容
根据现有技术，本发明的任务在于，提供一种能够制备轴的方法，该轴的轴承座具有减轻的重量。另外，应提供一种相应的轴。
这些任务和可能在阅读以下描述时指出的或本领域技术人员可能已知的其它任务在独立权利要求的主题中来完成。有利的改进方案在从属权利要求中被提供。
根据本发明的用于制造包括至少一个基本呈环形的轴承座和至少一个失衡部段的轴(如平衡轴、曲轴等)的方法至少包括以下步骤：提供轴坯；形成所述至少一个失衡部段和至少两个对置的轴承座支臂；利用壳套工具使所述至少两个对置的轴承座支臂变形，所述轴承座支臂相向弯曲并由此形成所述至少一个基本呈环形的轴承座。
根据本发明这样提供该轴承座，即：首先形成两个对置的轴承座支臂，使得在轴承座处的横截面形状首先呈U形。在另一个步骤中，所述对置的轴承座支臂相向弯曲，直到产生一个基本呈环形的空心轴承座。这样的环形空心轴承座相比于已知的轴承座具有明显较小的重量。另外，存在以下可能性，即，形成一个闭合环形轴承座，使得在该优选实施方式中也无需单独的轴承环。另外，通过与已知方法相对的环形空心轴承环(开口的或闭合的)能够明显节约材料，进而也节省制造成本，这又导致构件重量的减轻并进而导致旋转的程度减小，由此(如在车辆平衡轴中)可降低燃料消耗。
此外，轴坯优选被设置为具有与待制造的轴的设定尺寸相匹配的圆形杆部段的形式。据此优选的是，该杆部段有不同的直径。
优选在形成所述至少一个失衡部段和至少两个对置的轴承座支臂的步骤之前在所述至少一个轴承座和至少一个失衡部段的区域内借助横轧和/或辊锻进行预变形加工。从而存在以下可能性，即，材料在一个或多个预变形步骤中已移入以下区域，即，在所述区域相应地需要材料来形成失衡部段或形成轴承座支臂。
用于形成至少一个失衡部段和至少两个对置的轴承座支臂的成型方法优选是模锻法。模锻法特别适用于轴、尤其是平衡轴、曲轴等的加工，因为由此能够在数量大的情况下达到所需的高的形状精度。因为利用常见的模锻法原则上无法加工出侧凹结构，所以根据本发明的方法提供了一种特别有利的可能性，即，在使用模锻法时制造环形空心轴承座，因为在形成轴承座支臂时不设置这样的侧凹结构。
轴坯优选在变形加工之前和/或变形加工的过程中以及/或者在模锻过程中被感应加热。还优选的是，在模锻和/或变形加工所述至少两个对置的轴承座支臂后(以机械方式)切除且优选修剪掉多余材料。
所述至少两个对置的轴承座支臂的变形，即，相向弯曲，优选在热变形步骤、半热变形步骤或冷变形步骤中进行。
有利的是，这些轴承座支臂相向弯曲，使得轴承座支臂的端面能够相互接触并从而形成闭合的轴承座。有利的是，随后将相互接触的轴承座支臂的端面焊接。通过焊接这两个轴承座支臂，在下一个用途中轴承座的形状稳定性相应得以提高。
作为轴承座支臂端面相互接触(和由此随之而来地形成呈闭合环形的轴承座)的替代方式，这些轴承座支臂可相向弯曲，即，形成开放式的轴承座(即环形轴承座不闭合，而是在与失衡部段对置的一侧是部分开放式的)。其中优选的是，该环形轴承座在5°至45°之间、更优选在10°至30°之间，且特别优选在15°至20°之间的角度范围内是敞开的。根据轴的使用情况，这样的轴承座开口设计能足以保证所需的轴承座的形状稳定性。
优选的是，在这些轴承座支臂上设有锁定机构，所述锁定机构相互接合并锁定。这样的锁定机构例如可被设置为尤其位于轴承座支臂端面上的对应的凸缘和侧凹结构。例如可以在端面设置销状榫头，可将该榫头与相应构成的槽接合。从而存在以下可能，即，根据需要来进一步提高环形轴承座的形状稳定性。
另外，尤其在具有开口轴承座的实施方式中或者当合拢的轴承座支臂的端面处于松弛的状态时可能有利的是，首先在轴承座上设置至少一个优选是轴承环的固定机构，其中该固定机构优选通过热压配合被安装到该轴承座上。这也是一项能提高环形轴承座的形状稳定性和功能性(例如在开放式轴承座的情况下)的措施，尤其是在当前的应用需要这样做时。
优选在轴承座形成之后至少在局部区域将该轴承座硬化，其中，尤其采用感应硬化法。与此相关的有利的是，使用钢合金来制造该轴，钢合金包含感应硬化所需要的含碳量。另外，也能够想到其它的最终加工步骤，例如打磨和抛光。该轴此时优选以整体构件的形式构成。
环形轴承座有利地具有大小在2毫米至15毫米之间的、优选在4毫米至10毫米之间的且特别优选在5毫米至8毫米之间的壁厚，其中，轴承座的壁厚在周面上可以是可变的。轴承座的直径优选在15毫米至150毫米之间，更优选是在20毫米至100毫米之间，尤其优选在25毫米至40毫米之间。
本发明还涉及一种根据上述方法制造的轴。
另外，本发明涉及一种轴尤其是平衡轴、曲轴等，其具有至少一个基本呈环形的轴承座和至少一个失衡部段。如上所述，该轴承座此时优选是闭合轴承座，其中该轴承座支臂优选被焊接起来。或者，该轴承座能作为开放式轴承座的形式来构成，其中该轴承座优选在5°至45°之间、更优选在10°至30°之间、特别优选在15°至20°之间的角度范围内是敞开的。轴承座壁厚此时也优选在2毫米至15毫米之间，更优选在4毫米至10毫米之间，特别优选在5毫米至8毫米之间，其中，该轴承座在其周面上有利地具有不同的壁厚。还优选的是，轴承座的直径在15毫米至150毫米之间，更优选在20毫米至100毫米之间，特别优选在25毫米至40毫米之间。最后优选的是，所述轴以整体构件的形式构成。
附图说明
以下将给出对附图的详细描述，其中：
图1是根据本发明的轴的一个优选实施方式的示意图；
图2是根据本发明的轴在两个对置的轴承座支臂的区域内在变形加工之前的示意性横截面图；
图3示出了如图2所示的相互对置的轴承座支臂，其与壳套工具相接合；以及
图4示出了在通过壳套工具成形之后的闭合的环形轴承座。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的轴10的一个优选实施例，该轴具有环形轴承座15和沿轴向方向观察设置在其侧面的失衡部段20、21。
本发明的轴10优选作为内燃机中的平衡轴被用于部分平衡或完全平衡自由惯性力和/或惯性矩。其中，轴10的径向支承优选借助低摩擦的滚针轴承或滚动轴承(未示出)来实现。这些滚针轴承或滚动轴承被布置在环形轴承座15的环绕接触面16上或者布置在位于该轴10的对置两端30、31的接触面的相应表面上。作为平衡轴的替代，也能够想到所有其它具有轴承座和失衡部(即在轴的至少一个局部区域中非旋转对称地分布的质量；与该轴的重心是否位于其转动轴线上无关)的已知类型的轴，例如像曲轴、凸轮轴等。
在所示的实施例中，其中一个所述支承端31也以本发明的轴承座形式构成。也能根据本发明作为替代方式或补充方式来构成另一支承端30或者其它中央轴承座。轴承座和失衡部段的数量、位置和尺寸也不受本发明限制。为了简单起见，以下将局限为中央轴承座15来描述本发明，其中，这同样能够适用于所有其它的轴承座。
如图1清楚所示，轴10的环形轴承座15以闭合空心环的形式构成。因为在运转中出现的力不是径向对称地出现在轴10上，而是通过因失衡部段20、21引起的非对称重量分布而相应地非对称出现，所以原则上也能够以开放方式构成轴承座15，并且确切地说，在沿径向与失衡部段20、21的失衡部对置的一侧。只要轴10的形状稳定性因所出现的力而得以保证，则可通过开放式轴承座进一步减轻轴10的重量。
根据用途的不同，环形轴承座15的壁厚处于2毫米至15毫米之间，优选处于4毫米至10毫米之间，特别优选处于5毫米至8毫米之间。另外，轴承座15的壁厚在周面上观察可以构造为是大小不同的。轴承座15的直径(即，直至接触面16的环形轴承座15的外径)在15毫米至150毫米之间，优选在20毫米至100毫米之间，特别优选在25毫米至40毫米之间。
还如图1所示，环形轴承座15可以设有设置在接触面16侧面上的凸棱，用于防止轴承在接触面16上的侧滑或者说倾斜布置。
根据应用领域的不同，还存在以下可能，即，在轴承座15(尤其在接触面16)上设置固定机构以便在必要时用于提高轴承座15的形状稳定性或功能性(如必要时在开放式轴承座15的情况下)。这样的固定机构例如可以是布置在接触面16上的轴承环，该轴承环例如可以被热压配合或套装到接触面16上。
图1所示的轴10此时以整体构件的形式构成，其优选由适合用在模锻法中的钢合金制成。此时还有利的是，所采用的钢合金具有这样的含碳量，即，其适于通过感应硬化法来硬化所述轴或其局部区域(尤其是轴承座15区域)。
以下，将参照图2至图4提供用于制造如图1所示的轴10的根据本发明的方法的一个优选实施方式。
在第一方法步骤中，轴坯(未示出)被构造成圆形杆部段的形式。其中，该轴坯优选具有不同的直径。
随后，借助成型方法至少形成失衡部段20、21和在该轴承座15区域内的至少两个对置的轴承座支臂17、18。即，如图2所示，在随后的轴承座15区域内首先提供一种U形横截面形状。其中采用模锻法作为优选的成型方法来形成失衡部段20、21和如图2所示的两个对置的轴承座支臂17、18。
优选在形成所述失衡部段20、21和两个对置的轴承座支臂17、18之前在这些区域内采取预变形，尤其用于减小在模锻法中出现的力，其中，优选采用横轧和/或辊锻法将所述区域预变形。通过这种方法，轴坯近似被如此“揉捏”，即，将材料移入随后的轴承座15或者轴承座支臂17、18以及失衡部段20、21的区域内。
在形成所述两个对置的轴承座支臂17、18的步骤之后，所述轴承座支臂17、18借助如图3举例示出的壳套工具相向弯曲，从而形成如图4所示的环形轴承座15。在这个优选实施方式中，其中，所述轴承座支臂17、18通过所述壳套工具40、41相向弯曲，使得轴承座支臂17端面17'与轴承座支臂18的端面18'(参见图2)相互接触并由此形成所示的闭合环形轴承座15。在所示的优选实施方式中，这些轴承座支臂17、18在其端面17'、18'区域内被焊接起来，从而提高了轴承座15的形状稳定性。其中，所述两个对置的轴承座支臂17、18的变形可在热变形步骤、半热变形步骤或冷变形步骤中进行。
作为上述焊接轴承座支臂17、18的替代方式或补充方式，存在以下可能，即，在所述轴承座支臂17、18(或许在其各自端面17'、18')上设置锁定机构(未示出)，该锁定机构在轴承座支臂17、18相向弯曲时可以相互接合并且在必要时能被相互锁定。例如，这样的锁定机构能被构造为榫槽机构的形式，它们能通过轴承座支臂17、18的相向弯曲以力配合和/或形状配合的方式相互接合。
在变形过程中和/或在模锻过程中，轴坯优选被感应加热。另外，在模锻和/或变形至少两个对置的轴承座支臂17、18之后进行修剪步骤，由此能修剪掉多余材料。还优选的是，在形成轴承座15以后，至少将轴承座15或轴承座15的局部区域硬化，其中，特别优选采用感应硬化法。也可以想到其它的最终加工步骤或最终加工方法，如打磨和抛光。
因此可以利用根据本发明的方法制造这样的轴10，该轴具有环形空心轴承座15。其中，环形轴承座15与迄今为止已知的轴承座相比具有明显较少的材料或明显较小的重量，从而一方面能够明显减轻轴10的总重，另一方面尤其是明显减轻轴承座15的重量，进而明显减轻失衡部段20、21的重量。另外，可以在具有闭合的轴承座15的轴10的优选实施方式中放弃单独的轴承环，这是因为轴承座15已经提供闭合的接触面16。
本发明不局限于前面的优选实施方式，而是包含由以下权利要求书的保护范围所涵盖的所有实施方式。
例如本发明不局限于轴承座的数量，尤其是由此根据本发明所形成的轴承座的数量。还能够想到不同的轴承座的实施方式(如开口环/闭合环)可以以组合的方式存在于唯一的轴上。本发明中的轴、失衡部段、轴承座和壁厚也不局限于一定的尺寸。

Claims (37)

1.一种制造轴(10)的方法，该轴具有至少一个呈环形的轴承座(15,31)和至少一个失衡部段(20,21)，所述方法至少包括以下步骤：
提供轴坯；
利用成型方法来形成所述至少一个失衡部段(20,21)以及至少两个对置的轴承座支臂(17,18)；和
利用壳套工具(40,41)使所述至少两个对置的轴承座支臂(17,18)变形，使得所述轴承座支臂(17,18)相向弯曲，从而形成所述至少一个呈环形的轴承座(15,31)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在形成所述至少一个失衡部段(20,21)和所述至少两个对置的轴承座支臂(17,18)的步骤之前，在所述至少一个轴承座(15,31)和所述至少一个失衡部段(20,21)区域内通过横轧和/或辊锻进行预变形。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，用于形成所述至少一个失衡部段(20,21)和所述至少两个对置的轴承座支臂(17,18)的所述成型方法是模锻法。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述轴坯被构造成圆形杆部段的形式。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述轴坯在变形和/或模锻之前以及/或者在变形和/或模锻过程中被感应加热。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在模锻和/或变形所述至少两个对置的轴承座支臂(17,18)之后修剪掉多余材料。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少两个对置的轴承座支臂(17,18)的变形在热变形步骤、半热变形步骤或冷变形步骤中进行。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述轴承座支臂(17,18)如此相向弯曲，使得所述轴承座支臂(17)的端面(17’)与所述轴承座支臂(18)的端面(18’)相互接触并且形成闭合的轴承座(15,31)。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述轴承座支臂(17,18)的相互接触的端面(17’,18’)被焊接起来。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述轴承座支臂(17,18)如此相向弯曲，从而形成开放式的轴承座。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述轴承座支臂(17,18)上设有锁定机构，所述锁定机构相互接合并相互锁定。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，在所形成的轴承座(15,31)上设置至少一个固定机构。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，在形成所述轴承座(15,31)以后，所述轴承座(15,31)至少在局部区域内被硬化，和/或利用其它方法被最终加工。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述轴承座(15,31)的壁厚位于2毫米至15毫米之间。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述轴承座(15,31)在其周面上具有不同的壁厚。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述轴承座(15,31)的直径位于15毫米至150毫米之间。
17.根据权利要求4所述的方法，其中，所述圆形杆部段具有不同直径。
18.根据权利要求10所述的方法，其中，该轴承座在5°至45°之间的角度范围内是敞开的。
19.根据权利要求10所述的方法，其中，该轴承座在10°至30°之间的角度范围内是敞开的。
20.根据权利要求10所述的方法，其中，该轴承座在15°至20°之间的角度范围内是敞开的。
21.根据权利要求12所述的方法，其中，在所形成的轴承座(15,31)上设置至少一个轴承环。
22.根据权利要求12所述的方法，其中，所述固定机构被热压配合至所述轴承座(15,31)上。
23.根据权利要求13所述的方法，其中，在形成所述轴承座(15,31)以后，所述轴承座(15,31)至少在局部区域内被硬化，借助感应硬化法，和/或利用其它方法被最终加工。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，在形成所述轴承座(15,31)以后，所述轴承座(15,31)至少在局部区域内被硬化和/或利用打磨和抛光被最终加工。
25.根据权利要求14所述的方法，其中，所述轴承座(15,31)的壁厚位于4毫米至10毫米之间。
26.根据权利要求14所述的方法，其中，所述轴承座(15,31)的壁厚位于5毫米至8毫米之间。
27.根据权利要求16所述的方法，其中，所述轴承座(15,31)的直径位于20毫米至100毫米之间。
28.根据权利要求16所述的方法，其中，所述轴承座(15,31)的直径位于25毫米至40毫米之间。
29.一种根据权利要求1至28中任一项所述的方法制造的轴(10)。
30.根据权利要求29所述的轴(10)，该轴具有至少一个呈环形的轴承座(15,31)和至少一个失衡部段(20,21)。
31.根据权利要求30所述的轴(10)，其中，所述轴承座(15,31)是闭合的轴承座(15,31)，并且所述轴承座支臂(17,18)被相互焊接起来。
32.根据权利要求30所述的轴(10)，其中，所述轴承座(15,31)是开放式的轴承座。
33.根据权利要求30至32中任一项所述的轴(10)，其中，所述轴(10)以整体构件形式构成。
34.根据权利要求30所述的轴(10)，其中，所述轴(10)是平衡轴、曲轴。
35.根据权利要求32所述的轴(10)，其中，所述轴承座在45°至5°之间的角度范围内是敞开的。
36.根据权利要求32所述的轴(10)，其中，所述轴承座在30°至10°之间的角度范围内是敞开的。
37.根据权利要求32所述的轴(10)，其中，所述轴承座在20°至15°之间的角度范围内是敞开的。
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