CN105308336A - 具有无轴承大端部的连接杆 - Google Patents

Abstract

一种内燃机的连接杆，其包括大镗孔(16)以及内部镗孔表面。当前领域使用软金属轴承表面以降低磨损以及连接杆内径和曲柄轴轴瓦表面之间的摩擦。软金属轴承表面是发动机的独立部件。在该发明中，大镗孔端部内径涂覆有硬材料以降低或者消除磨损。该硬材料是通过热喷涂方法施加至内径的金属或者金属合金。较软聚合物材料还能够施加至连杆镗孔的内径表面。较软聚合物充当第一层，有时充当可消耗层，并且应用在整个热喷涂硬层上。聚合物层通常关联于喷涂金属层使用。聚合物涂层可以磨损内径表面；与喷涂金属层进行表面接触的该延迟对喷涂金属层具有有益效果。表面接触的该延迟将通常导致喷涂金属涂层的更长服务寿命。

Description

具有无轴承大端部的连接杆

本申请要求提交于2013年06月17日、申请号为61/835,985的临时专利申请的优先权，此处其整个内容通过参考并入本申请。

技术领域

本发明涉及一种无轴承连接杆以及生产连接杆的方法。本发明还涉及一种内燃机以及包括这种连接杆的自动车辆。

背景技术

连接杆用来将曲柄轴连接至活塞。连接杆包括杆状杆主体，小端部设置在杆主体的一个端部。大端部设置在杆主体的另一端部。连接杆主体越厚，越高的负荷能够在发动机操作期间施加至连杆。

发明内容

连杆的小端部包含活塞销镗孔并且允许活塞销延伸通过镗孔。小端部经由活塞销机械地连接至活塞。在小端部的对置部位，连杆的大端部包含曲柄销镗孔，其用于允许曲柄轴轴瓦延伸通过镗孔。大端部机械地连接至曲柄轴。

在该发明的实施例中，大端部分裂为两个件。杆部分从杆主体的一个端部继续。帽子部分利用螺栓联接至杆部分。在该发明中连接杆被称为分裂式连接杆。

对连接杆的机械特性的要求因每个区域而不同。例如，小端部以及连接杆的杆主体要求具有高强度以及高韧性以便在使用期间不会承受疲劳故障或者冲击故障。连接杆的大端部设计为使得镗孔的直径表面不逆着曲柄轴轴颈的摩擦而变形。

如果弹性模量低于钢弹性模量的合金被用作连接杆的材料，那么可以实现重量降低，但是大端部的刚度将不足够。设计连接杆具有用于获得足够刚度的尺寸将减损重量降低的优势。

连接杆将在燃烧周期期间生成的功率从活塞传递至发动机的曲柄轴。连接杆通常由第一端部和第二端部限定。第一端部和第二端部均典型地包括出现在连接杆的每个端部的孔口。典型地，出现在连接杆的第一端部中的孔口小于出现在连接杆的第二端部中的孔口。连接杆的第一端部中的孔口构造为依靠活塞销连接至活塞。连接杆的第二端部中的孔口构造为依靠曲柄轴销连接至曲柄轴。

钢是用于制造连接杆和曲柄轴轴瓦的最常见的材料。大端部内径和曲柄轴轴瓦之间的间隙非常小。间隙尺寸在0.005英寸的级别。连杆的内部镗孔和两个部件的轴瓦表面之间的紧密容差限制出现在曲柄轴镗孔和轴瓦之间的发动机油的量。

典型地，软的以及粗糙的金属轴承表面安置在轴瓦表面和的大端部镗孔的内径之间。该软金属表面降低摩擦并且向内径以及曲柄轴轴瓦提供了一些润滑。习惯上，铜铅合金用于轴承材料。较软的铅铜合金提供了润滑，并且消除会引起热滞以及发动机故障的大多数钢与钢的接触。

软金属轴承组合易受疲劳和故障的影响。金属轴承还增加连接杆组件的质量；并且使发动机组件处理更复杂。

在该发明中解决了对于具有无轴承大端部的连接杆的需要，该连接杆能够承受高压施加在连接杆的负荷轴承表面上。还存在对于连接杆的需要，该连接杆提供了成本效益的性能，同时在质量制造环境中留下用于生产的实践。

附图说明

现在参考附图，详细示出了示意性例子。附图代表在该申请中描述的示范例证。附图未按比例绘制。为了更好地图示以及解释示范例证的创新方案，特定特征可以被放大。在该申请中提出的示范例证不旨在详尽的、限制性的或者约束示出于附图中的精确的形式以及构造。通过参考如下附图详细描述本发明的示范例证：

图1图示了根据示范例证的连接杆；

图2图示了根据另一示范例证的连接杆；

图3图示了连接杆的大端部以及热喷涂内径表面。

具体实施方式

现在参考下文的讨论以及附图，详细示出了示意性实施例。为了更好地图示以及解释，本公开特定特征可以被放大、移除或者局部分段。在该申请中陈述的描述不旨在详尽的限制或者以任何方式约束权利要求的精确形式。

在该发明中根据实施例生产的连接杆具有的优势在于，它们在曲柄轴轴瓦和大镗孔的内径之间不包含轴承壳。

在正常发动机操作期间，连接杆将功率从活塞传递至发动机的曲柄轴。燃烧功率通过点火可燃燃料空气混合物生成。连接杆转换活塞的线性运动为曲柄轴上的旋转运动。在该实施例中燃料通常以石油为基础，但是能够使用其他类型燃料。燃料空气混合物的燃烧施加极限压力在活塞和连接杆上。为了传递燃烧功率，连接杆依靠活塞销(未示出)机械地联接至活塞。

大端部轴承表面和曲柄轴轴瓦之间的界面在操作期间经历连续周期性径向负荷。施加至轴承表面的这些周期性负荷主要引起连接杆轴承的磨损。

例证针对具有大曲柄轴端部的连接杆。大端部镗孔内径在通常安装有软金属轴承的轴承表面的机加工内径上包括热喷涂涂层。热喷涂涂层给予在先前不必要的方法中采用连接杆的轴承。

在一些实施例中，大镗孔的内径表面的水平直径构造为与可以大于垂直直径的曲柄轴轴瓦配合。该偏心度能够出现在经涂覆及未经涂覆的表面镗孔中。

与曲柄轴销配合的表面的偏心度可以大致改善曲柄轴轴瓦和连接杆的大端部镗孔之间的界面周围的油润滑。大镗孔的偏心度可以通过机加工镗孔或者涂覆表面而设置，仅作为例子。

可以机加工内径、大镗孔端部的负荷轴承表面，然后施加涂层，例如，金属涂层。一个实施例使用热喷涂方法(例如HVOF)、等离子或者冷涂以施加金属以及聚合物涂层。一个示范热喷涂涂层由铜(Cu)合金(例如，Cu-Sn，Cu-Sn-Bi，Cu-Sn-Ni或者Cu-Sn-Bi-Ni)组成，仅作为例子。在其他例子中，可以采用电板涂层或者喷溅涂层。

金属涂层可以具有的厚度为约50和400微米之间。在另一实施例中，涂层厚度在约150和200微米之间。第三实施例具有的厚度为约150微米。

金属涂层可以沿着图示于附图中的位置“A”施加。在“A”涂层被施加之后，下一步骤可以为机加工操作以使表面粗糙并且提供期望的圆形形状。

在机加工操作之后，聚合物涂层可以施加至位置“B”。正如附图图示的，聚合物涂层被施加在大镗孔的层上，延伸在金属涂层的顶部。在一个例子中，聚合物涂层可以具有铝粒子(大约10-15％)、聚四氟乙烯(PTFE，即，Teflon特氟隆)(大约5-7％)、硅烷(大约4.5至5.0％)和平衡聚酰胺-酰亚胺材料的混合物的成分。仅作为例子，聚合物涂层商业上可从MAHLE获得，包括商业上公知为Fl和F2可获得的聚合物涂层。还可以采用描述于美国专利公开号2011/0317955的这些聚合物涂层。此处美国专利公开号2011/0317955的整个内容通过参考清楚地并入。

聚合物涂层可以施加成比任何金属涂层薄的层。在一个例子中，聚合物涂层大约为3-5微米厚，第二示范方法提供了10微米厚的涂层，在第三例子中，涂层大约为3-15微米厚。在一些示范应用中，聚合物涂层可以为40微米厚。

金属涂层和聚合物涂层可以大致结合以作用为轴承的替代。由于消除了轴承部件的上和下连接杆部分，所以无轴承设计导致更轻的总体部件。能够比使用独立轴承部件的一些先前实施例具有更高负荷能力。

偏心大镗孔形状可以创建在大镗孔表面。正如图示的，利用热喷涂涂层或者任何其他金属涂层，金属涂层可以施加至大镗孔的内径的“A”位置。在一个方法中，热喷涂涂层包括铜(Cu)合金，例如，Cu-Sn、Cu-Sn-Bi、Cu-Sn-Ni或者Cu-Sn-Bi-Ni，仅作为例子。金属涂层可以具有的厚度为约50和400微米之间的，第二示范例证具有的厚度为约150和200微米之间的，第三示范例证具有的厚度为约150微米。

仅作为例子，可以采用三金属涂层或者双金属涂层。在一个例证中，大镗孔的最底端仅包括聚合物涂层，即，其直接施加至金属镗孔表面。

更具体来说，大镗孔的整个内径具有聚合物涂层，类似于上述第一示范例证。机加工大镗孔表面，例如，在应用聚合物涂层之前，可以要求提供如图示的偏心形状。

大镗孔的内径可以初始机加工以形成水平偏心形状。偏心形状由大于直径D1的直径D2限定。例如，大致如上述第一示范例证中描述的，聚合物涂层可以沿着整个内径直接施加至金属(例如钢)表面。因此，具有聚合物涂层的连接杆大端部将具有偏心度，作为水平直径D2大于垂直直径D1的结果。

热喷涂涂层可以施加在整个内径上，(不存在其他机加工)聚合物涂层可以施加在热喷涂涂层的顶部。由于施加聚合物涂层可以消除得自于热喷涂的粗糙，并且可导致在第一三个示范例证中详细的水平偏心形状。

热喷涂结合大镗孔内径表面的机加工可以提供期望的镗孔开口的偏心度。例如，正如第四示范例证所示，大致圆形镗孔开口可以被热喷涂，热喷涂涂层可以随后被机加工以形成水平偏心开口。可替换地，大镗孔的内径表面可以被机加工以在应用热喷涂涂层之前提供一些或者所有偏心形状。随后，热喷涂涂层可以进一步被机加工以提供期望的偏心度。然后聚合物涂层可以施加至热喷涂涂层。

沿着内径整个应用热喷涂涂层可以大致提供防卫，因此可以说例如如果聚合物涂层故障，热喷涂涂层不会不确定或者不耐用。例如，如果发动机不清洁(例如，铁或者铝粒子中断油膜)，聚合物涂层可以折中。从而热喷涂涂层可以提供额外的保护层，通过先前方法(即通过组合聚合物和热喷涂涂层于一起)当前未能提供该额外的保护层。

热喷涂涂层可以随后施加在整个内径上。聚合物涂层可以施加在热喷涂涂层的顶部。当施加时，聚合物涂层可以大致消除因热喷涂造成的粗糙。正如图示的，大镗孔可以限定大致圆形形状，金属热喷涂涂层可以施加在大致恒定厚度上。聚合物涂层能够施加在大镗孔周围改变的厚度上，使得偏心形状大致由聚合物涂层的表面限定。

实施例允许大镗孔的上限和下限区域可以被机加工以接收聚合物涂层。机加工操作不磨光或者机加工涂层下方的偏心区域。作为椭圆形状的结果这将允许优化性能。在采用改变的聚合物层厚度的例子中，易于机加工和较低材料成本可以大致源自于降低的材料要求和/或更有效的放置聚合物涂层。

在一个实施例中，金属热喷涂涂层仅沿着大镗孔的内径的边缘指示的区域施加。大镗孔的内径的剩余区域涂覆有聚合物涂层。正如示出的沿着内径的边缘的热喷涂涂层可以提供一致性和强度，尤其在关注边缘加载的应用中。

在一些示范方法中，聚合物涂层可以施加在局部涂层处。聚合物的局部涂层可以允许通过仅施加涂层在这些局部区域内使得局部问题更有效地解决，例如，通过沿着镗孔的端部施加涂层以解决边缘加载。

图1图示了基本内燃机。具有多个气缸的往复活塞类型构造为用于安装在机动车辆(未示出)中。发动机包括以直线或者V形状布置的单个或者两个气缸行2、3，活塞4、5操作在气缸中。活塞4、5通过相应的连接杆6、7连接至曲柄轴8。曲柄轴通过曲柄轴轴承表面被收纳。布置在壳体中的曲柄轴轴承表面由轻金属合金制成并且具有用于曲柄轴8的曲柄销的轴承镗孔。

图2图示了连接杆。小镗孔端部15经由活塞销(未示出)和附接至曲柄轴轴瓦的大镗孔端部16而附接至活塞。

图3示出了具有第一热喷涂轴承表面17和第二喷涂轴承表面18的第一轴承段13和第二轴承段14。喷涂表面设置在轴承分离平面B-B的两侧。

第二喷涂轴承表面17延伸跨越曲柄轴8的中央纵向平面C-C。邻近的(或者毗邻的)喷涂轴承表面17和18、13和14由连接元件20和21支撑以及稳固，并且至少喷涂轴承表面17和18还称为轴承盖。

根据发生的特定命令序列，在该申请中已经描述了处理、系统、方法、启发法等。除了在本申请中描述的顺序之外，处理能够实践为描述的步骤。处理的特定步骤能够同时执行。额外步骤能够添加，或者能够省略该申请中描述的特定步骤。在该申请中提供对处理的描述是为了图示特定实施例的目的。它们不应被解释为限制本发明要求的内容。应该理解的是，上述说明书旨在示意性的而不是约束性的。本发明的范围应该是确定的，不参考上述说明书。参考权利要求应该确定的是，权利要求宣称的等同物的全部范围。应该认识到以及计划的是，未来发展将发生在该申请讨论的领域中。本公开的系统和方法将并入这种未来的实施例。应该理解的是，本发明是能够修改、改变的，并且仅由以下权利要求限制。

权利要求中使用的所有术语旨在给本领域技术人员它们最广义的合理结构以及普通意思。除非在本申请中清楚地指示相反意思。尤其，使用单数诸如“一”、“该”、“所述”等应该理解成叙述一个或多个指示的元件，除非权利要求叙述清楚地叙述相反限制。

Claims (20)

1.一种连接杆，包括：梁，其连接第一端部和第二端部，所述第一端部大于所述第二端部，所述第一端部包含第一镗孔，所述第二端部包含第二镗孔，所述第一镗孔的直径大于所述第二镗孔的对应的直径；所述第一端部镗孔内半径涂覆有材料。

2.根据权利要求1所述的连接杆，其额外地包括金属涂层，所述金属涂层安置在所述第一镗孔的表面和聚合物涂层之间。

3.根据权利要求2所述的连接杆，其中所述金属涂层为热喷涂涂层，所述涂层的厚度从50至400微米，优选厚度为150微米。

4.根据权利要求3所述的连接杆，其中所述金属涂层包括铜合金。

5.根据权利要求2所述的连接杆，其中所述金属涂层由锡电镀涂层以及铝锡喷溅涂层组成。

6.根据权利要求2所述的连接杆，在该申请中使用电镀涂层处理以及喷溅涂层处理施加所述金属涂层。

7.根据权利要求1所述的连接杆，在该申请中所述聚合物涂层限定3-40微米之间的厚度，优选厚度为10微米。

8.根据权利要求1所述的连接杆，在该申请中所述聚合物涂层包括聚酰胺(PAI)、铝粒子、聚四氟乙烯(PTFE)以及硅烷。

9.根据权利要求1所述的连接杆，在该申请中所述第一镗孔和所述聚合涂层中的至少一个限定偏心或者椭圆形状。

10.一种用于内燃机的活塞/连接杆组件，包括：

活塞，其具有延伸通过所述活塞的活塞销镗孔，所述镗孔平行于活塞顶表面安置，活塞销被所述活塞销镗孔接收并且延伸通过所述活塞销镗孔；以及连接杆，其具有接收所述活塞销的连接杆镗孔，所述连接杆镗孔的壁直接接合所述活塞销，所述连接杆镗孔具有的直径从较小直径中央部分变化至其任一端部的较大直径部分。

11.根据权利要求3所述的活塞/连接杆组件，其中：所述连接杆镗孔的所述壁的一部分具有弯曲轮廓，所述轮廓跨越所述轮廓的表面分布负荷。

12.根据权利要求3所述的活塞/连接杆组件，在该申请中其中：所述连接杆镗孔的所述壁的一部分具有准椭圆形轮廓。

13.根据权利要求3所述的活塞/连接杆组件，在该申请中其中：所述连接杆镗孔的所述壁的一部分具有椭圆形轮廓。

14.根据权利要求3所述的活塞/连接杆组件，在该申请中其中：所述连接杆镗孔的所述壁的一部分具有椭圆形轮廓，所述椭圆形轮廓对应于中心与垂直于所述连接杆镗孔的中央轴线的中央平面隔开的椭圆形。

15.根据权利要求3所述的活塞/连接杆组件，在该申请中其中：所述连接杆镗孔具有关于垂直于所述连接杆镗孔的中央轴线的中央平面对称的轮廓。

16.根据权利要求6所述的活塞/连接杆组件，在该申请中其中：所述连接杆镗孔的所述壁具有椭圆形轮廓。

17.根据权利要求6所述的活塞/连接杆组件，在该申请中其中：所述连接杆镗孔的所述壁具有椭圆形轮廓，所述椭圆形轮廓对应于中心与垂直于所述连接杆镗孔的中央轴线的中央平面隔开的椭圆形。

18.根据权利要求6所述的活塞/连接杆组件，在该申请中其中：所述连接杆镗孔的所述壁具有一对椭圆形轮廓，每个轮廓对应于中心与垂直于所述连接杆镗孔的中央轴线的中央平面隔开的椭圆形。

19.根据权利要求6所述的活塞/连接杆组件，在该申请中其中：从所述中央平面至每个中心的距离为从所述中央平面至所述连接杆的对应侧壁的距离的四分之一至三分之一。

20.根据权利要求6所述的活塞/连接杆组件，在该申请中其中：每个椭圆形具有垂直于中心线的主轴以及平行于所述中心线的次轴。