CN105570276B - 发动机曲轴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机曲轴。提供了一种发动机中的曲轴。曲轴包括：仅两个外部轴承轴颈，其被配置成附连至两个外部曲轴轴承；仅单个内部轴承轴颈，其被轴向定位在两个外部轴承轴颈之间并且被配置成附连至内部曲轴轴承；无支撑部分，其被轴向定位在外部轴承轴颈中的一个和内部轴承轴颈之间；和仅三个连杆轴颈，每个连杆轴颈被配置成附连至单独的活塞连杆。

Description

发动机曲轴

技术领域

本发明涉及发动机中的曲轴。

背景技术

曲轴在发动机中用于将旋转能量传递至车辆变速器以向车轮提供推进力。在发动机中提供轴承以支撑曲轴并引导曲轴的旋转。具体地，通常在曲轴中的每个连杆轴颈之间提供耦连至轴承的轴承轴颈。然而，支撑曲轴的轴承在旋转期间产生摩擦，从而减小曲轴效率。因此，发动机效率被减小，并且因而发动机燃料经济性被减小。

US 2014/0041618公开了具有减小的轴颈轴承的四汽缸发动机的曲轴设计。发明人已经认识到在将方法应用于具有更少汽缸的发动机时，US 2014/0041618中公开的曲轴设计具有的若干缺点。例如，在具有3个汽缸的发动机中移除曲轴轴承可以使曲轴的弯曲增加超过期望水平，从而增加发动机振动。此外，具有奇数个汽缸的发动机(诸如3汽缸发动机)通常具有偶数个轴承和对应的轴承轴颈。因而，在曲轴中移除单个轴承和轴承轴颈使得轴承布置关于纵向方向不对称。轴承和对应的轴承轴颈的不对称分布不适当地增加无支撑部分的弯曲，这又会导致增加的发动机振动和减小的曲轴和轴承寿命。

发明内容

本发明解决上述问题。因此，在一种方法中，提供在发动机中的曲轴。曲轴包括在发动机中提供的曲轴。曲轴包括：仅两个外部轴承轴颈，其被配置成附连至两个外部曲轴轴承；仅单个内部轴承轴颈，其被轴向定位在两个外部轴承轴颈之间并且被配置成附连至内部曲轴轴承；无支撑部分，其被轴向定位在外部轴承轴颈中的一个和内部轴承轴颈之间；和仅三个连杆轴颈，每个被配置成附连至单独的活塞连杆。相比于包括四个轴承轴颈和对应的曲轴轴承的三汽缸发动机的先前曲轴，提供具有仅三个轴承轴颈和三个连杆轴颈的曲轴能够使曲轴摩擦减小。因此，燃料经济性得到提高。此外，使用仅三个轴承轴颈能够使发动机的成本减小，这是因为除去曲轴轴承和对应的零件。此外，当在发动机中除去曲轴轴承和对应的零件时，发动机的质量能够被减小。

在一个示例中，无支撑部分和内部轴承轴颈从曲轴的纵向中心线偏移。以此方式，当移除曲轴中的轴承轴颈时，发动机中的汽缸的间隔可以维持在期望距离。

在一个示例中，无支撑部分具有比轴承轴颈更大的直径。因此，曲轴弯曲、扭转和疲劳被减小以提供期望的曲轴旋转特性。具体地，无支撑部分的增加的直径使曲轴在可能特别容易弯曲的期望区域中的刚度增加。

另外，在一个示例中，三个连杆轴颈中的两个被轴向定位在外部轴承轴颈中的一个和单个内部轴承轴颈之间，并且连杆轴颈中的一个被轴向定位在单个内部轴承轴颈和另一个外部轴承轴颈之间。当单独或与附图相结合时，根据下面的具体实施方式，本说明书的上述优点和其它优点以及特征将是显而易见的。

应当理解，提供上述发明内容，以简化的形式介绍一系列构思，这些构思将被进一步描述在具体实施方式中。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或基本特征，要求保护的主题的范围被随附的权利要求唯一地限定。此外，要求保护的主题不限于解决在上面或在本公开的任何部分中提及的任何缺点的实施方式。此外，发明人在此已经认识到上述问题，并且上述问题不被认为是已知的。

附图说明

图1示出包括曲轴的发动机的示意性描绘。

图2示出示例曲轴的图示说明。

图3示出图2中示出的曲轴的另一个图示说明，其中描绘曲轴中的连杆轴颈之间的角间距。

图4示出曲轴的操作方法。

具体实施方式

本文描述具有仅三个轴承轴颈和三个轴颈销的曲轴。定位在轴承轴颈中的两个之间的内部轴承轴颈可以从曲轴的纵向中心线偏移，并且曲轴可以进一步包括定位在内部轴承轴颈和外部轴承轴颈之间的无支撑部分。无支撑部分本质上能够实现轴承从发动机组件中移除。在一个示例中，无支撑部分的直径可以大于轴承轴颈的直径。无支撑部分的较大的直径能够实现增加该部分的结构完整性以在旋转期间减小曲轴弯曲。具体地，无支撑部分的较大的直径使曲轴能够实现期望的曲轴弯曲、扭转和疲劳特性。因此，无支撑部分的直径的增加使曲轴弯曲、扭转和疲劳减小。应当认识到，当具有以上特性的曲轴被利用时，曲轴组件中的摩擦减小，从而增加发动机效率和燃料经济性。此外，当具有以上特性的曲轴被用在发动机中时，必要时发动机中部件的数量可以被减小，从而减小发动机的制造成本。

现参考图1，其示出包括在车辆100中的示例发动机10。因此，在一个示例中，发动机10可以为机动车提供驱动系统。可以至少部分通过包括发动机控制器12的控制系统并且通过经由输入设备132来自车辆操作者130的输入来控制发动机10。在该示例中，输入设备132包括加速器踏板和用于产生成比例的踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。应当认识到，发动机控制器12可以包括存储在存储器中可由处理器执行的指令。

发动机10可以包括多个汽缸20。发动机10可以被配置成在汽缸20中实施燃烧操作，诸如四冲程燃烧循环。具体地，在所描述的示例中，发动机包括三个汽缸。汽缸20以直列配置布置。即，平面延伸通过每个汽缸的中心轴线21。汽缸盖26耦连至汽缸体28以形成汽缸20。储油罐30(例如，油盘)可以耦连至汽缸体28。汽缸体28和储油罐30的部分形成包围曲轴34的曲轴箱32的边界。汽缸20包括按顺序布置的第一汽缸50、第二汽缸52和第三汽缸53。因而，存在两个外部汽缸(50和53)和一个内部汽缸52。汽缸的点火顺序可以是第一汽缸50、第二汽缸52和第三汽缸53。

进气系统36向汽缸20提供进气空气。同样地，排气系统38接收来自汽缸20的排气。进气系统36可以包括用于以期望速率将进气空气输送至汽缸的各种部件(未示出)，诸如过滤器、节气门、进气管道、进气歧管、耦连至汽缸的进气门等。附加地，排气系统38包括用于接收来自发动机的排气的各种部件(未示出)，诸如排气歧管、耦连至汽缸的排气门、排气管道、排放控制设备(例如，过滤器催化剂)等。

汽缸20中的每个包括设置在其中的活塞40。存在两个外部活塞42和一个内部活塞44。活塞40经由通过箭头46指示的活塞连杆耦连至曲轴34。曲轴轴承48旋转地耦连至曲轴34以支撑曲轴并引导曲轴34的旋转。应当认识到，曲轴轴承48可以包括用于实现上述功能的各种部件，诸如内座圈(inner race)、外座圈(outer race)、滚柱元件等。具体地，在两个外部曲轴轴承55之间轴向定位有内部曲轴轴承57。如图所示，内部曲轴轴承57可以沿轴向方向从曲轴34的中心线54偏移。应当认识到，中心线54是曲轴34的第一端56和曲轴的第二端58之间的中点。曲轴轴承48可以耦连至曲轴箱32中的部件。

曲轴34的第一端56可以耦连至发动机中邻近前发动机盖的部件。此外，曲轴34的第二端58可以耦连至发动机10的变速器62中的飞轮60。变速器62包括耦连至飞轮60的齿轮66，经由箭头68指示。具体地，曲轴34可以包括飞轮附连接口64，用于使曲轴附连至飞轮。

曲轴34进一步包括耦连至活塞连杆46的连杆轴颈70。此外，曲轴34包括轴承轴颈72。轴承轴颈72被配置成附连至曲轴轴承48。具体地，曲轴中包括有两个外部轴承轴颈和内部轴承轴颈。本文关于图2更详细讨论轴承轴颈。曲轴进一步包括定位在连杆轴颈70中的两个连杆轴颈之间的无支撑部分74。无支撑部分74不具有与其耦连的曲轴轴承，并且因而不能由外部部件直接支撑。本文关于图2还更详细讨论无支撑部分。

应当认识到，发动机10中的曲轴34和其它部件被示意性描述在图1中以帮助理解发动机布局。然而，曲轴34和其它部件可以具有较大的几何复杂性和额外部件，诸如轴承轴颈、连杆轴颈、平衡重等，其被更详细描述在本文中。

图2示出示例曲轴200的透视图。曲轴200可以是图1中示出的曲轴34的示例并且因而可以被包括在图1中示出的发动机10中。如图2所示，曲轴200包括三个轴承轴颈202和三个曲轴销204。具体地，第一外部轴承轴颈206、第二外部轴承轴颈208和内部轴承轴颈210被包括在曲轴200中。内部轴承轴颈210被轴向地定位在外部轴承轴颈(206和208)之间。曲轴的旋转轴线209被提供用于参考。内部轴承轴颈210沿轴向方向从曲轴200的中心线212偏离。中心线212是曲轴的第一端214和曲轴的第二端216之间的中点。如先前所讨论的，第一端214可以耦连至发动机邻近前发动机盖(未示出)的部分，并且曲轴200的第二端216包括飞轮附连接口218，该飞轮附连接口218被配置成附连至飞轮，诸如图1中示出的飞轮60。因此，曲轴的端部被定位成邻近飞轮。飞轮附连接口可以包括开口，该开口被配置成接纳附连设备，诸如用于使曲轴耦连至飞轮的螺栓。

在两个外部连杆轴颈之间轴向定位有两个外部连杆轴颈220和一个内部连杆轴颈222。因此，存在三个连杆轴颈。在所描述的示例中，曲轴200仅包括3个连杆轴颈。连杆轴颈(220和222)中的每个可以被耦连(例如，直接耦连)至活塞连杆，诸如图1中所示的活塞连杆46。活塞连杆又被耦连至设置在汽缸中的活塞。应当认识到，在曲轴的旋转期间，连杆轴颈(220和222)引导活塞连杆的旋转以使活塞在汽缸中按往复运动移动。

连杆轴颈(220和222)每个均包括连杆连接部分224。在所描述的示例中，连杆连接部分224是柱形的。此外，连杆轴颈均包括耦连至连杆连接部分224的相对侧的一对臂226。

曲轴200进一步包括远离连杆轴颈(220和222)延伸的平衡重227。平衡重227关于至少一个轴线对称。平衡重227为连杆轴颈提供平衡力。连杆连接部分224可以均被定位在一对平衡重227(228)之间。

曲轴200进一步包括两个外部轴承轴颈(206和208)。在一个示例中，曲轴箱200可以包括仅两个外部轴承轴颈。内部轴承轴颈210被轴向定位在两个外部轴承轴颈(206和208)之间。在一个示例中，曲轴可以仅包括单个内部轴承轴颈。轴承轴颈(206、208和210)中的每个被配置成附连至曲轴轴承，诸如图1中示出的曲轴轴承48中的一个。如图所示，外部轴承轴颈中的一个被定位在邻近飞轮附连接口218。在所描述的示例中，内部轴承轴颈210沿轴向方向从曲轴的中心线212偏移。应当认识到，中心线212是第一端214和第二端216之间的曲轴200的轴向中点。此外，内部轴承轴颈和两个外部轴承轴颈(206和208)两者与曲轴200的旋转轴线209对齐。

曲轴200进一步包括轴向定位在内部轴承轴颈210和外部轴承轴颈206之间的无支撑部分234。应当认识到，无支撑部分234未直接耦连至诸如曲轴轴承的任何支撑结构。因此，无支撑部分234延伸通过曲轴箱，而没有任何部件与曲轴箱耦连。无支撑部分234也轴向对齐。即，无支撑部分234与曲轴200的旋转轴线209对齐。此外，在所描述的示例中，无支撑部分234是柱形的。更一般地，无支撑部分可以关于轴向横截面对称。应当认识到，该横截面垂直于曲轴200的旋转轴线209。然而，已经预期到无支撑部分的其它几何形状和/或位置。

而且，无支撑部分234具有比轴承轴颈(206和208)的直径238更大的直径236。应当认识到，轴承轴颈(206和208)在大小和几何形状上可以基本相同。以此方式，可以增加曲轴的结构完整性。此外，无支撑部分234沿轴向方向从曲轴200的中心线212偏移。支撑部分234被定位在外部连杆轴颈220中的一个的臂240和内部连杆轴颈222的臂244之间。臂240和244远离旋转轴线209径向延伸。

曲轴200包括耦连至外部连杆轴颈220中的一个的平衡重246和耦连至内部连杆轴颈222的另一个平衡重248。无支撑部分234被轴向(例如，纵向)定位在平衡重246和平衡重248之间。无支撑部分234因而在第一侧250上耦连至平衡重246并且在第二侧252上耦连至平衡重248。此外，曲轴200可以包含金属，诸如合金，并且可以经由铸造、锻造、铣磨(milling)等被构造，从而形成连续形状。在一个示例中，无支撑部分234可以被铸造或锻造。

此外，三个连杆轴颈260中的两个被轴向定位在外部轴承轴颈206中的一个和单个内部轴承轴颈210之间，并且连杆轴颈262中的一个被轴向定位在单个内部轴承轴颈210和另一个外部轴承轴颈208之间。在一个示例中，邻近无支撑部分234耦连至连杆连接部分224的臂226的轴向宽度可以被增加以提高曲轴刚性。因而，在一个示例中，邻近无支撑部分的臂的轴向宽度可以大于远离无支撑部分间隔的臂的轴向宽度。

图3示出曲轴200中连杆轴颈(220和222)的角间距的描述。图3从第一端214示出曲轴200。图3中示出的部件经由直线和环形块来描述以帮助理解连杆轴颈的相对位置。然而，如图2所示，曲轴200具有额外的几何复杂性。

继续图3，在300处示出外部连杆轴颈220中的一个和内部连杆轴颈222之间的角间距，并且在302处示出另一个外部连杆轴颈220和内部连杆轴颈222之间的角间距。而且，在304处示出外部连杆轴颈220之间的角间距。在所描述的示例中，角间距(300、302和304)中的每个是120度。

应当认识到，连杆轴颈(220和222)中的每个具有关于曲轴200的旋转轴线209不同的角位置。相应地，图2中示出的平衡重228中的每个在关于旋转轴线209不同的角位置处远离其对应的连杆轴颈延伸。

图4示出曲轴/变速器的操作方法400。方法400可以经由上面关于图1-3所讨论的曲轴/变速器而实施或可以经由另一个合适的曲轴/变速器而实施。

在402处，该方法包括使曲轴旋转，该曲轴具有仅两个外部轴承轴颈、仅单个内部轴承轴颈、无支撑部分和仅三个连杆轴颈，其中该两个外部轴承轴颈被配置成附连至两个外部曲轴轴承，仅单个内部轴承轴颈被轴向定位在两个外部轴承轴颈之间并且被配置成附连至内部曲轴轴承，无支撑部分被轴向定位在外部轴承轴颈中的一个和内部轴承轴颈之间，并且仅三个连杆轴颈的每个均被配置成附连至单独的活塞连杆。

注意，包括在本文中的示例控制和估计程序可以与各种发动机和/或车辆系统构造一起使用。本文公开的控制方法和程序可以作为可执行指令存储在非临时性存储器中，并且可以由包括与各种传感器、致动器和其它发动机硬件结合的控制器的控制系统实施。本文描述的具体程序可以表示任何数量的处理策略中的一个或更多个，诸如事件驱动的、中断驱动的、多任务的、多线程的等。因此，所示的各种行为、操作和/或功能可以按所示的顺序执行、并行地执行或在一些情况下被省略。同样，处理的顺序不是实现本文描述的示例实施例的特征和优点所必需的，而是为了便于说明和描述提供。根据使用的特定策略，所示的行为、操作和/或功能中的一个或更多个可以被重复地执行。此外，所述的行为、操作和/或功能可以图形化地表示被编程到发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非临时性存储器之内的代码，其中所述的行为通过执行包括与电子控制器结合的各种发动机硬件部件的系统中的指令而被实现。

应当认识到，本文所公开的构造和程序在本质上是示例性的，并且这些具体实施例不应被认为具有限制意义，因为许多变体是可能的。例如，上述技术可以被用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸和其它发动机类型。本公开的主题包括本文所公开的各种系统和构造和其它特征、功能和/或性质的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。

随附的权利要求具体指出被认为是新颖的和非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可能涉及“一个”元件或“第一”元件或其等同物。这样的权利要求应当被理解为包括一个或更多个这样的元件的组合，既不要求也不排除两个或更多个这样的元件。所公开的特征、功能、元件和/或性质的其它组合和子组合可以通过本申请的修改或通过在本申请或相关申请中提出新权利要求而要求保护。这样的权利要求，无论比原权利要求范围更宽、更窄、等同或不同，均被认为包含在本公开的主题内。

Claims (19)

1.一种发动机中的曲轴，其包含：

仅两个外部轴承轴颈，其被配置成附连至两个外部曲轴轴承；

仅单个内部轴承轴颈，其被轴向定位在所述两个外部轴承轴颈之间并且被配置成附连至内部曲轴轴承；

无支撑部分，其被轴向定位在所述外部轴承轴颈中的一个和所述内部轴承轴颈之间；和

仅三个连杆轴颈，每个所述连杆轴颈被配置成附连至单独的活塞连杆，所述发动机包括以直列配置按顺序布置的第一汽缸、第二汽缸和第三汽缸，所述第一汽缸、第二汽缸和第三汽缸具有设置在其中并且耦连至所述活塞连杆中的一个的对应的活塞。

2.根据权利要求1所述的曲轴，其中所述内部轴承轴颈从曲轴的轴向中心线偏移。

3.根据权利要求1所述的曲轴，其中所述无支撑部分具有比所述轴承轴颈的直径更大的直径。

4.根据权利要求3所述的曲轴，其中所述无支撑部分被定位在耦连至第一外部连杆轴颈的第一平衡重的一部分和耦连至第二外部连杆轴颈的第二平衡重的一部分之间。

5.根据权利要求4所述的曲轴，其中所述第一平衡重和所述第二平衡重远离其相应的连杆轴颈延伸。

6.根据权利要求1所述的曲轴，其中所述曲轴的端部被耦连至邻近所述两个外部轴承轴颈中的一个的飞轮。

7.根据权利要求1所述的曲轴，其中所述连杆轴颈中的每个间隔120度。

8.一种发动机，其包含：

曲轴，其包括耦连至三个活塞连杆的仅三个连杆轴颈并且包括至少两个外部轴承轴颈和单个内部轴承轴颈，每个所述外部轴承轴颈均耦连至外部曲轴轴承，所述单个内部轴承轴颈从所述曲轴的轴向中心线偏移并且耦连至内部曲轴轴承；

无支撑部分，其被轴向定位在所述外部轴承轴颈中的一个和所述内部轴承轴颈之间；和

以直列配置按顺序布置的第一汽缸、第二汽缸和第三汽缸，所述第一汽缸、第二汽缸和第三汽缸具有设置在其中并且耦连至所述活塞连杆中的一个的对应的活塞。

9.根据权利要求8所述的发动机，其中在所述第一汽缸、所述第二汽缸和所述第三汽缸中顺序地开始燃烧。

10.根据权利要求8所述的发动机，其中所述无支撑部分具有比所述轴承轴颈的直径更大的直径。

11.根据权利要求10所述的发动机，其中所述无支撑部分与所述曲轴的旋转轴线对齐。

12.根据权利要求10所述的发动机，其中所述无支撑部分在轴向横截面中对称。

13.根据权利要求8所述的发动机，其中所述三个连杆轴颈中的两个被轴向定位在所述外部轴承轴颈中的一个和所述单个内部轴承轴颈之间，并且所述连杆轴颈中的一个被轴向定位在所述单个内部轴承轴颈和另一个外部轴承轴颈之间。

14.根据权利要求8所述的发动机，其中所述发动机中仅有三个轴承耦连至所述曲轴中对应的轴承轴颈，所述曲轴包括仅三个轴承轴颈。

15.一种发动机中的曲轴，其包含：

两个外部轴承轴颈，其被配置成附连至两个外部曲轴轴承；

单个内部轴承轴颈，其被配置成附连至内部曲轴轴承；

两个外部连杆轴颈和内部连杆轴颈，所述连杆轴颈中的每个被配置成附连至单独的活塞连杆；和

轴向对齐的无支撑部分，其被轴向定位在所述外部连杆轴颈中的一个和所述内部连杆轴颈之间并且具有比所述内部和外部轴承轴颈更大的直径，所述发动机包括以直列配置按顺序布置的第一汽缸、第二汽缸和第三汽缸，所述第一汽缸、第二汽缸和第三汽缸具有设置在其中并且耦连至所述活塞连杆中的一个的对应的活塞。

16.根据权利要求15所述的曲轴，其中所述单个内部轴承轴颈从所述曲轴的中心线偏移。

17.根据权利要求15所述的曲轴，其中所述无支撑部分在第一侧上耦连至第一平衡重并且在第二侧上耦连至第二平衡重。

18.根据权利要求15所述的曲轴，其中所述无支撑部分是柱形的。

19.根据权利要求15所述的曲轴，其中所述连杆轴颈中的每个间隔120度。

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