CN106286572A - 用于内燃发动机的轴组件 - Google Patents

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Abstract

一种用于内燃发动机的轴组件，包括至少一个带轴承轴颈的轴，所述轴可旋转地支撑在至少一个轴承上，还包括被约束为与轴一起旋转的至少一个衬套。衬套设置有用于轴承的轴颈表面。轴采用与制造衬套的材料不同且通常更软的材料制造。

Description

用于内燃发动机的轴组件
技术领域
本发明涉及内燃发动机的带轴承轴颈的轴，具体涉及将这些轴安装到内燃发动机。
背景技术
内燃发动机设置有可旋转的轴。作为示例，内燃发动机设置有将活塞的往复运动转换为旋转运动的曲轴、控制发动机阀的操作的凸轮轴、以及降低内燃发动机振动的一个或多个平衡轴。
轴可通过轴承安装在内燃发动机中，轴承例如是滚子轴承或球轴承，其允许轴由轴承轴颈支撑，即在一个或多个轴承中以可旋转的方式支撑。换句话说，轴承在轴颈表面处支撑轴，且允许轴相对于内燃发动机旋转。
为了降低轴和轴承之间的振动、噪音和摩擦，轴的外表面被适当地加工，以便与轴承的运动元件(例如滚子轴承的滚子)直接联接。而且，轴承的可运动元件(例如滚子)通常用钢或硬材料(即具有高硬度的材料)制造。为了允许轴承的正确运行，轴的外表面应该具有一定的硬度以与滚子正确地协作。通常，轴也通过锻钢制造。这致使对轴的机加工较为复杂，并且成本较高。
此外，钢制造的轴的噪音尤其大，尤其在其上设置与其他齿轮啮合的钢齿轮的情况下。
发明内容
本发明提供一种用于内燃发动机的轴，其比已知的方案的成本更低，其使得运行期间轴的噪音最小化，特别是在其通过齿轮联接到其他部件时。根据本发明的轴使得轴的间隙和公差最小化，且也使得摩擦最小化。
根据一个实施例，用于内燃发动机的轴组件包括可旋转地支撑在至少一个轴承中的至少一个带轴承轴颈的轴，以及被约束为与轴一起旋转且设置有用于轴承的轴颈表面的至少一个衬套，轴采用不同于约束在其上的衬套的材料不同的材料制造。换句话说，轴的材料相对于衬套的材料具有不同的机械性能。结果，根据可能的实施例，轴和衬套可通过不同材料制造，或者，衬套和轴可用相同材料制造，但是经历不同的处理(例如处理热，表面处理等)。因此，也是在后者的情况下，衬套和轴具有不同的机械性能，且由此落入本文使用的“轴采用与制造衬套的材料不同的材料制造”的范围中。
有利地，衬套被适当地配置为正确地联接到轴承(例如滚子轴承或球轴承)，而轴可用期望材料制造，其具有容易机加工、成本高效、机械性能等方面之间的期望的折中。换句话说，用于轴的材料选择不受滚子轴承以及为轴承提供支撑的轴颈表面的需要影响，其中轴承具有所需的机械性能，以确保与轴承的可动元件(例如滚子)的正确接触。事实上，衬套满足轴承的所有需要，且具体可通过硬材料制造，所述硬材料适于提供与轴承的可动元件(滚子或球)适当的接触。
根据一实施例，轴用比衬套的材料更软的材料制造。轴被描述为比衬套的“更软”是指，轴的材料的机械硬度比衬套材料的机械硬度更低。如已知的，机械硬度是对材料对变形的抗性的衡量。结果，轴优选地比衬套更软，且由此更易于加工，衬套需要更硬以正确地与滚子衬套协作。
根据一实施例，衬套用钢制造。钢衬套被证明能与轴承有效地协作，且具体是与球轴承或滚针轴承协作。
根据一实施例，轴承的可动元件(例如球/滚子轴承的球或滚子)与衬套的轴颈表面接触，且具体是与衬套的外表面接触。结果，确保衬套和轴承之间的正确联接。
根据一实施例，衬套被冷缩配合或压力配合在轴上。这允许衬套在轴上的快速且有效的联接，且具体是有效地将衬套约束为与轴一起旋转。
根据一实施例，轴是平衡轴，其具有用于降低内燃发动机振动的偏心部分。
如所述的轴和衬套(提供用于轴承(例如滚子轴承)的轴颈表面)之间的联接被证明能尤其降低内燃发动机的平衡轴运行期间的噪声和摩擦。
根据一实施例，轴承的可动元件(例如滚子轴承的滚子)用钢制造。所述钢提供滚子所需的机械性能。这在钢滚子与钢衬套的轴颈表面(外表面)联接时是尤其有利的，以便提供钢–钢联接，即滚子的钢与衬套的钢的联接。
如所述，轴可用与衬套的材料不同的任何期望的材料制造。根据一实施例，轴用铸铁制造。这提供了成本有效和易于加工之间的良好折中。具体说，优选的铸铁种类是球墨铸铁或灰铸铁。
根据一实施例，在将衬套安装在轴上之后，例如在衬套已经被约束为与轴一起旋转之后，衬套的外表面被研磨和/或抛光。结果，轴的轴线可以作为研磨/抛光期间的基准线，且因此可以确保轴和衬套之间的良好同心度，这在衬套安装在轴上之前对衬套进行加工的情况下是不可能实现的。通过提供这一策略，可以改进部件彼此配合的精确性，从而允许对局部径向间隙的更好的控制，这有利于摩擦优化和噪声减少。这些操作在衬套已经被约束到轴时更快速且更容易。
根据一实施例，轴包括与轴制造为一个部件的齿轮。齿轮可由此以高精确性实现。而且，这种齿轮被证明能在联接到另一齿轮时生产更小的噪声。在轴组件包括两个彼此连接的轴的轴组件的情况下是尤其有利的，即在与轴成一个部件的第一齿轮联接到与另一轴成一个部件的另一齿轮的情况下。
根据一实施例，如上所述，轴承是滚子轴承，优选是滚针轴承或球轴承。滚子轴承提供紧凑性、公差、有效性、以及减少摩擦等优点的方面的需求。
根据一实施例，轴包括至少一个径向突出部，其配置为与内燃发动机的突出部联接，以防止轴的轴向移动。如所述，该径向突出部与发动机的联接(且优选是径向突出部的联接)防止轴的轴向移动。在轴的端部(一个或多个)处的球轴承的存在(其用于该目的)可由此避免，因为由于径向突出部(一个或多个)的存在而防止轴的轴向移动。优选地，轴的径向突出部被制造为与轴本身是一个部件。
本发明的实施例还用于内燃发动机，内燃发动机设置有根据如上所述实施例的轴组件。
根据一实施例，内燃发动机包括下曲轴箱以及所述轴，例如平衡轴安装在下曲轴箱中。
附图说明
参考之后的附图在下文描述本发明，其中相同附图标记表示相同元件。
图1显示了包括内燃发动机的汽车系统的实施例；
图2是属于图1的汽车系统的内燃发动机的A-A平面的横截面；
图3是轴组件的实施例的透视分解视图；
图4是图3的放大细节；
图5是图3的轴组件的侧向视图；
图6是图5的截面图；和
图7是联接到内燃发动机的图3的轴组件的侧向截面图的细节。
具体实施方式
以下详细描述仅是示例性的，且其目的不是限制本发明或本发明的应用和使用。进而，其目的是不受如前所述的本发明背景或之后的详细描述中给出的任何理论的限制。参考附图描述示例性实施例，而不是要限制应用和使用。
一些实施例可以包括汽车系统100，如图1和2所示，其包括内燃发动机(ICE)110，所述内燃发动机具有发动机缸体120，所述汽缸体限定至少一个汽缸125，所述至少一个汽缸具有联接为让曲轴145旋转的活塞140。汽缸盖130与活塞140协作以限定燃烧室150。燃料和空气混合物(未示出)设置在燃烧室150中且被点燃，形成的热膨胀排气造成活塞140的往复运动。通过至少一个燃料喷射器160提供燃料，且通过至少一个进入口210提供空气。从与高压燃料泵流体连通的燃料分配管170以高压向燃料喷射器160提供燃料，所述高压燃料泵增加从燃料源190接收的燃料的压力。汽缸125每一个具有至少两个阀215，所述阀通过凸轮轴135促动，所述凸轮轴与曲轴145适时地旋转。阀215选择性地允许空气从端口210进入燃烧室150、并交替地允许排气通过端口220离开。在一些示例中，凸轮相位器155可以选择性地改变凸轮轴135和曲轴145之间的正时。
空气可以通过进气歧管200分配到空气进气口(一个或多个)210。空气进气管道205可以从周围环境将空气提供到进气歧管200。在其他实施例中，可以提供节流阀本体330，以调节进入歧管200中的空气流。在其他实施例中，可以提供例如涡轮增压器230(具有压缩机240，其旋转地联接到涡轮机250)这样的强制空气系统。压缩机240的旋转增加管道205和歧管200中空气的压力和温度。设置在管道205中的内部冷却器260可以降低空气的温度。通过从排气歧管225接收排气，涡轮机250旋转，所述排气歧管从排气口220引导排气且在通过涡轮机250膨胀之前经过一系列叶片。排气离开涡轮机250且被引导到排气系统270中。该示例显示了可变几何涡轮机(VGT)，VGT促动器290布置为让叶片运动，以改变经过涡轮机250的排气的流动。在其他实施例中，涡轮增压器230可以是固定几何结构的和/或包括废气门。
排气系统270可以包括排气管275，所述排气管具有一个或多个排气后处理装置280。排气后处理装置可以是配置为改变排气成分的任何装置。排气后处理装置280的一些示例包括但不限于催化转换器(两向和三向(two and three way))、氧化催化器、贫NOx捕获器、碳氢化合物吸收器、选择性催化还原(SCR)系统和颗粒过滤器。其他实施例可以包括联接在排气歧管225和进气歧管200之间的排气再循环(EGR)系统300。EGR系统300可以包括EGR冷却器310，以降低EGR系统300中的排气温度。EGR阀320调节EGR系统300中的排气流动。
汽车系统100可以进一步包括与相关于ICE110的一个或多个传感器450和/或装置通信的电子控制单元(ECU)450。ECU 450可以从各种传感器接收输入信号，所述传感器配置为产生与相关于ICE 110的各种物理参数成比例的信号。传感器包括但不限于空气流量和温度传感器340、歧管压力和温度传感器350、燃烧压力传感器360、冷却剂和油温液位传感器380、燃料分配管压力传感器400、凸轮位置传感器410、曲柄位置传感器420、排气压力和温度传感器430、EGR温度传感器440和加速踏板位置传感器445。进而，ECU 450可以产生到各种控制装置的输出信号，所述控制装置布置为控制ICE 110的运行，包括但不限于燃料单元泵180、燃料喷射器160、节流阀本体330、EGR阀320、VGT促动器290、和凸轮相位器155。应注意，虚线用于表示ECU 450和各种传感器和装置之间的通信，但是为了清楚，其中的一些被省略。
现在转到ECU 450，该设备可以包括与存储系统460，或数据载体,和接口总线通信的数字中心处理单元(CPU)。CPU配置为执行在存储系统中存储为程序的指令，且向/从接口总线发送和接收信号。存储系统可以包括各种存储类型，包括光学存储、磁性存储、固态存储和其他非易失存储器。接口总线可以配置为向/从各种传感器和控制装置发送、接收和调整模拟和/或数字信号。
代替ECU 450，汽车系统100可以具有不同类型的处理器，以提供电子逻辑，例如嵌入控制器、车载计算机、或可布置在车辆上的任何处理模块。
如图3–7更好地显示的，用于内燃发动机110的轴组件10包括带轴承轴颈的轴1(在后文仅称为轴)、至少一个滚子轴承2a、2b、以及插置在每一个滚子轴承2a、2b和轴1之间的衬套3a、3b。
在所示实施例中，存在两个滚子轴承2a、2b和两个衬套3a、3b，即每一个滚子轴承2a、2b有一个衬套3a、3b。在不同实施例中可以有不同数量的滚子轴承和衬套，未示出其他实施例。球轴承也可使用。具体说，后文的描述做必要的改动就可应用于球轴承。
具体参考图4和6，将详细描述一个滚子轴承2a和一个衬套3a。下文的描述还可应用于另一衬套3b和滚子轴承2b。
滚子轴承2a设置有多个滚子20a。滚子20a被保持架21a支撑，所述保持架也称为“笼”，将滚子沿圆形路径布置。保持架21a基本上是环形的，且其优选地设置有开口22a。开口22a设置在保持架21a的内表面上。滚子20a部分地从开口22a伸出，以便与滚子轴承2a所联接的元件(在该情况下是衬套3a)联接(布置为接触)。具体说，滚子20a的侧向表面部分地从开口22a伸出，使得在滚子轴承2a联接到衬套3a时，从开口22a伸出的滚子20a的侧向表面接触衬套3a、且具体是接触用于滚子20a的轴颈表面6。
通常，滚子轴承2a优选配置为使得滚子20a的侧向表面接触衬套3a的外表面30a，该外表面提供了用于滚子20a的轴颈表面6。换句话说，滚子轴承2a配置使得滚子20a在衬套3a、3b的外表面30a上滚动。
与开口21a不同的，滚子20a可以直接联接到内燃发动机110。替换地，如图所示，滚子轴承20a设置有圆柱形壳体23a，其可旋转地安装到保持架21a。圆柱形壳体23a(也称为外部座圈或外部滚道)可联接到内燃发动机110，如图5所示，其中仅显示了内燃发动机110的一小部分(如下文所述，其在图5的实施例中是下曲轴箱90的一部分)。滚子轴承20a优选地由钢制造。在一实施例中，滚子20a成形为圆柱体，其具有比高度小的基部的直径。这类滚子轴承被称为滚针轴承。
衬套3a为管状元件，即其成形为套筒。换句话说，衬套3a成形为中空圆柱。优选地，衬套3a具有减小的厚度，即小于衬套3a的其他两个尺寸的厚度。根据一实施例，衬套3a的外表面30a经表面精加工，以便与滚子21a正确协作。作为示例，衬套3a的外表面30a可被研磨，以便确保衬套3a与轴1同中心。进而，衬套3a的外表面30a可被抛光，以降低滚子轴承2a的滚子20a和其本身的外表面30a之间的摩擦。
优选地，这些操作在衬套3a安装于轴1上之后执行。这些操作可由此以快速且精确的方式实现。而且，研磨/抛光操作可将轴1的轴线1a作为基准来执行。结果是，在轴1和衬套3a已经联接时，更容易保证轴1和衬套3a之间的同心性。该运行对局部径向间隙进行更好的控制。间隙和其差异的减小有助于降低总系统的噪声。衬套3a优选用钢制造。具体说，在优选实施例中，滚子轴承2a和衬套3a的滚子20a用钢制造。
轴1是细长元件，其具有轴线1a，轴在运行期间绕该轴线旋转。轴1可根据其功能具有不同构造。在所示实施例中，轴1是平衡轴，因此其设置有偏心部分1b。偏心部分1b的旋转以已知的方式抵消内燃发动机110的振动。优选地，偏心部分与轴1制造为一个部件。
进而，内燃发动机110可设置有两个反向旋转的平衡轴1，其中一个与另一个啮合。结果是，如所示实施例中那样，平衡轴1可设置有齿轮4。齿轮4的轮齿仅在图3中示意性地显示。优选地，齿轮4是斜齿轮。换句话说，齿轮的轮齿不与齿轮4的旋转轴线平行(在所示实施例中该旋转轴线对应于轴1的轴线1a)，而是相对于齿轮4的旋转轴线成角度。
不同元件(凸轮、曲柄等)根据其功能可沿轴1设置，且其例如可以是内燃发动机的凸轮轴或曲轴。通常，轴1用与衬套3a的材料不同的材料制造。如上所述，轴由此用与相对于衬套材料具有不同机械性能的材料制造。具体说，优选的是，轴1用比衬套3a更软(即具有更低机械硬度)的材料制造。结果，轴1可以易于加工和制造。
还有，轴1可以容易地制造为一个部件。结果，不需要实现轴的元件之间的具体公差，因为它们已经联接在一个部件中。出于相同的原因，轴1的各种元件之间的振动被避免。在轴1带有一个(或多个)齿轮4时这是尤其有利的，因为齿轮4和轴1之间的振动被避免。进而，由硬度减小的材料制造的齿轮4之间的联接使得噪声减小。在优选实施例中，轴1用铸铁制造。优选类型的这种材料是球墨铸铁和灰铸铁。
轴1和衬套3a、3b被约束为彼此之间不可旋转。换句话说，在将衬套3a、3b约束到轴1之后，在轴1旋转时，衬套3a、3b也与轴1一起旋转。根据一实施例，衬套3a、3b和轴1通过摩擦约束在一起。作为示例，在第一实施例中，衬套3a、3b压力配合到轴1上。在不同实施例中，衬套3a、3b经历热处理，并且其被冷缩装配到轴1。
如所述，在一实施例中，衬套3a、3b在被约束到轴1之后经历表面处理，且其还可在被约束到轴1之后与轴1一起经历表面处理。
根据一实施例，如图6所示，轴1设置有径向突出部5a。轴1的径向突出部5a配置为与发动机突出部110a上的表面110c协作，以便避免轴1轴向移动。换句话说，相对于图6所示的取向，径向突出部5a和发动机突出部110a的表面110c之间的协作防止轴1在轴向方向上朝向右侧移动。
在一实施例中，如图所示，径向突出部5a是偏心部分1b的一部分。可设置多于一个的突出部。作为示例，在所示实施例中，轴1设置有两个径向突出部5a、5b。
第二径向突出部5b也与发动机突出部110a协作，以便避免轴沿着与通过第一径向突出部5a和发动机突出部110a之间的协作而被防止的移动相反的方向移动。作为示例，在所示实施例中，第二径向突出部5b和发动机突出部110a之间的协作防止轴1在轴向方向上朝向左侧移动。
在所示实施例中，径向突出部5a和5b配置为在两个径向突出部5a、5b之间保持发动机突出部110a，即径向突出部5a和5b与发动机突出部110a的两个不同表面110c、110d联接。
在其他实施例中，不同径向突出部可与不同发动机突出部协作。通常，径向突出部配置为与发动机突出部协作，所述发动机突出部已经设置在内燃发动机110自身上。换句话说，发动机突出部110a优选不经特别机加工即可与轴1的径向突出部5a、5b协作。相反，内燃发动机110通常已经设置有一个或多个发动机突出部110a，且轴1配置为与这种发动机突出部(一个或多个)110a协作。
在所示实施例中，作为示例，发动机突出部110a是油通道110b的座部。具体说，如上文所述，在所示实施例中，轴1是插入在内燃发动机110的下曲轴箱90中的平衡轴。结果，所示的油通道110b是下曲轴箱90的油通道。如已知的，下曲轴箱90是曲轴145的壳体的下部部分。
通常，在径向突出部5a和发动机突出部110a的相关表面110c之间存在一定间隙，因为在轴1的正常运行期间，径向突出部5a相对于发动机突出部110a绕轴线1a旋转。如果需要也可通过小油孔提供润滑，以便保证发动机突出部110a和轴1之间的适当的相对运动，而不妨碍轴1本身的旋转。
在一实施例中，径向突出部5a与轴1制造为一个部件。如所示，在所示实施例中，突出部5a(与径向突出部5b一起)是偏心部分1b的一部分，所述偏心部分1b优选与轴1是一个部件。
在使用中，衬套3a、3b被约束到轴1，且轴1经由滚子轴承2a、2b可旋转地联接到内燃发动机110。此后，轴1可相对于内燃发动机110旋转，以执行其功能。
尽管至少一个示例性实施例已经在前述发明内容和具体实施方式中进行了描述，但是应理解存在许多变化例。还应理解，一个或多个示例性实施例仅是示例，且目的不是以任何方式限制范围、适用性或构造。相反，前面的详细描述和详细描述为本领域技术人员提供了实施至少一个示例性实施例的便捷方式，应理解，以对示例性实施例中所述的元件的功能和布置做出各种改变，而不脱离权利要求及其等效方式限定的范围。
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年6月29日提交英国专利申请No.1511403.6的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

Claims (15)

1.一种用于内燃发动机(110)的轴组件(10)，其包括可旋转地支撑在至少一个轴承(2a、2b)中的至少一个带轴承轴颈的轴(1)、以及被约束为与轴(1)一起旋转并设置有用于轴承(2a、2b)的轴颈表面(6)的至少一个衬套(3a、3b)，其中，轴(1)采用与制造衬套(3a、3b)的材料不同的材料制造。
2.根据权利要求1所述的轴组件(10)，其中，轴(1)采用比衬套(3a、3b)的材料更软的材料制造。
3.根据权利要求1或2所述的轴组件(10)，其中，衬套(3a、3b)冷缩配合或压力配合到轴(1)上。
4.根据前述任一项权利要求所述的轴组件(10)，其中，衬套(3a、3b)采用钢制造。
5.根据前述任一项权利要求所述的轴组件(10)，其中，轴(1)采用铸铁制造。
6.根据权利要求5所述的轴组件(10)，其中，轴(1)采用球墨铸铁或灰铸铁制造。
7.根据前述任一项权利要求所述的轴组件(10)，其中，轴(1)是平衡轴，其具有用于降低内燃发动机(110)的振动的偏心部分(1b)。
8.根据前述任一项权利要求所述的轴组件(10)，其中，衬套(3a、3b)的外表面(30a)在衬套(3a、3b)安装到轴(1)上之后被研磨和/或抛光。
9.根据前述任一项权利要求所述的轴组件(10)，其中，轴(1)包括与轴(1)制造为一个部件的齿轮(4)。
10.根据前述任一项权利要求所述的轴组件(10)，其中，布置在衬套(3a、3b)的轴颈表面(6)上的轴承(2a、2b)是包括多个球或滚子(20a)的球轴承或滚子轴承。
11.根据权利要求10所述的轴组件(10)，其中，球轴承或滚子轴承(2a，2b)的球或滚子(20a)采用钢制造。
12.根据权利要求10或11所述的轴组件(10)，其中，球轴承或滚子轴承(2a、2b)的球或滚子(20a)布置为与衬套(3a、3b)的轴颈表面(6)接触。
13.根据前述任一项权利要求所述的轴组件(10)，其中，轴(1)包括至少一个径向突出部(5a、5b)，该径向突出部配置为与内燃发动机(110)的发动机突出部(110a)联接，以防止轴(1)的轴向移动。
14.一种内燃发动机(110)，其设置有根据权利要求1到13中任一项所述的轴组件(10)。
15.根据权利要求14所述的内燃发动机(110)，包括下曲轴箱，其中，轴(1)安装在下曲轴箱(90)中。
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