CN106457489A - 处理曲轴轴承表面和/或曲轴轴承圆角的原位残余应力产生工具和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于处理内燃活塞式发动机内的曲轴轴承表面的原位残余应力产生工具(100)，该原位残余应力产生工具包括主体结构(102)以及用于处理所述轴承表面和/或曲轴轴承圆角的残余应力处理设备(104)，其中，所述主体结构包括能围绕曲轴的被支撑的轴颈或曲轴臂附接的支撑部件(106)以及连接到所述支撑部件的附接部件(108)，所述主体结构(102)包括轴承结构(107)，当所述支撑部件被附接到所述曲轴(14)且以同轴的方式布置成能围绕所述曲轴的轴颈(16)旋转时，所述附接部件(108)能借助于所述轴承结构(107)而被所述支撑部件(106)支撑，且所述残余应力处理设备(104)被布置到所述主体结构的所述附接部件(108)，并且所述残余应力产生工具(100)进一步包括驱动系统，该驱动系统使所述附接部件和所述残余应力处理设备(104)相对于所述支撑部件旋转。

Description

处理曲轴轴承表面和/或曲轴轴承圆角的原位残余应力产生 工具和方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于处理内燃活塞式发动机内的曲轴轴承表面的原位残余应力产生工具，该原位残余应力产生工具包括主体结构和用于处理轴承表面和/或曲轴轴承圆角的残余应力处理设备。

本发明还涉及根据权利要求9的前序部分的处理内燃活塞式发动机内的曲轴的方法，该方法通过借助于残余应力产生工具来使曲轴接受处理而进行。

背景技术

在内燃活塞式发动机中，曲轴在恶劣的环境中操作，这对曲轴的结构和材料在其强度方面提出了高标准。

曲轴材料的疲劳强度是最重要的发动机尺寸限制和功率密度限制因素，尤其在大型活塞式发动机设计中更是如此。大型活塞式发动机可被认为是能够在船舶中以原动机操作或在发电厂中操作的一种发动机。作为限定大型发动机的另一种方式可被认为是发动机的一个缸能够得到的功率，在这种情况下，能够产生大于150kW每缸的发动机被认为是大型发动机。

用于曲轴的材料已经发展了二十年，而且疲劳强度已经被管理以得到显著的增加。增加疲劳强度的可行方式是所谓的深滚压方法。US2005107230A1公开了一种适于实施深滚压处理的深滚压工具以及该方法自身。滚压工件引起边缘层变形。在这个工艺中使用的滚压力被选择成使得表面层在滚压过程中将具有塑性变形。这本质上与三个优点有关。首先，在部件的边缘层中产生残余内部应力，其也适于抵消否则出现在边缘层中的张应力。其次，利用冷成型在局部得到更大的抵抗力。表面精细光滑，从而极大地消除了可能导致裂缝的微刻痕。

WO2010054648A1公开了用于增加曲轴的弯曲强度的方法，其通过使轴承销和邻近的臂之间的过渡半径变硬，深滚压变硬的过渡半径并在深滚压过程中向曲轴施加额外的载荷来实现。

例如轴承咬死将加热曲轴轴承表面。在生产阶段产生的残余应力可能会消失并需要进行修理。特别是在大型发动机中，在其中曲轴的重量在数千公斤量级，显然，将这样的曲轴从发动机上去除并将其带到工厂是非常困难的任务。因此，提供这样一种改善的工具是需要的并是有利的，借助于这种工具，曲轴轴承的处理可以在原位进行，而不需要从发动机上去除曲轴。

因此，本发明的一个目的是提供这样一种工具，其使活塞式发动机的曲轴的轴承在发动机内接受表面处理成为可能。

发明内容

本发明的目的基本上通过原位残余应力产生工具实现，该工具用于处理内燃活塞式发动机内的曲轴轴承表面，其包括主体结构和用于处理轴承表面和/或曲轴轴承圆角的残余应力处理设备。本发明的特征在于：所述主体结构包括能围绕曲轴的轴颈附接的支撑部件以及连接到所述支撑部件的附接部件，所述主体结构包括轴承结构，当所述支撑部件被附接到所述曲轴的所述轴颈且以同轴的方式布置成能围绕所述曲轴的所述轴颈旋转时，所述附接部件能借助于所述轴承结构而被所述支撑部件支撑，所述残余应力处理设备被布置到所述主体结构的所述附接部件，并且所述残余应力产生工具进一步包括驱动系统，该驱动系统使所述附接部件和所述残余应力处理设备相对于所述支撑部件旋转。

根据本发明的工具实现了残余应力处理设备相对于轴颈的简单明了且因此也是精确和快速的定位。应当注意，即使轴颈整体长度的处理需要对轴颈进行两个单独连续的附接工序，工具的附接和去除也是非常容易的，这样，通过使用本发明的工具还可以得到相当大的好处。

根据本发明的实施方式，所述支撑部件包括径向布置在该支撑部件内的调节部件，所述调节部件的内径相当于该调节部件将要安装在其上的所述轴颈的直径。

根据本发明的实施方式，所述支撑部件包括两个或更多个节段，所述两个或更多个节段一起形成基本圆形的部件，所述基本圆形的部件的内径相当于该基本圆形的部件将要安装在其上的所述轴颈的直径。

根据本发明的实施方式，所述支撑部件由在附接到所述轴颈上时不会对所述轴颈的表面造成损害的材料制成，例如由钢或铝或铝合金制成。

根据本发明的实施方式，所述支撑部件包括：两个或更多个节段，所述两个或更多个节段一起形成基本圆形的部件，所述基本圆形的部件的内径大于该基本圆形的部件将要安装在其上的所述轴颈的直径；以及调节部件，该调节部件具有两个或更多个节段，所述两个或更多个节段一起形成基本圆形的部件，所述基本圆形的部件的内径相当于该基本圆形的部件将要安装在其上的所述轴颈的直径，并且所述基本圆形的部件的外径相当于所述支撑部件的内径。

根据本发明的实施方式，所述附接部件包括两个或更多个节段，所述两个或更多个节段一起形成基本圆形的部件，并且所述原位残余应力产生工具进一步包括径向布置在所述支撑部件和所述附接部件之间的所述轴承结构。

根据本发明的实施方式，该驱动系统包括动力装置。还有力传递系统，该力传递系统利于将所述动力装置定位成与所述附接部件相距一定距离。

根据本发明的实施方式，所述附接部件的外表面包括齿轮段，并且所述力传递系统包括位于所述齿轮段和所述驱动系统的所述动力装置之间的环形驱动回路。

根据本发明的实施方式，该残余应力处理设备是深滚压设备或冷滚压设备或其他机械处理设备或冲程捶击设备。已经发现，所谓的冲程捶击处理(其中表面被捶击)以及冷成型可以得到与深滚压处理相似的有利效果。

本发明的一个目标还通过一种处理内燃活塞式发动机内的曲轴轴颈的方法实现，该方法通过借助于残余应力产生工具来使曲轴轴颈轴承表面和/或曲轴轴承圆角接受处理而进行，所述残余应力产生工具包括主体结构和残余应力处理设备，该方法包括：

-围绕所述发动机的所述曲轴轴颈连接所述主体结构的支撑部件，

-将所述主体结构的附接部件以可旋转的方式连接到所述支撑部件，

-将所述残余应力处理设备布置到所述附接部件，使得能使所述曲轴轴颈轴承表面和/或所述曲轴轴承圆角接受处理，

-将驱动系统连接到所述附接部件以使所述附接部件和所述残余应力处理设备相对于所述支撑部件和所述曲轴轴颈旋转，以及

-同时操作所述残余应力处理设备并且使所述附接部件和所述残余应力处理设备围绕所述曲轴轴颈旋转，使得所述残余应力处理设备使所述轴承表面和/或所述曲轴轴承圆角接受处理。

根据本发明的实施方式，该方法进一步包括在所述操作的过程中改变所述残余应力处理设备相对于所述曲轴轴颈的轴向位置的步骤。

根据本发明的实施方式，该方法进一步包括在所述操作的过程中改变所述残余应力处理设备相对于所述轴颈的中心轴(A)的角度的步骤。

根据本发明的实施方式，该方法包括：在所述发动机外布置所述驱动系统的动力装置并将力经由力传递系统从所述驱动系统传递到所述发动机内的所述附接部件，并使所述附接部件和所述残余应力处理设备围绕所述曲轴轴颈旋转。

根据本发明的实施方式，该方法包括这样的步骤，其中，所述主体结构的所述支撑部件围绕轴颈连接并在所述发动机内位于所述曲轴的臂之间。

根据本发明的实施方式，该方法包括这样的处理，该处理是深滚压处理、冷滚压处理、其他机械处理或冲程捶击处理。

根据本发明的实施方式，所述附接部件和所述残余应力处理设备首先沿第一方向且之后沿第二方向围绕所述曲轴旋转。例如，该附接部件和残余应力处理设备可围绕曲轴在第一方向旋转1-5圈并围绕曲轴在第二方向旋转1-5圈。因此，旋转方向是可变的。

根据本发明的实施方式，该处理是深滚压处理或冷滚压处理或其他机械处理或冲程捶击处理。

依靠本发明，可以在不从发动机移除曲轴的情况下，原位修理曲轴并增加疲劳强度。例如，深滚压方法在厚达3-5mm的材料上产生残余应力并高达30％地增加疲劳强度。因此，在该领域可能为曲轴提供深滚压或冲程捶击原位处理，例如在轴承咬死之后。还可在不重新设计曲轴的情况下增加曲轴安全并使现有发动机的功率增加。其进一步还可使发动机更可靠、更小且更有效的功率密度。

深滚压处理通常在工件的多个旋转上延伸。该滚压力在给定数量的旋转上逐渐增加，然后保持恒定，并最终在另一预定数量的旋转上再次降低。辊子的柔性啮合/脱离避免尖锐压力增加以及必然伴随其的额外的开槽效应。

当深滚压时，工具加载有非常高的滚压力。在滚压处理期间，辊子以限定的力压抵在要被压缩的工件上并相对其进行移动。

附图说明

下面，将参考附加的示例、示意性附图来说明本发明，其中

图1示出根据本发明实施方式的原位工具；以及

图2以横截面视图示出根据本发明实施方式的图1的具有驱动系统的原位工具。

具体实施方式

图1示意性示出活塞发动机10，在其中已经布置了用于进行维修或其他目的的开孔12。该发动机设置有曲轴14，曲轴包括轴颈16和曲轴臂18，如本领域已知的。如图1中可见，至少要被根据本发明的设备以及方法处理的轴颈必须被打开，即，作为实施本方法的准备工作，轴承壳体必须被去除。如已知的，该轴颈为圆形横截面且其外表面已经被合适地处理以作为轴承表面来进行操作。图2示出了图1的轴颈16的横截面图，在其上已经安装了根据本发明的原位工具。

原位残余应力产生工具100在图1和图2中布置在曲轴轴颈16上。残余应力产生工具100包括主体结构102以及布置到主体结构102的残余应力处理设备104。借助于主体结构102，残余应力处理设备104以距离轴颈表面一段距离的方式布置在其工作位置，这样，设备104可在其圆周以及多个可选择的轴向位置对轴颈实施处理任务。轴向位置指在轴颈16的中心轴A的方向上的位置，该中心轴也是组装的残余应力产生工具的中心轴。

在图1的实施方式中，主体结构102包括支撑部件106。支撑部件106围绕曲轴轴颈16以可附接的方式进行布置，这样，在附接到轴颈上之后，其可以与轴颈16同轴地定位。支撑部件106有利地由多个节段部分106’、106”形成，这些节段部分一起围绕轴颈。根据图1示出的实施方式，支撑部件106由两个节段部分106’、106”形成，当彼此连接的时候，这两个节段部分一起形成布置成围绕轴颈16的基本连续的环形部件。如可从图1中看到的，该原位残余应力产生工具100被构造成使得其可以被装配在曲轴的臂18之间。以这种方式，可以更方便地对发动机内的轴颈进行处理。同样，根据本发明的工具提供了残余应力处理设备104围绕轴颈的精确且容易的定位。因此，处理工艺可以产生非常好的质量。

除了其实际支撑结构之外，支撑部件106可包括额外的调节部件106”’。调节部件106”’与支撑部件(即，其支撑结构)相容地布置，支撑部件可以借助于这样的调节部件而被装配到具有不同尺寸的轴颈上。该支撑部件106，或者至少其内表面和/或调节部件106”’由在附接到轴颈16上时不会对轴颈表面引起损害的材料形成，例如由钢或铝或铝合金或其组合形成。调节部件106”’径向布置在支撑部件106内。

根据本发明的实施方式，调节部件106”’在支撑部件的内表面上圆形地延伸，形成围绕轴颈的支撑。

根据本发明的另一实施方式，调节部件由单独的零部件形成，这些零部件布置成在被安装以在发动机内使用时以沿着支撑部件106的内表面和轴颈的外表面均匀间隔开的方式组装。

当节段部件由两个部件形成时，这些节段部件106’、106”为弯曲片，其大致形成180°圆形弧。这些节段部件通过将端部彼此相抵地设置并例如通过螺栓彼此固定而连接在一起。

主体结构还包括用于支撑残余应力产生工具104并提供进行处理所需要的工具旋转运动的附接部件108。该附接部件108围绕支撑部件106以可附接的方式进行布置，使得其可以与轴颈16同轴地定位。附接部件108也由多个节段部件形成。根据图2中示出的实施方式，附接部件108由两个节段部件108’、108”形成，当彼此连接时，这两个节段部件一起形成布置成围绕轴颈16的基本连续的圆形部件。附接部件布置成以与轴颈16同共轴的方式安装，因此轴颈16的中心轴A也是附接部件旋转运动的中心轴。

附接部件108借助于主体结构102内的轴承结构107以可旋转的方式与支撑部件106连接。轴承结构107可以与支撑部件106或附接部件108中的任一者关联地布置，使得这些部件借助于轴承结构107而以可旋转的方式彼此支撑。

借助于轴承结构107，当围绕曲轴的轴颈16以同轴可旋转的方式附接到曲轴14时，可以借助于支撑部件106来支撑附接部件108。轴承结构107布置在附接部件108和支撑部件106之间。

残余应力处理设备104被布置到主体结构102的附接部件108。残余应力处理设备104设置有至少第一致动器120，该第一致动器使轴向移动残余应力处理设备104成为可能，即，在轴颈的中心轴A的方向上移动。残余应力处理设备104设置有第二致动器122，这使得径向移动残余应力处理设备104成为可能，即，在垂直于中心轴A的方向上。第二致动器也用于以可控的力将残余应力处理设备104压抵在轴颈的表面上。另外，残余应力处理设备104有利地设置有第三致动器121，例如，关节或球窝接头，这使得改变残余应力处理设备104的角度成为可能。相对于轴颈的中心轴A。残余应力处理设备104例如可以是US2005107230A1中示出的深滚压设备或冷滚压处理设备、用于增加疲劳强度的其他机械处理设备或冲程捶击处理设备。涉及深滚压处理和滚压工具的US2005107230A1的公开内容在这里作为参考引入。

残余应力产生工具进一步包括驱动系统110，以使附接部件108和残余应力处理设备104相对于支撑部件106旋转，并且在被安装到发动机内的曲轴14的轴颈16上时，还相对于曲轴14的轴颈16旋转。

驱动系统110包括动力装置112和力传递系统114。力传递系统被布置成使得动力装置112可以按照与附接部件108相距一段距离的方式进行定位，附接部件提供它们之间的力传递连接。当驱动系统位于发动机外部时，沿发动机的纵向，在要被处理的曲轴轴颈的位置处具有开孔。如在图2中可见，当工具与发动机关联地组装时，动力装置112被定位在发动机外部，而力传递系统114被引导穿过开孔12。这节省了发动机10内的空间。

附接部件108包括齿轮节段116以及力传递系统114。力传递系统114包括位于齿轮节段116与驱动系统的动力装置112之间的环形驱动带，例如，链或带。齿轮节段116与驱动带啮合。这里，齿轮节段位于附接部件108的外表面上。

在这里，附接部件108被示出为径向布置在支撑部件106外部，但其可以全部或部分地在轴向上布置在支撑部件106的侧面，但使得其不与曲轴14的轴颈表面接触。

如图2中所描绘的，残余应力处理设备104可能需要外部动力以操作并实施想要的处理。残余应力处理设备104被连接到高压工作流体源125，诸如液压动力系统。存在管126或类似物，经由该管或类似物，液压流体可被引导到残余应力处理设备104。管126可缠绕在附接部件108上以在残余应力处理设备104围绕轴颈16旋转时方便管的操作。可以有连接到管126的数据传送线缆130，残余应力处理设备的操作控制可以经由该数据传送线缆与控制系统128连通地布置。控制系统设置有指令以操作残余应力处理设备104和/或驱动系统以得到想要的处理。

图2示意性示出旋转方向，附接部件108和残余应力处理设备104可围绕曲轴相对于曲轴的第一端视角在两个旋转方向上旋转，即，在顺时针方向B和逆时针方向C旋转。例如，附接部件108和残余应力处理设备104可围绕曲轴相对于曲轴的第一端视角在顺时针方向B旋转1-5圈且然后改变旋转方向并围绕曲轴在逆时针方向C旋转1-5圈。旋转的圈数取决于管或类似物126的长度，这是因为管126将围绕附接部件108缠绕，而残余应力处理设备104围绕轴颈16旋转。

应当注意，虽然驱动系统110位于活塞式发动机10的外部，但也可以将驱动系统设计并布置在活塞式发动机10内，甚至将其集成到主体结构102内。

虽然已经结合目前被认为是最优选的实施方式通过举例说明了本发明，但应当理解，本发明不限于所公开的实施方式，而是倾向于覆盖其特征的多种组合或改进，以及包括在本发明范围内的多个其他应用，如附加的权利要求中限定的。上面结合任意实施方式提到的细节可与其他实施方式结合使用，当这样的结合在技术上可行时。

Claims (17)

1.一种用于处理内燃活塞式发动机内的曲轴轴承表面的原位残余应力产生工具(100)，该原位残余应力产生工具包括主体结构(102)以及用于处理所述轴承表面和/或曲轴轴承圆角的残余应力处理设备(104)，其特征在于，

所述主体结构包括能围绕曲轴的轴颈(16)附接的支撑部件(106)以及连接到所述支撑部件的附接部件(108)，

所述主体结构(102)包括轴承结构(107)，当所述支撑部件被附接到所述曲轴(14)的所述轴颈(16)且以同轴的方式布置成能围绕所述曲轴的所述轴颈(16)旋转时，所述附接部件(108)能借助于所述轴承结构(107)而被所述支撑部件(106)支撑，

所述残余应力处理设备(104)被布置到所述主体结构的所述附接部件(108)，并且

所述残余应力产生工具(100)进一步包括驱动系统，该驱动系统使所述附接部件和所述残余应力处理设备(104)相对于所述支撑部件旋转。

2.根据权利要求1所述的原位残余应力产生工具，其特征在于，所述支撑部件(106)包括两个或更多个节段，所述两个或更多个节段一起形成基本圆形的部件，所述基本圆形的部件的内径相当于该基本圆形的部件将要安装在其上的所述轴颈的直径。

3.根据权利要求1所述的原位残余应力产生工具(100)，其特征在于，所述支撑部件(106)包括径向布置在该支撑部件(106)内的调节部件，所述调节部件的内径相当于该调节部件将要安装在其上的所述轴颈的直径。

4.根据权利要求2所述的原位残余应力产生工具，其特征在于，所述支撑部件(106)由在附接到所述轴颈上时不会对所述轴颈的表面造成损害的材料制成，例如由钢或铝或铝合金制成。

5.根据权利要求1所述的原位残余应力产生工具，其特征在于，所述支撑部件(106)包括：两个或更多个节段，所述两个或更多个节段一起形成基本圆形的部件，所述基本圆形的部件的内径大于该基本圆形的部件将要安装在其上的所述轴颈的直径；以及调节部件，该调节部件具有两个或更多个节段，所述两个或更多个节段一起形成基本圆形的部件，所述基本圆形的部件的内径相当于该基本圆形的部件将要安装在其上的所述轴颈的直径，并且所述基本圆形的部件的外径相当于所述支撑部件(106)的内径。

6.根据权利要求2或3所述的原位残余应力产生工具，其特征在于，所述附接部件(108)包括两个或更多个节段，所述两个或更多个节段一起形成基本圆形的部件，并且所述原位残余应力产生工具进一步包括径向布置在所述支撑部件(106)和所述附接部件(108)之间的所述轴承结构(107)。

7.根据权利要求1所述的原位残余应力产生工具，其特征在于，所述驱动系统(110)包括动力装置(112)，该动力装置布置成使所述附接部件(108)和所述残余应力处理设备(104)旋转。

8.根据权利要求1所述的原位残余应力产生工具，其特征在于，所述驱动系统(110)包括动力装置(112)以及力传递系统(114)，该力传递系统(114)利于将所述动力装置(112)定位成与所述附接部件(108)相距一定距离。

9.根据权利要求8所述的原位残余应力产生工具，其特征在于，所述附接部件(108)的外表面包括齿轮段(116)，并且所述力传递系统包括位于所述齿轮段和所述驱动系统的所述动力装置之间的环形驱动回路。

10.根据前述权利要求中任一项所述的原位残余应力产生工具，其特征在于，所述残余应力处理设备(104)是深滚压设备、冷滚压处理设备和/或冲程捶击处理设备。

11.一种处理内燃活塞式发动机内的曲轴轴颈的方法，该方法通过借助于残余应力产生工具来使曲轴轴颈轴承表面和/或曲轴轴承圆角接受处理而进行，所述残余应力产生工具包括主体结构(102)和残余应力处理设备(104)，该方法包括：

-围绕所述发动机的所述曲轴轴颈连接所述主体结构(102)的支撑部件(106)，

-将所述主体结构(102)的附接部件(108)以可旋转的方式连接到所述支撑部件(106)，

-将所述残余应力处理设备(104)布置到所述附接部件(108)，使得能使所述曲轴轴颈轴承表面和/或所述曲轴轴承圆角接受处理，

-将驱动系统(110)连接到所述附接部件以使所述附接部件(108)和所述残余应力处理设备(104)相对于所述支撑部件(106)和所述曲轴轴颈旋转，以及

-同时操作所述残余应力处理设备(104)并且使所述附接部件(108)和所述残余应力处理设备(104)围绕所述曲轴轴颈旋转，使得所述残余应力处理设备(104)使所述轴承表面和/或所述曲轴轴承圆角接受处理。

12.根据权利要求11所述的方法，该方法进一步包括在所述操作的过程中改变所述残余应力处理设备相对于所述曲轴轴颈的轴向位置的步骤。

13.根据权利要求11所述的方法，该方法进一步包括在所述操作的过程中改变所述残余应力处理设备相对于所述轴颈的中心轴(A)的角度的步骤。

14.根据权利要求11所述的方法，该方法包括：在所述发动机外布置所述驱动系统(110)的动力装置并将力经由力传递系统从所述驱动系统(110)传递到所述发动机内的所述附接部件(108)，并使所述附接部件(108)和所述残余应力处理设备围绕所述曲轴轴颈旋转。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述处理是深滚压处理、冷滚压处理或冲程捶击处理。

16.根据权利要求11所述的方法，该方法包括这样的步骤，其中，所述附接部件(108)和所述残余应力处理设备(104)首先沿第一方向(B)且之后沿第二方向(C)围绕所述曲轴旋转。

17.根据权利要求11所述的方法，该方法包括这样的步骤，其中，所述主体结构(102)的所述支撑部件(106)围绕轴颈连接并在所述发动机内位于所述曲轴的臂(18)之间。