CN109281922A - 具有轻质背衬衬底的轴承 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于汽车推进系统的轴承壳体以及曲轴组件和具有轴承壳体的发动机。轴承壳体包括具有内层厚度的内层。该内层在内侧上限定轴承表面。内层的轴承表面配置为支撑和接触油膜。轴承壳体还具有外层，该外层围绕内层设置并在内层的径向外部。外层具有大于内层厚度的外层厚度，外层厚度为至少1毫米。外层由外层材料形成，该外层材料包括铝合金和/或金属基质复合材料。内层由内层材料形成，其中外层材料强于内层材料。

Description

具有轻质背衬衬底的轴承
技术领域
本发明总体涉及曲轴组件，且更具体地涉及可以用于曲轴组件的轴承壳体。
背景技术
发动机曲轴使活塞的往复线性运动转变成围绕纵向轴线的旋转运动以提供转矩来推进车辆，诸如但不限于火车、船、飞机、卡车或汽车。
曲轴包括偏离纵向轴线的至少一个曲柄销，往复活塞经由连接杆附接到其。通过其间的偏离连接从活塞施加到曲轴的力在曲轴中生成转矩，其使曲轴围绕纵向轴线旋转。曲轴进一步包括围绕纵向轴线同心设置的至少一个主轴承轴颈。曲轴在主轴承轴颈处固定到发动机缸体。轴承围绕主轴承轴颈设置在曲轴和发动机缸体之间。附加轴承设置在曲轴和连接杆之间。
这些轴承经受高负荷和最终易于导致腐蚀和侵蚀的环境。因此，仔细挑选材料以提供强度，同时抵抗腐蚀和侵蚀。然而，结果是轴承比期望的更重。
发明内容
本发明提供了一种用于曲轴组件的轴承和提供高强度、耐腐蚀性和耐侵蚀性同时获得质量节省的发动机。轴承具有高强度铝或金属基质复合(MMC)背衬层，该背衬层具有耐腐蚀和侵蚀的轴承层。
在本文公开的可以与其他形式结合或分开的一种形式中，提供了一种用于汽车推进系统的轴承壳体。轴承壳体包括具有内层厚度的内层，其中该内层在内侧上限定轴承表面。内层的轴承表面配置为支撑和接触油膜。外层围绕内层设置并在内层的径向外部。外层具有大于内层厚度的外层厚度，外层厚度为至少1毫米。外层由外层材料形成，该外层材料包括铝合金和/或金属基质复合材料。内层由内层材料形成，其中外层材料强于内层材料。轴承盖配置为使轴承壳体的外层挤在轴承盖和发动机缸体的一部分之间。
在本文公开的可以与其他形式结合或分开的另一形式中，提供了一种曲轴组件。该曲轴组件包括曲轴，该曲轴配置为因活塞通过燃烧在汽缸孔内运动而旋转。曲轴组件还包括包围曲轴的轴承壳体。轴承壳体包括具有内层厚度的内层，其中内层具有在内侧上的轴承表面。内层的轴承表面配置为支撑和接触油膜，且曲轴配置为在油膜上旋转。外层围绕内层设置并在内层和曲轴的径向外部。外层具有大于内层厚度的外层厚度，外层厚度为至少1毫米。外层由外层材料形成，该外层材料包括铝合金和/或金属基质复合材料。内层由内层材料形成，其中外层材料强于内层材料。轴承盖配置为使轴承壳体的外层挤在轴承盖和发动机缸体的一部分之间。
在本文公开的可以与其他形式结合或分开的又一种形式中，提供了一种配置为对机动车辆提供动力的发动机。该发动机包括限定其中的多个汽缸孔的发动机缸体。活塞设置在每个汽缸孔内并在其内可移动。曲轴配置为通过因燃烧引起的每个活塞的运动而旋转。轴承壳体包围曲轴。轴承壳体包括具有内层厚度的内层和在内侧上的轴承表面。内层的轴承表面配置为支撑和接触油膜。曲轴配置为在油膜上旋转。轴承壳体具有外层，该外层围绕内层设置并在内层和曲轴的径向外部。外层具有大于内层厚度的外层厚度，外层厚度为至少1毫米。外层由外层材料形成，该外层材料包括铝合金和/或金属基质复合材料。内层由内层材料形成，其中外层材料强于内层材料。轴承盖配置为使轴承壳体的外层挤在轴承盖和发动机缸体的一部分之间。
可以提供进一步的附加特征，包括但不限于以下：内层配置为支撑和允许设置在内层的内部的杆的旋转；内层为设置成与外层的内侧接触的轴承层；进一步包括设置在外层和内层之间的中间轴承层；内层为设置在中间轴承层的径向内部的覆盖层；其中该中间轴承层接触外层和覆盖层二者；其中外层的外侧配置为挤入至少一个发动机部件的孔；其中内层包括铜、锡、铝、硅和/或聚合物；其中外层的外侧形成轴承壳体的最外边缘；且其中外层基本上由以下铝合金中的至少一个构成：2014-T6、7075-T6和6066-T6，或铝基MMC。
当结合附图时，从用于实施本发明的最佳模式的以下详细描述中，本发明的以上特征和优点以及其他特征和优点将非常显而易见。
附图说明
仅出于说明目的提供附图且不试图限制公开内容或其应用或用途。
图1是根据本发明的原理具有包括多个轴承壳体的曲轴组件的示例性汽车发动机的分解透视图；
图2是根据本发明的原理沿图1中的线2-2截取、示出在图1中的曲轴组件和轴承壳体的剖视图；
图3是根据本发明的原理示于图1-2的多个轴承壳体的上轴承壳体的透视图；
图4是根据本发明的原理示于图1-2的多个轴承壳体的下轴承壳体的第一变型的透视图；以及
图5是根据本发明的原理示于图1-2的多个轴承壳体的下轴承壳体的第二变型的透视图。
具体实施方式
本领域普通技术人员将认识到，术语诸如“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”、“底部”、“上”、“下”等用于描述附图，且不代表对所附权利要求限定的本发明的范围的限制。
参照附图，其中在整个几个视图中，相同的标号表示相同的部件，图1示出了具有发动机缸体9和曲轴组件10(其包括曲轴12)的汽车发动机8的分解视图。为简化起见，图1已经省去了本领域已知的发动机8的一些部件。发动机8可以是汽油发动机，如所示，或柴油发动机、压缩机，或者任何其他类似的装置。曲轴12包括沿纵向轴线X延伸的轴14，其限定多个主轴承轴颈16、多个臂18、多个销轴承轴颈20，以及至少一个配重22。臂18将销轴承轴颈20连接到主轴承轴颈16和轴14。
发动机缸体9限定其中的多个汽缸孔24。汽缸孔24支撑多个活塞组件26，该活塞组件包括活塞28和本领域已知的相关部件，图1中示出了其中仅一个活塞组件26。当组装时，每个活塞28设置在多个汽缸孔24的汽缸孔24内并在其中可移动。曲轴12配置为旋转以通过活塞28移动，该活塞因燃烧而在孔24内移动，如本领域所知。
主轴承轴颈16围绕纵向轴线X同心地设置。销轴承轴颈20中的每一个侧向地偏离纵向轴线X，并通过一对臂18附接到主轴承轴颈16。臂18中的每一个从主轴承轴颈16之一延伸到销轴承轴颈20之一，并可以或不可以包括配重22之一。配重22中的每一个径向延伸离开纵向轴线X。
主轴承轴颈16中的每一个支撑具有上轴承壳体半体30和在其附近的下轴承半体32的轴承壳体，并提供用于将曲轴12附接到发动机缸体9的附接位置。类似地，销轴承轴颈20中每一个支撑具有上轴承壳体半体34和在其附近的下轴承壳体半体36的轴承壳体，活塞组件26的连接杆38附接到该轴承壳体。连接杆38将活塞28附接到曲轴12。配重22弥补活塞28、活塞杆40、活塞销42、保持部件44、46、连接杆38的小端48的往复质量，连接杆大端50、轴承34、36的旋转质量，以及曲轴自身12的旋转质量。主轴承轴颈16位于纵向轴线X上并且不需要任何配重22。配置22减少作用在主轴承轴颈16上的力并因此改善轴承30、32、34、36的耐久性。配重22平衡曲轴12围绕纵向轴线X的旋转以减少其中的振动。如本领域所知，还可以包括上下推力轴承52、54。
图1中示出的发动机8是直列四缸发动机，且包括四个销轴承轴颈20和五个主轴承轴颈16。然而，应当认识到，曲轴组件10可以配置为不同于图1中所示。同样地，曲轴组件10可以配置用于任何类型和/或配置的发动机，包括但不限于具有六个或八个汽缸的V型发动机(例如，具有两排汽缸的发动机，这些汽缸布置成V型以在其间形成凹部)或具有3、5、6或一些其他数量的汽缸的直列型发动机。曲轴可以是共享销V曲轴，其具有两个杆每曲柄销轴颈，诸如V8或V12发动机。曲轴可以是在两个杆轴颈之间带有悬臂的V曲轴。V6发动机具有四个主轴承和在每个主轴承之间的两个杆。60度(汽缸之间的倾斜角)V6曲轴在曲柄销之间具有厚悬臂，因为具有60度销斜面，且90度V6曲柄具有较薄悬臂(端视图中仅30度销斜面)。此外，在任何配重中，曲轴12可具有附接到各个臂18的任何数量的配重22。例如，直列四缸曲轴组件10可包括六个或八个配重22。因此，图1中示出的具体曲轴组件10仅仅是示例性的，且不应当理解为对权利要求范围的限制。
现参照图2，曲轴组件10示出为装配在发动机8内的适当位置。轴承壳体包括包围曲轴12(具体地，主轴承轴颈16)的上下轴承壳体半体30、32。尽管未在装配图诸如图2中示出，但销轴承壳体半体34、36类似地包围销轴承轴颈20。主轴承盖56使主轴承壳体半体30、32挤在发动机缸体9和主轴承盖56之间。类似地，连接杆帽58使销轴承壳体半体34、36挤在连接杆38和连接杆帽58之间。
图3和4更详细地示出了主轴承壳体半体30、32。尽管主轴承壳体半体30、32示于图3和4中，但应当理解，所示结构还可应用于销轴承半体34、36。上轴承壳体半体30示于图3中，且下轴承壳体半体32示于图4中。上轴承壳体半体30可以具有穿过其限定的一个或多个孔60以允许油流入轴承壳体半体30、32的内部区域62，该内部区域位于轴承壳体半体30、32和曲轴12之间。
上下轴承壳体半体30、32中的每一个包括内层64a、64b，该内层在内层64a、64b的内侧66a、66b上限定轴承表面。内层64a、64b的轴承表面配置为支撑和接触油膜。曲轴12在油膜上旋转，其中作为示例，油膜可具有约1微米或更小的厚度。因此，内层64a、64b配置为支撑和允许设置在内层64a、64b的内部的曲轴杆14的旋转。
外层68a、68b围绕内层64a、64b设置，外层68a、68b设置在内层64a、64b和曲轴12的径向外部。在图4中，下轴承壳体本体32的内层64b示出为从外层68b部分切除。外层68a、68b对轴承壳体30、32提供强度并且传统上由钢形成。然而，轴承壳体半体30、32的外层68a、68b由高强度铝合金或金属基质复合材料形成。举例来说，用于外层68a、68b的高强度铝合金可以基本上由以下高强度铝合金中的一种或多种构成：2014-T6、7075-T6、7090-T6、7091-T6、7054-T6，以及6066-T6。金属基质复合材料可包括但不限于铝基质复合材料(A356+Al2O3p(颗粒)、A356+Al2O3w(须晶)、A356+SiCp、A356+石墨、A6061+Al2O3p、A6061+Al2O3w、A6061+SiCp、A6063+Al2O3p、A6063+Al2O3w等)；镁基质复合材料(AZ91+SiCp；AZ91+TiCp；AZ91+B4Cp、AZ91+CNTs等)。其他铝纤维强化MMC还可以包括采用石墨(碳)、硼、碳化硅、氧化铝、钛，以及石墨/铜强化的那些。
外层68a、68b具有大于内层64a、64b的厚度t2的厚度t1。例如，外层68a、68b的厚度t1可以为至少1毫米且可以在约2.5mm至约4.0mm的范围。内层64a、64b的厚度t2可以在约0.2mm至约0.3mm的范围。
内层64a、64b可以形成在任何合适的轴承层材料上，诸如铜、锡、铝、硅或聚合物材料。这些材料中的一个或多个可以单独或结合使用以形成内层64a、64b。在该示例中，外层材料强于内层材料，因为外层68a、68b配置为对轴承壳体30、32提供强度。
外层68a、68b的外侧69a、69b形成轴承壳体30、32的最外边缘。轴承盖56配置为使外层68a、68b的外侧69a、69b挤在轴承盖56和发动机缸体9的一部分之间。因此，外层68a、68b的外侧69a、69b挤入在帽56和发动机缸体9(示于图2)之间限定的孔71中。在图3-4的所示示例中，内层64a、64b是设置成与外层68a、68b的内侧70a、70b接触的轴承层。
现参照图5，示出了下轴承壳体半体32的备选结构并采用参考标号132总体表示。应当理解，类似结构还可用于上轴承壳体半体30、或者用于连接杆38的轴承壳体半体34、36任一。
轴承壳体半体132包括外层168，其类似于以上所述的外层68a、68b。例如，外层168对轴承壳体132提供强度并且由高强度铝合金或金属基质复合材料形成。举例来说，用于外层168的高强度铝合金可以基本上由以下高强度铝合金中的一个或多个构成：2014-T6、7075-T6、7090-T6、7091-T6、7054-T6，以及6066-T6。外层168的外侧169形成轴承壳体132的最外边缘。轴承盖56配置为使外层168的外侧169挤在轴承盖56和发动机缸体9的一部分之间。因此，外层168的外侧169可以挤入在帽56和发动机缸体9之间限定的孔71中。
外层168围绕内层180设置并在其径向外部，在该示例中该内层为覆盖层。覆盖层可以由例如锡、银、铜、铝和/或聚合物材料构成。在图5的示例中，中间轴承层164设置在外层168和内部覆盖层180之间。在该示例中，中间轴承层164接触外层168和覆盖层180二者。在其他变型中，一个或多个附加层可以设置在外层168和覆盖层180之间。在图5中，覆盖层180和中间轴承层164示出为从外层168部分切除。
类似于以上描述的内层64a、64b，中间轴承层164可以形成在任何合适的轴承层材料上，诸如铜、锡、铝、硅，以及聚合物材料。这些材料中的一个或多个可以单独或结合使用以形成内层164。在该示例中，外层材料强于中间轴承层和覆盖材料，因为外层168配置为对轴承壳体132提供强度。
外层168具有大于中间轴承层164的厚度t2的厚度t1，且中间轴承层厚度t2大于覆盖层180的厚度t3。例如，外层168的厚度t2可以为至少1毫米且可以在约2.5mm至约4.0mm的范围。中间轴承层164可以在约0.2mm至约0.3mm的范围，且覆盖层的厚度t3可以小于或等于约0.02mm。
内部覆盖层180在内部覆盖层180的内侧181上限定轴承表面。内部覆盖层180的轴承表面配置为支撑和接触油膜。曲轴12在油膜上旋转，其中作为示例，油膜可具有约1微米或更小的厚度。因此，覆盖层180配置为支撑和允许设置在内部覆盖层180的内部的曲轴杆14的旋转。
推力轴承52、54可具有与主轴承壳体30、32、132或者销轴承壳体34、36类似的结构，诸如具有外层68a、68b和内层64a、64b或者中间轴承层164和覆盖层180。
本文所述的轴承壳体30、32、34、36、132、52、54的结构可导致重量节省和外层和内层或中间轴承层之间改善的结合，以及外层和内层或中间轴承层之间改善的热力学相容性和导电性，从而避免变形和减少轴承咬死和故障。
显而易见的是，在不脱离所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，修改和变型是可能的。更具体地，虽然本发明的一些方面在本文中被认为是优选的或特别有利的，但可以预想本发明不必局限于本发明的这些优选方面。

Claims (10)

1.一种用于汽车推进系统的轴承壳体，所述轴承壳体包括：
具有内层厚度的内层，所述内层在内侧上限定轴承表面，所述内层的所述轴承表面配置为支撑和接触油膜；和
围绕所述内层设置并在所述内层的径向外部的外层，所述外层具有大于所述内层厚度的外层厚度，所述外层厚度为至少1毫米，所述外层由包括铝合金和金属基质复合材料中的至少一种的外层材料形成，所述内层由内层材料形成，其中所述外层材料强于所述内层材料。
2.根据权利要求1所述的轴承壳体，其中所述内层配置为支撑和允许设置在所述内层的内部的杆的旋转，所述轴承壳体进一步包括设置在所述外层和所述内层之间的中间轴承层，所述内层为设置在所述中间轴承层的径向内部的覆盖层。
3.根据权利要求2所述的轴承壳体，所述内层为设置成与所述外层的内侧接触的轴承层，所述中间轴承层接触所述外层和所述覆盖层二者，所述外层的外侧配置为挤入通过至少一个发动机部件形成的孔，所述外层的所述外侧形成所述轴承壳体的最外边缘。
4.根据权利要求2所述的轴承壳体，其中所述内层包括以下材料中的至少一种：铜、锡、铝、硅以及聚合物，且其中所述外层基本上由以下铝合金中的至少一种构成：2014-T6、7075-T6、7090-T6、7091-T6、7054-T6以及6066-T6。
5.一种曲轴组件，其包括：
曲轴，其配置为通过燃烧时汽缸孔内的活塞的运动而旋转；和
包围所述曲轴的轴承壳体，所述轴承壳体包括：
具有内层厚度的内层，所述内层具有在内侧上的轴承表面，所述内层的所述轴承表面配置为支撑和接触油膜，所述曲轴配置为在所述油膜上旋转；和
围绕所述内层设置并在所述内层和所述曲轴的径向外部的外层，所述外层具有大于所述内层厚度的外层厚度，所述外层厚度为至少1毫米，所述外层由包括铝合金和金属基质复合材料中的至少一种的外层材料形成，所述内层由内层材料形成，其中所述外层材料强于所述内层材料。
6.根据权利要求5所述的曲轴组件，所述内层为设置成与所述内层的内侧接触的轴承层，所述轴承壳体进一步包括设置在所述外层和所述内层之间的中间轴承层，所述内层为设置在所述中间轴承层的径向内部的覆盖层。
7.根据权利要求6所述的曲轴组件，其中所述中间轴承层接触所述外层和所述覆盖层二者，其中所述外层的内侧配置为挤入至少一个发动机部件的孔，且其中所述外层的所述外侧形成所述轴承壳体的最外边缘。
8.根据权利要求6所述的曲轴组件，其中所述内层包括所述以下材料中的至少一种：铜、锡、铝、硅以及聚合物，且其中所述外层基本上由以下铝合金中的至少一种构成：2014-T6、7075-T6、7090-T6、7091-T6、7054-T6以及6066-T6。
9.一种配置为对机动车辆提供动力的发动机，所述发动机包括：
限定其中的多个汽缸孔的发动机缸体；
多个活塞，所述多个活塞中的每个活塞设置在所述多个汽缸孔的汽缸孔内并在其内可移动；
曲轴，其配置为通过燃烧时所述多个活塞中的每个活塞在所述汽缸孔内的运动而旋转；
包围所述曲轴的轴承壳体，所述轴承壳体包括：
具有内层厚度和在内侧上的轴承表面的内层，所述内层的所述轴承表面配置为支撑和接触油膜，所述曲轴配置为在所述油膜上旋转；
和
围绕所述内层设置并在所述内层和所述曲轴的径向外部的外层，
所述外层具有大于所述内层厚度的外层厚度，所述外层厚度为至少1毫米，所述外层由包括铝合金和金属基质复合材料中的至少一种的外层材料形成，所述内层由内层材料形成，所述外层材料强于所述内层材料；以及
轴承盖，其配置为使所述轴承壳体的所述外层挤在所述轴承盖和
所述发动机缸体的活塞之间。
10.根据权利要求9所述的发动机，所述内层为设置成与所述外层的内侧接触的轴承层，所述轴承壳体进一步包括设置在所述外层和所述内层之间的中间轴承层，所述内层为设置在所述中间轴承层的径向内部的覆盖层，其中所述中间轴承层接触所述外层和所述覆盖层二者，其中所述内层包括以下材料中的至少一种：铜、锡、铝、硅以及聚合物，且其中所述外层的外侧形成所述轴承壳体的最外边缘，且其中所述外层基本上由以下铝合金中的至少一种构成：2014-T6、7075-T6、7090-T6、7091-T6、7054-T6以及6066-T6。
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