CN1181799A - 接合式多层轴 - Google Patents

Abstract

具有外在功能元件的一种空心轴(1)是采用在给定区域内沿轴向进行径向扩径的方法组配而成的。为此,各区段中须加以扩径的内轴管(3)是塑性变形的,而在各区段中须加以扩径的外在部件则仅是弹性变形的。各功能元件至少部分地安置在多重功能元件上,须加以扩径的区段处于功能元件之间。本发明还涉及到具有上述结构的空心轴的制造方法以及多重功能元件特别是多重式凸轮的制造方法。这些多重功能元件是用于制造组合式空心轴的。单个的功能元件是用具有与功能元件相符轮廓的管材制成的,并接合而成多重式凸轮。不圆的功能元件沿轴向具有与基圆同心的环形凸缘,环形凸缘的内径仅仅略大于轴管的外径。

Description

接合式多层轴

本发明涉及具有外在功能元件的组合式空心轴，该空心轴是采取依轴向分段径向扩径的方式接合而成的，在此，扩径区段中的内轴管是塑性地变形的，而扩径区段中的外在部件则仅是弹性地变形的。本发明还涉及这种轴的制造方法，以及用于制造接合式空心轴的多重功能元件的制造方法。

在内燃发动机用的传动轴和控轴的领域中，尤其是分配凸轮轴，随着多阀技术的发展，不断要求解决这样一个问题，那就是制造出具有下述多个相互靠近的元件的轴，如凸轮、其它功能部件以及滑动轴承和轴向止挡。这一情况对常规的工艺技术带来越来越多的困难。尤其对制造具有较大直径的轴来说，还有按平方函数增加重量的问题。

在接合式空心轴领域中尤其有解决上述复杂问题的有趣苗头。在这里，在降低重量的同时可解决凸轮间距的问题，但与此同时又会随着抗扭刚度的下降而带来一些困难。此外，须安置在该轴上的而且须精确定位的功能元件的数目是很大的。特别在载重卡车轴方面，尤其是用于柴油机的轴，除上述问题外还有一个附带的问题是：由于所需的抗扭刚度并顾及到功能元件之间的单层结构，空心轴的壁厚必须保持相当的大，从而使得减重的优点不能如所要求的那样加以实现。特别是采用长轴时，接合前的准备时间，例如缓慢地将高压探管装入空心轴中，是非常长的，因而降低了昂贵投资金的生产率。

在制造接合式空心轴时，通过采用多重功能元件，例如多重式凸轮，至少可以减少上述各问题中的几个问题。为此提出的方案是已经公开的，例如采用扭转方法用管制造多重式凸轮，或者用钢板坯料制造多重式凸轮，这些钢板坯料做成具有相应的构型，然后加工成一环形体，并加以焊接。

就上述第一个方案来说，仍存在一个问题，那就是被局限于统一的凸轮轮廓，而且凸轮对外压力例如对推杆压力没有大的刚度。就所说的两个方案来说，有关凸轮尖端在圆周上的偏向角或不同角分布都存在很大的限制，这一情况就上述第二个方案来说，只有通过昂贵的制造方法的改变才能加以克服。

本发明要解决的技术问题是：为具有外在功能元件的接合式空心轴提出新型的设计结构，即可避免前述的那些问题，且在制造上是有利的和经济合算的；以及提出一些制造方法，采用这些方法可以高生产率、高精密度、低花费地制造所述的轴和多重功能元件。

上述任务按照本发明是采取以下措施加以解决的：带有外在功能元件的接合式空心轴是通过依轴向分段径向扩径的方式加以接合的，这时扩径区段中的内轴管是塑性变形的，而扩径区段中的外在部件则仅是弹性变形的，在此情况下，各功能元件至少一部分配置在多重功能元件上，扩径区段均处于功能元件之间；为解决上述任务还采用了一种制造这种轴的方法，据该方法，分段扩径是借助液体内高压实现的，液压液体是通过一个探管而被引入到空心轴中，而探管的外径仅略小于轴的内径，在扩径区段的两个轴向端上对着空心轴的探管由密封元件加以密封，而那些具有一种可拆卸的高压快速接头的探管在连接到高压发生器上之前被引入空心轴中，并加以定位；为解决上述任务还采用了一种制造多重功能元件的方法，据该方法，各个功能元件都是用具有与功能元件相符轮廓的管材制成的，并组合成多重式凸轮，在这种情况下，不圆的功能元件在轴向中具有与基圆同心的环形凸缘，这些凸缘的内径略大于轴管的外径，凸缘在其侧边具有一个大约一半壁厚的环形区域，使得该区域同相邻的不圆功能元件的环形区域补充成全壁厚，在这里，环形凸缘是通过型材管的重新成形而制做出来的。

通过使用按本发明提出的多重式凸轮，可以实现一系列的优点。附表A中所举的例子，包括进气凸轮、排气凸轮、柴油喷油凸轮以及一个滑动轴承，都以模块形式加以组合，依此，例如用于一个六气缸柴油机的部件数量与按照现有技术各个功能部件拼合相比，可由26个减少到9个。这些例子是顾及到现代载重卡车发动机的通常功能选择出来的。按本发明提出的工艺使得以最佳方式实现每个气缸多个凸轮的设想成为可能，例如顾及到喷油技术特点或者阀的断开和闭合角倾角。

上述对比，也就是对按传统接合工艺和按本发明接合工艺制造出来的具有相同尺寸与功能的凸轮轴进行的比较，由这一对比可以看出不同结构形式在重量和抗扭刚度方面的差异，抗扭刚度作为极惯性力矩Jp以大小cm⁴表示。按本发明提出的轴的那些优点在很大程度上受下述条件的制约：轴的重量只能随轴管直径线性地增大，而抗扭刚度则随轴管

直径按多次幂增高，此外由于多层结构之故在接合点亦受到有利的影响。

下面将根据附图对本发明做较详细的描述，附图中示出了一些实施例。从以下的描述中可以清楚看出本发明的若干优点，这些优点也可以通过所次权利要求书中提出的结构形式加以实现。附图表示：

图1按本发明提出的轴的一个局部纵剖面图；

图2图1沿II-II线的断面图；

图3一个多重式凸轮模块，该模块是按照熔蜡铸造法精密铸造出来的；

图4一个多重式凸轮模块，该模块是由单个部件组合而成的；

图5按照图4所示的多重式凸轮模块，它的单个部件已被分开；

图6按照图4所示的多重式凸轮模块，配有用于模块压合的装置的示意图；

图7按照图6所示装置连同模块的断面图；

图8制造单个凸轮用的异型管的示例a和b；

图9用来使由异型管制成的环形凸缘重新成形的模具(冲压模)的示意断面图；

图10按照图9中IX-IX线的装配示意侧视图，从视线角转90°；

图11多功能加工自动机的功能示意图，该自动机用来将异型管段加工成单个凸轮；

图12从异型管段制成的单个凸轮分离后的单独的示意图。

图1中所示是载重卡车柴油机用的凸轮轴1的一部分，在这里将功能元件滑动轴承6、排气凸轮、喷油凸轮及进气凸轮2组合成一个模块M，该模块是作为多重式凸轮制造的，并作为一个整体装配在轴管3上。此外，如图所示，在轴的右端有一个轴终端密封罩7或一个端头。在图中所示的实施例中，进气凸轮比排气凸轮较高和较窄，而喷油凸轮则具有标准形状，且配有一个拉长的很扁平的侧壁和一个很短的陡的侧壁，结合图2也可以很清楚地看出这一点。图2中还示明，在轴管3上例如按60°分度可配有依轴向延伸的槽18，多重式凸轮内表面上相应形成的接片或尖峰正好配合在这些槽中。通过这一辅助措施，可实现轴管3上多重式凸轮位置的非常精确的定向。在多重式凸轮模块M内，可以精确地使凸轮分度彼此定向并加以预先给定。借助上述措施，接合式轴1的预装配便可十分精密而快速地完成。

图3示明一个多重式凸轮模块M，该模块是整体地，例如按熔蜡铸造法，用轴承钢制造出来的。采用这种制造方法可获得很高的精密度，例如＜1/10mm。从该图中还可清楚地看出，接合面即具有最小直径的内表面区段对整个模块是可选得很大。因此分配给功能元件的表面部分未要求作为接合点，以使功能元件可超越最小内径而形成“空的”结构。虽然如此，整个可供利用的接合面仍能提供很足够的摩擦力矩，从而在采用选定的接合方法条件下确保了一种安全的摩擦配合。

图4中所示是一个多重式凸轮模块，它具有的尺寸与图3所示模块完全相同，但是它是由部件4组成而成。图5所示是模块M的部件4拆开后的形状。从图中可清楚看出，环形凸缘5沿轴向以本身的功能元件的延续而延伸，它们在与另一个不圆的功能部件相邻接时其外端总有一个做成台阶状的具有大约一半壁厚的厚度的环形接片，而相邻接的“不圆”功能部件的台阶状接片或凸缘相互补充而成全壁厚，并共同构成接合区段的组成部分。在上述那些搭接区内以及在具有相邻功能元件的无台阶状凸缘的轴承环区段6的搭接区内，接合的轴中有三层材料层，或者例如在使用一个以上轴管层时则有三层以上的材料层，这就大大提高了轴的抗扭刚度。

图6和7中示明，图5所示的部件4是怎样压合成图4所示的多重式凸轮模块M的，以及一种相应的组装设备a、b是怎样示意性地安装的。将部件4经过预定位装入一个单部件式底模b中。然后将两部件式上压模a压下，并非常精确地使功能轮廓正确取向。于是，分开的上压模a相互靠拢，并将部件4如此地推移使之互相套合，直到它们彼此对向地即在底模b中的止挡上依轴向对准。部件4的连接可以精确地预先做好，以便及时得到一个压合座，该压合座不需采取其它措施即可确保上述模块的转运安全。还可配备别的装置用来固定部件4，例如配备一种点焊装置。

图8a和8b中所示的是用来制造单个凸轮的异型管的例子。这些异型管的轮廓可以非常精确地符合功能元件的轮廓，或者在所要求的位置上具有加工余量。图9和10中示意地绘出，怎样由上述型管棒重新成形出具有处于功能元件之间的环形凸缘5的个别轮廓。在所示的实施例中这就是一种压机，利用该压机即可对着一个安置在异型管内模11通过压制而重新成形出环形凸缘5。所示的实施例以虚线表示一个例子，在该例子中凸轮基圆与环形凸缘5的下部对中心。在这种情况下，内模必须至少是分成两部式的，如相应的阴影线所示，这样才能在重新成形之后首先将内模11的下部取出来。为了安装和拆卸的简便，最好设置一些导引斜面。这样，内模的上部朝下降落，从而同样可以从异型管中取出来。为了适应下述情况，即凸轮基圆依径向处于环形凸缘5之外，内模11必须分为三部式，如图中虚线所示，以便内模的中部首先可以从异型管中取出，然后是它的上部，最后是它的下部可以依次取出。

图11中所示的是，怎样才能在加工完成之后将各个功能元件4从成型过的内模11上分开。这样一种管料自动加工机包含例如五道工序所需的模具及装置。其中包括内旋车刀12和外旋车刀13，如从图5中可以清楚看出的，这些车刀能非常精密地加工出内部轮廓和外部轮廓。上述自动加工机拥有一个二部式的可以彼此独立地依轴向移动的卡盘15，16，利用该卡盘即可沿轴向进行夹紧15，又可进行移位16。在完成内外加工之后，便可借助切断刀14来实现单个部件的分离。图12中所详示的是分离工具，在此是一种切断刀，以及分离所用的切割宽度。

从图3、4、5、6和12可以清楚看出，凸轮的侧表面略具锥形，其优点是可以简化多重式凸轮的制造过程。如图9和10中所示，异型管段的重新成形可以在压机中进行，若干个几米长的异型管段并列地按相应形式置于压机模具中，这样随着压机的一次冲程，便可同时压制出为数甚多的凸轮。作为异型管段用的材料，特别合适的是具有气缸衬套质量的冷拔型管，其容许误差可以保持明显小于1/10mm(毫米)。

迄此已描述过借助相应成型的管段的重新成形以制造单个凸轮4的例子，并在图中示明。根据所示的实施例，重新成形是通过压制实现的。不过，重新成形也可以采用其它成形方法如锤锻、锻造或轧制来完成。同样还可以通过圆管的内部造形的方法来制做出各个功能轮廓。

在所示实施例中选择的模块分度把气缸所需各功能元件的组合视作分度标准。完全一样地可以设想，模块由相邻两个气缸的互补部分功能区域综合而成，假若这一点从圆周上的功能轮廓分布出发显得合理的话。

各个功能元件可以分别用合适的材料制成。为此最好使行程轮廓或应变轮廓的制做、加工和调节的任务分配实现最佳协调，这是因为用一种材料不做再处理是难以获得各种性质的。例如若选择一种滚珠轴承钢如100Cr6，它适合于高赫兹压制，但在加工上比较困难。若选用较易于加工的钢材，最好按照它们的材质加以挑选以便进行边缘层淬火处理。还可考虑选用容易变形的表面硬化钢，根据其造型加以渗碳。为单个功能元件分别选用与其应变轮廓相符的材料，而为不同的功能元件则选用相异的材料，这一点可自行掌握。重要的是须注意一点，就是在接合区域，即主要是功能元件旁边的环形凸缘5，为了扩径目的须有一个经过调质处理的接缝。

图8a中所示的轮廓是典型地适用于柴油喷油凸轮的，而图8b中所示的轮廓则是典型地适用于进气凸轮或排气凸轮的。为了制造接合式的凸轮轴，在扩径时考虑到制成的轴的平直度，最好在轴的支承部位将轴夹持在棱形导轨中，这种现成的轴是在市场上可以购到的。

Claims (8)

1.具有外在功能元件的接合式空心轴，是通过沿轴向(3)分段进行径向扩径的方法接合而成的，依此，内轴管在扩径区段中是塑性变形的，而在扩径区段中的外在部件则仅为弹性变形，其特征在于：功能元件至少部分地安置在多重功能元件(M)上，扩径区段均处于功能元件之间。

2.按照权利要求1中所述的轴，其特征在于：多重功能元件在其内径上有一些带有一定轮廓的接片，这种轮廓与轴的外表面上依径向延伸的槽(18)的轮廓相一致。

3.按照权利要求1或2中所述的轴，其特征在于：轴是一种凸轮轴，多重功能元件是多重式凸轮(M)，后者主要有凸轮元件(2)、轴承元件(6)和传动元件。

4.按照权利要求1、2或3中所述的轴，其特征在于：多重式凸轮(M)由若干个部件(4)构成，这些部件依轴向组合起来，其中不圆的部件(2)沿轴向具有与基圆同心的环形凸缘(5)，凸缘的内径略小于轴管(3)的外径，它们在其与不圆的部件相邻接的一侧上具有一个大约半壁厚的环形接片，该接片与相邻的不圆部件的接片补充而成全壁厚，圆的部件具有的内径恰好与环形凸缘(5)的外径相匹配。

5.按照权利要求4中所述的轴，其特征在于：环形凸缘(5)是扩径区段，而且在这些扩径区段中部分地依径向叠置着三个材料层。

6.权利要求1中所述组合式空心轴的制造方法，按此方法，分段扩径是通过液体内高压实现的，液压液体是通过一条探管引入该空心轴中的，探管的外径仅略小于该轴的内径，探管对着空心轴在扩径区段的两个轴向端借助密封元件加以密封，而且具有可拆卸高压快速接头的探管在连接到高压发出器上之前就得引入空心轴中，并加以定位。

7.按照权利要求6中所述的方法，其特征在于：若干个已组合成的装有探管的轴同时连接到高压发生器上，并通过扩径加以接合。

8.多重功能元件尤其是多重式凸轮的制造方法，这些多重功能元件是用来制造具有外在功能元件的组合式空心轴的，按照此方法，各个功能元件是用具有与功能元件相符轮廓的管材制成的，并组合成多重式凸轮，这时不圆的功能元件沿轴向具有与基圆同心的环形凸缘，环形凸缘的内径略大于轴管的外径，它们在其侧边有一个大约半壁厚的环形区段，以使该环形区段与相邻的不圆功能元件的环形区段补充成全壁厚，而且根据本方法，环形凸缘是通过型管的重新成形而制造出来的。

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