CN1270111C - 轴承 - Google Patents

Abstract

一种用于内燃发动机的主轴承、曲柄销轴承或十字叉头轴承(1)，其包括一个上轴套(3)和一个下轴套(4)，所述轴套(3、4)在支承面(20)上带有至少一个压痕，以在所选区域降低油膜压力峰值并增大最小油膜厚度。

Description

轴承

发明领域

本发明涉及用于活塞发动机的主轴承、曲柄销轴承或十字叉头轴承。本发明还涉及生产用于活塞发动机的主轴承、曲柄销轴承或十字叉头轴承的轴套的方法。

背景技术

传统的此种轴承通过如精密镗孔的方法加工以具有一个圆筒形轴承面。这些类型的轴承包括一个上轴套和一个下轴套，所述上、下轴套限定一个用于支承相应的支承轴颈的轴承面。轴颈的回转运动的流体动力效应产生一个积累在轴承面和轴颈之间的油膜中压力，借助于压力把轴颈从轴承面抬起。然而，众所周知，工作中的活塞发动机的曲柄轴的轴颈不能够与主轴承、曲柄销轴承或十字叉头轴承的轴承中心线保持完全对准。曲柄轴的弯曲和扭转引起轴颈中心线和轴承中心线之间的偏移，并且该偏移在每个热机循环期间是变化的。所述偏移能引起高的边缘压力而导致轴承材料的疲劳破裂。高的边缘压力还与低的油膜厚度有关。在这些类型的轴承中普遍存在的关于油膜中高压力的另外一个问题与偏移无关，而是与沿着主体轴承轴线方向上油膜压力的分布曲线有关。

已提出改良的轴套的轴承面以降低由偏移所引起的高的边缘压力。DK-U 9600132公开了一种获得降低的边缘压力的方法，此种方法通过至少对靠近轴承边缘的轴承面进行加工，使其具有在沿着轴承的主轴线方向上为轴颈相对于轴承的偏移留出空间的轮廓。然而，在轴套的轴承面中加工此种轮廓相对而言是昂贵的并且在轴承面中加工特定轮廓的形状需要特定的设备。

DK-U 9600132中提出的获得降低的边缘压力的另外一种方法，其通过在轴套的前边缘和/或后边缘附近区域从轴套的外表面去除轴套材料而实现。因为它们不是由轴承座支承的，所以轴套的这些区域硬度较小，并且会通过偏移的轴颈所施加的压力动态地变形。然而，已经示出，在某些情况下，边缘压力只在一个非常小的面积上是高的，因此，作用在边缘区域的力(压力与面积的产物)不足以使轴套变形。在此情形下，产生的边缘压力将会过高，从而轴承可能在预期寿命之前被损坏。即使作用在边缘区域的力足够使轴套变形，伴随每个热机循环，边缘区域的动态变形仍能导致轴套材料中的疲劳。

发明内容

在所述背景技术基础上，本发明的目的之一在于提供一种可克服上述问题的轴套。根据权利要求1，在所述轴套中形成至少一个削弱区域，其在由拉紧轴承座头引起的切向负荷作用下引起轴套变形，从而达成此目的。

本发明的另一个目的在于参考已有技术提供一种可以克服上述的问题的轴承。根据权利要求2，在轴套中设置至少一个削弱的区域，其在由拉紧轴承座头引起的切向负荷作用下引起轴套变形，从而达成此目的。

所述变形在轴套的轴承面产生一个压痕。所述压痕局部地降低油膜压力和/或增加油膜厚度。

在一个具体实施例中，壁厚减薄的区域是通过将轴套材料从轴套的外表面去除而形成的。有利地，可在轴套的外表面中形成一个凹部。在一个优选的具体实施例中，壁厚减薄的区域位于伴随轴径的轴承轴偏移而易于产生高油膜压力的那些区域，即，在所述轴套的前边缘和/或后边缘处。在另一个优选的具体实施例中，所述轴承可以更进一步设有一个位于所述轴套中央部位的壁厚减薄区域，以降低这些区域的油膜压力峰值。为了便于采用铣床切削刀具加工所述凹部，所述凹部优选地成形为卵形或椭圆形。可选择地，凹部也可以是带圆角的梯形。

在一个优选的具体实施例中，壁厚减薄的区域是通过将轴套材料从轴套的外表面去除而形成的。有利地，可在轴套的外表面中形成一个凹部。根据一个优选的具体实施例，壁厚减薄的区域位于随轴径的轴承轴的偏移而易于产生高油膜压力的那些区域，即，在所述轴套的前边缘和/或后边缘处。在另一个优选的具体实施例中，所述轴承可以更进一步设有一个位于所述轴套中央部位的壁厚减薄区域，以降低这些区域的油膜压力峰值。为了便于采用铣床切削刀具加工所述凹部，所述凹部优选地成形为梯形、卵形或椭圆形。

本发明的另外一个目的在于提供一种生产用于活塞发动机的主轴承、曲柄销轴承或十字叉头轴承的轴套的方法，所述方法可以克服上述的问题。按照权利要求21，此目的通过下面的方法实现：提供一个具有一支承面的夹具，所述支承面除了其上的至少一个突起以外，在形状上与轴套外表面大体相符；将所述轴套放置在所述支承面上；在所述轴套上施加一个足够大的切向负荷，以确保所述轴套的整个外表面大体上与所述支承面接触，由此使所述轴套变形以与所述支承面的形状相匹配；在所述轴套在一个切向负荷作用下置于所述夹具中的情况下，于所述轴套内表面上加工一个轴承面；然后从所述夹具的所述支承面上移开所述轴套，由此使所述轴套回复到变形前的形状，并借此在轴承面上形成至少一个压痕。

优选地，当轴套在夹具中的时候，所述加工过轴承面具有圆弧状外形，并且优选地，所述轴承面具有对应于半正圆筒状的几何形状。在一个优选的具体实施例，所述至少一个压痕形成于所述轴套前边缘和/或后边缘处，而且，可选择或可添加地，所述压痕也可以形成于所述轴套的中央部位。为了确保所述轴套将回复到变形之前的形状，优选地，所述变形基本上是完全弹性的。

在本发明的另外一个具体实施例中，支承面上的突起由位于常规夹具支承面上的一层或多层薄膜材料构成，优选地，所述支承面具有对应于正半圆筒状的几何形状。可选择地，所述至少一个突起与形成轴承面的材料为一个整体。

本发明的另外一个目的在于提供另一种生产用于活塞发动机的主轴承、曲柄销轴承或十字叉头轴承的轴套的方法，所述方法可以克服上述的问题。按照权利要求28，本目的通过下面的方法实现：

a)确定负荷条件下所述轴套的轴承面上的油膜压力及其分布情况，和/或确定负荷条件下所述轴套的轴承面上的油膜厚度及其分布情况，优选地可以采用有限元方法，

b)识别出哪一个或哪些区域中油膜压力超过最大值和/或油膜厚度小于最小值，

c)在步骤b)中识别出的区域中所述轴套的轴承面中形成一个压痕。优选地，步骤a)中所述的负荷条件选择为对应于内燃机的最大负荷条件。有利地，轴承面特定的几何形状选择为对应于一个正半圆筒。在一个优选具体实施例中，在进行步骤c)之前，步骤a)和b)进行重复，修改轴承面的几何形状。为了使轴承设计最佳化，优选地在步骤c)中通过将轴套材料从所述轴套外表面去除而形成压痕，因此局部地削弱所述轴套，以便当一个切向压力基于轴套在轴承座中的安装而作用在轴套上时，在所述轴套的轴承面中形成所述压痕。可选择地，也可以通过从所述轴套的轴承面去除材料而形成所述压痕。

本发明的另外一个目的在于提供一种夹具，所述夹具用于在生产过程中支承活塞发动机的主轴承、曲柄销轴承或十字叉头轴承的轴套，以帮助克服上述的问题。根据权利要求34，本目的通过在支承面上设置至少一个用于当轴套压在所述支承面上时使轴套变形的突起而实现。

在一个优选具体实施例中，所述至少一个突起与所述夹具为一个整体。可选择地，至少一个突起由位于常规夹具支承面上的一层或多层薄膜材料形成，优选地，所述支承面具有对应于半直圆筒的几何形状。

具体实施方式中的描述将使本发明的轴承、轴套和生产方法的进一步的目的、功能、优点和特性更加明显。

在本说明书下面的详细描述部分中，参照附图中示出的示例性实施例对本发明进行更详细的说明，其中：

图1所示为一个轴承的简图；

图2a所示为采用有限元方法确定油膜压力和分布情况的展开图表；

图2b所示为采用有限元方法确定油膜厚度的图表；

图2c所示为轴承对准时，轴承的主轴线上油膜压力的分布情况；

图3a是带有局部减薄壁厚的一个轴套的仰角简图；

图3b是图3a所示轴套另一个视角的视图；

图4所示为图3a和3b所示的轴套安装在轴承中变形的情况下的详细剖视图；

图5所示为另一实施例的轴套；

图6所示为安装在一个轴承中的图5所示的轴套。

具体实施方式

在下面的具体实施方式中，采用优选的具体实施例对本发明进行描述。参见图1，轴承1为适于用于作为诸如颚图发动机(otto engine)或柴油发动机的活塞发动机的主轴承、曲柄销轴承或十字叉头轴承类型。所述轴承尤其适用于船舶或固定式电厂中用作原动机的中速四冲程柴油发动机或低速二冲程柴油发动机，比如十字叉头单流的扫气式柴油发动机(scavenged diesel engines)，在大的型号中其每个气缸的输出功率范围为350～6700千瓦。

所述轴承包含一个上轴套和一个下轴套。然而，这里使用的术语“上”和“下”并不旨在将轴套的使用限制于相对于重力场的某个位置，而只是用于给每个轴套一个不同的名称。

轴承的大体上为圆筒状的轴承面20由在两个隔板面5、6处彼此邻接的两个轴套3、4的内表面形成。所述轴套3、4由钢质支承材料制成，在其内侧用轴承合金进行沉积。在附图中，未示出承载材料和轴承材料之间的过渡，但是可以理解，二种轴承材料就象一个整体粘着在一起。如果使用锡-铝合金作为轴承材料，可采用轧制方法敷设，如果轴承材料是白合金或铅青铜，可通过离心铸造铸造在承载材料上。轴套3、4具有一个前边缘17和一个后边缘18。

在此具体实施例中，轴套3、4是所谓“厚”型的，这意味着一轴承，其轴套的厚度超过轴承1所支承的轴40直径的4.5％。厚轴套轴承的轴套3、4足够厚并因此足够硬，以支承轴承面20承受出现的动力效应，即使轴套3、4突出超过轴承座或轴套3、4，并且在沿着其外表面14的整个圆周上没有受到轴承座支承。

下轴承座部件9直接成形在发动机台板(图未示)上，而下轴套4直接放置在台板的轴承孔中。上轴承座部件11通过支承螺柱12向台板(图未示)收紧，所述支承螺柱12可以是螺钉或带螺母的螺栓。支承螺柱12的下端螺锁在台板上向上的螺丝孔中，所述支承螺柱产生足够大的保持力以将轴套3、4预紧到所需的程度。通过利用支承螺柱12向台板(图未示)收紧上轴承座部件11而产生径向压力，使得上轴套3向下压向下轴套4，借助于相连的隔板面5、6在轴套3、4上生成一个切向负荷。

轴颈或轴40在由两个轴套3、4形成的大体上的圆筒形空间中旋转。轴承面20和轴颈面之间的一个油膜承载着轴颈40，而且基本上避免轴颈面和轴套34内表面之间的直接接触，而且提供润滑。

图2a示出对带有圆筒形轴承面20的轴套3、4采用有限元方法确定的油膜压力大小和分布情况的图表。可选择地，也可以采用任何其他适当的数字方法。在图2a中，圆形的轴承面展开成一个平面，只是为举例说明的目的。对于采用所谓的有限元方法进行计算，轴承负荷已选择为对应于运行中发动机的最大负荷条件。曲柄轴的弯曲和扭转，以及产生轴颈的偏移都考虑到油膜压力的计算之中。在图2a的图中，可以识别哪一区域的油膜压力超过了最大值。这一个最大值由平面A-A’-A″图示说明。

图2b示出采用类似于确定油膜压力的方法确定油膜厚度的图表。在图表中，能容易地辨认出油膜厚度薄的区域。油膜厚度和油膜压力都可用于作为确定在轴承面20的哪些轴承压痕区域可以改良轴承性能的判定准则。

轴承中部的油膜压力也时常太高。在沿主轴承轴线方向上从一个边缘到另一个边缘的压力曲线通常如图2c所示的形状。油膜压力在轴承的中部有峰值。为了增加整个轴承的负载能力，而希望在轴承中部内负载最大的区域中减少峰值压力，从而在轴承面上更平均地分布油膜压力。通过使用有限元方法之类的方法，可以决定轴承面哪一区域的油膜压力超过虚线B-B’所示的预先设定的最大临界值。

通过使用同样的有限元方法，可以确定油膜厚度并将其显示在一个图表(图未示)或其他的视频媒介中，并且与一个最小的油膜厚度的相比较，比如充分润滑所需要的最小油膜厚度。采用有限元方法的第一次计算通常从大体上对应于一个直圆筒的轴承面的几何形状开始。为采用有限元方法作进一步的计算，可以修改轴承面的几何形状，以确定轴承面几何形状修改(比如在被确认为油膜压力超过最大值的区域设置压痕)的效果。压痕的深度、形状和位置可以在每次油膜压力的再次计算之后重复地调整，以优化轴承特性。

在轴承面20中设置压痕的适当深度、形状和位置时，可以根据优选具体实施例之一进行压痕设置。

如图3a、3b所示，依照第一个具体实施例，轴套材料从轴套的外表面去除。使用铣床、切削刀具、磨床在轴套3、4的外表面14中加工形成一个半椭圆形的凹部30。所述凹部30朝向轴套3、4的前边缘17开设。更进一步地，使用铣床、切削刀具、磨床在轴套3、4的外表面14的中央部位加工形成一个椭圆形的凹部31。轴套3、4的外表面14中的凹部30、31减少轴套的壁厚，并藉此局部地削弱轴套。向台板(图未示)收紧上轴承座部件11而产生的作用在轴套3、4上的切向负荷，使得轴套3、4发生如图4所示的变形(为了描述清晰的目的，图中的变形量进行放大)。在轴承面20中形成平滑的压痕。凹部30、31的底部不接触轴承座。在具有轴承面20压痕的轴承1中，降低了油膜压力峰值。较低的油膜最高压力提升了轴承的耐久性和/或负载能力。

 凹部30或31不一定必须是椭圆形的，可导致所需的变形和正确压痕的任何形状都是适合的。卵形或梯形(带有圆角)都可使用。凹部30、31可以伸展于轴套圆周的一小部分或伸展于轴套的整个圆周。凹部30、31可以伸展于所述轴套宽度的一小部分或整个宽度。本发明上述具体实施例中形成压痕的方法尤其适合于所谓的厚轴套。凹部的深度可以为轴套厚度的0.01％，优选地为轴套厚度的0.05％到10％。

在本发明的另一个具体实施例(参看图5与图6)中，所述轴套是所谓的″薄轴套″型的。薄轴套轴承通常是指轴套3、4的厚度是由轴承所支承的轴40直径的1.5％～3％的轴承。薄轴套轴承的通常特征是轴套3、4必须在延伸的整个范围上由轴承座支承，因为轴套3、4本身的厚度对轴套3、4而言不足以支承轴承合金，因而，不足以支承轴承面20承担在发动机运转中产生的动力效应。在收紧的过程中，上轴承座部件11通过楔入达到发动机台板(图未示)上的精密加工的倾斜面50、51中而定位。上轴承座部件11通过支承螺柱12向台板(图未示)收紧，所述支承螺柱12可以是螺钉或带螺母的螺栓。支承螺柱的下端螺锁在台板上向上的螺丝孔中，而且支承螺柱产生足够大的保持力以将轴套3、4预紧到所需的程度。

薄轴套3、4的轴承面20中哪些区域的油膜太薄和/或哪些区域的油膜压力太高的计算方法与上面所说明的厚轴套的具体实施例相同。

薄轴套3、4中的压痕通过采用与前述的厚轴套相同的方法从所述轴承的前侧或后侧去除材料而在切向压力作用下发生局部变形而形成，也就是说，可以采用相同的方法在厚轴套或薄轴套上加工出压痕。

Claims (14)

1.用于在切向负载下安装在活塞发动机的主轴承、曲柄销轴承或十字叉头轴承的轴承座中的轴套，所述轴套设定一个轴承面并具有一个或多个壁厚充分减薄的区域，以通过所述切向负载引起一个局部变形，且所述轴套的局部变形在所述轴承面上产生一个压痕。

2.如权利要求1所述的轴套，其特征在于，所述壁厚减薄的区域通过一凹部形成，所述凹部的深度为的轴套厚度的0.01％-14％，优选地为轴套厚度的0.05％-10％。

3.用于活塞发动机的主轴承、曲柄销轴承或十字叉头轴承，其包括一个上轴套和一个下轴套，所述上轴套和下轴套限定一个用于支承一个对应轴颈的支承面，并在切线负荷下安装在一个轴承座中，至少一个所述的轴套具有一个或多个壁厚减薄的区域，削弱所述各个轴套使得所述各轴套可在切向压力的作用下发生局部的变形。

4.如权利要求3所述的主轴承、曲柄销轴承或十字叉头轴承，其特征在于，所述变形在所述轴承面上形成一个压痕。

5.如权利要求4所述的主轴承、曲柄销轴承或十字叉头轴承，其特征在于，所述壁厚减薄的区域通过在所述轴套的外表面上去除轴套材料而形成。

6.如权利要求4中所述的主轴承、曲柄销轴承或十字叉头轴承，其特征在于，所述压痕是通过在所述轴套的外表面上去除轴套材料，而使得所述轴套在该切向压力下发生局部变形而形成的。

7.如权利要求3-6中任一项所述的主轴承、曲柄销轴承或十字叉头轴承，其特征在于，所述壁厚减薄的区域通过一凹部形成，所述凹部的深度为的轴套厚度的0.01％-14％，优选地为轴套厚度的0.05％-10％。

8.如权利要求3所述的主轴承、曲柄销轴承或十字叉头轴承，其特征在于，所述壁厚减薄的区域位于所述轴套的前边缘和/或后边缘。

9.如权利要求3所述的主轴承、曲柄销轴承或十字叉头轴承，其特征在于，所述壁厚减薄的区域位于所述轴套的中间部位。

10.如权利要求3所述的主轴承、曲柄销轴承或十字叉头轴承，其特征在于，所述凹部为卵形、椭圆形或梯形。

11.如权利要求3所述的主轴承、曲柄销轴承或十字叉头轴承，其特征在于，所述凹部伸展于轴套周长的一小部分。

12.如权利要求3所述的主轴承、曲柄销轴承或十字叉头轴承，其特征在于，所述凹部伸展于轴套的整个周长。

13.如权利要求3所述的主轴承、曲柄销轴承或十字叉头轴承，其特征在于，所述凹部伸展于所述轴套宽度的一小部分。

14.如权利要求3所述的主轴承、曲柄销轴承或十字叉头轴承，其特征在于，所述凹部伸展于所述轴套的整个宽度。

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