CN1061467A - 内燃机曲轴 - Google Patents

Abstract

内燃机曲轴为用热装/冷缩连接的曲柄臂与销 件的全组合件或半组合件。至少配合的热装/冷缩 表面之一设有摩擦增高材料，该材料可以包括镍涂 层，或硬度比臂或销件的基础材料高得多的颗粒，或 为一种包括埋于镍基质(11，12)中的硬颗粒的涂层， 摩擦增高涂层增加了热装/冷缩面的转矩传递能力， 冷缩/热胀应力降低，从而可制造重量较小的曲轴。

Description

本发明与一种内燃机曲轴有关，其类型为销件与曲柄臂通过冷缩/热胀连接。

当将一个内燃机曲轴通过冷缩/热胀连接时，其含义一般指全组合曲轴或半组合曲轴，全组合曲轴的每一个曲拐的构造，为将一个曲柄销在两个曲柄臂销孔中牢固冷缩/热胀，然后将各个曲拐用主轴承轴颈销连接，主轴承轴颈销也类似在曲拐臂的销孔中借助于冷缩/热胀紧固;半组合曲轴为将预锻或预铸的曲拐，借助于在曲柄臂的孔中被冷缩/热胀的销作连接。如英国专利第1，345，769号所述，曲拐也可改用环形销件连接，环在外侧牢固地冷缩/热胀在与相应曲拐相关的两个相对的轴向延伸销上。

由于在发动机工作时，必须保持曲拐相互的角度关系，尤其轴转矩的传递能力，特别受热装/冷缩配合面积及垂直作用在该表面上的冷缩/热胀力限定。由于材料在热装/冷缩表面周围区域流动性是不希望的，故理想冷缩/热胀力和热装/冷缩孔周围材料必要厚度之间有直接的关系。要求不断减小曲轴重量和其传递力矩之间的比率，导致铸造曲轴的使用，但比全组合或半组合的轴要昂贵。

本发明的一个目的，是减小上述类型曲轴的轴重与最大容许转矩的比率。

按照这一观点，本发明的轴的特点为至少在一个配合的热装/冷缩表面上，设有摩擦增高材料。

与先有技术的曲轴比较，并由于热装/冷缩表面之间的摩擦增高材料产生的较高的摩擦系数，对于同样的转矩和同样的热装/冷缩面积，轴可用较小的冷缩/热胀力将该轴保持在一起，即装配后的轴的热装/冷缩面之间的表面压力较小。这样便降低了曲柄臂的应力值，从而可减小臂的截面积，从而减轻重量，尤其在发动机动转时，在臂的仅有比较小的动量载荷的区域内。

曲轴重量的这种可能的减小，对大型低速内燃机是特别有利的，在某些情况下为了便于搬运，在向发动机底架上安装时必须将轴分为两组装件，在普通的曲轴车床和曲轴装配台中，最大提升能力达到180顿，相当于8或9气缸发动机的已知热装/冷缩轴的重量。假如发动机要用10至12个气缸组装，必须将轴分为两部件，对于凸轮轴为链驱动的发动机在中部位置上的链轮处装配。就本发明的曲轴较轻的情况下，要求曲轴分开的气缸数目提高了，因此，具有许多气缸的发动机可用不分开的曲轴来制造，其链轮配置在发动机的端部，从而除了可降低曲轴的制造成本外，还可使发动机的长度较短。

还可利用曲柄臂的较低应力值来减小曲柄销与主轴承轴颈的中心距，于是连杆减短，并降低发动机高度。

当将销件设计成冷缩/热胀在曲柄臂上的轴向延伸孔中的轴向延伸销时，从工艺及成本考虑可仅在销的外周的热装/冷缩面上设有摩擦增高材料。在一个优点实施方案中，本发明的效果的提高在于在销的外周上和孔的圆柱内侧上的配合热装/冷缩面上，都设有摩擦增高材料。

在某一方案中，摩擦增高材料可以是镍涂层，在钢件上滑动时提供高摩擦力，而在镍上滑动时，摩擦力更加增高。镍涂层可涂成任何需要的厚度。对于小曲轴，举例而言，采用等离子涂布或化学沉积涂层可以很薄，而较大的轴则可用热涂布。

在第二实施方案中，摩擦增高材料中可含有颗粒，最好用金钢砂粉末，比曲轴或轴颈件的基础材料硬度高得多。在热装/冷缩前，将颗粒分布在一个或两个配合热装冷面上，例如将其用诸如脂肪等的粘性液粘附，或将其用胶粘在表面上，当将组件热装/冷缩连接时，硬颗粒陷入两热装/冷缩面内，在里面形成某种微齿，很大提高缩热装/冷面的转矩传递能力。金刚砂粉特别适合作颗粒材料，因其硬度非常高，结晶成化学性能非常稳定的金刚石结构，从而可在发动机的全部使用寿命中，获得高度可靠性、防止颗粒向周围钢结构中转移，或为其吸收。

在第三实施方案中，颗粒埋入金属基质，基质为镍涂层有利，然后可将上述摩擦增高性能结合于该涂层中。

现通过实施方案参照高度简略的附图，详细说明本发明，附图如下：

图1及2分别表示半组合曲拐的带局部剖面的侧视图，和端视图;

图3为主轴承轴颈销侧视图，

图4为一组合曲轴的侧剖视图

图5至7表示通过本发明三种不同曲轴结构的热装/冷缩面的放大比例横剖视图。

图1及2所示的半组合曲轴的曲拐可用锻造或铸造制造，有两个臂和一个连接的曲柄销3。每一臂有一个轴向伸展的孔4，其基本为圆柱形的内侧，构成两个相关的热装/冷缩面之一。图3表示销5，有三个沿轴向分隔的基本圆柱形段，中间的一段为轴颈面6，销末梢两端段7，各构成另外的热装/冷缩面，在轴的配装状态下被约束在相关的孔4中。

按已知的方法，通过将曲拐夹持曲轴装配台上，使相互间成正确角度，对曲拐臂加热和/或将销5冷却，然后将销的区段7插入孔4中可将各曲拐1连接或一个完整的轴。销相对于孔设计成这样的超差尺寸，当该两部件达到相同温度时，产生使该两件牢固连接所需要的冷缩/热胀应力。

在下文中，与上述元件有相同功能的元件，无论有关全组合或半组合轴予以相同的标号。在图4所示的全组合曲轴的曲拐1中，主轴承轴颈销和曲柄销一样制成，热装/冷缩在曲柄臂2的孔中的销件5。

随后的图5至7表示销件5与曲柄臂之间的过渡区，图的比例很大，从而可见相关冷缩/热胀面上的摩擦增高材料。

在图5中，销件的冷缩/热胀面7涂镍层8，孔4的内侧面也类似涂覆镍层9。与已知的无涂覆层的钢表面比较，两部分上的镍涂覆层约提高两表面间的摩擦系数200%，而仅在一个部分上的镍涂覆层，一般仅在销件上约提高摩擦系数50%。可将所要求的冷缩/热胀应力或热装/冷缩面的面积，按与摩擦系数变化的反比改变，亦即容许转矩相同时，可使现成的曲轴的重量减小。两部分上有镍涂覆层时，例如，在围绕销件5的径向最外半部的环形区上配置的臂材料重量，约可减小20%。

镍涂覆层可通过电沉积，或用等离子涂覆或喷雾作热涂布。

如图6所示，通过将比臂或销件5的基础材料硬度高得多的颗粒10涂在至少一个热装/冷缩面上，还可将摩擦系数更为提高，如上所述，该颗粒当被压入两部分上时，造成某种微齿，从而在达到相同温度时，互相销紧。

假如使用了硬度高的铁磁材料，诸如CrO作颗粒材料，则至少可在一个热装/冷缩面上设置颗粒，将轴连接时，不需用粘合剂将颗粒粘在热装/冷缩面上。在将两个部件放在曲轴台上后，至少将一个部件磁化，从而在将铁磁颗粒散布后，颗粒由磁性保持在热装/冷缩面上，直到将各部分互相插接。热装/冷缩时，假使两部件中的一个受热，必然将冷的部件磁化。磁化可用电磁铁进行，或用绕在一个部件上的电磁线圈。这种在热装/冷缩面上设置摩擦增高材料的方法有利，因为能很快在现有的曲轴制造车间中应用，仅需增设磁源。

图7表示第三实施方案，其热装/冷缩面上设有含硬颗粒10的金属涂层11，12。假如希望将颗粒10，例如如金钢砂粉末牢固粘在热装/冷面上，并且希望臂和销件转移到轴装配现场前已制成，则这一方案有利。可将金属基质作为均匀厚层涂布，具有这样的精确厚度，使得在装好的轴上的冷缩/热胀应力达到预定的大小。可用等离子喷涂，将含颗粒的涂层涂布到热装/冷缩面上。

借助于相关表面上的颗粒几何形状互锁而获得的冷缩/热胀面的改善的转矩传递能力，还可以进一步提高，因为金属基质用镍制造，使设有颗粒的基质表面区域中的摩擦系数增大。尽管该图表示了在两个部件2及5上有基质涂层，当然可以仅在一个部件的热装/冷缩表面上涂布。

曲轴可改用环形的销件制成，环通过冷缩/热胀，固定在与相应的一个曲拐相关的两个相对的轴向伸展的销的外侧上，本例中相关的曲轴表面包括环的内侧和销的外侧，但在这情况下，还可以有至少一个配合的热装/冷缩表面，与上述很相似，上面设有摩擦增高材料。

Claims (10)

1、一种内燃机的曲轴，其类型为有一个销件(5)和一个曲柄臂(2)，通过热装/冷缩连接在一起，其特征在于至少配合的热装/冷缩表面之一，设有摩擦增高材料(8，9；10；11，12)。

2、如权利要求1所述之曲轴，其中销件为用来热装/冷缩于曲柄臂的轴向延伸孔（4）中的轴向延伸销（5）其特征为在销的周缘上的和孔的圆柱形内侧上的配合热装/冷缩面上，都设有摩擦增高材料（8，9;10;11，12）。

3、如权利要求1所述之曲轴，其中销件为用来在外部热装/冷缩套在与相应曲拐相关的两个相对的轴向延伸的销上的环，其特征为环的内侧上和销的外侧上的配合热装/冷缩表面，设有摩擦增高材料。

4、如权利要求1所述之曲轴，其中的销件为用于通过热装/冷缩紧固在曲柄臂孔（4）中的轴向延伸销（5），其特征为销的两个圆柱形热装/冷缩表面（7），设有摩擦增高材料（8，9;10;11，12），而中部的轴颈面（6）上没有这种材料。

5、如权利要求1至4中任何项所述之曲轴，其特征为摩擦增高材料为镍涂层（8，9）。

6、如权利要求1至4中任何项所述之曲轴，其特征为摩擦增高材料中含有比曲柄臂（5）和销件（5）的基础材料硬度高得多的颗粒（10）。

7、如权利要求1至4中任何项所述之曲轴，其特征为摩擦增高材料为包括埋有硬度比曲柄臂（2）及销件（5）的基础高得多的颗粒（10）的金属基质（11，12）的涂层。

8、如权利要求6或7中所述之曲轴，其特征为所述颗粒包括钢砂粉末（SiC）（10）

9、如权利要求7或8中所述之曲轴，其特征为金属基质（11，12）含有镍。

10、如上述任一权利要求所述之曲轴，其特征为摩擦增高材料包括（CrO₂C₁₀）。

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