CN1036355A - 曲轴的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种组装的曲轴，该曲轴至少由主轴颈或主轴承 轴颈、曲柄臂和曲柄轴颈或曲轴边杆颈或连杆轴承轴 颈组成。该曲轴在曲柄臂与轴承轴颈之间在塑性变 形下制造连接接头，同时该轴承轴颈为连接，其端部 安装在曲柄臂的孔中。在主轴颈和/或曲轴连杆颈 上设计有直线的、外表光滑的管段作为连接区域，该 连接区域安装在曲柄臂的直的、轴平行或同轴的通孔 中并借助该管段的塑性护径在一定的弹性预应力下 固定在通孔中。

Description

本发明涉及曲轴和轴颈的制造方法，这里，曲柄臂单个制造，接着为所连接的曲柄臂配置一些孔，并且这种轴颈做成空心体。本发明另外涉及一种组装的曲轴。该曲轴至少由曲柄臂和轴颈组成，并且具有以塑性变形制造的曲柄臂与曲轴连杆颈之间的连接，同时该轴颈为连接以它的端部安装在曲柄臂的孔中。这种类型的曲轴，特别是具有许多曲柄的曲轴，首先用于内燃机。同时这也表示了最困难的最高负荷的应用范围。除此之外，曲轴传动在控制或能量转换的其它领域经常可以遇到作为简单弯曲而成的曲柄。

用于较小活塞式发动机的曲轴，特别是用于汽油和柴油发动机的常常是在金属铸模中铸造或在锻模中锻造而成一体制造的，接着对轴颈作机械加工和最后硬化。通过必须对多次弯曲的工件的这样加工，花费是比较大的，用于较大发动机的曲轴相反地是由一些另件制成，如这些另件在考虑到加工技术的可能性而可供使用，典型的解决方案表示在DE-B-1625579中，这里，另件之间的分界面是曲柄臂走向的，以及DE-B-2023364，这里轴颈是分开的。无例外地这些另件通过焊接而彼此连接，这本身还涉及到按照DE-C-498170的曲轴应当是由彼此装配的板压件构成的。由DE-C-848728这些对于技术人员来说是公知的，即为节约重量，这种曲轴可以做成空心的，以及轴颈和曲柄臂往往可以应用不同的材料，这样，它们之中的每一种材料能承受特殊的不同载荷，这些载荷要由这些另件来承受。由DE-A1922488公开了一种由电子束焊接彼此连接的另件做为中间层的改善的部件。DE-A-1951097表示了在一种轴的另件组装前在一个轴承轴颈上可以推出和固定的已制成的驱动另件，也就是一个齿轮。从同一专利中，技术人员还可以了解到一种建议，分界面上的另件应当如此构成，即它们在焊接之前可以交叉推动，以便于安装。由US4622864公知了一种由单件的曲柄臂和部分中空的轴颈构成的用于内燃机的曲轴，其中，另件通过热收缩而连接强劲地彼此连接。为了连接曲轴和活塞一律采用了分开的拉杆，这在制造时同样也是花费大的，值得注意的是安装时需要保证一种优良的轴颈回转，特别是当在多次使用的滑动轴承处应当安装滚动轴承来代替时就显得特别重要。一种管子在另一个另件的孔中的固定通过前者的扩径是通过DE-AS-2616523的热交换器结构而公知的，同时利用了液压扩径装置。本发明的任务是提出制造曲轴价格低廉的一种方法，这些曲轴对于各个另件可选用不同材料，以使与所要承受的不同的各自载荷相符。这些另件应当在连接之前就加工好，这样，一直到矫正和精细加工都不需要后处理。这种利用本发明的方法制造的曲轴应当配备布置简单的润滑管道，以及必要时还具有良好的润滑性。由于这种制造同时伴随而来的另件的附件，如轴承和连杆，其润滑管道也应同时简化并且改善它们的自润滑性。

此外，本发明还基于这样的任务，即提供一种组装的曲轴，该曲轴以有利的方式适应于所述的加工方法，同时可以具有在较小重量下的高强度连接。

这个任务这样实现，即轴颈以塑性变形扩径，并且在曲柄臂的相应孔中在存在弹性预应力下安装在其中，通过这种曲柄臂主要的弹性变形而在扩径过程结束后曲柄臂向着轴颈紧缩，由此就创造了一种连接，这种连接还可以承受高的传递力矩。

这种扩径过程要求选用比较延性的材料做轴颈。这种轴颈可以以传统方法紧接着承受一次表面淬火，然而套上一个单独的轴承套筒也是有利的。为这种轴承套筒能够选用一种考虑到其轴承性能的，如其硬度为最佳的材料。

这种轴颈的扩径过程可以如此实现，即虽然这种轴承套筒在它的位置上固定，然而它不经受或仅仅经受微小的弹性变形。

当应用轴承套筒时，该轴颈还可以在其整个长度上扩径，并且该轴承套筒同时也发生弹性变形。这就达到了轴承套筒与轴颈之间的一种特别紧密的结合。

在本方法的另一结构中，通过把这种轴承套筒压入为其设置的曲柄臂的孔中而提供一种暂时做为辅助安装的连接，这一连接通过随后的轴颈的扩径而松驰。

这类方法不那么适合于比较硬和比较脆的材料做成的套筒，因为这种材料的表面在弹性扩径时倾向于裂纹生成。对此建议了这样一个方案，按照这一方案仅仅对套筒那些另件进行扩径，这些另件伸入到曲柄臂的孔中并且其表面因此不需要做为轴承支承面。这样的表面可以例如当套筒预先硬化时留出。这种利用配置有箍的轴承套筒当引入到曲柄臂的孔中时造成了一个挡板，此外还如此强化，即在端部的弹性变形的影响不传递到中间的做为轴承的另件。

相应的另一个结构在连接前已经把一个不分开的滚动轴承安装在轴颈上。由于这种连接没有热的影响和没有即使是用先进的焊接方法还不能完全消除由焊接部位甩出材料的危险，因而这种轴承是没有危险的。

此外，利用上面所建议的滚动轴承也可以同时把不分开的连杆推到轴颈上。由于这一按照本发明的方法制造的曲轴就其改进而言，它的寿命不再是整个机器的疲劳持久强度的限定因素，因此，可以放弃连杆和轴承的这种容易的修理性。

选择烧结材料做轴承套筒保证了使用滑动轴承时轴承表面的均匀的和良好配比的润滑。此外，这种烧结材料还提供了贮存一定量固体润滑材料的可能性，这在原来的轴承供油发生故障时提供了一定的自润滑性能。

按照另外一个结构可以在轴颈和曲柄臂的连接表面之间配置一个密封材料层，以便密封设计成通道槽的润滑油管道的端部。在另一个结构中，利用了软金属例如铜做成的密封层。

按照本发明的一个曲轴，其标记在于，在轴颈上设计了直线的、外表光滑的管段作为连接区域，该连接区域安装在曲柄臂中的直的、轴平行或同轴的通孔中，并借助管段的塑性扩径在存在弹性预应力下固定在通孔中。这种类型的曲轴能以一种简化的结构如此制造，即仅仅曲柄臂作成锻压件或模锻件制造，而所有其余的构件由普通另件构成，也就是可以由棒料或管料制成。这种液压连接按照已知的方法实现，往往是通过管件的连接区域***到曲柄臂相应的孔中，以及接着利用一个送入的压力介质探头在径向塑性变形下扩径，同时这种曲柄臂的变形在周围区域是弹性的，并且在去掉液压之后，在另件之间仍然保留有预应力，该预应力是与要求传递的扭矩相适应的。所产生的弯曲力矩可以由此有利地支承着，即往往在连接区域之后配置轴颈的横截面的变化部分，这样，这种端侧壁就支承在曲柄臂上。

在一个有利的结构中，通常完全单件的曲柄能够与曲轴连杆颈或曲柄轴颈和两个相连接的曲柄臂成一体制造，同时仅仅主轴颈作为标准件或转动件安装在相应的孔中并且利用液压来固定。其优点在于，要扩径的连接区的直径可以选择得大一些，而且所有的连接位置彼此是同轴的，这样制造过程就可明显简化，例如利用一个直的探头就可以同时制造所有的具有各个扩径段的连接。对此优点还在于，鉴于曲柄的数量和曲柄位置而利用不同曲轴类型的单个标准曲柄，也就是说，能够制造例如用于成排的三个和四个缸体的曲轴。

按照一个有利的结构，这些轴颈做成单体，同时在端部处的一定外径的凸缘构成连接区域。按照一种改变后的结构，该轴颈还可以由一个直的管段和一个直径略大的可推出的套筒制造，同时管体与套筒之间的连接如同连接区域与曲柄臂之间的连接一样也利用液压扩径来制造。其优点在于，标准另件的应用还能扩大范围和能消除端部范围内的过度扭转。同时可以以特别有利的方式实现同时带有连接区域与曲柄臂之间连接的管段与套筒之间的连接，对此仅仅需要在较长扩径区域内应用压力介质探头。

在此可以看到一个有利的另件，即在轴颈直径较大的轴承区域的端表面上，在连接范围的过渡区域内设置有一凹槽，弹性变形后的曲柄臂在变形后能进入这一区域。

按照另一个有利的实施例，不仅是曲柄臂而且是曲轴连杆颈以所描述的方式可以安装在曲柄臂中，并与之连接。在一个简单的允许使用标准件的结构中，曲轴连杆颈设计成光滑的管段。为了提高弯曲强度和达到在短冲程马达中曲柄轴颈和主轴颈的覆盖，可以使所采用的曲轴连杆颈具有与连接区域不同心配置的增大直径的中间段，这里当然需要在较大范围内作机械加工。

在使用确定的情况下，有利的是，当曲柄臂设计成盘状时仅仅采用装入曲柄臂内的、并通过液压变形而连接的曲轴连杆颈，以便如公知的那样直接地起轴承作用，这样一个简单的能转动的另件就可以代替两个曲柄臂和一个主轴颈段，以此方法实现了到偏心轮轴的过渡，这里，在其上往往装配两个相对的曲轴连杆颈的圆烫澹庇米鞴龆蚧岢械闹岢凶蛑岢斜砻妗?

当不仅曲轴连杆颈而且主轴颈在制造一个所述类型的连接时而安装到曲柄臂中时，对于整个结构的变动显然是特别有利的。

一个特别困难在于所述类型的轴在其制造主轴承轴颈的连杆轴承轴颈的润滑供油***中，因为通常这些轴颈中至少有一个设计成管状。为解决这个问题建议如下：带有密封区域的直径较小的套筒或轴颈其端部安装在轴承轴颈的通孔中，这样在轴颈内就产生环状圆筒式的油连通空间。为节约重量，所安装的套筒或者轴颈可以由轻材料，如塑料或轻金属做成。

一个最佳的制造方法如下，该曲轴分段地由一端装配到另一端，特别是当还要安装曲轴连杆颈并连接时，因为往往要从一侧自由地引入一个直的压力介质探头。当然还可以应用带有显示扩径范围的压力介质探头。如果仅仅安装和连接该主轴颈，那么，正如已经提及的那样，全部连接的制造能够在一个加工过程中完成。

按照本发明的曲轴在制造中由此而提供了一个重要的优点，即不分开的轴承套和/或连杆孔和预装的连杆在连接前可以推到曲柄轴颈上。这样，具有不分开连杆孔的连杆在强度和重量方面就具有重要的优越性。当轴承损坏时，修理不是不可能的，因为轴承轴颈能同心压出，并同轴承套一起更换，同时由于曲柄臂材料的纯弹性变形接着就可以与一个新的轴承颈连接而不用再另外制造。

本发明另外细节通过下述对图中所示的最佳实施例的说明而得知。

图1表示了一个按照本发明的具有小冲程曲轴的带有放大细节的第一种结构。

图2表示了一个按照本发明的具有小冲程曲轴的第二种结构和改变的细节，

图3表示了一个按照本发明的具有较大冲程曲轴的，其断面有放大细节的第一种结构。

图4表示了一个按照本发明的具有大冲程曲轴的第二种结构。

在图1中表示的曲轴具有对置配置的曲柄2、3，该曲柄具有两个曲轴连杆轴承轴颈41、51和三个主轴承轴颈6₁、7₁、8₁。轴颈之间的连接总是通过曲柄臂9₁、10₁、11₁、12₁表示。这些轴颈构成了轴承段50、51、52，对于这种所示类型的短曲轴，主轴颈7₁通常并不需要形成轴的支承部位，在较长的曲轴中也存在这样的可能性，例如仅设置第二个主轴颈作为轴的支承部位。这时，直径比通常不需要改变。在所示的实施例中总是两个曲柄臂9₁、10₁;11₁、12₁与位于中间的曲轴连杆颈形成一体，这里最好能够制造润滑件。曲轴连杆颈4₁为了减少重量还设置了一个通过该曲柄臂的通孔13，而曲轴连杆颈5₁是实芯的，每一个曲柄臂都有一个同心的通孔14、15、16、17，在通孔中安装着主轴颈6₁、7₁和8₁的连接段18、19、20和21。主轴颈6₁仅有一个连接段18，并且例如为了连接，在轴承段50后面设置有一个飞轮或者一个扭转振动缓冲器，而主轴颈7₁和8₁总是具有两个连接段19、20;21、22，由这些连接段表示了最后所述的例如其它的曲柄臂连接的可能性。曲柄臂9₁和10₁总是安装有旋紧的平衡件23、24，而在曲柄臂11₁和12₁可以看到铸造成或锻造成的平衡件25、26。曲轴连杆颈5₁总是配置着倾斜走向的供油孔27、28，该供油孔流到轴承的滑动面上并与在中间主轴颈7₁内的通孔29相连接。从通孔29中引出一个径向供油孔30，该供油孔流向轴颈滑动面51。在通孔29内安装一个直径小一些的、其端部密封的套筒31，以便构成一个环形圆筒式的润滑油室32。在连杆轴颈4₁的通孔33中装有一个直径小一些的，其端部密封的轴颈34，以便形成一个环形的润滑油室35。该轴颈34或套筒31由软质材料，例如轻金属或塑料做成，以及可以压入或者焊接。对于实芯的曲轴连杆颈5₁可以公开一个直到轴承滑动面的供油孔28。做为细节Z，在主轴颈7₁的轴承段的端面可以看出有一个凹槽36用于过渡到连接区域，为的是避免连接段在扩径时的缺口应力集中。

图2中的另一个实施例表示具有两个曲柄2、3的曲轴1，同时不仅曲轴连杆颈4₂、5₂，而且主轴颈6₂、7₂、8₂均与曲柄臂9₂、10₂、11₂、12₂通过接头连接。这里，这种曲柄臂不仅具有通孔14、15、16、17用于容纳主轴颈的连接段18、19、20、21，而且具有通孔36、37;38、39用于容纳曲轴连杆颈4₂、5₂的连接段40、41;42、43。主轴颈8₂是与图1中的主轴颈8₁完全一样的类型，並同样具有一个第二连接段22，而主轴颈6₂、7₂由一个直的管件44、45和在其上可以推开的套筒46、47组成，它们利用液压扩径能够彼此连接。

原则上对于曲轴连杆颈4₂、5₂来说，同一种结构也是可能的，然而在所示的这一实施例中作为光滑的管段49，该管段还包括轴承区域（曲轴连杆颈5₂）或者说连同一个向内偏移的偏心轮48，该偏心轮位于连接区域40与41之间（曲轴连杆颈4₂），构成了曲轴连杆颈4₂、5₂，在该曲柄臂上还有旋紧的平衡件23、24或铸造的平衡件25、26。这里，没有表示出润滑供油孔和管道***。

主轴颈8₈表示了一种改动后的零件，该主轴颈全部用实芯材料构成并仅仅为连接区域21、22配置了盲孔53、54。

按照图3和图4，这种曲轴由一些曲柄臂101组成，该曲柄臂就其结构形式和材料如此选择，即达到重量与弯曲刚度之间有一个合适的比值。为曲柄臂101配置了孔109和110，由特别可加工材料做成的轴承轴颈102以很小的间隙***到孔110中。接着，轴承轴颈102以部分断开表示的探头103而扩径，探头经过一个管道131而供给压力液体，该压力液体流入由密封件132作为界限的扩径区域内并使轴承轴颈102塑性变形。然而，曲柄臂101的边界部分仅仅发生弹性变形。在连接前，在轴承轴颈102上安装一个由特别适合的、例如硬化了的材料构成的轴承套筒104。该套筒可由多孔的烧结材料制成，该多孔烧结材料可以浸透固体润滑材料。在这种情况下，通过孔111向曲柄臂101进行充分的润滑材料的供应，而这种润滑油供应对组装结构并没有带来困难，以及通过润滑管道121而通向轴承轴颈102，该管道为了简单起见可以具有铣光的槽的形状。同样在组装前，在轴承轴颈102上推入一个不可分开的连杆105。这一承担连接两个另件之间的运动的轴承可以做为滑动轴承106或滚动轴承107而实现，这两个轴承同样可以在连接曲柄臂101和轴颈102之前安装到轴颈102上。作为这种扩径的辅助安装，必要时可以采用轴承套筒104的较薄的端部以压合座形式进入到曲柄臂101的孔中。为了把这种由于轴颈的扩颈而引起的轴承套筒104的弹性变形仅仅限制在缩小的部分142上，还可以设置箍状的加强件141。在曲柄臂101和轴颈102之间可以安装一个例如由铜、橡胶或塑料构成的密封层108，该密封层密封润滑通道111、121。

1    曲轴

2、3    曲柄

4、5    曲轴连杆颈、曲柄轴颈、连杆轴承轴颈

6、7、8    主轴颈、主轴轴承轴颈

9、10、11、12    曲柄臂

13    通孔（曲轴连杆颈）

14、15、16、7    通孔（主轴颈）

18、19、20、21、22    连接段（主轴颈）

23、24、25、26    平衡件

27、28    油供应孔

29    通孔（主轴颈）

30    油供应孔

31    套筒体

32    润滑油空间

33    通孔（曲轴连杆颈）

34    轴颈体

35    润滑油室

36、37、38、39    通孔（曲柄臂）

40、41、42、43    连接段（曲轴连杆颈）

44、45    管体（主轴颈）

46、47    套筒体（主轴颈）

48    偏心轮

49    管段

50、51、52    轴承段

53、54    盲孔

101    曲柄臂

102    管体（主轴颈）

103    压力介质探头

104    轴承套筒（主轴颈）

105    连杆

106    滑动轴承

107    滚动轴承

108    密封件

109    孔（曲柄臂）

110    孔（曲柄臂）

111    润滑油孔

112    管体（曲轴连杆颈）

114    轴承套筒（曲轴连杆颈）

113    压力介质通道

132    密封件

141    箍（轴承套筒）

142    车削件

Claims (28)

1、用于制造曲轴的方法包括单件制造、接着连接的曲柄臂和轴颈，同时为该曲柄臂配置了一些孔，以及轴颈设计成空心体，其特征在于，至少一个轴颈件(4-8、102、112)在塑性变形下扩径，并且在曲柄臂(9-12、101)的相应的孔(13-17、143、144)中在有弹性预应力下安装在上述孔中。

2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在轴颈连接曲柄臂之前，空心圆筒式的轴承套筒（4）安装在轴颈（4-8、102、112）上。

3、按照权利要求1或2中的任一条权利要求的方法，其特征在于，当制造轴承轴颈与曲轴臂之间连接时，同时在轴承轴颈与形成一个轴承段的可推出的轴承套筒之间制造一种连接强劲的连接。

4、按照权利要求1或2中任一条权利要求的方法，其特征在于，当制造轴承颈与曲柄臂之间连接时仅有部分轴承套筒（4）同轴颈（2）一起变形，该部分轴承套筒位于轴承段的外面。

5、按照权利要求1至4中任一条权利要求的方法，其特征在于，该轴承套筒（4）以压合座进入到曲柄臂（1）的孔中。

6、按照权利要求1至5中任一条权利要求的方法，其特征在于，为了曲柄臂（1）与轴颈（2）的连接寿命，该轴承套筒（4）要过冷。

7、按照权利要求1至6中任一条权利要求的方法，其特征在于，在主轴颈或曲轴连杆颈与曲柄臂连接之前，不分开的滑动或滚动轴承安装在轴颈上。

8、按照权利要求1至7中任一条权利要求的方法，其特征在于，在制造曲轴连杆颈与曲柄臂之间的连接之前，把预先安装的或不分开的连杆推到曲轴连杆颈上。

9、按照权利要求1至8中任一条权利要求的方法，其特征在于，在轴颈与曲柄臂之间的全部彼此同心的连接往往同时制造。

10、按照权利要求1至8中任一条权利要求的制造曲轴的方法，其特征在于，轴颈与曲柄臂之间的连接沿着该曲轴轴线向前制造。

11、进装的曲轴，至少由主轴颈，曲柄臂和曲轴连杆颈组成，同时至少在主轴颈（6、7、8）或曲轴连杆颈（4、5）上形成直线的、外表光滑的管段作为连接区域（18至22、40至43），该连接区域装入曲柄臂（9、10、11、12）中的直的，轴平行或同轴的通孔（14至17，36至39）中，并借助该管段的塑性扩径在存在弹性预应力下固定在通孔中。

12、按照权利要求11的曲轴，其特征在于，总是两个曲柄臂（9、10;11、12）与连接的轴颈（4、5）中的一个设计成一体。

13、按照权利要求12的曲轴，其特征在于，这种与曲柄臂成一体的曲轴连杆颈（4）有一个用于减少重量的同心孔（33）。

14、按照权利要求11的曲柄轴，其特征在于，配置的轴颈是由不变直径的直立光滑管件构成。

15、按照权利要求11的曲轴，其特征在于，配置的轴颈在端平面具有用于形成连接区域的盲孔。

16、按照权利要求11的曲轴，其特征在于，配置的轴颈（6、7、8）具有一个较大直径的中间轴承段（50、51、52）和在其上连接的较小直径的连接区域（18至22）。

17、按照权利要求14至16中任一条权利要求的曲轴，其特征在于，该轴颈（6、7、8）包括成一体的轴承段（50、51、52）和连接区域（18至22）。

18、按照权利要求14至16中任一条权利要求的曲轴，其特征在于，该轴颈（6、7、8）由配置一个通孔的构成轴承段（50、51）的轴承套筒（46、47）和往往插在其内的，而其端部凸出的、构成连接区域（18、19、20）的管件（44、45）组成。

19、按照权利要求18的曲轴，其特征在于，该轴承套筒（46、47）和该管件（44、45）在套筒（46、47）的整个通孔中利用管件的塑性扩径在存在弹性预应力下彼此连接。

20、按照权利要求18的曲轴，其特征在于，该轴承套筒和该管件仅仅在曲柄臂的区域内借助管件的塑性扩径在有弹性预应力下彼此连接。

21、按照权利要求14至20中任一条权利要求的曲轴，其特征在于，在轴颈（50、51、52┑亩似矫嬖谟芍岢卸蜗蛄忧颍?8至22）的过渡中设置了一个凹槽（13）。

22、按照权利要求14至21中任一条权利要求的曲轴，其特征在于，配置的轴颈，它的轴承段（48）相对于连接区域（40、41）是偏心安置的。（图2左）

23、按照权利要求14至22中任一条权利要求的曲轴，其特征在于，往往圆盘形的曲柄臂与曲柄轴颈端部连接构成一个盘式曲轴。

24、按照权利要求11至23中任一条权利要求的曲轴，其特征在于，油供应孔（27、28、30）由主轴承轴颈（7）和连杆轴承轴颈（4、5）的轴承管道出发，并至少经过内部的轴颈孔（29、33）而彼此连接。

25、按照权利要求24的曲轴，其特征在于，在一个内轴颈孔（29、33）中安装的圆筒体以一个较小直径的套筒或轴颈的形式构成一个环状圆筒形的润滑油空间（32、35），该空间的两端部是密封的。（图1）

26、按照权利要求11至25中任一条权利要求的曲轴，其特征在于，为曲柄臂（1）和轴颈（2）或轴承套筒（4）配置了相互确定的相配的凹部和凸部，这些凹部和凸部使这些另件彼此定位。

27、按照权利要求11的曲轴，其特征在于，为所应用的轴承套筒（4），在轴承支承面外配置了箍（41）或车削件（42）。

28、按照权利要求11的曲轴，其特征在于，为所应用的轴承支承面（4），在该轴承支承面外设置了车削件（42）。

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