CN107023387A - 活塞发动机曲轴的***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于活塞发动机的曲轴的***和方法。提供了用于活塞内燃发动机的曲轴的设计和制造的方法和***。在一个示例中，曲轴包括曲轴弯程，该曲轴弯程包括曲柄销和曲柄臂。曲柄臂在曲柄销的区域中相对于与所述曲轴的旋转轴线和所述曲柄销的中心轴线交叉的平面非对称形成，使得所述曲轴弯程的抗断强度以不同于曲柄销所连接的活塞的上止点位置的曲轴旋转角度增加，且活塞以该曲轴旋转角度将最高燃烧引发力作用在所述曲柄销上。

Description

活塞发动机曲轴的***和方法

相关申请的交叉引用

本发明要求2016年2月1日提交的德国专利申请为102016201469.2的优先权。上述申请的全部内容通过参考方式将其全文并入本文中，用于所有目的。

技术领域

当前发明涉及用于活塞式内燃发动机或者活塞发动机的曲轴的设计和结构。

背景技术

曲轴的曲柄臂通常形成为相对于纵向中心轴线对称，该纵向中心轴线与曲轴的旋转轴线相交，由于副轴的质量平衡必须补偿连杆、轴承、轴颈的旋转及平移部分，且这种质量平衡仅当所涉及质量的重心为已知时才可计算。当在操作期间发生的离心力完美地对称作用于由两个曲柄臂、两个配重、两个主轴承和曲柄销所构成的单个曲轴部上时，需要对称的曲柄臂。

然而，本发明的发明者已经意识到对称曲柄臂的潜在问题。如一个示例，燃烧气压不会对称作用在曲柄臂上，因为其通常对活塞、连杆和曲柄销施加最大的力，就在上止点之后。特别地，喷射至气缸的混合物会在一定延迟下燃烧，且最高的气压接近所谓的CA50点出现，这表示喷射燃料的约50％的量已在气缸中燃烧所处的曲轴旋转角度。在活塞的上止点之后，CA50点可以落入从约10°到15°的范围中，或甚至高达30°。

发明内容

在一个示例中，上述问题可以至少部分地通过活塞内燃发动机的曲轴解决，该曲轴包括曲轴弯程(throw)，该曲轴弯程包括的曲柄臂(crank webs)在曲柄销的区域中相对于与曲轴的旋转轴线和曲柄销的中心轴线相交的平面非对称形成，使得曲轴弯程的抗断强度(breaking strength)以不同于上止点的曲轴旋转角度增加，且最高燃烧引发力以所述曲轴旋转角度作用在所述曲柄销上。通过构建非对称的曲柄臂，曲轴与具有对称曲柄臂的更大或者相同固有重量的曲轴相比能承受相同或者更大的加载。

在另一个示例中，生产曲轴的方法包括，生成第一曲轴设计，该设计包括具有对称形成的曲柄臂的曲轴；确定当驱动曲柄臂旋转的活塞在曲柄臂上施加最大力时发生的在曲柄臂中的负荷分配；基于第一曲轴设计和曲柄臂中负荷的分配，生成第二曲轴设计，其中，最大力处加载更大的曲柄臂的点通过添加曲柄臂材料而增强；及基于第二曲轴设计制造曲轴。

在又一个示例中，内燃发动机的曲柄臂包括曲柄销、以及连接到曲柄销的第一曲柄臂，曲柄臂的质心从曲柄臂的中心轴线偏移，且其中，比起曲柄臂的尾部旋转边缘和底部，质心更靠近曲柄臂前旋转边缘以及顶部。

应理解，提供以上发明内容是为了以简化形式介绍在具体实施方式中进一步描述的一系列概念。并不意图识别所要求保护的主题的关键或必要特征，所要求保护的主题的范围由随附权利要求书唯一地限定。此外，所要求保护的主题并不限于解决上文提到的或在本公开的任何部分中的任何缺点的实施方式。

附图说明

图1示出根据本发明实施方式的示例发动机***的示意图。

图2示出根据本发明实施方式的发动机***(如，图1中的发动机***)的示例曲轴的前等距视图。

图3示出根据本发明的实施方式的图2中的示例曲轴的侧等距视图，其包括具有非对称质量分配的曲柄臂。

图4示出根据本发明的实施方式的图3中示例曲轴的前等距视图。

图5示出根据本发明实施方式的用于设计和制造曲轴(如，图2-4的示例曲轴)的示例方法的流程图。

具体实施方式

以下的记载涉及构建内燃发动机的曲轴的***和方法。示例的内燃发动机***在图1中示出。曲轴(其示例在图2-4示出)包括连接曲柄销到曲轴的主轴承轴颈的曲柄臂。特别地，曲柄销和两个连接臂的组合通常被称为曲轴弯程。曲轴可包括一个或多个曲轴弯程，这取决于内燃发动机的气缸的数量，其中每个曲轴弯程的曲柄销例如通过连杆被连接到内燃发动机的往复活塞。因此，每个曲轴弯程可包括曲柄销和两个连接臂，其中，两个连接臂在偏离主轴承轴颈及曲轴的中心轴线的位置处连接曲柄销到曲轴的主轴承轴颈。即，曲柄销不会与曲轴的主轴承轴颈共享中心轴线。然而，通过连接到曲柄臂提供的主轴承轴颈，曲柄销确实绕着与主轴承轴颈相同的中心旋转轴线而转圈。因此，每个曲柄销被往复活塞驱动，并且随着每个活塞在上止点(TDC)和下止点(BDC)之间往复运动，曲柄销绕着曲轴的中心轴线转圈，从而驱动主轴承轴颈的旋转，并由此将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。

然而，通过燃烧内燃发动机的气缸中的气体所提供的峰值力直到活塞达到TDC之后才会发生。因此，通过燃烧气体输出的最大力可以在做功冲程期间发生，同时活塞位于TDC和BDC之间，并且朝向BDC并远离TDC而往复。因此，如图2-4的示例所示，曲柄臂可以被构建为使得曲柄臂的质量分配相对于曲柄臂中心轴线来说是非对称的(朝向曲柄臂一侧上的受重比另一侧更重(more heavily weighted))。以此方式，当燃烧室中气体燃烧将它们最大的力施加到曲柄销时，例如，在TDC之后的10°到30°之间，具有非对称曲柄臂的曲轴可比包括对称曲柄臂的曲轴承受来自驱动活塞的更大的力。如此，相对于包括对称曲柄臂的曲轴，曲轴的耐久性和寿命可增加。如图5中示例方法所述，曲柄臂可以设计为使得它们的质量分配不对称。即，曲柄臂可以设计并制造为使得它们朝向前缘受重更重，使得它们的质心偏离曲柄臂的中心轴线。

参考图1，示出了示意图，其示出多气缸发动机10的一个气缸，该气缸被包括在汽车推进***中。发动机10可至少部分通过包括控制器20的控制***以及通过车辆操作者132经由输入装置130的输入而控制。在这个示例中，输入装置130包括加速器踏板和踏板位置传感器134，以生产成比例的踏板位置信号PP。发动机10的燃烧室(即，气缸)71可包括活塞76定位在其中的燃烧室壁72。活塞76可连接曲轴80，使得活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。曲轴80可经由中间变速器***连接到车辆的至少一个驱动轮。此外，起动机可经由飞轮连接到曲轴80，以使发动机10开始操作。活塞76可以连接到被包括在曲轴80内的曲柄销，并可驱动曲柄销绕着曲轴80的中心轴线转圈，如参考图2在下文更详细描述的。因此，活塞76对曲柄销施加力。曲柄销继而绕着曲轴的主轴颈，并将活塞76的往复运动转化为曲轴80的旋转运动。

燃烧室71可经由进气通道42接收来自进气歧管44的进气空气，并经由排气通道48排出燃烧气体。进气歧管44和排气通道48能够选择性地与燃烧室71经由各个进气门52和排气门54连通。在一些实施方式中，燃烧室71包括可两个或多个进气门和/或两个或多个排气门。

在这个示例中，进气门52和排气门54可经由各自的凸轮致动***51和53而通过凸轮致动控制。凸轮致动***51和53每个都可包括一个或多个凸轮，并可利用凸轮廓线变换(CPS)、可变凸轮正时(VCT)、可变气门正时(VVT)和/或可变气门升程(VVL)***中的一个或多个，这些***可通过控制器20操作以改变气门操作。进气门52和排气门54的位置可以分别通过位置传感器55和57确定。在替换的实施方式中，进气门52和/或排气门54可由电气门致动控制。例如，气缸71可替换地包括经由电气门致动控制的进气门以及经由包括CPS和/或VCT***的凸轮致动控制的排气门。

燃料喷射器66被示为以这样的配置被设置在进气歧管44中：该配置提供了被称之为至燃烧室71上游的进气道的燃料的进气道喷射。燃料喷射器66可与信号FPW的脉冲宽度成比例地喷射燃料，该信号经由电子驱动器68从控制器20接收。燃料可以通过燃料***(未示出)被输送到燃料喷射器66，该***包括燃料箱、燃料泵和燃料轨。在一些实施方式中，燃烧室71可替换地或者额外地包括直接连接到燃烧室71以已知为直接喷射的方式直接喷射燃料至其中的燃料喷射器。

进气通道42可包括具有节流板64的节气门62。在这个特别的示例中，节流板64的位置可以经由提供给电机或者致动器的信号而通过控制器20改变，该电机或者致动器包括节气门62，该配置通常被称为电子节气门控制(ETC)。在这种方式下，除了其他发动机气缸，节气门62可操作为改变提供给燃烧室71的进气空气。节流板64的位置可通过节气门位置信号TP提供给控制器22。进气通道42可包括质量空气流量传感器120和歧管气压传感器122，以分别将信号MAF和MAP提供给控制器20。

在选择操作模式下，点火***88能够响应于来自控制器20的火花提前信号SA经由火花塞92为燃烧室71提供点火火花。尽管示出了火花点火部件，但在一些实施方式中，发动机10的燃烧室71或一个或多个其他燃烧室可以压缩点火模式操作，具有或者不具有点火火花。

排气传感器126被示为连接到排放控制装置70的上游的排气通道48。传感器126可以是任意适当的传感器，以提供排气空气/燃料比的提示，例如，线性氧传感器或者UEGO(通用或宽域排气氧)、双态氧传感器或EGO、HEGO(加热的EGO)、NO_X、HC或CO传感器。排放控制装置70被示为沿着排气通道48被设置在排气传感器126的下游。装置70可以是三元催化剂(TWC)、NO_X捕集器、各种其他排放控制装置及其组合。在一些实施方式中，在发动机10的操作期间，排放控制装置70可通过在特定空气/燃料比下操作发动机的至少一个气缸被定期重置。

控制器20在图1中被示为微计算机，包括微处理器单元(CPU)102、输入/输出端口(I/O)21、在这个特殊示例中被示为只读存储芯片(ROM)106的用于可执行程序和校验值的电子存储媒介、随机存取存储器(RAM)108、保活存储器(KAM)110和数据总线。控制器20可接收来自连接到发动机10的传感器的各种信号，除了之前讨论过的那些信号，还包括来自质量空气流量传感器120的引入质量空气流量(MAF)的测量；来自连接到冷却套筒114的温度传感器112的发动机冷却剂温度(ECT)；来自连接到曲轴80的霍尔效应传感器118(或其他类型)的表面点火感测信号(PIP)；来自节气门位置传感器的节气门位置(TP)；以及来自传感器122的绝对歧管压力信号MAP。发动机转速信号RPM可以根据信号PIP通过控制器20生成。来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可用于提供进气歧管中真空或压力的指示。注意到可以使用上述传感器的各种组合，例如，有MAF传感器而没有MAP传感器，或反之亦然。在化学计量操作期间，MAP传感器能够给出发动机扭矩的指示。此外，这个传感器连同所检测到的发动机转速能够提供引入气缸中的增压(包括空气)评估。在一个示例中，传感器118(还被用作发动机转速传感器)可以在每一个曲轴旋转产生预定数量的等间隔脉冲。

存储媒介只读存储器106能够利用计算机可读数据编程，该数据表示可由处理器20执行的指令，来执行下述的方法以及期待但未具体列明的其他变形。

如上所述，图1仅示出了多气缸发动机中的一个气缸，并且每个气缸可同样地包括自身一组的进气/排气门、燃料喷射器、火花塞等。

继续到图2-4，它们所示出的示例曲轴200可以被包括在内燃发动机中，例如上述参考图1描述的发动机10。因此曲轴200可与参考图1描述的曲轴80相同或者相似。

图2-4基本上按比例绘制，并示出曲轴200的部件的相对尺寸和定位。此外，图2-4显示的坐标***250包括垂直轴线252、水平轴线254、以及侧向或者纵向轴线256。坐标***250可用于参考曲轴200的部件的相对定位。例如，部件相对于垂直轴线252可以被称为在对方的“上方”或“下方”，其中，例如，被称为定位在第二部件的“上方”的第一部件沿着垂直轴线252的正向定位得比第二部件更远。如另一个示例，部件相对于水平轴线254可以被称为在对方的“左边”或者“右边”。如另一个示例，部件相对于侧向轴线256可以被称为在对方的“前面”或者“后面”。例如，被称为定位在第二部件“后面”的第一部件沿着侧向轴线256的正向比第二部件定位得更远。

此外，图2-4示出具有示例曲轴200的各种部件的相对定位的示例配置。如果显示为直接相互接触，或者直接连接，那么这种元件就被认为至少在一个示例中分别直接接触或者直接连接。同样，被示为相互靠近或者临近的元件可以是至少在一个示例中分别相互靠近或者临近。如示例，相互面对面共享接触而布置的部件也被称为面对面共享接触。作为另一示例，相互间隔定位且之间仅有空间而无其他部件的元件在至少一个示例中也被如此称呼。在又一个示例中，示出为对方上部/下部，相互位于相反侧，或者彼此的左/右的元件也相对于彼此如此称呼。此外，如附图所示，在至少一个示例中，最顶部元件或者元件的最顶点可以称作部件的“顶部”而最底部元件或者元件的最低点被称为部件的“底部”。如本文所采用，顶部/底部，上部/下部，之上/之下，可以相对于附图的竖直轴线，并用于描述附图中元件彼此的相对定位。如此，在一个示例中，其他元件上方所示元件定位在该其他元件竖直上方。又如另一个示例，附图中所示元件的形状可被称为具有那些形状(诸如，例如，圆形的、直的、平面的、弯的、圆的、切角的、成角度的等)。此外，在至少一个示例中，所示相互交叉的元件可被称为交叉元件或者相互交叉。又进一步，被示为在另一个元件中的元件或者被示为在另一个元件外侧的元件在一个示例中可以如此称呼。

首先集中在图2上，其显示了曲轴200的一部分的前等距视图。曲轴200包括轴颈201和曲轴弯程204，该轴颈201沿着曲轴旋转中心轴线202延伸，该轴线202在图2中用虚线表示，该弯程204包括第一曲柄臂206、曲柄销208和第二曲柄臂210。因此，轴颈201和曲轴200享有共同的中心轴线(例如，同轴)，它们都绕着该轴线旋转。轴颈201和曲轴200二者由此都绕着旋转中心轴线202旋转。轴颈201可包括曲轴主轴承轴颈，且如此在本文中也可被称为曲轴主轴承轴颈201。

在轴颈201、第一曲柄臂206及曲柄销208的外周上，所指示的部分虚线6形成了曲轴弯程204的纵向中线，且该线在与曲轴旋转轴线202和曲柄销208的中心轴线二者相交的平面中延伸。

在图2的示例中，曲轴弯程204被示为处于旋转角度，其在相应活塞的上止点之后呈约10°到15°(如，从TDC的10°至15°，而活塞朝向BDC并远离TDC往复运动)且此时燃烧循环期间最大燃烧引发力“K”作用在曲柄销208上，该力与曲轴旋转中心轴线202和曲柄销208的中心轴线相交的平面呈倾斜的角度。

由于力K非对称地作用在曲轴弯程上，相比曲柄臂206和210的位于线212左侧的一半，曲柄臂206和210的位于图2示例中的线212右侧的一半部分地以在曲柄销208的区域中的压力更大程度地加载。

第一曲柄臂206的两个不同加载的两半在图中被示为两个阴影线的曲柄臂区域206a和206b。相比部分或所有第一曲柄臂区域206a，部分或者所有的第二曲柄臂区域206b以在图2的示例中所示的活塞位置处的压力更大程度地加载，该部分或所有的第二曲柄臂区域206b被配置为比部分或所有的第一曲柄臂区域206a更坚固。第一曲柄臂区域206a能够因此相应地被配置为更脆弱，使得来自第一曲柄臂区域206a的材料能够重新分配至第二曲柄臂区域206b。

鉴于这种情况，当然也必须考虑到曲柄臂区域206a以曲轴的指示的旋转角度也被稍微地拉伸加载，且为了处理所发生的拉伸加载，某种材料重新分配能够在曲柄臂区域206a内受影响。因此，第二曲柄臂区域206b受重更大。在一些示例中，第二曲柄臂区域206b可比第一曲柄臂区域206a具有更大的密度，以获得比第一曲柄臂区域206a更大的重量。在其他示例中，第二曲柄臂区域206可包括相同的密度，但是可包括更大的质量，且由此比第一曲柄臂区域206a具有更大体积，以获得比第一曲柄臂区域206a更大的重量。

在一些示例中，如下文参考图5所作出的更详细说明，曲柄臂区域206a和206b可最初被设计为相同重量和密度(如曲柄臂206被设计为相对于线6是对称的)。那么，对称曲柄臂和曲轴连接到内燃发动机，并经受测试，以确定曲柄臂上的负荷。曲柄臂继而能够再次设计为绕着曲柄臂转移质量和重量。因此，质量可以在曲柄臂中重新分配，从而当曲柄臂旋转离开TDC时使曲柄臂更坚固，而活塞将最大的力施加到曲柄销和曲柄臂上。以此方式，曲柄臂206的质心可以离开线6并朝向图2示例中的右边转移。

因为这些材料的重新分配而在曲柄臂区域206a和206b中发生的不平衡由径向相反的配重的适宜材料重新分配而得到平衡。

转到图3，其示出包括曲柄臂支撑302、304和306的曲轴200的侧面等距视图。第一曲柄臂支撑302连接到曲柄臂206的前面303上的第一曲柄臂206，前面303与曲柄销208所连接的曲柄臂206的后面305相反。第一曲柄臂支撑302可从曲柄臂206的顶部向下和/或在曲柄销208和旋转中心轴线202之间延伸。特别地，第一曲柄臂支撑302可沿着前面303在大体上相似于曲柄销208连接的后面305的表面区域的区域中的一部分延伸。因此，支撑302可与曲柄销208和后面305的连接在直径上相对。第二曲柄臂支撑可连接到第一曲柄臂支撑302下方的前面303，在第一曲柄臂支撑302和旋转中心轴线202之间。第三曲柄臂支撑306可连接到第二曲柄臂210的后面307，后面307与曲柄销208所连接的第二曲柄臂210的前面309相反。

曲柄臂支撑302、304和306可包括与曲柄臂206和210相同或者相似的材料，且可包括相同的密度、弹性、强度、硬度等中的一种或多种。然而，在其他示例中，曲柄臂支撑302、304和306可包括与曲柄臂206和210不同的材料和/或不同密度、弹性、强度、硬度等。在一些示例中，第一曲柄臂支撑302和第三曲柄臂支撑306可分别是基本上相同或者近似。

此外，在一些示例中，曲柄臂支撑302、304和306可与曲柄臂206和210一体形成。即，曲柄臂支撑302、304和306可与曲柄臂206和210同时形成，且曲柄臂支撑302和304和第一曲柄臂206可形成单个连续构件，而曲柄臂支撑306和第二曲柄臂210可形成单个连续件。即，曲柄臂支撑302、304和306可在曲轴200的设计阶段期间生成。因此，曲柄臂支撑302、304和306可在图3和4中被显示为与曲柄臂206和210不同的元件，仅为了示出曲柄臂206和210如何从对称设计调整，并重新被设计为非对称的。因此，在一些示例中，曲柄臂支撑302、304和306可不与曲轴分开形成。此外，曲柄臂支撑302、304和306可不包括为曲轴200后期生产所做的调整。因此，曲柄臂可设计为非对称的，并不可在构建它们以重新分配质量之后物理操纵该曲柄臂。即，对称曲柄臂设计可以调整为非对称曲柄臂设计，且继而可制造非对称曲柄臂。

然而，在其他示例中，曲柄臂支撑302、304和306可与曲柄臂206和210单独形成，且然后可通过粘合剂、紧固件等中的一种或多种连接到曲柄臂206及210。在又一种示例中，第二曲柄臂210可额外地包括第四曲柄臂(未在图3中示出)，其可以与第二曲柄臂支撑304相同或者相似，并可被定位在第三曲柄臂支撑306下方的后面307上，在第三曲柄臂支撑306和旋转中心轴线202之间。

在又一个示例中，曲柄臂支撑302、304和306可通过在已经构建的曲柄臂206和210中物理地重新分配质量而形成。因此，曲柄臂206和210可在一些示例中被构建为对称的，且继而可以在之后被机加工和/或物理操作以重新分配重量。

继续到图4，其示出曲轴200的前等距视图，与上述图2中所示的曲轴200的视图相似。在图4中，曲柄臂206的中心轴线402被示为与曲轴200的旋转中心轴线202正交。曲柄臂206的中心轴线402穿过曲轴200的旋转中心轴线202并可将曲柄臂206分为两半。曲柄臂206的上止点位置用虚线404显示。因此，当曲柄销208所连接的活塞(如上述图1中的活塞76)位于上止点位置时，曲柄臂206的中心轴线402可在虚线404所示的方向中。因此，当活塞在其上止点位置时，曲柄臂206可相对于垂直轴线252直线取向，使得其中心轴线402平行于垂直轴线252。此外，在活塞的上止点位置处，曲柄臂206的顶部408在曲柄臂206的底部210的竖直上方。在图2的示例中，曲柄臂206和曲轴200被示为从上止点位置顺时针旋转角度θ。

角度θ可对应于燃烧气体在包括活塞的燃烧室(如上在图1中示出的燃烧室71)中将最大的力施加到活塞和曲柄销208所处的角度。特别地，角度θ可对应于单个燃烧循环期间喷射的约50％的燃料已经燃烧所处的角度。角度θ可为在距离上止点的10°到30°之间的角度范围中的角度。在图4的示例中，曲轴200在顺时针方向上旋转，使得在上止点位置处，曲柄臂206的顶部408在曲柄臂206的底部410竖直上方，且在下止点位置处，曲柄臂206的底部410在曲柄臂206的顶部408竖直上方。因此，在图4示例中所示的位置中，活塞位于上止点和下止点之间，并朝向底部的下止点位置并远离上止点位置往复运动。

曲柄臂206的前缘412被定位为与曲柄臂206的后缘414相反，且前缘412可旋转地在后缘414的前头或者前方。特别地，随着曲轴200和曲柄臂206在图4示例中顺时针旋转，前缘412相对于活塞的位置在后缘414的前头。例如，随着活塞从上止点往复到下止点，前缘412会比后缘414更早达到其圆形轨迹的底部。在图4的示例中，前缘412被定位在后缘414的右侧。

如图4示例所示，曲轴支撑302可不是相对于中心轴线402对称的。特别地，曲柄臂支撑302可朝向前缘412且远离后缘414受重更多。因此，在图4的示例中，曲柄臂支撑302可包括比中心轴线402左边更大质量的中心轴线402右边。在一些示例中，曲柄臂支撑302可不包括对称形状，但是可分别距离后缘414和前缘412基本上等距定位。在其他示例中，曲轴支撑可不包括对称的形状，且可相对于后缘414更为靠近前缘412被定位。在曲柄臂支撑302不对称的示例中，相比于接近后缘414，曲柄臂支撑302越是接近前缘412则越厚(沿着纵向轴线256更宽)。

在其他示例中，曲柄臂支撑302可以是对称的。在曲柄臂支撑302是对称的并距离后缘414及前缘412等距定位的示例中，曲柄臂支撑302越是接近前缘412密度越大，越是接近后缘414密度越小。在其他示例中，其中，曲柄臂支撑302是对称的并相对于后缘414更为靠近前缘412而被定位，曲柄臂支撑可以包括均匀的密度。

在所有的上述示例中，曲柄臂支撑302被配置为所具有的质心远离后缘414朝向前缘412转移。即，曲柄臂支撑302的质心比后缘414更为靠近前缘412，且因此在图4的示例中位于中心轴线402的右侧。

因此，曲柄臂206的质心也可以朝向前缘412而远离后缘414转移。此外，质量可以朝向曲柄臂206的顶部408并远离曲柄臂206的底部410转移。即，曲柄臂206的质心相对于后缘414更为靠近前缘412，并由此位于图4示例中的中心轴线402的右侧。

在图4的示例中，曲柄臂206可由在曲柄臂206比后缘414更靠近前缘412的位置处的活塞及燃烧气体的力加载更多，如图2中的力矢量“K”所示。因此，在燃烧气体(如，更为靠近前缘414)最大的力处加载较少的曲柄臂206的点可以通过曲柄臂材料的移除而变弱。另外的曲柄臂材料可以被添加到曲柄臂206的更靠近曲柄臂206的前缘412的加载更多的点。因此，曲柄臂206可以首先设计为对称的，且然后，质量可以被添加到曲柄臂206的加载更多的点，其存在于燃烧气体将它们最大的力或者接近它们最大的力施加给活塞和曲柄销208时(上止点之后的10°到30°之间)。在曲柄臂206的加载更多的点处的增强所用曲柄臂材料的量可以基本上等于从加载更少的点移除的材料量。在其他示例中，用于增强的曲柄臂材料的量比从加载更少的点移除的材料量更小。

转到图5，其示出设计和制造曲轴(如参考图2-4所述的曲轴200)和曲柄臂(如参考图2-4所示的曲柄臂206)的示例方法500的流程图。特别地，对称曲柄臂具有的点比其纵向中心轴线的相反侧上的对应点的在CA 50点处加载更少，针对其部分，该对应点被加载更多。因此，加载更多的点能够利用额外材料增强，而无需在相反侧上进行，其中，此外，材料能够在加载更少的点处节省。

换句话说，在根据本发明的曲轴的情况下，在曲轴弯程以增强强度的方式非对称形成的力最大的旋转角度处，曲轴弯程的抗断强度高于具有利用相同量材料对称形成的曲柄臂的对应曲轴弯程的抗断强度。因此，曲轴能够被制造得更轻而耐久性未减少，或被制造得更为耐久且具有相同重量。

因此，本发明所教导的并不是以如下方式设计曲柄臂：除了发生的离心力外，它们也承受最高的压力，为了简化起见，该最高的压力先假定为在上止点上作用，但是也考虑到了以下事实：曲柄臂仅仅在上止点之后才或多或少地经历最大压力。

曲柄臂的非对称以及曲柄臂材料的相应非对称分配特别地在于相对于穿过曲轴旋转轴线及曲柄销旋转轴线的平面从镜像对称的几何偏差。

方法500在502开始，其包括构建曲柄臂，并利用对称形成的曲柄臂生成第一曲轴设计。在一些示例中，曲轴可以设计为使得其足够刚硬以承受在其使用寿命期间所发生的所有负荷。

方法500继而从502继续到504，其包括在第一曲轴设计的基础上，实际曲轴能够被生产并安装在内燃发动机中，且最高燃烧引发力作用在曲柄销(如参考图2-4作出的上述记载中的曲柄销208)所处的曲轴旋转角度能够通过测功试验确定。力最大处发生的曲柄臂中负荷分配也能够通过试验确定，例如通过膨胀和压缩传感器进行。

可替换地，方法500在504处可以包括通过使用经验值确定最高燃烧引发力作用在曲柄销上所处的计算设计的曲轴的旋转角度，且然后，基于具有对称形成的曲柄臂的曲轴的设计数据，计算最大力处发生的曲柄臂中的负荷的空间分配是可能的。

最大力处发生的曲柄臂中的负荷分配已经通过试验和/或计算确定之后，方法500从504继续到506，其包括修正曲轴和/或基于第一曲轴设计以及所确定的负荷分配生成第二曲轴设计。特别地，方法500在506可包括重新设计第一曲轴设计，其中最大力处被加载更多的曲柄臂的点通过增加曲柄臂材料而得到增强，且实际的曲轴继而能够基于由此获得的设计数据而生产。

确定负荷分配的步骤及局部增加曲柄臂材料的步骤能够重复执行，以执行微调并逐渐使曲柄臂具有其最终形式。

方法500继而可以从506继续到508，其包括基于第二曲轴设计构建曲轴。

此时，不仅增加曲柄臂材料是可能的，在最大力处被加载更小的曲柄臂的点通过移除曲柄臂材料而变弱也是可能的，其中，用于增强的材料量基本上等于或者小于从加载更小的点移除的材料的量是可能的。

此外，曲柄臂材料的非对称增加或重新分配首先生成了非平衡，但这通过配重的适宜重新设计而被补偿。

在一种展示中，活塞内燃发动机的曲轴，可以包括曲轴弯程，所述曲轴弯程包括在曲柄销的区域中相对于与所述曲轴的旋转轴线和所述曲柄销的中心轴线交叉的平面非对称形成的曲柄臂，使得所述曲轴弯程的抗断强度以不同于上止点的曲轴旋转角度增加，且最高燃烧引发力以所述曲轴旋转角度作用在所述曲柄销上。在曲轴的第一示例中，所述最高燃烧引发力处的所述曲轴弯程的抗断强度高于具有利用相同量材料对称形成的曲柄臂的对应曲轴弯程的抗断强度。曲轴的第二示例可选择地包括第一示例，且还包括：曲柄臂的非对称在于相对于穿过所述曲轴的所述旋转轴线和所述曲柄销的所述中心轴线的平面从镜像对称的几何偏差。曲轴的第三示例可选择地包括第一和/或第二示例，并还包括，所述曲轴弯程以强度增强方式非对称形成的所述旋转角度对应于喷射至包括连接于所述曲柄销的活塞的燃烧室中的约50％量的燃料已经被燃烧且最大燃烧气体压力作用于所述活塞所处的旋转角度。曲轴第四示例可选择地包括第一到第三示例中的一个或多个，并还包括：所述曲轴弯程以强度增强方式非对称形成的所述旋转角度在于上止点活塞位置后的从约10°到30°的范围。

在另一种展示中，生产曲轴的方法包括：生成第一曲轴设计，其包括具有对称形成曲柄臂的曲轴；确定当驱动所述曲柄臂旋转的活塞在所述曲柄臂上施加最大力时发生的在所述曲柄臂中的负荷的分配；基于所述第一曲轴设计以及所述曲柄臂中的所述负荷分配生成第二曲轴设计，其中，在所述最大力处加载更多的所述曲柄臂的点通过增加曲柄臂材料而增强；及基于所述第二曲轴设计制造所述曲轴。在该方法的第一示例中，该方法可选择性地包括：生成第一曲轴设计，确定负荷分配，以及生成所述第二曲轴设计在回路中重复执行，而所述第二曲轴设计中的所述负荷分配被重新计算。该方法的第二示例可选择性地包括第一示例，并还包括，在所述最大力处加载更少的所述曲柄臂的点通过移除曲柄臂材料而变弱。该方法的第三示例可选择性地包括第一和/或第二示例，并还包括，其中用于增强的曲柄臂材料的量基本上等于从加载更少的点移除的材料的量。该方法的第四示例可选择性地包括第一到第三示例中的一个或多个，并还包括，其中用于增强的曲柄臂材料的量小于从加载更少的点移除的材料的量。

在另一种展示中，内燃发动机的曲轴包括曲柄销、以及连接到曲柄销的第一曲柄臂，其中，相比于所述曲柄臂的后旋转边缘，所述曲柄臂的质心更靠近所述曲柄臂的前旋转边缘。曲轴的第一示例可选择性地包括，所述曲柄臂的所述前旋转边缘相对于所述曲轴的旋转方向以及所述曲柄销所连接的活塞位于所述曲柄臂的所述后旋转边缘前方。曲轴的第二示例可选择性地包括第一示例，并额外包括，曲柄臂在形状上对称而密度上不对称，其中，所述曲柄臂的密度在更靠近所述曲柄臂的所述前旋转边缘比所述曲柄臂的所述后旋转边缘更大。曲轴的第三示例可选择性地包括第一示例和第二示例中的一个或多个，并额外包括，曲柄臂在形状上非对称，其中，所述曲柄臂在更靠近所述曲柄臂的所述前旋转边缘比所述曲柄臂的所述后旋转边缘更厚。曲轴的第四示例可选择性地包括第一到第三示例中的一个或多个，并额外包括，第一曲柄臂支撑被连接到所述曲柄臂以将所述曲柄臂的质心朝向所述曲柄臂的所述前旋转边缘并远离所述曲柄臂后旋转边缘转移。曲轴的第五示例可选择性地包括第一到第四示例中的一个或多个，并额外包括，曲柄臂支撑在与所述曲柄销相反的所述曲柄臂的表面上连接至所述曲柄臂，位于所述曲柄销和所述曲轴的中心轴线之间。曲轴的第六示例可选择性地包括第一到第五示例中的一个或多个，并额外包括，第二曲柄臂支撑在与所述曲柄销相反的所述曲柄臂的所述表面上连接到所述曲柄臂，在所述第一曲柄臂支撑和所述曲轴的所述中心轴线之间。曲轴的第七示例可选择性地包括第一到第六示例中的一个或多个，并额外包括，曲柄臂支撑定位为比曲柄臂的后旋转边缘更靠近曲柄臂的前旋转边缘。曲轴的第八示例可选择性地包括第一到第七示例中的一个或多个，并额外包括，曲柄臂支撑定位为在曲柄臂的前旋转边缘和后旋转边缘之间距两者等距，但是朝向前旋转边缘比后旋转边缘受重更大。曲轴的第九示例可选择性地包括第一到第八示例中的一个或多个，并额外包括第二曲柄臂，其在所述曲柄销的一侧上连接到所述曲柄销，与所述第一曲柄臂相反，其中，所述第二曲柄臂的质心相对于所述第二曲柄臂的所述后旋转边缘更靠近所述第二曲柄臂的所述前旋转边缘。

以此方式，通过朝向曲柄臂的前缘转移质心，增加曲轴强度、耐久性和寿命的技术效果得以实现。特别地，曲柄臂会破裂所处的力的量以活塞角度增加，其中，在燃烧循环中力最大量由燃烧气体施加到活塞上。因此，由于燃烧循环期间活塞施加的最大力可以在做功冲程期间，在活塞已经达到上止点并朝向下止点往复之后，所以，曲柄臂的非对称质量分配增加了曲轴不破断裂情况下所能承受的负荷。

本领域技术人员会理解的是，尽管本发明已经通过示例并参考上述一个或多个示例作出说明，但其不限于所公开示例且可替换示例可以在不偏离所附权利要求所限定的本申请范围的情况下被构建。

注意，本文中包括的示例控制和估计程序能够与各种发动机和/或车辆***配置一起使用。本文中公开的控制方法和程序可以在非暂时性存储器中被存储为可执行指令。本文中描述的具体程序可以表示例如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等任何数目的处理策略中的一个或多个。由此，所说明的各种动作、操作和/或功能可以所说明的顺序执行、同时执行或在一些情况下省略。同样地，处理的次序并非是实现本文中所描述的示例实施例的特征和优点所必须的，而是提供用于便于说明和描述。取决于所使用的特定策略，可以重复地执行所说明的动作、操作和/或功能中的一个或多个。另外，所描述的动作、操作和/或功能可以图形地表示将被编程到发动机控制***中的计算机可读存储介质的非暂时性存储器中的代码。

应了解，本文中公开的配置和程序本质上是示例性的，且这些具体实施例不被认为是限制性意义，因为众多的变体是可能的。例如，以上技术能够被应用到V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸以及其它发动机类型。本发明的主题包括本文中公开的各种***和配置以及其它特征、功能和/或特性的所有新颖且非显而易见的组合以及子组合。

以下权利要求书特别指出被认为新颖且非显而易见的特定组合和子组合。这些权利要求可以指代“一个”元件或“第一”元件或其等效物。此类权利要求应被理解为包括一个或多个此类元件的合并，既不需要也不排除两个或多个此类元件。所公开的特征、功能、元件和/或特性的其它组合以及子组合可以通过当前权利要求书的修正或通过在此或相关申请中的新权利要求书的呈现来要求。此类权利要求书，无论其范围是比原始权利要求书的范围更广、更窄、相同、或不同，也都被认为被包括在本公开的主题内。

Claims (20)

1.一种用于活塞内燃发动机的曲轴，包括：

曲轴弯程，所述曲轴弯程包括在曲柄销的区域中相对于与所述曲轴的旋转轴线和所述曲柄销的中心轴线交叉的平面非对称形成的曲柄臂，使得所述曲轴弯程的抗断强度以不同于上止点的曲轴旋转角度增加，且最高燃烧引发力以所述曲轴旋转角度作用在所述曲柄销上。

2.根据权利要求1所述的曲轴，其中所述最高燃烧引发力处的所述曲轴弯程的抗断强度高于具有利用相同量材料对称形成的曲柄臂的对应曲轴弯程的抗断强度。

3.根据权利要求1所述的曲轴，其中所述曲柄臂的非对称在于相对于穿过所述曲轴的所述旋转轴线和所述曲柄销的所述中心轴线的平面从镜像对称的几何偏差。

4.根据权利要求1所述的曲轴，其中所述曲轴弯程以强度增强方式非对称形成的所述旋转角度对应于喷射至包括连接于所述曲柄销的活塞的燃烧室中的约50％量的燃料已经被燃烧且最大燃烧气体压力作用于所述活塞所处的旋转角度。

5.根据权利要求1所述的曲轴，其中所述曲轴弯程以强度增强方式非对称形成的所述旋转角度在于上止点活塞位置后的从约10°到30°的范围。

6.一种用于生产曲轴的方法，包括：

生成第一曲轴设计，其包括具有对称形成曲柄臂的曲轴；

确定当驱动所述曲柄臂旋转的活塞在所述曲柄臂上施加最大力时发生的在所述曲柄臂中的负荷的分配；

基于所述第一曲轴设计以及所述曲柄臂中的所述负荷分配生成第二曲轴设计，其中，在所述最大力处加载更多的所述曲柄臂的点通过增加曲柄臂材料而增强；及

基于所述第二曲轴设计制造所述曲轴。

7.根据权利要求6所述的方法，其中生成所述第一曲轴设计，确定所述负荷分配，以及生成所述第二曲轴设计在回路中重复执行，其中所述第二曲轴设计中的所述负荷分配被重新计算。

8.根据权利要求6所述的方法，其中在所述最大力处加载较少的所述曲柄臂的点通过移除曲柄臂材料而变弱。

9.根据权利要求6所述的方法，其中用于增强的曲柄臂材料的量基本上等于从加载较少的点移除的材料的量。

10.根据权利要求6所述的方法，其中用于增强的曲柄臂材料的量小于从加载较少的点移除的材料的量。

11.一种用于内燃发动机曲轴，包括：

曲柄销；及

连接到所述曲柄销的第一曲柄臂，其中，所述曲柄臂的质心从所述曲柄臂的中心轴线偏移，而其中，相比于所述曲柄臂的后旋转边缘，所述质心更靠近所述曲柄臂的前旋转边缘。

12.根据权利要求11所述的曲轴，其中所述曲柄臂的所述前旋转边缘相对于所述曲轴的旋转方向以及所述曲柄销所连接的活塞位于所述曲柄臂的所述后旋转边缘前方。

13.根据权利要求11所述的曲轴，其中所述曲柄臂在形状上对称而密度上不对称，其中，所述曲柄臂的密度在更靠近所述曲柄臂的所述前旋转边缘比所述曲柄臂的所述后旋转边缘更大。

14.根据权利要求11所述的曲轴，其中所述曲柄臂在形状上非对称，其中，所述曲柄臂在更靠近所述曲柄臂的所述前旋转边缘比所述曲柄臂的所述后旋转边缘更厚。

15.根据权利要求11所述的曲轴，其中第一曲柄臂支撑被连接到所述曲柄臂以将所述曲柄臂的质心朝向所述曲柄臂的所述前旋转边缘并远离所述曲柄臂后旋转边缘转移。

16.根据权利要求15所述的曲轴，其中所述曲柄臂支撑在与所述曲柄销相反的所述曲柄臂的表面上被连接至所述曲柄臂，位于所述曲柄销和所述曲轴的中心轴线之间。

17.根据权利要求16所述的曲轴，其中第二曲柄臂支撑在与所述曲柄销相反的所述曲柄臂的所述表面上被连接到所述曲柄臂，在所述第一曲柄臂支撑和所述曲轴的所述中心轴线之间。

18.根据权利要求15所述的曲轴，其中所述曲柄臂支撑定位为相比所述曲柄臂的所述后旋转边缘更靠近所述曲柄臂的所述前旋转边缘。

19.根据权利要求15所述的曲轴，其中所述曲柄臂支撑定位为在所述曲柄臂的所述前旋转边缘和所述后旋转边缘之间距两者等距，但是朝向所述前旋转边缘比所述后旋转边缘受重更大。

20.根据权利要求11所述的曲轴，进一步包括第二曲柄臂，其在所述曲柄销的一侧上被连接到所述曲柄销，与所述第一曲柄臂相反，其中，所述第二曲柄臂的质心相比于所述第二曲柄臂的所述后旋转边缘更靠近所述第二曲柄臂的所述前旋转边缘。