CN107676370A - 曲轴组件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供了用于如发动机组件等车辆组件的曲轴组件以及制造曲轴组件的方法。该曲轴组件包括设置在第一对腹板之间的第一曲柄销和连接到第一对腹板的至少第一主轴承轴颈，其中第一曲柄销、第一对腹板或第一主轴承轴颈中的至少一个是包括聚合物和多个增强纤维的聚合物复合材料。
Description
技术领域
本公开涉及用于包括在曲轴组件中加入聚合物复合材料的车辆的曲轴组件，以及其制造方法。
背景技术
本部分提供与并不一定是现有技术的本公开相关的背景信息。
传统上而言，用于汽车应用的发动机部件由诸如钢和铁等金属制成。金属部件不但坚固，而且通常还具有良好的延展性、耐久性、强度和耐冲击性。尽管已经将金属用作可接受的发动机部件，但它们也存在着明显的缺点：重量重并且重量效率、车辆性能和功率降低，由此降低了车辆的燃料经济性。
为了提高车辆的燃料经济性而减轻重量的行为已经刺激了如铝和镁合金等各种轻质金属部件的应用以及轻质增强复合材料的应用。虽然这种轻质材料的应用可以有助于降低总重量并且通常可以提高燃料效率，但是，由于与发动机组件相关联的操作温度较高，在发动机组件中使用这种材料时可能会带来各种问题。例如，与传统的钢或陶瓷材料相比，轻质金属部件也可以具有相对高的线性热膨胀系数。在发动机组件中，使用这种轻质金属可能会相对于具有较低线性热膨胀系数(如钢或陶瓷材料)的相邻部件在某些热操作条件下引发不均匀的热膨胀，从而导致部件的分离和性能的降低。此外，轻质增强复合材料可以具有强度方面的局限性，例如降低的拉伸强度，并且它们在持续暴露于高温下之后可能会发生降解。因此，需要在高温操作条件下具有增强的耐用性的轻型发动机组件来进一步提高操作效率和燃油经济性。特别需要的是诸如曲轴组件之类的轻型往复式部件，其原因在于往复式部件因为它们对旋转惯性动量的影响而能显著地影响经济性和性能。
发明内容
本部分提供对公开内容的总体概述，并且不是对其全部范围或其全部特征的全面公开。
在某些方面，本公开提供了一种用于车辆的曲轴组件。该曲轴组件可以包括设置在第一对腹板之间的第一曲柄销和连接到第一对腹板的至少第一主轴承轴颈，其中第一曲柄销、第一对腹板或第一主轴承轴颈中的至少一个包括聚合物复合材料，该聚合物复合材料包括聚合物和多个增强纤维。
在其他方面，本公开提供了一种用于车辆的曲轴组件。该曲轴组件可以包括每个设置在多对对应的腹板之间的多个曲柄销、分别设置在相邻对的腹板之间的多个主轴承轴颈、以及在曲轴组件的第一末端上的前主轴承轴颈和在曲轴组件的第二末端上的后主轴承轴颈。曲柄销、多对腹板或主轴承轴颈中的至少一个可以包括聚合物复合材料，该聚合物复合材料包括聚合物，该聚合物包括热固性树脂或热塑性树脂以及多个增强纤维，该增强纤维选自由碳纤维、玻璃纤维、聚芳基酰胺纤维、聚合物纤维、金属纤维及其组合组成的组：。
在其他方面，本公开提供了一种制造用于车辆的曲轴组件的方法。该方法可以包括在模具中布置包括金属或陶瓷的至少第一部件；布置包括第一多个增强纤维的第一曲柄销前体或用于接收与模具中的第一部件相邻的第一曲柄销前体的第一曲柄销限定空隙空间；布置包括第二多个增强纤维的第一对腹板前体或用于接收与模具中的第一部件相邻的第一对腹板前体的第一对腹板限定空隙空间、将树脂引入模具中并凝固树脂以产生设置在第一对聚合物复合腹板之间并与至少一个金属部件相邻的第一聚合物复合曲柄销，从而形成曲轴组件。
根据本文提供的描述，其他适用范围将变得显而易见。此发明内容部分中的描述和具体示例仅仅是为了说明的目的，并不意图限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于所选实施例而不是所有可能的实施方式的说明性目的，并不意图限制本公开的范围。
图1示出了根据本公开的某些方面的曲轴组件的透视图。
图2示出了根据本公开的某些方面的曲柄销和一对对应的腹板的详细视图。
图3示出了根据本公开的某些方面的替代性曲柄销和一对对应的腹板的剖视图。
图4示出了根据本公开的某些方面的替代性曲柄销和对应的腹板和配重的剖视图。
图5a和图5b示出了由交织增强纤维形成的聚合物复合曲柄销的详细视图。
图6示出了根据本公开的某些方面的车辆组件的剖视图。
图7示出了根据本公开的某些方面的车辆组件的替代性剖视图。
图8a至图8e示出了图示根据本公开的某些方面的聚合物复合材料中微通道的形成的示意图。
图9示出了包括增强纤维和至少一根线的聚合物复合材料。
图10示出了根据本公开的某些方面的车辆组件的替代性剖视图。
图11a和图11b示出了根据本公开的某些方面的车辆组件的替代性剖视图。
图12示出了根据本公开的某些方面的车辆组件的替代性剖视图。
在附图的几个视图中，对应的附图标记表示对应的部分。
具体实施方式
现在将参照附图更全面地描述示例性实施例。
提供示例性实施例是为了使得本公开将是完整的，并且将向本领域技术人员全面地传达该范围。阐述了许多具体细节，诸如具体组合物、部件、装置和方法的示例，以便提供对本公开的实施例的透彻理解。对于本领域的技术人员来说将是显而易见的是，不需要采用具体细节，可以以许多不同形式来体现示例性实施例，并且不应将任一者理解为限制本公开的范围。在某些示例性实施例中，并未详细地描述众所周知的过程、众所周知的装置结构和众所周知的技术。
本文所使用的术语是仅仅是出于描述特定示例性实施例的目的且并不意图具有限制性。除非上下文明确指明，本文所使用的单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该”可以意图也包括复数形式。术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含(including)”和“具有”是包括性的并因此指定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加。不应将本文所述的方法步骤、过程和操作理解为一定要求其按照所讨论和示出的特定顺序的执行，除非被具体地识别为执行顺序。还应理解的是可以采用附加或替代步骤。
当元件或层被称为在另一元件或层“上”或者“接合到”、“连接到”、“附接到”或“联接到”另一元件或层时，其可以直接在该另一元件或层上或者直接接合到、连接到、附接到或联接到该另一元件或层，或者可以存在有中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一元件或层上”或者“直接接合到”、“直接连接到”、“直接附接到”或“直接联接到”另一元件或层时，可以不存在中间元件或层。应以类似方式来解释用来描述元件之间的关系的其他词语(例如，“在...之间”对比“直接在...之间”、“与...相邻”对比“与...直接相邻”等)。本文所使用的术语“和/或”包括相关所列项目中的一个或多个的任何及所有组合。
虽然在本文中使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区域、层和/或区段，但这些元件、部件、区域、层和/或区段不应受到这些术语的限制。这些术语可以仅仅用来将一个元件、部件、区域、层或区段与另一区域、层或区段区别开来。当在本文中使用时，诸如“第一”、“第二”及其他数值术语的术语并不暗示序列或顺序，除非由上下文清楚地指明。因此，在不脱离示例性实施例的教导的情况下，可以将下文所讨论的第一元件、部件、区域、层或区段称为第二元件、部件、区域、层或区段。
在本文中可以为了便于说明而使用诸如“内”、“外”、“下面”、“下方”、“下”、、“上方”、“上”等空间相对术语来描述如图所示的一个元件或特征与另一个(些)元件或特征的关系。除图中所描绘的取向之外，空间相对术语可以意图还涵盖设备在使用或操作中装置的不同取向。例如，如果图中的装置被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下面”的元件随后将被定向为在其他元件或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以涵盖上方和下方这两个的取向。装置可以被另外定向(旋转90度或处于其他取向)，并且相应地解释本文所使用的空间相对描述语。
应当理解，对于“包括”某些步骤、成分或特征的方法、组合物、装置或***的任何详述来说，在某些替代变型中，还可设想的是，这样的方法、组合物、装置或***也可基本上由所枚举的步骤、成分或特征组成，使得将实质上改变本发明的基本和新颖性特性的任何其他步骤、成分或特征都从其中排除出去。
在整个本公开中，数值表示范围的近似量度或极限，以涵盖与给定值和具有大约所提及的值的实施例以及具有精确地所提及的值的实施例的最小偏差。除在具体实施方式的末尾处提供的工作示例中之外，在包括所附权利要求的本说明书中的参数(例如，数量或条件的参数)的所有数值均应理解为在所有情况下被术语“约”修饰，而不论在该数值之前实际上是否出现“约”。“约”表示所述数值允许一些微小的不精确(一定程度上接近该值的精确值；大致或合理地接近该值；几乎)。如果“约”提供的不精确不能用这种本领域中的常见含义来理解，则本文所用的“约”至少表示测量和使用这样的参数的常规方法可能引起的偏差。
此外，范围的公开包括所有值的公开和在整个范围内的进一步划分的范围，包括端值和为所述范围给定的子范围。
在诸如汽车的车辆中，发动机是产生用于推进的扭矩的动力源。发动机是各部件的组件，包括汽缸套、活塞、曲轴、燃烧室等。在四冲程内燃机中，每个活塞具有进气冲程、压缩冲程、动力冲程和排气冲程。在进气冲程期间，活塞向下移动并且打开进气阀以允许气态空气混合物填充燃烧室。在压缩冲程期间，关闭进气阀和排气阀并且活塞向上移动以压缩气态空气混合物。在动力冲程期间，燃烧室中的气态空气混合物被火花塞点燃，且快速膨胀的燃烧气体向下驱动活塞。在排气冲程期间，排气阀打开且活塞向上移动以排出燃烧气体(废气)。总的来说，在内部燃烧期间，由于在发动机缸体中发生了放热燃烧反应，因此，发动机部件可能会经受不同的应力量和不同的温度。
如上所述，随着发动机部件的重量增加，功率、燃料经济性和效率可能会降低。因此，理想的是在发动机组件中包括诸如轻质金属和轻质复合材料的各种轻质部件，而不是包括传统的钢和/或铁部件，从而不但减轻了发动机的重量，而且还维持了发动机的结构完整性。
因此，本文提供了用于车辆组件的曲轴组件，该曲轴组件包括由轻质材料(例如聚合物复合材料)和传统材料形成的部件的组合。有利地，这样的车辆组件还可以实现噪声、振动和不平顺性方面的改善。虽然本文所述的曲轴组件特别适用于汽车的部件，但是它们也可以用于各种其他车辆中。可以通过当前技术制造的车辆的非限制性示例包括汽车、拖拉机、公共汽车、摩托车、船只、活动房屋、露营车、飞行器(有人驾驶和无人驾驶)以及坦克。
特别地，本文提供了包括聚合物复合材料的曲轴组件。例如，如图1最佳所示，提供了曲轴组件100。曲轴组件100包括设置在第一对腹板102之间的第一曲柄销101。曲轴组件还可以包括设置在第二对腹板104之间的第二曲柄销103、设置在第三对腹板106之间的第三曲柄销105和/或设置在第四对腹板108之间的第四曲柄销107。可以经由相应的主轴承轴颈适当地连接一对腹板中的每一个，用于在多对腹板与相应的主轴承轴颈之间传递扭矩。例如，曲轴组件100可以包括设置在第一对腹板102与第二对腹板104之间的第一主轴承轴颈110、设置在第二对腹板104与第三对腹板106之间的第二主轴承轴颈112和/或设置在第三对腹板106与第四对腹板108之间的第三主轴承轴颈114。因此，第一曲柄销101和第一对腹板102经由第一主轴承轴颈110连接到第二曲柄销103和第二对腹板104。第二曲柄销103和第二对腹板104经由第二主轴承轴颈112连接到第三曲柄销105和第三对腹板106。第三曲柄销105和第三对腹板106经由第三主轴承轴颈114连接到第四曲柄销107和第四对腹板108。另外地或替代地，前主轴承轴颈116可以存在于曲轴组件100的第一末端上，例如联接到第一对腹板102。后主轴承轴颈118可以存在于曲轴组件100的第二末端上，例如联接到第四对腹板108。
另外地或替代地，腹板中的至少一个还可以包括用于平衡曲轴组件的配重(例如，以抵消活塞和/或连杆的重量)。例如，第一对腹板102中的至少一个腹板可以包括配重102a。如图1所示，第一对腹板102中只有一个腹板包括配重102a。替代地，第一对腹板102中的两个腹板可以包括配重(未示出)。本文描述的配重可以与对应的腹板一体成型，使得腹板和配重形成整体的部件(即，腹板和配重形成一个连续的部件)。替代地，配重和对应的腹板可以是单独的部件，这些部件通过压缩力、通过合适的粘合剂或者通过合适的紧固件结合在一起。例如，图4示出了存在于第一对腹板102中的一个腹板中的单独的配重102a。在任一情况下，配重和腹板可以由相同的材料或不同的材料形成。另外，配重可以具有任何合适的形状(例如圆形、椭圆形、矩形等)
另外地或替代地，第二对腹板104中的至少一个腹板可以包括配重104b。替代地，第二对腹板104中的两个腹板可以包括配重(未示出)。另外地或替代地，第三对腹板106中的至少一个腹板可以包括配重106a。替代地，第三对腹板106中的两个腹板可以包括配重(未示出)。另外地或替代地，第四对腹板108中的至少一个腹板可以包括配重108b。替代地，第四对腹板108中的两个腹板可以包括配重(未示出)。
如本领域普通技术人员将会理解的，图1所示的曲轴组件100描绘了四个曲柄销101、103、105、108、四对对应的腹板102、104、106、108和三个主轴承轴颈110、112、114及相关联部件(例如，对应的连杆、活塞等)，但实际上可以包括少于四个的曲柄销(例如，1个曲柄销、2个曲柄销、3个曲柄销)、少于四对的腹板(例如，1对腹板、2对腹板、3对腹板)、少于三个的主轴承轴颈(2个主轴承轴颈、1个主轴承轴颈)及其组合。另外地或替代地，曲轴组件100实际上可以包括多于四个的曲柄销(例如，5个曲柄销、6个曲柄销、7个曲柄销、8个曲柄销)、多于四对的腹板(例如，5对腹板、6对腹板、7对腹板、8对腹板)、多于三个的主轴承轴颈(例如，4个主轴承轴颈、5个主轴承轴颈、6个主轴承轴颈、7个主轴承轴颈)及其组合。例如，本公开设想了如本文所述的多个曲柄销，每个曲柄销设置在如本文所述的多对对应的腹板之间；分别设置在相邻对的腹板之间的如本文所述的多个主轴承轴颈；以及如本文所述的在曲轴组件的第一末端上的前主轴承轴颈和在曲轴组件的第二末端上的后主轴承轴颈。曲柄销、多对腹板或主轴承轴颈中的至少一个包括如本文所述的聚合物复合材料。多对腹板还可以包括如本文所述的多个相应的配重。
在某些变型中，还可以设想的是，本文所述的腹板可以包括用于将曲柄销与多对对应的腹板联接在一起的一个或多个机械互锁特征。例如，可以将不同形状的互补型突起凸缘、凹槽、通道、锁定翼部用作机械互锁特征。出于示例性的目的，如图2所示，相对于曲柄销109，一对腹板120中的至少一个腹板的至少一部分可以包括用于与第二曲柄销103联接的一个或多个机械互锁特征件130。互补的机械互锁特征可以存在于曲柄销109上，用于与机械互锁特征130互锁。另外地或替代地，一对腹板120中的两个腹板的至少一部分可以包括一个或多个机械互锁特征130，用于与曲柄销109(未示出)联接。这种机械互锁特征可以存在于任何一对腹板、对应的曲柄销、对应的轴承轴颈及其组合上。
另外地或替代地，根据权利要求1所述的曲轴组件还包括联接到第一曲柄销101的连杆(未示出)。此外，本文可以设想的是，曲柄销101、103、105和107中的每个可以联接到对应的连杆以及对应的活塞。
另外地或替代地，套筒140可以在至少一个曲柄销(例如，曲柄销101)周围设置，如图3所示。套筒140可以是具有足够硬度的任何合适的材料，可以对该材料进行润滑或者该材料可以具有较低的摩擦系数。例如，套筒140可以包括如本文所述的金属(例如钢、铁、镁合金、铝合金、金属复合材料)、陶瓷(例如氧化铝、碳化硅、陶瓷复合材料)或聚合物复合材料。可以在金属套筒140周围设置合适的轴承，例如滚子轴承145。轴承可以是金属材料(例如钢、铁、镁合金、铝合金、金属复合材料)。诸如曲柄壳体或连杆的外旋转部件(未示出)可以设置在滚子轴承145周围。这样的外部件可以是金属(例如钢、铁、镁合金、铝合金、金属复合材料)、陶瓷(例如氧化铝、碳化硅、陶瓷复合材料)或如本文所述的聚合物复合材料。
有利地，本文所述的曲轴组件可以包括金属材料(例如钢、铁、镁合金、铝合金、金属复合材料)、陶瓷材料(例如氧化铝、碳化硅、陶瓷复合材料)和聚合物复合材料的组合，从而减轻曲轴组件和整个车辆组件的重量。主轴承轴颈110、112、114、116、118可以包括金属材料(例如钢、铁、镁合金、铝合金、金属复合材料)、陶瓷材料(例如氧化铝、碳化硅、陶瓷复合材料)或如本文所述的聚合物复合材料。特别地，曲柄销101、103、105、107中的至少一个、多对腹板102、104、106、108中的至少一对或主轴承轴颈110、112、114、116、118中的至少一个包括聚合物复合材料。例如，第一曲柄销101可以包括聚合物复合材料，第一对腹板102和/或第一主轴承轴颈110包括聚合物复合材料。另外地或替代地，配重102a、104b、106a、108b可以包括金属材料(例如钢、铁、镁合金、铝合金、金属复合材料)、陶瓷材料(例如氧化铝、碳化硅、陶瓷复合材料)或聚合物复合材料。例如，如图4所示，第一对腹板102中的至少一个腹板和曲柄销101可以包括聚合物复合材料，并且配重102a可以包括金属(例如钢、铁、镁合金、铝合金、金属复合材料)。还可以在本文中设想未示出的材料的其他组合，例如，腹板102可以包括聚合物复合材料，曲柄销101可以包括金属(例如钢、铁、镁合金、铝合金、金属复合材料)，并且配重102a可以包括金属(例如钢、铁、镁合金、铝合金、金属复合材料)，或者，腹板102可以包括金属(例如钢、铁、镁合金、铝合金、金属复合材料)，曲柄销101可以包括聚合物复合材料，并且配重102a可以包括金属(例如钢、铁、镁合金、铝合金、金属复合材料)等。
上述聚合物复合材料包括聚合物和多个增强纤维。合适的聚合物的示例包括但不限于热固性树脂、热塑性树脂、弹性体及其组合。优选的聚合物包括但不限于环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯、双马来酰亚胺、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰胺、聚酰亚胺和聚酰胺酰亚胺。合适的增强纤维的示例包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、聚芳基酰胺纤维、聚乙烯纤维、有机纤维、金属纤维及其组合。特别地，增强纤维是玻璃纤维和/或碳纤维。增强纤维可以是连续纤维或不连续纤维。特别地，增强纤维是连续纤维。
聚合物复合材料可以通过使用复合前体材料的条带形成，例如纤维基材料(例如布或石墨带)。复合材料可以形成有一层或多层，其中每层可以通过接触和/或重叠纤维基材料的条带而形成。特别地，聚合物复合曲柄销可以包括一层或多层，其中每层可以通过接触和/或重叠增强纤维而形成，从而形成增强纤维的交织预制件。增强纤维可以形成为棒形或管形，从而形成聚合物复合销。例如，在图5a中示出了聚合物复合曲柄销300的详细视图，其中增强纤维301(例如碳纤维、玻璃纤维、其组合)进行交织或编织以形成聚合物复合曲柄销300。替代地，聚合物复合曲柄销310可以包括具有中空内部的管状或棒状的编织增强纤维311(例如碳纤维、玻璃纤维、其组合)，如图5b所示。应当注意，其他交织图案也是可以设想的，并且并不限于图5a至图5b所示的仅仅作为示例性实施例的图案。
纤维基基底材料(例如增强纤维)也可以包括树脂(例如聚合物)。树脂可以进行凝固(例如固化或反应)，并且因此可以用于在聚合物复合材料中将单层或多层粘合在一起。通常使用各种方法来将树脂引入到浸渍的纤维基基底复合材料体系中：湿法缠绕(或叠层)、预浸渍(称为“预浸料”)和树脂传递模塑。对于湿法缠绕而言，干纤维增强材料可以在使用时用树脂润湿，通常是通过浸没入浴中来实现。对于预浸渍(预浸料)而言，预先将树脂润湿到纤维基材料中，并且通常包括部分地固化树脂以具有粘性或胶粘一致性的步骤(也称为B阶段部分固化)，然后将预浸料纤维基材料进行缠绕以备用。预浸料复合材料体系倾向于使用热固性树脂体系，该体系可以通过升高的温度被固化，固化时间为约1分钟至约2小时(取决于固化温度)。然而，一些预浸料材料可以使用借助光化辐射(例如紫外线辐射(UV))进行固化的树脂。对于树脂传递模塑而言，可以将干纤维增强材料放置在模具中，并且树脂可以在压力(例如，约10psi至约2000psi)下灌入模具中。本领域中已知的注塑成型技术也可用于将树脂引入增强材料中，特别是在增强材料包括不连续纤维的情况下。例如，可以将包括树脂和增强材料的前体注入或灌入到限定空间或模具中，然后使前体凝固以形成聚合物复合材料。术语“注塑成型”也包括在热固性树脂上使用的反应注塑成型。
在某些其他方面，本教导还设想了附接步骤，其中例如通过在工作表面附近、内部和/或上方的丝线缠绕、编织或交织来施加增强材料。例如，为了形成本文所述的腹板，可以将增强纤维缠绕在曲柄销和任选的配重周围，以形成所需形状的腹板，然后进行树脂灌注和固化以形成聚合物复合腹板。该方法可以任选地包括将未固化的树脂组合物施加或引入到纤维基增强材料中或其上。施加是指未固化或未反应的树脂组合物被润湿到纤维基材料上，并且由此可以涂覆在纤维基材料的表面上或者吸收/浸渍到增强纤维基材料中(例如，进入增强纤维基材料内的孔或开口中)。在将树脂引入到具有增强材料的区域之后，随之进行凝固(例如固化或反应)以形成聚合物复合材料。预浸料纤维基材料也可以通过丝线缠绕、编织或交织来施加。
在某些变型中，为了形成本文所述的腹板，增强纤维可以缠绕在曲柄销和配重(如果存在的话)周围，以形成所需形状的腹板，然后进行树脂灌注和凝固(例如固化或反应)以形成聚合物复合腹板。替代地，本文所述的腹板可以由聚合物复合板或盘形成，其中可以从聚合物复合板或盘上切割出适合形状的具有用于接收曲柄销、配重和/或任何其他销或紧固件的合适孔口的腹板。
在其他特定实施例中，提供了制造本文所述的曲轴组件的方法。该方法可以包括在模具中布置至少第一部件。第一部件可以是金属或陶瓷。第一部件可以选自由连杆、轴承(例如轴颈轴承、滚子轴承)、套筒、油或冷却剂通道或通路、紧固件及其组合组成的组。特别地，至少一个金属部件布置在模具中，例如轴承。该方法还可以包括布置包括如本文所述的第一多个增强纤维(例如碳纤维、玻璃纤维、聚芳基酰胺纤维、聚合物纤维、金属纤维及其组合)的第一曲柄销前体或用于接收与第一部件相邻的第一曲柄销前体的第一曲柄销限定空隙空间。第一曲柄销限定空隙空间可以由存在于模具中的金属或聚合物边界限定，该边界描绘了第一曲柄销的形状。该方法还可以包括布置包括本文的第二多个增强纤维(例如碳纤维、玻璃纤维、聚芳基酰胺纤维、聚合物纤维、金属纤维及其组合)的第一对腹板前体或用于接收与模具中的第一部件相邻的第一对腹板前体的第一对腹板限定空隙空间。第一对腹板限定空隙空间可以由存在于模具中的金属或聚合物边界限定，该边界描绘了第一对腹板的形状。
该方法还包括将树脂引入模具中并凝固(例如固化或反应)该树脂以产生设置在第一对聚合物复合腹板之间并与第一部件相邻的第一聚合物复合曲柄销，从而形成曲轴组件。树脂可以是合适的聚合物，例如但不限于热固性树脂、热塑性树脂、弹性体及其组合。优选的聚合物包括但不限于环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯、双马来酰亚胺、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰胺、聚酰亚胺和聚酰胺酰亚胺。
在某些变型中，布置第一曲柄销限定空隙空间还可以包括例如通过注塑成型将第一曲柄销前体和树脂分别或一起引入到第一曲柄销限定空隙空间中。另外，布置第一对腹板限定空隙空间还可以包括例如通过注塑成型将第一对腹板前体和树脂分别或一起引入到第一对腹板限定空隙空间中。
该方法还可以包括凝固(例如固化或反应)树脂以产生设置在第一对聚合物复合腹板之间并与第一部件相邻的第一聚合物复合曲柄销，以形成曲轴组件。
另外地或替代地，该方法还可以包括布置包括如本文所述的第三多个增强纤维(例如碳纤维、玻璃纤维、聚芳基酰胺纤维、聚合物纤维、金属纤维及其组合)的主轴承轴颈前体或用于接收与第一部件相邻的第一主轴颈轴颈前体的第一主轴承轴颈限定空隙空间。第一主轴承轴颈限定空隙空间可以由存在于模具中的金属或聚合物边界限定，该边界描绘了第一主轴承轴颈的形状。第一多个增强纤维、第二多个增强纤维和第三多个增强纤维可以是相同的或不同的。布置第一主轴承轴颈空隙空间还可以包括例如通过注塑成型将第一主轴承轴颈前体和树脂分别或一起引入到第一曲柄销空隙空间中。因此，可以对树脂进行凝固(例如固化或反应)，以产生设置在第一对聚合物复合腹板与连接到第一对腹板(其与第一部件相邻)的第一主轴承轴颈之间的第一聚合物复合曲柄销，从而形成曲轴组件。
另外地或替代地，该方法可以包括上述步骤的任何组合。例如，第一曲柄销前体、第一曲柄销限定空隙空间、第一对腹板前体、第一对腹板限定空隙空间、第一主轴承轴颈前体和/或第一主轴承轴颈限定空隙空间可以在没有第一部件的情况下在模具中彼此相邻地布置。
另外地或替代地，该方法还可以包括通过任何合适的方式(例如紧固件、粘合剂等)对部件进行进一步紧固。
如本领域技术人员将会理解的，本文所述的方法设想在模具中布置多个金属部件、布置多个曲柄销前体和多对腹板前体、将如本文所述的树脂引入到模具中以及使树脂固化或反应以产生设置在多对对应的腹板之间并与多个对应的金属部件(例如主轴承轴颈)相邻的多个聚合物复合曲柄销，从而形成曲轴组件。
另外地或替代地，至少一个金属部件可以是曲柄销和/或一对腹板。因此，如果其中一个金属部件是曲柄销，则该方法可以包括将包括本文中的多个增强纤维(例如碳纤维、玻璃纤维、聚芳基酰胺纤维、聚合物纤维、金属纤维及其组合)的一对腹板前体布置来与模具中的至少一个金属部件(例如曲柄销)相邻，然后再将如本文所述的树脂引入到模具中并使树脂固化或反应以形成曲轴组件。类似地，如果其中一个金属部件是一对腹板，则该方法可以包括布置包括本文中的多个增强纤维(例如碳纤维、玻璃纤维、聚芳基酰胺纤维、聚合物纤维、金属纤维及其组合)的曲柄销前体布置来与模具中的至少一个金属部件(例如一对腹板)相邻，然后再将如本文所述的树脂引入到模具中并使树脂固化或反应以形成曲轴组件。
在其他某些变型中，曲轴组件可以通过分别形成每个部件(例如每个腹板、每个曲柄销、每个主轴承轴颈等)且随后将这些部件结合在一起以形成曲轴组件来制造。
在其他某些变型中，本公开设想了包括本文所述的曲轴组件的车辆组件(例如发动机组件)。例如，如图6最佳所示，提供了发动机组件1(例如，用于车辆中)。发动机组件1包括限定开口空隙圆柱形区域7的衬套2。衬套2可以是任何合适的材料，例如但不限于金属(例如钢、铁、镁合金、铝合金、金属复合材料)或陶瓷(例如氧化铝、碳化硅、陶瓷复合材料)。在某些变型中，衬套2是金属材料。衬套2通常可以是圆柱形的并且具有中空的内部。衬套2具有内部表面3、相对的外部表面4、第一端表面5和相对的第二端表面6。发动机组件1还包括设置在衬套2的外部表面4的至少一部分周围的壳体8。壳体8还可以与衬套2的第二端表面6相邻。壳体8具有内部表面9、相对的外部表面10、第三端表面11和相对的第四端表面12。壳体8可以是轻质金属(例如铝合金、镁合金)、陶瓷材料(例如氧化铝、碳化硅)或聚合物复合材料。一层聚合物复合材料(例如包括不连续纤维)(未示出)也可以存在于衬套2的外部表面4与壳体8的内部表面9之间。
发动机组件1还可以包括具有第五端表面14和相对的第六端表面15的汽缸盖13。第六端表面15的至少一部分可以与衬套2的第一端表面5相邻。汽缸盖13可以是任何合适的材料，例如金属(例如钢、铁、镁合金、铝合金、金属复合材料)、陶瓷(例如氧化铝、碳化硅、陶瓷复合材料)或如本文所述的聚合物复合材料。在某些变型中，汽缸盖13是金属材料。衬套2可以通过其与汽缸盖13和壳体8的接触而保持在合适的位置。冷却剂通道16可以限定在衬套2的外部表面4的至少一部分、壳体8的内部表面9和汽缸盖13的第六端表面15之间。如果存在有一个以上的衬套，则可能存在有与每个衬套相邻的连续的冷却剂通道16，或者可能存在有对应于每个衬套的分离的冷却剂通道。冷却剂通道16能够接收用于冷却车辆组件(例如发动机组件)的合适的热传递流体。合适的热传递流体的示例包括但不限于空气、水、油、乙二醇、丙二醇、甘油、甲醇及其组合。空气可以从空调***供应或由车辆的运动产生。特别地，热传递流体是水和乙二醇的混合物。热传递流体可以由至少一个泵(未示出)从至少一个供应储存器或供应通道(未示出)供应到冷却剂通道16中的至少一个入口(未示出)处。泵和供应储存器可以邻近发动机组件存在。热传递流体可以在约70℃至约140℃、约80℃至约130℃或约90℃至约120℃的温度下循环通过冷却剂通道16。泵和供应储存器可以邻近发动机组件存在。任选地，热传递流体可以流过冷却器(未示出)，以进一步降低热传递流体的温度，或者热传递流体可以流过加热器(未示出)，以提高热传递流体的温度。本领域普通技术人员应当理解，热传递流体可以在必要时供应给一个或多个冷却剂通道。
汽缸盖13、壳体8和/或衬套2可以通过任何合适的紧固件联接在一起。例如，多个紧固件17(例如螺栓)可以将汽缸盖13和壳体8结合在一起。多个紧固件17可以包括任何合适的材料，例如但不限于金属、聚合物复合材料及其组合。另外地或替代地，合适的密封剂(未示出)和/或垫圈(未示出)可以存在于汽缸盖13的第六端表面15的至少一部分、衬套2的第一端表面5的至少一部分和/或壳体8的第三端表面11的至少一部分之间。
由衬套2限定的圆柱形区域7可以接收活塞18。活塞18通过连杆19连接到如本文所述的曲轴组件100。活塞18和连杆19可以是任何合适的材料，例如金属、陶瓷、聚合物复合材料及其组合。如本领域技术人员将会理解的，图7所示的发动机组件1描绘了单个活塞18和单个圆柱形区域7以及相关联部件，但实际上却可以包括多个活塞、圆柱形区域7、多个聚合物复合销39和上述相关联部件。
在各种实施例中，壳体8包括汽缸壳体部分8a和曲柄壳体部分8b。汽缸壳体部分8a和曲柄壳体部分8b可以一体地形成，如图6所示。替代地，如图7所示，汽缸壳体部分8a和曲柄壳体部分8b可以是通过粘合剂(未示出)或发动机组件50中的多个紧固件17而结合在一起的不同部件。当作为不同的部件存在时，汽缸壳体部分8a和曲柄壳体部分8b可以是相同或不同的材料。参考图8，汽缸壳体部分8a具有第七端表面21和相对的第八端表面22。曲柄壳体部分8b具有第九端表面23和相对的第十端表面24。曲柄壳体部分的第九端表面23与衬套2的第二端表面6和汽缸壳体部分8a的第八端表面22相邻。汽缸壳体部分8a的第七端表面21可以与汽缸盖13的第六端表面15相邻。汽缸盖13、汽缸壳体部分8a、曲柄壳体部分8b和/或衬套2可以通过本文所述的任何合适的紧固件联接在一起。例如，多个紧固件17(例如螺栓)可以将汽缸盖13、汽缸壳体部分8a和曲柄壳体部分8b结合在一起。多个紧固件17可以包括任何合适的材料，例如但不限于金属、聚合物复合材料及其组合。另外地或替代地，合适的密封剂(未示出)和/或垫圈(未示出)可以存在于汽缸盖13的第六端表面15的至少一部分、衬套2的第一端表面5的至少一部分和/或汽缸壳体部分8a的第七端表面21的至少一部分之间。
在某些方面，壳体8是如本文所述的聚合物复合材料。在这种情况下，壳体8可以包括合适的聚合物和多个合适的增强纤维。合适的聚合物的示例包括但不限于热固性树脂、热塑性树脂、弹性体及其组合。优选的聚合物包括但不限于环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯、双马来酰亚胺、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰胺、聚酰亚胺和聚酰胺酰亚胺。合适的增强纤维的示例包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、聚芳基酰胺纤维、聚乙烯纤维、陶瓷纤维、有机纤维、金属纤维及其组合。特别地，增强纤维是玻璃纤维和/或碳纤维。增强纤维可以是不连续纤维或连续纤维。特别地，增强纤维是连续纤维。
为了加热和/或冷却发动机组件1，壳体8(例如聚合物复合材料)还可以包括多个微通道25，如图6所示，用于接收如本文所述的热传递流体。热传递流体可以由至少一个泵(未示出)从至少一个供应储存器或供应通道(未示出)供应到车辆组件中的微通道25中的至少一个入口(未示出)处。泵和供应储存器可以邻近发动机组件存在。热传递流体可以在合适的温度下进行供应以冷却和/或加热车辆组件，例如在约10℃至约120℃、约20℃至约100℃或约20℃至约90℃下。任选地，热传递流体可以流过冷却器(未示出)，以进一步降低热传递流体的温度，或者热传递流体可以流过加热器(未示出)，以提高热传递流体的温度。
微通道25可以具有基本上圆形的横截面。如本文所理解的，“基本上圆形”可以包括圆形的和椭圆形的横截面，并且横截面的尺寸可能在某些方面有所偏差。微通道25可以具有小于约8000μm的直径。另外地或者替代地，微通道25具有约0.1μm至约8000μm、0.1μm至约5000μm、0.1μm至约1000μm、约1μm至约500μm或约1μm至约200μm的直径。另外地或替代地，微通道25可以具有基本上矩形的横截面。如本文所理解的，“基本上矩形”可以包括正方形的横截面，并且横截面的尺寸可能在某些方面有所偏差。优选地，微通道25的至少一部分相互连接，这可以防止出现堵塞。微通道25可以沿任何合适的方向定向，例如轴向、径向、螺旋形、分支状、相交、十字交叉及其组合。
在某些其他方面，本教导还设想了使用牺牲纤维在聚合物复合材料(例如壳体8)中形成微通道25的过程。如图8a所示，复合交织预制件200包括相互交织的第一增强纤维201(例如碳纤维、玻璃纤维)和第二增强纤维202(例如碳纤维、玻璃纤维)，以形成三维交织结构。第一增强纤维201和第二增强纤维202可以是相同或不同的纤维。牺牲纤维203可以与第一增强纤维201一起交织到复合交织预制件200中，如图8b所示。可以将第一增强纤维201和牺牲纤维203以正弦曲线的形式引导通过第二增强纤维202。应当注意，其他交织图案也是可以想到的，并且并不限于图8a至图8e所示的仅仅是示例性实施例的图案。牺牲纤维203包括这样一种材料：其能够经受与第一增强纤维201和/或第二增强纤维202的交织以及聚合物复合材料的凝固(例如树脂灌注和固化)，但能够在基本上不会使聚合物复合材料(例如增强纤维)的其他部件汽化、熔化或溶解的条件下发生汽化、熔化或溶解。合适的牺牲纤维材料的示例包括但不限于金属和聚合物。非限制性金属可以包括包括铅、锡、锌、铝、和合适合金等的焊料。非限制性聚合物可以包括聚乙酸乙烯酯、聚乳酸、聚乙烯、聚苯乙烯。另外地或替代地，牺牲纤维可以进一步用催化剂进行处理或者经过化学修饰以改变熔化或降解行为。
在加入牺牲纤维203之后，将树脂204灌注到复合交织预制件200中，该复合交织预制件随后在合适的条件下凝固(例如反应或固化)，分别如图8c和图8d所示，以形成聚合物复合材料210。在凝固(例如反应或固化)之后，可以进一步对聚合物复合材料210加以处理(例如加热)，以使牺牲纤维203挥发、熔化或降解，或者，牺牲纤维203可以发生溶解以产生降解物。例如，可以将牺牲纤维加热到基本上汽化或熔化牺牲纤维但却基本上不会降解增强纤维和/或固化树脂的温度(例如约150℃至约200℃)。任何合适的溶剂(例如但不限于丙酮)都可以施加到牺牲纤维上以任选地通过搅拌将它们溶解，只要该溶剂基本上不会降解或溶解增强纤维和/或固化树脂。替代地，可以使用合适的酸(例如盐酸、硫酸、硝酸等)对牺牲纤维进行蚀刻。可以除去降解物以在聚合物复合材料210中形成微通道205，例如通过向聚合物复合材料施加真空或将气体引向聚合物复合材料以将降解物排出聚合物复合材料。在本文中还可以设想的是，微通道可以存在于非聚合物复合外壳中，例如存在于金属外壳或陶瓷外壳中。
在其他变型中，复合前体材料可以注塑或以其他方式施加到衬套2的相对的外部表面4上，随后可以进行固化以形成壳体8。
另外地或替代地，聚合物复合材料(例如壳体8)可以包括多个用于改善热传递的微球体(未示出)。微球体可以是陶瓷或玻璃，并且任选地可以用金属、陶瓷和/或纳米颗粒进行涂覆。优选地，涂层具有高导热性，例如铝、铜、锡等。微球体可以具有小于约1000μm的直径。另外地或替代地，微球体的直径为约0.1μm至约1000μm、约1μm至约500μm、或者约1μm至约200μm。
另外地或替代地，聚合物复合材料(例如壳体8)可以包括用于加热发动机组件的至少一根线。例如，如图9所示，一根或多根线302可以加入到或交织到聚合物复合曲柄销300(例如壳体8)中的增强纤维301(例如碳纤维)中。线302可以包括适于导电的任何材料(例如铜、镍铬合金等)。线302可以与增强纤维301绝缘。例如，线302可以包括合适的绝缘涂层，例如聚合物涂层和/或编织的玻璃纤维护套。为了加热线302，电力由电池或其他合适的外部源(未示出)提供并由控制单元(未示出)控制。参考图6，虽然现在进行了示出，但是本领域普通技术人员将会认识到，除了多个微通道25之外或者作为多个微通道25的代替，线302可以包括在壳体8中。
在具体实施例中，聚合物复合壳体包括以下项中的一个或多个：(i)如本文所述的多个微通道；(ii)如本文所述的至少一根线；以及(iii)如本文所述的多个微球体。另外地或替代地，聚合物复合壳体包括(i)、(ii)和(iii)中的两个或多个(例如(i)和(ii)、(i)和(iii)、(ii)和(iii))。另外地或替代地，聚合物复合壳体包括(i)、(ii)和(iii)。
再次参考图6，发动机组件1还可以包括在壳体8的外部表面10的至少一部分周围设置的聚合物复合层26。聚合物复合层26可以用作用于发动机组件的机械、化学和/或热屏蔽件。聚合物复合层26可以包括本文所述的合适的聚合物(例如热固性树脂、热塑性树脂、弹性体)和多个合适的增强纤维(例如碳纤维、玻璃纤维、聚芳基酰胺纤维、聚乙烯纤维、陶瓷纤维、有机纤维、金属纤维及其组合)。特别地，增强纤维是玻璃纤维和/或碳纤维。增强纤维可以是不连续纤维。聚合物复合层26可以通过注射成型而形成。另外地或替代地，聚合物复合层26可以在汽缸盖13的至少一部分周围延伸，如图11所示。此外，如替代性车辆组件90中的图11所示，聚合物复合层26可以沿着壳体8的基本上所有外部表面10延伸。另外地或替代地，聚合物复合层26可以在车辆组件的任何******周围延伸，例如水泵、空调、涡轮增压器。替代地，在本文中可以设想的是，作为使用聚合物复合层26的替代，可以在其位置处使用金属层或陶瓷层。替代地，在本文中可以设想的是，作为使用聚合物复合层26的替代，可以在其位置处使用金属层或陶瓷层。这种聚合物复合层26、金属层或陶瓷层可以密封发动机组件的外侧并防止流体从发动机组件中的各个部件之间泄漏出去，并且还可以避免使用垫圈来密封发动机组件。
在其他变型中，如本文中用于壳体8、聚合物复合销39和/或聚合物复合层26的聚合物复合材料可以通过本领域已知的任何其他合适的方法进行制造，例如拉挤成型、反应注塑成型、注塑成型、压缩成型、预浸料成型(在高压釜中或作为压缩成型)、树脂传递模塑和真空辅助树脂传递模塑。此外，纤维前体可以通过本领域已知的任何其他合适的方法进行制造，例如编织、交织、缝合、针织、预浸料、手工叠层以及机器人或手工纤维束放置。
在各个方面，如图11a和图11b所示，可以设想发动机组件400，其包括盖27。盖27可以与壳体8的第三端表面11和汽缸盖13的第六端表面15相邻。盖27可以是任何合适的材料，例如金属、陶瓷或聚合物复合材料。特别地，盖27是金属(例如钢、铁、镁合金、铝合金)，尤其是在壳体8是聚合物复合材料时，这是因为盖27可以比聚合物复合材料更具有加工性。盖27可以用作汽缸盖13与壳体8之间的配合表面。优选地，盖27和衬套2是相同的材料(例如金属)，使得它们可以一起进行加工或成形，从而为汽缸盖密封垫圈和/或汽缸盖13作好准备。盖27可以用合适的粘合剂结合至壳体8或者直接与壳体8一起模制。汽缸盖13、盖27和/或壳体8可以通过聚合物复合销39经由本文所述的方法结合在一起。另外地或替代地，类似于盖27的第二盖(未示出)可以与汽缸壳体部分8a和第八端表面22和曲柄壳体部分8b的第九端表面23相邻。
在其他变型中，还可以设想的是，本文所述的一个或多个车辆组件部件包括用于将各种车辆部件联接在一起的一个或多个机械互锁特征。例如，可以将不同形状的互补型突起凸缘、凹槽、通道、锁定翼部用作机械互锁特征。特别地，如替代性发动机组件60中的图12所示，衬套2的外部表面4的至少一部分可以包括用于与壳体8(例如内部表面9)联接的一个或多个机械互锁特征28，特别是在壳体8是聚合物复合材料的情况下。另外地或替代地，盖27和/或壳体8的第三端表面11可以包括一个或多个用于将盖27与壳体8联接的机械互锁(未示出)特征。另外地或者替代地，陶瓷材料可以存在于发动机组件中的各个金属和聚合物复合部件之间，以实现绝缘的目的。在本文中应理解的是，本文所述的各种金属部件可以容易地进行加工或铸造。
已经出于图示和描述的目的提供了实施例的前述描述。其并非意图是全面而彻底的或者是限制本公开。特定实施例的单独元素或特征一般不限于该特定实施例，但在适用的情况下是可互换的并且可以在所选实施例中使用，即使其未被具体地示出或描述。还可以以许多方式对其进行修改。不应将此类变型视为违背本公开，并且所有此类修改意图被包括在本公开的范围内。
Claims (10)
1.一种用于车辆的曲轴组件，其包括：
布置在第一对腹板之间的第一曲柄销；以及
连接到所述第一对腹板的至少第一主轴承轴颈，其中所述第一曲柄销、所述第一对腹板或所述第一主轴承轴颈中的至少一个包括聚合物复合材料，所述聚合物复合材料包括聚合物和多个增强纤维。
2.根据权利要求1所述的曲轴组件，其中所述聚合物是热固性树脂或热塑性树脂，并且所述多个增强纤维选自由碳纤维、玻璃纤维、聚芳基酰胺纤维、聚合物纤维、金属纤维及其组合组成的组。
3.根据权利要求1所述的曲轴组件，其中所述第一曲柄销包括所述聚合物复合材料。
4.根据权利要求3所述的曲轴组件，其还包括在所述第一曲柄销周围布置的套筒和/或在所述套筒周围设置的滚子轴承。
5.根据权利要求4所述的曲轴组件，其中所述套筒包括金属材料或陶瓷材料。
6.根据权利要求1所述的曲轴组件，其中所述第一对腹板包括所述聚合物复合材料。
7.根据权利要求1所述的曲轴组件，其中所述第一对腹板中的至少一个腹板还包括配重，其中所述配重包括与所述腹板相同或不同的材料。
8.根据权利要求1所述的曲轴组件，其中所述第一对腹板包括用于与所述第一曲柄销联接的至少一个机械互锁特征。
9.根据权利要求1所述的曲轴组件，其还包括设置在第二对腹板之间的第二曲柄销，其中所述第一曲柄销和所述第一对腹板通过所述第一主轴承轴颈和连接到所述第二对腹板的第二主轴承轴颈连接到所述第二曲柄销和所述第二对腹板。
10.根据权利要求1所述的曲轴组件，其还包括联接到所述第一曲柄销的连杆。
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