專利名稱：內燃機曲軸的制作方法
技術領域：
本發明與一種內燃機曲軸有關，其類型為銷件與曲柄臂通過冷縮/熱脹連接。
當將一個內燃機曲軸通過冷縮/熱脹連接時，其含義一般指全組合曲軸或半組合曲軸，全組合曲軸的每一個曲拐的構造，為將一個曲柄銷在兩個曲柄臂銷孔中牢固冷縮/熱脹，然后將各個曲拐用主軸承軸頸銷連接，主軸承軸頸銷也類似在曲拐臂的銷孔中借助于冷縮/熱脹緊固;半組合曲軸為將預鍛或預鑄的曲拐，借助于在曲柄臂的孔中被冷縮/熱脹的銷作連接。如英國專利第1，345，769號所述，曲拐也可改用環形銷件連接，環在外側牢固地冷縮/熱脹在與相應曲拐相關的兩個相對的軸向延伸銷上。
由于在發動機工作時，必須保持曲拐相互的角度關系，尤其軸轉矩的傳遞能力，特別受熱裝/冷縮配合面積及垂直作用在該表面上的冷縮/熱脹力限定。由于材料在熱裝/冷縮表面周圍區域流動性是不希望的，故理想冷縮/熱脹力和熱裝/冷縮孔周圍材料必要厚度之間有直接的關系。要求不斷減小曲軸重量和其傳遞力矩之間的比率，導致鑄造曲軸的使用，但比全組合或半組合的軸要昂貴。
本發明的一個目的，是減小上述類型曲軸的軸重與最大容許轉矩的比率。
按照這一觀點，本發明的軸的特點為至少在一個配合的熱裝/冷縮表面上，設有摩擦增高材料。
與先有技術的曲軸比較，并由于熱裝/冷縮表面之間的摩擦增高材料產生的較高的摩擦系數，對于同樣的轉矩和同樣的熱裝/冷縮面積，軸可用較小的冷縮/熱脹力將該軸保持在一起，即裝配后的軸的熱裝/冷縮面之間的表面壓力較小。這樣便降低了曲柄臂的應力值，從而可減小臂的截面積，從而減輕重量，尤其在發動機動轉時，在臂的僅有比較小的動量載荷的區域內。
曲軸重量的這種可能的減小，對大型低速內燃機是特別有利的，在某些情況下為了便于搬運，在向發動機底架上安裝時必須將軸分為兩組裝件，在普通的曲軸車床和曲軸裝配臺中，最大提升能力達到180頓，相當于8或9氣缸發動機的已知熱裝/冷縮軸的重量。假如發動機要用10至12個氣缸組裝，必須將軸分為兩部件，對于凸輪軸為鏈驅動的發動機在中部位置上的鏈輪處裝配。就本發明的曲軸較輕的情況下，要求曲軸分開的氣缸數目提高了，因此，具有許多氣缸的發動機可用不分開的曲軸來制造，其鏈輪配置在發動機的端部，從而除了可降低曲軸的制造成本外，還可使發動機的長度較短。
還可利用曲柄臂的較低應力值來減小曲柄銷與主軸承軸頸的中心距，于是連桿減短，并降低發動機高度。
當將銷件設計成冷縮/熱脹在曲柄臂上的軸向延伸孔中的軸向延伸銷時，從工藝及成本考慮可僅在銷的外周的熱裝/冷縮面上設有摩擦增高材料。在一個優點實施方案中，本發明的效果的提高在于在銷的外周上和孔的圓柱內側上的配合熱裝/冷縮面上，都設有摩擦增高材料。
在某一方案中，摩擦增高材料可以是鎳涂層，在鋼件上滑動時提供高摩擦力，而在鎳上滑動時，摩擦力更加增高。鎳涂層可涂成任何需要的厚度。對于小曲軸，舉例而言，采用等離子涂布或化學沉積涂層可以很薄，而較大的軸則可用熱涂布。
在第二實施方案中，摩擦增高材料中可含有顆粒，最好用金鋼砂粉末，比曲軸或軸頸件的基礎材料硬度高得多。在熱裝/冷縮前，將顆粒分布在一個或兩個配合熱裝冷面上，例如將其用諸如脂肪等的粘性液粘附，或將其用膠粘在表面上，當將組件熱裝/冷縮連接時，硬顆粒陷入兩熱裝/冷縮面內，在里面形成某種微齒，很大提高縮熱裝/冷面的轉矩傳遞能力。金剛砂粉特別適合作顆粒材料，因其硬度非常高，結晶成化學性能非常穩定的金剛石結構，從而可在發動機的全部使用壽命中，獲得高度可靠性、防止顆粒向周圍鋼結構中轉移，或為其吸收。
在第三實施方案中，顆粒埋入金屬基質，基質為鎳涂層有利，然后可將上述摩擦增高性能結合于該涂層中。
現通過實施方案參照高度簡略的附圖，詳細說明本發明，附圖如下
圖1及2分別表示半組合曲拐的帶局部剖面的側視圖，和端視圖;
圖3為主軸承軸頸銷側視圖，圖4為一組合曲軸的側剖視5至7表示通過本發明三種不同曲軸結構的熱裝/冷縮面的放大比例橫剖視圖。
圖1及2所示的半組合曲軸的曲拐可用鍛造或鑄造制造，有兩個臂和一個連接的曲柄銷3。每一臂有一個軸向伸展的孔4，其基本為圓柱形的內側，構成兩個相關的熱裝/冷縮面之一。圖3表示銷5，有三個沿軸向分隔的基本圓柱形段，中間的一段為軸頸面6，銷末梢兩端段7，各構成另外的熱裝/冷縮面，在軸的配裝狀態下被約束在相關的孔4中。
按已知的方法，通過將曲拐夾持曲軸裝配臺上，使相互間成正確角度，對曲拐臂加熱和/或將銷5冷卻，然后將銷的區段7插入孔4中可將各曲拐1連接或一個完整的軸。銷相對于孔設計成這樣的超差尺寸，當該兩部件達到相同溫度時，產生使該兩件牢固連接所需要的冷縮/熱脹應力。
在下文中，與上述元件有相同功能的元件，無論有關全組合或半組合軸予以相同的標號。在圖4所示的全組合曲軸的曲拐1中，主軸承軸頸銷和曲柄銷一樣制成，熱裝/冷縮在曲柄臂2的孔中的銷件5。
隨后的圖5至7表示銷件5與曲柄臂之間的過渡區，圖的比例很大，從而可見相關冷縮/熱脹面上的摩擦增高材料。
在圖5中，銷件的冷縮/熱脹面7涂鎳層8，孔4的內側面也類似涂覆鎳層9。與已知的無涂覆層的鋼表面比較，兩部分上的鎳涂覆層約提高兩表面間的摩擦系數200%，而僅在一個部分上的鎳涂覆層，一般僅在銷件上約提高摩擦系數50%。可將所要求的冷縮/熱脹應力或熱裝/冷縮面的面積，按與摩擦系數變化的反比改變，亦即容許轉矩相同時，可使現成的曲軸的重量減小。兩部分上有鎳涂覆層時，例如，在圍繞銷件5的徑向最外半部的環形區上配置的臂材料重量，約可減小20%。
鎳涂覆層可通過電沉積，或用等離子涂覆或噴霧作熱涂布。
如圖6所示，通過將比臂或銷件5的基礎材料硬度高得多的顆粒10涂在至少一個熱裝/冷縮面上，還可將摩擦系數更為提高，如上所述，該顆粒當被壓入兩部分上時，造成某種微齒，從而在達到相同溫度時，互相銷緊。
假如使用了硬度高的鐵磁材料，諸如CrO作顆粒材料，則至少可在一個熱裝/冷縮面上設置顆粒，將軸連接時，不需用粘合劑將顆粒粘在熱裝/冷縮面上。在將兩個部件放在曲軸臺上后，至少將一個部件磁化，從而在將鐵磁顆粒散布后，顆粒由磁性保持在熱裝/冷縮面上，直到將各部分互相插接。熱裝/冷縮時，假使兩部件中的一個受熱，必然將冷的部件磁化。磁化可用電磁鐵進行，或用繞在一個部件上的電磁線圈。這種在熱裝/冷縮面上設置摩擦增高材料的方法有利，因為能很快在現有的曲軸制造車間中應用，僅需增設磁源。
圖7表示第三實施方案，其熱裝/冷縮面上設有含硬顆粒10的金屬涂層11，12。假如希望將顆粒10，例如如金鋼砂粉末牢固粘在熱裝/冷面上，并且希望臂和銷件轉移到軸裝配現場前已制成，則這一方案有利。可將金屬基質作為均勻厚層涂布，具有這樣的精確厚度，使得在裝好的軸上的冷縮/熱脹應力達到預定的大小。可用等離子噴涂，將含顆粒的涂層涂布到熱裝/冷縮面上。
借助于相關表面上的顆粒幾何形狀互鎖而獲得的冷縮/熱脹面的改善的轉矩傳遞能力，還可以進一步提高，因為金屬基質用鎳制造，使設有顆粒的基質表面區域中的摩擦系數增大。盡管該圖表示了在兩個部件2及5上有基質涂層，當然可以僅在一個部件的熱裝/冷縮表面上涂布。
曲軸可改用環形的銷件制成，環通過冷縮/熱脹，固定在與相應的一個曲拐相關的兩個相對的軸向伸展的銷的外側上，本例中相關的曲軸表面包括環的內側和銷的外側，但在這情況下，還可以有至少一個配合的熱裝/冷縮表面，與上述很相似，上面設有摩擦增高材料。
權利要求
1.一種內燃機的曲軸，其類型為有一個銷件(5)和一個曲柄臂(2)，通過熱裝/冷縮連接在一起，其特征在于至少配合的熱裝/冷縮表面之一，設有摩擦增高材料(8，9；10；11，12)。
2.如權利要求1所述之曲軸，其中銷件為用來熱裝/冷縮于曲柄臂的軸向延伸孔(4)中的軸向延伸銷(5)其特征為在銷的周緣上的和孔的圓柱形內側上的配合熱裝/冷縮面上，都設有摩擦增高材料(8，9;10;11，12)。
3.如權利要求1所述之曲軸，其中銷件為用來在外部熱裝/冷縮套在與相應曲拐相關的兩個相對的軸向延伸的銷上的環，其特征為環的內側上和銷的外側上的配合熱裝/冷縮表面，設有摩擦增高材料。
4.如權利要求1所述之曲軸，其中的銷件為用于通過熱裝/冷縮緊固在曲柄臂孔(4)中的軸向延伸銷(5)，其特征為銷的兩個圓柱形熱裝/冷縮表面(7)，設有摩擦增高材料(8，9;10;11，12)，而中部的軸頸面(6)上沒有這種材料。
5.如權利要求1至4中任何項所述之曲軸，其特征為摩擦增高材料為鎳涂層(8，9)。
6.如權利要求1至4中任何項所述之曲軸，其特征為摩擦增高材料中含有比曲柄臂(5)和銷件(5)的基礎材料硬度高得多的顆粒(10)。
7.如權利要求1至4中任何項所述之曲軸，其特征為摩擦增高材料為包括埋有硬度比曲柄臂(2)及銷件(5)的基礎高得多的顆粒(10)的金屬基質(11，12)的涂層。
8.如權利要求6或7中所述之曲軸，其特征為所述顆粒包括鋼砂粉末(SiC)(10)
9.如權利要求7或8中所述之曲軸，其特征為金屬基質(11，12)含有鎳。
10.如上述任一權利要求所述之曲軸，其特征為摩擦增高材料包括(CrO2C10)。
全文摘要
內燃機曲軸為用熱裝/冷縮連接的曲柄臂與銷件的全組合件或半組合件。至少配合的熱裝/冷縮表面之一設有摩擦增高材料，該材料可以包括鎳涂層，或硬度比臂或銷件的基礎材料高得多的顆粒，或為一種包括埋于鎳基質(11，12)中的硬顆粒的涂層，摩擦增高涂層增加了熱裝/冷縮面的轉矩傳遞能力，冷縮/熱脹應力降低，從而可制造重量較小的曲軸。
文檔編號F16B2/00GK1061467SQ9111056
公開日1992年5月27日 申請日期1991年10月31日 優先權日1990年11月12日
發明者T·S·克努森, J·邁耶 申請人:曼·B及W柴油機公司