曲轴内的椭圆形芯部的加工的制作方法

本公开涉及曲轴的加工，具体涉及锻造曲轴内的椭圆形芯部的加工。

背景技术：

本部分提供了与本公开相关的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。

发动机曲轴将活塞的往复线性运动转换成绕着曲柄轴线的旋转运动，以提供扭矩来推动车辆，例如，但不限于：火车、船只、飞机或汽车。曲轴是发动机的重要组成部分，而且还是发动机设计的起始点。曲轴设计会对发动机的总体封装产生影响，并由此对发动机的总质量产生影响。因此，最大程度地减小曲轴的尺寸和/或质量可减小发动机的尺寸及质量，这对车辆的总体尺寸、质量和燃料经济性具有综合影响。

曲轴包括至少一个偏离曲柄轴线的曲柄销轴颈，其中往复式活塞经由连杆附接至该曲柄销轴颈。通过其间的偏离连接从活塞施加至曲轴的力在曲轴中产生扭矩，该扭矩使曲轴绕着曲柄轴线进行旋转。曲轴进一步包括至少一个绕着曲柄轴线同心设置的主轴承轴颈。曲轴在主轴承轴颈处固定至发动机缸体。轴承在曲轴与发动机缸体之间绕着主轴承轴颈进行设置。

曲轴通常通过铸造工艺(例如，但不限于：湿砂铸造工艺或壳模铸造工艺)来形成或制造，该铸造工艺利用铸铁来形成曲轴。可选地，曲轴可由钢合金锻造而成。钢的强度大于铸铁。因此，与铸铁相比，钢更适合用于制造曲轴。然而，锻造工艺的成本高于铸造工艺。此外，如本文所说明的，通常期望的是最大程度地减小曲轴的尺寸和/或质量，以减小发动机的尺寸和质量以及车辆的关联尺寸和质量，并提高其燃料经济性。

众所周知，为了降低曲轴的重量，曲柄销和主轴承轴颈可具有中空部分。中空部分的最大体积(即曲轴的减轻重量)受限于曲轴在发动机操作期间所必须承受的应力。换言之，曲轴必须具有足够的厚度，从而使得曲轴能够承受应力。在传统的铸造曲轴中，此类中空部分通过一个或多个内部芯部来形成。然而，为了实现只能经由锻造获得的益处，在锻造曲轴时，由于需要对锻造曲轴进行加工，因此难以形成此类中空部分。

技术实现要素：

本部分提供了本公开内容的一般概述，但并未全面公开其整个范围或其所有特征。

根据本教导的原理，提供了用于发动机的锻造曲轴组件及制造该锻造曲轴组件的方法。锻造曲轴组件包括锻造曲轴以及用于使得能够在曲轴内进行芯部钻削或腔体铣削的可拆卸配重。锻造曲轴包括销轴承轴颈、主轴承轴颈、支撑销轴承轴颈的第一曲柄臂、支撑销轴承轴颈并使销轴承轴颈与主轴承轴颈相连接的第二曲柄臂，以及形成在第二曲柄臂的至少一部分内的至少一个铣削曲柄臂腔体。可拆卸配重从第一曲柄臂径向向外延伸，其中曲柄臂腔体被配置成使得芯部钻头或铣刀仅在可拆卸配重从第一曲柄臂移除时才可进入其内，并使得芯部钻头或铣刀在可拆卸配重联接至第一曲柄臂时无法进入其内。

通过本文所提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。本发明内容部分中的描述及具体示例仅出于说明的目的，而并不旨在限制本公开的范围。

附图说明

本文所描述的附图仅仅为了说明所选实施例，而并非所有的可能实施方式，且其并不旨在限制本公开的范围。

图1是示出了根据本教导的原理的具有可拆卸配重和铣削腔体的锻造曲轴的剖视图；

图2是示出了根据图1的锻造曲轴的放大剖视图；

图3是示出了根据本教导的原理的第一腔体形成步骤的放大剖视图；

图4是示出了根据本教导的原理的第二腔体形成步骤的放大剖视图；

图5是示出了根据图1的锻造曲轴的腔体的剖视图；

图6是示出了根据本教导的原理的腔体形成步骤的放大剖视图；

图7是示出了根据本教导的原理的可拆卸配重的正视图；以及

图8是示出了根据本教导的原理的可拆卸配重的侧视图。

在附图的若干视图中，相应的附图标记表示相应的部件。

具体实施方式

现将参照附图对示例性实施例进行更全面的描述。

提供了示例性实施例，从而使得本公开内容将是详尽的，并将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。阐述了许多具体细节(例如，具体部件、装置和方法的示例)，以提供对本公开的实施例的全面理解。对本领域技术人员而言，显而易见的是：无需采用具体细节；示例性实施例可以以多种不同的形式进行实现；以及具体细节和示例性实施例均不应被理解为限制本公开的范围。在某些示例性实施例中，不对已知工艺、已知装置结构以及已知技术进行详细的描述。

本文所使用的术语仅出于描述特定示例性实施例的目的，而并非旨在具有限制性。如本文所使用的，除非上下文清楚地另有说明，否则单数形式“一”、“一个”以及“该”可旨在包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包括性的。因此，这些术语明确说明了存在所声明的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或增加。除非具体确定为执行顺序，否则本文所描述的方法步骤、工艺以及操作不应被理解为必须按照所讨论或示出的特定顺序进行执行。还将理解的是，可采用额外或可选步骤。

当元件或层被描述为“位于”、“接合至”、“连接至”或“联接至”另一元件或层时，其可直接位于、接合至、连接至或联接至另一元件或层，或可存在有插入元件或层。相反，当元件被描述为“直接位于”、“直接接合至”、“直接连接至”或“直接联接至”另一元件或层时，不存在有插入元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词语(例如，“在……之间”与“直接在……之间”、“邻近……”与“直接邻近……”等)应以相同的方式进行解释。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一种或多种的任何及所有组合。

虽然术语“第一”、“第二”、“第三”等可在本文中使用来描述各种元件、部件、区域、层和/或段，但这些元件、部件、区域、层和/或段不应受限于这些术语。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层或段与另一区域、层或段区分开。当在本文中使用时，诸如“第一”和“第二”之类的术语以及其他数字术语并不暗示次序或顺序，除非上下文中清楚地指出。因此，下文所讨论的第一元件、部件、区域、层或段可被称为第二元件、部件、区域、层或段，而不偏离示例性实施例的教导。

如图所示，为了便于描述，空间相对术语(例如，“内部”、“外部”、“在……下方”、“在……下面”、“下”、“在……上面”、“上”等)可在本文中使用来描述一个元件或特征与另一元件或特征之间的关系。除了附图所示的取向之外，空间相对术语还包括使用或操作中的装置的不同取向。例如，若附图中的装置被翻转过来，则被描述为“位于其他元件或特征件下面或下方”的元件将定向成“位于其他元件或特征件上面”。因此，示例性术语“在……下面”可包括上面和下面两个取向。装置可通过其他方式进行定向(旋转90°或以其他取向进行定向)，且本文所使用的空间相对的描述语言也按此进行解释。

参照附图，提供了根据本教导的原理的锻造曲轴组件10以及制造该锻造曲轴组件的方法，该锻造曲轴组件具有有利的结构。特别参照图1～8，曲轴组件10示出为具有锻造曲轴12。曲轴组件10可被配置成用于发动机，例如，但不限于：汽油发动机或柴油发动机、压缩机或某些其他类似的装置。曲轴12包括沿着纵向轴线24延伸的轴22，该轴限定多个主轴承轴颈26、多个曲柄臂27、多个销轴承轴颈28以及至少一个配重30。

主轴承轴颈26绕着纵向轴线24同心地进行设置。各销轴承轴颈28横向偏离纵向轴线24，并通过一个或多个曲柄臂27直接或间接地附接至主轴承轴颈26。各曲柄臂27从主轴承轴颈26中的一个延伸至销轴承轴颈28中的一个或在相邻的销轴承轴颈28之间延伸，并可包括或可不包括配重30中的一个。应理解的是，在某些实施例中，曲柄臂27可在相邻的销轴承轴颈28之间延伸；因此，曲柄臂27不应被认为仅限于在销轴承轴颈与主轴承轴颈之间延伸。各配重30径向延伸远离纵向轴线24。各主轴承轴颈26支撑绕着其的轴承(未示出)，并提供用于将曲轴12附接至发动机缸体(未示出)的附接位置。各销轴承轴颈28支撑绕着其的轴承(未示出)，其中连杆(未示出)附接至该轴承。连杆将活塞(未示出)附接至曲轴12。配重30抵消活塞、活塞环、活塞销和保持夹的往复质量、连杆小端部、连杆大端部和轴承的旋转质量，以及曲轴自身(销轴承轴颈28和曲柄臂27)的旋转质量。主轴承轴颈26位于纵向轴线24上，因此不需要任何配重。配重30减少作用在主轴承轴颈26上的力，并由此提高轴承的耐久性。配重30使曲轴12绕着纵向轴线24的旋转处于平衡状态中，以减少其内的振动。

图1所示的曲轴12的实施例用于直列四缸发动机中，并包括四个销轴承轴颈28、八个曲柄臂27、五个主轴承轴颈26以及四个配重30。然而，应理解的是，曲轴12可以以与图1所示的曲轴不同的方式进行配置。如此，曲轴12可被配置成用于任何类型和/或结构的发动机，包括但不限于：具有六个或八个气缸的v型发动机(例如，具有两排气缸的发动机，该两排气缸被布置成v形，以在其间形成凹谷)或具有3、5、6或某些其他数量的气缸的直列发动机。曲轴可为v型共用销曲轴，在该曲轴中，每一销轴承轴颈具有两个连杆，例如，v8或v12发动机。曲轴可为在两个连杆轴颈之间具有“悬吊曲柄臂”的v型曲轴。v6发动机具有四个主轴承，且各主轴承之间具有两个杆。由于销斜面为60°，因此60°(气缸之间的倾斜角)v6曲轴在曲柄销之间具有较厚的悬吊曲柄臂；此外，90°v6曲柄具有较薄的悬吊曲柄臂(在端视图中，销斜面仅为30°)。此外，由于曲柄臂27为曲轴12的结构部件，且配重30用于减少力及振动，因此曲轴12可具有任意数量的配重30，这些配重以任意结构形式附接至各种曲柄臂27。例如，直列四缸曲轴可包括六个或八个配重。因此，图1所示的具体曲轴12以及本文所示出和描述的其他曲轴仅仅是示例性的，其并不应被认为限制权利要求书的范围。

销轴承轴颈28中的至少一个包括至少部分地从销轴承轴颈28的第一轴向侧35延伸至第二轴向侧37的腔体32(销轴承腔体32)。主轴承轴颈26和/或曲柄臂27中的至少一个也可包括延伸穿过其的腔体33(曲柄臂腔体33或曲轴腔体33)。如在下文中更详细地进行描述的，销轴承轴颈28中的各腔体32以及主轴承轴颈26/曲柄臂27中的各腔体33大体上沿着纵向轴线24延伸，但并不一定平行于纵向轴线24。在所示实施例中，延伸穿过相应的销轴承轴颈28的各腔体32被形成为在相应的销轴承轴颈28的第一轴向侧35与相应的销轴承轴颈28的第二轴向侧37之间沿着曲轴12的纵向轴线24完全延伸穿过相应的销轴承轴颈28。类似地，延伸穿过相应的主轴承轴颈26/曲柄臂27的各腔体33被形成为在相应的主轴承轴颈26的第一轴向侧39a与相应的主轴承轴颈26/曲柄臂27的第二轴向侧39b之间沿着曲轴12的纵向轴线24完全延伸穿过相应的主轴承轴颈26/曲柄臂27。曲轴12中的腔体32、33减少用于形成曲轴12的金属的体积，由此降低曲轴12的总体重量。此外，通过降低横向偏离纵向轴线24的销轴承轴颈28的重量，配重30的质量也可减少相应的量，由此进一步降低曲轴12的总体重量。

在某些实施例中，如图5所示，腔体32可限定沿着垂直于曲轴12的纵向轴线24的横截面呈非圆形形状的横截面形状。例如，在所示实施例中，横截面形状呈椭圆形。值得注意的是，曲轴12的邻近下倒角54a的区域通常厚于邻近上倒角54b的区域(图3)。换言之，腔体32的椭圆形形状的中心相对于下倒角54a更靠近上倒角54b。在其他实施例中，腔体32的横截面形状可包括，但不限于其他非圆形形状。如图5所示，椭圆形横截面形状可包括水平长轴62以及垂直短轴64。长轴62大于短轴64。销轴承轴颈28的位于腔体32外侧的侧部66窄于下部68以及上部71。此外，下部68宽于上部71。腔体32的椭圆形形状或半椭圆形形状最大程度地减少了用于形成曲轴12的材料，由此最大程度地减少了曲轴12的重量。在某些实施例中，已发现，期望的是使沿着其上半部分的壁厚保持不变(例如，5mm)。在某些实施例中，腔体32的形状通常可限定沿着上部具有曲率的d形形状以及沿着底部大体上平坦的表面。

然而，中空腔体在销轴承轴颈中的体积受到限制。中空腔体为填充有空气或其他流体的空腔体。当销轴承轴颈具有中空腔体时，曲轴的其余材料必须足以承受因连杆所施加的负载而在销轴承轴颈处经受的高应力。例如，参照图3，曲轴12必须承受应力，从而使得下倒角54a和上倒角54b处的应力通常较高的区域处的应力大小不高于预定最大应力水平。曲轴12被配置成使得腔体32完全穿过销轴承轴颈28从第一轴向侧35延伸至第二轴向侧37，并分别在开口41、43的第一轴向侧35和第二轴向侧37处敞开。

因此，为了实现重量降低的曲轴的益处，有必要去除腔体32、33内的材料。就铸造曲轴而言，这可在铸造工艺期间经由芯部构件来获得实现。然而，就锻造曲轴12而言，由于锻造工艺是实心构件，因此形成腔体32、33的过程变得更为困难。根据本教导的原理，腔体32、33可通过铣削和/或加工工艺来形成。然而，为了最大程度地降低重量(即最大程度地降低锻造曲轴的重量)，有必要优化腔体32、33的形状，这通常会获得非圆柱形形状和曲线，而非大部分钻机所需的直线。因此，根据本教导的原理，锻造曲轴12的钻削或铣削可通过一种或多种独特工艺来完成。

特别参照图1，应理解的是，一个或多个腔体33的铣削可因曲轴12具有特定形状而变得较为困难。特别地，可以看出，钻削或铣削轴线——铣削刀具或铣刀所限定的轴线——可因曲轴12的其他突出部分所造成的干扰而受到限制。例如，在常规曲轴中，芯部钻头或铣削刀具100(参见图1)可能会干扰曲轴12的相对特征件上的夹紧点102a。如此，腔体33a可成角度以允许芯部钻头或铣削刀具100与夹紧点102a之间存在有足够的间隔距离。

然而，继续参照图1，应理解的是，在某些实施例中，芯部钻头或铣削刀具100相对于夹紧点102成角度可能并不足以提供必要的铣削操作。在此类实施例中，本公开提供了用于促进腔体33b的铣削的可拆卸配重30a。通过移除可拆卸配重30a(这将在本文中进行详细的描述)，芯部钻头或铣削刀具100能够进入腔体33b，且铣削刀具100与夹紧点102b之间存在有足够的间隔距离。应理解的是，并非所有的配重30都需要被配置成具有可拆卸性。换言之，如图1所示，配重30b可保持为固定配重，而仅有可拆卸配重30a需要被移除以为所有的待铣削腔体32、33提供足够大的入口通道。可选地，应理解的是，所有的配重30都可为可拆卸配重30a，以增强平衡性能，这将在本文中进行描述。

特别参照图1、7和8，在某些实施例中，可拆卸配重30a可拆卸地安装至对应的曲柄臂27。应理解的是，可拆卸配重30a可按照若干方法中的任一种可拆卸地进行安装，这些方法包括但不限于：粘结、结合、联接、螺纹联接、焊接、机械连接等和/或其任意组合。例如，在某些实施例中，可拆卸配重30a能够通过狭槽70(例如，燕尾槽)可拆卸地进行联接。燕尾槽70可沿着在曲柄臂27与可拆卸配重30a之间延伸的界面72形成。界面72能够以与轴线24相切的方式进行延伸。虽然以下取向可被颠倒，但在某些实施例中，燕尾槽70可包括沿着曲柄臂27的界面72延伸的燕尾形沟槽74以及沿着可拆卸配重30a的界面72延伸的对应燕尾形突出部76。沟槽74和突出部76的尺寸和形状相互配合以使可拆卸配重30a与曲柄臂27滑动接合。就此而言，可在腔体33b的铣削操作期间移除或不安装可拆卸配重30a。在腔体33b的铣削操作完成之后，可拆卸配重30a可经由燕尾槽70与曲柄臂27滑动接合。为了增强曲轴12的平衡，燕尾槽70可被采用来允许可拆卸配重30a沿着燕尾槽70定位在多个横向位置处(参见图7)。换言之，可拆卸配重30a可相对于曲柄臂27定位在偏离位置处，其中，在配重30a与曲柄臂27一体形成的情况下，则不存在这种偏离位置。例如，一旦可拆卸配重30a经由燕尾槽70结合至曲柄臂27，可拆卸配重30a就可通过一个或多个延伸穿过配重30a和/或曲柄臂27并接合另一端的固定螺钉78至少暂时保持在适当位置中以获得平衡(参见图8)。如果需要的话，固定螺钉78使得能够在无需永久性保持的情况下进行平衡测试及调整。可选地，或除了固定螺钉78以外，可拆卸配重30a可沿着燕尾槽70的端部或另一方便位置点焊或通过其他方式结合至曲柄臂27。在可拆卸配重30a的结合之后，可完成针对可拆卸配重30a、曲轴12和/或曲轴组件10的其他平衡测试和调整，例如，通过如下方式来完成：在孔80处从可拆卸配重30a去除材料和/或在料块82处将材料添加至可拆卸配重30a。以此方式，可将可拆卸配重30a附接并定位至曲柄臂27，以作为初始的总平衡调整，且可经由孔80和/或料块82对可拆卸配重30a进行调整，以作为最终的平衡微调。

特别参照图1～6，腔体32、33被配置成按照本教导的原理进行铣削。如本文所说明的，腔体32、33可限定非圆柱形横截面，以最大程度地降低重量，同时确保曲轴的其余材料足以承受因连杆所施加的负载而在销轴承轴颈28处经受的高应力。一个特定的非圆柱形横截面形状示出在图1～6中；然而，应理解的是，结合本教导，可预期任何被确定为在保持足够的材料以承受关联应力的同时最大程度地降低重量的横截面形状。腔体32、33的加工可经由一个或多个步骤完成，例如，但不限于：第一步骤(如图3所示)，在该步骤中，芯部钻头104用于进行切削操作或通过其他方式提供第一钻削操作。芯部钻头104可用于单道次或多道次中。在多道次工艺中，芯部钻头104可偏离以形成卵形或椭圆形腔体(参见图5)。芯部钻头104可进一步从相对侧进行采用，例如，相应的销轴承轴颈28的第一轴向侧35以及相应的销轴承轴颈28的第二轴向侧37(参见图6)。通过芯部钻头104形成的腔体32、33可包括未切削部分84，该未切削部分可通过铣刀106进行铣削(参见图4)。铣刀106可包括扩大切削头108以及尺寸减小的主轴110，从而使得能够接近未切削部分84，并对其进行铣削，以形成腔体32、33的最终结构。如果需要，曲轴12可包括额外的可拆卸配重30a，从而使得芯部钻头104和铣刀106能够接近腔体32、33以进行切削和/或铣削操作。如图6所示，值得注意的是，本教导的原理(例如，经由芯部钻头104进行的钻削以及经由铣刀106进行的铣削)同样适用于本文所描述的腔体32、33的各种可选结构和形状。

参照图1、3和4，在某些实施例中，腔体32包括第一腔体段86、第二腔体段88以及扩大中央腔体段90。第一腔体段86大体上延伸穿过第一曲柄臂27a。第二腔体段88大体上延伸穿过第二曲柄臂27b。扩大中央腔体段90大体上延伸穿过销轴承轴颈28。扩大中央腔体段90在销轴承轴颈28的大约中部处设置在第一腔体段86与第二腔体段88之间。如图3所示，第一腔体段86限定第一横截面形状，且第二腔体段88限定第二横截面形状。在某些实施例中，第一腔体段86和第二腔体段88的第一横截面和第二横截面均限定大体上呈椭圆形的形状，其分别具有第一横截面面积和第二横截面面积。第一腔体段86的第一横截面具有第一横截面面积。优选地，第二腔体段88的第二横截面的第二横截面面积大体上等于第一腔体段86的第一横截面面积。然而，第二腔体段88的第二横截面及第二横截面面积可不同于第一腔体段86的第一横截面及第一横截面面积。扩大中央腔体段90限定第三横截面，该第三横截面限定第三横截面面积。第三横截面面积可大于第一横截面面积和第二横截面面积。扩大中央腔体段90的第三横截面形状可大致被描述为蛋形，即局部椭圆形形状，该形状具有相对于第一腔体段86和第二腔体段88朝着曲柄轴线24径向延伸的突出部或长方形部分。腔体32的扩大中央腔体段90最大程度地减小或降低销轴承轴颈28的位于腔体32的径向内表面与销轴承轴颈28的轴承表面之间的横截面厚度92。通过降低销轴承轴颈28在该区域中的横截面厚度92，可在该区域中减少用于形成锻造曲轴12的金属合金的量。

在某些实施例中，如图2所示，在曲轴12的最终加工之后，有必要和/或期望提供杯形塞86，以防止相邻隔区之间发生隔区通气。为此目的，在某些实施例中，芯部钻头104和/或铣刀106可被配置成允许形成杯形塞保持特征件88，例如，通过钻削形成在腔体32、33内的阶梯的成角度表面(参见图2)。

上文针对实施例的描述是出于说明和描述的目的而被提出。该描述并不旨在具有穷举性或限制本公开。特定实施例的独立元件或特征件通常并不限于该特定实施例；相反，在适用的情况下，这些元件或特征件是可互换的，并可用于所选实施例中，即便并未具体示出或描述。本公开可以以多种方式予以改变。此类变型不应被认为偏离本公开，且所有此类修改都旨在包括在本公开的范围内。