專利名稱：曲軸的制造方法
技術領域：
本發明通常涉及一種曲軸，更具體地涉及曲軸的一種制造方法。
背景技術：
發動機的曲軸將活塞的往復線性運動轉換為繞縱向軸線的旋轉運動，來提供扭矩以驅動交通工具，交通工具例如但不局限于火車、船、飛機或汽車。曲軸是發動機的重要部分，是發動機設計的起點。曲軸的設計影響發動機的整體封裝(packaging),從而影響發動機的總重量。因此，使得曲軸的尺寸和/或重量最小化可減小發動機的尺寸和重量，所述發動機的尺寸和重量對交通工具的整體尺寸、質量和燃油經濟性有復合影響。曲軸包括至少一個偏離縱向軸線的曲柄銷，往復運動的活塞經由連桿附接于其上。由活塞施加至曲軸的力通過二者間的偏離連接(offset connection)在曲軸內產生扭矩，該扭矩使曲軸繞縱向軸線旋轉。曲軸進一步包括至少一個主支承軸頸，其同心地放置在縱向軸線附近。曲軸在支承軸頸處被固定至發動機缸體。軸承設置在主支承軸頸附近，在曲軸和發動機缸體之間。為了降低曲軸的重量，空心部分可形成在曲柄銷和主支承軸頸內并延伸穿過曲柄銷和主支承軸頸。曲軸通常通過鑄造過程形成或生產，例如但不局限于濕型鑄造過程或殼模鑄造過程。形成在曲柄銷和/或主支承軸頸內的任何空心部分在鑄造過程中由放置在模具內的多個不同的型芯限定。這些不同的型芯中的每一個必須相對彼此以及模具精確定位，以在正確的位置正確地形成空心部分。

發明內容
提供了一種制造用于發動機的曲軸的方法。該方法包括形成模具的第一半部和第二半部以在它們之間限定空腔。該空腔形成曲軸的外部形狀。曲軸的外部形狀包括多個銷支承軸頸和多個主支承軸頸。單個型芯位于在模具的第一半部和第二半部之間的空腔內。將熔融金屬引入空腔以形成曲軸。熔融金屬流入空腔內并圍繞單個型芯，以同時形成延伸穿過多個銷支承軸頸的至少一個和多個主支承軸頸中的至少一個的空心部分。還提供了一種用于發動機的曲軸。該曲軸包括軸，所述軸具有多個主支承軸頸和多個銷支承軸頸。至少一個主支承軸頸和至少一個銷支承軸頸包括穿過其延伸的空心部分。主支承軸頸和銷支承軸頸內的每個空心部分在鑄造過程中由單個型芯同時形成。主支承軸頸和銷支承軸頸內的每個空心部分沿著路徑相對于軸的縱向軸線延伸，以使得軸內的應力最小化。因此，主支承軸頸和銷支承軸頸內的全部空心部分是由單個型芯形成的。因此，僅需要使單個型芯相對于模具正確地定位，以使所有空心部分自動地相對于彼此和模具定位，從而提高了空心部分的空間準確性，并提高了曲軸的生產效率。從下文中對實現本發明的最佳模式的有附圖的詳細描述可知，本發明的上述特征和優勢以及其他特征和優勢是很明顯的。


圖1是其上仍附接有單個型芯的曲軸鑄件(cast crankshaft)的示意性平面圖；圖2是沿圖1中顯示的切割線2-2剖開的示意性剖視圖，其顯示了單個型芯的截面形狀以及曲軸鑄件內的最終空心部分。圖3是用來鑄造曲軸的、其內設置有單個型芯的模具的示意性平面圖；圖4是曲軸的示意圖；圖5是固接有單個非圓形型芯的曲軸鑄件的可替換實施例的示意性透視圖；圖6是非平面型芯的示意性透視圖；圖7是沿圖5中所示的切割線7-7剖開的示意性截面圖。
具體實施例方式本領域技術人員將理解，諸如“上”、“下”、“向上”、“向下”、“頂”、“底”等術語是對
附圖的描述性的使用，不代表本發明保護范圍的局限性，所述保護范圍由附加的權利要求來限定。參考附圖，其中相同的附圖標記在若干幅視圖中代表相同的部件，曲軸大致顯示在20。參考圖1，曲軸20可被配置用于發動機，例如但不局限于汽油發動機或柴油發動機、壓氣機或其他類似裝置。曲軸20包括沿縱向軸線24延伸的軸22，該軸22限定了多個主支承軸頸26、多個臂部27、多個銷支承軸頸28以及至少一個配重件30。主支承軸頸26繞縱向軸線24同心地放置。銷支承軸頸28中的每一個橫向地偏離縱向軸線24，且通過臂部被附接至主支承軸頸26。每個臂部從主支承軸頸26中的一個延伸至銷支承軸頸28中的一個,并包括或不包括配重件30中的一個。每個配重件30徑向地遠離縱向軸線24延伸。每個主支承軸頸26支撐其附近的軸承(未示出)，并提供用來將曲軸20附接至發動機缸體(未示出)的附接位置。每個銷支承軸頸28繞其自身支撐軸承(未示出)，并提供附接點，連桿(未示出)在該附接點處將活塞(未示出)附接至曲軸20。配重件30抵償活塞、活塞環、活塞銷和保持夾、連桿的小端的往復運動質量、軸承和連桿大端的旋轉質量以及曲軸自身的旋轉質量(銷支承軸頸28和臂部27)的往復運動質量。主支承軸頸位于曲軸軸線24上且不要求任何配重件。配重件30降低作用在主支承軸頸上的力，從而提高軸承的耐久性。配重件30使曲軸20繞縱向軸線24的旋轉平衡，以降低那里的振動。圖1中顯示的曲軸20的實施例是用于直列式四缸發動機的，并包括四個銷支承軸頸28、八個臂部27、五個主支承軸頸26以及四個配重件30。參考圖4，圖1中顯示的曲軸20的示例性實施例示意性地顯示為包括編號分別為90、92、94、96和98的五個主支承軸頸26 ;編號分別為100、102、104、106的四個銷支承軸頸28 ;編號分別為108、110、112、114、116、118、120和122的八個臂部;以及編號分別為124、126、128和130的四個配重件30。如圖所示，配重件124被附接至臂部108并從臂部108延伸，配重件126被附接至臂部114并從臂部114延伸，配重件128被附接至臂部116并從臂部116延伸，配重件130被附接至臂部122并從臂部122延伸。然而，應該理解的是，曲軸20可配置為不同于圖1和4中所示。同樣，曲軸20也可配置為用于任何類型和/或配置的發動機，包括但不局限于具有六個或八個氣缸的V型發動機，或具有3、5、6或其他數量氣缸的直列式發動機。另外，由于臂部27是曲軸20的結構部分，且配重件30僅用來降低力和振動，所以曲軸20可具有以任何構造附接到各臂部27的任何數量的配重件30。例如，直列式四缸曲軸可包括六個或八個配重件。因此，圖1和4所示的以及這里描述的具體曲軸20僅僅是示例性的，且不應認為是對權利要求范圍的限制。至少一個銷支承軸頸28和至少一個主支承軸頸26包括穿過其延伸的空心部分
32。如下文將詳細敘述的，銷支承軸頸28和主支承軸頸26內的每個空心部分32大致沿著縱向軸線24延伸，但不必平行于縱向軸線24。曲軸20內的空心部分32減小用于形成曲軸20的金屬的體積，從而降低了曲軸20的總重量。另外，通過降低銷支承軸頸28 (其橫向地偏離縱向軸線24)的重量，配重件30的質量也可被減小了相應的量，從而進一步降低曲軸20的總重量。每個空心部分32相對于軸22的縱向軸線24沿路徑34延伸。每個空心部分32的路徑34被配置為使軸22內、其各部件之間(即相鄰的主支承軸頸26、銷支承軸頸28和臂部27之間)的應力最小化。空心部分32的路徑34可包括非直線路徑，例如在36顯示的，其被設計為使空心部分32彎曲而遠離曲軸20的高應力區域(例如用54所顯示)，或可包括相對縱向軸線24成角度線性路徑(例如在38顯示的)，以使空心部分32成角度地遠離曲軸20的高應力區域54。銷支承軸頸28和主支承軸頸26內的每個空心部分32的具體路徑34以及每個空心部分32的截面形狀取決于曲軸20的具體形狀、尺寸和配置。參考圖2，每個空心部分32包括限定了一形狀的截面。每個空心部分32的截面形狀可包括但不局限于非圓形的形狀。如圖2所示，空心部分32的截面形狀包括橢圓形。每個空心部分32的橢圓形的截面形狀包括長軸40和短軸42。長軸40優選地包括但不局限于25mm至40mm范圍的距離。短軸42優選地包括但不限于15mm至35mm范圍的距離。空心部分32的橢圓形狀使得用來形成曲軸20的材料的減少最大化，從而使其重量的減小最大化。回頭參考圖1，多個主支承軸頸26的每一個和銷支承軸頸26每一個內的每個空心部分32在鑄造過程中由單個型芯44同時形成。單個型芯44形成為在其空心部分32的精確位置處穿過每個銷支承軸頸28和主支承軸頸26延伸,而不妨礙或接觸軸22的其他部分，例如但不局限于配重件30。優選地，曲軸20通過鑄造過程形成，例如但不局限于濕沙鑄造(greensandcasting process)或殼模鑄造過程,如通常所理解的。同樣,參考圖3,制造或鑄造曲軸20包括形成模具50的第一半部46和第二半部48，以限定二者之間的空腔52，該空腔52形成曲軸20的外部形狀。第一半部46可稱為上型箱或上半部，第二半部48可稱為下型箱或下半部。如通常所理解的，形成模具50的第一半部46和第二半部48可通過以下方式形成:將模型(其限定了想要得到的曲軸20的最終外部形狀的一半)壓入濕沙或其他合適形式的介質內，而在其中留下那一半曲軸20的反向壓印(negative imprint)。將第一半部46和第二半部48結合起來形成模具50時，反向壓印在其中相連以完成空腔52并限定曲軸20的外部形狀。曲軸20的外部形狀包括銷支承軸頸28、臂部27、主支承軸頸26和配重件30。如圖1所示，曲軸20包括四個銷支承軸頸28、八個臂部27、五個主支承軸頸26以及四個配重件30。因此，模具50的第一半部46和第二半部48形成為限定空腔52，所述空腔52形成了四個銷支承軸頸28、八個臂部27、五個主支承軸頸26、具有配重件30的四個幅部(web)，以及不具有任何配重件30的四個幅部(web)。然而，如上所述，銷支承軸頸28和主支承軸頸26的具體數目可以不同于本文所描述和顯示的示例性實施例。如圖1所示，單個型芯44形成為單個部件，具有穿過多個銷支承軸頸28中的至少一個以及多個主支承軸頸26中的至少一個的形狀。如圖1所示，單個型芯被配置為在四個銷支承軸頸28和三個主支承軸頸26內限定空心部分。例如，單個型芯44可通過通常所理解的用來形成型芯(在鑄件內形成的空穴)的沙模鑄造過程(sand molding process)形成。單個型芯44可形成為關于單個型芯44的縱向中心對稱，從而使其是可顛倒的。這允許單個型芯44可容易地定位在模子50內，并有助于鑄造過程防錯。如圖1所示，單個型芯44可形成為包括一段材料，該段材料具有圓形或非圓形橫截面并形成一平面形狀。然而，為了將單個型芯44用于其他發動機配置中，單個型芯44可形成為包括具有圓形或非圓形橫截面的一段材料，該段材料形成非平面的三維形狀，例如如圖5至7所示。另外，單個型芯44可形成為單個整體構件，以限定或形成主支承軸頸26和銷支承軸頸28內的全部空心部分32，而不會接觸或妨礙曲軸的其他部分，例如但不局限于配重件30。可替換地，單個型芯44可通過部分地限定曲軸20的一部分的方式形成，例如但不局限于主支承軸頸26、銷支承軸頸28或配重件30。如圖2所示，單個型芯44的截面形狀可形成為限定但不局限于橢圓形。單個型芯44的截面形狀可沿線性路徑或非線性路徑延伸，并可替換地關于截面形狀的中心軸線呈螺旋狀。單個型芯44的截面形狀限定和/或形成了空心部分32的截面形狀。如上所述，橢圓形狀包括長軸40 (具有25mm到40mm范圍的距離)和短軸42 (具有25mm到35mm范圍的距離)。單個型芯44的具體截面形狀取決于曲軸20的具體尺寸、形狀和構造，且被配置為使得用來形成曲軸20的材料的量最小化，同時仍提供具有所需的強度和/或剛度的曲軸
20。因此，型芯的截面形狀以及由此限定的最終空心部分32可不同于本文顯示和描述的單個型芯44的截面形狀。單個型芯44形成為限定路徑34，每個空心部分32沿該路徑34延伸。因此，單個型芯44可形成為限定相對于縱向軸線24的非線性路徑36。如上所述，非線性路徑36可包括彎曲的或非線性的路徑36或相對于縱向軸線24成角度的線性成角度的路徑38，如上所述。每個空心部分32的路徑34被配置為使得空心部分32彎曲或成角度，以遠離曲軸20的高應力區域，從而在最小化曲軸20的重量的同時在曲軸20的高應力區域周圍保留了盡可能多的材料以提高其強度。例如，曲軸20的、在相鄰的主支承軸頸26和銷支承軸頸28之間的區域54可被限定為高應力區域54。同樣，路徑34 (空心部分32跟隨該路徑穿過相鄰的主支承軸頸26和銷支承軸頸28中的每一個)引導空心部分32遠離相鄰的主支承軸頸26和銷支承軸頸28之間的交接處，從而使區域54內的材料最大化，以提高軸22的強度。一旦單個型芯44正確形成為單個整體型芯(其限定了穿過主支承軸頸26和銷支承軸頸28的全部空心部分32)，則單個型芯44被定位在模具50的第一半部46和第二半部48之間的空腔52內。一旦正確地相對于模具50的第一半部46和第二半部48定位，則單個型芯44自動正確地定位，以形成穿過每個主支承軸頸26和銷支承軸頸2的全部空心部分32。一旦將單個型芯44定位在空腔52內且將模具50的第一半部46相對于模具50的第二半部48固定，則將熔融金屬引入空腔52內以形成曲軸20。熔融金屬流入空腔52并圍繞單個型芯44，以同時形成延伸穿過每個銷支承軸頸28和每個主支承軸頸26的每個空心部分32。將熔融金屬引入(例如灌注)到空腔52內之后，允許熔融金屬冷卻和固化。一旦固化，則可將模具50的第一半部46和第二半部48分開，從而使曲軸鑄件20和單個型芯44暴露出來。進而可通過破壞、碎片化和/或沖走形成單個型芯44的材料，將單個型芯從曲軸移除，從而留下其內形成有空心部分32的曲軸20。由于單個型芯44形成為單個部件，所述單個部件不接觸曲軸20，而不是位于空心部分32將要形成的位置，所以曲軸20的其余部分形成為不具有任何盲孔、凹陷等，其中所述盲孔、凹陷在使用多個型芯形成主支承軸頸26和銷支承軸頸28內的空心部分32的鑄造過程的一些現有工藝中可能發生。因此，可正確地定位曲軸20的質量，以最優地最大化其性能并最小化曲軸20的尺寸。參考圖5至7，曲軸的可替換實施例大致顯示在220。曲軸220被設計用于V_8型發動機。曲軸220包括多個主支承軸頸226、多個銷支承軸頸228以及多個配重件230。曲軸220的銷支承軸頸228不沿共同平面布置。如此，單個的非平面型芯244用于在每個主支承軸頸226和銷支承軸頸228內限定多個空心部分。單個的非平面型芯244包括至少一個連接部分260。連接部分260包括表面，在該表面形成其中一個主支承軸頸226、其中一個銷支承軸頸228或其中一個配重件230的至少一部分。這允許在該區域內增大非平面型芯244的尺寸，從而提高非平面型芯244的強度。最佳如圖7所示，連接部分260包括徑向的內表面262，其形成了其中一個主支承軸頸226的外表面264。然而，應該理解的是，單個的非平面型芯244可被形成為包括一個或更多其他連接部分260，該連接部分260其形成了其中一個銷支承軸頸228、其中一個主支承軸頸226，或其中一個配重件230中的至少一部分。參考圖7，圖7中顯示的主支承軸頸226的空心部分232形成為繞空心部分232的中心266呈螺旋狀。同樣，非平面型芯244也包括類似的螺旋形狀，以限定空心部分232延伸穿過主支承軸頸226的螺旋路徑。空心部分232的這種螺旋配置允許優化最小短軸高度和距路徑234的距離，以使得重量的減小最大化。應該理解的是，在主支承軸頸226和銷支承軸頸228中的任何空心部分可沿著它們各自的中心延伸和繞它們各自的中心螺旋地延伸。詳細的描述和附圖或圖片是對本發明的支持和描述，但本發明的保護范圍僅由權利要求來限定。盡管已經對執行本發明的較佳模式進行了詳盡的描述，但是本領域技術人員可得知在所附的權利要求的范圍內的用來實施本發明的許多替換設計和實施例。相關申請的交叉引用本發明要求申請號為N0.61/570，511、申請日為2011.12.14的美國臨時專利申請的優先權，其公開內容被合并在此作為引用。
權利要求
1.一種曲軸制造方法，該方法包括: 將單獨的型芯定位在具有第一半部和第二半部的模具的空腔內，所述第一半部和第二半部形成曲軸的外部形狀，其中曲軸的外部形狀包括多個銷支承軸頸和多個主支承軸頸；和 將熔融金屬引入空腔內以形成曲軸，其中熔融金屬流入空腔內并圍繞單個型芯，以同時形成延伸穿過多個銷支承軸頸中的至少一個以及多個主支承軸頸中的至少一個的空心部分。
2.如權利要求1所述的方法，其進一步包括將單個型芯形成為單個部件，以具有穿過多個銷支承軸頸中的至少一個以及多個主支承軸頸中的至少一個的形狀。
3.如權利要求2所述的方法，其中形成單個型芯進一步被限定為形成包括一段材料的單個型芯，該段材料形成平面形狀。
4.如權利要求2所述的方法，其中形成單個型芯進一步被限定為形成包括一段材料的單個型芯，該段材料形成非平面三維形狀。
5.如權利要求2所述的方法，其中將單個型芯形成為單個部件包括形成關于型芯的縱向中心對稱的單個型芯。
6.如權利要求2所述的方法，其中形成單個型芯進一步被限定為形成包括一段材料的單個型芯，該段材料具有限定了非圓形截面形狀的截面。
7.如權利要求6所述的方法，其中單個型芯的非圓形截面形狀包括橢圓形。
8.如權利要求2所述的方法，其中將單個型芯形成為單個部件以具有穿過多個銷支承軸頸中的至少一個以及多個主支承軸頸中的至少一個的形狀包括:為至少一個空心部分形成限定了相對于曲軸的縱向軸線為非線性的路徑，其中所述空心部分延伸穿過多個銷支承軸頸中的至少一個或多個主支承軸頸中的至少一個。
9.如權利要求8所述的方法，其中非線性路徑包括成角度的路徑，所述路徑相對于縱向軸線成角度，以直線地引導空心部分遠離曲軸的高應力區域。
10.如權利要求2所述的方法，其中將單個型芯形成為單個部件包括:形成包括至少一個連接部的單個型芯，所述連接部具有表面，該表面限定了其中一個主支承軸頸、其中一個銷支承軸頸或多個配重件中的一個的至少一部分。
全文摘要
曲軸在模具內鑄造，以限定多個銷支承軸頸和多個主支承軸頸、多個銷支承軸頸和多個主支承軸頸的至少一個具有穿過其中的空心部分。單個型芯位于模具內，以形成所有空心部分。單個型芯可包括限定了橢圓形狀的截面，以形成具有橢圓截面形狀的空心部分，來進一步降低曲軸的重量。每一個空心部分都沿著將曲軸內的應力最小化的路徑定位。該路徑可包括相對于曲軸縱向軸線的非線性路徑或相對于該縱向軸線成角度的線性路徑，以彎曲或引導空心部分遠離曲軸的高應力區域。型芯的非圓形截面可繞其自身的軸線呈螺旋狀以最大化質量削減。
文檔編號B22C9/02GK103157769SQ20121054378
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月14日 優先權日2011年12月14日
發明者D.E.默里什, M.赫爾姆勒, K.哈特, M.G.邁耶 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司