重量优化曲轴.pdf

本发明涉及一种用于内燃机的曲轴(1)，具有用于在曲柄箱中支撑曲轴(1)的至少一个主轴承轴颈(10)，并且具有用于将连杆连接到曲轴(1)的至少一个销轴承轴颈(11)。根据本发明，轴承轴颈表面(12，13)中的至少一个包括具有深度d为至少1mm的至少一个凹陷区域(14，15)。

权利要求书
1.  一种用于内燃机的曲轴(1)，具有用于在曲柄箱中支撑曲轴 (1)的至少一个主轴承轴颈(10)，并且具有用于将连杆连接到曲轴 (1)的至少一个销轴承轴颈(11)，其特征在于，
轴承轴颈表面(12，13)中的至少一个包括具有深度d为至少1mm 的至少一个凹陷区域(14，15)。

2.  根据权利要求1所述的曲轴(1)，其特征在于，在至少一个 轴承轴颈表面(12，13)中布置有两个凹陷区域(14，15)。

3.  根据权利要求1或2所述的曲轴(1)，其特征在于，在至少 一个轴承轴颈表面(12，13)中布置有较大凹陷区域(14)和较小凹 陷区域(15)。

4.  根据前述任一权利要求所述的曲轴(1)，其特征在于，所述 至少一个凹陷区域(14，15)的深度d为3mm至30mm，优选为6mm 至20mm，最优为9mm至15mm。

5.  根据权利要求4所述的曲轴(1)，其特征在于，所述至少一 个凹陷区域(14，15)具有半圆形状，从而深度d形成了半圆形状凹 陷区域(14，15)的半径。

6.  根据前述任一权利要求所述的曲轴(1)，其特征在于，主轴 颈轴承(10)和/或销轴颈轴承(11)具有至少一个高机械负载区域x， 其中所述至少一个凹陷区域(14，15)被布置在相对于所述高机械负 载区域x的侧边位置。

7.  根据权利要求6所述的曲轴(1)，其特征在于，高机械负载 区域x是由内燃机的气体交换冲程和/或燃烧冲程加载的。

8.  根据前述任一权利要求所述的曲轴(1)，其特征在于，所述 至少一个凹陷区域(14，15)的宽度w1小于轴承轴颈表面(12，13) 的宽度w2。

说明书重量优化曲轴
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的曲轴，其包括用于在曲柄箱内支撑 曲轴的至少一个主轴承轴颈，并且包括用于将连杆连接到曲轴的至少 一个销轴承轴颈。
背景技术
EP0800008A2描述了一种用于内燃机的曲轴，在轴承轴颈和曲柄 臂之间的过渡区域中布置有具有多种参数的凹径形状。曲柄臂和轴承 轴颈之间的凹径形状使得重量下降，从而获得轻量曲轴。深或平凹径 形状的径向位置取决于影响轴承轴颈的负载方向，以便避免轴承轴颈 和曲柄臂之间所述过渡区域的削弱。
文件US4,356,741A1公开了一种在轴承轴颈中具有凹陷以及在轴 承轴颈之间具有凹陷或孔洞的曲轴。凹陷或孔洞使得重量减少，从而 提供轻量曲轴。
不幸的是，在曲柄臂的部分之中具有深凹陷、孔洞或凹径导致曲 轴主体的高脆弱性，并且取决于气力或惯性力，曲轴必须被设计为具 有增加的横截面积。
发明内容
因此，本发明的目的是消除上述缺点。具体而言，本发明的目的 是提供一种具有最小削弱效应的重量优化曲轴。
上述目的是通过本发明权利要求1所述的曲轴来实现的。本发明 的优选实施例由从属权利要求定义。
本发明公开了一种用于内燃机的曲轴，其具有用于在曲柄箱中支 撑曲轴的至少一个主轴承轴颈，并且具有用于将连杆连接到曲轴的至 少一个销轴承轴颈，其中轴承轴颈表面的至少一个包括具有深度为至 少1mm的至少一个凹陷区域。
根据本发明，至少一个主轴承轴颈和/或至少一个销轴承轴颈具有 导致材料缺失区的一个或多个凹陷区域。凹陷区域被部署在具有由液 压动力油压引起的较小应力和/或较小机械应力的区域中，并且因此凹 陷区域基于随着曲轴旋转改变的负载变化而被定义在区域中。由于凹 陷区域的深度和宽度，轴承表面内每个凹陷的材料缺失导致了用于最 小化整个曲轴重量的轻量化效果，并且由于轴承轴颈的巨大横截面设 计，根据本发明的材料缺失区没有导致整个曲轴的破坏性削弱。具体 而言，当凹陷区域根据曲轴的负载方向而被定义在区域中时，由轴承 表面内的凹陷引起的曲轴的削弱效应可以被最小化。
根据本发明曲轴的优选实施例，在至少一个轴承轴颈表面内布置 有两个凹陷区域。取决于由惯性力引起的以及/或者由机器内燃的气力 引起的曲轴的具体负载特性，优选地两个凹陷区域被定义在相对于曲 轴的轴的相对位置处。实验显示一个轴承轴颈表面内两个凹陷区域大 致相对的位置获得了优化的重量减少，同时结合有最小化的削弱效应。
根据另一实施例，在至少一个轴承轴颈表面中布置有两个凹陷区 域，并且一个凹陷区域形成较大凹陷区域，而另一凹陷区域形成较小 凹陷区域。此外，可以在主轴承轴颈的表面内定义与销轴承轴颈表面 内的凹陷区域相比具有不同尺寸和/或不同形状的凹陷区域。作为计算 结合有轴承最小削弱效应的轴承最小化重量的结果，主轴承轴颈和/或 销轴承轴颈中的每个可以具有不同数量、不同尺寸以及特别地不同深 度的凹陷区域。
根据本发明曲轴的另一改进实施例，所述至少一个凹陷区域的深 度为3mm至30mm，优选为6mm至20mm，并且最优为9mm至15mm。 作为示例，小凹陷区域可以具有约9mm的深度，并且大凹陷区域可以 具有最高达15mm的深度。
此外，所述至少一个凹陷区域可以具有圆弧形状，优选地从而深 度形成弧形或半圆形凹陷区域的半径。在凹陷区域的弧形或半圆形到 轴承轴颈表面的过渡区内可以布置有过渡半径，从而避免尖锐边缘。
根据另一实施例，主轴承轴颈和/或销轴承轴颈具有至少一个高机 械负载区域，其中至少一个凹陷区域相对于轴承轴颈的圆形而言被布 置在相对于高机械负载区域的侧边位置。关于曲轴的一个旋转，至少 一个最小负载区和一个最大负载区可以影响轴承轴颈。影响轴承轴颈 的高机械负载区没有结合导致轴承负载等级削弱的凹陷区域位置，而 是凹陷区域被横向于高机械负载区进行定位，从而避免损害曲轴。具 体而言，凹陷区域被定位在影响轴承轴颈的最小负载区域中。
高机械负载区域是由内燃机的气体交换冲程和/或燃烧冲程引起 的。此外，高机械负载还可以由连杆和/或活塞的惯性力引起。高和低 机械负载区域在主轴承轴颈和销轴承轴颈之间可以不同，并且对于每 个轴承轴颈来说，所述至少一个凹陷区域的数量、位置、深度和宽度 可以根据上止点(TDC)和下止点(BDC)之间的每个轴承轴颈的角 度位置以及曲轴的角度位置计算出来。
优选地，至少一个凹陷区域的宽度小于有关旋转轴方向的轴承轴 颈表面的宽度。凹陷区域宽度和轴承轴颈表面的轴向限制边缘之间的 剩余区域获得了表面中的其余接触区域，特别地形成了其余负载表面 以保持轴承在曲轴整个旋转上的导向作用。
包括凹陷区域的轴承轴颈表面形成了负载表面，其受由连杆和活 塞质量引起的惯性力和/或气力所引起的机械负载影响。因此，轴承轴 颈表面内的至少一个凹陷区域直接位于外轴承环和轴承轴颈的接触表 面中。
上述组件以及权利要求所限定的组件以及在所描述实施例中基于 本发明使用的组件对于其尺寸、形状、材料选择和技术概念并没有任 何特殊要求，从而可以无任何限制地适用相关领域公知的选择标准。
发明优选实施例
本发明主题的其他细节、特性和优点将在从属权利要求中以及下 文参考附图的描述中公开，附图以示例性的方式示出了根据本发明主 题的优选实施例，附图中：
图1示出了具有本发明技术特征的曲轴的实施例，
图2示出了曲轴的轴承轴颈的横截面示图，以及
图3示出了具有在外轴承环中旋转的轴承轴颈的滑动轴承的简要 示图。
图1示出了用于内燃机的曲轴1的实施例，并且曲轴1被运行用 于四缸机中。曲轴1具有五个主轴承轴颈10，其被定义为轴承A、轴 承C、轴承E、轴承G和轴承I，如从曲轴1的左侧到右侧所示的那样。 曲轴1借助所述主轴承轴颈10沿旋转轴17被可旋转地支撑在曲柄箱 (未示出)中。
在主轴承轴颈10之间，曲轴1具有用于连接连杆的销轴承轴颈11， 其被定义为轴承B、轴承D、轴承F和轴承H，如从曲轴1的左侧到 右侧所示的那样。根据曲轴1的旋转位置，位置B和H处的销轴承轴 颈11被示出在上止点(TDC)位置，并且位置D和F处的销轴承轴颈 11被示出在下止点(BDC)。
轴承轴颈10和11中的每个还进一步在所指示轴颈10、11上方和 下方以横截面示图的方式被示出。
如在每个主轴承轴颈10和每个销轴承轴颈11中所示出的那样， 凹陷区域14、15被定义在轴承轴颈10、11的表面12和13中。凹陷 区域14和15被分成大凹陷区域14和小凹陷区域15，其中大凹陷区域 14和小凹陷区域15的尺寸可以依不同凹陷区域而变化，并且对大和小 凹陷区域14和15的分类可被理解为仅仅是近似的。
主轴承轴颈10具有表面12，并且销轴承轴颈11具有表面13，其 中表面12和13形成滑动轴承10、11的机械负载表面。每个凹陷区域 14和15在所述表面12和13内形成材料缺失区，并且位于轴承轴颈 10、11的横截面A-A、B-B、C-C、D-D、E-E、F-F、H-H和I-I中的 凹陷区域14和15在轴颈10和11的每个横截面图中示出。凹陷区域 14和15的实施例在表面12和13中具有半圆形状，并且具有彼此不同 的深度和宽度，并且凹陷区域14、15被划分成大凹陷区域14和小凹 陷区域15。
如横截面图所示，大凹陷区域14和小凹陷区域15被定义在相对 于横截面图中作为箭头示出的顶部位置的某个位置处，其中顶部位置 指向上止点(TDC)的方向，如位置B和H处的销轴承轴颈11的横截 面图所示的那样。
相对于曲轴1的当前旋转位置，在上止点(TDC)和大凹陷区域14 的位置之间定义角度α，并且在上止点(TDC)和小凹陷区域15之间定 义角度β。在下表中定义了用于四缸曲轴1实施例的不同角度α和β。
角度 轴承A 轴承B 轴承C 轴承D 轴承E 轴承F 轴承G 轴承 轴承I α(°) 99 93 75 88 75 88 99 93 73 β(°) 287 272 288 267 288 267 287 272 261
如图1所示mm单位的角度α和β
示出的凹陷区域14、15具有宽度w1，其小于在旋转轴17方向上 测量的轴承轴颈表面12和13的宽度w2。凹陷区域14和15在圆周方 面上的延伸长度对于具有约60mm直径的轴承轴颈10和11来说可达 约100mm。凹陷区域引起的重量减少最高可达600g，其代表整个曲轴 1重量减少了1.53％。下面图2示例性示出了剖面线F-F下的横截面示 图。
图2示出了位置F处的销轴承轴颈11的横截面示图。在横截面的 右侧定义有大凹陷区域14，并且在横截面的左侧定义有小凹陷区域15。 在小凹陷区域15之下示出有油通道18的开口，油可以经过油通道18 来润滑销轴承轴颈11的表面13。在轴承1的销轴承轴颈11的横截面 区域之后示出了第一曲柄臂19，并且在未示出的主轴承轴颈之后布置 有另一曲柄臂19，用于将主轴承轴颈10与相邻销轴承轴颈11相连接。 实施例示出了相对于轴颈11的圆周位于相对位置的两个凹陷区域14、 15，并且所述凹陷区域14和15被定义为具有不同直径。
图3示出了具有在外轴承环20中旋转的轴承轴颈10、11的滑动 轴承的简要示图。轴承轴颈10、11沿旋转轴17的旋转由箭头定义。 以示例性方式示出的轴承轴颈10、11仅具有单个凹陷区域14、15，此 外，凹陷区域14、15的深度d被定义。半圆形凹陷区域14、15和主 轴承轴颈表面之间的过渡区具有过渡半径16，从而避免限定凹陷区域 14、15的尖锐边缘。
轴承轴颈10、11由力F加载，并且由于该负载，轴承轴颈10、11 在外轴承环20中具有偏心位置，进而导致了会聚区22。由于会聚区 22中所谓的楔形效应，形成液压动力油压力场21。由于压力场21中 的液压动力压力效应，轴承轴颈10、11被支撑在外轴承环20中。当 由轴承轴颈10、11和外轴承环20形成的滑动轴承被应用于用于支撑 曲轴1的曲柄箱中时或者被应用于用于将连杆连接到曲轴1的连杆中 时，压力场21的位置在不同的角度发生变化并且进而在环绕轴承轴颈 10、11的不同位置发生变化。在本发明的意义下，凹陷区域14、15的 位置被定义在没有液压动力压力的区域中，并且对于所示出的仅有一 个凹陷区域14、15的实施例来说，液压动力油压力场21的位置与凹 陷区域14、15径向相对。
关于图1中曲轴1的主轴承轴颈10和销轴承轴颈11的小和大凹 陷区域14和15的不同位置，凹陷区域14和15的位置被定义在基于 轴承10、11圆周的区域内，其中没有液压动力油压力场21。
由于凹陷区域14、15的特殊定位，其在轴承A至I之间可以发生 变化，导致材料缺失区的凹陷区域14和15的位置由计算机程序以下 述方式计算出来，即轴承轴颈10、11和外轴承环20之间的液压动力 油压力场被保持。
本发明不限于上文描述的实施例，这些实施例仅仅是作为示例呈 现，在所附权利要求限定的保护范围内可以多种方式修改。
参考标号：
1曲轴；10主轴承轴颈；11销轴承轴颈；12主轴承轴颈的表面；13销 轴承轴颈的表面；14凹陷区域，大；15凹陷区域，小；16过渡半径； 17旋转轴；18油通道；19曲柄臂；20外轴承环；21液压动力油压 力场；22会聚区；F力；d深度；x高机械负载的区域；w1至少一 个凹陷区域的宽度；w2轴承轴颈表面的宽度；TDC上止点；BDC下 止点；αTDC和大凹陷区域之间的角度；βBDC和小凹陷区域之间的 角度。