[發(fā)明專利]內燃發(fā)動機、曲軸及制造內燃發(fā)動機中空曲軸的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210325720.6
• 申請日: 2012-09-05
• 公開（公告）號: CN102979807A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發(fā)明（設計）人: E·韋斯
• 申請（專利權）人: 福特環(huán)球技術公司
• 主分類號: F16C3/06
• 分類號: F16C3/06;B23P15/00
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙蓉民

相關申請

本申請要求在2011年9月5日提交的歐洲專利申請?zhí)朜o.11179988.8的優(yōu)先權，其全部內容為所有目的通過引用并入本文。

技術領域

本公開涉及帶有至少一個汽缸和中空形式的曲軸的內燃發(fā)動機。本公開還涉及制造這種內燃發(fā)動機的曲軸的方法。

背景技術

鑒于作為用來獲得運行內燃發(fā)動機的燃料的原料的礦物油儲藏的有限性，人們一直致力于通過結構措施來降低內燃發(fā)動機的重量，進而最小化燃料的消耗。將曲軸設計為中空的曲軸是一種降低重量的有效措施，

對于內燃發(fā)動機的每個汽缸，曲軸具有曲拐并且具有至少兩個軸部分，這兩個軸部分被設置從而沿曲軸的縱向軸線彼此間隔開并且用于安裝軸。每個曲拐包括彼此間隔的兩個曲柄板并且通過連桿軸頸彼此連接。

內燃發(fā)動機的每個汽缸具有可軸向移動的活塞，該活塞在汽缸筒中被引導，并且它與汽缸筒和汽缸蓋一起限定了汽缸的燃燒空間。活塞用來將燃燒產生的氣體力傳遞至曲軸。在此情況下，活塞的振動往復移動被轉換為曲軸的旋轉運動。為此目的，活塞通過活塞銷以鉸接的方式被連接至連桿，連桿被進一步可移動地安裝到曲軸曲拐的連桿軸頸上。包括活塞、活塞銷和連桿的曲軸還被稱為曲柄機構。

安裝在曲軸箱中的曲軸吸收連桿力，該連桿力由燃料在燃燒空間中燃燒得到的氣體力和由發(fā)動機零件的不均衡移動的慣性力組成。

曲軸由扭力帶動下進入扭轉振動，所述扭力隨時間而改變并且經由連桿被引入曲軸。這些扭轉振動同時導致由于固載噪聲的輻射引起的噪聲和由于固載噪聲引入本體和內燃發(fā)動機的噪聲。

還因為消費者的認知，在他們購買車輛時越來越根據內燃發(fā)動機和車輛產生的噪聲并且甚至是決定性地根據這種噪聲，所以振動在機動車輛和內燃發(fā)動機的設計和執(zhí)行上是越來越重要。

曲軸的扭轉振動經由曲軸驅動機構被傳遞至凸輪軸，凸輪軸本身還包括振動系統(tǒng)并且還能夠激勵其他系統(tǒng)特別是氣門機構振動。此外，曲軸的振動還被引入傳動系，經此它們還被傳遞至車輛的輪胎。

如果曲軸在特征頻率范圍內被激勵，則可出現高的扭轉振動幅值，這甚至會導致疲勞斷裂。這說明振動不僅與噪聲設計相關，甚至還需考慮曲軸的強度。

因為由慣性力和氣體力施加在曲軸上的高動態(tài)負載，所以設計工程師在設計內燃發(fā)動機中致力于盡可能全面實施慣性平衡，也就是說優(yōu)化慣性平衡。在此情況中，術語“慣性平衡”包括補償或降低慣性力向外作用的所有措施。在這個范圍上，慣性平衡不僅指代慣性力還指代由慣性力引起的力矩。

在此方面，一種解決方法是設法以實現盡可能的優(yōu)化慣性平衡的方式協調曲軸的曲拐、汽缸的個數和布置以及點火次序。

六缸直列發(fā)動機能夠以此方式被完全平衡。在三缸直列發(fā)動機中，一階慣性力和二階慣性力通過合適曲拐的選擇和合適的點火次序同樣能夠被完全平衡，但是，由慣性力引起的力矩不能被平衡。

例如在以上描述的六缸直列發(fā)動機中，完全的慣性平衡也不是總能實現，并且因此需要采取其他措施，例如，在曲軸上設置配重和/或在內燃發(fā)動機上安裝至少一個平衡軸。

曲軸機構的質量，即連桿、活塞、活塞銷和活塞環(huán)的各個質量能夠被轉化為振動等效質量和旋轉等效質量。旋轉等效質量的慣性力能夠具有通過在曲軸上設置配重的簡單方式平衡的它的外部作用件。

由振動等效質量導致的旋轉慣性力的平衡更加復雜。該旋轉慣性力能夠通過設置反向旋轉平衡軸而被平衡，所述平衡軸提供有對應重物。

即便是當旋轉慣性力被完全平衡時，慣性力矩也可產生，因為每個氣缸的慣性力作用在汽缸的中平面（mid-plane）。在個案中，這些力矩能通過裝有重物的平衡軸被進一步補償。

慣性平衡的提供不僅增加了需要的空間和成本，還增大了燃料消耗。一方面，增大的燃料消耗由顯著增大整體重量的額外的重物導致。另一方面，慣性平衡還對內燃發(fā)動機的摩擦作用有可觀的貢獻。

通過以上描述清晰的是：降低曲柄機構的質量是有利的，曲軸作為其中質量最重的部件具有節(jié)省重量的最大潛力。使用中空曲軸導致降低質量的曲柄機構并且結果導致用于需要慣性平衡的配重的降低。在本公開的背景下，曲軸被指明為中空曲軸，其中至少一個軸部分或至少一個連桿軸頸是中空形式，也就是說不是由實心材料而是由包括腔體的替代材料制造。在這種情況下，用于向曲軸軸承或連桿軸承供給油的供給管路不是以上意義的腔體，因為這些執(zhí)行節(jié)約材料之外的功能。