[发明专利]带有锻造钢芯插入件的球墨铸铁铸造曲轴

说明书

技术领域

本公开的发明概念大体涉及用于内燃发动机的曲轴。更具体地，本公开的发明概念涉及具有用于强度的低成本锻造钢芯以及在该锻造钢芯周围形成的球墨铸铁外层的曲轴。该外部铸造层包括平衡重、曲柄臂、杆、凸缘和轴颈。因此而形成的曲轴，能够减小轴颈的直径以在不降低曲轴的耐用性的情况下减小机械摩擦。

背景技术

内燃发动机的一个关键部件就是曲轴。自从发动机制造业的早期就已经对曲轴进行了某些改进。

然而，仍需要进一步的进步。其中一个面对发动机的最大的挑战就是曲轴摩擦。众所周知，曲轴抵靠作为发动机缸体的一部分形成的主轴承轴颈旋转。当被润滑时，这些轴承表面产生效率折衷的摩擦(efficiency-compromisingfriction)。在连杆与在曲轴上形成的连杆轴颈之间会产生额外的效率折衷的摩擦。

在减少在曲轴的旋转下产生的摩擦的努力中，减小粘度的润滑剂已经被开发。然而促进了曲轴的旋转摩擦力的减小，因此仍然存在用于减小摩擦的其它机会。

一个被提出的用来减小由曲轴产生的主轴承机械摩擦和杆轴承机械摩擦的量的概念是减小曲轴轴颈的尺寸，因此减小整个表面面积，必然地减小摩擦。然而，当被引入实践中时，此概念受到了已知的曲轴制造技术的挑战。

根据已知的生产技术，取决于发动机负载特性，典型的曲轴是锻造钢设计或者是铸造球墨铸铁。作为一个普遍的问题，锻造成型的曲轴比铸造成型的曲轴强度更大。

在锻造过程中，热钢坯(通常地由SAE1045或类似钢组成)经由一系列的锻模加工通过坯料的形状在每个锻造阶段被轻微的改变被加工。根据已知技术，产生的坯料然后经历广泛的加工过程。在加工过程期间，可能将曲轴轴颈的尺寸减小，由于锻造钢曲轴非常密实而因此耐用。然而，不管轴颈的直径是多少，生产锻造曲轴的成本由于材料成本和工艺成本都是相对较高的。因此，尽管锻造曲轴是用于减小的尺寸的轴颈的更好的候选，但是此方法成本高昂。

相反地，铸造球墨铸铁曲轴的生产在成本上更低廉，因为能够将最初的铸件制造成相对地更接近所期望的最终形状和尺寸。铸造工艺允许即使具有复杂形状的曲轴也可通过最小限度的后期制作加工而生产。只有轴承表面的加工和驱动端的精加工需要被保证。

然而，尽管由于更低要求的加工而更低的生产成本，但是轴颈尺寸的减小大幅度地降低了典型铸造球墨铸铁曲轴的耐用特性。球墨铸铁曲轴的弯曲度变得更差并且显示出降低的扭转强度和疲劳强度。

改进这些曲轴设计特性的典型的方法是将材料选择从铸造球墨铸铁改变为锻造钢，但是，如以上所讨论的，当与铸造球墨铸铁相比时，锻造钢曲轴增加了相当大的制造成本。

总而言之，寻找一种减小主轴承摩擦和杆轴承摩擦同时满足所有曲轴耐用性要求的经济的曲轴设计解决方案是直到本发明为止的仍然未被解决的问题。

发明内容

本公开的发明概念克服了与生产用于内燃发动机的曲轴的已知方法相关的问题。本公开的发明概念提供了一种精加工的并且耐用的曲轴，该曲轴具有低成本锻造钢芯，该锻造钢芯带有在该芯上形成的球墨铸铁外层。具体地，具有本公开的发明概念的锻造钢芯的铸造球墨铸铁曲轴提供了与传统的铸造铁曲轴相比的更低成本的制造解决方案，同时提高了整体耐用特性。

根据本公开的发明概念的用于内燃发动机的曲轴包括由第一材料形成的曲轴芯以及在曲轴芯上由不同于第一材料的第二材料形成的层。第一材料和第二材料尽管不是绝对地但是都优选地为金属。曲轴芯优选地由锻造钢(例如C1117AISI或类似钢)形成。在曲轴芯上形成的层优选地为铁，例如球墨铸铁。曲轴芯优选地形成为具有在每一端的定向拱石锁(orientingkeystonelock)。

尽管碳是在所有碳素钢中发现的典型地主要合金元素，但是其他元素，例如铜、镍、铬、铝和钼也同样存在，尽管数量更少。由于比其他钢具有更多的锰，C1117AISI可提供优良的淬透性。然而，尽管C1117AISI由于它的淬透性是一种已知的优选的钢，但是其他表现出优良淬透性的钢也同样适用。

在曲轴芯上形成的铁层可为多种铁，尽管球墨铸铁是优选的。“球墨铸铁”(也被称为“延性铸铁”和“球状石墨铁”)指通过包含以球状形式的石墨而被加强的铁，其中，该球状形式不同于如在灰铁的情况中的单片形式。此外，球墨铸铁通常地包含铈和镁。其他的添加物也可被包含。此创新的组合使球墨铸铁产生了相比于灰铁而言更高程度的抗撞击性和抗疲劳性。因此，球墨铸铁理想地适合作为在本公开的发明概念的铸造球墨铸铁曲轴中的外层。