具有放热粘合套筒的轴颈的制作方法

本发明一般涉及用于机器的旋转轴，旨在提供一种旋转轴，其包括具有放热粘合套筒的轴颈。

背景技术：

用于诸如建筑和采矿机器等机器的旋转轴，例如凸轮轴和曲轴等，一般包括各种接触功能件，例如轴颈和凸轮，它们始终与这些机器的其他部件接触，导致接触功能件的表面发生磨损。保持建筑物接触功能件既费钱又费时。

W.Whitney的美国专利申请No.5,536,587公开了一种用铝合金制成的轴承。可以通过淬火铸造操作将合金制成连续固体带材，其中将熔融合金馈送到两个内冷型辊之间的界面，以便在不到一秒钟时间内冷冻合金，形成固体带材状态。铝合金带材可以加压粘合到钢背衬条上，以形成用于制造轴承的复合带材。

本发明旨在克服发明人发现的一个或多个问题。

技术实现要素：

本文公开了一种用于机器的轴的接触功能件。在实施例中，接触功能件包括一体部分、套筒和粘合层。该一体部分与轴成为一体，并且包括小于该接触功能件的整体轮廓的轮廓。该套筒围绕一体部分放置，并且包括该接触功能件的整体轮廓。该粘合层位于该一体部分和该套筒之间。该粘合层将一体部分和套筒之间的至少大部分界面连结在一起。

还公开了一种用于机器的轴的制造方法。在实施例中，该方法包括围绕轴的一体部分放置套筒。该方法还包括将反应材料放置在套筒和一体部分之间。该方法进一步包括利用反应材料将一体部分和套筒之间的至少大部分界面粘合在一起，以形成轴的接触功能件，该轴包括套筒、一体部分和其间的所得粘合层。

附图说明

图1是凸轮轴的透视图。

图2是沿穿过端部轴颈的线II-II截取的图1的凸轮轴的剖视图。

图3是沿穿过内轴颈的线III-III截取的图1的凸轮轴的剖视图。

图4是沿穿过凸轮的线IV-IV截取的图1的凸轮轴的剖视图。

图5是曲轴的透视图。

图6是沿穿过主轴颈的线VI-VI截取的图5的曲轴的剖视图。

图7是图6中由标记为VII的虚线包围的部分的剖视图。

图8是用于机器的包括接触功能件的旋转轴的制造方法的流程图。

具体实施方式

本文披露的系统和方法包括用于诸如建筑和采矿机器等机器的轴，例如凸轮轴和曲轴等。在实施例中，该轴包括接触功能件，例如包括一体部分和套筒的轴颈和凸轮。该一体部分与轴的大部分成为一体，而轴通过放热反应粘合到一体部分。将套筒连接到一体部分可以防止轴套筒相对于一体部分发生旋转。

图1是凸轮轴100的透视图。为了清楚并便于说明，这个图和其他图所示的某些功能件可以被放大。凸轮轴100包括轴部分105和各种接触功能件，这些接触功能件包括端部轴颈110、内轴颈120和凸轮130。凸轮轴100可以包括位于凸轮轴100的每个端部处的端部轴颈110。发动机组内，端部轴颈110支撑凸轮轴100的端部，并可乘载于可更换轴承上。图2是沿穿过端部轴颈110的线II-II截取的图1的凸轮轴100的剖视图。

端部轴颈110中的一个或多个可包括端部轴颈一体部分112、端部轴颈套筒114和端部轴颈粘合层115。端部轴颈一体部分112与端部轴颈110的大部分成为一体，例如轴部分105。端部轴颈一体部分112可以包括圆柱体形状。端部轴颈一体部分112的轮廓，例如外径，小于端部轴颈110的总轮廓，例如外径。粘合到端部轴颈套筒114之前，端部轴颈一体部分112的轮廓可以以预定量，例如述端部轴颈套筒114的厚度，偏离端部轴颈110的总轮廓。

端部轴颈套筒114从端部轴颈一体部分112向外并围绕端部轴颈一体部分112放置。端部轴颈套筒114可以包括中空圆柱体形状。在所示实施例中，端部轴颈套筒114是中空圆柱体形状的单个一体零件。端部轴颈套筒114的外轮廓，例如外径，至少与端部轴颈110的期望最小实体条件一样大。在粘合到端部轴颈一体部分112之前，端部轴颈套筒114的内轮廓，例如内径，可以在端部轴颈一体部分112的轮廓的预定容许量内。一些实施例中，端部轴颈套筒114的内轮廓可以小于端部轴颈一体部分112的外轮廓，以便在粘合之前在两者之间形成过盈配合。

端部轴颈套筒114和端部轴颈一体部分112通过端部轴颈粘合层115连接在他们的界面处。当端部轴颈套筒114在形成端部轴颈粘合层115之前围绕端部轴颈一体部分112放置时，该界面可以位于端部轴颈套筒114的内表面和端部轴颈一体部分112的外表面处。

端部轴颈粘合层115可以是冶金粘合，其经由端部轴颈一体部分112和端部轴颈套筒114之间发生的放热反应而形成。端部轴颈粘合层115将端部轴颈套筒114和端部轴颈一体部分112之间界面的至少大部分冶金粘合在一起，例如，将端部轴颈套筒114内表面的至少大部分和端部轴颈一体部分112外表面的至少大部分粘合在一起。端部轴颈粘合层115可以包括来自一体部分的材料、来自套筒的材料、以及放热反应产生的形成端部轴颈粘合层115的残余反应材料。

图3是沿穿过内轴颈120的线III-III截取的图1的凸轮轴100的剖视图。参照图1和3，发动机组内，内轴颈120在端部轴颈110之间支撑凸轮轴100，并可以乘载于可更换轴承上。内轴颈120中的一个或多个可以包括内轴颈一体部分122、内轴颈套筒124和内轴颈粘合层125。内轴颈一体部分122与凸轮轴100的大部分形成一体，例如，与轴部分105和端部轴颈一体部分112形成一体。内轴颈一体部分122可以包括圆柱体形状。内轴颈一体部分122的轮廓，例如外径，小于内轴颈120的总轮廓，例如外径。粘合到内轴颈套筒124之前，内轴颈一体部分122的轮廓可以以预定量，例如内轴颈套筒124的厚度，偏离内轴颈120的总轮廓。

内轴颈套筒124从内轴颈一体部分122向外并围绕内轴颈一体部分122放置。内轴颈套筒124可以包括中空圆柱体形状，并可以包括多个内轴颈套筒部分126。在所示实施例中，内轴颈套筒124包括两个内轴颈套筒部分126，其组合以形成中空圆柱体形状。每个内轴颈套筒部分126均包括两个内轴颈套筒端128。内轴颈套筒部分126可以在它们毗邻内套筒端128处粘合在一起，例如，通过焊接或通过放热反应。在一些实施例中，内轴颈套筒部分126的粘合靠近内轴颈套筒124的外表面，不会穿透内轴颈一体部分122。内轴颈套筒部分126可以是对称的，并且可以沿内轴颈套筒124的中心分离。在所示实施例中，内套筒端128在垂直于其外表面和内表面的内轴颈套筒124的外表面和内表面之间延伸。

内轴颈套筒124的外轮廓，比如外径至少像内轴颈120的期望最小实体条件一样大。在粘合到内轴颈一体部分122之前，内轴颈套筒124的内轮廓比如内径可以在内轴颈一体部分122的轮廓的预定容许量内。

内轴颈套筒124和内轴颈一体部分122通过内轴颈粘合层125连接在他们的界面处。当内轴颈套筒124在形成内轴颈粘合层125之前围绕内轴颈一体部分122定位时，界面可以在内轴颈套筒124的内表面和内轴颈一体部分122的外表面处。

内轴颈粘合层125可以为由在内轴颈一体部分122和内轴颈套筒124之间发生的放热反应形成的冶金粘合。内轴颈粘合层125将内轴颈套筒124和内轴颈一体部分122之间的至少大部分界面冶金地粘合在一起，比如将内轴颈套筒124的至少大部分内表面以及内轴颈一体部分122的至少大部分外表面连接在一起。来自放热反应的一些残留材料可以在内轴颈粘合层125形成之后保留。在图3所示的实施例中，反应材料123为内轴颈套筒124和内轴颈一体部分122之间的残留层。在其他实施例中，反应材料123散布在内轴颈粘合层125内。在实施例中，内轴颈套筒124包括一层反应材料123。反应材料123涂覆内轴颈套筒124的内表面并可涂覆每个内轴颈套筒部分126。反应材料123可以为放热材料，比如铝热剂，其在反应中提供足够的热以冶金地将内轴颈一体部分122粘合到内轴颈套筒124。放热反应系统可包括特别是氧化和金属间形成。在其他实施例中，反应材料123可以应用到内轴颈一体部分122的外表面。

图4是沿线IV-IV穿过凸轮130截取的图1的凸轮轴100的剖视图。参照图1和4，凸轮130总体上控制打开和关闭机器的发动机中的阀的定时。凸轮130中的一个或多个可包括凸轮一体部分132、凸轮套筒134和凸轮粘合层135。凸轮一体部分132与大部分凸轮轴100成一体，比如轴部分105、端部轴颈一体部分112和内轴颈一体部分122。凸轮一体部分132可包括凸起。凸轮一体部分132的轮廓小于凸轮130的总轮廓。粘合到凸轮套筒134之前的凸轮一体部分132的轮廓可以以预定量比如凸轮套筒134的厚度，偏离凸轮130的总轮廓。凸轮一体部分132以及凸轮130的轮廓可以为椭圆形或由具有升程轮廓的基圆形成。

凸轮套筒134从凸轮一体部分132向外且围绕凸轮一体部分132定位。凸轮套筒134可以为中空并包括恒定厚度。厚度可以在预定容许量内。凸轮套筒134还可包括多个凸轮套筒部分136。在所示实施例中，凸轮套筒134包括两个凸轮套筒部分136，其组合成形成凸轮130的所有轮廓。凸轮套筒部分136可沿凸轮130的中心线分离凸轮130或者可在其他位置分离凸轮130。凸轮套筒部分136各自包括两个凸轮套筒端部138。凸轮套筒部分136可以在他们的毗邻凸轮套筒端部138处粘合在一起，比如通过焊接或通过放热反应。在一些实施例中，凸轮套筒部分136的粘合邻近凸轮套筒134的外表面且不会穿透凸轮一体部分132。凸轮套筒部分136可以是对称的且可以沿凸轮套筒134的中心分离。在所示实施例中，凸轮套筒端部138在垂直于外表面和内表面的凸轮套筒134的外表面和内表面之间延伸。

凸轮套筒134的外轮廓至少像凸轮130的期望最小实体条件一样大。在粘合到凸轮一体部分132之前，凸轮套筒134的内轮廓可以在凸轮一体部分132的外轮廓的预定容许量内。

凸轮套筒134和凸轮一体部分132通过凸轮粘合层135连接在他们的界面处。当凸轮套筒134在形成凸轮粘合层135之前围绕凸轮一体部分132定位时，界面可以在凸轮套筒134的内表面和凸轮一体部分132的外表面处。

凸轮粘合层135可以为由在凸轮一体部分132和凸轮套筒134之间发生的放热反应形成的冶金粘合。凸轮粘合层135将凸轮套筒134和凸轮一体部分132之间的至少大部分界面冶金地粘合在一起，比如将凸轮套筒134的至少大部分内表面以及凸轮一体部分132的至少大部分外表面连接在一起。来自放热反应的一些残留材料可以在凸轮粘合层135形成之后保留。

图5是曲轴200的立体图。曲轴200总体在往复运动和旋转运动之间转换，并包括主轴颈210、杆轴颈220、腹板230和安装凸缘240。主轴颈210支撑发动机组内的曲轴200，并可乘载在可更换轴承上。图6是沿线VI-VI穿过主轴颈210截取的图5的曲轴200的剖视图。主轴颈210中的一个或多个可包括主轴颈一体部分212、主轴颈套筒214和主轴颈粘合层215。主轴颈一体部分212与大部分曲轴200成一体。主轴颈一体部分212可包括圆柱形形状。主轴颈一体部分212的轮廓比如外径小于主轴颈210的总轮廓，比如外径。粘合到主轴颈套筒214之前的主轴颈一体部分212的轮廓可以以预定量比如主轴颈套筒214的厚度，偏离主轴颈210的总轮廓。

主轴颈套筒214从主轴颈一体部分212向外并围绕主轴颈一体部分212定位。主轴颈套筒214可包括中空圆柱形形状并可包括多个主轴颈套筒部分216。在所示实施例中，主轴颈套筒214包括两个主轴颈套筒部分216，其组合成形成中空圆柱形形状。主轴颈套筒部分216各自包括两个主轴颈套筒端部218。主轴颈套筒部分216可以在他们的毗邻内套筒端部128处粘合在一起，比如通过焊接或通过放热反应。在一些实施例中，主轴颈套筒部分216的粘合邻近主轴颈套筒214的外表面且不会穿透主轴颈一体部分212。主轴颈套筒部分216可以是对称的且可以沿主轴颈套筒214的中心分离。在所示实施例中，主轴颈套筒端部218以相对于垂直于外表面和内表面的表面的角度在主轴颈套筒214的外表面和内表面之间延伸，且不垂直于主轴颈套筒214的外表面和内表面。

主轴颈套筒214的外轮廓，比如外径至少像主轴颈210的期望最小实体条件一样大。在粘合到主轴颈一体部分212之前，主轴颈套筒214的内轮廓比如内径可以在主轴颈一体部分212的轮廓的预定容许量内。

主轴颈套筒214和主轴颈一体部分212通过主轴颈粘合层215连接在他们的界面处。当主轴颈套筒214在形成主轴颈粘合层215之前围绕主轴颈一体部分212定位时，界面可以在主轴颈套筒214的内表面和主轴颈一体部分212的外表面处。

主轴颈粘合层215可以是由在主轴颈一体部分212与主轴颈套筒214之间发生的放热反应形成的冶金粘合。主轴颈粘合层215将主轴颈套筒214与主轴颈一体部分212之间的至少大部分界面冶金地粘合在一起，诸如将主轴颈套筒214的至少大部分内表面和主轴颈一体部分212的至少大部分外表面连接在一起。来自放热反应的某些残留材料可以在形成主轴颈粘合层215之后保留。

主轴颈套筒214可能需要沿相对于主轴颈一体部分212的预定定向对准以将它们各自的选定功能件对准。图7是图6中以标记为VII的虚线包围的部分的横截面图。参考图6和7，主轴颈一体部分212可以包括油道211，且主轴颈套筒214可以包括油孔219。如果油孔219未与油道211对准，那么油道211可能被主轴颈套筒214阻断。

参考图7，曲轴200可以包括一体部分对准功能件209和套筒对准功能件208。一体部分对准功能件209和套筒对准功能件208可以是主轴颈一体部分212和主轴颈套筒214中的配接突起和凹陷。在所说明的实施例中，一体部分对准功能件209包括位于主轴颈一体部分212中的邻近于主轴颈套筒214的油道211的外端处的倒角，且套筒对准功能件208包括围绕油孔219从主轴颈套筒214向内突起并且进入倒角上方的空间中的凸缘。在所说明实施例中，套筒对准功能件208与主轴颈套筒214成一体。如所说明，套筒对准功能件208可以从组合以形成主轴颈套筒214的一个主轴颈套筒段216向内突起。

参考图5，连杆轴颈220包括连杆轴颈套筒224和连杆轴颈一体部分。连杆轴颈套筒224可以包括本文描述的与主轴颈套筒214、内轴颈套筒124、凸轮套筒134和端部轴颈套筒114有关的任何功能件。类似地，连杆轴颈一体部分可以包括本文描述的与主轴颈一体部分212、内轴颈一体部分122、凸轮一体部分132和端部轴颈一体部分112有关的任何功能件。

主轴颈210和连杆轴颈220可以由腹板230连接。主轴承一体部分212和连杆轴颈一体部分与腹板230成一体并且彼此成一体。安装凸缘240可以位于曲轴200的每一端处。

根据本文公开的发明的机器(诸如建筑或采矿机器)的轴包括至少一个接触功能件。接触功能件可以包括端部轴颈110、内轴颈120、凸轮130、主轴颈210或连杆轴颈220。接触功能件包括一体部分和套筒。一体部分可以包括本文相对于端部轴颈一体部分112、内轴颈一体部分122、凸轮一体部分132和主轴颈一体部分212描述的功能件的任何组合。套筒包括至少一个套筒段并且可以包括多个套筒段。套筒也可以包括本文相对于端部轴颈套筒114、内轴颈套筒124、凸轮套筒134和主轴颈套筒214描述的功能件的任何组合。

在实施例中，并非所有接触功能件均包括一体部分和套筒。轴的某些接触功能件可以仅仅包括一体部分，但不包括套筒。在其他实施例中，所有接触功能件均包括一体部分和套筒。

套筒的材料可以基于接触功能件的外表面处的期望接触性质(诸如硬度)而选择。套筒包括能够粘合至一体部分的材料。在某些实施例中，套筒包括与一体部分的材料相同或类似的材料。在其他实施例中，套筒包括与一体部分的材料不同的材料。另外，套筒可以具有在粘合至一体部分之前施加的表面处理。套筒可以包括任何金属，该金属尤其包括钢、工具钢、镍合金和青铜。

工业实用性

用于机器(诸如建筑和采矿机器)的轴的接触功能件可能易遭受各种应力、应变力和各种形式的磨损。每个接触功能件上的磨损量可以基于接触功能件的位置，其中所述机器的部件连接至或接触所述接触功能件。

图8是用于制造包括用于机器(诸如建筑或采矿机器)的接触功能件的旋转轴的方法的流程图。所述方法可以包括在步骤802处制备轴和轴的一体部分以接纳套筒。步骤802可以包括将一体部分预加工(诸如打磨、车削或碾磨)成预定轮廓。预加工可以在新轴上或在被再造的轴上执行。在某些实施例中，一体部分在轴的初始制造过程期间可以形成有预定轮廓。

所述方法包括在步骤804处围绕一体部分放置套筒。步骤804可以包括将套筒与一体部分对准。在某些实施例中，一体部分和套筒包括诸如需要对准的孔和通道的功能件。将套筒与一体部分对准可以包括一个或多个对准功能件，诸如一体部分对准功能件209和套筒对准功能件208。在某些实施例中，将套筒与一体部分对准是使用对准辅助物而执行以将套筒的功能件与一体部分对准。在某些实施例中，对准辅助物是对准销钉，其诸如通过将对准销钉放置在油孔和油道中而相对于一体部分定位套筒。对准辅助物可以在粘合步骤期间保留并且可以在完成粘合步骤之后移除。

在实施例中，套筒是利用干涉配合围绕一体部分放置。这些实施例可以包括由单个一体件形成的套筒。

所述方法还包括在步骤806处将反应材料放置在套筒与一体部分之间。步骤806可以包括在围绕一体部分放置套筒之前施加反应材料至套筒的内表面或施加反应材料至一体部分的外表面。施加反应材料至套筒的内表面或施加反应材料至一体部分的外表面可以包括对表面涂敷一层反应材料。围绕一体部分放置套筒可以在反应材料已被施加至套筒的内表面或一体部分的外表面时同时将反应材料放置在套筒与一体部分之间。

所述方法进一步包括在步骤808处使用反应材料将套筒粘合至一体部分。步骤808可以包括将一体部分与套筒之间的至少大部分界面粘合在一起。步骤808还可以包括起始反应材料中的放热反应。放热反应可以电气、热或机器方式起始。在某些实施例中，诸如电池或电焊机的电源提供电荷，所述电荷供应能量以起始放热反应。在其他实施例中，诸如烙铁的热源提供热量，所述热量供应能量以起始放热反应。在又其他实施例中，机器能诸如通过物理地撞击材料而供应能量以起始放热反应。

一旦起始，放热反应可以自传播并且产生足够多的热量以将套筒和一体部分粘合在一起。放热反应可以产生粘合而不产生足够多的热量来显著地影响套筒和一体部分的性质。步骤808可以将套筒与一体部分之间的大部分界面粘合在一起，诸如将套筒的内表面粘合至一体部分的大部分外表面。粘合可以足够强到承受与机器的其他部件接触期间产生的轴颈中的应力和应变力。粘合可以能够承受应力和应变力以在其中轴颈与套筒之间的干涉配合可能不足以防止套筒相对于轴颈独立旋转的情况下防止一体部分与套筒之间的旋转。在某些实施例中，反应材料可以包括(例如)铝热剂、氧化铁与铝的混合粉末或可具有金属间反应的金属(诸如镍和铝)。

所述方法可以进一步包括在步骤810处在将套筒粘合至一体部分之后对套筒进行后期加工。步骤810可以包括将套筒加工至轴颈的期望轮廓，所述期望轮廓是在轴颈的尺寸要求内。

在某些实施例中，所述方法包括对套筒进行表面处理，诸如热处理或冷加工。表面处理可以在步骤806和808之前或之后执行。步骤806和808之前对套筒进行的表面处理(诸如热处理)可以允许修改套筒的材料性质而不影响轴的剩余部分的材料性质。这可以允许包括多个轴颈的轴具有带有不同表面处理和不同性质的轴颈。具有不同性质的轴颈还可通过使用不同材料的轴颈而完成。

在某些实施例中，套筒包括多个套筒段。所述方法可以包括围绕一体部分形成套筒段的闭环和将套筒段粘合在一起。在某些实施例中，将套筒段粘合在一起可以包括使用外部热源的粘合过程，诸如焊接。焊接可以起始放热反应。在其他实施例中，反应材料还被放置在套筒段的相邻端之间且放热反应还将套筒段粘合在一起。多个套筒段促进围绕一体部分放置套筒，所述一体部分原本归因于其在轴上的位置而无法接纳套筒。

图8中说明的过程具有许多变动，包括增加、省略、重新排序或更改步骤。另外，可以同时执行步骤或子步骤。例如，可以在准备轴和一体部分以接纳套筒之前、之后或同时执行将反应材料施加至套筒的内表面。

前述详述本质上仅仅是示例性的且并非意图限制本发明或本发明的应用和用途。所述实施例并不限于与特定类型的机器粘合使用。因此，虽然本发明为了便于解释而描绘用于建筑或采矿机器的旋转轴，但是应当明白根据本发明的旋转轴可以各种其他配置来实施并且可在其他类型的机器中使用。另外，并非意图受前文的背景或详述中展示的任何理论的限制。还应当理解，除非明确如此说明，否则所述说明可以包括夸大的尺寸以更好地说明所示的参考项，并且不考虑限制。