用于内燃发动机的连杆的制作方法

各个实施例涉及一种用于内燃发动机的连杆。

背景技术：

连杆可用于将内燃发动机中的活塞连接到曲轴，以将活塞的平移运动转换为曲轴的旋转运动。在连杆和曲轴之间设置有轴承，并且轴承具有与曲轴的表面相接的轮廓表面。轴承的轮廓表面会影响轴承的性能和功能。目前，通过对曲柄销轴颈和/或轴承壳轮廓进行的昂贵且耗时的机加工工艺来控制轮廓表面。

技术实现要素：

在实施例中，提供了一种组装连杆的方法。上轴承壳和下轴承壳被插入到大端中，所述大端的下表面高度是上表面高度、面到面宽度以及带部高度和带部宽度的函数，上轴承壳和下轴承壳在自由状态下均具有直的轴向轮廓和均匀的截面。以特定的载荷将盖进行紧固以形成上轴承壳和下轴承壳的凸出的轴向轮廓。

在另一实施例中，一种用于发动机的连杆具有通过梁连接到小端的大端。大端限定有孔，并具有上部和由盖提供的下部。上部具有从所述梁延伸的柄，所述柄位于与孔的上部的周边邻近的第一上表面和第二上表面之间。所述盖具有位于与孔的下部的周边邻近的第一下表面和第二下表面之间的带部。所述大端具有特定的截面轮廓，其中下表面高度是上表面高度、下面到面宽度、带部高度和带部宽度的函数。上轴承壳由孔的上部接纳，下轴承壳由孔的下部接纳。第一紧固件和第二紧固件以特定的载荷将盖连接到大端的上部。所述大端的特定的截面轮廓被构造为响应于以预定的载荷将盖固定到大端的上部，使每个轴承壳从自由形态的均匀的截面变形为凸出的轴向轮廓截面，所述凸出的轴向轮廓截面的内表面的中央区域比内表面的边缘区域高至少一微米。

在又一实施例中，一种发动机具有连杆，连杆的大端的尺寸被设定为使得下表面高度是上表面高度、面到面宽度及带部高度和带部宽度的函数。第一轴承壳和第二轴承壳在特定的夹紧载荷下由大端接纳，以响应于大端尺寸形成凸出的轴向轮廓。曲轴具有与凸出的轴向轮廓相接的曲柄销。

附图说明

图1示出了被配置为实施所公开的实施例的发动机的示意图；

图2示出了根据实施例的连杆的分解图；

图3a、图3b和图3c示出了连杆中的轴承壳的表面的三个轴向轮廓；

图4示出了图2的连杆组装后的局部正视图；

图5示出了图2的连杆组装后的局部剖视图；

图6示出了图2的连杆组装后的局部透视图。

具体实施方式

根据需要，在此提供本公开的详细实施例；然而，应理解，公开的实施例仅为示例，并且可采取各种替代的形式实施。附图无需按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以显示特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员以各种形式利用本公开的代表性基础。

图1示出了示意性的内燃发动机20。发动机20具有多个气缸22，其中示出一个气缸。发动机20可包括以各种方式(包括直列配置和v型配置)布置的多个气缸。发动机20具有与每个气缸22相关联的燃烧室24。气缸22由气缸壁32和活塞组件34形成。活塞组件34连接到曲轴36。燃烧室24与进气歧管38和排气歧管40流体连通。进气门42控制从进气歧管38进入到燃烧室24中的流动。排气门44控制从燃烧室24到排气歧管40的流动。

燃料喷射器46将燃料从燃料系统直接输送到燃烧室24中，因此发动机是直喷式发动机。发动机20可使用低压或高压燃料喷射系统，或者在其它示例中可使用进气道喷射系统。点火系统包括火花塞48，可控制火花塞48以火花的形式提供能量来点燃燃烧室24中的燃料空气混合物。在其它实施例中，可使用其它燃料输送系统和点火系统或技术(包括压缩点火)。进气门42和排气门44、喷射器46和火花塞48可以以本领域已知的各种方式操作以控制发动机操作。

发动机20包括控制器和各种传感器，这些传感器被配置为向控制器提供信号以用于控制向发动机输送的空气和燃料、点火正时、从发动机输出的功率和扭矩等。发动机传感器可包括但不限于排气歧管40中的氧传感器、发动机冷却剂温度传感器、加速踏板位置传感器、发动机歧管压力(map)传感器、针对曲轴位置的发动机位置传感器、进气歧管38中的空气质量传感器、节气门位置传感器等。

在一些实施例中，发动机20被用作车辆(诸如，传统车辆或停止-启动车辆)中的唯一原动机。在其它实施例中，发动机可被用在混合动力车辆中，其中附加的原动机(诸如，电机)适于提供额外的动力以推进车辆。

每个气缸22在包括进气冲程、压缩冲程、点火冲程和排气冲程的四冲程循环下操作。在其它示例中，发动机可以使用两冲程循环操作。在进气冲程期间，进气门42打开，排气门44关闭，同时活塞组件34从气缸22的顶部运动到气缸22的底部，以将空气从进气歧管引入到燃烧室。活塞组件34在气缸22的顶部的位置通常称为上止点(tdc)。活塞组件34在气缸底部的位置通常称为下止点(bdc)。

在压缩冲程期间，进气门42和排气门44关闭。活塞34从气缸22的底部向顶部运动以压缩燃烧室24内的空气。

然后燃料被引入燃烧室24中并被点燃。在所示的发动机20中，燃料被喷射到燃烧室24中，然后使用火花塞48点燃。在其它示例中，燃料可通过压缩点火过程点燃。

在膨胀冲程期间，燃烧室24中被点燃的燃料空气混合物膨胀，从而使活塞34从气缸22的顶部运动到气缸22的底部。活塞组件34的运动引起曲轴36相应地运动，并且提供发动机20的机械扭矩输出。引起膨胀冲程的燃烧过程在发动机20上产生载荷和力。由燃烧室24中的燃烧事件在发动机上引起的力在活塞34的面50上施加一个力，并且这个力的至少一部分沿着连杆52向下传递到曲轴36。

连杆52连接到曲轴组件36的曲柄销54或曲柄销轴颈。曲柄销54经由腹板(web)58连接到曲轴组件36的曲轴56或主轴承轴颈，使得曲柄销54偏离曲轴56的主轴承轴颈。曲轴组件还可包括从腹板结构58延伸的配重，以旋转地平衡曲轴组件。主轴承轴颈56由(例如)布置在发动机缸体或曲轴箱内的主轴承支撑以进行旋转。连杆52的相对端(例如)通过活塞销60或肘销和相关联的轴承连接到活塞34。

在排气冲程期间，进气门42保持关闭，排气门44打开。活塞组件34从气缸22的底部运动到气缸22的顶部，以通过减小燃烧室24的容积从燃烧室24排出废气和燃烧产物。废气从燃烧的气缸22流动到排气歧管40，然后流动到后处理系统(诸如，催化转化器)。

针对各个发动机冲程和各种发动机工况和载荷，可控制和/或改变进气门42和排气门44的位置和正时以及燃料喷射正时和点火正时。

发动机20具有形成气缸22的气缸体70。气缸盖72连接到气缸体70。气缸盖72包围燃烧室24并且还支撑各个气门42、44以及进气系统38和排气系统40。气缸盖密封垫或其它密封构件可布置在气缸体70和气缸盖72之间以密封燃烧室24。

图2示出了连杆100的分解图。在一个示例中，连杆100被用作发动机20中的连杆52。

连杆100具有连接到曲柄销或曲柄轴颈54的大端102和连接到活塞销或肘销60的相对的小端104。大端102和小端104通过杆段106或梁106连接。小端104限定孔108，孔108的尺寸适于接纳肘销60和任何相关联的轴承。大端102限定孔110，孔110的尺寸适于接纳曲柄销54和相关联的轴承。

连杆100可(例如)由锻造工艺形成为单个整体部件。在形成连杆100之后，如图所示，大端102可以是分裂或断开的，以设置连接到连杆的主体114或连杆的其余部分114的轴承盖112。因此，当拆卸连杆100时，大端102和孔110被分成两个单独的部分，孔110的第一部分或上部116由主体114形成，孔110的第二部分或下部118由轴承盖112形成。

盖112通过紧固件140连接到主体114。例如，每个紧固件140可以是螺栓或螺母与螺栓组件。连杆的大端102限定有接纳紧固件140的孔，例如螺纹孔、通孔或盲孔。盖112和主体114各自限定用于接纳紧固件140的每个孔的一部分。紧固件140布置在孔110的相对侧上。

轴承组件120布置在连杆的大端102的孔110内。轴承组件120具有上壳体122和下壳体124。上壳体122由孔110的上部116接纳。孔110的上部116限定具有相关联的曲率半径或半径的表面，并且该表面具有被成形为圆的一部分(例如，半圆形)的轮廓。轴承组件120的上壳体122成形为具有相关联的曲率半径或半径，使得上壳体122的轮廓也是圆的一部分(例如，半圆形)。上壳体122的曲率半径大于孔110的上部116的曲率半径。因此，上壳体122的端部126稍微延伸超过孔的上部116的端部，或稍微延伸超过分离线128或大端102的断开线。

孔110的下部118限定具有相关联的曲率半径或半径的表面，并且该表面具有被成形为圆的一部分(例如，半圆形)的轮廓。孔的下部118的曲率半径或半径与孔的上部116相同。轴承组件120的下壳体124成形为具有相关联的曲率半径或半径，使得下壳体124的轮廓也是圆的一部分(例如，半圆形)。在一个示例中，下壳体124的曲率半径或半径与上壳体122的曲率半径或半径相同。下壳体124的曲率半径大于孔110的下部118的曲率半径。因此，下壳体124的端部130稍微延伸超过孔的下部的端部，或者稍微延伸超过分离线128或者盖的断开线。

为了形成连杆100，例如，在锻造等工艺中提供作为整体单元或单个工件的杆预成型件。此时可加工杆预成型件，以(例如)设置用于紧固件140的孔和/或将孔108的壁表面加工成相关的规格。然后(例如)在裂解工艺中沿着断开线128分裂杆预成型件，以提供主体114和盖112。在分裂之后，使用紧固件140且在紧固件上施加特定的额定扭矩，将盖112连接到主体114。然后(例如)使用直线镗孔(linebore)工艺将孔110加工成相关的规格，以形成孔壁的上部116和下部118的表面。在裂解工艺之后加工孔110会提供更加受控且均匀的孔壁表面。

然后，在加工孔110之后，移除或拧松紧固件140，使得盖112从连杆的主体114移开。上轴承壳122和下轴承壳124分别插入到孔110的上部116和下部118中。上壳体122的端部126和下壳体124的端部130中的每个延伸超过断开线或分离线128，或者当插入时延伸超过孔的上部116和下部118的端部或者从这些端部突出。然后，使用紧固件140且在紧固件上施加特定的额定扭矩，将盖112重新连接到主体114，这进而使得孔110的上部116和下部118与相应的轴承壳122、124接触，并且使得轴承组件120被孔壁110径向地挤压。上轴承壳122的突出端部126和下轴承壳124的突出端部130彼此接触，并且可能在轴承挤压时发生变形。

因此，环绕的孔壁110对轴承组件120施加应力。在安装状态下，由于环绕的连杆100结构施加在轴承组件120上的径向力或压力，轴承组件120在切向方向上承受环向应力或周向应力。轴承组件120还承受轴向应力和径向应力；然而，基于轴承组件120为薄壁、开放式结构，与环向应力相比，这些力是较小的。该环向应力用于将轴承壳122、124定位并保持在连杆的孔110内。

图3a至图3c示出了轴承组件的轴承壳的内径的轴向轮廓的三个示例。轴向轮廓是沿着轴承壳的进入图3a至图3c的页面的轴线截取的。图3a示出了轴承壳的平坦的或直的第一轴向轮廓150。在一个示例中，直的轴向轮廓由具有均匀的横截面轮廓(例如，沿着轴承壳的长度具有恒定的宽度和厚度的矩形)的轴承壳提供。与曲柄销轴颈相接的轴承壳的表面上的平坦的或直的轴向轮廓在轴向上具有变形量小于1微米的表面。图3a中的平坦的轮廓150表示当轴承壳未被加载或处于自由状态时，或者在轴承壳被插入到连杆和孔壁152中之后且被其挤压之前，处于自由形态的轴承壳轮廓。注意，图3a中的轴承壳具有均匀的截面或均匀的厚度。

当轴承组件120被插入到连杆的孔110中并且紧固件140被紧固到特定的额定扭矩时，轴承组件120在被连杆的孔110挤压时承受环向应力。轴承组件120经受轴承挤压并受到径向挤压载荷作用，从而使轴承壳变形。

当在连杆100中使用时，轴承组件120的轴向轮廓与轴承的性能和功能直接相关。以前，轴承组件的轴向轮廓不受控制，或者通过在标准加工(用于成形曲柄销的轴颈的圆柱形表面)以外还对曲柄销的表面或轴颈执行精密加工(precisionmachining)工艺来控制轴承组件的轴向轮廓。在曲柄销轴颈上进行的任何加工都是精密加工工艺，因此既耗时又昂贵。在某些情况下，控制曲柄销轴颈的轴向轮廓是不够的，必须将其它的轴向轮廓引入到轴承壳中，例如，通过在轴承壳承受载荷之前为轴承壳设置非平坦的轴向轮廓或者通过在组装到连杆中之后加工轴承壳。

图3b中示出了凹入的轴向轮廓160。这种凹入的轴向轮廓160是在插入到连杆之前没有对轴颈进行精密加工或没有对轴承壳的轴向轮廓进行加工的情况下传统连杆系统中常见的最终轮廓。凹入的轴向轮廓具有高度162，其中轴向轮廓的中央区域是凹入的或者低于轴承壳的边缘，并且由基于从孔壁164施加的环向应力和应变引起的轴承壳的变形而产生。凹入的轴向轮廓可被定义为具有相对于轴承壳的边缘凹入超过一微米并具有凹入轴向曲率的中央区域。注意，孔壁164表示根据传统连杆的孔壁。

图3a中的平坦的或直的轴向轮廓150可被设置为(例如)在精密加工工艺之后的轴承组件在载荷下的最终轴向轮廓，并且具有目标圆周轮廓(偏心、挤压释放等)。在另一示例中，在没有组装后加工工艺的情况下，平坦的轴向轮廓150可使用根据本公开的下面描述的连杆来提供。

图3c中示出了凸出的轴向轮廓170。由于曲柄销轴颈在发动机运转期间在载荷作用下弯曲，对于平坦的或凹入的轮廓(如图3a和图3b所示)这会导致沿着轴承壳的边缘的接触，因而凸出的轴向轮廓170是轴承组件120在承受载荷时期望的轴向轮廓。图3c的凸出的轴向轮廓170为轴承组件120提供更稳健的形状，这是因为它允许曲柄销54及其轴颈表面弯曲而不出现沿轴承壳的边缘的加载、摩擦或磨损。在另一示例中，在不对曲柄销轴颈表面和/或轴承壳进行组装后加工工艺的情况下，使用根据本公开的下面描述的连杆100来提供凸出的轴向轮廓170。轴向轮廓170的高度172被定义为轴向轮廓170的中央区域在轴承壳的边缘上方升高的距离。凸出的轴向轮廓可被定义为具有在轴承壳的边缘上方升高超过一微米并具有凸出轴向曲率的中央区域。在进一步的示例中，高度172可被定义为在一微米到三微米的范围内。

图4至图6示出了根据本公开的连杆100的大端102和轴承组件120的局部视图。对与图2所示的元件相同或相似的元件指定相同的标号。在一个示例中，连杆可以是用于发动机20的连杆100。如图4所示的连杆100的平面图可与连杆的两侧相关联，使得连杆的形状在任一侧是相同的。在一些示例中，连杆的具体细节(例如，润滑剂通道)可仅在一侧上存在，或者可在每一侧上不同地定位。

基于连杆的各种特征的功能及其之间的关系，连杆100本身的结构被控制为特定的尺寸，使得大端102具有指定的形状，并且当连杆被组装并且紧固件被拧紧时轴承壳122、124在夹紧载荷或指定载荷作用下具有预定的轴向轮廓170。连杆本身的整体尺寸被控制为使得轴承壳122、124的凸出的轴向轮廓170通过连杆100的环绕结构、对孔壁110仅执行直线镗孔工艺并且使轴承壳122、124在插入连杆之前以及自由状态下具有平坦的或直的轴向轮廓和均匀的厚度经由轴承壳的挤压来提供。这消除了轴颈或轴承壳轴向轮廓的任何精密加工。

图4至图6中的连杆100和轴承组件120具有受控的总体结构、形状和尺寸，从而在使用诸如在图3a中示出的处于无载荷状态的具有直的轴向轮廓的轴承壳122、124时产生如图3c所示的轴承壳122、124的凸出的轴向轮廓170。

通过拧紧紧固件140而围绕轴承壳122、124产生夹紧载荷，以提供轴承挤压。在轴承挤压期间，轴承壳122、124基于轴承壳122、124与周围连杆结构之间的接触压力或力而变形。连杆100的主体114和盖112也由于轴承挤压而具有小的变形。轴承壳122、124、连杆的主体114和连杆的盖112的变形在这些部件内产生应变能。伴随着螺栓夹紧载荷的应变能用于将轴承壳122、124保持或维持在连杆的孔110内就位。连杆100和轴承壳122、124的应变能的力平衡使轴承壳变形，使得轴承壳122、124的形状不均匀，并且产生凸出的轮廓170。注意，在本公开中使用的每个轴承壳122、124在组装到连杆中且处于未加载或自由状态之前具有恒定的厚度和平坦的或直的轴向轮廓150(其示例在图3a中示出)。

连杆100具有尺寸和形状受控的各种特征，使得当轴承壳122、124被挤压且连杆100和轴承壳122、124变形时，轴承壳的内径的最终变形后的形状具有期望的凸出的轴向轮廓170或筒形轮廓。根据本公开的连杆100经由连杆100结构的形状特征实现了轴承壳122、124的期望的凸出的轴向轮廓170，而无需对轴承壳122、124表面和/或曲轴轴颈表面进行任何精密加工。连杆100的形状特征在大端102形状的设计中具体限定，并且在锻造工艺或其它连杆成形工艺中成形或通过粗加工成形，并且不需要对连杆100进行任何特殊的或额外的加工或制造工艺，因此为连杆100提供了更稳健的轴承系统120，并减少或消除了额外的加工和制造工艺、时间和成本。

连杆推力表面180、182以及主体柄184和盖的带部(strap)186的尺寸相对于彼此被控制，以控制轴承组件120的最终轴向轮廓170。在下文中参照图4至图6示出和描述控制轴承壳122、124变形的连杆100的结构特征，该结构特征包括连杆推力表面180、182的尺寸、推力表面180与相关联的连杆柄184之间的圆角半径(filletradii)188以及推力表面182与盖带部186之间的圆角半径190的尺寸。

连杆的梁106具有工字梁结构，该结构包括具有轴向宽度a的窄的中央构件192以及从中央构件192延伸的两个外部横向构件194。连杆的柄184或大端102的上部116从梁106延伸，并具有大致等于梁的外部横向构件194的宽度b的轴向宽度b。上表面180或上推力表面180设置在大端102的柄184的每一侧并围绕孔110的上部区域的周边。连杆的相对的上表面180之间的轴向距离c或轴向宽度c大于大端的柄184的轴向宽度b。在柄184和上表面180之间设置有半径188或圆角188，以提供应力分布和用于成形连杆100的必要的拔模角。上表面180具有从孔壁110径向向外延伸的表面宽度d。

连杆的盖112具有带部186。带部186的结构具有轴向宽度e，并具有被定义为下孔壁110和带部的外表面之间的距离的高度f。下表面182或下推力表面182设置在盖112的每一侧上，并围绕孔的下部区域的周边。连杆的相对的下表面182之间的距离c对应于相对的上表面180之间的距离c，使得同侧的上表面180和下表面182彼此共面。连杆的相对的下表面之间的轴向距离c或轴向宽度c大于盖的带部的轴向宽度e。在带部186和下表面182之间设置有半径190或圆角，以提供应力分布和用于形成连杆的必要的拔模角。下表面182具有从孔壁径向向外延伸的表面宽度g。

用于润滑剂流动的通道196或凹槽可设置在连杆的至少一侧上的上表面180和下表面182中的一个上。

为了根据本公开在载荷作用下提供轴承组件的凸出的轴向轮廓170，为连杆100的各种尺寸设置以下关系。

下表面182的高度(g)和带部186的轴向宽度(e)之间的关系为：g<e.

带部186的轴向宽度(e)与面到面的轴向宽度(c)之间的关系为：0.2c<e<0.6c。

下表面182的高度(g)与面到面的轴向宽度(c)之间的关系为：0.2c<g<0.6c。因此注意，下表面182的高度(g)、带部186的轴向宽度(e)和面到面的轴向宽度(c)之间的关系为：0.2c<g<e<0.6c。

下表面182的高度(g)和带部186的高度(f)之间的关系为：0.2f<g<0.5f。

上表面180的高度(d)和下表面182的高度(g)之间的关系为：d<0.8g。

根据一个示例，连杆100使用具有轴承壳122、124的轴承组件120，轴承壳在处于如图3a所示的未加载的预组装状态时具有直的轴向轮廓150和均匀的厚度，并根据上面的关系成形。轴承壳122、124具有约20毫米的轴向宽度和约1.5毫米至2.5毫米的厚度。紧固件140被拧紧到预定的额定扭矩，由此引入连杆100和轴承组件120的夹紧负载、应变、变形和轴承挤压。当紧固件140被拧紧时，连杆100上的表面128如图5所示轴向变形而具有凸出的轮廓，这进而将轴承壳122、124变形为如所示出的期望的凸出的轴向轮廓。在变形之前，由于在制造连杆组件100时使用了直线镗孔工艺，表面128具有直的或线性的轴向轮廓。

最终的轴承组件120或壳体122、124的轮廓是具有一微米或更大数量级的高度的凸出的轴向轮廓170，虽然高度范围在零和三微米之间，但也可考虑在一微米和三微米之间的高度范围。

当然，在其它实施例中，连杆100和轴承壳122、124(例如)的尺寸可另外设定以用于各种发动机，同时保持在本公开的精神和范围内经由连杆100结构的尺寸关系以及通过将紧固件140拧紧到预定扭矩水平而产生的应变提供轴承组件120的凸出的轴向轮廓170。

虽然上文描述了示例性实施例，但并非意味着这些实施例描述了本公开的所有可能的形式。更确切地说，在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，应该理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下能够进行各种变化。此外，各个实施的实施例的特征可组合，以形成本公开的进一步的实施例。