铸造中空曲轴及其制造方法

专利名称：铸造中空曲轴及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种用于内燃机的铸造中空曲轴。更具体地，本发明涉及这样一种中空曲轴，即，在铸造时该中空曲轴内围绕其轴线的一部分被去芯，本发明还涉及上述中空曲轴的制造方法。
背景技术：
对于内燃机，希望在消耗同样燃油的情况下可行驶更多的里程以及具有更高的性能。对于曲轴，希望重量减小和摩擦力小。此外，目前为了降低成本必须使制造过程简化。通常，球墨铸铁被用于铸造曲轴。但是，在这种情况下，因为曲轴直径或类似物必须制造得很大以确保机械性能，所以曲轴的整体重量增加。这使得在例如内燃机起动时产生所需扭矩增加的问题。
通过包套铸造(enveloped-casting)将被接合到曲轴内部的薄壁金属管形成中空曲轴是公知的解决上述问题的方案。在该曲轴中，减小了重量并省去了油孔的加工。参见例如日本专利公开文献No.Sho 56-147914。但是，通过沿轴向弯曲用作中空部的管来制造薄壁金属管是很难的，小直径的管从该管类似分支地延伸，用作油孔。该曲轴还存在一些制造技术上的问题，质量、成本等，例如由于在铸造过程中管的冷却作用使曲轴内部硬化而导致刚性不够，以及由管和铸铁材料的粘合剂产生的内部缺陷，管表面的氧化等。因此，这种曲轴是不实用的。
此外，已知通过利用型芯(core)去芯而形成曲轴的销部、轴颈部以及臂部，从而减小曲柄的重量(例如见日本实用新型公开文献No.Sho 57-139722)。另外，还应指出上述技术中臂部中心的强度不够。为了克服该问题，日本实用新型公开文献No.Sho59-177820描述了一种结构，其中在曲柄的臂部的肩部设置隆起部以增加臂部型芯的截面积，以及护板在型芯的两端处支承整个型芯。但是，通过去芯使臂部变薄受到限制，这是因为会对曲轴施加很大的应力。隆起部的尺寸和位置也由于内燃机的设计而受到限制。即使臂部型芯的截面积在型芯的两端处的护板支承整个型芯的结构中被制造得更大，臂部型芯的强度仍然不够，这是因为轴颈部的型芯和销部的型芯与臂部的型芯相比也变得更大和更重。尤其是，如果使用多缸曲轴等的弯曲单件型芯，在型芯的局部被施加大的应力，而不像使用直的型芯的情况。因此，即使当臂部型芯的截面积更大，型芯的强度仍然不够。这使得当其被设置在模具中时型芯弯曲，或者在浇注熔融金属时使型芯浮动或损坏。
通常使用芯撑(chaplet)来补充型芯的强度不足。但是，当制造中空曲轴时，并不优选使用芯撑。这是因为芯撑经过各种金属镀层工艺，包含了不同于熔融金属的材料。例如，用于铸铁的芯撑由于利用锡进行了防腐蚀处理，因而包含了不同于熔融金属的材料。此外，芯撑被熔化为熔融金属，最后成为最终铸件的一部分。另外，如果铸砂保持在曲轴的中空部中，其将落入到发动机中并对发动机造成很大影响。也就是说，在去芯之后中空部中的铸砂应完全去除。为此，中空曲轴也存在技术问题。另外，曲轴的轴颈部和销部的油孔通过机加工形成。因此，毛边和碎屑保留在中空部中并产生类似的上述技术问题。
为了改善型芯的强度，可增加添加到铸砂中的树脂等的量。但是，树脂量的增加会产生气体并且产生内部缺陷的可能性很高。因此，增加树脂量并不是优选的。
因此，近年来，通过机加工形成通孔，所述通孔从轴颈部延伸到销部的连杆轴承。油经由设置在轴颈部的供应口供应到连杆和销部(见日本专利公开文献No.Hei 7-027126和由Seikosha1991年出版的汽车技术手册(Handbook of Automotive Technology)第二卷，Design，第84页)。
但是，与前述采用铸造的方法不同，前述采用机加工的方法不能大幅度地减小曲轴的重量。此外，因为缸体由铝制成，由于热膨胀不同使轴颈部的间隙增大，当油从轴颈部供应到曲轴时油的泄漏增加。因此，油的供给效率降低。另外，前述采用机加工的方法需要不同的工艺，即，从轴颈部到连杆轴承斜着形成油孔的工艺。因此，从制造和成本考虑，采用机加工的方法不是优选的。
本发明申请的发明人认真地进行了研究以克服上述问题。作为研究成果，发明人发现曲轴重量的减小和油孔的形成都可通过将型芯的截面制成椭圆形、分别在对应曲轴的轴颈部和销部上的油孔的位置处设置与型芯一体的护板部、然后进行铸造来实现。在这种情况下，在浇注熔融金属过程中型芯的弯曲和型芯的浮动可被有效地避免。发明人以这种方式完成了本发明。

发明内容
本发明基于上述试验实现。本发明的一个目的是提供一种铸造中空曲轴和制造所述曲轴的方法。其可通过去芯减小重量，可防止在浇注熔融金属过程中在制造和浮动型芯过程中型芯弯曲，以实现精确制造并提供高的生产率，并可不必机加工油孔。
根据本发明的第一方面，用于内燃机的铸造中空曲轴包括在轴颈部中的油孔和/或在销部中的油孔，所述油孔通过去芯形成。
在本发明的第一方面，形成油孔的护板部可与形成中空部的型芯成型为一体的。可选地，与型芯形成为分开件的护板部可在之后与型芯组装成一体。护板部与型芯一体使得油孔形成后不需要后序处理。
根据本发明的第二方面，在第一方面的铸造中空曲轴中，中空部在轴颈部和/或销部处的截面是椭圆形。
利用本发明的第二方面，通过使中空部的截面为椭圆形，使得曲轴的重量可进一步减小。另外还可获得如下优点中空的销部和轴颈部可有利地减小曲轴的重量。采用椭圆形截面，其中在需要足够强度的位置(方向)的厚度较厚，在其它位置较薄，这样可实现最优地减小重量。此外，分别对应销部和轴颈部的弯曲型芯的弯曲部的强度由于制造原因必须提高。中空部的椭圆形截面还有效地提高了型芯的强度。另外，使中空部的截面为椭圆形可缩短型芯以形成油孔(即护板部)。
根据本发明的第三方面，在第一或第二方面的铸造中空曲轴中，臂部具有截面为椭圆形的中空部。
利用本发明的第三方面，使臂部的中空部的截面为椭圆形具有如下优点中空的臂部有效地减小了曲轴的重量。采用椭圆形截面，其中壁在需要足够强度的位置(方向)上的厚度较厚，在其它位置较薄，这样可实现最优地减小重量。此外，对应销臂部的弯曲型芯的弯曲部的强度由于制造原因必须提高。中空部的椭圆形截面有效地提高了型芯的强度。
根据本发明的第四方面，在根据第一至第三方面任一之一的铸造中空曲轴或其材料的制造中，使用在水平方向弯曲的型芯，所述型芯在轴颈部件和/或销部件处具有长轴沿竖直方向延伸的椭圆形截面，型芯的轴颈部件和销部件分别对应曲轴的轴颈部和销部。
在本发明的第四方面，由于型芯的截面具有长轴沿着竖直方向的椭圆形形状，因此可提供型芯的强度。此外，型芯(其用作在竖直方向形成油孔的护板部)的长度也可缩短。因此，可使型芯更加稳定。
需要注意，此处描述的曲轴的材料用于表示通过铸造而非机加工获得的产品。
长轴沿竖直方向延伸的椭圆形形状由于下述原因而是非常有利的。在型芯被在其两端部支承的情况下，由于重力，使型芯弯曲的力被施加到型芯在支承点之间的部分。另外，在浇注熔融金属过程中，浮力被施加到型芯上。但是，通过采用如下的椭圆形形状可防止由于该力或浮力而造成型芯的偏离等，其中，型芯的厚度在竖直方向较厚以提高型芯的强度。此外，通过使用型芯在竖直方向延伸的、作为护板部的部分，可可靠地防止型芯的偏离。
根据本发明的第五方面，在根据第四方面的铸造中空曲轴或其材料的制造中，中空部和油孔利用型芯通过包套铸造彼此一体成型，所述型芯在水平方向弯曲并包括在轴颈部件和/或销部件处朝向模具延伸的多个护板部。
在本发明的第五方面，重的轴颈部件、或重的销部件，或者轴颈部件和销部件两者可被型芯的护板部固定。因此，可容易地实现精确铸造，而不需要用于加强型芯的芯撑。此外，可形成不需要后续加工的油孔。
根据本发明的第六方面，在根据第四或第五方面的铸造中空曲轴或其材料的制造中，中空部和油孔利用型芯通过包套铸造彼此一体成型，所述型芯在水平方向弯曲并包括在轴颈部件和/或销部件处朝向模具竖直延伸的多个护板部。
在本发明的第六方面，重的轴颈部件、或重的销部件，或者轴颈部件和销部件两者可被从上可下沿竖直方向延伸的、型芯的护板部固定。因此，可容易地实现精确铸造，而不需要用于加强型芯的芯撑。此外，可形成不需要后续加工的油孔。
根据本发明的第七方面，在根据第四至第六方面任一之一的铸造中空曲轴或其材料的制造中，曲轴的臂部的型芯的截面具有椭圆形截面，所述椭圆形截面的长轴沿竖直方向延伸。
根据本发明，通过利用型芯使曲轴形成中空的可减小曲轴的重量，而不会降低机械性能。此外，通过与曲轴内部的中空部形成一体的轴颈部的油孔和销部的油孔，可省去机加工油孔。
另外，根据本发明，中空部形成为椭圆形截面，并且，轴颈部的油孔和/或销部的油孔利用型芯去芯。因此，可进一步减小曲轴的重量，提高生产率，从而降低了成本。
根据本发明的制造方法，通过利用沿水平方向弯曲并在轴颈部件和销部件的至少之一处具有护板部的型芯可可靠地固定型芯。这样，可实现精确铸造，同时，可形成油孔。此外，通过形成用于轴颈部和销部的型芯，使其具有长轴沿竖直方向延伸的椭圆形形状，从而提高型芯本身的强度并减小曲轴的重量。


图1是根据本发明第一实施例的铸造中空曲轴的剖视图；图2是沿图1中A-A线截取的铸造中空曲轴的剖视图；图3是本发明的制造方法中使用的模具和型芯(沿竖直方向)的局部剖视图；
图4是本发明的制造方法中使用的模具和型芯(沿水平方向)的局部剖视图；图5是沿图2中B-B线截取的曲轴的示例性剖视图；图6是沿图2中B-B线截取的曲轴的另一示例性剖视图；图7是沿图2中C-C线截取的曲轴的示例性剖视图。
具体实施例方式
下面参照附图详细描述根据本发明的一个实施例的铸造中空曲轴和制造所述曲轴的方法。
图1和图2根据本发明的一个实施例的铸造中空曲轴(材料)的剖视图。
曲轴本体1包括轴颈部4和臂部15，它们具有多个沿水平方向弯曲的部分并具有椭圆形截面；销部5，其具有圆形截面；以及中空部3，其穿过两轴向端部。曲轴本体1的销部5和两轴向端部的截面可以形成为椭圆形。
利用与型芯形成为一体的护板部，在轴颈部4和销部5中形成多个油孔。轴颈部4和销部5中的油孔6可以下述方式设置，即，油孔被设置在轴颈部4和销部5中每一个的上壁和下壁中的任一个中或者上壁和下壁的二者中。油孔6的尺寸要考虑曲轴本身的尺寸等来确定。通常，对于汽车发动机，油孔6的尺寸优选为Φ5mm或更小。
曲轴本体1还包括连杆轴承的销部7和作为平衡重的曲轴配重8。
在本实施例中，描述了中空部3只在轴颈部4处的截面为椭圆形的情况。但是，中空部3在轴颈部4和销部5处的截面可都为椭圆形，或者只在销部5处的截面为椭圆形。中空部3在轴颈部4和销部5处的截面都为椭圆形的情况为最优选的实施例。但是，根据曲轴的形状和尺寸，中空部在轴颈部4和销部5中任一个处的截面可为椭圆形。
中空部3在中空曲轴的臂部15处的截面为椭圆形的原因与轴颈部4和销部5的原因相同。
图5和7示出图1所示的铸造中空曲轴(材料)在轴颈部4和销部5处、沿着径向截取的截面。在该示例中，中空部3具有椭圆形形状，其中其长轴沿竖直方向延伸。轴颈部4和销部5在上壁和下壁中具有油孔6。在本实施例中，中空部3的椭圆形截面形状的长轴与短轴的比值是3∶2。但是，该比值可在确保足够强度的范围内变化。此外，中空部3的截面可为带圆角的四边形形状，如图6所示，以减小曲轴的重量，只要该形状不会对强度造成不利影响。
下面描述根据本实施例的中空曲轴的制造。
在图3和4所示的铸造模具(砂模)9被模制后，在上模具放在下模具上之前，型芯2在作为护板部11的两端处被下模具支承。同时，型芯2的轴颈部件12和销部件13的护板部被固定到铸造模具(砂模)9上。请注意型芯2的轴颈部件12和销部件13分别对应曲轴的轴颈部4和销部5。通过这种方式，可防止型芯2的变形和移位。然后，上模具与下模具组装到一起并浇注熔融金属，从而形成轴颈部4、销部5和臂部15中每一个的中空部并同时形成轴颈部4和销部5的油孔6。
此处描述的护板部11是型芯2的、用作将型芯2固定到铸造模具(砂模)9上的手柄的部分。在本实施例中，这些部分被布置在型芯2的两端部处。另外，由于型芯2被固定到铸造模具(砂模)9上，因此型芯2的轴颈部件12和销部件13也用作护板部。在本实施例中，油孔6由大致为圆锥形且拔模斜度(draft angle)为Φ5mm或更小的轴颈部件12和销部件13形成。
在铸造中使用的材料是球墨铸铁例如FCD700、合金铸铁等。
除了轴颈部件12和销部件13的护板部，可在型芯2上与曲轴的销部的侧面14对应的部分处形成护板部，以沿着水平方向延伸。护板部用于在侧面14中形成开口。在该实例中，型芯2可被可靠地固定在水平方向，去除砂子的过程例如抛丸处理可容易地通过该开口进行。
可执行熔融盐处理例如Kolene工艺，用于从已经由本实施例的制造方法铸造的铸造中空曲轴(材料)去除砂子，所述铸造中空曲轴包括彼此一体成型的中空部3和油孔6。Kolene工艺可与本实施例的铸造中空曲轴的制造方法相结合。
如上所述，利用本实施例的制造方法铸造的中空曲轴可以是没有缺陷(例如其中的收缩腔)的完好中空铸件，并可相对于实心曲轴的重量减轻10-20％的重量。此外，润滑剂可从曲轴的两端部供应到其中心。因此可建立润滑剂的有效路径。此外，型芯的制造、设置等可简化，所需要的油孔的机加工也被省去。因此，生产率得以提高。
另外，实现本实施例的铸造中空曲轴的重量的减小不是通过改变曲轴的外部而是通过改变轴颈部4和销部5的内部。因此，在不减小曲轴在销部5的加工圆角部处产生的最大应力的情况下可确保弯曲刚度。
权利要求
1.一种用于内燃机的铸造中空曲轴，所述曲轴包括在轴颈部中的油孔和/或在销部中的油孔，所述油孔通过去芯形成。
2.根据权利要求1所述的铸造中空曲轴，其特征在于，中空部在轴颈部和/或销部处的截面是椭圆形。
3.根据权利要求1或2所述的铸造中空曲轴，其特征在于，臂部具有截面为椭圆形的中空部。
4.一种用于制造铸造中空曲轴或其材料的方法，其中所述铸造中空曲轴如权利要求1至3中任一所述，并且使用在水平方向弯曲的型芯，所述型芯在轴颈部件和/或销部件处具有长轴沿竖直方向延伸的椭圆形截面，型芯的轴颈部件和销部件分别对应曲轴的轴颈部和销部。
5.根据权利要求4所述的用于制造铸造中空曲轴或其材料的方法，其特征在于，中空部和油孔利用型芯通过包套铸造彼此一体成型，所述型芯在水平方向弯曲并包括在轴颈部件和/或销部件处朝向模具延伸的多个护板部。
6.根据权利要求4或5所述的用于制造铸造中空曲轴或其材料的方法，其特征在于，中空部和油孔利用型芯通过包套铸造彼此一体成型，所述型芯在水平方向弯曲并包括在轴颈部件和/或销部件处朝向模具竖直延伸的多个护板部。
7.根据权利要求4至6中任一所述的用于制造铸造中空曲轴或其材料的方法，其特征在于，曲轴的臂部的型芯的截面具有椭圆形截面，所述椭圆形截面的长轴沿竖直方向延伸。
全文摘要
本发明提供一种用于内燃机的铸造中空曲轴及其制造方法，其可通过去芯减小重量，可防止在浇注熔融金属过程中在制造和浮动型芯过程中型芯弯曲，以实现精确制造并提供高的生产率，并可不必机加工油孔。在铸造中空曲轴中，中空部在轴颈部和/或销部具有椭圆形截面。轴颈部和销部的油孔通过去芯形成。中空部还在臂部具有椭圆形截面。曲轴的制造使用了在水平方向弯曲的型芯，所述型芯在轴颈部件和/或销部件处具有长轴沿竖直方向延伸的椭圆形截面。中空部和油孔利用型芯通过包套铸造彼此一体成型，所述型芯在水平方向弯曲并包括在轴颈部件和/或销部件处朝向模具延伸或朝向模具竖直延伸的多个护板部。
文档编号B22C9/10GK1968769SQ200580019490
公开日2007年5月23日 申请日期2005年3月22日 优先权日2004年4月16日
发明者柴野光弘, 土田知行, 羽山健二 申请人:株式会社理研, 丰田自动车株式会社