曲轴和平衡曲轴的方法技术领域
本公开涉及曲轴和平衡曲轴的方法。
背景技术
内燃发动机包括至少一个曲轴。曲轴将活塞的往复直线运动转换成围绕曲轴轴线
的旋转运动，以提供扭矩来推进车辆，例如但不限于火车、轮船、飞机或汽车，或驱动任何其
他由发动机提供动力的装置。
曲轴包括至少一个偏离曲轴轴线的曲柄销，往复式活塞经由连杆连接在其上。活
塞施加到曲轴的力通过其间的偏置连接在曲轴中产生力矩，使曲轴绕曲轴轴线旋转。曲轴
还包括至少一个围绕曲轴轴线同心地设置的主轴承轴颈。曲轴在主轴承轴颈处固定在发动
机缸体上。轴承设置在曲轴和发动机缸体之间的主轴承轴颈上。
发明内容
曲轴是发动机的关键部件并且是发动机设计的出发点。曲轴设计影响了发动机的
整体组装，从而影响发动机的总质量。因而最小化曲轴的尺寸和/或质量减少了发动机尺寸
和质量，其对车辆的整体尺寸、质量和燃料经济性有复合的影响。因此也需要通过最小化其
质量和转动惯量来设计曲轴以使车辆燃料经济性最大化。为此，本发明公开描述了一种平
衡曲轴的方法，其结果是将曲轴的质量和转动惯量最小化。曲轴包括多个配重。每个配重包
括具有第一侧部、第二侧部以及位于第一侧部和第二侧部之间的中心部的配重体。
在实施例中，平衡曲轴的方法包括：(a)从配重中的至少一个配重的配重体的第一
侧部中移除材料；以及(b)从配重中的至少一个配重的配重体的第二侧部中移除材料，以便
平衡该曲轴。本公开内容还描述了使用以上述方法来平衡的曲轴。
本教导的上述特征和优点和其它特征和优点从以下结合附图对实施本教导的最
佳方式进行的详细描述中能够很容易了解。从以下结合附图对实施本教导的最佳方式进行
的详细描述中，本教导的上述特征和优点以及其他特征和优点是显而易见的。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的曲轴的示意性透视图；
图2是图1中所示的曲轴的示意性侧视图；
图3是在配重的侧面部分被移除前的图1中所示的曲轴的示意性正视图；
图4是在配重的两端的材料被移除后的图1中所示的曲轴的示意性正视图；以及
图5是用于平衡曲轴的方法的流程图。
具体实施方式
参照图1和图2，其中，相同的附图标记表示多个视图中相同的部分，曲轴通常由20
表示。可将曲轴20配置用于发动机，例如但不限于汽油发动机或柴油发动机、压缩机或其他
类似的装置。曲轴20包括沿曲轴轴线24延伸的传动轴22。传动轴22限定了多个主轴承轴颈
26、多个臂27、多个销轴承轴颈28和多个配重30。销轴承轴颈28也称为曲柄销。
主轴承轴颈26绕曲轴轴线24同心地设置。因此所有主轴承轴颈26沿着曲轴轴线24
相互对齐。每个主轴承轴颈26联接到至少一个臂27。可将曲轴20配置用于具有不同曲柄构
造的发动机，例如两个曲柄销在主轴承轴颈之间，共享销的发动机(V8)以及单缸发动机。
每个销轴承轴颈28侧向偏离曲轴轴线24并通过一个臂27连接到主轴承轴颈26。因
此，每个销轴承轴颈28使两个臂27互相连接。每个臂27从一个主轴承轴颈26上向一个销轴
承轴颈28延伸。至少一些臂27联接于配重30。每个配重30远离曲轴轴线24径向地延伸。每个
主轴承轴颈26支撑其附近的轴承(未示出)，并提供了用于将曲轴20连接到发动机缸体(未
示出)的连接位置。每个销轴承轴颈28支撑着其附近的轴承(未示出)，并为连杆(未示出)将
活塞(未示出)连接到曲轴20提供了连接点。另外，每个销轴承轴颈28使两个臂27互相连接。
配重30抵消了活塞、活塞环、活塞销、保持夹和连杆小端上的往复质量，抵消了连
杆大端和轴承的旋转质量以及曲轴本身(销轴承轴颈28和臂27)的旋转质量。主轴承轴颈26
装在曲轴轴线24上并且不需要任何配重。配重30减小了作用在主轴承轴颈上的力从而提高
了轴承的耐久性。配重30平衡了曲轴20绕着曲轴轴线24的旋转以减少其中的振动。
配重30的至少一个包括完全或部分由充分刚性材料制成的配重体32，比如钢。另
外，配重30包括至少部分地设置在配重体32中的至少一个凸块34以便减少曲轴主轴承26上
的负载或平衡曲轴20的内力和力矩。尽管所示实施例示出了三个凸块34，可以设想的是，根
据曲轴20的设计规范配重30可包括更多或更少的凸块34。在本文中，“设计规范”指在特定
配重中需要的多少配重力。凸块34是完全或部分地由充分刚性材料制成，比如钨，其比构成
配重体32的材料具有更高的密度，以便给曲轴20提供适当的平衡量。
参照图1、图2和图4，曲轴设计影响了发动机的整体组装，从而影响发动机的总质
量。因而最小化曲轴的尺寸和/或质量会减少发动机的尺寸和质量，其对车辆的整体尺寸、
质量和燃料经济性有复合的影响。为此，本文公开的曲轴20可以通过从配重30的至少一个
的相对侧移除材料来平衡。因此，平衡的曲轴20的配重体32包括从配重体32的第一侧壁38
延伸到第二侧壁40的截平的曲面壁36。在图1、图3和图4所示的实施例中，整个曲面壁36具
有等曲率半径，以便使曲轴20的转动惯量最小化。然而应该领会，对其他发动机设计而言曲
轴20的总质量更为重要，因此当曲轴20和活塞从下止点开始转动时，双半径或其它方法也
可用于最小化从活塞到配重的间隙(实际上，从曲柄中心线开始的更大的半径)，从而使得
配重更轻。配重体32的第一侧壁38和第二侧壁40是配重30的相对侧，并且可以是平面壁以
便最小化曲轴20的质量和转动惯量。换言之，第一侧壁38和第二侧壁40各自可具有平面形
状。例如，第一侧壁38和第二侧壁40可垂直于曲轴轴线34以便最小化曲轴20的转动惯量。还
可预见的是，第一侧壁38和/或第二侧壁40可具有非线性特性以便最小化湍流、风阻和空气
进入现象，从而最大化发动机的燃料经济性。第一侧壁38和第二侧壁40可通过从配重体32
的相对侧移除材料来形成。例如，可以铣削配重体32以便构成第一侧壁38和第二侧壁40。另
外，一块材料(比如金属)可以添加到配重体32上以便满足特殊的平衡要求(例如，配重30的
零偏置)。偏置是将额外质量增加到配重以确保总是存在材料可以从配重上移除来平衡曲
轴。偏置量取决于发动机构造和曲轴的尺寸。可以使用焊接来将材料块增加至配重体32上。
至少一个孔42可延伸进弯曲壁36以便平衡曲轴20。在所示的实施例中，孔42延伸
进弯曲壁36中且朝向凸块34，且用来实现第二平衡直至达到最终平衡规范。然而，用于帮助
配重曲轴20的凸块34不会受到孔42的影响，因为没有任何孔42延伸进或通过凸块34。去在
钨合金块34上钻孔是不合适的，由于其硬度影响了工具寿命。因此，通过从配重体32的相对
侧移除材料以便形成第一侧壁38和第二侧壁40，更多的凸块34可以结合进配重体32中，因
而允许在期望的方向利用增加重金属凸块34实现更有效地将更多的质量配重给曲轴20，在
这种情况下对应四缸曲轴的曲柄销。如以下讨论，可选的孔42可通过在配重体32中钻孔形
成。可选地，可重复铣削操作作为第二道平衡操作。
配重体32还包括直接地连接至臂27的第一连接壁44和直接地连接至臂27的第二
连接壁46。在平衡后的曲轴20中，第一连接壁44还直接地联接至第一侧壁38，且第二连接壁
46直接地联接至第二侧壁40。第一连接壁44和第二连接壁46与弯曲壁36相比距离臂27更
近。凸块34到弯曲壁36的距离比到第一连接壁44和第二连接壁46的距离更近，以便有效地
配重曲轴20。为了更大程度的质量效率，它们还更靠近与曲柄销28相对的中心线。倘若铣削
配重被用于第二道平衡操作，为了实现更大的质量效率，凸块34可以定位在更接近于弯曲
壁36处。
每个配重体32还包括第一或前轴向壁48和与第一轴向壁448相对的第二或后轴向
壁50。第一侧壁38、第二侧壁40、第一连接壁44、第二连接壁46以及弯曲壁36全部都完全地
设置在第一轴向壁48与第二轴向壁50之间。
每个配重体32包括第一侧部52、与第一侧部52相对的第二侧部54、以及位于第一
侧部52与第二侧部54之间的中心部56。第一侧部52包括第一侧壁38、至少部分第一连接壁
44、以及部分弯曲壁36。第二侧部54包括第二侧壁40、至少部分第二连接壁46以及部分弯曲
壁36。配重体32的中心部56包括弯曲壁36的至少一些部分。所有的凸块34靠近着与曲柄销
28相对的竖直轴线25被嵌入进配重体32的中心部56，以使得配重力最大化以及曲轴质量最
小化。可以设想的是，取决于设计需求，曲轴20可不包括凸块34。
参考图3-图5，本公开描述了用于根据预定的平衡需求来制造和平衡曲轴20a的方
法100。考虑到曲轴的质量、连接杆、活塞、销等来平衡曲轴，为了降低每种发动机类型固有
的发动机振动而平衡曲轴20a是有用的。如以下讨论的，在方法100中，在至少一个配重30上
执行工作，以便根据预定的平衡规范来平衡曲轴20a。在步骤101，未平衡的曲轴20a(图3)可
以利用铸造、锻造或任何其他合适的制造方法来制作。一旦形成未平衡的曲轴20a，方法100
进行至步骤102。
步骤102必需确定配重体32中的需要被移除的材料的量，以便获得预定的平衡需
求。这样做时，未平衡的曲轴20a绕着曲轴轴线24旋转。当曲轴20a旋转时，可利用传统的已
知的方法来确定需要被移除的配重材料的量和位置，以便平衡曲轴20a。同样在步骤102中，
从配重体32的第一侧部52移除材料(例如，金属)。该材料能够通过沿着第一切割线C1铣削
配重体32移除，取决于配重的整体质量还是旋转惯性哪个更重要，该第一切割线可以是竖
直的(平行于曲柄销28与主轴承26之间的轴线25)或稍稍有角度的。例如，第一切割线C1和/
或第二切割线C2可以被定向为与线25呈倾斜角度θ(例如，±30度)。然而，可以利用其他的
加工方法来从配重体32的第一侧部52中移除材料。此外，形成第一侧壁38和第二侧壁40的
加工表面的轮廓并非必须是平的(例如，直线型)。例如，波状轮廓可以是合适的，以便使得
紊流和空气卷吸最小化，因而使得车辆燃料经济性最大化。接下来，方法100进行至步骤
104。
在步骤104中，从配重体32的第二侧部54移除材料(例如，金属)。该材料可以通过
沿着第二切割线C2铣削配重体32来移除。然而，可以利用其他的加工方法来从配重体32的
第二侧部54中移除材料。步骤102和104可以以不同的时间顺序执行或同时执行。可以从每
个侧部(例如第一侧部52和第二侧部54)移除不同量的材料(例如，金属)，以将曲轴平衡作
为目标和改变曲轴平衡。因为需要去满足预定的平衡规范，这将以任何数量的配重30来进
行。通常地曲轴的前部和后部具有偏置，其取决于发动机类型和曲轴的尺寸。
通过首先从配重体32的第一侧部52和第二侧部54中移除材料(代替首先在弯曲壁
36中形成孔)，与首先在弯曲壁36中钻孔的方法相比，更多的质量被移除且旋转惯性被更加
地最小化，同时校正了相同量的曲轴不平衡。换句话说，通过首先从配重体32的第一侧部52
和第二侧部54中移除材料比通过利用传统的径向钻孔移除了更多的质量以消除曲轴偏置；
因此，当与利用传统的径向钻孔方法实现曲轴平衡相比，本描述的平衡方法100导致更轻
的、低惯量的曲轴20。在执行步骤102与104后，方法100进行至步骤106。
在步骤106中，曲轴20绕着曲轴轴线24旋转。且当曲轴20旋转时，可利用传统的已
知的方法来确定是否额外的配重材料需要被移除，以便实现预定的曲轴平衡规范。倘若这
样，孔42可在弯曲壁36与凸块34之间形成，以便从配重体32中移除额外的材料。配重体32可
被钻孔以便形成孔42。然而，可以利用其他的加工方法来形成孔42。孔42朝向凸块34延伸进
弯曲壁36中。然而，孔并未延伸进或通过凸块34。同样，凸块34不受孔42的影响且可以继续
起作用以帮助配重曲轴20。孔42在配重体32的中心部56中形成，以便消除曲轴偏置。步骤
106是可选的。可选地，由于必需满足平衡规范，可以重复步骤102和104多次。在形成可选孔
42之后，方法100进行至步骤108。
在步骤108中，将材料(例如金属)添加至配重体32的第一侧部52和/或第二侧部
54。如果想得到低的或零偏置的曲轴，则使用该方法，其给出了最低的质量和惯性的曲轴。
相应的，步骤108是可选的。利用焊接、紧固或任何其他合适的连接方法可将材料(例如，金
属)添加至配重体32。例如，在步骤102、104和/或106之后，可将一片金属焊接至配重体32的
第一侧部52和/或第二侧部54。可选地，在步骤102、104和/或106之后，可利用紧固件(例如
螺栓)将一片金属附接至配重体32的第一侧部52和/或第二侧部54。
尽管用于实施教导的最佳模型已被详细描述，本发明涉及的领域的技术人员将意
识到用于实践本教导的各种可选的设计和实施例在所附的权利要求的范围内。