低摩擦的曲轴、发动机及曲轴轴系设计方法与流程

1.本发明涉及曲轴技术领域，尤其涉及一种低摩擦的曲轴、发动机及曲轴轴系设计方法。


背景技术：

2.对于混动车型来说，混动专用发动机通常追求更加极致的热效率。通过在发动机上采用低摩擦技术，可以从硬件和软件层面尽可能的减少摩擦阻力，减少能量浪费，从而可以进一步减少燃油消耗，提高燃油经济性，使整机热效率进一步提升。为了进一步降低油耗，混动发动机普遍采用如0w-20、0w16粘度甚至更低粘度的机油，低黏度机油高温黏度更低，可以降低发动机运转阻力，有助于降油耗，同时提升动力输出效率。
3.由斯特里贝克曲线可知，采用低粘度的机油，在同样的载荷边界和硬件边界下，油膜更加难以形成。由于混动发动机的起动和制动频繁，容易发生边界摩擦，从而导致润滑不良，摩擦磨损严重。现有发动机轴系通常从轴瓦材料及结构着手来改善润滑效果，如设置合适的配瓦间隙范围，以更好地建立油膜压力，形成润滑油膜；轴瓦内表面设计有聚合物涂层，以实现减摩效果；通过轴瓦内表面的型线设计，降低边缘负载，同时改善轴瓦边缘的润滑效果等等。
4.上述结构存在以下不足：曲轴的轴颈表面缺少合适的储油结构，在运转初期建立油压及形成油膜的时间较长，造成轴颈和轴瓦磨损。
5.为此，亟需提供一种低摩擦的曲轴、发动机及曲轴轴系设计方法以解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种低摩擦的曲轴、发动机及曲轴轴系设计方法，使曲轴运转时快速达到液力润滑，提升油膜厚度，减少轴颈和轴瓦的磨损。
7.为实现上述目的，提供以下技术方案：
8.低摩擦的曲轴，包括曲轴端、主轴颈、连杆轴颈、曲柄臂、主轴瓦和连杆轴瓦，所述主轴颈和所述连杆轴颈均包括第一环形区、中央环形区和第二环形区，所述第一环形区和所述第二环形区分别位于所述中央环形区的两侧，所述第一环形区和/或所述第二环形区设置有第一网纹结构，所述中央环形区设置有第二网纹结构，所述第一网纹结构的槽深大于所述第二网纹结构的槽深，所述主轴瓦设置于所述主轴颈的所述中央环形区，所述连杆轴瓦设置于所述连杆轴颈的所述中央环形区。
9.作为低摩擦的曲轴的可选方案，所述主轴颈和/或所述连杆轴颈的承载区段的径向直径大于非承载区段的径向直径，且所述非承载区段和轴瓦的内圈之间形成减薄区。
10.作为低摩擦的曲轴的可选方案，所述减薄区的径向间距为1μm-5μm。
11.作为低摩擦的曲轴的可选方案，所述网纹结构为十字形凹槽、线型凹槽或点状凹槽。
12.作为低摩擦的曲轴的可选方案，所述主轴颈和/或所述连杆轴颈与所述曲柄臂的
连接处设置有倒角区。
13.作为低摩擦的曲轴的可选方案，所述倒角区的倒角为圆角或斜角。
14.发动机，包括活塞、缸体、曲轴和连接所述曲轴与所述活塞的连杆，所述曲轴为如上任一项所述的低摩擦的曲轴。
15.曲轴轴系设计方法，用于制造如上任一项所述的低摩擦的曲轴，包括如下步骤：
16.s1、确定曲轴长度及曲轴主参数；
17.s2、确定曲轴的平衡块质径积；
18.s3、确定曲轴的曲柄臂形状；
19.s4、进行曲轴的油道、油孔尺寸和位置；
20.s5、进行曲轴装配可行性分析，如果曲轴通过装配可行性分析，则进入下一步骤；否则返回步骤s3；
21.s7、确定曲轴轴颈的形状及轴颈表面参数；
22.s8、确定轴瓦主参数及配瓦间隙；
23.s9、确定曲轴减振器和飞轮主参数；
24.s10、采用cae验证分析曲轴疲劳强度、轴系扭振、轴承润滑和弹性流体动力润滑，当验证结果均合格时，得到曲轴轴系系统；当存在任何一项不通过或均不通过，则返回步骤s7。
25.作为曲轴轴系设计方法的可选方案，在所述步骤s1中，根据目标发动机总体布置主参数要求，确定曲轴长度及曲轴主参数。
26.作为曲轴轴系设计方法的可选方案，在所述步骤s2中，根据对目标发动机旋转惯性力及往复惯性力的分析，确定曲轴的平衡块质径积。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果：
28.本发明所提供的低摩擦的曲轴，在曲轴的轴颈上沿轴向划分为第一环形区、中央环形区和第二环形区，中央环形区用于设置轴瓦，保证曲轴的正常工作；中央环形区设置有第二网纹结构，在位于中央环形区两侧的第一环形区和第二环形区上设置有第一网纹结构，通过设置轴颈轴向不同区域的网纹，可实现轴颈的储油功能，从而使曲轴运转时快速达到液力润滑，提升油膜厚度，减少轴颈磨损；通过设置两端致密且较深的第一网纹结构，可以保证在发动机运转曲轴受到外力作用时，曲轴轴颈和轴瓦能够形成更均匀的油膜间隙，同时能够在边缘更快速地形成较厚的油膜，降低边缘负载，减轻轴瓦的偏磨问题，提升可靠性，使曲轴运转时快速达到液力润滑，提升油膜厚度，减少轴颈和轴瓦的磨损。
29.本发明所提供的发动机，使用的曲轴结构原理清晰简单、加工工艺性好、装配方便，适用于各种形式的混动发动机。该结构能够有效降低发动机的摩擦功，从而提升发动机热效率。通过本发明的结构设计，还可以有效降低轴瓦磨损量，提升系统整体的可靠性。本发明提供的结构可有效降低发动机的摩擦功，提升整机热效率。
30.本发明所提供的曲轴轴系设计方法，该方法包括曲轴的主参数确定、曲轴的平衡设计、曲轴轴颈的形状设计、曲轴的油道及油孔设计、曲柄臂细节形状设计、曲轴疲劳强度分析、轴承润滑分析、轴系扭振分析、弹性流体动力润滑分析等步骤。结合曲轴的失效原理与失效模式，运用cae仿真分析方法进行虚拟验证。使曲轴轴系的设计开发既满足苛刻的工作条件要求，同时在具备足够可靠性的前提下满足混动发动机的低摩擦、轻量化等要求。从
而实现发动机曲轴轴系的设计开发流程精益化。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
32.图1为本发明实施例中低摩擦的曲轴的结构示意图；
33.图2为本发明实施例中轴颈处的局部放大图；
34.图3为本发明实施例中轴颈和曲柄臂的剖视图；
35.图4为本发明实施例中轴颈的剖视图；
36.图5为本发明实施例中主轴颈与主轴瓦形成减薄区的结构示意图；
37.图6为本发明实施例中曲轴轴系设计方法的流程图。
38.附图标记：
39.1、曲轴端；2、主轴颈；3、连杆轴颈；4、主轴瓦；5、连杆轴瓦；6、第一环形区；7、中央环形区；8、第二环形区；9、第一网纹结构；10、承载区段；11、非承载区段；12、减薄区；13、曲柄臂；14、倒角区；15、平衡块；16、第二网纹结构。
具体实施方式
40.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
41.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
43.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
44.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语
在本发明中的具体含义。
45.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
46.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
47.曲轴是引擎中最重要的部件。它承受连杆传来的力，并将其转变为转矩通过曲轴输出并驱动发动机上其他附件工作。曲轴受到旋转质量的离心力、周期变化的气体惯性力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲扭转载荷的作用。因此要求曲轴有足够的强度和刚度，轴颈表面需耐磨、工作均匀、平衡性好。
48.为了使曲轴运转时快速达到液力润滑，提升油膜厚度，减少轴颈和轴瓦的磨损，本实施例提供一种低摩擦的曲轴、发动机及曲轴轴系设计方法，以下结合图1至图6对本实施例的具体内容进行详细描述。
49.如图1至图5所示，本实施例提供了一种低摩擦的曲轴，该低摩擦的曲轴包括曲轴端1、主轴颈2、连杆轴颈3、曲柄臂13、主轴瓦4和连杆轴瓦5，主轴颈2和连杆轴颈3均包括第一环形区6、中央环形区7和第二环形区8，第一环形区6和第二环形区8分别位于中央环形区7的两侧，第一环形区6和/或第二环形区8设置有第一网纹结构9，中央环形区7设置有第二网纹结构16，第一网纹结构9的槽深大于第二网纹结构16的槽深，主轴瓦4的内圈设置于主轴颈2的中央环形区7，主轴瓦4的外圈与发动机机体配合。连杆轴瓦5的内圈设置于连杆轴颈3的中央环形区7，连杆轴瓦5的外圈与发动机连杆配合。
50.简而言之，本发明所提供的低摩擦的曲轴，在曲轴的轴颈上沿轴向划分为第一环形区6、中央环形区7和第二环形区8，中央环形区7用于设置轴瓦，保证曲轴的正常工作；中央环形区7设置有第二网纹结构16，在位于中央环形区7两侧的第一环形区6和第二环形区8上设置有第一网纹结构9，通过设置轴颈轴向不同区域的网纹，可实现轴颈的储油功能，从而使曲轴运转时快速达到液力润滑，提升油膜厚度，减少轴颈磨损；通过设置两端致密且较深的第一网纹结构9，可以保证在发动机运转曲轴受到外力作用时，曲轴轴颈和轴瓦能够形成更均匀的油膜间隙，同时能够在边缘更快速地形成较厚的油膜，降低边缘负载，减轻轴瓦的偏磨问题，提升可靠性，使曲轴运转时快速达到液力润滑，提升油膜厚度，减少轴颈和轴瓦的磨损。
51.进一步地，主轴颈2和/或连杆轴颈3的承载区段10的径向直径大于非承载区段11的径向直径，且非承载区段11和轴瓦的内圈之间形成减薄区12。通过设置轴颈在非主承载区段10两侧的减薄区12，可以在此处储存一定量的机油，当发动机运转时，曲轴的转动能够带动此处储存的机油在周向快速形成油膜，减少发动机启动初期和频繁起停时产生的磨损。轴瓦内圈表面设置有和轴颈表面匹配的型线，用于增强储油效果。
52.示例性地，减薄区12的径向间距为1μm-5μm。即曲轴轴颈的非承载区段11比承载区
段10的外径可减薄1μm-5μm。
53.示例性地，网纹结构为十字形凹槽、线型凹槽或点状凹槽。曲轴轴颈可通过磨削加工，控制轴颈表面粗糙度(如rz＜1，rpk＜0.16，rk＜0.5)来实现网纹的加工。网纹结构还可以同时设置更多数量的分区或过渡区，以实现储油作用。
54.示例性地，第一网纹结构9包括的凹槽数量大于第二网纹结构16包括的凹槽数量。第一网纹结构9包括的凹槽数量致密且较深，第二网纹结构16包括的凹槽数量稀疏较浅。
55.进一步地，主轴颈2和/或连杆轴颈3的轴颈与曲柄臂13的连接处设置有倒角区14。示例性地，倒角区14的倒角为圆角或斜角。
56.本实施例还提供了一种发动机，该发动机包括活塞、缸体、曲轴和连接曲轴与活塞的连杆，曲轴为上面提到的低摩擦的曲轴。使用的曲轴结构原理清晰简单、加工工艺性好、装配方便，适用于各种形式的混动发动机。该结构能够有效降低发动机的摩擦功，从而提升发动机热效率。通过本发明的结构设计，还可以有效降低轴瓦磨损量，提升系统整体的可靠性。本发明提供的结构可有效降低发动机的摩擦功，提升整机热效率。
57.如图6所示，本实施例还提供了一种曲轴轴系设计方法，该曲轴轴系设计方法用于制造如上提到的低摩擦的曲轴，包括如下步骤：
58.s1、根据对目标发动机旋转惯性力及往复惯性力的分析，确定曲轴长度及曲轴主参数；
59.s2、根据目标发动机总体布置主参数要求，确定曲轴的平衡块15质径积；
60.s3、确定曲轴的曲柄臂13形状；
61.s4、进行曲轴的油道、油孔尺寸和位置；
62.s5、进行曲轴装配可行性分析，如果曲轴通过装配可行性分析，则进入下一步骤；否则返回步骤s3；
63.s7、确定曲轴轴颈的形状及轴颈表面参数；
64.s8、确定轴瓦主参数及配瓦间隙；
65.s9、确定曲轴减振器和飞轮主参数；
66.s10、采用cae验证分析曲轴疲劳强度、轴系扭振、轴承润滑和弹性流体动力润滑，当验证结果均合格时，得到曲轴轴系系统；当存在任何一项不通过或均不通过，则返回步骤s7。
67.本发明所提供的曲轴轴系设计方法，该方法包括曲轴的主参数确定、曲轴的平衡设计、曲轴轴颈的形状设计、曲轴的油道及油孔设计、曲柄臂13细节形状设计、曲轴疲劳强度分析、轴承润滑分析、轴系扭振分析、弹性流体动力润滑分析等步骤。结合曲轴的失效原理与失效模式，运用cae仿真分析方法进行虚拟验证。使曲轴轴系的设计开发既满足苛刻的工作条件要求，同时在具备足够可靠性的前提下满足混动发动机的低摩擦、轻量化等要求。从而实现发动机曲轴轴系的设计开发流程精益化。
68.曲轴润滑原理：发动机运转时，机油经过缸孔从主油道通过轴瓦背面的油槽进入主轴瓦4，经过轴瓦上的油孔到达曲轴油道，再从曲轴连杆轴颈3上的小孔供给连杆轴承，保证形成均匀的油膜。曲轴轴承为液体动压润滑轴承，由形成的动压油膜来承受外部载荷，避免轴颈和轴瓦的直接接触，以达到减小摩擦阻力、保护被润滑表面的目的。
69.考虑发动机降摩擦的需求，混动发动机往往采用低粘度的机油来进行润滑，但这
也导致油膜更加难以形成。同时混动发动机存在较频繁的起停工况，容易导致润滑不良，轴瓦与曲轴摩擦磨损风险严重。
70.现有发动机轴系通常从轴瓦材料及结构着手来改善润滑效果，如设置合适的配瓦间隙范围，以更好地建立油膜压力，形成润滑油膜；轴瓦内表面设计有聚合物涂层，以实现减摩效果；通过轴瓦内表面的型线设计，降低边缘负载，同时改善轴瓦边缘的润滑效果等等。
71.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所说的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

技术特征：
1.低摩擦的曲轴，包括曲轴端(1)、主轴颈(2)、连杆轴颈(3)、曲柄臂(13)、主轴瓦(4)和连杆轴瓦(5)，其特征在于，所述主轴颈(2)和所述连杆轴颈(3)均包括第一环形区(6)、中央环形区(7)和第二环形区(8)，所述第一环形区(6)和所述第二环形区(8)分别位于所述中央环形区(7)的两侧，所述第一环形区(6)和/或所述第二环形区(8)设置有第一网纹结构(9)，所述中央环形区(7)设置有第二网纹结构(16)，所述第一网纹结构(9)的槽深大于所述第二网纹结构(16)的槽深，所述主轴瓦(4)设置于所述主轴颈(2)的所述中央环形区(7)，所述连杆轴瓦(5)设置于所述连杆轴颈(3)的所述中央环形区(7)。2.根据权利要求1所述的低摩擦的曲轴，其特征在于，所述主轴颈(2)和/或所述连杆轴颈(3)的承载区段(10)的径向直径大于非承载区段(11)的径向直径，且所述非承载区段(11)和轴瓦的内圈之间形成减薄区(12)。3.根据权利要求2所述的低摩擦的曲轴，其特征在于，所述减薄区(12)的径向间距为1μm-5μm。4.根据权利要求1或2所述的低摩擦的曲轴，其特征在于，所述网纹结构为十字形凹槽、线型凹槽或点状凹槽。5.根据权利要求1或2所述的低摩擦的曲轴，其特征在于，所述主轴颈(2)和/或所述连杆轴颈(3)与所述曲柄臂(13)的连接处设置有倒角区(14)。6.根据权利要求5所述的低摩擦的曲轴，其特征在于，所述倒角区(14)的倒角为圆角或斜角。7.发动机，包括活塞、缸体、曲轴和连接所述曲轴与所述活塞的连杆，其特征在于，所述曲轴为权利要求1-6任一项所述的低摩擦的曲轴。8.曲轴轴系设计方法，其特征在于，用于制造如权利要求1-6任一项所述的低摩擦的曲轴，包括如下步骤：s1、确定曲轴长度及曲轴主参数；s2、确定所述曲轴的平衡块(15)质径积；s3、确定所述曲轴的曲柄臂(13)形状；s4、进行所述曲轴的油道、油孔尺寸和位置；s5、进行所述曲轴装配可行性分析，如果所述曲轴通过装配可行性分析，则进入下一步骤；否则返回步骤s3；s7、确定曲轴轴颈的形状及轴颈表面参数；s8、确定轴瓦主参数及配瓦间隙；s9、确定曲轴减振器和飞轮主参数；s10、采用cae验证分析曲轴疲劳强度、轴系扭振、轴承润滑和弹性流体动力润滑，当验证结果均合格时，得到曲轴轴系系统；当存在任何一项不通过或均不通过，则返回步骤s7。9.根据权利要求8所述的曲轴轴系设计方法，其特征在于，在所述步骤s1中，根据目标发动机总体布置主参数要求，确定所述曲轴的长度及所述曲轴的主参数。10.根据权利要求8所述的曲轴轴系设计方法，其特征在于，在所述步骤s2中，根据对目标发动机旋转惯性力及往复惯性力的分析，确定所述曲轴的平衡块(15)质径积。。

技术总结
本发明公开了一种低摩擦的曲轴、发动机及曲轴轴系设计方法，属于曲轴技术领域。该低摩擦的曲轴包括曲轴端、主轴颈、连杆轴颈、曲柄臂、主轴瓦和连杆轴瓦，所述主轴颈和所述连杆轴颈均包括第一环形区、中央环形区和第二环形区，所述第一环形区和所述第二环形区分别位于所述中央环形区的两侧，所述第一环形区和/或所述第二环形区设置有第一网纹结构，所述中央环形区设置有第二网纹结构，所述第一网纹结构的槽深大于所述第二网纹结构的槽深，所述主轴瓦设置于所述主轴颈的所述中央环形区，所述连杆轴瓦设置于所述连杆轴颈的所述中央环形区。本发明使曲轴运转时快速达到液力润滑，提升油膜厚度，减少轴颈和轴瓦的磨损。减少轴颈和轴瓦的磨损。减少轴颈和轴瓦的磨损。


技术研发人员：周超宇 赵川 介海锋 孙旭东 史鹏礼 夏春雨
受保护的技术使用者：中国第一汽车股份有限公司
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/8/23