專利名稱：凸輪接觸裝置的改進的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機用的，最好是具有可變閥正時的內(nèi)燃機用的，改進的凸輪接觸裝置。特別是，使用包含氮化硅和碳化硅的陶瓷已經(jīng)被證明可以提供各有效的凸輪接觸表面，允許軸向移動一個具有一可變形線的被旋轉(zhuǎn)的凸輪的凸輪軸，最終改善怠速和容積效率。
本發(fā)明的背景內(nèi)燃機設(shè)計需要在具有矛盾的設(shè)計或各性能參數(shù)之間，特別是有關(guān)氣閥正時的設(shè)計之間進行大量的比較權(quán)衡。
例如，在一內(nèi)燃機設(shè)計中，一設(shè)計者可能希望使排放最少并增加燃料的經(jīng)濟性，而不希望對滿意的發(fā)動機性能作出折中。在過去，這種發(fā)動機的設(shè)計受到了這些矛盾參數(shù)的限制，從而導致設(shè)計者在設(shè)計中進行折中，以獲得在各參數(shù)之間的平衡。這樣，設(shè)計者經(jīng)常重點是注意確定發(fā)動機的理想性能(例如扭矩或怠速穩(wěn)定性)的主要性能目標(例如降低排放)。但這種折中常常是因為設(shè)計者將吸氣性(breathability)，即燃料和空氣的最佳進入和燃燒后廢氣的排出，結(jié)合到該發(fā)動機中的能力的缺乏而產(chǎn)生的。
一發(fā)動機的吸氣性主要是由凸輪軸，凸輪，氣閥升閥件(和相關(guān)的挺桿，搖臂，如果使用的話)的物理結(jié)構(gòu)確定的。特別是，各凸輪的物理形狀或形線及相對彼此之間的相對定位決定進排氣閥的開啟正時，開啟持續(xù)期，和各氣閥關(guān)閉的正時，它們根據(jù)各進排氣閥在凸輪軸周圍的定位，確定了該汽缸的功率圖。
由于工作環(huán)境的高溫，高壓和機械加速，以及這些零部件的復雜性，因此在發(fā)動機運行期間調(diào)節(jié)氣閥是困難的，因此多數(shù)發(fā)動機都使用一個固定凸輪正時系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，氣閥開啟和關(guān)閉的相對正時不隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速而變化。結(jié)果是，該固定凸輪正時發(fā)動機需要在各發(fā)動機參數(shù)之間進行平衡。
更具體地說，凸輪軸的作用就是為了在合適的時間開啟并關(guān)閉各氣閥，從而在燃燒之前使汽缸充滿，在燃燒之后，使汽缸排空。各凸輪安裝在該凸輪軸上，并具有確定氣閥開啟正時，開啟持續(xù)期和關(guān)閉正時的形線。各升閥件與凸輪表面緊密接觸，并跨靠在凸輪表面上，以便將開啟/關(guān)閉力施加給各氣閥。因此，氣閥的開啟和關(guān)閉由該凸輪軸的旋轉(zhuǎn)定時，而該凸輪軸又由該曲軸控制。
因此，各凸輪和升閥件的物理尺寸或形狀，和各凸輪相互之間的定位都是可以改變的參數(shù)，以便獲得理想的發(fā)動機性能。
至于凸輪的物理尺寸或設(shè)計，下列術(shù)語通常用于描述一凸輪的形狀和一氣閥的物理運動。例如，該凸輪的基圓限定該氣閥的關(guān)閉持續(xù)期，該光滑斜面限定了氣閥的關(guān)閉和可測量的升程之間的過渡時間，該側(cè)面或斜面提供氣閥開啟時間和開啟性能，該凸頂限定氣閥全開的時間和最大開啟位移，而該持續(xù)期限定了該氣閥離開其閥座的時間。
在發(fā)動機運行期間，一凸輪的這些參數(shù)中的每一個都不能單獨控制，因此需要在一凸輪的物理尺寸與其他參數(shù)的關(guān)系許可的各情況之間進行折中。例如，持續(xù)期是氣閥開啟足夠長的時間從而使汽缸充滿和/或排空，與因該閥開啟太長從而產(chǎn)生動力壓縮損失之間的折中，并且增加的升程使功率增加，但受到升閥件的直徑的限制。
至于升閥件(或挺桿)的設(shè)計，升閥件的技術(shù)在各發(fā)動機之間是可變的。通常，設(shè)計一升閥件的主要目的是為了使該升閥件表面和凸輪表面之間保持接觸，同時使運行期間的噪聲最小。具有兩種主要類型的升閥件，實心的和液壓的升閥件，每種升閥件具有各個可變的接觸端，該端包括平的，蘑菇形的和輥子形的。使用液壓升閥件通?？梢越档蜌忾y的沖擊和噪聲。為了補償沒有對齊的升閥件孔，由于相應的挺桿端面通常是或多或少的凸起的，因此平的挺桿-凸輪通常在其表面上具有一稍稍的錐形。
另一種類型的升閥件是輥子型升閥件，該升閥件包括一個與該凸輪接觸的輥輪或輥子。該輥子升閥件允許用于高的抗阻力斜面形線中，結(jié)果是，需要高的氣閥彈簧張緊力，以便使該輥子與該凸輪接觸。各輥子升閥件也可以降低該升閥件和凸輪之間的摩擦損失，因此將增加該發(fā)動機的綜合功率或效率。
蘑菇形升閥件的端部具有一隆起部，并用來在每個持續(xù)期中提供更多的升程。
進氣和排氣凸輪彼此之間的相對定位有利于形成發(fā)動機功率圖。特別是，凸緣分離角或重疊確定了進排氣閥同時開啟的時間，其中，更寬的凸緣分離角通常改善怠速性能，怠速真空和頂端功率，而窄的凸緣分離角將降低怠速性能，但提供更好的中間范圍扭矩。
對一凸輪進行分度也是一個用來影響發(fā)動機性能的參數(shù)，分度也稱作改變凸輪相對于該凸輪軸驅(qū)動各氣閥的位置。具體地說，使凸輪軸延遲，即，相對該凸輪軸使一氣閥延遲開啟可以使該功率使轉(zhuǎn)速帶上升，并且可以增加功率，同時降低低端扭矩。相比較地，使凸輪軸提前(氣閥提前開啟)具有相反的效果。
為了克服與固定凸輪正時相關(guān)的一些問題，已經(jīng)設(shè)計了各種可變凸輪正時系統(tǒng)。通常，這些系統(tǒng)提供了一個具有三維凸輪表面的凸輪凸緣，和一個可以在該三維凸輪表面上軸向運動的升閥件。因此，該凸輪軸的軸向位置將確定控制氣閥正時的具體凸輪形線。故在發(fā)動機允許其性能改變到與其工況相匹配的運行期間，可變氣閥正時允許改變氣閥正時。在一可變凸輪系統(tǒng)中凸輪相對形狀的變化可以對進氣凸輪，排氣凸輪，進氣和排氣分別進行獨立的相位調(diào)節(jié)，或者獨立地對進排氣凸輪進行相互調(diào)節(jié)。
例如，借助于提供更短的燃料進入時間而降低燃料進入特性從而使氣缸內(nèi)的混合氣稀釋，將提高燃料經(jīng)濟性并降低發(fā)動機的扭矩反應。相比較地，借助于提供更大的升程和更長的持續(xù)期而增加燃料進入時間從而使氣缸內(nèi)的混合氣變濃，將導致馬力的增加。一個可變氣閥正時系統(tǒng)可以借助于根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速提供的不同正時形線使這些矛盾的目的得到調(diào)和，從而改善該發(fā)動機的吸氣性并增加歧管壓力。
在高性能的應用中，當前的現(xiàn)有技術(shù)認識到用單一的軸向輥子或輥輪為基礎(chǔ)的升閥件作為該氣門裝置運行用的最佳性能提高裝置。然而，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的希望逐漸形成，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在更高的發(fā)動機轉(zhuǎn)速中使用更高的預緊力的彈簧的情況下，以輥輪為基礎(chǔ)的升閥件將失效。典型地，失效發(fā)生在兩個方面，即輥輪本身中的輥子軸承失效和/或升閥件災難性的失效，兩者都是因為輥輪的產(chǎn)生升閥件和氣門裝置振動的“靈敏點(flat spotting)”的結(jié)果。
此外，現(xiàn)在的各種以輥輪為基礎(chǔ)的升閥件設(shè)計不直接將潤滑油輸送到輥子軸承上，而是進行間接潤滑，這將降低各軸承表面的散熱能力。因此，當輥輪與軸承圈直接接觸并且在兩個表面之間具有最小的油膜時，軸承壽命可能降低。
在一以單一的軸為基礎(chǔ)的系統(tǒng)中為了獲得最大的軸承壽命，如果在該升閥體的范圍內(nèi)該輥輪直徑達到最大，則設(shè)計者必須平衡三個參數(shù)。這三個參數(shù)是輥子軸承直徑，軸直徑和輥輪厚度。每個參數(shù)都必須改變，使各軸承表面上的壓縮和接觸應力最小，使該軸中的應力最小，并使直接影響各輥子軸承內(nèi)的接觸應力的該軸的變形最小。
盡管過去的各種可變氣閥正時系統(tǒng)已經(jīng)例如在美國專利US2969051，德國專利DE19755937，瑞士出版的德國專利DE304494和美國專利US2307926中公開了，但各種升閥件/凸輪接觸系統(tǒng)或者是沒有廣泛實施或者是沒有成功。這就是說，在內(nèi)燃機的苛刻工況下，可以相象以前的各種可變氣閥正時系統(tǒng)在它們的軸承/軸承圈中是不成功的。
本發(fā)明的概述根據(jù)本發(fā)明，其提供了一種凸輪接觸裝置，該裝置用在內(nèi)燃機中具有改進的熱力性能?？梢允怪玫嚼玫母鞣N性能的凸輪接觸材料被公開了。這些材料包括如此的材料或它們的結(jié)合，即這些材料的性能是，密度小于6g/cc(優(yōu)選是大約3.1-3.2g/cc)，楊氏模量大于310Gpa(優(yōu)選是310-450Gpa)，維氏(Vichers)硬度大于1150(Hv)(優(yōu)選是1650-2850Hv)，熱膨脹系數(shù)小于10.5×10-6/℃(優(yōu)選是大約3.1-5.5×10-6/℃)，導熱率小于50W/mK(優(yōu)選是大約22-26W/mK)，葦箔(Weibull)模量大于12(優(yōu)選是大約12-18)，耐磨力大于900(優(yōu)選是大約947-1263)。
在更具體的實施例中，該凸輪接觸裝置是一個在一軸承圈和支承件中的滾珠軸承，其中，該滾珠軸承的熱膨脹系數(shù)小于該軸承圈和支承件的熱膨脹系數(shù)，更具體地說，該凸輪接觸裝置是一個在鋼質(zhì)軸承圈和支承件中的陶瓷滾珠軸承。
在一實施例中，該凸輪接觸裝置是一個氮化硅或碳化硅滾珠軸承。
具體的凸輪接觸材料可以包括CERALLOY 147-31E，147-31N，147-1E或147-1中的任何一種。
在進一步的實施例中，該凸輪接觸裝置包括一個用于給該凸輪接觸裝置/凸輪交界面提供潤滑的潤滑系統(tǒng)。
在進一步的實施例中，本發(fā)明涉及上述的凸輪接觸裝置在具有各可變形線凸輪的內(nèi)燃機中的應用。
進一步地，本發(fā)明提供了一種內(nèi)燃機，這種內(nèi)燃機具有各個氣缸，一旋轉(zhuǎn)凸輪軸，各氣閥和在各氣閥和旋轉(zhuǎn)凸輪軸之間形成工作連接的升閥件，該內(nèi)燃機還包括一可變形線凸輪軸和相互之間可以線性移動的各升閥件，其中各升閥件包括一個用于與該旋轉(zhuǎn)凸輪軸形成工作接觸的氮化硅軸承，并且它可以包括一個具有燃料噴射口的閥座，燃料在該閥座中噴射入各氣缸中。
附圖的簡要說明本發(fā)明的這些或其他特性將從下面參照所附的各附圖作出的說明中變得更清楚，其中

圖1A是一個表示本發(fā)明的輥子升閥件的示意圖；圖1B是一個表示在本發(fā)明中升閥件安裝有和沒有安裝滾珠軸承的示意圖；圖1C是一個本發(fā)明的半球形實心升閥件的示意圖；圖1D表示帶有一固定中心線和一可變中心線的可變氣閥正時凸輪軸的端部視圖；圖2是一個帶有一球軸承氣閥腔和閥座燃料噴射器的一組合頂置凸輪軸系統(tǒng)的示意圖；圖3是一張表示一個已經(jīng)在一發(fā)動機中運行的鋼滾珠軸承升閥件的磨損形態(tài)，與沒有在發(fā)動機中運行的鋼滾珠軸承升閥件相比的照片；圖4是一張表示一陶瓷軸承升閥件和鋼軸承升閥件的磨損形態(tài)的照片。
圖5是一張表示一鋼的倒圓輥輪升閥件和一陶瓷軸承升閥件的磨損形態(tài)的照片。
本發(fā)明實施例的詳細說明一般的說明各附圖表示用于各內(nèi)燃機，特別是適用于一可變閥正時發(fā)動機中的各凸輪接觸裝置的各種不同設(shè)計，及用根據(jù)本發(fā)明的凸輪接觸裝置在一可變閥正時發(fā)動機中進行試驗得出的各種試驗結(jié)果。
圖1A，1B和1C表示根據(jù)本發(fā)明的凸輪接觸裝置的三種設(shè)計，即倒圓輥輪升閥件，球軸承升閥件和實心半球形軸承升閥件的設(shè)計。圖1D表示一個帶有一固定中心線1和一可變中心線2的可變閥正時凸輪軸的端視圖。在該說明書內(nèi)，凸輪接觸裝置是指一內(nèi)燃機內(nèi)與一旋轉(zhuǎn)凸輪的外表面接觸或隨之動作，從而直接或間接影響氣閥的開啟和關(guān)閉的任何裝置。因此，凸輪接觸裝置包括氣閥升閥件，搖臂或直接與一閥桿接觸的凸輪從動件。
參見附圖1A，示出了一倒圓的輥輪升閥件3的側(cè)視圖和正視圖。在該設(shè)計中，一輥輪固定在該升閥件的端部，而各軸承允許該輥輪繞該升閥件基底中的一固定軸線旋轉(zhuǎn)。
參見附圖1B，一滾珠軸承升閥件4表示在一組裝件10中，而各分解表示一液壓阻尼系統(tǒng)5，軸承保持件6和球軸承7。35表示潤滑油通道，36表示該升閥件的內(nèi)接納表面。
參見圖1C，圖中示出的實心半球形升閥件8具有一個半球形端部，該端部帶有用于將潤滑油輸送倒該凸輪-接觸裝置/凸輪界面的潤滑油通道37。
圖2表示一個帶有一球軸承氣閥阻尼器16和閥座燃料噴射器20的一組合頂置凸輪軸系統(tǒng)的示意圖。該系統(tǒng)包括一個在一頂置凸輪結(jié)構(gòu)中形線可變的凸輪15，帶有球軸承(或上述的一倒圓的輥輪或半球形)的頂置閥阻尼器16，一汽缸頭17，一氣閥18和一氣閥彈簧19。該閥座20可以包括帶有輸油管22的燃油噴嘴21。進氣道23通過閥18將空氣輸送到汽缸中。氣閥阻尼器16可包括座落在一軸承體25上的球軸承圈24，和氣閥彈簧保持件26。
凸輪接觸裝置的材料分別在具有固定形線的凸輪軸的內(nèi)燃機(ICE)和具有可變形線的凸輪軸的內(nèi)燃機中，對包括從氮化硅和碳化硅中選取的陶瓷軸承的升閥件的各種具體設(shè)計進行了試驗。為了便于比較，其他陶瓷材料和它們的性能示出在表1中。
表1——軸承鋼/陶瓷比較表

參考資料(1)Ceradyne公司的氮化硅性能(2)用于特殊環(huán)境中的軸承的研發(fā)-NSK Website協(xié)會基礎(chǔ)研發(fā)中心的Hiroyuki Ito，和精密軸承部shigeki Matsunaga(3)用于特殊環(huán)境的陶瓷材料--NSK Website協(xié)會軸承技術(shù)中心的ShinNiizeki(4)潤滑劑中極限壓力添加劑對軸承疲勞壽命的影響—俄亥俄州website協(xié)會Timken公司的H.P.Nixon(5)陶瓷和陶瓷涂層的導熱率—作者Andrew Slifka，網(wǎng)站http//www.boulder.nist.gov/div853/Annual％20Report％202000％HTML/P23.html(6)網(wǎng)站http//www.doceram.com/e_mat3.htm(7)Awr＝FT1/2×H1.43×Em-0.8該陶瓷滾珠升閥件設(shè)計的初始評估是在Los Angeles縣內(nèi)的Isky凸輪公司進行的。使用從Ceradyne公司獲得的陶瓷軸承的升閥件(下面稱之為升閥件1)是由材料Ceralloy 147-31N制成的。
當該機器為升閥件提供最佳的評估機會而在升閥件失效時不存在發(fā)動機損壞的危險時，利用SPINTRON控制系統(tǒng)，在發(fā)動機沒有燃燒時，在該發(fā)動機中對升閥件1進行初始評估。第一次評估是在氣閥彈簧壓力較低時，即200磅/英寸進行的，從而初始確定升閥件/凸輪的表面的接觸面的高接觸負荷是否會導致凸輪軸產(chǎn)生劃痕。試驗循環(huán)在8小時內(nèi)完成，升閥件或該凸輪軸沒有明顯的損壞。然后，第二次評估是利用一NASCAR(北美普通小車)使用的氣閥彈簧，在高達800磅/英寸的壓力下進行的。這一試驗也進行8小時，在該升閥件或凸輪凸緣中都沒有發(fā)現(xiàn)損壞。
第二階段的評估是在一臺ZZ4P/N24502609 Chevrolet V8發(fā)動機上在實際運行情況下進行的。這一試驗使用兩個不同的升閥件設(shè)計，即滾珠軸承和倒圓的輥輪，從而對該滾珠軸承設(shè)計中材料的變化進行評估。圖3，4和5表示這些試驗的結(jié)果，而表2概括了該升閥件/試驗設(shè)計。
表2


試驗是在California Torrance的Shever發(fā)動機裝備上進行的。將三種不同的設(shè)計設(shè)置在該使用高性能彈簧(以3561磅/英寸，p/n10134358)的試驗發(fā)動機中。啟動該發(fā)動機，并在負荷特性下，控制轉(zhuǎn)速，并設(shè)定在2000rpm。2分鐘之后，檢測到一個可察覺到的錯誤，并使發(fā)動機停止。立即拆開該發(fā)動機，檢測各零部件。
圖3表示鋼質(zhì)滾珠軸承升閥件(2)與原始的鋼質(zhì)滾珠軸承的磨損比較。圖4表示升閥件1(左)和升閥件2(右)。如圖所示，升閥件1沒有材料損失，并且任何情況下凸輪軸的凸緣都沒有退化。升閥件2具有過度的材料磨損，并且還使凸輪軸的凸緣適當?shù)赝嘶恕?br> 圖5表示升閥件3(左邊和中間)和升閥件1(右邊)。在這種情況下，我們注意到試驗中的升閥件或凸輪軸凸緣都沒有損壞。
接著，該發(fā)動機用升閥件1和3再組裝起來，并安裝相同規(guī)格的新凸輪軸，在不同的轉(zhuǎn)速(怠速至6000)和負荷下繼續(xù)試驗6小時。該試驗發(fā)動機產(chǎn)生規(guī)定大小的相同馬力和扭矩，在發(fā)動機運行中沒有檢測到什么問題。試驗完成后，將該發(fā)動機拆開，并測量各升閥件和凸輪軸的磨損。在該升閥件和凸輪軸凸緣上都沒有明顯的磨損。
可變凸輪凸緣形線試驗用一臺帶有可變形線凸輪軸的發(fā)動機進行如下全部試驗試驗發(fā)動機Chevrolet(雪佛來)LS-15.7L頂置閥推桿發(fā)動機壓縮比10∶1汽缸孔徑×行程99.00×92.00mm按順序噴射在改進之前，發(fā)動機具有345@5400rpm的馬力率，并且怠速轉(zhuǎn)速為700rpm。
修改該發(fā)動機使之包括一可變形線凸輪軸和用于使該凸輪軸線性移動的液壓驅(qū)動系統(tǒng)。該凸輪軸的可變形線凸緣可以使該升程，持續(xù)期和角度(7度)改變。修改用于該發(fā)動機所有16個閥的凸輪接觸裝置，使之包括氮化硅滾珠軸承(Ceralloyl47-31N)。使用350磅的彈簧壓力。
該發(fā)動機初始運行5分鐘，停機，然后再運行45分鐘，在此期間，當發(fā)動機從低速到高速運行時，該凸輪軸在該凸緣的兩端之間軸向移動。
利用這個改進的凸輪軸，該發(fā)動機的馬力率被測出為420hp@5400rpm，并且可獲得的最低怠速為400rpm。計算出容積效率(VE)的總共增加為25％。
當該發(fā)動機用的電子控制模塊(ECM)諧調(diào)地抵消施加的調(diào)節(jié)時，試圖將怠速轉(zhuǎn)速降低到400rpm之下是不成功的。這就是說，當試圖將怠速轉(zhuǎn)速降低到400rpm之下時，該控制器的怠速空氣控制模塊(ICM)將用燃料來增加怠速轉(zhuǎn)速。根據(jù)怠速用的凸輪形線，可以設(shè)想怠速轉(zhuǎn)速可以降低到200rpm之下。
接著，發(fā)動機運行，之后被拆開并進行檢測。該凸輪軸和凸輪接觸裝置沒有顯示出明顯的磨損。
討論原始的升閥件試驗說明具有與一凸輪軸接觸的一細微點的凸輪接觸裝置，在一內(nèi)燃機中運行時，可以承受非常高的點壓力。具體地，使用氮化硅軸承可提供帶有固定形線的凸輪軸的有效凸輪接觸裝置。各原始的升閥件試驗進一步說明使用一潤滑的鋼質(zhì)軸承作為一凸輪接觸裝置是無效的，并迅速導致該凸輪接觸裝置失效。
各個可變形線凸輪軸試驗表明具有細微接觸點的凸輪接觸裝置可以使具有一連續(xù)的可變凸輪形線的可變氣閥正時系統(tǒng)有效地進行工作。這些試驗的結(jié)果表明與一固定凸輪形線發(fā)動機相比，怠速可以被顯著地降低，而發(fā)動機綜合容積效率可以顯著上升。
鋼質(zhì)和陶瓷軸承的討論鋼質(zhì)滾珠的失效是由該鋼質(zhì)滾珠與鋼質(zhì)閥體的咬死即局部地熔接形成的。一旦開始咬死，滾珠將立即滑動，并在凹腔和凸輪軸上滾動。該滾珠的這種咬死和滑動作用可以解釋磨損(.042”)均勻的原因。這種不希望存在的滾珠相對該凸輪軸的滑動作用導致該凸輪軸產(chǎn)生可以看出的嚴重損壞(即槽)。
陶瓷(氮化硅)滾珠的成功應歸功于陶瓷的低摩擦系數(shù)和優(yōu)越的散熱性。由于陶瓷滾珠不會咬死，因此它將在其凹腔中連續(xù)滾動，并且可以保持與凸輪軸的滾動接觸。這可以解釋凸輪軸上損壞/磨損最小的原因。當滾珠在該凸輪軸上滾動時，它必須在該升閥體的凹腔中滑動。因此在該設(shè)計中固有地會存在一定的摩擦，并產(chǎn)生熱量。然而，由于陶瓷的摩擦系數(shù)低，因此與鋼相比產(chǎn)生的熱量更少。此外，通過升閥件提供給該滾珠和升閥體之間的滑動表面的潤滑油將進一步降低這種摩擦，并冷卻該滾珠。
進一步地，由于陶瓷滾珠比金屬滾珠的剛性更好，因此在負荷作用下它不容易變形。因此，該滾珠內(nèi)部產(chǎn)生的熱量方面在該陶瓷滾珠中也會更少。
鋼質(zhì)輥子組件其中具有輥子。因此，存在輥子相對該凸輪軸的滾動作用。如陶瓷滾珠情況那樣，因此凸輪軸上的磨損降到最小。由于接觸應力的作用，凸輪軸被硬化。這很可能就是凸輪軸上形成并可以看出的用于輥子和陶瓷滾珠的窄帶的原因。由于該鋼質(zhì)滾珠組件主要是滾動，沒有滑動，因此，摩擦和因摩擦產(chǎn)生的熱量達到最小。
對氮化硅滾珠來說a)滾珠上的總摩擦小于一鋼質(zhì)滾珠的摩擦。
b)較低水平的摩擦將在該滾珠接觸表面處產(chǎn)生比一鋼質(zhì)滾珠更小的熱量。
c)當該滾珠的導熱率明顯低于該杯形件的導熱率，同時利用供給該滾珠/升閥件的潤滑油進行進一步冷卻時，在滾珠-凸輪和滾珠-杯形件(36)的交界表面處產(chǎn)生的熱量的主要散熱路徑是通過該鋼質(zhì)交界面，而不是通過該滾珠。
d)因此各鋼質(zhì)接觸表面比該滾珠熱得更快。
e)由于熱量增加并且膨脹系數(shù)更高，因此各鋼質(zhì)接觸表面比該滾珠膨脹更多。
f)如果膨脹系數(shù)不同，則該滾珠總是小于周圍的杯形件。因此，該滾珠不會因加熱而卡住。
g)凸輪上的標記可能是因為接觸交界面的熱量有效加熱使該凸輪硬化的結(jié)果。
對鋼質(zhì)滾珠來說a)滾珠上的總摩擦大于一氮化硅滾珠的摩擦。
b)高水平的摩擦將在該滾珠接觸表面處產(chǎn)生比一氮化硅滾珠更多的熱量。
c)利用供給該滾珠/升閥件的交界面的潤滑油進行進一步冷卻，在滾珠-凸輪和滾珠-杯形件(36)的交界表面處產(chǎn)生的熱量的將通過該滾珠和各接觸面散熱。
d)因此各鋼質(zhì)接觸表面與該滾珠一樣加熱。
e)與該凸輪和杯形件兩者接觸的鋼質(zhì)滾珠因與該凸輪的接觸比該杯形件熱得更快。如果熱得比杯形件快，則該滾珠比該杯形件膨脹得更快，從而增加摩擦并且可能開始卡在該杯形件中。
f)如果膨脹系數(shù)相同，則如果滾珠比杯形件熱得更快，則滾珠會卡在該杯形件中。
g)凸輪，滾珠和杯形件上的磨損可能是因為滾珠在該杯形件中開始卡住(咬死)，從而大大增加全部三個表面上的摩擦和磨損的結(jié)果。
對鋼質(zhì)(倒圓)輥輪來說a)鋼質(zhì)輥輪上的總摩擦大于一氮化硅滾珠的摩擦。
b)高水平的摩擦將在該輥輪接觸表面處產(chǎn)生比一氮化硅滾珠更多的熱量。
c)在輥輪-凸輪和輥輪-輥子(4)的各交界表面處產(chǎn)生的任何熱量都通過該輥輪輪圈和各接觸面散熱。
d)因此各鋼質(zhì)接觸表面與該滾珠一樣加熱。
e)該鋼質(zhì)輥輪比該氮化硅滾珠具有更小的接觸點，因此對一給定的彈簧負荷來說將產(chǎn)生比該滾珠更多的熱量。
f)該鋼質(zhì)輥輪相對該支承升閥件表面具有大量的間隙。
g)在熱膨脹下的輥輪將不會接觸任何周圍升閥件表面，因此該鋼質(zhì)輥輪將不會如鋼質(zhì)滾珠那樣卡住(咬死)。
h)輥輪輪圈中產(chǎn)生的熱量只能通過凸輪和各輥子軸承散熱，沒有強迫油冷通道。
i)由于更高水平的摩擦并且更少的潤滑，因此鋼質(zhì)輥輪比氮化硅滾珠更熱。
j)凸輪上的標記可能是因為輥輪-凸輪交界面處的高水平傳熱產(chǎn)生的。該凸輪可以由摩擦和接觸壓力產(chǎn)生的熱量進行有效的硬化。由于在凸輪接觸點處的高溫和高壓，因此該標記比氮化硅滾珠的范圍更廣。
結(jié)論，當其它材料的特性與表1中示出的不同時，由于陶瓷和金屬接觸產(chǎn)生的熱量及導熱率，熱膨脹系數(shù)原因，氮化硅的成功可能是凸輪凸緣金屬硬化的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種具有改進的熱力性能并用在一內(nèi)燃機中的凸輪接觸裝置。
2.如權(quán)利要求1所述凸輪接觸裝置，其密度小于6g/cc。
3.如權(quán)利要求2所述凸輪接觸裝置，其密度為大約3.1-3.2g/cc。
4.如權(quán)利要求1所述凸輪接觸裝置，其楊氏模量大于310Gpa。
5.如權(quán)利要求4所述凸輪接觸裝置，其楊氏模量大約為310-450Gpa。
6.如權(quán)利要求1所述凸輪接觸裝置，其維氏硬度大于1150(Hv)。
7.如權(quán)利要求6所述凸輪接觸裝置，其維氏硬度大約為1650-2850(Hv)。
8.如權(quán)利要求1所述凸輪接觸裝置，其熱膨脹系數(shù)小于10.5×10-6/℃。
9.如權(quán)利要求8所述凸輪接觸裝置，其熱膨脹系數(shù)大約為3.1-5.5×10-6/℃。
10.如權(quán)利要求1所述凸輪接觸裝置，其導熱率小于50W/mK。
11.如權(quán)利要求10所述凸輪接觸裝置，其導熱率大約為22-26W/mK。
12.如權(quán)利要求1所述凸輪接觸裝置，其葦箔模量大于12。
13.如權(quán)利要求12所述凸輪接觸裝置，其葦箔模量大約為12-18。
14.如權(quán)利要求1所述凸輪接觸裝置，其耐磨力大于900。
15.如權(quán)利要求14所述凸輪接觸裝置，其耐磨力大約為947-1263。
16.如權(quán)利要求1所述凸輪接觸裝置，其中該凸輪接觸裝置是一個具有權(quán)利要求1-15中任一性能或各性能結(jié)合的滾珠軸承。
17.如權(quán)利要求1所述凸輪接觸裝置，其中該凸輪接觸裝置是一個在一軸承圈和支承件中的滾珠軸承，該滾珠軸承的熱膨脹系數(shù)小于該軸承圈和支承件的熱膨脹系數(shù)。
18.如權(quán)利要求1所述凸輪接觸裝置，其中該凸輪接觸裝置是一個在一鋼質(zhì)軸承圈和支承件中的陶瓷滾珠軸承。
19.如權(quán)利要求18所述凸輪接觸裝置，其中該滾珠軸承是氮化硅或碳化硅之一。
20.如權(quán)利要求1所述凸輪接觸裝置，其中該凸輪接觸材料是從CERALLOY 147-31E，147-31N，147-1E或147-1中選取的任一種。
21.如權(quán)利要求1所述凸輪接觸裝置，其中該凸輪接觸裝置是一倒圓的輥輪，滾珠軸承或一半球表面中的任意一個。
22.如權(quán)利要求21所述凸輪接觸裝置，其中該凸輪接觸材料是從CERALLOY 147-31E，147-31N，147-1E或147-1中選取的任一種。
23.如權(quán)利要求1-22中任一所述凸輪接觸裝置，其中該凸輪接觸裝置包括一個用于給該凸輪接觸裝置/凸輪交界面提供潤滑的潤滑系統(tǒng)。
24.將上述權(quán)利要求1-23中任一所述的凸輪接觸裝置用在具有各可變形線凸輪的內(nèi)燃機中。
25.在一種具有各個氣缸，一旋轉(zhuǎn)凸輪軸，各氣閥和在各氣閥和旋轉(zhuǎn)凸輪軸之間形成工作連接的升閥件的內(nèi)燃機中，其改進包括一可變形線凸輪軸和相互之間可以線性移動的各升閥件，其中各升閥件包括一個用于與該旋轉(zhuǎn)凸輪軸形成工作接觸的氮化硅軸承。
26.如權(quán)利要求25所述內(nèi)燃機，其還包括一個具有燃料噴射口的閥座，燃料在該閥座中噴射入各氣缸中。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于內(nèi)燃機，最好是用于具有可變氣閥正時的內(nèi)燃機的，經(jīng)改進的凸輪接觸裝置。特別是，使用包含氮化硅和碳化硅的陶瓷已經(jīng)被證明可以提供各有效的凸輪接觸表面，允許一個具有一可變形線的凸輪且可軸向移動的凸輪軸旋轉(zhuǎn)，最終改善怠速和容積效率。
文檔編號F01L1/18GK1444690SQ01813624
公開日2003年9月24日 申請日期2001年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月8日
發(fā)明者丹尼爾·G·波默利尤, 馬克·沃格赫爾 申請人:絕對零度發(fā)射技術(shù)公司