專利名稱：冠狀輪廓的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種接觸元件，其被設置成可旋轉地安裝至配合部件 并且緊靠配合部件，所述接觸元件包括至少部分冠狀的接觸表面。"可 旋轉地安裝"意味著接觸元件能夠繞著一軸線轉動至少一周的一部分， 因此，其包括可樞轉地安裝的接觸元件。
背景技術：
有時，接觸元件設置有冠狀接觸表面，其中所述接觸元件被設置 成可旋轉地或可樞轉地安裝至配合部件并且緊靠配合部件，以致與配 合部件之間發生滾動接觸或滑動接觸。冠狀接觸表面將壓力均勻地分 配至接觸表面上，防止在接觸表面的端部產生過高的接觸壓力。接觸 表面上接觸壓力的增加加速接觸表面的磨損、劃傷及剝蝕。這樣可能 導致接觸元件與其配合部件之間不穩定的旋轉及滑動，從而縮短了接 觸元件和配合部件的使用壽命，并且對包含所述件的任何系統的性能 及可靠性造成不利影響。
冠狀輪廓還補償接觸元件與其配合部件之間的小量未對準，從而 抑制了由非平行接觸引起的接觸壓力增加。然而，如果由于制造和/或 裝配缺陷導致所述未對準太大，那么采用冠狀接觸表面的優勢將減少 或消失。
球形冠狀輪廓和對數冠狀輪廓是公知的。包括球形冠狀輪廓的接 觸元件在某一點接觸配合部件，大大減少了所述件之間的摩擦，但是 如果這樣的接觸元件過載，即如果在接觸點處的接觸壓力太高，那么 接觸元件可能變形以及損壞。采用對數冠狀輪廓減輕了這樣的問題，
比如US6，390,685公開的對數冠狀輪廓，因為與球形冠狀輪廓相比，對
4數冠狀輪廓增加了接觸元件和配合部件之間的接觸面積，因此，對于 給定的接觸力，減小了作用在接觸元件上的接觸壓力。然而，具有對 數冠狀輪廓的接觸元件難以制造。
發明內容
本發明的目的是提供一種接觸元件，其被設置成相對于配合部件 運動，即滑動或滾動，并且該接觸元件包括在其至少一部分上具有冠 狀輪廓的接觸表面，g卩，如果不是整個接觸表面具有冠狀輪廓，那么 至少某一部分上具有冠狀輪廓，這樣有助于延長接觸元件和配合部件 的使用壽命。
此目的通過具有這樣的冠狀輪廓的接觸元件實現，所述冠狀輪廓 通過函數Y(X)=AXB限定，其中Y是凸起量(crowning quantity)， X 是與接觸元件的接觸表面的中心之間的向外的橫向距離，A和B是實 數并且B大于2，(因為如果B等于2，冠狀輪廓將是球形)。術語"接 觸表面的中心"表示一個這樣的點，即，通過此點的線將二等分該接觸 表面。
與球形冠狀輪廓或對數冠狀輪廓相比，本發明的冠狀輪廓擴大了 接觸元件和配合部件之間的接觸面積，這意味著包括這樣的冠狀輪廓 的接觸元件可以經受更大的接觸力。本發明的冠狀輪廓還有助于在接 觸元件的接觸表面上維持更均勻的接觸壓力分布，其減少了接觸元件 的磨損，因此增加了接觸元件及其配合部件的使用壽命，導致系統具 有更高的可靠性。
根據本發明的一個實施例，B小于20。接觸元件的接觸表面越寬， B越大。
根據本發明的另一個實施例，接觸元件由以下部件中的部分組成:
凸輪從動件、搖臂、推桿、滾輪或滾針軸承，或承受接觸壓力、橫向力或在使用時未對準的任何其他元件，比如被設置成開啟和/或關閉開 關的元件。
根據本發明的一個實施例，接觸元件被設置成在其整個接觸表面 上具有本發明的冠狀輪廓，或者是被設置成只部分地具有冠狀輪廓，
即，其被設置成只在其接觸表面的一個或多個部分上具有冠狀表面。 例如，接觸元件的接觸表面可以被設置成在其中心位置具有基本上平 坦的部分，在其橫向端部處具有本發明的冠狀輪廓。
本發明還涉及一種包括根據本發明的任意一個實施例的接觸元件 的內燃機。
本發明還涉及一種用于為接觸元件的接觸表面的至少一部分確定 最佳冠狀輪廓的方法，所述接觸元件被設置成可旋轉地安裝至配合部 件并且緊靠配合部件，從而與配合部件進入滾動接觸。所述方法包括 如下步驟選擇多個不同的A值和B值，其中B大于2;以及利用所
述A和B的值通過函數Y(X)=AXB限定多個冠狀輪廓。A和B的值可 以通過優化方法確定，例如使用有限元分析。然后，所述方法包括如
下步驟對于給定的接觸力，確定具有各所述冠狀輪廓的接觸元件上 的總接觸壓力或最大接觸壓力；以及選擇出使接觸元件在使用時承受 的總接觸壓力或最大接觸壓力最小的冠狀輪廓。對于球形冠狀輪廓， 例如，可以采用赫茲理論(Hertz's theory)計算接觸壓力和面積，其得 出應力、變形以及形成在兩接觸物體處的接觸面的形狀。赫茲應力 (Hertzian stress)是一個這樣的公式，其將法向力與數個因子相結合， 比如實際接觸表面面積、配合件幾何結構以及拋光表面的彈性模量。 對于具有本發明的冠狀輪廓的接觸元件，赫茲理論不能用于計算精確 的接觸壓力和面積，因為這樣的接觸元件沒有恒定的曲率半徑。然而， 對于具有本發明的冠狀輪廓的接觸元件，赫茲理論可以用于提供近似 的接觸壓力和面積。對于更精確的計算，應當采用有限元分析。根據本發明的一個實施例，除了對于給定的接觸力確定接觸元件 上的總接觸壓力或最大接觸壓力，取而代之的是，確定表征所述總壓 力或最大壓力的參數。例如，因為接觸表面上的某一點處的接觸壓力 取決于冠狀輪廓在該點的曲率半徑(在某點的曲率半徑越大，則接觸 壓力越低)，所以，對于各冠狀輪廓上的多個點，可以確定一個參數， 例如曲率半徑的總和，以便選擇出將使接觸元件在工作時承受的總接 觸壓力或最大接觸壓力最低的冠狀輪廓。根據本發明的一個實施例，B 是小于或等于20的實數。
根據本發明的另一個實施例，通過將所選擇的B值和Ymax'值代 入公式71^'=力5義，"'，其中Xmax表示接觸元件的接觸表面的寬度的 一半，利用所選擇的B值和最大凸起量梯度(gradient)Ymax',即在最大 凸起量Ymax處的冠狀輪廓的導數(derivative)，并且由此計算A值，從 而確定A值的大小。根據本發明的另一個實施例，Ymax'被設定成等于 在制造和/或裝配接觸元件和/或其配合部件時維持規定尺寸的條件下 所允許的最大允許偏差范圍，S卩，接觸元件和配合部件結構的組成部 分的不同標準偏差的總和，其影響接觸元件和/或配合部件的對準。
然而，要使影響接觸元件和/或配合部件位置的每個件都被制造和
/或裝配成使其正好處于最大允許公差范圍內是不太可能的。因此，實
際上，與規定尺寸之間的偏差應當小于每個件的允許的偏差范圍的總
和。相應地，在本發明的另一實施例中，Ymax'被設定成等于在制造和
/或裝配接觸元件和/或其配合部件時維持規定尺寸的條件下的可能的
偏差范圍。根據本發明的另一個實施例，所述在制造和/或裝配接觸元 件和/或其配合部件時維持規定尺寸的條件下所允許的所述最大或可能
的偏差范圍通過經驗來確定，例如，通過查閱廠商目錄確定。
對于特定的應用場合， 一旦已經確定了最佳的冠狀輪廓，那么可 以制造出具有該最佳冠狀輪廓的接觸元件。接觸元件從而設置有平滑 的接觸表面，其補償任何未對準量，或補償預定的接觸元件與其配合部件的允許的未對準量。因此，本發明的冠狀輪廓防止了由于這樣的 未對準所引起的過大的邊緣載荷，這是因為它已適合于考慮到了接觸 元件和配合部件之間的所有的或最可能的傾斜位置的給定的幾何結
構。因此，取決于Ymax'是否被設定成等于在制造和/或裝配接觸元件 和/或其配合部件時維持規定尺寸的條件下的最大或可能的偏差范圍， 按用戶要求制做的冠狀輪廓對制造和/或裝配公差不敏感或敏感性較 低。換句話說，即使在使用之前或在使用期間，具有本發明的輪廓的 接觸元件變得與其配合部件未對準，接觸壓力的增加也將得到抑制， 并且將防止接觸元件和配合部件的接觸表面損壞，因此，維持了包括 所述接觸元件和配合部件的比如內燃機的系統的性能。
本發明還涉及一種計算機程序產品，所述計算機程序產品包含計 算機程序編碼裝置，所述計算機程序編碼裝置被設置成使計算機或處 理器執行存儲在計算機可讀介質或載波上的根據本發明的任意一個實 施例的方法的至少一個步驟。
下面將參照附圖通過非限制性的實例進一步描述本發明，其中
圖1示意性地示出了雙搖臂，比如公開于WO2004/042215中的雙
搖臂，其包括根據本發明一個實施例的接觸元件，
圖2示出了根據本發明的一個實施例的冠狀輪廓，
圖3是比較本發明的冠狀輪廓和兩個根據現有技術的冠狀輪廓的
曲線圖，以及
圖4示意性地示出了根據本發明的一個實施例的接觸元件。
具體實施例方式
圖1示出了 WO2004/042215中公開的搖臂機構，其通過具有凸輪 凸起部11的凸輪軸IO驅動。隨著凸輪軸IO旋轉，凸輪凸起部11驅動 搖臂12，所述搖臂12可旋轉地安裝在軸13上。搖臂12包括第一凸輪 從動件接觸元件，其具體形式為搖臂滾輪15，所述搖臂滾輪15可旋轉地安裝在軸19上，并且包括冠狀接觸表面20，所述冠狀接觸表面20 通常與凸輪凸起部11相互作用以操作氣門，比如內燃機的進氣門或排 氣門，從而開啟及關閉氣門。搖臂還設置有具體形式為指狀元件14的 第二凸輪從動件，其可旋轉地安裝在軸18上，即樞軸上，并且其包括 接觸元件16，所述接觸元件16具有冠狀接觸表面20，所述冠狀接觸 表面20可以被制造成通過利用液壓執行機構17運動至有效位置(如 圖1所示)而與凸輪凸起部11相互作用。
接觸元件16和滾輪15根據本發明而設計，并且其可以由鋼、例 如氮化硅的陶瓷或任何其他適當的材料制成，或鍍有前述材料。接觸 元件16和滾柱15的冠狀接觸表面20減小了凸輪軸IO和搖臂12之間 的壓力以及凸輪軸IO和搖臂從動件14之間的壓力。這樣減少了接觸 元件16以及滾柱15與凸輪凸起部11的接觸表面的磨損，因此增加這 些件的使用壽命。已經發現，在與配合部件平行接觸時，與球形冠狀 輪廓相比，具有本發明的冠狀輪廓的接觸元件使接觸元件的接觸表面 上的接觸壓力減小30%。
為了確保接觸元件15、 16和凸輪凸起部11之間的良好的對準，
搖臂12和搖臂從動件14必須被制造并裝配至規定尺寸。例如，第一
孔必須垂直于搖臂從動件14的表面來鉆削，以便將搖臂從動件安裝至
軸18上；第二孔必須垂直于搖臂12的表面來鉆削，以便將搖臂12安
裝至軸13上，等等。如果這些孔中的各孔與其理想位置之間的允許標
準差分別是。i和0 2，那么，Ymax，(最大凸起梯度)被設定成等于這
些孔的標準差與制造和/或裝配影響接觸元件15、 16和凸輪凸起部11
的對準的所有其他件的標準差的總和，即Ymax'被設定成等于 <formula>formula see original document page 9</formula>可選地，Ymax'被設定成等于制造和/或裝配影響接觸元
件16和凸輪凸起部11的對準的所有件的二次平均值或RMS值(均方 根)。通過計算單個標準差的二次方的平均值的平方根確定RMS值，圖2示出了本發明的冠狀輪廓22，其中X是與接觸元件20的接 觸表面的中心0之間的距離(毫米)。Y是凸起量(毫米)。Xmax對應 于接觸表面的寬度的一半，即Xmax限定了接觸表面上的一個端點。通 過函數Y(XhAXB定義冠狀輪廓22，其中A和B是實數并且B大于2。 如果在工作過程中承受橫向力或由于制造和/或裝配缺陷承受橫向力， 那么具有這樣的冠狀輪廓的接觸元件可能不在其中心點o接觸其配合
部件。接觸元件與其配合部件之間的接觸區域與接觸元件的中心點0 越近，則接觸壓力越低，這是因為在冠狀輪廓中心點0處冠狀輪廓22 的曲率半徑最大。
圖3是示出了本發明的冠狀輪廓22、球形冠狀輪廓24和對數冠 狀輪廓26的曲線圖。對于球形冠狀輪廓24來說，在接觸元件的大部 分接觸表面上，凸起量很大，因此，接觸元件與其配合部件之間的凈 接觸面積很小。由此導致在接觸區域處接觸壓力增加，因此，加速了 接觸元件與其配合部件的磨損。對數冠狀輪廓26減輕了這一問題，但 是，其對制造和/或裝配公差的影響較為敏感。與已知的冠狀輪廓相比， 本發明的冠狀輪廓22具有更平坦的中心部，其減少了接觸表面的中心 部上的接觸壓力。本發明的冠狀輪廓逐漸地減少接觸表面的兩端部處 的接觸壓力，并且較不易受制造和裝配公差的影響，這是因為在確定 冠狀輪廓22時考慮到了制造和裝配公差。
圖4示意性地描繪了搖臂滾輪15，所述搖臂滾輪15包括用于軸 19的孔28。滾柱15的接觸表面具有由函數Y(X一AXB限定的冠狀輪 廓22。
實例
為了為具有寬度為2X^x的接觸表面的接觸元件16計算最佳冠狀 輪廓22，從2 — 20中選擇出多個B值。確定在制造和/或裝配接觸元件 時維持規定尺寸的條件下所允許的最大允許的偏差范圍Ymax'，下面 的公式用于相對于各B值確定A值。<formula>formula see original document page 11</formula>對于各組A值和B值，可以隨后使用下列函數限定冠狀輪廓
Y=AXB
然后，利用赫茲理論估算在具有這樣的冠狀輪廓的接觸表面上產 生的總接觸壓力或最大接觸壓力，或者采用有限元分析計算所述總接 觸壓力或最大接觸壓力。
然后，挑選出導致在接觸元件的接觸表面上產生的總接觸壓力或 最大接觸壓力最低的冠狀輪廓，作為用于接觸元件的最佳冠狀輪廓， 其中，所述接觸元件用于具體的應用場合。
對于本領域普通技術人員來說，在權利要求的范圍內對本發明進 行進一步的修改將是顯而易見的。需要指出的是，接觸元件可以包括 多個接觸表面，為此，各接觸表面被設置成接觸相應的配合表面或配 合部件。
權利要求
1. 接觸元件(15，16)，其被設置成相對于配合部件(11)運動，即滑動或滾動，并且該接觸元件包括在其至少一部分上具有冠狀輪廓(22)的接觸表面，其特征在于冠狀輪廓(22)通過函數Y(X)＝AXB限定，其中Y是凸起量，X是與接觸元件(16)的接觸表面的中心之間的距離，A和B是實數并且B大于2。
2. 根據權利要求1所述的接觸元件(15， 16)，其特征在于B 小于或等于20。
3. 根據權利要求1或2所述的接觸元件(15， 16)，其特征在于 它由下列部件中的部分組成凸輪從動件(14)、搖臂(12)、推桿或 在使用時承受接觸壓力的任何其他件。
4. 根據上述權利要求中任何一項所述的接觸元件(16)，其特征 在于它被設置成在其接觸表面(20)的橫向端部處具有所述冠狀輪 廓(22)。
5. 內燃機，其特征在于它包括根據權利要求l一4中任何一項 所述的接觸元件(15， 16)。
6. 用于為接觸元件(16)的接觸表面中至少一部分確定冠狀輪廓 (22)的方法，其中所述接觸元件(16)被設置成可旋轉地安裝至配合部件(11)并緊靠配合部件(11)，從而與配合部件進入滾動接觸， 所述方法的特征在于它包括下列步驟a) 選擇多個不同的A值和B值，其中B大于2，b) 使用所述A和B的值利用函數Y(X)=AXB限定多個冠狀輪廓 (22)，c) 確定對于給定的接觸力的具有各所述冠狀輪廓(22)的接觸元件(16)上的總接觸壓力或最大接觸壓力，或者確定表征它們的參數， 以及d)選擇將使所述接觸元件(16)承受的總接觸壓力或最大接觸壓 力最低的冠狀輪廓。
7. 根據權利要求6所述的方法，其特征在于B小于或等于20。
8. 根據權利要求6或7所述的方法，其特征在于方法步驟a)包 括下列步驟-選擇多個B值，以及-對于各B值使用公式Y隨^ABX蘭b"1確定A值，其中X醒表示 接觸元件(16)的接觸表面的寬度的一半，Y^x'表示最大冠狀輪廓梯度。
9. 根據權利要求8所述的方法，其特征在于YmJ被設定成等于 在制造和/或裝配接觸元件(16)時維持規定尺寸的條件下所允許的最 大允許偏差范圍。
10. 根據權利要求8所述的方法，其特征在于YmJ被設定成等 于在制造和/或裝配接觸元件(16)時維持規定尺寸的條件下的可能的 偏差范圍。
11. 一種計算機程序產品，其特征在于其包括包含計算機程序 的計算機程序編碼裝置，所述計算機程序編碼裝置被設置成使計算機 或處理器執行存儲在計算機可讀介質或載波上的根據權利要求6—10 中任何一項所述的方法中的至少一個步驟。
全文摘要
一種接觸元件(16)，其被設置成相對于配合部件(11)運動，即滑動或滾動，并且，該接觸元件包括位于其至少一部分上的具有冠狀輪廓(22)的接觸表面。冠狀輪廓(22)由函數Y(X)＝AX<sup>B</sup>限定，其中Y是凸起量，X是與接觸元件(16)的接觸表面的中心之間的距離，A和B是實數并且B大于2。
文檔編號F01L1/18GK101305165SQ200580051999
公開日2008年11月12日 申請日期2005年11月3日 優先權日2005年11月3日
發明者馬格納斯·古斯塔夫松 申請人:沃爾沃拉斯特瓦格納公司