本發(fā)明涉及一種壓縮殘余應(yīng)力能力改進(jìn)的滑動(dòng)凸輪軸。

背景技術(shù)：

車輛通常包括具有旋轉(zhuǎn)凸輪軸和閥的發(fā)動(dòng)機(jī)。凸輪軸經(jīng)由凸輪從動(dòng)件打開和關(guān)閉閥，凸輪從動(dòng)件跟隨在旋轉(zhuǎn)凸輪軸上的凸輪凸角。凸輪軸可以是具有花鍵聯(lián)接至內(nèi)軸的外滑動(dòng)軸的滑動(dòng)凸輪軸。滑動(dòng)凸輪軸使得凸輪凸角能夠通過相對(duì)于內(nèi)軸滑動(dòng)外軸來變?yōu)榭商娲馆喭菇?，以便將可替代凸輪凸角呈現(xiàn)至凸輪從動(dòng)件。一個(gè)或者多個(gè)可替代凸輪凸角可以包括在滑動(dòng)凸輪軸上以使得能夠修改發(fā)動(dòng)機(jī)功率、效率和/或其它發(fā)動(dòng)機(jī)性能特征。

外軸的內(nèi)外表面均必須進(jìn)行硬化以便實(shí)現(xiàn)耐磨損。此外，在外軸的外部中的壓縮殘余應(yīng)力使得滑動(dòng)凸輪軸能夠在更高的負(fù)載條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，這可以改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能。由于外軸具有較薄的壁，因此，常規(guī)的熱處理工藝導(dǎo)致整個(gè)外軸發(fā)生硬化，使得在外軸的外部中保留很少或者沒有針對(duì)壓縮殘余應(yīng)力的能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本文公開了一種外軸、一種滑動(dòng)凸輪軸以及一種方法。外軸具有外表面，該外表面可承受磨損和負(fù)載；以及內(nèi)表面，該內(nèi)表面可承受磨損并且配置有用于傳遞來自外花鍵聯(lián)接內(nèi)軸的轉(zhuǎn)矩且在該外花鍵聯(lián)接內(nèi)軸上軸向地滑動(dòng)的內(nèi)花鍵。外軸包括內(nèi)表面上用于實(shí)現(xiàn)耐磨損的涂層以及外部，該外部進(jìn)行表層硬化以實(shí)現(xiàn)外表面的耐磨損并且在外部中形成壓縮殘余應(yīng)力以實(shí)現(xiàn)負(fù)載承載能力。外軸可以包括未通過熱處理進(jìn)行硬化的內(nèi)部。

滑動(dòng)凸輪軸用于移動(dòng)至多個(gè)可選擇凸輪凸角中的所選擇的一個(gè)凸輪凸角并且包括內(nèi)軸和外軸。內(nèi)軸配置有外花鍵。外軸具有內(nèi)表面、外表面、涂層和外部。內(nèi)表面可承受磨損并且配置有用于傳遞來自內(nèi)軸的外花鍵的轉(zhuǎn)矩并且在內(nèi)軸的外花鍵上軸向地滑動(dòng)的內(nèi)花鍵。外表面可承受磨損和負(fù)載并且配置有多個(gè)可選擇的凸輪凸角。內(nèi)表面上的涂層用于實(shí)現(xiàn)耐磨損。外部進(jìn)行表層硬化以實(shí)現(xiàn)外表面的耐磨損并且在外部中形成壓縮殘余應(yīng)力能力以實(shí)現(xiàn)負(fù)載承載能力。外軸可以包括未通過熱處理進(jìn)行硬化的內(nèi)部。

該方法用于對(duì)中空凸輪軸的內(nèi)外表面進(jìn)行處理以便改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。該方法包括對(duì)凸輪軸的外部進(jìn)行充分地表層硬化以在保留凸輪軸的核心部分充分柔軟的同時(shí)提供外表面耐磨損，從而在外部中形成壓縮殘余應(yīng)力來提供負(fù)載承載能力；以及充分地涂覆凸輪軸的內(nèi)表面以提供內(nèi)表面耐磨損。

外軸、滑動(dòng)凸輪軸和方法在內(nèi)外表面上提供耐磨損并且在外軸的外部中提供壓縮殘余應(yīng)力。這樣做可以實(shí)現(xiàn)在更高負(fù)載下的運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而可以改進(jìn)性能。本發(fā)明適用于包括滑動(dòng)凸輪軸的或者包括具有花鍵聯(lián)接至內(nèi)軸的滑動(dòng)外軸的任何類似旋轉(zhuǎn)軸的任何機(jī)器或制造品。

上述特征和優(yōu)點(diǎn)以及本教導(dǎo)的其它特征和優(yōu)點(diǎn)從以下結(jié)合附圖對(duì)執(zhí)行本教導(dǎo)的最佳方式進(jìn)行的詳細(xì)描述中容易顯而易見。

附圖說明

圖1是車輛的示意性平面圖，該車輛具有發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括具有外軸的滑動(dòng)凸輪軸，該外軸具有在內(nèi)表面上的用于實(shí)現(xiàn)耐磨損的涂層以及進(jìn)行表層硬化以實(shí)現(xiàn)耐磨損和負(fù)載承載能力這兩者的外部。

圖2是圖1的滑動(dòng)凸輪軸的示意性透視圖，其示出了更多細(xì)節(jié)并且包括若干附加的發(fā)動(dòng)機(jī)部件。

圖3是在圖2的線3-3處截取的部分以立面示出的圖2的滑動(dòng)凸輪軸的部分示意性截面圖。

圖4是在線3-3處截取的圖2的滑動(dòng)凸輪軸的示意性截面透視圖，其僅僅示出了滑動(dòng)凸輪軸的外軸，為了清楚起見移除了所有其它零件。

圖5是用于對(duì)中空凸輪軸的內(nèi)外表面進(jìn)行處理以便改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命的方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

參照附圖，其中相同的附圖標(biāo)記在整個(gè)附圖中指代相同的部件，圖1示出了包括發(fā)動(dòng)機(jī)12和車輪14的車輛10。車輪14可操作地連接至發(fā)動(dòng)機(jī)12以向車輛10提供動(dòng)力。發(fā)動(dòng)機(jī)12包括滑動(dòng)凸輪軸20，如圖2中最佳可見。

現(xiàn)在參照?qǐng)D2至圖4，滑動(dòng)凸輪軸20用于移動(dòng)至一個(gè)或者多個(gè)可選擇凸輪凸角36A、36B、36C中所選擇的一個(gè)凸輪凸角。滑動(dòng)凸輪軸20包括內(nèi)軸22和外軸24?；瑒?dòng)凸輪軸20可以包括多個(gè)外軸24，如圖所示。內(nèi)軸22具有外花鍵26。外軸24具有內(nèi)表面28，內(nèi)表面28配置有用于傳送來自內(nèi)軸22的外花鍵26的轉(zhuǎn)矩(箭頭T)并且用于在內(nèi)軸22的外花鍵26上軸向地滑動(dòng)(軸線箭頭A)的內(nèi)花鍵。內(nèi)表面28可承受在內(nèi)花鍵30與外花鍵26之間的第一接口32處的磨損。

外軸24具有外表面34。外表面34配置有一個(gè)或多個(gè)可選擇凸輪凸角36A、36B、36C，這些凸輪凸角具有相應(yīng)的凸輪輪廓38A、38B、38C并且相對(duì)于內(nèi)軸22對(duì)應(yīng)于外軸24的相應(yīng)軸向位置40A、40B、40C。所選擇的凸輪凸角(在圖2和圖3中示出為36A)及其相應(yīng)的凸輪輪廓(在圖2和圖3中示出為38A)通過將外軸24定位在相應(yīng)軸向位置(在圖2和圖3中示出為40A)處而被選擇。

發(fā)動(dòng)機(jī)12包括閥42和凸輪從動(dòng)件機(jī)構(gòu)44，凸輪從動(dòng)件機(jī)構(gòu)44將閥42連接至所選擇的凸輪凸角(在圖2和圖3中示出為36A)，以便根據(jù)相應(yīng)的凸輪輪廓(在圖2和圖3中示出為38A)打開和關(guān)閉閥42。凸輪從動(dòng)件機(jī)構(gòu)44可以為輥式指狀從動(dòng)件，如圖所示且如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的那樣，或者可以為任何其它合適的凸輪從動(dòng)件機(jī)構(gòu)。凸輪從動(dòng)件機(jī)構(gòu)44 包括凸輪從動(dòng)件46。凸輪從動(dòng)件46可以為輥?zhàn)?如圖所示)或可以為任何其它類型的凸輪從動(dòng)件。閥彈簧48可以連接至閥42并且可以對(duì)閥42進(jìn)行偏置以將閥42朝著發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸(未示出)中的關(guān)閉位置(未示出)且朝著所選擇的凸輪凸角(示出為36A)推進(jìn)。外軸24的外表面34可承受凸輪凸角36A、36B、36C與凸輪從動(dòng)件46之間的第二接口50處的磨損和閥負(fù)載(箭頭FV)。

外軸24的外表面34可進(jìn)一步配置有移動(dòng)特征件52，其用于將外軸24軸向地(軸線箭頭A)相對(duì)于內(nèi)軸22移動(dòng)至相應(yīng)的軸向位置40A、40B、40C，該軸向位置對(duì)應(yīng)于多個(gè)可選擇的凸輪凸角36A、36B、36C中的所選擇的那一個(gè)。移動(dòng)特征件52可以為形成在外軸24的外表面34上的凹槽(如圖所示)。移動(dòng)特征件52可以為筒形凸輪、雙S凹槽或任何其它合適的移動(dòng)特征件。

發(fā)動(dòng)機(jī)12可以包括移動(dòng)致動(dòng)器54和連接至致動(dòng)器54的致動(dòng)器銷56。致動(dòng)器銷56可以為圓柱形(如圖所示)或可以為任何其它合適的形狀。當(dāng)處于致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，移動(dòng)致動(dòng)器54可以移動(dòng)致動(dòng)器銷56使其與移動(dòng)特征件52接觸，并且當(dāng)處于未致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，移動(dòng)致動(dòng)器54可以收回致動(dòng)器銷56使其與移動(dòng)特征件52脫離接觸。當(dāng)移動(dòng)致動(dòng)器54處于致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，致動(dòng)器銷56可以與移動(dòng)特征件52相配合以將外軸24軸向地(軸線箭頭A)移動(dòng)至相應(yīng)的軸向位置40A、40B、40C，該軸向位置對(duì)應(yīng)于多個(gè)可選擇的凸輪凸角36A、36B、36C中的所選擇的那一個(gè)。如圖所示，可以有一個(gè)以上的移動(dòng)特征件52和一個(gè)以上的致動(dòng)器銷56。外軸24的外表面34可承受移動(dòng)特征件52與致動(dòng)器銷56之間的第三接口58處的磨損和致動(dòng)器負(fù)載(箭頭FA)。

外軸24的內(nèi)表面28可以配置有定位特征件74，其用于將外軸24相對(duì)于內(nèi)軸22暫時(shí)定位在相應(yīng)的軸向位置40A、40B、40C處，該軸向位置對(duì)應(yīng)于多個(gè)可選擇的凸輪凸角36A、36B、36C中的所選擇的那一個(gè)。外軸24的內(nèi)表面28可以配置有用于減小外軸24的質(zhì)量的輕量化特征件78。

滑動(dòng)凸輪軸20可以包括棘爪機(jī)構(gòu)60，其包括偏置裝置70和棘爪球72。偏置裝置70可以設(shè)置在內(nèi)軸22內(nèi)，并且可以為螺旋彈簧(如圖所示) 或任何其它合適的偏置裝置。棘爪球72可以設(shè)置在偏置裝置70、內(nèi)軸22與外軸24之間。偏置裝置70在棘爪球72上施加徑向向外的偏置力(箭頭B)。定位特征件74可以為形成在外軸24的內(nèi)表面28上的圓周棘爪凹槽，如圖所示。定位特征件可以配置成通過接合棘爪機(jī)構(gòu)60的棘爪球72而將外軸24相對(duì)于內(nèi)軸22暫時(shí)定位在相應(yīng)的軸向位置40A、40B、40C處。外軸24的內(nèi)表面28可承受定位特征件74與棘爪球72之間的第四接口76處的磨損。

外軸24包括內(nèi)表面28上用于實(shí)現(xiàn)耐磨損的涂層80。涂層80可為二硫化鎢涂層、金剛石類涂層、鐵素體氮碳共滲涂層或者任何其它用于改善內(nèi)表面28的耐磨性的合適涂層。涂層80改善了內(nèi)花鍵30與外花鍵26之間的第一接口32處的外軸24的內(nèi)表面28的耐磨性。涂層80可以改善定位特征件74與棘爪球72之間的第四接口76處的外軸24的內(nèi)表面28的耐磨性。

現(xiàn)參照?qǐng)D4，外軸24的外部82進(jìn)行表層硬化或表面硬化以實(shí)現(xiàn)外表面34的耐磨損并且在外部82中形成壓縮殘余應(yīng)力以實(shí)現(xiàn)負(fù)載承載能力。外部82從外表面34延伸到邊界83。表層硬化或表面硬化是定義為將金屬物體的表面硬化，同時(shí)還允許其更底層的金屬保持柔軟，由此在表面處形成一層較硬的金屬(稱為“表層”)。整個(gè)外部82可以進(jìn)行表層硬化。替代地，只有外部82的選定部分可以進(jìn)行表層硬化。外軸24可以具有并未通過熱處理進(jìn)行硬化和/或比外部82更柔軟或硬度不及外部82的核心或內(nèi)部84。核心或內(nèi)部84可以從內(nèi)表面28延伸到邊界83。外軸24的外部82可以經(jīng)由激光熱處理、經(jīng)由感應(yīng)熱處理或經(jīng)由任何其他合適的熱學(xué)或機(jī)械表層硬化或表面硬化過程而進(jìn)行表層硬化。

外軸24的已進(jìn)行表層硬化的外部82改進(jìn)了凸輪凸角36A、36B、36C與凸輪從動(dòng)件46之間的第二接口50處的外軸24的外表面34的耐磨性，并且改進(jìn)了滑動(dòng)凸輪軸20的負(fù)載承載能力。外軸24的已進(jìn)行表層硬化的外部82還可以改進(jìn)移動(dòng)特征件52與致動(dòng)器銷56之間的第三接口58處的外軸24的外表面34的耐磨性。

現(xiàn)參照?qǐng)D5，示出了處理滑動(dòng)凸輪軸20的中空外軸24的內(nèi)表面28和 外表面34以改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)12的壽命的方法100。方法100包括對(duì)中空外軸24的外部82充分地進(jìn)行表層硬化102以提供外表面耐磨損，同時(shí)使中空外軸24的核心或內(nèi)部84保持足夠柔軟以在外部82中形成壓縮殘余應(yīng)力，進(jìn)而提供負(fù)載承載能力。方法100包括充分地涂覆104中空外軸24的內(nèi)表面28以提供內(nèi)表面耐磨損。

對(duì)外部82進(jìn)行表層硬化102可以包括經(jīng)由激光熱處理和感應(yīng)熱處理中的一種而進(jìn)行的表層硬化。涂覆104內(nèi)表面28可以包括用二硫化鎢涂層、金剛石類涂層和鐵素體氮碳共滲涂層材料中的一種進(jìn)行的涂覆?？梢允褂萌魏纹渌线m的涂層材料。

外表面耐磨損可以在凸輪凸角處提供針對(duì)凸輪從動(dòng)件或第二接口50的耐磨損以及在移動(dòng)特征件處提供針對(duì)致動(dòng)器銷或第三接口58的耐磨損。負(fù)載承載能力可以提供凸輪軸20承載發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載(包括閥門負(fù)載FV和致動(dòng)器銷負(fù)載FA)的能力。內(nèi)表面耐磨損可以在內(nèi)花鍵30處提供針對(duì)外花鍵26或第一接口32的耐磨損以及在定位特征件處提供針對(duì)棘爪球或第四接口76的耐磨損。

雖然已詳細(xì)地描述了用于實(shí)行本教導(dǎo)的許多方面的最佳模式，但是，熟悉這些教導(dǎo)所涉及的領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到用于實(shí)踐在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的本教導(dǎo)的各種替代方面。