CN101305165B - 冠状轮廓 - Google Patents

Abstract

一种接触元件(16)，其被设置成相对于配合部件(11)运动，即滑动或滚动，并且，该接触元件包括位于其至少一部分上的具有冠状轮廓(22)的接触表面。冠状轮廓(22)由函数Y(X)＝AX^B限定，其中Y是凸起量，X是与接触元件(16)的接触表面的中心之间的距离，A和B是实数并且B大于2。

Description

冠状轮廓

技术领域

本发明涉及一种接触元件，其被设置成可旋转地安装至配合部件并且紧靠配合部件，所述接触元件包括至少部分冠状的接触表面。″可旋转地安装″意味着接触元件能够绕着一轴线转动至少一周的一部分，因此，其包括可枢转地安装的接触元件。

背景技术

有时，接触元件设置有冠状接触表面，其中所述接触元件被设置成可旋转地或可枢转地安装至配合部件并且紧靠配合部件，以致与配合部件之间发生滚动接触或滑动接触。冠状接触表面将压力均匀地分配至接触表面上，防止在接触表面的端部产生过高的接触压力。接触表面上接触压力的增加加速接触表面的磨损、划伤及剥蚀。这样可能导致接触元件与其配合部件之间不稳定的旋转及滑动，从而缩短了接触元件和配合部件的使用寿命，并且对包含所述件的任何系统的性能及可靠性造成不利影响。

冠状轮廓还补偿接触元件与其配合部件之间的小量未对准，从而抑制了由非平行接触引起的接触压力增加。然而，如果由于制造和/或装配缺陷导致所述未对准太大，那么采用冠状接触表面的优势将减少或消失。

球形冠状轮廓和对数冠状轮廓是公知的。包括球形冠状轮廓的接触元件在某一点接触配合部件，大大减少了所述件之间的摩擦，但是如果这样的接触元件过载，即如果在接触点处的接触压力太高，那么接触元件可能变形以及损坏。采用对数冠状轮廓减轻了这样的问题，比如US6,390,685公开的对数冠状轮廓，因为与球形冠状轮廓相比，对数冠状轮廓增加了接触元件和配合部件之间的接触面积，因此，对于给定的接触力，减小了作用在接触元件上的接触压力。然而，具有对数冠状轮廓的接触元件难以制造。

发明内容

本发明的目的是提供一种接触元件，其被设置成相对于配合部件运动，即滑动或滚动，并且该接触元件包括在其至少一部分上具有冠状轮廓的接触表面，即，如果不是整个接触表面具有冠状轮廓，那么至少某一部分上具有冠状轮廓，这样有助于延长接触元件和配合部件的使用寿命。

此目的通过具有这样的冠状轮廓的接触元件实现，所述冠状轮廓通过函数Y(X)＝AX^B限定，其中Y是凸起量(crowning quantity)，X是与接触元件的接触表面的中心之间的向外的横向距离，A和B是实数并且B大于2，(因为如果B等于2，冠状轮廓将是球形)。术语″接触表面的中心″表示一个这样的点，即，通过此点的线将二等分该接触表面。

与球形冠状轮廓或对数冠状轮廓相比，本发明的冠状轮廓扩大了接触元件和配合部件之间的接触面积，这意味着包括这样的冠状轮廓的接触元件可以经受更大的接触力。本发明的冠状轮廓还有助于在接触元件的接触表面上维持更均匀的接触压力分布，其减少了接触元件的磨损，因此增加了接触元件及其配合部件的使用寿命，导致系统具有更高的可靠性。

根据本发明的一个实施例，B小于20。接触元件的接触表面越宽，B越大。

根据本发明的另一个实施例，接触元件由以下部件中的部分组成：凸轮从动件、摇臂、推杆、滚轮或滚针轴承，或承受接触压力、横向力或在使用时未对准的任何其他元件，比如被设置成开启和/或关闭开关的元件。

根据本发明的一个实施例，接触元件被设置成在其整个接触表面上具有本发明的冠状轮廓，或者是被设置成只部分地具有冠状轮廓，即，其被设置成只在其接触表面的一个或多个部分上具有冠状表面。例如，接触元件的接触表面可以被设置成在其中心位置具有基本上平坦的部分，在其横向端部处具有本发明的冠状轮廓。

本发明还涉及一种包括根据本发明的任意一个实施例的接触元件的内燃机。

本发明还涉及一种用于为接触元件的接触表面的至少一部分确定最佳冠状轮廓的方法，所述接触元件被设置成可旋转地安装至配合部件并且紧靠配合部件，从而与配合部件进入滚动接触。所述方法包括如下步骤：选择多个不同的A值和B值，其中B大于2；以及利用所述A和B的值通过函数Y(X)＝AX^B限定多个冠状轮廓。A和B的值可以通过优化方法确定，例如使用有限元分析。然后，所述方法包括如下步骤：对于给定的接触力，确定具有各所述冠状轮廓的接触元件上的总接触压力或最大接触压力；以及选择出使接触元件在使用时承受的总接触压力或最大接触压力最小的冠状轮廓。对于球形冠状轮廓，例如，可以采用赫兹理论(Hertz’s theory)计算接触压力和面积，其得出应力、变形以及形成在两接触物体处的接触面的形状。赫兹应力(Hertzian stress)是一个这样的公式，其将法向力与数个因子相结合，比如实际接触表面面积、配合件几何结构以及抛光表面的弹性模量。对于具有本发明的冠状轮廓的接触元件，赫兹理论不能用于计算精确的接触压力和面积，因为这样的接触元件没有恒定的曲率半径。然而，对于具有本发明的冠状轮廓的接触元件，赫兹理论可以用于提供近似的接触压力和面积。对于更精确的计算，应当采用有限元分析。

根据本发明的一个实施例，除了对于给定的接触力确定接触元件上的总接触压力或最大接触压力，取而代之的是，确定表征所述总压力或最大压力的参数。例如，因为接触表面上的某一点处的接触压力取决于冠状轮廓在该点的曲率半径(在某点的曲率半径越大，则接触压力越低)，所以，对于各冠状轮廓上的多个点，可以确定一个参数，例如曲率半径的总和，以便选择出将使接触元件在工作时承受的总接触压力或最大接触压力最低的冠状轮廓。根据本发明的一个实施例，B是小于或等于20的实数。

根据本发明的另一个实施例，通过将所选择的B值和Ymax′值代入公式Y_max′＝ABX_max ^B-1，其中Xmax表示接触元件的接触表面的宽度的一半，利用所选择的B值和最大凸起量梯度(gradient)Ymax′，即在最大凸起量Ymax处的冠状轮廓的导数(derivative)，并且由此计算A值，从而确定A值的大小。根据本发明的另一个实施例，Ymax′被设定成等于在制造和/或装配接触元件和/或其配合部件时维持规定尺寸的条件下所允许的最大允许偏差范围，即，接触元件和配合部件结构的组成部分的不同标准偏差的总和，其影响接触元件和/或配合部件的对准。

然而，要使影响接触元件和/或配合部件位置的每个件都被制造和/或装配成使其正好处于最大允许公差范围内是不太可能的。因此，实际上，与规定尺寸之间的偏差应当小于每个件的允许的偏差范围的总和。相应地，在本发明的另一实施例中，Ymax′被设定成等于在制造和/或装配接触元件和/或其配合部件时维持规定尺寸的条件下的可能的偏差范围。根据本发明的另一个实施例，所述在制造和/或装配接触元件和/或其配合部件时维持规定尺寸的条件下所允许的所述最大或可能的偏差范围通过经验来确定，例如，通过查阅厂商目录确定。

对于特定的应用场合，一旦已经确定了最佳的冠状轮廓，那么可以制造出具有该最佳冠状轮廓的接触元件。接触元件从而设置有平滑的接触表面，其补偿任何未对准量，或补偿预定的接触元件与其配合部件的允许的未对准量。因此，本发明的冠状轮廓防止了由于这样的未对准所引起的过大的边缘载荷，这是因为它已适合于考虑到了接触元件和配合部件之间的所有的或最可能的倾斜位置的给定的几何结构。因此，取决于Ymax′是否被设定成等于在制造和/或装配接触元件和/或其配合部件时维持规定尺寸的条件下的最大或可能的偏差范围，按用户要求制做的冠状轮廓对制造和/或装配公差不敏感或敏感性较低。换句话说，即使在使用之前或在使用期间，具有本发明的轮廓的接触元件变得与其配合部件未对准，接触压力的增加也将得到抑制，并且将防止接触元件和配合部件的接触表面损坏，因此，维持了包括所述接触元件和配合部件的比如内燃机的系统的性能。

本发明还涉及一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包含计算机程序编码装置，所述计算机程序编码装置被设置成使计算机或处理器执行存储在计算机可读介质或载波上的根据本发明的任意一个实施例的方法的至少一个步骤。

附图说明

下面将参照附图通过非限制性的实例进一步描述本发明，其中：

图1示意性地示出了双摇臂，比如公开于WO2004/042215中的双摇臂，其包括根据本发明一个实施例的接触元件，

图2示出了根据本发明的一个实施例的冠状轮廓，

图3是比较本发明的冠状轮廓和两个根据现有技术的冠状轮廓的曲线图，以及

图4示意性地示出了根据本发明的一个实施例的接触元件。

具体实施方式

图1示出了WO2004/042215中公开的摇臂机构，其通过具有凸轮凸起部11的凸轮轴10驱动。随着凸轮轴10旋转，凸轮凸起部11驱动摇臂12，所述摇臂12可旋转地安装在轴13上。摇臂12包括第一凸轮从动件接触元件，其具体形式为摇臂滚轮15，所述摇臂滚轮15可旋转地安装在轴19上，并且包括冠状接触表面20，所述冠状接触表面20通常与凸轮凸起部11相互作用以操作气门，比如内燃机的进气门或排气门，从而开启及关闭气门。摇臂还设置有具体形式为指状元件14的第二凸轮从动件，其可旋转地安装在轴18上，即枢轴上，并且其包括接触元件16，所述接触元件16具有冠状接触表面20，所述冠状接触表面20可以被制造成通过利用液压执行机构17运动至有效位置(如图1所示)而与凸轮凸起部11相互作用。

接触元件16和滚轮15根据本发明而设计，并且其可以由钢、例如氮化硅的陶瓷或任何其他适当的材料制成，或镀有前述材料。接触元件16和滚柱15的冠状接触表面20减小了凸轮轴10和摇臂12之间的压力以及凸轮轴10和摇臂从动件14之间的压力。这样减少了接触元件16以及滚柱15与凸轮凸起部11的接触表面的磨损，因此增加这些件的使用寿命。已经发现，在与配合部件平行接触时，与球形冠状轮廓相比，具有本发明的冠状轮廓的接触元件使接触元件的接触表面上的接触压力减小30％。

为了确保接触元件15、16和凸轮凸起部11之问的良好的对准，摇臂12和摇臂从动件14必须被制造并装配至规定尺寸。例如，第一孔必须垂直于摇臂从动件14的表面来钻削，以便将摇臂从动件安装至轴18上；第二孔必须垂直于摇臂12的表面来钻削，以便将摇臂12安装至轴13上，等等。如果这些孔中的各孔与其理想位置之间的允许标准差分别是σ₁和σ₂，那么，Ymax’(最大凸起梯度)被设定成等于这些孔的标准差与制造和/或装配影响接触元件15、16和凸轮凸起部11的对准的所有其他件的标准差的总和，即Ymax′被设定成等于∑σ₁+σ₂+…。可选地，Ymax′被设定成等于制造和/或装配影响接触元件16和凸轮凸起部11的对准的所有件的二次平均值或RMS值(均方根)。通过计算单个标准差的二次方的平均值的平方根确定RMS值，即Ymax’被设定成等于 $\sqrt{\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_1}^2+{{\mathrm{\σ}}_2}^2+...}.$

图2示出了本发明的冠状轮廓22，其中X是与接触元件20的接触表面的中心0之间的距离(毫米)。Y是凸起量(毫米)。Xmax对应于接触表面的宽度的一半，即Xmax限定了接触表面上的一个端点。通过函数Y(X)＝AX^B定义冠状轮廓22，其中A和B是实数并且B大于2。如果在工作过程中承受横向力或由于制造和/或装配缺陷承受横向力，那么具有这样的冠状轮廓的接触元件可能不在其中心点0接触其配合部件。接触元件与其配合部件之间的接触区域与接触元件的中心点0越近，则接触压力越低，这是因为在冠状轮廓中心点0处冠状轮廓22的曲率半径最大。

图3是示出了本发明的冠状轮廓22、球形冠状轮廓24和对数冠状轮廓26的曲线图。对于球形冠状轮廓24来说，在接触元件的大部分接触表面上，凸起量很大，因此，接触元件与其配合部件之间的净接触面积很小。由此导致在接触区域处接触压力增加，因此，加速了接触元件与其配合部件的磨损。对数冠状轮廓26减轻了这一问题，但是，其对制造和/或装配公差的影响较为敏感。与已知的冠状轮廓相比，本发明的冠状轮廓22具有更平坦的中心部，其减少了接触表面的中心部上的接触压力。本发明的冠状轮廓逐渐地减少接触表面的两端部处的接触压力，并且较不易受制造和装配公差的影响，这是因为在确定冠状轮廓22时考虑到了制造和装配公差。

图4示意性地描绘了摇臂滚轮15，所述摇臂滚轮15包括用于轴19的孔28。滚柱15的接触表面具有由函数Y(X)＝AX^B限定的冠状轮廓22。

实例

为了为具有宽度为2X_max的接触表面的接触元件16计算最佳冠状轮廓22，从2-20中选择出多个B值。确定在制造和/或装配接触元件时维持规定尺寸的条件下所允许的最大允许的偏差范围Ymax’，下面的公式用于相对于各B值确定A值。

Y_max′＝ABX_max ^B-1

对于各组A值和B值，可以随后使用下列函数限定冠状轮廓：

Y＝AX^B

然后，利用赫兹理论估算在具有这样的冠状轮廓的接触表面上产生的总接触压力或最大接触压力，或者采用有限元分析计算所述总接触压力或最大接触压力。

然后，挑选出导致在接触元件的接触表面上产生的总接触压力或最大接触压力最低的冠状轮廓，作为用于接触元件的最佳冠状轮廓，其中，所述接触元件用于具体的应用场合。

对于本领域普通技术人员来说，在权利要求的范围内对本发明进行进一步的修改将是显而易见的。需要指出的是，接触元件可以包括多个接触表面，为此，各接触表面被设置成接触相应的配合表面或配合部件。

Claims (10)

1.接触元件(15，16)，其被设置成相对于配合部件(11)运动，即滑动或滚动，并且该接触元件包括在其至少一部分上具有冠状轮廓(22)的接触表面，其特征在于：冠状轮廓(22)通过函数Y(X)＝AX^B限定，其中Y是凸起量，X是与接触元件(16)的接触表面的中心之间的距离，A和B是实数并且B大于2。

2.根据权利要求1所述的接触元件(15，16)，其特征在于：B小于或等于20。

3.根据权利要求1或2所述的接触元件(15，16)，其特征在于：它由下列部件中的部分组成：凸轮从动件(14)、摇臂(12)、推杆或在使用时承受接触压力的任何其他件。

4.根据权利要求1所述的接触元件(16)，其特征在于：它被设置成在其接触表面(20)的横向端部处具有所述冠状轮廓(22)。

5.内燃机，其特征在于：它包括根据权利要求1-4中任何一项所述的接触元件(15，16)。

6.用于为接触元件(16)的接触表面中至少一部分确定冠状轮廓(22)的方法，其中所述接触元件(16)被设置成可旋转地安装至配合部件(11)并紧靠配合部件(11)，从而与配合部件进入滚动接触，所述方法的特征在于它包括下列步骤：

a)选择多个不同的A值和B值，其中B大于2，

b)使用所述A和B的值利用函数Y(X)＝AX^B限定多个冠状轮廓(22)，

c)确定对于给定的接触力的具有各所述冠状轮廓(22)的接触元件(16)上的总接触压力或最大接触压力，或者确定表征它们的参数，以及

d)选择将使所述接触元件(16)承受的总接触压力或最大接触压力最低的冠状轮廓。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：B小于或等于20。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于方法步骤a)包括下列步骤：

-选择多个B值，以及

-对于各B值使用公式Y_max′＝ABX_max ^B-1确定A值，其中X_max表示接触元件(16)的接触表面的宽度的一半，Y_max′表示最大冠状轮廓梯度。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：Y_max′被设定成等于在制造和/或装配接触元件(16)时维持规定尺寸的条件下所允许的最大允许偏差范围。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：Y_max′被设定成等于在制造和/或装配接触元件(16)时维持规定尺寸的条件下的可能的偏差范围。

Images