CN101586483A - 防磨损凸轮轴和随动件材料 - Google Patents

防磨损凸轮轴和随动件材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及防磨损凸轮轴和随动件材料。用于发动机气门机构的凸轮轴和随动件的材料组合提供了极佳的耐磨性。凸轮轴或凸轮轴凸角由可锻铸铁制成，凸轮随动件由碳氮化52100型或4130型钢制成，从而以极大地降低的成本来提供与类金刚石涂层相当的极佳的耐磨性。

Description

防磨损凸轮轴和随动件材料
技术领域
[0001]本发明涉及气门机构，且更具体地涉及防磨损凸轮轴和随动件设计。
背景技术
[0002]该部分的内容仅提供与本发明有关的背景信息，且可能不构成现有技术。
[0003]发动机设计者和工程师不断挑战创新产品，以满足日益苛刻的排放和燃料经济性目标。
[0004]在传统气门机构系统中，当凸轮轴旋转时，凸轮轴压靠平的或滚轮随动件表面，所述随动件表面往复运动，以开启和关闭进气和排气门。不管是滑动类型还是滚动类型，凸轮轴凸角和匹配随动件之间的接合部都遭受严重的负载。虽然注意很好地润滑该接合部，但是诸如冷启动的情况使得油有时会不足。在这种情况下，在压力足以将油泵送至发动机顶部之前，凸轮将开始转动。随着时间的过去，这些部件在发动机寿命期间显著地磨损，需要周期性的调节或使用自调节液压元件。在图1中图示了典型气门机构的基本构造。
[0005]由于燃料经济性变得日益重要，因而不管是顶置式气门(OHV)设计还是顶置式凸轮(OHC)设计，发动机制造商都转向在凸轮轴凸角和随动件之间使用滚动接触的气门机构系统，但是仍有一些使用滑动随动件设计。常规的凸轮轴材料，如淬火灰铸铁(GCI)，在仅滑动条件下运行良好，且在高滚动接触应力下缺乏必要的材料强度。对于硬冷铸铁(CCI)凸轮来说也是如此。球墨铸铁(NCI)凸轮轴材料已经主要用于滚轮随动件类型的气门机构。在一些发动机设计中，凸轮随动件接合部也从滑动接触类型变为滚轮摇臂类型，以减少气门机构的摩擦。因而，到目前为止，在滑动接触条件下，使用球墨铸铁作为CCI和GCI凸轮轴材料的较高强度替代从未被充分钻研过。在凸轮轴或匹配随动件表面上不使用表面涂层或表面改进的情况下，没有一种凸轮轴材料已知在滚动和滑动接触负载下同时满足所有要求。
[0006]凸轮定相和可变气门致动(VVA)是试图通过改变气门的开启和关闭来进一步细调燃料经济性增益的相对新的技术。在OHC发动机中，对于2级VVA机构在高和低升程条件下仅使用滚动作用是优选的，因为这减少了总的气门机构摩擦。遭受主要是滑动负载的凸轮轴通常由淬火GCI或CCI制成，并抵靠合金CCI随动件运转。在2级凸轮轴设计构造中，这些凸轮材料并未预期承受滚动负载(通常高于1400MPa)，因而这超过了材料强度极限。如果设计体系允许使用用于可变气门致动构造的仅滚动接合部，那么材料选择相对简单。在滚动负载下，钢制凸轮运行良好，只要有充分的设计空间来工作即可。然而，由于在抵靠传统随动件材料滑动条件下的粘附磨损，它们展现了不良的响应。
[0007]对于2级VVA结构而言，如果顶置式凸轮发动机的设计约束排除了仅滚动的选择，那么包括遭受来自于随动件元件的滚动和滑动负载的凸角三层件(tri-pack)的独特气门机构设计选择是可行的。在高升程模式期间接触的凸轮凸角部分遭受滑动负载，而在低升程模式期间，其它凸角部分遭受滚动负载。
[0008]带有定制的凸角材料如粉末金属凸角的组装凸轮轴可以用于处理滚动和滑动两种负载，然而，这增加了系统成本。气门弹簧负载、气门升程、可使用的空间以及期望性能，决定了任何特定发动机制造商采用的特定气门机构结构。
[0009]由于缺乏与球墨铸铁的滑动耐磨性的数据，因而对于可切换滚轮指形物随动件(SRFF)机构来说，遭受滑动的随动件元件上的类金刚石涂层(diamond like coating)是可靠但是昂贵的选择。因而，期望寻找用于凸轮轴凸角和随动件元件的材料组合，所述材料组合将承受滑动负载，而不必将随动件的滑动元件用类金刚石涂层来涂层或不必使用具有定制化学物和微观结构的粉末金属凸角。
发明内容
[0010]本发明提供一种发动机气门机构，包括具有多个凸轮轴凸角的凸轮轴，其中，所述凸轮轴凸角由可锻铸铁制成并硬化。多个随动件衬垫由被碳氮化的钢制成，且各与所述多个凸轮轴凸角中的相应一个接合。所述材料组合提供了能与类金刚石涂层相比的滑动磨损，同时比类金刚石涂层便宜很多。
[0011]进一步的应用领域从在此提供的说明显而易见。应当理解的是，说明和具体示例仅为说明的目的且并没有意图限制本发明的范围。
附图说明
[0012]在此所述的附图仅用于图示说明的目的，且不打算以任何方式限制本发明的范围。
[0013]图1是可以包括本发明的材料组合的示例性发动机气门机构系统的截面图；和
[0014]图2是可以包括本发明的材料组合的示例性2级可变气门致动系统的截面图。
具体实施方式
[0015]以下说明本质上仅为示范性的且绝不意图限制本发明、应用、或使用。应当理解的是，在整个附图中相应的附图标记指示类似或相应的部件和特征。
[0016]参考图1，附图标记10总体上表示四冲程火花点火式内燃机。发动机10具有常规结构的主要部分，包括限定多个气缸13的气缸体12和闭合气缸端部的气缸盖14。活塞16设置在气缸13内，且与气缸13和气缸盖14协作在气缸端部处形成燃烧室18。每个气缸设置进气和排气端口，仅示出了进气端口20。设置提升气门22，每个端口一个，且每个都具有弹簧24，弹簧24以关闭端口的方向偏压相应气门。凸轮轴26与发动机曲轴(未示出)连接，用于与活塞16的往复运动成定时关系地旋转。凸轮轴26具有多个凸轮凸角28，所述多个凸轮凸角28中的一个与每个气门22相关联，以在每个发动机循环的合适部分时致动气门。气门和相应凸轮凸角可以包括摇臂30、推杆32和液压挺杆34。这些元件旨在代表在汽车发动机的各种形式中可找到的常规结构。挺杆34限定有与凸轮凸角28接合的随动件衬垫。
[0017]作为可选配置，气门机构可以包括两级可变气门致动系统，如美国专利No.5,361,733；6,848,402；6,752,107和6,923,151中公开的那样，所述专利的全部内容作为参考引入本文。
[0018]图2图示了设置在顶置式凸轮发动机中的示例性两级可变升程气门机构，所述顶置式凸轮发动机具有直接作用凸轮随动件。如图2所示，发动机100包括缸体、盖和/或支撑凸轮轴103和多个摇臂104c(仅示出一个)的载体部件102。凸轮轴103包括用于发动机的每个进气门108和/或排气门的一对隔开的高升程凸轮106和中间低升程凸轮107，高升程凸轮106和中间低升程凸轮107由摇臂致动。在所示发动机中，每个摇臂104c具有与高升程凸轮106相关联的高升程外部凸轮随动件110和与低升程凸轮相关联的低升程内部凸轮随动件111。示例性摇臂104c的详细说明在美国专利No.5,361,733中提供，所述专利的全部内容作为参考引入本文。
[0019]本发明的发现在于用于凸轮轴和凸轮随动件应用的材料组合，所述材料组合在凸轮轴凸角上或随动件衬垫材料上不需要使用涂层。凸轮轴或凸轮轴凸角材料是可锻铸铁。可锻铸铁可以硬化和回火。硬化操作可以使用感应加热、火焰加热或使用激光功率完成。硬化基质微观结构可以是回火马氏体和回火碳。回火碳/石墨的量小于或等于10％。碳颗粒数(大于25平方微米的颗粒)小于200每平方毫米。较低值的回火碳颗粒数，其中颗粒数在150和200每平方毫米之间，提供了最佳的结果。凸轮轴或凸轮轴凸角材料的硬度可以在从50至62Rc的范围内。
[0020]随动件材料包括碳氮化52100型钢或碳氮化4130型钢。随动件的热处理是与碳化或仅硬化或回火相对比的碳氮化过程。碳氮化过程可以完成至0.5和1.5mm之间的深度，更具体地约1mm，随动件材料可以具有55-64Rc的硬度。碳氮化过程是气体碳化的改进形式，其中，氨引入气体碳化环境中，以将氮在产生时添加到碳化主体。当氨分解且在工作表面形成初生态氮时，氮与碳同时扩散到钢表面中。得到的包括碳化物和氮化物的主体比通常仅仅碳化而产生的更浅，然而提供更优的磨损响应。
[0021]本发明的发现在于当作为凸轮轴材料的可锻铸铁和作为匹配部件的碳氮化52100型或4130型钢两者同时使用时，该材料组合显著地减少总的磨损量。在多个样品上进行的实验室试验中，使用根据上述说明书的用于凸轮轴凸角的可锻铸铁和由碳氮化52100型或4130型钢制成的随动件提供与类金刚石涂层相当的极佳的滑动耐磨性。

Claims (11)

1.一种发动机气门机构，包括：
具有多个凸轮轴凸角的凸轮轴，其中，所述凸轮轴凸角由可锻铸铁制成；和
多个随动件衬垫，所述多个随动件衬垫由碳氮化钢制成，且各与所述多个凸轮轴凸角中的相应一个接合。
2.根据权利要求1所述的发动机气门机构，其中，所述碳氮化钢是52100型和4130型钢之一。
3.根据权利要求1所述的发动机气门机构，其中，所述随动件衬垫被碳氮化至0.5和1.5mm之间的深度。
4.根据权利要求1所述的发动机气门机构，其中，所述凸轮轴凸角被硬化至从50到62Rc。
5.根据权利要求1所述的发动机气门机构，其中，所述随动件衬垫具有从55至64Rc的硬度。
6.根据权利要求1所述的发动机气门机构，其中，所述凸轮轴凸角包括回火马氏体和回火碳/石墨的硬化基质微观结构。
7.根据权利要求6所述的发动机气门机构，其中，所述凸轮轴凸角包括小于或等于10％的回火碳/石墨量，且其中，大于25平方微米的颗粒的碳颗粒数小于200每平方毫米。
8.一种发动机气门机构，包括：
具有多个凸轮轴凸角的凸轮轴，其中，所述凸轮轴凸角由可锻铸铁制成；和
多个随动件衬垫，所述多个随动件衬垫由碳氮化钢制成，且各与所述多个凸轮轴凸角中的相应一个接合，其中，所述碳氮化钢是52100型和4130型钢之一。
9.根据权利要求8所述的发动机气门机构，其中，所述凸轮轴凸角被硬化至从50到62Rc。
10.根据权利要求8所述的发动机气门机构，其中，所述随动件衬垫具有从55至64Rc的硬度。
11.一种发动机气门机构，包括：
具有多个凸轮轴凸角的凸轮轴，其中，所述凸轮轴凸角由可锻铸铁制成，其中，所述凸轮轴凸角被硬化至从50到62Rc；和
多个随动件衬垫，所述多个随动件衬垫由碳氮化钢制成，且各与所述多个凸轮轴凸角中的相应一个接合，其中，所述碳氮化钢是被碳氮化至0.5和1.5mm之间的深度的52100型和4130型钢之一，其中，所述随动件衬垫具有从55至64Rc的硬度。
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