CN1407211A - 带有滚轮的凸轮随动件 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种带有滚轮的凸轮随动件包括：一凸轮随动件本体(1)，该本体具有与之一体的滚轮支承部分(14)；一滚轮支承轴(2)，其两端固定于滚轮支承部分(14)；以及，一可转动地支承在滚轮支承轴(2)上的滚轮，两者之间设置多个针形滚轮(3)。支承轴(2)和针形滚轮(3)中的至少一个的表面上形成氮层，具有至少HV650的表面硬度和体积至少为25％、至多为50％的残留奥氏体。因此，带有滚轮的凸轮随动件具有极好的耐用性和疲劳寿命。

Description

带有滚轮的凸轮随动件
发明领域
本发明涉及一种带有滚轮的凸轮随动件，尤其涉及一种用于车辆内燃机阀机构的带有滚轮的凸轮随动件。
发明背景
通常人们都知道具有可变阀计时机构、诸如VTEC(可变阀计时和行程电子控制系统)(Variable Valve Timing & Lift Electronic Control System)的内燃机。
在这样的内燃机中，阀机构被做成：当机构高速运行时两驱动锁扣臂和将两驱动锁扣臂连接起来的连接锁扣臂一起启动，而当机构低速运行时两驱动锁扣臂独立地启动。
在各驱动锁扣臂和连接锁扣臂中，接触凸轮的滚轮由一针形轴承支承。目前，作为用于支承滚轮的轴的材料，在驱动锁扣臂中使用SUJ2，而在连接锁扣臂中使用渗碳钢。这些材料的使用是因为如下的原因。
在发动机低速旋转时，转换销不启动，产生的小载荷施加在支承滚轮的针形轴承。因此，将SUJ2材料用于驱动锁扣臂。
但在发动机高速旋转时，转换销启动而使驱动锁扣臂和连接锁扣臂的轴相连，从而产生一过大的载荷施加在支承连接锁扣臂中的滚轮的针形轴承上。因此，轴承必需有大的宽度，以确保有长的使用寿命。
此外，当转数较高时，驱动锁扣臂和连接锁扣臂通过转换销的启动而一起启动，这样就产生轴的弯曲问题，该弯曲来自于轴的内径一侧。这是由增加轴承的宽度和在连接锁扣臂中的滚轮的支承轴中使用坚韧的渗碳材料所引起的。
要指出的是，在此所用的SUJ2材料经过淬火和回火，使针形滚轮的滚动表面的硬度调整到HRC60至62。
由锁扣臂支承的滚轮与凸轮直接接触。该部分与发动机其它元件相比润滑油容易干枯，因而凸轮和滚轮的接触表面被称为边界润滑区域(boundarylubrication region)。支承滚轮的针形滚轮基本上以滚动接触的方式接触轴。但是，在上述严峻的环境中，当凸轮载荷迅速改变时，会在针形滚轮与轴之间产生微小的滑动。这使得针形滚轮轴承处在恶劣的润滑环境中，而引起磨损等情况，导致耐用性不够。此外，当凸轮载荷增加时，针形滚轮和轴的接触表面上的压力也随之增加，从而缩短疲劳寿命。
发明概要
本发明的目的是提供一种带有滚轮的凸轮随动件，它具有极好的耐用性和疲劳寿命。
在本发明的一带有滚轮的凸轮随动件中，包括有：一凸轮随动件本体，该本体具有与凸轮随动件本体一体的滚轮支承部分；一支承轴，其两端固定于滚轮支承部分；以及，一可转动地支承在支承轴上的滚轮，两者之间设置多个针形滚轮，支承轴和针形滚轮中的至少一个的表面上形成氮层，具有至少HV650的表面硬度和体积至少为25％、至多为50％的残留奥氏体。
根据本发明的带有滚轮的凸轮随动件，完成一包括渗氮的处理，以将表面硬度增加至至多HV650，将残留奥氏体的体积增加至至少25％、至多50％。这可减少发生在支承轴与针形滚轮之间的磨损，提高疲劳强度，具有极好的耐用性和滚动疲劳寿命。
此外，完成包括渗氮的处理，使得在支承轴和针形滚轮之一的表面上形成氮层。
要指出的是，如果残留奥氏体的体积小于25％，则凸轮随动件的滚动疲劳寿命没有提高。此外，如果残留奥氏体的体积大于50％，则表面硬度下降，恶化耐磨性能。因此，残留奥氏体的体积必需至少为25％、至多为50％。
此外，如果表面硬度小于25％体积，支承轴由于发生在针形滚轮滚动时的磨损而变形。因此，表面硬度必需至少为HV650。
较佳的是，带有滚轮的凸轮随动件具有用渗碳钢制成的支承轴，并在经历过碳氮共渗后回火。
当带有滚轮的凸轮随动件的支承轴用在作为本发明的高温度范围中时，就要在环境温度或较高温度中进行回火，以使其尺寸在该环境中稳定。
在带有滚轮的凸轮随动件中，支承轴的两端较佳地铆接和固定于滚轮支承部分。
只要在支承轴的端表面压出切口(凹痕)就可完成铆接和固定工作，这可防止在滚轮支承部分的冲击。因此，凸轮随动件在组装时不会变形。
在带有滚轮的凸轮随动件中，支承轴的两端表面较佳地具有未经回火的至少HV200、至多HV280的表面硬度。
因此，在组装凸轮随动件时，支承轴的端表面可被压出切口，以扩大其端边缘。这样的铆接和固定处理不会使端部破裂，使支承轴容易地和牢固地固定到凸轮随动件本体。
较佳地，带有滚轮的凸轮随动件具有由轴承钢制成的支承轴，并经过碳氮共渗，随后回火。
当带有滚轮的凸轮随动件的支承轴用在作为本发明的高温温度范围中时，就要在环境温度或较高的温度中进行回火，以使其尺寸在环境中稳定。
在带有滚轮的凸轮随动件中，支承轴由一空心轴所形成，并固定于滚轮支承部分。
由于支承轴是一空心轴，通过在空心部分设置一转换销，就可使诸如VTEC的可变阀计时机构具有简单的结构。
结合附图，从如下的本发明的详细说明中可更清楚地了解本发明的上述和其它目的、特征、各个方面和优点。
附图简要说明
图1是一前视图，它示出了根据本发明第一实施例的带有滚轮的凸轮随动件的结构；
图2是沿图1的线II-II截取的剖面图；
图3是沿图1的线II-II截取的剖面图；
图4是一剖面图，它示出了滚轮轴具有实心体并被铆接固定时的结构；
图5A和5B分别示出了图4所示的滚轮轴的垂直剖面图和硬度分布曲线；以及
图6是一剖面图，它示意性地示出了进行寿命试验的测试机的结构。
较佳实施例的说明
下面结合附图描述本发明的一实施例。
参阅图1和2，一凸轮随动件本体1可转动地支承在一凸轮随动件轴5上，该凸轮随动件轴的中间部设置有一支承金属或类似物。
一调节螺丝7旋入凸轮随动件本体1的一端。调节螺丝7由一锁紧螺母8固定，它的下端与内燃机的吸入阀或排气阀的凸杆9的上端接触。一弹簧10的弹力使凸杆9偏置。
凸轮随动件本体1的另一端有一以两部分的形式一体制成的滚轮支承部分14。滚轮轴2的两端通过压配或扣圈固定于两部分式滚轮支承部分14。滚轮4可转动地支承在滚轮轴2的外周表面的中间部，中间插入一针形滚轮3。滚轮4的外周表面由弹簧10的偏置力压靠在凸轮6的凸轮表面上。
滚轮轴2和针形滚轮3中的至少一个经过包括渗氮的处理，由此在其表面上具有氮层，其表面硬度至少为HV650，在表面部分的残余奥氏体的体积至少是25％，最多是50％。
此外，滚轮轴2由轴承钢制成，先碳氮共渗(carbonitriding)，随后回火。滚轮轴2例如由一空心轴所形成，并做成使一转换销(switching pin)设置在空心部分。
通过采用这样一种结构，凸轮6的转动使插入有滚轮4的凸轮随动件本体1以凸轮随动件轴5作为中心转动，以打开和关闭连接于凸杆9的顶端的吸入阀或排气阀。
随后将要描述图1和2所示的具有滚轮的凸轮随动件用在一VTEC阀机构中的结构。
参阅图3，VTEC阀机构通常具有设置在两侧的驱动锁扣臂RA1和RA2，每一个都是具有如图1和2所示的与凸杆9接触的滚轮的凸轮随动件。在两驱动锁扣臂RA1和RA2之间设置另一凸轮随动件作为连接锁扣臂RA3，该随动件的滚轮与图1和2所示的凸杆9分离。
连接锁扣臂RA3在两侧连接驱动锁扣臂RA1和驱动锁扣臂RA2，以高的发动机转数同时驱动它们，而连接锁扣臂可以低发动机转数单独地驱动驱动锁扣臂RA1和RA2。
支承这三个锁扣臂RA1至RA3的每一滚轮4、4a的每一滚轮轴2、2a为空心的，空心部分中并排设置两个转换销11a、11b。转换销11a的一端表面邻接转换销11b的一端表面，而转换销11b的另一端表面由弹簧12施加力而朝转换销11a偏置。一液压回路13设置在转换销11a的另一端表面，以连接于滚轮轴2中的空心部分内。
在这样的结构中，当转换销11a的另一端表面上的液压通过液压回路13增加时，转换销11a、11b克服弹簧12的偏置力而移向图中的右侧。这样，锁扣臂RA1至RA3相连而一起驱动。
另一方面，当转换销11a的另一端表面上的液压通过液压回路13下降时，转换销11a、11b因弹簧12的偏置力而移到图中左侧。这样，转换销11a和11b的邻接表面位于锁扣臂RA1和RA3的边界，而转换销11b的另一端表面位于锁扣臂RA3和RA2的边界。这使三个锁扣臂RA1至RA3彼此脱开，使锁扣臂RA1至RA3可分别驱动。
因此，三个锁扣臂RA1至RA3在高转数范围内一起启动，而在低转速范围内可分别启动，以执行对调节阀进行定时。
在上述的VTEC中的阀机构中，在每一锁扣臂RA1至RA3中的每一滚轮轴2、2a和每一针形滚轮3、3a中的至少一个经过渗氮，由此在表面形成氮化层。此外，每一滚轮轴2、2a和每一针形滚轮3、3a中的至少一个的表面的硬度至少是HV650，而且在表面层上的残留奥氏体其体积至少为25％，至多为50％。
要指出的是，滚轮轴2不限于是空心形状，它也可以是如图4所示的实心结构，其两端铆接和固定于滚轮支承部14。先将滚轮轴2配合到设置在分岔滚轮支承部14中的轴孔15，然后在滚轮轴2的一端表面压出切口，以形成铆接槽17，由此完成铆接和固定。通过形成铆接槽17，滚轮轴2的边缘部分扩大，以通过弹性偏置轴孔15的内表面，使得滚轮轴2牢固地固定于轴孔15。
参阅图5A和5B，滚轮轴2的中部2c通过高频淬火而变硬，在任何一侧的端部2d是没有进行淬火的非淬火部。中部2c的一部分或整个外周表面是针形滚轮3在其上进行滚动的滚动接触表面的部分。
参阅图5B，在滚轮轴2的表面硬度分布中，中部2c具有至少为HV650的维氏(Vickers)硬度，而在每一端部2d的柔软层具有至少为HV200、至多为HV280的维氏硬度。因此，中部2c具有足够的硬度作为用于针形滚轮3的滚动接触表面，而软部2d软到足以被铆接。
要指出的是，滚轮轴2由渗碳钢制成，先渗碳共渗，然后回火。
下面描述本发明的一个示意性的例子。
用如图6所示的试验机对渗碳轴和渗碳共渗轴进行寿命试验。
参阅图6，一试验机做成具有多个设置成在轴52与外轮54之间滚动的针形滚轮53，用该试验机通过以预定速度来旋转外轮54、并有一部件对其施加径向载荷来进行寿命试验。
试验条件如表1所示。
                           表1
     试验条件
径向载荷 4900N
外轮旋转数量 7000转/分钟
润滑条件 机油10W-30 100℃ 150毫升/分钟
计算寿命 124.8小时
在上述的试验机中，对用经过渗碳的钢(渗碳钢)制成的轴52和用经过碳氮共渗的钢制成的轴52进行试验。寿命试验的结果如表2中所示。
                                 表2
渗碳轴 23.2小时，35.2小时，21.0小时，28.9小时(所有轴都破坏)
碳氮共渗轴 250小时，480小时(没有轴破坏)
从表2中可看出结果，没有经过渗氮处理的渗碳轴约在20-35小时被破坏，而经过渗氮处理的碳氮共渗轴在250小时后，或甚至在480小时之后也没有被破坏。
此外，尽管渗碳轴的表面硬度至少为HV650，但残留奥氏体的体积为10％。碳氮共渗轴的表面上形成有氮层，表面硬度至少为HV650，残留奥氏体的体积至少为25％，至多为50％。
这表明，尽管渗碳和淬火足以提高表明硬度，但渗氮是获得残留奥氏体体积至少为25％、至多为50％所必需的，这样能显著提高寿命。
在寿命试验中，比较了渗碳轴与碳氮共渗轴。但要指出的是，当使用由通过渗氮SUJ2获得的材料制成的轴时，在表面上也可形成氮层，可获得至少为HV650的表面硬度和体积至少为25％、至多为50％的残留奥氏体，这样在很大程度上提高了寿命。这显示，由轴承钢制成的经过渗氮处理的轴也具有类似于上述的碳氮共渗轴的效果。
尽管说明是根据图6中的轴52进行的，但针形滚轮53也可类似地由经过渗氮处理的渗碳钢或轴承钢制成，以获得至少为HV650的表面硬度和体积至少为25％、至多为50％的残留奥氏体，如上所述，能极大地提高寿命。
根据本发明的带有滚轮的凸轮随动件可完成包括渗氮的处理，以将表面硬度增加到至少HV650，且残留奥氏体的体积至少为25％、至多为50％。这样减少了发生在支承轴与针形滚轮之间的磨损，提高疲劳强度，有极好的耐用性和滚动疲劳寿命。
尽管已详细地描述和图解了本发明，但要清楚地知道，这些仅仅是用作举例说明和示例，而不是作为限制用的，本发明的基本精神和范围仅仅由所附的权利要求书所限定。

Claims (6)

1.一种带有滚轮的凸轮随动件，它包括：一凸轮随动件本体(1)，该本体具有与之一体的滚轮支承部分(14)；一支承轴(2)，其两端固定于所述滚轮支承部分(14)；以及，一可转动地支承在所述支承轴(2)上的滚轮(4)，两者之间设置多个针形滚轮(3)，其中，
所述支承轴(2)和所述针形滚轮(3)中的至少一个的表面上形成氮层，具有至少HV650的表面硬度和体积至少为25％、至多为50％的残留奥氏体。
2.如权利要求1所述的凸轮随动件，其特征在于，所述支承轴由渗碳钢制成，并经历碳氮共渗，随后回火。
3.如权利要求1所述的凸轮随动件，其特征在于，所述支承轴(2)的两端铆接固定于所述滚轮支承部分(14)。
4.如权利要求1所述的凸轮随动件，其特征在于，所述支承轴(2)的两端表面较佳地具有未经回火的至少HV200、至多HV280的表面硬度。
5.如权利要求1所述的凸轮随动件，其特征在于，所述支承轴由轴承钢制成，并经历碳氮共渗，随后回火。
6.如权利要求5所述的凸轮随动件，其特征在于，所述支承轴(2)由一空心轴所形成，并压配到所述滚轮支承部分(14)。
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