CN1734064A - 气门挺柱及其成形和处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气门挺柱及其成形和处理方法。该成形及处理方法包括步骤：(a)在气门挺柱的一位置处形成一个孔，在该位置处，凸轮与气门挺柱滑动地接触；(b)沿气门挺柱的边缘形成直径扩大部分，所述边缘围成了所述孔的一部分，并位于与凸轮滑动接触的一侧；以及(c)对气门挺柱上与凸轮滑动接触那一侧的整个表面进行表面处理。
Description
技术领域
本发明涉及对内燃机气门挺柱的改进以及气门挺柱的成形和处理方法，更具体来讲，本发明涉及对一种表面处理方法的改进，其中的表面处理方法用于处理气门挺柱顶冠部分或垫片的顶面，该顶面与制在一凸轮轴上的凸轮可滑动地接触。
背景技术
对于内燃机上的直接驱动型气门挺柱而言，在发动机工作过程中，在一顶冠部分底面的凸台部与进气阀的阀杆端之间会产生很大的摩擦阻力。考虑到这一情况，人们提出了一种技术，例如第2001-342810号日本专利临时公开文件就公开了该技术，在该技术中，制有一个润滑油输送孔，其穿透了气门挺柱的顶冠部分，以便于可靠地向凸台部与阀杆端之间供应润滑油。
另外，针对所安装的垫片，人们也提出了一些技术，该垫片被装配到气门挺柱顶冠部分顶面上制出的一个凹部中，在这些技术中，穿透垫片而制有一个空气孔，用于将空气吹入到凹部的底面与垫片的底面之间。在为了更换垫片而将垫片从凹部中取出时，经该空气孔吹入空气。
尽管在顶冠部分或垫片顶面的外周侧上制有润滑油输送孔或空气孔，但由于凸轮是在顶冠部分或垫片顶面的直径方向上与基本上整个顶面可滑动地接触、以便于确保进气阀具有很高的升程量，所以，制在凸轮轴上的凸轮将可滑动地接触到限定润滑油输送孔或空气孔的边缘。这样，当凸轮与限定润滑油输送孔或空气孔的边缘滑动接触时，恐怕施加到该边缘上的支承压力会很高。
因而，按照这样的方式实施了降低支承压力的设计，以对限定润滑油输送孔或空气孔上端的边缘执行倒角处理，从而形成了一直径渐增部分或扩口部分。
另外，考虑到凸轮要在顶冠部分或垫片的顶面上重压地滑动和转动的事实，所以要对顶冠部分或垫片的顶面执行表面处理，以形成一高硬度的表面处理层，由此来降低滑动摩擦阻力，并确保耐磨性。
发明内容
但是，对于在顶冠部分或垫片的顶面上形成高硬度的表面处理层的上述现有技术而言，位于直径扩大部分上的表面处理层不可避免地将是薄壁的，原因在于：在执行完表面处理之后，要沿着围成润滑油输送孔或空气孔上端开口的边缘形成所述直径扩大部分。
因此，如图9所示，在一定条件下，表面处理层23恐怕会从润滑油输送孔22直径扩大部分22a处部分地剥落掉，其中的条件为：凸轮与盘状垫片21的顶面连续地滑动接触，而盘状垫片被安装成装配到顶冠部分顶面上制出的凹部中。
因此，易于从表面处理层23的剥落部位24处开始出现磨损，从而，不可避免地会降低气门挺柱的耐用性。
因而，本发明的一个目的是提供改进的气门挺柱及成形、处理该气门挺柱的方法，该设计能有效地克服普通气门挺柱及其成形-处理方法所面临的不足。
本发明的一个方面在于提供了一种用于对气门挺柱执行成形和处理的方法，该方法包括步骤：(a)在气门挺柱的某一位置处形成一个孔，在该位置处，凸轮与气门挺柱滑动地接触；(b)沿气门挺柱的一个边缘形成一直径扩大部分，所述边缘围成了所述孔的一部分，并位于与凸轮滑动接触的一侧上；以及(c)对气门挺柱上与凸轮滑动接触那一侧的整个表面执行表面处理。
本发明的另一方面在于提供了一种气门挺柱，其包括一顶冠部分，在与凸轮滑动接触的位置上，该顶冠部分上制有一个孔，该顶冠部分具有气门挺柱的一个边缘。所述边缘围成了所述孔的一部分。沿所述边缘形成一直径扩大部分。与顶冠部分的外周边缘一体地制有一裙部。在与凸轮滑动接触的整个表面上、以及一个从直径扩大部分向孔内部延伸的区域上形成一表面处理层。
本发明的又一个方面在于提供了一种气门挺柱，其包括一顶冠部分，其上制有一圆形凹部和一油孔，油孔被制成与凹部相通，从而将顶冠部分穿透。与顶冠部分的外周边缘一体地制有一裙部。一垫片被容纳在凹部中，且其上制有一个穿透所述垫片的孔。沿一个围成一部分孔的边缘形成一直径扩大部分。在与凸轮滑动接触的整个表面上、以及一个从直径扩大部分向孔内部延伸的区域上形成一表面处理层。
从下文参照附图的描述可更加清楚地理解本发明其它的目的和特征。
附图说明
图1中的局部剖视图表示了根据本发明的气门挺柱的第一实施方式的主要部分；
图2是对图1所示气门挺柱所作的纵向剖视图；
图3是图1所示气门挺柱的俯视图；
图4中的局部剖视图表示了一种气门挺柱的主要部分，该气门挺柱被用来进行对比性的耐久性试验；
图5是一内燃机阀动作系统的剖视图，在该系统上应用了气门挺柱的第一实施方式；
图6中的局部剖视图表示了根据本发明的气门挺柱的第二实施方式的主要部分；
图7A是一气门挺柱和凸轮的纵向剖视图，在图示的状态下，气门挺柱与凸轮相互接触；
图7B是沿图7A中的A-A线所作的剖视图；
图8中的纵向剖视图表示了根据本发明的气门挺柱的第四实施方式；以及
图9是一个局部放大的视图，表示了根据现有技术的气门挺柱上直径扩大部分的附近部分，图中表示出了由于现有成形工艺的不足、直径扩大部分处的类金刚石碳(diamond-like carbon)层出现的剥落现象。
具体实施方式
下面参见图1到图3以及图5，根据本发明的气门挺柱的第一实施方式由数字标号7、8指代。气门挺柱7、8形成了气阀动作系统的一个部件，该气阀动作系统被用在机动车的内燃机上。
气阀动作系统被表示在图5中，其包括进气阀2和排气阀3，它们开启和关闭进气道1a和排气道1b的开口端部分，进气道1a和排气道16被与燃烧室(图中未标出)连通，且被制在缸盖1中。设置在进气侧和排气侧的凸轮轴4、4被轴承(图中未示出)可转动地支撑在缸盖1的上端部分处。在凸轮轴4、4的外周面上一体地制有驱动凸轮5、6。气门挺柱7、8是滑动构件，其将驱动凸轮5、6的转动运动变换为往复运动，然后将往复运动传递给进气阀2和排气阀3。气门挺柱7、8分别被可滑动地保持在缸盖1中制出的小径膛孔1c、1d的内壁中。
在分别靠近进气道1a和排气道1b开口端部分的方向上，进气阀2和排气阀3受到气阀弹簧12、13的偏置作用，每个弹簧被弹性地布置在每个弹簧护圈11与每个小径膛孔1 c、1d的底面之间，其中，弹簧护圈11被设置在各气阀阀杆的上端部分处。进气阀2和排气阀3分别被圆筒形的气阀导管9、10可滑动地支撑着，气阀导管9、10被固定到缸盖1上。
发动机的转动驱动力通过一主动链轮和一从动链轮从曲轴传递给位于进气侧和排气侧的凸轮轴4、4，主动链轮和从动链轮通过一正时链条连接起来—尽管该机构并未在图中表示出。也就是说，驱动凸轮5、6随凸轮轴4、4一起转动，由此，在使进气道1a和排气道1b开口端部分开启的方向上顶推或操作进气阀2和排气阀3。
每个驱动凸轮5、6都被制成泪珠形，且是用冷淬铸件等制成的。在驱动凸轮5、6的外周面上分别制有凸轮表面5a、6a，它们在气门挺柱7、8顶冠部分14的顶冠表面或顶面14a上滑动，另外，利用抛光工艺对凸轮表面5a、6a执行精加工，而后执行喷丸处理，从而形成一个具有光滑表面的某一表面粗糙度。
为方便起见，对于气门挺柱7、8，只对进气侧的气门挺柱7进行描述。如图2和图3所示，气门挺柱7是由铁基金属材料制成的，其被制成一整体构件，其包括顶冠部分14和圆筒形的裙部15，顶冠部分和裙部作为该气门挺柱的主要部分。顶冠部分14是一个圆形的顶壁部分。圆筒形裙部15被与顶冠部分14的外周边缘制成一体。
顶冠部分14具有顶冠表面14a，其为顶冠部分14的顶面，且为平缓的球形或圆形。换言之，顶冠表面14a是一个大球面的一部分。顶冠部分14包括凸台部14b，其与进气阀2的阀杆端相接触，且被制成大体上为圆柱状。凸台部14b位于顶冠部分14底面的中心部分。为了利用驱动凸轮5的凸轮表面5a将粘附在顶冠表面14a上的润滑油引流到气门挺柱7的内部，在气门挺柱圆周方向上的某一位置处，制有一润滑油输送孔16，且该润滑油输送孔位于顶冠部分14的外周侧，并为穿透顶冠部分14的形式。另外，在围成了润滑油输送孔16上部开口端部的(顶冠部分14的)环形部分或边缘上，制出了一个直径扩大部分或扩口部分16a(倒角部分)。
另外，利用类金刚石碳化处理工艺，在整个顶冠表面14a上制出高硬度的表面处理层17。在完成了类金刚石碳化处理之后，对表面处理层17执行研磨处理。
下文将讨论制成和处理整个气门挺柱7的方法。
首先，利用冷锻工艺将一种作为基础材料的铁基金属制成为气门挺柱7的基本形状，该基本形状即为一个封闭底部的圆筒形。
然后，对顶冠部分14的顶面和底面、以及裙部15的内外周面执行表面机加工。另外，在顶冠部分14顶冠表面14a外周侧的某一位置上执行制成一孔洞的机加工，从而形成润滑油输送孔16。可以理解，也可以在上述的冷锻过程中制出该润滑油输送孔16。
随后，对气门挺柱7执行热处理，该热处理例如是渗碳处理、碳氮共渗处理、渗氮处理等。之后，对凸台部分14b和裙部15的外周面执行抛光处理，从而调节凸台部分14b和裙部15的外径，以将它们的外径调节为阀杆杆端的外径和膛孔1c、1b的内径，由此来确保滑动的精确性。
之后，对整个顶冠表面14a执行超精加工，以达到约0.1μm的表面粗糙度(按照日本工业标准JIS B0601)。另外，利用研磨、滚磨、喷丸等工艺对顶冠表面14a的外周侧执行所谓的R-加工(滚圆机加工)处理，从而使表面粗糙度约为0.2μm。可以理解：可在上述的抛光过程中执行该表面处理。此情况下，在围成润滑油输送孔16的上开口端部的环形部分或边缘上，制出直径扩大部分或扩口部分16a，按照这样的方式，其圆表面(在包含润滑油输送孔16轴线的剖面或垂直平面内)的曲率半径R约在0.05mm到0.2mm的范围内。另外，直径扩大部分16a的表面经过了精机加工，从而使表面粗糙度约为0.2μm。可在上述的抛光过程中制出该直径扩大部分16a。
之后，将气门挺柱7放入到处理炉中，然后在其中进行冲洗。然后，在整个顶冠表面14a上执行类金刚石碳处理，由此在顶冠表面14a的整个表面上制得高硬度的表面处理层或类金刚石碳层17。这种类金刚石碳化处理不仅在整个顶冠表面14a上进行，还通过润滑油输送孔16的直径扩大部分16a的表面在润滑油输送孔16的内侧表面上进行。
而后，利用金刚石磨粒和刷子，对表面处理层17的表面执行刷刮-研磨处理，以便于将一定量的微粒或分子从表面处理层17的表面上去除掉。通过这样的处理，就会在表面处理层17上形成许多细微的凹部，并使得细微凹部的总面积约为顶冠表面14a总面积的5％到30％。不难理解：也可用滚磨、喷丸等工艺取代上述的表面机加工处理。
为了评价其上形成了表面处理层17的、且围成了润滑油输送孔16的上开口端部的环形部分或边缘的耐久性，按照这样的方式进行了耐久性试验，以使得凸轮5的凸轮表面5a在一定条件下、在围成了润滑油输送孔16的上开口端部的该环形部分或边缘上滑动100小时，所述条件为发动机高速运转时的条件。对图1所示的那种类型气门挺柱7、以及图4所示的那种类型气门挺柱7进行了耐久性试验，其中，在图1所示气门挺柱中，润滑油输送孔16上的直径扩大部分16a的表面被滚圆，而图4所示气门挺柱中，润滑油输送孔16不具有任何直径扩大部分16a。对于润滑油输送孔16具有直径扩大部分16a的那种类型气门挺柱，直径扩大部分16a上滚圆表面的曲率半径R(在剖视图内)是可被改变的。
作为试验结果，对于其润滑油输送孔16不具有直径扩大部分16a的那种类型气门挺柱，例如由于支承压力增大而使顶冠部分14顶冠表面14a的表面出现磨损。
在另一方面，对于其润滑油输送孔16具有直径扩大部分16a的气门挺柱，所出现的磨损则很小。尤其是对于其滚圆表面的曲率半径R在0.05mm到0.2mm范围内的情况，不出现任何磨损。考虑到这一情况，优选地是：直径扩大部分16a圆表面的曲率半径R在0.05mm到0.2mm的范围内。采用这样的设计，则在降低支承压力的同时，使表面处理层或薄膜层难于出现剥落。
在第一实施方式中，在围成润滑油输送孔16上开口端部的环形部分或边缘上形成了具有圆表面的直径扩大部分16a之后，通过执行类金刚石碳处理工艺，在整个顶冠表面14a上制出了表面处理层17，因此，可防止制在直径扩大部分16a上的表面处理层17的厚度减小。结果就是，可防止直径扩大部分16a的表面处理层17发生剥落—甚至在凸轮表面5a持续进行滑动运动的情况下，从而可改善直径扩大部分16a的耐磨性。
另外，由于对从整个顶冠表面14延伸向润滑油输送孔16内部的区域进行了类金刚石碳化处理，所以，即使凸轮5向表面处理层17施加剪切力，也能充分地阻止表面处理层17发生剥落。另外，在第一实施方式中，由于直径扩大部分16a被制成具有圆表面—即其被制成不带有角形的部分，所以，可防止当凸轮表面5a在气门挺柱7上滑动时产生很高的支承压力。
另外，在第一实施方式中，利用类金刚石碳化处理在顶冠表面14a上形成高硬度的表面处理层17之后，通过研磨工艺，将细微凹部制成其总面积为顶冠表面14a总面积的5％到30％。利用这些细微的凹穴，可降低顶冠表面14a与凸轮表面5a之间的摩擦阻力。因而，能将足够量的润滑油始终保留在多个细微的凹部中，从而，当凸轮表面5a在气门挺柱7上滑动时，可在顶冠表面14a与凸轮表面5a之间形成油膜。因此，能改善气门挺柱7的抗磨性，同时能进一步降低气门挺柱7的顶冠表面14a与凸轮5的凸轮表面5a之间的摩擦阻力。
图6表示了根据本发明的气门挺柱的第二实施方式，其与第一实施方式类似，区别只在于：位于围成润滑油输送孔16的上开口端部的环形部分或边缘上的直径扩大部分16a被制成锥形或具有锥台表面，而并非为圆表面。
也就是说，第二实施方式中的锥形直径扩大部分16a被制成一倒立的平截头圆锥体，其具有一基本上平面的表面，该平面在剖视图中为直线。在形成了锥形的直径扩大部分16a之后，对顶冠表面14a以及上述锥形直径扩大部分16a的表面执行类金刚石碳化处理。
因而，按照第二实施方式，可获得与第一实施方式相同的效果。此外，由于直径扩大部分16a被制成锥形或锥台形，从而，与第一实施方式中的情况相比，便于制造和加工，其中，在第一实施方式中，直径扩大部分16a的截面被制成圆形。
图7A和图7B表示了根据本发明的气门挺柱的第三实施方式，其与第一实施方式类似，区别在于：气门挺柱7顶冠部分14的顶冠表面14a为球面形，在剖面内，该球面具有很大的曲率半径。在该球形顶冠表面14a上，利用类金刚石碳化处理工艺形成高硬度的表面处理层17。
因而，按照第三实施方式，凸轮表面5a与表面处理层17的接触会形成一接触点P，所以可降低两者之间的滑动阻力。此外，如图7B所示，由于可通过调节凸轮5的倾斜度或凸轮轴4轴线的倾斜度来使点P处的法线接近轴线X，所以可降低气门挺柱7与小径膛孔1c的内壁之间的滑动阻力。
图8表示了根据本发明的气门挺柱的第四实施方式，该实施方式与第一实施方式类似，区别在于：气门挺柱7的主体是用铝合金制成的，以减轻重量，在该气门挺柱中，顶冠部分14上表面上制有一个圆形的凹部19，盘形的垫片20被容纳在该圆形凹部19中。
在圆形凹部19外周侧的某一位置处制有环形的油槽19a。此外，在沿油槽19a的圆周方向上在某一位置处制有油孔19b，润滑油流经该油孔19b，该油孔与油槽19a连通，并穿透了顶冠部分14的上壁。垫片20是用铁基金属制成的。在垫片20的某一位置处制有润滑油输送孔16，其位置对应于与油槽19a连通的油孔19b，且穿透了垫片20。此外，在围成了润滑油输送孔16的上开口端部的环形部分或边缘上制出了具有圆表面的直径扩大部分16a。另外，在与凸轮5滑动接触的垫片20顶面上，利用类金刚石碳化处理工艺形成表面处理层17。该表面处理层是在利用某些机加工工艺形成润滑油输送孔16和直径扩大部分16a之后、利用类金刚石碳化工艺形成的。表面处理层17被制成从直径扩大部分16a向润滑油输送孔16的内部延伸。
因而，按照第四实施方式，由于在制出了润滑油输送孔16和直径扩大部分16a之后形成了表面处理层17，所以可获得与第一实施方式相同的效果。
第P2004-226230号日本专利申请(于2004年8月3日提交)的全部内容都被结合到本申请中作为参考。
尽管上文参照特定的实施方式和实例对本发明进行了描述，但本发明并不限于上述的实施方式和实例。本领域技术人员在上述技术的启示下，可对这些实施方式和实例作出改动和变型。例如，气门挺柱上穿透的润滑油输送孔16可被用作气孔。本发明的原理也可被应用到排气阀一侧的气门挺柱上。另外，尽管在上文的描述中，在形成直径扩大部分16a之后，至少要进行类金刚石碳化处理，但成形和加工工艺并不限于上述的情况。
本发明的范围由后附的权利要求书限定。
Claims (20)
1.一种用于气门挺柱的成形及处理的方法，该方法包括步骤：
在气门挺柱的一位置处形成一个孔，在该位置处，凸轮与气门挺柱滑动地接触；
沿气门挺柱的边缘形成直径扩大部分，所述边缘限定了所述孔的一部分，并位于与凸轮滑动接触的一侧；以及
对气门挺柱上与凸轮滑动接触那一侧的整个表面进行表面处理。
2.根据权利要求1所述的成形及处理方法，其特征在于：对一个区域进行表面处理，该区域从与凸轮滑动接触的整个表面经直径扩大部分向孔的内部延伸，直径扩大部分沿气门挺柱的环形边缘形成。
3.根据权利要求1所述的成形及处理方法，其特征在于：直径扩大部分被制成在剖面内具有圆表面。
4.根据权利要求3所述的成形及处理方法，其特征在于：直径扩大部分的圆表面在剖面内的曲率半径在0.05mm到0.2mm的范围内。
5.根据权利要求1所述的成形及处理方法，其特征在于：直径扩大部分被制成锥形。
6.根据权利要求1所述的成形及处理方法，其特征在于：所述表面处理是类金刚石碳化处理。
7.根据权利要求6所述的成形及处理方法，其特征在于：在完成类金刚石碳化处理之后进行研磨处理。
8.根据权利要求1所述的成形及处理方法，其特征在于：气门挺柱的一顶冠表面被制成球面形。
9.根据权利要求1所述的成形及处理方法，其特征在于：在对气门挺柱上的顶冠表面以及裙部的内和外周面进行过表面处理之后，进行形成所述孔的操作。
10.根据权利要求1所述的成形及处理方法，其特征在于：所述孔是润滑油输送孔，且该孔在对气门挺柱执行冷锻的过程中制成。
11.根据权利要求1所述的成形及处理方法，其特征在于：在完成了热处理和表面抛光之后形成直径扩大部分，热处理和表面抛光是在制成孔之后进行的。
12.根据权利要求1所述的成形及处理方法，其特征在于：在完成了对气门挺柱的冲洗之后进行表面处理，冲洗操作是在形成了直径扩大部分之后进行的。
13.一种气门挺柱，其包括：
顶冠部分，在与凸轮滑动接触的位置上，该顶冠部分制有一个孔，该顶冠部分具有气门挺柱的边缘，该边缘限定了所述孔的一部分，沿该边缘形成直径扩大部分；
裙部，其与顶冠部分的外周边缘制成为一体；以及
表面处理层，其形成在与凸轮滑动接触的整个表面上并形成在从直径扩大部分向孔内部延伸的区域上。
14.根据权利要求13所述的气门挺柱，其特征在于：顶冠部分和裙部是用铁基金属制成的。
15.根据权利要求14所述的气门挺柱，其特征在于：在表面处理层上制有细微的凹部。
16.一种气门挺柱，其包括：
顶冠部分，其上制有圆形凹部和油孔，油孔被制成与凹部相通，从而将顶冠部分穿透；
裙部，其与顶冠部分的外周边缘制成为一体；
垫片，其被容纳在凹部中，且其上制有一个穿透垫片的孔，沿着限定一部分孔的边缘形成直径扩大部分；以及
表面处理层，其形成在与凸轮滑动接触的整个表面上并形成在从直径扩大部分向孔内部延伸的区域上。
17.根据权利要求16所述的气门挺柱，其特征在于：在表面处理层上制有细微的凹部。
18.根据权利要求16所述的气门挺柱，其特征在于：顶冠部分和裙部是用铝合金制成的，且垫片是用铁基金属制成的。
19.根据权利要求16所述的气门挺柱，其特征在于：环形的油槽被制成与凹部的内部连通，其中，油孔被制成与油槽的第一位置连通，以便穿透顶冠部分，其中，垫片中的孔被制在与油槽对应的第二位置处。
20.根据权利要求16所述的气门挺柱，其特征在于：所述孔是气孔，空气流经该孔。
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