JP2009515109A

JP2009515109A - クラウニング輪郭

Info

Publication number: JP2009515109A
Application number: JP2008538842A
Authority: JP
Inventors: グスタフソン，マグナス
Original assignee: ボルボラストバグナーアーベー
Priority date: 2005-11-03
Filing date: 2005-11-03
Publication date: 2009-04-09
Also published as: EP1945915A4; CN101305165B; BRPI0520667A2; EP1945915A1; US20100138020A1; WO2007053070A1; CN101305165A

Abstract

相手部材（１１）に対して追従する、すなわちスライドまたはロールするように配置される接触エレメント（１６）であって、そのエレメントの少なくとも一部分にクラウニング輪郭（２２）を有する接触面を備える接触エレメント（１６）。前記クラウニング輪郭（２２）は、関数Ｙ（Ｘ）＝ＡＸ^Ｂにより形成され、Ｙはクラウニング量であり、Ｘは前記接触エレメント（１６）の前記接触面の中心からの距離であり、ＡとＢは実数であり、且つＢは２よりも大きい。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転自在に取付けられ、かつ前記相手部材へ当接するように配置される接触エレメントに関し、上述の接触エレメントは、少なくとも部分的にクラウニングされた接触面を備える。「回転自在に取付けられる」とは、接触エレメントが、軸の回りの１回転の少なくとも一部分を通して回ることができることを意味するものであり、かくして回動自在に取付けられる接触エレメントを包含する。

相手部材と転がりまたは滑り接触するように、回転自在または回動自在に取付けられ、かつ相手部材へ当接するように配置される接触エレメントには、クラウニングされた接触面が設けられるときがある。クラウニングされた接触面は、接触面にわたり均一に圧力を分布し、過大に高い接触圧が、接触面の端部に生じるのを防止する。接触面上の接触圧が増加すると、接触面の磨耗、摩滅および剥離が加速される。これは、相手部材を通しての接触エレメントの不安定な回転と横滑りを生じる恐れがあり、その結果、接触エレメントと相手部材の両方の実用寿命が減少し、かつ上述の構成部材を含むシステムの性能と信頼性に悪影響する。

クラウニングは、相手部材との接触エレメントの僅かな不整合を補償し、それにより、非平行接触から生じる接触圧の増加を抑制する。しかしながら、製造および／または組立の不完全により上述の不整合が大きすぎるならば、クラウニングされた接触面の利点は、減少または無くされる。

球形と対数の両方のクラウニング輪郭が知られている。球形クラウニング輪郭を備える接触エレメントは、１点で相手部材と接触するので、上述の構成部材間の摩擦が大幅に減少するが、そのような接触エレメントが過負荷にされるならば、すなわち接触点での接触圧が高すぎるならば、接触エレメントは、変形し破壊される恐れがある。そのような問題は、特許文献１に開示されるもののように、対数クラウニング輪郭を使用して緩和される。というのは、対数クラウニング輪郭は、球形クラウニング輪郭と比べて、接触エレメントと相手部材との間の接触部位を増加し、その結果、一定の接触圧に対して接触エレメント上の接触圧を減少するからである。しかしながら、対数クラウニング輪郭を有する接触エレメントは、製作が難しい。

米国特許第６，３９０，６８５号明細書（ＵＳ６，３９０，６８５）国際公開第２００４／０４２２１５号パンフレット（ＷＯ２００４／０４２２１５）

本発明の目的は、相手部材に対して追従する、すなわちスライドまたはロールするように配置される接触エレメントであって、接触面の全体がクラウニング輪郭を有しないとしても、そのエレメントの少なくとも一部分に、すなわち少なくとも部分的にクラウニング輪郭を有し、接触エレメントと相手部材の実用寿命を延ばすのに役立つ接触面を備える接触エレメントを提供することにある。

この目的は、関数Ｙ（Ｘ）＝ＡＸ^Ｂにより形成されるクラウニング輪郭を有する接触エレメントにより達成され、ここにＹはクラウニング量であり、Ｘは接触エレメント外面の接触面の中心からの横方向距離であり、ＡとＢは実数であり、且つＢは２よりも大きい（というのは、Ｂが２に等しいならば、クラウニング輪郭は球形であろうからである）。用語「接触面の中心」とは、線が接触面を二分する点を意味するものである。

本発明のクラウニング輪郭は、球形または対数のクラウニング輪郭と比べて、接触エレメントと相手部材との間の接触部位を拡大し、このことは、そのようなクラウニング輪郭を備える接触エレメントが、より大きい接触力に耐えることができることを意味する。本発明のクラウニング輪郭はまた、接触エレメントの接触面上に一層均一な接触圧分布を維持するのに役立ち、接触エレメントの磨耗を低減し、かくして接触エレメントと相手部材の両方の実用寿命を延ばすので、向上された信頼性を有するシステムが生じる。

本発明の実施態様によれば、Ｂは２０未満である。接触エレメントの接触面が広い程、Ｂの大きさが大きくなる。

本発明の別の実施態様によれば、接触エレメントは、スイッチを開閉するように配置される構成部材のような、使用中に接触圧、横方向圧、または不整合を受ける、カムフォロア、揺動アーム、プッシュロッド、ローラベアリングまたはニードルベアリング、もしくは、他の構成部材の、一部分を構成する。

本発明の実施態様によれば、接触エレメントは、その接触面の全体上に本発明のクラウニング輪郭を有するように配置されるか、または部分的なクラウニングのみを有するように、すなわちその接触面の１箇所以上の部分のみにクラウニングされた面を有するように配置される。たとえば、接触エレメントの接触面は、その中心にほぼ平坦な部分、およびその横方向端部に本発明のクラウニング輪郭を有するように配置できるであろう。

本発明は、本発明の実施態様のいずれかに従う接触エレメントを備える内燃機関にも関する。

本発明は、相手部材と転がり接触するように、回転自在に取付けられ、かつ相手部材へ当接するように配置される接触エレメントの接触面の少なくとも一部分用の最適クラウニング輪郭を求める方法にも関する。その方法は、ＡとＢの複数の異なる値を選択するステップであって、ここにＢは２よりも大きい、ステップと、および上述のＡとＢの値を使用する関数Ｙ（Ｘ）＝ＡＸ^Ｂを使用して複数のクラウニング輪郭を形成するステップとを含む。ＡとＢの値は、たとえば、有限要素解析を使用する最適化の手段により求めてもよい。その方法は、ついで一定の接触力に対して、上述のクラウニング輪郭のそれぞれを有する接触エレメント上の合計または最大の接触圧を求めるステップと、および使用中に接触エレメントに最小の合計または最大の接触圧を受けさせるクラウニング輪郭を選択するステップと、を含む。球形クラウニング輪郭の場合、接触圧と接触部位は、応力、変形をもたらすヘルツの理論と、および２個の接触体間に形成される界面の形状とを使用して計算してもよい。ヘルツの応力は、実際の接触表面積、相手構成部材の幾何学的形状、および表面仕上げの弾性係数のような因子で法線力を組込む式である。ヘルツの理論は、本発明のクラウニング輪郭を有する接触エレメント用の正確な接触圧と接触部位の計算には使用できない。何故ならば、そのような接触エレメントは、接触曲率半径を有しないからである。しかしながら、ヘルツの理論は、本発明のクラウニング輪郭を有する接触エレメント用の近似の接触圧と接触部位を求めるのに使用できる。一層正確な計算の場合は、有限要素解析を使用すべきである。

本発明の実施態様によれば、一定の接触力に対して接触エレメント上の合計または最大の接触圧を求めないで、上述の合計または最大の圧力を示すパラメータが代わりに求められる。たとえば、接触面上の点における接触圧は、その点におけるクラウニング輪郭の曲率半径に依存するので（それにより、１点における曲率半径が大きくなる程、接触圧が低くなる）、それぞれのクラウニング輪郭上の複数の点についての曲率半径の合計のようなパラメータを、使用中に接触エレメントに最小の合計または最大の接触圧を受けさせるクラウニング輪郭を選択するために、求めることができるであろう。本発明の実施態様によれば、Ｂは、２０未満または２０に等しい実数である。

本発明の別の実施態様によれば、Ａ値の大きさは、選択されたＢ値と、および最大クラウニング量勾配、Ｙ_ｍａｘ’、すなわち、最大クラウニング量、Ｙ_ｍａｘにおけるクラウニング輪郭の導関数とを使用して、選択されたＢ値とＹ_ｍａｘ’値を、式Ｙ_ｍａｘ’＝ＡＢＸ_ｍａｘ ^Ｂ−１に入れることにより、ここにＸ_ｍａｘは接触エレメントの接触面の幅の半分であり、およびその式からＡ値を計算して求められる。本発明の他の実施態様によれば、Ｙ_ｍａｘ’は、接触エレメントおよび／またはその相手部材の製造および／または組立について規定された寸法の維持において許される最大許容変動範囲に等しく設定され、すなわち、接触エレメントおよび／または相手部材の整合に影響する、接触エレメントと相手部材の配置の構成部材の種々の標準偏差の合計に等しく設定される。

しかしながら、接触エレメントおよび／または相手部材の位置に影響するそれぞれの構成部材が、最大許容公差内に丁度あるように製造および／または組立てられるとは思われない。したがって、規定された寸法からの変動は、実際には、それぞれの構成部材の変動の許容範囲の合計未満である筈である。それに応じて、本発明の他の実施態様において、Ｙ_ｍａｘ’は、接触エレメントおよび／または相手部材の製造および／または組立について規定された寸法の維持における推定変動範囲に等しく設定される。本発明の別の実施態様によれば、接触エレメントおよび／またはその相手部材の製造および／または組立について規定された寸法の維持に許される最大または推定の変動範囲は、たとえば、製造業者のカタログを参照して経験的に求められる。

特定の用途に対する最適クラウニング輪郭が一旦求められると、その最適クラウニング輪郭を有する接触エレメントを製造してもよい。それにより、その接触エレメントには、接触エレメントおよびその相手部材の不整合の量、または不整合の所定の許容量を補償する平滑な接触面が設けられる。その結果、本発明のクラウニング輪郭は、そのような不整合により生じる過大な縁部負荷が防止される。というのは、その輪郭が、接触エレメントと相手部材の予想される傾斜位置の全てまたは大部分を考慮して、一定の幾何学的形状に適応されているからである。したがって、特注のクラウニング輪郭は、Ｙ_ｍａｘ’が、接触エレメントおよび／またはその相手部材の製造および／または組立について規定された寸法の維持における最大または推定の変動範囲に等しく設定されるかに応じて、製造および／または組立の公差に影響されないか、または影響されにくい。言い換えれば、本発明の輪郭を有する接触エレメントが、製造および／または組立の不完全によりその使用前または使用中にその相手部材と不整合になる場合でも、接触圧の増加が抑制され、かつ接触エレメントと相手部材の接触面への損傷が防止され、かくして、上述の接触エレメントと相手部材を備える内燃機関のようなシステムの性能が維持される。

本発明はさらに、コンピュータ読取り可能媒体または搬送波に格納される、本発明の実施態様のいずれかに記載の方法のステップの少なくとも１つをコンピュータまたはプロセッサに実行させるように配置されるコンピュータプログラムコード手段を含むコンピュータプログラムに関する。

以下に本発明を、添付図面を参照して非限定実施例の手段によりさらに説明する。

図１には、特許文献２から知られる揺動アーム機構が示され、その機構は、カムローブ（カムの丸い突出部分）１１を有するカムシャフト１０により作動される。カムシャフト１０が回転すると、カムローブ１１は、シャフト１３上に回転自在に取付けられる揺動アーム１２を作動する。揺動アーム１２は、シャフト１９上に回転自在に取付けられる揺動アームローラ１５の形態の第１のカムフォロア接触エレメントを備え、その接触エレメントは、内燃機関の吸気弁または排気弁のような弁を開閉するように作動するために、カムローブ１１と通常相互作用するクラウニングされた接触面２０を備える。揺動アームには、シャフト１８、すなわち、回動軸上に回転自在に取付けられる指状部１４の形態の第２のカムフォロアも設けられ、そのカムフォロアには、接触エレメント１６が備えられ、そのエレメントは、油圧アクチュエータ１７の手段により作動位置（図１に示される）まで移動することにより、カムローブ１１と相互作用できるクラウニングされた接触面２０を備える。

接触エレメント１６とローラ１５は、本発明に従って設計され、および鋼、窒化珪素のようなセラミック、または他の適切な材料から製造できるか、またはそれらの材料で被覆できる。接触エレメント１６とローラ１５のクラウニングされた接触面２０は、カムシャフト１０と揺動アーム１２との間、およびカムシャフト１０と揺動アームフォロア１４との間の接触圧を最小にする。これにより、接触エレメント１６とローラ１５およびカムローブ１１の接触面の磨耗が減少し、かくして、これらの構成部材の実用寿命が増加する。本発明のクラウニング輪郭を有する接触エレメントは、接触エレメントの接触面上の接触圧が、球形クラウニング輪郭に比べて相手部材との平行接触で３０％だけ減少することが判明している。

接触エレメント１５、１６およびカムローブ１１との間の良好な整合を確保するために、揺動アーム１２と揺動アームフォロア１４を、規定された寸法通りに製造および組立てる必要がある。たとえば、揺動アームフォロアをシャフト１８上に取付けるために、第１の孔を揺動アームフォロア１４の表面に直角に孔あけする必要があるし、および揺動アームをシャフト１３などに取付けるために、第２の孔を揺動アーム１２の表面に直角に孔あけする必要がある。これらの孔のそれぞれの、その最適位置からの許容される標準偏差が、それぞれσ_１およびσ_２であるならば、最大クラウニング量勾配、Ｙ_ｍａｘ’は、これらの孔の標準偏差と、および製造および／または組立が接触エレメント１５、１６とカムローブ１１の整合に影響する他の構成部材全ての標準偏差との合計に等しく設定され、すなわちＹ_ｍａｘ’は、Σσ_１＋σ_２＋．．．ｅｔｃに等しく設定される。代わりに、Ｙ_ｍａｘ’は、製造および／または組立が接触エレメント１６とカムローブ１１の整合に影響する構成部材全ての二次平均値、すなわちＲＭＳ値（二乗平均平方根値）に等しく設定される。ＲＭＳ値は、個別の標準偏差の二乗の平均の平方根を計算することにより求められ、すなわちＹ_ｍａｘ’は、下記の式に等しく設定される。

図２は、本発明のクラウニング輪郭２２を示し、ここにＸは接触エレメント２０の接触面の中心０からの距離（ｍｍ）であり、Ｙはクラウニング量（ｍｍ）であり、Ｘ_ｍａｘは接触面の幅の半分に対応し、すなわちＸ_ｍａｘは接触面の端部点を定義する。クラウニング輪郭２２は、関数Ｙ（Ｘ）＝ＡＸ^Ｂにより形成され、ここにＡとＢは実数であり、且つＢは２よりも大きい。そのようなクラウニング輪郭を有する接触エレメントは、使用中に、または製造および／または組立の不完全により横方向力を受けるならば、その中心点０においてその相手部材と接触しないかもしれない。接触エレメントとその相手部材との間の接触部位が接触エレメントの中心点０に近づく程、接触圧が低くなる。というのは、クラウニング輪郭２２の曲率半径が、クラウニング中心点０において最大であるからである。

図３は、本発明のクラウニング輪郭２２、球形クラウニング輪郭２４、および対数クラウニング輪郭２６を示すグラフである。球形クラウニング輪郭２４の場合、クラウニング量は、接触エレメントの接触面の大部分にわたり非常に大きく、その結果、接触エレメントとその相手部材との間の実際の接触部位は非常に小さい。これにより、接触部位における接触圧の増加が生じ、その結果、接触エレメントとその相手部材の磨耗が加速される。対数クラウニング輪郭２６は、この問題を緩和するが、製造および／または組立の公差に影響されやすい。本発明のクラウニング輪郭２２は、既知のクラウニング輪郭に比べて一層平坦な中心点を有し、接触面の中央部分上の接触圧を減少する。本発明のクラウニング輪郭は、接触面の２つの端部における接触圧を徐々に減少し、製造と組立の公差に影響されにくい。というのは、クラウニング輪郭２２が、製造と組立の公差を考慮して求められるからである。

図４は、シャフト１９用の孔２８を備える揺動アームローラ１５を概略図示する。ローラ１５の接触面は、関数Ｙ（Ｘ）＝ＡＸ^Ｂにより形成されるクラウニング輪郭２２を有する。

幅２Ｘ_ｍａｘの接触面を有する接触エレメント１６に対する最適クラウニング輪郭２２を計算するために、２乃至２０の複数の値Ｂが選択される。接触エレメントの製造および／または組立について規定された寸法の維持において許される最大許容変動範囲、Ｙ_ｍａｘ’が求められ、および下記の式が、それぞれのＢ値に対応するＡ値を求めるのに使用される。
Ｙ_ｍａｘ’＝ＡＢＸ_ｍａｘ ^Ｂ−１
ついで、ＡとＢ値のそれぞれの組についてのクラウニング輪郭を、下記の関数を使用して形成できる。
Ｙ＝ＡＸ^Ｂ

ついで、そのようなクラウニング輪郭を有する接触面上に生じる合計または最大の接触圧は、ヘルツの理論を使用して近似化されるか、または有限要素解析を使用して計算される。

ついで、特定の用途に意図される接触エレメントの接触面上に生じる最小の合計または最大の接触圧をもたらすクラウニング輪郭が、その接触エレメント用の最適クラウニング輪郭として選択される。

請求範囲内の本発明の別の変形態様は、当業者にとり明らかであろう。接触エレメントは、複数の接触面を備えることができ、それにより、接触面のそれぞれが、対応する相手面または相手部材と接触するように配置されることに留意すべきである。

本発明の実施態様に従う接触エレメントを備える、特許文献２に開示されるもののような二重揺動アームを概略示す図である。本発明の実施態様に従うクラウニング輪郭を図示する図である。本発明のクラウニング輪郭を従来技術に従う２種類のクラウニング輪郭と比較したグラフである。本発明の実施態様に従う接触エレメントを概略図示する図である。

Claims

相手部材（１１）に対して追従する、すなわちスライドまたはロールするように配置される接触エレメント（１５、１６）であって、そのエレメントの少なくとも一部分にクラウニング輪郭（２２）を有する接触面を備える接触エレメント（１５、１６）において、前記クラウニング輪郭（２２）は、関数Ｙ（Ｘ）＝ＡＸ^Ｂにより形成され、ここにＹはクラウニング量であり、Ｘは前記接触エレメント（１６）の前記接触面の中心からの距離であり、ＡとＢは実数であり、且つＢは２よりも大きいことを特徴とする、接触エレメント（１５、１６）。
Ｂは、２０未満または２０に等しいことを特徴とする、請求項１に記載の接触エレメント（１５、１６）。
カムフォロア（１４）、揺動アーム（１２）、プッシュロッド、または使用中に接触圧を受ける他の構成部材の、一部分を構成することを特徴とする、請求項１または２に記載の接触エレメント（１５、１６）。
接触面（２０）の横方向端部に前記クラウニング輪郭（２２）を有するように配置されることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の接触エレメント（１６）。
請求項１乃至４のいずれかに記載の接触エレメント（１５、１６）を備えることを特徴とする、内燃機関。
相手部材（１１）と転がり接触するように、回転自在に取付けられ、かつ前記相手部材へ当接するように配置される接触エレメント（１６）の接触面の少なくとも一部分用のクラウニング輪郭（２２）を求める方法であって、
ａ）ＡとＢの複数の異なる値を選択するステップであって、Ｂは２よりも大きいステップと、
ｂ）前記のＡとＢの値を使用する関数Ｙ（Ｘ）＝ＡＸ^Ｂを使用して複数のクラウニング輪郭（２２）を形成するステップと、
ｃ）一定の接触力、またはその接触力を示すパラメータラインに対して、前記クラウニング輪郭（２２）のそれぞれを有する接触エレメント（１６）上の合計または最大の接触圧を求めるステップと、
ｄ）前記接触エレメント（１６）に最小の合計または最大の接触圧を受けさせる前記クラウニング輪郭を選択するステップと、を含むことを特徴とする方法。
Ｂは、２０未満または２０に等しいことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
前記方法のステップａ）は、
複数の値Ｂを選択するステップと、
式Ｙ_ｍａｘ’＝ＡＢＸ_ｍａｘ ^Ｂ−１を使用してそれぞれの値Ｂに対応する値Ａを求めるステップであって、Ｘ_ｍａｘは接触エレメント（１６）の接触面の幅の半分であり、Ｙ_ｍａｘ’は最大クラウニング勾配であるステップと、を含むことを特徴とする、請求項６または７に記載の方法。
Ｙ_ｍａｘ’は、接触エレメント（１６）の製造および／または組立について規定された寸法の維持において許される最大許容変動範囲に等しく設定されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
Ｙ_ｍａｘ’は、接触エレメント（１６）の製造および／または組立について規定された寸法の維持における推定変動範囲に等しく設定されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
コンピュータ読取り可能媒体または搬送波に格納される、請求項６乃至１０のいずれかに記載の方法のステップの少なくとも１つをコンピュータまたはプロセッサに実行させるように配置されるコンピュータプログラムコード手段を含むコンピュータプログラムを備えることを特徴とする、コンピュータプログラムプロダクト。