專利名稱：冠狀輪廓的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種接觸元件，其被設(shè)置成可旋轉(zhuǎn)地安裝至配合部件 并且緊靠配合部件，所述接觸元件包括至少部分冠狀的接觸表面。"可 旋轉(zhuǎn)地安裝"意味著接觸元件能夠繞著一軸線轉(zhuǎn)動(dòng)至少一周的一部分， 因此，其包括可樞轉(zhuǎn)地安裝的接觸元件。
背景技術(shù)：
有時(shí)，接觸元件設(shè)置有冠狀接觸表面，其中所述接觸元件被設(shè)置 成可旋轉(zhuǎn)地或可樞轉(zhuǎn)地安裝至配合部件并且緊靠配合部件，以致與配 合部件之間發(fā)生滾動(dòng)接觸或滑動(dòng)接觸。冠狀接觸表面將壓力均勻地分 配至接觸表面上，防止在接觸表面的端部產(chǎn)生過(guò)高的接觸壓力。接觸 表面上接觸壓力的增加加速接觸表面的磨損、劃傷及剝蝕。這樣可能 導(dǎo)致接觸元件與其配合部件之間不穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)及滑動(dòng)，從而縮短了接 觸元件和配合部件的使用壽命，并且對(duì)包含所述件的任何系統(tǒng)的性能 及可靠性造成不利影響。
冠狀輪廓還補(bǔ)償接觸元件與其配合部件之間的小量未對(duì)準(zhǔn)，從而 抑制了由非平行接觸引起的接觸壓力增加。然而，如果由于制造和/或 裝配缺陷導(dǎo)致所述未對(duì)準(zhǔn)太大，那么采用冠狀接觸表面的優(yōu)勢(shì)將減少 或消失。
球形冠狀輪廓和對(duì)數(shù)冠狀輪廓是公知的。包括球形冠狀輪廓的接 觸元件在某一點(diǎn)接觸配合部件，大大減少了所述件之間的摩擦，但是 如果這樣的接觸元件過(guò)載，即如果在接觸點(diǎn)處的接觸壓力太高，那么 接觸元件可能變形以及損壞。采用對(duì)數(shù)冠狀輪廓減輕了這樣的問(wèn)題，
比如US6，390,685公開(kāi)的對(duì)數(shù)冠狀輪廓，因?yàn)榕c球形冠狀輪廓相比，對(duì)
4數(shù)冠狀輪廓增加了接觸元件和配合部件之間的接觸面積，因此，對(duì)于 給定的接觸力，減小了作用在接觸元件上的接觸壓力。然而，具有對(duì) 數(shù)冠狀輪廓的接觸元件難以制造。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種接觸元件，其被設(shè)置成相對(duì)于配合部件 運(yùn)動(dòng)，即滑動(dòng)或滾動(dòng)，并且該接觸元件包括在其至少一部分上具有冠 狀輪廓的接觸表面，g卩，如果不是整個(gè)接觸表面具有冠狀輪廓，那么 至少某一部分上具有冠狀輪廓，這樣有助于延長(zhǎng)接觸元件和配合部件 的使用壽命。
此目的通過(guò)具有這樣的冠狀輪廓的接觸元件實(shí)現(xiàn)，所述冠狀輪廓 通過(guò)函數(shù)Y(X)=AXB限定，其中Y是凸起量(crowning quantity)， X 是與接觸元件的接觸表面的中心之間的向外的橫向距離，A和B是實(shí) 數(shù)并且B大于2，(因?yàn)槿绻鸅等于2，冠狀輪廓將是球形)。術(shù)語(yǔ)"接 觸表面的中心"表示一個(gè)這樣的點(diǎn)，即，通過(guò)此點(diǎn)的線將二等分該接觸 表面。
與球形冠狀輪廓或?qū)?shù)冠狀輪廓相比，本發(fā)明的冠狀輪廓擴(kuò)大了 接觸元件和配合部件之間的接觸面積，這意味著包括這樣的冠狀輪廓 的接觸元件可以經(jīng)受更大的接觸力。本發(fā)明的冠狀輪廓還有助于在接 觸元件的接觸表面上維持更均勻的接觸壓力分布，其減少了接觸元件 的磨損，因此增加了接觸元件及其配合部件的使用壽命，導(dǎo)致系統(tǒng)具 有更高的可靠性。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，B小于20。接觸元件的接觸表面越寬， B越大。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，接觸元件由以下部件中的部分組成:
凸輪從動(dòng)件、搖臂、推桿、滾輪或滾針軸承，或承受接觸壓力、橫向力或在使用時(shí)未對(duì)準(zhǔn)的任何其他元件，比如被設(shè)置成開(kāi)啟和/或關(guān)閉開(kāi) 關(guān)的元件。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，接觸元件被設(shè)置成在其整個(gè)接觸表面 上具有本發(fā)明的冠狀輪廓，或者是被設(shè)置成只部分地具有冠狀輪廓，
即，其被設(shè)置成只在其接觸表面的一個(gè)或多個(gè)部分上具有冠狀表面。 例如，接觸元件的接觸表面可以被設(shè)置成在其中心位置具有基本上平 坦的部分，在其橫向端部處具有本發(fā)明的冠狀輪廓。
本發(fā)明還涉及一種包括根據(jù)本發(fā)明的任意一個(gè)實(shí)施例的接觸元件 的內(nèi)燃機(jī)。
本發(fā)明還涉及一種用于為接觸元件的接觸表面的至少一部分確定 最佳冠狀輪廓的方法，所述接觸元件被設(shè)置成可旋轉(zhuǎn)地安裝至配合部 件并且緊靠配合部件，從而與配合部件進(jìn)入滾動(dòng)接觸。所述方法包括 如下步驟選擇多個(gè)不同的A值和B值，其中B大于2;以及利用所
述A和B的值通過(guò)函數(shù)Y(X)=AXB限定多個(gè)冠狀輪廓。A和B的值可 以通過(guò)優(yōu)化方法確定，例如使用有限元分析。然后，所述方法包括如
下步驟對(duì)于給定的接觸力，確定具有各所述冠狀輪廓的接觸元件上 的總接觸壓力或最大接觸壓力；以及選擇出使接觸元件在使用時(shí)承受 的總接觸壓力或最大接觸壓力最小的冠狀輪廓。對(duì)于球形冠狀輪廓， 例如，可以采用赫茲理論(Hertz's theory)計(jì)算接觸壓力和面積，其得 出應(yīng)力、變形以及形成在兩接觸物體處的接觸面的形狀。赫茲應(yīng)力 (Hertzian stress)是一個(gè)這樣的公式，其將法向力與數(shù)個(gè)因子相結(jié)合， 比如實(shí)際接觸表面面積、配合件幾何結(jié)構(gòu)以及拋光表面的彈性模量。 對(duì)于具有本發(fā)明的冠狀輪廓的接觸元件，赫茲理論不能用于計(jì)算精確 的接觸壓力和面積，因?yàn)檫@樣的接觸元件沒(méi)有恒定的曲率半徑。然而， 對(duì)于具有本發(fā)明的冠狀輪廓的接觸元件，赫茲理論可以用于提供近似 的接觸壓力和面積。對(duì)于更精確的計(jì)算，應(yīng)當(dāng)采用有限元分析。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，除了對(duì)于給定的接觸力確定接觸元件 上的總接觸壓力或最大接觸壓力，取而代之的是，確定表征所述總壓 力或最大壓力的參數(shù)。例如，因?yàn)榻佑|表面上的某一點(diǎn)處的接觸壓力 取決于冠狀輪廓在該點(diǎn)的曲率半徑(在某點(diǎn)的曲率半徑越大，則接觸 壓力越低)，所以，對(duì)于各冠狀輪廓上的多個(gè)點(diǎn)，可以確定一個(gè)參數(shù)， 例如曲率半徑的總和，以便選擇出將使接觸元件在工作時(shí)承受的總接 觸壓力或最大接觸壓力最低的冠狀輪廓。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，B 是小于或等于20的實(shí)數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，通過(guò)將所選擇的B值和Ymax'值代 入公式71^'=力5義，"'，其中Xmax表示接觸元件的接觸表面的寬度的 一半，利用所選擇的B值和最大凸起量梯度(gradient)Ymax',即在最大 凸起量Ymax處的冠狀輪廓的導(dǎo)數(shù)(derivative)，并且由此計(jì)算A值，從 而確定A值的大小。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，Ymax'被設(shè)定成等于 在制造和/或裝配接觸元件和/或其配合部件時(shí)維持規(guī)定尺寸的條件下 所允許的最大允許偏差范圍，S卩，接觸元件和配合部件結(jié)構(gòu)的組成部 分的不同標(biāo)準(zhǔn)偏差的總和，其影響接觸元件和/或配合部件的對(duì)準(zhǔn)。
然而，要使影響接觸元件和/或配合部件位置的每個(gè)件都被制造和
/或裝配成使其正好處于最大允許公差范圍內(nèi)是不太可能的。因此，實(shí)
際上，與規(guī)定尺寸之間的偏差應(yīng)當(dāng)小于每個(gè)件的允許的偏差范圍的總
和。相應(yīng)地，在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，Ymax'被設(shè)定成等于在制造和
/或裝配接觸元件和/或其配合部件時(shí)維持規(guī)定尺寸的條件下的可能的
偏差范圍。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，所述在制造和/或裝配接觸元 件和/或其配合部件時(shí)維持規(guī)定尺寸的條件下所允許的所述最大或可能
的偏差范圍通過(guò)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，例如，通過(guò)查閱廠商目錄確定。
對(duì)于特定的應(yīng)用場(chǎng)合， 一旦已經(jīng)確定了最佳的冠狀輪廓，那么可 以制造出具有該最佳冠狀輪廓的接觸元件。接觸元件從而設(shè)置有平滑 的接觸表面，其補(bǔ)償任何未對(duì)準(zhǔn)量，或補(bǔ)償預(yù)定的接觸元件與其配合部件的允許的未對(duì)準(zhǔn)量。因此，本發(fā)明的冠狀輪廓防止了由于這樣的 未對(duì)準(zhǔn)所引起的過(guò)大的邊緣載荷，這是因?yàn)樗堰m合于考慮到了接觸 元件和配合部件之間的所有的或最可能的傾斜位置的給定的幾何結(jié)
構(gòu)。因此，取決于Ymax'是否被設(shè)定成等于在制造和/或裝配接觸元件 和/或其配合部件時(shí)維持規(guī)定尺寸的條件下的最大或可能的偏差范圍， 按用戶要求制做的冠狀輪廓對(duì)制造和/或裝配公差不敏感或敏感性較 低。換句話說(shuō)，即使在使用之前或在使用期間，具有本發(fā)明的輪廓的 接觸元件變得與其配合部件未對(duì)準(zhǔn)，接觸壓力的增加也將得到抑制， 并且將防止接觸元件和配合部件的接觸表面損壞，因此，維持了包括 所述接觸元件和配合部件的比如內(nèi)燃機(jī)的系統(tǒng)的性能。
本發(fā)明還涉及一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包含計(jì) 算機(jī)程序編碼裝置，所述計(jì)算機(jī)程序編碼裝置被設(shè)置成使計(jì)算機(jī)或處 理器執(zhí)行存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)或載波上的根據(jù)本發(fā)明的任意一個(gè)實(shí) 施例的方法的至少一個(gè)步驟。


下面將參照附圖通過(guò)非限制性的實(shí)例進(jìn)一步描述本發(fā)明，其中
圖1示意性地示出了雙搖臂，比如公開(kāi)于WO2004/042215中的雙
搖臂，其包括根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的接觸元件，
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的冠狀輪廓，
圖3是比較本發(fā)明的冠狀輪廓和兩個(gè)根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的冠狀輪廓的
曲線圖，以及
圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的接觸元件。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了 WO2004/042215中公開(kāi)的搖臂機(jī)構(gòu)，其通過(guò)具有凸輪 凸起部11的凸輪軸IO驅(qū)動(dòng)。隨著凸輪軸IO旋轉(zhuǎn)，凸輪凸起部11驅(qū)動(dòng) 搖臂12，所述搖臂12可旋轉(zhuǎn)地安裝在軸13上。搖臂12包括第一凸輪 從動(dòng)件接觸元件，其具體形式為搖臂滾輪15，所述搖臂滾輪15可旋轉(zhuǎn)地安裝在軸19上，并且包括冠狀接觸表面20，所述冠狀接觸表面20 通常與凸輪凸起部11相互作用以操作氣門，比如內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣門或排 氣門，從而開(kāi)啟及關(guān)閉氣門。搖臂還設(shè)置有具體形式為指狀元件14的 第二凸輪從動(dòng)件，其可旋轉(zhuǎn)地安裝在軸18上，即樞軸上，并且其包括 接觸元件16，所述接觸元件16具有冠狀接觸表面20，所述冠狀接觸 表面20可以被制造成通過(guò)利用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)17運(yùn)動(dòng)至有效位置(如 圖1所示)而與凸輪凸起部11相互作用。
接觸元件16和滾輪15根據(jù)本發(fā)明而設(shè)計(jì)，并且其可以由鋼、例 如氮化硅的陶瓷或任何其他適當(dāng)?shù)牟牧现瞥?，或鍍有前述材料。接觸 元件16和滾柱15的冠狀接觸表面20減小了凸輪軸IO和搖臂12之間 的壓力以及凸輪軸IO和搖臂從動(dòng)件14之間的壓力。這樣減少了接觸 元件16以及滾柱15與凸輪凸起部11的接觸表面的磨損，因此增加這 些件的使用壽命。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在與配合部件平行接觸時(shí)，與球形冠狀 輪廓相比，具有本發(fā)明的冠狀輪廓的接觸元件使接觸元件的接觸表面 上的接觸壓力減小30%。
為了確保接觸元件15、 16和凸輪凸起部11之間的良好的對(duì)準(zhǔn)，
搖臂12和搖臂從動(dòng)件14必須被制造并裝配至規(guī)定尺寸。例如，第一
孔必須垂直于搖臂從動(dòng)件14的表面來(lái)鉆削，以便將搖臂從動(dòng)件安裝至
軸18上；第二孔必須垂直于搖臂12的表面來(lái)鉆削，以便將搖臂12安
裝至軸13上，等等。如果這些孔中的各孔與其理想位置之間的允許標(biāo)
準(zhǔn)差分別是。i和0 2，那么，Ymax，(最大凸起梯度)被設(shè)定成等于這
些孔的標(biāo)準(zhǔn)差與制造和/或裝配影響接觸元件15、 16和凸輪凸起部11
的對(duì)準(zhǔn)的所有其他件的標(biāo)準(zhǔn)差的總和，即Ymax'被設(shè)定成等于 <formula>formula see original document page 9</formula>可選地，Ymax'被設(shè)定成等于制造和/或裝配影響接觸元
件16和凸輪凸起部11的對(duì)準(zhǔn)的所有件的二次平均值或RMS值(均方 根)。通過(guò)計(jì)算單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的二次方的平均值的平方根確定RMS值，圖2示出了本發(fā)明的冠狀輪廓22，其中X是與接觸元件20的接 觸表面的中心0之間的距離(毫米)。Y是凸起量(毫米)。Xmax對(duì)應(yīng) 于接觸表面的寬度的一半，即Xmax限定了接觸表面上的一個(gè)端點(diǎn)。通 過(guò)函數(shù)Y(XhAXB定義冠狀輪廓22，其中A和B是實(shí)數(shù)并且B大于2。 如果在工作過(guò)程中承受橫向力或由于制造和/或裝配缺陷承受橫向力， 那么具有這樣的冠狀輪廓的接觸元件可能不在其中心點(diǎn)o接觸其配合
部件。接觸元件與其配合部件之間的接觸區(qū)域與接觸元件的中心點(diǎn)0 越近，則接觸壓力越低，這是因?yàn)樵诠跔钶喞行狞c(diǎn)0處冠狀輪廓22 的曲率半徑最大。
圖3是示出了本發(fā)明的冠狀輪廓22、球形冠狀輪廓24和對(duì)數(shù)冠 狀輪廓26的曲線圖。對(duì)于球形冠狀輪廓24來(lái)說(shuō)，在接觸元件的大部 分接觸表面上，凸起量很大，因此，接觸元件與其配合部件之間的凈 接觸面積很小。由此導(dǎo)致在接觸區(qū)域處接觸壓力增加，因此，加速了 接觸元件與其配合部件的磨損。對(duì)數(shù)冠狀輪廓26減輕了這一問(wèn)題，但 是，其對(duì)制造和/或裝配公差的影響較為敏感。與已知的冠狀輪廓相比， 本發(fā)明的冠狀輪廓22具有更平坦的中心部，其減少了接觸表面的中心 部上的接觸壓力。本發(fā)明的冠狀輪廓逐漸地減少接觸表面的兩端部處 的接觸壓力，并且較不易受制造和裝配公差的影響，這是因?yàn)樵诖_定 冠狀輪廓22時(shí)考慮到了制造和裝配公差。
圖4示意性地描繪了搖臂滾輪15，所述搖臂滾輪15包括用于軸 19的孔28。滾柱15的接觸表面具有由函數(shù)Y(X一AXB限定的冠狀輪 廓22。
實(shí)例
為了為具有寬度為2X^x的接觸表面的接觸元件16計(jì)算最佳冠狀 輪廓22，從2 — 20中選擇出多個(gè)B值。確定在制造和/或裝配接觸元件 時(shí)維持規(guī)定尺寸的條件下所允許的最大允許的偏差范圍Ymax'，下面 的公式用于相對(duì)于各B值確定A值。<formula>formula see original document page 11</formula>對(duì)于各組A值和B值，可以隨后使用下列函數(shù)限定冠狀輪廓
Y=AXB
然后，利用赫茲理論估算在具有這樣的冠狀輪廓的接觸表面上產(chǎn) 生的總接觸壓力或最大接觸壓力，或者采用有限元分析計(jì)算所述總接 觸壓力或最大接觸壓力。
然后，挑選出導(dǎo)致在接觸元件的接觸表面上產(chǎn)生的總接觸壓力或 最大接觸壓力最低的冠狀輪廓，作為用于接觸元件的最佳冠狀輪廓， 其中，所述接觸元件用于具體的應(yīng)用場(chǎng)合。
對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在權(quán)利要求的范圍內(nèi)對(duì)本發(fā)明進(jìn) 行進(jìn)一步的修改將是顯而易見(jiàn)的。需要指出的是，接觸元件可以包括 多個(gè)接觸表面，為此，各接觸表面被設(shè)置成接觸相應(yīng)的配合表面或配 合部件。
權(quán)利要求
1. 接觸元件(15，16)，其被設(shè)置成相對(duì)于配合部件(11)運(yùn)動(dòng)，即滑動(dòng)或滾動(dòng)，并且該接觸元件包括在其至少一部分上具有冠狀輪廓(22)的接觸表面，其特征在于冠狀輪廓(22)通過(guò)函數(shù)Y(X)＝AXB限定，其中Y是凸起量，X是與接觸元件(16)的接觸表面的中心之間的距離，A和B是實(shí)數(shù)并且B大于2。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸元件(15， 16)，其特征在于B 小于或等于20。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的接觸元件(15， 16)，其特征在于 它由下列部件中的部分組成凸輪從動(dòng)件(14)、搖臂(12)、推桿或 在使用時(shí)承受接觸壓力的任何其他件。
4. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的接觸元件(16)，其特征 在于它被設(shè)置成在其接觸表面(20)的橫向端部處具有所述冠狀輪 廓(22)。
5. 內(nèi)燃機(jī)，其特征在于它包括根據(jù)權(quán)利要求l一4中任何一項(xiàng) 所述的接觸元件(15， 16)。
6. 用于為接觸元件(16)的接觸表面中至少一部分確定冠狀輪廓 (22)的方法，其中所述接觸元件(16)被設(shè)置成可旋轉(zhuǎn)地安裝至配合部件(11)并緊靠配合部件(11)，從而與配合部件進(jìn)入滾動(dòng)接觸， 所述方法的特征在于它包括下列步驟a) 選擇多個(gè)不同的A值和B值，其中B大于2，b) 使用所述A和B的值利用函數(shù)Y(X)=AXB限定多個(gè)冠狀輪廓 (22)，c) 確定對(duì)于給定的接觸力的具有各所述冠狀輪廓(22)的接觸元件(16)上的總接觸壓力或最大接觸壓力，或者確定表征它們的參數(shù)， 以及d)選擇將使所述接觸元件(16)承受的總接觸壓力或最大接觸壓 力最低的冠狀輪廓。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于B小于或等于20。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于方法步驟a)包 括下列步驟-選擇多個(gè)B值，以及-對(duì)于各B值使用公式Y(jié)隨^ABX蘭b"1確定A值，其中X醒表示 接觸元件(16)的接觸表面的寬度的一半，Y^x'表示最大冠狀輪廓梯度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于YmJ被設(shè)定成等于 在制造和/或裝配接觸元件(16)時(shí)維持規(guī)定尺寸的條件下所允許的最 大允許偏差范圍。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于YmJ被設(shè)定成等 于在制造和/或裝配接觸元件(16)時(shí)維持規(guī)定尺寸的條件下的可能的 偏差范圍。
11. 一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其特征在于其包括包含計(jì)算機(jī)程序 的計(jì)算機(jī)程序編碼裝置，所述計(jì)算機(jī)程序編碼裝置被設(shè)置成使計(jì)算機(jī) 或處理器執(zhí)行存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)或載波上的根據(jù)權(quán)利要求6—10 中任何一項(xiàng)所述的方法中的至少一個(gè)步驟。
全文摘要
一種接觸元件(16)，其被設(shè)置成相對(duì)于配合部件(11)運(yùn)動(dòng)，即滑動(dòng)或滾動(dòng)，并且，該接觸元件包括位于其至少一部分上的具有冠狀輪廓(22)的接觸表面。冠狀輪廓(22)由函數(shù)Y(X)＝AX^B限定，其中Y是凸起量，X是與接觸元件(16)的接觸表面的中心之間的距離，A和B是實(shí)數(shù)并且B大于2。
文檔編號(hào)F01L1/18GK101305165SQ200580051999
公開(kāi)日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2005年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月3日
發(fā)明者馬格納斯·古斯塔夫松 申請(qǐng)人:沃爾沃拉斯特瓦格納公司