改善耐磨性的摇臂轴及包括该摇臂轴的摇臂轴套筒组件
阅读：122发布：2020-05-11
专利汇可以提供改善耐磨性的摇臂轴及包括该摇臂轴的摇臂轴套筒组件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及 摇臂 轴 （rocker arm shaft）及包括摇臂轴和包围上述摇臂轴的摇臂套筒的摇臂轴套筒组件，在上述摇臂轴的表面上形成有进行了 微细加工 的凹凸，从而润滑特性优秀，其结果 耐磨性 优秀。，下面是改善耐磨性的摇臂轴及包括该摇臂轴的摇臂轴套筒组件专利的具体信息内容。
1.一种摇臂轴（10），其收纳于摇臂套筒（11）内，并以润滑剂为媒介与上述摇臂套筒（11）进行相对运动，从而使摇臂（6）能够进行往返运动，该摇臂轴（10）的特征在于，在与上述摇臂套筒（11）接触的摇臂轴（10）的外表面（20）中的至少一部分上形成有多个槽形状的凹凸（21）。
2.根据权利要求1所述的摇臂轴（10），其特征在于，
上述凹凸（21）以在将上述摇臂（6）为媒介连接的阀打开50%时与摇臂套筒（11）发生最大线接触载荷的摇臂轴（10）的相应部分（30）为中心形成于两侧，
形成上述凹凸的部位形成在与以产生上述最大线接触载荷的部分（30）为中心而中心角为72°～180°的扇形的弧相当的部分上。
3.根据权利要求1所述的摇臂轴（10），其特征在于，
上述摇臂轴（10）的外表面（20）中的形成有上述凹凸（21）的区域的比率相当于摇臂轴（10）的整个外表面（20）的面积的20%～50%。
4.根据权利要求1所述的摇臂轴（10），其特征在于，
在形成有上述凹凸（21）的区域中，上述凹凸（21）部分所占的表面积和的比率是5%～
30%。
5.根据权利要求1所述的摇臂轴（10），其特征在于，
上述凹凸（21）为虚线形状，配置成上述虚线的长边与摇臂轴（10）的轴向平行。
6.根据权利要求5所述的摇臂轴（10），其特征在于，
上述虚线的深度（Le）为10μm～30μm，上述虚线的长边的长度（Lb）为100μm～
500μm，
在形成有上述虚线的区域中，虚线部分所占的表面积的比率为5%～30%。
7.根据权利要求1所述的摇臂轴（10），其特征在于，
上述凹凸（21）形成为圆形的凹槽。
8.根据权利要求7所述的摇臂轴（10），其特征在于，
上述凹凸（21）以在将上述摇臂（6）为媒介连接的阀打开50%时与摇臂套筒（11）发生最大线接触载荷的摇臂轴（10）的相应部分为中心形成于两侧，
形成上述凹凸（21）的部位形成在与以产生上述最大线接触载荷的部分（30）为中心而中心角为72°～180°的扇形的弧相当的部分上。
9.根据权利要求7所述的摇臂轴（10），其特征在于，
上述凹凸（21）形成为圆形的凹槽，上述凹槽的直径为100μm～150μm。
10.根据权利要求7所述的摇臂轴（10），其特征在于，
上述凹凸（21）形成为圆形的凹槽，上述凹槽的深度为10μm～20μm。
11.根据权利要求7所述的摇臂轴（10），其特征在于，
上述凹凸（21）形成为圆形的凹槽，上述凹槽的间隔为350μm～450μm。
12.一种摇臂轴套筒组件，其特征在于，包括：
权利要求1～11中任意一项所述的摇臂轴（10）；以及
收纳上述摇臂轴（10）的摇臂套筒（11）。
改善耐磨性的摇臂轴及包括该摇臂轴的摇臂轴套筒组件
技术领域
[0001] 本发明涉及为改善耐磨性而在表面上加工微细凹凸的摇臂轴（rocker arm shaft）。本发明还涉及包括表面加工成微细凹凸的摇臂轴及包围上述摇臂轴的摇臂套筒的摇臂轴套筒组件。
背景技术
[0002] 一般而言，发动机反复进行以下动作过程，即，通过曲轴的旋转力使凸轮轴旋转，利用形成于上述凸轮轴上的凸轮使吸气及排气阀以一定时间间隔沿上下进行往返运动，同时向燃烧室内喷射燃料气体与空气的混合气体并对其进行压缩使其爆发，从而利用其爆发压力得到动力。
[0004] 图1表示根据现有技术的阀机构，在凸轮轴1上沿着轴线隔开一定间隔形成有多个凸轮2，在上下可滑动地设置于发动机主体块3内的推杆4的下端部具备凸轮从动件5。而且，上述推杆4的上端部与摇臂6的一侧枢转连接，上述摇臂6的另一侧与气缸盖体7的吸气口或排气口侧连接，从而与由阀弹簧8弹性支撑的阀9的上端部枢转连接。
[0005] 在上述摇臂6上具备摇臂轴10和摇臂套筒11以用于摇臂6的运动及支撑。上述摇臂6能够利用上述摇臂轴10和摇臂套筒11进行往返运动，在此，上述摇臂轴10和摇臂套筒11以发动机油为媒介来彼此进行往返运动。
[0006] 上述摇臂轴10和摇臂套筒11通过发动机的驱动而进行持续的往返运动，因此无法避免磨损。尤其是，上述摇臂轴10和摇臂套筒11的往返运动在每个周期发生两次运动速度为零的时刻，若如此运动速度为零，则润滑理论上无法形成润滑膜。在如上所述的停止－加速的情况下，由于未形成油膜，因而在上述摇臂轴和摇臂套筒上产生特别严重的摩擦和磨损。在这种运转条件下长期运转的情况下，摇臂轴与摇臂套筒的间隔增大，随之发生有可能影响内燃机性能的阀间隔的变化，噪音和振动变得严峻。
[0007] 以往为了改善摇臂轴和摇臂套筒的耐磨性，主要对改善套筒的材料和原料方面进行了研究。但是，如上所述的材料及原料的改善引起制造单价上升，尤其是，最近随着发动机工作环境向进一步引起摇臂轴和摇臂套筒的磨损的方向发生改变，仅以材料或原料的改善来降低磨损存在限度。
[0008] 如上所述，为了提高发动机性能等，必须减少摇臂轴和摇臂套筒的磨损，尤其从经济上的观点出发，必须使用材料或原料改善以外的更经济的方法减少摇臂轴和摇臂套筒的磨损而提高耐磨性。
发明内容
[0009] 技术课题
[0011] 本发明提供一种不产生原料变更之类的高费用而能够以比较简单的方法减少摇臂轴和摇臂套筒的磨损的方法。而且，本发明提供一种能够以较少的制作费用和制作时间制造的提高了耐磨性的摇臂轴及摇臂轴与摇臂套筒的组件。
[0012] 本发明提供一种为减少摇臂轴和摇臂套筒的磨损而形成有凹凸的摇臂轴。
[0013] 而且，本发明提供一种为使磨损改善效果最大化而使凹凸的位置和形状最佳化的摇臂轴。
[0014] 解决技术课题的方法
[0015] 本发明提供一种在表面上形成有凹凸而提高了耐磨性的摇臂轴。
[0016] 在本发明的一例中，提供一种摇臂轴10，该摇臂轴10收纳于摇臂套筒11内，并以润滑剂为媒介与上述摇臂套筒11进行相对运动，从而使摇臂6进行往返运动，其中，在与上述摇臂套筒11接触的摇臂轴10的外表面20之中至少一部分上形成有多个槽形状的凹凸21。
[0017] 另一方面，上述凹凸不仅能够形成于摇臂轴10的整个外表面20上，而且还能够仅形成于摇臂轴10的外表面20的一部分上。即，上述凹凸21无需形成于摇臂轴10的整个外表面20上，而是能够仅形成于与摇臂套筒11接触多的部分上。
[0018] 根据本发明的一例，在上述摇臂轴10的外表面20中形成有上述凹凸21的区域的比率可以相当于摇臂轴10的整个外表面20的面积的20～50%。
[0019] 根据本发明的一例，如图3所示，上述凹凸21能够以在以上述摇臂6为媒介连接的阀打开50%时与摇臂套筒11发生最大线接触载荷的摇臂轴10的相应部分30为中心形成于两侧（参照40）。此时，形成上述凹凸的部位可以形成在与以产生上述最大线接触载荷的部分为中心，中心角为72°～180°的扇形的弧相当的部分上。
[0020] 另一方面，根据本发明的一例，在形成有上述凹凸21的区域之中上述凹凸21部分所占的表面积和的比率可以设定为5～30%。这通过参考举例说明虚线形状的凹凸的图6就容易理解。
[0021] 根据本发明的一例，如图6所示，上述凹凸21为虚线形状，上述虚线的长边可以与摇臂轴10的轴向平行地配置。在上述虚线形状的凹凸中，可以将上述虚线的深度设为10μm～30μm，将上述虚线的长边的长度设定在100μm～500μm的范围。在此情况下，在形成有上述虚线的区域，虚线部分所占的表面积的比率为5～30%。可以将在形成有上述虚线的区域虚线部分所占的表面积的比率称作密度，在此，“密度”这种表现可以理解为“虚线配置的精密度”。上述密度可以根据以下计算式1来计算。
[0022] 计算式1
[0023] 密度=(La X Lb)/｛(La+Lc)X(Lb+Ld)｝
[0024] 在此，La是虚线的短边的长度（厚度），Lb是虚线的长边的长度，Lc是厚度方向上的虚线之间的间隔，Ld是长度方向上的虚线之间的间隔。
[0025] 另外，根据本发明的其他实施例，其特征在于，上述凹凸21形成为圆形的凹槽。
[0026] 优先的特征在于，上述凹凸21以在以上述摇臂6为媒介连接的阀打开50%时与摇臂套筒11发生最大线接触载荷的摇臂轴10的相应部分为中心形成于两侧，形成上述凹凸21的部位形成在与以产生上述最大线接触载荷的部分30为中心而中心角为72°～180°的扇形的弧相当的部分上。
[0027] 另外，其特征在于，上述凹凸21形成为圆形的凹槽，上述凹凸的直径为100μm。
[0028] 另外，其特征在于，上述凹凸21形成为圆形的凹槽，上述凹凸的深度为10μm～20μm。
[0029] 另外，其特征在于，上述凹凸21形成为圆形的凹槽，上述凹凸的间隔为350μm～450μm。
[0030] 本发明还提供包括以上说明的摇臂轴10以及收纳上述摇臂轴10的摇臂套筒11的摇臂轴套筒组件。
[0031] 本发明还提供包括上述摇臂轴套筒组件的摇臂。
[0032] 发明效果
[0033] 根据本发明，通过在摇臂轴的表面上形成微细凹凸，能够明显减少摇臂轴和摇臂套筒的磨损。在本发明中，为了使磨损改善效果最大化而使微细凹凸的形状和大小及位置最佳化，从而不花费过多的制造费用和时间也能使磨损降低效果最大化。附图说明
[0034] 图1是表示应用了本发明的摇臂轴10和摇臂套筒11的阀机构的一例的图。
[0035] 图2是表示图1中的上述摇臂轴和摇臂套筒的截面的图。
[0036] 图3是表示在应用了本发明的摇臂轴10和摇臂套筒11的摇臂6中在气缸的阀打开50%时的摇臂套筒11和产生最大线接触载荷的摇臂轴10部分30的图。
[0037] 图4是本发明的一例的摇臂轴10的立体图。
[0038] 图5是表示与未在摇臂轴10上形成凹凸的情况相比形成有凹凸的情况下的磨损量减少率的图，表示以角度示出的凹凸形成区域与磨损量减少之间的关系。
[0039] 图6是涉及凹凸以虚线形状形成的本发明的一个实施例的关于虚线形状的凹凸部位的放大图。
[0040] 图7是关于摇臂轴和摇臂套筒的接触区域大小的说明图。
[0041] 图8是涉及凹凸以凹槽形状形成的本发明的另一实施例的关于圆形凹槽形状的凹凸部位的放大图。
[0042] 标号说明：
[0043] 2：凸轮5：凸轮从动件
[0044] 6：摇臂10：摇臂轴
[0045] 11：摇臂套筒12：未形成微细孔的摩擦区域
[0046] 20：摇臂轴的外表面21：凹凸
[0047] 30：合力的方向中心41：凹凸形成区域
[0048] D：间隔
[0049] M：轴的相对运动
具体实施方式
[0050] 以下参照附图更详细地说明本发明。
[0051] 本发明涉及在以润滑剂为媒介进行相对运动的两个表面之中至少一个表面上加工微细凹凸而降低摩擦及磨损的技术。
[0052] 根据流体润滑理论可知，若两个表面平行，则即使上述两个表面以液体润滑剂为媒介进行相对运动，在该润滑剂内也不产生流体动压。虽然存在例外的情况，但是流体动压一般是在存在油膜厚度沿滑动方向减少的楔效应时产生。以动压推力轴承和径向轴承为例，推力轴承通过组装误差来产生该楔效应，而且径向轴承通过偏心率产生该楔效应。
[0053] 但是，一般而言机械工件具有微细的弯曲或由表面轮廓引起的表面弯曲。由此，即使两个表面平行地进行相对运动，也存在沿滑动方向油膜厚度局部地减少的区域，在该区域产生的油膜压力改善两个表面之间的润滑性。另一方面，还存在沿滑动方向油膜厚度增加的区域，而在该区域一般产生气泡而具有与周围压力类似的压力。从而，若在进行相对运动的两个表面之中一个表面上加工多个微细凹凸，则即使该两个表面进行相对运动，在两个面之间产生流体动压，由此能够改善润滑性。而且，如上所述的表面微细凹凸起到捕获磨损粒子和微细油储藏部的作用。
[0054] 因此在本发明中，摇臂轴10的外表面20之中至少一部分上形成有多个槽形状的凹凸21，该摇臂轴10收纳在摇臂套筒11内部并与上述摇臂套筒11进行相对运动而使摇臂6进行往返运动。
[0055] 另一方面，为了更有效地减少摩擦及磨损，上述凹凸的形状、规格及排列方法等也很重要。使摩擦及磨损变得最少的凹凸的形状、排列及规格根据两个面的接触形状、载荷、滑动速度等运转条件而受到很大影响。例如，在接触部位形状为线形状、点形状及面形状的情况下，用于使摩擦及磨损变得最少的凹凸的形状及排列方法发生变化。
[0056] 因此在本发明中，对凹凸的形状、规格及排列等进行了最佳化以符合上述摇臂轴10和摇臂套筒11的动作特性。而且，在不必要的部分形成凹凸的情况下导致制造费用的上升，因此在本发明中仅在最佳的区域形成凹凸。
[0057] 作为本发明的各种实施例的一例，在图4及图6中，在摇臂轴10的表面上以沿着与上述摇臂轴10的摩擦运动方向垂直的方向排列的虚线形状形成了凹凸。在此，与上述摇臂轴10的摩擦运动方向垂直的方向可以称作摇臂轴10的轴向。
[0058] 另一方面，上述凹凸起到捕获在摇臂轴10与摇臂套筒11之间加快磨损的磨损粒子并且在润滑剂不足时供给润滑剂的功能，并起到增大摇臂轴10与摇臂套筒11之间的油膜压力的作用，从而有利于降低磨损。
[0059] 如上所述，在不必要的部分形成凹凸的情况下，导致制造费用的上升，因此仅在最佳的区域形成凹凸是非常重要的。根据本发明，仅在上述摇臂轴10的外表面20整个区域之中20～50%左右的区域形成凹凸21，也能展现出充分的磨损降低效果。那么，重要的是在哪个部分形成凹凸。
[0060] 与此相关联，图1所示的摇臂轴10和摇臂套筒11由于其特性而仅在特定区域接触。如图2所示，其接触区域的圆周方向中心成为摇臂轴10与摇臂套筒11沿着作用于摇臂的力的合力的方向接触的中心。摇臂轴10和摇臂套筒11以此为中心，如图2中用“M”表示的箭头运动。
[0061] 因此在本发明的一例中，以由上述摇臂调节的阀的打开量为50%为基准，计算作用于摇臂的力的合力的方向中心30，并且以此为中心确定微细凹凸的加工区域而使微细凹凸加工的效率最大化（参照图3）。
[0062] 根据本发明的一例，如图3所示，能够以在以上述摇臂6为媒介连接的阀打开50%时与摇臂套筒11发生最大线接触载荷的摇臂轴10的相应部分30为中心在两侧形成凹凸。此时，形成上述凹凸的部位形成在与以产生上述最大线接触载荷的中心部30为中心，中心角为72°～180°的扇形的弧相当的部分40上。
[0063] 具体而言，如图2所示，由于摇臂轴10的外径与摇臂套筒11的内径的差异，在摇臂轴10与摇臂套筒11之间存在间隔D。摇臂轴11与摇臂套筒11的接触区域的大小根据上述间隔D而有可能不同。从而，考虑上述接触区域的凹凸形成区域要考虑作用于摇臂轴10与摇臂套筒11之间的载荷和摇臂轴10和摇臂套筒11的弹性变形而计算。例如，在摇臂轴10与摇头套筒11之间的间隔D为10μm时，在摇臂轴10与摇臂套筒11的180°的区域产生接触，在上述间隔为50μm时，在大约72°左右的区域产生接触。
[0064] 如此，分析摇臂轴10及摇臂套筒11的运转特性和物理现象而决定上述凹凸的加工区域。
[0065] 图5是与未在摇臂轴10上形成凹凸的情况相比，形成有凹凸的面积对比磨损量减少的测定结果。在此，角度是从摇臂轴10的截面观察时与形成为扇形的弧形状的凹凸形成区域40的范围相当的角度，凹凸的结构基于以下表1记载的实施例10的规格。根据图5可知，在与凹凸形成区域40对应的弧的角度低于72°的情况下，磨损量减少的效果不大，因此将凹凸21形成区域的角度设定为72°以上。另一方面，即使角度超过180°，磨损量减少效果也不会进一步增加。因此无需在180°以上的范围形成凹凸而消耗追加的制造费用和时间。
[0066] 在图6所示的本发明的一例中，上述凹凸21为虚线形状，上述虚线的长边与摇臂轴10的轴向平行地配置。上述虚线形状的凹凸容易加工而比较经济，而且捕获磨损粒子、供给润滑剂、增大油膜压力的效果优秀。
[0067] 在此，可以将上述虚线的深度设为10～30μm，将上述虚线的长边的长度设定在100～500μm的范围。在此情况下，在形成有上述虚线的区域，虚线部分所占的表面积的比率为5～30%。可以将在形成有上述虚线的区域虚线部分所占的表面积的比率称作密度，在此，“密度”这种表现可以理解为“虚线配置的精密度”。上述密度可以根据以下计算式1来计算。
[0068] 计算式1
[0069] 密度=(La X Lb)/｛(La+Lc)X(Lb+Ld)｝
[0070] 在此，La是虚线的短边的长度（厚度），Lb是虚线的长边的长度，Lc是厚度方向上的虚线之间的间隔，Ld是长度方向上的虚线之间的间隔。
[0071] 在形成有上述凹凸21的区域中，上述凹凸21部分所占的表面积和的比率可以设定为5～30%。这通过参考举例说明虚线形状的凹凸的图6就容易理解。作为参考，在图6中Le是凹凸的深度。在以如上所述的程度形成了虚线形状的凹凸的情况下，捕获磨损粒子、供给润滑剂、增大油膜压力的效果突出。
[0072] 在本发明中，为了确认由虚线形状的凹凸引起的摇臂轴10与摇臂套筒11之间的磨损改善效果，以上述虚线形状的凹凸的短边的长度La、长边的长度Lb、厚度方向上的虚线之间的间隔Lc、长度方向上的虚线之间的间隔Lb作为设计变量，如下表所示对变量进行了磨损试验。作为比较例采用了未形成凹凸的情况。
[0073] 在此，密度是根据上述计算式1求出的。
[0074] 表1
[0075]Lb(μm) Le(μm) 密度(%) 磨损量(μm)
实施例1 100 10 5 3.93
实施例2 100 20 13 2.86
实施例3 100 30 21 5.13
实施例4 300 10 13 3.05
实施例5 300 20 21 3.33
实施例6 300 30 5 3.52
实施例7 500 10 21 3.01
实施例8 500 20 5 3.74
实施例9 500 30 13 3.43
实施例10 300 20 13 2.57
比较例 - - - 7.05
实施例1 100 10 5 3.93
实施例2 100 20 13 2.86
实施例3 100 30 21 5.13
实施例4 300 10 13 3.05
实施例5 300 20 21 3.33
实施例6 300 30 5 3.52
实施例7 500 10 21 3.01
实施例8 500 20 5 3.74
实施例9 500 30 13 3.43
实施例10 300 20 13 2.57
比较例 - - - 7.05
[0076] 基于试验计划法设计上述表1的试验并实行试验后记载了磨损量。在此微细凹凸加工范围为180°。磨损量（Wear）测定以通常实施的磨损深度进行了测定。
[0077] 在上述表1中，比较例是关于未加工微细凹凸的情况进行的试验结果，在比较实施例10与比较例的情况下，实施例10的比较例对比磨损量减少了60%以上。在其他实施例中，磨损改善效果也很突出。即，已经确认到，若在以阀打开量为50%时摇臂套筒作用于摇臂轴的力的方向为中心的180度的区域，在摇臂轴10的外周面上加工长边的长度0.3mm、深度0.02mm、密度13%的虚线槽形状的凹凸，则磨损能够减少60%以上。
[0078] 图8表示在本发明的另一个实施例的摇臂轴10的外周面上设置的圆形的凹槽。如图8所示，本发明的微细凹凸以在发生摩擦的滑动面上具有长方形排列的圆形的微细凹凸为特征。
[0079] 上述凹槽的直径可以设定为100μm～150μm，上述凹槽的深度可以设定为10μm～20μm，上述凹槽的间隔可以设定为350μm～450μm。
[0080] 一般而言，在内燃机中摇臂组件的工作环境采用在摇臂套筒以摇臂轴的中心轴为中心套入的状态下在滑动面上进行直线往返运动的形状。形成于进行往返运动的滑动面上的润滑面由于其物理特性的原因而在运动方向发生变化的区域润滑性能降低，由此促进润滑面的磨损的发生。
[0081] 但是，本发明的另一实施例的设有圆形的凹槽的摇臂轴能够利用上述圆形凹槽大幅度改善进行往返运动的摇臂组件的润滑面的润滑性能，从而明显减少磨损发生量。
[0082] 工业上的可利用性
[0083] 本发明能够适用于通过在摇臂轴的表面上形成微细凹凸，不花费过多的制造费用和时间而能够得到磨损降低效果的摇臂轴。
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