专利名称：拱式承载的导架设计的制作方法
技术领域：
本发明涉及链条导板的领域。更具体而言，本发明涉及用于发动机正时系统的链条导板。
背景技术：
用于发动机正时系统的典型链条导板由金属和复合材料如玻璃增强的聚合物制成。用于这些系统的传统链条导板的负载条件一般是将导板固定到发动机上的两个螺栓、三个螺栓或多于三个螺栓的模式。导板支撑了发动机正时系统中所用的链条，以便传递扭矩并降低曲轴链轮与凸轮轴链轮的传动比。必须保持链条的张力以避免失去对链轮之间的链条束的控制。
链条导板越来越多地由塑料制成。该塑料会在承载时变平和变宽，并且在从环境温度加热到80至150℃的典型工作条件下时膨胀。这种链条导板通常具有在平行于链条接触面的方向上呈长圆形的至少一个螺栓槽。该长圆形的螺栓槽设计成足够长，使得链条导板的挠曲和热膨胀不会因与装配螺栓接触而受到约束。
一般而言，在其中设置有发动机正时系统的发动机舱中的空间是有限的，因此限制了链条导板可以占据的可容许体积。该空间限制迫使链条导板被设计成使得链条导板在使用期间成为较高应力的梁式部件。在传统的设计中，链条导板作为曲梁而受到支撑，并带有用于装配螺栓的槽以便使螺栓可从中穿过并进入到发动机壳体中。因此，当来自链条的分布压力对梁式导架加载时，中跨处的应力为两点简支梁的应力类型。
为了减小梁的长度，重要的是降低梁上的应力，链条导板设计中的变化包括在大约梁中部处增加第三螺栓槽。当链条载荷使梁产生挠曲时，该第三螺栓槽在梁中部处支撑住链条导板。在梁中部处存在充分挠曲时，该附加的螺栓承担了更多的载荷，并可阻止梁中部处的进一步挠曲。通过这样来承载，具有第三螺栓的导板可有效将梁的长度分成两个较短的半梁。
在过去已经有大量的链条导板取得了专利。
于1989年5月23日颁发的美国专利No.4832664“用于主动链条的导轨”公开了用于内燃机中的链条导轨及方法。该导轨由塑料材料构成，并通过导轨衬体和托架来形成。托架和导轨衬体在渐进性制造周期中生产出来，并通过一个或若干个燕尾接头而相互连接在一起。
于2000年3月14日颁发的美国专利No.6036613“用于引导和/或张紧链条的导轨”介绍了一种滑轨，其包括滑动衬体和托架，它们由耐磨的和可承受较高应力的塑料材料构成。滑轨通过容纳于外壳上的套管中的螺栓而被保持在一个位置处，并在间隔开的第二位置处设有支撑装置。支撑装置消除了对第二螺栓和套管的需要，并由外壳的支撑部分和滑轨的受支撑区域来形成。该受支撑区域也由耐磨的塑料材料构成。
于2001年11月6日颁发的美国专利No.6312353“链条导板”公开了一种用于引导链条的链条导板，其包括在一端处枢轴连接到固定支撑件上并在其另一端上形成有孔的细长链条导板主体，还包括有轴环，其以松配合安装于孔中，使得至少在轴环的与链条导板主体的枢轴运动方向对齐的那一侧上在链条导板主体与轴环之间形成有间隙。轴环牢固地固定在固定支撑件上，使得可允许链条导板主体在该间隙的范围内枢轴运动。通过这样来设置间隙，就可防止链条过紧或过松，否则这种情况会在链条导板安装到固定支撑件上时发生。
于2002年7月2日颁发的美国专利No.6412464“用于内燃机的控制轴传动的链条导板以及生产链条导板的方法”介绍了一种用于机动车内燃机的链条导板。该链条导轨包括均由第一材料制成的主体部分和销，覆盖了销和主体部分的第二材料的重叠模制件，以及穿过导轨长度的纵向轴线。插入到内燃机的机罩下凹部分中的销受到约束而不能垂直于第一纵向轴线运动，但可平行于该轴线运动。该发明的优选实施例采用了紧固件来将导轨固定在机罩上。
于2003年7月1日颁发的美国专利No.6585614“用于链传动的导板”公开了一种用于链传动的导板，其安装在其中形成了具有一定螺距的螺纹孔的发动机机体上，其中导板具有至少两个装配部分，其适于通过旋拧到发动机机体的螺纹孔中的螺钉而连接在发动机机体上。装配部分中的至少一个具有在导板纵向上间隔开的至少两个装配圆孔，使得导板还可安装在至少一种在其中形成了不同螺距的螺纹孔的类似发动机机体上。
图1显示了现有技术的在环境温度下采用螺栓孔5，6和7并穿过链条导板中的螺栓槽2、3和4来安装未加载的链条导板1的侧视图。出于说明的目的，假定装配螺栓的轴具有与其各自的螺栓孔相同的直径。如图2A所示，当链条导板1′通过在加载和加热至工作温度下因变平、伸长和膨胀而变形时，长圆形的螺栓槽2′，3′和4′产生变形。螺栓槽之间的距离因变形而稍微增大，而螺栓孔与轴5，6和7保持在相同的位置。螺栓槽2′和3′是长圆形的并大于它们的螺栓孔以及轴5和6，因此在工作温度下，螺栓轴仍然离螺栓槽的左右有一定的间隙。这三个螺栓槽的接触矢量8，9和10在来自相接触链条的垂直载荷下主要处于垂直方向。这种安装形成了梁式承载状态。
在现有技术中，螺栓孔的最近边缘之间的距离总是大于其各自的螺栓槽的最近边缘之间的距离。图2B和2C显示了工作状态下的图2A所示的螺栓槽和螺栓孔，其中未示出链条导板主体，因此可以更容易地看到有关的距离。图2B显示了螺栓轴之间的距离，而图2C显示了现有技术中的螺栓槽之间的距离。在现有技术中，螺栓轴的距离11总是大于螺栓槽的距离13，而螺栓轴的距离12总是大于螺栓槽的距离14。
图3显示了例如图2A所示的梁式承载的链条导板的应力图15。在零应力线16的左边表示越来越大的拉应力，而在右边表示越来越大的压应力。垂直方向表示从顶部的链条接触面至底部的链条导板背面的链条导板上的垂直位置。对于梁式承载而言，导板的上半部分承受压应力，而导板的下半部分承受拉应力，如图3所示。最大压应力17即Cmax位于链条接触面18上，而最大拉应力19即Tmax则沿着与链条导板的链条接触面相反的表面20。
材料成本占据了制造链条导板的最终成本中的相当大一部分。因此，以较少的材料来制造具有所需强度的链条导板是有利的。在现有技术中，链条导板上的螺栓槽是长圆形的，仅允许有用于链条导板的热变形和加载变形的间隙。在螺栓槽的顶部处以梁似方式来支撑载荷，其中螺栓轴与链条导板的螺栓槽接触。当这些导板失效时，它们通常因高拉应力所造成的过度挠曲而导致失效。
因此，在本领域中需要一种链条导板，其可支撑更大的载荷而不会出现过度的拉应力或挠曲，或者能够利用较少的制造材料来支撑与现有技术中相当的载荷。
发明内容
介绍了一种链条导板和用于安装链条导板的方法。链条导板优选是拱式承载的，并且在正常的工作状况下具有比传统链条导板更大的强度。装配螺栓孔的位置针对给定的链条导板螺栓槽构造来设计，反之亦然，或者可将螺栓轴增大。螺栓孔与螺栓槽之间的关系设置成使得当链条导板安装好并处于正常工作温度下时，螺栓与螺栓槽的侧面齐平。因此，来自工作链条的部分作用力转化成压应力，从而降低了最大拉应力并增加了链条导板的强度。
链条导板安装系统包括具有至少两个螺栓孔的安装面；多个螺栓，各所述螺栓具有螺栓螺纹部分和从该螺栓螺纹部分中延伸出来并可通过该螺纹部分而安装在安装面的螺栓孔中的螺栓轴，其中各对已安装螺栓的螺栓轴的各对最近边缘间隔开第一距离；以及具有至少两个与已装配螺栓相对应的螺栓槽的链条导板，因此链条导板可通过螺栓安装在安装面上，已安装链条导板的各对螺栓槽在工作温度下无论在承载或未承载时均在螺栓槽的最近边缘之间间隔开第二距离，其中对于至少一对螺栓轴而言，第一距离等于或略小于第二距离，使得螺栓轴与螺栓槽的最近边缘相接触。安装面优选为发动机壳体，工作温度优选高于环境温度。
在本发明的第一实施例中，链条导板设计有螺栓槽，其设置成用于安装到螺栓孔形式的设计上。在另一实施例中，螺栓孔设置成用于链条导板和螺栓槽的设计。在另外一个实施例中改变了装配螺栓的轴的尺寸，以用于链条导板的设计和螺栓孔形式的设计中。在另一实施例中，链条导板具有处于拱式承载状况下的至少两个螺栓槽，以及未处于拱式承载状况下的至少一个螺栓槽。本发明优选用于发动机正时系统中。
图1显示了现有技术中已知的、处于环境温度下的未承载的三槽式链条导板的设置以及相应的三个螺栓孔的位置。
图2A显示了在工作状态下的图1所示装置。
图2B显示了图2A所示螺栓轴之间的距离。
图2C显示了图2A所示螺栓槽之间的距离。
图3显示了图2A所示梁式承载结构的典型应力图。
图4显示了处于环境温度下的本发明的一个实施例，其中螺栓孔已被移动至更靠近在一起，以便形成拱式承载设计。
图5A显示了工作状态下的图4所示装置。
图5B显示了图5A所示螺栓轴之间的距离。
图5C显示了图5A所示螺栓槽之间的距离。
图6显示了图5所示拱式承载结构的应力图。
图7显示了处于环境温度下的本发明的另一实施例，其中链条导板的螺栓槽已被移动至相对于现有技术设计而言更加分开。
图8A显示了工作状态下的图7所示装置。
图8B显示了图8A所示螺栓轴之间的距离。
图8C显示了图8A所示螺栓槽之间的距离。
图9显示了本发明的另一实施例，其中部分螺栓已被重新设计成具有较大的轴。
图10A显示了工作状态下的具有较大螺栓的图9所示装置。
图10B显示了图10A所示螺栓轴之间的距离。
图10C显示了图10A所示螺栓槽之间的距离。
具体实施例方式
本发明通过采用拱式承载而降低了拉应力，从而增加了链条导板的强度。梁式结构一般因疲劳或张力过载而失效。当梁的一段承载时，梁的背离载荷的那一部分如同桥梁的下侧一样将承受拉应力。通过使用本发明，链条导板设计者有目的地设置螺栓孔和/或槽的位置和公差，使得在梁初始挠曲时，随着梁变平和变宽，螺栓槽最终会受到约束，并进一步使导板水平地变宽。螺栓槽的水平运动约束预计会在发动机工作温度下造成链条导板的热膨胀效应。在本发明的所有实施例中，在工作状态下，一对或多对螺栓轴的最近边缘之间的距离等于或小于一对或多对螺栓槽的最近边缘之间的距离。
增大的导板强度使得对给定的链条导板来说允许更大的最大可承受垂直载荷，或者可使用更轻的链条导板来支撑给定的垂直载荷。这种新颖的特征可以多种不同的方式而结合起来。发动机上的螺栓孔可以移动至更近地靠在一起，链条导板中的螺栓槽可以相互间隔得更开，或者螺栓轴可在螺栓孔或链条导板螺栓槽无变化的同时制作成更大。
以下是与本发明有关的用语和概念。“梁式承载”描述了这样一种结构，其中外力产生了相同的拉应力和压应力。“拱式承载”描述了这样一种结构，其中外力主要产生压应力。“螺栓”或“装配螺栓”这两个用语在本文中可以互换地使用，其优选包括螺栓螺纹部分、螺栓轴和螺栓头，并且是将链条导板安装到安装面上的零件。螺栓螺纹部分是螺栓的带有螺纹的部分，其可在安装链条导板时旋拧到螺栓孔中。螺栓轴是螺栓的一部分，其在链条导板通过螺栓安装到安装面上时从安装面中延伸出来并与螺栓槽侧向接触。通常在发动机壳体上钻出的螺栓孔是装配螺栓可旋拧到其中的螺纹孔。螺栓槽是链条导板中的孔，装配螺栓穿过其而放置。“接触矢量”被定义为这样的点，即螺栓槽在正交于螺栓槽表面的方向上与已装配好的螺栓轴在该点处接触。“工作温度”是在发动机运转时链条导板的温度。“工作状态”是其中链条导板已安装和加载并处于工作温度下的状态。
出于说明的目的，装配螺栓轴具有用于与如图4，5，7和8所示的本发明头两个所述实施例的其各自螺纹部分和其各自螺栓孔相同的直径。因此，在这些示例中，螺栓孔的距离和螺栓轴的距离是相等的。在不脱离本发明的精神的前提下，螺栓轴可小于、等于或大于其螺栓螺纹部分或螺栓孔。
在图4中显示了处于环境温度下且未承载的本发明的一个实施例，其中链条导板21采用比现有技术更加靠近在一起的螺栓孔25，26，27并通过螺栓槽22，23，24来安装链条导板21。在该示例中，安装面具有三个螺栓孔，链条导板具有三个螺栓槽，然而本发明也可适用于具有两个或超过三个螺栓孔和螺栓槽的安装面和链条导板。当链条导板21′承受载荷并加热至工作温度下时，如图5A所示，螺栓槽22′，23′，24′相互之间离得更远。螺栓轴25，26和27在工作状态下与螺栓槽22′，23′和24′的侧面齐平。在来自接触链条的垂直载荷的作用下，这三个螺栓槽的接触矢量28，29和30主要是在水平方向上。这就形成了拱式承载的状态，其中链条导板主要承受压应力。
在本发明中，在工作状态下，螺栓轴的最近边缘之间的距离总是等于或小于螺栓槽的最近边缘之间的距离。图5B和5C显示了处于工作状态下的图5A所示的螺栓槽和螺栓孔，其中未示出链条导板主体，因此可以更容易地看见有关距离。图5B显示了螺栓轴之间的距离，而图5C显示了螺栓槽之间的距离。在工作状态下，螺栓孔25与螺栓孔27的最近边缘之间的距离31等于或略小于螺栓槽22′与螺栓槽24′的最近边缘之间的距离33，而螺栓孔26与螺栓孔27之间的距离32等于或略小于螺栓槽23′与螺栓槽24′之间的距离34。
图3和6的对比显示了链条导板上的应力图如何从梁式承载的链条导板安装情形变化至本发明的拱式承载链条导板的情形。就给定的垂直载荷而言，链条导板上的总应力(图3和6的阴影面积)对于梁式承载和拱式承载的链条导板而言是相同的。对于拱式承载而言，应力图35在压应力的方向上均匀地移动，如图6所示。拱式承载的最大压应力36即Cmax仍然位于链条接触面37上，而最大拉应力38即Tmax仍然沿着与链条导板的链条接触面相反的表面39。然而，最大拉应力38显著地降低，最大压应力36相对梁式承载设计来说等量地增大。由于大多数材料的抗压强度要比抗拉强度大很多，因此拱式承载设计更坚固，并且与现有技术的梁式承载设计相比能够承受更大的载荷。
对工作状态下的安装成使得在螺栓轴与螺栓槽之间具有水平接触矢量的链条导板的热应力分析表明，当这样来设置孔和槽时存在着拱式承载状况。链条导板的拱式承载产生了比通过梁式承载计算所预期的更低的拉应力。这种性能可由拱式承载状况来解释。随后的热应力分析证实了载荷矢量与拱式承载相一致。
在如图7所示的本发明另一实施例中，具有螺栓槽42和43的链条导板41设计成可在环境温度下安装到预定设置的螺栓孔44和45上。在该示例中，安装面具有两个螺栓孔，链条导板具有两个螺栓槽，然而本发明也适用于具有三个或更多个螺栓孔和螺栓槽的安装面和链条导板。链条导板设计被加载并被加热至其工作温度，这会使链条导板膨胀、伸长和变平，从而使螺栓槽相互之间隔开得更远。在这些状况下确定螺栓槽之间的距离。螺栓槽构造随后根据需要而进行修改，使得它符合这样的条件，即链条导板可在环境温度下利用穿过其螺栓槽42和43的螺栓而安装到螺栓孔构造上。在工作状态下，承载的链条导板41′的螺栓槽42′和43′变成在侧面而不是在顶部处与螺栓轴44和45齐平，如图8A所示。螺栓轴和螺栓槽与给定的螺栓孔44和45形成了水平接触矢量46和47。这种拱式承载设计具有与上述实施例相类似的如图6所示的应力图。
图8B和8C显示了图8A所示的螺栓槽和螺栓孔，其中未示出链条导板主体，因此可以更容易地看见有关的距离。图8B显示了螺栓轴之间的距离，而图8C显示了螺栓槽之间的距离。在工作状态下，螺栓孔44和螺栓孔45的最近边缘之间的距离48等于或略小于螺栓槽42′和螺栓槽43′的最近边缘之间的距离49。
在本发明的另一实施例中，如图9所示，螺栓轴5 1和52均被增大，以用于在环境温度下利用给定的螺栓孔59，60和61并通过螺栓槽56，57和58来安装给定的链条导板55。在该示例中，安装面具有三个螺栓孔，链条导板具有三个螺栓槽，然而本发明也适用于具有两个或超过三个螺栓孔和螺栓槽的安装面和链条导板。对于三个装配螺栓中的两个来说，螺栓轴51和52具有比其螺栓螺纹部分59和60更大的直径。出于说明的目的，螺栓孔61和螺栓轴61具有相同的直径。在现有技术中，使用具有与螺栓孔相同直径的螺栓轴的螺栓提供了工作条件下的梁式承载的链条导板，如上述图2中所示。在本发明的该实施例中，将用于长圆形螺栓槽中的这两个螺栓的螺栓轴增大，可实现与将螺栓孔移动至更接近地靠在一起时的相同效果。当链条导板55′被加载并加热至工作温度时，如图10A所示，螺栓轴51，52和61与螺栓槽56′，57′和58′在侧面接触，以实现拱式承载状态。已安装好的链条导板55′的螺栓槽56′，57′和58′变得与螺栓轴51，52和61侧向地齐平，从而产生了水平接触矢量62，63和64。这种拱式承载设计可在无须改变链条导板或螺栓孔的同时来实现，并且将具有与上述实施例相类似的如图6所示的应力图。
图10B和10C显示了处于工作状态下的图10A所示螺栓槽和螺栓孔，其中未示出链条导板主体，因此可以更容易地看见有关的距离66，67，68和69。图10B显示了螺栓轴之间的距离，而图10C显示了螺栓槽之间的距离。在工作状态下，螺栓轴52和螺栓轴61的最近边缘之间的距离66等于或略小于螺栓槽57′和螺栓槽58′的最近边缘之间的距离68，而螺栓轴51和螺栓轴61之间的距离67等于或略小于螺栓槽56′和螺栓槽58′之间的距离69。
在本发明的另一实施例中，如图5A，8A和10A所示的构造可在工作温度下在没有来自链条的载荷的情况下实现。这产生了具有压缩预载荷状态的链条导板，其将在链条载荷作用下产生较小的挠曲。尽管如图5A，8A和10A所示的装置具有两个或三个螺栓孔和螺栓槽，然而本发明适用于具有四个或更多个螺栓孔和螺栓槽的装置。
一旦导板受到约束而不能在螺栓槽处进一步水平地运动，则导板的加载会导致沿着链条导板结构的曲率方向上的压缩载荷分量增大。压应力的形成遵循自古以来由工程师们用于建筑施工的拱式加载的公认力学原理。沿着结构下部的压缩载荷分量抵消了通常出现在下部导板区域中的拉应力，从而降低了可能会导致零件失效的最大拉应力。降低拉应力可提高链条导板的疲劳寿命和综合性能。拱式承载结构还只会出现比相当的梁式承载结构更小的挠曲。刚性更好的链条导板提供了改进的链条控制性能以及噪音-振动-舒适性(NVH)。
在本发明的另一实施例中，具有至少三个螺栓槽的链条导板安装成使得在工作状态下，至少一对螺栓为至少一对螺栓槽提供了拱式承载状况，但至少一个内部螺栓槽不是拱式承载的。对于图4所示的安装组件来说，例如通过将图4中的螺栓孔26稍微向左移或者将螺栓槽23稍微向右移，使得螺栓在工作状态下不会与螺栓槽23的右边缘接触就可实现这种情形。
因此，无须使用额外的材料或额外的体积，链条导板的有效强度就可得以增加，使得可在不增加材料成本的同时实现强度更大、更坚固的链条导板设计。如果汽车系统要在市场上成功的话，则成本和质量都是关键因素。本发明可适用于金属材料制成的以及复合材料制成的链条导板的设计中，这是因为它只涉及到几何形状。本发明还可容易地对现有设计进行翻新，这是因为只要求对螺栓孔尺寸或螺栓槽位置作较小的调整就可实现这些优点。这种较小的调整很少要求对系统的现有体积包络线作出变理。因此，本发明可容易地适用于将来的和现有的设计，同时对整个系统的影响很小。
因此可以理解，本文所述的本发明实施例仅仅是说明了本发明原理的应用。本文中对所示实施例的细节的引用并非试图限制权利要求的范围，权利要求本身陈述了那些被视为本发明的不可缺少的特征。
权利要求
1.一种链条导板安装系统，包括a)具有至少两个螺栓孔的安装面；b)多个螺栓，各所述螺栓包括与所述螺栓孔形成互补的螺栓螺纹部分以及从所述螺栓螺纹部分中延伸出来的螺栓轴，所述螺栓可安装在所述螺栓孔中，其中各对螺栓的螺栓轴的最近边缘在安装时相互间隔开第一距离；和c)具有至少两个用于容纳所述螺栓的螺栓槽的链条导板，其中所述链条导板可通过所述螺栓槽并利用所述螺栓而安装在所述安装面上，所述链条导板的各对螺栓槽的最近边缘在安装时相互间隔开第二距离，其中对于至少一对螺栓轴和至少一对螺栓槽而言，所述第一距离等于或略小于所述第二距离，使得所述螺栓轴与所述螺栓槽的最近边缘接触。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述链条导板处于未承载状态下。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述链条导板处于承载状态下。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述安装面是发动机壳体。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述系统在比环境温度更高的温度下工作。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，至少一个所述第一距离大于所述第二距离，使得其中至少一个所述螺栓轴不会与所述螺栓槽的最近边缘接触。
7.一种链条导板安装系统，包括a)具有至少两个螺栓孔的安装面，所述螺栓孔在所述螺栓孔的最近边缘之间间隔开第一距离；b)用于各螺栓孔的装配螺栓，其可安装在所述安装面的螺栓孔中；和c)具有与各螺栓孔相对应的螺栓槽的链条导板，其中所述螺栓槽在所述螺栓槽的最近边缘之间间隔开第二距离，所述链条导板可通过所述螺栓槽并利用所述螺栓而安装在所述安装面上，其中所述第一距离等于或略小于所述第二距离，使得所述螺栓与所述螺栓槽的最近边缘接触。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述链条导板处于未承载状态下。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述链条导板处于承载状态下。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述安装面是发动机壳体。
11.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述系统在比环境温度更高的温度下工作。
12.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，至少一个所述第一距离大于所述第二距离，使得其中至少一个所述螺栓轴不会与所述螺栓槽的最近边缘接触。
全文摘要
公开了一种链条导板和安装系统，其可使链条导板是拱式承载的，并且在正常工作状况下具有比传统链条导板更大的强度。装配螺栓孔的位置针对给定的链条导板螺栓槽构造来设计，反之亦然，或者可将螺栓轴增大。螺栓孔与螺栓槽之间的关系设置成使得当链条导板已安装、承载并处于正常工作温度下时，螺栓与螺栓槽的侧面齐平。因此，来自工作链条的部分作用力转化成压应力，从而降低了最大拉应力，减小了最大挠曲，并且提高了链条导板的安全系数。
文档编号F02B67/06GK1680735SQ200510065000
公开日2005年10月12日 申请日期2005年4月8日 优先权日2004年4月9日
发明者A·C·沈 申请人:博格华纳公司