专利名称：发动机的组合式凸轮轴及其制造方法
技术领域：
本发明的背景技术本发明的领域本发明涉及一种发动机的组合式凸轮轴及其制造方法，本发明尤其涉及一种包括凸轮凸部件和中空轴件的组合式凸轮轴及其制造方法。
现有技术的描述作为环境周围的汽车，改善油耗已成为社会主要关心的事情，并且作为它的对策，使零件减轻已受到强烈的关注。
就减轻发动机的凸轮轴而言，人们提出了一种组件系统，在该系统中，凸轮凸部件被机械地固定到中空轴件上。在组合式凸轮轴中，由皮带或者链条来驱动从而进行旋转的链轮借助螺栓来固定。为此，凸轮轴需要有在固定链轮时用来承受反作用力的结构。
例如，人们提出了以下这些结构一种结构具有六边形螺母形零件，该零件以开口膨胀的方式来插入和固定；一种结构具有狭槽(坑道或者槽)(参见日本专利申请公开No.11-270307(1999))；及一种结构具有平面，该平面被切割而形成。
但是，具有六边形螺母形零件的结构增加了费用，因为零件的数目增多了，而且损失了减轻重量的效果。此外，由于六边形的尺寸大小较大，因此产生了这样的问题发动机的设计自由度、尤其是缸盖部分的设计自由度降低了。
由于具有狭槽的结构需要特殊的专用工具，因此产生了这样的问题在普通的维修工厂中难以连接/拆下该凸轮轴。即，由于在机器维护业务中必须需要使用专用工具的工作，因此可维护性不好。
此外，在具有切割形成的平面的结构中，可能会降低机械耐用性。相反，在下面情况下根据切割之后的厚度在事前保持整个厚度，但是不能减轻零件的重量。
本发明的概述本发明设计来解决传统技术上的这些问题。因此，本发明的目的是提供一种较轻的发动机的组合式凸轮轴及其制造方法，其中，该凸轮轴具有较好的机械耐用性和可维护性。
为了实现这个目的，根据本发明的第一个方面，提供了一种发动机的组合式凸轮轴，该凸轮轴具有凸轮凸部件和中空轴件，其中，中空轴件具有至少两个轴固定表面，这些表面通过塑性过程形成在与汽缸之间的位置相对应的部分上。在固定链轮时，轴固定表面起着轴件的旋转制动器的作用。
根据本发明的第二个方面，提供了一种发动机的组合式凸轮轴的制造方法，该凸轮轴具有凸轮凸部件和中空轴件，该制造方法包括这样的步骤借助塑性处理工具，在与汽缸之间的位置相对应的中空轴件的部分上形成至少两个轴固定表面。
由于不需要额外的零件如六边形螺母形零件，因此不会产生由于增加零件数目而增加费用，并且不会损失减轻重量的效果。由于轴固定表面通过塑性过程来形成，因此抑制了厚度的减少，并且在不妨碍减轻零件重量的情况下容易确保机械耐用性。
此外，不需要特殊的专用工具，并且借助工具如扳手容易连接或者拆下凸轮轴。由于凸轮凸部件之间的距离较长并且容易确保工作空间，因此容易插入工具。即，在工具和这些零件之间不会产生干扰，并且可以确保满意的装配工作性。
此外，由于凸轮凸部件之间的距离较长，因此容易布置轴固定表面，故在形成凸轮轴表面时所产生的中空轴件的变形不会影响凸轮凸部件的固定部分。因此，可以确保凸轮凸部件的固定力的可靠性。
因此，可以提供一种较轻的发动机组合式凸轮轴，该凸轮轴具有满意的机械耐用性和可维护性。
此外，可以提供一种较轻的发动机组合式凸轮轴，该凸轮轴具有满意的机械耐用性和可维护性。尤其地，由于凸轮凸部件之间的距离较长，因此用来形成轴形成表面的塑性处理工具的设计自由度较大。因此，在这种制造方法中，可以使用具有较大刚度和较长使用寿命的塑性处理工具。
附图的简短描述在结合附图来阅读时，本发明的上述及其它目的和新颖特征更加充分地体现在下面的详细描述中，在这些附图中
图1是本发明实施例的发动机组合式凸轮轴的前视图；图2是示意图，它用来解释在形成轴固定表面时所产生的变形影响范围；图3A、3B、3C、3D和3E是一些示意图，它们用来解释本发明实施例的发动机组合式凸轮轴的制造方法；图4A和4B是一些横剖视图，它们解释了用来形成轴固定表面的塑性处理工具的一个例子；图5是横剖视图，它解释了用来形成轴固定表面的塑性处理工具的另一个例子；图6是前视图，它解释了本发明实施例的塑性处理装置；图7是前视图，它解释了图6所示的弯曲校正部分；图8是侧视图，它解释了图6所示的弯曲校正部分；图9是局部剖视图，它解释了图6所示的安装支架部分；图10是前视图，它解释了借助图6的塑性处理装置来进行弯曲测量；图11是前视图，它解释了借助图6的塑性处理装置进行塑性变形；图12是前视图，它解释了本发明实施例的塑性处理装置的改进例子；及图13是前视图，它示出了图12的塑性处理装置所进行的弯曲校正步骤。
优选实施例的详细描述下面，参照附图详细地描述本发明的优选实施例。相同零件用相同的标号来表示。
如图1所示，根据本发明实施例的发动机10的组合式凸轮轴具有中空轴件11、若干凸轮凸部件12和一些轴颈13。
此外，中空轴件11的一端被固定到链轮14上，而该链轮通过皮带或者链条来驱动从而进行旋转。例如，凸轮凸部件是锻件或者烧结件，它设置有与曲柄角相一致的相差并且安装到中空轴件11上。
中空轴件11具有至少两个轴固定表面11A，例如，这些表面由钢管形成，并且借助塑性过程形成在与汽缸之间的位置(或者凸轮凸部件12之间的位置)相对应的部分上。在固定链轮14时，轴固定表面11A起着轴件11的旋转制动器的作用。
由于中空轴件11具有轴固定表面11A，因此它不需要额外的零件如六边形螺母形零件。因此，不会产生由于零件数目增加而增加费用，并且也不会损失减轻重量的效果。而且，不需要特殊的专用(唯一)工具(例如，具有正方形孔或者八边形孔的扳手)，并且借助工具如扳手容易连接或者拆下凸轮轴10。
此外，由于轴固定表面11A由塑性过程来形成，因此可以抑制它的厚度减少，不会妨碍零件减少，并且容易确保机械耐用性。
轴固定表面11A的数目没有特殊限制，只要它至少有两个就行。在这种连接中，例如在它们由一对平行表面组成的情况下，容易形成，因此可生产性极好。
同时，在下面这样的情况下设置有若干对平行的轴固定表面11A，以致设置有这些轴固定表面11A的这些部分的横剖面具有多边形形状(如六边形)，工具的插入方向和中空轴件11的旋转位置不会受限制。因此，可以确保满意的可使用性，并且容易借助工具来处理，因此可操作性极好。
优选的是，设置有轴固定表面11A的该部分的直径小于中空轴件11的原始直径。在这种情况下，工具和零件之间的干扰难以产生，因此可以确保更加满意的可维护性(装配可操作性)。发动机的设计自由度、尤其是缸盖部分的设计自由度可以得到提高。
由于轴固定表面11A形成在与汽缸之间的位置相对应的部分上，因此凸轮凸部件之间的距离较长。因此，由于可以容易地确保工作空间，因此可以容易地插入工具。即，工具和零件之间的干扰难以产生，因此可以确保满意的装配操作性。
此外，由于凸轮凸部件之间的距离较长，因此轴固定表面11A容易布置，因此通过形成轴固定表面11A所引起的中空轴件11的变形不会影响凸轮凸部件11的固定部分。因此，可以确保凸轮凸部件11的固定力的可靠性。
轴固定表面11A的位置没有特殊限制，只要它与汽缸之间的位置相对应就行。但是，在下面这样的情况下轴固定表面11A布置在汽缸之间，而这些汽缸定位在远离链轮14的最右侧上(另一端的附近，该另一端位于与固定到链轮上的端部相对的侧部上)，从装配操作性的观点来看这是特别优选的。而且，为了进一步减轻重量，当中空轴件11的厚度较薄时，轴固定表面11A可以布置在这些汽缸之间的最左侧上(一端侧)，因此在中空轴件11上不会产生变形。
图2是示意图，它解释了由于形成轴固定表面11A所引起的变形影响范围。所采用的中空轴件(钢管)11具有25.5mm的外径和3.3mm的厚度。这些凸轮凸部件之间的距离是23mm。
如图2所示，通过形成轴固定表面11A所产生的中空轴件11的变形影响范围大约为6mm(距离D)。即，在下面这样的情况下轴固定表面11A布置在与邻近凸轮凸部件12的端表面分开不小于6mm的部分上，那么中空轴件11的变形量E不会影响凸轮凸部件12的固定部分。
因此，为了确保凸轮凸部件12的固定力的可靠性，因此优选的是，轴固定表面11A布置在与邻近凸轮凸部件12的端表面分开不小于6mm的部分上。而且，在下面这样的情况下使轴固定表面11A的尺寸大小增大从而最佳化，那么可以进一步提高可操作性。
在凸轮凸部件之间的距离为21mm的情况下，中空轴件11的变形影响范围示出了接近相同的效果。此外，在中空轴件11的材料被改变的情况下，影响范围显示接近相同的效果。即，中空轴件11的变形影响范围相对于材料和凸轮凸部件12之间的距离具有较小的依赖性。
在这种连接中，在凸轮凸部件12之间的距离较窄的情况下，另一种合适的方法是，轴固定表面11A形成于凸轮凸部件12之间的距离的中部上。如上所述，组合式凸轮轴10较轻并且具有满意的机械耐用性和可维护性。
接下来，在下面解释组合式凸轮轴10的制造方法。如图3A到3E所示，组合式凸轮轴10的制造方法具有插入步骤、开口膨胀固定步骤、表面形成步骤和弯曲校正步骤。
在插入步骤中，如图3B所示，预定数目的凸轮凸部件1 2插入到中空轴件11中从而设置于其中。
在开口膨胀固定步骤中，如图3C所示，把心轴20插入到中空轴件11的中空部分中，并且使中空轴件11的开口进行膨胀和嵌塞，因此凸轮凸部件12机械地固定到中空轴件11上。
更加具体地说，中空轴件11通过其中的凸轮凸部件12的开口被成形为多边形，如五边形、六边形、八边形。因此，在开口膨胀固定步骤之后，借助凸轮凸部件12的开口的多边形所产生的凹部和凸部，制止每个凸轮凸部件12绕着中空轴件11进行旋转。
在表面形成步骤中，如图3D所示，借助塑性处理工具21A、21B使至少两个轴固定表面11A形成在与汽缸之间的位置相对应的中空轴件11的部分上。这时，由于凸轮凸部件之间的距离较长，因此用来形成轴固定表面11A的塑性处理工具21A、21B的设计自由度就较大。因此，在这种制造方法中，可以使用刚性较大且使用寿命较长的塑性处理工具21A、21B。
图4A和4B及图5示出了塑性处理工具21A、21B、21A-2、21B-2的例子。与图5所示的多边形塑性处理工具(模子)21A-2、21B-2不相同，在图4A所示的平的塑性处理工具(模子)21A、21B的情况下，在形成一对平行表面之后，中空轴件11旋转到方向R。因此，在保持制止中空轴件11沿着方向R进行旋转的情况下，重复地通过塑性处理工具21A、21B来形成这些轴固定表面，如图4B所示，因此形成了多边形轴固定表面11A。
表面形成步骤不会影响开口膨胀固定步骤，因为这个步骤是在开口膨胀固定步骤之后来执行。
在弯曲校正步骤中，如图3E所示，校正产生于开口膨胀固定步骤和表面形成步骤中的中空轴件11的弯曲。即，由于校正开口膨胀固定步骤所产生的弯曲的步骤和校正表面形成步骤所产生的弯曲的步骤在一次同时执行，因此可以防止步骤增多，故工作线被缩短了且费用减少了。
更加具体地说，在图3E所示的弯曲校正步骤中，首先，测量中空轴件11的弯曲量。使需要根据测量结果所探测到的中空轴件11的弯曲量进行校正的部分通过下面方法进行塑性变形使用塑性处理工具22，沿着与中空轴件11的纵向相正交的方向给该部分加压。与塑性处理工具所加压的侧部相对的侧部由安装部分23来支撑。
弯曲被校正过的中空轴件11进入到机械处理步骤(机加工、研磨或者抛光过程)。因此，在机械处理步骤中，防止产生加工余量偏差和防止剩下粗糙的材料表面，并且防止由于该过程之后的厚度偏差所产生的旋转不平衡。
如上所述，可以提供一种较轻的、组合式的发动机凸轮轴的制造方法，该凸轮轴具有满意的机械耐用性和可维护性。
接下来，解释应用到弯曲校正步骤中的塑性处理装置。
如图6所示，塑性处理装置30具有底座部分31、支柱部分32、上部框架25、轨道部分26、导向轨道部分34、弯曲校正部分35和安装支架部分40。
支柱部分32布置在底座部分31的两侧上，导向轨道部分34固定到支柱部分32的上部上。支柱部分32各自具有支撑元件33A、33B，从而支撑中空轴件11和使中空轴件11进行旋转。支撑元件33A、33B中的一个33A沿着纵向被驱动(图6中的左右方向)，而支撑元件33B被驱动来进行旋转。如图7和8所示，弯曲校正部分35具有在轨道部分26上进行滑动的滑动部分27、压杆36、液压缸部分37、伺服马达38和辊子39。
压杆36具有用来校正弯曲的塑性处理工具，并且由液压缸部分37来驱动，该液压缸部分37包括往复线性运动的驱动装置如液压缸，并且压杆沿着上下方向可以自由运动。液压缸部分37支撑到轨道部分26和导向轨道部分34上，从而可以自由运动。而且，伺服马达38安装到液压缸部分37上。当通过伺服马达38来旋转的辊子39在导向轨道部分34上进行旋转时，液压缸部分37在图6的左右方向上进行运动。
因此，压杆36自由地接近由支撑元件33A、33B所支撑的中空轴件11或者与该中空轴件11分开，并且沿着中空轴件11的纵向(轴向)自由地运动。
安装支架部分40具有液压缸部分41和安装部分42。安装部分42由液压缸部分41来驱动，该液压缸部分41包括往复线性运动的驱动装置如液压缸，从而沿着上下方向可以自由地运动到理想位置上。而且，如图9所示，安装部分42具有位置传感器43、弹簧(弹性件)44和接触器45，并且可以探测到中空轴件11的弯曲。当安装部分42与中空轴件11形成接触从而位于其中时，弹簧44具有缓冲作用。
接下来，在下面参照图10来解释塑性处理装置30的弯曲测量。
首先，在进行表面形成步骤的中空轴件11的一端设置在支撑元件33B之后，支撑元件33A前进并且与中空轴件11的另一端形成接触，因此支撑着中空轴件11。接下来，所有的安装支架部分40进行工作。即，相应的安装部分42各自由液压缸部分41来升高，从而与中空轴件11形成接触。
当支撑元件33B使中空轴件11进行旋转时，安装部分42的位置传感器43执行测量。其结果是，可以探测到沿着需要弯曲校正的中空轴件11的一些部分的纵向的位置和变形量。
接下来，参照图11来解释塑性处理装置30的弯曲校正。
首先，根据弯曲测量结果来控制伺服马达38，并且沿着导向轨道部分34(中空轴件11的纵向)驱动弯曲校正部分35，从而使之设置在需要弯曲校正的部分上。
接下来，操纵这些安装支架部分40，而这些安装支架部分40布置在这样的一些位置上在这些位置上，需要弯曲校正的部分被夹入中间。安装部分42借助液压缸部分41而升高到最有利位置上，从而支撑中空轴件11。
弯曲校正部分35的压杆36借助液压缸部分37来降低，从而使需要弯曲校正(沿着与中空轴件11的纵向相正交的方向)的部分增压，并且根据所探测到的变形量使该部分进行塑性变形。如果需要，那么支撑元件33B使中空轴件11进行旋转。
在所有需要弯曲校正的部分上重复弯曲校正，以致中空轴件11沿着纵向的弯曲被校正过来。
图12是用来解释本发明实施例的塑性处理装置的改进例子的前视图。塑性处理装置50还具有上部形成部分51和下部形成部分54，该装置50与图6-11所示的塑性处理装置30不相同。
例如，上部形成部分51具有压杆52，它具有图4和5所示的塑性处理工具21A；及液压缸部分53，它用来驱动压杆52，该上部形成部分51用来在中空轴件11的上表面上形成轴固定表面。
例如，下部形成部分54具有压杆55，它具有图4和5所示的塑性处理工具21B；及液压缸部分56，它用来驱动压杆55，该下部形成部分54用来在中空轴件11的下表面上形成轴固定表面。
上部形成部分51具有与弯曲校正部分35相类似的另一个伺服马达和另一个辊子，并且它沿着中空轴件11的纵向、沿着导向轨道部分34自由地进行运动。为此，在弯曲校正时上部形成部分5 1运动到退却位置上，因此在上部形成部分51和弯曲校正部分35之间不会产生干扰。
同时，下部形成部分54布置在汽缸之间的位置下方，在那里，形成轴固定表面，并且该轴固定表面位于安装支架部分40之间。因此，由于下部形成部分54在下面这样的状态下进行等待压杆55在弯曲校正时被降低，因此不会妨碍安装支架部分40进行工作。
接下来，解释塑性处理装置50的表面形成步骤。
首先，在把进行开口膨胀固定步骤的中空轴件11的一端设置在支撑元件33B之后，使支撑元件33A沿着图12的右边方向前进，从而与中空轴件11的另一端形成接触，因此支撑着中空轴件11。
接下来，上部形成部分51从退却位置运动到汽缸之间的位置上方，压杆52向着中空轴件11降低。同时，下部形成部分54使压杆55向着中空轴件11进行升高。
借助压杆52和压杆55的塑性处理工具21A、21B，使轴固定表面形成在与汽缸之间的位置相对应的中空轴件11的这些部分上。
除了下面这些之外，塑性处理装置50的弯曲校正步骤与塑性处理装置30的弯曲校正步骤相类似上部形成部分51布置在退却位置上，并且下部形成部分54的压杆55被降低，如图1 3所示。因此，它的解释不再重复了。
如上所述，塑性处理装置50具有形成轴固定表面的功能和校正中空轴件弯曲的功能，并且在一次夹装中能够连续地执行表面形成步骤和弯曲校正步骤。因此，可以减少许多步骤，并且可以减少制造设备的费用。
日本专利申请P2002-172952(2002年6月13日提交)的全部内容在这里引入以作参考。
尽管参照本发明的某些实施例在上面描述了本发明，但是本发明不局限于上述的这些实施例。根据上面教导，本领域普通技术人员对上述这些实施例可以进行许多改进和变形。本发明的范围由下面的权利要求来限定。
权利要求
1.一种发动机的组合式凸轮轴，它包括凸轮凸部件；及中空轴件，该中空轴件具有至少两个轴固定表面，这些表面通过塑性过程形成在与发动机的汽缸之间的位置相对应的一部分中空轴件上。
2.如权利要求1所述的发动机的组合式凸轮轴，它还包括另一个凸轮凸部件，其中，两个轴固定表面形成在两个凸轮凸部件之间的一部分中空轴件上。
3.如权利要求2所述的发动机的组合式凸轮轴，其特征在于两个轴固定表面设置在两个凸轮凸部件之间的中部的一部分中空轴件上。
4.如权利要求1所述的发动机的组合式凸轮轴，其特征在于设置有所述轴固定表面的那部分的直径小于所述中空轴件的直径。
5.如权利要求1所述的发动机的组合式凸轮轴，其特征在于这些轴固定表面与邻近凸轮凸部件的端表面分开不小于6mm。
6.如权利要求1所述的发动机的组合式凸轮轴，其特征在于至少两个轴固定表面形成相互平行并且相互面对。
7.如权利要求1所述的发动机的组合式凸轮轴，其特征在于设置有轴固定表面的所述中空轴件的那部分的横截面具有多边形形状。
8.一种发动机的组合式凸轮轴的制造方法，该凸轮轴具有凸轮凸部件和中空轴件，该制造方法包括这样的步骤使用塑性处理工具，在与发动机的汽缸之间的位置相对应的一部分中空轴件上形成至少两个轴固定表面。
9.如权利要求8所述的发动机的组合式凸轮轴的制造方法，其特征在于，在中空轴件具有两个凸轮凸部件的情况下，两个轴固定表面形成在两个凸轮凸部件之间的一部分中空轴件上。
10.如权利要求9所述的发动机的组合式凸轮轴的制造方法，其特征在于，两个轴固定表面设置在这两个凸轮凸部件之间的中部的那部分中空轴件上。
11.如权利要求8所述的发动机的组合式凸轮轴的制造方法，还包括步骤使所述中空轴件的开口进行膨胀，从而使凸轮凸部件固定到中空轴件上；其特征在于，在使中空轴件的开口进行膨胀的膨胀步骤之后，执行形成轴固定表面的形成步骤。
12.如权利要求8所述的发动机的组合式凸轮轴的制造方法，还包括，校正中空轴件从而使之变直；其中，在校正中空轴件从而使之变直的校正步骤之前，执行形成轴固定表面的形成步骤。
13.如权利要求8所述的发动机的组合式凸轮轴的制造方法，还包括校正中空轴件从而使之变直；其中，在所述中空轴件连续地固定到制造装置的情况下，执行形成轴固定表面的形成步骤和校正中空轴件从而使之变直的校正步骤。
14.如权利要求12所述的发动机的组合式凸轮轴的制造方法，其特征在于，校正中空轴件从而使之变直的校正步骤包括这些步骤测量中空轴件的弯曲情况；探测中空轴件的校正部分和校正量，其中该中空轴件根据测量步骤中所测得的测量结果来进行校正；及沿着与中空轴件的纵向相正交的方向，借助塑性处理工具来加压，从而使该中空轴件进行塑性变形，从而使之变直。
15.一种发动机的组合式凸轮轴，它包括凸轮凸部件；及中空轴件，该中空轴件具有至少两个轴固定表面；其中该组合式凸轮轴通过下面步骤来制造使用塑性处理工具，在与发动机的汽缸之间的位置相对应的一部分中空轴件上形成至少两个轴固定表面。
16.如权利要求15所述的发动机的组合式凸轮轴，其特征在于，在形成轴固定表面之前，使中空轴件的开口进行膨胀，从而使凸轮凸部件固定到中空轴件上。
17.如权利要求16所述的发动机的组合式凸轮轴，其特征在于，在形成轴固定表面之前，在凸轮凸部件固定到中空轴件之后，校正中空轴件从而使之变直。
18.如权利要求17所述的发动机的组合式凸轮轴，其特征在于，校正中空轴件从而使之变直的校正工作包括这些步骤测量中空轴件的弯曲情况；探测中空轴件的校正部分和校正量，其中该中空轴件根据测量步骤中所测得的测量结果来进行校正；及沿着与中空轴件的纵向相正交的方向，借助塑性处理工具来加压，从而使该中空轴件进行塑性变形，从而使之变直。
全文摘要
一种发动机的组合式凸轮轴(10)包括凸轮凸部件(12)；和中空轴件(11)，该中空轴件具有至少两个轴固定表面(11A)，这些表面通过塑性过程形成在与发动机的汽缸之间的位置相对应的一部分中空轴件(11)上。
文档编号B21D39/06GK1469031SQ0314257
公开日2004年1月21日 申请日期2003年6月13日 优先权日2002年6月13日
发明者高野裕, 广田智之, 小原裕二郎, 之, 二郎 申请人:日产自动车株式会社