压缩残余应力改进的滑动凸轮轴的制作方法

本发明涉及一种压缩残余应力能力改进的滑动凸轮轴。

背景技术：

车辆通常包括具有旋转凸轮轴和阀的发动机。凸轮轴经由凸轮从动件打开和关闭阀，凸轮从动件跟随在旋转凸轮轴上的凸轮凸角。凸轮轴可以是具有花键联接至内轴的外滑动轴的滑动凸轮轴。滑动凸轮轴使得凸轮凸角能够通过相对于内轴滑动外轴来变为可替代凸轮凸角，以便将可替代凸轮凸角呈现至凸轮从动件。一个或者多个可替代凸轮凸角可以包括在滑动凸轮轴上以使得能够修改发动机功率、效率和/或其它发动机性能特征。

外轴的内外表面均必须进行硬化以便实现耐磨损。此外，在外轴的外部中的压缩残余应力使得滑动凸轮轴能够在更高的负载条件下运转，这可以改进发动机性能。由于外轴具有较薄的壁，因此，常规的热处理工艺导致整个外轴发生硬化，使得在外轴的外部中保留很少或者没有针对压缩残余应力的能力。

技术实现要素：

本文公开了一种外轴、一种滑动凸轮轴以及一种方法。外轴具有外表面，该外表面可承受磨损和负载；以及内表面，该内表面可承受磨损并且配置有用于传递来自外花键联接内轴的转矩且在该外花键联接内轴上轴向地滑动的内花键。外轴包括内表面上用于实现耐磨损的涂层以及外部，该外部进行表层硬化以实现外表面的耐磨损并且在外部中形成压缩残余应力以实现负载承载能力。外轴可以包括未通过热处理进行硬化的内部。

滑动凸轮轴用于移动至多个可选择凸轮凸角中的所选择的一个凸轮凸角并且包括内轴和外轴。内轴配置有外花键。外轴具有内表面、外表面、涂层和外部。内表面可承受磨损并且配置有用于传递来自内轴的外花键的转矩并且在内轴的外花键上轴向地滑动的内花键。外表面可承受磨损和负载并且配置有多个可选择的凸轮凸角。内表面上的涂层用于实现耐磨损。外部进行表层硬化以实现外表面的耐磨损并且在外部中形成压缩残余应力能力以实现负载承载能力。外轴可以包括未通过热处理进行硬化的内部。

该方法用于对中空凸轮轴的内外表面进行处理以便改进发动机的寿命。该方法包括对凸轮轴的外部进行充分地表层硬化以在保留凸轮轴的核心部分充分柔软的同时提供外表面耐磨损，从而在外部中形成压缩残余应力来提供负载承载能力；以及充分地涂覆凸轮轴的内表面以提供内表面耐磨损。

外轴、滑动凸轮轴和方法在内外表面上提供耐磨损并且在外轴的外部中提供压缩残余应力。这样做可以实现在更高负载下的运转，进而可以改进性能。本发明适用于包括滑动凸轮轴的或者包括具有花键联接至内轴的滑动外轴的任何类似旋转轴的任何机器或制造品。

上述特征和优点以及本教导的其它特征和优点从以下结合附图对执行本教导的最佳方式进行的详细描述中容易显而易见。

附图说明

图1是车辆的示意性平面图，该车辆具有发动机，该发动机包括具有外轴的滑动凸轮轴，该外轴具有在内表面上的用于实现耐磨损的涂层以及进行表层硬化以实现耐磨损和负载承载能力这两者的外部。

图2是图1的滑动凸轮轴的示意性透视图，其示出了更多细节并且包括若干附加的发动机部件。

图3是在图2的线3-3处截取的部分以立面示出的图2的滑动凸轮轴的部分示意性截面图。

图4是在线3-3处截取的图2的滑动凸轮轴的示意性截面透视图，其仅仅示出了滑动凸轮轴的外轴，为了清楚起见移除了所有其它零件。

图5是用于对中空凸轮轴的内外表面进行处理以便改进发动机的寿命的方法的流程图。

具体实施方式

参照附图，其中相同的附图标记在整个附图中指代相同的部件，图1示出了包括发动机12和车轮14的车辆10。车轮14可操作地连接至发动机12以向车辆10提供动力。发动机12包括滑动凸轮轴20，如图2中最佳可见。

现在参照图2至图4，滑动凸轮轴20用于移动至一个或者多个可选择凸轮凸角36A、36B、36C中所选择的一个凸轮凸角。滑动凸轮轴20包括内轴22和外轴24。滑动凸轮轴20可以包括多个外轴24，如图所示。内轴22具有外花键26。外轴24具有内表面28，内表面28配置有用于传送来自内轴22的外花键26的转矩(箭头T)并且用于在内轴22的外花键26上轴向地滑动(轴线箭头A)的内花键。内表面28可承受在内花键30与外花键26之间的第一接口32处的磨损。

外轴24具有外表面34。外表面34配置有一个或多个可选择凸轮凸角36A、36B、36C，这些凸轮凸角具有相应的凸轮轮廓38A、38B、38C并且相对于内轴22对应于外轴24的相应轴向位置40A、40B、40C。所选择的凸轮凸角(在图2和图3中示出为36A)及其相应的凸轮轮廓(在图2和图3中示出为38A)通过将外轴24定位在相应轴向位置(在图2和图3中示出为40A)处而被选择。

发动机12包括阀42和凸轮从动件机构44，凸轮从动件机构44将阀42连接至所选择的凸轮凸角(在图2和图3中示出为36A)，以便根据相应的凸轮轮廓(在图2和图3中示出为38A)打开和关闭阀42。凸轮从动件机构44可以为辊式指状从动件，如图所示且如本领域技术人员所理解的那样，或者可以为任何其它合适的凸轮从动件机构。凸轮从动件机构44 包括凸轮从动件46。凸轮从动件46可以为辊子(如图所示)或可以为任何其它类型的凸轮从动件。阀弹簧48可以连接至阀42并且可以对阀42进行偏置以将阀42朝着发动机气缸(未示出)中的关闭位置(未示出)且朝着所选择的凸轮凸角(示出为36A)推进。外轴24的外表面34可承受凸轮凸角36A、36B、36C与凸轮从动件46之间的第二接口50处的磨损和阀负载(箭头FV)。

外轴24的外表面34可进一步配置有移动特征件52，其用于将外轴24轴向地(轴线箭头A)相对于内轴22移动至相应的轴向位置40A、40B、40C，该轴向位置对应于多个可选择的凸轮凸角36A、36B、36C中的所选择的那一个。移动特征件52可以为形成在外轴24的外表面34上的凹槽(如图所示)。移动特征件52可以为筒形凸轮、双S凹槽或任何其它合适的移动特征件。

发动机12可以包括移动致动器54和连接至致动器54的致动器销56。致动器销56可以为圆柱形(如图所示)或可以为任何其它合适的形状。当处于致动状态时，移动致动器54可以移动致动器销56使其与移动特征件52接触，并且当处于未致动状态时，移动致动器54可以收回致动器销56使其与移动特征件52脱离接触。当移动致动器54处于致动状态时，致动器销56可以与移动特征件52相配合以将外轴24轴向地(轴线箭头A)移动至相应的轴向位置40A、40B、40C，该轴向位置对应于多个可选择的凸轮凸角36A、36B、36C中的所选择的那一个。如图所示，可以有一个以上的移动特征件52和一个以上的致动器销56。外轴24的外表面34可承受移动特征件52与致动器销56之间的第三接口58处的磨损和致动器负载(箭头FA)。

外轴24的内表面28可以配置有定位特征件74，其用于将外轴24相对于内轴22暂时定位在相应的轴向位置40A、40B、40C处，该轴向位置对应于多个可选择的凸轮凸角36A、36B、36C中的所选择的那一个。外轴24的内表面28可以配置有用于减小外轴24的质量的轻量化特征件78。

滑动凸轮轴20可以包括棘爪机构60，其包括偏置装置70和棘爪球72。偏置装置70可以设置在内轴22内，并且可以为螺旋弹簧(如图所示) 或任何其它合适的偏置装置。棘爪球72可以设置在偏置装置70、内轴22与外轴24之间。偏置装置70在棘爪球72上施加径向向外的偏置力(箭头B)。定位特征件74可以为形成在外轴24的内表面28上的圆周棘爪凹槽，如图所示。定位特征件可以配置成通过接合棘爪机构60的棘爪球72而将外轴24相对于内轴22暂时定位在相应的轴向位置40A、40B、40C处。外轴24的内表面28可承受定位特征件74与棘爪球72之间的第四接口76处的磨损。

外轴24包括内表面28上用于实现耐磨损的涂层80。涂层80可为二硫化钨涂层、金刚石类涂层、铁素体氮碳共渗涂层或者任何其它用于改善内表面28的耐磨性的合适涂层。涂层80改善了内花键30与外花键26之间的第一接口32处的外轴24的内表面28的耐磨性。涂层80可以改善定位特征件74与棘爪球72之间的第四接口76处的外轴24的内表面28的耐磨性。

现参照图4，外轴24的外部82进行表层硬化或表面硬化以实现外表面34的耐磨损并且在外部82中形成压缩残余应力以实现负载承载能力。外部82从外表面34延伸到边界83。表层硬化或表面硬化是定义为将金属物体的表面硬化，同时还允许其更底层的金属保持柔软，由此在表面处形成一层较硬的金属(称为“表层”)。整个外部82可以进行表层硬化。替代地，只有外部82的选定部分可以进行表层硬化。外轴24可以具有并未通过热处理进行硬化和/或比外部82更柔软或硬度不及外部82的核心或内部84。核心或内部84可以从内表面28延伸到边界83。外轴24的外部82可以经由激光热处理、经由感应热处理或经由任何其他合适的热学或机械表层硬化或表面硬化过程而进行表层硬化。

外轴24的已进行表层硬化的外部82改进了凸轮凸角36A、36B、36C与凸轮从动件46之间的第二接口50处的外轴24的外表面34的耐磨性，并且改进了滑动凸轮轴20的负载承载能力。外轴24的已进行表层硬化的外部82还可以改进移动特征件52与致动器销56之间的第三接口58处的外轴24的外表面34的耐磨性。

现参照图5，示出了处理滑动凸轮轴20的中空外轴24的内表面28和 外表面34以改进发动机12的寿命的方法100。方法100包括对中空外轴24的外部82充分地进行表层硬化102以提供外表面耐磨损，同时使中空外轴24的核心或内部84保持足够柔软以在外部82中形成压缩残余应力，进而提供负载承载能力。方法100包括充分地涂覆104中空外轴24的内表面28以提供内表面耐磨损。

对外部82进行表层硬化102可以包括经由激光热处理和感应热处理中的一种而进行的表层硬化。涂覆104内表面28可以包括用二硫化钨涂层、金刚石类涂层和铁素体氮碳共渗涂层材料中的一种进行的涂覆。可以使用任何其他合适的涂层材料。

外表面耐磨损可以在凸轮凸角处提供针对凸轮从动件或第二接口50的耐磨损以及在移动特征件处提供针对致动器销或第三接口58的耐磨损。负载承载能力可以提供凸轮轴20承载发动机负载(包括阀门负载FV和致动器销负载FA)的能力。内表面耐磨损可以在内花键30处提供针对外花键26或第一接口32的耐磨损以及在定位特征件处提供针对棘爪球或第四接口76的耐磨损。

虽然已详细地描述了用于实行本教导的许多方面的最佳模式，但是，熟悉这些教导所涉及的领域的技术人员将认识到用于实践在所附权利要求书的范围内的本教导的各种替代方面。