專利名稱：滾子式凸輪軸支架以及包含該凸輪軸支架的內燃機的制作方法
技術領域：
本發明總體涉及用于可旋轉地支撐凸輪軸的支架結構，尤其涉及用于頂置凸輪軸配置的這種滾動軸承支架結構。在更為具體的設置中，本發明涉及一種用于頂置凸輪軸配置的滾動軸承支架結構以及具有這種支架結構和I型直接作用閥機構的內燃機，所述頂置凸輪軸配置具有I型直接作用閥機構配置。
背景技術：
往復式發動機或內燃機包括一個或多個凸輪軸，例如圖IA所示的示例凸輪軸20， 這對于本領域技術人員來說是公知的。凸輪軸獨立地使閥機構的各自的進氣閥和排氣閥響應于凸輪軸的旋轉運動而進行直行運動。凸輪軸20典型地包括軸部22和多個凸輪對。軸部22通過一個或多個軸承以及發動機的氣缸蓋的對等結構而被可旋轉地支撐。凸輪軸20通過正時皮帶(未顯示)或其它結構(例如，齒輪)而連接到發動機的曲軸，從而使凸輪軸根據曲軸的旋轉而進行旋轉。當每一個凸輪M可操作地分別聯接或連接到進氣閥或排氣閥時，設置與閥數量相同數量的凸輪。每一個凸輪M包括相對長徑部Ma(有時稱為凸起部)以及相對短徑部 24b0沿著凸輪軸20將多個凸輪M設置為使長徑部Ma的位置在周向方向上錯開。因此隨著進氣閥和排氣閥可操作地連接到多個凸輪M的每一個，這些進氣閥和排氣閥可以響應于各自的凸輪軸的旋轉而在不同的正時下打開和關閉。這樣的往復式發動機或內燃機10可配置為包括一個或多個汽缸，更具體地為4 缸、6缸、8缸、10缸和12缸。而且，在發動機中將各汽缸設置為成直線、傾斜，以形成V形， 或者以本領域技術人員所公知的多種方法中的任意一個進行設置。因此，凸輪軸的數量和凸輪軸的設置取決于汽缸的數量和汽缸的設置。往復式發動機或內燃機可以設置為具有兩個凸輪軸，并且設置為位于進氣閥和排氣閥的每一側上，所述凸輪軸放置并設置在每個氣缸蓋的上側，這是本領域技術人員公知的。這樣的設置通常稱為雙頂置凸輪或凸輪軸(DOHC)設置。在這種DOHC配置中，一個凸輪軸的凸輪可操作地聯接到進氣閥，以便分別在適合正時處打開和關閉每一個進氣閥，并且其它凸輪軸的凸輪可操作地聯接到排氣閥，以便在適合正時處分別打開和關閉每一個排氣閥。可替代地，并且正如本領域技術人員所公知的，內燃機可配置為對于每一個氣缸蓋具有一個凸輪軸(即，單頂置凸輪軸——S0HC)，該凸輪軸包括沿著凸輪軸設置的凸輪，以便在適合的正時下打開和關閉進氣閥和排氣閥中的每一個。在內燃機包括多于一個氣缸蓋的情況下，例如當發動機為V形配置時，設置兩組凸輪軸，對于每一個氣缸蓋具有一組。當所描述的進氣閥被打開時，各個凸輪M的長徑部2 鄰接進氣閥30a的各自的端部。以此方式，進氣閥被向下推動抵抗閥彈簧的力，從而使進氣閥頭從閥座位移并延伸進入汽缸內。當所述的進氣閥關閉時，凸輪M的短徑部24b鄰接進氣閥的各自的端部，從而通過閥彈簧的回復力向上推動進氣閥。這也適用于排氣閥，因此在此將不再贅述。用于可旋轉地支撐頂置凸輪軸發動機配置中的凸輪軸20的最普遍的技術或機構是一種組件，該組件包括多個薄膜動液軸承，所述薄膜動液軸承包括氣缸蓋中的互補的軸承支架結構，其中各動液軸承沿著凸輪軸的長度相對隔開。更特別地，通常對應于凸輪軸的每一個軸部22設置軸承組件。在這樣的軸承組件中，受壓油被導入每一個軸部22的外表面和相對的動液軸承結構之間。與其它動液軸承結構結合的這種油的受壓薄膜可旋轉地支撐凸輪軸，并且該油還作為潤滑劑，從而在凸輪軸旋轉時降低摩擦。在發動機速度較低時或者當發動機空轉時，油泵并不產生產生足夠壓力以形成油的受壓薄膜；而是形成混合膜。正如本領域技術人員所公知的，與薄膜條件相比，該混合膜條件增大了摩擦力，從而在這種速度較低時或者當發動機空轉時引起更高的凸輪軸扭矩。這在發動機在已經停機一段時間之后正要起動時也是有意義的，這是因為當正要起動發動機時，可能在凸輪軸和軸承支架表面之間僅有很少油甚至沒有油用于潤滑(例如，在氣缸蓋的固定結構和凸輪軸之間沒有潤滑劑或只有很少潤滑劑)。換句話說，當起動發動機時，可能將與凸輪軸的軸部22存在金屬與金屬的接觸，從而增大了軸承組件上的磨損。在美國專利公開US 2009/0235887和US 2010/0012059中，滾子式軸承設置為與氣缸蓋中的結構結合，并可旋轉地支撐凸輪軸。記載于美國專利公開No. US 2009/0235887 中的滾針式軸承是一種滾子式軸承，其包括外環、多個滾針以及油槽，該外環通過在周向方向上連接多個弧形外環構件而形成，所述多個滾針沿著外環的內徑表面而設置，所述油槽在周向方向上延伸并且在外環構件的外徑表面中形成。記載于美國專利公開No. US 2010/0012059中的滾子軸承包括外環以及多個滾子，該外環通過在周向方向上連接多個弧形外環構件而形成，所述多個滾子沿著外環的內徑表面而設置。在外環構件的內徑表面上的一個或每一個周向端部處設置傾斜表面，并且該傾斜表面的輪廓線沿循垂直于滾子的旋轉方向的方向。在這兩個申請中描述的滾子軸承組件(1)用于外環構件的總寬度支架；(2)具有在上軸承滾道中形成的或加工的潤滑溝槽，該潤滑溝槽在上軸承滾道上并且圍繞上軸承滾道的中心而在周向方向上延伸；并且C3)具有拉制杯狀外滾道(drawn cup outer raceway)，其設計為控制軸承的軸向運動。如圖2B所示，在I型閥機構中，為了收容勺斗 (bucket)型挺桿而在氣缸蓋中加工表面凹口或勺斗使得氣缸蓋中的下軸承支架結構的寬度極大地縮短了。這種縮短的寬度意味著，下軸承支架結構將不能提供橫跨總寬度軸承組件的整個寬度的支撐，例如在上文引用的專利申請公開中所看到的。此外，正如在這些公開中所述，在上軸承滾道中形成的或加工的潤滑溝槽在上軸承滾道上并且圍繞上軸承滾道的中心而沿著周向方向延伸，在I型閥機構中所看到的寬度縮短的下軸承支架結構的區域中，該潤滑溝槽也減小了滾道的厚度。此外，這樣的凹槽將意味著，在滾道和下軸承支架結構之間將可能存在間隙。這樣的配置將意味著，在滾道凹槽和寬度縮短的下軸承支架結構之間將存在很少接觸或不存在接觸，特別是在不可接受的凹槽的區域中更是如此。而且，拉制杯狀外管道的設計有助于控制軸承在這些總寬度配置中的軸向運動， 該設計在閥機構的運動結構之間產生潛在的不可接受的干涉，這是因為在該處挺桿和凸輪的相關凸出部位于I型閥機構中。而且，在滾針圍繞它們在滾子軸承之內的旋轉中心旋轉的同時，滾子軸承自身也
6圍繞凸輪軸的中心旋轉。因此，在I型閥機構配置中，滾子軸承將通過寬度縮短的下軸承支架結構而旋轉。至少是因為上述的困難，所以諸如在上文等同的專利申請公開中所述的滾子軸承還沒有使用在具有I型閥機構配置的內燃機中。另外，當在發動機起動、空轉和低速運行的過程中閥機構是I型閥機構時(例如， 增大了摩擦力)，下軸承支架的縮短的寬度還進一步關系到動液軸承的使用。因此，可預期在使用I型閥機構時提供一種用于可旋轉地支撐凸輪軸的軸承支架結構，同時在使用I型閥機構時提供用于可旋轉地支撐凸輪軸的方法。具體而言，可預期提供這樣的設備和方法，其將在軸承支架結構包含滾子式軸承元件時可旋轉地支撐凸輪軸。 也可預期提供這樣的滾子式軸承支架結構，與現有技術中的設備或結構相比，其并不顯著地改變相關部件的尺寸和配置。
發明內容
在寬泛的方面，本發明涉及一種滾子式凸輪軸支架(rollerized camshaft support)，以便可旋轉地支撐I型閥機構的凸輪軸，所述凸輪軸具有至少一個旋轉表面。這樣的滾子式凸輪軸支架包括至少一個滾子式軸承以及對于每一個所述滾子式軸承的至少一個軸承支架，其中每一個軸承支架包括軸承上支架元件和軸承下支架元件。每一個滾子式軸承包括內滾道、外滾道和多個滾動元件，所述滾動元件設置在所述內滾道和外滾道之間并且在寬度上橫穿各滾道而延伸。所述軸承上支架元件和軸承下支架元件配置為將滾子式軸承容放于所述軸承上支架元件和軸承下支架元件之間。另外，所述軸承下支架元件配置并設置為與I型閥機構的配置的一部分互補。根據本發明的一個方面，涉及一種滾子式凸輪軸支架，以便可旋轉地支撐與I型閥機構一起使用的凸輪軸。這樣的凸輪軸對于每一個進氣閥和排氣閥具有至少一個凸輪， 并且具有至少一個旋轉表面，其中所述凸輪和所述至少一個旋轉表面沿著所述凸輪軸的長度定位。這樣的滾子式凸輪軸支架包括至少一個滾子式軸承，并且對于每一個所述至少一個滾子式軸承包括至少一個軸承支架。在另外的實施方式中，所述凸輪軸包括多個凸輪和多個旋轉表面；并且所述滾子式凸輪軸支架包括多個滾子式軸承和多個支架；對于每一個所述多個旋轉表面具有一個滾子式軸承和軸承支架。每一個所述至少一個或多個滾子式軸承包括內滾道、外滾道以及多個滾動元件， 所述內滾道圍繞每一個所述至少一個旋轉表面而在周向和軸向上延伸，所述外滾道圍繞所述內滾道在周向和軸向上延伸，所述多個滾動元件設置在所述內滾道和外滾道之間并且在寬度上橫穿各滾道而延伸。每一個所述至少一個或多個軸承支架包括軸承上支架元件和軸承下支架元件。所述軸承上支架元件和軸承下支架元件配置為將滾子式軸承容放于所述軸承上支架元件和軸承下支架元件之間。所述軸承下支架元件配置并設置為與I型閥機構的配置的一部分互補。在更為具體的實施方式中，所述軸承上支架元件具有與所述內滾道相對的第一內表面，所述第一內表面具有第一寬度，并且所述軸承下支架元件具有與所述內滾道相對的第二內表面，所述第二內表面具有第二寬度。對于這樣的設置，所述第一寬度大于所述第二寬度，并且所述內滾道的寬度基本上不變。
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在另外的實施方式中，所述第一寬度和第二寬度的寬度為使所述第二寬度與所述第一寬度的比值在大約30%至大約50%的范圍內。另外，所述第二寬度在周向上變化，以便在最小寬度和最大寬度之間變化。在其它實施方式中，所述第一寬度和第二寬度的寬度滿足如下關系中的一個或一個以上(a)所述最小寬度(W2)除以所述第一寬度(Wl)的商在從大約30%至大約50%的范圍內(8口，大約30%彡W2/W1彡50% )；(b)大于或等于大約30% ( S卩，大約30%彡W2/W1)；或者(c)所述第二寬度的最小寬度/第一寬度小于或等于50% ( S卩，W2/W1彡大約 50% )。在其它實施方式中，每一個滾子式軸承進一步包括保持架(cage)，所述保持架配置為在周向上相對隔開地保持所述多個滾動元件。這樣的保持架還配置為包括多個突出部，所述突出部垂直于所述保持架的周向端部表面而延伸，從而鄰近所述內滾道或外滾道中的一個的周向端部表面。在其它實施方式中，所述軸承上支架元件的第一內表面配置有溝槽，所述溝槽延伸所述內表面的圓周的至少一部分，所述溝槽流體聯接到潤滑劑源，并且所述內滾道配置為包括通孔。此外，所述溝槽進一步設置為流體聯接到所述通孔。以此方式，諸如受壓油的潤滑劑經過所述溝槽并由此經過所述通孔而連通，從而對所述滾子式軸承的滾子元件進行潤滑。根據本發明的另一個方面，涉及一種內燃機，其具有I型閥機構、至少一個進氣閥以及至少一個排氣閥。這樣的內燃機包括凸輪軸以及滾子式軸承支架，所述凸輪軸對于每一個進氣閥和每一個排氣閥具有至少一個凸輪，并且具有至少一個旋轉表面，其中所述凸輪和至少一個旋轉表面沿著所述凸輪軸的長度而定位，對于每一個所述至少一個旋轉表面具有一個滾子式軸承支架。每一個所述滾子式軸承支架包括至少一個滾子式軸承和至少一個軸承支架。每一個滾子式軸承包括內滾道、外滾道以及多個滾動元件，所述內滾道圍繞每一個所述至少一個旋轉表面而在周向和軸向上延伸，所述外滾道圍繞所述內滾道在周向和軸向上延伸，所述多個滾動元件設置在所述內滾道和外滾道之間并且在寬度上橫穿各滾道而延伸。每一個滾子式軸承支架包括軸承上支架元件和軸承下支架元件。所述軸承上支架元件和軸承下支架元件配置為將所述至少一個滾子式軸承容放于所述軸承上支架元件和軸承下支架元件之間。另外，所述軸承下支架元件配置并設置為與I型閥機構的配置的一部分互補。在另外的實施方式中，所述軸承上支架元件具有與所述內滾道相對的第一內表面，所述第一內表面具有第一寬度，并且所述軸承下支架元件具有與所述內滾道相對的第二內表面，所述第二內表面具有第二寬度。在更為具體是實施方式中，所述第一寬度大于所述第二寬度，并且所述內滾道的寬度基本上不變。在其它實施方式中，所述第一寬度(Wl)和第二寬度(W2)的寬度滿足如下關系大約30%彡W2/W1彡大約50%。在更為具體的實施方式中，所述第二寬度在周向上變化，從而在最小寬度和最大寬度之間變化。在其它實施方式中，所述第一寬度和第二寬度的寬度滿足如下關系中的一個
(a)大約W2/W1《大約 50% ；(b)30% 彡 W2/W1，或者(c) W2/W1 彡大約 50 %。在其它實施方式中，每一個滾子式軸承進一步包括保持架，所述保持架配置為在周向上相對隔開地對所述多個滾動元件進行保持，其中所述保持架包括多個突出部，所述突出部垂直于所述保持架的周向端部表面而延伸，從而鄰近所述內滾道或外滾道中的一個的周向端部表面。在其它實施方式中，所述軸承上支架元件的第一內表面配置有溝槽，所述溝槽延伸所述內表面的圓周的至少一部分，所述溝槽流體聯接到潤滑劑源，并且所述內滾道配置為包括通孔。此外，所述溝槽進一步設置為流體聯接到所述通孔。在另外的實施方式中，所述凸輪軸包括多個旋轉表面；并且所述滾子式凸輪軸支架進一步包括多個滾子式軸承和多個軸承支架，對于每一個所述多個旋轉表面具有一個滾子式軸承和軸承支架。根據本發明的另一個方面，涉及一種方法，用于可旋轉地支撐用于I型閥機構的凸輪軸，其中所述凸輪軸使得往復式發動機中的所述至少一個進氣閥和至少一個排氣閥中的每一個選擇性地運動。這樣的凸輪軸包括至少一個旋轉表面區域。所述方法包括設置至少一個滾子式軸承支架，其中每一個滾子式軸承支架包括滾子式軸承和軸承支架結構。所述滾子式軸承包括內滾道、外滾道以及多個旋轉元件，所述旋轉元件設置在所述內管道和外滾道之間并且在寬度上橫穿各個滾道而延伸。所述軸承支架結構包括頂部支架構件和底部支架構件，其中所述軸承底部支架構件配置為與I型閥機構的配置互補。所述軸承上支架構件和軸承下支架構件配置為將所述滾子式軸承容放于所述軸承上支架構件和軸承下支架構件之間，并且使得其外滾道與所述軸承上支架構件和軸承下支架構件兩者的內表面相對。所述方法包括圍繞所述凸輪軸的每一個所述至少一個旋轉表面區域設置各個所述至少一個滾子軸承，并且將所述凸輪軸和各個滾子軸承可旋轉地固定在所述軸承上支架構件和軸承下支架構件之間。下面討論本發明的其它方面和實施方式。定義參考如下定義將最為清楚地理解本發明正如在說明書和權利要求中用到的，除非上下文另外明確指出，單數形式的名詞包括復數的含義。在本文中，術語“包括”或“包含”用于表示成分、方法、設備、裝置和系統包含所述的元件，但是不排除其它元件。當使用“主要由……構成”來限定成分、設備、裝置、系統和方法時，表示排除對于該組合具有任何實質性意義的其它元件。這些過渡術語中的每一個所限定的實施方式都在本發明的范圍之內。USP應理解為表示美國專利號，即美國專利和商標局授權的美國專利。
為了更全面地理解本發明的特性和預期目的，對結合所附附圖的如下具體描述進行參考，在這些附圖中，貫穿多幅視圖的相同的附圖標記表示相應的部件，其中圖IA為示例性內燃機中使用的示例性凸輪軸的軸測圖。圖IB為在美國專利申請公開No. US 2009/0235887中描述的總寬度凸輪軸軸承支架結構的示意圖。圖IC為在美國專利申請公開No. US 2010/0012059中描述的總寬度凸輪軸軸承支架結構的示意圖。圖ID為軸承滾道的示意圖，更為具體地顯示了上軸承滾道中的潤滑溝槽，該軸承滾道用于圖IB或IC中的總寬度凸輪軸軸承支架結構中包含的軸承。圖IE為圖IB或IC中的總寬度凸輪軸軸承支架結構的橫截面圖，顯示了其中包含的拉制杯狀外滾道設計，以便控制軸承的軸向運動。圖2A為示例性內燃機的汽缸和氣缸體的橫截面圖。圖2B為具有挺桿的示例性I型閥機構的示意圖。圖2C為I型閥機構的下軸承支架結構的軸測圖，其中為了清楚而略去了軸承、閥組件、凸輪軸和上軸承支架結構。圖2D為下支架結構和上支架結構的示意圖，其中為了清楚而略去了動液軸承、挺桿和凸輪軸。圖3A為用于I型閥機構的根據本發明的下軸承支架結構的軸測圖，具有滾子式軸承的外滾道的一部分，其中為了清楚而略去了閥組件、凸輪軸和上軸承支架結構。圖;3B為圖3A中的下軸承支架結構的俯視圖。圖3C、3D分別為圖3A中的下軸承支架結構的側視圖(圖3C)和圖3A中的下軸承支架結構的示意圖(圖3D)，其顯示了軸承剖面和勺斗挺桿之間的適合間隙，其中閥機構組件和勺斗挺桿處于凸輪基圓上。圖4A為本發明的旋轉軸承支架結構的一部分的示意圖，包括用于將軸承保持架固定到軸承內滾道的機構以及凸輪軸的一部分。圖4B為圖4A的更為具體的示意圖，顯示了在軸承保持架上的成角度的突出部設置于凸輪軸上的軸承內滾道上。圖4C為圖4A中所示的旋轉軸承支架結構的一部分的示意圖，并且包括設置在軸承保持架上的軸承外滾道。圖4D為旋轉軸承支架結構的示意圖，包括固定到氣缸蓋罩的凸輪軸軸承支架蓋。圖5為拼合式外滾道的立體示意圖。圖6A為凸輪軸軸承支架蓋的軸測圖，顯示了潤滑劑供給溝槽。圖6B為另一個凸輪軸軸承支架蓋的軸測圖，顯示了另一個潤滑劑供給溝槽的配置。圖7A、7B顯示了旋轉軸承支架結構和相關氣缸蓋結構的局部剖去的立體圖。圖8A為與I型閥機構相關的旋轉軸承支架結構和相關氣缸蓋結構的分解圖。圖8B為單側拼合保持架的示意圖，該單側拼合保持架能將滾子軸承組合到凸輪軸上，更具體地，能將滾子軸承組合到內滾道上。圖9的示意性的截面圖顯示了橫穿下軸承板或支架結構的截面寬度的縮短以及從總寬度到縮短的寬度的變化。
圖10為滾子軸承的示意性的側視圖，顯示了負載下的凸輪軸軸承。圖11為下軸承支架結構的示意圖，進一步顯示了從總寬度到縮短的寬度的變化。圖12的圖表表示預期摩擦隨著閥機構速度(rpm)的變化而降低，此時I型閥機構中的凸輪軸通過本發明的滾子軸承支架結構而被可旋轉地支撐。
具體實施例方式下面參考附圖中的各個視圖，其中同樣的附圖標記表示同樣的部件，在圖2A中顯示了示例性內燃機100中的汽缸的橫截面圖，內燃機100包括凸輪軸120，在這種內燃機中使用的凸輪軸120用于獨立地使進氣閥組件130和排氣閥組件132各自的進氣閥130a和排氣閥13 運動。這樣的示例性內燃機還包括氣缸體112、曲軸140和活塞142，曲軸140 和活塞142在氣缸體的汽缸11 之內往復運動。盡管顯示了單個汽缸11 和活塞142的橫截面，但是正如本領域技術人員公知的，這樣的往復式發動機或內燃機100中的氣缸體112配置為包括4缸、6缸、8缸、10缸和 12缸，并且其中活塞的數量對應于汽缸的數量。而且，在發動機或氣缸體中將各汽缸設置為成直線、傾斜，以形成V形，或者以本領域技術人員所公知的多種方法中的任意一個進行設置。這樣的內燃機100是往復式發動機，其具有作為外殼的氣缸體112和氣缸蓋150、 將活塞142的往復運動轉換為旋轉運動的運動轉換機構、供應空氣-燃料混合物并排放廢氣的供氣和排氣系統以及作為點火設備的火花塞116。正如本領域技術人員公知的，氣缸蓋固定到氣缸體，從而使供氣和排氣系統的一部分相對于每一個汽缸11 固定。運動轉換機構容放于氣缸體112中，并且包括活塞142、曲軸140以及連接桿或連桿144，連接桿或連桿144的一端連接到活塞142，且另一端連接到曲軸140，以便將活塞的往復運動轉換為曲軸的旋轉運動。正如本領域技術人員所公知的，曲軸140又可操作地聯接到為本領域技術人員公知的傳動裝置(例如，機械的、液壓的、CVT等)，該傳動裝置又可操作地聯接到機動車輛的驅動輪(未顯示)。以此方式，通過運行發動機而產生的動力/扭矩傳遞到驅動輪，從而使車輛在預期方向(例如，前進、后退)上運動。供氣和排氣系統包括供氣路徑15 和排氣路徑152b，供氣路徑15 和排氣路徑 152b形成于氣缸蓋150中，并且選擇性地聯接到氣缸體112的每一個氣缸11加。進氣閥 130a位于汽缸11 和供氣路徑15 之間，排氣閥13 位于氣缸11 和排氣路徑152b之間，并且正如在此進一步描述的，凸輪軸120設置為直接控制進氣閥130a和排氣閥13 的打開和關閉的正時。進氣閥組件130包括進氣閥130a和閥彈簧130d，進氣閥130a具有閥桿130b和閥頭130c，閥頭130c設置在閥桿130b的一個側端，閥彈簧130d在關閉進氣路徑15 的方向上壓迫進氣閥130a。排氣閥組件132包括排氣閥13 和閥彈簧132d，排氣閥13 具有閥桿132b和閥頭132c，閥頭132c設置在閥桿132b的一個側端，閥彈簧132d在關閉排氣路徑 152a的方向上壓迫排氣閥13加。凸輪軸120連接到每一個閥桿130b、132b的另一個側端， 以便直接作用在閥桿上，從而控制進氣閥130a和排氣閥13 的各自的打開和關閉。在內燃機100中使用的凸輪軸120包括軸部122和多個凸輪124。一個或多個軸
11承以及氣缸蓋150的對等結構通過軸部122而被可旋轉地支撐，正如在此處進一步描述的。 凸輪軸120通過正時皮帶(未顯示)或其它結構(例如，齒輪)而連接到曲軸140，從而使凸輪軸根據曲軸的旋轉而進行旋轉。當每一個凸輪1 可操作地分別聯接或連接到進氣閥130或排氣閥132時，設置與閥130、132數量相同數量的凸輪。每一個凸輪IM包括相對長徑部12如(有時稱為凸起部)以及相對短徑部124b。沿著凸輪軸120將多個凸輪M設置為使長徑部12 的位置在周向方向上錯開。因此，隨著進氣閥130和排氣閥132可旋轉地連接到多個凸輪124的每一個，這些進氣閥130和排氣閥132可以對應于各自的凸輪軸120的旋轉而在不同正時處打開和關閉。圖2A中所示的內燃機100為雙頂置凸輪軸(DOHC)發動機，其中兩個凸輪軸120 放置并設置在氣缸蓋150的上側，并且放置并設置為位于進氣閥130和排氣閥132的每一側。在這種DOHC配置中，一個凸輪軸的凸輪可操作地聯接到進氣閥130，從而分別在適合正時處打開和關閉每一個進氣閥，并且其它凸輪軸的凸輪可操作地聯接到排氣閥132，從而在適合正時處分別打開和關閉每一個排氣閥。然而，正如本領域技術人員公知的，這樣的內燃機還配置為包括一個凸輪軸120 (即，單頂置凸輪軸——S0HC)，該凸輪軸120包括沿著凸輪軸設置的凸輪，從而在適合正時處打開和關閉進氣閥130和排氣閥132中的每一個。進行如下討論，以便概括地描述這樣的示例性內燃機100的運行(在已經起動發動機之后)。示例性內燃機100為四沖程內燃機，其具有四個步驟，例如為供氣或進氣步驟、 壓縮步驟、燃燒步驟和排氣步驟。在這樣的示例性發動機中，活塞142在氣缸11 中的最高位置(即，頂部死點或頂部靜點)和最低位置(即，底部死點或底部靜點)之間運動的步驟是發動機的一個步驟或沖程。在供氣或進氣步驟時，活塞142從頂部靜點運動到底部靜點，同時供氣閥130打開而排氣閥132關閉。隨著汽缸11 之內的容積(在下文中指活塞142的上部空間)增大， 其中的壓力降低，并且空氣-燃料混合物經過供氣路徑15 而導入到汽缸11 之內。供氣系統的其它部分配置并設置為對將要供應到氣缸蓋中的每一個進氣路徑152的燃料和空氣混合物進行混合。這樣的供氣系統可以設置為利用增壓技術或渦輪增壓技術供應燃料-空氣混合物的受壓源。在壓縮步驟時，活塞142從底部靜點運動到頂部靜點，同時進氣閥130和排氣閥 132關閉。隨著汽缸11 之內的容積通過這樣的運動而減小，汽缸之中的壓力升高或增大。在燃燒步驟時，火花塞116點火，同時進氣閥130和排氣閥132關閉，這使得受壓狀態的空氣-燃料混合物燃燒并猛然膨脹。這樣的膨脹將活塞142從頂部靜點向下推動到底部靜點。來自活塞的該向下運動的力通過連桿144而轉換到曲軸140作為旋轉運動，從而由發動機產生驅動力。在柴油機的情況下，當發動機點火起動時，發動機可以包括便于柴油燃料-空氣混合物點火的裝置(例如，電熱塞)，然而，在正常運行的過程中，在壓縮步驟的過程中對柴油燃料-空氣混合物的壓縮足以使燃料-空氣混合物點火。在排氣步驟時，活塞142從底部靜點運動到頂部靜點，同時供氣閥130關閉而排氣閥132打開。汽缸11 之內的容積通過這樣的運動而減小，從而使廢氣排放到排氣路徑 152b。當活塞142到達頂部靜點，繼續重復上述的四沖程過程，直到關掉發動機。排氣系統的其它部分配置并設置為便于熱的燃燒氣體運動或排放到大氣中。當在上述步驟中所描述的進氣閥被打開時，各個凸輪124的長徑部12 鄰接進氣閥130a的各自的端部。以此方式，進氣閥130a被向下推動抵抗閥彈簧132d的力，從而使進氣閥頭130c從閥座位移并延伸進入汽缸112a內。當所描述的進氣閥被關閉時，凸輪124 的短徑部124b鄰接進氣閥130的各自的端部。在此配置中，進氣閥130a通過閥彈簧130d 的回復力而被向下推動，從而使進氣閥頭130c與閥座接觸，關閉該路徑。這也適用于排氣閥132，因此在此將不再贅述。在上述步驟中，僅在燃燒步驟時產生驅動力，并且在其它步驟時，一個汽缸的活塞 142通過飛輪(未顯示)旋轉以及/或者在另一個汽缸中產生的驅動力(如果發動機的汽缸多于一個)而往復運動。因此，通過多個汽缸而在時間上錯開燃燒步驟，以便維持曲軸 140的平穩旋轉。下面參考圖2B，所顯示的氣缸蓋250的橫截面圖示出了具有挺桿的示例性I型閥機構。對于具有共同附圖標記的各特征(例如，閥機構的特征)，將參考對于圖2A的上述討論。另外，如圖2A所示，這樣的氣缸蓋250通常通過螺栓而固定到發動機體112。此外，氣缸蓋250和發動機體112彼此固定，從而使氣缸蓋和發動機體中所選的端口或開口彼此對應，進而將發動機的冷卻劑和潤滑劑(受壓油)從發動機體供應到氣缸蓋。還包括進氣閥組件230，進氣閥組件230包括進氣閥130a和閥彈簧130d，進氣閥 130a具有閥桿130b和閥頭130c，閥頭130c設置在閥桿130b的一端，閥彈簧130d在關閉進氣路徑15 的方向上壓迫進氣閥130a。這樣的進氣閥組件還包括挺桿236，挺桿236設置在凸輪IM和進氣閥130a的另一端之間。使用時，凸輪124的長徑部12 作用在挺桿 236上，從而使進氣閥130a運動到打開位置。相應地，當短徑部124b與挺桿236相對時，閥彈簧130d使進氣閥130a向著氣缸蓋250中包含的閥座運動并與閥座接觸，從而使進氣閥運動到關閉位置。排氣閥組件232包括排氣閥13 和閥彈簧132d，排氣閥13 具有閥桿132b和閥頭132c，閥頭132c設置在閥桿132b的一個側端，閥彈簧132d在關閉排氣路徑152b的方向上壓迫排氣閥130a。這樣的排氣閥組件還包括挺桿236，挺桿236設置在凸輪IM和閥桿132b的另一端之間。使用時，凸輪124的長徑部12 作用在挺桿236上，從而使排氣閥13 運動到打開位置。相應地，當短徑部124b與挺桿236相對時，閥彈簧130d使排氣閥13 向著氣缸蓋250中包含的閥座運動并與閥座接觸，從而使排氣閥運動到關閉位置。正如在圖2C中更為清楚地顯示的，每一個挺桿236位于在氣缸蓋250中形成的或加工的凹口 252中，從而使挺桿對應于凸輪124的旋轉運動而進行直線運動。又如圖2C所示，用于這樣的凹口 252而對氣缸蓋250的這種加工或形成使得軸承支架結構300的下軸承支架元件320的寬度在周向上變化。在更為具體的實施方式中，該寬度在最大寬度和最小寬度之間變化，最小寬度基本對應于與挺桿236最接近的位置，此時挺桿236設置在凹口 252中。圖9中的截面圖更為清楚地顯示了橫穿下軸承支架元件320的截面寬度的縮短以及外滾道210相對于挺桿236和下軸承支架元件的定位。如其它視圖所示，為了獲得良好的整體支架特性，下軸承支架元件的寬度逐漸變化到總寬度。這樣的軸承支架結構300還包括上軸承支架元件310。如圖2D所示，上軸承支架元件利用螺栓312而以螺栓連接到氣缸蓋250的配合表面。上軸承支架元件310的寬度基本恒定或不變化。更具體地，上軸承支架元件310具有公稱寬度。在其它實施方式中，上軸承支架元件310的寬度基本大于下軸承支架元件320的寬度。在其它實施方式中，上軸承支架元件310和下軸承支架元件320的寬度滿足如下關系下支架元件的最小寬度(Wlse)除以上支架元件的寬度(Wuse)之商在從大約30%至大約 50%的范圍內(即，大約Wlse/Wuse<大約50% )。在另外的實施方式中，下支架元件的寬度在周向上變化，以便在最小寬度和最大寬度之間變化。在更為具體的實施方式中，在對應于下軸承支架元件320的最小寬度的位置320a處，上軸承支架元件310的寬度基本大于下軸承支架元件320的寬度。在其它實施方式中，上軸承支架元件310的寬度(Wuse)和下軸承支架元件320的寬度(Wlse)滿足如下關系中的一個(a)大約 30 % < fflse/ffuse < 大約 50 % ；(b) fflse/ffuse 彡大約 50 % ；或者(c)大約 30 % 彡 fflse/ffuse。軸承支架結構300還包括滾子式軸承400，當上軸承支架元件310固定或以螺栓連接到氣缸蓋250時，滾子式軸承400維持在處于上軸承支架元件310和下軸承支架元件320 之間的固定設置中。這樣的滾子式軸承包括外滾道410、內滾道420、多個(更具體地為若干個)滾子或滾動元件430以及保持架440。正如在此處進一步描述的，這樣的滾子式軸承使用拼合式殼體概念，以便在旋轉的整個360度上為滾子430提供全面支撐。如圖5所示，在具體實施方式
中，外滾道410為兩個周向部分410a、410b，從而形成拼合式外滾道。在其它實施方式中，拼合式外滾道的端部410c設置為形成成角度的拼合， 從而有助于組件找準。優選地，內滾道420與外滾道410相似地進行配置，從而形成拼合式滾道。在更為具體的實施方式中，外滾道410和內滾道420中的每一個配置為使每一個的寬度對于滾動的周長相對不變。更具體地，內滾道和外滾道中的每一個具有各自的公稱寬度。此外，外滾道和內滾道由本領域技術人員公知的以及其它適于預期使用的大量材料中的任意一種構成。內滾道420圍繞凸輪軸120的軸部122的表面設置。當圍繞軸部122組裝滾子式軸承400并通過上軸承支架元件310和下軸承支架元件320而將其固定時，內滾道420與軸部122配合地接觸。如圖3A-3C所示，外滾道410的一部分410b定位為與下軸承支架元件320接觸， 并且其它部分410a定位為與上軸承支架元件310接觸。當圍繞軸部122組裝滾子式軸承 400并通過上軸承支架元件310和下軸承支架元件320而將其固定時，外滾道410與上軸承支架元件310和下軸承支架元件320的相對的表面配合地接觸。滾子保持架440配置并設置為包括多個(更具體地為若干個)狹槽442，狹槽442 在寬度上延伸但并不橫穿滾子保持架的整個寬度。狹槽442在滾子保持架440中形成通孔。 滾子設置在狹槽442的每一個中，從而將滾子或滾動元件保持在相對于滾子保持架的圓周的空間中。在組裝后，滾子保持架430位于外滾道310和內滾道320之間，從而使滾動元件與外滾道和內滾道滾動接觸。這些滾子運行凸輪軸旋轉。正如本領域技術人員所公知的，滾
14子和滾子保持架在使用的過程中還圍繞凸輪軸旋轉。在其它實施方式中，滾針440和滾子保持架430具有拼合的保持架設置，其允許該組件容易地安裝到凸輪軸上。在其它實施方式中，滾子保持架440包括多個突出部432，突出部432相對于保持架的端部表面434成角度地(例如，垂直地)延伸，并且從這樣的端部表面434向下和/或向上延伸。更具體地，突出部設置為使它們在鄰接或靠近內滾道220的對應端部表面21的方向上延伸。這些突出部432或者設置突出部定位為阻止軸承/保持架組件430、440在內滾道上軸向運動。在其它實施方式中，突出部432設置為鄰接或靠近外滾道410的端部表面，從而阻止這樣的軸向運動。在其它實施方式中，突出部432設置為選擇性地鄰接或靠近外滾道410 和內滾道420的端部表面。在其它實施方式中，對內滾道和外滾道的端部表面進行倒角。因此，突出部432設置為與這樣的倒角互補。在其它實施方式中，通孔411設置在外滾道410中(參見圖4C)，并且上軸承支架元件310配置為在與外滾道相對的表面中包括溝槽314。溝槽314和通孔411設置為使通孔流體聯接到該溝槽。正如在此進一步描述的，溝槽314流體聯接到潤滑劑(例如，受壓油)源。因此，在發動機處于運行中時，經由溝槽314并經過孔隙411而將潤滑劑供應到滾子430或滾動元件，例如如圖6A、6B所示。此外，如圖6B所示，上軸承支架元件可以配置有一個或多個剖去部316，剖去部 316與氣缸蓋中的潤滑通道連通。以此方式，將潤滑劑供應到每一個挺桿236。下面描述在一個位置處圍繞凸輪軸裝配軸承支架的示例性方法。因此，應當理解， 這樣的方法在為凸輪軸設置旋轉支架的每一個位置處都可以進行。下文的描述將參考圖8A 所示的分解圖。在安裝勺斗挺桿236之后，將外滾道410的一部分410b插入到下軸承支架元件 230內。隨后，將滾子430和滾子保持架440的組件安裝到內滾道420上，內滾道420也安裝到凸輪軸122上。按需要重復多次該步驟，使得在安裝凸輪軸之前，組件位于氣缸蓋的每一個下軸承支架元件處。在完成上述步驟之后，安裝凸輪軸，從而使凸輪軸的軸部122適合地定位。之后， 圍繞凸輪軸120設置保持架440和滾子430和內滾道420的其它部分。然后，圍繞組裝后的滾子和滾子保持架設置外滾道410的其它部分410a。如此處所述，外滾道410的兩部分的端部430c提供了便于這兩個部分找準的機構。如此處所述并且如圖8B所示，單側拼合保持架設計能將滾子/滾子保持架430、 440的組件容易地組裝到凸輪軸上，更具體地，組裝到內滾道420上。將上軸承支架元件310定位于氣缸蓋250的對應的配合表面處。隨后，利用裝配螺栓312將上軸承支架元件310固定到氣缸蓋。在下軸承支架元件的每一個位置處重復前述過程。如圖10所示，在軸承的上半部中表示了凸輪軸軸承的負載。因此，當上軸承支架元件310橫穿外滾道410的整個寬度而與外滾道410接觸時，上軸承支架元件能夠處理這樣的負載。與凸輪軸在軸承的上半部中的負載相比，凸輪軸在軸承的下半部中的負載降低了。因此，下軸承支架即使利用縮短的寬度也能夠處理這樣的負載。下面參考圖12，所顯示的圖表表示預期摩擦隨著閥機構速度(rpm)的變化而降低，此時I型閥機構中的凸輪軸通過本發明的滾子軸承支架結構而被可旋轉地支撐。特別是在發動機處于低速時減小的摩擦可以有助于提高燃料經濟性，并且改進發動機的磨損。另外，由于根據本發明的滾子軸承所需的潤滑極大地減少了，所以可以考慮縮小發動機的油泵，這也可以有助于提高發動機處于低速時的燃料經濟性。雖然已經使用特定的術語描述了本發明的優選實施方式，但是這樣的描述僅出于說明的目的，應當理解，可以進行修改和變化而不背離權利要求的精神和范圍。通過引用而包含通過全文引用的方式，在此公開的所有專利、公開的專利申請和其他參考文獻均通過引用而明確包含于本文中。等效方式僅使用常規實驗方法，本領域技術人員就能認識或能夠確定在此描述的本發明的特定實施方式的許多等效方式。這些等效方式將被包含在權利要求中。
權利要求
1.一種滾子式凸輪軸支架，以能夠旋轉地支撐與I型閥機構一起使用的凸輪軸，所述凸輪軸對于每一個進氣閥和排氣閥具有至少一個凸輪，并且具有至少一個旋轉表面，其中所述凸輪和所述至少一個旋轉表面沿著所述凸輪軸的長度定位，所述滾子式凸輪軸支架包括至少一個滾子式軸承，每一個所述滾子式軸承具有內滾道、外滾道以及多個滾動元件， 所述內滾道圍繞每一個所述至少一個旋轉表面而在周向和軸向上延伸，所述外滾道圍繞所述內滾道在周向和軸向上延伸，所述多個滾動元件設置在所述內滾道和外滾道之間并且在寬度上橫穿各滾道而延伸；對于每一個所述至少一個滾子式軸承的至少一個軸承支架，每一個所述至少一個軸承支架包括軸承上支架元件和軸承下支架元件；其中，所述軸承上支架元件和軸承下支架元件配置為將所述至少一個滾子式軸承容放于所述軸承上支架元件和軸承下支架元件之間；并且其中，所述軸承下支架元件配置并設置為與I型閥機構的配置的一部分互補。
2.根據權利要求1所述的滾子式凸輪軸支架，其中所述軸承上支架元件具有與所述內滾道相對的第一內表面，所述第一內表面具有第一寬度；所述軸承下支架元件具有與所述內滾道相對的第二內表面，所述第二內表面具有第二寬度；所述第一寬度大于所述第二寬度；并且所述內滾道的寬度基本不變。
3.根據權利要求2所述的滾子式凸輪軸支架，其中所述第二寬度與所述第一寬度的比值在大約30%至大約50%的范圍內。
4.根據權利要求2所述的滾子式凸輪軸支架，其中所述第二寬度在周向上變化，從而在最小寬度和最大寬度之間變化。
5.根據權利要求4所述的滾子式凸輪軸支架，其中所述第一寬度(Wl)和第二寬度 (W2)的寬度滿足如下關系大約30 W2/W1《大約50%。
6.根據權利要求4所述的滾子式凸輪軸支架，其中所述第一寬度(Wl)和第二寬度 (W2)的寬度滿足如下關系30%^ W2/W1 ο
7.根據權利要求4所述的滾子式凸輪軸支架，其中所述第一寬度(Wl)和第二寬度 (W2)的寬度滿足如下關系W2/W1《大約50%。
8.根據權利要求1所述的滾子式凸輪軸支架，其中每一個所述至少一個滾子式軸承進一步包括保持架，所述保持架被配置成使得在周向上相對隔開地對所述多個滾動元件進行保持，其中所述保持架包括多個突出部，所述突出部垂直于所述保持架的周向端部表面而延伸，從而鄰近所述內滾道或外滾道中的一個的周向端部表面。
9.根據權利要求1所述的滾子式凸輪軸支架，其中所述軸承上支架元件的第一內表面配置有溝槽，所述溝槽延伸所述內表面的圓周的至少一部分，所述溝槽流體聯接到潤滑劑源； 所述內滾道配置為包括通孔；并且所述溝槽進一步設置成被流體聯接到所述通孔。
10.根據權利要求1所述的滾子式凸輪軸支架，其中 所述凸輪軸包括多個凸輪和多個旋轉表面；并且所述滾子式凸輪軸支架進一步包括多個滾子式軸承和多個支架；對于每一個所述多個旋轉表面具有一個滾子式軸承和軸承支架。
11.一種內燃機，具有I型閥機構、至少一個進氣閥以及至少一個排氣閥；所述內燃機包括凸輪軸，所述凸輪軸具有至少一個旋轉表面，并且對于每一個進氣閥和每一個排氣閥具有至少一個凸輪，其中所述凸輪和至少一個旋轉表面沿著所述凸輪軸的長度而定位； 滾子式軸承支架，對于每一個所述至少一個旋轉表面具有一個滾子式軸承支架；并且其中每一個所述滾子式軸承支架包括至少一個滾子式軸承，每一個所述滾子式軸承具有內滾道、外滾道以及多個滾動元件， 所述內滾道圍繞每一個所述至少一個旋轉表面而在周向和軸向上延伸，所述外滾道圍繞所述內滾道在周向和軸向上延伸，所述多個滾動元件設置在所述內滾道和外滾道之間并且在寬度上橫穿各滾道而延伸，對于每一個所述至少一個滾子式軸承的至少一個軸承支架，每一個所述至少一個軸承支架包括軸承上支架元件和軸承下支架元件，其中，所述軸承上支架元件和軸承下支架元件配置為將所述至少一個滾子式軸承容放于所述軸承上支架元件和軸承下支架元件之間，并且其中，所述軸承下支架元件配置并設置為與I型閥機構的配置的一部分互補。
12.根據權利要求11所述的內燃機，其中所述軸承上支架元件具有與所述內滾道相對的第一內表面，所述第一內表面具有第一寬度；所述軸承下支架元件具有與所述內滾道相對的第二內表面，所述第二內表面具有第二寬度；所述第一寬度大于所述第二寬度；并且所述內滾道的寬度基本不變。
13.根據權利要求12所述的內燃機，其中所述第一寬度(Wl)和第二寬度(M)的寬度滿足如下關系30%^ W2/W1 ≤ 50%。
14.根據權利要求12所述的內燃機，其中所述第二寬度在周向上變化，以便在最小寬度和最大寬度之間變化。
15.根據權利要求14所述的滾子式凸輪軸支架，其中所述第一寬度(Wl)和第二寬度 (W2)的寬度滿足如下關系大約30 W2/W1《大約50%。
16.根據權利要求14所述的內燃機，其中所述第一寬度和第二寬度的寬度滿足如下關系W2/W1《大約50%。
17.根據權利要求11所述的內燃機，其中每一個所述至少一個滾子式軸承進一步包括保持架，所述保持架配置為在周向上相對隔開地保持所述多個滾動元件，其中所述保持架包括多個突出部，所述突出部垂直于所述保持架的周向端部表面而延伸，從而鄰近所述內滾道或外滾道中的一個的周向端部表面。
18.根據權利要求11所述的內燃機，其中所述軸承上支架元件的第一內表面配置有溝槽，所述溝槽延伸所述內表面的圓周的至少一部分，所述溝槽流體聯接到潤滑劑源； 所述內滾道配置為包括通孔；并且所述溝槽進一步設置成被流體聯接到所述通孔。
19.根據權利要求11所述的內燃機，其中 所述凸輪軸包括多個旋轉表面；并且所述滾子式凸輪軸支架進一步包括多個滾子式軸承和多個軸承支架，對于每一個所述多個旋轉表面具有一個滾子式軸承和軸承支架。
20.一種用于能夠旋轉地支撐用于I型閥機構的凸輪軸的方法，所述凸輪軸使得往復式發動機中的至少一個進氣閥和至少一個排氣閥中的每一個選擇性地運動；其中所述凸輪軸具有至少一個旋轉表面區域，所述方法包括如下步驟設置至少一個滾子式軸承支架，其中每一個所述滾子式軸承支架包括 滾子式軸承，所述輥子式軸承具有內滾道、外滾道以及多個旋轉元件，所述旋轉元件設置在所述內管道和外滾道之間并且在寬度上橫穿各個滾道而延伸，軸承支架結構，所述軸承支架結構具有頂部支架構件和底部支架構件， 其中，所述軸承底部支架構件配置為與I型閥機構的配置互補，并且其中，所述軸承上支架構件和軸承下支架構件配置為將所述至少一個滾子式軸承容放于所述軸承上支架構件和軸承下支架構件之間，從而使所述外滾道與所述軸承上支架構件和軸承下支架構件兩者的內表面相對；并且圍繞所述凸輪軸的每一個所述至少一個旋轉表面區域設置各個所述至少一個滾子軸承，并且將所述凸輪軸和各個滾子軸承能夠旋轉地固定在所述軸承上支架構件和軸承下支架構件之間。
全文摘要
本發明涉及滾子式凸輪軸支架以及包含該凸輪軸支架的內燃機。所述輥子式凸輪軸支架用于可旋轉地支撐I型閥機構的凸輪軸，所述凸輪軸具有至少一個旋轉表面。這樣的滾子式凸輪軸支架包括至少一個滾子式軸承以及對于每一個所述滾子式軸承的至少一個軸承支架，其中每一個軸承支架包括軸承上支架元件和軸承下支架元件。每一個滾子式軸承包括內滾道、外滾道和多個滾動元件，所述滾動元件設置在所述內滾道和外滾道之間并且在寬度上橫穿各滾道而延伸。所述軸承上支架元件和軸承下支架元件配置為將滾子式軸承容放于所述軸承上支架元件和軸承下支架元件之間。另外，所述軸承下支架元件配置并設置為與I型閥機構的配置的一部分互補。
文檔編號F01L1/053GK102486102SQ201110048558
公開日2012年6月6日 申請日期2011年2月25日 優先權日2010年12月6日
發明者N·恩吉寧 申請人:現代自動車株式會社, 現代自動車美國技術研究所, 起亞自動車株式會社