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CN1444690A - 凸轮接触装置的改进 - Google Patents

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CN1444690A
CN1444690A CN01813624A CN01813624A CN1444690A CN 1444690 A CN1444690 A CN 1444690A CN 01813624 A CN01813624 A CN 01813624A CN 01813624 A CN01813624 A CN 01813624A CN 1444690 A CN1444690 A CN 1444690A
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CN
China
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cam
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cam contacting
lift valve
devices according
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CN01813624A
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English (en)
Inventor
丹尼尔·G·波默利尤
马克·沃格赫尔
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NZTEC Inc
Original Assignee
NZTEC Inc
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Abstract

本发明涉及用于内燃机，最好是用于具有可变气阀正时的内燃机的，经改进的凸轮接触装置。特别是，使用包含氮化硅和碳化硅的陶瓷已经被证明可以提供各有效的凸轮接触表面，允许一个具有一可变形线的凸轮且可轴向移动的凸轮轴旋转，最终改善怠速和容积效率。

Description

凸轮接触装置的改进
相关申请
该申请涉及在此引用作为参考的加拿大专利申请2257437。
技术领域
本发明涉及内燃机用的，最好是具有可变阀正时的内燃机用的，改进的凸轮接触装置。特别是，使用包含氮化硅和碳化硅的陶瓷已经被证明可以提供各有效的凸轮接触表面，允许轴向移动一个具有一可变形线的被旋转的凸轮的凸轮轴，最终改善怠速和容积效率。
本发明的背景
内燃机设计需要在具有矛盾的设计或各性能参数之间，特别是有关气阀正时的设计之间进行大量的比较权衡。
例如，在一内燃机设计中，一设计者可能希望使排放最少并增加燃料的经济性，而不希望对满意的发动机性能作出折中。在过去，这种发动机的设计受到了这些矛盾参数的限制，从而导致设计者在设计中进行折中，以获得在各参数之间的平衡。这样，设计者经常重点是注意确定发动机的理想性能(例如扭矩或怠速稳定性)的主要性能目标(例如降低排放)。但这种折中常常是因为设计者将吸气性(breathability)，即燃料和空气的最佳进入和燃烧后废气的排出，结合到该发动机中的能力的缺乏而产生的。
一发动机的吸气性主要是由凸轮轴，凸轮，气阀升阀件(和相关的挺杆，摇臂，如果使用的话)的物理结构确定的。特别是，各凸轮的物理形状或形线及相对彼此之间的相对定位决定进排气阀的开启正时，开启持续期，和各气阀关闭的正时，它们根据各进排气阀在凸轮轴周围的定位，确定了该汽缸的功率图。
由于工作环境的高温，高压和机械加速，以及这些零部件的复杂性，因此在发动机运行期间调节气阀是困难的，因此多数发动机都使用一个固定凸轮正时系统，在该系统中，气阀开启和关闭的相对正时不随发动机转速而变化。结果是，该固定凸轮正时发动机需要在各发动机参数之间进行平衡。
更具体地说，凸轮轴的作用就是为了在合适的时间开启并关闭各气阀，从而在燃烧之前使汽缸充满，在燃烧之后，使汽缸排空。各凸轮安装在该凸轮轴上，并具有确定气阀开启正时，开启持续期和关闭正时的形线。各升阀件与凸轮表面紧密接触，并跨靠在凸轮表面上，以便将开启/关闭力施加给各气阀。因此，气阀的开启和关闭由该凸轮轴的旋转定时，而该凸轮轴又由该曲轴控制。
因此，各凸轮和升阀件的物理尺寸或形状，和各凸轮相互之间的定位都是可以改变的参数，以便获得理想的发动机性能。
至于凸轮的物理尺寸或设计，下列术语通常用于描述一凸轮的形状和一气阀的物理运动。例如，该凸轮的基圆限定该气阀的关闭持续期，该光滑斜面限定了气阀的关闭和可测量的升程之间的过渡时间，该侧面或斜面提供气阀开启时间和开启性能，该凸顶限定气阀全开的时间和最大开启位移，而该持续期限定了该气阀离开其阀座的时间。
在发动机运行期间，一凸轮的这些参数中的每一个都不能单独控制，因此需要在一凸轮的物理尺寸与其他参数的关系许可的各情况之间进行折中。例如，持续期是气阀开启足够长的时间从而使汽缸充满和/或排空，与因该阀开启太长从而产生动力压缩损失之间的折中，并且增加的升程使功率增加，但受到升阀件的直径的限制。
至于升阀件(或挺杆)的设计，升阀件的技术在各发动机之间是可变的。通常，设计一升阀件的主要目的是为了使该升阀件表面和凸轮表面之间保持接触，同时使运行期间的噪声最小。具有两种主要类型的升阀件，实心的和液压的升阀件，每种升阀件具有各个可变的接触端，该端包括平的，蘑菇形的和辊子形的。使用液压升阀件通常可以降低气阀的冲击和噪声。为了补偿没有对齐的升阀件孔，由于相应的挺杆端面通常是或多或少的凸起的，因此平的挺杆-凸轮通常在其表面上具有一稍稍的锥形。
另一种类型的升阀件是辊子型升阀件，该升阀件包括一个与该凸轮接触的辊轮或辊子。该辊子升阀件允许用于高的抗阻力斜面形线中，结果是，需要高的气阀弹簧张紧力，以便使该辊子与该凸轮接触。各辊子升阀件也可以降低该升阀件和凸轮之间的摩擦损失，因此将增加该发动机的综合功率或效率。
蘑菇形升阀件的端部具有一隆起部，并用来在每个持续期中提供更多的升程。
进气和排气凸轮彼此之间的相对定位有利于形成发动机功率图。特别是，凸缘分离角或重叠确定了进排气阀同时开启的时间，其中，更宽的凸缘分离角通常改善怠速性能，怠速真空和顶端功率，而窄的凸缘分离角将降低怠速性能，但提供更好的中间范围扭矩。
对一凸轮进行分度也是一个用来影响发动机性能的参数，分度也称作改变凸轮相对于该凸轮轴驱动各气阀的位置。具体地说，使凸轮轴延迟，即，相对该凸轮轴使一气阀延迟开启可以使该功率使转速带上升，并且可以增加功率，同时降低低端扭矩。相比较地，使凸轮轴提前(气阀提前开启)具有相反的效果。
为了克服与固定凸轮正时相关的一些问题，已经设计了各种可变凸轮正时系统。通常，这些系统提供了一个具有三维凸轮表面的凸轮凸缘，和一个可以在该三维凸轮表面上轴向运动的升阀件。因此，该凸轮轴的轴向位置将确定控制气阀正时的具体凸轮形线。故在发动机允许其性能改变到与其工况相匹配的运行期间，可变气阀正时允许改变气阀正时。在一可变凸轮系统中凸轮相对形状的变化可以对进气凸轮，排气凸轮，进气和排气分别进行独立的相位调节，或者独立地对进排气凸轮进行相互调节。
例如，借助于提供更短的燃料进入时间而降低燃料进入特性从而使气缸内的混合气稀释，将提高燃料经济性并降低发动机的扭矩反应。相比较地，借助于提供更大的升程和更长的持续期而增加燃料进入时间从而使气缸内的混合气变浓，将导致马力的增加。一个可变气阀正时系统可以借助于根据发动机转速提供的不同正时形线使这些矛盾的目的得到调和，从而改善该发动机的吸气性并增加歧管压力。
在高性能的应用中，当前的现有技术认识到用单一的轴向辊子或辊轮为基础的升阀件作为该气门装置运行用的最佳性能提高装置。然而，随着发动机转速的希望逐渐形成，已经发现，在更高的发动机转速中使用更高的预紧力的弹簧的情况下，以辊轮为基础的升阀件将失效。典型地，失效发生在两个方面，即辊轮本身中的辊子轴承失效和/或升阀件灾难性的失效，两者都是因为辊轮的产生升阀件和气门装置振动的“灵敏点(flat spotting)”的结果。
此外，现在的各种以辊轮为基础的升阀件设计不直接将润滑油输送到辊子轴承上，而是进行间接润滑，这将降低各轴承表面的散热能力。因此，当辊轮与轴承圈直接接触并且在两个表面之间具有最小的油膜时，轴承寿命可能降低。
在一以单一的轴为基础的系统中为了获得最大的轴承寿命，如果在该升阀体的范围内该辊轮直径达到最大，则设计者必须平衡三个参数。这三个参数是：辊子轴承直径，轴直径和辊轮厚度。每个参数都必须改变，使各轴承表面上的压缩和接触应力最小，使该轴中的应力最小，并使直接影响各辊子轴承内的接触应力的该轴的变形最小。
尽管过去的各种可变气阀正时系统已经例如在美国专利US2969051，德国专利DE19755937，瑞士出版的德国专利DE304494和美国专利US2307926中公开了，但各种升阀件/凸轮接触系统或者是没有广泛实施或者是没有成功。这就是说，在内燃机的苛刻工况下，可以相象以前的各种可变气阀正时系统在它们的轴承/轴承圈中是不成功的。
本发明的概述
根据本发明，其提供了一种凸轮接触装置，该装置用在内燃机中具有改进的热力性能。可以使之得到利用的各种性能的凸轮接触材料被公开了。这些材料包括如此的材料或它们的结合，即这些材料的性能是，密度小于6g/cc(优选是大约3.1-3.2g/cc)，杨氏模量大于310Gpa(优选是310-450Gpa)，维氏(Vichers)硬度大于1150(Hv)(优选是1650-2850Hv)，热膨胀系数小于10.5×10-6/℃(优选是大约3.1-5.5×10-6/℃)，导热率小于50W/mK(优选是大约22-26W/mK)，苇箔(Weibull)模量大于12(优选是大约12-18)，耐磨力大于900(优选是大约947-1263)。
在更具体的实施例中，该凸轮接触装置是一个在一轴承圈和支承件中的滚珠轴承，其中，该滚珠轴承的热膨胀系数小于该轴承圈和支承件的热膨胀系数，更具体地说，该凸轮接触装置是一个在钢质轴承圈和支承件中的陶瓷滚珠轴承。
在一实施例中，该凸轮接触装置是一个氮化硅或碳化硅滚珠轴承。
具体的凸轮接触材料可以包括CERALLOY 147-31E，147-31N，147-1E或147-1中的任何一种。
在进一步的实施例中，该凸轮接触装置包括一个用于给该凸轮接触装置/凸轮交界面提供润滑的润滑系统。
在进一步的实施例中，本发明涉及上述的凸轮接触装置在具有各可变形线凸轮的内燃机中的应用。
进一步地，本发明提供了一种内燃机，这种内燃机具有各个气缸，一旋转凸轮轴，各气阀和在各气阀和旋转凸轮轴之间形成工作连接的升阀件，该内燃机还包括一可变形线凸轮轴和相互之间可以线性移动的各升阀件，其中各升阀件包括一个用于与该旋转凸轮轴形成工作接触的氮化硅轴承，并且它可以包括一个具有燃料喷射口的阀座，燃料在该阀座中喷射入各气缸中。
附图的简要说明
本发明的这些或其他特性将从下面参照所附的各附图作出的说明中变得更清楚，其中：
图1A是一个表示本发明的辊子升阀件的示意图；
图1B是一个表示在本发明中升阀件安装有和没有安装滚珠轴承的示意图；
图1C是一个本发明的半球形实心升阀件的示意图；
图1D表示带有一固定中心线和一可变中心线的可变气阀正时凸轮轴的端部视图；
图2是一个带有一球轴承气阀腔和阀座燃料喷射器的一组合顶置凸轮轴系统的示意图；
图3是一张表示一个已经在一发动机中运行的钢滚珠轴承升阀件的磨损形态，与没有在发动机中运行的钢滚珠轴承升阀件相比的照片；
图4是一张表示一陶瓷轴承升阀件和钢轴承升阀件的磨损形态的照片。
图5是一张表示一钢的倒圆辊轮升阀件和一陶瓷轴承升阀件的磨损形态的照片。
本发明实施例的详细说明
一般的说明
各附图表示用于各内燃机，特别是适用于一可变阀正时发动机中的各凸轮接触装置的各种不同设计，及用根据本发明的凸轮接触装置在一可变阀正时发动机中进行试验得出的各种试验结果。
图1A，1B和1C表示根据本发明的凸轮接触装置的三种设计，即倒圆辊轮升阀件，球轴承升阀件和实心半球形轴承升阀件的设计。图1D表示一个带有一固定中心线1和一可变中心线2的可变阀正时凸轮轴的端视图。在该说明书内，凸轮接触装置是指一内燃机内与一旋转凸轮的外表面接触或随之动作，从而直接或间接影响气阀的开启和关闭的任何装置。因此，凸轮接触装置包括气阀升阀件，摇臂或直接与一阀杆接触的凸轮从动件。
参见附图1A，示出了一倒圆的辊轮升阀件3的侧视图和正视图。在该设计中，一辊轮固定在该升阀件的端部，而各轴承允许该辊轮绕该升阀件基底中的一固定轴线旋转。
参见附图1B，一滚珠轴承升阀件4表示在一组装件10中，而各分解表示一液压阻尼系统5，轴承保持件6和球轴承7。35表示润滑油通道，36表示该升阀件的内接纳表面。
参见图1C，图中示出的实心半球形升阀件8具有一个半球形端部，该端部带有用于将润滑油输送倒该凸轮-接触装置/凸轮界面的润滑油通道37。
图2表示一个带有一球轴承气阀阻尼器16和阀座燃料喷射器20的一组合顶置凸轮轴系统的示意图。该系统包括：一个在一顶置凸轮结构中形线可变的凸轮15，带有球轴承(或上述的一倒圆的辊轮或半球形)的顶置阀阻尼器16，一汽缸头17，一气阀18和一气阀弹簧19。该阀座20可以包括带有输油管22的燃油喷嘴21。进气道23通过阀18将空气输送到汽缸中。气阀阻尼器16可包括座落在一轴承体25上的球轴承圈24，和气阀弹簧保持件26。
凸轮接触装置的材料
分别在具有固定形线的凸轮轴的内燃机(ICE)和具有可变形线的凸轮轴的内燃机中，对包括从氮化硅和碳化硅中选取的陶瓷轴承的升阀件的各种具体设计进行了试验。为了便于比较，其他陶瓷材料和它们的性能示出在表1中。
                        表1——轴承钢/陶瓷比较表
产品合金 单位 氮化硅Si3N4CeralloY147-31N 碳化硅SiC 氧化铝Al2O3 氧化锆ZrO2Y-PSZ 轴承钢AISI52100
参考资料(见下面)   (1)    (1)(2)(3)   (1)(2)(3)(6)   (3)(6)    (2)(3)(4)
密度    (g/cc)   3.2   3.14-3.20    3.70-3.99   5.9     7.8
杨氏模量    (Gpa)   310   390-450    350-460   205-210     208-210
压缩强度    (Mpa)   2500(6)    3900   3000
泊松比   0.27   0.14  -0.17    0.22  -0.23   0.31     0.3
断裂刚性    (Mpa.M)1/2   5.8   2.5   -6.7    3.8-5.2   7.5-12     18
维氏硬度     (Hv)   1800   1650  -2850    2000   1150-1400     700
热膨胀系数   (10-6/℃)   3.1   3.3-5.5    5.5-10.2   10-10.5     12.5
导热率   (W/m.K)   26   22-200    28-35   ＞2.0-3.1     50
柔性强度    (Mpa)   800   375-634    350-460   1100-1300     2500
热冲击阻力     (℃)   610   157-500    200-280   280-300
苇箔模量   ＞15   12-18    12-13   25     0.24-7.87
耐磨力     (7)   1110   947-1263    610     689
参考资料
(1)Ceradyne公司的氮化硅性能
(2)用于特殊环境中的轴承的研发-NSK Website协会基础研发中心的Hiroyuki Ito，和精密轴承部shigeki Matsunaga
(3)用于特殊环境的陶瓷材料--NSK Website协会轴承技术中心的ShinNiizeki
(4)润滑剂中极限压力添加剂对轴承疲劳寿命的影响—俄亥俄州website协会Timken公司的H.P.Nixon
(5)陶瓷和陶瓷涂层的导热率—作者Andrew Slifka，网站：http：//www.boulder.nist.gov/div853/Annual％20Report％202000％HTML/P23.html
(6)网站：http：//www.doceram.com/e_mat3.htm
(7)Awr＝FT1/2×H1.43×Em-0.8
该陶瓷滚珠升阀件设计的初始评估是在Los Angeles县内的Isky凸轮公司进行的。使用从Ceradyne公司获得的陶瓷轴承的升阀件(下面称之为升阀件1)是由材料Ceralloy 147-31N制成的。
当该机器为升阀件提供最佳的评估机会而在升阀件失效时不存在发动机损坏的危险时，利用SPINTRON控制系统，在发动机没有燃烧时，在该发动机中对升阀件1进行初始评估。第一次评估是在气阀弹簧压力较低时，即200磅/英寸进行的，从而初始确定升阀件/凸轮的表面的接触面的高接触负荷是否会导致凸轮轴产生划痕。试验循环在8小时内完成，升阀件或该凸轮轴没有明显的损坏。然后，第二次评估是利用一NASCAR(北美普通小车)使用的气阀弹簧，在高达800磅/英寸的压力下进行的。这一试验也进行8小时，在该升阀件或凸轮凸缘中都没有发现损坏。
第二阶段的评估是在一台ZZ4P/N24502609 Chevrolet V8发动机上在实际运行情况下进行的。这一试验使用两个不同的升阀件设计，即滚珠轴承和倒圆的辊轮，从而对该滚珠轴承设计中材料的变化进行评估。图3，4和5表示这些试验的结果，而表2概括了该升阀件/试验设计。
                                   表2
升阀件           设计        材料        供应商
   1 对轴承圈进行润滑的滚珠轴承升阀件   Ceralloyl47-31N氮化硅 升阀体-Shaver发动机滚珠轴承-Ceradyne
   2 对轴承圈进行润滑的滚珠   52-100号合金钢 升阀体-Shaver发动机
    轴承升阀件     滚珠轴承-Timken
   3    倒圆的升阀件  52-100号合金钢  升阀体和辊轮-Shaver发动机
试验是在California Torrance的Shever发动机装备上进行的。将三种不同的设计设置在该使用高性能弹簧(以3561磅/英寸，p/n10134358)的试验发动机中。启动该发动机，并在负荷特性下，控制转速，并设定在2000rpm。2分钟之后，检测到一个可察觉到的错误，并使发动机停止。立即拆开该发动机，检测各零部件。
图3表示钢质滚珠轴承升阀件(2)与原始的钢质滚珠轴承的磨损比较。图4表示升阀件1(左)和升阀件2(右)。如图所示，升阀件1没有材料损失，并且任何情况下凸轮轴的凸缘都没有退化。升阀件2具有过度的材料磨损，并且还使凸轮轴的凸缘适当地退化了。
图5表示升阀件3(左边和中间)和升阀件1(右边)。在这种情况下，我们注意到：试验中的升阀件或凸轮轴凸缘都没有损坏。
接着，该发动机用升阀件1和3再组装起来，并安装相同规格的新凸轮轴，在不同的转速(怠速至6000)和负荷下继续试验6小时。该试验发动机产生规定大小的相同马力和扭矩，在发动机运行中没有检测到什么问题。试验完成后，将该发动机拆开，并测量各升阀件和凸轮轴的磨损。在该升阀件和凸轮轴凸缘上都没有明显的磨损。
可变凸轮凸缘形线试验
用一台带有可变形线凸轮轴的发动机进行如下全部试验：
试验发动机：Chevrolet(雪佛来)LS-15.7L顶置阀推杆发动机
压缩比：10∶1
汽缸孔径×行程：99.00×92.00mm
按顺序喷射
在改进之前，发动机具有345@5400rpm的马力率，并且怠速转速为700rpm。
修改该发动机使之包括一可变形线凸轮轴和用于使该凸轮轴线性移动的液压驱动系统。该凸轮轴的可变形线凸缘可以使该升程，持续期和角度(7度)改变。修改用于该发动机所有16个阀的凸轮接触装置，使之包括氮化硅滚珠轴承(Ceralloyl47-31N)。使用350磅的弹簧压力。
该发动机初始运行5分钟，停机，然后再运行45分钟，在此期间，当发动机从低速到高速运行时，该凸轮轴在该凸缘的两端之间轴向移动。
利用这个改进的凸轮轴，该发动机的马力率被测出为420hp@5400rpm，并且可获得的最低怠速为400rpm。计算出容积效率(VE)的总共增加为25％。
当该发动机用的电子控制模块(ECM)谐调地抵消施加的调节时，试图将怠速转速降低到400rpm之下是不成功的。这就是说，当试图将怠速转速降低到400rpm之下时，该控制器的怠速空气控制模块(ICM)将用燃料来增加怠速转速。根据怠速用的凸轮形线，可以设想怠速转速可以降低到200rpm之下。
接着，发动机运行，之后被拆开并进行检测。该凸轮轴和凸轮接触装置没有显示出明显的磨损。
讨论：
原始的升阀件试验说明：具有与一凸轮轴接触的一细微点的凸轮接触装置，在一内燃机中运行时，可以承受非常高的点压力。具体地，使用氮化硅轴承可提供带有固定形线的凸轮轴的有效凸轮接触装置。各原始的升阀件试验进一步说明：使用一润滑的钢质轴承作为一凸轮接触装置是无效的，并迅速导致该凸轮接触装置失效。
各个可变形线凸轮轴试验表明：具有细微接触点的凸轮接触装置可以使具有一连续的可变凸轮形线的可变气阀正时系统有效地进行工作。这些试验的结果表明：与一固定凸轮形线发动机相比，怠速可以被显著地降低，而发动机综合容积效率可以显著上升。
钢质和陶瓷轴承的讨论
钢质滚珠的失效是由该钢质滚珠与钢质阀体的咬死即局部地熔接形成的。一旦开始咬死，滚珠将立即滑动，并在凹腔和凸轮轴上滚动。该滚珠的这种咬死和滑动作用可以解释磨损(.042”)均匀的原因。这种不希望存在的滚珠相对该凸轮轴的滑动作用导致该凸轮轴产生可以看出的严重损坏(即槽)。
陶瓷(氮化硅)滚珠的成功应归功于陶瓷的低摩擦系数和优越的散热性。由于陶瓷滚珠不会咬死，因此它将在其凹腔中连续滚动，并且可以保持与凸轮轴的滚动接触。这可以解释凸轮轴上损坏/磨损最小的原因。当滚珠在该凸轮轴上滚动时，它必须在该升阀体的凹腔中滑动。因此在该设计中固有地会存在一定的摩擦，并产生热量。然而，由于陶瓷的摩擦系数低，因此与钢相比产生的热量更少。此外，通过升阀件提供给该滚珠和升阀体之间的滑动表面的润滑油将进一步降低这种摩擦，并冷却该滚珠。
进一步地，由于陶瓷滚珠比金属滚珠的刚性更好，因此在负荷作用下它不容易变形。因此，该滚珠内部产生的热量方面在该陶瓷滚珠中也会更少。
钢质辊子组件其中具有辊子。因此，存在辊子相对该凸轮轴的滚动作用。如陶瓷滚珠情况那样，因此凸轮轴上的磨损降到最小。由于接触应力的作用，凸轮轴被硬化。这很可能就是凸轮轴上形成并可以看出的用于辊子和陶瓷滚珠的窄带的原因。由于该钢质滚珠组件主要是滚动，没有滑动，因此，摩擦和因摩擦产生的热量达到最小。
对氮化硅滚珠来说：
a)滚珠上的总摩擦小于一钢质滚珠的摩擦。
b)较低水平的摩擦将在该滚珠接触表面处产生比一钢质滚珠更小的热量。
c)当该滚珠的导热率明显低于该杯形件的导热率，同时利用供给该滚珠/升阀件的润滑油进行进一步冷却时，在滚珠-凸轮和滚珠-杯形件(36)的交界表面处产生的热量的主要散热路径是通过该钢质交界面，而不是通过该滚珠。
d)因此各钢质接触表面比该滚珠热得更快。
e)由于热量增加并且膨胀系数更高，因此各钢质接触表面比该滚珠膨胀更多。
f)如果膨胀系数不同，则该滚珠总是小于周围的杯形件。因此，该滚珠不会因加热而卡住。
g)凸轮上的标记可能是因为接触交界面的热量有效加热使该凸轮硬化的结果。
对钢质滚珠来说：
a)滚珠上的总摩擦大于一氮化硅滚珠的摩擦。
b)高水平的摩擦将在该滚珠接触表面处产生比一氮化硅滚珠更多的热量。
c)利用供给该滚珠/升阀件的交界面的润滑油进行进一步冷却，在滚珠-凸轮和滚珠-杯形件(36)的交界表面处产生的热量的将通过该滚珠和各接触面散热。
d)因此各钢质接触表面与该滚珠一样加热。
e)与该凸轮和杯形件两者接触的钢质滚珠因与该凸轮的接触比该杯形件热得更快。如果热得比杯形件快，则该滚珠比该杯形件膨胀得更快，从而增加摩擦并且可能开始卡在该杯形件中。
f)如果膨胀系数相同，则如果滚珠比杯形件热得更快，则滚珠会卡在该杯形件中。
g)凸轮，滚珠和杯形件上的磨损可能是因为滚珠在该杯形件中开始卡住(咬死)，从而大大增加全部三个表面上的摩擦和磨损的结果。
对钢质(倒圆)辊轮来说：
a)钢质辊轮上的总摩擦大于一氮化硅滚珠的摩擦。
b)高水平的摩擦将在该辊轮接触表面处产生比一氮化硅滚珠更多的热量。
c)在辊轮-凸轮和辊轮-辊子(4)的各交界表面处产生的任何热量都通过该辊轮轮圈和各接触面散热。
d)因此各钢质接触表面与该滚珠一样加热。
e)该钢质辊轮比该氮化硅滚珠具有更小的接触点，因此对一给定的弹簧负荷来说将产生比该滚珠更多的热量。
f)该钢质辊轮相对该支承升阀件表面具有大量的间隙。
g)在热膨胀下的辊轮将不会接触任何周围升阀件表面，因此该钢质辊轮将不会如钢质滚珠那样卡住(咬死)。
h)辊轮轮圈中产生的热量只能通过凸轮和各辊子轴承散热，没有强迫油冷通道。
i)由于更高水平的摩擦并且更少的润滑，因此钢质辊轮比氮化硅滚珠更热。
j)凸轮上的标记可能是因为辊轮-凸轮交界面处的高水平传热产生的。该凸轮可以由摩擦和接触压力产生的热量进行有效的硬化。由于在凸轮接触点处的高温和高压，因此该标记比氮化硅滚珠的范围更广。
结论，当其它材料的特性与表1中示出的不同时，由于陶瓷和金属接触产生的热量及导热率，热膨胀系数原因，氮化硅的成功可能是凸轮凸缘金属硬化的结果。

Claims (26)

1.一种具有改进的热力性能并用在一内燃机中的凸轮接触装置。
2.如权利要求1所述凸轮接触装置，其密度小于6g/cc。
3.如权利要求2所述凸轮接触装置，其密度为大约3.1-3.2g/cc。
4.如权利要求1所述凸轮接触装置，其杨氏模量大于310Gpa。
5.如权利要求4所述凸轮接触装置，其杨氏模量大约为310-450Gpa。
6.如权利要求1所述凸轮接触装置，其维氏硬度大于1150(Hv)。
7.如权利要求6所述凸轮接触装置，其维氏硬度大约为1650-2850(Hv)。
8.如权利要求1所述凸轮接触装置，其热膨胀系数小于10.5×10-6/℃。
9.如权利要求8所述凸轮接触装置，其热膨胀系数大约为3.1-5.5×10-6/℃。
10.如权利要求1所述凸轮接触装置，其导热率小于50W/mK。
11.如权利要求10所述凸轮接触装置，其导热率大约为22-26W/mK。
12.如权利要求1所述凸轮接触装置，其苇箔模量大于12。
13.如权利要求12所述凸轮接触装置，其苇箔模量大约为12-18。
14.如权利要求1所述凸轮接触装置，其耐磨力大于900。
15.如权利要求14所述凸轮接触装置，其耐磨力大约为947-1263。
16.如权利要求1所述凸轮接触装置，其中该凸轮接触装置是一个具有权利要求1-15中任一性能或各性能结合的滚珠轴承。
17.如权利要求1所述凸轮接触装置，其中该凸轮接触装置是一个在一轴承圈和支承件中的滚珠轴承，该滚珠轴承的热膨胀系数小于该轴承圈和支承件的热膨胀系数。
18.如权利要求1所述凸轮接触装置，其中该凸轮接触装置是一个在一钢质轴承圈和支承件中的陶瓷滚珠轴承。
19.如权利要求18所述凸轮接触装置，其中该滚珠轴承是氮化硅或碳化硅之一。
20.如权利要求1所述凸轮接触装置，其中该凸轮接触材料是从CERALLOY 147-31E，147-31N，147-1E或147-1中选取的任一种。
21.如权利要求1所述凸轮接触装置，其中该凸轮接触装置是一倒圆的辊轮，滚珠轴承或一半球表面中的任意一个。
22.如权利要求21所述凸轮接触装置，其中该凸轮接触材料是从CERALLOY 147-31E，147-31N，147-1E或147-1中选取的任一种。
23.如权利要求1-22中任一所述凸轮接触装置，其中该凸轮接触装置包括一个用于给该凸轮接触装置/凸轮交界面提供润滑的润滑系统。
24.将上述权利要求1-23中任一所述的凸轮接触装置用在具有各可变形线凸轮的内燃机中。
25.在一种具有各个气缸，一旋转凸轮轴，各气阀和在各气阀和旋转凸轮轴之间形成工作连接的升阀件的内燃机中，其改进包括一可变形线凸轮轴和相互之间可以线性移动的各升阀件，其中各升阀件包括一个用于与该旋转凸轮轴形成工作接触的氮化硅轴承。
26.如权利要求25所述内燃机，其还包括一个具有燃料喷射口的阀座，燃料在该阀座中喷射入各气缸中。
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