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CN106165529A - 用于热处理沿工件的纵轴配置的紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的单发感应器 - Google Patents

用于热处理沿工件的纵轴配置的紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的单发感应器 Download PDF

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CN106165529A
CN106165529A CN201580017237.3A CN201580017237A CN106165529A CN 106165529 A CN106165529 A CN 106165529A CN 201580017237 A CN201580017237 A CN 201580017237A CN 106165529 A CN106165529 A CN 106165529A
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CN
China
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group
planar arc
coil segment
turn
diffusion
Prior art date
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Application number
CN201580017237.3A
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English (en)
Inventor
约翰·亚伦·古德温
V·I·鲁德莱夫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Inductoheat Inc
Original Assignee
Inductoheat Inc
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Publication date
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Abstract

提供单发感应器以感应热处理沿工件的纵轴配置的紧密间隔的多个偏心圆柱形元件。该单发感应器具有多个平面弧形单匝线圈段，其由轴向线圈段彼此分隔，使得多个平面弧形单匝线圈段中的每个循环热处理插入到单发感应器内的紧密间隔的多个偏心圆柱形元件。

Description

用于热处理沿工件的纵轴配置的紧密间隔的多个偏心圆柱形 元件的单发感应器
相关申请的交叉引用
本申请主张2014年2月9日提交的美国临时申请第61/937,555号的利益，该案的全文以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及电感应热处理沿工件的纵轴配置的紧密间隔的多个偏心圆柱形元件(诸如用于内燃引擎中的凸轮轴上的多个紧密间隔的凸轮凸部)。
背景技术
在内燃引擎中使用凸轮轴以便当引擎运行时执行循环程序。为了热处理的目的，可以将凸轮轴几何描述为具有沿凸轮轴的中心纵轴分布的至少一个或多个凸轮凸部的纵向定向工件，其中每个凸轮凸部呈偏心圆柱形元件的形状。一般来说，虽然不总是如此，但是每个凸轮凸部具有偏心圆形轮廓，其中圆形凸轮凸部中心与凸轮轴的中心纵轴内联。在三维中，可以将凸轮凸部描述为与凸轮凸部的中心纵轴对准的偏右圆柱形元件。沿凸轮凸部的中心纵轴通常分布多个凸轮凸部以协调进气阀和排气阀的打开和关闭。除了凸轮凸部之外其它元件也可以形成凸轮轴。整个凸轮轴可以通过锻造、铸造、接卸加工或组装而产生，并且可以是实心凸轮轴、中空凸轮轴或组合实心和中空的凸轮轴。
通常来说，沿传统凸轮轴的中心纵轴的相邻的凸轮凸部之间的间隔很大，这是由于凸轮在其上操作的元件(例如，进气阀或排气阀)被间隔开大距离。例如，图1示出了典型的传统凸轮轴90。凸轮轴包括沿圆柱形轴98的轴向长度分布的凸轮凸部(94a和94b；94c和94d；94e和94f；94g和94h)的四个群组(92a至92d)。未示出诸如轴承或端帽之类的附加的凸轮轴特征。通常将凸轮凸部与轴锻造、铸造或机械加工为一体，并且之后增加诸如轴承的附加元件；可替代地，例如凸轮凸部的凸轮轴元件可收缩配合至凸轮轴上。凸轮凸部的数量、大小、轮廓、定位及定向取决于凸轮轴的类型及其引擎设计。空心或实心凸轮轴可用于许多应用中，其中凸轮轴上一个或多个特征(诸如凸轮凸部)必须经冶金硬化，以经受在应用中的设计的使用寿命期间施加的磨损及力。传统车用凸轮轴上这些凸轮凸部的典型轴向宽度x1是大约9至21mm(毫米)，并且相邻凸轮凸部之间的典型最小轴向间隔x2是大约12至40mm。
当操作阀时，凸轮凸部轮廓是与连接至阀的凸轮从动件的摇杆有接触的凸轮凸部工作表面。在凸轮轴的预定寿命周期期间，凸轮轴可以旋转通过数百万个360°可旋转周期，并且由于在凸轮凸部的工作表面上的凸轮从动件的活动摩擦，凸轮轴经历相当多的磨损和接触应力。在图1中对于凸轮凸部94b利用横截面影线绘示关于凸轮凸部的工作表面。耐磨损性和强度的良好组合对凸轮凸部是非常重要的，这就需要硬化工件表面区域。基于凸轮轴的功能，凸轮凸部的工作表面包括至少以下轮廓区域：基圆(也称为根部)、齿腹及鼻。
图2(a)和图2(b)示出关于凸轮轴凸部轮廓的凸部鼻区域95a和95b、基环97a和97b以及齿腹99a和99b，将凸轮轴凸部轮廓分类为具有“尖”形鼻(在图2(a)中)或“常规鼻”(在图2(b)中)，以区分具有的轮廓弧度小于图2(b)中的典型常规鼻的轮廓弧度的尖鼻区域。根部(基环)是通常与凸轮轴的轴(例如，图1中的轴98)同心并且不具有与凸轮凸部的工作表面接触的元件(诸如凸轮从动件的摇杆)的升程的凸轮凸部的部分；齿腹是具有大加速度及速度以使连接至凸轮从动件的阀移动以尽快打开或关闭的凸轮凸部的部分；并且鼻是与根部相对于具有最小的曲率半径已给出最大阀升程的凸轮凸部的部分。在图2(b)中的凸轮凸部的最大横截面直径可定义为从鼻的顶点至根部的底部的距离y1。
多种类型的加热感应器(也称为感应线圈)可用于感应硬化通常具有圆柱形状的工件上的元件，其包括具有如本文中描述的偏右圆柱形形状的凸轮凸部。如图3中所示的对于单匝感应线圈80，感应器通常是具有圆形横截面形状的单匝或多匝感应器。由于感应加热的强度取决于与工件的区域耦合的磁通量以感应插入线圈中的工件或元件中的涡流加热，所以使用传统感应线圈配置难以实现诸如凸轮凸部的复杂几何区域内的均匀感应热处理。感应加热程序由以下事实进一步复杂化：通常热穿透至工件的内部是向内感应涡流加热及接着自涡流区域(由电流穿透深度控制)向工件的中心区域进一步感应向内热传递(有时成为“热浸泡”)的组合。邻近意欲经热处理的估计区域的工件区域的存在可复杂化获取意欲热处理区域中的所要温度均匀性的能力。
根据凸轮轴的几何形状和所需的每单位热处理时间生产要求，可以利用单个感应器的单个凸轮凸部的扫描感应加热或利用多匝感应器的单个或多个凸部静态(单发)加热感应硬化凸轮轴。
扫描感应硬化通常用于较低生成率。单匝扫描感应器通过允许利用最小量功率热处理各种宽带的凸轮凸部来提供最大的灵活性，当利用具有比凸轮凸部的宽度小的窄宽度面(图3中的80’)扫描感应器时，在给定时间段中仅加热单个凸轮凸部的工件表面的一小部分。
当在加热具有“凸部鼻直径-凸部基环直径”的明显不同比率的凸轮凸部时(尤其当凸轮凸部相互靠近时)，当试图满足“最小值-最大值”的硬度层(表面)深度变化的指定范围时，扫描感应硬化可能是有问题的。例如，图4(a)和图4(b)绘示了非传统型凸轮轴的一个示例，即三凸部凸轮轴70，其具有四个三凸部群组(72a、72b、74c和72d)，每个包括三个紧密间隔的凸轮凸部(凸部：74a、74b和74c；74d、74e和74f；74g、74h和74i；74j、74k和74l)，其中每个凸轮凸部具有大于1.5:1或小于1:1.5的范围内的凸部鼻直径dn与凸部基环(根部)直径dh比率(dn：dh)，并且在每个三凸部群组中，中心凸部(74a、74d、74g和74j)与每个相关的外部末端凸部(74b和74c；74e和74f；74h和74i、74k和74l)之间的轴向距离x3不大于2至5mm，其中更接近2m的距离更典型。
三凸部凸轮轴可用于(例如)具有自由浮动在往复活塞(各具有凸轮从动件)的引擎中，其中活塞配置成四个活塞的一排或多排中，各活塞延伸于90°的角度间隔的排上，活塞可由30°的角度间隔分开。这些引擎中的凸轮凸部将接近具有根据特定引擎所要的特性的不同轮廓的正弦形状。三凸部凸轮轴上的轮廓之间的液压制动的两件式制动开关使生成及持续时间两者交替。
扫描感应硬化三凸部群组中的紧密间隔的凸轮凸部的尝试不可避免的与至少双重特征相关联：已经硬化的三凸部群组中的相邻凸部的非所要回火；以及由于从正在被淬火的凸轮凸部的表面至三凸部群组中经加热的凸轮凸部的表面的淬火飞溅(这是由于尤其在三凸部群组中经加热的凸轮凸部及正在被淬火的凸轮凸部的近轴向接近)而获得有斑点的硬度的可能性。
作为扫描感应硬化的替代，可通过将诸如三凸部群组72a(图5(a)中示出的部分凸轮轴截面)的三凸部群组中的紧密间隔的凸轮凸部插入图5(b)所示的单匝感应器80内，而静态感应(单匝)硬化三凸部群组中的紧密间隔的凸轮凸部的群组。单匝感应器80可以是空心铜线圈感应器，其具有内部水冷却通道81，因而形成图5(b)所示的具有线圈宽度Wcoil、固定横截面圆形内径din和外径dout的单匝感应器。凸轮凸部的三凸部群组通常经由轴78而沿着凸轮轴的轴向长度连接至凸轮凸部的至少另一凸轮凸部群组，如图4(a)所示。参考图5(a)中的三凸部群组，由于电磁接近效应，当使用如图5(b)中所示的单匝感应器热处理时，相比于外部末端凸部74b及74c的感应热强度，中心凸部74a的感应热强度将更低，这是由于面向中心凸部(称为“面向表面”)的感应线圈表面与面向中心凸部的工作表面之间的间隙g1大于感应线圈面向表面与凸轮凸部的三凸部群组内的外部末端凸部的工作表面之间的间隙g2。此外，在三凸部凸轮轴中，三凸部群组中的外部末端凸部在宽度上比三凸部群组中的中心凸部更薄；即，在三凸部群组中，中心凸部的宽度x4对各个外部末端凸部的宽度x5的比率大于2:1，如图4(a)所绘示的。这些因素导致外部末端凸部(74b和74c)相比于中心凸部74a的明显更深的硬化层(表面)深度，如在图5(b)中由外部末端凸部74b和74c中的点画工作表面区域及中心凸部74a的几乎无(点画)工作表面深度硬化所绘示。取决于三凸部群组中外部末端凸部对中心凸部的几何差异，硬化层(表面)深度中的差异是不可接受的。例如，为了获得三凸部群组中的中心凸部上的指定最小硬化层(表面)深度，可以使三凸部群组中的外部末端凸部过热至产生非所要的微观结构及冶金上不可接受的结果(诸如，晶界熔析、晶粒粗化、钢燃烧及裂解)的程度。
其中多个匝的每个具有固定横截面圆形内径和外径的多匝感应器还可用于热处理三凸部群组中的凸轮凸部。如图6(a)以横截面绘示了三凸部群组72a中的凸部74a、74b和74c以及包括中间线圈匝82b和外部末端匝82a的三匝感应器82，其中外部末端线圈匝自外部末端凸部74b和74c(在Xaxis3和Xaxis4处居中)轴向偏移(在轴向位置Xaxis1和Xaxis2处居中)，以将外部线圈匝从当三匝感应器适当地连接至电源时建立的磁场磁性地解耦合，并且中间线圈匝82b的内部横截面半径r1小于外部末端线圈匝82a和82c的内部半径r2。相对于其中不存在中心凸部74a的显著工作表面硬化的图5(b)中所示的单匝感应器配置，图6(a)中的三匝感应器配置导致中心凸部74a和外部末端凸部74b和74c改良的硬化表面(层)深度分布(由点画区域绘示)。通过以下方式可以改良图6(a)中的三匝感应器配置：在中间线圈匝82b的侧上方或周围增加通量集中器62，以增加局部磁通量场及中心凸部74a中的感应热强度，如图6(b)所示，其中中心凸部中的缩图形状(点画)层硬化区域的总体轴向长度及深度的增加多于图6(a)的配置中的总体轴向长度及深度。可使用图7中所示的四匝感应器84配置进一步改良图6(a)和图6(b)中的三匝感应器配置。四匝感应器84包括两个外部末端线圈匝84a和84d及两个中间线圈匝84b和84c，其中全部匝都适当地连接至电源。如由图7中的点画(层硬化)区域所示，定位于中心凸部74(a)上方的线圈84的两个中间匝强化宽中心凸部的感应加热，导致图6(a)和图6(b)中的配置的中心凸部的经过改良的硬度图样及中心凸部的非所要缩图形状的显著减小。
本发明的一个目的是提供改良地单发热处理沿工件的纵轴分布的紧密间隔的多偏心圆柱形元件的单匝感应器。
本发明的另一个目的是提供单发感应器热处理沿工件的纵轴分布的紧密间隔的多偏心圆柱形元件的方法。
本发明的另一个目的是提供改良地单发热处理沿凸轮轴的轴向长度分布的紧密间隔的多个凸轮凸部的单匝感应器。
本发明的另一个目的是提供单匝感应器热处理沿凸轮轴的轴向长度分布的紧密间隔的多个凸轮凸部的方法。
本发明的另一个目的是提供改良地单发热处理沿三凸部凸轮轴的轴向长度分布的三凸部群组中紧密间隔的多个凸轮凸部的单匝感应器。
本发明的另一个目的是提供单匝感应器热处理沿三凸部凸轮轴的轴向长度分布的三凸部群组中紧密间隔的多个凸轮凸部的方法。
发明内容
在一方面，本发明是用于感应热处理沿工件的纵轴配置的紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的单发感应器。该单发感应器具有多个平面弧形单匝线圈段，其由轴向线圈段彼此隔离，使得当紧密间隔的多个偏心圆柱形元件插入该单发感应器内时，在热处理程序期间，该多个平面弧形单匝线圈段中的每个循环热处理围绕单发感应器的中心轴旋转的紧密间隔的多个偏心圆柱形元件。
在另一方面，本发明是使用单发感应器热处理沿工件的纵轴配置的紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的方法，其中单发感应器具有多个平面弧形单匝线圈段，其由轴向线圈彼此隔离，使得当紧密间隔的多个偏心圆柱形元件插入该单发感应器内时，在热处理程序期间，该多个平面弧形单匝线圈段中的每个循环热处理围绕单发感应器的中心轴旋转的紧密间隔的多个偏心圆柱形元件。
在一方面，本发明是用于感应热处理沿凸轮轴的纵轴配置的紧密间隔的多个凸轮凸部的单发感应器。该单发感应器具有多个平面弧形单匝线圈段，其由轴向线圈段彼此隔离，使得当紧密间隔的多个凸轮凸部插入该单发感应器内时，在热处理程序期间，该多个平面弧形单匝线圈段中的每个循环热处理围绕单发感应器的中心轴旋转的紧密间隔的多个凸轮凸部。
在另一方面，本发明是使用单发感应器热处理沿凸轮轴的轴向配置的紧密间隔的凸轮凸部的方法，其中单发感应器具有多个平面弧形单匝线圈段，其由轴向线圈彼此隔离，使得当紧密间隔的多个凸轮凸部插入该单发感应器内时，在热处理程序期间，该多个平面弧形单匝线圈段中的每个循环热处理围绕单发感应器的中心轴旋转的紧密间隔的多个凸轮凸部。
在说明书和随附的附图中提出本发明的以上方面和其它方面。
附图说明
如以下简要概述的，提供附图是为了本发明的示例性理解，且并非如本文中进一步提出的限制本发明。
图1是可用于内燃引擎中的传统凸轮轴的一个示例的等角视图。
图2(a)和图2(b)是两种类型的凸轮凸部轮廓的示例。
图3绘示了典型的单匝感应器。
图4(a)绘示了三凸部凸轮轴的一个示例。
图4(b)绘示了与三凸部凸轮轴一起使用的凸轮凸部轮廓的一个示例。
图5(a)绘示了图4(a)中示出的凸轮轴上的一个三凸部群组中的凸轮凸部。
图5(b)绘示了使用单匝感应器感应热处理图5(a)中示出的三凸部群组中的凸轮凸部的一种方法。
图6(a)绘示了使用三匝感应其感应热处理图5(a)中示出的三凸部群组中的凸轮凸部的一种方法。
图6(b)绘示了使用三匝感应器感应热处理图5(a)中示出的三凸部群组中的凸轮凸部的另一种方法。
图7绘示了利用四匝感应器感应热处理图5(a)中示出的三凸部群组的一种方法。
图8(a)和图8(b)是用于热处理沿工件的纵轴配置的紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的本发明的单发感应器的一个示例的俯视图和侧视图。
图8(c)是指示穿过55°的线1-1、90°的线2-3以及153°的线3-3的侧视横截面视图的图8(a)中所示的单发感应器的俯视图。
图9、图10和图11是安装在感应器组件中的图8(a)和图8(b)中所示的本发明的单发感应器的多个视图。
图12(a)至图12(c)绘示了随着工件元件在单发感应器内旋转，使用图8(a)中所示的单发感应器的第一平面弧形单匝线圈段、第二平面弧形单匝线圈段和第三平面弧形单匝线圈段的循环感应加热。
图13(a)至图13(c)以横截面图绘示随着工件元件在单发感应器内旋转，使用图8(c)中所示的单发感应器的第一、第二和第三平面弧形单匝线圈段的循环感应加热。
图14(a)至图14(b)以横截面图绘示了在应用磁通量补偿器的情况下随着工件元件在单发感应器内旋转，使用图8(c)中所示的单发感应器的第一、第二和第三平面弧形单匝线圈段的循环感应加热。
具体实施方式
图8(a)和图8(b)绘示了用于热处理沿工件的纵轴配置的紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的单发感应器10。这里使用的术语“紧密间隔”指一群组紧密间隔的多个偏心圆柱形元件中的相邻偏心圆柱形元件之间的距离不大于2至5mm，如这里公开的(例如)对于工件是三凸部凸轮轴的三凸部群组中。
在该示例中，单发感应器10是包括五个循环单匝线圈片段的单匝感应线圈，该五个循环单匝线圈片段由第一平面弧形单匝线圈段10a、第一轴向线圈段10b；第二平面弧形单匝线圈段10c、第二轴向线圈段10d和第三平面弧形单匝线圈段10e循环形成。
在该示例中，所有五个循环单匝线圈段具有共同线圈段纵向中心轴C(图9)，其中第一轴向线圈段和第二轴向线圈段经定向平行于共同线圈段纵向中心轴C，并且第一平面弧形单匝线圈段、第二平面弧形单匝线圈段和第三平面弧形单匝线圈段经平面定向在垂直于共同线圈段纵向中心轴C的平面横截面中，并且由第一轴向线圈段和第二轴向线圈段彼此平面隔开。例如，在图9中，第一平面弧形单匝线圈段、第二平面弧形单匝线圈段和第三平面弧形单匝线圈段的平面横截面将位于X-Z平面中，并且第一轴向线圈段和第二轴向线圈段将与X轴一起经定向平行于共同线圈段纵向中心轴C，其中X、Y和Z限定三维卡迪尔直角坐标系统。
在该示例中，外侧(第一和第三)末端平面弧形单匝线圈段10a和10e相对于共同线圈段纵向中心轴C的内部曲率半径rc1大于中心(第二)平面弧形单匝线圈段10c相对于共同线圈段纵向中心轴C的内部曲率半径rc2。
如图9、10和11所示，单发感应器10可以安装在适当的感应器组件12中。单发感应器10外部末端段(即第一平面弧形单匝线圈段10a和第三平面弧形单匝线圈段10e)可分别在感应器组件中的电源终端14a及14b中终止，其中电绝缘体16将可连接至适当的交流电源(图中示出)的两个电源终端分开。例如，第一电源终端14a可连接至第一交流电源输出，并且第二电源终端14b可连接至第二交流电源输出，使得第一交流电源输出和第二交流电源输出可以自电源感应交流电，以在单发感应器周围建立磁场，用于通量耦合和感应加热插入到单发感应器中的紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的群组。
平面弧形单匝线圈段的加热面向表面的宽度(即面向工件的线圈段的侧面)可以关于每个平面弧形单匝线圈段变化，以适应正被加热处理的偏心圆柱形元件(例如，凸轮凸部)的宽度变化。例如，如图8(b)中绘示的，平面弧形单匝线圈段10a和10e的加热面向表面的宽度wsec1可以小于平面弧形单匝线圈段10c的加热面向表面的宽度wsec2。
如果单发感应器10由流体介质内部冷却，那么可以提供感应器组件导管18a和18b并且将其连接至流体冷却介质的供应端和返回端，用于冷却介质通过单发感应器内的内部通道流动。例如，可以在感应器组件中提供冷却流体介质供应端口，用于将流体冷却介质供应至感应器组件内的内部供应通道，并且可以在感应器组件中提供冷却流体介质返回端口，用于冷却流体介质从感应器组件内的内部返回通道返回。可以在单发感应器的第一平面横向单匝线圈段、第一轴向线圈段、第二平面横向单匝线圈段、第二轴向线圈段和第三平面横向单匝线圈段的内部提供连续内部单发感应器冷却通道，其中感应器组件中的内部供应通道连接至第一平面横向单匝线圈段中的连续内部单发感应器冷却通道中的内部感应器进入端口以及第三平面横向单匝线圈段中的连续内部单发感应器冷却通道中的内部感应器排出端口，使得冷却流体介质从冷却流体介质的供应端流动至冷却流体介质的返回端。
为了利用附图中示出的单发感应器10的实施例热处理沿工件的纵轴配置的紧密间隔的多个偏心圆柱形元件，紧密间隔的多个偏心圆柱形元件插入单发感应器中，如图11所示的关于轴78上的三凸部群组72a的凸轮凸部。
单发感应器内的凸轮轴和三凸部群组(其是凸轮轴的一部分)在静态单发感应器10内旋转，以通过与流过单发感应器的交流电电磁耦合来实现三凸部群组中的凸轮凸部所要圆周加热所需的时间段而感应加热三凸部群组中的每个凸部。在本发明的该示例中，凸轮凸部的三凸部群组(凸轮轴)的中心工件轴X(当将其插入单发感应器中时)与共同线圈段纵向中心轴C重合。随着三凸部群组(凸轮轴)在单发感应器中做360°旋转，三个平面弧形单匝线圈段10a、10c和10e中的每个循序感应加热凸轮凸部的三凸部群组中的段。例如，参考图12(a)至图12(c)中的角度符号，并且参考从0°开始的三凸部群组中的凸轮凸部的轴向工作表面区域，并且三凸部群组(凸轮轴)在顺时针方向中旋转，对于77°的旋转，第一(上部末端)平面弧形单匝线圈段10a感应加热三凸部群组；对于接下来的206°的旋转，第二(中间)平面弧形单匝线圈段10c感应加热三凸部群组；并且对于完整的360°的最后77°的旋转，第三(下部末端)平面弧形单匝线圈段10e感应加热三凸部群组72a。第一轴向线圈段10b和第二轴向线圈段10d非显著有助于感应加热并且主要在平面弧形单匝线圈段10a、10c和10e执行循环感应加热时提供第一平面弧形单匝线圈段、第二平面弧形单匝线圈段和第三平面弧形单匝线圈段之间的轴向偏移距离。
图13(a)至图13(c)以横截面图(参考图8(c))绘示了随着插入的工件旋转360°，主动感应加热平面弧形单匝线圈段。图13(a)以横截面图绘示了主动感应加热旋转在55°处的平面弧形单匝线圈段10a和10c；图13(b)以横截图绘示了主动感应加热旋转在90°处的平面弧形单匝线圈段10c；以及图13(c)以横截面图绘示了主动感应加热旋转在153°处的平面横向单匝线圈段10c和10e。在该实施例中，第一平面弧形单匝线圈段和第三平面弧形单匝线圈段分别从外末端凸轮凸部74a和74c轴向地偏移设置，如图中所示。
平面弧形单匝线圈段相对于三凸部群组中的每个凸部的相对轴向定位以及每个平面弧形单匝线圈段的弧形长度控制每个凸轮凸部中的感应加热强度。例如，在该实施例中，第二平面弧形单匝线圈段10c的内侧横截面半径rc2小于第一外部末端平面弧形单匝线圈段10a和第三外部末端平面弧形单匝线圈段10c的内部横截面半径rc1，以在第二平面弧形单匝线圈段和更宽的中心凸部74a之间提供更大的电磁耦合。
此外，如果平面弧形单匝线圈段的内部横截面半径与凸轮凸部平面重合，那么平面弧形段的内部曲率半径就必须大于凸轮凸部的最大横截面半径。
图14(a)至图14(c)以横截面视图绘示了随着插入的工件旋转360°，主动感应加热平面弧形单匝线圈段，其中如图所示，在第二平面弧形单匝线圈段10c的三个侧面周围增加“U”形磁通量集中器62，以增加第二平面弧形单匝线圈段的感应热强度，并且防止相邻外部末端的凸轮凸部74b和74c过热。图14(a)以横截面图绘示了主动加热旋转在55°处的平面弧形单匝线圈段10a和10c；图14(b)以横截面图绘示了主动加热旋转在90°处的平面弧形单匝线圈段10c；并且图14(c)以横截面图绘示了主动加热旋转在153°处的平面弧形单匝线圈段10c和10e。“U”形或引导通量所需的其它形状的通量集中器可用于平面弧形单匝线圈段中的一个或多个，如对于经热处理的紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的特定配置所需。
图13(a)至图14(c)中的横截面视图是图解的，因为它们以横截面形式将三凸部群组中的所有三个凸轮凸部示出为圆柱形元件，反之，每个凸轮凸部是偏右圆柱形元件。给予凸轮凸部其偏心(非圆柱)形状(例如图2(a)和图2(b)中对于典型凸轮凸部所示)的凸轮凸部鼻区域可以位于不同的轴向角度(及在垂直于轴X-X的平面中的角度)，这取决于特定凸轮凸部的鼻作用于其上的元件(例如，阀)所需的时序位移角度。这种鼻偏心可存在于图13(a)至图14(c)中的横截面图解圆柱形视图中的一个或多个中。
在本发明的其它示例中，每个平面弧形单匝线圈段的弧形长度可以相互不同，这取决于在单发感应器中被感应加热的紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的配置。例如，为了进一步补偿电磁解耦合的凸轮凸部的加热不足并且控制不同形状的凸轮凸部之间的感应热强度，相比于较佳耦合低质量及/或较薄宽度的凸轮凸部，对应于具有显著减小的热强度的凸轮凸部的平面弧形单匝线圈段可以具有更长的弧形长度。
在本发明的其它示例中，可以使用由三个或三个以上轴向线圈段提供的轴向分离的三个以上的平面弧形单匝线圈段，以形成本发明的单匝单发感应器。
在本发明的其它示例中，除了经热处理的工件(元件)的旋转之外，本发明的单发感应器在热处理程序期间可以沿共同线圈段纵向中心轴C移动。
可通过一个单发感应器10循环热处理凸轮轴上的多个三凸部群组，或可以使用多个间隔开的单发感应器10同时加热凸轮轴上的多个三凸部群组中的全部或一些。
单发感应器10可视情况配置有淬火供应装置及分布装置以在热处理后淬火三凸部群组。
可以在没有静态工件预加热程序步骤的情况下完成上文中的单发感应器加热紧密间隔的多个偏心圆柱形元件。在本发明的其它示例中，在为了热处理而旋转凸轮凸部之前，可以执行一个或多个静态工件预热处理步骤以调整元件的中心段(例如，中心凸部74a)的降低的热强度(没有旋转)。
例如，当紧密间隔的偏心圆柱形元件区域中的一个或多个区域(例如，三凸部群组72a中的宽中心凸部74a的根部(基环)区域)比其它区域需要更大的加热时，可在以上描述的旋转加热之前，将中心凸部的根部旋转至如图13(b)中的位置并且静态地保持在该位置，当将电流施加至单发感应器时预加热根部。一般来说，在相对于其中插入群组的单发感应器轴向旋转紧密间隔的多个圆柱形元件的群组之前，可以静态预加热紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的至少一个群组的段或若干段。
作为如在先前段落中对准的单发感应器10内的三凸部群组72a的额外预热程序步骤，单发感应器10可以具有平面定位装置，其允许(例如)减小图13(b)中的横截面径向距离rc2，以进一步增加与中心凸轮凸部74a的工作表面的电磁耦合。平面定位装置将在垂直于共同线圈段纵向中心轴C的平面中移动单发感应器(或单发感应器内紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的群组)(例如)，以减小图13(b)中第二平面弧形单匝线圈段10c和中心凸部74a之间的空间距离。在对所需凸轮凸部区域进行足够的静态(没有旋转)预热之后，可以将单发感应器径向向外移动至具有横截面径向距离rc2的图13(b)所示的其旋转加热位置，然后可以执行如上所述的旋转加热。
尽管以上示例解决了对凸轮轴上的三凸部群组中的凸轮凸部的热处理，但是利用适当的重新配置，本发明的装置和方法可用于沿工件的纵轴配置的两个或两个以上紧密间隔的偏心圆柱形元件。
在上文的描述中，为了解释的目的，已经提出多个特定需求及若干特定细节以提供对实施例和示例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员很明显的是，可以在没有这些细节的情况下实施一个或多个其它示例或实施例。提供描述的特定实施例不是用于限制本发明而是绘示本发明。
贯穿该说明书的涉及的“一个示例或实施例”、“示例或实施例”、“一个或多个示例或实施例”或者“不同的示例或实施例”是指可以包含在本发明的实践中的特定特征。在该说明书中，为了简化本发明并且有助于理解多个发明的目的，在描述中有时将不同的特征分组在单个示例、实施例、附图或其描述中。
依据较佳示例及实施例描述本发明。除了明确陈述的等效物、替代项及修改之外，等效物、替代项及修改是可能的并且在本发明的范围之内。

Claims (20)

1.用于感应热处理工件的单发感应器，所述工件包括沿所述工件的纵轴配置的紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的至少一群组，所述单发感应器包括形成单匝线圈的一循环系列的交替平面弧形单匝线圈段及轴向线圈段，其中当所述紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的所述至少一群组插入所述单发感应器中且轴向旋转通过360°时，所述循环系列的交替平面弧形单匝线圈段循环感应热处理所述紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的所述至少一群组的选择的组合。
2.根据权利要求1所述的单发感应器，其中，所述循环系列的交替平面弧形单匝线圈段及轴向线圈段包括第一平面弧形单匝线圈段、第一轴向线圈段、第二平面弧形单匝线圈段、第二轴向线圈段以及第三平面弧形单匝线圈段。
3.根据权利要求2所述的单发感应器，其中，所述第一平面弧形单匝线圈段、所述第一轴向线圈段、所述第二平面弧形单匝线圈段、所述第二轴向线圈段以及所述第三平面弧形单匝线圈段具有共同纵向中心轴，并且所述第一轴向线圈段和所述第二轴向线圈段经定向平行于所述共同纵向中心轴，并且所述第一平面弧形单匝线圈段、所述第二平面弧形单匝线圈段以及所述第三平面弧形单匝线圈段定向在垂直于所述共同纵向中心轴的平面横截面中。
4.根据权利要求3所述的单发感应器，其中，所述第一平面弧形单匝线圈段以及所述第三平面弧形单匝线圈段相对于所述共同纵向中心轴的第一内部曲率半径大于所述第二平面弧形单匝线圈段相对于所述共同纵向中心轴的第二曲率半径。
5.根据权利要求4所述的单发感应器，其中，所述第一平面弧形单匝线圈段的第一加热面对表面、所述第二平面弧形单匝线圈段的第二加热面对表面以及所述第三平面弧形单匝线圈段的第三加热面对表面不相同。
6.根据权利要求2、3、4或5任一项所述的单发感应器，还包括感应器组件，所述感应器组件包括：
第一电源终端，连接至第一交流电源输出；以及
第二电源终端，连接至第二交流电源输出，所述第一平面弧形单匝线圈段连接至所述第一电源终端，并且所述第三平面弧形单匝线圈段连接至所述第二交流电源终端。
7.根据权利要求6所述的单发感应器，还包括：
冷却流体介质供应端口，放置在所述感应器组件中，用于将冷却流体介质供应至所述感应器组件内的内部供应通道；
冷却流体介质返回端口，放置在所述感应器组件中，用于使冷却流体介质返回所述感应器组件内的内部返回通道；
内部单发感应器连续冷却通道，位于所述第一平面弧形单匝线圈段、所述第一轴向线圈段、所述第二平面弧形单匝线圈段、所述第二轴向线圈段及所述第三平面弧形单匝线圈段内部，内部供应通道与所述第一平面弧形单匝线圈段中的内部感应器进入端口联通，并且内部返回通道与所述第三平面弧形单匝线圈段中的内部感应器排出端口联通，由此所述冷却流体从所述冷却流体介质供应端流至所述冷却流体介质的返回端。
8.根据权利要求1、2、3、4或5任一项所述的单发感应器，其中，所述工件是凸轮轴，并且所述紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的至少一个群组包括凸轮凸部的三凸部群组。
9.根据权利要求8所述的单发感应器，其中，所述凸轮凸部的所述三凸部群组包括邻近第一末端凸部和第二末端凸部的中心凸部，所述第一末端凸部和所述第二末端凸部位于所述中心凸部的两侧。
10.根据权利要求9所述的单发感应器，其中，所述中心凸部、所述第一末端凸部和所述第二末端凸部的每个具有在大于1.5：1或小于1：1.5范围内的凸部鼻直径与凸部基圆直径的比率，并且所述中心凸部与所述第一末端凸部及所述第二末端凸部的每个之间的轴向距离不大于2mm。
11.使用用于单发感应热处理的单匝感应器单发感应热处理工件的方法，所述工件包括沿所述工件的纵轴配置的紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的至少一群组，所述单匝感应器包括形成所述单匝感应器的循环系列的交替平面弧形线圈段及轴向线圈段，所述方法包括：
将具有紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的所述至少一群组的工件装载在所述单匝感应器中；
将交流电供应至所述单匝感应器以在所述循环系列的交替平面弧形线圈段及轴向线圈段周围建立磁通量；
旋转所述单匝感应器中的所述紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的所述至少一群组，使得对于所述单匝感应器内的所述紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的所述至少一群组的各个360旋转度，所述交替平面弧形线圈段及轴向线圈段的至少每个循环热处理所述紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的所述至少一群组的选择的组合；以及
从所述单匝感应器卸载所述工件。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：当旋转所述单匝感应器中的所述紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的所述至少一群组时，定位与所述感应器的纵向中心轴重合的所述紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的所述至少一群组的中心轴的步骤。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述循环系列的交替平面弧形线圈段及轴向线圈段包括：第一平面弧形单匝线圈段、第一轴向线圈段、第二平面弧形单匝线圈段、第二轴向线圈段以及第三平面弧形单匝线圈段，所述紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的所述至少一群组包括：第一外部偏心圆柱形元件、第二外部偏心圆柱形元件及中心偏心圆柱形元件，所述第一外部偏心圆柱形元件及所述第二外部偏心圆柱形元件位于所述中心偏心圆柱形元件两侧。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：当旋转所述单匝感应器中的所述紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的所述至少一群组时，分别自在所述第一外部偏心圆柱形元件及所述第二外部圆柱形元件轴向偏移所述第一平面弧形线圈段及所述第三平面弧形线圈段。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述中心偏心圆柱形元件比所述第一外部偏心圆柱形元件及所述第二外部偏心圆柱形元件更宽，并且当在所述单匝感应器中旋转所述工件时，所述第二平面弧形线圈段的内部横截面半径小于所述第一平面弧形线圈段及所述第三平面弧形线圈段的内部横截面半径。
16.根据权利要求11或12所述的方法，还包括：当在所述单匝感应器中旋转所述工件时，在所述交替平面弧形线圈段的至少一个周围定位通量集中器。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括：当在所述单匝感应器中旋转所述工件时，沿所述感应器纵向中心轴移动所述单匝感应器。
18.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的所述至少一群组包括紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的至少两个群组，并且所述紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的所述至少两个群组的每个循环定位于所述单匝感应器中。
19.根据权利要求11或12所述的方法，还包括：替代地在自所述单匝感应器卸载所述工件之前或之后，在旋转所述紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的所述至少一群组之后，淬火所述紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的所述至少一群组。
20.根据权利要求11或12所述的方法，还包括：在旋转所述紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的所述至少一群组之前，使用所述单匝感应器静态预热所述紧密间隔的多个偏心圆柱形元件的所述至少一群组的选择的偏心圆柱形元件。
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