Двигатель внутреннего сгорания с гидравлическим устройством для регулирования угла поворота распределительного вала относительно коленчатого вала
ДВС содержит гидравлическое устройство для регулирования угла поворота распределительного вала относительно коленчатого вала. Устройство включает ротор с расположенными на нем лопатками, который без возможности поворота соединен с распределительным валом, подобный трубе статор с торцевой стенкой, предусмотренной на торцевой стороне, который без возможности поворота соединен с приводимым от коленчатого вала приводным зубчатым колесом, причем с обеих сторон лопаток предусмотрены камеры нагнетания, которые ограничены перегородками и проходящими в окружном направлении стенками статора и которые могут заполняться через гидравлическую систему гидравлической жидкостью под давлением или опорожняться. Статор выполнен за одно целое с торцевой стенкой в виде стакана, причем стакан изготовлен как листовая деталь без обработки резанием. Такое выполнение позволяет уменьшить массу устройства при одновременной минимизации утечек. 10 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания с гидравлическим устройством для регулирования угла поворота распределительного вала относительно коленчатого вала, включающим в себя: ротор с расположенными на нем лопатками, который без возможности поворота соединен с распределительным валом; снабженный сбоку торцевой стенкой статор, который без возможности поворота соединен с приводимым от коленчатого вала приводным зубчатым колесом, причем с обеих сторон лопаток предусмотрены камеры нагнетания, которые соответственно ограничены перегородками и проходящими в окружном направлении, концентрично друг другу, внутренними и внешними стенками статора и которые могут заполняться через гидравлическую систему гидравлической жидкостью под давлением или опорожняться.
Из DE 10134320 А1 известен двигатель внутреннего сгорания с соответствующего типа гидравлическим устройством для регулирования угла поворота распределительного вала, которое может менять фазовое положение распределительного вала относительно коленчатого вала. Это устройство состоит из ротора и статора, из которых первый, выполненный в виде лопастного колеса, обхватывает распределительный вал, закреплен на нем аксиальным центральным болтом и вращается синхронно с ним. Статор является гидравлически плотно запертым: с одной стороны - торцевой стенкой, которая может быть частью окружающего статор корпуса, и с другой стороны - приводным зубчатым колесом. Он обхватывает ротор и вращается синхронно с приводным зубчатым колесом, приводимым в движение от коленчатого вала. По существу, радиально проходящие перегородки в статоре допускают лишь ограниченный угол поворота ротора и образуют с ним несколько камер нагнетания, которые могут заполняться гидравлической жидкостью под давлением или опорожняться.
Недостатком в этом известном устройстве является то, что отдельные части устройства состоят преимущественно из стали или чугуна и изготовлены спеканием или обработкой резанием. Из этого следует:
1) большая масса устройства для регулирования угла поворота,
2) высокая стоимость производства из-за затрат на обработку резанием спеченных деталей,
3) нежелательное внешнее просачивание масла через пористые спеченные детали.
Поскольку в порошковой металлургии проблематичны малые толщины стенок, в частности, в связи с флуктуациями толщины стенок относительно распределения плотностей, а также прочности и жесткости, а кроме того, часто сложные формы с различными уровнями заполнения могут быть реализованы в инструменте только с дорогостоящими толкателями, то прежние устройства для регулирования угла поворота часто изготавливались из относительно тяжелых и массивных деталей. У устройств, изготовленных резанием, аналогичные проблемы: сложные, соответствующие нагрузке формы связаны с высокими затратами на обработку резанием.
Предложение для уменьшения массы устройства для регулирования угла поворота можно получить, например, из DE 10148687 A1 или DE 10134320, в котором части устройства изготавливают из алюминия или из алюминиевого сплава или другого легкого металла. Это имеет тот недостаток, что, из-за различных коэффициентов теплового расширения, от нагревания могут увеличиваться щели для утечки и вследствие этого имеется высокая утечка. Кроме того, при одинаковых размерах алюминий деформируется под нагрузкой сильнее, чем сталь или чугун. В частности, если потом отдельные детали соединяют между собой с помощью винтов корпуса, то после деформаций должны, соответственно, возникать большие щели. Винты корпуса обусловливают повышенные производственные затраты, тем самым вызывая повышение цены, и к тому же, как следствие, не обеспечивают оптимального силового потока для устройства.
Поэтому в основе изобретения лежит задача создания такого устройства для регулирования угла поворота распределительного вала относительно коленчатого вала, что, с одной стороны, осуществится уменьшение массы устройства при уменьшении утечек, с другой стороны.
Задача в соответствии с изобретением решена в устройстве для двигателя внутреннего сгорания с признаками ограничительной части пункта 1 формулы таким образом, что статор выполнен за одно целое с торцевой стенкой в виде стакана, причем статор, включая по желанию размещенную в нем уплотнительную шайбу, изготовлен в виде листовой детали без обработки резанием. Массивные спеченные детали, как образующие камеры нагнетания узлы на приводной стороне, заменяют при этом на тонкостенные листовые детали и детали, изготовленные из обработанных давлением листов. Разумеется, вместо листа может быть применена и лента, причем в дальнейшем будет использован лист как обобщающее понятие для листа или ленты. Поскольку при этом должно будет изготовляться меньше спеченных деталей, то получается сокращение затрат на обработку резанием и уменьшение внешних утечек масла ввиду отказа от пористых спеченных частей. Изготовление статора и корпуса без обработки резанием не означает, разумеется, что эти детали и далее не будут обрабатываться резанием, поскольку это необходимо.
Дальнейшее уменьшение утечки масла следует непосредственно из соответствующего изобретению выполнения за одно целое статора и торцевой стенки: стык между этими частями является меньшим, чем у известных устройств, и его не нужно уплотнять. В силу выполнения за одно целое сокращаются также затраты на детали или их производство, поскольку торцевую стенку не нужно специально присоединять к статору. Наконец, уменьшаются деформации от напряжений сжатия относительно аксиального резьбового соединения с силовым замыканием.
Чтобы устройство несмотря на свою уменьшенную массу имело высокую жесткость и высокую допустимую нагрузку, тонкостенные листовые части могут быть локально, с помощью формования или соответствующего профилирования, идеально приспособлены к напряжениям вдоль направлений нагрузки без того, чтобы были необходимы глобально большие толщины стенок и при этом нужно было бы учитывать высокую массу. По сравнению с уменьшением массы с помощью применения легкого металла, как, например, предложено в DE 10134320 А1, имеется то преимущество, что коэффициент теплового расширения всех деталей остается одинаковым и при этом не может возникнуть никаких негерметичностей по причине тепловых эффектов.
Статор состоит из основания, которое образовано торцевой стенкой, внутренней и внешней стенок, проходящих в окружном направлении, и из перегородок, которые соответственно соединяют два конца смежных внутренней и внешней стенок, проходящих в окружном направлении, проходят по существу радиально и ограничивают выемку напротив мнимой внешней стенки. По сравнению со статором, который изготовлен из тонкостенного листа и который не выполнен за одно целое с торцевой стенкой, стабильность существенно повышается, поскольку торцевая стенка стакана существенно демпфирует вызванные радиальными усилиями колебания или заранее предотвращает их возникновение. Поэтому можно отказаться от окружающего стакан корпуса и при этом дополнительно уменьшить массу устройства.
Присоединение стакана без окружающего его корпуса к приводному зубчатому колесу может быть реализовано так, что выемки на обращенной от торцевой стенки стороне ограничены фланцами. Эти фланцы соединяются с приводным зубчатым колесом. Например, во фланцах образованы сквозные гнезда, посредством которых стакан может быть привинчен к приводному зубчатому колесу. Преимущество этого типа выполнения фланца в том, что стакан выполнен очень компактно и за счет плоскостей фланцев, стакан получает дополнительную стабильность, поскольку они могут поддерживать отдельные камеры нагнетания относительно друг друга. В общем, однако, соединение статора и приводного зубчатого колеса обеспечивается с помощью соединительной технологии обработки давлением или, в основном, технологии силового, геометрического, фрикционного замыкания, как, например, накаткой, отбортовкой, сваркой, чеканкой, клепкой, склеиванием или согнутым стопорным носком.
Стакан изготовляют методом глубокой вытяжки из листовой круглой заготовки. Внутренняя и внешняя стенки, проходящие в окружном направлении, и перегородки могут быть сформированы путем формования без обработки резанием, например, путем радиальной глубокой вытяжки. При таком выполнении, начиная от торцевой стенки, каждый сегмент статора выполнен в аксиальном направлении таким образом, что на одной стороне внешней стенкой, проходящей в окружном направлении, сегментнообразного участка торцевой стенки, а также сформированными вместе с внешней стенкой перегородками образованы камеры нагнетания, а на другой стороне внутренней стенкой, проходящей в окружном направлении, перегородками и аксиально выполненным сегментом торцевой стенки образованы сегментообразные выемки. Выемки могут быть усилены или подперты. В этом случае статорные стенки стакана не будут образовывать точно прямой угол с торцевой стенкой стакана. Однако это и требуется, чтобы полностью уплотнить камеры нагнетания. Чтобы сократить потери от утечек, является предпочтительным размещение уплотнительной шайбы непосредственно перед торцевой стенкой, так что после вставки ротора с лопатками образуются прямоугольные камеры нагнетания.
Уплотнительная шайба, предпочтительно, профилирована из тонкостенной стали и по размеру и форме подогнана к стакану таким образом, что она гидравлически плотно закрывает камеры нагнетания перед торцевой стенкой. Кроме того, она выполняет задачу дополнительного увеличения стабильности стакана, если ее жестко соединяют с торцевой стенкой. Вместо того, чтобы соединять уплотнительную шайбу с торцевой стенкой, возможно также напыление материала на расположенную со стороны распределительного вала область перед торцевой стенкой, чтобы добиться по возможности плоского и перпендикулярного по отношению к перегородкам и внешним стенкам, проходящим в окружном направлении уплотнения камер нагнетания. В качестве материала напыления может использоваться, например, полимерный материал или другой материал, допускающий обработку в жидком виде и который является твердым в рабочем состоянии.
Находящиеся между перегородками выемки могут быть заполнены пластмассовыми или металлическими вкладками, которые дополнительно упрочняют стакан и делают его более жестким.
Толщина перегородок статора может быть уменьшена, если предотвратить ударение лопаток ротора каждый раз в их конечной позиции по перегородкам статора и осуществление давления на них. Для этого необходимо ограничение углов регулировки. Это может быть реализовано, например, с помощью соединенного с ротором элемента для ограничения угла регулировки, который вставлен в соответствующую кулису.
Устройство, выполненное согласно изобретению, таким образом, является, по сравнению с устройством, известным из уровня техники, более легким, требует меньших затрат на обработку резанием и этим сокращает стоимость изготовления, требует меньшего количества отдельных деталей и этим сокращает стоимость монтажа, а также позволяет отказаться от пропитки искусственными смолами, или от обработки водяным паром для уплотнения теперь уже больше не требующегося спеченного материала. Оно сокращает число стыков и вместе с тем число необходимых уплотнений, а также минимизирует при этом потери от утечек.
Далее изобретение будет рассмотрено более подробно посредством вариантов осуществления и схематично представлено на чертежах, на которых показано:
фиг.1 - продольное сечение заявленного устройства, причем статор выполнен за одно целое с торцевой стенкой;
фиг.2 - комбинация двух поперечных сечений устройства из фиг.1;
фиг.3 - продольное сечение второго варианта осуществления устройства;
фиг.4 - вид в перспективе третьего варианта осуществления устройства.
Из фиг.1 следуют существенные части гидравлического устройства 1 для регулирования угла поворота распределительного вала 2 относительно непредставленного коленчатого вала, которое выполнено как гидравлический сервопривод для варьирования времени открытия и закрытия газораспределительных клапанов двигателя внутреннего сгорания. Устройство 1 приводится через приводное зубчатое колесо 3, которое, например, с помощью цепи (не показана) связано с коленчатым валом. Устройство 1 состоит, по существу, из жестко соединенного с приводным зубчатым колесом 3 статора 4, который выполнен за одно целое с торцевой стенкой 5 в виде стакана 19 и за счет этой стенки, а также приводного зубчатого колеса 3 гидравлически плотно закрыт, и ротора 6, соединенного без возможности поворота с распределительным валом 2 посредством аксиального центрального болта 18, причем ротор 6 выполнен в виде лопастного колеса. За счет выполнения за одно целое статора 4 и торцевой стенки 5 в виде стакана отсутствует, в частности, стык между статором 4 и торцевой стенкой 5. На фиг.1 статор 4 соединен с приводным зубчатым колесом 3 посредством сварного шва 13.
Фиг.2 показывает статор 4 устройства 1, который за счет перегородок 7, 7', 7" и за счет внешних 8, 8', 8" и внутренних 9, 9', 9" стенок, проходящих в окружном направлении, образует с ротором 6 и его лопатками 10 первые камеры 11, 11', 11" нагнетания и вторые камеры 12, 12', 12" нагнетания, которые, заполняясь гидравлической жидкостью, производят регулировку угла между ротором 6 и статором 4. Камеры 11, 11', 11", 12, 12', 12" нагнетания со стороны распределительного вала закрыты приводным зубчатым колесом 3, а на обращенной к распределительному валу стороне - торцевой стенкой 5 стакана 19. Первые 11, 11', 11" и вторые 12, 12', 12" камеры нагнетания вызывают, при выборочном или одновременном нагружении гидравлической жидкости, поворотное перемещение или фиксацию ротора 6 относительно приводного зубчатого колеса 3 в пределах максимального угла поворота и вместе с тем относительный поворот распределительного вала по отношению к коленчатому валу двигателя внутреннего сгорания.
Кроме того, на фиг.1 виден соединенный с ротором 6 элемент 16 (фиг.1) для ограничения угла регулировки, который вставлен в соответствующую кулису 17 (фиг.1). С помощью него осуществляется ограничение диапазона регулировки ротора 6, что понижает нагрузки статора 4 и, соответственно, стакана 19. Кулиса 17 при этом выполнена как кольцевой ограничивающий паз.
Фиг.3 показывает продольное сечение второго варианта осуществления статора 4, выполненного в виде стакана 19. Для уплотнения камер 11, 11', 11", 12, 12', 12" нагнетания со стороны распределительного вала на торцевой стенке 5 в стакане 19 расположена уплотнительная шайба 14, которая подогнана к внутренней форме стакана 19. Она сокращает потери от утечек, поскольку переход от статора 4 к торцевой стенке 5 стакана 19 не образует точного прямого угла.
Наконец, на фиг.4 можно видеть, что стакан 19 со стороны распределительного вала имеет фланцы 20, которые, в свою очередь, имеют отверстия 21 для установки крепежных средств (не показаны). Фланцы 20 поддерживают отдельные камеры нагнетания относительно друг друга, закрывают на обращенной от торцевой стороны выемки 15, 15', 15" и повышают жесткость стакана 19. Крепежные средства с силовым замыканием соединяют стакан с приводным зубчатым колесом 3.
В целом, за счет выполнения за одно целое статора 4 и торцевой стенки 5, изготовленных без обработки резанием в виде стакана 19, уменьшается число используемых деталей и тем самым сокращаются монтажные затраты. Одновременно уменьшаются потери от утечек, поскольку имеется меньше стыков и по сравнению с изготовленным спеканием устройством можно отказаться от дорогостоящей обработки водяным паром или от пропитки искусственными смолами за счет отказа от пористых спеченных деталей.
1. Двигатель внутреннего сгорания с гидравлическим устройством (1) для регулирования угла поворота распределительного вала (2) относительно коленчатого вала, включающим в себя ротор (6) с расположенными на нем лопатками (10), который без возможности поворота соединен с распределительным валом (2), снабженный торцевой стенкой (5), на торцевой стороне статор (4), который без возможности поворота соединен с приводимым от коленчатого вала приводным зубчатым колесом (3), причем с обеих сторон лопаток (10) предусмотрены камеры (11, 11', 11'', 12, 12',12") нагнетания, которые соответственно ограничены перегородками (7, 7',7") и проходящими в окружном направлении и концентрично друг другу внутренними (9, 9', 9") и внешними (8, 8', 8") стенками статора (4), и которые имеют возможность заполняться через гидравлическую систему гидравлической жидкостью под давлением или опорожняться, отличающийся тем, что статор (4) и торцевая стенка (5) выполнены за одно целое в виде стакана (19), причем стакан (19) выполнен как изготовленная без обработки резанием листовая деталь.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что начиная от торцевой стенки (5), каждый сегмент статора (4) выполнен в аксиальном направлении с помощью процесса формования без обработки резанием таким образом, что на одной стороне внешней стенкой (8, 8', 8"), проходящей в окружном направлении, сегментообразного участка торцевой стенки (5), а также сформированными вместе с внешней стенкой перегородками (7, 7', 7") образованы камеры (11, 11', 11", 12, 12', 12") нагнетания, а на другой стороне внутренней стенкой (9, 9', 9"), проходящей в окружном направлении, перегородками (7, 7', 7") и аксиально выполненным сегментом торцевой стенки (5) образованы сегментообразные выемки (15, 15', 15").
3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что выемки (15, 15', 15") укреплены или подперты.
4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что камеры (11, 11', 11", 12, 12', 12") нагнетания с торцевой стороны закрыты расположенным на торцевой стенке (5) материалом.
5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что материал выполнен в виде подогнанной к форме статора уплотнительной шайбы (14).
6. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что уплотнительная шайба (14) жестко соединена со стаканом (19).
7. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что камеры (11, 11', 11", 12, 12', 12") нагнетания с торцевой стороны закрыты напыленным на торцевую стенку (5) полимерным материалом.
8. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в роторе (6) расположен элемент (16) для ограничения угла регулировки, который вставлен в соответствующую кулису (17).
9. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что стакан (19) изготовлен из листовой заготовки с помощью глубокой вытяжки.
10. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что выемки (15, 15', 15") на обращенной от торцевой стенки (5) стороне закрыты фланцами (20), причем фланцы (20) являются частью статора (4).
11. Двигатель по п.10, отличающийся тем, что фланцы (20) имеют отверстия (21) для установки крепежных средств.
