ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ УГЛА ПОВОРОТА РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО ВАЛА ОТНОСИТЕЛЬНО КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА (ВАРИАНТЫ)
INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH HYDRAULIC DEVICE FOR ADJUSTMENT OF CAMSHAFT TURN ANGLE RELATIVE TO CRANKSHAFT (VERSIONS)

Изобретение касается двигателя внутреннего сгорания с гидравлическим устройством для регулирования угла поворота распределительного вала относительно коленчатого вала, содержащего ротор с расположенными на нем лопастями, который соединен без возможности поворота с распределительным валом, статор, снабженный с торца торцовой стенкой, который соединен без возможности поворота с ведущим колесом, приводимым в движение от коленчатого вала, причем с обеих сторон лопастей предусмотрены напорные камеры, ограниченные соответственно поперечными стенками и внутренними, а также внешними проходящими в окружном направлении и концентрично друг к другу стенками статора и имеющие возможность заполнения через гидравлическую систему рабочей жидкостью или опорожнения от нее.
Из DE 10134320 А1 известен двигатель внутреннего сгорания с соответствующим типом гидравлического устройства для регулирования угла поворота распределительного вала относительно коленчатого вала, которое может изменять фазовое положение распределительного вала относительно коленчатого вала. Это устройство состоит из ротора и статора, первый из которых выполнен как колесо с лопастями, охватывающее распределительный вал и вращающееся синхронно с ним. Статор герметично закрыт с одной стороны торцовой стенкой, которая может быть частью окружающего статор корпуса, а с другой стороны - ведущим колесом. Он охватывает ротор и вращается синхронно с ведущим колесом, приводимым в движение от коленчатого вала. Поперечные стенки, проходящие по существу радиально, в статоре позволяют только ограниченный угол поворота ротора и образуют с ним несколько напорных камер, которые могут нагружаться под давлением гидравлической жидкостью или опорожняться.
Недостатком этого известного устройства, однако, является то, что отдельные детали устройства состоят преимущественно из стали или железа и изготовлены спеканием или обработкой резанием. Отсюда следует:
1) большая масса устройства для регулирования угла поворота,
2) высокая стоимость изготовления из-за затрат на обработку резанием при изготовлении спеченных деталей,
3) нежелательное просачивание масла через пористые спеченные детали.
Так как в порошковой металлургии тонкие толщины стенок проблематичны, в частности, в связи с флюктуациями толщины в отношении распределения» плотности, а также прочности и жесткости, то в дальнейшем комплексное формование с различными уровнями наполнения часто может быть реализовано только с помощью дорогих шиберных затворов в инструменте, поэтому существующие до сих пор устройства для регулирования угла поворота изготовлены чаще всего из относительно тяжелых и массивных деталей. Для устройств, изготовленных обработкой резанием, имеется похожая проблема; сложное в соответствии с нагрузкой формование связано с большими затратами на обработку резанием.
Предложение по уменьшению массы устройства для регулирования угла поворота может быть, например, взято из DE 10148687 A1 или DE 10134320 A1, в которых детали устройства изготовлены из алюминия или алюминиевого сплава или из другого легкого металла. Недостаток этого в том, что из-за различных коэффициентов теплового расширения при нагреве могут увеличиться зазоры и в связи с этим может иметь место сильное просачивание. Кроме того, при равных размерах алюминий деформируется под нагрузкой сильнее, чем сталь или железо. В частности, если отдельные детали стянуты друг с другом болтами крепления к корпусу, соответствующие большие зазоры должны допускать деформацию. Болты крепления к корпусу представляют собой повышенное усложнение конструкции, что вызывает большие расходы и к тому же влечет за собой неоптимальный силовой поток для устройства.
Поэтому в основе изобретения лежит задача сконструировать устройство для регулирования угла поворота распределительного вала относительно коленчатого вала для двигателя внутреннего сгорания таким образом, чтобы, с одной стороны, уменьшить массу устройства при одновременной минимизации протечек, с другой стороны.
Согласно изобретению задача решена в устройстве для двигателя внутреннего сгорания с признаками ограничительной части пункта 1 формулы изобретения посредством того, что существенные детали статора, в частности его поперечные стенки и его внутренние, а также внешние стенки, а также, при необходимости, корпус с расположенной в нем возможной уплотнительной шайбой выполнены в виде листовых деталей, изготовленных без обработки резанием. Само собой разумеется, вместо листа можно также использовать полосу, причем в дальнейшем лист употребляется как общее понятие для листа или полосы.
Массивные спеченные детали в качестве образующих напорные камеры узлов со стороны привода заменяются тонкостенными деталями, образованными листовыми или обработанными давлением листовыми деталями. Так как в результате этого необходимо будет меньше изготавливать спеченных деталей, сокращаются затраты на обработку резанием и уменьшается просачивание масла ввиду отсутствия пористых спеченных деталей.
Для того чтобы устройство, несмотря на свою низкую массу, имело большую жесткость и высокую допускаемую нагрузку, эти листовые детали могут быть локально, вдоль направления приложения нагрузки, идеально согласованы с нагрузкой за счет формования (формовки), желобчатой гибки или соответствующего профилирования без необходимости общей большой толщины стенок и в связи с этим без необходимости примиряться с большой массой. По сравнению со снижением массы посредством применения легких металлов, как, например, предложено в DE 10134320 A1, это имеет то преимущество, что коэффициент теплового расширения всех деталей остается одинаковым и таким образом не может возникнуть негерметичность из-за термического эффекта.
Статор состоит из проходящих в окружном направлении внутренних и внешних стенок и из поперечных стенок. Поперечные стенки соединяют соответственно два конца смежных внутренних и наружных проходящих в окружном направлении стенок и проходят по существу радиально. Для некоторых вариантов статора выгодно, если поперечные стенки проходят не точно радиально, а имеют определенный угол с радиальным направлением или выполнены не гладкими, а с углублениями, чтобы препятствовать, например, заклиниванию лопастей в их крайних положениях.
Так как статор изготовлен из тонкостенного листа, он не так стабилен по форме, как известный из уровня техники статор из спеченного материала. Существует возможность благодаря возможностям соединения материалов замыканием прикреплять статор непосредственно к передающим момент компонентам. Чтобы достичь изгибной прочности и предела прочности при сжатии, сравнимым с таковыми у статора из спеченного материала, статор может быть вставлен в охватывающий его корпус (Фиг.2а), соединенный с ведущим колесом посредством технологий соединения посредством обработки давлением или, соответственно, посредством общеизвестных технологий силового, геометрического, фрикционного замыкания материала, таких как накатка, отбортовка, сварка, чеканка, клепка, склейка, или посредством изогнутых стопорных носков. Корпус воспринимает тогда соединение статора с ведущим колесом как узел, передающий момент и радиальную нагрузку, и как уплотнение. Это препятствует также возникновению на статоре колебаний из-за внесенных радиальных сил.
Корпус уплотняет статор на торцевой стороне и образует там торцовую стенку. Если стенки статора не образуют с торцовой стенкой прямой угол, уплотнение напорных камер не обеспечивается полностью. Чтобы уменьшить потери на протечки, уплотнительную шайбу предпочтительно располагать непосредственно перед торцовой стенкой так, чтобы после соединения торцовой стенки со статором и вставки ротора с лопастями получились прямоугольные напорные камеры. Стабильность корпуса может быть дополнительно повышена, если уплотнительную шайбу жестко соединить с торцовой стенкой. Уплотнительная шайба профилирована преимущественным образом из тонкостенного листа и по величине и форме согласована со статором.
Соединение статора, корпуса и уплотнительной шайбы обеспечивается за счет вышеупомянутых технологий соединения посредством обработки давлением. По сравнению с осевым резьбовым соединением с силовым замыканием снижаются деформации от напряжения сжатия; кроме того, предпочтительным образом отсутствует необходимость в дополнительных деталях и уменьшаются затраты на монтаж.
Целесообразно изготовленные без обработки резанием детали формовать из листовой полосы. При известных условиях, например, у статора необходимо полосу по месту формировать в кольцо, а затем жестко соединять, например, посредством сварки. Изготовление статора и корпуса без обработки резанием, само собой разумеется, не означает, что эти детали не будут дорабатываться резанием, поскольку может потребоваться очень высокая точность.
Вторая возможность повысить изгибную прочность статора и его предел прочности при сжатии состоит в формировании поперечных стенок таким образом, чтобы они могли передавать радиальные и/или тангенциальные усилия (Фиг.3а). Восприятие радиального цепного или, соответственно, ременного усилия может быть осуществлено внутри, между статором и ротором, или снаружи, между распределительным валом и, соответственно, продолжением ротора и цепным колесом, или комбинацией обеих возможностей. При этом особенно предпочтительным является то, что поперечные стенки выполнены не точно радиальными, а расположенными к радиусу под углами в диапазоне от 10 до 30 градусов, благодаря чему лопасти в своих крайних положениях касаются выходящих радиально наружу концов поперечных стенок.
Третьим вариантом осуществления является сформированный в виде трубы статор, поперечные стенки которого выполнены как втянутые внутрь перегородки. За счет остающихся замкнутыми кольцевых поверхностей экономят на корпусе. Благодаря этому еще больше снижается масса. Между кромкой и проходящими радиально стенками можно вложить уплотнительную шайбу и тогда кромка будет герметизироваться и жестко соединяться. В этом варианте кольцевые поверхности воспринимают радиальные усилия и препятствуют вибрации статора.
Чтобы достичь улучшенной пластической деформации, проходящие радиально стенки можно выполнить с открытыми концами, причем тогда для опоры и герметизации в роторе применяют опорные башмаки. Опорные башмаки сформированы и расположены таким образом, что они опираются на поперечные стенки, выполненные как втянутые внутрь перегородки. Они препятствуют этим изгибу поперечных стенок.
Находящиеся между поперечными стенками зоны или полости или выемки торкретируются или облицовываются пластмассой или заполняются вспененным металлом. Вследствие этого повышается жесткость профиля проходящих по существу радиально поперечных стенок и надежно устанавливается хорошая герметизация напорных камер между собой, а также наружу.
Толщина проходящих радиально стенок статора далее может быть уменьшена, если воспрепятствовать тому, чтобы лопасти ротора в своих соответствующих крайних позициях накладывались на радиально проходящие стенки статора и оказывали на них давление. Для этого необходимо ограничение угла регулирования. Это может быть реализовано, например, посредством находящегося в соединении с ротором элемента для ограничения угла регулирования, который входит в соответствующую кулису.
Устройство, выполненное согласно изобретению, также легче, чем устройство, известное из уровня техники, нуждается в меньших затратах на обработку резанием, этим уменьшаются расходы на изготовление, и можно также отказаться от пропитки синтетической смолой или обработки водяным паром для уплотнения теперь больше не нужного спеченного материала.
Далее изобретение поясняется более подробно посредством вариантов осуществления и на чертежах, на которых показано:
Фиг.1 - продольный разрез устройства для регулирования угла поворота, причем выполненный без обработки резанием статор вставлен во внешний корпус,
Фиг.2 - поперечное сечение устройства для регулирования угла поворота,
Фиг.3 - поперечное сечение второго варианта осуществления статора,
Фиг.4а - поперечное сечение третьего варианта осуществления статора,
Фиг.4b - вид в перспективе статора согласно Фиг.4а,
Фиг.5а - поперечное сечение четвертого варианта осуществления статора, наружная кольцевая поверхность которого замкнута,
Фиг.5b - вид в перспективе статора согласно Фиг.5а,
Фиг.6а - вид в перспективе внешней проходящей в окружном направлении стенки и отформованных наружу поперечных стенок пятого варианта осуществления статора,
Фиг.6b - вид в перспективе внешней проходящей в окружном направлении стенки и отформованных внутрь поперечных стенок шестого варианта осуществления статора с опорным башмаком.
На Фиг.1 и 2 видны основные части выполненного как гидравлический сервопривод устройства 1 для регулирования угла поворота распределительного вала 2 относительно коленчатого вала (не показан). Это устройство 1 приводится в действие посредством ведущего колеса 3, которое соединено, например, цепью (не показана) с коленчатым валом. Устройство 1 состоит по существу из жестко соединенного с ведущим колесом 3 статора 4, который герметично закрыт посредством торцовой стенки 5 и ведущего колеса 3, и ротора 6, посредством центрального болта 21 соединенного без возможности поворота с распределительным валом 2, причем ротор 6 выполнен в виде колеса с лопастями. Статор 4 устройства 1 образует посредством поперечных стенок 7, 7', 7'' и проходящих в окружном направлении внешних 8, 8', 8'' и внутренних 9, 9' 9' ' стенок с ротором 6 и его лопастями первые напорные камеры 11, 11', 11'' и вторые напорные камеры 12, 12', 12'', заполненные рабочей жидкостью и осуществляющие регулирование угла между ротором 6 и статором 4. Ротор 6 и статор 4 расположены в одном корпусе 13, который герметизирует снаружи первые 11, 11', 11'' и вторые 12, 12', 12'' напорные камеры. Посредством находящегося в соединении с ротором 6 элемента 16 для ограничения угла регулирования, который входит в соответствующую кулису 17, осуществляется ограничение диапазона регулирования ротора 6, что снижает нагрузку на статор 4.
С целью герметизации напорных камер 11, 11', 11'', 12, 12' 12'' между корпусом 13 и статором 4 вставлена уплотняющая шайба 14, которая соответствует диаметру статора 4.
Поперечные стенки 7, 7', 7'' образованы попарно из круговой стенки цилиндра в виде вытянутых наружу или внутрь перегородок и в представлении на Фиг.2 выполнены не точно радиально, а под углом около 20 градусов, так что лопасти 10 в своих крайних положениях касаются расположенных радиально снаружи концов поперечных стенок 7, 7', 7''. Тем самым увеличивается изгибная прочность и предел прочности при сжатии статора 4 и становится возможной передача радиальных и тангенциальных усилий.
На Фиг.3 показано поперечное сечение второго варианта осуществления статора 4, выполненного в виде трубы. Он образует посредством своих по существу проходящих радиально поперечных стенок 7, 7', 7'' и своих внешних 8, 8', 8'' и внутренних 9, 9', 9'' проходящих в окружном направлении стенок с ротором 6 (не показан) первые 11, 11', 11'' и вторые 12, 12', 12 напорные камеры. Статор 4 расположен в по существу цилиндрическом корпусе 13 таким образом, что корпус 13 и проходящие в окружном направлении внешние стенки 8, 8', 8'' касаются друг друга, благодаря чему повышается жесткость статора 4 и гасятся вибрации, возникающие из-за радиальных усилий. Жесткость может быть увеличена еще больше тем, что полые камеры или соответственно выемки 15, 15', 15", образованные корпусом 13 и статором 4, заполняются, например, металлической пеной. Для того чтобы лопасти 10 не заклинивались в крайних положениях, предпочтительно выполнять проходящие радиально поперечные стенки таким образом, что они имеют, по меньшей мере, одну первую проходящую радиально часть 20, к которой прилегает лопасть, и, по меньшей мере, одну другую часть.
На Фиг.4а и 4b показаны поперечное сечение и вид в перспективе третьего варианта осуществления статора. По сравнению с представленным на Фиг.2 вариантом осуществления этот третий вариант статора жестче по отношению к воздействию радиальных усилий. Особенно предпочтительно то, что поперечные стенки установлены таким образом, что это препятствует раздвиганию под действием радиальных усилий соответствующих смежных поперечных стенок 7, 7' и корпуса 13 (самоторможение).
На Фиг.5а и 5b показаны поперечное сечение и вид в перспективе четвертого варианта осуществления статора 4. Поперечные стенки 7, 7', 7'' выполнены в виде втянутых внутрь перегородок. Они одновременно образуют с проходящими в окружном направлении стенками 8, 8', 8'', 9, 9', 9'' этого статора 4 часть корпуса 13. Особенное преимущество этого варианта в том, что благодаря остающимся замкнутыми кольцевым поверхностям можно сэкономить на круговой наружной стенке 18, корпусе 13, за исключением торцовой стенки 5. В качестве торцовой стенки 5 может использоваться уплотняющая шайба 14 (Фиг.1), которая вставлена в статор с торца и края которой могут быть, например, отбортованы. Из круговой внешней стенки 18 посредством, например, штамповки образуют поперечные стенки 7, 7', которые затем изгибают внутрь. Поперечные стенки 7, 7' благодаря своим открытым концам хорошо пластически деформируются. Они могут быть выполнены так же, как представлено на Фиг.6b, и в этом случае герметизируются опорным башмаком 19.
На Фиг.6а и 6b показан вид в перспективе участка пятого и шестого вариантов осуществления статора 4 и представлены альтернативные выполнения пятого варианта статора 4. Поперечные стенки отогнуты в одном случае внутрь, в другом случае наружу. В этих вариантах статор 4 вставлен поэтому в корпус 13. Поперечные стенки 7, 7' герметизируются, соответственно, опорными башмаками 19 (Фиг.6b). Последние опираются на поперечные стенки 7, 7' и препятствуют деформации из-за внесенных внешних радиальных усилий.
В итоге за счет изготовления конструктивных элементов без обработки резанием, в частности существенных частей статора 4, получается большое снижение массы устройства. У представленных вариантов осуществления статора 4 достигается жесткость, как у устройств, известных из уровня техники. Одновременно уменьшаются потери на просачивание, так как можно отказаться от пористых спеченных деталей или, соответственно, от затрат на обработку их водяным паром или на пропитку их синтетической смолой.