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

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.