CN102762821A - 经烧结的定子-盖单元和凸轮轴调节器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于凸轮轴调节器（31）的定子-盖单元（1），其单件式地由烧结材料制成，包括定子（3）和锁定盖（5），锁定盖具有用于抗相对转动地锁定转子（33）的滑槽（17），其中，烧结材料至少在滑槽（17）的区域中具有400HV至850HV的维氏硬度。此外本发明涉及带有这类具有前述特性的定子-盖单元（1）的凸轮轴调节器（31），在该定子-盖单元中定位有具有一定数量的径向向外延伸的转子叶片（35）的转子（33）。定子-盖单元（1）制造简单。对于滑槽（17）而言可以取消单独的插入件。

Description

经烧结的定子-盖单元和凸轮轴调节器

技术领域

本发明涉及一种用于凸轮轴调节器的定子-盖单元，包括定子和锁定盖，锁定盖具有滑槽以抗相对转动地锁定转子。此外本发明涉及一种带有这种定子-盖单元的凸轮轴调节器。定子-盖单元通常使用在凸轮轴调节器中，以便在运行中支持内燃机的气门控制。

背景技术

前述类型的定子-盖单元作为当前常用的构件使用在针对车辆的较为新型的内燃机中。定子-盖单元是凸轮轴调节器的部件。它用于操纵凸轮轴或者说安置在凸轮轴上的凸轮。通过凸轮可以操纵在内燃机中的换气气门。通过凸轮的布置和形状，可以有针对性地确定换气气门的控制时间。气门开启时间通过凸轮轴调节器的适配允许了内燃机的效率提高。这尤其作为功率增益起作用或起到燃料节省的作用。出于这个原因，在这个领域上始终追求进一步的改善。

凸轮轴调节器通常由定子、锁定盖、定位在定子中的转子以及密封盖构成。定子在装入状态下抗相对转动地与曲轴连接，反之，转子则抗相对转动地与凸轮轴连接。定子通常构造有至少一个叶片止挡面，转子叶片在装入状态下被停止在该叶片止挡面上。总体上，通过使用凸轮轴调节器使得凸轮轴相对定子在预先确定的角区域内的有针对性的转动成为可能。因此凸轮相对曲轴的相位位置可以在一定的界限的内部被改变。

为了尤其在马达启动时或空转时能将定子和转子保持在最佳的定位中，通常在锁定盖内部置入滑槽。该滑槽用于抗相对转动地锁定转子，其中，活塞嵌入到滑槽中，从而定子-盖单元形状锁合地与转子机械地连接。与之对应地是在锁定状态下很高的力作用到滑槽上。

在US6,311,654B1中公开了一种带有前述类型的定子-盖单元的凸轮轴调节器。该定子-盖单元多件式地制成，其中，定子与构造成密封板的锁定盖通过螺栓连接。转子插入到定子-盖单元中。定子和转子可以通过嵌入到滑槽内的活塞相互固定。滑槽作为呈环形的凹部在锁定盖的壳体底部中置入。在锁定盖制造后，呈锥形逐渐变细的环作为单独的插入件被压入该凹部中。活塞可以嵌入到该环中，以便将定子与转子锁定。

但在这种定子-盖单元中，缺陷在于相对高的制成消耗和安装消耗。通过插入件可以确保必要的硬度和稳定度以将转子和定子锁定。

发明内容

因此本发明的第一个任务是，说明一种经改善的定子-盖单元，其相比现有技术可以成本低廉且以减小的消耗来制成，而不会在此使其功能性变糟。

本发明的第二个任务是说明一种带有相应的定子-盖单元的凸轮轴调节器。

按照本发明，第一个任务通过带有按权利要求1的特征组合的定子-盖单元来解决。

因此，针对凸轮轴调节器的定子-盖单元单件式地由烧结材料制成并且作为结构单元包括定子和锁定盖。用于抗相对转动地锁定转子的滑槽置入到锁定盖中。在此情况下设置，烧结材料至少在滑槽的区域中具有在400HV和850HV之间的维氏硬度。

在此情况下，本发明尤其考虑到了定子-盖单元在装入状态下作为凸轮轴调节器的部件必须承受的提高的负载。尤其在滑槽的区域内，定子-盖单元必须构造有适当的硬度，因为这个区域用作受负载的功能面，在这个功能面上活塞为了将转子与定子机械地锁定而嵌入。

鉴于此，通常将单独的插入件置入锁定盖中，这些插入件的特征在于所需要的硬度。为了容纳插入件必须将凹部置入到锁定盖中，这通常以切屑的方式发生。为了锁定机构的功能，必须进一步建立起插入件、转子和定子相互间的几何尺寸的关系。为此，尤其是附属于滑槽的叶片止挡面必须经受切屑式的后加工过程。由于该附加的过程，引起了在制成时的上升的安装成本。插入件额外带有较宽的公差。

为了克服这些缺陷，本发明认识到，通过使用单件式地由烧结材料制成的定子-盖单元并结合在滑槽区域内的相应硬的功能面给出如下可能性，即，无需额外的无论是在制成方面还是成本方面的消耗来制造定子-盖单元。烧结材料的使用提供了使用容易去处理的且经过实践证明的、用于制造的方法的可能性。

定子-盖单元的基本材料是烧结材料，该烧结材料至少在滑槽的区域内具有在400HV和850HV之间的硬度。为了制造构件，在此情况下将粉末质量块预压成所谓的坯体，坯体然后通过在熔融温度之下的热处理来压缩和完全硬化。用于构件的烧结材料可以相应于对构件的要求来选择。为此，可以例如添加附加的合金组分。

烧结的构件的硬度原则上由烧结材料给出。在此情况下，整个定子-盖单元可以在制造后基本上在每个部位上都具有相同的硬度。但借助温度处理可以为合适的材料进行后硬化。尤其可以局部地进行后硬化。特别是在滑槽的区域中，亦即在基于转子和定子的机械锁定的高负载作用的部位上设置有在400HV和850HV之间的维氏硬度。硬度通常可以被限定为机械阻力，材料用这种阻力对抗较硬的检验本体的机械的侵入。按维氏的硬度测量同样地如薄壁的或经表面硬化的工件和边缘带的硬度检验那样通常用于检验硬的以及均匀构建的材料。在此情况下，将相同侧面的具有敞开角136°的棱锥金刚石（Diamantpyramide）在固定的检验力下压入工件中。由残留的压痕的对角线的借助显微镜确定的长度计算出压痕表面积。检验力与压痕表面积的比例在与因子（0.1891）相乘时得出了维氏硬度（HV）。

所选择的在400HV和850HV之间的硬度范围提供了至少在滑槽的区域内这样来构造定子-盖单元的可能性，即，定子-盖单元持久地承受住这种负载。在那里尤其不再出现不期望的变形。另一方面，该硬度足够小，因此材料不是易碎的或不会变得易碎以及不会在负载下可能地断裂。

基于单件式的制成，定子-盖单元的制造被缩短且成本被降低，因为尤其是取消了用于将定子与锁定盖连接的附加的附着器件或安装步骤。附加地，将构件公差保持得很小。因为每个制成过程仅具有有限的制成精度，所以每个制成的构件与所期望的几何尺寸具有很小的偏差。通过多级的制成方法，单个构件的几何尺寸上的偏差累加且总的误差变大。因此在单件式制成时仅考虑惟一的构件，亦即定子-盖单元的公差或误差。与之相反的是，在将单独的定子和单独的锁定盖聚集在一起时产生对于定子-盖单元而言的较大的误差。

定子可以有不同的几何尺寸。几何尺寸尤其依赖于凸轮轴的大小，因为需要定子用于该凸轮轴的操纵。定子与锁定盖尤其以经组合的定子-盖单元的形式连接。定子可以构造有一定数量的腹板，这些腹板安置在定子的内壁上并且径向向内延伸。在腹板之间可以定位转子的叶片，从而各在叶片的外侧上产生用于借助液压液体加载的压力腔。

锁定盖在一侧上界限了定子-盖单元的压力腔或者说内部空间。锁定盖因而用于压力腔的密封以及防止了液压液体的不受控地流出。通过锁定盖与定子的单件式制成，在用油加载内部空间时确保了很高的密封性。

如开头所述，滑槽用于定子和转子的锁定，从而使得定子和转子被保持在尤其是针对内燃机的启动或空转最佳的定位中。滑槽在腔的内部或者说压力腔的内部构造成在锁定盖内的凹座的形式。滑槽的定位在此尤其由制造过程确定。滑槽必须处在锁定游隙（Verriegelungspiel）的内部，因此活塞可以嵌入到凹座内。定子-盖单元的叶片止挡面以及锁定滑槽的后加工不是必需的。由此不产生额外的误差。以此方式使关于叶片止挡面和滑槽之间的间距的公差链保持不受影响。

倘若材料本身的硬度在定子-盖单元借助烧结制成后不够，那么在烧结时所制造的成形件原则上也可以事后被硬化。这尤其在使用烧结钢时是可行的。在此情况下，原则上可以将整个定子-盖单元或仅一部分硬化。因此有利的是，烧结材料是烧结钢，其至少在滑槽的区域内硬化。烧结钢尤其基于简单的加工和处理而值得推荐。可硬化的材料提供了这样制造定子-盖单元的可能性，即，包含在锁定盖中的滑槽具有所需的稳定性并且因而附加地不需要额外的插入件。

原则上其主要成分是铁且其碳含量在0.01%和2.06%之间的金属合金被称为钢。通过用碳和另外的合金元素的合金化并且结合热处理和热机械处理可以对钢进行修正并且因而可以用于宽广的应用领域。碳含量越低，钢就可以变形得越强烈，反之，随着增高的碳含量，钢就变得坚硬，但也更脆。通过在钢内的过高的碳含量，钢例如会折断。与之相应地有必要的是，使用一种材料，该材料基于其碳含量既不会太软也不会太脆。可硬化的钢应当含有至少0.2%的碳。优选地，烧结钢与之相应地具有在0.2和1.0质量%之间的碳含量。在这个范围内，钢可以硬化并且尽管如此不会有断裂的风险或变得易碎。

通过烧结钢的硬化，经过有针对性地改变和转化其组织结构获得了其机械阻力性能的提高。硬化可以例如通过具有紧接着快速的冷却的热处理进行。在此情况下，人们区分了各种硬化方法，例如转变硬化、析出硬化或冷作硬化，它们可以各依赖于当前的构件以及所期望的结果被应用。

在本发明的特别有利的设计方案中，碳含量在0.4和0.8质量%之间。在这种值的情况下，所需的硬度和抗断强度之间的比例特别有利。在此情况下尤其期望的是，给出定子-盖单元的强度以及专门地给出锁定盖在功能面上，亦即在滑槽区域内的硬度，以便可以确保对于锁定而言的所需的稳定性。

优选地，烧结钢具有在6.6g/cm³和7.3g/cm³之间的范围内的密度。该密度尤其由烧结钢的碳含量得出。碳含量越大，材料的密度也就越高。密度可以附加地也通过合金组分来影响，这些合金组分例如在烧结前被添加给材料。

相宜地，烧结钢还附加地含有含量小于5质量%的镍和/或含量小于1质量%的钼以及不可避免的污染物的残留物。尤其设置有供应商ML烧结方案杜塞多夫的相应于DIN 30910-4的品名为Sint D11的烧结钢。但原则上可以考虑每种相应于所提出的要求的烧结材料或烧结钢。

在本发明的有利的设计方案中，定子具有一定数量的径向向内延伸的腹板，其中至少一个腹板构造有叶片止挡面。通过腹板在定子内部形成了压力腔，转子的叶片在装入状态下定位在这些压力腔中。至少一个腹板在此情况下具有叶片止挡面，叶片止挡在叶片止挡面上，从而转子或者说其叶片被停止并且因而确定了凸轮轴的定位。总体上可以构造一个或多个带有叶片止挡面的腹板。定子的其它的、其壁没有构造成叶片止挡面的腹板然后主要用于界限腔或者说压力腔。

有利地，锁定盖在腹板的区域内具有下沉的凹部，这些凹部各作为环形区段沿周边方向从腹板离开地延伸。这些凹部相比锁定盖的其它的水平下沉并且尤其直接构造在腹板和锁定盖之间的接触部位上。通过这些凹部，可以在制造时在这些部位上保留产生的材料超出高度，例如半径，因为其仅位于锁定盖的下沉的凹部中且由此不具有针对凸轮轴的功能的干扰性作用。凹部的后加工不再是必需的。凹部可以成本中立地在烧结构件上由此构造，即，凹部已经在成形工具内被考虑。

优选地，各自的环形区段沿周边方向从腹板离开地延伸最大直至转子叶片的宽度。由此可以在转子的装入状态下尤其是防止了在各在叶片的右侧和左侧的压力腔之间的短路。在这样选择的尺寸下，不会有油从一个压力腔越过叶片流入第二个压力腔中并且由此在每个时间点上都可靠地确保了凸轮轴调节器的功能。

为了确保凸轮轴的功能性，凹部沿径向方向基本上具有如腹板那样的相同的径向长度。通过这种设计方案，沿径向方向直至够到定子或者说定子-盖单元的内壁上的转子叶片可以在每个部位上，不考虑可能的材料超出高度地实施其运动。

通过仅在腹板的区域内或者说尤其在叶片止挡面的区域内构造凹部保留地确保了定子-盖单元的足够的稳定性。尤其在锁定盖的径向向内联接腹板的、在定子-盖单元的装入状态下包围凸轮轴的那部分中，将材料厚度相应于要求地保留。

在本发明的特别有利的设计方案中，腹板、尤其是叶片止挡面各通过半径过渡到凹部中。换句话说，半径被有意保留。这些半径如已经提到的那样处在凹部的内部并且不伸出锁定盖的水平。与之相应的是，这些半径不具有对定子-盖单元的功能的不利的影响并且可以确保凸轮轴调节器的无摩擦的运行。通过半径和它们的进行加强的作用，可以有效提高定子-盖单元的稳定性进而耐久性。

优选地，与滑槽相邻的凹部直至进入滑槽中地延伸。这种设计方案尤其用于活塞的液压解锁。因为在锁定盖内已经存在凹部，所以这些凹部可以用于用油对由滑槽形成的压力空间进行加载。在内燃机启动时，在压力空间内构建压力。在锁定状态下将定子-盖单元牢固保持在转子叶片上的活塞被压高。定子和转子之间的连接解除。为了用油填充滑槽由此已经利用了凹部的一部分。由此取消了附加的加工步骤，如事后置入单独的槽，并且可以节省额外的成本。

按照本发明，本发明的第二个任务通过带有按权利要求14的特征组合的凸轮轴调节器来解决。

因此，凸轮轴调节器包括相应于前述设计方案的定子-盖单元，在该定子-盖单元中定位有带有一定数量的径向向外延伸的转子叶片的转子。

在凸轮轴调节器中，转子安置在定子-盖单元中。转子抗相对转动地与凸轮轴连接并且通过定子的运动而被转动。径向向外延伸的转子叶片在装入状态下处在由定子的径向向内延伸的腹板来界限的腔之间。这些腔由转子叶片被划分成两个压力腔。转子尤其在其基体内具有油通道，用于液压运行凸轮轴调节器的油可以通过这些油通道被泵入定子-盖单元的压力腔中。通过转子相对定子的扭转，可以控制凸轮轴或者说凸轮的相位位置进而控制马达中的气门的开启时间。转子的可能的扭转角尤其依赖于压力腔的大小，同样依赖于叶片的宽度或者说两者彼此间的比例。

优选地，转子叶片的宽度至少相应于凹部沿周边方向的大小。由此不会有油不期望地通过凹部从一个压力腔进入第二个压力腔中并且因而导致压力腔之间的短路。

其它有利的设计方案在从属权利要求中，其中，针对定子-盖单元所提到的优点有意义地可以传递给凸轮轴调节器。

附图说明

接下来借助附图详细阐述本发明的实施例。在此：

图1以俯视图示出了定子-盖单元；

图2以三维图示出了按图1的定子-盖单元；

图3以俯视图示出了带有按图1和图2的定子-盖单元和已装入的转子的凸轮轴调节器。

在单个实施例中的相同的组件随后获得同一个附图标记。

具体实施方式

图1以俯视图示出了带有定子3和锁定盖5的定子-盖单元1。也被称为所谓的定子罐的定子-盖单元1单件式地借助烧结方法制成。由此除了简单的制造外还确保了定子-盖单元1的密封性以及减少了误差公差。后加工同样不再有必要或仅在小范围内有必要。定子-盖单元1可以抗相对转动地与由曲轴驱动的驱动轮连接，这在图1中并未示出。

定子-盖单元1作为构件通过烧结由烧结钢Sint D11制成。该烧结钢具有0.6质量%的碳含量以及6.8g/cm³的密度。定子-盖单元1在滑槽17的区域中通过温度处理局部硬化且在那里具有500HV5的维氏硬度。定子-盖单元1或者说在滑槽17区域中的材料既不在负载时有断裂的风险也不会变形。

定子3形成了四个腔7，这些腔通过径向向内延伸的腹板9相互分离。定子3的腹板9中的两个或者说各自的腹板壁构造为叶片止挡面11。图1中未示出的转子的叶片可以止挡在叶片止挡面11上以及由此确定凸轮轴的定位。

在锁定盖5中已经在制造定子-盖单元1时在腹板9的区域中置入凹部15。这些凹部15各构造成环形区段16的形式。它们各沿周边方向从腹板9离开地延伸。

在这些凹部15中可以存在有在图1中看不到的在制造时出现的半径，而不会妨碍或限制定子-盖单元1的功能性。这些半径并不突伸超过锁定盖5的水平，从而它们不会干扰转子叶片的运动。出于这个原因，在制造时出现的半径可以保留在凹部15中，由此除了减小制造成本和消耗外提高了定子-盖单元1的稳定性和耐久性。

定子-盖单元1具有圆形的凹座19形式的滑槽17。凹座19与凹部15相邻地置入。在图1中未示出的活塞可以嵌入到凹座19中，该活塞用于抗相对转动地将定子3与转子锁定。转子当前看不到，但可以在图3中看到。

槽21从凹座19导引直至凹部15。槽21构造成凹部15的部分并且同样在制成定子-盖单元1的框架内已经置入。油可以通过这个槽21由凹部15被按压至活塞下方。槽21由此用于滑槽17的用油的供给，以便抬高活塞以及由此使得转子的液压式解锁成为可能。

在图2中以三维图形式可以看出按图1的定子-盖单元1，带有定子3和锁定盖5。现在可以清楚看到处在锁定盖5中的凹部15。明显可以看到凹部15作为沿周边方向从腹板9离开地延伸的环形区段的构造。凹部15在腹板9和锁定盖5之间的接触部位上置入并且在径向方向上具有如腹板9那样的相同的长度。这确保了在径向方向上直至够到定子-盖单元1的内壁上的转子叶片在任何部位上都不会由于材料突出高度而在其运动中受到阻碍。可能地在制造过程期间保留的半径无干扰地保留在凹部15中并且附加地稳定化定子-盖单元1。

图3示出了带有按图1和图2的定子-盖单元1的凸轮轴调节器31。在定子-盖单元1中使用带有四个叶片35的转子33。转子33的叶片35各处在腔7中。该腔被叶片35分离成两个单个的压力腔37、39或液压区域，它们然后各处在叶片35的右侧或者说左侧。为清楚起见，压力腔7仅以腔7的形式示出，在该腔中在腹板9上也构造有叶片止挡面11。转子33具有油通道，用于用油加载压力腔37、39，其中，这些通道无法看到，因为它们处在转子33的本体的内部。

腹板9或者说定子3的腹板壁允许了转子33的受界限的转动角。转子33的叶片35在确定的定位中由于止挡在构造为叶片止挡面11的腹板壁上而停止。在图3中构造有带有各一个叶片止挡面11的两个腹板9。两个叶片止挡面处在腔7的内部，从而转子叶片35可以止挡在腔7的两侧上。

叶片35沿周边方向设计得比凹部15更宽。通过这种尺寸设计，防止了在液压区域37、39之间，亦即在腔7的相互分离的区域之间发生油的交换。由于这种所谓的短路，就无法确保凸轮轴调节器31的正确的功能。

在转子33的叶片35中置入有孔41。在图3中未示出的活塞在锁定定位中通过该孔41嵌接到锁定盖5中的滑槽17内。因此转子33可以被保持在所设置的定位中。

为了解锁，在内燃机启动时，通过槽21在滑槽17内构建压力。由此使在锁定状态下在转子33的叶片35上牢固保持定子-盖单元1的活塞被抬升以及转子33可以以确定的调节角运动。

附图标记列表

1     定子-盖单元

3     定子

5     锁定盖

7     腔

9     腹板

11    叶片止挡面

15    凹部

16    环形区段

17    滑槽

19    凹座

21    槽

31    凸轮轴调节器

33    转子

35    叶片

37    压力腔

39    压力腔

41    孔

Claims (15)

1.用于凸轮轴调节器（31）的定子-盖单元（1），所述定子-盖单元单件式地由烧结材料制成，包括定子（3）和锁定盖（5），所述锁定盖具有用于抗相对转动地锁定转子（33）的滑槽（17），其中，所述烧结材料至少在所述滑槽（17）的区域中具有400HV至850HV的维氏硬度。

2.按权利要求1所述的定子-盖单元（1），其中，所述烧结材料是烧结钢，所述烧结钢至少在所述滑槽（17）的范围内硬化。

3.按权利要求2所述的定子-盖单元（1），其中，所述烧结钢具有0.2质量%至1.0质量%的碳含量。

4.按权利要求3所述的定子-盖单元（1），其中，碳含量为0.4质量%至0.8质量%。

5.按权利要求2至4之一所述的定子-盖单元（1），其中，所述烧结钢包括1质量%至5质量%的铜含量。

6.按权利要求2至5之一所述的定子-盖单元（1），其中，所述烧结钢具有在6.6g/cm³至7.3g/cm³的范围内的密度。

7.按权利要求2至6之一所述的定子-盖单元（1），其中，所述烧结钢附加地包含含量小于5质量%的镍和/或含量小于1质量%的钼。

8.按前述权利要求之一所述的定子-盖单元（1），其中，所述定子（3）具有一定数量的径向向内延伸的腹板（9），这些腹板中的至少一个腹板（9）构造有叶片止挡面（11）。

9.按权利要求8所述的定子-盖单元（1），其中，所述锁定盖（5）在所述腹板（9）的区域内具有下沉的凹部（15），这些凹部各自作为环形区段（16）沿周边方向从腹板（9）离开地延伸。

10.按权利要求9所述的定子-盖单元（1），其中，各个所述环形区段（16）从所述腹板（9）离开地延伸，沿周边方向最大至转子叶片（35）的宽度。

11.按权利要求9或10所述的定子-盖单元（1），其中，所述凹部（15）在径向方向上基本上具有与所述腹板（9）相同的径向长度。

12.按权利要求9至11之一所述的定子-盖单元（1），其中，所述腹板（9）各自通过半径过渡到所述凹部（15）中。

13.按权利要求9至12之一所述的定子-盖单元（1），其中，与所述滑槽（17）相邻的所述凹部（15）延伸直至进入所述滑槽（17）中。

14.带有按权利要求1至13之一所述的定子-盖单元（1）的凸轮轴调节器（31），在所述定子-盖单元中定位有转子（33），该转子具有一定数量的径向向外延伸的转子叶片（35）。

15.按权利要求14所述的凸轮轴调节器（1），其中，转子叶片（35）的宽度至少相应于凹部（15）在周边方向上的宽度。

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