CN104271900A - 用于可变气门正时系统的转子和包括该转子的vvt系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于可变气门正时系统的转子体，包括含正面、背面和叶片尖端的主体，该主体由纤维增强聚合物材料制成，含(轴向)孔且由金属制成的中心部，和由非增强聚合物材料制成的、在叶片尖端和正面及背面的密封元件。本发明还涉及包含转子和定子(定子在凸轮轴容纳转子)组件的可变气门正时系统，其中，转子是如上所述的转子体，其中，在孔中容纳凸轮轴的端部和/或固定元件，并且用固定元件将转子固定在凸轮轴的端部。

Description

用于可变气门正时系统的转子和包括该转子的VVT系统
技术领域
本申请涉及包括转子和定子(定子用于容纳在凸轮轴上的转子)的组件的可变气门正时(VVT)系统，也涉及在VVT系统中使用的转子。
背景技术
在内燃机中，可变气门正时(VVT)，也被称为可气门变定时相位或者可变气门驱动(VVA)，是用于描述能改变内燃机内阀门升程运动的形状或正时的任何机制或者方法的广义术语。VVT允许在内燃机运行时改变进气阀和/或排气阀的升起、持续时间或者定时(以各种组合)。二冲程发动机使用功率阀系统来获得与VVT相似的结果。达到与VVT相似结果的方法有多种，范围从机械装置到电动液压系统和无凸轮系统。在这种情况下，我们关注基于凸轮轴的VVT系统，更具体地用在汽车产业中的VVT系统。
VVT系统中的元件，转子(也被成为内转子或者驱动元件)和定子(也被成为驱动轮)通常有复杂的形状。转子体通常包括具有叶片的主体、传输油或者气的通道和用于安装到凸轮轴的中心孔。定子可以由多个部件组成，例如定子外壳和针对正面及背面的盖。因为定子外壳通常具有复杂形状，定子外壳可以是分开的部件，或者与正面盖或者背面盖成为一体。转子的主体包括用于与正面盖接合的正面和用于与背面盖接合的背面。叶片与定子外壳结合限定定子外壳内的可变油压腔或者气压腔，且叶片具有与定子外壳接合的叶片尖端。通道允许油或者气从一个压力腔传输到其他压力腔。
到目前为止，汽车产业中使用的转子部件和定子部件由金属制成。这些部件的生产和处理非常昂贵，尤其是考虑到这些部件的复杂形状和鉴于油泄露而的对尺寸精度的极度高的要求。而且，在汽车产业中针对重量的减轻有很多关注。因此，在金属部件转换为塑料部件方面存在兴趣。然而，在该应用中使用塑料部件制造了很多问题。对于凸轮轴上的组件和油密封功能，需要高机械载荷。由于塑料材料的热膨胀中的差异，且必然与金属结合，尺寸配合变差，这将导致实际使用时漏油以及VVT系统内压力传递不足。进一步地，必须将高转矩从VVT系统传递到凸轮轴，这涉及高机械载荷和机械力。聚合物材料在支撑机械载荷方面通常不好。
发明内容
本发明的目的是提供用于VVT系统的转子体，其中上述问题至少部分被解决。
利用根据本发明的转子体来实现该目标，其中转子体包括：
由纤维增强聚合物材料制成的主体；
中心部，包括从转子体的正面到背面的(轴向)孔，孔用于容纳凸轮轴或者螺栓以固定到凸轮轴上，中心部由金属制成；
用于与定子外壳接合的、在叶片尖端的动态密封元件(i)；和
在正面和背面的用于与正面盖和背面盖接合的动态密封元件(ii)；
其中动态密封元件(i)和(ii)由非增强塑料材料制成，
以及其中，金属中心部包括突出到纤维增强聚合物材料中的突起和/或由纤维增强材料填充的孔。
根据本发明的转子体的效果不仅仅是转子体可以更容易地被制造、与由金属制造的转子体相比重量更轻、创建转子体和定子组件之间的密封，而且还有尺寸精度不那么重要，在转子体被装配到凸轮轴上时转子体可以被牢牢固定，并且在大范围温度内保持良好密封性能而不承受用于固定的高机械载荷以及温度变化引起的尺寸变化。作为在塑料体上减小的机械载荷的结果，转子和定子间的摩擦和磨损更少。引起定子和转子之间在运行期间最小化的油泄露，实现连续密封油路以便系统能传输油并且有效运行。另外一个优点是从转子到凸轮轴的载荷传递更有效，以及在VVT系统中转子的功能使用时间期间，载荷传递的效率和载荷传递的正时准确性被保持的更久。
具有孔的中心部对于塑料转子体以及扭矩传递到凸轮轴的作用是关键的，这是因为中心部作为挤压限制结构并且作为转子和凸轮轴之间的第一传递元件而起作用。中心部以非常可靠的方式作用于凸轮轴上的转子的固定和对齐，承受用于固定的高载荷而塑料主体不变形或者不蠕变，与此同时允许在整个温度范围内的所需的密封功能。中心部必须能够承受用于组装到凸轮轴上的、来自固定元件的预载荷。固定元件可以是螺栓。合适地，中心部被设计为能够经受或者承受至少50Kn的螺栓预载荷，或者类似的替代载荷。这可以通过，例如增加中心部在横向相对于孔的中心轴的尺寸来实现。
金属中心部的形状可以不同，例如具有圆柱外表面和圆柱孔的柱状体。孔还可以有其他形状，优选地与待容纳的凸轮轴的一端的形状相关联。如果孔不得不容纳螺栓，那么形状优选为圆柱形。金属中心部适当地包括具有差不多是圆柱形的外表面的、被成型为差不多是圆柱的主体，或者甚至是具有圆柱形外表面的圆柱形主体。
在具体实施例中，金属中心部适当地包括具有外表面和在外表面上的突起的被成型的主体，突起突出进入由纤维增强聚合物材料制成的主体。该实施例不仅具有来自转子的载荷更有效地传递到凸轮轴的优点，还具有以下优点：在VVT系统内转子的功能寿命期间，载荷传递的效率和载荷传递的正时准确性保持的更长久。
或者，金属中心部适当地包括在被成型主体中的在外表面上的孔。当利用纤维增强材料进行包覆成型(overmould)时，这些孔被纤维增强材料填充满，从而增加载荷从转子传递到凸轮轴的有效性和效率，以及在VVT系统内转子的功能寿命期间，载荷传递的效率和载荷传递的正时准确性保持的更长久。突起和孔可以具有任何合适的形状，例如卷曲(curl)、狭槽，只要这些形状确保中心部更有效的连接到塑料转子体中。
适当地，中心部具有从转子正面到背面的中心轴，突起在与中心部中心轴大致平行的表面上延伸。适当地，突起具有指状截面形状，截面垂直于中心轴。
突起的数量可以不同，例如2、5、10、15、20或者25，和它们之间的任何整数或者更大的整数。在优选实施例中，中心部具有至少4个突起，更优选地至少8个突起。更多突起的优点是转子可以承受更高的扭转载荷。
在本发明的优选实施例中，通过联锁元件将塑料体和金属中心部彼此固定。适当地，金属中心部上的突起具有带联锁能力的形状，例如突起在其内部有孔，或者突起是具有底切的肋条的形式。通过联锁元件将塑料体和金属中心部彼此固定的优点是，不仅限制塑料体相对于凸轮轴的角位移，还减少施加径向移动引起的离心力时的径向位移。
中心部由机器加工的金属、铸造的金属或者烧结的金属适当地制成。
中心部能通过任何合适的方法被安装到根据本发明的转子体中，例如通过压入配合、或者通过在中心部周围的聚合物材料的压制成型或者注射成型。优选地，具体在中心部在外表面上具有带联锁能力的孔或者突起的情形中，中心部通过在中心部周围的聚合物材料的注射成型被安装到转子体中。
主体含有的纤维增强聚合物成分可以是任何具有良好机械性能以及在广泛温度范围内具有高模量的纤维增强聚合物成分。适当地，主体由可注射成型纤维增强热塑性或者热固性聚合物材料制成。
在纤维增强成分旁边，可注射成型纤维增强热塑性聚合物材料包括热塑性聚合物。
在纤维增强成分旁边，可注射成型纤维增强热固性聚合物材料包括热固性聚合物。
适当地，纤维增强成分是，例如玻璃纤维或者碳。
由于可以使用热塑性聚合物，例如，热塑性聚酰胺或者热塑性聚酯，优选地是热塑性聚酰胺。
适合的热固性聚合物的例子是热固性不饱和聚合物。
基于VVT系统的尺寸形状和应用，可能发生塑料转子不得不能够承受非常高的扭转载荷。例如可能发生将100N-mm的扭转载荷或者“叶片压力”施加到每个叶片元件上。某些聚合物，例如来自DSM工程塑料公司(荷兰)的Stanyl TW241F12可以安全承受这个量的扭转。
在叶片尖端上的密封元件(i)和在根据本发明的转子体的正面和背面上的密封元件(ii)，以及下面还要描述的密封元件(iii)，可以由任何适合于动态密封目的的非纤维增强聚合物材料制成。适当地，材料包括非纤维增强热塑性聚合物或者橡胶材料。优选地，这种动态密封材料具有良好的耐油和耐温性，例如聚酰胺基材料、PTFE基材料、PTFE改性聚合物材料。适合的聚酰胺基材料的例子是来自DSM工程塑料公司(荷兰)的Stanyl TW341。在具体实施例中，所用的材料是PTFE改性聚酰胺基材料。
为了定位密封元件并且更好地保持密封性能，密封元件(i)有益地包括叶片尖端处的开口。类似地，密封元件(ii)有益地包括分别在正面和背面的槽。槽可以具有任何适于容纳密封元件(ii)的形状。
转子体包括用于从一个油腔到其他油腔传输油或者气的通道。可以通过二次机械加工操作构造这种通道，例如钻孔、镗孔或者切削孔，这是因为塑料比金属部分更容易加工。可替换地，在注射成型过程使用具有滑动元件的模腔制造这种通道。
在优选实施例中，通道由位于主体的正面和背面处的表面上的主体中的通道构成，其中，通道被动态密封元件(iii)覆盖。由于在表面上，这些通道不仅在流动方向是打开的，而且在表面的边上也是打开的。通过覆盖有动态密封元件(iii)，关闭表面的边上的打开部分，因此仅允许在预定流动方向上的油或者气传输。可以通过正常发动机油压或者通过使用金属或塑料弹簧或者通过它们的组合来致动动态密封元件。通道可以具有任何形状，例如槽状或者窄缝状，或者其他形状，也可以具有，例如三角形、四边形、或者半圆形或者半椭圆形截面。
根据本发明的具有动态油密封装置的塑料VVT转子具有能够使油循环通道被模制在转子体的正表面和背表面中，因此消除所有二次机械加工操作，例如钻孔、镗孔和切削孔。这不仅大大减少加工成本，还造成与可比较的转子相比更好的机械性能。
在根据本发明的转子体的具体实施例中，
a.中心金属部包括圆柱状体，圆柱状体具有圆柱外表面和在圆柱外表面上、突出到由纤维增强聚合物材料制成的主体中的突起；以及
b.用于油或者气传输的通道由位于主体的正面和背面处的表面上的主体中的通道构成，其中，通道被动态密封元件(iii)覆盖。
优点是转子体可以承受更高的扭转载荷。
本发明还涉及可变气门正时(VVT)系统。根据本发明的VVT系统包括转子和在凸轮轴上容纳转子的定子的组件，其中转子是根据本发明的转子体，或者上述任何具体的或者优选的实施例中的转子体，或者其结合，该转子体至少包括：
-含正面、背面和叶片尖端的主体，主体由纤维增强聚合物材料制成，
-由金属制成的含(轴向)孔的中心部，和
-由非增强聚合物材料制成的、在叶片尖端和正面及背面的密封元件，
其中，在孔中容纳凸轮轴的端部和/或固定元件，并且用固定元件将转子固定在凸轮轴的端部。适当地，固定元件是螺栓或者类似构件，而固定预载荷可以最少是50Kn。
VVT系统的优点是如上所述的针对根据本发明的转子体的优点，如上所述的具体或者优选实施例中的优点。
附图说明
利用下图进一步阐述本发明。
图1是根据本发明的用于可变气门正时系统的转子体的主体的示意性正视图(a)和示意性三维视图(b)。
图2是根据本发明的用于可变气门正时系统的转子体的中心部的示意性俯视图(a)和示意性三维视图(b)。
图3是根据本发明的用于可变气门正时系统的转子体的主体和装配在主体中的中心部的示意性三维视图。
-与正面盖和背面盖接合的在正面和背面的动态密封元件(ii)
图4是根据本发明的用于可变气门正时系统的转子体的主体和转子体的动态密封元件的示意性三维视图。
图5是根据本发明的用于可变气门正时系统的动态密封元件的示意性俯视图(a)和示意性仰视图(b)。
具体实施方式
图1(a)和(b)分别示出了根据本发明的用于可变气门正时系统的转子体的主体(1)的示意性正视图和示意性三维视图。主体(1)包括用于容纳或者包含中心部的中心腔(2)，该中心部包括孔；叶片(3)，用于容纳或者包含与定子外壳接合的动态密封元件(i)的在叶片尖端的开口(4)，在正面且用于容纳与正面盖接合的动态密封元件(ii)的槽(5)，和在一侧(6，a)及另一侧(6，b)表面上的用于油或者气传输的通道(6)。主体(1)还有用于容纳与背面盖接合的动态密封元件(ii)的在背面(不可见)的槽。主体(1)由纤维增强聚合物材料制成。
图2(a)和(b)分别示出了用于根据本发明可变气门正时系统的转子体的包含轴向孔(12)的中心部(10)的示意性正视图和示意性三维视图。中心部(10)包括具有圆柱外表面和在该圆柱外表面上的突起(13)的圆柱状体(11)。突起可以突出到由纤维增强聚合物材料制成的主体(1)中。包括轴向孔(12)的中心部(10)由金属制成。
图3示出了主体(1)和装配在主体(1)中的中心部(10)的示意性三维视图，代表了用于根据本发明可变气门正时系统的转子体的实施例。
图4示出了用于根据本发明可变气门正时系统的转子体的主体(1)和动态密封元件(15)的示意性三维视图。动态密封元件可以与主体的一侧相接合。在图中未显示转子体有与主体另一侧相接合的类似的第二动态密封元件。主体(1)在顶部和底部具有通道(6)，和具有槽(5)的叶片(3)。动态密封元件(15)有将与叶片相接合的部分(16)，该部分(16)具有将被槽(5)容纳的边缘(19)。动态密封元件(15)还有将与通道(6)相接合的部分(17)，该部分(17)具有将被通道(6)容纳的边缘(18)。
图5示出了用于根据本发明可变气门正时系统的动态密封元件的示意性俯视图(a)和仰视图(b)。动态密封元件(15)具有将与叶片相接合的部分(16)和将与主体中的通道(6)相接合的部分(17)。动态密封元件具有将被通道(6)容纳的边缘(18)和将被主体(1)中的槽(5)容纳的边缘(19)。

Claims (11)

1.一种用于发动机的可变气门正时系统的转子体，所述转子体包括主体，所述主体包括
正面和背面，所述正面用于与正面盖接合，所述背面用于与背面盖接合，
叶片，所述叶片用于界定定子外壳内的可变油压腔或者气压腔，并且具有用于与所述定子外壳相接合的叶片尖端，
通道，所述通道用于从一个压力腔到其他压力腔的油或者气传输，以及
中心部，所述中心部包括从所述正面到所述背面的(轴向)孔，所述孔用于容纳凸轮轴或者螺栓以固定到所述凸轮轴上，
其中，
所述主体由纤维增强聚合物材料构成，以及
所述中心部包括由金属制成的所述轴向孔，
所述转子体包括
在所述叶片尖端的用于与所述定子外壳接合的动态密封元件(i)，和
在所述正面和所述背面的用于与所述正面盖和所述背面盖接合的动态密封元件(ii)，
其中所述动态密封元件(i)和(ii)由非增强塑料材料制成，
以及其中，金属的中心部包括突出到所述纤维增强聚合物材料中的突起和/或由纤维增强材料填充的孔。
2.根据权利要求1所述的转子体，其中所述中心部由机器加工的金属、铸造的金属或者烧结的金属制成。
3.根据权利要求1所述的转子体，其中中心金属部包括圆柱状体，所述圆柱状体具有圆柱外表面和在所述圆柱外表面上、突出到由所述纤维增强聚合物材料制成的所述主体中的突起。
4.根据权利要求1所述的转子体，其中所述中心部通过压入配合、或者通过在所述中心部周围的聚合物材料的压制成型或者注射成型被安装到所述转子体内。
5.根据权利要求1所述的转子体，其中所述主体由可注射成型纤维增强热塑性或者热固性聚合物材料制成。
6.根据权利要求1所述的转子体，其中所述密封元件(i)和(ii)由工程聚合物、PTFE聚合物或者PTFE改性聚合物制成。
7.根据权利要求1所述的转子体，其中所述密封元件(i)包括在所述叶片尖端的开口。
8.根据权利要求1所述的转子体，其中所述密封元件(ii)包括分别进入到所述正面和所述背面的槽。
9.根据权利要求1所述的转子体，其中用于油或者气传输的所述通道由位于所述主体的所述正面和所述背面处的表面上的所述主体中的通道构成，其中，所述通道被动态密封元件(iii)覆盖。
10.根据权利要求1所述的转子体，其中
a.中心金属部包括圆柱状体，所述圆柱状体具有圆柱外表面和在所述圆柱外表面上、突出到由所述纤维增强聚合物材料制成的所述主体中的突起；和
b.用于油或者气传输的所述通道由位于所述主体的所述正面和所述背面处的表面上的所述主体中的通道构成，其中，所述通道被动态密封元件(iii)覆盖。
11.一种包括转子和定子的组件的可变气门正时系统，所述定子在凸轮轴上容纳所述转子，其中所述转子是根据权利要求1所述的转子体，所述转子体包括主体、中心部和密封元件，所述主体包括正面、背面和叶片尖端，所述主体由纤维增强聚合物材料制成，所述中心部包括(轴向)孔且由金属制成，所述密封元件由非增强聚合物材料制成且位于叶片尖端和所述正面及所述背面，其中，所述孔中容纳所述凸轮轴的端部和/或固定元件，并且用所述固定元件将所述转子固定在所述凸轮轴的端部。
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