CN1292845A - 用于轴相位调整的调整装置 - Google Patents

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Abstract

用于轴相位调整的调整装置(1),尤其用于凸轮轴(2)调整,该轴由传动轴,尤其是曲轴通过传动装置与至少一个位于一轴上的传动轮(6’)处于转动,调整装置(1)为根据轨道原理的回转活塞设备。这个装置相对与轴(2)调整传动轮(6’)的转动位置。回转活塞设备包括一个带有内啮合齿(5a)的定子(5)、一个带有啮合于定子(5a)内啮合齿上的外啮合齿(4a)的环状回转活塞(4)、一个使回转活塞(4)转动的传动部件(3)和一个阀门装置(8—12)。为了控制回转活塞运动,阀门装置(8—12)可以通过供流体装置的高压或低压连接定子(5)与回转活塞(4)之间的工作室(7)的旋转区域。供流体装置包括控制、转动位置检定和至少一个控制阀并可以通过相应的阀门操纵实现给定转动位置的调整。流体对调整装置的连接通过两个环状转动接头(14a,14b)实现。

Description

用于轴相位调整的调整装置
本发明涉及权利要求1前序部分所述的用于轴相位调整的调整装置，尤其是用于凸轮轴相位调整的调整装置。
内燃机、尤其是活塞式内燃机的阀门通过凸轮轴来控制。凸轮轴通过驱动轴或曲轴经传动装置而旋转。为了使阀门的打开时刻和关闭时刻能够与各实际功率输出和／或发动机转数相匹配，传动装置带有调整器用于调整凸轮轴旋转对准的相位。这种调整器能够对进气阀和／或排气阀的控制时间按需求施加影响，使得可以首先改变所谓的阀门提升曲线的交叉。目前这种转角调整器主要应用于进气阀凸轮轴。但是同时也越来越多地应用于排气阀凸轮轴的旋转调整。
调整器最好位于由链条或齿带驱动的凸轮轴轮与凸轮轴之间。但是对应于各传动装置在必要时也可以采用其它调整器布置，例如在驱动轴与驱动轴轮之间。驱动轴与驱动轴轮之间的相对转角可以在给定的范围内变化。优选0°-30°的凸轮轴扭转范围已经足够。对于四冲程发动机，其凸轮轴以曲轴的一半转数旋转，该范围相当于曲轴的扭转范围0°-60°。如果两个凸轮轴可以同时调整时，则使用双重可变凸轮轴控制(Doppel Vanos)。这使发动机的转矩曲线更加丰满并这样使混合处理最佳化，使废气中的有害物质减少。
调整器的任务在于，通过凸轮轴的从“滞后”到“提前”或者相反来调整阀门升程的开始和结束。这一点必须通过大的发动机转数范围来实现。调整最好是无级和自动地实现。正确调整的优点是：在低转数和中转数范围输出更多的转矩，在怠速时排出更少的未燃烧剩余气体，改善怠速，更少的有害气体排放，在较低转数下实现内部的废气再循环，更快的催化剂加热和冷启动以后更微少的粗排放(Rohemission)，在热循环中对于混合物匹配的特殊功能，降低动力消耗和更微小的发动机噪声。
本发明具体说涉及由液压控制的调整器。必要时调整器由附加的液压泵供油。但是供油最好应该通过发动机的润滑油泵来满足，这是特别廉价而有利于使用的。
通过阀门操纵，凸轮轴经受到强烈的转矩波动，传动装置必需承受这种波动。理想的调整器应该能够在足够短的时间内建立起不取决于作用在凸轮轴上转矩的所期望的转角调整并能够保持住。为此调整器的工作能力以及调整功率必须相应强大。当通过润滑油泵供油时在高油温和发动机低转数情况下由于提供的油压低而产生泵的问题。期望得到快的调整速度。必需的供油压力和供油量应该尽可能地低。同时结构尺寸应该这样小，使得不必在发动机上进行大的结构变化。调整器最好在径向上位于凸轮轴轮内部而在轴向上很短。
公知的调整器利用轴向作用的液压活塞来轴向调整联轴器。联轴器包括内斜齿啮合和外斜齿啮合，其中两个齿啮合由逆向导程构成。联轴器的外齿啮合啮合在与凸轮轴轮固定连接的内齿啮合上而联轴器的内齿啮合啮合在与凸轮轴固定连接的齿啮合上。通过轴向调整联轴器实现凸轮轴轮与凸轮轴之间的转角调整。调整范围受到轴向结构长度的限制。如果加大倾斜角度，就必需在所传递的调整扭矩相同的情况下来加大工作活塞，这又导致更大的活塞直径。由此也使强制运动所必需的齿隙更加起作用，这将由于凸轮轴周期性变化的转矩而导致所不期望的噪声和加快磨损。在最大转矩期间使液压活塞工作的油流可能流向错误的方向，尤其是当低发动机转数情况下工作油压低于来自凸轮轴转矩的节流压力的时候。用这种方法将降低调整速度和定位精度。如果要避免这些，就必需明显加大油泵尺寸。这将导致更大的能量损失，尤其是在高发动机转数情况下。逆向斜齿啮合的另一个缺点是其昂贵的加工费用。
另一种公知的调整器由所谓的翼片调整器构成。外壳体部件与凸轮轴轮固定连接并在径向上包围向中心凸起的区域，该区域将环室分成多个分环室。翼片从固定在凸轮轴上的轴部件上径向向外突进分环室。这些翼片侧向及径向向外紧靠在分环室边缘上，由此实现回转活塞系统。通过在所有翼片的一侧输入油而在所有翼片的另一侧排出油可以实现外壳体与轴部件之间的扭转。通过半径与工作压力乘积在翼片表面的积分来确定传递转矩和调整转矩。在圆周上设置的翼片越多，在给定油压下产生的转矩越大。但是同时在较多翼片的情况下最大调整角度变小，因为在圆周方向上的结构空间受到限制。
在发动机起动的时候，有时也在油温较高的时候，润滑油泵的油压对于要在调整器上产生大于最大凸轮轴转矩的转矩来说太低。凸轮轴转矩峰值调整调整器的转动位置直至翼片紧靠在分室边缘上。由于凸轮轴转矩在正负最大值之间振荡，调整器在油压太低时偏离所期望的转动位置而在两个转动方向上交变直至翼片靠接。这将导致太强烈的磨损和太不舒服的噪声。为了防止这种所不期望的效果，例如使用制动元件，该元件在低油压时阻尼振荡运动。
为了调整和保持转动位置，供油阀、转动位置检定和控制系统这样来构成，使理论位置偏差通过相应的阀门操纵来修正。这种回转活塞调整器所必需的油压和相应的泄漏油耗是高的，因为全部压力还必需用于调整后转动位置的保持和传递凸轮轴转矩。对应于在两个转动方向上出现的最大凸轮轴转矩在回转活塞系统的工作室里产生高的峰值。当关闭供油阀时，这种高节流压力将仅以这种方式产生干扰，即产生相应的高泄漏损耗。当调整相位打开调整阀门时油可能会在转矩峰值期间流向错误方向，因为尤其是在较低发动机转数时控制油压低于节流压力。用这种方式降低调整速度和位置精度，使得在这种发动机上油泵尺寸必需较大。这将导致较高的能量损失，尤其是在高发动机转数时。
本发明的任务在于，提供一种调整器，该调整器在转矩作用于轴的情况下，尤其是在从阀门到凸轮轴传递转矩的情况下也可以实现所期望的角度调整。其工作能力以及调整功率在低控制流体压力情况下也应该尽可能地强大。同时结构尺寸和制造费用应该小。
这个任务通过权利要求1的特征而解决。从属的权利要求描述了可替换的或优选的实施例变化。
在这个任务的解决方案中可知，根据轨道原理的静压回转活塞设备也能够以低的控制油压实现必需的调整功率。这种设备至少包括一个定子、一个转子或回转活塞、一个传动部件和一个阀门装置，阀门装置以高压或低压连接定子与转子之间的工作室的旋转区域。定子的内啮合齿数最好比回转活塞的外啮合齿数多1。回转活塞设备的各部件可以以较低费用制造，尤其是通过烧结工艺制造。环状的设备部件和工作室仅需很小的空间。按照本发明的调整器最好直接设置在凸轮轴与凸轮轴轮之间，其中尤其是凸轮轴轮直接成形于定子，使得仅需非常小的附加结构空间。
另一个优点在于，可以在轴与位于轴上的轴轮之间实现任意大的转动位置变化或扭转。通过由回转活塞设备或液压马达构成转动位置调整器，其中回转活塞设备带有两个环状旋转接头用于输入和排出压力流体，该调整器可以承担包括例如对于凸轮轴所必需的调整任务以外的另一种应用，即驱动任务。这表明，按照本发明的调整器不仅可以作为对准单元或位置单元使用而且还可以作为旋转轴上运动单元使用。在一般情况下为了调整轴的相位和／或旋转速度，该轴由驱动轴通过传动装置与至少一个位于轴上的传动轮一起转动，则相对于轴的转动位置或传动轮的旋转速度通过压力流体来改变，压力流体可以通过两个环状旋转接头输入或排出。为了进行操纵供油装置包括控制、转动位置以及转动速度检定和至少一个控制阀门，以使理论转动位置以及速度或加速度的调整可以通过相应的阀门操纵而实现。
如果仅在给定的角度范围内可调整凸轮轴的相位，则首先需要在低流体压力或油压的情况下也有足够大的驱动转矩。在这种情况下最好配备回转活塞设备，其中从回转活塞到传动部件的转动传动以1∶1的传动比实现。回转活塞设备的阀门装置包括最好与传动部件一起旋转的、尤其是成形于其上的、均分在圆周上的径向第一和第二阀门通道，这些通道与径向均布在圆周上的定子通道的连接域共同作用。定子通道的外连接部位在定子内啮合齿的齿间注入工作室。第一以及第二阀门通道的数量与定子通道的数量各差1，使定子通道的内连接部位在第一个圆周部分上与第一阀门通道连接而在第二圆周部分上与第二阀门通道连接。第一阀门通道通过传动部件上的内环通道连接在环状旋转接头上而第二阀门通道通过传动部件与回转活塞之间的自由空间和传动部件上的外连接通道连接在另一个环状旋转接头上。
为了在回转活塞与传动部件之间实现1∶1的传动比，必需在以围绕传动部件轴的旋转偏心度运动的回转活塞与传动部件之间形成力传递。按照CH676490，力以及转矩传递例如可以通过万向轴实现。但是这将在轴向上导致长的结构长度。另一个在CH676490中提及的传动装置包括带有螺栓的联轴器，螺栓一部分在适配的孔里面而另一部分在比螺栓直径大两倍偏心值的孔里面。这种螺栓传递在轴向上也导致增加的结构长度。按照CH676490一种短结构长度的优选方案在回转活塞上包括内啮合齿而在传动部件上包括外啮合齿。为了保证在由回转活塞驱动传动部件的情况下传动部件的旋转轴可以位置固定，配备带有齿廓的共同作用齿，齿廓适配于上述的偏心度。
现在要指出，对于在回转活塞与传动部件之间通过内啮合齿和外啮合齿进行的转动传递能够实现定子与传动部件之间的自锁作用。这意味着作用于传动部件上的转矩通过回转活塞传递到定子。因为回转活塞实际上是不可转动的，这就涉及到基本上形状连接地转矩传递，这种转矩传递尤其通过改变齿廓接近三角形还可以更加提高。因此调整器可以仅通过油压输入调整其转角位置，而不是通过从外部的转矩传递。因此可以保证，凸轮轴的高转矩峰值不会在液压系统的工作室导致高的节流压力而且对于一般传动无需转矩传递的支撑压力，即使在没有角度调整的传动。在不受调整的相位期间基本上不会出现油泄漏流，泄漏流将导致小的一般的油扩散。此外在不受调整的相位期间储能器以压力油加载，这使调整相位处于供使用状态。由此将降低从油压泵所必需的压力油量，这将降低对泵的要求和其相应的消耗功率。
为了调整凸轮轴相位，调整器最好设置在凸轮轴上，但是必要时设置在驱动轴或附加的传递轴上。
优选的调整器以高压液压系统中公知的高转矩-液压马达的轨道原理工作。由此得到特别高的工作能力。转动位置调整无级地实现并且没有角度限制。由于相互适配的齿形和在优选实施例中形成的自锁，因而不产生撞击噪声。此外按照本发明的调整器制造简便并且仅需较少部件。
对于上面提及的和在下面根据示例将要描述的实施例带有传动部件，该部件可以以回转活塞的转数围绕固定轴转动并且特别包括一个阀门装置的控制部件，这也涉及到可以使用优选的、慢转液压马达的解决方案。不言而喻的是，这种慢转液压马达也可以由固定设置的传动部件和旋转的定子构成。此外可以放弃旋转接头。慢转的、尤其是设置在轴上的液压马达例如可以有利地用来作为机床上的驱动。
下面根据实施例的图例来解释本发明。图示为
图1沿着凸轮轴轴线通过固定在凸轮轴上的调整器的垂直截面图
图2图1中的E-E垂直截面图
图3图1中的D-D垂直截面图
图4图1中的C-C垂直截面图
图5带有调整器的凸轮轴端部视图。
图1所示的调整器1设置在凸轮轴2的自由端上。调整器1由回转活塞设备构成并至少包括一个传动部件3，一个回转活塞4和一个定子5。定子5的外啮合齿6构成凸轮轴轮6′，该轮在必要时也可以作为分离部件固定在定子5上。通过回转活塞4围绕一个围绕凸轮轴轴线2a转动的偏心轴的旋转运动实现定子5与传动部件3之间的扭转。为了驱动这个回转活塞的转动必需有针对性地将压力流体或压力油输送到定子5与回转活塞4之间的工作室7的一部分并从工作室7的另一部分让流体排出。工作室7按照图2成形于定子内啮合齿5a与回转活塞外啮合齿4a之间。定子内啮合齿5a的齿数最好为12而回转活塞外啮合齿4a的齿数为11。回转活塞的转动通过半圆周上的工作室7的供流体条件下的扩张和另一半圆周上工作室7的对应缩小而实现。为了控制供油或者说旋转地以高压或低压连接工作室7，使得产生所期望的回转活塞运动，要配备阀门装置。
阀门装置包括以回转活塞4转数旋转的(图3)和与定子5固定连接的(图4)通道系统。因为所示实施例的旋转通道系统成形于传动部件3上，按照图2传动部件3最好通过传动部件的外啮合齿3a和回转活塞的内啮合齿4b的共同作用而处于旋转。从回转活塞4到传动部件3的转动传递以1∶1的转数比实现，为此传动部件外啮合齿3a的齿数与回转活塞内啮合齿4b的齿数相同。此外在图示实施例中回转活塞外啮合齿4a的齿数也与回转活塞内啮合齿4b的齿数相同。阀门装置包括与传动部件3一起旋转的、最好成形于传动部件上的、均布在圆周上的径向第一阀门通道8和第二阀门通道9，这两个通道与径向均布在圆周上的定子通道11的内连接部位10共同作用，定子通道的定子5的内啮合齿5a的齿间外连接部位12注入到工作室。第一以及第二阀门通道8，9的数量与定子通道11的数量各差一个通道，使定子通道11的内连接部位10在第一圆周部分上与第一阀门通道8连接而在第二圆周部分上与第二阀门通道9连接。定子通道11的内连接部位和外连接部位10，12设计为通过与定子5固定连接的控制板19的孔。定子通道11最好由外定子封闭盖板20上的凹穴构成。
第一阀门通道8通过传动部件3和凸轮轴2上的内环通道13以及至少第一径向孔15a连接在环状第一旋转接头14a上。第二阀门通道9通过传动部件3与回转活塞4之间的自由空间16、传动部件3上的外连接通道17和凸轮轴2上的径向孔15b连接在第二环状旋转接头14b上。在旋转接头14a和14b的轴向两侧构成容纳密封元件的环槽18。
定子壳体包括外定子封闭盖板20、控制板19、定子5和内定子封闭盖板21。定子壳体由螺栓22固定在一起。回转活塞4在轴向上与控制板19的内壁和内定子封闭盖板21的内壁滑动接触。定子壳体在轴向上可转动地固定在传动部件3上。传动部件3抗扭转地与凸轮轴2连接，其中固定旋紧在凸轮轴2上的轴向设置的螺栓部件23最好透穿传动接合部件24和传动部件3。在螺栓部件23与传动部件3之间构成内环通道13。定子壳体可转动地固定在传动接合部件24与传动部件3之间的环槽里并通过密封单元25对外密封。为了构成内定子封闭盖板21的转动导向和密封，在传动部件与凸轮轴端部之间设置导向环26。
为了在使用中将转动位置调整限定在给定角度范围上，最好在传动接合部件24与外定子封闭盖板20之间构成旋转区域边界。这包括例如两个径向向外凸出的接合部件止挡面27，它们对于各定子止挡面28这样配置，使调整只能在给定的转角范围内进行。通过在外定子封闭盖板20上设置旋转区域边界可以通过简单的视觉检查显而易见地知道凸轮轴在哪个转动位置。
带有内啮合齿的定子5和／或回转活塞4和／或传动部件3和／或定子封闭盖板20，21最好通过粉末冶金工艺制造。必要时回转活塞4使用塑料材料。为了减轻重量必要时在回转活塞4上构成轴向空心29。

Claims (13)

1．用于轴相位调整的调整装置(1)，尤其用于凸轮轴(2)的调整，该轴由驱动轴，尤其是曲轴通过传动装置与至少一个位于一轴上的传动轮(6′)处于转动，其中调整装置可以通过压力流体相对于轴(2)调整传动轮(6′)的转动位置，压力流体可以通过两个环状旋转接头(14a，14b)输入和排出，带有控制、转动位置检定和至少一个控制阀的供流体装置可以通过相应的阀门操纵实现给定转动位置的调整，其特征为，调整装置(1)为根据轨道原理的回转活塞设备，该设备包括带有一个内啮合齿(5a)的定子(5)、一个带有啮合于定子(5a)内啮合齿上的外啮合齿(4a)的环状回转活塞(4)、一个使回转活塞(4)转动的传动部件(3)和一个阀门装置(8-12)，为了控制回转活塞运动，阀门装置可以通过供流体装置的高压或低压连接定子(5)与回转活塞(4)之间的工作室(7)的旋转区域。
2．如权利要求1的调整装置(1)，其特征为，定子(5a)的内啮合齿齿数比回转活塞(4a)的外啮合齿齿数多1。
3．如权利要求1或2的调整装置，其特征为，回转活塞(4)对传动部件(3)的回转传动以1∶1的转数比实现而带有传动部件(3)的阀门装置(8-12)包括旋转的、优选成形于传动部件上的、均布在圆周上的径向第一和第二阀门通道(8，9)，这两个通道与径向均布在圆周上的定子通道(11)的内连接部位(10)共同起作用，这两个通道在定子(5a)内啮合齿的齿间外连接部位(12)注入工作室(7)，其中第一或第二阀门通道(8，9)的数量与定子通道(11)的数量各差一个通道，使定子通道(11)的内连接部位(10)在第一圆周部分与第一阀门通道(8)连接而在第二圆周部分与第二阀门通道(9)连接。
4．如权利要求3的调整装置，其特征为，第一阀门通道(8)通过传动部件(3)上的内环形通道(13)连接到环状旋转接头(14b)而第二阀门通道(9)通过传动部件(3)与回转活塞(4)之间的自由空间(16)和传动部件(3)上的外连接通道(17)连接到另一个环状旋转接头(14a)。
5．如权利要求3或4的调整装置，其特征为，定子通道(11)的内和外连接部位(10，12)成形于与定子(5)固定连接的控制板(19)上而定子通道(11)最好由定子封闭盖板(20)上的凹穴构成。
6．如权利要求1至5之一的调整装置，其特征为，传动部件(3a)的外啮合齿啮合在回转活塞(4b)的内啮合齿上，其中齿数和／或齿形最好这样选择，使传动部件(3)与定子(5)之间的旋转连接自锁，使各转动位置在缺少压力流体和在定子(5)与传动部件(3)之间出现高转矩的情况下也基本形状连接地可靠保持。
7．如权利要求6的调整装置，其特征为，回转活塞(4a，4b)的两个齿啮合具有相同的齿数，其中齿数最好为11而定子(5a)的内啮合齿齿数为12。
8．如权利要求1至7之一的调整装置，其特征为，为了减轻重量在回转活塞(4)上形成空心(29)。
9．如权利要求1至8之一的调整装置，其特征为，带有内啮合齿(5a)的定子部件和／或回转活塞(4)和／或传动部件(3)和／或定子封闭盖板(20，21)通过粉末冶金工艺加工制造。
10．如权利要求1至9之一的调整装置，其特征为，回转活塞(4)由塑料加工制造。
11．如权利要求1至10之一的调整装置，其特征为，传动部件(3)可以抗扭转地与凸轮轴(2)连接，其中固定旋紧在凸轮轴(2)上的轴向设置的螺栓部件(23)最好通过传动接合部件(24)和传动部件(3)，其中定子(5)特别固定在传动接合部件(24)与传动部件(3)之间的环槽里而且在必要时由四个通过螺栓固定在一起的部件组成，即第一和第二定子封闭盖板(20，21)、控制板(19)和啮合部件(5)。
12．如权利要求11的调整装置，其特征为，在传动接合部件(24)与定子封闭盖板(20)之间构成旋转区域边界，在形状上最好为两个径向上向外凸出的接合部件止挡面(27)，这些止挡面分别配属于定子止挡面(28)，使得只能在给定的转角范围内调整。
13．如权利要求1至12之一的调整装置，其特征为，传动轮(6’)固定在定子(5)上，尤其是直接固定在定子上，其中传动轮(6′)最好是链啮合或齿带啮合。
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