JP2005180434A - 内燃機関用の、クランク軸に対するカム軸の回転角度を調節するためのハイドロリック式の装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関用の、クランク軸に対するカム軸の回転角度を調節するためのハイドロリック式の装置を改良して、装置の質量を減じると同時に、漏れを最小限に抑えることができるようにする。
【解決手段】ステータ（４）、特に該ステータ（４）のウェブ壁（７，７′，７″）と、周方向で延びる外側の壁（８，８′，８″）と、周方向で延びる内側の壁（９，９′，９″）とが、非切削加工により製作される金属帯状材部分または金属薄板部分として形成されているようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関用の、クランク軸に対するカム軸の回転角度を調節するためのハイドロリック式の装置であって、相対回動不能にカム軸に結合されている、羽根を備えたロータと、相対回動不能に、クランク軸により駆動される駆動車に結合されていて、実質的に円筒形の外側輪郭を有していて、少なくとも端面に端壁を備えたステータとが設けられており、羽根の両側に、圧力室が設けられており、該圧力室がそれぞれ、ステータのウェブ壁と、周方向で互いに同心的に延びる内側の壁ならびに外側の壁とにより画定されており、ハイドロリックシステムを介して液圧作動液により圧力負荷可能である、またはこれを抜くことができるようになっている形式のものに関する。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１３４３２０号明細書から、本発明の上位概念を成す、カム軸の回転角度を調節するためのハイドロリック式の装置を備えた内燃機関が公知である。このハイドロリック式の装置はクランク軸に対してカム軸の位相を変化させることができる。この装置はロータおよびステータから成る。ロータは、羽根車として形成されており、カム軸を包囲しており、かつカム軸と同期的に回転する。ステータは一方ではステータを取り巻くハウジングの部分であり得る端壁により、他方では駆動車により圧力媒体密に閉鎖されている。ステータはロータを包囲し、かつクランク軸により駆動される駆動車と同期的に回転する。ステータの、実質的に半径方向で延びるウェブ壁はロータの、制限された回転角度のみを許可し、ロータと相俟って複数の圧力室を形成する。圧力室は液圧作動液により圧力負荷されたり、液圧作動液を抜かれたりすることができる。

しかし、この公知の装置における欠点は、装置の個別部分が主に鋼または鉄から成っており、焼結または切削により製作されている点にある。このことから、以下に挙げる欠点が生じる：
１．回転角度を調節するための装置の高い質量、
２．焼結構成部分の製作時の切削手間による、高い製作コスト、
３．多孔質の焼結構成部分による、望ましくない外的なオイル漏れ。

焼結冶金学における薄い壁厚が、特に壁厚変動との関連で、密度分布ならびに強度および剛性の点で問題の多いものであるだけではなく、種々異なる充填レベルを有する複雑な形状がしばしば、型内の高価なスライダによってのみ実現されるために、従来の、回転角度を調節するための装置は大抵の場合、比較的重くて重厚な構成部分から製作されている。切削加工により製作される装置の場合も、問題点は同じである。複雑な、負荷に適合された形状は高い切削手間につながる。

回転角度を調節するための装置の質量を削減する提案は、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１４８６８７号明細書またはドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１３４３２０号明細書から見て取れる。それによれば、装置の部分はアルミニウムまたはアルミニウム合金または別の軽金属から製作される。このことが有する欠点は、異なる熱膨張係数により、漏れギャップが温度上昇と共に増大することができ、それにより、高い漏れが生じる点にある。さらに、寸法が同じであれば、アルミニウムは負荷下で鋼もしくは鉄よりも強く変形する。特に、個別部分がハウジングねじにより互いに緊締される際に、相応に大きなギャップが変形を許容しなければならない。ハウジングねじは高い製造手間を意味し、それにより、より高いコストを引き起こし、加えて、装置にとって最適とは言い難い力伝達経路を結果として有することになる。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１３４３２０号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１４８６８７号明細書

それゆえ本発明の課題は、内燃機関用の、クランク軸に対するカム軸の回転角度を調節するためのハイドロリック式の装置を改良して、装置の質量を減じると同時に、漏れを最小限に抑えることができるようにすることである。

上記課題を解決した本発明の構成によれば、ステータ、特に該ステータのウェブ壁と、周方向で延びる外側の壁と、周方向で延びる内側の壁とが、非切削加工により製作される金属帯状材部分または金属薄板部分として形成されているようにした。

ステータの主要な部分（特にそのウェブ壁、内側の壁および外側の壁）ならびに場合によってはハウジングが、場合によっては内部に配置されるシールディスクを含めて、非切削加工により製作される金属薄板部分として形成されている。もちろん、金属薄板の代わりに、金属帯状材が使用されてもよい。以下、「金属薄板」を金属薄板または金属帯状材の上位概念として使用する。

それにより、駆動側の、圧力室を形成するユニットとしての、重厚な焼結構成部分は薄壁の金属薄板部分および金属薄板変形加工部分により代替される。それにより、製作されねばならない焼結構成部分が僅かであるので、切削手間の節減および外的なオイル漏れの減少が、多孔質の焼結部分の省略により生ぜしめられる。

装置がその僅かな質量にもかかわらず高い剛性と負荷耐性とを有しているようにするために、この金属薄板は局所的に、負荷方向に沿って、異形成形または適当な成形により、理想的に負荷に適合されることができ、全体的には、大きな壁厚を必要とすることもなければ、高い質量を甘受することもない。例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１３４３２０号明細書に提案されているように、軽金属を使用することで質量を削減する方法に対して、本発明は、全ての構成部分の熱膨張係数が同じままであり、それにより、熱的な効果に基づく非密閉性が生じることがないという利点を有している。

ステータは周方向で延びる内外の壁とウェブ壁とから成る。ウェブ壁はその都度、隣接する、周方向で延びる内外の壁の２つの端部を結合し、かつ実質的に半径方向で延びる。幾つかのステータ変化形にとって見れば、ウェブ壁が正確に半径方向で延びているのではなく、半径方向に対してある一定の角度を有しているか、またはウェブ壁が平らに形成されているのではなく、窪みを有していると、例えば羽根の、その終端位置での引っ掛かりを回避するために有利である。

ステータは、薄壁の金属薄板から製作されているので、背景技術から公知の、焼結されたステータほど形状安定ではない。ステータを直接、素材結合式の結合可能性を介して、モーメントを伝達するコンポーネントに装着する可能性が存在する。ただし、焼結されたステータに匹敵する曲げ剛性および圧縮剛性を得るために、ステータは、ステータを包囲するハウジング内に挿嵌されることができ（図２ａ）、ハウジングは変形加工技術の結合テクノロジもしくは一般的な摩擦力結合式（ｋｒａｆｔｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ：摩擦力による束縛）、形状結合式（ｆｏｒｍｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ：形状による束縛）、素材結合式（ｒｅｉｂｓｔｏｆｆｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ）のテクノロジ、例えばナーリング、フランジング、溶接、コーキン、リベット締め、接着または屈曲した保持ノーズにより駆動車に結合されている。これにより、ハウジングは、モーメントを伝達可能であって半径方向負荷を伝達可能である構成部分として駆動車にステータを結合する役割ならびに封止の役割を請け負う。ステータに、加えられた半径方向力に基づく振動が発生することも防止される。

ハウジングはステータを端面で封止し、そこに端壁を形成する。ステータ壁が端壁に対して直角を成さない場合、圧力室の封止は完全には保証されていない。それゆえ、漏れ損失を回避するために、シールディスクを直接端壁手前に配置することが有利である。その結果、端壁をステータに結合し、羽根を備えたロータを挿嵌した後には、直角の圧力室が形成される。シールディスクを固く端壁に結合すると、ハウジングの安定性は付加的に向上させられることができる。シールディスクは有利には薄壁の金属薄板から成形されており、ステータの大きさおよび形状に適合されている。

部分、すなわちステータ、ハウジングおよびシールディスクの保持は上に述べた変形加工技術の結合テクノロジにより保証される。軸方向での摩擦力結合式のねじ結合に対して、圧縮ひずみ変形が減じられる。さらに、有利には、付加的な構成部分が必要とされず、組立手間が減じられる。

非切削加工により製作される部分を金属薄板ストリップから成形することは有利である。場合によっては、ステータの場合のように、ある箇所でストリップはリングに成形され、その後、例えば溶接により固く結合されねばならない。もちろん、ステータおよびハウジングの非切削加工による製作は、極めて高い精度が必要である限りにおいて、これらの部分を切削加工により後加工することがないことを意味するものではない。

ステータの曲げ剛性および圧縮剛性を高める第２の可能性は、ウェブ壁を、半径方向力および／または周方向力を伝達することができるように形成することである（図３ａ）。半径方向のチェーン力もしくはベルト力の支持は、内的にステータとロータとの間で実施されるか、外的にカム軸もしくはロータの延長部とチェーン車（スプロケット）の間で実施されるか、または両可能性の組み合わせから実施されることができる。その際、ウェブ壁を正確に半径方向で形成するのではなく、半径方向に対して１０゜〜３０゜の範囲で傾けることが特に有利であると判っている。その結果、羽根はその終端位置で、半径方向外側に位置するウェブ壁端部に接触する。

第３の構成では、管状のステータのウェブ壁が、引き込まれたウェブとして形成されている。残りの、閉じたリング面により、ハウジングは省略される。これにより、質量がさらに減じられる。縁部と、半径方向で延びる壁との間には、シールディスクが装填され、その後で縁部が封止され、かつ固く結合されることができる。この構成では、リング面が半径方向力を受容し、ステータの振動を防止する。

より良好な変形加工可能性を得るために、半径方向で延びる壁が、開いた端部として形成されていてもよい。この場合、ロータの支承および封止のために、滑動片が使用される。滑動片は、引き込まれたウェブとして形成されたウェブ壁を相互に支持するように形成および配置されている。これにより、滑動片はウェブ壁の曲がりを防止する。

ウェブ壁の間に存在するスペース、すなわち中空室または凹部は射出成形によりプラスチックで被覆または充填されるか、または発泡金属で埋められる。これにより、実質的に半径方向で延びるウェブ壁のプロファイルが補強され、圧力室相互のならびに外部に対する高い密閉性が保証される。

ステータの、半径方向で延びる壁の壁厚はさらに、ロータの羽根がそれぞれの終端位置でステータの、半径方向で延びる壁に当接して、これに圧力を及ぼすことが回避されると減じられることができる。このために、調節角度の制限が必要である。このことは例えば調節角度を制限するための、ロータに結合されていて、対応するゲート内に係入するエレメントを介して実現されることができる。

要するに、本発明により形成された装置は背景技術の装置に比べて軽量であり、必要となる切削手間が少ないことで製作コストが節減され、ここではもはや必要とされない焼結材料を封止するための人造樹脂含浸または水蒸気処理も省略されることができる。

以下に図面を参照しながら本発明の実施例につき詳説する。

図１および図２から、図示されていないクランク軸に対するカム軸２の回転角度を調節するためのハイドロリック式の装置１の主要な部分が見て取れる。ハイドロリック式の装置１はハイドロリック式の作動駆動部として形成されている。この装置１は、例えば図示されていないチェーンによりクランク軸に結合されている駆動車３により駆動される。主として、装置１は、固く駆動車３に結合されていて、端壁５および駆動車３により圧力媒体密に閉鎖されているステータ４と、軸方向の中央ねじ２１により相対回動不能にカム軸２に結合されていて、羽根車（ベーン）として形成されているロータ６とから成っている。装置１のステータ４はウェブ壁７，７′，７″と、周方向で延びる外側の壁８，８′，８″と、周方向で延びる内側の壁９，９′，９″とにより、ロータ６および該ロータ６の羽根１０と相俟って、第１の圧力室１１，１１′，１１″および第２の圧力室１２，１２′，１２″を形成する。第１の圧力室１１，１１′，１１″および第２の圧力室１２，１２′，１２″は液圧作動液で満たされており、ロータ６とステータ４との間の角度調節部を形成する。ロータ６およびステータ４はハウジング１３内に配置されており、ハウジング１３は第１の圧力室１１，１１′，１１″および第２の圧力室１２，１２′，１２″を外部に対して封止する。調節角度を制限するための、ロータ６に結合されていて、対応するゲート１７内に係入するエレメント１６により、ロータ６の調節範囲の制限が実施される。このことはステータ４の負荷を引き下げる。

圧力室１１，１１′，１１″，１２，１２′，１２″の封止を目的として、ハウジング１３とステータ４との間には、シールディスク１４が装填されている。シールディスク１４はステータ４の直径に適合されている。

図２では、ウェブ壁７，７′，７″は正確に半径方向で形成されているのではなく、約２０゜の角度で形成されている。その結果、羽根１０はその終端位置で、ウェブ壁７，７′，７″の、半径方向外側に位置する端部に接触する。これにより、ステータ４の曲げ剛性および圧縮剛性が高まり、かつ半径方向力および周方向力を伝達することができる。

図３には、管として形成されたステータ４の第２のバージョンの横断面図が示されている。ステータ４は、実質的に半径方向で延びるウェブ壁７，７′，７″と、周方向で延びる外側の壁８，８′，８″と、周方向で延びる内側の壁９，９′，９″とにより、図面には示されていないロータ６と相俟って、第１の圧力室１１，１１′，１１″および第２の圧力室１２，１２′，１２″を形成する。ステータ４自体は円筒状のハウジング１３内に、該ハウジング１３と、周方向で延びる外側の壁９，９′，９″とが接触するように配置されている。これにより、ステータ４の剛性は高まり、かつ半径方向の力の結果としての振動は減衰される。剛性はさらに、ハウジング１３とステータ４とにより形成される中空室もしくは凹部１５，１５′，１５″が例えば発泡金属で充填されていることにより向上させられることができる。羽根１０が終端位置で引っ掛かることがないように、半径方向で延びるウェブ壁を二部分から形成することが有利である。つまり、ウェブ壁は少なくとも、半径方向で延びていて羽根が当接することになる第１の部分２０と、少なくとももう１つの部分とを有している。

図４ａおよび図４ｂには、ステータ４の第３の実施形態の横断面図および斜視図が示されている。図２に示した実施形態に対して、この第３のステータ４は半径方向力の受容に関してより剛性的である。その都度隣接するウェブ壁７，７′とハウジング１３とが半径方向力下での拡開を阻止する（セルフロック）ようにウェブ壁を配置するのが特に有利である。

図５ａおよび図５ｂには、ステータ４の第４の構造の横断面図および斜視図が示されている。ウェブ壁７，７′，７″はステータ４内に引き込まれたウェブとして形成されている。ウェブ壁７，７′，７″はこのステータ４の、周方向で延びる壁８，８′，８″，９，９′，９″と一緒に、同時にハウジング１３の一部を成している。この構成が特に有利であるのは、残りの閉じたリング面である円環形の外壁１８により、端壁５を除いてハウジング１３が省略され得る点にある。端壁５として、シールディスク１４（図１）が使用されることができる。シールディスク１４は端面でステータ４に挿嵌されており、シールディスク１４の縁部は例えばフランジングされることができる。円環形の外壁１８から、例えば打抜き加工により、ウェブ壁７，７′，７″が製作されて、内方へと曲げられている。ウェブ壁７，７′，７″はその開いた端部により良好に変形加工可能である。ウェブ壁７，７′，７″は図６ｂに示したように形成されて、滑動片（シュー）１９により封止されていてもよい。

図６ａおよび図６ｂには、第５のステータ４および該第５のステータ４の変化形を成す第６のステータ４の一部の斜視図が示されている。一方のウェブ壁７，７′は内方に曲げられており、他方のウェブ壁７，７′は外方に曲げられている。それゆえ、これらのステータ変化形４はハウジング１３内に挿嵌される。ウェブ壁７，７′はその都度滑動片１９（図６ｂ）により封止される。滑動片１９はウェブ壁７，７′を支持し、加えられた外的な半径方向力による変形を阻止する。

要するに、非切削加工により製作される構成部分、特にステータ４の主要な部分により、装置の質量の大幅な削減が達成される。背景技術の装置と同等の剛性がステータ４の図示の実施形態により達成される。同時に、漏れ損失が減じられる。それというのも、多孔質の焼結構成部分もしくは手間のかかる水蒸気処理または人造樹脂含浸を省略することができるからである。

非切削加工により形成されたステータがアウタハウジング内に挿嵌されている、回転角度を調節するための装置の縦断面図である。

回転角度を調節するための装置の横断面図である。

ステータの第２の実施形態の横断面図である。

ステータの第３の実施形態の横断面図である。

図４ａに示したステータの斜視図である。

外側のリング面が閉じている、ステータの第４の実施形態の横断面図である。

図５ａに示したステータの斜視図である。

ステータの第５の実施形態の、周方向で延びる外側の壁および外方に突出するように成形されたウェブ壁の斜視図である。

滑動片を備えた、ステータの第６の実施形態の、周方向延びる外側の壁および内方に突入するように成形されたウェブ壁の斜視図である。

符号の説明

１ 回転角度を調節するためのハイドロリック式の装置、 ２ カム軸、 ３ 駆動車、 ４ ステータ、 ５ 端壁、 ６ ロータ、 ７，７′，７″ ウェブ壁、 ８，８′，８″ 周方向で延びる外側の壁、 ９，９′，９″ 周方向で延びる内側の壁、 １０ 羽根、 １１，１１′，１１″ 第１の圧力室、 １２，１２′，１２″ 第２の圧力室、 １３ アウタハウジング、 １４ シールディスク、 １５，１５′，１５″ 中空室または凹部、 １６ 調節角度を制限するためのエレメント、 １７ ゲート、 １８ 円環形の外壁、 １９ 滑動片、 ２０ ウェブ壁の、半径方向で延びる第１の部分、 ２１ 軸方向の中央ねじ

Claims (18)

1. 内燃機関用の、クランク軸に対するカム軸（２）の回転角度を調節するためのハイドロリック式の装置（１）であって、相対回動不能にカム軸（２）に結合されている、羽根（１０）を備えたロータ（６）と、相対回動不能に、クランク軸により駆動される駆動車（３）に結合されていて、実質的に円筒形の外側輪郭を有していて、少なくとも端面に端壁（５）を備えたステータ（４）とが設けられており、羽根（１０）の両側に、圧力室（１１，１１′，１１″，１２，１２′，１２″）が設けられており、該圧力室（１１，１１′，１１″，１２，１２′，１２″）がそれぞれ、ステータ（４）のウェブ壁（７，７′，７″）と、周方向で互いに同心的に延びる内側の壁（９，９′，９″）ならびに外側の壁（８，８′，８″）とにより画定されており、ハイドロリックシステムを介して液圧作動液により圧力負荷可能である、またはこれを抜くことができるようになっている形式のものにおいて、ステータ（４）、特に該ステータ（４）のウェブ壁（７，７′，７″）と、周方向で延びる外側の壁（８，８′，８″）と、周方向で延びる内側の壁（９，９′，９″）とが、非切削加工により製作される金属帯状材部分または金属薄板部分として形成されていることを特徴とする、内燃機関用の、クランク軸に対するカム軸の回転角度を調節するためのハイドロリック式の装置。
2. ステータ（４）が、特に負荷される箇所で局所的に、負荷方向に沿って、凸状成形部、凹状成形部または適当な成形部により強化されている、請求項１記載の装置。
3. ステータ（４）が、有利には管形の、金属薄板部分として形成されたアウタハウジング（１３）を有しており、該アウタハウジング（１３）がウェブ壁（７，７′，７″）と、周方向で延びる外側の壁（８，８′，８″）と、周方向で延びる内側の壁（９，９′，９″）とを包囲している、請求項１記載の装置。
4. 部分、すなわちステータ（４）、ハウジング（１３）および駆動車（３）が、変形加工技術の結合テクノロジ、例えばナーリング、フランジング、溶接、コーキン、リベット締め、接着または屈曲した保持ノーズにより互いに固定されている、請求項１記載の装置。
5. 圧力室（１１，１１′，１１″，１２，１２′，１２″）が端面で、円環形の、金属薄板部分として形成されたシールディスク（１４）により閉鎖されている、請求項１記載の装置。
6. シールディスク（１４）が端壁（５）に固く結合されており、該端壁（５）がアウタハウジング（１３）と一体的に形成されている、請求項５記載の装置。
7. ロータ（６）に、調節角度を制限するためのエレメント（１６）が配置されており、該エレメント（１６）が、対応するゲート（１７）内に係入する、請求項１記載の装置。
8. ステータ（４）が交互に、それぞれ円筒の区分である、周方向で延びる外側の壁（８，８′，８″）と、周方向で延びる内側の壁（９，９′，９″）とから成っており、隣り合う、周方向で延びる外側の壁（８，８′，８″）と周方向で延びる内側の壁（９，９′，９″）とがその都度ウェブ壁（７，７′，７″）により結合されており、該ウェブ壁（７，７′，７″）が、円形の、ステータに挿嵌されるロータ（６）と、該ロータ（６）に配置された羽根（１０）と相俟って、圧力室（１１，１１′，１１″，１２，１２′，１２″）を形成し、ウェブ壁（７，７′，７″）の、圧力チャンバとは反対の側に、中空室または凹部（１５，１５′，１５″）を形成する、請求項１記載の装置。
9. 中空室または凹部（１５，１５′，１５″）が発泡金属で充填されているか、または射出成形によりプラスチックで被着または充填されている、請求項８記載の装置。
10. ウェブ壁（７，７′，７″）が、羽根（１０）が終端位置でウェブ壁（７，７′，７″）の、半径方向外側の端部でのみ、半径方向内側の端部でのみ、または中間の領域でのみ当接するように経過しているまたは形成されている、請求項８記載の装置。
11. ウェブ壁（７，７′，７″）が外筒または内筒の周壁から対で、内方に引き込まれたウェブまたは外方に引き出されたウェブとして形成されている、請求項８記載の装置。
12. ウェブ壁（７，７′，７″）が、ステータ（４）の、内側の周壁または外側の周壁から打ち抜かれており、対で半径方向外側に向かってまたは内側に向かって曲げられている、請求項１１記載の装置。
13. ウェブ壁（７，７′，７″）が対で、該ウェブ壁（７，７′，７″）を支持する滑動片（１９）により結合されており、中空室（１５，１５′，１５″）を形成する、請求項１２記載の装置。
14. 中空室（１５，１５′，１５″）が発泡金属で充填されているか、または射出成形によりプラスチックで被着または充填されている、請求項１３記載の装置。
15. ウェブ壁（７，７′，７″）が半径方向に対して１０゜〜３０゜の角度を成すので、羽根がその終端位置で、ウェブ壁（７，７′，７″）の、半径方向外側に位置する端部にのみ接触する、請求項８記載の装置。
16. 内燃機関用の、クランク軸に対するカム軸（２）の回転角度を調節するためのハイドロリック式の装置（１）であって、相対回動不能にカム軸（２）に結合されている、羽根（１０）を備えたロータ（６）と、相対回動不能に、クランク軸により駆動される駆動車（３）に結合されていて、実質的に円筒形の外側輪郭を有していて、少なくとも端面に端壁（５）を備えたステータ（４）とが設けられており、羽根（１０）の両側に、圧力室（１１，１１′，１１″，１２，１２′，１２″）が設けられており、該圧力室（１１，１１′，１１″，１２，１２′，１２″）がそれぞれ、ステータ（４）のウェブ壁（７，７′，７″）と、周方向で互いに同心的に延びる内側の壁（９，９′，９″）ならびに外側の壁（８，８′，８″）とにより画定されており、ハイドロリックシステムを介して液圧作動液により圧力負荷可能である、またはこれを抜くことができるようになっている形式のものにおいて、ウェブ壁（７，７′，７″）と、周方向で延びる外側の壁（８，８′，８″）と、周方向で延びる内側の壁（９，９′，９″）とを含めたステータ（４）および／または該ステータ（４）を包囲するハウジング（１３）が、非切削加工により製作される金属薄板部分として形成されていることを特徴とする、内燃機関用の、クランク軸に対するカム軸の回転角度を調節するためのハイドロリック式の装置。
17. 圧力室（１１，１１′，１１″，１２，１２′，１２″）が端面で、円環形の、金属薄板部分として形成されたシールディスク（１４）により閉鎖されている、請求項１６記載の装置。
18. シールディスク（１４）が端壁（５）に固く結合されており、該端壁（５）がハウジング（１３）と一体的に形成されている、請求項１７記載の装置。

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