CN102678220B - 轴向驱动单轴双控圆弧滑槽式全可变气门正时和升程机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴向驱动单轴双控圆弧滑槽式全可变气门正时和升程机构，是内燃机领域中驱动气门的机构之一，能够使气门的升程和正时独立控制，可连续调节气门持续开启时间和升程，从而达到优化气门控制的目的。现有技术的可变气门正时和升程机构不能够使气门的正时控制和升程控制分离，造成调节气门正时会对气门升程产生有害影响。本发明采用轴向驱动单轴双控圆弧滑槽的三层共轴套管的方法，使调节气门正时和升程转换为调节控制套管在角向柱面空间上一个面积不为零的区域中的位置，从而可以提供气门正时和升程的独立控制的能力，可以连续调节气门持续开启时间和升程，因此优化的气门控制，能够降低内燃机油耗，或者提升单位功率。

Description

轴向驱动单轴双控圆弧滑槽式全可变气门正时和升程机构

技术领域

本发明涉及一种轴向驱动单轴双控圆弧滑槽式全可变气门正时和升程机构，是内燃机领域中驱动气门的机构之一，能够使气门的升程和正时独立控制，可连续调节气门持续开启时间和升程，从而达到优化气门控制的目的。

背景技术

内燃机的气门驱动采用连续可变气门正时可以提高内燃机气缸的充气率，提高功率和效率，降低气缸工作温度，降低内燃机的污染排放。内燃机的进气门驱动采用连续可变气门升程技术可以提高内燃机的进气效率，降低油耗，提高内燃机对油门的响应速度。

公开号CN101149000A名为内燃机的可变气门驱动机构的专利中，气门的正时和升程是相互关联的，即气门打开的持续时间与气门打开的升程是成比例关系，但由此带来的问题是不能很好兼顾可变气门正时和可变气门升程这两种调节的优点。

如果能够将连续可变气门正时与升程结合在一切，并可以做到相对独立调节，那么将能够提高内燃机的实际使用效果。

发明内容

本专利为改进上述不足作出新的解决方案。通常的气门驱动是采用凸轮轴上的非对称凸轮推动气门完成对气门的驱动的，凸轮的推动气门的方向是在凸轮轴的径向方向，本发明采用轴向投影不为零的滑槽，使驱动的方向改为轴向。

本发明提供这样一种轴向驱动单轴双控圆弧滑槽式全可变气门正时和升程机构，包括：驱动轴，驱动气门开启和关闭，含有一条变曲率的滚珠槽；控制套管，控制气门的升程和正时，含有一条直线滚珠槽；凸轮套管，受所述驱动轴的驱动，和控制套管的控制的共同作用，产生可变摆动行程和初始位置的摆动运动，驱动气门开启，含有一条中心线是圆弧形的滚珠槽；单轴双控机构，对所述控制套管的轴向和角向位置进行线性控制；滚珠，在所述驱动轴与凸轮套管之间传递运动，并受到所述控制套管的控制。

附图说明

图1是示意图，示出了轴向驱动单轴双控圆弧滑槽式全可变气门正时和升程机构的总体的构成，包括主体的驱动气门的机构和控制此机构的单轴双控机构。

图2是示意图，示出了单轴双控机构另一面的液压油孔的位置。

图3是驱动轴的简易示意图，示出了驱动轴所具有的滑槽结构和滑槽中的滚珠。

图4是控制套管示意图，示出了控制套管所具有的直线滑槽和滚珠的关系。

图5是凸轮套管示意图，示出了凸轮套管的形状和内部具有的滚珠滑槽，以及与滚珠的关系。

图6是凸轮套管下视图，示出了凸轮套管的滑槽具有二个通孔，且通孔朝向气门一侧。

图7是滚珠配合示意图，示出了滚珠与凸轮套管的圆弧形滚珠槽、控制套管的直线形滚珠槽的配合。

图8是滚珠槽配合示意图，示出了在驱动轴、控制套管、凸轮套管上的滚珠槽的式样，以及与滚珠配合的情况。

图9是气门驱动机构剖视图，示出了驱动轴、控制套管、凸轮套管和滚珠所组成的工作状态的机构。

图10是剖视图，示出了单轴双控机构的液压系统和驱动轴、控制套管、齿轮的组装的剖视图，显示单轴双控机构的工作原理。

图11是部分部件示意图，示出了单轴双控机构的液压系统的内部侧视图。

图12是整个机构的工作原理示意图，示出了轴向驱动单轴双控圆弧滑槽式全可变气门正时和升程机构的驱动和控制原理。

图13是滚珠传动结构的改进形式，将一颗滚珠由二颗替代，并由一个滑动的中间体来连接。

具体实施方式

下面将参考附图来叙述例示性实施例。

参考附图1，驱动轴1、控制套管2与凸轮套管3是同轴线的，三者共同固定在气缸盖的安装座6上。图中一个安装座6隐藏，以便看到气门组件。凸轮套管3上的凸轮4的摆动可以推动滚轮16以及滚轮摇臂18，使气门14开启。相同原理的，凸轮17可以推动气门15开启。液压挺柱20为气门14提供气门间隙控制。驱动轴1内部有花键齿，与齿轮24的轴上的花键齿25相匹配，内燃机曲轴可以通过驱动齿轮24来使驱动轴1以曲轴转速的二分之一转速转动。控制套管2与单轴双控机构的小液压缸活塞的轴23通过一个固定栓固定在一起。外壳40是单轴双控机构的液压系统的外壳，在一边有液压缸盖19，上面有二个液压油的通道孔，分别是控制小油缸的液压油孔22，以及控制大油缸的液压油孔21。单轴双控机构可以驱动控制套管2在轴向线性移动，也可以驱动控制套管2同时做角向转动。

参考附图2，这是另一视角的单轴双控机构的液压系统的视图。驱动控制套管2的单轴双控机构的外壳40上有另外二个液压油孔，一个液压油孔27在中间的轴心上，另一个液压油孔26在靠近边缘的地方。综合参考附图1和附图2，液压油孔21和26用以驱动大油缸，液压油孔22和27驱动小油缸。

参考附图3，驱动轴1是通过控制套管和凸轮套管固定在气缸盖的安装座6上的，突起11是与控制套管直接接触的承力部分，而凹陷10是不与控制套管接触的，这样在驱动轴以曲轴转速一般的速度飞快转动时可以减少与静止的控制套管的摩擦损耗。驱动轴1的突起11上有一条闭合的滚珠槽9，滚珠槽9的中心线沿角向柱面的展开和投影是凸轮曲线形式，滚珠8在此滚珠槽9中运动时，其运动轨迹在驱动轴轴线7上的投影不为零。也就是说滚珠8如果固定在某个驱动轴1的轴向和径向组成的面与突起11的交线上时，受到滚珠槽9的驱动，滚珠8会在驱动轴1的轴向进行周期运动，运动是与曲轴的转动是相关联的。

参考附图4，控制套管2与驱动轴1同轴安装，二者的轴线重合于驱动轴轴线7。控制套管2上有一个直线滚珠槽12。滚珠槽12的方向与控制套管的轴向平行，长度不小于驱动轴1的滚珠槽在轴向的投影，且位置在机构安装状态下的最低处附近，通常是最靠近气门的位置。也就是说，当滚珠8受到驱动轴1的驱动时，滚珠8恰好是在直线滚珠槽12内运动而不会在轴向推动控制套管，滚珠8不会碰到滚珠槽12的二端，或者刚好接触到但不会有位移。若直线滚珠槽12的长度恰好与附图3中的滚珠槽9在轴向的投影长度相同，那么控制套管2的轴向移动可以带动驱动轴1的轴向移动，使原本浮动的驱动轴1受到了控制套管2在轴向的约束。

参考附图5，凸轮套管3内部有一个滚珠槽13，从凸轮17的位置就可以知道在正常工作状态下，滚珠槽13是位于比较低的位置，即靠近所驱动气门的位置。凸轮17所在的部分是凸轮套管的突起3上面，之所以突起3比轴5的直径大，是为了将凸轮套管固定在气缸盖上，不会产生轴向移动。从此图上易见，滚珠槽13在角向投影不为零，即是具有角向偏移的，这是全可变气门正时和升程的关键因素。

参考附图6，从气门15的角度看凸轮套管3。局部视图A可见凸轮套管3的滚珠槽具有二个通孔7，且通孔朝向气门一侧，通常都是比较低的一侧。但如果是水平气缸或者倒置气缸，那么这两个通孔7是一定要在凸轮套管正常安装状态下最低处，目的在于利用重力作用使润滑和冷却油自然流过滚珠和滚珠槽。图中可见，因为通孔7是滚珠槽同向外面的通道，其直径是略大于滚珠的，安装时就是通过通孔7装入滚珠的。在正常工作状态下，滚珠不会到达这个位置，也就不会掉落出来。图中可见通过通孔7可以看到控制套管2。

参考附图7，是驱动气门主体机构的透视图，虚线表面是在机构内部的结构。凸轮套管3上具有凸轮17和凸轮4，同时具有内部的弧线型滚珠槽13，且滚珠槽13的二端有二个通孔7。控制套管2上有直线滚珠槽12。通孔7的作用还在于在因为滚珠8在滚珠槽13中运动时，如果是封闭空间会压缩内部的空气造成温度升高和额外损耗，因此需要一个空气周期性的泄放通道。此角度亦可见，凸轮套管的滚珠槽13靠近凸轮17和4，也就是靠近气门。此附图易见，凸轮套管3的滚珠槽13在套管角向柱面投影是圆的一段弧线，滚珠槽在轴向投影长度大于控制套管2的直线滚珠槽12在轴向的投影。

参考附图8，图8是滚珠槽配合示意图，示出了在驱动轴、控制套管、凸轮套管上的滚珠槽的式样，以及与滚珠配合的情况。轴线7是驱动轴、控制套管、凸轮套管共同的轴线，驱动轴上的滚珠槽9、控制套管上的滚珠槽12、凸轮套管的滚珠槽13共同紧密接触滚珠8，由滚珠8从驱动轴上将动力传输到滚珠滑槽13上，使滚珠滑槽13产生角向方向的往复式摆动，从而推动气门。驱动轴上的滚珠槽9在角向柱面的投影是一个凸轮形式的轨迹，是控制气门开启运动形式的定义，决定了气门以比较缓和的方式打开和关闭，以减少冲击，并降低弹簧的弹力需求。控制套管的滚珠槽12是在角向方向和轴向方向可先行调整的，因此可以决定滚珠8在凸轮套管上的滚珠槽13上的那一个部分滚动。凸轮套管的滚珠槽13是一个半径为RXX的大圆的部分圆弧，这是改变凸轮套管摆程的关键所在，不可以是直线或者斜直线的滚珠滑槽。从附图8中可见，滚珠槽9和12在轴7上的投影是等长的，同为长度41；而滚珠槽13的投影则比较大，为长度42。同时长度42也是滚珠槽12的调整区域，即滚珠槽12的调整区域不得超过长度42的范围。滚珠槽9所占据的驱动轴角向的角度是180度，而整个周长角度是360度，气门最大持续开启时间的曲轴角度就是360度，因此在最大油门状态下，此机构决定的气门持续开启时间可以从曲轴角180度连续调整到360度。滚珠8在轴向方向上往复运动，带动滚珠滑槽13在角向方向做往复摆动。而滚珠槽9则是在角向方向做周期性转动，转动的驱动是由内燃机曲轴带动的，转速是曲轴转速的一半。

参考附图9，是整个驱动机构中的驱动轴、控制套管、凸轮套管和滚珠所组成的工作状态的机构剖视图。从剖面A-A中可见，驱动轴1、控制套管2、凸轮套管3同轴安装并由安装座6固定在气缸盖上。从局部视图B中可见，滚珠8是位于凸轮套管3的滚珠槽13中的，滚珠槽13一端有通孔7。而驱动轴1上有滚珠槽9，滚珠8同时与滚珠槽9和13配合。

参考附图3、4、5、7、8、9，所有滚珠槽9、12和13的尺寸与滚珠8相匹配。匹配的含义是正好容纳滚珠8，且滚珠8可以自由转动。

参考附图10，图10是剖视图，示出了单轴双控机构的液压系统和驱动轴、控制套管、齿轮的组装的剖视图，显示单轴双控机构的工作原理。从A-A剖视图上可见，小液压缸33与大液压缸40是同轴套嵌安装，大液压缸40有活塞34，小液压缸33有活塞39。活塞39上的直齿与小液压缸33内部的直齿35啮合，在沿轴向移动时不会产生角向移动。小液压缸33外部的斜齿与大液压缸40的活塞34内侧的斜齿啮合，活塞34的外侧直齿与大液压缸40内部的直齿36啮合。当活塞34相对于单轴双控机构的液压系统的轴线有位移时，活塞34在斜齿的作用下将推动小液压缸33沿角向旋转一个角度。活塞33的移动依靠液压油孔27和22连接到外部的液压系统并受到其驱动，活塞34的移动依靠液压油孔26和21连接到外部的液压系统并受到其驱动。液压油孔27是一个穿透的孔，穿过了小液压缸33与大液压缸40，且位于轴线上。液压缸盖19同时封闭小液压缸33与大液压缸40。小液压缸活塞39的轴23通过固定销37与控制套管2刚性结合。

驱动轴1的内部靠近齿轮24的位置有花键齿38，与齿轮24的轴上的花键齿25啮合。当驱动轴1随着控制套管轴向移动时，齿轮24可以依靠花键齿啮合保持对驱动轴1的驱动。

参考附图11，去掉了液压缸缸盖后，可见液压缸内部的情况。大液压缸40的内侧是直齿，小液压缸33的外侧是斜齿，相应的活塞34内侧是斜齿，外侧是直齿。活塞39边缘是直齿，活塞34的外侧是直齿。活塞39的轴23与控制套管2固定连接。

参考附图12，此图是控制套管上的圆弧滚珠槽沿控制套管角向柱面展开成平面后的图形，圆弧滚珠槽的中心线是一个半径为RXX的圆的一部分圆弧30。假设有往复运动在圆弧上的位置从冲程1连续变化到冲程2，那么所对应的正交方向的位移就是从冲程31变化到冲程32。位置线28标志着凸轮套管的角向位置；位置线29是轴向方向的位置，因为凸轮套管在轴向是固定不动的，因此可调的是滚珠的冲程。滚珠在控制套管直线滚珠槽的约束下，在此图上沿水平方向往复运动。控制套管的轴向移动使直线滚珠槽也沿轴向运动，因此带动滚珠和驱动轴一起运动，使滚珠的往复运动从冲程1连续变化到冲程2。控制套管的单轴双控机构在此的作用就是调整控制套管的轴向和角向位置，调节位置线29使冲程1连续变化到冲程2，调节位置线28使滚珠带动凸轮套管至合适的位置。由滚珠作为传递力矩的部件，使驱动轴、控制套管、凸轮套管三者的运动相关联，使驱动轴固定的轴向往复运动的冲程变化成为凸轮套管可调节角向摆程的往复运动，因此这是一种往复运动的变冲程原理。在冲程1至冲程2之间改变滚珠的轴向冲程位置，可以调节气门的升程，因此向左调节是使气门升程变大，反之使升程变小；改变滚珠所在的位置线28这一列线族中的位置，可以改变气门的正时，在凸轮套管摆程不变情况下，向下调节可以增大气门持续开启时间，向上调节减小气门持续开启时间，根据全可变气门正时和升程的原理，改变摆动凸轮的初始位置和摆程，就可以任意改变气门的升程和正时。

同时参考附图13和附图4，图13是关于滚珠传动的一种改进形式。因为单颗滚珠的结构虽然简单，但是因为与控制套管2是点接触，所以应力和磨损都比较大，适当的改进可以弥补这个缺陷，比如附图13的形式。附图13显示了将一颗滚珠8分成为双滚珠滚珠8和滚珠43，由一个中间体44相连，中间体44恰好与控制套管2的滚珠槽12匹配，在与滚珠槽12接触的表面有润滑油沟槽45。滚珠8安装在碗形孔48当中，滚珠43安装在碗形孔47中。这里应用了一种对封闭面接触摩擦表面的润滑方法。在封闭的面接触部件的摩擦表面上，其中一个部件的摩擦表面刻有细小的沟槽，与润滑油的油路相通；沟槽的方向是垂直于摩擦运动的方向，且可有多条沟槽，沟槽间的距离小于或等于摩擦运动的往复距离；当是圆周的摩擦运动时，可以只含有一条沟槽。因为中间体44的长度与滚珠8相似，而滚珠8运动距离远大于其直径，因此整个中间体仅需要在于滚珠槽12摩擦的侧面各有一条沟槽。在给中间体44润滑的同时，也在中间体44与滚珠接触的面上开有润滑油孔46，使滚珠也得到充分润滑。因为滑槽12的内部是有润滑油的，因此中间体44开的沟槽可以导流这些润滑油为中间体44和滚珠8与43润滑。这样的改进需要加厚控制套管2，以便使中间体44的厚度超过滚珠8和43的半径大小，通常中间体44的厚度就是控制套管的厚度。同时控制套管的滚珠槽也要加宽以适应中间体44的宽度。

在此例示性机构中控制凸轮套管的初始角度位置和摆程，就可以控制气门正时和升程，初始角度位置对应于为位置线28这一列线中的一根，摆程则是冲程31至冲程32。冲程31至32通过圆弧30对应于冲程1至冲程2的不同位置，因此调节控制套管的轴向位置可以调节凸轮套管的摆程；初始角度位置对应与位置线28这一列线中的一根，也就是控制套管直线滚珠槽所在的角向位置，因此调节控制套管的角向位置可以调节凸轮套管的初始角度位置。于是调节气门的正时和升程，转换为控制控制套管的轴向位置和角向位置。这二个位置需要配合调节，而不是单一调节。气门正时和升程的单一控制体现效果的单一，而不是控制参数动作的单一性。

总体而言，轴向驱动单轴双控圆弧滑槽式全可变气门正时和升程机构乃是利用滚珠在圆弧形滚珠槽中运动时的不同位置具有不同的往复运动行程的作用原理工作的，通过控制套管在轴向和角向的调节，从而达到近似的独立调节气门正时和升程的目的。

上述叙述仅仅是用于解释本发明的例示性实施例，它不是排他的或将本发明限制与其公开的具体形式。本领域技术人员可以理解，在不偏离本发明的范围内，可以做出各种改变以及其中的元素可用等同元素来替换。此外，可以做出很多修改以使特定情形或材料适用于本发明的主旨而不偏离实质范围。因此，本发明不限于作为构思实现本发明的最佳模式所公开的特定实施例，而是本发明包括属于本发明范围的所有实施方式。在不偏离本发明的精神和范围内，本发明能够以具体解释和阐明的方式以外的其他方式实施。

Claims (8)

1.一种轴向驱动单轴双控圆弧滑槽式全可变气门正时和升程机构，包括：驱动轴，驱动气门开启和关闭，含有一条变曲率的滚珠槽；控制套管，控制气门的升程和正时，含有一条直线滚珠槽；凸轮套管，受所述驱动轴的驱动，和控制套管的控制的共同作用，产生可变摆动行程和初始位置的摆动运动，驱动气门开启，含有一条中心线是圆弧形的滚珠槽；单轴双控机构，对所述控制套管的轴向和角向位置进行线性控制；滚珠，在所述驱动轴与凸轮套管之间传递运动，并受到所述控制套管的控制。

2.如权利要求1所述的轴向驱动单轴双控圆弧滑槽式全可变气门正时和升程机构，其特征在于所述驱动轴的滚珠槽的中心线沿角向柱面的展开和投影是凸轮曲线形式，滚珠在此滚珠槽中运动时，其运动轨迹在驱动轴轴线上的投影不为零。

3.如权利要求1所述的轴向驱动单轴双控圆弧滑槽式全可变气门正时和升程机构，其特征在于所述控制套管是单轴双控机构，即控制套管在轴向和角向可以单独线性控制；所述控制套管的特征还在于其滚珠槽的方向与套管的轴向平行，长度等于所述驱动轴的滚珠槽在轴向的投影，且位置在机构安装状态下的最低处附近；所述控制套管的特征还在于可以在轴向和角向方向单独进行控制，线性调整其轴向位置和角向位置。

4.如权利要求1所述轴向驱动单轴双控圆弧滑槽式全可变气门正时和升程机构，其特征在于所述控制套管的轴向调整不得使其所含有的滚珠槽超过所述凸轮套管所含有的滚珠槽的范围。

5.如权利要求1所述的轴向驱动单轴双控圆弧滑槽式全可变气门正时和升程机构，其特征在于所述凸轮套管的滚珠槽在套管角向柱面投影是圆的一段弧线，滚珠槽在轴向投影长度大于所述控制套管的直线滚珠槽在轴向的投影，或者凸轮套管的滚珠槽在角向投影不为零；所述凸轮套管的滚珠槽的位置在机构安装状态下的最低处附近。

6.如权利要求1所述的轴向驱动单轴双控圆弧滑槽式全可变气门正时和升程机构，其特征在于所述滚珠的一种应用形式是双滚珠，由一个中间体相连，中间体恰好与所述控制套管的滚珠槽匹配，在与滚珠槽接触的表面有润滑油沟槽；所述中间体的特征在于，中间体的厚度大于滚珠的半径，等于所述控制套管的厚度。

7.一种单轴双控机构，含有大小二个液压缸；小液压缸活塞与所需控制的轴有固定的连接；小液压缸的内表面有与轴向平行的齿，与小液压缸活塞表面的直齿啮合；大液压缸的的内表面有与轴向平行的齿，与大液压缸活塞外表面的直齿啮合；小液压缸的外表面具有斜向的齿，与大液压缸活塞内表面的斜齿啮合；外部液压缸壁上有四个孔，二个联通内部液压缸的活塞二侧的液压腔体，另二个联通外部液压缸活塞二侧的液压腔体；所述二个液压缸是同轴套嵌安装；所述单轴双控机构由外部液压系统驱动；控制小液压缸活塞的液压油孔中的一个位于大液压缸的轴线上，另一个位于液压缸缸盖的内侧；控制大液压缸活塞的液压油孔在液压缸轴截面的靠近边缘的位置。

8.一种圆弧滑槽式往复运动的变冲程方法，利用一个滚珠，轴向转动的圆柱体上的滚珠槽通过一个与轴向同向的直线滚珠槽将角向周期性转动转换为轴向周期往复运动，并使这个轴向周期往复运动驱动一个具有角向柱面投影为圆弧的滚珠槽的同轴套管，调节直线滚珠槽的轴向和角向位置，可使具有圆弧滚珠槽的同轴套管的摆动冲程连续可调。