CN102733879A - 调相器型全可变气门正时机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种调相器型全可变气门正时机构，是一种往复活塞式内燃机的气门驱动和控制机构，可用于汽油机或者柴油机。现有技术中有可以实现气门持续开启时间连续变化而保持气门升程不变的技术，但此类技术使用摆杆或者摇臂，体积比较庞大，磨损也比较大，在更高转速内燃机上应用受到制约。本发明采用了变速凸轮的技术，凸轮通过一个行星齿轮系连接曲轴驱动的齿轮轴，通过一个与凸轮同步驱动的偏心轮带动行星齿轮系中的行星轮支架周期性摆动，使凸轮的转动角速度在360周期内有一个较大的变化，当推动气门的时间恰好是凸轮快速摆动时，气门持续开启时间短，反之则时间更长。因为整个机构惯性比较小，部件的平衡性好，适合应用的内燃机转速更高。

Description

调相器型全可变气门正时机构

技术领域

本发明涉及一种调相器型全可变气门正时机构，是往复活塞式内燃机领域中驱动气门的机构之一，能够使气门的正时控制独立于升程的调节，即可连续调节气门持续开启时间而不改变气门升程，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。 

公开号CN2771485名为内燃机无级可变气门正时机构的专利中，利用双凸轮轴的相位变化来改变气门正时，但此方法中凸轮与V型摇臂有脱离接触的情况，因此当再有接触时将产生冲击，损毁部件。且此方法产生气门的二次开启，并且气门过早达到最大升程位置，过迟离开最大升程位置，对与气门弹簧的弹力要求更高，使冲击的问题更为严重。气门在最大升程附近会有一个剧烈的反弹跳，可能时气门的液压挺杆脱离与凸轮或者V型摇臂的接触，使气门遭到损坏。 

公开号CN1814992A名为连续可变气门正时配气机构活塞式内燃机的专利中，试图采用二根凸轮轴的相位改变来改变进气门的持续开启时间，但简单摇臂式的驱动作用合成器过于简单，使气门产生一个阶跃运动，不适合实际使用，更不适合内燃机高转速运转。 

公开号CN101858233A名为包含变速摆机构的全可变气门正时方法和机构的专利中，虽然可以做到连续可调气门持续开启时间，但是所示方法和机构的体积比较庞大，部分部件应力比较大，磨损也比较大。而且含有弹簧，不能很好适应特别高的转速下机构具有足够快的相应，可能造成机构运动失去控制，不能应用与转速高于每分钟转速1万转的内燃机气门驱动。 

发明内容

本专利为改进上述不足作出新的解决方案，一种调相器型全可变气门正时机构，包含：偏心轮轴，与内燃机的曲轴通过刚性机构相连接，转速是曲轴的二分之一；齿轮轴，与内燃机的曲轴通过刚性机构相连接；调相器，与所述齿轮轴通过齿轮啮合，其齿轮轴通过连杆与所述偏心轮轴相连；偏心轮调相器，调节所述偏心轮轴与曲轴的转动相位关系；凸轮套管， 含有凸轮，凸轮与一个驱动气门的滚轮摇臂上的滚轮接触，转速是曲轴转速的二分之一。 

发明中含有二根转动轴，一根是齿轮轴，提供凸轮套管恒速转动；一根是偏心轮轴，提供凸轮套管的变速转动；二根转动轴由曲轴通过链条驱动。结构的特征使此机构可以简化为一种可变气门正时和升程机构，齿轮轴连接线性控制机构，曲轴以链条直接连接偏心轮轴，偏心轮轴的转速是曲轴转速的二分之一。这个简化机构在改变气门持续开启时间的同时也改变了气门的升程，在某些需要提供连续可调气门升程的场合替代所述调相器型全可变气门正时机构。 

附图说明

图1是示意图，示出了调相器型全可变气门正时机构各部件之间的位置和连接关系。 

图2是调相器示意图，示出了由行星齿轮系构成的调相器中的行星齿轮组是调节凸轮套管转动相位的部件。 

图3是齿轮轴的示意图，示出了齿轮轴具有一个突起，突起与凸轮套管内部配合，固定齿轮轴的位置。 

图4是调相器的调节示意图，示出了调相器的二个特征角度，一个角度使气门的持续开启时间最短，另一则最长，并对应于各自的气门升程曲线，显示了调节气门正时的效果。 

图5是调相器的调节示意图，示出而调相器的二个特征角度，一个角度是使气门处于中等转速偏下的调节状态，另一个是中等转速偏上的调节状态，显示了调节气门正时的方法。 

图6是四齿轮系调相器的简单示意图，示出了由四个齿轮依次啮合而成一个改变凸轮相位的机构。 

具体实施方式

下面将参考附图来叙述一个例示性实施例。在这个实施例中省略了部分外围部件例如链条和液压管路，这些是公知的部件，省略其作用的叙述。 

参考附图1，是机构的右后视图，齿轮轴1具有齿轮3，齿轮3是通过链条与内燃机的曲轴相连的。偏心轮轴2通过一个偏心轮调相器5与齿轮4连接，驱动齿轮轴1的链条同时与齿轮4相连，因此齿轮轴1转动方向与偏心轮轴2是相同的。偏心轮调相器5可以调节齿轮4与偏心轮轴2的相位，也因此调节了偏心轮与内燃机曲轴和齿轮轴的相位。偏心轮轴2上有偏心轮7，通过连杆6，偏心轮7可连接到轴10上。轴10是固定在支架9上的，牵引轴10可以使支架9绕齿轮轴的轴线转动。齿轮段8是凸轮套管11的一段，二者是一体的部件，齿轮段8内部有齿轮。凸轮套管11上含有二个凸轮12a和12b，二个凸轮是驱动同一种气门的凸轮，例如进气门或者排气门，不可以是不同的气门。凸轮12a与滚轮13a紧密接触，滚轮13a以轴固定在滚轮摇臂15a上，滚轮摇臂15a据液压挺柱20a可以驱动气门19a开启，同理，滚轮摇臂15b可以据20b驱动气门19b。凸轮套管11和偏心轮轴2由四个固定器14a、14b、14c、14d固定在内燃机气缸盖上。通常固定器14b、14d都是在铸造时与气缸盖是一体 的，而固定器14a、14c是固定用的盖板，用螺栓固定在固定器14b、14d上，附图1中螺栓及其孔皆省略。 

这里的齿轮齿轮3和齿轮4的齿数比不一定是一比二，齿轮轴的转速也不一定是偏心轮轴2的二根之一，因为齿轮轴1的转速是由齿轮段8内部有齿轮的齿数和齿轮轴1所具有的内部的齿轮的齿数的比例而定的。确定这些关键齿数比例的效果是使凸轮套管11的转速是内燃机曲轴的二分之一，使凸轮能够满足内燃机气门的正时的要求。 

凸轮套管11上也可以有一个或三个凸轮，视具体的设计要求而做修改，二个凸轮仅是示例性的数量，因为符合一般的每个气缸四气门的设计，可以驱动二个进气门或者排气门。 

偏心轮7和连杆6仅是一种提供周期往复运动的机构，也可以由凸轮和弹簧的机构取代，但优先使用偏心轮结构，因为偏心轮结构不需要弹簧，在内燃机处于极高转速，例如每分钟一万转以上时具有很好的刚性约束，不会使正时机构的运动失去控制。此外，偏心轮7和连杆6也可以改为驱动一个摆动的齿轮，同时去掉支架9上的轴10，而在支架9的边缘加齿轮，并偏心轮7通过驱动摆动齿轮来周期性改变支架9的角度，这个结构复杂性高，但是使支架9的摆动范围增大一些。但通常以简单的放大偏心轮7来增大支架9的摆动范围。 

齿轮轴1和偏心轮轴2以公知的方法限制其轴向位置，例如固定凸轮轴的方法。 

参考附图2，是一种调相器内部的示意图。支架9上的轴10连接在孔17中，因此与偏心轮的连杆形成刚性连接。本实施例中，支架9上共有6个连接小齿轮的轴，其中2个是轴18和轴22。轴18是作为小齿轮23的轴，轴22是作为小齿轮21的轴。当支架9以齿轮轴的轴线转动时，依靠6个小齿轮的轴带动小齿轮在调相器内部转动。小齿轮18和22都与齿轮段8内部的齿轮24啮合，同时由于齿轮轴上的齿轮25啮合。这样齿轮25的转动方向就是与齿轮段8相反的。齿轮段8与凸轮套管11是一体的，齿轮轴通过齿轮段8驱动凸轮套管11转动。齿轮段8的直径比凸轮套管11大很多，以便容纳小齿轮，使小齿轮不会太小而难于加工且强度太低。凸轮套管11与齿轮段8之间有一个凹环形的结构，等同于凸轮套管11具有一个突起16，凹环机构可以嵌入固定器14d的孔中，使凸轮套管11具有轴向位置的约束能力。偏心轮轴2与齿轮轴是并列安装的，距离根据连杆的长度而定，但需要保证连杆在摆动中不会碰到齿轮轴。 

参考附图1和附图2，齿轮3的齿数、齿轮23、齿轮24、齿轮25的齿数比设计的效果是使凸轮套管11的转速是曲轴转速的二分之一，使凸轮12a、12b能够满足内燃机气门的正时的要求。同时，偏心轮7的周期性运动使支架9周期性转动，因而使凸轮12a、12b的转动角速率周期性变化，即一个恒定的转动角速率上叠加了一个可近似看作正弦波的波动，或者有表述，凸轮12a、12b推动气门19a、19b开启至最大时所经历的时间是可以不同的，因而产生了气门持续开启时间的连续可调的可能。 

参考附图3，前视图的A-A剖面视图中，齿轮轴1具有与凸轮套管11同内径相同的一个突起26，使齿轮轴1能够依靠凸轮套管11固定在固定器14d上，这里省略掉了固定器14c，凸轮套管11所具有的凹环部分是嵌入到固定器14d中的。突起26上有凸轮12b。图中可见凸轮套管11的另一端是由固定器14a和14b固定的。此图是未完全安装的状态，支架9并未 插入到小齿轮27的轴孔之中，而小齿轮位于凸轮套管11内，是正常工作状态的位置。 

参考附图4，首先规定旋转的方向。因为齿轮轴和偏心轮轴2的旋转方向相同，因此偏心轮7与凸轮12a的旋转方向就是相反的。因为偏心轮轴2与凸轮套管的转速同样是曲轴转速的二分之一，因此偏心轮7与凸轮12a的转速就是相同的，只能调节二者的相位关系。假设凸轮12a顺时针转动，偏心轮7必是逆时针转动。图4A中的方向线M表示凸轮12a的方向，图4B中的方向线M表示偏心轮轮7的方向，图4C中的方向线M表示凸轮12a的处于图4A的状态时的方向，而此时也是气门升程处于最大的时刻，即图4D中的升程线M。M标识的意义在于在凸轮12a处于最大推动气门开启升程位置时刻的凸轮12a、偏心轮7的位置，和凸轮12a的角速率三个关键特征的标志，当调节偏心轮7与凸轮12a相位时，这个M标识的位置将改变，在气门升程图图4D中升程线M的位置不变，但二侧的气门升程曲线线形发生变化。图4C中的曲线V1是凸轮12a工作时转动角速率的极坐标表示，曲线V1距离线段S1与方向线M交点的距离，就是凸轮12a工作时转动角速率。可见凸轮12a工作时转动角速率是周期性变化的，周期恰好是凸轮12a转动360的时间，这个周期性变化是偏心轮7赋予的。虚线圆V2就是凸轮12a匀速转动的角速率曲线，与曲线V1是同心的。在曲线V1的基础上叠加一个周期性往复运动的速率就得到曲线V2。图4C中的线段S1是凸轮12a开始推动气门开启的角度位置，线段S2是凸轮12a释放气门使之完全关闭的角度位置。线段S1、线段S2、方向线M与曲线V1的交点就是处于三个时刻的凸轮12a的转动角速率。图4A和图4E是二个偏心轮7方向截然相反的调节状态，对应的偏心轮7方向分别是图4B和图4F。图4C和图4G是这二个状态的凸轮12a的速率图，而图4D是这二个状态下对应的气门升程曲线。图4C和图4G的转动方向是顺时针的，因为此二图是表达凸轮12a的转动角速率的。图4D中的曲轴角度的方向是左小右大，因此曲线S1是气门开启，曲线S2气门关闭。 

调节偏心轮7的与凸轮12a的相位关系，使之达到图4A和图4B相对位置，于是得到凸轮12a如图4C的角速率状态，于是得到图4D上半部分气门升程曲线的形状，曲线S1是气门开启，曲线S2是气门关闭，气门的持续开启时间为A1，气门最大升程为M。 

同理，调节偏心轮7的与凸轮12a的相位关系，使之达到图4E和图4F相对位置，于是得到凸轮12a如图4G的角速率状态，于是得到图4D下半部分气门升程曲线的形状，曲线S1是气门开启，曲线S2是气门关闭，气门的持续开启时间为A2，气门最大升程为M。这样，本实施例机构可以完成改变气门持续开启时间而不改变气门升程的功能。

参考附图5，与附图4类似的，可以引用相关的叙述。所不同的是，图5B中的偏心轮7的方向沿逆时针方向转动了一个角度，这个角度是凸轮12a从开启气门至气门达到最大升程二个位置之间的角度，即图5C中的线段S1与方向线M之间的夹角。此时，线段S1位于凸轮12a转动角速率最大的位置，因此气门开启的升程曲线S1就是最陡峭的，即气门以最快速率开启。同时，线段S2向凸轮12a转动角速率减小的方向移动了，因此气门关闭的速率就降低了，因此图5D中上半部分气门升程曲线S2变得平缓了。结果就是形成了一个气门的持续开启时间A3。持续开启时间A3比附图4D中的A1更加宽，但是曲线S1的位置不同。 

如附图5F所示，当偏心轮7继续旋转一个角度，使图5G下半部分中的线段S2位于凸轮 12a速率最慢的位置时，所显示的气门关闭的曲线S2最为平缓，比附图4D中的下半部分的曲线S2更加平缓。虽然此时的气门持续开启时间A4比A1短，但气门关闭的速率比A1要更慢。 

综合附图4和附图5的说明，调节气门持续开启时间的方法就是通过调节偏心轮轴2的相位，使其超前凸轮12a的角度从零连续调整到180度，于是，气门持续开启时间就从最小调节到最大，具体数值，以不同的具体的设计的不同而相异。 

参考附图6，这是另一种四齿轮系调相器的实施例。调相器有很多种，例如公知技术中的液压型的调相器用于凸轮轴的相位调节，但是齿轮系用于调相器的好处是相应非常快，而且位置非常准确。但如附图2所述的行星齿轮系并不是唯一可以用于调相的齿轮系，还有其他的形式。例如附图6所示的四齿轮系。图6A中，齿轮25是属于齿轮轴的齿轮，齿轮24是与凸轮12a连接成为一体的齿轮。齿轮25与齿轮24的轴固定不动，且齿轮25与齿轮24相互之间不啮合，因为齿轮25与齿轮24是齿轮链上的首尾二端的齿轮。齿轮29和齿轮25和齿轮31啮合，齿轮31与齿轮24和29啮合，形成一个由四个齿轮依次啮合的四齿轮系。齿轮系中啮合的齿轮以连杆28、连杆30、连杆32连接齿轮的轴。当保持齿轮25固定不转动、四齿轮系的连杆相互位置和角度发生变化时，例如由图6A的形状改变到图6B的形状，那么可以明显看到凸轮12a的方向发生改变，从而完成了改变凸轮相位的功能。进而按照附图2的方法将四齿轮系的连杆28、32或者中间二个齿轮29、31的轴上连接到偏心轮机构上，就构成一个与凸轮旋转同步的周期性改变凸轮相位的机构，从而可以改变凸轮的旋转角速度，构成与附图2所述机构功能相同的全可变气门正时机构。 

参考附图6，此四齿轮系的调相器的平衡性不如行星齿轮系，可通过在对侧增加二个与齿轮29和31相同的齿轮，以及与连杆28、30、32相同的连杆，组成另一个四齿轮系，并且使同与齿轮24和齿轮25相连的连杆合并为一个部件，这样平衡性可以改善。附图6所示的四齿轮系是最简洁的机构形式。 

参考附图2至附图5，凸轮12a的角度大小是气门最大持续开启时间和最小持续开启时间的中间值，例如气门持续开启时间从曲轴角度180度至320度，那么凸轮的角度应当是： 

180+(320-180)/2＝250度 

考虑到一些部件运动时的非线性，这个角度需做适当的调整。 

以上附图1至6所描述的机构，具有另一个重要的特征，可以简化成为一种可变气门正时和升程机构。方法如下，参考附图1至6，将齿轮轴1脱离与曲轴相连的链条，连接类似偏心轮调相器5线性控制机构但不含齿轮，曲轴以链条直接连接偏心轮轴2，取消偏心轮调相器5。偏心轮轴的转速是曲轴转速的二分之一，并适当调整各部分的参数，此时凸轮套管11的运动是偏心轮轴2驱动下的摆动而非转动，线性控制机构通过齿轮轴1调整凸轮套管11的摆动范围，因此对气门的控制等同于公开号CN101149000A名为内燃机的可变气门驱动机构的专利。这个简化机构在改变气门持续开启时间的同时也改变了气门的升程，在某些需要提供连续可调气门升程的场合替代所述调相器型全可变气门正时机构，同样这个简化机构也能够适应非常高的内燃机转速下对气门的控制需求。 

总体而言，本发明采用了变速凸轮的技术，凸轮通过一个行星齿轮系连接曲轴驱动的齿轮轴，通过一个与凸轮同步驱动的偏心轮带动行星齿轮系中的行星轮支架周期性摆动，使凸轮的转动角速度在360周期内有一个较大的变化，当推动气门的时间恰好是凸轮快速摆动时，气门持续开启时间短，反之则时间更长。因为整个机构惯性比较小，部件的平衡性好，适合应用的内燃机转速更高。本发明的简化机构可以作为最高转速比较低的需要提供气门连续可调升程功能的内燃机，但机构的原理依然是可调齿轮系机构。 

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 (6)

1.一种调相器型全可变气门正时机构，包含：偏心轮轴，与内燃机的曲轴通过刚性机构相连接，转速是曲轴的二分之一；齿轮轴，与内燃机的曲轴通过刚性机构相连接；调相器，与所述齿轮轴通过齿轮啮合，其齿轮轴通过连杆与所述偏心轮轴相连；偏心轮调相器，调节所述偏心轮轴与曲轴的转动相位关系；凸轮套管，含有凸轮，凸轮与一个驱动气门的滚轮摇臂上的滚轮接触，转速是曲轴转速的二分之一。

所述一种调相器型全可变气门正时机构，其特征还在于可以简化构成一种可变气门正时和升程机构，齿轮轴连接线性控制机构，曲轴以链条直接连接偏心轮轴，偏心轮轴的转速是曲轴转速的二分之一。

2.如权利要求1所述的调相器型全可变气门正时机构，其特征在于所述凸轮套管的一端具有扩大的齿轮段，内部具有齿轮，齿轮与所述齿轮轴的齿轮通过一组小齿轮啮合。

3.如权利要求2所述的调相器型全可变气门正时机构，其特征在于所述一组小齿轮以一个支架连接小齿轮的轴，小齿轮沿所述齿轮轴的角向方向均匀分布。

4.如权利要求1所述的调相器型全可变气门正时机构，其特征在于所述齿轮段的直径比凸轮套管大，具有明显的突起的形状。

5.一种调相器，由行星齿轮机构和控制机构构成。所述行星齿轮机构由所述齿轮轴构成太阳轮，小齿轮构成行星轮，行星轮通过支架相互连接，环齿轮是所述凸轮套管的一部分。所述控制机构由偏心轮轴和连杆构成。偏心轮轴通过连杆连接在所述行星轮的支架上。

6.一种调相器，由四个齿轮和控制机构构成。四个齿轮依次啮合，啮合的齿轮以连杆连接齿轮的轴。首尾二个齿轮不啮合，且轴固定。控制机构连接在连杆上或者中间二个齿轮的轴上。

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