CN104454066B - 一种连续可变升程驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种连续可变升程驱动器，其包括：缸体、驱动缸壁、升程控制缸壁、升程控制套、活塞、活塞杆、驱动缸第一腔、驱动缸第二腔和升程控制装置。所述驱动缸壁设置在所述缸体中，限定具有第一和第二方向的纵向轴线，并在其第一方向的一端具有驱动缸第一端面；所述升程控制缸壁设置在所述缸体中，与所述驱动缸壁同轴，其轴向位置在所述驱动缸壁的第二方向。所述升程控制套滑动设置在所述升程控制缸壁中，并具有升程控制套第一端面。所述连续可变升程驱动器用简单的升程控制装置实现连续的升程控制，保证可靠性及低成本。气门升程基本无超调、比较精确。

Description

一种连续可变升程驱动器

技术领域

本发明是有关于一种可变驱动器技术，且特别是有关于一种连续可变升程驱动器。

背景技术

现有技术中，可以采用各种系统来有效控制气门的正时和升程，来改善发动机的性能、燃油经济性、喷射和其他特性。根据控制的装置或驱动器，这些系统主要地可以分成机械的、电液的（electrohydraulic）和电磁（electromagnetic）形式。控制的变量可以是气门的升程和正时，其中控制的程度有连续的（或称无级的）和离散的（或称有级的）。系统也可以分成有凸轮（cam-based）及无凸轮(camless)的形式。

在有凸轮的系统的情况下，保持传统的发动机凸轮系统并且稍微修改，以间接地控制气门正时和/或气门升程。在无凸轮系统中，传统的发动机凸轮系统用直接驱动各气门的电液或者电磁驱动器完全替换。尽管无凸轮系统提供更宽的可控性，例如汽缸和气门的停用（deactivation），并且由此具有更好的燃油经济性，但是所有现有生产的汽车可变气门系统都是有凸轮的。

一个理想的电液式无凸轮可变气门系统需要同时实现可变正时及可变升程，而且其升程控制需要位置精度高、基本无超调、结构简单以及成本低。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种连续可变升程驱动器，其可以用简单的升程控制装置实现连续的升程控制，其中的活塞可以通过机械限位而达到理想的精度及稳定性。

本发明提出一种连续可变升程驱动器，其包括：

缸体；

驱动缸壁，设置在所述缸体中，限定具有第一和第二方向的纵向轴线，并在其第一方向的一端具有驱动缸第一端面；

升程控制缸壁，设置在所述缸体中，与所述驱动缸壁同轴，其轴向位置在所述驱动缸壁的第二方向；

升程控制套，滑动设置在所述升程控制缸壁中，并具有升程控制套第一端面；

活塞，滑动设置在所述驱动缸壁中，在轴向限于所述驱动缸第一端面和所述升程控制套第一端面之间，其轴向的滑动距离定义为升程，所述活塞在其第一和第二方向的两端分别具有活塞第一端面和活塞第二端面；

活塞杆，能操作地连接于所述活塞第二端面，滑动穿过所述升程控制套；

驱动缸第一腔，为驱动缸壁内的、在所述驱动缸第一端面和所述活塞第一端面之间及附近相连的流体空间；

驱动缸第二腔，为在所述活塞第二端面和所述升程控制套第一端面之间及附近相连的流体空间；及

升程控制装置，与所述升程控制套操作地相连，以便可变地控制所述升程控制套第一端面的轴向位置以及所述升程。

在本发明的优选实施例中，所述升程控制装置包括

升程控制凸轮轴，进一步包括升程控制凸轮；及

升程控制摇臂，将所述升程控制凸轮的旋转位置转化成所述升程控制套的轴向位置，以便控制所述升程。

在本发明的优选实施例中，所述升程控制装置包括

蜗轮和蜗杆机构，将所述蜗杆的旋转位置转化成所述蜗轮环绕着所述升程控制套的旋转位置；及

由所述蜗轮的内圆与所述升程控制套的外圆相配合组成的螺纹机构，将所述蜗轮的旋转位置进一步转化成所述升程控制套的直线位置。

在本发明的优选实施例中，还包括

至少一个升程控制销，设置在所述升程控制套上，以提供所述升程控制摇臂与所述升程控制套之间的连接。

在本发明的优选实施例中，所述至少一个升程控制销上安装有轴承以降低摩擦力。

在本发明的优选实施例中，还包括

升程控制驱动源，转动至少一根所述升程控制凸轮轴；及

每根所述升程控制凸轮轴同时控制一个以上的所述升程控制套。

在本发明的优选实施例中，所述升程控制驱动源是电动马达或液压马达。

在本发明的优选实施例中，还包括：

低压流道；

高压流道；

驱动切换阀，与所述驱动缸第一腔、所述低压流道及所述高压流道流体相连，将所述驱动缸第一腔可切换地与所述低压流道及所述高压流道流体连通。

在本发明的优选实施例中，所述驱动缸第二腔与所述低压流道或所述高压流道流体相通。

在本发明的优选实施例中，所述回位弹簧，能操作地作用于所述活塞杆。

在本发明的优选实施例中，还包括：

发动机气门，其进一步包括气门杆，该气门杆能操作地连接所述活塞杆。

在本发明的优选实施例中，还包括：拉力联轴器，能操作地连接所述气门杆和所述活塞杆。

在本发明的优选实施例中，还包括：

第一腔补流单向阀，其输出口流体连接于所述驱动缸第一腔，以助所述连续可变升程驱动器打开行程的快速启动；以及

节流装置，流体连接于所述驱动缸第一腔，以助所述活塞接近所述驱动缸第一端面时的缓冲。

在本发明的优选实施例中，所述节流装置是可变节流装置。

在本发明的优选实施例中，所述升程控制套包括一个凹陷结构，所述升程控制套的第一端面是该凹陷结构的底面，该凹陷结构为第二缓冲区。

在本发明的优选实施例中，所述升程控制缸壁的内径大于等于所述驱动缸壁的内径。

在本发明的优选实施例中，所述驱动切换阀连接于至少两个所述连续可变升程驱动器。

本发明所述的连续可变升程驱动器可以用简单的升程控制装置实现连续的升程控制，结构的简单化可保证应用中的可靠性及低成本。本发明中，气门在开启的位置是由升程控制套机械限位，气门升程基本无超调、比较精确。气门升程的精确性直接影响到发动机燃烧过程的精确性，因此燃烧效率及排放质量。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明一实施例的连续可变升程驱动器的结构示意图。

图2为本发明另一实施例的连续可变升程驱动器的结构示意图。

图3为本发明又一实施例的连续可变升程驱动器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，但本发明的保护范围不以此实施例为限。本说明书中的术语“顶”及“底”或“上”及“下”等方位用语只是用来表明驱动器各部分在图中的相对位置，而不限制连续可变升程驱动器本身的安装位置或方向。

如图1所示，本发明一个实施例的连续可变升程驱动器包括液压缸20及升程控制装置55。

液压缸20进一步包括缸体21；驱动缸壁22，在所述缸体21中，限定具有第一和第二方向的纵向轴线，并在其第一方向的一端具有驱动缸第一端面24；升程控制缸壁34，在所述缸体21中，与所述驱动缸壁22同轴，其轴向位置在所述驱动缸壁22的第二方向；升程控制套60，滑动设置在所述升程控制缸壁34中，并具有升程控制套第一端面26；活塞30，滑动设置在所述驱动缸壁22中，在轴向限于所述驱动缸第一端面24和所述升程控制套第一端面26之间，其轴向的滑动距离定义为升程(图1中标号S)，所述活塞30在其第一和第二方向的两端分别具有活塞第一端面52和活塞第二端面54；活塞杆31，能操作地连接于所述活塞第二端面54，能滑动地穿过所述升程控制套60；驱动缸第一腔28，为驱动缸壁22内的、在所述驱动缸第一端面24和所述活塞第一端面52之间及附近相连的流体空间；及驱动缸第二腔29，为在所述活塞第二端面54和所述升程控制套第一端面26之间及附近相连的流体空间。

升程控制装置55与所述升程控制套60能操作地相连，以便连续可变地控制所述升程控制套第一端面26的轴向位置以及所述升程。

由于活塞杆31的存在，活塞第二端面54的面积比第一端面52的面积小。在驱动缸壁22上可设置动力内口25，在结构上可如图1的沉割槽。动力内口25的上缘和驱动缸第一端面24之间的轴向长度为Ls1，这部分驱动缸第一腔28为第一缓冲区。当活塞30进入第一缓冲区时，驱动缸第一腔28无法直接或畅通地经过动力内口25排出工作液体而造成缓冲效果。

升程控制套60包括一个凹陷结构，所述升程控制套第一端面26是该凹陷结构的底面，该凹陷结构为第二缓冲区，此凹陷结构的深度为Ls2。当活塞30进入第二缓冲区时，驱动缸第二腔29无法直接或畅通地排出工作液体而造成缓冲效果。为了在结构上包含上述凹陷结构，升程控制套60的外径及因此升程控制缸壁34的内径大于所述驱动缸壁22的内径。

设置在活塞30的侧面上、靠近活塞第一端面52及第二端面54交界处分别有至少一个第一槽口32及至少一个第二槽口33，以为活塞30分别进入第一缓冲区及第二缓冲区时提供逐步的流体释放及减速功能。槽口的形状可以是传统的三角槽，也可以其它较为优化的形状。第一槽口32也可以由设置在动力内口25上缘附近的至少一个槽口（图中未示）来代替。第二槽口33也可以由设置在第二缓冲区侧壁上的至少一个槽口（图中未示）来代替。

升程控制装置55包括升程控制摇臂57及带有升程控制凸轮58的升程控制凸轮轴56。升程控制摇臂57绕着其支点59摇摆，将所述升程控制凸轮58的旋转位置转化成所述升程控制套60的轴向位置，以便控制所述升程。

图1的连续可变升程驱动器还包括至少一个升程控制销62，设置在所述升程控制套60上，以提供所述升程控制摇臂57与所述升程控制套60之间的连接。为了力及运动传递的平衡性，可以沿升程控制套60的周边安装两个升程控制销（图中未示），升程控制摇臂57也可相应地（比如做成叉状结构，图中未示）同时与这两个升程控制销接触。也可让相邻的两个连续可变升程驱动器的升程控制套60共享一个升程控制销62（图中未示），安置在两个升程控制套60之间，再由一个升程控制摇臂57来驱动。

升程控制销62上也可安装有轴承（图中未示）以降低升程控制销62与升程控制摇臂57之间的表面滑动摩擦力。

连续可变升程驱动器还包括升程控制驱动源（图中未示），转动至少一根所述升程控制凸轮轴56； 每根升程控制凸轮轴56可同时控制一个以上的（比如用于控制整排进气门或排气门的）升程控制套60。

所述升程控制驱动源可以是个电动马达（图中未示），比如直流马达、步进马达等。驱动源也可以是液压马达（图中未示），比如叶片马达等。在升程控制凸轮轴56与马达输出轴之间可加入适当的传动机构（比如蜗轮蜗杆）以达到合理的速度比、扭矩比及空间布置。

图1的连续可变升程驱动器还包括：低压流道46；高压流道44；驱动切换阀40，与所述驱动缸第一腔28、所述低压流道46及所述高压流道44流体相连，能将所述驱动缸第一腔28可切换地与所述低压流道46及所述高压流道44流体连通。

图1的连续可变升程驱动器还包括发动机气门80和回位弹簧85。发动机气门80进一步包括气门杆81，该气门杆81能操作地连接所述活塞杆31。在图1中，气门杆81与活塞杆31通过直接的表面接触来连接。回位弹簧85通过上弹簧座72作用于气门杆81，再能操作地、间接地作用于所述活塞杆31。

图1中的所述驱动缸第二腔29与所述低压流道46流体相通，所以气门80或活塞杆31的向上的回位运动主要由回位弹簧85提供动力，而不是由活塞30提供动力。

图1的连续可变升程驱动器还包括第一腔补流单向阀48及节流装置49。第一腔补流单向阀48的输出口流体连接于所述驱动缸第一腔28，以助连续可变升程驱动器打开行程的快速启动。节流装置49流体连接于所述驱动缸第一腔，以助活塞30接近驱动缸第一端面24时的缓冲。

连续可变升程驱动器的运行

(1) 连续可变升程驱动器的默认状态如图1所示，驱动切换阀40将驱动缸第一腔28与低压流道46流体相通，驱动缸第二腔29也保持与低压流道46流体相通，活塞30上的净液压力几乎可忽略，活塞30、活塞杆31及气门80在回位弹簧85的作用下保持回位状态，其中气门80处于关闭状态。另外，要么活塞30与驱动缸第一端面24保持一定的间歇（图1中的状态），要么活塞杆31与气门杆81保持一定的间歇。

（2）驱动切换阀40切换成与图1相反的状态，驱动缸第一腔28与高压流道44流体相通，同时驱动缸第二腔29保持与低压流道46流体相通，活塞30上因此有一个较明显的、向下的净液压力，能克服回位弹簧85的弹簧力而驱动气门80下行，并将其打开，直至活塞30被升程控制套第一端面26机械限位，整个行程的距离为升程S。在行程的起始距离Ls1内，第一腔补流单向阀48可帮助高压流体快速进入驱动缸第一腔28。在行程的最后距离Ls2内，活塞30进入第二缓冲区，驱动缸第二腔29无法直接或畅通地排出工作液体而造成缓冲效果。升程控制装置55通过升程控制凸轮轴56、升程控制凸轮58及升程控制摇臂57来控制升程控制套60及其第一端面26的轴向位置，达到可变升程的功能。

（3）驱动切换阀40切换回如图1所示的状态，驱动缸第一腔28与驱动缸第二腔29一样与低压流道46流体相通，活塞30上的净液压力几乎可忽略。回位弹簧85的弹簧力可驱动气门80上行，直至关闭。在行程的最后距离Ls1内，活塞30进入第一缓冲区，驱动缸第一腔28无法直接或畅通地通过动力内口25、而是通过节流装置49排出工作液体而造成缓冲效果。

每一个驱动切换阀也可同时连接于至少两个所述连续可变升程驱动器，比如驱动同一内燃机气缸上的两个进气门或两个排气门。

图2所示本发明另一实施例的连续可变升程驱动器，其中的节流装置49b是可变节流装置；其中的驱动缸第二腔29与所述高压流道44流体相通，以便气门在关闭运动时也有液压力的的控制。而且由于回程液压力的存在，回位弹簧85是可选择的；比如，如果去掉回位弹簧85，则气门的关闭行程就完全靠回程液压力控制。连续可变升程驱动器还包括拉力联轴器50，能操作地连接所述气门杆和所述活塞杆，至少能承担两者之间的拉力。为了简化精密加工工艺，可以让升程控制缸壁34b的内径等于驱动缸壁22的内径。

如图2所示，升程控制摇臂57b上也可以增加销槽64，以提高升程控制摇臂57b对升程控制销62或升程控制套60b的轴向控制，尤其不让升程控制套60b向上游离升程控制摇臂57b。当然在图2中，驱动缸第二腔29保持在高压下，因此升程控制套60b没有向上游离的可能。在图1及图3中，驱动缸第二腔29保持与低压流道46的连通，只要低压流道46保持一定的背压，游离的可能不大。当然，在活塞30刚开始向上运动时，第二缓冲区内可能产生负压或较低的压力，要通过合理的设计避免升程控制套60的游离倾向。比如，第二槽口33可以帮助降低或避免第二缓冲区内的负压。另外，也可以增加某些回位装置（类似回位弹簧，图中未示）来保证升程控制摇臂57b与升程控制凸轮58或升程控制销62的接触。

另外，图2连续可变升程驱动器中的升程控制装置55b正把升程S控制在比较短的状况。

图3所示本发明另一实施例的连续可变升程驱动器，其中的升程控制装置55c包括：蜗轮68蜗杆69机构，将蜗杆69的旋转位置转化在蜗轮68环绕着升程控制套60c的旋转位置；由蜗轮68内圆与升程控制套60c外圆相配合组成的螺纹机构66，将蜗轮68的旋转位置进一步转化成升程控制套60c的直线位置。在轴向，蜗轮68受到缸体21c或其它结构件（图中未示）的制约而没有移动空间。螺纹机构66可以是滚珠丝杠（图中未示）以便提高传递效率及精度。同一蜗杆69可以控制多个连续可变升程驱动器的蜗轮68，比如整个发动机可有两根蜗杆，其中一根控制所有的进气门升程，另一根控制所有的排气门升程。如果空间布置允许，甚至可将一根蜗杆放置在进、排气门之间同步控制所有气门的升程。蜗杆69的旋转位置可进一步由一电动执行器或其它执行器提供动力及控制。

此外，本发明中的回位弹簧85可为具有相同、相当或类似功能的其他结构，比如气动弹簧（图中未显示），来实现连续可变升程驱动器回位机构的功能，此处不再一一列举。此外，本发明中各种切换阀及控制阀不限于上述切换阀及控制阀的结构、组合或控制形式，可由其它结构、组合或控制形式来代替。比如，一个两位三通阀可由两个两位两通阀替代（图中未显示）；一个直动阀可由一个两级或多级阀来代替；一个常开阀可由一个常闭阀来代替；单电磁铁控制的阀可由双电磁铁控制的阀来代替。

本发明中，同一驱动切换阀40也可同时控制至少两个连续可变升程驱动器（图中未示）。比如在一个发动机气缸上，同一驱动切换阀40可同步控制两个进气门或两个排气门的连续可变升程驱动器。

本发明中，不少流道在结构上不一定是独立于缸体21的，在各图中所显示的结构独立性或独立性的表象只是为了描述或示意的方便。如果需要，它们的任一个可以直接结合在缸体21中。

本发明所述的连续可变升程驱动器可以用简单的升程控制装置实现连续的升程控制。本发明中，气门在开启的位置是由升程控制套机械限位，因此气门升程基本无超调，升程精确。气门升程的精确性直接影响到进排气量的发动机燃烧过程的精确性，因此燃烧效率及排放质量。对升程超调的控制也可减小气门与内燃机活塞碰撞的可能性。

可以理解，本发明所述的连续可变升程驱动器可用在气门控制，也可以用在其他适用的场合。

以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (17)

1.一种连续可变升程驱动器，其包括：

缸体；

驱动缸壁，设置在所述缸体中，限定具有第一和第二方向的纵向轴线，并在其第一方向的一端具有驱动缸第一端面；

升程控制缸壁，设置在所述缸体中，与所述驱动缸壁同轴，其轴向位置在所述驱动缸壁的第二方向；

升程控制套，滑动设置在所述升程控制缸壁中，并具有升程控制套第一端面；

活塞，滑动设置在所述驱动缸壁中，在轴向限于所述驱动缸第一端面和所述升程控制套第一端面之间，其轴向的滑动距离定义为升程，所述活塞在其第一和第二方向的两端分别具有活塞第一端面和活塞第二端面；

活塞杆，能操作地连接于所述活塞第二端面，滑动穿过所述升程控制套；

驱动缸第一腔，为驱动缸壁内的、在所述驱动缸第一端面和所述活塞第一端面之间及附近相连的流体空间；

驱动缸第二腔，为在所述活塞第二端面和所述升程控制套第一端面之间及附近相连的流体空间；及

升程控制装置，与所述升程控制套可操作地相连，以便可变地控制所述升程控制套第一端面的轴向位置以及所述升程，

所述升程控制装置包括升程控制凸轮轴，进一步包括升程控制凸轮，该升程控制凸轮与所述升程控制套可操作地相连，以便可变地控制所述升程控制套第一端面的轴向位置以及所述升程。

2. 根据权利要求1所述的一种连续可变升程驱动器，其特征在于：所述升程控制装置进一步包括升程控制摇臂，以将所述升程控制凸轮的旋转位置转化成所述升程控制套的轴向位置，以便控制所述升程。

3.根据权利要求1所述的连续可变升程驱动器，其特征在于，还包括

至少一个升程控制销，设置在所述升程控制套上，以提供所述升程控制摇臂与所述升程控制套之间的连接。

4.根据权利要求3所述的连续可变升程驱动器，其特征在于，

所述至少一个升程控制销上安装有轴承以降低摩擦力。

5. 根据权利要求1所述的连续可变升程驱动器，其特征在于，还包括

升程控制驱动源，转动至少一根所述升程控制凸轮轴；及

每根所述升程控制凸轮轴同时控制一个以上的所述升程控制套。

6.根据权利要求5所述的连续可变升程驱动器，其特征在于，

所述升程控制驱动源是电动马达或液压马达。

7.一种连续可变升程驱动器，其包括：

缸体；

驱动缸壁，设置在所述缸体中，限定具有第一和第二方向的纵向轴线，并在其第一方向的一端具有驱动缸第一端面；

升程控制缸壁，设置在所述缸体中，与所述驱动缸壁同轴，其轴向位置在所述驱动缸壁的第二方向；

升程控制套，滑动设置在所述升程控制缸壁中，并具有升程控制套第一端面；

活塞，滑动设置在所述驱动缸壁中，在轴向限于所述驱动缸第一端面和所述升程控制套第一端面之间，其轴向的滑动距离定义为升程，所述活塞在其第一和第二方向的两端分别具有活塞第一端面和活塞第二端面；

活塞杆，能操作地连接于所述活塞第二端面，滑动穿过所述升程控制套；

驱动缸第一腔，为驱动缸壁内的、在所述驱动缸第一端面和所述活塞第一端面之间及附近相连的流体空间；

驱动缸第二腔，为在所述活塞第二端面和所述升程控制套第一端面之间及附近相连的流体空间；及

升程控制装置，与所述升程控制套可操作地相连，以便可变地控制所述升程控制套第一端面的轴向位置以及所述升程，

所述升程控制装置包括蜗轮和蜗杆机构，将所述蜗杆的旋转位置转化成所述蜗轮环绕着所述升程控制套的旋转位置；及由所述蜗轮的内圆与所述升程控制套的外圆相配合组成的螺纹机构，将所述蜗轮的旋转位置进一步转化成所述升程控制套的直线位置。

8.根据权利要求1或7所述的连续可变升程驱动器，还包括：

低压流道；

高压流道；

驱动切换阀，与所述驱动缸第一腔、所述低压流道及所述高压流道流体相连，将所述驱动缸第一腔可切换地与所述低压流道及所述高压流道流体连通。

9.根据权利要求8所述的连续可变升程驱动器，其特征在于，

所述驱动缸第二腔与所述低压流道或所述高压流道流体相通。

10.根据权利要求1或7所述的连续可变升程驱动器，其特征在于，

回位弹簧，能操作地作用于所述活塞杆。

11.根据权利要求1或7所述的连续可变升程驱动器，其特征在于，还包括：

发动机气门，其进一步包括气门杆，该气门杆能操作地连接所述活塞杆。

12.根据权利要求11所述的连续可变升程驱动器，其特征在于，还包括：

拉力联轴器，能操作地连接所述气门杆和所述活塞杆。

13.根据权利要求1或7所述的连续可变升程驱动器，还包括：

第一腔补流单向阀，其输出口流体连接于所述驱动缸第一腔，以助所述连续可变升程驱动器打开行程的快速启动；以及

节流装置，流体连接于所述驱动缸第一腔，以助所述活塞接近所述驱动缸第一端面时的缓冲。

14.根据权利要求13所述的连续可变升程驱动器，其特征在于，所述节流装置是可变节流装置。

15.根据权利要求1或7所述的连续可变升程驱动器，其特征在于，所述升程控制套包括一个凹陷结构，所述升程控制套第一端面是该凹陷结构的底面，该凹陷结构为第二缓冲区。

16.根据权利要求1或7所述的连续可变升程驱动器，其特征在于，

所述升程控制缸壁的内径大于等于所述驱动缸壁的内径。

17.根据权利要求1或7所述的连续可变升程驱动器，其特征在于，所述驱动切换阀连接于至少两个所述连续可变升程驱动器。