CN106640250A - 凸轮和控制轴套嵌共轴的全可变气门正时和升程装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种凸轮和控制轴套嵌共轴的全可变气门正时和升程装置，凸轮轴与控制气门升程和正时的控制轴具有相同的轴线；当凸轮轴在控制轴内部时，采用内凹型凸轮，当在外部时，需要二根在轴向差动的控制轴，而在角向的运动推动外部的凸轮转动，即凸轮的轴与控制轴合并；当凸轮轴在控制轴内部时，外部控制轴具有二种形式，单轴形式中控制轴角向转动调节和轴向运动相互配合调节正时和升程，双控制轴形式中二根控制轴的独立转动相互配合调节气门的正时和升程；所述凸轮轴的液压调相器和控制轴的液压线性控制器合并为一个复杂液压驱动器。本发明采用可控斜面和可调双杠杆二种原理、三种机构实现连续且独立可调气门正时和气门升程。

Description

凸轮和控制轴套嵌共轴的全可变气门正时和升程装置

技术领域

本发明涉及凸轮和控制轴套嵌共轴的全可变气门正时和升程装置，是往复活塞式内燃机领域中驱动气门的机构之一，能够使气门的正时和升程各自独立连续调节。

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CN102678220B名为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专利中，虽然可以做到连续可调气门持续开启时间，而且结构极致的简单，但是所示的机构中的滚珠的所受到的局部应力过大，当整个机构使用在柴油机等气门开启的力量很高时会导致寿命不足，需要对机构进行升级的设计来完善寿命方面的性能。

针对类似技术的不足，需要一种体积紧凑、能够将所有气门连续可调正时和升程的部件集中于一根类似带液压调相器的凸轮轴的体积和形状之中，如此利于直接替换凸轮轴应用于现有内燃机，并提高气门控制的准确性和效率。

发明内容

本专利为改进上述不足作出新的解决方案，提供凸轮和控制轴套嵌共轴的全可变气门正时和升程装置，凸轮轴与控制气门升程和正时的控制轴具有相同的轴线，相互套嵌在一起；当凸轮轴在控制轴内部时，采用内凹型凸轮，当在外部时，采用普通凸轮，二根控制轴在轴向独立运动，而在角向的运动推动外部的凸轮转动，即凸轮的轴与控制轴合并；当凸轮轴在控制轴内部时，外部控制轴具有二种形式，单轴形式中控制轴角向转动调节和轴向运动调节相互配合调节正时和升程，双控制轴形式中二根控制轴的独立转动相互配合调节气门的正时和升程，控制轴的控制作用运动是轴截面的角向方向，且二个控制轴相互套嵌共轴。凸轮轴通过一个变速机构驱动摆动凸轮控制气门的开闭时机和升程大小，变速机构可连续改变摆动凸轮摆动的角速度和初始位置，变速机构的运动平面是凸轮轴线的横截面；所述控制轴控制变速机构的输入输出的冲程比例，并在凸轮轴线的横截面的角向控制摆动凸轮的初始角度。摆动凸轮与所述控制轴同轴。凸轮轴的液压调相器和控制轴的液压线性控制器合并为一个具有三参数控制结构的复杂液压驱动器。

附图说明

图1是层叠双摇臂变速机构原理示意图，示出了层叠双摇臂变速机构通过角向移动改变冲程大小，可用于气门正时连续可调。

图2是可变斜面变速机构原理示意图，示出了可变斜面变速机构用斜面的斜率连续可调实现冲程连续可调，可用于气门正时连续可调。

图3是内凹式凸轮示意图，示出了内凹凸轮的轴的直径比凸轮旋转直径更大。

图4是凸轮和控制轴套嵌共轴的全可变气门正时和升程装置第1实施例的总体示意图，示出了机构中各个部分的相互关系。

图5是第1实施例的轴截面示意图，示出了内凹凸轮驱动滚轮摇臂在可变斜面上滑动构成的核心机构。

图6是第1实施例的纵向截面示意图，示出了控制轴与可控斜板的连接方法。

图7是第1实施例的三参数液压控制器的剖视图，示出了液压调相器和二个控制轴的角向控制器合并为一个整体的控制器。

图8是第2实施例的总体示意图，示出了机构中各个部分的相互关系。

图9是第2实施例的纵截面示意图，示出了核心机构的部件相互关系。

图10是第2实施例的三参数液压控制器的示意图，示出了液压调相器和二个控制轴的轴向控制器合并为一个整体的控制器。

图11是第2实施例的核心机构外部视图，示出了弹簧的安装方法和各部分之间的关系。

图12是第2实施例的部分部件的示意图，示出了这些部件与控制轴连接的凸起的形状和部件组合方式。

图13是第2实施例的部分部件的示意图，示出了固定器上的花键齿与大摇臂控制套管上的花键齿的啮合方式。

图14是第2实施例的核心部分在摆动凸轮处的横截面的示意图，示出了滚珠和轨道、摇臂驱动套管和摇臂作动套管之间的连接关系。

图15是第2实施例的核心部分在凸轮处的横截面的示意图，示出了大小摇臂与摆动凸轮之间的连接关系。

图16是第2实施例的控制轴上开孔的示意图，示出了控制轴上开孔的位置和大小、深度。

图17是第3实施例的总体示意图，示出了机构中各个部分的相互关系。

图18是第3实施例的核心部分在小摇臂处的横截面的示意图，示出了由大小二个摇臂和控制轴组成的机构运作的基本原理。

图19是第3实施例的纵截面的示意图，示出了内层摇臂在外层摇臂中沿轴向移动的运作方式。

图20是第3实施例的三参数液压控制器的示意图，示出了液压调相器和单个控制轴的轴向与角向控制器合并为一个整体的控制器。

图21是第3实施例的小摇臂结构图，小摇臂的组装需要借助弹簧的转动枢轴。

图22是全部3个实施例的气门控制效果图，示出了可实现可变气门正时和升程独立调节的控制效果。

具体实施方式

下面将参考附图来叙述3个示例性实施例。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，这些是公知的技术和部件，省略其具体的设计和作用的叙述。

参考附图1，层叠双摇臂变速机构原理示意图，大摇臂1一端固定在轴7上，另一端有弧面3，弧面3紧密接触滚轮4，滚轮4固定在类似摆动凸轮部件侧面的转动枢轴上。大摇臂1内部是小摇臂2，小摇臂2一端固定于轴6，另一端是滚轮8，滚轮8外侧接触大摇臂1的内侧弧面，内侧接触凸轮5。图1A和图1B的中小摇臂2的实现与虚线之间的区别在于大摇臂1与滚轮4的位置、小摇臂2与大摇臂1的角向位置的差别，小摇臂2相对于与大摇臂1的移动导致滚轮8作为大摇臂1的动力点和动力臂的长度发生变化，从而改变了大摇臂1的杠杆比例，改变了大摇臂1推动滚轮4运动的冲程距离，这是改变杠杆比例的变速驱动的结果，改变比例的杠杆系统就是变速系统。因此，层叠双摇臂变速机构通过角向移动改变冲程大小，可用于气门正时连续可调。视大摇臂1内侧弧线的弧心处于凸轮5轴线上的二种情况具有二种不同的作用。图1A显示当凸轮5的桃尖接触滚轮8时是气门升程最高点，此时调节小摇臂2的角向位置而气门升程不变，当大小摇臂恢复到气门关闭时，大摇臂1内侧弧线的弧心偏离凸轮5轴线，此时调节小摇臂2的角向位置而气门打开和关闭的曲轴角度改变，从而导致气门正时改变，这种调节作用的结果就是气门正时改变而升程不变，是典型的全可变气门正时。而调节气门升程就直接改变大摇臂1的角向位置就可以了。如此形成了气门正时和升程的独立、连续的调节作用。图1B显示当凸轮5未推动滚轮8时大摇臂1的内侧弧线的弧心恰好在凸轮5轴线上时调节小摇臂2的角向位置而连续改变了对大摇臂1的支点位置从而改变了大摇臂1的摆动角度，而连续调节大摇臂1的角向位置就改变了大摇臂1的初始位置，摆动角度和初始位置的连续调节配合起来可以决定摆动凸轮的摆动终点位置和摆动范围，摆动终点就是气门升程，摆动范围决定论气门持续打开的曲轴角度，就形成了气门正时和升程的独立、连续的调节作用。因此图1A和图1B二种层叠双摇臂变速机构都可以实现气门正时和升程的独立、连续的调节作用，控制律略有不同，但非常相似。

参考附图2，可变斜面变速机构原理示意图中，滚轮摇臂9一端固定于轴12，另一端具有滚轮10，滚轮10一侧与凸轮5接触，另一侧与可变斜面板11接触，可变斜面板11靠近凸轮5的一端固定于轴13。图2A中当凸轮5未推动滚轮10时，可变斜面板11从实线变为虚线时，滚轮10和滚了摇臂9被推动向顺时针的角向移动一个距离，而轴12是固定于类似摆动凸轮的侧面，这样摆动凸轮的初始位置就改变了；图2A中当凸轮5未推动滚轮10时，可变斜面板11从实线变为虚线时，滚轮10和滚了摇臂9被推动向顺时针的角向移动一个距离，而轴12是固定于类似摆动凸轮的侧面，这样摆动凸轮的初始位置就改变了；图2B中当凸轮5推动滚轮10时，实线与虚线之间的距离明显比图2A中要大一些，说明滚轮摇臂9或者摆动凸轮的摆动角度范围变大了，这就是变速作用。类似的，摆动角度和初始位置的连续调节配合起来可以决定摆动凸轮的摆动终点位置和摆动范围，摆动终点就是气门升程，摆动范围决定论气门持续打开的曲轴角度，就形成了气门正时和升程的独立、连续的调节作用。因而可变斜面变速机构用斜面的斜率连续可调实现气门正时和升程的连续可调。

参考附图3，本发明因为要将凸轮轴与控制轴合并且同轴，所以为了降低整体的直径，使用内凹式凸轮是更好的选择。内凹凸轮的轴的直径比凸轮旋转直径更大，也就是以旋转轴为基准，凸轮轴上具有凸轮14、凸轮15、凸轮16和凸轮17四个凸轮，从A-A剖面的放大图中可见，凸轮轴的直径19比凸轮14的桃尖18相对于凸轮内部的轴孔20的尺寸还要大，因而从侧面看上去，凸轮14-17是向轴内部凹进去的，传统凸轮的桃尖只是向内凹陷最少的部分，而其他部分凹陷的数值更大。在凸轮轴受力方面，图14-17的桃尖部分和靠近轴孔20的部分是传力杠杆的二个支点，凸轮14-17的宽度比凸轮轴的直径19小很多，这二个特征保证了凸轮轴具有足够的强度来传递扭力，又能够保证凸轮14-17能够提供足够大的冲程来驱动气门，且凸轮轴的旋转直径最小，因而可用于一些想要尽量降低部件尺寸的场合。

以下来具体说明第1个示例性实施例的应用方法。

参考附图4，第1实施例的总体外观图。第1实施例采用附图2的可变斜面变速机构，液压调相器21内部是可控制二个套嵌同轴的控制轴的2参数液压控制器22，螺栓23用固定器24将液压控制22的套管26固定于气缸盖上。套管26上有孔，与固定器24上的孔对应，使用固定栓25将套管26和液压控制器22固定于固定器24上。这里的液压控制器22是其外壳，外壳是固定的，里面的部件可以转动来控制控制轴B27的角向线性转动。控制轴B27上对应每一组2个气门的位置上具有一个角向槽口28，槽口28对应内部的另一个控制轴的固定孔，槽口28为固定栓的角向移动而开。固定孔29是另一组气门对应的相应的控制机构的固定孔，这里隐去二组气门的驱动装置以便看清内部控制轴的开孔情况。除了类似槽口28的开口，控制轴B27上还有角向的槽口33，对应内部控制轴的槽口31，这二个槽口都是为了给内部的内凹凸轮轴32上的凸轮开口，以便让滚轮摇臂能够接触到相应的凸轮并形成驱动作用。螺栓34将固定器35和摆动凸轮36固定于气缸盖上，受驱动机构限制，摆动凸轮36可以在一个角度范围内摆动。摆动凸轮36上有二个凸轮，分别驱动气门45、气门46。驱动气门42和气门43的摆动凸轮44的中间部分的套管44，与固定器35覆盖的摆动凸轮36的部分是相同的。滚轮摇臂39的枢轴是固定在套管44上的，滚轮摇臂39的一端的滚轮与可变斜板38紧密接触，可变斜板38上面是控制斜板37，用来控制可变斜板38的倾斜角度。一个螺旋扭力弹簧41的与控制轴B27同轴，弹簧41的一端固定在摆动凸轮44上，另一端固定在控制轴B27上。控制轴B27上的固定孔30是用来固定一个套管，套管上固定了可变斜板38。固定孔30是每组气门一个，就如槽口31和槽口33一样。

参考附图5，用横截面示意图说明气门驱动机构的原理。可变斜板38上面是控制斜板37，滚轮摇臂39一端连接枢轴49且枢轴49与摆动凸轮44是一个部件的不同部分，另一端具有滚轮47，中间有滚轮48，滚轮47从内向外顶住可变斜板38，控制斜板37从外向内顶住可变斜板38，且可变斜板38的一端是凸出的半球形，插入斜板控制套管50的突起部分的凹陷的半球形，这样可变斜板38得到了完全了约束，且受到控制斜板37和斜板控制套管50的双重约束，当二者朝向不同方向运动的结果就是可变斜板38的倾斜角度发生变化。扇形挡板55是为了在轴向一边约束可变斜板38，另一边有另一个约束部件，使得可变斜板38不会滑出凹陷半球。滚轮48与凸轮32紧密接触，为了给滚轮48和滚了摇臂39让开运动空间，于是必需在控制轴B27上开槽口53、在控制轴A56上开槽口54，槽口53对应槽口33，二者同等作用，仅仅是不同的气门组和不同的驱动机构。同样槽口54对应槽口31。固定栓51将斜板控制套管50与控制轴B27固定，这样控制轴B27就可以控制可变斜板38的角度。螺旋扭力弹簧41与控制轴B27、控制轴A56、凸轮32、摆动凸轮44都是同轴的。摆动凸轮44在这样一个驱动机构的二参数可变驱动下可以驱动气门滚轮摇臂上的滚轮52从而完成气门驱动的工作。

参考附图6，纵向截面示意图中，控制轴B27内部是控制轴A56，控制轴A56通过固定栓58连接斜板控制套管57，且控制斜板37与斜板控制套管57是一个部件，相互位置固定。固定栓58在控制轴B27的槽口中可自由转动。因此综合附图5和附图6，可明了使用可变斜面原理的气门驱动机构的基本结构。

参考附图7，三参数液压控制器的剖视图，图7A是横截面剖视图，图7B是轴截面。图7A中，液压调相器21和二个控制轴的角向控制器22合并为一个整体的控制器，因为液压调相器21上有链轮，因而是输入端，输出端的从动部分59将连凸轮轴32。在图7B中可以见到从动部分59与凸轮轴32是一体的，或者利用一些固定部件固定在一起。控制器22的动叶61是空心的，动叶61内部是动叶60，动叶61驱动的是控制轴A56，动叶60驱动的是控制轴B27。固定器24将角向控制器22压在气缸盖上，同时固定栓25将套管26固定在固定器24上，这样角向控制器22也不可转动而被完全固定。这里缺乏凸轮轴32的轴向固定，还有液压调相器和控制器的组装技术，以及动叶61与控制轴A56、动叶60与控制轴B27，皆可以采用通用技术，这里略述。

参考附图4到附图7，总体上来说，为了尽可能做到体积最小，控制轴B27、控制轴A56和凸轮轴32采用同轴、分层、套嵌的布置方法，控制斜板37和可变斜板38也尽量以环绕控制轴的方式布置，使得总体来看与普通的液压调相器配合简单凸轮的气门驱动系统在尺寸和形状上非常相近，应用本发明的时候，只需对现有内燃机的气缸盖做微调即可，不必做根本的改变，有利于降低成本。

以下来具体说明第2个示例性实施例的应用方法。

参考附图8，第2实施例的总体示意图中，只显示了驱动气门42和43的驱动装置，螺栓73将固定器74和液压调相器62延伸的套管72一同固定在气缸盖上，套管72可以转动。控制轴63上的槽口64用来安装驱动装置的部件。固定器65用来约束摆动凸轮68，固定器66用来约束摆动凸轮69，大摇臂67同时驱动摆动凸轮68和69，摆动凸轮68驱动气门42，摆动凸轮69驱动气门43。而轴承外环76的内轴固定在控制轴63，而控制轴70在控制轴63的内部。气门45和46以及其他气门皆以相同装置驱动。

参考附图9，第2实施例的气门驱动机构的轴截面剖视图，固定器65约束摆动凸轮68，二者中间有滚珠81，使得摆动凸轮68在轴向也被完全约束；固定器66约束摆动凸轮69，二者中间有滚珠82，使得摆动凸轮69在轴向也被完全约束。轴承外环76套轴承内环77，其间有滚珠91，轴承内环77也是大摇臂控制套管77的一部分，大摇臂控制套管77上的滑槽与大摇臂作动套管80上的突起90形成滑动配合，大摇臂控制套管77的轴向运动转变成大摇臂作动套管80的角向转动。大摇臂作动套管80也是直接接触摆动凸轮68的具有枢轴作用的部件，因而摆动凸轮68可以绕大摇臂作动套管80做摆动动作。同理，轴承外环71套轴承内环78，其间有滚珠92，轴承内环78也是小摇臂控制套管78的一部分，小摇臂控制套管78上的滑槽与小摇臂作动套管79上的凸起89形成滑动配合，小摇臂作动套管78的轴向运动转变成小摇臂作动套管79的角向转动。小摇臂作动套管79也是直接接触摆动凸轮69的具有枢轴作用的部件，因而摆动凸轮69可以绕小摇臂作动套管79做摆动动作。轴承外环76是固定在控制轴63上，轴承外环71是固定在控制轴70上的。因而对于轴承外环76和71而言是随着控制轴63和70一同旋转的，这里没有凸轮轴，因为控制轴63和70一同旋转带动了凸轮87，因而凸轮轴被二根控制轴替代了，这种替代的好处是结构更加简单，而且角向刚性更好。凸轮87推动了滚轮86，滚轮86的轴83也是滚轮84和85的轴，因此凸轮87也推动了滚轮84和85。大摇臂67的内壁对应滚轮84和85的部分是凸出来的，而对应滚轮86的部分是凹进去的，使得滚轮84和85只与大摇臂67的内壁接触，而滚轮86只与凸轮87接触，这样设计的好处是无论大摇臂67和滚轮87都是处于滚动摩擦的状态，摩擦损耗较小，而且通过轴83传动强度高、结构简单。滚轮84和85与滚轮86之间具有一个间隔环，使得相邻二个滚轮内部的滚针不会相互干扰而发生故障。凸轮87的传动是依靠控制轴63上的组装上去的套管88，凸轮87和套管88上皆有花键齿，使得控制轴63在轴向的运动不影响凸轮87的转动。轴83同时也将滚轮84、85、86固定在小摇臂上，这样就可以控制其角向位置。滚轮93和94分别是摆动凸轮68和69推动的气门滚轮摇臂上的滚轮。

参考附图10，第2实施例的三参数液压控制器的轴向剖视图可以看到，为了保证控制轴63和70在轴向受控线性移动而在角向同步转动，二者的液压控制器内部的液缸75内壁具有较宽的花键齿98，同时与控制轴63连接的液压活塞96、与控制轴70连接的液压活塞97上也有相应的宽花键齿，这些花键齿可以保证液压控制器带动二个控制轴同步转动。液缸75同时具有分割板以便分开液压活塞96和97所属的二个液缸，令二者分别独立受动运动。液缸75同时与液压调相器62的从动部分是一体的，如此液压调相器62可以调节链轮95与控制轴63和70之间的转动相位关系，即曲轴与凸轮之间的转动相位关系，因而控制轴63和70也就是等同于凸轮轴。液缸75延伸出来的套管72由固定器74和螺栓73固定在气缸盖上，只可以转动。

参考附图11，第2实施例弹簧的安装方法在于摆动凸轮68的弹簧97一端固定在大摇臂作动套管80的凸出部分上，另一端抵触在摆动凸轮68的延伸段的侧面，而摆动凸轮69的弹簧98则是安装在大摇臂作动套管80的延伸出来的弹簧架163上，另一端抵触在摆动凸轮69的延伸段的侧面，所提供的弹力，使得摆动凸轮68和69向关闭气门的方向转动。大摇臂67的形状是特殊的，摆动的一端很宽，因为要同时驱动二个摆动凸轮，而中间连杆100部分则是偏向大摇臂作动套管80这一侧，且就在紧贴大摇臂作动套管80的上方，而后在接近转动枢轴时再转回到中间位置，这样做是为了避开中间的凸轮87的回旋范围，且要让开小摇臂作动套管79及小摇臂转动枢轴。固定器65和螺栓96向下压住摆动凸轮68，以便使之在摆动时能够推动气门滚轮摇臂上的滚轮93，固定器66和螺栓99向下压住摆动凸轮69，以便使之在摆动时能够推动气门滚轮摇臂上的滚轮94。轴承外环76和大摇臂控制套管77构成一个完整的滚珠轴承，轴承外环71和小摇臂控制套管78构成一个完整的滚珠轴承，二个轴承在轴向具有双向承力能力，以便实现完整的轴向控制和约束能力。小摇臂作动套管79在摆动凸轮69和小摇臂控制套管78之间。轴承外环71是由二部分组成的，用一个椭圆固定器95将二个部分的突起紧固在一起，这样设计是为了使得轴承外环71的凸出部分可以插入控制轴中的槽口，使得轴承外环71与控制轴完全固定不能移动。轴承外环71到摆动凸轮69、轴承外环76到摆动凸轮68的距离要保证控制轴在轴向移动的距离内不能与摆动凸轮68、69碰撞。

参考图12，第2实施例的部分部件与控制轴连接的凸起形状和部件组合方式，轴承外环71和102上各有二个突起，突起103和突起104用一个椭圆固定器95固定在一起，将轴承外环71和102紧紧拉紧固定在一起。轴承外环71上具有一个较长的突起105，轴承外环102上具有一个较长的突起106且突起105、106在轴向是有一个拉长的形状，这样便于承受更大的力量。用来驱动凸轮87的套管88也是分二部分的，一个是套管88，对侧是套管101，套管101上具有一个突起88，深度比较浅，在套管88上也有一个，这样二部分拼接之后突起88就嵌入控制轴中的槽口，再装入凸轮87就将二部分固定在控制轴上。轴承外环109上具有一个较浅的突起107，也是用来将轴承外环固定在外面的控制轴上的，突起105、106固定于较深的控制轴。轴承外环76和大摇臂控制套管77以及滚珠81构成控制大摇臂的轴承，轴承外环71、102和小摇臂控制套管78以及滚珠构成控制小摇臂的轴承。

参考图13，第2实施例的固定器66上的花键齿112与小摇臂控制套管78上的花键齿111啮合以后将固定小摇臂控制套管78的角向方向，使其只能受到由轴承外环71和102组成的轴承的驱动而做轴向运动。固定器66上的花键齿112要穿过小摇臂作动套管就必须在套管上开槽口，以对侧的大摇臂作动套管80为例，其上对应固定器上凸出的花键齿部分有个长槽口110，开口方向是角向且朝向固定器的花键齿，而且固定器66也可同时依据这样的槽口在轴向固定大小摇臂的作动套管。从这个角度看，轴承外环76和109也是用椭圆固定器固定在一起的。且可见大摇臂作动套管80上的延伸部分有大摇臂的旋转枢轴142。

参考图14，第2实施例的核心部分在摆动凸轮69处的横截面，滚珠82在固定器66中的轨道114之中，也在摆动凸轮69上部的轨道113之中，将固定器66和摆动凸轮69在轴向固定。小摇臂驱动套管78在小摇臂作动套管79内部，小摇臂控制套管78上的滑槽与小摇臂作动套管79上的凸起89形成滑动配合。控制轴63在控制轴70外部，二者是套嵌且同轴的关系。固定器66将摆动凸轮69压向气门的滚轮94的方向，确保气门可以被打开。花键齿111所占据的方向角只是圆周的一小部分，具体数值根据花键齿的形式和角度来确定，条件是保证固定器66能够从上而下完成安装，而且花键齿111与凸起89对应的滑槽同属于小摇臂控制套管78上的加工特征，只是分属于不同的角向方向区域，这样的设计有利于将二种不同的功能集中在一个部件上，使得结构更加简单、紧凑，组装容易，成本低。

参考附图15，第2实施例的核心部分在凸轮87处的横截面。凸轮87内部有花键齿140和141，花键齿是凸型的，而固定凸轮87的套管88也是分二部分的，分别是是套管88和101，这样做的目的是便于组装到控制轴63上，套管88上的突起139嵌入控制轴63的槽口139，套管101上的突起108嵌入控制轴63的槽口108，这样就可借助凸轮87固定二个套管，且对凸轮87形成有效驱动，凸轮87随着控制轴63和控制轴70同步旋转。摆动凸轮68具有一个凸出部分，凸出部分的尖端是滚轮，滚轮与大摇臂67摆动端的弧面紧密接触，弧面是倾斜的，当大摇臂67摆动时将推动滚轮和摆动凸轮68朝气门开启的方向转动。大摇臂67的中间部分是中间连杆100，中间连杆100固定在大摇臂作动套管80上的转动枢轴142上。小摇臂169一端固定在转动枢轴168上，另一端连接滚轮86的轴83，这样就形成了大小摇臂的变速驱动机构。

参考附图16，第2实施例的控制轴上的开槽口的位置和大小、深度依据其所配合的部件而定。槽口164及其相同角向位置的槽口是为配合轴承外环76、轴承外环109及其他气门的相同部件的突起而定，深度仅仅穿透控制轴63，目的是固定用来控制大摇臂的轴承外环于控制轴63上，使得控制轴63可以带动大摇臂的轴承外环同步旋转。槽口165的深度也只是穿透控制轴63，因此可以从槽口中看到控制轴70，槽口165是用来配合凸轮的套管内部的突起，以便驱动凸轮与控制轴63和70同步旋转。槽口166是槽口167在控制轴63上的扫描图形，槽口167是为配合轴承外环71上的突起105而定的，同理轴承外环102上也有突起和与之配合的槽口，因而槽口166穿透控制轴63，槽口167采用与突起105同样的深度。所有控制轴63和70上的槽口都是成对布置，在控制轴63轴截面的角向方向是完全相对的。轴承外环71、76、102、109是气门42和43的驱动装置的部件，而槽口164、165、166、167是为控制气门45、46的驱动装置而设定的。

因而综合附图8到附图16可见，第2实施例能够做到所采用的部件采用面接触，很少的线接触，没有点接触，因而部件的表面应力比较低，能够利于延长部件寿命，同时又能够实现对气门的升程和正时的独立、连续的调节作用。

参考附图17，第3实施例的总体示意图中，液压调相器116上有链轮，用链条与内燃机曲轴相连。液压调相器116一端有套管119，套管119被固定器118固定于气缸盖。液压控制器外壳117一端有套管121，套管121被固定器120固定于气缸盖，固定栓122将套管121固定于固定器120上，这样液压控制器117被完全固定于气缸盖。驱动气门的摆动凸轮123、171、126、172都在控制轴130上，分别驱动气门132、131、134、133。控制轴130上对应每一组气门的位置具有一个凹槽135，凹槽135对应凸轮轴138上的每个凸轮的位置有槽口136，同时凹槽135内有斜槽137。摆动凸轮123、171是一体的，其上有滚轮127；摆动凸轮126、172也是一体的，并具有一个延长的套管124，摆动凸轮123、171的延长出来的类似套管124的部分被固定器125固定于气缸盖，且轴向不可移动，只能转动。从外部只能看到超宽的大摇臂128，小摇臂在其内部。扭力弹簧170和129是一体的二个螺旋部分，扭力弹簧170和129的弹力使得摆动凸轮126和172朝向将滚轮127推向大摇臂128的方向。大摇臂128的与滚轮127接触的地方是弧线型，弧线型的作用是滚轮127推动大摇臂128时大摇臂128有朝向控制轴130轴线方向摆动的趋势。

参考附图18，第3实施例的核心部分在小摇臂处的横截面中，小摇臂143在大摇臂128的内部，大摇臂128内部是空腔以容纳小摇臂143。小摇臂143通过转动枢轴146固定在控制轴130的管壁上，小摇臂143中间位置是滚轮144且与凸轮轴138紧密接触，小摇臂143与大摇臂128接触的地方是滚针145。大摇臂128一端由转动枢轴147固定在弧板148上，而摆动端是弧面153，弧面153的形状保证推动滚轮127和摆动凸轮123摆动。滚轮127的支架152与摆动凸轮123是一体的，摆动凸轮123还与套管154是一体的。套管154上需要开槽口以容纳大摇臂128、小摇臂143和弧板148的一部分，而且槽口的尺寸一定需要满足弧板148按照图示方向放入的需求。控制轴130也要开槽口容纳小摇臂143。弹簧129一端固定在摆动凸轮123的凸起151上，中间部分顶住弧板148的凸起150，弹簧129的弹力使得摆动凸轮123顺时针转动。弧板148上有突起149且与控制轴130上的斜槽配合，这样当控制轴130轴向运动时，就可以带动弧板148产生一个角向移动，从而改变了大摇臂128的角向位置却不改变小摇臂123的位置。弧板148夹在套管154和控制轴130之间，又有斜槽固定，所以等效完全固定。

参考附图19，第3实施例的纵截面的示意图中，大摇臂128内的空腔宽度比小摇臂143宽很多，空腔宽度等于小摇臂143的宽度加控制轴130的轴向移动距离。凸轮轴138靠近液压调相器的一端内部有空腔和花键齿155，花键齿155保证凸轮轴138跟随控制轴130做轴向移动时保持能够驱动凸轮轴138正常转动。摆动凸轮123有个延伸的套管124，固定器125将套管124固定在气缸盖上，只允许套管124转动。

参考附图20，第3实施例的三参数液压控制器的示意图中，液压调相器116是输入曲轴动力的部分，液压调相器156是曲轴动力输出部分，动力直接驱动轴157，轴157末端具有与凸轮轴138的花键齿155配合的花键齿，从而可以在控制轴130轴向移动时保持驱动凸轮轴138。液压调相器116链轮这端具有延伸的套管119，固定器118将套管119固定在气缸盖上。液压调相器156内部是轴向液压控制器158，轴向液压控制器158内部是油缸，油缸内壁上有宽花键齿161，油缸中的活塞是角向液压控制器159，角向液压控制器159内部是动叶160，液压动力可以让动叶160在角向液压控制器159内部转动，从而带动控制轴130，而角向液压控制器159在轴向液压控制器158内部的轴向运动可以带动控制轴130在轴向运动。和单个控制轴的轴向与角向控制器合并为一个整体的控制器。液压控制器外壳117将轴向液压控制器158的开口封闭，并且与之用固定栓固定成为一体。固定器120将套管121固定在气缸盖上。控制轴130和凸轮轴138之间有轴承162，保证控制轴130静止时凸轮轴138正常转动。

参考附图21，小摇臂143的组装需要借助弹簧的转动枢轴，小摇臂143具有一个槽口173，槽口的尺度需要能够放入转动枢轴146和175，放入之后向二边插入到小摇臂143和控制轴130的孔中，而后放入弹簧174，将二个转动枢轴顶向二边，保证将小摇臂143固定在控制轴130上。滚针145的长度与大摇臂内部的空腔一样宽，当小摇臂143移动时也保证能不脱离滚针145。转动枢轴147是弧板148上的用来连接大摇臂的，将大摇臂与弧板148用转动枢轴147组装好后在放入槽口与控制轴130组装在一起。突起150卡住扭力弹簧，保证动力通过弧板148传给大摇臂。

参考附图22，利用从附图1到附图21的全部3个示例性实施例机构和相应的控制律，可以实现气门控制效果图中，曲线C1、C2、C3、C4是可变气门升程的曲线，曲线C5、C6、C7是可变气门正时的曲线，因而本发明可实现可变气门正时和升程独立调节的控制效果。

总体而言，本发明采用将内凹式凸轮轴与一或二根控制轴合并、套嵌、同轴的方法减小了系统的体积，实施例中使用2种变速原理和不同的实际机械设计来完成气门的升程和正时独立、连续的可调，实现对内燃机气门的最佳控制。同时，本发明将所有三个不同参数控制的液压控制器在外型上合并为一个整体的控制器，这使得本发明所实现的机械装置在外型上极为类似普通的带有液压调相器的单一凸轮轴，便于直接替代简单凸轮轴而作为内燃机气门的控制装置。

且，更具一般性的应用方法是，当具有一种变速机构原理时，可以仿照3个实施例的方法，构成相应的全可变气门正时和升程装置并用于气门驱动。

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.凸轮和控制轴套嵌共轴的全可变气门正时和升程装置，凸轮轴与控制气门升程和正时的控制轴具有相同的轴线，相互套嵌在一起；当凸轮轴在控制轴内部时，采用内凹型凸轮轴，当在外部时，采用普通凸轮形式，二根控制轴在轴向独立运动，而在角向的运动推动外部的凸轮转动，即凸轮的轴与控制轴合并；当凸轮轴在控制轴内部时，外部控制轴具有二种形式，单轴形式中控制轴角向转动调节和轴向运动调节相互配合调节正时和升程，双控制轴形式中二根控制轴的独立转动相互配合调节气门的正时和升程，控制轴的控制作用运动是轴截面的角向方向，且二个控制轴相互套嵌共轴；

所述内凹型凸轮的凸轮型线是轴表面向内凹陷形成，凹陷深度最小的部分是凸轮的桃尖；

所述凸轮轴通过一个变速机构驱动摆动凸轮控制气门的开闭时机和升程大小，变速机构可连续改变摆动凸轮摆动的角速度和初始位置，变速机构的运动平面是凸轮轴线的横截面；所述控制轴控制变速机构的输入输出的冲程比例，并在凸轮轴线的横截面的角向控制摆动凸轮的初始角度；

所述摆动凸轮与所述控制轴具有相同的转动轴线；

所述凸轮轴的液压调相器和控制轴的液压线性控制器合并为一个具有三参数控制结构的复杂液压驱动器。

2.如权利要求1所述的凸轮和控制轴套嵌共轴的全可变气门正时和升程装置，其特征在于使用可变斜面变速机构的机构中凸轮轴与一个滚轮摇臂中部的滚轮紧密接触，滚轮摇臂摆动端的滚轮与一个可控倾斜角度的可变斜板紧密接触，滚轮摇臂的一端固定在摆动凸轮上的枢轴，可绕枢轴转动；所述二个控制轴可以相对于凸轮轴受控转动，并且二个控制轴之间也可受控相对转动，；所述摆动凸轮在控制轴外部，与控制轴同轴，受到所述滚轮摇臂的驱动而摆动，驱动气门开闭；控制轴A的液压控制器A、控制轴B的液压控制器B中，液压控制器B的动叶是液压控制器A的液缸的外壳，液压控制器A在液压控制器B内部，液压控制器B在液压调相器内部，三个控制器合并为一个三参数液压控制器；一个螺旋扭力弹簧的与所述控制轴同轴，弹簧的一端固定在摆动凸轮上，另一端固定在所述控制轴B上；

所述装置的控制律为：二个控制轴的差动可以调节所述可控斜面的倾斜角度，从而改变所述滚轮摇臂摆动时在凸轮轴角向方向旋转的角度大小，即冲程连续可调，二个控制轴的同向转动可连续调节所述凸轮套管的初始角度，二种控制作用的独立性合并的结果是气门的升程和正时可以独立且连续可调。

3.如权利要求1所述的凸轮和控制轴套嵌共轴的全可变气门正时和升程装置，其特征在于使用层叠双摇臂变速机构具有二个层叠的不同形状的摇臂，小的小摇臂由凸轮驱动，大的大摇臂受到小摇臂的驱动而摆动并推动摆动凸轮打开气门；控制轴A和控制轴B在轴向的位置可各自独立改变，且共同朝向一个方向旋转，替代凸轮轴的作用驱动子凸轮旋转并推动摆动凸轮产生摆动动作；每个子凸轮对应一个、一对或一个气缸的气门；控制轴A通过一个轴承推动大摇臂控制套管在控制轴A的轴向方向线性移动，大摇臂控制套管上的花键齿与固定器上的花键齿啮合，使得大摇臂控制套管不可转动，同时大摇臂控制套管上的滑槽与大摇臂作动套管上的突起构成螺旋驱动，大摇臂控制套管的轴向运动转变成大摇臂作动套管的角向转动；控制轴B通过一个轴承推动小摇臂控制套管在控制轴B的轴向方向线性移动，小摇臂控制套管上的花键齿与固定器上的花键齿啮合，使得小摇臂控制套管不可转动，同时小摇臂控制套管上的滑槽与小摇臂作动套管上的滑块构成螺旋驱动，小摇臂控制套管的轴向运动转变成小摇臂作动套管的角向转动；固定器内部有滚珠，固定器和摆动凸轮上各有半个滚珠槽，滚珠在槽的内部；大、小摇臂控制套管上的花键齿只占圆周的少于1/4的周长，或者以垂直安装时花键齿不阻碍安装为条件；大、小摇臂控制套管上的花键齿与滑槽处于横截面圆周上相对的位置，互不干涉；大摇臂的摆动端具有一个斜面，斜面接触摆动凸轮上的滚轮，大摇臂摆动时斜面推动滚轮使得摆动凸轮产生角向转动；扭力弹簧有二个，每个弹簧一端固定在所述大摇臂作动套管上的弹簧架上，弹簧架横跨凸轮，弹簧另一端固定或抵触在各自所属的所述摆动凸轮侧面，弹簧力使得所述摆动凸轮朝向气门关闭的方向转动；控制轴A和控制轴B沿轴向的线性运动受到液压控制器的控制，二个液压控制器与液压调相器合并为一个三参数液压控制器，液压调相器的内部就是液压控制器的液缸，液缸内部具有宽花键齿，控制轴A和控制轴B的各自的液压活塞上有相对应的宽花键齿，使得控制轴A和控制轴B在沿轴向的线性运动时可跟随液压调相器转动；

所述装置的控制律：控制轴A的轴向运动带动大摇臂作动套管控制大摇臂的角向位置，控制轴B的轴向运动带动小摇臂作动套管控制小摇臂的角向位置，二个摇臂朝向同向转动可改变摆动凸轮的初始角度，而二个摇臂的反向转动可以改变杠杆比例从而使得大摇臂的摆动范围，二个调整作用使得摆动凸轮的初始角度和摆动范围连续可调，二个调整作用的独立性合并的结果是气门的升程和正时可以独立且连续可调。

4.如权利要求1所述的凸轮和控制轴套嵌共轴的全可变气门正时和升程装置，其特征在于使用超宽层叠双摇臂变速机构的机构中大的大摇臂的宽度比小的小摇臂宽，二者之差是控制轴和凸轮轴在轴向移动的距离；大摇臂的固定轴安装在一个弧板上，弧板有吐出的弧形卡伊，与控制轴上的弧形槽相配合，控制轴轴向移动时，弧板产生角向转动；小摇臂的固定轴安装在控制轴上，控制轴角向转动时带动小摇臂一同转动；大摇臂的摆动端具有一个斜面，斜面接触摆动凸轮上的滚轮，大摇臂摆动时斜面推动滚轮使得摆动凸轮产生角向转动；扭力弹簧分为左右二个螺旋部分，中间与所述弧板上的一个突起接触，弹簧二端固定在所述摆动凸轮上，弹簧使得所述摆动凸轮朝向气门关闭的方向转动；所述摆动凸轮延伸出一个套管，套管有一段凹陷的轴颈，一个固定器利用轴颈将套管与所述控制轴一同固定在气缸盖上；控制轴同时具有轴向和角向线性运动控制能力，角向液压控制器外壳是轴向液压控制器的活塞，角向液压控制器的外壳具有较宽的花键齿，轴向液压控制器内部具有对应的花键齿，角向液压控制器外壳只可以沿所述控制轴的轴向线性受控移动，而轴向液压控制器外壳在液压调相器的内部，液压控制器与液压调相器合并为一个三参数液压控制器；

视大摇臂内侧弧线的弧心相对于凸轮的轴线有三种设计：当凸轮推动大小摇臂至最大冲程时大摇臂内侧弧线的弧心恰好与凸轮的轴线相交，或凸轮完全不推动大小摇臂时大摇臂内侧弧线的弧心恰好与凸轮的轴线相交，或大摇臂内侧弧线的弧心与凸轮的轴线的重合时凸轮推动的冲程处于零与最大之间；不同设计下机构具有的调节气门正时和升程的控制律相似；

控制律：控制轴轴向的线性运动改变大摇臂的角向位置并使得大摇臂与小摇臂等效反向转动，控制轴角向运动同时改变大摇臂和小摇臂的角向位置并使得大摇臂与小摇臂等效同向转动，控制轴轴向和角向的线性运动配合，二个摇臂朝向同向转动可改变摆动凸轮的初始角度，而二个摇臂的反向移动可以改变杠杆比例从而使得大摇臂的摆动范围，二个调整作用使得摆动凸轮的初始角度和摆动范围连续可调，二个调整作用的独立性合并的结果是气门的升程和正时可以独立且连续可调。

5.如权利要求3所述的凸轮和控制轴套嵌共轴的全可变气门正时和升程装置，其特征在于负责中间传动的小摇臂一端的滚轮组中，一根轴上具有3个滚轮，中间一个滚轮直径较大，二边二个直径比较小，中间的滚轮与二边二个滚轮之间有间隔环；中间的滚轮与凸轮轴接触，二边的滚轮与所述大摇臂内壁接触，所述大摇臂内壁对应中间的滚轮的部分向内凹陷以脱离与中间滚轮的接触。

6.如权利要求4所述的凸轮和控制轴套嵌共轴的全可变气门正时和升程装置，其特征在于所述弧板的安装方法是将所述弧板从大于弧板尺寸的所述摆动凸轮上的方孔直接放如所述控制轴上的凹槽，并与所述控制轴上的弧形槽对应，而后旋转所述控制轴，利用所述摆动凸轮和控制轴夹住所述弧板，并且利用所述摆动凸轮的滚轮将所述大摇臂限制使其具有朝向所述控制轴运动的趋势，从而使所述弧板具有完整的三维约束，等同于固定于控制轴上、成为控制轴的一部分。

7.如权利要求3和4所述的凸轮和控制轴套嵌共轴的全可变气门正时和升程装置，其特征在于视大摇臂内侧弧线的弧心相对于凸轮的轴线的位置情况有三种设计参数选择方法：当凸轮推动大小摇臂至最大冲程时大摇臂内侧弧线的弧心恰好与凸轮的轴线相交，或凸轮完全不推动大小摇臂时大摇臂内侧弧线的弧心恰好与凸轮的轴线相交，或大摇臂内侧弧线的弧心与凸轮的轴线的重合时凸轮推动的冲程处于零与最大之间；不同设计下机构具有的调节气门正时和升程的控制律相似。

8.一种固定摇臂的机构，摇臂中开槽口，打通轴孔与摇臂表面，尺寸可以放入二个抓弄的转动枢轴；二个转动枢轴放入槽口后滑向二边，中间加入一个弹簧顶住二个转动枢轴使之不会从槽口滑出，摇臂可以据转动枢轴转动，形成组装形式的固定方式。