CN107489470B - 一种发动机及其可变气门正时机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种发动机的可变气门正时机构，包括具有预设转速比传动关系的凸轮轴和曲轴，还包括动力连接于凸轮轴与曲轴之间、用于调节两者间的转速比的可变传动比传动组件。其中，可变传动比组件的自身传动比是可变的，并以此对凸轮轴和曲轴之间的传动比关系做出调节，将其增大或减小，使得正时相位提前或滞后。由于对正时相位的调节，其响应速度取决于电控和机械结构，与发动机转速、机油温度等因素无关，即使在冷启动初期也可以迅速参与工作，因此大幅提高了响应速度；同时，对正时相位的角度调节范围由可变传动比传动组件的传动比决定，因此可调角度的范围很广。本发明还公开一种包括上述可变气门正时机构的发动机，其有益效果如上所述。
Description
技术领域
本发明涉及车辆工程技术领域，特别涉及一种发动机的可变气门正时机构。本发明还涉及一种包括上述可变气门正时机构的发动机。
背景技术
随着中国机械工业的发展，越来越多的机械设备已得到广泛使用。
在汽车工业中，发动机是整车最为重要的部件，发动机的组成构件很多，而配气机构为其中比较重要的部分。传统的发动机气门开启、关闭的时间是固定不变的，这种配气机构仅能使发动机在很小的工况范围内获得最佳的性能，无法兼顾其他情况。可变气门正时技术用来改变配气机构的正时，它可以根据控制系统的需要连续调节凸轮轴与曲轴间的相对相位关系，实现对配气相位的控制。改变配气相位，可以改进充气效率，提升发动机效率、改进怠速稳定性并获得更高的扭矩和功率。
目前，现有技术中的可变气门正时技术大部分为液压驱动式，由机油控制阀和执行器构成，通过油压带动执行器中转子向提前方向或滞后方向转动，以实现对进气、排气的自动调节。然而，传统液压式可变气门正时系统调节动作与执行器本身的结构参数、油路的布置、机油控制阀的安装位置等密切相关，其响应速度较慢，并且传统液压式可变气门正时系统调节角度有限。
随着对排放及油耗要求的升高，可变气门正时系统需求更快的调节速度和更大的调节角度，传统的液压式可变气门正时系统已经无法满足要求。
因此，如何使对气门正时的调节具有更快的调节速度和更大的调节角度，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种发动机的可变气门正时机构，能够使得对气门正时的调节具有更快的调节速度和更大的调节角度。本发明的另一目的是提供一种包括上述可变气门正时机构的发动机。
为解决上述技术问题，本发明提供一种发动机的可变气门正时机构，包括具有预设转速比传动关系的凸轮轴和曲轴，还包括动力连接于所述凸轮轴与曲轴之间、用于调节两者间的转速比的可变传动比传动组件。
优选地，所述可变传动比传动组件包括具有太阳轮、行星架及齿圈的行星齿轮变速机构和驱动电机；所述曲轴和驱动电机分别驱动所述太阳轮、行星架及齿圈中的任意两者转动，且剩余者驱动所述凸轮轴转动。
优选地，所述曲轴与所述齿圈动力连接并驱动其转动，所述驱动电机与所述太阳轮动力连接并驱动其转动，且所述行星架与所述凸轮轴动力连接并驱动其转动。
优选地，所述齿圈的外壁集成有链轮，且所述曲轴与所述齿圈之间为链传动。
优选地，所述曲轴与所述齿圈之间的传动比值为0.5～2。
优选地，所述驱动电机可拆卸地与所述太阳轮相连。
优选地，所述行星架与所述齿圈的内壁之间设置有用于安装定位的轴承。
优选地，所述驱动电机为步进电机。
优选地，所述可变传动比传动组件还包括用于调节所述驱动电机转速的控制器。
本发明还提供一种发动机，包括缸体和设置于所述缸体上的可变气门正时机构，其中，所述可变气门正时机构为上述任一项所述的可变气门正时机构。
本发明所提供的发动机的可变气门正时机构，主要包括凸轮轴、曲轴和可变传动比传动组件。其中，凸轮轴和曲轴为发动机上的固有部件，其中凸轮轴的转动速度关系到节气门的开闭过程，曲轴一端连通着发动机，其转速和发动机转速相等。凸轮轴和曲轴同为发动机上的重要旋转部件，并且两者之间的转速存在预设转速比关系(比如曲轴和凸轮轴的转速比为2:1)。这意味着，当凸轮轴与曲轴之间的转速比(也叫传动比)保持在预设转速比时，配气机构的正时相位保持初始状态，并没有任何改变；而当凸轮轴与曲轴之间的转速比发生变化不等于预设转速比时，那么配气机构的正时相位将不再保持初始状态，具体的，当凸轮轴的转速大于预设转速比的曲轴的转速时，正时相位提前；而当凸轮轴的转速小于预设转速比的曲轴的转速时，正时相位滞后。
可变传动比组件设置于凸轮轴和曲轴之间，并且分别与两者动力连接，可变传动比组件的自身传动比是可变的，并以此对凸轮轴和曲轴之间的传动比关系做出调节，将其增大或减小。比如当可变传动比传动组件使凸轮轴与曲轴之间的转速比增大时，如上所述，凸轮轴的转速大于预设转速比的曲轴的转速，此时正时相位提前；而当可变传动比传动组件使凸轮轴与曲轴之间的转速比减小时，如上所述，凸轮轴的转速小于预设转速比的曲轴的转速，此时正时相位滞后。
由于通过可变传动比传动组件实现对正时相位的调节，其响应速度取决于电控和机械结构，与发动机转速、机油温度等因素无关，即使在冷启动初期也可以迅速参与工作，因此，相比于现有技术中的液压式正时系统，本发明大幅提高了响应速度；同时，本发明对正时相位的角度调节范围由可变传动比传动组件的传动比决定，理论上该传动比可为任意范围的实数，因此可调角度的范围很广，突破了现有技术中液压式正时系统的角度范围限制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种具体实施方式的平面结构传动原理示意图；
图2为图1中所示的可变传动比传动组件具体为行星齿轮变速机构的结构剖视图；
图3为图2的右视图。
其中，图1—图3中：
凸轮轴—1，曲轴—2，驱动电机—3，太阳轮—4，行星架—5，齿圈—6，轴承—7，控制器—8。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图。
在本发明所提供的一种具体实施方式中，发动机的可变气门正时机构主要包括凸轮轴1、曲轴2和可变传动比传动组件。
其中，其中，凸轮轴1和曲轴2为发动机上的固有部件，其中凸轮轴1的转动速度关系到节气门的开闭过程。曲轴2一端连通着发动机，其转速和发动机转速相等。凸轮轴1和曲轴2同为发动机上的重要旋转部件，并且两者之间的转速存在预设转速比关系，在四冲程发动机里，曲轴2和凸轮轴1的转速比一般为2:1。这意味着，当凸轮轴1与曲轴2之间的转速比(也叫传动比)保持在预设转速比时，配气机构的正时相位保持初始状态，并没有任何改变；而当凸轮轴1与曲轴2之间的转速比发生变化不等于预设转速比时，那么配气机构的正时相位将不再保持初始状态，具体的，当凸轮轴1的转速大于预设转速比的曲轴2的转速，即ω凸>nω曲时(n为预设转速比)，正时相位提前；而当凸轮轴1的转速小于预设转速比的曲轴2的转速，即ω凸<nω曲时，正时相位滞后。
可变传动比组件设置于凸轮轴1和曲轴2之间，并且分别与两者动力连接，可变传动比组件的自身传动比是可变的，并以此对凸轮轴1和曲轴2之间的传动比关系做出调节，将其增大或减小。比如当可变传动比传动组件使凸轮轴1与曲轴2之间的转速比增大时，如上所述，凸轮轴1的转速大于预设转速比的曲轴2的转速，此时正时相位提前；而当可变传动比传动组件使凸轮轴1与曲轴2之间的转速比减小时，如上所述，凸轮轴1的转速小于预设转速比的曲轴2的转速，此时正时相位滞后。
由于通过可变传动比传动组件实现对正时相位的调节，其响应速度取决于电控和机械结构，与发动机转速、机油温度等因素无关，即使在冷启动初期也可以迅速参与工作，因此，相比于现有技术中的液压式正时系统，本发明大幅提高了响应速度；同时，本发明对正时相位的角度调节范围由可变传动比传动组件的传动比决定，理论上该传动比可为任意范围的实数，因此可调角度的范围很广，突破了现有技术中液压式正时系统的角度范围限制。
如图2所示，图2为图1中所示的可变传动比传动组件具体为行星齿轮变速机构的结构剖视图。
在关于可变传动比传动组件的一种优选实施例中，该可变传动比传动组件主要包括行星齿轮变速机构和驱动电机3。其中，行星齿轮变速机构是一种可变传动比的传动机构，主要包括太阳轮4、行星轮、行星架5和齿圈6。显然，行星齿轮变速机构有三种动力输入输出方式，其中第一种为：动力从太阳轮4和行星架5输入，变速后再从齿圈6输出；第二种为：动力从太阳轮4和齿圈6输入，变速后再从行星架5输出；第三种为：动力从行星架5和齿圈6输入，变速后再从太阳轮4输出。而本实施例中的两种动力输入即为驱动电机3和曲轴2，而输出的动力即为凸轮轴1。
因此，本发明中关于可变传动比传动组件调节凸轮轴1与曲轴2之间的传动比方式具有三种，其中第一种为：曲轴2和驱动电机3分别驱动太阳轮4和行星架5，同时齿圈6驱动凸轮轴1转动；第二种为：曲轴2和驱动电机3分别驱动太阳轮4和齿圈6，同时行星架5驱动凸轮轴1转动；第三种为：曲轴2和驱动电机3分别驱动行星架5和齿圈6，同时太阳轮4驱动凸轮轴1转动。
优选地，以上述第二种传动方式为例，可使曲轴2与齿圈6动力连接并驱动其转动，同时可使驱动电机3与太阳轮4动力连接并驱动其转动，而行星架5则与凸轮轴1动力连接并驱动其转动。
具体的，由于齿圈6的内壁需要与若干个行星轮相啮合，因此曲轴2可与齿圈6的外壁动力连接，比如可通过链传动等。如此可在齿圈6的外壁上集成设置链轮，然后通过链条即可使齿圈6与曲轴2之间形成链传动。当然，曲轴2与齿圈6之间的传动方式并不仅限于链传动，其余比如带传动甚至齿轮传动都可以采用。
接上述，曲轴2通过链传动或带传动等方式与齿圈6动力连接，通过曲轴2的动力带动齿圈6进行转动。在汽车行业内，四冲程的发动机中曲轴2与凸轮轴1的传动比一般均为2:1，本实施例中也可遵循技术经验，将曲轴2与齿圈6之间的传动比n，取值为2:1。但是，由于行星齿轮变速机构可以实现灵活的传动比变化，因此曲轴2与齿圈6之间的传动比无需遵循传统的2:1，而是可以根据发动机整体布置及需求进行灵活调整，比如1:1甚至1:2都是可行的。总体来说，曲轴2与齿圈6之间的传动比，即n的值处于0.5～2之间的范围均可。
以下对其工作过程和对正时相位的具体调节方法进行分析：
设太阳轮4的转速为ω1，行星轮的转速为ω2，齿圈6的转速为ω3，以及行星架5的转速为ωH。同时由于曲轴2驱动齿圈6转动，驱动电机3驱动太阳轮4转动，行星架5驱动凸轮轴1转动，因此：
ω曲＝nω3，ωM＝ω1，ωH＝ω凸
其中，ωM为驱动电机3的转速。同时为方便计算，可将n取值为2。即：
ω曲＝2ω3
首先根据行星齿轮变速机构的传动特性可知：
ω1－(1+α)ωH+αω3＝0 ①
其中，α为齿圈6与太阳轮4的齿数比，即α＝Z3/Z1。
再设ω1＝ω3+X，将其代入式子①可得：
ω3+X－(1+α)ωH+αω3＝0
ωH＝ω3+X/(1+α) ②
对于ω1＝ω3+X，若ω1＝ω3＝1/2ω曲，则X＝0，即太阳轮4的转速为齿圈6的转速，亦即驱动电机3的转速为曲轴2的转速一半。再将X＝0代入到式子②中可得：ωH＝ω3，此时行星架5转速与齿圈6的转速相等，即凸轮轴1的转速与齿圈6的转速相等，并均为曲轴2转速的一半，正时相位保持初始状态。
对于ω1＝ω3+X，若ω1>ω3，则X>0，即驱动电机3的转速大于曲轴2转速的一半。再将X>0代入到式子②中可得：ωH>ω3，此时行星架5的转速大于齿圈6的转速，即凸轮轴1的转速大于曲轴2转速的一半，正时相位提前。
对于ω1＝ω3+X，若ω1<ω3，则X<0，即驱动电机3的转速小于曲轴2转速的一半。再将X<0代入到式子②中可得：ωH<ω3，此时行星架5的转速小于齿圈6的转速，即凸轮轴1的转速小于曲轴2转速的一半，正时相位滞后。
如此，通过调节驱动电机3的转速与曲轴2转速之间的大小关系，使得凸轮轴1的转速与曲轴2的转速间的大小关系变化，进而调节正时相位。
需要说明的是，上述分析以可变传动比传动组件调节凸轮轴1与曲轴2之间的传动比的三种方式中的其中一种为例进行计算，而其余两种方式的计算分析过程类似，此处不再赘述。
此外，本实施例中太阳轮4可拆卸地与驱动电机3的输出轴相连，如此设置，在安装可变气门正时机构时，可以首先将行星架5与凸轮轴1连接后再将太阳轮4安装到位，避免太阳轮4的设置位置对行星架5和凸轮轴1的连接关系造成阻碍。
基于同样的考虑，本实施例还在行星架5与齿圈6的内壁之间设置了轴承7。如此，行星架5就能够通过轴承7顺利地与齿圈6的内壁部分转动连接，同时该轴承7还能够对齿圈6和行星轮的设置位置进行安装定位。
此外，为了提高驱动电机3的转速调节对正时相位调节的精确性，本实施例中的驱动电机3可选用控制精度高、响应时间快的步进电机。
不仅如此，为了根据发动机的实际工况准确、有针对性地对正时相位进行调节，本实施例还增设了控制器8，比如ECU等。该控制器8与驱动电机3信号连接，能够根据发动机转速、冷却水温等实时工况信息判断当前的正时相位提前或滞后角度，从而据此对驱动电机3的转速做出精确调整。
本发明还提供一种发动机，包括缸体和设置在缸体上的可变气门正时机构，其中，该可变气门正时机构与前述内容相同，此处不再赘述。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种发动机的可变气门正时机构，包括具有预设转速比传动关系的凸轮轴(1)和曲轴(2)，其特征在于，还包括动力连接于所述凸轮轴(1)与曲轴(2)之间、用于调节两者间的转速比的可变传动比传动组件；
所述可变传动比传动组件包括具有太阳轮(4)、行星架(5)及齿圈(6)的行星齿轮变速机构和驱动电机(3)；所述曲轴(2)和驱动电机(3)分别驱动所述太阳轮(4)、行星架(5)及齿圈(6)中的任意两者转动，且剩余者驱动所述凸轮轴(1)转动；
所述曲轴(2)与所述齿圈(6)动力连接并驱动其转动，所述驱动电机(3)与所述太阳轮(4)动力连接并驱动其转动，且所述行星架(5)与所述凸轮轴(1)动力连接并驱动其转动；
所述可变传动比传动组件还包括用于调节所述驱动电机(3)转速的控制器(8)，通过调节所述驱动电机(3)的转速与所述曲轴(2)转速之间的大小关系，使得所述凸轮轴(1)的转速与所述曲轴(2)的转速间的大小关系变化，进而调节正时相位。
2.根据权利要求1所述的可变气门正时机构，其特征在于，所述齿圈(6)的外壁集成有链轮，且所述曲轴(2)与所述齿圈(6)之间为链传动。
3.根据权利要求2所述的可变气门正时机构，其特征在于，所述曲轴(2)与所述齿圈(6)之间的传动比值为0.5～2。
4.根据权利要求3所述的可变气门正时机构，其特征在于，所述驱动电机(3)可拆卸地与所述太阳轮(4)相连。
5.根据权利要求4所述的可变气门正时机构，其特征在于，所述行星架(5)与所述齿圈(6)的内壁之间设置有用于安装定位的轴承(7)。
6.根据权利要求5所述的可变气门正时机构，其特征在于，所述驱动电机(3)为步进电机。
7.一种发动机，包括缸体和设置于所述缸体上的可变气门正时机构，其特征在于，所述可变气门正时机构为权利要求1-6任一项所述的可变气门正时机构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: An engine and its variable valve timing mechanism Effective date of registration: 20211213 Granted publication date: 20200117 Pledgee: BEIJING AUTOMOTIVE GROUP Co.,Ltd. Pledgor: Borgward Automotive (China) Co., Ltd. Registration number: Y2021990001167 |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20231201 Granted publication date: 20200117 Pledgee: BEIJING AUTOMOTIVE GROUP Co.,Ltd. Pledgor: Beijing baowo Automobile Co.,Ltd.|Borgward Automotive (China) Co., Ltd. Registration number: Y2021990001167 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20200117 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |