CN110295964B - 一种电机调节的内燃机气门控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电机调节的内燃机气门控制装置，包括凸轮轴旋转驱动系统、凸轮轴相位调节系统和气门升程调节系统，其中，凸轮轴旋转驱动系统用于驱动凸轮轴旋转；凸轮轴相位调节系统用于调节凸轮轴相对于曲轴的旋转相位；气门升程调节系统用于调节气门升程的大小。本发明通过对凸轮轴相位和气门升程的改变，使内燃机的泵气损失最小，降低了内燃机的油耗，同时，控制方式变得简单易行，可靠度提高；此外，本发明的方案使得凸轮轴相位调节系统的电机无需随时跟随曲轴的转动进行旋转，从而实现电机驱动的内燃机气门控制系统更加简化，以适于车辆的实际应用。

Description

一种电机调节的内燃机气门控制装置

技术领域

本发明涉及到内燃机气门控制装置，尤其涉及一种电机调节的内燃机气门控制装置。

背景技术

目前内燃机普及安装的VVT机构，均为液压机构，其问题是在内燃机冷机启动而润滑油没有达到预定温度时，液压VVT无法使用。本发明采用电机控制，从而在内燃机冷机启动时立即可以进行气门正时和升程的调节，对降低有害排放物具有很大的意义。

一个美国专利申请，US2008/0083384A1公开了根据电动机的旋转来调节转子之间的旋转相位的气门正时装置。在这种电动气门正时装置中，控制电机始终处于旋转状态，只有当内燃机曲轴转速超过其阈值时，电机才断电，这种状况毕竟增加了电机和控制器的功耗和损害几率。此外，该专利所描述的装置，在实际运用中，必须随时跟踪检测曲轴的转速和凸轮轴的相位，以便电机随时跟随曲轴的转速和凸轮轴相位，使控制系统趋于复杂化。并且该专利所描述的装置只能调节气门正时而不能调节气门升程。

发明内容

本发明的目的是使得凸轮轴相位调节系统的电机无需随时跟随曲轴的转动进行旋转，从而实现电机驱动的内燃机气门控制系统更加简化，以适于车辆的实际应用。

本发明的技术方案是提供一种电机调节的内燃机气门控制装置，包括凸轮轴旋转驱动系统、凸轮轴相位调节系统和气门升程调节系统，其中，凸轮轴旋转驱动系统用于驱动凸轮轴(15)旋转；凸轮轴相位调节系统用于调节凸轮轴相对于曲轴的旋转相位；气门升程调节系统用于调节气门升程的大小；其特征在于：

凸轮轴旋转驱动系统包括凸轮轴链轮，链轮轮齿，内齿圈，内齿圈轮，行星轮，行星轮第一轮齿，行星轮第二轮齿，中心轮，中心轮第一轮齿，中心轮第二轮齿，凸轮轴齿轮，凸轮轴齿轮的轮齿，凸轮轴，双列角接触轴承和支撑环；

凸轮轴链轮被固定安装在双列角接触轴承上，使其可以绕支撑环旋转；内齿圈则被安装在凸轮轴链轮的一侧，并使其与凸轮轴链轮同轴固定；行星轮被固定安装在偏心轴承外圆上，使行星轮通过行星轮第一轮齿与内齿圈轮齿啮合，从而被内齿圈驱动，使行星轮能够绕轴线B旋转；中心轮滚动地同轴套装在凸轮轴链轮的内腔中，并使其绕轴线A旋转，中心轮第一轮齿与行星轮第二轮齿相啮合，并被行星轮驱动旋转；凸轮轴齿轮则被固定安装在凸轮轴的末端，并使凸轮轴齿轮的轮齿与中心轮第二轮齿相啮合，当中心轮旋转时，驱动凸轮轴齿轮和凸轮轴一同绕轴线C旋转；

内燃机工作时，通过链轮轮齿驱动凸轮轴链轮和内齿圈同步绕轴线A旋转，内齿圈通过内齿圈轮齿和与其啮合的行星轮的行星轮第一轮齿驱动行星轮绕轴线B旋转；行星轮的行星轮第二轮齿和与其啮合的中心轮第一轮齿驱动中心轮绕轴线A旋转；中心轮第二轮齿通过与其啮合的凸轮轴齿轮上的凸轮轴齿轮的轮齿驱动凸轮轴齿轮和凸轮轴绕轴线C旋转；

曲轴链轮齿数Z1、凸轮轴链轮的齿数Z2、内齿圈的齿数Z3、行星轮的行星轮第一轮齿的齿数Z4、行星轮的行星轮第二轮齿的齿数Z5、中心轮第一轮齿的齿数Z6、中心轮第二轮齿的齿数Z7和凸轮轴齿轮的齿数Z8之间具有下列约束关系：

(Z2/Z1)×(Z4/Z3)×(Z6/Z5)×(Z8/Z7)＝2··············(1)。

进一步地，凸轮轴相位调节系统包括：控制电机，电机轴，偏心轴承，连接件，限位销，挡销，控制电机的电机轴与轴线A重合，并通过连接件将电机轴与偏心轴承相连接，偏心轴承通过滚针滚动地安装在中心轮的突出端，并使偏心轴承内圆的中心线与中心轮的中心线，即轴线A相重合，行星轮被可滚动地安装在偏心轴承外圆上，并使行星轮的旋转轴线与轴线B重合；启动控制电机使电机轴旋转，通过连接件带动偏心轴承旋转；

由于轴线A和轴线B之间存在一个偏心距e，偏心轴承内圆的旋转中心是轴线A，当偏心轴承旋转时，偏心轴承外圆的轴线B以偏心距e为半径绕轴线A公转，同时，偏心轴承外圆绕其自身轴线B自转；行星轮也产生绕轴线A的公转和绕轴线B的自转；内燃机工作时，当控制电机旋转方向与凸轮轴链轮的旋转方向一致时，凸轮轴朝向气门正时延迟方向旋转，反之则朝向气门正时提前方向旋转。

进一步地，凸轮轴的正时相位仅与电机轴的旋转角度位置有关，而与曲轴的转速无关。

进一步地，在无需调节凸轮轴的相位时，控制电机完全处于停止状态。

进一步地，选择Z5＝Z6，且Z5为外齿轮，Z6为内齿轮结构；此时，行星与中心轮连接是具有偏心距e的零齿差传动。

进一步地，气门升程调节系统包括：升程调节电机，调节轴，调节轴齿轮(32)，偏心环。

升程调节电机驱动调节上的调节轴齿轮、调节轴齿轮、调节轴和升程调节电机的旋转中心都是轴线D；偏心环旋转地套装在支撑环的孔中，使偏心环外圆柱表面与支撑环的内孔之间设置滚针或滑动轴承，偏心环的外圆柱表面形成的中心轴线与轴线A重合；当需要对气门升程进行调节时，升程调节电机驱动调节轴和与其固定一体的调节轴齿轮一起绕轴线D旋转，并驱动与调节轴齿轮相啮合的偏心环绕轴线A旋转，而凸轮轴则绕轴线A公转，同时绕轴线C自转；轴线C围绕轴线A旋转能够形成圆形的运动轨迹，当偏心环旋转时，凸轮轴的轴线C将会沿着该运动轨迹运动，从而改变了凸轮轴的空间位置。

进一步地，设定轴线C的第一位置，该第一位置使凸轮轴与中间摇臂的距离为最大；当凸轮顶点与中间摇臂接触时，气门所在的位置为最小升程位置；设定轴线C运行的第二位置，该第二位置使凸轮轴与中间摇臂的距离为最小；当凸轮顶点与中间摇臂接触时，气门所在的位置为最大升程位置；偏心环的旋转从第一位置到达第二位置，中间摇臂旋转的角度发生了一个ΔΦ的变化，气门摇臂的旋转角度则发生了一个Δθ的变化，最终导致气门的升程发生了一个ΔL的改变量，完成了从升程调节电机的旋转到气门的升程变化。

进一步地，行星轮的行星轮第二轮齿的齿数Z5大于中心轮第一轮齿的齿数Z6，即Z5>Z6，此时，行星轮的行星轮第二轮齿为内齿圈结构，而中心轮第一轮齿则为外齿轮结构。

该发明还提供了另一个技术方案，即一种电机调节的内燃机气门控制装置，包括：凸轮轴旋转驱动系统、凸轮轴相位调节系统，凸轮轴旋转驱动系统用于驱动凸轮轴并使其旋转；凸轮轴相位调节系统用于调节凸轮轴相对于曲轴的旋转相位，其特征在于：

凸轮轴旋转驱动系统包括凸轮轴链轮，链轮轮齿，内齿圈，内齿圈轮齿，行星轮，行星轮第一轮齿，行星轮第二轮齿，凸轮轴齿盘，齿盘轮齿，凸轮轴和偏心轴承；

凸轮轴链轮旋转地安装在凸轮轴的轴颈上，使其可以绕凸轮轴旋转；内齿圈安装在凸轮轴链轮的一侧，并使其与凸轮轴链轮同轴固定；行星轮被固定安装在偏心轴承外圆上，使行星轮通过行星轮第一轮齿与内齿圈轮齿啮合被内齿圈驱动，使行星轮绕轴线B旋转；凸轮轴齿盘固定安装在凸轮轴的末端，并使行星轮第二轮齿与凸轮轴齿盘的齿盘轮齿啮合，当行星轮旋转时，驱动凸轮轴齿盘和与其固定一起的凸轮轴绕轴线A旋转；

其中：曲轴链轮齿数Z1、凸轮轴链轮的齿数Z2、内齿圈的齿数Z3、行星轮的行星轮第一轮齿的齿数Z4、行星轮的行星轮第二轮齿的齿数Z5和凸轮轴齿盘的齿数Z6之间具有下列约束关系：

(Z2/Z1)×(Z4/Z3)×(Z6/Z5)＝2···············(2)。

进一步地，凸轮轴相位调节系统包括：控制电机，电机轴，偏心轴承，连接件，限位销，挡销；

控制电机的电机轴与轴线A重合，并通过连接件将电机轴与偏心轴承相连接，偏心轴承可通过滚针滚动地安装在凸轮轴齿盘的突出端，并使偏心轴承内圆的中心线与轴线A相重合，行星轮滚动地安装在偏心轴承外圆上，并使行星轮的旋转轴线与轴线B重合；启动控制电机使电机轴旋转，通过连接件带动偏心轴承旋转；

轴线A和轴线B之间存在一个偏心距e，偏心轴承内圆的旋转中心是轴线A，当偏心轴承旋转时，偏心轴承外圆的轴线B以偏心距e为半径绕轴线A公转，同时，偏心轴承外圆绕其自身轴线B自转；行星轮也产生绕轴线A的公转和绕轴线B的自转；内燃机工作时，当控制电机旋转方向与凸轮轴链轮的旋转方向一致时，凸轮轴朝向气门正时延迟方向旋转，反之则朝向气门正时提前方向旋转。

本发明的有益效果在于：

(1)通过对凸轮轴相位和气门升程的改变，使内燃机的泵气损失最小，降低了内燃机的油耗，同时，控制方式变得简单易行，可靠度提高；

(2)该方案使得凸轮轴相位调节系统电机无需随时跟随曲轴转动，从而实现电机驱动的内燃机气门控制系统更加简化，以适于车辆的实际应用；

(3)该气门升程的变化量包含了内燃机从怠速到最大负荷的升程范围，因此，可以取消原有内燃机的节气门，减小了泵气损失。

附图说明

图1本发明优先实施例轴测图；

图2本发明优先实施例横剖面图；

图3是图2的S-S剖面图；

图4是图2的T-T剖面图；

图5是图2的U-U剖面图；

图6是气门升程调节机构简图；

图7是轮齿数量Z5大于Z6的实施例图；

图8另一实施例的正时调节机构图。

图9是图8的V-V剖面图

图10是图2的W-W剖面图

其中：

1-凸轮轴链轮，2-链轮轮齿，3-内齿圈，4-内齿圈轮齿，5-行星轮，6-行星轮第一轮齿，7-行星轮第二轮齿，8-中心轮，9-中心轮第一轮齿，10-中心轮第二轮齿，11-凸轮轴齿轮，12-凸轮轴齿轮的轮齿，13-螺钉，14-定位销，15-凸轮轴，16-偏心轴承内圆，17-偏心轴承外圆，18-双列角接触轴承，19-凸轮轴齿盘，20-控制电机，21-连接件，22-电机轴，23-偏心轴承，24-限位销，25-挡销，26-齿盘轮齿，27-滚针，30-升程调节电机，31-调节轴，32-调节轴齿轮，33-偏心环，34-外圆柱表面，35-内圆柱表面，36-滚针或滑动轴承，37-支撑环，38-缸盖本体，50-运动轨迹，51-凸轮型线，52-凸轮顶点，53-中间摇臂，54-固定轴心，55-靴底型线，56-气门摇臂，57-窝心，58-气门，60-第一位置，61-第二位置。

具体实施方式：

以下将结合附图1-9对本发明的技术方案进行详细说明。

图1-6示出了根据本发明实施例的电机调节的内燃机气门控制装置。该装置包括凸轮轴旋转驱动系统、凸轮轴相位调节系统和气门升程调节系统。

其中：凸轮轴旋转驱动系统用于驱动凸轮轴15并使其旋转；凸轮轴相位调节系统用于调节凸轮轴15相对于曲轴(未显示)的旋转相位；气门升程调节系统用于调节气门58升程的大小；

如图1和图2所示，凸轮轴旋转驱动系统包括：凸轮轴链轮1，链轮轮齿2，内齿圈3，内齿圈轮齿4，行星轮5，行星轮第一轮齿6，行星轮第二轮齿7，中心轮8，中心轮第一轮齿9，中心轮第二轮齿10，凸轮轴齿轮11，凸轮轴齿轮的轮齿12，螺钉13，定位销14，凸轮轴15，双列角接触轴承18和支撑环37。

如图1和图2所示，支撑环37被固定安装在缸盖本体38上，双列角接触轴承18被固定安装在支撑环37上，而凸轮轴链轮1被固定安装在双列角接触轴承18上，使其可以绕支撑环37旋转；内齿圈3则被安装在凸轮轴链轮1的一侧，并使其与凸轮轴链轮1同轴固定；行星轮5被固定安装在偏心轴承外圆17上，，使行星轮5通过行星轮第一轮齿6与内齿圈轮齿4啮合，从而被内齿圈3驱动，使行星轮5能够绕轴线B旋转；中心轮8滚动地同轴套装在凸轮轴链轮1的内腔中，并使其绕轴线A旋转，该中心轮第一轮齿9与行星轮第二轮齿7相啮合，并被行星轮5驱动旋转；凸轮轴齿轮11则被固定安装在凸轮轴15的末端，并使凸轮轴齿轮的轮齿12与中心轮第二轮齿10相啮合，当中心轮8旋转时，驱动凸轮轴齿轮11和凸轮轴15一同绕轴线C旋转；

来自于曲轴通过齿数为Z1的曲轴链轮和链条(图中未显示)的驱动力矩，通过链轮轮齿2驱动凸轮轴链轮1和内齿圈3同步绕轴线A旋转，内齿圈3通过内齿圈轮齿4和与其啮合的行星轮5的行星轮第一轮齿6驱动行星轮5绕轴线B旋转，进一步通过与行星轮5的行星轮第二轮齿7和与其啮合的中心轮第一轮齿9驱动中心轮8绕轴线A旋转，进而中心轮第二轮齿10通过与其啮合的凸轮轴齿轮11上的凸轮轴齿轮的轮齿12驱动凸轮轴齿轮11绕轴线C旋转，并进一步驱动与凸轮轴齿轮11通过螺钉13和定位销14固定连接在一起的凸轮轴15绕轴线C旋转，最终完成从曲轴(未显示)到凸轮轴15的旋转运动传递过程。

其中：

轴线A是凸轮轴链轮1、内齿圈3、偏心轴承内圆16、中心轮8和电机轴22的旋转轴线，

轴线B是偏心轴承外圈17和行星轮5的旋转轴线。

轴线C是凸轮轴15和凸轮轴齿轮11的旋转轴线。

并且，曲轴链轮齿数Z1、凸轮轴链轮1的齿数Z2、内齿圈3的齿数Z3、行星轮5的行星轮第一轮齿6的齿数Z4、行星轮5的行星轮第二轮齿7的齿数Z5、中心轮第一轮齿9的齿数Z6、中心轮第二轮齿10的齿数Z7和凸轮轴齿轮11的齿数Z8之间具有下列约束关系：

(Z2/Z1)×(Z4/Z3)×((Z6/Z5)×((Z8/Z7)＝2··········(1)

公式(1)保证了在控制电机20不旋转时，内燃机曲轴与凸轮轴15的正时关系，即在四冲程内燃机中，曲轴转速与凸轮轴转速之比为2：1。

如图1和图2所示，凸轮轴相位调节系统包括：控制电机20，电机轴22，偏心轴承23，连接件21，限位销24，挡销25。

控制电机20被固定安装在缸盖罩盖上(未显示)，使其电机轴22与轴线A重合，并通过连接件21将电机轴22与偏心轴承23相连接，偏心轴承23通过滚针27滚动地安装在中心轮8的突出端，并使偏心轴承内圆16的中心线与中心轮8的中心线(即轴线A)相重合，行星轮5被可滚动地安装在偏心轴承外圆17上，并使行星轮5的旋转轴线与轴线B重合；

电机轴22穿过连接件21的中间孔并与连接件固连，连接件21再通过卡槽或销键结构与偏心轴承23上对应的连接部位连接，电机轴22转动一定角度时候，通过连接件21能够带动偏心轴承23同步转动一定角度。

如图3所示，该视图是图2的S-S剖面。启动控制电机20使电机轴22旋转，通过连接件21带动偏心轴承23旋转。由于轴线A和轴线B之间存在一个偏心距e，偏心轴承内圆16的旋转中心是轴线A，当偏心轴承23旋转时，产生了两种旋转运动，一种是偏心轴承外圆17的轴线B以偏心距e为半径绕轴线A公转，另一种是偏心轴承外圆17绕其自身轴线B自转。正是偏心轴承23这种公转和自转运动的同时，安装在其上的行星轮5也产生绕轴线A的公转和绕轴线B的自转，该自转是因为内齿圈3和行星轮5通过内齿圈轮齿4与行星轮第一轮齿6相互啮合的约束而产生。

见图4，该视图是图2的T-T剖面。当行星轮5绕轴线A公转和绕轴线B自转时，由于行星轮第二轮齿7和中心轮第一轮齿9相互啮合，行星轮5的自转和公转运动带动中心轮8绕轴线A旋转。

见图5，该视图是图2的U-U剖面图。进一步，由于中心轮第二轮齿10与凸轮轴齿轮的轮齿12的相互啮合，中心轮8绕轴线A的旋转带动凸轮轴齿轮11绕轴线C旋转。并进一步驱动与凸轮轴齿轮11通过螺钉13和定位销14固定连接在一起的凸轮轴15绕轴线C旋转，最终完成从控制电机20到凸轮轴15的旋转运动传递过程。

控制电机20的旋转方向与凸轮轴15的旋转方向相反。因此，内燃机工作时，当控制电机20旋转方向与凸轮轴链轮1的旋转方向一致时，凸轮轴15朝向气门正时延迟方向旋转，反之则朝向气门正时提前方向旋转。

从上述可以看出来，各齿轮齿数只要保证了公式(1)的关系，凸轮轴15的正时相位仅与电机轴22的旋转角度位置有关，而与曲轴的转速无关，因此，在内燃机运行时，只需检测和跟踪凸轮轴15的正时相位即可，而不需跟随曲轴转速的变动而改变，这样使得控制变得简单、易行和可靠；

同时，在无需调节凸轮轴15的相位时，控制电机20完全可以处于休息状态，这也会大大减小控制电机20以及其控制模块的功耗和发生故障的几率。

特别地，当控制电机20失效而失去驱动扭矩时，凸轮轴15在气门弹簧的阻力之下迫使凸轮轴15逆时针方向旋转(凸轮轴15的正常运动方向是在内燃机前端观察顺时针方向旋转的)，凸轮轴15逆时针旋转带动凸轮轴齿轮11、中心轮8以及行星轮5均逆时针方向旋转，由于内齿圈3与凸轮轴链轮1固定一起，且凸轮轴链轮1的顺时针旋转扭矩比凸轮轴15逆时针扭矩大很多，使行星轮5的逆时针运动受到约束，因此行星轮5的扭矩便传递到行星轮5的支撑部件偏心轴承23上，迫使偏心轴承23朝顺时针方向旋转，固定安装在偏心轴承23上的限位销24随偏心轴承23的旋转而旋转，当该限位销24旋转至挡销25的位置时，由于挡销25与电机20一起，固定安装在缸盖罩盖上，挡销25便阻止限位销24进一步旋转，使限位销24停留在与挡销25相遇的位置。该位置是凸轮轴15正时的最延迟位置，也是内燃机的启动位置。

在凸轮轴相位不需要改变时，控制电机20可以停止工作，凸轮轴将在原有的相位运行；当控制电机20驱动偏心轴承旋转时，改变了曲轴与凸轮轴的相位；

特别地，无论控制电机20旋转与否，由于曲轴和凸轮轴之间的齿轮齿数关系决定了曲轴与凸轮轴始终为2：1，因此，凸轮轴相位与曲轴的转速无关，在内燃机运行时，只需检测和跟踪凸轮轴相位即可，而无需关注曲轴的转速，使得监控变得简单、易行和可靠；又由于具有最大和最小限位装置，即使系统自锁失效或电机掉电时，偏心轴承也会被停止在最大或最小位置，即凸轮轴相位被停止在最提前或最延迟位置。

在所有传动齿轮的齿数关系中，行星轮5的行星轮第二轮齿7的齿数Z5可以小于、等于或大于中心轮第一轮齿9的齿数Z6，但无论如何必须保证各齿数关系严格遵循公式(1)的规定。

作为优先的实施例，选择Z5＝Z6，且Z5为外齿轮，Z6为内齿轮结构；此时，行星轮5与中心轮8的连接实际上是具有偏心距e的零齿差传动，该传动机构相当于W机构。

如图2、图6和图10所示，气门升程调节系统包括：升程调节电机30，调节轴31，调节轴齿轮32，偏心环33。

如图2所示，调节轴31被可旋转地套装在缸盖本体38的孔中，并使调节轴31与凸轮轴15平行安装，而升程调节电30的轴与调节轴31同轴固定安装，调节轴齿轮32则固定地同轴安装在调节轴31上，调节轴齿轮32、调节轴31和升程调节电机30的旋转中心都是轴线D。同时，偏心环33被可旋转地套装在支撑环37的孔中，使偏心环外圆柱表面34与滚针或滑动轴承36接触，而滚针或滑动轴承36与支撑环37的内孔接触，因此，偏心环33的外圆柱表面34形成的中心轴线与轴线A重合。

见图10，当升程调节电机30旋转时，带动与其同轴固定的调节轴31以及与调节轴31同轴固定的调节轴齿轮32一起绕轴线D旋转；偏心环33的齿轮与调节轴齿轮32啮合，当调节轴齿轮32旋转时，其驱动偏心环33绕轴线A旋转；由于凸轮轴15是被可旋转地套装在偏心环33的内圆柱表面35之中，且内圆柱表面35的中心轴线和凸轮轴15的中心线均为轴线C；

并且，轴线C与轴线A之间存在一个偏心距E，因此，当偏心环33绕外圆柱表面34的轴线A旋转时，其内圆柱表面35的轴线C将以偏心距E为半径绕轴线A旋转，导致安装在内圆柱表面35的凸轮轴15的轴线也绕轴线A旋转，同时，由于固定安装在凸轮轴15末端的凸轮轴齿轮11与中心轮8通过中心轮第二轮齿10和凸轮轴齿轮的轮齿12的相互啮合的约束，使凸轮轴15的轴线C绕轴线A公转的同时，也发生绕凸轮轴15的轴线自转，凸轮轴15的轴线与偏心环32的内圆柱表面35形成的轴线都是轴线C，所以，调节轴齿轮32旋转最终改变了凸轮轴轴线C的空间位置和凸轮轴15的旋转相位。

当需要对气门升程进行调节时，升程调节电机30驱动调节轴31和与其固定一体的调节轴齿轮32一起绕轴线D旋转，并驱动与调节轴齿轮32相啮合的偏心环33绕轴线A旋转，而凸轮轴15则绕轴线A公转，同时绕轴线C自转。

见图6a，运动轨迹50是轴线C围绕轴线A旋转的一个圆形轨迹，当偏心环33旋转时，凸轮轴15的轴线C将会沿着该运动轨迹50运动，从而改变了凸轮轴15的空间位置。

当凸轮轴15绕轴线C顺时针方向旋转时，凸轮型线51将推动中间摇臂53绕固定轴心54逆时针旋转，而中间摇臂53旋转将通过其靴底型线55推动气门摇臂56绕其窝心57逆时针旋转，使得气门摇臂56压迫气门58向下运动。

设定轴线C运行到图6a所示第一位置60，该第一位置60使凸轮轴15与中间摇臂53的距离为最大。当凸轮顶点52与中间摇臂53接触时，气门58所在的位置为最小升程位置；设定轴线C运行到图6b所示第二位置61，该第二位置61使凸轮轴15与中间摇臂53的距离为最小。当凸轮顶点52与中间摇臂53接触时，气门58所在的位置为最大升程位置。

随着偏心环33的旋转从第一位置60到达第二位置61，中间摇臂53旋转的角度发生了一个ΔΦ的变化，气门摇臂56的旋转角度则发生了一个Δθ的变化，最终导致气门58的升程发生了一个ΔL的改变量，完成了从升程调节电机30的旋转到气门58的升程变化的运动传递过程。

这个改变量ΔL可以在偏心环33的旋转中连续变化。

当升程调节电机30不运行时，气门升程将会停留在原有升程位置不变；

见图7，本发明的另一个实施例。本实施例与优先实施例大体相同，所不同的是，行星轮5的行星轮第二轮齿7的齿数Z5大于中心轮第一轮齿9的齿数Z6，即Z5>Z6，此时，行星轮5的行星轮第二轮齿7为内齿圈结构，而中心轮第一轮齿9则为外齿轮结构。

图8和图9示出了根据本发明另一个实施例的内燃机进气控制装置。该装置包括凸轮轴旋转驱动系统、凸轮轴相位调节系统。

其中：凸轮轴旋转驱动系统用于驱动凸轮轴15并使其旋转；凸轮轴相位调节系统用于调节凸轮轴15相对于曲轴(未显示)的旋转相位；

如图8和图9所示，凸轮轴旋转驱动系统包括：凸轮轴链轮1，链轮轮齿2，内齿圈3，内齿圈轮齿4，行星轮5，行星轮第一轮齿6，行星轮第二轮齿7，凸轮轴齿盘19，齿盘轮齿26，螺钉13，定位销14，凸轮轴15和偏心轴承23。

如图8和图9所示，凸轮轴链轮1被可旋转地安装在凸轮轴15的轴颈上，使其可以绕凸轮轴15旋转；内齿圈3则被安装在凸轮轴链轮1的一侧，并使其与凸轮轴链轮1同轴固定；行星轮5被固定安装在偏心轴承外圆17上，使行星轮5通过行星轮第一轮齿6与内齿圈轮齿4啮合被内齿圈3驱动，使行星轮5绕轴线B旋转；凸轮轴齿盘19则被固定安装在凸轮轴15的末端，并使行星轮第二轮齿7与凸轮轴齿盘19的齿盘轮齿26啮合，当行星轮5旋转时，驱动凸轮轴齿盘19和与其固定一起的凸轮轴15绕轴线A旋转。

来自于曲轴通过齿数为Z1的曲轴链轮和链条(图中未显示)的驱动力矩，通过链轮轮齿2驱动凸轮轴链轮1和内齿圈3同步绕轴线A旋转，内齿圈3通过内齿圈轮齿4和与其啮合的行星轮5的行星轮第一轮齿6驱动行星轮5绕轴线B旋转，进一步通过与行星轮5的行星轮第二轮齿7和与齿盘轮齿26啮合的凸轮轴齿盘19旋转，并进一步驱动与凸轮轴齿盘19通过螺钉13和定位销14固定连接在一起的凸轮轴15绕轴线A旋转，最终完成从曲轴(未显示)到凸轮轴15的旋转运动传递过程。

其中，轴线A是凸轮轴链轮1、内齿圈3、偏心轴承内圆16、凸轮轴齿盘19和凸轮轴15的旋转轴线，轴线B是偏心轴承外圈17和行星轮5的旋转轴线。

并且，曲轴链轮齿数Z1、凸轮轴链轮1的齿数Z2、内齿圈3的齿数Z3、行星轮5的行星轮第一轮齿6的齿数Z4、行星轮5的行星轮第二轮齿7的齿数Z5和凸轮轴齿盘19的齿数Z6之间具有下列约束关系：

(Z2/Z1)×((Z4/Z3)×((Z6/Z5)＝2·············(2)

公式(2)保证了在控制电机20不旋转时，内燃机曲轴与凸轮轴15的正时关系，即在四冲程内燃机中，曲轴转速与凸轮轴转速之比为2：1。

如图8和图9所示，凸轮轴相位调节系统包括：控制电机20，电机轴22，偏心轴承23，连接件21，限位销24，挡销25。

控制电机20被固定安装在缸盖罩盖上(未显示)，使其电机轴22与轴线A重合，并通过连接件21将电机轴22与偏心轴承23相连接，偏心轴承可滚动地安装在凸轮轴齿盘19的突出端，并使偏心轴承内圆16的中心线与轴线A相重合，行星轮5被可滚动地安装在偏心轴承外圆17上，并使行星轮5的旋转轴线与轴线B重合；

见图3，该视图是图2的S-S剖面，也是图8的S-S剖面。启动控制电机20使电机轴22旋转，通过连接件21带动偏心轴承23旋转。由于轴线A和轴线B之间存在一个偏心距e，偏心轴承内圆16的旋转中心是轴线A，当偏心轴承23旋转时，产生了两种旋转运动，一种是偏心轴承外圆17的轴线B以偏心距e为半径绕轴线A公转，另一种是偏心轴承外圆17绕其自身轴线B自转。正是偏心轴承23这种公转和自转运动，驱动安装在其上的行星轮5也产生绕轴线A的公转和绕轴线B的自转，该自转是因为内齿圈3和行星轮5通过内齿圈轮齿4与行星轮第一轮齿6相互啮合的约束而产生。

见图9，该视图是图8的V-V剖面。当行星轮5绕轴线A公转和绕轴线B自转时，由于行星轮第二轮齿7和齿盘轮齿26的相互啮合，行星轮5的自转和公转运动带动齿轮盘19和凸轮轴15绕轴线A旋转。最终完成从控制电机20到凸轮轴15的旋转运动传递过程。

其中，控制电机20的旋转方向与凸轮轴15的旋转方向相反。当控制电机20旋转方向与凸轮轴链轮1的旋转方向一致时，凸轮轴15朝向气门正时延迟方向旋转，反之则朝向气门正时提前方向旋转。

从上述可以看出来，各齿轮齿数只要保证了公式(2)的关系，凸轮轴15的正时相位仅与电机轴22的旋转角度位置有关，而与曲轴的转速无关，因此，在内燃机运行时，只需检测和跟踪凸轮轴15的正时相位即可，而不需跟随曲轴转速的变动而改变，这样使得控制变得简单、易行和可靠；

同时，在无需调节凸轮轴15的相位时，控制电机20完全可以处于休息状态，这也会大大减小控制电机20以及其控制模块的功耗和发生故障的几率。

特别地，当控制电机20失效时，偏心轴承23将会在内齿圈3和行星轮5以及凸轮轴齿盘19的共同作用下绕轴线A旋转，直至安装在偏心轴承23上的限位销24与安装在控制电机20上的挡销25相遇，并最终将偏心轴承23锁定在凸轮轴15的最延迟位置，也是内燃机的启动位置。

同时，凸轮轴15的相位改变是连续的。

该机构不仅可以用于凸轮轴的相位改变，也可以用于内燃机其它需要改变旋转轴相位的场合。

虽然上面结合本发明的实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电机调节的内燃机气门控制装置，包括凸轮轴旋转驱动系统、凸轮轴相位调节系统和气门升程调节系统，其中，凸轮轴旋转驱动系统用于驱动凸轮轴(15)旋转；凸轮轴相位调节系统用于调节凸轮轴(15)相对于曲轴的旋转相位；气门升程调节系统用于调节气门升程的大小；其特征在于：凸轮轴旋转驱动系统包括凸轮轴链轮(1)，链轮轮齿(2)，内齿圈(3)，内齿圈轮齿(4)，行星轮(5)，行星轮第一轮齿(6)，行星轮第二轮齿(7)，中心轮(8)，中心轮第一轮齿(9)，中心轮第二轮齿(10)，凸轮轴齿轮(11)，凸轮轴齿轮的轮齿(12)，凸轮轴(15)，双列角接触轴承(18)和支撑环(37)；

凸轮轴链轮(1)被固定安装在双列角接触轴承(18)上，使其能够绕支撑环(37)旋转；内齿圈(3)则被安装在凸轮轴链轮(1)的一侧，并使其与凸轮轴链轮(1)同轴固定；行星轮(5)被固定安装在偏心轴承外圆(17)上，使行星轮(5)通过行星轮第一轮齿(6)与内齿圈轮齿(4)啮合，从而被内齿圈(3)驱动，使行星轮(5)能够绕轴线B旋转；中心轮(8)滚动地同轴套装在凸轮轴链轮(1)的内腔中，并使其绕轴线A旋转，中心轮第一轮齿(9)与行星轮第二轮齿(7)相啮合，并被行星轮(5)驱动旋转；凸轮轴齿轮(11)则被固定安装在凸轮轴(15)的末端，并使凸轮轴齿轮的轮齿(12)与中心轮第二轮齿(10)相啮合，当中心轮(8)旋转时，驱动凸轮轴齿轮(11)和凸轮轴(15)一同绕轴线C旋转；

内燃机工作时，通过链轮轮齿(2)驱动凸轮轴链轮(1)和内齿圈(3)同步绕轴线A旋转，内齿圈(3)通过内齿圈轮齿(4)和与其啮合的行星轮(5)的行星轮第一轮齿(6)驱动行星轮(5)绕轴线B旋转；行星轮(5)的行星轮第二轮齿(7)和与其啮合的中心轮第一轮齿(9)驱动中心轮(8)绕轴线A旋转；中心轮第二轮齿(10)通过与其啮合的凸轮轴齿轮(11)上的凸轮轴齿轮的轮齿(12)驱动凸轮轴齿轮(11)和凸轮轴(15)绕轴线C旋转；

曲轴链轮齿数Z1、凸轮轴链轮(1)的齿数Z2、内齿圈(3)的齿数Z3、行星轮(5)的行星轮第一轮齿(6)的齿数Z4、行星轮(5)的行星轮第二轮齿(7)的齿数Z5、中心轮第一轮齿(9)的齿数Z6、中心轮第二轮齿(10)的齿数Z7和凸轮轴齿轮(11)的齿数Z8之间具有下列约束关系：

(Z2/Z1)×(Z4/Z3)×(Z6/Z5)×(Z8/Z7)＝2。

2.根据权利要求1所述的一种电机调节的内燃机气门控制装置，凸轮轴相位调节系统包括：控制电机(20)，电机轴(22)，偏心轴承(23)，连接件(21)，限位销(24)，挡销(25)，其特征在于：

控制电机(20)的电机轴(22)与轴线A重合，并通过连接件(21)将电机轴(22)与偏心轴承(23)相连接，偏心轴承(23)通过滚针(27)滚动地安装在中心轮(8)的突出端，并使偏心轴承内圆(16)的中心线与中心轮(8)的中心线，即轴线A相重合，行星轮(5)被可滚动地安装在偏心轴承外圆(17)上，并使行星轮(5)的旋转轴线与轴线B重合；启动控制电机(20)使电机轴(22)旋转，通过连接件(21)带动偏心轴承(23)旋转；

由于轴线A和轴线B之间存在一个偏心距e，偏心轴承内圆(16)的旋转中心是轴线A，当偏心轴承(23)旋转时，偏心轴承外圆(17)的轴线B以偏心距e为半径绕轴线A公转，同时，偏心轴承外圆(17)绕其自身轴线B自转；行星轮(5)也产生绕轴线A的公转和绕轴线B的自转；内燃机工作时，当控制电机(20)旋转方向与凸轮轴链轮(1)的旋转方向一致时，凸轮轴(15)朝向气门正时延迟方向旋转，反之则朝向气门正时提前方向旋转。

3.根据权利要求2所述的一种电机调节的内燃机气门控制装置，其特征在于：凸轮轴(15)的正时相位仅与电机轴(22)的旋转角度位置有关，而与曲轴的转速无关。

4.根据权利要求2所述的一种电机调节的内燃机气门控制装置，其特征在于：在无需调节凸轮轴(15)的相位时，控制电机(20)完全处于停止状态。

5.根据权利要求1所述的一种电机调节的内燃机气门控制装置，其特征在于：选择Z5＝Z6，此时，行星轮(5)与中心轮(8)的连接是具有偏心距e的零齿差传动。

6.根据权利要求1所述的一种电机调节的内燃机气门控制装置，气门升程调节系统包括：升程调节电机(30)，调节轴(31)，调节轴齿轮(32)，偏心环(33)；

升程调节电机(30)驱动调节轴(31)上的调节轴齿轮(32)，调节轴齿轮(32)、调节轴(31)和升程调节电机(30)的旋转中心都是轴线D；偏心环(33)旋转地套装在支撑环(37)的孔中，使偏心环外圆柱表面(34)与支撑环(37)的内孔之间设置滚针轴承或滑动轴承(36)，偏心环(33)的外圆柱表面(34)形成的中心轴线与轴线A 重合；当需要对气门升程进行调节时，升程调节电机(30)驱动调节轴(31)和与其固定一体的调节轴齿轮(32)一起绕轴线D旋转，并驱动与调节轴齿轮(32)相啮合的偏心环(33)绕轴线A旋转，而凸轮轴(15)则绕轴线A公转，同时绕轴线C自转；轴线C围绕轴线A旋转能够形成圆形的运动轨迹(50)，当偏心环(33)旋转时，凸轮轴(15)的轴线C将会沿着该运动轨迹(50)运动，从而改变了凸轮轴(15)的空间位置。

7.根据权利要求6所述的一种电机调节的内燃机气门控制装置，其特征在于：

设定轴线C的第一位置(60)，该第一位置(60)使凸轮轴(15)与中间摇臂(53)的距离为最大；当凸轮顶点(52)与中间摇臂(53)接触时，气门(58)所在的位置为最小升程位置；设定轴线C运行的第二位置(61)，该第二位置(61)使凸轮轴(15)与中间摇臂(53)的距离为最小；当凸轮顶点(52)与中间摇臂(53)接触时，气门(58)所在的位置为最大升程位置；偏心环(33)的旋转从第一位置(60)到达第二位置(61)，中间摇臂(53)旋转的角度发生了一个ΔΦ的变化，气门摇臂(56)的旋转角度则发生了一个Δθ的变化，最终导致气门(58)的升程发生了一个ΔL的改变量，完成了从升程调节电机(30)的旋转到气门(58)的升程变化。

8.根据权利要求1所述的一种电机调节的内燃机气门控制装置，其特征在于：

行星轮(5)的行星轮第二轮齿(7)的齿数Z5大于中心轮第一轮齿(9)的齿数Z6，即Z5>Z6，此时，行星轮(5)的行星轮第二轮齿(7)为内齿圈结构，而中心轮第一轮齿(9)则为外齿轮结构。

9.一种电机调节的内燃机气门控制装置，包括：凸轮轴旋转驱动系统、凸轮轴相位调节系统，凸轮轴旋转驱动系统用于驱动凸轮轴(15)并使其旋转；凸轮轴相位调节系统用于调节凸轮轴(15)相对于曲轴的旋转相位，其特征在于：

凸轮轴旋转驱动系统包括凸轮轴链轮(1)，链轮轮齿(2)，内齿圈(3)，内齿圈轮齿(4)，行星轮(5)，行星轮第一轮齿(6)，行星轮第二轮齿(7)，凸轮轴齿盘(19)，齿盘轮齿(26)，凸轮轴(15)和偏心轴承(23)；

凸轮轴链轮(1)旋转地安装在凸轮轴(15)的轴颈上，使其可以绕凸轮轴(15)旋转；内齿圈(3)安装在凸轮轴链轮(1)的一侧，并使其与凸轮轴链轮(1)同轴固定；行星轮(5)被固定安装在偏心轴承外圆(17)上，使行星轮(5)通过行星轮第一轮齿(6)与内齿圈轮齿(4)啮合被内齿圈(3)驱动，使行星轮(5)绕轴线B旋转；凸轮轴齿盘(19)固定安装在凸轮轴(15)的末端，并使行星轮第二轮齿(7)与凸轮轴齿盘(19)的齿盘轮齿(26)啮合，当行星轮(5)旋转时，驱动凸轮轴齿盘(19)和与其固定一起的凸轮轴(15)绕轴线A旋转；

其中：曲轴链轮齿数Z1、凸轮轴链轮(1)的齿数Z2、内齿圈(3)的齿数Z3、行星轮(5)的行星轮第一轮齿(6)的齿数Z4、行星轮(5)的行星轮第二轮齿(7)的齿数Z5和凸轮轴齿盘(19)的齿数Z6之间具有下列约束关系：

(Z2/Z1)×(Z4/Z3)×(Z6/Z5)＝2。

10.根据权利要求9所述的电机调节的内燃机气门控制装置，其特征在于：

凸轮轴相位调节系统包括：控制电机(20)，电机轴(22)，偏心轴承(23)，连接件(21)，限位销(24)，挡销(25)；

控制电机(20)的电机轴(22)与轴线A重合，并通过连接件(21)将电机轴(22)与偏心轴承(23)相连接，偏心轴承可通过滚针(27)滚动地安装在凸轮轴齿盘(19)的突出端，并使偏心轴承内圆(16)的中心线与轴线A相重合，行星轮(5)滚动地安装在偏心轴承外圆(17)上，并使行星轮(5)的旋转轴线与轴线B重合；启动控制电机(20)使电机轴(22)旋转，通过连接件(21)带动偏心轴承(23)旋转；

轴线A和轴线B之间存在一个偏心距e，偏心轴承内圆(16)的旋转中心是轴线A，当偏心轴承(23)旋转时，偏心轴承外圆(17)的轴线B以偏心距e为半径绕轴线A公转，同时，偏心轴承外圆(17)绕其自身轴线B自转；行星轮(5)也产生绕轴线A的公转和绕轴线B的自转；内燃机工作时，当控制电机(20)旋转方向与凸轮轴链轮(1)的旋转方向一致时，凸轮轴(15)朝向气门正时延迟方向旋转，反之则朝向气门正时提前方向旋转。

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