CN113383149B - 带有行星齿轮组的发动机可变凸轮轴正时相位器 - Google Patents

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Abstract

一种发动机可变凸轮轴正时(VCT)相位器组件装配在内燃机(ICE)中以调节发动机的凸轮轴相对于发动机的曲轴的旋转。通过调节提前和延迟发动机的进气门和排气门的打开和关闭运动。电动机和行星齿轮组在VCT相位器组件的使用中一起工作。行星齿轮组可包括两个或更多个环形齿轮、行星齿轮和太阳齿轮。在先前的VCT中有时经历的齿隙状况在VCT相位器组件中通过一个或多个弹簧而被最小化，一个或多个弹簧迫使行星齿轮与环形齿轮啮合。

Description

带有行星齿轮组的发动机可变凸轮轴正时相位器
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2019年3月4日提交的美国临时专利申请第62/813,320号的优先权的权益，其全部内容并入本文。
技术领域
本申请涉及用于内燃机(ICE)的可变气门正时(WT)，并且更具体地，涉及配备在ICE上的可变凸轮轴正时(VCT)相位器。
背景技术
可变气门正时(VVT)系统通常与内燃机(例如，在汽车中使用的内燃机)一起使用，用于控制进气门和排气门的打开和关闭。WT系统可以帮助改善燃料经济性，减少废气排放以及提高发动机性能等益处。一种类型的VVT系统采用可变凸轮轴正时(VCT)相位器。通常，VCT相位器动态地调整发动机凸轮轴相对于发动机曲轴的旋转，以便提前或延迟进气门和排气门的打开和关闭运动。近年来，VCT相位器已经采用电动机和行星齿轮组的使用，这些电动机和行星齿轮组一起工作以实现其功能。这些装置的行星齿轮组有时可以包括多个环形齿轮。
发明内容
在一个实现方式中，发动机可变凸轮轴正时(VCT)相位器组件可以包括行星齿轮组。行星齿轮组可包括两个或更多个环形齿轮、多个行星齿轮，以及太阳齿轮。行星齿轮由多个销承载。间隙可位于一个或多个行星齿轮与承载每个行星齿轮的相应销之间。行星齿轮啮合环形齿轮，并且太阳齿轮啮合行星齿轮。行星齿轮组可以进一步包括一个或多个弹簧。弹簧将行星齿轮推向径向外侧，并且经由间隙使行星齿轮移向径向外侧。推动行星齿轮以与环形齿轮啮合。
在另一个实现方式中，发动机可变凸轮轴正时(VCT)相位器组件可以包括行星齿轮组。行星齿轮组可包括两个或更多个环形齿轮、多个行星齿轮，以及太阳齿轮。行星齿轮啮合环形齿轮，并且太阳齿轮啮合行星齿轮。行星齿轮组可进一步包括多个销和多个弹簧。销承载行星齿轮，并且每个销具有中空区段。弹簧部分地或更多地位于中空区段内。弹簧对行星齿轮的内壁施加偏置力。
在又一个实现方式中，发动机可变凸轮轴正时(VCT)相位器组件可以包括行星齿轮组。行星齿轮组可包括两个或更多个环形齿轮、多个行星齿轮，以及太阳齿轮。行星齿轮由多个销承载。在行星齿轮和销之间存在间隙。行星齿轮啮合环形齿轮，并且太阳齿轮啮合行星齿轮。行星齿轮组可以进一步包括由销保持的多个弹簧。弹簧在行星齿轮-销面对空间(confrontation)的径向内侧处将间隙偏置到闭合状态，并且弹簧在行星齿轮-销面对空间的径向外侧处将间隙偏置到打开状态。
附图说明
图1是发动机可变凸轮轴正时(VCT)组件的一个实施例的截面图；
图2是发动机VCT组件的行星齿轮的一个实施例的透视图；
图3是行星齿轮的截面图，示出了弹簧的一个实施例；
图3A是行星齿轮处的间隙的放大视图；
图4是行星齿轮和弹簧的分解图；
图5是发动机VCT组件的行星齿轮的另一个实施例的透视图，示出了弹簧的另一个实施例；
图6是图5的行星齿轮和弹簧的截面图；
图7是图5的行星齿轮和弹簧的另一个透视图；
图8是太阳齿轮的一个实施例的透视图，示出了弹簧的又一个实施例；并且
图9是图8的太阳齿轮和弹簧的分解图。
具体实施方式
这些附图示出了发动机可变凸轮轴正时(VCT)相位器组件10的实施例，该实施例可以装备在内燃机(ICE)中，类似在汽车应用中使用的那些内燃机。VCT相位器组件10控制ICE中的进气门和排气门的打开和关闭。VCT相位器组件10动态地调整ICE的凸轮轴相对于ICE的曲轴的旋转，用于提前或延迟进气门和排气门的打开和关闭移动。VCT相位器组件10是采用电动机12和具有多个环形齿轮的行星齿轮组14的类型。虽然下面将更详细地描述，但是将一定程度的顺应性结合到行星齿轮组14的设计和构造中，以便与一个或多个弹簧一起使行星齿轮组14的齿轮之间有时经历的齿隙状况最小化。弹簧用于将行星齿轮组14的齿轮偏置成彼此啮合。噪声、振动和不平稳性(NVH)也被最小化。此外，如在此所使用的，术语轴向、径向，以及周向，以及它们相关的语法形式是参照所示的VCT相位器组件及其部件中的一些的总体上圆形形状来使用的。在此意义上，轴向指的是大致沿着或平行于圆形形状的中心轴线的方向，径向指的是大致沿着或平行于圆形形状的半径的方向，并且周向指的是大致沿着或在类似于圆形形状的圆周的方向。
在不同的实施例中，VCT相位器组件10可以具有不同的设计和构造，除了其他可能的因素之外，还取决于使用VCT相位器组件10的具体应用以及它与之一起工作的曲轴和凸轮轴。在图1所示的实施例中，例如，VCT相位器组件10包括链轮16、行星齿轮组14，以及凸轮盘18。图1的示例通常用于描述示例性VCT相位器组件的部件。下面参考附图2-9描述的弹簧以及附加构造可以结合到VCT相位器组件中，例如图1的VCT相位器组件中。VCT相位器组件可以具有比在此描述的更多、更少和/或不同的部件。在图1中，链轮16接收来自ICE的曲轴的旋转驱动输入并且围绕轴线20旋转。正时链或正时带可环绕链轮16并环绕ICE的曲轴，使得曲轴的旋转转化为链轮16的旋转。在该示例中，链轮16在外部具有成组齿22以用于与正时链配合。此外，链轮16具有圆柱形壁24。
仍然参考图1，行星齿轮组14包括太阳齿轮26、行星齿轮28，以及第一环形齿轮30和第二环形齿轮32。太阳齿轮26连接至电动机12并且由电动机12驱动以绕轴线20旋转。太阳齿轮26与电动机12之间的连接可以通过销槽互连或某种其他方式进行。太阳齿轮26与行星齿轮28啮合，并且在其外部具有成组齿34以用于使直接的齿到齿与行星齿轮28相啮合。当在将ICE的凸轮轴带到其提前角位置和延迟角位置以及从其提前角位置和延迟角位置带出时，行星齿轮28围绕它们各自的旋转轴线36旋转。另一方面，当不提前或延迟时，行星齿轮28与太阳齿轮26和环形齿轮30、32一起围绕轴线20公转。在这里提出的实施例中，总共有三个类似设计和构造的行星齿轮28，但也可以有其它数量的行星齿轮，例如两个、四个或六个。每个行星齿轮28与第一和第二环形齿轮30、32啮合，并且每个行星齿轮28在其外部具有成组齿38，用于使得直接的齿到齿与环形齿轮30、32啮合。行星齿轮架组件在VCT相位器组件10的内部将行星齿轮28保持就位，并且包括外承载板40、内承载板42、承载销44和行星齿轮销46。行星齿轮销46承载行星齿轮28。此外，外固定板48在圆柱形壁24和外承载板40之间延伸，并且内固定板50与外固定板48相对地定位。
第一环形齿轮30接收来自链轮16的旋转驱动输入，使得第一环形齿轮30和链轮16在操作中一起围绕轴线20旋转。在这个实施例中，第一环形齿轮30是链轮16的整体延伸部，但是这些部件在其他实施例中可以是分立的并且连接在一起，例如通过螺栓、焊接、互配切口和突片，和/或某种其他方式连接。第一环形齿轮30与行星齿轮28啮合，并且在其内部具有成组齿52以用于实现与行星齿轮28直接的齿对齿相啮合。第二环形齿轮32驱动凸轮盘18的旋转，并且两个部件在操作中一起围绕轴线20旋转。在这个实施例中，第二环形齿轮32是凸轮盘18的整体延伸部，但是这些部件在其他实施例中可以是分立的并且连接在一起，例如通过螺栓、焊接、互配切口和突片，和/或一些其他方式连接。第二环形齿轮32与行星齿轮28啮合，并且在其内部具有成组齿54以用于实现与行星齿轮28直接的齿对齿相啮合。此外，第一和第二环形齿轮30、32之间的单个齿的数量可以彼此不同，例如相差行星齿轮组14中存在的行星齿轮28的数量的倍数。满足该关系通过在第一和第二环形齿轮30、32之间施加相对旋转运动和相对速度来提供提前和延迟能力。
两个环形齿轮30、32一起构成行星齿轮组14的拼合环形齿轮构造。此外，行星齿轮组14可以包括多于两个的环形齿轮。例如，行星齿轮组14可包括用于行星齿轮组14中总共三个环形齿轮的附加第三环形齿轮。在此，第三环形齿轮还可以像第二环形齿轮32一样驱动凸轮板18的旋转，并且可以具有与第二环形齿轮32相同数目的单个齿。
最后，凸轮板18可连接到ICE的凸轮轴并驱动ICE的凸轮轴绕轴线20旋转。
在一些VCT相位器组件中，已经发现在行星齿轮组的齿轮之中可能经历不希望的齿隙状况。已经确定的齿隙状况是行星齿轮组的齿轮的所要求的齿公差和所要求的伴随的制造精度的结果，特别是在行星齿轮和两个环形齿轮之间的啮合齿轮齿以及两个环的齿的不同设计和构造处所要求的。当存在齿隙状况时，可以在VCT相位器组件中引起噪声、振动和不平稳性(NVH)。
为了解决这些缺点，行星齿轮组14的设计和构造中引入了一定程度的顺应性，该顺应性沿着由也结合到行星齿轮组14中的一个或多个弹簧施加的偏置力用于使不希望的齿隙状况最小化。偏置力迫使行星齿轮28与第一和第二环形齿轮30、32之间的更紧密的齿到齿啮合，从而使啮合的齿朝向理论上理想的零齿隙状况发展。这些动作已经示出为在行星齿轮组14中引入阻尼并且因此使否则可能发生的NVH最小化。在附图的实施例中，顺应性是以在行星齿轮28处提供的间隙的形式。
现在转到图2-4，在该实施例中，间隙156(图3A)并入行星齿轮128和行星齿轮销146的设计和构造中。间隙156经预定并有目的地设定为大于本来将用于该尺寸的间隙。在一些实现方式中，间隙156可以仅配置一个行星齿轮，而其余行星齿轮128没有明确的间隙。具有间隙的行星齿轮可以在径向外侧的方向上被偏置成与环形齿轮啮合，并且这个运动可以通过承载板传递到没有间隙的其余行星齿轮上。或者在其他实现方式中，不只一个行星齿轮128可以包括间隙156。即，一个或多个行星齿轮128可以包括间隙156，并且一个或多个行星齿轮128可以没有间隙156。例如，间隙156可以具有在大约0.100-0.200毫米(mm)范围内的尺寸，而在行星齿轮和行星齿轮销之间没有明确的间隙156的以往的尺寸可以在大约0.020-0.040mm范围内。这样，间隙156形成空隙，该空隙可在行星齿轮128由于施加的偏置力而相对于行星齿轮销146移位时闭合。间隙156位于行星齿轮128和行星齿轮销146之间的面对面空间，并且在没有偏置力的情况下，跨越行星齿轮128和行星齿轮销146之间的面对空间的周向范围。此外，间隙156跨越行星齿轮128与行星齿轮销146之间的轴向面对空间范围。间隙156限定在行星齿轮128的内壁和表面158与行星齿轮销146的外壁和表面160之间。内壁和表面158可以是行星齿轮128的毂162的内壁和表面。此外，如图3A的特写所示，行星齿轮销146与外承载板140和内承载板142之间的面对空间可能缺乏类似于间隙156的预定和明确的间隙。
弹簧施加偏置力并用于在径向外侧方向164(图3)上推动行星齿轮128，并且朝向第一和第二环形齿轮30、32。行星齿轮128借助于间隙156和由此提供的伴随的宽容度在径向外侧方向164上移动和移位。行星齿轮128因此被推动成与第一环形齿轮30和第二环形齿轮32紧密啮合，并且由此产生更紧密的齿到齿啮合。此外，弹簧在行星齿轮组14中引入使NVH最小化的阻尼作用。在各种实施例中，弹簧可以具有各种设计和构造。在图2-4所示的实施例中，弹簧呈多个片簧166的形式，每个行星齿轮128一个：第一片簧168、第二片簧170和第三片簧172。具体参考图4，每个片簧166具有一对腿部和脚部174，并具有桥接腿部和脚部174的头部176。
可能如图4的分解图所示，每个片簧166由单个行星齿轮销146保持。在这里的实施例中，行星齿轮销146具有孔或中空区段178。中空区段178跨越行星齿轮销146的开口端之间的轴向范围。此外，每个行星齿轮销146具有位于其壁160中并完全跨越壁160的窗口180。窗口180可以被成形为对应于头部176的形状。如图3所示，行星齿轮销146与行星齿轮128安装，使得窗口180定位在径向外侧位置。片簧166部分地或更多地位于行星齿轮销146的中空区段178内。头部176在组装中延伸穿过窗口180，腿部和脚部174在中空区段178处邻接行星齿轮销146的相对内表面182。
仍然参考图3，通过延伸穿过窗口180，头部176与行星齿轮128的内壁和表面158面对面直接邻接。这样，在该实施例中，片簧166直接对行星齿轮128的内壁和表面158施加偏置力。这些偏置力被定向在径向外侧方向164上。行星齿轮128又在径向外侧方向164上被推动和移位。由于片簧166的偏置力，间隙156被迫在行星齿轮128和行星齿轮销146之间的面对空间的径向外侧面184处打开至它们的最宽范围。相反，由于片簧166的偏置力，间隙156被迫在行星齿轮128和行星齿轮销146之间的面对空间的径向内侧面186处闭合。行星齿轮128的移位使它们与第一和第二环形齿轮30、32更紧密地啮合，并且成组齿138、52、54呈现更紧密的齿到齿啮合。因此，最小化否则可能在成组齿138、52、54之间出现的任何不希望的齿隙状况。此外，片簧166可以在一定负载下在行星齿轮组14中引入使NVH最小化的阻尼作用。
在与图2-4的实施例类似的可选实施例中，弹簧可以具有不同于片簧的形式。在一个示例中，例如，弹簧可以是由行星齿轮销保持并从其延伸以与行星齿轮邻接的多个弹簧加载的滚珠棘爪的形式。
现在转到图5-7，在另一个实施例中，弹簧为第一环形弹簧268和第二环形弹簧270的形式。第一和第二环形弹簧268、270具有连续的环形结构，如从图7中明显看出。第一和第二环形弹簧268、270大致位于行星齿轮228的径向内侧。相对于轴线288(图7)，在装配中，第一环形弹簧268位于行星齿轮228的第一轴向外侧，并且位于外行星架行星240的轴向内侧。外承载板240和行星齿轮228在轴向方向上将第一环形弹簧268夹在中间并将其保持就位。在该实施例中，行星齿轮228具有第一外壁290或毂部，相对于成组齿238在轴向外侧上突出。第一环形弹簧268与第一外壁290邻接。更具体地，第一环形弹簧268的第一外表面292与第一外壁290的第一外表面294面对面直接邻接。
类似于第一环形弹簧268，第二环形弹簧270位于行星齿轮228的第二轴向外侧，并且位于内承载板242的轴向内侧。内承载板242和行星齿轮228在轴向方向上将第二环形弹簧270夹在中间并且将其保持在组装位置中。在该实施例中，行星齿轮228具有第二外壁296(图6)或毂部，相对于成组齿238在轴向外侧上突出。第二环形弹簧270与第二外壁296邻接。更具体地，第二环形弹簧270的第二外表面298与第二外壁296的第二外表面300面对面直接邻接。
与前面的实施例一样，在图5-7的实施例中，间隙256(图6)位于行星齿轮228和行星齿轮销246之间的面对面空间处。应当理解的是，尽管没有精确地示出为图3A中的间隙156，该实施例的间隙256实际上将具有与前述类似的预定和明确的尺寸以及所建立的空隙。第一和第二环形弹簧268、270直接对行星齿轮228的相应的第一和第二外壁290、296施加偏置力。如前所述，偏置力在径向外侧方向264上被引导，并且行星齿轮228进而在径向外侧方向264上被推动和移位。间隙256再次被迫在径向外侧284处打开至它们的最宽范围，并且被迫在径向内侧286处闭合。结果，如同先前的实施例，任何不想要的齿隙状况被最小化，并且NVH被最小化。
现在转到图8和图9，在又一实施例中，弹簧为扭转弹簧372的形式。扭转弹簧372具有第一末端374和第二末端376。第一和第二末端374、376各自相对于扭转弹簧的主体的圆形形状径向向外突出。在该实施例中，扭转弹簧372由太阳齿轮326保持并且通常位于太阳齿轮326的内部378处。太阳齿轮326在设计、构造和部件上不同于参照图1所描述的太阳齿轮。图8和9的太阳齿轮326且包括具有第一齿段382的主体380，并且包括第二齿段384。主体380具有带有第一切口388的裙部386。第一齿段382具有用于与行星齿轮28直接齿对齿啮合的第一组齿333。第二齿段384插在主体380的裙部386上并通过卡环390固定在那里。为了预加载的目的，如下所述，第二齿段384可在裙部386处独立于主体380并且独立于第一齿段382旋转。第二齿段384在其内部具有第二切口392，并且在其外部具有第二组齿335，用于实现与行星齿轮28直接齿对齿的啮合。第一和第二组齿333、335相对于彼此呈现相同的配置和轮廓。
在组件中，如图8所示，扭转弹簧372位于太阳齿轮的内部378处的裙部386处。第一末端374延伸穿过第一切口388并插入第二切口392中。第二末端376类似地插入到主体380的切口(未示出)中。由于这些插入，扭转弹簧372在第一和第二齿段384、382之间施加偏置力，该偏置力用于向第二齿段384施加旋转预负载。因为行星齿轮28与第一和第二齿段382、384处于齿对齿啮合接合，所以旋转预负载致使行星齿轮28在径向外侧方向164上被推动和移位，如先前实施例中那样。间隙56再次被迫在径向外侧打开至它们的最宽范围，并且被迫在相对的径向内侧闭合。结果，任何不希望的齿隙状况被最小化并且NVH被最小化。
应当理解，前面是对本发明的一个或多个实施例的描述。本发明不限于在此公开的特定实施例，而是仅由所附权利要求书来限定。此外，包含在前面的描述中的陈述涉及特定实施例，并且不应被解释为对本发明的范围或对权利要求书中使用的术语的定义的限制，除非上文明确限定了术语或短语。本领域的技术人员将容易理解各种其它实施例以及对所公开的实施例的各种改变和修改。所有这样的其他实施例、改变和修改旨在落入所附权利要求的范围内。
如在本说明书和权利要求书中所使用的，当与一个或多个部件或其他项的列表一起使用时，术语“例如”、“比如”、“诸如”、“等等”，以及动词“包含”、“具有”、“包括”以及它们的其他动词形式各自应被解释为开放式的，这意味着不应将列表视为排除其他的、附加的部件或项。其它术语将使用其最宽的合理含义来解释，除非它们在需要不同解释的上下文中使用。

Claims (15)

1.一种发动机可变凸轮轴正时(VCT)相位器组件，包括行星齿轮组，所述行星齿轮组包括：
至少两个环形齿轮；
与所述至少两个环形齿轮啮合并由多个销承载的多个行星齿轮，所述多个行星齿轮中的至少一个与所述销之间存在间隙；
与所述多个行星齿轮啮合的太阳齿轮；以及至少一个弹簧，其在径向外侧推动所述多个行星齿轮，并使所述多个行星齿轮经由所述间隙在径向外侧移位并与所述至少两个环形齿轮啮合。
2.根据权利要求1所述的发动机可变凸轮轴正时(VCT)相位器组件，其中所述至少一个弹簧的推动将在行星齿轮-销的面对空间的径向内侧处闭合的间隙偏置，并且将在所述行星齿轮-销的面对空间的径向外侧处打开的间隙偏置。
3.根据权利要求1所述的发动机可变凸轮轴正时(VCT)相位器组件，其中所述至少一个弹簧由所述多个销保持。
4.根据权利要求3所述的发动机可变凸轮轴正时(VCT)相位器组件，其中所述至少一个弹簧与所述多个行星齿轮的内壁邻接。
5.根据权利要求1所述的发动机可变凸轮轴正时(VCT)相位器组件，其中所述多个销具有中空区段，并且所述至少一个弹簧至少部分地位于所述中空区段内。
6.根据权利要求1所述的发动机可变凸轮轴正时(VCT)相位器组件，其中所述多个销具有位于其壁中的窗口，并且所述至少一个弹簧延伸穿过所述窗口以便与所述多个行星齿轮的内壁邻接。
7.根据权利要求1所述的发动机可变凸轮轴正时(VCT)相位器组件，其中所述间隙被限定在所述多个行星齿轮的内壁与所述多个销的外壁之间。
8.根据权利要求1所述的发动机可变凸轮轴正时(VCT)相位器组件，其中所述至少一个弹簧包括第一环形弹簧和第二环形弹簧，所述第一环形弹簧和所述第二环形弹簧总体上位于所述多个行星齿轮的径向内侧，所述第一环形弹簧与所述多个行星齿轮的第一外壁邻接，并且所述第二环形弹簧与所述多个行星齿轮的第二外壁邻接。
9.根据权利要求1所述的发动机可变凸轮轴正时(VCT)相位器组件，其中所述太阳齿轮具有第一齿段和第二齿段，所述至少一个弹簧将旋转预负载施加到所述第二齿段。
10.根据权利要求9所述的发动机可变凸轮轴正时(VCT)相位器组件，其中所述第一齿段和所述第二齿段是彼此独立可旋转的。
11.根据权利要求9所述的发动机可变凸轮轴正时(VCT)相位器组件，其中所述至少一个弹簧位于所述太阳齿轮的内部，并且所述至少一个弹簧与所述第二齿段的切口相互作用以便将所述旋转预负载施加到所述第二齿段。
12.一种发动机可变凸轮轴正时(VCT)相位器组件，包括行星齿轮组，所述行星齿轮组包括至少两个环形齿轮，与所述至少两个环形齿轮啮合的多个行星齿轮，以及与所述多个行星齿轮啮合的太阳齿轮；所述行星齿轮组进一步包括多个销和多个弹簧，所述多个销承载所述多个行星齿轮，所述多个销具有中空区段，所述多个弹簧至少部分地位于所述中空区段内并且对所述多个行星齿轮的内壁施加偏置力。
13.根据权利要求12所述的发动机可变凸轮轴正时(VCT)相位器组件，其中所述多个销具有位于其壁中的窗口，并且所述多个弹簧延伸穿过所述窗口以便对所述多个行星齿轮的内壁施加偏置力。
14.根据权利要求12所述的发动机可变凸轮轴正时(VCT)相位器组件，其中在所述多个行星齿轮的内壁与所述多个销的外壁之间存在间隙，所述偏置力经由所述间隙使得所述多个行星齿轮相对于所述多个销移位并且将所述多个行星齿轮推向径向外侧。
15.一种发动机可变凸轮轴正时(VCT)相位器组件，包括行星齿轮组，所述行星齿轮组包括：
至少两个环形齿轮；
与所述至少两个环形齿轮啮合并由多个销承载的多个行星齿轮，所述多个行星齿轮与所述多个销之间存在间隙；
与所述多个行星齿轮啮合的太阳齿轮；以及多个弹簧，所述多个弹簧由所述多个销保持并且将在行星齿轮-销面对空间的径向内侧处闭合的间隙偏置并且将在所述行星齿轮-销面对空间的径向外侧处打开的间隙偏置。
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