CN203585050U - 一种组合式变排量发动机曲轴及与其配套使用的凸轮轴 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种组合式变排量发动机曲轴及与其配套使用的凸轮轴。本实用新型中的曲轴和凸轮轴安装在发动机上，可以实现发动机排量的改变，通过改变排量可以提高发动机在不同负荷下的负荷率，进而可以使发动机工作在万有特性曲线中燃油经济性较高的区域，避免动力过剩现象的产生，可以在保证发动机动力性的前提下，降低整体油耗水平，实现节能减排的目的，通过对本实用新型中曲轴和凸轮轴的配套使用，可以有两种组合方式，都可以实现变排量的功能，本实用新型可以适用于各种气缸数目的发动机，应用范围广。

Description

一种组合式变排量发动机曲轴及与其配套使用的凸轮轴

技术领域

本实用新型涉及车用发动机结构设计技术领域，具体涉及一种变排量发动机的曲轴和凸轮轴结构的改进。 

背景技术

常规发动机一经启动，所有气缸都参与工作，它所能发出的最大功率是一个定值。在大多数工况下是产生富动力的状态，尤以车用发动机突出。车用发动机大多工作在中小负荷，尤其是在城市工况下，各个气缸都工作在油耗较高的特性区域，由于发动机排量不能改变，因而产生过多的富动力，不仅过多的消耗燃料，同时还制造出大量过剩尾气排放，造成严重的环境污染。 

基于这些负面作用，国外早有先行者研发出变排量发动机技术。如美国的克莱斯勒公司的“MDS”可变气门正时变排量发动机技术，福特公司的“VDE”液力挺杆变排量技术，德国大众公司的“ZAS”双凸轮变排量技术等。这些技术都是以关闭进、排气门完成变排量目的，而发动机曲轴上的连杆轴颈工作角不能改变，因而局限了它们的变量范围，不能更好的满足实际需求。而且被关闭气缸中的活塞等件还再做负功。 

变排量技术可以降低发动机在下中低负荷下工况所能发出最大功率，提高负荷率，使发动机可以工作在燃油经济性较好的区域，降低整车的燃油消耗水平。 

发明内容

为了解决上述车用发动机存在的问题，即在中小负荷下油耗水平高，尤其是在城市工况下。本实用新型是基于一种组合式变排量发动机技术，它是通过变排量曲轴及与其配套使用的凸轮轴的联合作用，实现发动机排量的改变。发动机根据行走机械或车辆的不同行进负荷，在自动控制系统的指令下，自动进行变排量，使发动机的负荷率在合适的水平上，避免“富”动力现象的产生和过剩尾气的排放。 

小型化可以提高发动机的经济性，其原因就在于小型化技术提高了发动机在各个工况下的负荷率，提高了整体的燃油经济性。而本实用新型可以在不改变发动机外形的前提下，实现发动机排量的可变，提升不同工况下的负荷率，使发动机的工作点移向万有特性图上中间偏上的区域，即尽量工作在燃油经济区，以适合发动机不同工况下对燃油经济性的要求，这对节能减排有重要的意义。 

本实用新型的上述目的通过以下技术方案予以实现，结合附图说明如下： 

一种组合式变排量发动机曲轴及与其配套使用的凸轮轴包括组合式变排量发动机曲轴 

参阅图1-4所示，组合式变排量发动机曲轴是由若干级可独立转动的曲轴节1依次连接构成，相连接的两个曲轴节1间一端设有滑键和可沿滑键滑动的动偶件2，另一端设有定偶件3，动偶件2和定偶件3相对的端面设有可相互咬合传动的齿，动偶件2侧面设有可控制其沿滑键滑动的曲轴拨环4，动偶件2和定偶件3的端面上分别轴向设有至少一组、每组至少两对非均布在圆周上的相配合的定位销5和定位孔，以确保两曲轴节1在一组的定位销5进入到该组的定位孔后只能有唯一的配合角，定位孔内设有可缩进的挡销6和弹簧，挡销6的一端与其所在的偶件端面相平齐，且挡销6与该偶件的侧面上分别设有环槽，同组挡销6环槽的轴向位置相同，该偶件的环槽内设有变量环7卡在挡销6的环槽上，变量环7与该偶件间设有复位弹簧8将变量环7可转动的角度限定在弹簧可伸缩的范围内，变量环7的内周设有若干缺口，当变量环7与该偶件相对转动而压缩复位弹簧8时，挡销6可通过缺口被定位销5推进定位孔内，当一组定位销5推开挡销6进入定位孔使动偶件和定偶件的齿相互咬合后该级曲轴节1开始传动。 

所述动偶件2和与其连接的曲轴节1表面处分别设有由定位球9、定位弹簧10构成的定位装置和与定位球9配合的球坑。 

所述定偶件3上套有可周向转动的定位环11，定偶件3与定位环11之间设有切向惯性弹簧12，所述定位销5固定在定位环11的端面上。 

所述定偶件3与定位环11上分别设有限位销13和限位孔14，使定位环11只能在限位销13和限位孔14所限定的位移内转动。 

参阅图5-7所示，变排量发动机凸轮轴，凸轮轴上设有若干可绕其周向转动的活动凸轮体15，每个活动凸轮体15及与其对应的凸轮轴表面处均设有至少一组键槽和一组滑动对键16，滑动对键16的一端设有凸轮轴拨环17，通过凸轮轴拨环17拨动滑动对键16可使活动凸轮体15随凸轮轴旋转。 

本实用新型以现有发动机结构为平台，将现有的整体式曲轴或凸轮轴结构改变成组合结构。组合式曲轴是多节曲轴节串联组成。每个曲轴节为一个单元，对应各自相应的工作缸，每台发动机设一个或二个工作缸为常工作缸，其余为变量缸，变量缸的曲轴单元主要由：一个主轴颈、两个曲柄、一个连杆轴颈和一个副轴颈组成，在每个单元间设有单向爪形离合器，该离合器只允许正转，反向时由于有斜面存在，无法传递扭矩，一个离合偶件套固定在前节末端主轴颈外延部，在外延部设有铆形腔，在离合偶件体上设有定位环、定位销和弹簧。另 一个离合偶件为组合件，设有不同功用的部件，这个组合偶件通过花键滑配在后节的副轴颈上，副轴颈有个榫形头，各节装配时，后节的榫形头部插入前面铆形腔内，在它们之间布有滚柱轴承，在组合偶件上设有曲轴拨环、变量环、定位孔、挡销、弹簧等。 

组合式曲轴由首、中、末节组成，单向爪形离合器偶件的一个定偶件套装在首、中节主轴颈外延部，在这个偶件上设有定位环，在定位环的外端面有三个外伸定位销，一个为主销，另两个设置在对侧为副销，它们间有一α角，在偶件体下设有惯性弹簧。另一个偶件是组合体为动偶件，它通过花键装配在中、末节曲轴的副轴颈处，在组合动偶件上设有曲轴拨环、变量环、定位孔、挡销、压簧，挡销安装在定位孔中，压簧在里侧，挡销上设有环形槽，定位孔三个为一组，不同的动偶件上的组数不同，变量环上设有开口，开口一边为控制边，也是三个一组，每组开口的控制边在对应的工作缸休眠时插入三个挡销的环形槽中，将其锁止，挡销的外端面与动偶件的控制端面平齐，在变量环下面设有回位弹簧，它一端抵在变量环上，一端抵在组合偶件体上，每组定位孔均与定位销吻合。 

组合凸轮轴由一根通轴和数个凸轮体、限位件、轴承、滑动对键、凸轮轴拨环等组成，在通轴上，常工作缸相对应位置凸轮体套固定在轴上（或与轴加工成一体）。其余凸轮体内孔与轴滑配合，限位件、轴承（滑套）装配在凸轮体左、右两侧，限制凸轮体的轴向移动，在凸轮体上均设对键槽，在轴上的不同正时位置设有不同数量的对键槽和相应数量的滑动对键，每组对键与一个凸轮轴拨环相连，滑动对键的移动传导和切断凸轮轴对凸轮体的转矩，它们既是连接件，也是离合件。 

组合凸轮轴也可单独应用在发动机上，这种单组合的变排量发动机结构要较双组合（凸轮轴和曲轴均采用组合结构）的机构简单，变量效果也较双组合小，与国外几种变排量发动机效果相近。两种组合形式的变排量发动机，可采用同样的控制方式。 

凸轮轴上有一组或二组凸轮体固装在常工作缸位置，凸轮轴上变量凸轮体位置开有不同尺寸、不同数量的对键槽，在凸轮体内孔上也开有一对不同尺寸的对键槽，尺寸稍大的为主键槽，稍小的是定位槽，各组对键的外端均联有凸轮轴拨环，里端常态下与凸轮体分离，处在定位环下，变排量操纵机构，控制各离合偶件开合的拨叉均铰联在同一推杆上，拨叉头悬置在凸轮轴拨环上方，各变量环上方均设有悬置压杆，推杆一端设有弹簧，推杆在运动时，可同步控制各离合器的开合，又可单独或多个控制。 

附图说明

图1为本实用新型曲轴的结构示意图。 

图2为本实用新型曲轴节连接处的结构示意图。 

图3为图2的A-A剖视图。 

图4为本实用新型曲轴定偶件的结构示意图。 

图5为本实用新型凸轮轴的结构示意图。 

图6为图5的B-B剖视图。 

图7为本实用新型活动凸轮体的结构示意图。 

图中：1曲轴节，2动偶件，3定偶件，4曲轴拨环，5定位销，6挡销，7变量环，8复位弹簧，9定位球，10定位弹簧，11定位环，12惯性弹簧，13限位销，14限位孔，15活动凸轮体，16滑动对键，17凸轮轴拨环 

具体实施方式

结合四缸四冲程车用发动机为例详细说明两种组合形式的变排量发动机工作过程： 

第一种是采用双组合变排量发动机，在这个发动机上只设一个常工作缸，其余三个缸为可变缸，为全级变：1—2—3—4缸。 

当发动机启动后，常工作缸开始工作，其余为休眠状。要让车辆前进或后倒，驾驶者就会推动操纵杆，变速器进入相应档位（自动变速），此时如发动机提供的动力远不足车辆的启动转矩，发动机在自动控制系统控制下，动作执行机构就会使一个休眠缸加入工作：形成二缸工作模式，点火模式为二缸模式。 

每缸的工作角是0°—360° 

               1      2 

相应的配气相位角：0°—180° 

                  1      2 

变排量的控制系统可以是电控形式，也可以是申请人之一的在先前申请的三项专利：200910071324.3，200912072355.0，20092009230.2组成的自动液压控制系统，或采用其它控制方式，实现对变排量曲轴和凸轮轴的联合控制。 

动作执行机构在控制系统信号作用下，把悬置在2号缸曲轴拨环上方的拨叉和2号变量环上方的压杆同时下压，推杆同时向前推动，把2号组合动偶件向前拨动，使动偶件的控制端面与对侧公转的三个定位销端面相抵，产生摩擦转矩，继尔开始转动，此时2号变量环受到上方压杆的压力产生阻力矩，使它与动偶件产生一个逆向偏转，三个开口控制边移出挡销的环形槽，解除了对它们的轴向约束，如果此时转动的三个定位销刚好与这三个挡销相对，动偶件在拨叉轴向力作用下克服三个挡销压簧阻力前移，变量环脱离压杆限制，直至两爪形 离合器偶件齿面和两个凸起件都啮合，在花键轴上的钢球被推入动偶件体上的凹槽，对其相对锁止。由于动偶件与定位销在啮合前存在转速差，在定位销与定位孔刚接触的瞬间对动偶件产生惯性冲击，三个定位销将冲击力传递到定偶件体上，这个冲击力被惯性弹簧吸收后并使两偶件转速同步，完成定位啮合。 

在2号曲轴离合偶件啮合过程中，凸轮轴方面，拨叉也将2号相位的滑动对键向凸轮体拨动，滑动对键随着轴的转动，不断改变空间位置，在它们与凸轮体上的对键槽相对时被推入凸轮体对键槽中，动力传递到凸轮体上，使其在配气相位转动，开启对应的进排气门。 

在两组合件进入工作状态的同时，其它的动作机构把点火装置切换成二缸工作模式，二号缸的供燃也被打开，2号缸开始工作，完成一次增加排量过程，达到两倍动力输出。 

如果此时动力还是不足，还要增加排量，就得再有一休眠缸加入工作，形成三缸工作模式，每缸的工作角： 

                      0°—240°—480° 

                      1     3      2 

相应的配气相位角：0°—120°—240° 

                 1      3     2 

原来的两缸工作模式不能满足三缸工作条件，2号缸连杆轴颈工作角就得要从原来360°工作角增加120°变换成480°位置，新加入工作的3号缸连杆轴颈工作角定在240°位置，相应的凸轮配气相位也随之改变。 

在3号工作缸进入工作之前，动作执行机构先将2号工作缸停止工作，调整新的工作角和相位。 

动作机构在控制系统指令下，同时将推杆和2号位滑动对键向回拨动，滑动对键的分离较快，由于爪形离合器的特殊结构，分离也较容易，在拨叉向回拨动动组合偶件到原空位过程中，随着它的位移，定位销对挡销的压力逐渐减少，挡销在压簧张力作用下，不断向外移动，当它的外端面与动偶件控制端面平齐时，它的环形槽又与2号变量环的开口控制边对齐，变量环在其下面回位弹簧作用下向原位置转动，开口控制边进入环形槽中，再次将2号位挡销锁上，限制它的轴向移动。 

在动偶件回位后，动作机构又将2号缸和3号缸的动偶件上方的拨叉头和3号变量环的压杆下压，推杆再向前推动，2号缸动组合偶件控制端面先受到摩擦转动力矩，完成离合器偶件啮合，动力传递到2号缸曲轴单元，再通过第二个定离合偶件上的定位销把摩擦转矩作用在第二个动偶件上，使第二个离合器偶件啮合。 

与此同时，在凸轮轴方面，拨叉将2号缸和3号缸凸轮组的3号对键向前拨动，在各自与凸轮体对键槽对齐后，进入槽中，完成动力联接过程，开启各自的进排气门。 

其它的动作机构又将先前的二缸点火模式切换成三缸点火模式，并对二缸供燃，使它们进入工作状态，完成第二次增加排量过程，再增加2倍动力输出。 

此时如果发动机动力能满足启动车辆，控制系统就不会对执行机构发出指令，执行机构不动作，发动机就不会再增加排量（动力）。 

如果此时还是因车辆负荷或路况等因素，车辆不能启动，控制系统继续发出指令，进行第三次增加排量，增加动力，进入四缸工作模式，每缸的工作角和配气相又变化了，每缸的工作角为： 

               0°—180°—360°—540° 

               1     3      2      4 

相应的配气相位角：0°—90°—180°—270° 

                  1     3     2     4 

2号缸由480°变回360°，3号缸变为180°，4号缸进入540°工作角，相应的配气也变化。 

这次的变化过程如同二变三，先将2号缸、3号缸和它们的配气凸轮和各单元曲轴动力切断，改变三缸工作时的模式，将2号缸3号变量环改变回2号变量环（4号变量环），3号缸的3号变量环改变为4号变量环工作，4号缸的动离合偶件不设变量环，再继尔三个动离合偶件与定偶件相继啮合，4号位对键进入各自位置，点火装置切换成四缸工作模式，再向三个缸供燃。四个工缸依次工作，达到最大排量，最大动力状态。车辆启动开始行驶或倒车。 

通过两套拨叉和压杆机构，实现了变量缸工作角和配气相位角的改变。四缸同时工作时，如果按照正常的气缸工作角和配常气相位角来安排，那么会使得2号缸再多一套拨叉控制机构，使得整体结构复杂，所以不同于常规的相位角安排虽然会引起整机的振动加剧，但是考虑到操控机构的结构合理性，仍然选择了1-3-2-4的工作角和配气相位角。 

以上是增加排量过程，当车辆启动后，或行驶时，行车阻力矩减少，就不需要发动机发出的过剩动力，需要减少排量，减少动力。减少排量过程亦然。 

在车辆临时驻停时，执行机构失去动力，推杆在回位弹簧作用下回位，并将工作缸离合器分离，点火装置也切换成单缸模式，发动机处在最小排量，最低动力状态运行。 

本实用新型的这种双组合结构变排量发动机工作时，使处在休眠状态的气缸动力被切断，活塞等部件不能被带着转动，因而不会产生“负”功，提高工作缸工作效率。 

由于这种双组合变排量发动机工作时，同时工作的气缸数量经常发生变化，因此从发动机振动平衡方面考虑，对于往复惯性力采用完全平衡法，即每个曲拐上加两块平衡块，使每缸都达到动平衡；对于往复惯性力，考虑到这种组合式曲轴结构已经十分复杂，在往复惯性力的平衡上也采取使得结构简单的方法，即过量平衡法，这种方法可以使平衡机构的结构简单，在平衡旋转惯性力的平衡块上多加一部分平衡质量来平衡部分往复惯性力。通过上述两种平衡方式，可以有效的降低这种组合式曲轴由于同时工作的气缸数的变化而对惯性力的平衡造成影响，有效降低发动机的整机振动。 

在采用单组合结构的发动机也能达到变排效果，只是变排效果要较双组合小。 

如四缸发动机由于采用常规曲轴结构，它们的气缸分布和工作角： 

                     0°—180°—360°—540° 

                    1   3（2）   4     2（3） 

由于这种结构曲轴的连杆轴颈不能改变位置，要使这四个工作缸进行变排量，还要最大程度保障机构和动力平衡，发动机平稳工作，只能在1、4缸或2、3缸的一组工作缸选取，原因在于四冲程的的发动机一个循环720°，当有两个缸工作时，每个缸的工作角为360°，因此需要选择两个曲拐同向布置，以控制它们进排气门的凸轮动力传递，动力接通时增加排量，动力被切断时减少排量，考虑到发动机的这是4—2缸间的转换，如果在各转动部件都能达到最大平衡时再切断一个工作缸凸轮动力即可达到最小排量。这种结构的发动机变排操控较双组合简单，只需对各凸轮组的滑动对键、点火模式和供燃控制即可。 

同样，这两种结构和控制方式还适合其它缸数的发动机。 

Claims (5)

1.一种组合式变排量发动机曲轴，其特征在于，它是由若干级可独立转动的曲轴节（1）依次连接构成，相连接的两个曲轴节（1）间一端设有滑键和可沿滑键滑动的动偶件(2)，另一端设有定偶件(3)，动偶件（2）和定偶件（3）相对的端面设有可相互咬合传动的齿，动偶件（2）侧面设有可控制其沿滑键滑动的曲轴拨环（4），动偶件（2）和定偶件（3）的端面上分别轴向设有至少一组、每组至少两对非均布在圆周上的相配合的定位销（5）和定位孔，以确保两曲轴节（1）在一组的定位销（5）进入到该组的定位孔后只能有唯一的配合角，定位孔内设有可缩进的挡销（6）和弹簧，挡销（6）的一端与其所在的偶件端面相平齐，且挡销（6）与该偶件的侧面上分别设有环槽，同组挡销（6）环槽的轴向位置相同，该偶件的环槽内设有变量环（7）卡在挡销（6）的环槽上，变量环（7）与该偶件间设有复位弹簧（8）将变量环（7）可转动的角度限定在弹簧可伸缩的范围内，变量环（7）的内周设有若干缺口，当变量环（7）与该偶件相对转动而压缩复位弹簧（8）时，挡销（6）可通过缺口被定位销（5）推进定位孔内，当一组定位销（5）推开挡销（6）进入定位孔使动偶件和定偶件的齿相互咬合后该级曲轴节（1）开始传动。 

2.根据权利要求1所述的组合式变排量发动机曲轴，其特征在于，所述动偶件（2）和与其连接的曲轴节（1）表面处分别设有由定位球（9）、定位弹簧（10）构成的定位装置和与定位球（9）配合的球坑。 

3.根据权利要求1所述的组合式变排量发动机曲轴，其特征在于，所述定偶件（3）上套有可周向转动的定位环（11），定偶件（3）与定位环（11）之间设有切向惯性弹簧（12），所述定位销（5）固定在定位环（11）的端面上。 

4.根据权利要求3所述的组合式变排量发动机曲轴，其特征在于，所述定偶件（3）与定位环（11）上分别设有限位销（13）和限位孔（14），使定位环（11）只能在限位销（13）和限位孔（14）所限定的位移内转动。 

5.一种与权利要求1所述的组合式变排量发动机曲轴配套使用的变排量发动机凸轮轴，其特征在于，凸轮轴上设有若干可绕其周向转动的活动凸轮体（15），每个活动凸轮体（15）及与其对应的凸轮轴表面处均设有至少一组键槽和一组滑动对键（16），滑动对键（16）的一端设有凸轮轴拨环（17），通过凸轮轴拨环（17）拨动滑动对键（16）可使活动凸轮体（15）随凸轮轴旋转。 

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