調相器型全可變氣門正時機構的製作方法
2023-05-27 22:22:41
專利名稱：調相器型全可變氣門正時機構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種調相器型全可變氣門正時機構，是往復活塞式內燃機領域中驅動氣門的機構之一，能夠使氣門的正時控制獨立於升程的調節，即可連續調節氣門持續開啟時間而不改變氣門升程，從而達到優化氣門控制的目的。
背景技術：
內燃機的氣門驅動採用連續可變氣門正時可以提高內燃機氣缸的充氣率，提高功率和效率，降低氣缸工作溫度，降低內燃機的汙染排放。內燃機的進氣門驅動採用連續可變氣門升程技術可以提高內燃機的進氣效率，降低油耗，提高內燃機對油門的響應速度。公開號CNlO1149000A名為內燃機的可變氣門驅動機構的專利中，氣門的正時和升程是相互關聯的，即氣門打開的持續時間與氣門打開的升程是成比例關係，但由此帶來 的問題是不能很好兼顧可變氣門正時和可變氣門升程這兩種調節的優點。公開號CN2771485名為內燃機無級可變氣門正時機構的專利中，利用雙凸輪軸的相位變化來改變氣門正時，但此方法中凸輪與V型搖臂有脫離接觸的情況，因此當再有接觸時將產生衝擊，損毀部件。且此方法產生氣門的二次開啟，並且氣門過早達到最大升程位置，過遲離開最大升程位置，對與氣門彈簧的彈力要求更高，使衝擊的問題更為嚴重。氣門在最大升程附近會有一個劇烈的反彈跳，可能時氣門的液壓挺杆脫離與凸輪或者V型搖臂的接觸，使氣門遭到損壞。公開號CN1814992A名為連續可變氣門正時配氣機構活塞式內燃機的專利中，試圖採用二根凸輪軸的相位改變來改變進氣門的持續開啟時間，但簡單搖臂式的驅動作用合成器過於簡單，使氣門產生一個階躍運動，不適合實際使用，更不適合內燃機高轉速運轉。公開號CN101858233A名為包含變速擺機構的全可變氣門正時方法和機構的專利中，雖然可以做到連續可調氣門持續開啟時間，但是所示方法和機構的體積比較龐大，部分部件應力比較大，磨損也比較大。而且含有彈簧，不能很好適應特別高的轉速下機構具有足夠快的相應，可能造成機構運動失去控制，不能應用與轉速高於每分鐘轉速I萬轉的內燃機氣門驅動。
發明內容
本專利為改進上述不足作出新的解決方案，一種調相器型全可變氣門正時機構，包含偏心輪軸，與內燃機的曲軸通過剛性機構相連接，轉速是曲軸的二分之一；齒輪軸，與內燃機的曲軸通過剛性機構相連接；調相器，與所述齒輪軸通過齒輪嚙合，其齒輪軸通過連杆與所述偏心輪軸相連；偏心輪調相器，調節所述偏心輪軸與曲軸的轉動相位關係；凸輪套管，含有凸輪，凸輪與一個驅動氣門的滾輪搖臂上的滾輪接觸，轉速是曲軸轉速的二分之一。發明中含有二根轉動軸，一根是齒輪軸，提供凸輪套管恆速轉動；一根是偏心輪軸，提供凸輪套管的變速轉動；二根轉動軸由曲軸通過鏈條驅動。結構的特徵使此機構可以簡化為一種可變氣門正時和升程機構，齒輪軸連接線性控制機構，曲軸以鏈條直接連接偏心輪軸，偏心輪軸的轉速是曲軸轉速的二分之一。這個簡化機構在改變氣門持續開啟時間的同時也改變了氣門的升程，在某些需要提供連續可調氣門升程的場合替代所述調相器型全可變氣門正時機構。
圖I是示意圖，示出了調相器型全可變氣門正時機構各部件之間的位置和連接關係。圖2是調相器示意圖，示出了由行星齒輪系構成的調相器中的行星齒輪組是調節凸輪套管轉動相位的部件。圖3是齒輪軸的示意圖，示出了齒輪軸具有一個突起，突起與凸輪套管內部配合，固定齒輪軸的位置。
圖4是調相器的調節示意圖，示出了調相器的二個特徵角度，一個角度使氣門的持續開啟時間最短，另一則最長，並對應於各自的氣門升程曲線，顯示了調節氣門正時的效果。圖5是調相器的調節示意圖，示出而調相器的二個特徵角度，一個角度是使氣門處於中等轉速偏下的調節狀態，另一個是中等轉速偏上的調節狀態，顯示了調節氣門正時的方法。圖6是四齒輪系調相器的簡單示意圖，示出了由四個齒輪依次嚙合而成一個改變凸輪相位的機構。
具體實施例方式下面將參考附圖來敘述一個例示性實施例。在這個實施例中省略了部分外圍部件例如鏈條和液壓管路，這些是公知的部件，省略其作用的敘述。參考附圖I，是機構的右後視圖，齒輪軸I具有齒輪3，齒輪3是通過鏈條與內燃機的曲軸相連的。偏心輪軸2通過一個偏心輪調相器5與齒輪4連接，驅動齒輪軸I的鏈條同時與齒輪4相連，因此齒輪軸I轉動方向與偏心輪軸2是相同的。偏心輪調相器5可以調節齒輪4與偏心輪軸2的相位，也因此調節了偏心輪與內燃機曲軸和齒輪軸的相位。偏心輪軸2上有偏心輪7，通過連杆6，偏心輪7可連接到軸10上。軸10是固定在支架9上的，牽引軸10可以使支架9繞齒輪軸的軸線轉動。齒輪段8是凸輪套管11的一段，二者是一體的部件，齒輪段8內部有齒輪。凸輪套管11上含有二個凸輪12a和12b，二個凸輪是驅動同一種氣門的凸輪，例如進氣門或者排氣門，不可以是不同的氣門。凸輪12a與滾輪13a緊密接觸，滾輪13a以軸固定在滾輪搖臂15a上，滾輪搖臂15a據液壓挺柱20a可以驅動氣門19a開啟，同理，滾輪搖臂15b可以據20b驅動氣門19b。凸輪套管11和偏心輪軸2由四個固定器14a、14b、14c、14d固定在內燃機氣缸蓋上。通常固定器14b、14d都是在鑄造時與氣缸蓋是一體的，而固定器14a、14c是固定用的蓋板，用螺栓固定在固定器14b、14d上，附圖I中螺栓及其孔皆省略。這裡的齒輪齒輪3和齒輪4的齒數比不一定是一比二，齒輪軸的轉速也不一定是偏心輪軸2的二根之一，因為齒輪軸I的轉速是由齒輪段8內部有齒輪的齒數和齒輪軸I所具有的內部的齒輪的齒數的比例而定的。確定這些關鍵齒數比例的效果是使凸輪套管11的轉速是內燃機曲軸的二分之一，使凸輪能夠滿足內燃機氣門的正時的要求。凸輪套管11上也可以有一個或三個凸輪，視具體的設計要求而做修改，二個凸輪僅是示例性的數量，因為符合一般的每個氣缸四氣門的設計，可以驅動二個進氣門或者排氣門。偏心輪7和連杆6僅是一種提供周期往復運動的機構，也可以由凸輪和彈簧的機構取代，但優先使用偏心輪結構，因為偏心輪結構不需要彈簧，在內燃機處於極高轉速，例如每分鐘一萬轉以上時具有很好的剛性約束，不會使正時機構的運動失去控制。此外，偏心輪7和連杆6也可以改為驅動一個擺動的齒輪，同時去掉支架9上的軸10，而在支架9的邊 緣加齒輪，並偏心輪7通過驅動擺動齒輪來周期性改變支架9的角度，這個結構複雜性高，但是使支架9的擺動範圍增大一些。但通常以簡單的放大偏心輪7來增大支架9的擺動範圍。齒輪軸I和偏心輪軸2以公知的方法限制其軸向位置，例如固定凸輪軸的方法。參考附圖2，是一種調相器內部的示意圖。支架9上的軸10連接在孔17中，因此與偏心輪的連杆形成剛性連接。本實施例中，支架9上共有6個連接小齒輪的軸，其中2個是軸18和軸22。軸18是作為小齒輪23的軸，軸22是作為小齒輪21的軸。當支架9以齒輪軸的軸線轉動時，依靠6個小齒輪的軸帶動小齒輪在調相器內部轉動。小齒輪18和22都與齒輪段8內部的齒輪24嚙合，同時由於齒輪軸上的齒輪25嚙合。這樣齒輪25的轉動方向就是與齒輪段8相反的。齒輪段8與凸輪套管11是一體的，齒輪軸通過齒輪段8驅動凸輪套管11轉動。齒輪段8的直徑比凸輪套管11大很多，以便容納小齒輪，使小齒輪不會太小而難於加工且強度太低。凸輪套管11與齒輪段8之間有一個凹環形的結構，等同於凸輪套管11具有一個突起16，凹環機構可以嵌入固定器14d的孔中，使凸輪套管11具有軸向位置的約束能力。偏心輪軸2與齒輪軸是並列安裝的，距離根據連杆的長度而定，但需要保證連杆在擺動中不會碰到齒輪軸。參考附圖I和附圖2,齒輪3的齒數、齒輪23、齒輪24、齒輪25的齒數比設計的效果是使凸輪套管11的轉速是曲軸轉速的二分之一，使凸輪12a、12b能夠滿足內燃機氣門的正時的要求。同時，偏心輪7的周期性運動使支架9周期性轉動，因而使凸輪12a、12b的轉動角速率周期性變化，即一個恆定的轉動角速率上疊加了一個可近似看作正弦波的波動，或者有表述，凸輪12a、12b推動氣門19a、19b開啟至最大時所經歷的時間是可以不同的，因而產生了氣門持續開啟時間的連續可調的可能。參考附圖3，前視圖的A-A剖面視圖中，齒輪軸I具有與凸輪套管11同內徑相同的一個突起26，使齒輪軸I能夠依靠凸輪套管11固定在固定器14d上，這裡省略掉了固定器14c，凸輪套管11所具有的凹環部分是嵌入到固定器14d中的。突起26上有凸輪12b。圖中可見凸輪套管11的另一端是由固定器14a和14b固定的。此圖是未完全安裝的狀態，支架9並未插入到小齒輪27的軸孔之中，而小齒輪位於凸輪套管11內，是正常工作狀態的位置。參考附圖4，首先規定旋轉的方向。因為齒輪軸和偏心輪軸2的旋轉方向相同，因此偏心輪7與凸輪12a的旋轉方向就是相反的。因為偏心輪軸2與凸輪套管的轉速同樣是曲軸轉速的二分之一，因此偏心輪7與凸輪12a的轉速就是相同的，只能調節二者的相位關係。假設凸輪12a順時針轉動，偏心輪7必是逆時針轉動。圖4A中的方向線M表示凸輪12a的方向，圖4B中的方向線M表示偏心輪輪7的方向，圖4C中的方向線M表示凸輪12a的處於圖4A的狀態時的方向，而此時也是氣門升程處於最大的時刻，即圖4D中的升程線M。M標識的意義在於在凸輪12a處於最大推動氣門開啟升程位置時刻的凸輪12a、偏心輪7的位置，和凸輪12a的角速率三個關鍵特徵的標誌，當調節偏心輪7與凸輪12a相位時，這個M標識的位置將改變，在氣門升程4D中升程線M的位置不變，但二側的氣門升程曲線線形發生變化。圖4C中的曲線Vl是凸輪12a工作時轉動角速率的極坐標表示，曲線Vl距離線段SI與方向線M交點的距離，就是凸輪12a工作時轉動角速率。可見凸輪12a工作時轉動角速率是周期性變化的，周期恰好是凸輪12a轉動360的時間，這個周期性變化是偏心輪7賦予的。虛線圓V2就是凸輪12a勻速轉動的角速率曲線，與曲線Vl是同心的。在曲線Vl的基礎上疊加一個周期性往復運動的速率就得到曲線V2。圖4C中的線段SI是凸輪12a開始推動氣門開啟的角度位置，線段S2是凸輪12a釋放氣門使之完全關閉的角度位置。線段SI、線段S2、方向線M與曲線Vl的交點就是處於三個時刻的凸輪12a的轉動角速率。 圖4A和圖4E是二個偏心輪7方向截然相反的調節狀態，對應的偏心輪7方向分別是圖4B和圖4F。圖4C和圖4G是這二個狀態的凸輪12a的速率圖，而圖4D是這二個狀態下對應的氣門升程曲線。圖4C和圖4G的轉動方向是順時針的，因為此二圖是表達凸輪12a的轉動角速率的。圖4D中的曲軸角度的方向是左小右大，因此曲線SI是氣門開啟，曲線S2氣門關閉。調節偏心輪7的與凸輪12a的相位關係，使之達到圖4A和圖4B相對位置，於是得到凸輪12a如圖4C的角速率狀態，於是得到圖4D上半部分氣門升程曲線的形狀，曲線SI是氣門開啟，曲線S2是氣門關閉，氣門的持續開啟時間為Al，氣門最大升程為M。同理，調節偏心輪7的與凸輪12a的相位關係，使之達到圖4E和圖4F相對位置，於是得到凸輪12a如圖4G的角速率狀態，於是得到圖4D下半部分氣門升程曲線的形狀，曲線SI是氣門開啟，曲線S2是氣門關閉，氣門的持續開啟時間為A2，氣門最大升程為M。這 樣，本實施例機構可以完成改變氣門持續開啟時間而不改變氣門升程的功能。參考附圖5，與附圖4類似的，可以引用相關的敘述。所不同的是，圖5B中的偏心輪7的方向沿逆時針方向轉動了一個角度，這個角度是凸輪12a從開啟氣門至氣門達到最大升程二個位置之間的角度，即圖5C中的線段SI與方向線M之間的夾角。此時，線段SI位於凸輪12a轉動角速率最大的位置，因此氣門開啟的升程曲線SI就是最陡峭的，即氣門以最快速率開啟。同時，線段S2向凸輪12a轉動角速率減小的方向移動了，因此氣門關閉的速率就降低了，因此圖中上半部分氣門升程曲線S2變得平緩了。結果就是形成了一個氣門的持續開啟時間A3。持續開啟時間A3比附圖4D中的Al更加寬，但是曲線SI的位置不同。如附圖5F所示，當偏心輪7繼續旋轉一個角度，使圖5G下半部分中的線段S2位於凸輪12a速率最慢的位置時，所顯示的氣門關閉的曲線S2最為平緩，比附圖4D中的下半部分的曲線S2更加平緩。雖然此時的氣門持續開啟時間A4比Al短，但氣門關閉的速率比Al要更慢。綜合附圖4和附圖5的說明，調節氣門持續開啟時間的方法就是通過調節偏心輪軸2的相位，使其超前凸輪12a的角度從零連續調整到180度，於是，氣門持續開啟時間就從最小調節到最大，具體數值，以不同的具體的設計的不同而相異。參考附圖6，這是另一種四齒輪系調相器的實施例。調相器有很多種，例如公知技術中的液壓型的調相器用於凸輪軸的相位調節，但是齒輪系用於調相器的好處是相應非常快，而且位置非常準確。但如附圖2所述的行星齒輪系並不是唯一可以用於調相的齒輪系，還有其他的形式。例如附圖6所示的四齒輪系。圖6A中，齒輪25是屬於齒輪軸的齒輪，齒輪24是與凸輪12a連接成為一體的齒輪。齒輪25與齒輪24的軸固定不動，且齒輪25與齒輪24相互之間不嚙合，因為齒輪25與齒輪24是齒輪鏈上的首尾二端的齒輪。齒輪29和齒輪25和齒輪31嚙合，齒輪31與齒輪24和29嚙合，形成一個由四個齒輪依次嚙合的四齒輪系。齒輪系中嚙合的齒輪以連杆28、連杆30、 連杆32連接齒輪的軸。當保持齒輪25固定不轉動、四齒輪系的連杆相互位置和角度發生變化時，例如由圖6A的形狀改變到圖6B的形狀，那麼可以明顯看到凸輪12a的方向發生改變，從而完成了改變凸輪相位的功能。進而按照附圖2的方法將四齒輪系的連杆28、32或者中間二個齒輪29、31的軸上連接到偏心輪機構上，就構成一個與凸輪旋轉同步的周期性改變凸輪相位的機構，從而可以改變凸輪的旋轉角速度，構成與附圖2所述機構功能相同的全可變氣門正時機構。參考附圖6，此四齒輪系的調相器的平衡性不如行星齒輪系，可通過在對側增加二個與齒輪29和31相同的齒輪，以及與連杆28、30、32相同的連杆，組成另一個四齒輪系，並且使同與齒輪24和齒輪25相連的連杆合併為一個部件，這樣平衡性可以改善。附圖6所示的四齒輪系是最簡潔的機構形式。參考附圖2至附圖5，凸輪12a的角度大小是氣門最大持續開啟時間和最小持續開啟時間的中間值，例如氣門持續開啟時間從曲軸角度180度至320度，那麼凸輪的角度應當是180+ (320-180) /2 = 250 度考慮到一些部件運動時的非線性，這個角度需做適當的調整。以上附圖I至6所描述的機構，具有另一個重要的特徵，可以簡化成為一種可變氣門正時和升程機構。方法如下，參考附圖I至6，將齒輪軸I脫離與曲軸相連的鏈條，連接類似偏心輪調相器5線性控制機構但不含齒輪，曲軸以鏈條直接連接偏心輪軸2，取消偏心輪調相器5。偏心輪軸的轉速是曲軸轉速的二分之一，並適當調整各部分的參數，此時凸輪套管11的運動是偏心輪軸2驅動下的擺動而非轉動，線性控制機構通過齒輪軸I調整凸輪套管11的擺動範圍，因此對氣門的控制等同於公開號CN101149000A名為內燃機的可變氣門驅動機構的專利。這個簡化機構在改變氣門持續開啟時間的同時也改變了氣門的升程，在某些需要提供連續可調氣門升程的場合替代所述調相器型全可變氣門正時機構，同樣這個簡化機構也能夠適應非常高的內燃機轉速下對氣門的控制需求。總體而言，本發明採用了變速凸輪的技術，凸輪通過一個行星齒輪系連接曲軸驅動的齒輪軸，通過一個與凸輪同步驅動的偏心輪帶動行星齒輪系中的行星輪支架周期性擺動，使凸輪的轉動角速度在360周期內有一個較大的變化，當推動氣門的時間恰好是凸輪快速擺動時，氣門持續開啟時間短，反之則時間更長。因為整個機構慣性比較小，部件的平衡性好，適合應用的內燃機轉速更高。本發明的簡化機構可以作為最高轉速比較低的需要提供氣門連續可調升程功能的內燃機，但機構的原理依然是可調齒輪系機構。上述敘述僅僅是用於解釋本發明的例示性實施例，它不是排他的或將本發明限制與其公開的具體形式。本領域技術人員可以理解，在不偏離本發明的範圍內，可以做出各種改變以及其中的元素可用等同元素來替換。此外，可以做出很多修改以使特定情形或材料適用於本發明的主旨而不偏離實質範圍。因此，本發明不限於作為構思實現本發明的最佳 模式所公開的特定實施例，而是本發明包括屬於本發明範圍的所有實施方式。在不偏離本發明的精神和範圍內，本發明能夠以具體解釋和闡明的方式以外的其他方式實施。
權利要求
1.一種調相器型全可變氣門正時機構，包含偏心輪軸，與內燃機的曲軸通過剛性機構相連接，轉速是曲軸的二分之一；齒輪軸，與內燃機的曲軸通過剛性機構相連接；調相器，與所述齒輪軸通過齒輪嚙合，其齒輪軸通過連杆與所述偏心輪軸相連；偏心輪調相器，調節所述偏心輪軸與曲軸的轉動相位關係；凸輪套管，含有凸輪，凸輪與一個驅動氣門的滾輪搖臂上的滾輪接觸，轉速是曲軸轉速的二分之一。
所述一種調相器型全可變氣門正時機構，其特徵還在於可以簡化構成一種可變氣門正時和升程機構，齒輪軸連接線性控制機構，曲軸以鏈條直接連接偏心輪軸，偏心輪軸的轉速是曲軸轉速的二分之一。
2.如權利要求I所述的調相器型全可變氣門正時機構，其特徵在於所述凸輪套管的一端具有擴大的齒輪段，內部具有齒輪，齒輪與所述齒輪軸的齒輪通過一組小齒輪嚙合。
3.如權利要求2所述的調相器型全可變氣門正時機構，其特徵在於所述一組小齒輪以 一個支架連接小齒輪的軸，小齒輪沿所述齒輪軸的角向方向均勻分布。
4.如權利要求I所述的調相器型全可變氣門正時機構，其特徵在於所述齒輪段的直徑比凸輪套管大，具有明顯的突起的形狀。
5.一種調相器，由行星齒輪機構和控制機構構成。所述行星齒輪機構由所述齒輪軸構成太陽輪，小齒輪構成行星輪，行星輪通過支架相互連接，環齒輪是所述凸輪套管的一部分。所述控制機構由偏心輪軸和連杆構成。偏心輪軸通過連杆連接在所述行星輪的支架上。
6.—種調相器，由四個齒輪和控制機構構成。四個齒輪依次哨合，哨合的齒輪以連杆連接齒輪的軸。首尾二個齒輪不嚙合，且軸固定。控制機構連接在連杆上或者中間二個齒輪的軸上。
全文摘要
本發明公開一種調相器型全可變氣門正時機構，是一種往復活塞式內燃機的氣門驅動和控制機構，可用於汽油機或者柴油機。現有技術中有可以實現氣門持續開啟時間連續變化而保持氣門升程不變的技術，但此類技術使用擺杆或者搖臂，體積比較龐大，磨損也比較大，在更高轉速內燃機上應用受到制約。本發明採用了變速凸輪的技術，凸輪通過一個行星齒輪系連接曲軸驅動的齒輪軸，通過一個與凸輪同步驅動的偏心輪帶動行星齒輪系中的行星輪支架周期性擺動，使凸輪的轉動角速度在360周期內有一個較大的變化，當推動氣門的時間恰好是凸輪快速擺動時，氣門持續開啟時間短，反之則時間更長。因為整個機構慣性比較小，部件的平衡性好，適合應用的內燃機轉速更高。
文檔編號F01L1/344GK102733879SQ20111008603
公開日2012年10月17日 申請日期2011年4月7日 優先權日2011年4月7日
發明者朱譞晟 申請人:朱譞晟