电控气门机构、发动机及汽车的制作方法

本发明涉及汽车气门机构技术领域，特别是汽车的电控气门机构。本发明还涉及设有所述电控气门机构的发动机和汽车。

背景技术：

在未来，内燃机必须要满足越来越严格的二氧化碳排放和排气污染物要求，这将使得气门机构扮演一个非常重要的角色。一方面，气门机构要使得换气循环中损失尽量低；另一方面，气门机构必须实现尽可能的缸内混合，以便在燃烧过程中具有最优化效率和低排放。除此之外，通过一定范围内调节压缩比和缸内残余废气量，能够直接影响燃烧过程。

因此在过去几年里，可变气门机构应用获得了显著的增长，其中两种常用的可变气门机构方案如下：

第一种方案，使用凸轮相位调节器实现气门升程曲线临时移动，也就是可变气门正时。发动机可变气门正时技术(vvt，variablevalvetiming)原理是根据发动机的运行情况，调整进气(排气)的量和气门开合时间、角度。使进入的空气量达到最佳，提高燃烧效率。

当汽车发动机在低速运转时，气流惯性小，若此时配气定时保持不变，则部分进气将被活塞推出气缸，使进气量减少，气缸内残余废气将会增多。

当发动机在高速运转时，气流惯性大，若此时增大进气迟后角和气门重叠角，则会增加进气量和减少残余废气量，使发动机的换气过程臻于完善。

第二种方案，改变气门升程曲线高度、气门开启及关闭点位置，并由此改变气门开启断面，也就是可变气门升程。传统的汽油发动机的气门结构如图1所示，由气门1'、气门弹簧2'、凸轮轴3'与正时链轮4'等组成，所能调节的气门正时有限，并且不能调节气门升程，气门升程是固定不可变的，也就是凸轮轴的凸轮型线只有一种。

传统汽油机发动机的凸轮型线设计是对发动机在全工况下的平衡性选择，其结果是发动机既得不到最佳的高速效率，也得不到最佳的低速扭矩，不可能使发动机在高速区和低速区都得到良好响应。

因此，如何设计一种新的气门机构来克服上述缺陷，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电控气门机构。该电控气门机构可根据实际运行工况来调节气门正时与气门升程，从而提高发动机性能，降低油耗和污染物排放。

本发明的另一目的是提供一种设有所述电控气门机构的发动机。

本发明的又一目的是提供一种设有所述发动机的汽车。

为实现上述目的，本发明提供的电控气门机构，包括气门、气门驱动机构、以及用于为所述气门提供复位力的气门弹簧，所述气门驱动机构包括壳体以及在所述壳体内部依次轴向布置的电机、行星滚柱丝杠和推杆；所述行星滚柱丝杠包括丝杠、以所述丝杠为中心沿周向排列分布的滚柱以及设于所述滚柱外围的螺母，所述滚柱与丝杠啮合传动，所述螺母与滚柱啮合传动；所述电机的动力输出轴连接所述行星滚柱丝杠的丝杠，所述行星滚柱丝杠的螺母连接所述推杆，且所述螺母与壳体之间设有限制其周向旋转并引导其轴向移动的导向机构；所述推杆的下端伸出所述壳体并支撑于所述气门以推动所述气门动作。

进一步地，所述行星滚柱丝杠的滚柱包括大径段和小径段，所述大径段与所述丝杠相啮合，所述小径段与所述螺母相啮合；各所述滚柱的大径段处于其中间位置，各所述滚柱的小径段包括第一小径段和第二小径段，所述第一小径段和第二小径段分别位于所述大径段的两端；所述螺母设有分别与所述第一小径段和第二小径段相啮合的第一内螺纹和第二内螺纹，所述第一内螺纹和第二内螺纹之间间隔一定距离。

进一步地，所述气门为单气门，所述电机、行星滚柱丝杠和推杆的轴线与所述气门的轴线相重合，所述推杆的下端伸出所述壳体并直接支撑于所述气门的上端。

进一步地，所述气门为双气门或多气门，所述电机、行星滚柱丝杠和推杆的轴线与所述气门的轴线相平行；所述气门的上端固定连接有压块，所述推杆的下端伸出所述壳体并支撑于所述压块。

进一步地，所述导向机构包括设于所述螺母外表面上的滑块和设于所述壳体内表面上的轴向滑道，所述滑块与所述滑道轴向滑动配合。

进一步地，还包括丝杠支撑件；所述丝杠支撑件固定在所述壳体内部，并位于所述电机与行星滚柱丝杠之间，其用于穿过所述丝杠的通孔与所述丝杠之间设有用于支撑所述丝杠旋转的轴承部件。

进一步地，所述壳体的外表面上设有用于将其固定在发动机上的定位安装部。

进一步地，所述电机在尾部集成有电机控制器。

为实现上述第二目的，本发明提供一种发动机，包括缸体、气缸、对应于各所述气缸的进气气门和排气气门，各所述气缸的进气气门和排气气门均为上述任一项所述的电控气门机构。

为实现上述第三目的，本发明提供一种汽车，包括车体、发动机、变速箱以及与所述变速箱的动力输出端传动连接的车轮，所述发动机为设有上述电控气门机构的发动机。

本发明所提供的电控气门机构为采用电机控制的气门机构，包括电机、行星滚柱丝杠以及推杆等部件，工作时，电机通过行星滚柱丝杠将旋转运动转变为直线运动，并将动力传递给推杆，然后由推杆推动气门动作，从而达到打开关闭气门的功能。由于是通过电机控制气门动作，因此可以随时根据发动机的需求打开和关闭气门，真正实现的大范围的可变气门正时功能，提高发动机的燃烧效率，降低排放，而且，可以在一定区域内无段级调节气门开度，这样驾驶起来就会毫无唐突感，舒适性更强，配气机构在各转速下的适应性也更强，能最大限度的提高发动机充气效率，还可以大大提高ecu标定控制的可能性。

此外，行星滚柱丝杠具有高承载、高寿命、高效率、高体积功率比、高质量功率比等优势，在传动同样动力的同时，可保证气门机构具有更小的体积和更高的使用寿命。

本发明所提供的发动机和汽车设有所述电控气门机构，由于所述电控气门机构具有上述技术效果，设有该电控气门机构的发动机和汽车也应具有相应的技术效果。

附图说明

图1为传统气门机构的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种电控气门机构的结构示意图；

图3为图1所示电控气门机构的剖视图；

图4为图1所示电控气门机构在拆除壳体后的结构示意图；

图5为电机与行星滚柱丝杠相连接以及行星滚柱丝杠的内部结构示意图。

图1中：

1'.气门2'.气门弹簧3'.凸轮轴4'.正时链轮

图2至图5中：

1.气门2.气门弹簧3.壳体31.滑道32.连接柱4.电机5.行星滚柱丝杠51.丝杠52.滚柱53.螺母54.法兰盘55.弹性挡圈56.滑块6.推杆7.压块8.丝杠支撑件9.轴承部件10.电机控制器

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

在本文中，“上、下、左、右”等用语是基于附图所示的位置关系而确立的，根据附图的不同，相应的位置关系也有可能随之发生变化，因此，并不能将其理解为对保护范围的绝对限定；而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

请参考图2、图3、图4，图2为本发明实施例提供的一种电控气门机构的结构示意图；图3为图1所示电控气门机构的剖视图；图4为图1所示电控气门机构在拆除壳体后的结构示意图。

本实施例所提供的气门机构为采用电机控制的电控气门机构，发动机的每一个或每一组气门的动作均通过电机进行驱动，可省去正时链轮、凸轮轴等部件，能够很好的解决传统气门机构调节范围窄、不能进行可变气门升程等问题，从而显著提升发动机性能。

如图所示，该气门机构主要由气门1、气门驱动机构、以及用于为气门提供复位力的气门弹簧2等部件组成，其中，气门驱动机构主要由壳体3以及在壳体3内部依次轴向布置的电机4、行星滚柱丝杠5和推杆6等部件组装构成，壳体3大体呈圆筒形，其上下两端封闭，并在下端设有一通孔，推杆6的下端穿过此通孔向外伸出一定距离，能够在通孔中作伸缩运动，以推动气门1向下动作。

具有定子和转子的电机4固定安装在壳体3内部，行星滚柱丝杠5的主要部件有丝杠51、以丝杠51为中心沿周向排列分布的滚柱52、设于滚柱52外围的螺母53、法兰盘54以及弹性挡圈55，滚柱52与丝杠51啮合传动，螺母53与滚柱52啮合传动，各滚柱52两端的头部通过圆柱光轴装入法兰盘54的端部档圈孔内，保持各滚柱52之间的等距离，法兰盘54浮动安装在呈套筒形状的螺母53内，通过弹性挡圈55轴向固定。

电机4的动力输出轴连接行星滚柱丝杠5的丝杠51，行星滚柱丝杠5的螺母53通过铆接或螺纹连接等方式与推杆6相连接，且螺母53与壳体3之间设有导向机构，此导向机构由设于螺母53外表面上的左右滑块56和设于壳体3内表面上的轴向滑道31形成，左右两个滑块56分别为尺寸较短的圆柱销，两个圆柱销分别伸入滑道31后通过其圆柱形表面与滑道31轴向滑动配合。这样，当丝杠51旋转时，螺母53会沿滑道31向上或向下轴向移动而不会与丝杠51一起转动。

推杆6的下端伸出壳体3并支撑于气门1，工作时，电机4的扭矩通过行星滚柱丝杠5转换为直线方向的力，推动气门1进行打开和关闭的动作。

当然，导向机构除了设计成滑块与滑道的形式之外，还可以设计成其他形式。例如，在螺母53的外表面上设置轴向的滑条与壳体3内壁上的滑道滑动配合，或者，将滑块与滑道的位置互换，等等，只要能够满足限制螺母周向旋转并引导螺母轴向移动的要求，都可以用来实现本发明目的。

图中所示气门为双气门，即同一气缸的进气门或排气门具有两个气门，这种气门的电机4、行星滚柱丝杠5和推杆6的轴线与气门1的轴线相平行；气门1的上端固定连接有压块7，压块7的两端分别与两个气门1的上端固定连接，压块7的中间开设有一通孔，推杆6的下端伸出壳体3，其末端的缩颈部位插入压块7的通孔中，通过台阶部位支撑在压块7上，以便将推力平均的分配到两个气门1上，并保证推杆6与压块7的相对位置始终保持稳定。

可以理解，除了双气门，本发明所提供的电控气门机构还可以是单气门或多气门。如果电控气门机构是单气门，则电机4、行星滚柱丝杠5和推杆6的轴线可以与气门1的轴线相重合，推杆6的下端伸出壳体3并直接支撑于气门1的上端，如果电控气门机构是多气门，则可以采用与双气门的类似的结构，推杆6通过压块7来推动气门1动作。

为了保证行星滚柱丝杠能够平稳运行，可以在壳体3内部的适当位置加装丝杠支撑件8来支撑丝杠51进行旋转，在本实施例中，丝杠支撑件8为一圆盘形构件，固定在壳体3内部，并位于电机4与行星滚柱丝杠5之间，其中间开设有一个供丝杠51穿过的轴向通孔，并在此通孔中安装有用于支撑丝杠51旋转的轴承部件9。

电机在尾部集成有电机控制器10，整个壳体3为三段式结构，从上至下依次为电机控制器壳体、电机壳体和行星滚柱丝杠壳体，相邻的两个壳体在外表面上设有侧向的连接柱32，各连接柱32上分别开设有轴向的通孔，可通过螺栓等连接件将三个壳体组装成一个完整的壳体。

此外，还可以在壳体3的外表面上设置用于将其固定在发动机上的定位安装部。

请参考图5，图5为电机与行星滚柱丝杠相连接以及行星滚柱丝杠的内部结构示意图。

如图所示，行星滚柱丝杠5的滚柱52包括大径段和小径段，其大径段与丝杠51相啮合，小径段与螺母53相啮合；各滚柱52的大径段处于其中间位置，各滚柱52的小径段包括第一小径段和第二小径段，第一小径段和第二小径段分别位于大径段的两端；螺母53设有分别与第一小径段和第二小径段相啮合的第一内螺纹和第二内螺纹，第一内螺纹和第二内螺纹之间间隔一定距离，形成一半为啮合区域，另一半为非啮合区域的结构。

执行器采用的行星滚柱丝杠结构可以采用普通式行星滚柱丝杠，或者差动式行星滚柱丝杠，区别在于普通式行星滚柱丝杠的滚柱和螺母是有螺纹升角的，螺纹升角与丝杠相同，差动式行星滚柱丝杠的滚柱与螺母螺纹升角为零，传动行程小于丝杠导程，传动比更大，但传动精度较普通式行星滚柱丝杠差，可根据实际要求进行选取。本实施例选用的是差动式行星滚柱丝杠。

上述实施例仅是本发明的优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。例如，行星滚柱丝杠的丝杠与电机转子的输出轴可以是一体式结构，或者，行星滚柱丝杠的丝杠与电机转子的输出轴为分体式结构，中间通过花键或者螺纹相连接，等等。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。

本发明与现有技术相比所产生的技术效果在于：

1)从可变气门正时的角度来讲：

电控气门机构对气门的打开与关闭受电机的控制，而不是传统机构的凸轮，凸轮是固定的机械结构，只能非常有限的调整气门正时，而本发明的电控气门机构可以完全实现实时控制，只要给电机控制信号，可以随时根据发动机的需求打开和关闭气门，真正实现的大范围的可变气门正时功能，提高发动机的燃烧效率，降低排放。

2)从可变气门升程的角度来讲：

本发明的可变气门机构的升程不是固定的，可以根据发动机的需要增加或减少气门升程，会引起进气量的增加或减少。传统的气门机构的气门升程由于机械结构的限制，都是固定的，而本发明由于是通过电机控制的，所以可以在一定区域内做无段级调节气门开度，这样驾驶起来就会毫无唐突感，舒适性更强，配气机构在各转速下的适应性也更强，能最大限度的提高发动机充气效率。

3)从提高ecu控制可能性的角度来讲：

由于本发明的电控气门结构是电动控制，可以大大提高标定控制的可能性。

除了上述电控气门机构，本发明还提供一种发动机，包括缸体、气缸、对应于各气缸的进气气门和排气气门，各气缸的进气气门和排气气门均为上文所述的电控气门机构。

本发明还提供一种汽车，包括车体、发动机、变速箱以及与变速箱的动力输出端传动连接的车轮，所述发动机为设有上述电控气门机构的发动机，其余结构请参考现有技术，本文不再赘述。

以上对本发明所提供的电控气门机构、发动机及汽车进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。