模块化电致动凸轮轴相位器的制造方法
【专利说明】模块化电致动凸轮轴相位器
[0001]相关专利申请的交叉引用
[0002]本专利申请要求保护于2014年2月25日申请的美国临时专利申请序列号61/944112以及于2015年2月13日申请的美国专利申请序列号14/621799的权利，在此通过引用将上述文献的全部发明包含在本文中。
技术领域
[0003]本发明涉及一种使用电机和谐波齿轮驱动单元来改变内燃机的曲柄轴与凸轮轴之间的相位关系的凸轮轴相位器；具体地，涉及一种本质上是模块化的这种凸轮轴相位器。
【背景技术】
[0004]用于改变内燃机中的燃气阀的时序的凸轮轴相位器已众所周知。由链、带或者齿轮装置从内燃机的凸轮轴驱动第一元件(通常被称为链轮元件)。第二元件(通常被称为凸轮轴板)安装于内燃机的凸轮轴端部。机动车制造商所使用的通用类型的凸轮轴相位器被称为叶轮式凸轮轴相位器。美国专利号7421989示出了一种典型的叶轮式凸轮轴相位器，该叶轮式凸轮轴相位器通常包括多个向外延伸的在转子上的叶轮并穿插有多个向内延伸的在定子上的叶片，在叶轮与叶片之间形成了交替的推进室和延迟室。根据内燃机控制模块，机油通过多端口的机油控制阀提供到推进室或延迟室，从而改变转子相对于定子的角位置，并且因此按照能够满足当前的或预期的内燃机操作条件的要求改变凸轮轴相对于曲柄轴的角位置。
[0005]尽管叶轮式凸轮轴相位器有效并且相对便宜，它们确实存在不足，例如，在低的引擎转速下由于低的油压运行缓慢，在低的引擎温度下由于高的机油粘稠度运行缓慢，由于该机油泵被用于致动叶轮式凸轮轴相位器，对用于润滑内燃机的机油泵的油泵容量的要求增加，以及由叶轮式凸轮轴相位器提供的相位权限总量被相邻的叶轮与叶片之间的空间量限制并且可能不足以提供预期的相位权限量。由于至少这些原因，汽车制造业正在开发电驱动的凸轮轴相位器。
[0006]正在开发的一种电驱动凸轮轴相位器使用由电机驱动的谐波齿轮驱动单元改变凸轮轴相对于曲柄轴的角位置。在Kimus等人的美国专利申请公开号US2012/0312258A1中示出了这种凸轮轴相位器的一个示例。尽管Kimus等人的凸轮轴相位器可能有效，适应不同的引擎设计可能需要凸轮轴相位器的多个元件的显著变化。
[0007]需要的是一种使一种或多种前述缺点最小化或者消除的电驱动凸轮轴相位器。
【发明内容】
[0008]简单地说，提供了一种用于可控地改变内燃机的曲柄轴与凸轮轴之间的相位关系的凸轮轴相位器。该凸轮轴相位器包括可连接到曲柄轴并具有沿着轴线从中延伸穿过的外壳孔的外壳。后盖附连到该外壳的一个轴端，而前盖附连到该外壳的另一个轴端。可连接到凸轮轴的输出轮毂同轴地设置在外壳内并轴向地捕获在后盖与前盖之间。谐波齿轮驱动单元可操作地设置在外壳与输出轮毂之间并连接到旋转的致动器，该旋转的致动器致使谐波齿轮驱动单元旋转从而由旋转的致动器致动的谐波齿轮驱动单元的旋转致使外壳与输出轮毂之间相对旋转。通过使外壳孔延伸穿过外壳，同时后盖附连到外壳一个轴端，而前盖附连到外壳的另一个轴端，凸轮轴相位器可通过提供不同设计的外壳来容易地适应多种引擎构造，该不同设计的外壳能够适应各种引擎构造同时允许其他元件对各种引擎构造保持不变。
【附图说明】
[0009]将参照附图对本发明做进一步描述，其中:
[0010]图1A，1B和IC是根据本发明的凸轮轴相位器在凸轮轴相位器的三个不同的圆周位置所取的轴向剖视图；
[0011]图2是根据本发明的第二凸轮轴相位器的轴向剖视图；以及
[0012]图3是示出了图2的一种变型的轴向剖视图。
【具体实施方式】
[0013]参照图1A-1C，示出了根据本发明的本质上模块化的凸轮轴相位器10。凸轮轴相位器10包括谐波齿轮驱动单元12 ;示作电机14 (仅在图1A中示出)的旋转致动器，该电机14可操作地连接到谐波齿轮驱动单元12并且可以是直流电机；具有输入链轮18的外壳16，该输入链轮18可操作地连接到谐波齿轮驱动单元12并且可由内燃机20的曲柄轴(未示出)驱动；输出轮毂22，该输出轮毂22可操作地连接到谐波齿轮驱动单元12并可安装到内燃机20的凸轮轴24 (仅在图1A中示出)的一端；以及可操作地布置在输出轮毂22与输入链轮18之间的偏置弹簧26。
[0014]谐波齿轮驱动单元12包括外部的第一齿轮28，该第一齿轮28可以是如下文所述的刚性齿轮或者动态齿轮；外部的第二齿轮30，该第二齿轮30与外部的第一齿轮28相反(动态的或者刚性的)并且与外部的第一齿轮28相邻且同轴地放置；柔性齿轮32，该柔性齿轮32径向地布置在外部第一齿轮28以及外部第二齿轮30的内侧并且具有布置成用于与外部第一齿轮28以及外部第二齿轮30上的向内延伸的齿轮齿啮合的向外延伸的齿轮齿；以及径向地布置在柔性齿轮32内侧并与柔性齿轮紧密结合的波形发生器34。
[0015]柔性齿轮32是非刚性的环，在比刚性齿轮略小的节径上具有外齿。柔性齿轮32适配在波形发生器34之上并且通过波形发生器34弹性地偏转。
[0016]刚性齿轮(外部第一齿轮28或者外部第二齿轮30)是具有内齿的刚性环，该内齿经过波形发生器34的主轴线与柔性齿轮32的齿啮合。刚性齿轮可用作输入构件。
[0017]动态齿轮(外部第一齿轮28和外部第二齿轮30中不是刚性齿轮的任何一个)是具有与柔性齿轮32相同数目的内齿的刚性环。动态齿轮与柔性齿轮32 —起旋转并可用作输出构件。可根据在外直径处的倒角角部来辨认动态齿轮或者刚性齿轮，用来区分刚性齿轮和动态齿轮。
[0018]波形发生器34是支承椭圆轴承的椭圆钢片的组件，该组合限定了波形发生器插头。柔性轴承保持架包围椭圆轴承并与柔性齿轮32配合。波形发生器插头的旋转形成产生于柔性齿轮32中的旋转波(实际上两个波隔开180°，对应于钢片的椭圆长轴相对两端)。
[0019]在装配谐波齿轮驱动单元12期间，柔性齿轮32的向外延伸的齿与刚性齿轮及动态齿轮的向内延伸的齿沿着并靠近波形发生器34的椭圆长轴啮合。动态齿轮具有与柔性齿轮32相同数目的齿，因此波形发生器34的旋转在每转之间不形成净旋转。但是，刚性齿轮比动态齿轮具有略少的齿轮齿，因此在波形发生器插头的旋转期间刚性齿轮旋转经过动态齿轮，限定了其间的传动比(例如，50:1的传动比意味着刚性齿轮经过动态齿轮I转对应于波形发生器34的50转)。谐波齿轮驱动单元12因此是高速比齿轮传动系统；也就是说，对于波形发生器34的每一转，外部的第一齿轮28与外部的第二齿轮30之间的角相位关系改变2%。
[0020]当然，正如对本领域技术人员所显而易见的，刚性齿轮可具有比动态齿轮略多的齿，在这种情况下，下述的旋转关系则相反。在David等人的美国专利号8516983中描述了谐波齿轮驱动单元12的进一步特征，通过引用将该文献公开的全部内容包含在本文中。
[0021]波形发生器34包括安装于此的或者与之一体形成的连接适配器36。联轴器38安装于电机14的电机轴40并通过销子42销接在电机轴上。联轴器38与连接适配器36配合，允许波形发生器34被电机14旋转地致动，正如要改变外部第一齿轮28与外部第二齿轮30之间的相位关系所可能需要的。电机14，联轴器38，电机轴40以及销子42仅在图1A中示出。在David等人的美国专利申请号13/112199(目前为David等人的美国专利号8800513)中公开了连接适配器36及联轴器的进一步特征，通过引用将这些文献公开的全部内容包含在本文中。
[0022]仍然参照图1A-1C，作为凸轮轴相位器10的输入构件的外壳16以凸轮轴24旋转所绕的轴线48为中心。外壳16包括同轴地延伸穿过外壳16的外壳孔44，输出轮毂22和谐波齿轮驱动单元12同轴地落位于该外壳孔44中。后盖50附连到外壳16邻近凸轮轴24的轴端，而前盖52固定到外壳16的与后盖50相对的轴端。下文将对后盖50和前盖52作更加详细的描述。
[0023]作为凸轮轴相位器10的输出构件的输出轮毂22包括同轴地延伸穿过该输出轮毂22的中心贯穿孔58。输出轮毂22同轴地布置在外壳16内并与外壳孔44匹配，由此限定了输出轮毂22与外壳16之间的轴颈轴承界面60，该轴颈轴承界面60充分地防止了外壳16内的输出轮毂22的倾斜和径向运动同时允许输出轮毂22在外壳16内旋转。输出轮毂22通过凸轮轴相位器附连螺栓62 (仅在图1A中示出)附连到凸轮轴24，该凸轮轴相位器附连螺栓62延伸穿过中心贯穿孔58并与凸轮轴24螺纹配合。通过这种方式，输出轮毂22被牢固地夹紧到凸轮轴24并且防止了输出轮毂22与凸轮轴24之间的相对旋转。
[0024]为了确保平稳运作并提供耐磨性，可例如从内燃机20对轴颈轴承界面6