专利名称：可变气门致动器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及致动器以及用于控制该致动器的相关方法与系统，且特别是， 涉及能以最小能量消耗提供独立升程(或冲程或行程)和正时控制的致动器。
背景技术：
可以采用各种系统来有效控制发动机气门的正时和升程，来改善发动机的性能、 燃油经济性、喷射和其他特性。根据控制的装置或致动器，这些系统可以分成机械的、电液的(electoohydraulic)和机电的(有时称为电磁)形式。根据控制的范围，可以分成可变气门升程和正时、可变气门正时和可变气门升程的形式。它们也可以分成有凸轮(cam-based) 或者间接作用以及无凸轮或者直接作用的形式。在有凸轮的系统的情况下，保持传统的发动机凸轮系统并且稍微修改，以间接地控制气门正时和/或气门升程。在无凸轮系统中，传统的发动机凸轮系统用直接驱动各发动机气门的电液或者机电致动器完全替换。尽管无凸轮系统提供更宽的可控性，例如汽缸和气门的停用(deactivation)，并且由此具有更好的燃油经济性，但是所有现有生产的汽车可变气门系统都是有凸轮的。机电无凸轮系统的问题包括与软着陆(soft-landing)、高电功率要求、能力不足相关的困难，或者难于控制升程以及处理高的和/或变化的汽缸空气压力的能力有限。电液无凸轮系统通常可以克服这样的问题，但是它确实存在自身的问题，例如在高发动机速度下的性能以及设计或者控制复杂，导致响应时间和流量之间的冲突。为了在6，000至 7，OOOrpm下运行，致动器必须在2. 5至3毫秒的时间内在8mm的范围上首先加速然后减速发动机气门。发动机气门必须行进在约5米/秒的峰值速度。这些要求已经达到了传统电液技术的极限。克服这种性能限制的一个途径是，类似于机电系统一样，在电液系统中加入一对相对的弹簧(opposing springs),其与系统的运动质量一起来产生弹簧质量谐振或摆动系统。在静止状态下，该相对弹簧将发动机气门居中设置在该气门的端点位置之间，即开启与关闭位置之间。为了保持发动机气门在一个端点位置上，系统必须具有一定的锁定机构，来抵抗来自该对弹簧的净返回力，其在两个端点的任何一个上积累了势能。当从一端点位置向另一端点位置行进时，发动机气门首先由弹簧返回力驱动并且加速，由弹簧存储的势能提供动力，直到在行程的中点，在此处其达到最大速度并且具有相应的动能；然后其抵抗弹簧的返回力保持向前运动，由动能提供动力，直到另一端，在此处其速度下降为零，相应的动能转变为弹簧存储的势能。就其熟知的工作原理而言，弹簧质量系统本身在能量转换方面非常有效且很可靠。很多技术开发已经是去设计出有效的和可靠的锁定一释放机构，其可以将发动机气门保持在其开启和关闭位置，根据要求释放，增加附加能量来补偿摩擦和高度可变的发动机汽缸空气压力，并且在其着陆在另一端上之前阻息多余的能量。如上所讨论，存在着与机电或者电磁锁定一释放装置相关的困难。也已经有人在电液锁定一释放装置的开发方面进行了努力。归于戴姆勒克莱斯勒(DaimlerChrysler)的美国专利No. 4，930，464所揭示的是一种电液致动器，其包括双杆油缸(double-ended rod cylinder)、一对相对的弹簧和旁路，所述相对的弹簧趋于将活塞设置于油缸的中间，所述旁路在大部分冲程上短接两个油缸室，这样，液压油缸不浪费能量。当发动机气门在关闭位置时，旁路不起作用，活塞将油缸分成较大的开启侧室和较小的关闭侧室，并且当开启侧室和关闭侧室分别经受高压源和低压源时，发动机气门能够锁定，这是由于在活塞上产生与返回弹簧力相反的差压。当发动机气门处于开启位置时，活塞将油缸分成较大的关闭侧室和较小的开启侧室，并且通过较大的关闭侧室和较小的开启侧室分别经受高压源和低压源可以锁定发动机气门。无论在开启位置还是在关闭位置,通过简单地开启二通触发阀(2 — way trigger valve)来释放大室中的压力，由此消除活塞上的差压，触发弹簧质量系统的摆动动力，来解锁发动机气门。该二通阀必须在冲程结束前再次非常快速地关闭，从而大室压力可以快速升高到足够大以锁定活塞，并且因此发动机气门处于其新的端点位置。该构造也具有二通推进阀，以在开启冲程期间在阀杆的顶端面上引入额外的驱动力。前述系统具有几个潜在的问题。该二通触发阀必须在不超过3毫秒的非常短的周期内以适时的方式开启和关闭。该二通推进阀由两个油缸室或者发明人所称的冲程空间内的差压驱动，并且潜在地在推进阀与油缸室之间存在太多的时间延迟和液压瞬态波。在每个冲程结束附近，较大的汽缸室必须通过由一限流器供给的流体来回填，这要求限流器部件有相当大的开口尺寸。另一方面，在每个冲程的开始，该二通触发阀必须释放较大室的压力，该大室通过同一限流器与高压流体源连通。在关闭冲程期间，直到非常接近冲程的结束没有有效的方法来增加另外的液压能，如果存在太大的摩擦损耗，这就会是一个问题。同样，该发明没有办法来调节其升程。美国专利5，595，148,5, 765，515,5, 809，950,6, 167，853,6, 491，007 和 6，601，552
号也已经归于戴姆勒克莱斯勒，这些专利揭示了对美国专利4，930，464号教导的改进。披露了各种液压弹簧装置的美国专利5，595，148,5, 765，515,5, 809，950和6，167，853的主旨是在开启冲程的开始增加另外的液压能，来克服发动机汽缸的空气压力。液压弹簧的一个缺点是，一旦发动机气门运动开始则其压力迅速下降。在美国专利6，601，552号中，提供一种压力控制方法，以在气门升程的可变部分上在液压弹簧装置中保持恒定压力，然而，这要求换向阀在I毫秒的非常短的周期内在两个位置之间切换。此外，该系统包含两个压缩弹簧第一弹簧和第二弹簧，分别趋于将发动机气门组件驱动到关闭和开启位置。液压弹簧装置与第二压缩弹簧实体地串联。在开启冲程很大部分期间，尽管存在气门的运动，其设计成试图保持液压弹簧中压力，并且因此提供另外的驱动力来克服发动机汽缸的空气压力和其它摩擦力，导致液压弹簧装置中的净流体体积的增加以及在第二压缩弹簧中的有效预负荷的增加，这是因为液压弹簧和压缩弹簧之间的力平衡所致。在随后的气门关闭冲程中，发动机气门可能不能被一直推动到完全关闭， 这是由于来自第二压缩弹簧的更高的阻力所致。发明的所有同族专利申请共有的问题是对于每个开启或者关闭冲程必须有控制阀的两个切换动作。另一个共同的问题是带有两个由液压弹簧分开的压缩弹簧的致动器的长度。当弹簧排列在同一轴线上时，如美国专利5，809，950号所揭示的，总高度会超常。在该同族专利申请的其它专利中，弹簧不排列在直线轴上，而代替的是在液压弹簧处弯曲，但流体惯性、摩擦损耗以及瞬态液压波与延迟会变成严重问题。另一个共同的问题是，只通过摆动能量驱动关闭冲程，但实际摩擦损耗的存在对于正常运行会引起严重威胁。对于解锁或者释放机构来说，一些实施例采用三通触发阀短暂地使油缸的小室增压，以平衡活塞两个表面上的压力，并且将活塞上的差压力从适合于锁定的压力减小到零。触发阀还必须在非常短的时间周期内实现两个动作。美国专利5，248，123号揭示了另一种电液致动器，其包括双杆油缸、趋于将活塞居中设置在汽缸中间的一对相对弹簧，以及在大部分冲程上短接两个油缸室的旁路，这样， 液压油缸不浪费能量。与所引用的戴姆勒克莱斯勒的专利非常类似，其具有一直连接到高压供给的较大的液压油缸室。然而，与戴姆勒克莱斯勒不同的是，其采用五通二位阀来启动气门切换，并且每个冲程只要求一个阀动作。该阀具有五个外部液压管线低压源管线、高压源管线、恒定高压输出管线和两个具有相对应的且可切换的压力值的输出管线。恒定高压输出管线与油缸的较大的室连接。两个其它输出管线连接到油缸的两个端部，并且选择性地与油缸的较小的室连通。与戴姆勒克莱斯勒所揭示的非常类似的是，其在冲程的开始没有有效方法来增加液压能，以补偿发动机汽缸空气压力和摩擦损耗。其也不能控制气门的升程。中国专利ZL200680021728. 6号(及相对应的美国专利7, 302,920,7, 194,991及 7，156，058号及印度专利申请SV/AK/218/DELNP/2008号)揭示了另一种电液致动器，能提供两级升程控制及无级正时控制。此技术也采用双弹簧摆锤及电液锁定一释放装置，相对之前的类似技术，它具有更有效的锁定一释放装置。中国专利申请200680028252. 9号(及相对应的美国专利7，290，509,7, 213，549及 7，370，615号)揭示了另一种电液致动器，此技术也采用双弹簧摆锤及电液锁定一释放装置，除了固有的无级正时控制能力外，它还能进行无级升程控制。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种可变气门致动器，具备气门升程可变，低能耗，高响应速度，气门落座速度小，控制简单可靠等特点。为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种致动器，包括 壳体，具有上端口和下端口 ；
在所述壳体中的致动油缸，沿纵向的第一方向或第二方向分别具有第一端部和第二端
部;
在所述油缸中的致动活塞，具有第一表面和第二表面，沿着纵向可移动；
第一流体空间，由所述致动油缸的第一端部和所述致动活塞的第一表面限定；
第二流体空间，由所述致动油缸的第二端部和所述致动活塞的第二表面限定；
第一活塞杆，连接到所述致动活塞的第一表面；
第二活塞杆，连接到所述致动活塞的第二表面；
流体旁路，当所述致动活塞没有充分接近所述致动油缸的第一端部和第二端部的任一个时，所述流体旁路有效地短接所述第一流体空间和所述第二流体空间；
第一弹簧系统，和所述第一活塞杆连接，沿第二方向偏压所述致动活塞；并具有至少两个初始状态，向所述致动活塞提供至少两个不同大小的初始偏压力；
第二弹簧系统，沿第一方向偏压所述致动活塞；
第一流动机构，与所述第一活塞杆配合，控制所述第一流体空间和所述上端口之间流体连通；
第二流动机构，与所述第一活塞杆配合，控制所述第二流体空间和所述下端口之间流体连通；
其中当所述流体旁路基本上开启时，所述第一流动机构和所述第二流动机构中的至少一个关闭；
当所述流体旁路基本上关闭时，所述第一流动机构和所述第二流动机构中的每一个至少部分地开启。在本发明一个较佳实施例中，所述第一弹簧系统，包括第一驱动弹簧、弹簧座、弹簧控制油缸缸体和柱塞，所述第一驱动弹簧置身于所述弹簧座和所述弹簧控制油缸缸体之间，所述弹簧座与所述第一活塞杆连接，所述弹簧控制油缸缸体中有一油腔，所述柱塞有一流道；所述壳体包括一空腔和启动端口 ；所述第一弹簧系统安装在所述空腔中，所述柱塞中流道连通所述油腔和所述启动端口，所述弹簧控制油缸缸体相对于所述壳体在所述空腔中可作纵向移动，以沿着纵向改变所述第一驱动弹簧的压缩量。本发明采用的又一个技术方案是提供一种致动器，包括
壳体，具有上端口和下端口，所述上端口还包括第一上端口和第二上端口 ；
在所述壳体中的致动油缸，沿纵向的第一方向或第二方向分别具有第一端部和第二端
部;
在所述油缸中的致动活塞，具有第一表面和第二表面，沿着纵向可移动；
第一流体空间，由所述致动油缸的第一端部和所述致动活塞的第一表面限定；
第二流体空间，由所述致动油缸的第二端部和所述致动活塞的第二表面限定；
第一活塞杆，连接到所述致动活塞的第一表面；
第二活塞杆，连接到所述致动活塞的第二表面；
流体旁路，当所述致动活塞没有充分接近所述致动油缸的第一端部和第二端部的任一个时，所述流体旁路有效地短接所述第一流体空间和所述第二流体空间；
第一弹簧系统，沿第二方向偏压所述致动活塞；
第二弹簧系统，沿第一方向偏压所述致动活塞；
第一流动机构，与所述第一活塞杆配合，控制所述第一流体空间和所述上端口之间流体连通；
第二流动机构，与所述第二活塞杆配合，控制所述第二流体空间和所述下端口之间流体连通；
其中当所述流体旁路基本上开启时，所述第一流动机构和所述第二流动机构中的至少一个关闭；
当所述流体旁路基本上关闭时，所述第一流动机构和所述第二流动机构中的每一个至少部分地开启；
所述第一活塞杆以接近所述致动活塞的顺序包括第一活塞杆第一颈部、第一活塞杆第一轴肩、第一活塞杆第二颈部和第一活塞杆第二轴肩，其每一个都具有外部尺寸；所述第一流动机构包括具有内部尺寸的第一控制孔；
所述第一控制孔的内部尺寸稍大于所述第一活塞杆第一轴肩和所述第一活塞杆第二轴肩的外部尺寸，且显著地大于所述第一活塞杆第一颈部和所述第一活塞杆第二颈部的外部尺寸，并且当所述流体旁路基本开启时，所述第一活塞杆第一轴肩与所述第一控制孔纵向交叠，将所述第一流体空间与所述上端口隔断；
当所述致动活塞的第一表面向所述致动油缸的第一端部接近的最终阶段，所述第一活塞杆第一轴肩纵向交叠所述第一控制孔于所述第一上端口和所述第二上端口之间的部分， 以隔断第一上端口和第二上端口。在本发明一个较佳实施例中，所述第一活塞杆第二肩轴的外部尺寸小于所述第一活塞杆第一肩轴的外部尺寸，相对应地，所述第一控制孔包括分别与所述第一活塞杆第一肩轴及所述第一活塞杆第二肩轴相配合的第一部分和第二部分，所述第一部分的内部尺寸与所述第一活塞杆第一肩轴可相对滑动地相匹配，所述第二部分的内部尺寸与所述第一活塞杆第二肩轴的外部尺寸可相对滑动地相匹配。在本发明一个较佳实施例中，所述第一活塞杆第一轴肩靠近所述第一活塞杆第二颈部的端面上有至少一个第一节流槽。在本发明一个较佳实施例中，所述致动器还包括第一缓冲器以在所述致动活塞行进接近所述致动油缸的第一端部时，抑制所述致动活塞的速度，所述致动器还包括连通于所述上端口的第一液压源，所述第一缓冲器位于连通所述第二上端口和所述第一液压源的流道上。在本发明一个较佳实施例中，所述第一缓冲器包括并联的第一单向阀、第一节流口和第一溢流阀。在本发明一个较佳实施例中，所述第一溢流阀为可调式溢流阀。本发明采用的再一个技术方案是提供一种致动器，包括
壳体，具有上端口和下端口，所述下端口还包括第一下端口和第二下端口 ；
在所述壳体中的致动油缸，沿纵向的第一方向或第二方向分别具有第一端部和第二端
部;
在所述油缸中的致动活塞，具有第一表面和第二表面，沿着纵向可移动；
第一流体空间，由所述致动油缸的第一端部和所述致动活塞的第一表面限定；
第二流体空间，由所述致动油缸的第二端部和所述致动活塞的第二表面限定；
第一活塞杆，连接到所述致动活塞的第一表面；
第二活塞杆，连接到所述致动活塞的第二表面；
流体旁路，当所述致动活塞没有充分接近所述致动油缸的第一端部和第二端部的任一个时，所述流体旁路有效地短接所述第一流体空间和所述第二流体空间；
第一弹簧系统，沿第二方向偏压所述致动活塞；
第二弹簧系统，沿第一方向偏压所述致动活塞；
第一流动机构，与所述第一活塞杆配合，控制所述第一流体空间和所述上端口之间流体连通；
第二流动机构，与所述第二活塞杆配合，控制所述第二流体空间和所述下端口之间流体连通；其中当所述流体旁路基本上开启时，所述第一流动机构和所述第二流动机构中的至少一个关闭；
当所述流体旁路基本上关闭时，所述第一流动机构和所述第二流动机构中的每一个至少部分地开启；
所述第二活塞杆以接近所述致动活塞的顺序包括第二活塞杆第一颈部、第二活塞杆第一轴肩、第二活塞杆第二颈部和第二活塞杆第二轴肩，其每一个都具有外部尺寸；
所述第二流动机构包括具有内部尺寸的第二控制孔；
所述第二控制孔的内部尺寸稍大于所述第二活塞杆第一轴肩和所述第二活塞杆第二轴肩的外部尺寸，且显著地大于所述第二活塞杆第一颈部和所述第二活塞杆第二颈部的外部尺寸，并且当所述流体旁路基本开启时，所述第二活塞杆第一轴肩与所述第一控制孔纵向交叠，将所述第二流体空间与所述下端口隔断；
当所述致动活塞的第二表面向所述致动油缸的第二端部接近的最终阶段，所述第二活塞杆第一轴肩纵向交叠所述第二控制孔于第一下端口和第二下端口之间的部分，以隔断所述第一下端口和所述第二下端口。在本发明一个较佳实施例中，所述第二活塞杆第一轴肩靠近第二活塞杆第二颈部的端面上有至少一个第二节流槽。在本发明一个较佳实施例中，所述致动器还包括第二缓冲器以在所述致动活塞行进接近所述致动油缸的第二端部时，抑制所述致动活塞的速度，所述致动器还包括连通于所述下端口的第二液压源，所述第二缓冲器位于连通所述第二下端口和所述第二液压源的流道上。在本发明一个较佳实施例中，所述第二缓冲器包括并联的第二单向阀、第二节流口和第二溢流阀。本发明的有益效果是本发明可变气门致动器，具备气门升程可变，低能耗，高响应速度，气门落座速度小，控制简单可靠等特点。特别地，(I)包括了独特的上驱动弹簧控制结构，结构紧凑，导向稳定可靠，减短了第一活塞杆长度及减小了整个致动器运动件质量， 提高了致动器运动速度，降低了能耗；(2)包括了较有效的释放及缓冲设计，解决了释放与缓冲之间的在结构和功能上的矛盾。
图I是本发明可变气门致动器气门小升程初始状态一较佳实施例的结构示意图； 图2是图I所示可变气门致动器气门小升程气门打开到最大状态的结构示意图3是图I所示可变气门致动器气门大升程初始状态的结构示意图4是图I所示可变气门致动器气门大升程气门打开到最大状态的结构示意图5是本发明可变气门致动器的另一种实施例的结构示意附图中各部件的标记如下
110-纵向轴线、200-壳体、211-第一上端口、212-第二上端口、221-第一下端口、 222-第二下端口、230-致动油缸、231-第一端部、232-第二端部、240-流体旁路、241-第一边缘、242-第二边缘、250-空腔、251-第一限位面、252-第二限位面、260-启动端口、 271-第一控制孔、272-第二控制孔、300-致动活塞、310-第一表面、320-第二表面、410-第
10一活塞杆、411-第一活塞杆第一颈部、412-第一活塞杆第一肩轴、413-第一活塞杆第二颈部、414-第一活塞杆第二肩轴、4121-第一节流槽、420-第二活塞杆、421-第二活塞杆第一颈部、422-第二活塞杆第一肩轴、423-第二活塞杆第二颈部、424-第二活塞杆第二肩轴、 4221-第二节流槽、511-弹簧座、512-第一驱动弹簧、513-弹簧控制油缸缸体、5131-缸体上表面、5132-缸体下表面、5133-油腔、514-柱塞、5141-流道、515-半环、521-气门弹簧座、522-第二驱动弹簧、523-缸盖体、524-气门导筒、611-第一液压源、612、612’ -第一单向阀、613、6121_第一节流口 >614-第一溢流阀、621-第二液压源、622-第二单向阀、623、 6241-第二节流口、624、624’_第二溢流阀、700-气门、710-发动机气门头、720、发动机气门座、730_气门杆、800-启动液压源。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。请参阅图I和图3，本发明实施例包括
一种致动器，包括壳体200，在该壳体中，沿着纵向轴线110并且沿第二方向(在附图中从顶部至底部的方向)，具有启动端口 260、空腔250、第一控制孔271、第一上端口 211、第二上端口 212、致动油缸230、流体旁路240、第二下端口 222、第一下端口 221、第二控制孔 272 ;以及设置在空腔250里的第一弹簧系统(未标注)、设置在第一控制孔271中的第一活塞杆410、设置在致动油缸230和流体旁路240中的致动活塞300、设置在第二控制孔272 中的第二活塞杆420 ;以及第二弹簧系统(未标注)、发动机气门700 ;以及和启动端口 260连通的启动液压源800、和上端口连接的第一液压源611、和下端口连接的第二液压源621。图 I中，第一液压源611及第二液压源621通过液压控制阀(比如快速换向阀，图I中未显示) 与供油系统可控制地相连，在系统高(PH)低(PL)压之间切换。在图I的工作状况下，第一液压源611及第二液压源621分别在系统低压(PL)及系统高压(PH)下。系统低压(PL)可以是一个通过一背压系统控制的、较稳定的低压，也可能是直接通向油箱的低压。启动液压源800在弹簧控制压力(PS)下，弹簧控制压力(PS)可以通过某液压控制阀(图I中未显示)与供油系统可控制地相连，弹簧控制压力(PS)也可在系统高压(PH)或低(PL)压之间切换。在图I中，弹簧控制压力(PS)取一低值，不足于将弹簧控制油缸缸体513沿第二方向驱动。第一上端口 211及第二上端口 212可通称为上端口，上端口至少要包括第一上端口 211及第二上端口 212中的一个；第一下端口 221及第二下端口 222可通称为下端口，下端口至少要包括第一下端口 221及第二下端口 222中的一个。所述第一活塞杆410以接近所述致动活塞300的顺序即沿第一方向(在附图中从底部至顶部的方向)上依次包括第一活塞杆第一颈部411、第一活塞杆第一轴肩412、第一活塞杆第二颈部413和第一活塞杆第二轴肩414 ;和第一控制孔271形成第一流动机构。所述第一控制孔271的内部尺寸稍大于所述第一活塞杆第一轴肩412和所述第一活塞杆第二轴肩414的外部尺寸，且显著地大于所述第一活塞杆第一颈部411和所述第一活塞杆第二颈部413的外部尺寸。图I中所不实施例,第一活塞杆第一轴肩412和第二轴肩414的外部尺寸相同,相对应第一控制孔271可以只具有一个外部尺寸；进一步优选的情况所述第一活塞杆第二肩轴414的外部尺寸小于所述第一活塞杆第一肩轴412的外部尺寸，相对应地，所述第一控制孔271包括分别与所述第一活塞杆第一肩轴412及所述第一活塞杆第二肩轴414相配合的第一部分和第二部分，所述第一部分的内部尺寸与所述第一活塞杆第一肩轴412可相对滑动地相匹配，所述第二部分的内部尺寸与所述第一活塞杆第二肩轴414的外部尺寸可相对滑动地相匹配。所述第二活塞杆420以接近所述致动活塞300的顺序即沿第二方向(在附图中从顶部至底部的方向)上依次包括第二活塞杆第一颈部421、第二活塞杆第一轴肩422、第二活塞杆第二颈部423和第二活塞杆第二轴肩424 ;和第二控制孔271形成第二流动机构。所述第二控制孔271的内部尺寸稍大于所述第二活塞杆第一轴肩422和所述第二活塞杆第二轴肩424的外部尺寸，且显著地大于所述第二活塞杆第一颈部421和所述第二活塞杆第二颈部423的外部尺寸。与第一流动机构相类似第二活塞杆第一轴肩422和第二轴肩424的外部尺寸相同，也可以是所述第一活塞杆第二肩轴424的外部尺寸小于所述第一活塞杆第一肩轴422 的外部尺寸。在致动油缸230中，具有由致动油缸第一端部231和致动活塞第一表面310限定的第一流体空间和由致动油缸第二端部232和致动活塞第二表面320限定第二流体空间。第一端部231和第二端部232之间为致动油缸230，第一边缘241和第二边缘242 之间有流体旁路240，流体旁路240在致动油缸230的大部长度上提供液压短接。通过该液压短接，流体可以在第一流体空间和第二流体空间之间以基本上很低的阻力流动，并且整个致动油缸230处于基本上相等的压力。当致动活塞300第一表面310在第一方向上超过旁路第一边缘241，或者致动活塞300第二表面320在第二方向上超过旁路第二边缘242 时，液压短接都不起作用。旁路第一边缘241和致动油缸第一端部231之间的纵向空间为第一有效油压腔，其长度为图I中的LI。旁路第二边缘242和致动油缸第二端部232之间的纵向空间为第二有效油压腔，当致动活塞300没有与第一有效油压腔和第二有效油压腔中任何之一接合时，流体旁路240是有效的。所述第一弹簧系统包括第一驱动弹簧512、弹簧座511、弹簧控制油缸缸体513和柱塞514，所述第一驱动弹簧512置身于所述弹簧座511和弹簧控制油缸缸体513之间，所述弹簧座511与所述第一活塞杆410连接，之间可通过半环515固定，所述弹簧控制油缸缸体513中有一油腔5133，所述柱塞514被固定地连接在所述壳体200上并延伸进所述油腔 5133中，柱塞514与壳体200也可在机构上是同一体，所述柱塞514中有一流道5141连通所述油腔5133和启动端口 260。本实示例中设计上驱动弹簧512顶置且与第一活塞杆410 同心，柱塞514内有流道5141，为弹簧控制油缸缸体513压缩上驱动弹簧512时的往复运动实现导向，配油。具有以下优点避免上驱动弹簧512与第一活塞杆410既同心又在轴向重叠布置时，因弹簧控制装置(弹簧座511)与弹簧有效工作行程引起的第一活塞杆410过长；减短了第一活塞杆410的长度，第一活塞杆410直径能相应减小，质量轻，有效减小了整个致动器运动件质量，提高了致动器运动速度，降低了能耗。上驱动弹簧控制结构紧凑，导向稳定可靠，避免上驱动弹簧512在压缩时产生侧向力。采用活塞杆的两端与壳体支承结构；使活塞杆运动时获得最大的有效支承长度，最大限度减小了活塞杆上的侧向力矩，提高了致动器运动的稳定性。空腔250不一定要是象图I中那样的封闭腔，事实上为了防止在弹簧控制油缸缸体513运动时产生憋气形象，应该加一保证空腔250与外界空气流通的通道(图I中未表示)。壳体200的顶部甚至可在结构上不与壳体200其它部分连续或直接连续(图I中未表示)，主要壳体200的顶部与其它部分没有相对运动。所述第二弹簧系统包括气门弹簧座521、第二驱动弹簧522、气门导筒524和缸盖体523，气门弹簧座521和气门杆730 —端连接，气门杆730另一端与发动机气门头710连接，所述缸盖体523位于气门弹簧座521和发动机气门头710之间，气门导筒524套装缸盖体上，气门杆730从气门导筒套中穿过，所述第二驱动弹簧522套装在气门杆730上并同时与缸盖体523和气门弹簧座521接触。所述第一上端口 211由流道直接与第一液压源611连通，第二上端口 212通过第一缓冲器再与第一液压源611连通，所述第一缓冲器包括并列的第一单向阀612、第一节流口 613和第一溢流阀614 ;所述第一下端口 221由流道直接与第二液压源621连通，第二下端口 222通过第二缓冲器再与第二液压源621连通，所述第二缓冲器包括并列的第二单向阀622、第二节流口 623和第二溢流阀624。其中单向阀的作用正向供压力油，反向截止回油形成缓冲腔；节流口作用缓冲节流；设置合理节流面积的节流口，使得活塞杆在缓冲阶段的最后制动时落座速度小、稳定，缓冲效果受温度变化影响小。溢流阀作用通过溢流来限定缓冲峰值压力，避免在缓冲过程中过早降低气门运动速度而延长缓冲时间，在发动机高速运转时，过长的缓冲时间会影响正常的配气功能；溢流阀可优先地采用溢流压力可调式溢流阀，缓冲峰值压力可根据负载情况的不同进行调控。气门缓冲时间在发动机高速时可少于0. 7毫秒，所以溢流阀在设计上应具有很高的响应速度。所述第一活塞杆第一轴肩412靠近第一活塞杆第二颈部413的端面上有至少一个第一节流槽4121，所述第一节流槽4121为变节流面积，沿第二方向面积逐渐变小；所述第二活塞杆第一轴肩422靠近第二活塞杆第二颈部423的端面上有至少一个第二节流槽 4221，所述第二节流槽4221为变节流面积，沿第一方向面积逐渐变小。节流槽变节流面积设计，使活塞杆获得平稳的缓冲过程。图I所示为致动器气门小升程初始状态，所述上驱动弹簧512在初始状态时就具备了一定的弹簧压缩量，弹簧控制油缸缸体上表面5131和空腔第一限位面251接触，致动活塞300下腔供压即第二液压源供压，沿第一方向作用在致动活塞300第二表面320上的液压作用力远大于上驱动弹簧512沿第二方向的反作用力，致动活塞300的第一表面310 和第一端部231接触，此时第一活塞杆410和第二活塞杆420处于初始状态，气门关闭。结合图I、图2所示，致动器气门小升程工作过程如下当液压控制回路将第一液压源611及第二液压源621分别切换为系统高压(PH)及系统低压(PL)时，致动活塞300的上腔及下腔也分别受到系统高压(PH)及系统低压(PL)，致动活塞300及活塞杆410和420 在弹簧合力及液压力的共同作用下快速伸出一定行程(约等于致动油缸230的第一有效油压腔的长度LI，精确的行程在一定范围内受弹簧压缩量及系统压力影响)，驱动气门700打开，上驱动弹簧512压缩量释放，下驱动弹簧522压缩量增加，同时第二活塞杆第一轴肩 422将下腔回油路关闭，气门保持打开状态。当液压控制回路将第一液压源611及第二液压源621分别切换回为系统低压(PL)及系统高压(PH)时，致动活塞300的上腔及下腔也分别受到系统低压(PU及系统高压(PH)，致动活塞300及活塞杆410和420在弹簧合力及液压力的共同作用下缩回如图I的初始状态。整个致动器的运动主要是由双对称压缩弹簧(上下驱动弹簧512和522)伸缩摆动提供动力(势动能转换)，液压回路补充弹簧往复振荡过程中的能量损耗，并控制气门开关状态。本发明对活塞杆的设计使活塞杆在往返运动初始阶段与行程终了阶段时的系统供油逻辑不同，在活塞杆沿第一和第二方向运动的初始阶段时，系统回油分别直接通过第一上端口 211和第一下端口 221回到油箱；而在沿第一和第二方向运动的行程终了阶段时， 系统回油必须分别经过第二上端口 212和第二下端口 222缓冲腔后到设定的缓冲装置，最后才能回到油箱，这样与缓冲装置配合工作实现两端行程终了缓冲。如图3所示为致动器气门大升程初始状态，弹簧控制压力(PS)取一高值，液压力足于将弹簧控制油缸缸体513沿第二方向驱动，直至弹簧控制油缸缸体下表面5132和空腔第二限位面252接触，大大增加了上驱动弹簧512的预压缩量(相比于图I中的状态)，将上驱动弹簧512和下驱动弹簧522的合力平衡点沿第二方向移动，以增加气门的升程。第一液压源611及第二液压源621(因此致动活塞300的上腔及下腔也)分别连接系统低压(PL) 及高压(PH)，沿第一方向作用在致动活塞300第二表面320上的液压作用力大于驱动弹簧 512和522的反作用合力(此时沿第二方向)，致动活塞300的第一表面310和第一端部231 接触，此时活塞及活塞杆300、410和420处于初始状态，气门关闭。结合图3、图4所示，致动器气门大升程工作过程如下当液压控制回路将第一及第二液压源611及621分别切换为系统高压(PH)及系统低压(PL)时(图4所示)，致动活塞 300的上腔及下腔也分别受到系统高压(PH)及系统低压(PL)，致动活塞300及活塞杆410 和420在弹簧合力及液压力的共同作用下沿第二方向快速伸出；在这过程中，致动活塞300 的上腔的液压油通过单向阀612补充。当致动活塞的第一表面310出第一边缘241后，流体旁路240有效地短接第一流体空间和第二流体空间，致动活塞300的上腔及下腔基本在同一压力下而失去相应的液压力并省去不必要的液压能耗，致动活塞300及活塞杆410和420 在惯性力及弹簧合力的作用下继续沿第二方向运动。当致动活塞300及活塞杆410和420 行过大约升程的半途后，弹簧合力开始改变方向，对抗运动，并在运动中将动能转成并积蓄势能，但致动活塞300及活塞杆410和420还在惯性力的驱使下向下运动，并逐步减速。当致动活塞300的第二表面320过第二边缘242后，流体旁路240关闭，致动活塞300的上腔及下腔也分别恢复系统高压(PH)及系统低压(PL)作用，第二活塞杆第一轴肩422隔开第一下端口 221和第二下端口 222，将第二下端口 222作为缓冲腔(在第二活塞杆第一轴肩422 上的第二节流槽4221作为缓冲结构的一部分)，致动活塞300及活塞杆410和420经缓冲减速后，致动活塞300的第二表面320与壳体200的第二端部232重合，运动行程终了，驱动气门700至大升程的打开，上驱动弹簧512压缩量释放，下驱动弹簧522压缩量增加， 致动活塞300上的液压力足于抵抗驱动弹簧的反向合力而保持气门700的打开状态。在上述的缓冲过程中，单向阀622在反向压力的作用下一直处于关闭状态；第二节流槽4221在缓冲的初始时释放部分液压油回至致动油缸上腔以防止过度缓冲而导致反弹；第二节流口 623 一直处于流通状态，试图由它的阻流性质产生在缓冲腔中的缓冲压力，此缓冲压力作用在形成致动活塞第二表面320的缓冲力而降低致动活塞及相连运动件的速度；由于发动机工况的变化，上述缓冲元素一起还有局限性，可能导致缓冲压力瞬态过高而引起反弹或缓冲时间过长，为此第二溢流阀624可以瞬态地快速打开而降低缓冲峰值压力。当液压控制回路将第一液压源611及第二液压源621分别切换回为系统低压(PL) 及系统高压(PH)时，致动活塞300的上腔及下腔也分别受到系统低压(PL)及系统高压 (PH)，致动活塞300及活塞杆410和420在弹簧合力及液压力的共同作用下沿第一方向缩回如图3的初始状态，其运动过程的逻辑方式与气门打开过程类似而相反。气门小升程工况主要用于发动机起动和低速小负荷工作，气门大升程工况主要用于发动机中、高速大负荷工况。在图4中，当第二活塞杆420运动到沿第二方向行程终了阶段时，第二活塞杆第一轴肩422分别隔开第一下端口 221和第二下端口 222，将第一下端口 221作为缓冲腔；在第二活塞杆第一轴肩422上的第二节流槽4221作为缓冲结构的一部分。图5所示为图I所示实施例致动器结构的变化例，与图I所示致动器结构的一大区别在于第一上端口 211及第一下端口 221均直接回油箱615，这在某些设计方案中结构更简单，而不影响此两端口设计功能的初衷(即第一上端口 211及第一下端口 221的回油功能)；缓冲装置由并联的单向阀和溢流阀组成。图5与图I所示致动器结构的另一大区别在于在图5中节流口也可是设计在溢流阀或单向阀的阀口上的一个或多个油槽或口子，油槽在溢流阀或单向阀关闭是也可少量通流。比如图5中，第一节流口 6121组合在第一单向阀612’的阀口上，第二节流口 6241 组合在第二溢流阀624’的阀口上。相对图I中的实施例，本发明的另一种实施例可使第一活塞杆第二肩轴414的直径小于第一活塞杆第一肩轴412的直径，以便在气门700沿第二方向运动即下行时有一个额外的驱动力，以帮助克服额外的运动阻力(类似发动机排气门开启时所遇到的)；相对应地，第一控制孔271也可分成分别与第一活塞杆第一肩轴412及第二肩轴414相配合的两部分(图I中未显示)，它们的内径分别与第一活塞杆第一肩轴412及第二肩轴414的外径可相对滑动地相匹配。在很多图示和描述中，流体介质假定为油或液压或者液体形式，在大部分情况下， 同样的概念可以在适当地按比例设计后应用于气压或水质油致动器和系统。同样，在此所采用的术语“流体”意味着包括液体和气体。尽管在上述描述及图1-5中，第一及第二活塞杆基本对称，它们所属的或相对应的第一及第二流动机构也基本对称，但本发明也包括致动器，其中之一为上述描述及图1-5 所教导的活塞杆及所属的或相对应的流动机构，而另一活塞杆及所属的或相对应的流动机构可采用已有技术中的活塞杆及流动机构设计(参考中国专利ZL200680021728. 6)。以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
权利要求
1.一种致动器，包括壳体，具有上端口和下端口 ；在所述壳体中的致动油缸，沿纵向的第一方向和第二方向分别具有第一端部和第二端部;在所述油缸中的致动活塞，具有第一表面和第二表面，沿着纵向可移动；第一流体空间，由所述致动油缸的第一端部和所述致动活塞的第一表面限定；第二流体空间，由所述致动油缸的第二端部和所述致动活塞的第二表面限定；第一活塞杆，连接到所述致动活塞的第一表面；第二活塞杆，连接到所述致动活塞的第二表面；流体旁路，当所述致动活塞没有充分接近所述致动油缸的第一端部和第二端部的任一个时，所述流体旁路有效地短接所述第一流体空间和所述第二流体空间；第一弹簧系统，和所述第一活塞杆连接，沿第二方向偏压所述致动活塞；并具有至少两个初始状态，向所述致动活塞提供至少两个不同大小的初始偏压力；第二弹簧系统，沿第一方向偏压所述致动活塞；第一流动机构，与所述第一活塞杆配合，控制所述第一流体空间和所述上端口之间流体连通；第二流动机构，与所述第一活塞杆配合，控制所述第二流体空间和所述下端口之间流体连通；其中当所述流体旁路基本上开启时，所述第一流动机构和所述第二流动机构中的至少一个关闭；当所述流体旁路基本上关闭时，所述第一流动机构和所述第二流动机构中的每一个至少部分地开启。
2.根据权利要求I所述的致动器，其特征在于，所述第一弹簧系统，包括第一驱动弹簧、弹簧座、弹簧控制油缸缸体和柱塞，所述第一驱动弹簧置身于所述弹簧座和所述弹簧控制油缸缸体之间，所述弹簧座与所述第一活塞杆连接，所述弹簧控制油缸缸体中有一油腔， 所述柱塞有一流道；所述壳体包括一空腔和启动端口 ；所述第一弹簧系统安装在所述空腔中，所述柱塞中流道连通所述油腔和所述启动端口，所述弹簧控制油缸缸体相对于所述壳体在所述空腔中可作纵向移动，以沿着纵向改变所述第一驱动弹簧的压缩量。
3.一种致动器，包括壳体，具有上端口和下端口，所述上端口还包括第一上端口和第二上端口 ；在所述壳体中的致动油缸，沿纵向的第一方向和第二方向分别具有第一端部和第二端部;在所述油缸中的致动活塞，具有第一表面和第二表面，沿着纵向可移动；第一流体空间，由所述致动油缸的第一端部和所述致动活塞的第一表面限定；第二流体空间，由所述致动油缸的第二端部和所述致动活塞的第二表面限定；第一活塞杆，连接到所述致动活塞的第一表面；第二活塞杆，连接到所述致动活塞的第二表面；流体旁路，当所述致动活塞没有充分接近所述致动油缸的第一端部和第二端部的任一个时，所述流体旁路有效地短接所述第一流体空间和所述第二流体空间；第一弹簧系统，沿第二方向偏压所述致动活塞；第二弹簧系统，沿第一方向偏压所述致动活塞；第一流动机构，与所述第一活塞杆配合，控制所述第一流体空间和所述上端口之间流体连通；第二流动机构，与所述第二活塞杆配合，控制所述第二流体空间和所述下端口之间流体连通；其中当所述流体旁路基本上开启时，所述第一流动机构和所述第二流动机构中的至少一个关闭；当所述流体旁路基本上关闭时，所述第一流动机构和所述第二流动机构中的每一个至少部分地开启；所述第一活塞杆以接近所述致动活塞的顺序包括第一活塞杆第一颈部、第一活塞杆第一轴肩、第一活塞杆第二颈部和第一活塞杆第二轴肩，其每一个都具有外部尺寸；所述第一流动机构包括具有内部尺寸的第一控制孔；所述第一控制孔的内部尺寸稍大于所述第一活塞杆第一轴肩和所述第一活塞杆第二轴肩的外部尺寸，且显著地大于所述第一活塞杆第一颈部和所述第一活塞杆第二颈部的外部尺寸，并且当所述流体旁路基本开启时，所述第一活塞杆第一轴肩与所述第一控制孔纵向交叠，将所述第一流体空间与所述上端口隔断；当所述致动活塞的第一表面向所述致动油缸的第一端部接近的最终阶段，所述第一活塞杆第一轴肩纵向交叠所述第一控制孔于所述第一上端口和所述第二上端口之间的部分， 以隔断第一上端口和第二上端口。
4.根据权利要求3所述的致动器，其特征在于，所述第一活塞杆第二肩轴的外部尺寸小于所述第一活塞杆第一肩轴的外部尺寸，相对应地，所述第一控制孔包括分别与所述第一活塞杆第一肩轴及所述第一活塞杆第二肩轴相配合的第一部分和第二部分，所述第一部分的内部尺寸与所述第一活塞杆第一肩轴可相对滑动地相匹配，所述第二部分的内部尺寸与所述第一活塞杆第二肩轴的外部尺寸可相对滑动地相匹配。
5.根据权利要求3所述的致动器，其特征在于，所述第一活塞杆第一轴肩靠近所述第一活塞杆第二颈的端面上有至少一个第一节流槽。
6.根据权利要求3所述的致动器，其特征在于，所述致动器还包括第一缓冲器以在所述致动活塞行进接近所述致动油缸的第一端部时，抑制所述致动活塞的速度，所述致动器还包括连通于所述上端口的第一液压源，所述第一缓冲器位于连通所述第二上端口和所述第一液压源的流道上。
7.根据权利要求6所述的致动器，其特征在于，所述第一缓冲器包括并联的第一单向阀、第一节流口和第一溢流阀。
8.根据权利要求7所述的致动器，其特征在于，所述第一溢流阀为可调式溢流阀。
9.一种致动器,包括壳体，具有上端口和下端口，所述下端口还包括第一下端口和第二下端口 ；在所述壳体中的致动油缸，沿纵向的第一方向和第二方向分别具有第一端部和第二端部;在所述油缸中的致动活塞，具有第一表面和第二表面，沿着纵向可移动；第一流体空间，由所述致动油缸的第一端部和所述致动活塞的第一表面限定；第二流体空间，由所述致动油缸的第二端部和所述致动活塞的第二表面限定；第一活塞杆，连接到所述致动活塞的第一表面；第二活塞杆，连接到所述致动活塞的第二表面；流体旁路，当所述致动活塞没有充分接近所述致动油缸的第一端部和第二端部的任一个时，所述流体旁路有效地短接所述第一流体空间和所述第二流体空间；第一弹簧系统，沿第二方向偏压所述致动活塞；第二弹簧系统，沿第一方向偏压所述致动活塞；第一流动机构，与所述第一活塞杆配合，控制所述第一流体空间和所述上端口之间流体连通；第二流动机构，与所述第二活塞杆配合，控制所述第二流体空间和所述下端口之间流体连通；其中当所述流体旁路基本上开启时，所述第一流动机构和所述第二流动机构中的至少一个关闭；当所述流体旁路基本上关闭时，所述第一流动机构和所述第二流动机构中的每一个至少部分地开启；所述第二活塞杆以接近所述致动活塞的顺序包括第二活塞杆第一颈部、第二活塞杆第一轴肩、第二活塞杆第二颈部和第二活塞杆第二轴肩，其每一个都具有外部尺寸；所述第二流动机构包括具有内部尺寸的第二控制孔；所述第二控制孔的内部尺寸稍大于所述第二活塞杆第一轴肩和所述第二活塞杆第二轴肩的外部尺寸，且显著地大于所述第二活塞杆第一颈部和所述第二活塞杆第二颈部的外部尺寸，并且当所述流体旁路基本开启时，所述第二活塞杆第一轴肩与所述第一控制孔纵向交叠，将所述第二流体空间与所述下端口隔断；当所述致动活塞的第二表面向所述致动油缸的第二端部接近的最终阶段，所述第二活塞杆第一轴肩纵向交叠所述第二控制孔于第一下端口和第二下端口之间的部分，以隔断所述第一下端口和所述第二下端口。
10.根据权利要求9所述的致动器，其特征在于，所述第二活塞杆第一轴肩靠近第二活塞杆第二颈部的端面上有至少一个第二节流槽。
11.根据权利要求9所述的致动器，其特征在于，所述致动器还包括第二缓冲器以在所述致动活塞行进接近所述致动油缸的第二端部时，抑制所述致动活塞的速度，所述致动器还包括连通于所述下端口的第二液压源，所述第二缓冲器位于连通所述第二下端口和所述第二液压源的流道上。
12.根据权利要求11所述的致动器，其特征在于，所述第二缓冲器包括并联的第二单向阀、第二节流口和第二溢流阀。
全文摘要
本发明公开了一种致动器，由液压控制回路与弹簧机械系统两部分组成，包括壳体，具有上端口和下端口；在所述壳体中的致动油缸；在所述油缸中的致动活塞，沿着所述纵向轴线可移动；第一流体空间；第二流体空间；第一活塞杆，连接到所述致动活塞的第一表面；第二活塞杆，连接到所述致动活塞的第二表面；流体旁路；第一弹簧系统，和第一活塞杆连接，沿第二方向偏压致动活塞；第二弹簧系统，沿第一方向偏压致动活塞；第一流动机构；第二流动机构。本发明还同时公开了另外两种方案的致动器。本发明的致动器具备气门升程可变，低能耗，高响应速度，气门落座速度小，控制简单可靠等特点。
文档编号F01L1/34GK102606251SQ20121009518
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月31日 优先权日2012年3月31日
发明者娄征, 文韶, 邓强泉 申请人:江苏公大动力技术有限公司