可变气门促动机构、内燃发动机和车辆的制作方法

本发明涉及用于内燃发动机的可变气门促动机构、包括可变气门促动机构的内燃发动机和包括这种发动机的车辆。

背景技术：

在用于车辆(诸如轿车的轻型车辆或诸如卡车的重型车辆)的内燃发动机中，已知具有用于改变进气门和/或排气门的促动特性的系统，例如气门的正时和/或开度。

已知多种技术用于此可变气门促动(vva)系统。例如，所述技术之一是凸轮切换，其中在凸轮随动件中设有调整机构。凸轮切换构思可包括具有可切换杆形式的随动件，其中一些部分能够相对于另一些部分移动。

us2012325168涉及用于凸轮移动系统的可切换杆。该杆包括两个滚子，其中一个滚子能够移动以与两个凸轮耳片中的一个凸轮耳片接触和脱离接触。us2011265750和us2011265751也涉及用于凸轮移动系统的可切换杆，该可切换杆具有能够在高升程凸轮接触位置和低升程凸轮接触位置之间移动的滚子。

另一种vva技术已知为同心凸轮轴构思。其中，调整机构被设置在凸轮轴装置中，随动件部分相对于彼此固定。同心凸轮轴构思涉及同轴的凸轮轴和相组合的凸轮耳片轮廓。对于每个气缸处的用于进气或排气功能的气门或多个气门，一个随动件跨越一对近距离间隔开的凸轮耳片。两个凸轮轴以同心方式布置。所述凸轮耳片固定到相应的凸轮轴，且因此能够通过使一个凸轮轴相对于另一个凸轮轴扭转而彼此移动，以便改变两个耳片的组合轮廓。

在us1527456a、us4771742a和us8820281中公开了具有同心凸轮轴构思的已知的解决方案。

希望减少由于长时间的严酷条件和非常高的循环次数而导致的可变气门促动机构中的磨损。

技术实现要素：

本发明的目的是减少用于内燃发动机的可变气门促动机构中的磨损。

此目的通过如下的用于内燃发动机的可变气门促动机构来达到，该可变气门促动机构包括用于控制向发动机气缸的进气和/或从气缸的排气的至少一个气门，包括：

–两个同心布置的凸轮轴，

–凸轮组，所述凸轮组包括两个凸轮，所述凸轮中的每个凸轮被固定到相应的一个凸轮轴，由此，所述凸轮轴被布置成相对于彼此转动，以便改变所述凸轮的组合轮廓，和

–凸轮随动件，所述凸轮随动件适合跟随于所述凸轮的组合轮廓并根据所述凸轮的组合轮廓来促动所述至少一个气门中的至少一个，

–其中，所述凸轮随动件包括两个滚子，每个滚子适合跟随于相应的一个凸轮。

应理解的是，凸轮随动件适合与凸轮接触，且由此跟随于凸轮的组合轮廓，以便根据所述凸轮的组合轮廓来促动气门中的至少一个。所述滚子适于提供凸轮随动件与凸轮的接触。所述凸轮可以布置成通过使凸轮轴中的一个凸轮轴相对于另一个凸轮轴转动而相对于彼此移动，以便改变凸轮的组合轮廓。

由于凸轮随动件包括两个滚子，每个滚子适合跟随于相应的一个凸轮，所以滚子与任一凸轮的边沿接触的风险显著降低。这继而明显地允许减少可变气门促动机构中的磨损。更具体地，利用这种双滚子解决方案，能够避免其中滚子表面跨越两个凸轮且由此暴露于与凸轮边沿的潜在接触的情况。此外，也如下文参照图7所例示的，这种双滚子解决方案允许避免滚子表面靠着凸轮表面滑动。在不利用双滚子解决方案的情况中，例如，当凸轮随动件从凸轮中的一个凸轮过渡到另一个凸轮时，可能发生这种滑动，并且由于凸轮的倾斜或斜角的局部差异，凸轮推动单个滚子的速度将不同。两个滚子将通过允许转速与各个凸轮的单独的适配来解决此问题。因此，本发明能够减少由于滑动及边沿接触而导致的磨损。

优选地，所述滚子中的至少一个滚子包括具有拱起轮廓的接触表面。如下文中所解释的，这增加了对于制造过程中的错位以及由于运行载荷导致的错位的容许度，且进一步降低了滚子和凸轮之间的边沿接触的风险。这种拱起可在滚子的轴向方向上提供接触表面的径向位置的0.005mm至0.050mm、优选0.010mm至0.030mm的变化。

所述滚子中的至少一个滚子可包括具有拱起轮廓的接触表面，所述拱起轮廓具有对数函数或y(x)＝ax^b形式的函数的拱起形状，其中a和b是实数，且b大于2。所述滚子中的至少一个滚子可包括具有拱起轮廓的接触表面，所述拱起轮廓提供了部分圆形的外表面，以用于接触与滚子相关联的凸轮。

优选地，滚子中的至少一个滚子具有如下接触表面：所述接触表面具有比与滚子相关联的凸轮小的、在轴向方向上的延伸。因此，可保证所述滚子和凸轮之间的角度错位不会导致凸轮边沿和滚子之间的任何接触。如果另外所述滚子是拱起的，则将在不具有任何边沿接触的情况下保证凸轮和滚子之间的接触。

优选地，滚子的移动的轴向自由度短于滚子的接触表面的轴向延伸和与滚子相关联的凸轮的轴向延伸之间的差值。因此，滚子的可能的轴向移动能够被保持在凸轮的轴向延伸内，这继而消除了滚子与凸轮边沿中的任一个凸轮边沿接触的任何风险。这继而降低了过度磨损的风险。每个滚子的所允许的轴向移动可以是滚子的轴向延伸(宽度)的1.0％至10.0％，优选为1.7％至5.0％。在一些实施例中，每个滚子在滚子的轴向方向上相对于相应的滚子所适合跟随的相应凸轮固定。

优选地，所述滚子相对于彼此同心地固定。优选地，凸轮随动件包括两个支承臂，并且其中所述滚子均安装在该两个支承臂之间。优选地，所述凸轮随动件包括轴，所述轴在每个端部处支承在所述两个支承臂中的一个支承臂中，并且其中所述滚子被同心地布置在该轴上。优选地，凸轮随动件包括轴，所述滚子经由相应的滑动轴承而同心地布置在轴上。优选地，该轴设有减摩层，例如pvd(物理蒸汽沉积)涂层。该轴有利地由钢制成；替代地，该轴可由任何合适的替代材料制成，例如青铜合金。所述滚子可由钢制成，但也可以是任何适当的替代材料。

优选地，每个滚子在其轴向延伸的每个端部处具有跟部。每个跟部可以设置为具有平坦表面的轴向突起，该平坦表面被定向在带有与各个滚子的轴向方向平行的法向的平面内。

优选地，所述滚子适合彼此独立地转动。优选地，所述滚子具有大致相同的、在轴向方向和/或径向方向上的延伸。所述滚子可具有不同的在轴向方向上的延伸；在滚子上的载荷不同且在滚子周围缺少空间的情况下，这可提供益处。

上述目的也通过用于内燃发动机的可变气门促动机构来达到，该可变气门促动机构包括用于控制向发动机气缸的进气和/或从气缸的排气的至少一个气门，该可变气门促动机构包括：

–两个同心布置的凸轮轴，

–凸轮组，该凸轮组包括两个凸轮，每个凸轮被固定到相应的一个凸轮轴，由此，凸轮轴被布置成相对于彼此转动，以便改变凸轮的组合轮廓，和

–凸轮随动件，该凸轮随动件适合跟随于凸轮的组合轮廓并根据凸轮的组合轮廓来促动所述至少一个气门中的至少一个，

–其中，该凸轮随动件包括滚子，所述滚子在与滚子的旋转轴线重合的截面中具有两个突起，所述两个突起适合跟随于相应的凸轮，所述突起由凹部间隔开。

上述目的也通过包括根据在此所述或在此要求保护的实施例中的任何实施例的可变气门促动机构的内燃发动机以及包括这种发动机的车辆来达到。

附图说明

下面将参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1示出了车辆的部分截面侧视图，

图2示出了图1中的车辆中的发动机的可变气门促动机构的一部分的透视图，

图3示出了截面图，其中，该截面被定向为由图2中的箭头iii-iii指示，

图4示出了可变气门促动机构的一部分的透视图，

图5示出了可变气门促动机构的一部分的前视图，

图6示出了横截面图，其中该截面被定向为由图3中的箭头vi-vi指示，

图7示意性地示出了滚子从一个凸轮到另一个凸轮的过渡，其中，旋转移动被描绘为直线移动，

图8是示出了图2中的可变气门促动机构的滚子的拱起轮廓的示例的曲线图，并且

图9示出了根据替代实施例的可变气门促动机构的横截面图，其中该截面被定向为由图3中的箭头vi-vi指示。

具体实施方式

图1示出了卡车形式的车辆，其包括内燃发动机1，在此示例中为柴油发动机。该发动机包括多个气缸和用于控制向气缸的进气的多个进气门以及用于控制从气缸的排气的多个排气门。该发动机也包括用于促动所述进气门的可变气门促动机构和用于促动所述排气门的另外的可变气门促动机构。

图2示出了可变气门促动机构的用于促动进气门2的部分。所示的部分适于促动一个气缸处的一个进气门201。

也参考图3。该气门促动机构包括两个同心布置的凸轮轴301、302。对于进气门201，提供了包括两个凸轮303、304的凸轮组。凸轮303、304分布在凸轮轴的纵向方向上。每个凸轮组中的凸轮303、304彼此邻近或直接邻近。

每个凸轮303、304被固定到相应的一个凸轮轴301、302。凸轮轴301、302被布置成相对于彼此转动，以便改变凸轮303、304的组合轮廓。更具体地，凸轮303、304被布置成通过使凸轮轴301、302中的一个凸轮轴相对于另一个凸轮轴转动而彼此移动，以便改变凸轮303、304的组合轮廓。

图3中的箭头a表示此示例中的凸轮轴的旋转方向。所述凸轮中的第一凸轮303具有比第二凸轮304高的轮廓，即更大的径向延伸。此外，第一凸轮303被布置成在旋转方向a上处于第二凸轮304的前方。因此，凸轮303、304可以如下文进一步描述地布置，以便提供通过第一凸轮303控制的气门201的相对高的初始升程，接着是第二阶段：其中在气门201关闭之前，该凸轮升程能够以通过第二凸轮304控制的较低升程而延伸。应注意到的是，气门升程的特定特性对于本发明的实施不是关键的。例如，替代地，通过第二凸轮304控制的升程可与通过第一凸轮303控制的升程一样高。

所述气门促动机构还包括凸轮随动件311，该凸轮随动件311适合跟随于凸轮303、304的组合轮廓并根据凸轮303、304的组合轮廓来促动进气门201。该凸轮随动件包括适合绕摇臂轴3112枢转的摇臂3111。在摇臂轴3112的一侧上，摇臂3111具有第一端，在该第一端处安装有两个滚子312、313，每个滚子312、313适合跟随于相应的一个凸轮303、304。在摇臂轴3112的相反的另一侧，摇臂3111具有第二端，在该第二端处，摇臂3111适合与气门201接触以促动气门201。

应注意的是，在其他实施例中，摇臂3111可适合促动气缸处的两个或超过两个进气门。为此，可提供轭部或气门桥以将摇臂的动作分配到气门。

也参考图4、图5和图6。每个滚子312、313与相应的凸轮303、304永久地轴向对齐。凸轮随动件311包括两个支承臂314、315，且滚子312、313均安装在这两个支承臂314、315之间。

如图6中可见，该凸轮随动件包括轴316，该轴316在每个端部处被支承在两个支承臂314、315中的一个支承臂中。滚子312、313通过相应的滑动轴承3121、3131同心地布置在轴316上。在此实施例中，轴316和滚子312、313由钢制成。为了提供滑动轴承3121、3131，轴316设有减摩层，在此示例中为pvd(物理蒸汽沉积)涂层。通过这种布置，滚子312、313适合彼此独立地转动。应注意到的是，替代方案也是可能的。例如，滚子可以由作为钢的替代的、任何合适的材料制成，例如陶瓷材料。此外，轴承可以具有任何合适的替代形式，例如通过例如青铜的轴承衬套提供。

应注意的是，此示例中的滚子312、313是相同的，这意味着它们具有相同的在轴向方向和径向方向上的延伸。然而，在其他实施例中，所述滚子可以是不同的。例如，所述滚子可具有不同的轴向延伸，这在滚子上的载荷不同且在滚子周围缺少空间时是有益的。在一些实施例中，所述滚子可具有不同的径向延伸，以适合于具有彼此不同的径向延伸。

在此，轴向方向相对于滚子而言是指平行于滚子的旋转轴线的方向。

每个滚子在其轴向延伸的每个端部处具有跟部3122、3132。每个跟部3122、3132被设置为绕相应的滚子的中心轴孔的具有平坦表面3123、3133的轴向突起，该平坦表面被定向在带有与所述轴向方向平行的法向的平面内。所述平坦的跟部表面3123、3133提供了相应滚子312、313的足够的面积，以用于减少与另一个滚子312、313及相应的支承臂314、315的任何轴向接触中的磨损。然而，平坦的跟部表面3123、3133被保持为中等尺寸，以使滚子312、313之间以及滚子和支承臂314、315之间的摩擦转矩保持相对低；如下文中进一步描述的，这将便于滚子之间的相互不同的速度并降低滑动的风险。

参考图7。包括两个滚子312、313(每个滚子312、313适合跟随于相应的一个凸轮303、304)的凸轮随动件311避免了该凸轮随动件相对于凸轮303、304滑动的风险。更具体地，当凸轮随动件311从所述凸轮中的一个凸轮过渡到另一个凸轮时，由于凸轮303、304的倾斜或斜角的局部差异，凸轮303、304推动滚子312、313的转速将不同。两个滚子将允许转速与各个凸轮的单独的适配。

在此示例中，第一凸轮303提供了高的初始气门升程。具有较低轮廓的第二凸轮304能够转动以便在很大程度上处在与较高者相同的周向位置处。通过使凸轮轴相对于彼此转动，能够使第二凸轮304跟随第一凸轮303。在此示例中，这种延伸的组合的凸轮轮廓使得能够在合适的发动机运行点处以阿特金森循环运行发动机。阿特金森循环在此是指本质上已知的修改的奥托循环或迪塞尔循环，其中进气门比通常情况保持打开更长时间，以允许进气逆流入到进气歧管中，从而以降低的功率密度为交换提供了更高的效率。

图7示意性地描绘了滚子312、313从具有较高轮廓的第一凸轮303到具有较低轮廓的第二凸轮304的过渡。为简单起见，凸轮轴301、302的旋转移动(图3中的箭头a)在图7中被描绘为由箭头a指示的直线移动。此外，凸轮轮廓303、304的形状与实践中可能使用的形状相比被简化了。在过渡中，一个滚子312在点p1处与第一凸轮303接触，且另一个滚子313在点p2处与第二凸轮304接触。

通过第一凸轮303施加到一个滚子312上的接触表面的瞬时速度为r1*ω/cosα，其中r1是p1相对于凸轮轴旋转轴线的径向位置，ω是凸轮轴转速，且α是第一凸轮303在p1处的斜角。通过第二凸轮304施加到另一个滚子313上的接触表面的瞬时速度为r2*ω/cosα，其中r2是p2相对于凸轮轴旋转轴线的径向位置。p2处的速度不受到凸轮304的任何局部倾斜或斜角的影响。

应理解的是，通过凸轮施加到滚子接触表面的瞬时速度在图7中所描绘的时刻不同。因此，凸轮随动件的单个滚子将导致滚子表面靠着凸轮中的一个或两个凸轮的滑动。这继而可能导致过度磨损。提供两个滚子312、313(每个滚子适合跟随于相应的一个凸轮303、304)允许转速与各个凸轮的单独的适配。因此，消除了上述滑动问题和过度磨损的风险。

参考图5。滚子312、313中的每个滚子具有接触表面312a、313a，所述接触表面312a、313a具有在轴向方向上比与所述滚子相关联的凸轮303、304小的延伸。如上所述的滚子312、313在轴316上的安装允许各个滚子312、313的移动的相对小的轴向自由度。尤其是，此移动的轴向自由度短于接触表面312a、313a的轴向延伸与相关联的凸轮303、304的轴向延伸之间的差值。由此，所述滚子的可能的轴向移动可以被保持在凸轮的轴向延伸内，这继而消除了滚子与凸轮边沿中的一个凸轮边沿接触的任何风险。这继而降低了过度磨损的风险。每个滚子的所允许的轴向移动可以是滚子的轴向延伸(宽度)的1.0％至10.0％，优选为1.7％至5.0％。

也参考图4、图6和图8。每个接触表面312a、313a具有拱起轮廓。这将降低滚子和凸轮之间的边沿接触的风险，所述边沿接触的结果是高的应力集中。“拱起”的意思是接触表面312a、313a的径向位置在滚子的轴向方向上改变，使得接触表面具有凸出的形状。如图8中可见，当在轴向方向上观察时，所述接触表面在它的中点处具有其最大径向延伸；此中点位于曲线图的x轴上的零点处。x轴示出了以mm为单位的轴向位置。y轴指示了以mm为单位的接触表面312a、313a的径向位置从最大径向延伸的偏离。

这种拱起将有效地从滚子312、313移除边沿材料。可设置任何适当的拱起形状。图8中的曲线图示出了如us2010138020a1中给出的拱起的三个示例：部分圆形的拱起c1、对数函数的拱起形状c2和具有y(x)＝ax^b形式的函数的拱起形状c3，其中a和b是实数且b大于2。这种拱起可在滚子的轴向方向上合适地提供接触表面312a、313a的径向位置的0.005mm至0.050mm、优选0.010mm至0.030mm的变化。

如上所述，提供两个滚子312、313(每个均跟随其相应的凸轮303、304)降低了凸轮和滚子之间的边沿接触的风险。上述拱起增加了对于制造过程中的错位或由于运行载荷导致的错位的可接受的公差，并由此进一步降低了凸轮303、304和两个滚子312、313之间的边沿接触的风险。另外，在轴向方向上比与所述滚子相关联的凸轮303、304具有更小的延伸的每个接触表面312a、313a使得能够保证滚子312、313和凸轮303、304之间的角度错位不会导致凸轮边沿和滚子之间的任何接触。如果所述滚子以正确的方式拱起，则将在无任何边沿接触的情况下保证凸轮和滚子之间的接触。因此，通过设置每个具有比相应的凸轮宽度小的、拱起的接触表面的两个滚子，提供了在避免锐利的边沿接触方面稳定的解决方案，由此降低或消除了过度磨损的风险。

图9描绘了根据替代实施例的可变气门促动机构的一部分。在此实施例中，凸轮随动件311包括单个滚子312。滚子312安装在两个支承臂314、315之间。如图9中的截面图可见，该滚子具有两个突起3124、3125，所述两个突起3124、3125适合跟随于相应的凸轮303、304。每个突起3124、3125均具有拱起的轮廓。突起3124、3125由凹部3126间隔开。应注意的是，突起3124、3125和凹部3126的径向位置的变化在图9中被夸大，以提高其可见性。突起3124、3125的径向位置的变化优选与通过上述滚子的拱起所提供的变化具有相同的量级。

突起3124、3125和凹部3126允许避免滚子312和凸轮边沿之间的任何接触以及与任何凸轮的滚子边沿接触。

已作为用于进气门的气门促动机构描述了本发明的上述实施例。应注意的是，本发明能够等同地应用于用于排气门的气门促动机构。