气门致动器的制作方法

本发明涉及一种气门致动器。更具体地，本发明涉及一种具有旋转部分的旋转致动器，该旋转部分可相对于本体部分旋转并且包括凸轮驱动式连杆机构。这种致动器可以被用于操作例如内燃发动机的提升式气门。

背景技术：

wo2004/097184描述了一种可以用于打开和关闭内燃发动机的气门的旋转电磁致动器。该气门可独立于发动机的曲轴的运动进行操作。

技术实现要素：

本发明提供一种用于操作气门的致动器，该致动器包括：

旋转部分和本体部分，其中，所述旋转部分可通过所述致动器的致动而相对于所述本体部分绕旋转轴线旋转，并且所述旋转部分限定凸轮表面；

凸轮从动件，所述凸轮从动件在所述凸轮表面旋转时与所述凸轮表面接合；以及

连杆机构，所述连杆机构在一端处联接到所述凸轮从动件并且在其另一端联接到气门杆，

其中，所述旋转部分从第一旋转位置旋转到第二旋转位置引起所述凸轮从动件移位，这进而引起所述连杆机构的另一端从第一位置移动到第二位置，并且

其中，所述凸轮表面被成形为使得，在所述连杆机构的另一端上施加将所述另一端从其第二位置朝向其第一位置推动的力引起所述凸轮从动件将旋转力施加到所述旋转部分上从而使所述旋转部分朝向其第一旋转位置旋转。

在致动器或相关联的控制系统的部分失效或故障的情况下，存在气门的头部可能与相关联的气缸的活塞形成接触，导致发动机的气门和/或其他部分受到损伤的风险。特别地，当气门完全打开时，气门杆的移动可能受到致动器机构机械地阻碍，由此增大了在活塞与气门接触的情况下对一个或多个部件造成实质损伤的可能性。根据本发明，连杆机构和凸轮布置可以被配置为使得，至少在气门行程的活塞与气门接触可能发生的范围内，气门头朝向气门座的移动不受致动器阻碍。因此，如果例如活塞在冲撞场景期间将推力施加到气门头上的话，气门头能够移动，由此避免任何损伤。在请求保护的构造中，凸轮表面和凸轮从动件和/或连杆机构的几何形状可以被选择为使得，至少在气门行程的可能发生活塞与气门接触的范围上，将气门杆朝向气门关闭位置推动的力引起经由连杆机构使得凸轮从动件将力矩施加到致动器的旋转部分上，从而使凸轮表面按照在关闭气门期间被致动器驱动的那样旋转，并且由此允许连杆机构和气门杆朝向气门关闭位置移动。

凸轮从动件可以安装在连杆机构的一端上或联接到其上。连杆机构的另一端可以被适配为联接或连接到气门杆。连杆机构可以可操作来将凸轮从动件由于旋转部分的凸轮表面而产生的移位转变为连杆机构的另一端的线性运动。

优选地，所述凸轮表面被成形为使得，当所述旋转部分处于其第二旋转位置时，参考线与所述旋转部分的旋转轴线间隔开，所述参考线位于与所述旋转部分的旋转轴线相垂直的平面上并且在所述凸轮从动件与所述凸轮表面的接触点处与所述凸轮表面正交。凸轮从动件的作用线与旋转部分的旋转轴线之间的这种间隔提供杠杆臂，使得活塞与气门接触所造成的不期望的力产生使旋转部分朝向其第一旋转位置旋转的力矩。

在优选实施例中，所述凸轮表面被成形为使得，当所述旋转部分处于其第二旋转位置、或处于从所述第二旋转位置延伸到中间旋转位置的范围内的旋转位置时，所述参考线与所述旋转部分的旋转轴线间隔开，所述中间旋转位置在所述第一旋转位置与第二旋转位置之间。因此，在旋转部分的直到并且包括与气门完全打开位置相对应的位置的旋转的部分上，连杆机构和凸轮布置的几何形状使得，在所述连杆机构的另一端上的将所述连杆机构的另一端从其第二位置朝向其第一位置推动的力引起所述凸轮从动件将旋转力施加到所述旋转部分上从而使所述旋转部分朝向所述第一旋转位置旋转。这在例如由于活塞与气门头之间的接触而被推动如此时可以允许联接到连杆机构的另一端的气门朝向其关闭位置移动。

凸轮表面的凸轮升程(也就是，(a)凸轮表面在给定点处距旋转部分的旋转轴线的距离与(b)凸轮表面的“基圆”(或最小半径)距旋转部分的旋转轴线的距离之差)可以在直到并且包括与气门打开位置相对应的点的部分(该部分形成凸轮表面的气门打开部)上连续增大。增大的凸轮升程提供了凸轮从动件施加到凸轮表面上的力的作用线与旋转部分的旋转轴线之间的期望的偏移量。

优选地，连杆机构的另一端的第一位置与气门关闭位置相对应并且第二位置与气门打开位置相对应。特别地，第二位置可以与气门完全打开位置相对应。

致动器可以是电磁致动器，其中，旋转部分包括转子并且本体部分包括定子。替代性地，致动器可以是液压或气动致动器。

本发明进一步提供一种内燃发动机，所述内燃发动机包括具有至少一个进气气门或排气气门的至少一个气缸、活塞、以及本文描述的致动器，其中，所述至少一个气门可独立于发动机曲轴的旋转进行操作，并且所述致动器连杆机构的另一端联接到所述至少一个气门以使得所述致动器能够致动所述至少一个气门。

发动机可以是例如汽油发动机或柴油发动机。本披露在被应用于柴油发动机时可以是特别有利的，因为这种类型的发动机旨在以气门与活塞之间减小的间隙距离来操作。

在优选实施例中，所述气门包括气门杆，所述气门杆被布置用于沿气门轴线往复运动，所述活塞被布置用于沿活塞轴线往复运动，并且所述气门轴线与所述活塞轴线基本上平行。在此类构造中，在活塞与气门接触的情况下，活塞很可能将与气门轴线基本上平行的力施加到气门杆上，由此减小气门杆由于活塞施加到其上的力而弯曲的风险。

附图说明

现在将通过示例并参考附图来描述本发明的实施例，其中：

图1是示出了与气门组合的致动器的示意图，其中，致动器的转子具有对称凸轮表面；

图2是示出了根据本发明的实施例的致动器和气门的示意图；

图3示出了气门头向上移位之后的图2的致动器和气门构造；并且

图4示出了根据本发明的实施例的凸轮表面轮廓的侧视图。

具体实施方式

图1示出了本发明的范围之外的电磁致动器和气门构造。致动器包括定子2，转子4安装在定子中。转子可围绕旋转轴线6旋转。转子限定与其一起旋转的凸轮表面8。凸轮从动件10在凸轮表面旋转时保持与凸轮表面接触。

凸轮从动件可以被例如弹簧等偏置装置推动成与凸轮表面接触。替代性地，在戴思默多米克(desmodromic)构造中，可以用第二凸轮和凸轮从动件机构来控制气门杆的关闭运动。

凸轮从动件10通过机械连杆机构14联接到气门杆12。连杆机构包括刚性地连接在一起并且可绕摇杆枢轴20旋转的凸轮从动件臂16和摇杆臂18。凸轮从动件10安装到凸轮从动件臂16的远端上(或与其整体形成)。

摇杆臂18通过第一枢转节24可枢转地联接到刚性连接臂22的一端21。连接臂22的另一端23通过第二枢转节26可枢转地联接到气门杆12。

气门30包括气门杆12、气门头32以及气门座34(由发动机的缸体支撑)，所述气门头刚性连接到气门杆。气门引导件(未示出)允许气门杆沿气门轴线在方向d上进行线性往复运动以便通过使气门头32与气门座34接合或解除接合来打开和关闭气门。

在操作图1示出的致动器和气门构造时，转子在致动器控制系统的控制下旋转使得凸轮从动件10在跟随凸轮表面8时移位。在图中示出的位置上，凸轮从动件与凸轮表面上的距旋转轴线6最大距离的点接合。在此位置上，气门处于其完全打开位置，并且气门头32背离座34移位最大距离。

当转子在背离图1示出的位置的任一方向上旋转时，(凸轮从动件在凸轮表面上的)接触点的距旋转轴线的距离减小。当凸轮从动件跟随表面时，连杆机构引起气门头朝向其座移动。当凸轮从动件到达凸轮表面上的距其旋转轴线距离最小(在凸轮表面的“基圆”40上)的点时，气门头与气门座形成接合。

在图1示出的形式的构造中，可以通过使转子在两个位置之间摆动或通过使转子在同一旋转方向上连续旋转来实现使气门打开和关闭。

在图1中，可以看到，当气门处于图中所描绘的其完全打开位置时，参考线“l”穿过旋转轴线6，该参考线位于与转子的旋转轴线相垂直的平面上并且在凸轮从动件与凸轮表面的接触点处与凸轮表面正交。结果是，如果气门头32由于在方向f上作用在其上的力而将要被推向其关闭位置，那么气门杆的向上移动受到连杆机构14和转子4阻碍，因为沿线l的力不会对转子产生旋转力。如果在失效状况下活塞将要与气门头发生接触的话，气门头会受阻而不与活塞一起移动，从而导致实质损伤。

图2和图3示出了与图1的致动器和气门组合相似的致动器和气门组合。相同的附图标记用于相同的或相应的特征。图2和图3的构造与图1的构造的区别在于，转子具有修改过的凸轮表面50。图2的凸轮表面50的形状与图1示出的凸轮表面8的形状之间的关键区别出现在当气门处于其完全打开位置时(图1和图2是这种情况)表面上凸轮从动件10所接合的点处。

当如图2所示，气门完全打开时，可以看到，参考线“l”与转子的旋转轴线间隔开距离“x”，该参考线位于与转子4的旋转轴线6相垂直的平面上并且在凸轮从动件10与凸轮表面50的接触点处与该凸轮表面正交。因此，如果力f作用于气门头使其朝向其气门座移动，那么连杆机构14引起凸轮从动件10将力沿参考线l施加到凸轮表面上。由于该气门关闭力的作用线与转子的旋转轴线之间的偏移量x，凸轮从动件对转子施加力矩。这使得转子在图2和图3示出的视图中在逆时针方向上旋转，从而允许气门头朝向其座移动。图3示出了在此类移动之后气门和致动器的部署。因而，如果在失效状况下的话，活塞将力f施加到气门头上，气门可被活塞朝向其座移位，从而避免对气门或致动器造成损伤。

凸轮表面、凸轮从动件以及连杆机构的几何形状和尺寸被选择成使得，气门上的在活塞与气门接触事件期间所产生的力的大小(至少针对这种接触可能发生的凸轮和连杆机构位置而言)会将足够的力矩施加到致动器的旋转部分上以容易地克服致动器所能够产生的最大力矩。应理解的是，此力矩与距离“x”(如图2中表示的)成正比，并且因而，在可能发生活塞与气门接触的凸轮从动件和凸轮表面位置的范围上，此距离应该大到足以产生必要的力矩。

图4是体现了本发明的凸轮表面轮廓60的放大视图。该凸轮表面轮廓具有与图2和图3示出的凸轮表面50相似的特征并且现在将进行详细描述。

在图4中，凸轮表面轮廓60在旋转轴线6处被对应地划分成呈对向角度a到d的四个相继区段62、64、66以及68。凸轮表面沿区段64和66与轴线6相距最小距离，这些区段与凸轮表面的基圆相对应。区段62限定的凸轮表面从区段64的基圆开始到点70附近逐渐且连续增大其距轴线6的距离。从点70开始，在同一旋转方向上继续沿着凸轮表面，凸轮表面距轴线6的距离沿区段68继续进一步增大，之后快速减小成平滑地融入区段66的起点处的基圆。

虚线圆72和74标识了在气门打开事件的开始时凸轮从动件的可能的位置。这些虚线圆位于基圆区段66的每一端处。为了打开气门，当在图4的方向上看时，转子顺时针旋转，使得凸轮从动件从区段66移动到区段64上。区段64可以对应于或包括凸轮轮廓上的“消声斜面”。随着转子继续旋转，凸轮从动件接着移动到凸轮轮廓的区段62上，该区段使凸轮从动件背离旋转轴线6移动。连杆机构14将凸轮从动件的这种移动转变为气门的打开动作。可通过控制转子的旋转量以及因而凸轮从动件沿凸轮表面62行进了多远来控制气门打开的程度。

在图4的实施例中，凸轮区段62的一端处的点70与气门完全打开位置相对应。在本实例中可以看到，根据本发明，参考线l(位于与旋转轴线6垂直的平面上并且在此点与凸轮表面正交)与旋转轴线间隔开。

在本实施例中，凸轮表面超过点70沿凸轮表面的区段68的一端处的部分76继续增大其距旋转轴线的距离(也就是，凸轮升程增大)。在正常使用中，凸轮从动件不会行进到此表面上。但是，这确保了如果存在活塞与气门接触，即使从动件由于例如制造公差而没有行进到稍微超过点70，旋转力仍被施加到转子上。

由于参考线l与旋转轴线6偏移，力具有相对于轴线的杠杆臂，使得该力将力矩施加到转子上。此力矩克服作用在转子与其定子之间的电磁力以及转子的惯性，使得气门在不对气门、活塞或机械、电子或控制系统的任何零件造成损伤的情况下关闭。

此类凸轮表面构造旨在用于以摆动模式来打开和关闭气门，而不用于涉及图1的构造所描述的全旋转模式。凸轮从动件通常不能够实质性地移动超过点70到达凸轮表面部分76上，因为气门头已经处于其标称完全打开位置。

图2和图3的实施例展示了包括用于操作气门的电磁致动器的布置。应理解的是，可以根据本披露使用其他类型的致动器。例如，可以使用旋转液压或气动致动器。在液压或气动实施方式中，可能合适的是，包括压力限制阀以允许流体在由于活塞与气门接触而致使致动器旋转时被释放。

图2和图3示出的用于气门连杆机构的致动器仅仅是用于将凸轮从动件的移动转变为附接到连杆机构的另一端的气门杆的线性位移的合适的连杆机构的实例的示意性描绘。一系列其他合适的连杆机构构造对于技术人员而言是显而易见的。