專利名稱：內(nèi)燃機(jī)的氣門機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)的氣門機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣門和排氣門被如此驅(qū)動，即由從內(nèi)燃機(jī)的曲柄軸輸 出的動力打開和關(guān)閉。近年來，試圖通過電動機(jī)驅(qū)動進(jìn)氣門和排氣門 以使它們打開和關(guān)閉，例如，提出了一個氣門機(jī)構(gòu)，其通過步進(jìn)電機(jī) 使凸輪軸旋轉(zhuǎn)，從而打開和關(guān)閉進(jìn)氣門(日本專利申請?zhí)亻_(JP-A) 8 —177536)。另外，JP-A 59-68509也作為與本發(fā)明相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)文 獻(xiàn)而存在。
當(dāng)通過電動機(jī)驅(qū)動凸輪機(jī)構(gòu)來打開和關(guān)閉進(jìn)氣門與排氣門時，必 需從電動機(jī)輸出一個克服施加到凸輪機(jī)構(gòu)上的轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動力，該轉(zhuǎn)矩 基于為每個氣門提供的氣門彈簧的推斥力，(在下文中，該轉(zhuǎn)矩稱為 氣門彈簧轉(zhuǎn)矩)。因而，當(dāng)氣門彈簧轉(zhuǎn)矩增大時，引起了電力消耗的 增大和電動機(jī)額定功率的增加。

發(fā)明內(nèi)容
因而，本發(fā)明的一個目標(biāo)是提供一種內(nèi)燃機(jī)的氣門機(jī)構(gòu)，其能限 制用來驅(qū)動凸輪機(jī)構(gòu)的電動機(jī)所需的額定功率和其電力消耗。
為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種內(nèi)燃機(jī)的氣門機(jī)構(gòu)，
其包括凸輪機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)，該凸輪機(jī)構(gòu)用來將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動轉(zhuǎn)變成線性運(yùn)動，以克服氣門彈簧驅(qū)動用于打開和關(guān)閉氣缸的氣門， 該轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)用來將一相反轉(zhuǎn)矩增加到凸輪機(jī)構(gòu)，該相反轉(zhuǎn)矩起作 用以便在驅(qū)動氣門時，減小從氣門彈簧施加到凸輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩。
在根據(jù)本發(fā)明的氣門機(jī)構(gòu)中，在克服氣門彈簧的反作用力打開和 關(guān)閉氣門時，施加到凸輪機(jī)構(gòu)上的轉(zhuǎn)矩周期性地與氣門的打開和關(guān)閉 運(yùn)動同步波動。轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)將抵消所述轉(zhuǎn)矩的相反轉(zhuǎn)矩施加到凸輪 機(jī)構(gòu)，由此能減小作為負(fù)載施加到電動機(jī)上的轉(zhuǎn)矩，并可能限制其波 動。
在根據(jù)本發(fā)明的氣門機(jī)構(gòu)中，轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)可以包括反相凸輪、 凸輪保持件和推動件，該反相凸輪以凸輪機(jī)構(gòu)中凸輪轉(zhuǎn)速的1/N(其中 N是整數(shù))倍的轉(zhuǎn)速以聯(lián)鎖方式旋轉(zhuǎn)并具有形成于其表面上的凸輪面， 該凸輪保持件與所述凸輪面接觸，該推動件將凸輪保持件推向反相凸 輪的凸輪面。反相凸輪上的凸輪面的輪廓可以如此設(shè)定，即把相反轉(zhuǎn) 矩從推動件施加到反相凸輪，所述相反轉(zhuǎn)矩抵消基于氣門彈簧的反作 用力施加到凸輪機(jī)構(gòu)的氣門彈簧轉(zhuǎn)矩。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，基于布置反相 凸輪、使保持件開始接觸反相凸輪表面上的凸輪面并通過推動件擠壓 的簡單結(jié)構(gòu)，可能加上抵消氣門彈簧轉(zhuǎn)矩的相反轉(zhuǎn)矩。
此外，轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)可以包括反相凸輪、凸輪保持件和推動件。
該反相凸輪以凸輪機(jī)構(gòu)中凸輪轉(zhuǎn)速的1/N (其中N是整數(shù))倍的轉(zhuǎn)速 以聯(lián)鎖方式旋轉(zhuǎn)，并具有形成于其外周面上的凸輪面；該凸輪保持件 與所述凸輪面接觸；該推動件將凸輪保持件推向反相凸輪上的凸輪面。 反相凸輪上的凸輪面的輪廓可以如此設(shè)定，即把相反轉(zhuǎn)矩從推動件施 加到反相凸輪，所述相反轉(zhuǎn)矩抵消一個聯(lián)合轉(zhuǎn)矩，該聯(lián)合轉(zhuǎn)矩通過結(jié) 合氣門彈簧轉(zhuǎn)矩和慣性轉(zhuǎn)矩而獲得，該氣門彈簧轉(zhuǎn)矩根據(jù)氣門彈簧的 反作用力而被施加到凸輪機(jī)構(gòu)，該慣性轉(zhuǎn)矩按照氣門的運(yùn)動而施加到 凸輪機(jī)構(gòu)。在這種情況下，由于在設(shè)定相反轉(zhuǎn)矩時考慮到慣性轉(zhuǎn)矩，
所以可能將作為負(fù)載施加到電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩的波動限制得更小，因而， 在內(nèi)燃機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，慣性轉(zhuǎn)矩顯著增大時，可能改善氣門的控制精度， 并可能將內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣特性或排氣特性精確控制到目標(biāo)特性。甚至在 低速旋轉(zhuǎn)時，也可能在更大的開度方向上改變進(jìn)氣門或排氣門的操作 特性，從而使進(jìn)氣效率或排氣效率在低速旋轉(zhuǎn)時得到充分的改善。
在根據(jù)本發(fā)明的氣門機(jī)構(gòu)中，設(shè)置在轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)的反相凸輪上 的凸輪面的特征可以在于根據(jù)本發(fā)明施加的相反轉(zhuǎn)矩的變化特性。艮卩， 在根據(jù)本發(fā)明的氣門機(jī)構(gòu)中，反相凸輪上的凸輪面的輪廓可以如此設(shè) 置，即在凸輪機(jī)構(gòu)將最大升程量施加到氣門時、以凸輪機(jī)構(gòu)中凸輪的 外周方向上的位置為分界線，在凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪位于一側(cè)期間，即基 于氣門彈簧的反作用力，凸輪在與旋轉(zhuǎn)方向相反的方向上被推回的那 一側(cè)，從推動件施加的相反轉(zhuǎn)矩在這樣一個方向上施加，即在上述旋 轉(zhuǎn)方向上推出反相凸輪的方向；而在凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪位于一惻期間， 即基于氣門彈簧的反作用力，凸輪在旋轉(zhuǎn)方向被推出的那一側(cè)，相反 轉(zhuǎn)矩在這樣一個方向上施加，即在與上述旋轉(zhuǎn)方向相反的方向上將反 相凸輪推回的方向。
此外，特別是在考慮到慣性轉(zhuǎn)矩時，反相凸輪上的凸輪面的輪廓 可以如此設(shè)定，即在凸輪機(jī)構(gòu)將最大升程量施加到氣門時、以凸輪機(jī) 構(gòu)中凸輪的外周方向上的位置為分界線，在凸輪機(jī)構(gòu)中的凸輪位于一 側(cè)期間，即基于氣門彈簧的反作用力，凸輪在與旋轉(zhuǎn)方向相反的方向 上被推回的那一側(cè)，從推動件施加的相反轉(zhuǎn)矩在這樣一個方向上施加， 即在上述旋轉(zhuǎn)方向上推出反相凸輪的方向；而在凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪位于 一側(cè)期間，即基于氣門彈簧的反作用力，凸輪在旋轉(zhuǎn)方向被推出的那 一側(cè)，相反轉(zhuǎn)矩在這樣一個方向上施加，即在與上述旋轉(zhuǎn)方向相反的 方向上將反相凸輪推回；以便以凸輪機(jī)構(gòu)將最大提升速度施加到氣門 的位置為分界線，在凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪位于提升速度增大的范圍中時， 比僅僅抵消氣門彈簧轉(zhuǎn)矩所需的相反轉(zhuǎn)矩相對要大的相反轉(zhuǎn)矩被施加 到反相凸輪，而在凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪位于提升速度減小的范圍中時，比
僅僅抵消氣門彈簧轉(zhuǎn)矩所需的相反轉(zhuǎn)矩相對要小的相反轉(zhuǎn)矩被施加到 反相凸輪。
在根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，可以為內(nèi)燃機(jī)的一個氣缸提供多 個進(jìn)氣或排氣門，可以提供多個凸輪用來驅(qū)動同一氣缸的氣門，以便 所述多個凸輪由公共的凸輪軸可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動，可以為多個凸輪公共地 提供反相凸輪。在該實(shí)施例中，反相凸輪可以布置在凸輪之間。
在根據(jù)本發(fā)明的上述方面中，概念"抵消"既包括由相反轉(zhuǎn)矩減 小施加到凸輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩的情況，又包括完全抵消該轉(zhuǎn)矩的情況。
根據(jù)本發(fā)明，由于從氣門彈簧施加到凸輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩能被轉(zhuǎn)矩減 小機(jī)構(gòu)施加到凸輪機(jī)構(gòu)的相反轉(zhuǎn)矩減小，所以能減小作為負(fù)載施加到 電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，并能限制轉(zhuǎn)矩的波動。因而，能減小驅(qū)動凸輪機(jī)構(gòu)所 需的電動機(jī)輸出功率，電動機(jī)的電力消耗能得到限制，能降低電動機(jī) 所需的額定輸出功率。從而，與沒有轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)的情況相比，能使 用緊湊的電動機(jī)。


圖1是透視圖，表示根據(jù)本發(fā)明的氣門機(jī)構(gòu)； 圖2是透視圖，表示凸輪機(jī)構(gòu)；
圖3是一個圖，表示設(shè)置在圖1的氣門機(jī)構(gòu)上的轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)的
細(xì)節(jié)；
圖4是表示圖3中的反相凸輪的輪廓的圖5是一個圖，表示凸輪角與氣門彈簧轉(zhuǎn)矩之間的相互關(guān)系的一 個例子；
圖6A和6B是表示在考慮到慣性轉(zhuǎn)矩的情況下，凸輪角與聯(lián)合轉(zhuǎn) 矩之間的相互關(guān)系的例子的圖7A和7B是表示在考慮到慣性轉(zhuǎn)矩時施加反相轉(zhuǎn)矩的情況下， 凸輪角與進(jìn)氣門或排氣門的升程量之間的相互關(guān)系的例子的圖8是一個圖，表示在將反相轉(zhuǎn)矩設(shè)定成氣門彈簧轉(zhuǎn)矩和聯(lián)合轉(zhuǎn) 矩之間的一個中間值的情況下，凸輪角與轉(zhuǎn)矩之間的相互關(guān)系的例子； 圖9是一個圖，表示反相凸輪的布置的例子； 圖IO是反相凸輪布置的另一個例子；
圖IIA和11B是表示當(dāng)在多個氣缸中共用一凸輪軸時，聯(lián)合轉(zhuǎn)矩 的波形的圖。
具體實(shí)施方式
(第一實(shí)施例)
圖1表示根據(jù)本發(fā)明的氣門機(jī)構(gòu)的一個實(shí)施例。圖1中的氣門機(jī) 構(gòu)IIA和11B安裝在多缸往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)中。在該內(nèi)燃機(jī)中， 一個氣缸 1的兩個進(jìn)氣門2由一個氣門機(jī)構(gòu)IIA驅(qū)動，同一個氣缸1的兩個排 氣門3由另一個氣門機(jī)構(gòu)11B驅(qū)動以打開和關(guān)閉。關(guān)于其它氣缸(未 示出)，進(jìn)氣門和排氣門被以同樣的方式由不同的氣門機(jī)構(gòu)IIA和11B 驅(qū)動以打開和關(guān)閉。進(jìn)氣側(cè)的氣門機(jī)構(gòu)IIA和排氣側(cè)的氣門機(jī)構(gòu)11B 基本上具有同樣的結(jié)構(gòu)，下面將給出進(jìn)氣側(cè)的氣門機(jī)構(gòu)IIA的說明。
進(jìn)氣側(cè)的氣門機(jī)構(gòu)IIA設(shè)有用作驅(qū)動源的電動機(jī)(下文中，稱為 馬達(dá))12、傳動機(jī)構(gòu)13和凸輪機(jī)構(gòu)14，傳動機(jī)構(gòu)13相當(dāng)于用來傳遞 馬達(dá)12的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的傳遞機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)14將從傳動機(jī)構(gòu)13傳遞的 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變成進(jìn)氣門2的線性打開和關(guān)閉運(yùn)動。作為馬達(dá)12，采用 了能控制轉(zhuǎn)速的DC無電刷馬達(dá)或類似馬達(dá)。馬達(dá)12包括位置檢測傳 感器(未示出)，例如分解器、旋轉(zhuǎn)編碼器或用來檢測馬達(dá)12的旋轉(zhuǎn) 位置的類似裝置。傳動機(jī)構(gòu)13通過中間齒輪16將馬達(dá)齒輪15的轉(zhuǎn)動 傳遞到凸輪驅(qū)動齒輪17，馬達(dá)齒輪15安裝在馬達(dá)12的輸出軸(未示 出)上。傳動機(jī)構(gòu)13可以構(gòu)造成使得馬達(dá)齒輪15和凸輪驅(qū)動齒輪17 以相同速度旋轉(zhuǎn)，或可以構(gòu)造成使得凸輪驅(qū)動齒輪17的速度相對于馬 達(dá)齒輪15增大或減小。
在圖2中也示出了，凸輪機(jī)構(gòu)14設(shè)有凸輪軸20、兩個凸輪21和 一對搖臂24，凸輪軸20被提供成與凸輪驅(qū)動齒輪17同軸且整體地旋 轉(zhuǎn)，兩個凸輪21被提供成與凸輪軸20整體旋轉(zhuǎn)， 一對搖臂24被如此 支承以便繞著搖臂軸23與各自的凸輪21 —致地擺動。凸輪21形成為 一種平板凸輪，其中通過使圓弧基圓21b的一部分朝著外側(cè)在徑向方 向上突出而形成尖端21a，其中圓弧基圓21b與凸輪軸20同軸形成。 凸輪21的輪廓如此設(shè)定，即在凸輪21的整個外周面上不產(chǎn)生任何負(fù) 曲率，也就是說，在徑向方向上朝外側(cè)形成一凸曲線。
每個凸輪21都與搖臂24的一個端部24a相對，每個進(jìn)氣門2都 被氣門彈簧28的壓縮反作用力推向搖臂24 —側(cè)，由此進(jìn)氣門2緊密 地附著于進(jìn)氣口的閥座(未示出)，于是進(jìn)氣口被封閉。搖臂24的另 一端部24b接觸調(diào)節(jié)器29，調(diào)節(jié)器29將搖臂24的另一端部24b向上 壓，搖臂24保持在這樣一個狀態(tài)中，其中一個端部24a接觸進(jìn)氣門2 的上端部。
在上述凸輪機(jī)構(gòu)14中，當(dāng)馬達(dá)12的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過傳動機(jī)構(gòu)13傳 遞到凸輪軸20時，凸輪21與凸輪軸20整體旋轉(zhuǎn)，在尖端21a越過搖 臂24期間，搖臂24在一個固定范圍內(nèi)繞著搖臂軸23擺動。因而，搖 臂24的一個端部24a被壓下，進(jìn)氣門2被驅(qū)動，從而克服氣門彈簧28 打開和關(guān)閉。
如圖l所示，轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)30設(shè)置在氣門機(jī)構(gòu)IIA中。轉(zhuǎn)矩減小 機(jī)構(gòu)30用來減小施加到凸輪機(jī)構(gòu)14的轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩基于氣門彈簧28 在關(guān)閉方向上推回進(jìn)氣門2的力(下文中，該轉(zhuǎn)矩稱為氣門彈簧轉(zhuǎn)矩)。 如圖3中更詳細(xì)示出的，轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)30設(shè)有能與凸輪軸20整體旋 轉(zhuǎn)的反相凸輪31和轉(zhuǎn)矩施加裝置32，轉(zhuǎn)矩施加裝置32布置成與反相 凸輪31相對。反相凸輪31的外周面構(gòu)造為凸輪面31a，轉(zhuǎn)矩施加裝置 32設(shè)有外殼33、相當(dāng)于保持件的升降桿34和相當(dāng)于推動件的彈簧35， 升降桿34以能從外殼33朝反相凸輪31突出的狀態(tài)容納于外殼33中， 彈簧35以壓縮狀態(tài)附著在升降桿34和外殼33之間，并將升降桿34
壓向反相凸輪31上的凸輪面31a。
如圖4中的實(shí)線所示，反相凸輪31的凸輪面31a設(shè)有圓弧部31b 和背部31c，圓弧部31b在畫一個具有固定半徑的圓弧(稱為基圓)的 情況下延伸并與凸輪軸20同軸，背部31c從圓弧部31b朝中心側(cè)后退 (凹進(jìn))。上述凸輪面31a的形狀(凸輪輪廓)基于氣門彈簧轉(zhuǎn)矩設(shè) 定，下面將給出凸輪面31a的設(shè)計(jì)說明。
假定氣門彈簧28的壓縮反作用力設(shè)定成Fs(N)，和在凸輪軸20 以單位角旋轉(zhuǎn)時，進(jìn)氣門2的提升速度設(shè)定成Vv (m/rad)，氣門彈簧 轉(zhuǎn)矩Tv (N'm)根據(jù)下面的公式(1)計(jì)算。
Tv=FsXVv (1)
在這種情況下，由于提升速度Vv根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速是不同的，所 以必需代表性地使用任何轉(zhuǎn)速中的提升速度Vv。由于氣門彈簧轉(zhuǎn)矩Tv 根據(jù)提升速度Vv的增加而增加，所以希望釆用內(nèi)燃機(jī)以優(yōu)選較高速度 旋轉(zhuǎn)時的提升速度Vv，以便減小馬達(dá)12的絕對負(fù)載，最好采用在內(nèi) 燃機(jī)中允許的最高速度時的提升速度Vv。
例如圖5中所示的相互關(guān)系在壓縮反作用力Fs和提升速度Vv與 凸輪21的相位(凸輪角)之間成立。在該例子中，壓縮反作用力Fs 的正方向被設(shè)定成把進(jìn)氣門2推回到關(guān)閉位置的方向，提升速度Vv的 正方向被設(shè)定成在打開方向上操作進(jìn)氣門2的方向。此外，氣門彈簧 轉(zhuǎn)矩的正方向被設(shè)定成由馬達(dá)21在與旋轉(zhuǎn)方向相反的方向上推回凸輪 21的方向。如圖5中所示，進(jìn)氣門2的提升速度從開始提升(打開操 作)的位置P1開始上升，并在升程的中間達(dá)到最大。此外，提升速度 Vv在圖5中縱軸上的位置P2處返回到0 (零)，在位置P2，獲得進(jìn) 氣門2的最大升程量，即，凸輪21的尖端21a的前端到達(dá)了與凸輪隨 動件25的接觸點(diǎn)的位置，此后，在進(jìn)氣門2的關(guān)閉操作的中間，提升 速度Vv在負(fù)方向上達(dá)到峰值，然后，提升速度Vv在位置P3返回到0
(零)，進(jìn)氣門2在位置P3完全關(guān)閉。在這種情況下，提升速度VV 的變化在兩個進(jìn)氣門2之間彼此相等。
另一方面，由于即使在進(jìn)氣門2完全關(guān)閉的初始狀態(tài)中，氣門彈 簧28也被稍微壓縮，所以在初始狀態(tài)中，壓縮反作用力Fs在正方向 上具有固定的初始值。在打開進(jìn)氣門2的位置P1之后，壓縮反作用力 Fs從初始值逐漸增大，并且壓縮反作用力Fs在最大升程位置P2達(dá)到 峰值。在最大升程位置P2和進(jìn)氣門2完全關(guān)閉的位置P3之間，壓縮 反作用力Fs朝著初始值逐漸減小。通過使提升速度Vv與壓縮反作用 力Fs相乘來獲得如圖5中實(shí)線所示的氣門彈簧轉(zhuǎn)矩Tv，與提升速度 Vv的波形相比，氣門彈簧轉(zhuǎn)矩Tv的波形是這樣一個波形，其中正峰 值和負(fù)峰值偏向最大升程位置P2。
為了抵消施加到凸輪機(jī)構(gòu)14的氣門彈簧轉(zhuǎn)矩Tv，優(yōu)選地，將一 個互補(bǔ)的相反轉(zhuǎn)矩從轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)30施加到凸輪軸20，該互補(bǔ)的相反 轉(zhuǎn)矩的相位與氣門彈簧轉(zhuǎn)矩Tv相反，由圖5中的虛線表示。在以凸輪 21的位置P2為分界線的情況下，其中在位置P2凸輪機(jī)構(gòu)14將最大升 程量施加到進(jìn)氣門2，在凸輪21位于一側(cè)期間(P1到P2)，即基于氣 門彈簧28的反作用力，凸輪21在與旋轉(zhuǎn)方向相反的方向上被推回的 那一側(cè)，上述相反轉(zhuǎn)矩在這樣一個方向上施加，即在反相凸輪31的旋 轉(zhuǎn)方向上推出反相凸輪31的方向，而在凸輪21位于一側(cè)期間(P2到 P3)，即基于氣門彈簧28的反作用力，凸輪21在旋轉(zhuǎn)方向被推出的 那一側(cè)，相反轉(zhuǎn)矩在這樣一個方向上施加，即在與旋轉(zhuǎn)方向相反的方 向上將反相凸輪31推回的方向。
由于能通過彈簧35的壓縮反作用力和升降桿34的提升速度的乘 積來獲得轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)30施加的相反轉(zhuǎn)矩，所以通過首先合適地設(shè)定 彈簧35的壓縮反作用力(彈簧力)，然后用彈簧35的壓縮反作用力 除圖5中所示的反相的轉(zhuǎn)矩，能確定由反相凸輪31施加的升降桿34 的提升速度。此外，通過對確定的提升速度求積分，能獲得反相凸輪
31相對于凸輪21的相位的升程量，并能從獲得的升程量確定反相凸輪
31的凸輪面31a的形狀(輪廓)。由圖4中的實(shí)線所示的凸輪面31a 的輪廓能根據(jù)上述程序獲得。
此外，在將反相凸輪31安裝到凸輪軸20上時，優(yōu)選地，將反相 凸輪31這樣定位在外周方向上，即在進(jìn)氣門2的升程量變成最大時， 升降桿34存在于凸輪面31a的背部31c的最低位置處。通過設(shè)定反相 凸輪31的輪廓和在外周方向上相對于凸輪軸20的安裝位置，能將抵 消氣門彈簧轉(zhuǎn)矩Tv的轉(zhuǎn)矩從轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)30施加到凸輪機(jī)構(gòu)14。因 而，能減小馬達(dá)12所需的輸出功率，能限制馬達(dá)12的電力消耗，和 能使用具有小額定輸出功率的緊湊型馬達(dá)12。
在上述氣門機(jī)構(gòu)11A中，從兩個進(jìn)氣門2的每個氣門彈簧28施加 的氣門彈簧轉(zhuǎn)矩通過施加到單個反相凸輪31的轉(zhuǎn)矩抵消，因而，在設(shè) 計(jì)反相凸輪31的凸輪面31a時，兩個氣門彈簧28各自的壓縮反作用 力的和被用作壓縮反作用力Fs。
上面描述了用來驅(qū)動進(jìn)氣門的氣門機(jī)構(gòu)IIA，然而，關(guān)于用來驅(qū) 動排氣門3的氣門機(jī)構(gòu)IIB，轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)30能以同樣的方式提供。 在這種情況下，當(dāng)在一個凸輪軸20上提供多個凸輪21時，在凸輪軸 20上提供單個反相凸輪31，或提供與凸輪21相同數(shù)量的反相凸輪31。 在氣門機(jī)構(gòu)11B中，當(dāng)相對于多個凸輪21僅僅提供一個反相凸輪31 時，凸輪面31a的輪廓以與上述同樣的方式設(shè)計(jì)，以便各個氣門彈簧 28的壓縮反作用力的和被設(shè)定成壓縮反作用力Fs。當(dāng)在凸輪軸20上 提供與凸輪21同樣數(shù)量的反相凸輪31時，則基于氣門彈簧28的壓縮 反作用力和排氣門3的提升速度來設(shè)計(jì)每個反相凸輪31的凸輪面31a 的輪廓，其中氣門彈簧28的壓縮反作用力產(chǎn)生會被反相凸輪31抵消 的氣門彈簧轉(zhuǎn)矩。
(第二實(shí)施例)
下面，將參考圖6到8給出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的說明。根
據(jù)第二實(shí)施例，在進(jìn)氣門2或排氣門3被驅(qū)動以便打開和關(guān)閉時，在 考慮到往復(fù)運(yùn)動部件的慣性力的同時，設(shè)計(jì)反相凸輪31的凸輪輪廓。 在這種情況下，氣門機(jī)構(gòu)IIA和11B的機(jī)械結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例相同。
在通過凸輪機(jī)構(gòu)14打開和關(guān)閉進(jìn)氣門2或排氣門3的情況下，搖 臂24、氣門彈簧28等等根據(jù)氣門2或3的運(yùn)動進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，由此產(chǎn) 生慣性力，除了氣門彈簧轉(zhuǎn)矩之外，慣性轉(zhuǎn)矩也被施加到凸輪機(jī)構(gòu)14。 當(dāng)內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速低時，與基于氣門彈簧28的壓縮反作用力的氣門彈簧 轉(zhuǎn)矩相比，慣性轉(zhuǎn)矩十分小，然而，特別是在高轉(zhuǎn)速范圍中，慣性轉(zhuǎn) 矩的影響變得相當(dāng)大，并且存在對進(jìn)氣門2或排氣門3的氣門移動特 性產(chǎn)生相當(dāng)大的影響的情況。因而，在本實(shí)施例中，在考慮到慣性轉(zhuǎn) 矩的同時，設(shè)計(jì)反相凸輪31的凸輪面31a的形狀。
基于氣門彈簧轉(zhuǎn)矩和慣性轉(zhuǎn)矩，考慮到慣性轉(zhuǎn)矩影響的反相凸輪 31的凸輪面31a例如設(shè)定成圖3中的虛線所示的輪廓。假定慣性力設(shè) 定成Fa (N)，凸輪21的提升速度設(shè)定成Vv (m/rad)，慣性轉(zhuǎn)矩Ta (N'm)能根據(jù)下面的公式(2)計(jì)算。
Ta=FaXVv (2)
假定氣門側(cè)等效質(zhì)量設(shè)定成We (kg)，進(jìn)氣門2或排氣門3的加 速度(氣門加速度)設(shè)定成Va (m/s2)，則慣性力Fa能根據(jù)下面的公 式(3)計(jì)算。在這種情況下，由于相應(yīng)于內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速，氣門加速度 是不同的，所以使用內(nèi)燃機(jī)處于最大轉(zhuǎn)速時的加速度(例如，6000rpm)， 這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速越高，慣性轉(zhuǎn)矩的影響顯得越大。
Fa=WeXVa (3)
氣門側(cè)等效質(zhì)量We是由凸輪機(jī)構(gòu)14引起進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動的部件的 總質(zhì)量，在圖1的氣門機(jī)構(gòu)11A中，它是進(jìn)氣門2、氣門彈簧28、搖 臂24等等各自質(zhì)量的和。同樣的情況適用于排氣側(cè)的氣門機(jī)構(gòu)IIB。圖6A中所示的聯(lián)合轉(zhuǎn)矩T的波形能通過疊加慣性轉(zhuǎn)矩Ta和氣門 彈簧轉(zhuǎn)矩Tv (與圖5中所示相同)獲得，其中氣門彈簧轉(zhuǎn)矩Tv在不 考慮慣性力Fa的影響的情況下獲得。圖6A中的位置Pl到P3與圖5 中的相同，位置Pa表示這樣一個位置，在該位置，在打開方向上的最 大提升速度被施加到進(jìn)氣門2或排氣門3，而位置Pb表示這樣一個位 置，在該位置，在關(guān)閉方向上的最大提升速度被施加到進(jìn)氣門2或排 氣門3。聯(lián)合轉(zhuǎn)矩T形成一個波形，其中在位置P1與Pa之間的范圍A 中和在位置P2與Pb之間的范圍C中，在正(+ )方向上的慣性轉(zhuǎn)矩 Ta重疊在氣門彈簧轉(zhuǎn)矩Tv的波形上，而在位置Pa與P2之間的范圍B 中和在位置Pb與P3之間的范圍D中，在負(fù)(一)方向上的慣性轉(zhuǎn)矩 Tb重疊在氣門彈簧轉(zhuǎn)矩Tv的波形上。
如從公式(2)和(3)中明顯看出的，慣性轉(zhuǎn)矩Ta的方向基于提 升速度Vv和氣門加速度Va的乘積來確定。提升速度Vv (未示出)在 圖6A中的范圍A和B之間的分界線(圖中的左側(cè)虛線)上是最大值， 在范圍B和C之間的分界線(圖中的縱軸)上近似是0 (零)，在范 圍C和D之間的分界線(圖中的右側(cè)虛線)上是最小值。另一方面， 通過求提升速度Vv的微分獲得的氣門加速度Va (未示出)在范圍A 和D中是正值，而在范圍B和C中是負(fù)值。因而，提升速度Vv和氣 門加速度Va的乘積在范圍A和C中是正值，而在范圍B和D中是負(fù) 值，由此獲得圖6A中所示的聯(lián)合轉(zhuǎn)矩T。
為了抵消圖6A中所示的聯(lián)合轉(zhuǎn)矩T，優(yōu)選地，將圖6B中所示的 反相的相反轉(zhuǎn)矩從轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)30施加到凸輪軸20，與僅僅抵消上述 氣門彈簧轉(zhuǎn)矩Tv所需的相反轉(zhuǎn)矩(參考圖5中的虛線)相比，上述相 反轉(zhuǎn)矩具有下面的特征，換句話說，在以凸輪機(jī)構(gòu)14將最大提升速度 施加到進(jìn)氣門2或排氣門3的位置(圖6A中的位置Pa和Pb)為分界 線的情況下，在凸輪21位于提升速度增大的范圍中(Pl到Pa和Pb 到P3)時，圖6B中的相反轉(zhuǎn)矩比僅僅抵消氣門彈簧轉(zhuǎn)矩所需的相反
轉(zhuǎn)矩相對要大，而在凸輪21位于提升速度減小的范圍中(Pa到P2和 P2到Pb)時，圖6B中的相反轉(zhuǎn)矩比僅僅抵消氣門彈簧轉(zhuǎn)矩Tv所需的 相反轉(zhuǎn)矩相對要小。
為了基于圖6B中的相反轉(zhuǎn)矩確定反相凸輪31的凸輪面31a的輪 廓，能通過以與第一實(shí)施例相同的方式合適地設(shè)定彈簧35的壓縮反作 用力和用設(shè)定的壓縮反作用力除圖6B中所示的反相轉(zhuǎn)矩，獲得反相凸 輪31施加的升降桿34的提升速度。通過求提升速度的積分，能獲得 與凸輪21的每個相位相應(yīng)的反相凸輪31的升程量，并能確定反相凸 輪31的輪廓。
如上所述，當(dāng)在考慮到慣性轉(zhuǎn)矩的同時設(shè)計(jì)反相凸輪31的輪廓 時，能獲得如圖7A和7B中所示的進(jìn)氣門2或排氣門3的升程特性。 升程形狀的橫軸表示凸輪角，縱軸表示升程量。圖7A表示在內(nèi)燃機(jī)高 速旋轉(zhuǎn)范圍中的升程特性，圖7B表示在低速旋轉(zhuǎn)范圍中的升程特性。 在圖7A和7B中，實(shí)線表示在考慮到聯(lián)合轉(zhuǎn)矩T時，反相凸輪31引 起的進(jìn)氣門2或排氣門3的升程特性，虛線表示在不考慮慣性轉(zhuǎn)矩時， 反相凸輪31引起的進(jìn)氣門2或排氣門3的升程特性。
如圖7A中的虛線所示，在反相凸輪31中，當(dāng)僅僅考慮氣門彈簧 轉(zhuǎn)矩Tv時，由于從轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)30施加到凸輪軸20的轉(zhuǎn)矩不足，所 以有延遲馬達(dá)12的旋轉(zhuǎn)和延遲升程量的上升的趨勢。相反，當(dāng)考慮到 慣性轉(zhuǎn)矩Ta時(圖7A中的實(shí)線)，升程量上升的延遲能被反相凸輪 31抵消。因而，能增加由升程形狀和橫軸圍繞的面積，即，所謂的時 間面積，并能根據(jù)預(yù)期特性操作進(jìn)氣門2或排氣門3，以便改善其控制 精度。此外，如圖7B中的實(shí)線所示，在考慮到慣性轉(zhuǎn)矩Ta時，根據(jù) 反相凸輪31，甚至在低轉(zhuǎn)速范圍中，也能通過施加電動機(jī)轉(zhuǎn)矩來增加 時間面積，并能從進(jìn)氣門2或排氣門3充分地進(jìn)氣或排氣。
在這種情況下，當(dāng)遵照內(nèi)燃機(jī)以最大轉(zhuǎn)速運(yùn)行時的慣性轉(zhuǎn)矩來設(shè)
計(jì)反相凸輪31時，轉(zhuǎn)矩波動相對于凸輪角(相位)的改變而增大，并
有反相凸輪31上的凸輪面31a的曲率半徑變小的趨勢。然而，有一種 可能性，即具有小曲率半徑的凸輪面31a由于設(shè)計(jì)限制而不能形成， 在這種情況下，反相凸輪31的輪廓可以基于聯(lián)合轉(zhuǎn)矩T (圖8中的虛 線)和氣門彈簧轉(zhuǎn)矩Tv(圖8中的單點(diǎn)劃線)之間的中間轉(zhuǎn)矩特性(圖 8中的實(shí)線)來設(shè)定。因而，能避免反相凸輪31的輪廓的曲率半徑變 得極其小的情況，并能在考慮到慣性轉(zhuǎn)矩Ta時滿足設(shè)計(jì)限制。
本發(fā)明能按照各種方式實(shí)現(xiàn)，而不局限于上述實(shí)施例。轉(zhuǎn)矩減小 機(jī)構(gòu)30的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個例子，能作出各種改變。轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)30 不局限于轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)與凸輪軸20同軸布置的實(shí)施例，而是能以任何 方式構(gòu)造，只要轉(zhuǎn)矩能施加到從馬達(dá)12到凸輪軸20的轉(zhuǎn)動傳遞路徑 上的任何位置。例如，反相凸輪31設(shè)置在與中間齒輪16相同的軸線 上，中間齒輪16設(shè)置在馬達(dá)齒輪15和驅(qū)動齒輪17之間。作為替換方 案，還可以將一個與凸輪軸20嚙合旋轉(zhuǎn)的軸加到從馬達(dá)12到凸輪軸 20的轉(zhuǎn)動傳遞路徑的外側(cè)，而反相凸輪31可以設(shè)置在該軸上。在這種 情況下，需要設(shè)有轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)30的反相凸輪31的軸以這樣一個轉(zhuǎn) 速旋轉(zhuǎn)，該轉(zhuǎn)速是凸輪軸20的轉(zhuǎn)速的1/N (其中N是整數(shù))。由于施 加到凸輪軸20的氣門彈簧轉(zhuǎn)矩和慣性轉(zhuǎn)矩的周期以與凸輪軸20的打 開和關(guān)閉運(yùn)動相同的周期波動，所以需要建立一種關(guān)系，即凸輪軸20 以反相凸輪31旋轉(zhuǎn)速度的整倍數(shù)速度旋轉(zhuǎn)，以便在與轉(zhuǎn)矩的周期相同 的周期中，改變來自轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)30的反相轉(zhuǎn)矩。當(dāng)反相凸輪31以 與凸輪軸20相同的速度旋轉(zhuǎn)時，優(yōu)選地，通過使反相凸輪31的一圈 與凸輪21的一圈相對應(yīng)，來設(shè)定凸輪面31a的輪廓。然而，當(dāng)反相凸 輪31以低于凸輪軸20的速度旋轉(zhuǎn)時，即，當(dāng)建立關(guān)系N》2時，優(yōu)選 地，通過使反相凸輪31的1/N圈與凸輪21的一圈相對應(yīng)，來確定反 相凸輪31的輪廓。例如，在N-3的情況下，與圖5或6B中所示的相 反轉(zhuǎn)矩相應(yīng)的輪廓在外周方向上重復(fù)三次地設(shè)置在反相凸輪31上。
在圖2中，在一個氣缸1的兩個進(jìn)氣門2中提供了一個轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)30，然而，轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)30可以單獨(dú)設(shè)置在每個進(jìn)氣門2中。即 使當(dāng)如同排氣側(cè)的氣門機(jī)構(gòu)HB中那樣，多個排氣門或進(jìn)氣門由多個 不同凸輪獨(dú)立驅(qū)動時，也可以在兩個凸輪21中提供一個轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu) 30，如圖9中所示。當(dāng)如上所述在多個凸輪之間共用轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)30 時，與在每個凸輪中提供轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)的情況相比，能縮短凸輪軸20 關(guān)于軸向方向的長度，并能減小關(guān)于氣門機(jī)構(gòu)IIA或11B的安放空間 的限制。
當(dāng)為多個凸輪21提供一個轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)30時，轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)30 的反相凸輪31可以布置在凸輪21之間，如圖10中所示。在這種情況 下，與圖9中的結(jié)構(gòu)相比，能減小由轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)30和凸輪21之間 的凸輪軸20承載的轉(zhuǎn)矩，所以能使凸輪軸20的軸直徑變小。當(dāng)凸輪 軸20的軸直徑變小時，凸輪軸20的慣性力矩減小，所以能改善馬達(dá) 12的響應(yīng)。
本發(fā)明不局限于在每個氣缸l中提供氣門機(jī)構(gòu)11A或11B的例子， 凸輪軸20可以在多個氣缸1之間共用，可以在一個凸輪軸20中提供 一個轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)30。當(dāng)凸輪軸20設(shè)置在多個氣缸上面時，凸輪21 的相位相對每個氣缸1改變。因而，需要基于這樣一個轉(zhuǎn)矩來確定反 相凸輪31的凸輪輪廓，該轉(zhuǎn)矩通過聯(lián)合被施加到凸輪軸20的每個氣 缸的氣門彈簧轉(zhuǎn)矩和慣性轉(zhuǎn)矩而獲得。例如，當(dāng)在恰好完成點(diǎn)火的四 缸內(nèi)燃機(jī)中的所有氣缸1之間共用凸輪軸20時，當(dāng)如圖IIA中所示以 180度的凸輪角變位時，與每個氣缸1對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩施加到凸輪軸20上， 因而，優(yōu)選地，基于圖11B中所示的和通過聯(lián)合這些波形獲得的聯(lián)合 轉(zhuǎn)矩來設(shè)定反相凸輪31的輪廓。
此外，當(dāng)為多個進(jìn)氣門2或排氣門3提供一個轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)30時， 希望使轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)30中的彈簧35的壓縮反作用力等于一個氣門彈 簧28的壓縮反作用力與進(jìn)氣門2或排氣門3的數(shù)量的乘積。通過以上 述方式設(shè)定轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)30中的彈簧35的壓縮反作用力，能使由反
相凸輪31和凸輪21引起的進(jìn)氣門2或排氣門3的升程特性彼此一致，
因而，能基于凸輪21的平滑輪廓來設(shè)定反相凸輪31的輪廓，并且沒 有反相凸輪31的曲率半徑極端減小的風(fēng)險。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機(jī)的氣門機(jī)構(gòu)，包括凸輪機(jī)構(gòu)(14)，該凸輪機(jī)構(gòu)用來將電動機(jī)(12)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變成線性運(yùn)動，以克服氣門彈簧(28)而驅(qū)動用于打開和關(guān)閉氣缸(1)的氣門(2；3)，并且，該氣門機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)(30)，該轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)用來將一相反轉(zhuǎn)矩增加到所述凸輪機(jī)構(gòu)，該相反轉(zhuǎn)矩起作用以便在驅(qū)動所述氣門時，減小從所述氣門彈簧施加到所述凸輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩，其中，所述轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)包括反相凸輪(31)、凸輪保持件(34)和推動件(35)，所述反相凸輪(31)以凸輪機(jī)構(gòu)中凸輪(21)轉(zhuǎn)速的1/N倍的轉(zhuǎn)速以聯(lián)鎖方式旋轉(zhuǎn)，其中N是整數(shù)，并具有形成于其表面上的凸輪面(31a)，所述凸輪保持件(34)與所述凸輪面接觸，所述推動件(35)將所述凸輪保持件推向所述反相凸輪的凸輪面，所述反相凸輪上的凸輪面的輪廓可以如此設(shè)定，即相反轉(zhuǎn)矩從所述推動件被施加到反相凸輪，所述相反轉(zhuǎn)矩抵消基于氣門彈簧的反作用力施加到凸輪機(jī)構(gòu)的氣門彈簧轉(zhuǎn)矩，其中，所述反相凸輪上的凸輪面的輪廓如此設(shè)置，即以凸輪機(jī)構(gòu)中凸輪當(dāng)所述凸輪機(jī)構(gòu)將最大升程量施加到氣門時的外周方向上的位置為分界線，在所述凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪位于一側(cè)期間，即基于氣門彈簧的反作用力，凸輪在與旋轉(zhuǎn)方向相反的方向上被推回的那一側(cè)，從所述推動件施加的相反轉(zhuǎn)矩在這樣一個方向上施加，即在旋轉(zhuǎn)方向上推出所述反相凸輪的方向，而在所述凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪位于一側(cè)期間，即基于氣門彈簧的反作用力，凸輪在旋轉(zhuǎn)方向被推出的那一側(cè)，所述相反轉(zhuǎn)矩在這樣一個方向上施加，即在與旋轉(zhuǎn)方向相反的方向上將所述反相凸輪推回的方向。
2. 如權(quán)利要求l所述的氣門機(jī)構(gòu)，其特征在于，為所述內(nèi)燃機(jī)的 一個氣缸(1)提供多個進(jìn)氣門或排氣門(2; 3)，提供多個凸輪(21) 用來驅(qū)動同一氣缸的氣門，以便所述多個凸輪(21)由公共的凸輪軸(20)可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動，并為所述凸輪公共地提供所述反相凸輪(31)。
3.如權(quán)利要求2所述的氣門機(jī)構(gòu)，其特征在于所述反相凸輪布置 在所述凸輪之間。
全文摘要
提供了一種內(nèi)燃機(jī)的氣門機(jī)構(gòu)，包括凸輪機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)用來將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變成線性運(yùn)動，以克服氣門彈簧驅(qū)動用于打開和關(guān)閉氣缸的氣門，轉(zhuǎn)矩減小機(jī)構(gòu)用來將一相反轉(zhuǎn)矩增加到凸輪機(jī)構(gòu)，該相反轉(zhuǎn)矩起作用以便在驅(qū)動氣門時，減小從氣門彈簧施加到凸輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩。
文檔編號F01L1/08GK101201008SQ200710193348
公開日2008年6月18日 申請日期2004年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月8日
發(fā)明者日下康, 江崎修一, 淺田俊昭, 辻公壽 申請人:豐田自動車株式會社