扭矩致动的可变压缩比移相器的制作方法

扭矩致动的可变压缩比移相器


背景技术：

1.在本部分中提供的信息是为了总体上阐述本公开的上下文的目的。在本部分中描述的程度上，当前署名的发明人的工作以及在提交时可能不以其它方式作为现有技术的描述的各方面，既不明示地也不暗示地被认为是本公开的现有技术。
2.本公开涉及用于车辆发动机，所述车辆发动机包括齿轮箱，用于使用扭矩致动的可变压缩比（vcr）移相器来改变车辆发动机的压缩比。可变压缩比（vcr）发动机通常包括包含多个气缸的发动机本体、设置在每个气缸内的活塞、连接杆、曲轴、钟形曲柄、控制连杆、控制轴和齿轮箱。钟形曲柄可枢转地安装在曲轴上。连接杆将活塞连接到钟形曲柄的一个端部。控制连杆将钟形曲柄的另一端部连接到控制轴。
3.当每个活塞在气缸内移动时，对应的连接杆将扭矩施加到钟形曲柄。控制连杆继而将扭矩从钟形曲柄传输到控制轴，从而使得控制轴旋转。齿轮箱将扭矩从控制轴往回传输到曲轴且确保两个轴的旋转同时（in time）（或同相）。此外，齿轮箱将致动器（通常是电动马达或液压泵）联接到控制轴。致动器相对于曲轴的速度改变控制轴的速度，从而改变气缸的压缩比。


技术实现要素：

4.本公开的目的是提供一种可变压缩比（vcr）移相器，其配置成控制发动机的压缩比，所述发动机具有曲轴和控制轴。可变压缩比移相器包括：i）控制轴齿轮，所述控制轴齿轮配置成与发动机的控制轴上的齿轮啮合且从控制轴接收扭矩；ii）曲轴齿轮，所述曲轴齿轮配置成与发动机的曲轴上的齿轮啮合且将扭矩传输给曲轴；以及iii）扭矩转换机构，所述扭矩转换机构配置成从控制轴接收扭矩且将扭矩转换为改变发动机的压缩比的线性力。
5.在一个实施例中，来自于扭矩转换机构的线性力将控制轴相对于曲轴移相，从而增加或减小发动机的压缩比。
6.在另一个实施例中，来自于扭矩转换机构的线性力调节曲轴齿轮和控制轴齿轮之间的相位角，从而增加或减小发动机的压缩比。
7.在又一个实施例中，所述扭矩转换机构包括第一轴，控制轴齿轮安装在所述第一轴上，第一轴配置成随着控制轴齿轮一起旋转。
8.在又一个实施例中，控制轴齿轮所在的第一轴在第一轴的远端部处包括螺旋形引导丝杠。
9.在又一个实施例中，所述扭矩转换机构还包括花键连接器，所述花键连接器配置成联接到螺旋形引导丝杠，从而第一轴的旋转使得花键连接器旋转且沿第一轴线性地移动。
10.在又一个实施例中，花键连接器还配置成使得花键连接器沿第一轴的线性移动调节曲轴齿轮和控制轴齿轮之间的相位角，从而增加或减小发动机的压缩比。
11.在又一个实施例中，扭矩转换机构还包括配置成由花键连接器压缩的弹簧堆叠体（spring stack）。
12.在一个实施例中，当由控制轴齿轮从控制轴接收的扭矩在较高负载下增加时，花键连接器借助于增加的线性力以第一方向移动且压缩弹簧堆叠体，其中，花键连接器以第一方向的移动调节相位角，使得压缩比减小。
13.在另一个实施例中， 当由控制轴齿轮从控制轴接收的扭矩在较轻负载下减小时，弹簧堆叠体扩张且使花键连接器以与第一方向相反的第二方向移动，其中，花键连接器以第二方向的移动调节相位角，使得压缩比增加。
14.在又一个实施例中，可变压缩比移相器还包括控制活塞，当由控制轴齿轮从控制轴接收的扭矩在较高负载下增加时，控制活塞将花键连接器的移动限制为仅以第一方向移动。
15.在又一个实施例中，当由控制轴齿轮从控制轴接收的扭矩在较轻负载下减小时，控制活塞将花键连接器的移动限制为仅以第二方向移动。
16.在又一个实施例中，控制活塞是液压式活动的（hydraulically active）且通过液压止回阀的位置控制。
17.方案1. 一种可变压缩比移相器，配置成控制发动机的压缩比，所述发动机具有曲轴和控制轴，所述可变压缩比移相器包括：控制轴齿轮，所述控制轴齿轮配置成与发动机的控制轴上的齿轮啮合且从控制轴接收扭矩；曲轴齿轮，所述曲轴齿轮配置成与发动机的曲轴上的齿轮啮合且将扭矩传输给曲轴；以及扭矩转换机构，所述扭矩转换机构配置成从控制轴接收扭矩且将扭矩转换为改变发动机的压缩比的线性力。
18.方案2. 根据方案1所述的可变压缩比移相器，其中，来自于扭矩转换机构的线性力将控制轴相对于曲轴移相，从而增加或减小发动机的压缩比。
19.方案3. 根据方案1所述的可变压缩比移相器，其中，来自于扭矩转换机构的线性力调节曲轴齿轮和控制轴齿轮之间的相位角，从而增加或减小发动机的压缩比。
20.方案4. 根据方案3所述的可变压缩比移相器，其中，所述扭矩转换机构包括第一轴，控制轴齿轮安装在所述第一轴上，第一轴配置成随着控制轴齿轮一起旋转。
21.方案5. 根据方案4所述的可变压缩比移相器，其中，控制轴齿轮所在的第一轴在第一轴的远端部处包括螺旋形引导丝杠。
22.方案6. 根据方案5所述的可变压缩比移相器，其中，所述扭矩转换机构还包括花键连接器，所述花键连接器配置成联接到螺旋形引导丝杠，从而第一轴的旋转使得花键连接器旋转且沿第一轴线性地移动。
23.方案7. 根据方案6所述的可变压缩比移相器，其中，花键连接器还配置成使得花键连接器沿第一轴的线性移动调节曲轴齿轮和控制轴齿轮之间的相位角，从而增加或减小发动机的压缩比。
24.方案8. 根据方案7所述的可变压缩比移相器，其中，扭矩转换机构还包括配置成由花键连接器压缩的弹簧堆叠体。
25.方案9. 根据方案8所述的可变压缩比移相器，其中，当由控制轴齿轮从控制轴接收的扭矩在较高负载下增加时，花键连接器借助于增加的线性力以第一方向移动且压缩弹
簧堆叠体，其中，花键连接器以第一方向的移动调节相位角，使得压缩比减小。
26.方案10. 根据方案9所述的可变压缩比移相器，其中，当由控制轴齿轮从控制轴接收的扭矩在较轻负载下减小时，弹簧堆叠体扩张且使花键连接器以与第一方向相反的第二方向移动，其中，花键连接器以第二方向的移动调节相位角，使得压缩比增加。
27.方案11. 根据方案10所述的可变压缩比移相器，还包括控制活塞，当由控制轴齿轮从控制轴接收的扭矩在较高负载下增加时，控制活塞将花键连接器的移动限制为仅以第一方向移动。
28.方案12. 根据方案11所述的可变压缩比移相器，其中，当由控制轴齿轮从控制轴接收的扭矩在较轻负载下减小时，控制活塞将花键连接器的移动限制为仅以第二方向移动。
29.方案13. 根据方案11所述的可变压缩比移相器，其中，控制活塞是液压式活动的且通过液压止回阀的位置控制。
30.本公开的其它应用领域将从详细描述、权利要求和附图变得显而易见。详细描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，并且不旨在限制本公开的范围。
附图说明
31.本公开从详细描述和附图将得到更全面的理解，其中：图1是根据本公开原理的包括扭矩致动的可变压缩比（vcr）移相器的示例性车辆系统的功能框图；图2是根据本公开的实施例的扭矩致动的可变压缩比（vcr）移相器的外部的透视图。
32.图3是根据本公开的实施例的扭矩致动的可变压缩比（vcr）移相器的横截面图。
33.图4是图示根据本公开的实施例的扭矩致动的可变压缩比（vcr）移相器的动态扭矩曲线的图。
34.在附图中，可以重复使用附图标记来标识类似和/或相同的元件。
具体实施方式
35.本公开提出具有新式致动方法的设备，用于延迟或提前可变压缩比（vcr）发动机上的偏心轴，以实现期望压缩比。所公开的设备使用6杆式连杆机构中存在的扭矩振荡来增加或者减小压缩比。通过使用系统中的扭矩，可以省去高功率致动器（例如，电动马达、液压泵），从而提供具有包装和复杂性益处的较低成本方案。
36.所公开的设备包括扭矩致动的vcr移相器，其使用连杆中的现有能量来致动系统。更具体地，简单机械元件（诸如引导丝杠或滚珠丝杠、花键和弹簧）的布置相对于使用电动马达和高传动比齿轮箱的当前方案提供可比较的益处。使用扭矩振荡省去了这些致动器的需要且允许高瞬时功率被用于移相，从而快速地实现压缩比（cr）变化。
37.本公开描述了经由螺旋形引导丝杠将扭矩转换为线性力的装置，所述螺旋形引导丝杠能够引导功率，以根据油控制阀（ocv）相对于液压止回阀的定向来将控制轴相对于曲轴以任一方向移相。该发动机的已知替代方案包括联接到电动或液压马达的高传动比齿轮箱（即，谐波驱动件、波形应变齿轮、摆线驱动件）。
38.图1是根据本公开原理的包括扭矩致动的可变压缩比（vcr）移相器的示例性车辆系统100的功能框图。虽然显示和描述了用于混合动力车辆的车辆系统，但是本公开也适用于仅包含内燃发动机的非混合动力车辆。同样，虽然提供车辆的示例，但是本技术也适用于非汽车实施方式，诸如轮船和飞行器。
39.发动机102燃烧空气/燃料混合物以产生驱动扭矩。发动机控制模块（ecm）106基于一个或多个驾驶员输入来控制发动机102。例如，ecm 106可以控制发动机致动器的致动，诸如节气门阀、一个或多个火花塞、一个或多个燃料喷射器、阀致动器、凸轮轴移相器、排气再循环（egr）阀、一个或多个增压装置、以及其它合适的发动机致动器。
40.发动机102可将扭矩输出给变速器110。变速器控制模块（tcm）114控制变速器110的操作。例如，tcm 114可以控制变速器110内和一个或多个扭矩传递装置（例如，扭矩转换器、一个或多个离合器等）的档位选择。
41.车辆系统可包括一个或多个电动马达。例如，电动马达118可以实施在变速器110内，如图1的示例中所示的那样。电动马达可以在给定时间时用作发电机或者马达。当用作发电机时，电动马达将机械能转换为电能。电能可以经由功率控制装置（pcd）给蓄电池126充电。当用作马达时，电动马达产生扭矩，该扭矩补充或者取代由发动机102输出的扭矩。虽然提供一个电动马达的示例，但是车辆可包括零个或者多于一个的电动马达。
42.功率逆变器控制模块（pim）134可以控制电动马达118和pcd 130。pcd 130基于来自于pim 134的信号将（例如，直流）功率从蓄电池126施加到（例如，交流）电动马达118，且pcd 130将由电动马达118输出的功率提供给例如蓄电池126。在各个实施方式中，pim 134可以称为功率逆变器模块（pim）。
43.转向控制模块140例如基于驾驶员转动车辆内的方向盘和/或来自于一个或多个车辆控制模块的转向命令来控制车辆的车轮的转向/转动。方向盘角度传感器（swa）监测方向盘的旋转位置且基于方向盘的位置产生swa 142。作为示例，转向控制模块140可以基于swa 142经由eps马达144来控制车辆转向。然而，车辆可包括其它类型的转向系统。电子制动器控制模块（ebcm）150可以选择性地控制车辆的制动器154。
44.车辆的各模块可以经由控制器局域网络（can）162共用参数。can 162也可以称为汽车局域网络。例如，can 162可以包括一个或多个数据总线。各种参数可以经由can 162由给定控制模块变得对其它控制模块可用。
45.驾驶员输入可包括例如加速器踏板位置（app）166，其可提供给ecm 106。制动器踏板位置（bpp）170可提供给ebcm 150。驻车、倒档、空档、驱动杆（prndl）的位置可以提供给tcm 114。点火状态178可以提供给车身控制模块（bcm）180。例如，点火状态178可以由驾驶员经由点火钥匙、按钮或开关输入。在给定时间时，点火状态178可以是关闭、附件、运行或发动（crank）。
46.根据本公开的示例性实施例，发动机102可包括6杆式连杆机构和可变压缩比（vcr）移相器，可变压缩比（vcr）移相器使用6杆式连杆机构中存在的扭矩振荡来增加或者减小压缩比。以这种方式使用系统扭矩省去了高功率致动器（例如，电动马达、液压泵）的需要。
47.图2是根据本公开的实施例的扭矩致动的可变压缩比（vcr）移相器200的外部的透视图。vcr移相器200包括壳体205、壳体210、曲柄齿轮220和控制（或偏心）齿轮230。曲柄齿
轮220与发动机102的主曲轴接合，且控制齿轮230（通过开口206可见）与第二（或控制或偏心）轴接合。vcr移相器200还包括油控制阀（ocv）260和液压控制阀270。
48.vcr移相器200索引曲轴和控制轴之间的相位角，以改变（或控制）压缩比。如下文将描述的那样，vcr移相器200经由螺旋形引导丝杠将扭矩转换为线性力，其可以引导功率，以根据油控制阀（ocv）260相对于液压控制阀270的定向将控制轴相对于曲轴以任一方向移相。
49.图3是根据本公开的实施例的扭矩致动的可变压缩比（vcr）移相器200的横截面图。vcr移相器200包括belleville弹簧堆叠体310、花键连接器320、轴330、轴330和活塞350。控制齿轮230安装在轴330上。在一个端部处，轴330包括45
°
螺旋形引导丝杠331（总体上由虚线椭圆表示），其与花键连接器320的内部上的螺纹啮合。
50.花键连接器320在图3中用竖直线图案画阴影。花键连接器320在轴330的引导丝杠331部分附近包围轴330。花键连接器320的较宽部分包围弹簧堆叠体310。花键连接器320的外直径（或表面）包括与曲柄齿轮220啮合的直花键。
51.轴300的内部包括可以用于喷射润滑剂的通道332。在示例性实施例中，活塞350被液压地控制，且限制花键连接器320在其由弹簧堆叠体310向左驱动时的位移。活塞350在图3中用交叉线图案画阴影。
52.在图3中，功率流方向使得发动机102的控制（或偏心）轴通过vcr移相器200将功率加回到曲轴。因而，控制齿轮230从发动机102的偏心轴接收扭矩。控制齿轮230将扭矩传递给轴330，轴330于是经由引导丝杠331将花键连接器320向左驱动。同时，花键连接器320的直花键将扭矩传递给曲柄齿轮220，曲柄齿轮220将扭矩加回到发动机102的曲轴。弹簧堆叠体310以一个方向施加大的偏压。弹簧堆叠体310设置在花键连接器320和曲柄齿轮220之间。
53.由于效率原因，发动机102在轻负载时以高压缩比操作。然而，由于峰值功率原因，发动机102在高负载时以低压缩比操作。在图3中，花键连接器320被推动一直到左边，表示系统由于效率（即，轻负载）处于最高的压缩比。在该状态中，控制齿轮230上的扭矩由于轻负载相对低。由于扭矩相对低，由45
°
螺旋形引导丝杠331在花键连接器320上产生的线性力也相对低，且弹簧堆叠体310迫使花键连接器320一直到左边抵靠硬止挡件。
54.然而，当负载增加时，控制齿轮230上的扭矩增加，这继而增加由45
°
螺旋形引导丝杠331产生的线性力。当线性力增加时，弹簧堆叠体310压缩且轴330将花键连接器320向右驱动。这允许控制齿轮230相对于曲柄齿轮220提前。因而，增加的负载增加弹簧堆叠体310的压缩，直到在全负载操作下达到最低的压缩比。
55.在示例性实施例中，vcr移相器200允许控制轴齿轮相对于曲轴齿轮提前 /
‑
30度。同样，在示例性实施例中，vcr移相器200中的花键连接器320可以在高压缩比状态和低压缩比状态之间经过约15 mm。
56.图4是图示根据本公开的实施例的扭矩致动的可变压缩比（vcr）移相器200的动态扭矩曲线的图。如上所提到的那样，活塞350被液压地控制，且限制花键连接器320在其由弹簧堆叠体310向左驱动时的位移。根据本公开的原理，液压止回阀270可以控制活塞350的操作。
57.在图4中，竖直轴或y轴表示对于不同压缩比的弹簧力（单位：牛顿（n））。扭矩或线
性力围绕弹簧堆叠力振荡。线430表示3000 n的示例性弹簧堆叠力。因而，存在线性力大于弹簧力的时间段和线性力小于弹簧力的时间段。
58.图4中的曲线420在线430上方和下方振荡。曲线420下方和线430上方的区域由水平线图案画阴影且表示液压止回阀270可以设定为使得压缩比减小且花键连接器320向右手侧驱动的区域。当曲线420下降到线430下方时，止回阀270控制活塞350以防止花键连接器320往回向左移动。因而，由水平线图案画阴影的每个区域表示花键连接器320仅仅向右移动（或棘轮控制（ratchet）），从而由于较高负载减小压缩比。
59.相反，曲线410上方和线430下方的区域由竖直线图案画阴影且表示液压止回阀270可以设定为使得压缩比增加且花键连接器320向左手侧驱动的区域。当曲线410下降到线430下方时，止回阀270控制活塞350以防止花键连接器320往回向右移动。因而，由竖直线图案画阴影的每个区域表示花键连接器320仅仅向左移动（或棘轮控制），从而由于较轻负载增加压缩比。对于稳态操作，液压止回阀270可设定为将活塞350锁定到位，从而压缩比不变。
60.本领域技术人员将认识到，活塞350不需要被液压控制。在可选实施例中，例如电动马达可用于控制活塞350。
61.前述描述本质上仅是说明性的，并且决不旨在限制本公开、其应用或使用。本公开的宽泛教导可以以各种形式实施。因此，虽然本公开包括特定示例，但是本公开的真实范围不应如此限制，因为在研究附图、说明书和所附权利要求后，其它修改将变得显而易见。应当理解，在不改变本公开的原理的情况下，方法内的一个或多个步骤可以以不同的顺序（或同时）执行。此外，尽管上文将实施例中的每一个描述为具有某些特征，但参考本公开的任何实施例描述的那些特征中的任何一个或多个可在其它实施例中的任一个的特征中实施和/或与其它实施例中的任一个的特征组合，即使未明确地描述所述组合也是如此。换句话说，所描述的实施例不是相互排斥的，并且一个或多个实施例彼此的置换仍然在本公开的范围内。
62.使用各种术语描述元件之间（例如，模块、电路元件、半导体层等之间）的空间和功能关系，包括“连接”、“接合”、“联接”、“相邻”、“紧挨着”、“在顶部上”、“上方”、“下方”和“设置”。除非明确地描述为“直接的”，否则当在以上公开中描述第一和第二元件之间的关系时，该关系可以是在第一和第二元件之间不存在其它中间元件的直接关系，但是也可以是在第一和第二元件之间（在空间上或功能上）存在一个或多个中间元件的间接关系。如本文使用的那样，短语“a、b和c中的至少一个”应当被解释为意指使用非排他性逻辑“或”的逻辑（a或b或c），并且不应当被解释为意指“a中的至少一个、b中的至少一个和c中的至少一个”。
63.在图中，如箭头所指示的箭头的方向通常表示图示感兴趣的信息流（例如数据或指令）。例如，当元件a和元件b交换各种信息，但是从元件a传输到元件b的信息与图示相关时，箭头可从元件a指向元件b。该单向箭头并非暗示没有其它信息从元件b传输到元件a。此外，对于从元件a发送到元件b的信息，元件b可向元件a发送对信息的请求或对信息的接收确认。
64.在本技术中，包括下面的定义，术语“模块”或术语“控制器”可用术语“电路”代替。术语“模块”可指代以下各项、作为以下各项的一部分或者包括以下各项：专用集成电路（asic）；数字、模拟或混合模拟/数字分立电路；数字、模拟或混合模拟/数字集成电路；组合
逻辑电路；现场可编程门阵列（fpga）；执行代码的处理器电路（共享、专用或组）；存储由处理器电路执行的代码的存储器电路（共享、专用或组）；提供所述功能的其它合适的硬件部件；或者以上的一些或全部的组合，诸如在芯片上系统中。
65.模块可以包括一个或多个接口电路。在一些示例中，接口电路可包括连接到局域网（lan）、因特网、广域网（wan）或其组合的有线或无线接口。本公开的任何给定模块的功能可以分布在经由接口电路连接的多个模块中。例如，多个模块可允许载荷平衡。在另外的示例中，服务器（也称为远程或云）模块可代表客户端模块完成一些功能。
66.如上文所使用的那样，术语“代码”可包括软件、固件和/或微代码，并且可指代程序、例程、函数、类、数据结构和/或对象。术语“共享处理器电路”涵盖执行来自多个模块的一些或所有代码的单个处理器电路。术语“组处理器电路”涵盖与附加处理器电路组合执行来自一个或多个模块的一些或所有代码的处理器电路。对多个处理器电路的引用涵盖分立管芯上的多处理器电路、单个管芯上的多个处理器电路、单个处理器电路的多个核、单个处理器电路的多个线程、或以上的组合。术语“共享存储器电路”涵盖存储来自多个模块的一些或所有代码的单个存储器电路。术语“组存储器电路”涵盖与附加存储器组合存储来自一个或多个模块的一些或所有代码的存储器电路。
67.术语“存储器电路”是术语“计算机可读介质”的子集。如本文所使用的那样，术语“计算机可读介质”不涵盖通过介质（诸如在载波上）传播的暂态性电信号或电磁信号；术语“计算机可读介质”因此可被认为是有形的和非暂态性的。非暂态性有形计算机可读介质的非限制性示例是非易失性存储器电路（诸如闪存存储器电路、可擦除可编程只读存储器电路或掩膜只读存储器电路）、易失性存储器电路（诸如静态随机存取存储器电路或动态随机存取存储器电路）、磁存储介质（诸如模拟或数字磁带或硬盘驱动器）和光存储介质（诸如cd、dvd或蓝光光盘）。
68.本技术中描述的设备和方法可部分或全部由通过配置通用计算机以执行计算机程序中实施的一个或多个特定功能而创建的专用计算机来实施。上述功能框、流程图部件和其它元件用作软件规范，其可以通过熟练技术人员或程序员的例行工作转换成计算机程序。
69.计算机程序包括存储在至少一个非暂态性有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可包括或依赖于所存储的数据。计算机程序可涵盖与专用计算机的硬件交互的基本输入/输出系统（bios）、与专用计算机的特定装置交互的装置驱动器、一个或多个操作系统、用户应用、后台服务、后台应用等。
70.计算机程序可包括：（i）要解析的描述性文本，诸如html（超文本标记语言）、xml（可扩展标记语言）或json（javascript对象符号化）（ii）汇编代码，（iii）由编译器从源代码生成的目标代码，（iv）由解释器执行的源代码，（v）由即时编译器编译和执行的源代码，等等。仅作为示例，可以使用来自包括c、c 、c#、objective
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c、swift、haskell、go、sql、r、lisp、java
®
、fortran、perl、pascal、curl、ocaml、javascript
®
、html5（超文本标记语言第5次修订）、ada、asp（活动服务器页面）、php（php：超文本预处理器）、scala、eiffel、smalltalk、erlang、ruby、flash
®
、visual basic
®
、lua、matlab、simulink和python
®
的语言的语法来编写源代码。