專利名稱：帶有驅動凸輪的作動器以及采用該作動器的閥門升程控制器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種作動器，其根據一控制軸的軸向位置對一受控物體進行操作，同時將一電機的轉動轉變為控制軸的往復運動，本發明還涉及采用該作動器的閥門升程控制系統。
在車用發動機中，使用了一個作動器，用于根據一控制軸的軸向位置對一受控物體進行操作。
背景技術：
在按照第6425357號美國專利(JP-A-2001-263015)中所公開的、用于內燃機的可變氣門機構中，一中間驅動機構被可動地支撐到其軸線上，該軸線獨立于氣閥凸輪的軸線。中間驅動機構包括一控制軸、一個與氣閥凸輪相關的部件、以及一些與進氣閥相關的部件。設置中間驅動機構是為了將氣閥凸輪的驅動力傳遞給進氣閥。控制軸的往復運動被轉換為氣閥凸輪相關部件的轉動運動、以及進氣閥相關部件的轉動運動。因而，可基于控制軸的軸向位置來控制氣閥凸輪相關部件與進氣閥相關部件之間的相對升程差。此處，受控物體也可以是排氣閥、而非進氣閥。
但是，對控制軸的軸向位置的控制是通過調節一壓力室內的油壓來進行的。壓力室被設置在控制軸一個端側，用于使控制軸往復運動。在這種結構中，設置了一個用于承受來自于壓力室的油壓的活塞、以及一個用于形成壓力室的殼體，這樣就可以控制活塞前側與背側之間的壓力差。因而，位置的可控性、以及響應性是很差的。
在此方面，可采用一電氣作動器來取代液壓作動器。但是，按照電機與控制軸的布置關系，在控制軸的軸向方向上，電作動器的長度可能會很長。
發明內容
考慮到上述的問題，本發明的一個目的是提出一種作動器，其在控制軸軸線方向上的尺寸很小，本發明還提供了一種采用該作動器的閥門升程控制器。
用于轉動驅動凸輪的電機的心軸被設置成垂直于該作動器中的控制軸。因而，電機的長度不會直接影響作動器在控制軸軸向上的長度。這樣，可將作動器的長度縮短。
與驅動凸輪同軸地設置了一個直齒輪，用于轉動該驅動凸輪。在直齒輪的兩側平面上制有兩凸鍵。與用于對直齒輪進行鎖止的凸起的位置相對應，在直齒輪的兩側上分開地設置有止動件。因而，可防止止動件與凸起之間發生干涉。
將包括所述驅動凸輪的一傳動裝置與控制軸接合起來，用于將內驅動凸輪的轉動轉變為控制軸的往復運動。傳動裝置被設置成這樣使內驅動凸輪的軸線垂直于控制軸的軸線，同時使傳動裝置與控制軸相互重疊。因而，控制軸與傳動裝置之間接合部分在控制軸軸向上的長度可得以縮短。
利用一采用霍爾(Hall)元件的轉角傳感器對驅動凸輪的轉角進行檢測。該檢測屬于非接觸式檢測，從而可提高轉角傳感器的可靠性，并能延長轉角傳感器的工作壽命。
在作動器中設置一電磁離合器，當該電磁離合器失電時，可阻止電機進行轉動，從而固定控制軸的位置。因而，對于在工作過程中受控物體的總停止時間長于其運動時間的情況，如果在作動器上應用了該電磁離合器，則就可降低電機的能耗。
當發動機在怠速運轉時，驅動凸輪的角度被限定在一角度區間內，該角度區間處于其轉動區間范圍一端的附近。在此方面，驅動凸輪的轉動等同于進氣閥的升程。
當驅動凸輪轉動到其轉動范圍的末端附近時，進氣閥升程的變化率(升程改變率)被限定為小于一個進氣閥升程變化率數值，后一變化率數值是指當驅動凸輪轉動到不屬于轉動范圍末端周圍區間時的變化率。因此，驅動凸輪升程的變化率相對于驅動凸輪轉動角度而減小。因此，控制軸在其往復方向上的位移量也相對于驅動凸輪的轉動角度而減小。此處，通過對驅動凸輪的轉動角度進行檢測來獲得控制軸的位移(即進氣閥的升程)。
因而，可提高發動機怠速時對控制軸位移的檢測精度。從而可對控制軸的軸向位置實施精確的控制，進而能精確地控制進氣閥的升程。在此方面，受控物體可以是排氣閥、而非進氣閥。
當控制軸對例如為進氣閥或排氣閥的受控物體的升程進行控制時，其會受到來自于受控物體的反作用力。
從下文參照附圖所作的詳細描述，可更加清楚地領會本發明其它的目的、特征和優點，在附圖中圖1是一個局部剖開的透視圖，表示了根據本發明第一實施方式的作動器；圖2中的透視圖表示了控制軸與根據第一實施方式的傳動裝置之間的接頭部位；
圖3是沿圖2中箭頭III方向對傳動裝置所作的側視圖；圖4中局部剖開的透視圖表示了制在凸輪齒輪上的凸起；圖5中的波形圖線表示了由升程控制器對驅動凸輪施加的載荷；圖6中的圖線表示了凸輪角、驅動凸輪升程、以及作用到驅動凸輪上的力矩之間的關系；圖7是一個示意性的側視圖，表示出了一個作用到驅動凸輪上的載荷的方向、以及驅動凸輪的力臂長度；圖8中的圖線表示了驅動凸輪的凸輪角與凸輪升程之間的關系；以及圖9中局部剖開的透視圖表示了根據本發明第二實施方式的作動器。
具體實施例方式如圖1所示，例如，作動器10被用于驅動一個用在內燃機上的閥門升程控制器38。在這一點上，閥門升程控制器38根據一控制軸30的軸向位置對一進氣閥35與一氣閥凸輪36之間的相對升程差進行控制。氣閥凸輪36控制著進氣閥35的開閉。
作動器10包括一電機20、控制軸30、傳動裝置40、驅動凸輪52(見圖3)、一轉角傳感器60、一電子控制單元(ECU)80、以及一電子驅動單元(EDU)82。電機20是一DC(直流)電機，其包括一帶有繞組線圈的轉子22、和環繞著轉子22外周面的磁體26。在電機20心軸24的軸向端上設置有一個電機齒輪28。心軸24隨轉子22一起轉動。
控制軸30的一端與傳動裝置40的支撐框架41相接合，另一端則與閥門升程控制器38相接合。控制軸30的軸線垂直于電機20心軸24的軸線。
如圖2和圖3所示，在控制軸30的一端上制有一聯軸部32，該聯軸部與一接頭42裝配到一起。將聯軸部32與支撐框架41的接頭42接合到一起，就能將聯軸部32與接頭42相互裝配、疊接起來。利用一個夾扣46將聯軸部32與接頭42之間的接頭部位聯接起來，從而將它們相互固定到一起。
傳動裝置40包括箱形的支撐框架41和一滾輪44。凸輪軸50和驅動凸輪52被可轉動地安裝在支撐框架41中。滾輪44被支撐框架41可轉動地支撐在相對于驅動凸輪52與控制軸30相反的一側上。驅動凸輪52隨凸輪軸50一起轉動，并與滾輪44相互滑動地接觸著。相比于滾輪44和驅動凸輪52被設置在傳動裝置40外側的結構，該傳動裝置40在控制軸30的軸向上的結構尺寸減小了。
再返過來參見圖1，在凸輪軸50的兩端上設置有凸輪齒輪54、56。凸輪齒輪54與電機齒輪28相嚙合。電機齒輪28和凸輪齒輪54都是直齒輪，二者被用作減速齒輪對(減速段28、54)。
如圖4所示，在凸輪齒輪54的一個端面上制有一個凸鍵(突出)54a。在電機20的殼體上設置了一桿軸70，其被用作止動件。當凸鍵54a被桿軸(止動件)70頂住時，電機20停止轉動。在相對于凸輪齒輪54的軸向與凸鍵54a相反的一側上，凸輪齒輪54的第二端面上制有另一凸鍵(突出)54b。電機20的殼體上設置有另一桿軸(止動件)72，其與桿軸70一樣也被用作止動件。當凸鍵54b與桿軸72相抵時，電機20停止轉動。此處，兩桿軸70、72是分開設置的，從而可防止二者之間發生干涉。
兩凸鍵54a、54b分別由兩桿軸70、72進行鎖止，從而使驅動凸輪52的轉動區間被限定在約300°的范圍內。當發動機怠速運轉時，驅動凸輪52轉動區間的第一端基本上對應于進氣閥35的升程。
再次參見圖1，一轉角傳感器60具有一個與凸輪齒輪56相嚙合的檢測齒輪62。在檢測齒輪62上同軸地設置有一個檢測物體(圖中未示出)。該轉角傳感器60利用一非接觸式的霍爾元件檢測出檢測物體的轉動角度，從爾可檢測出凸輪軸50的轉動角度。此處，轉角傳感器60并不接觸任何物體，從而可提高該轉角傳感器的可靠性，并能延長該傳感器的使用壽命。通過對凸輪齒輪56與檢測齒輪62之間的傳動比進行設定，可將檢測物體的轉角范圍限制在90度范圍內。因而，檢測物體的轉角范圍處于霍爾元件對轉動構件所能進行檢測的區間內。
ECU80輸入轉角傳感器60的信號、加速計位置信號等信號，并向EDU82輸出控制信號，以此來驅動電機20。
下面將對該作動器的工作過程進行描述。
當電機20轉動時，電機20的扭矩通過電機齒輪28和凸輪齒輪54傳遞給凸輪軸50和驅動凸輪52(見圖3)。
如圖3所示，當驅動凸輪52轉動時，支撐框架41在控制軸30的軸向上線性地往復運動。被支撐框架41支撐著的滾輪44在滾動的同時還在驅動凸輪52的表面上滑動，從而可使支撐框架41平穩地移動。閥門升程控制器38根據控制軸30的軸向位置對進氣閥35相對于氣閥凸輪36的相對升程差進行控制，而控制軸的往復運動則對應于驅動凸輪52凸輪面(外周面)53的輪廓型線。
當控制軸30對進氣閥35相對于氣閥凸輪36的相對升程差進行控制時，控制軸30受到來自于進氣閥35的反作用力。該反作用力在圖5中被表示為載荷200。在驅動凸輪52從其轉動范圍的一端(第一末端)轉向另一端(第二末端)時，反作用力(負載)發生變化變化，且在約0.6秒之后，驅動凸輪在第二末端處停止轉動。負載200的每一個峰值對應于四個氣缸中每一氣缸的進氣閥35的每一次上升。隨著驅動凸輪52從其轉動區間的第一端轉動到第二端，由閥門升程控制器38作用到控制軸30上的負載逐漸增大。當驅動凸輪52轉到第二端后，由于驅動凸輪52在轉動時不再受到來自于進氣閥35的反作用力，所以負載會減小。
當驅動凸輪52停在其轉動區間的第二端上時，驅動凸輪52所受到的負載大于當驅動凸輪52的角度處于其轉動區間的第一端時的負載。
如圖6中的直線210所示，驅動凸輪52的輪廓型線被限定為使凸輪的升程隨驅動凸輪52的轉角線性地變化。如圖7所示，驅動凸輪52的力臂長度δ被定義為驅動凸輪52的法線102與凸輪軸50中心之間的距離。對于圖6中直線210所代表的輪廓型線，在驅動凸輪52從其轉動區間的第一端轉向第二端時，其力臂長度δ基本上保持恒定。如圖6中的直線212所示，當驅動凸輪52從其轉動區間的第一端轉向第二端時，由閥門升程控制器38施加給驅動凸輪52的力矩線性地增大。
在另一方面，如果驅動凸輪52的輪廓型線是圖6中曲線214所示的另一曲線，且該曲線214是上側凸起的拋物線，則當驅動凸輪52從其轉動區間的第一端轉向第二端時，驅動凸輪52升程的變化率(升程改變率)在瞬間增大之后，隨后就不斷地減小。再次參見圖7，當驅動凸輪52從轉動區間的第一端轉向第二端時，法線102向驅動凸輪52的軸線逼近，因而，驅動凸輪52的力臂長度會縮短。
載荷F的作用方向為相對于其在凸輪表面53上作用點處的切線100，沿該點處的法線102施加作用。在這一方面，當驅動凸輪52從其轉動區間的第一端向第二端轉動時，載荷F會逐漸增大。也就是說，在驅動凸輪52的力臂長度δ減小的同時，作用到驅動凸輪52的載荷F卻在增大。
可這樣來計算閥門升程控制器38向驅動凸輪52施加的力矩其是作用到驅動凸輪52上的載荷F與驅動凸輪52力臂長度δ的乘積(F·δ)。
在這一點上，在力臂長度δ增大的同時，載荷F卻在減小，因而，在驅動凸輪52的整個轉動區間內，載荷F與力臂長度δ的乘積(即由進氣閥35作用到控制軸30上的力矩)可基本上保持恒定。
因而，可減小作用到驅動凸輪52上的最大力矩。此處，電機20所需的力矩是基于驅動凸輪52受閥門升程控制器38作用的最大力矩而定出的。因此，這樣就可以降低對電機20所要求的扭矩。于是，可縮小電機的尺寸。
驅動凸輪52的轉動角度等同于進氣閥35的升程。當發動機怠速運轉時，驅動凸輪52的角度處于一個靠近其轉動區間第一端的范圍內。
如圖8中的圖線216所示，在轉動區間第一端附近的范圍內，凸輪升程的變化率被限定為很小的值，而在隨后的一個區間內，凸輪升程變化率就變大了，該區間是從第一端附近區間的末端為起點、且向轉動區間的第二端發展。在此情況下，在轉動區間的第一端附近，驅動凸輪52升程相對于其轉動角度的變化率是很小的。因此，當驅動凸輪52在第一端附近轉動時，控制軸30在往復方向上的位移量是很小的。因而，進氣閥35升程相對于驅動凸輪52轉動角度的變化率是減小值。
傳感器60通過對驅動凸輪52的轉動角度進行檢測而獲得進氣閥35升程的變化率，從而可提高轉角傳感器60在驅動凸輪52的轉角處于轉動區間第一端附近的范圍內時的靈敏度。因而，當發動機工作在轉速很低的怠速工況時，也能精確地控制進氣閥35的升程。
驅動凸輪52的輪廓型線可以是圖8中所示的曲線218，圖中，曲線218是上側凸起的拋物線，相比于非第一端附近區間內的升程變化率，轉動區間第一端附近處的升程變化率是較小的。在此情況下，當發動機處于怠速狀態時，可精確地控制進氣閥35的升程。另外，還能降低作用到驅動凸輪52上的最大力矩。
如圖9所示，在相對于心軸24而與電機齒輪28相反的一側，電機80上設置有一個電磁離合器90。該電磁離合器90包括一轉動盤91、一定子92、一線圈94、一銜鐵96、以及一片簧97。轉動盤91被套壓到心軸24上，從而可隨心軸24一起轉動。在線圈94中未通電時，銜鐵96被片簧97推壓到轉動盤91上。片簧97被定子92部分地鎖定著。當銜鐵96被片簧97壓到轉動盤91上時，心軸24的轉動就受到了銜鐵96與轉動盤91之間摩擦作用的限制。也就是說，當未對線圈94通電時，電機80的轉動被停止。當對線圈94通電時，電磁力克服片簧97的頂壓力而將銜鐵96拉向定子91，從而使銜鐵96與轉動盤91分開。這樣，心軸24就被從受限制狀態解脫出來。
當作動器10被用于驅動一閥門升程控制器時，控制軸30停止不動的時間要被其執行往復運動的時間長。也就是說，進氣閥35的升程保持不變的時間要長于其升程發生改變的時間。當電磁離合器90的線圈94失電時，電機80的轉動被停止，從而就停止了控制軸30的往復運動，進而就固定了進氣閥35的升程。在進氣閥35升程被固定的情況下，無需進行供電。因而，可減少用于對進氣閥35的升程進行控制的供電。
可為電磁離合器的離合機構中使用一單向離合器和一摩擦盤。此情況下，當向電磁離合器通電時，單向離合器可在兩個方向上轉動。在另一方面，當電磁離合器失電時，單向離合器只能在一個方向上轉動，該方向例如是進氣閥升程控制軸反作用力的相反方向。當電磁離合器得電時，摩擦盤可在兩方向上轉動。另一方面，當電磁離合器失電時，摩擦盤在兩個方向上都被連接著，用于產生一摩擦作用，所產生的摩擦作用弱于電機80的驅動功率。在此情況下，如果進氣閥的升程控制軸是固定著的，則即使離合器被接合著，電機80的驅動功率也能保證其轉動，同時還降低了電機80的電力消耗。如果使用了該摩擦盤，則可無需使用電磁離合器而始終接合著該摩擦盤。
也可不采用滾輪44，由驅動凸輪52直接對支撐框架41進行操作，以便于實現控制軸30的往復運動。此外，驅動凸輪52也可與在與控制軸30相互滑動的同時直接對控制軸進行操作。
該作動器10可被用在用于對排氣閥的升程、而非進氣閥35的升程進行控制的閥門升程控制設備中。
作動器10還可被用在其它結構中，在這些其它的結構中，基于根據本發明作動器的控制軸軸向位置對操縱量進行控制。
可以理解其它的各種改動和變型也將被涵蓋在由所附權利要求書限定的本發明保護范圍內。
權利要求
1.一種用于對一受控物體進行操作的作動器裝置，該作動器包括電機(20)，其具有心軸(24)；控制軸(30)，其由心軸(24)驅動，其中，控制軸(30)在其軸線方向上往復運動，從而根據其軸向位置而確定了該作動器裝置的操作量；驅動凸輪(52)，其轉動軸線平行于電機(20)心軸(24)的軸線，其中，驅動凸輪(52)的轉動軸線垂直于控制軸(30)的軸線，從而，當驅動凸輪(52)轉動時，其按照自身外周面(53)的輪廓型線、在垂直于電機(20)心軸(24)軸線的方向上驅使控制軸(30)往復運動；以及減速部分(28、54)，其采用了直齒輪(28、54)，用于將電動機(20)的扭矩傳遞給驅動凸輪(52)。
2.根據權利要求1所述的作動器裝置，其特征在于還包括止動件(70、72)，它們相對于直齒輪(54)的軸線方向而分別位于其兩側；相對于直齒輪(54)的軸線方向而分別形成在其兩側的凸起(54a、54b)，每個凸起(54a、54b)分別被對應的止動件(70、72)抵撐著，用于限定直齒輪(54)的轉動區間，其中直齒輪(54)與驅動凸輪(52)的轉軸(50)同軸地轉動；以及驅動凸輪(52)的轉動角度被限制在直齒輪(54)轉動區間的一端與直齒輪(54)轉動區間的另一端之間。
3.一種用于對一受控物體進行操作的作動器裝置，該作動器包括電機(20)，其具有心軸(24)；控制軸(30)，其由心軸(24)驅動，其中，控制軸(30)在其軸線方向上往復運動，從而根據其軸向位置而確定了該作動器裝置的操作量；驅動凸輪(52)，其轉動軸線平行于電機(20)心軸(24)的軸線，其中，驅動凸輪(52)的轉動軸線垂直于控制軸(30)的軸線，從而，當驅動凸輪(52)轉動時，其按照自身外周面(53)的輪廓型線、在垂直于電機(20)心軸(24)軸線的方向上驅使控制軸(30)往復運動；傳動裝置(40)，其與控制軸(30)相互重疊地接合著，且在接合部位，驅動凸輪(52)的軸線被布置成垂直于控制軸(30)的軸線；以及滑動構件(44)，其被包含在帶有驅動凸輪(52)的傳動裝置(40)中，其中，滑動構件(44)和驅動凸輪(52)相互滑動地接觸著，從而將驅動凸輪(52)的轉動運動轉化為控制軸(30)的往復運動。
4.一種用于對一受控物體進行操作的作動器裝置，該作動器包括電機(20)，其具有心軸(24)；控制軸(30)，其由心軸(24)驅動，其中，控制軸(30)在其軸線方向上往復運動，從而根據其軸向位置而確定了該作動器裝置的操作量；驅動凸輪(52)，其轉動軸線平行于電機(20)心軸(24)的軸線，其中，驅動凸輪(52)的轉動軸線垂直于控制軸(30)的軸線，從而，當驅動凸輪(52)轉動時，其按照自身外周面(53)的輪廓型線、在垂直于電機(20)心軸(24)軸線的方向上驅使控制軸(30)往復運動；以及轉角傳感器(60)，其采用一霍爾元件非接觸地檢測驅動凸輪(52)的轉動角度，其中，驅動凸輪(52)對轉角的檢測范圍小于90°。
5.一種用于對一受控物體進行操作的作動器裝置，該作動器包括電機(20)，其具有一心軸(24)；控制軸(30)，其由心軸(24)驅動，其中，控制軸(30)在其軸線方向上往復運動，從而根據其軸向位置而確定了該作動器裝置的操作量；驅動凸輪(52)，其轉動軸線平行于電機(20)心軸(24)的軸線，其中，驅動凸輪(52)的轉動軸線垂直于控制軸(30)的軸線，從而，當驅動凸輪(52)轉動時，其按照自身外周面(53)的輪廓型線、在垂直于電機(20)心軸(24)軸線的方向上驅使控制軸(30)往復運動；以及電磁離合器(90)，其被安裝到作動器(10)上，其中，當電磁離合器(90)被通電時，其允許電機(20)進行轉動，當電磁離合器(90)未通電時，其不允許電機(20)發生轉動。
6.一種布置在發動機中、用于操控閥門升程的作動器裝置，其包括作動器(10)，其用于對一受控物體進行操作，該作動器(10)包括電機(20)，其具有一心軸(24)；控制軸(30)，其由心軸(24)驅動，其中，控制軸(30)在其軸線方向上往復運動，從而根據其軸向位置而確定了該作動器裝置的操作量；驅動凸輪(52)，其轉動軸線平行于電機(20)心軸(24)的軸線，其中，驅動凸輪(52)的轉動軸線垂直于控制軸(30)的軸線，從而，當驅動凸輪(52)轉動時，其按照自身外周面(53)的輪廓型線、在垂直于電機(20)心軸(24)軸線的方向上驅使控制軸(30)往復運動；氣閥凸輪(36)，其用于開啟和關閉發動機進氣閥(35)和排氣閥中的一者；以及升程控制器，其通過根據控制軸(30)的軸向位置對氣閥凸輪(36)進行調節而控制進氣閥(35)或排氣閥的升程。
7.根據權利要求6所述的作動器裝置，其特征在于驅動凸輪(52)具有一轉動區間，其中，轉動區間一端的附近范圍對應于發動機怠速時進氣閥(35)或排氣閥的升程；驅動凸輪(52)的凸輪升程決定了控制軸(30)的往復移動量，其中，當驅動凸輪(52)在轉動范圍內轉動時，凸輪升程的變化率發生改變；以及驅動凸輪(52)具有一定的輪廓型線，當驅動凸輪(52)轉動到其轉動區間一端附近的范圍時，凸輪升程的變化率小于一個凸輪變化率，后一變化率數值是指當驅動凸輪轉動到一個以所述端部附近區間的末端為起點、且向轉動區間的另一端擴展的區間中時的變化率。
8.根據權利要求6所述的作動器裝置，其特征在于驅動凸輪(52)具有一轉動區間，其中，轉動區間一端的附近范圍對應于發動機怠速時進氣閥(35)或排氣閥的升程；驅動凸輪(52)的凸輪升程決定了控制軸(30)的往復移動量，其中，當驅動凸輪(52)在轉動范圍內轉動時，凸輪升程的變化率發生改變；以及驅動凸輪(52)具有一輪廓型線，當驅動凸輪(52)從其轉動區間的一端轉向另一端時，驅動凸輪(52)升程的變化率在瞬間增大之后，隨后就不斷地減小。
全文摘要
本發明公開了一種用于控制車用發動機進氣閥(35)升程的作動器。一控制軸(30)的一端與一傳動裝置相接合，另一端則與一閥門升程控制器相接合。控制軸(30)被布置為垂直于電機(20)的心軸(24)。此外，傳動裝置包括一個位于其內部的驅動凸輪(52)。因而，不論電機(20)的長度如何，作動器(10)在控制軸(30)縱向上的尺寸都是很小的。當電機(20)轉動時，控制軸(30)按照驅動凸輪(52)的輪廓型線而往復運動。通過限定凸輪輪廓—尤其是在驅動凸輪(52)與發動機怠速工況相對應的轉動區間內的輪廓，可精確地控制進氣閥(35)的升程。
文檔編號F01L13/00GK1690371SQ20041003296
公開日2005年11月2日 申請日期2004年4月19日 優先權日2004年4月19日
發明者柴田晃, 鈴木康義 申請人:株式會社電裝