发动机及其凸轮轴、凸轮装置、控制凸轮的制作方法

本发明涉及汽车领域，具体涉及一种发动机及其凸轮轴、凸轮装置、控制凸轮。

背景技术：

凸轮轴是发动机中的重要部件，其用于控制气门的开启和闭合动作。传统的凸轮轴中，若干个凸轮均布在凸轮轴上，凸轮与凸轮轴为一体式结构，凸轮不可轴向移动。

随着技术的发展，为了使得气门的升程可变，出现了一种新的凸轮轴，该凸轮轴中，每个气缸的若干个凸轮集成在一个套筒上，并通过套筒安装在凸轮轴上。每个凸轮都具有两个沿轴向排列的不同升程，套筒可相对于凸轮轴沿轴向移动来切换凸轮的升程。

其中，套筒上设有两条分别与两个锁销配合的且旋向相反的沟槽，每个套筒上配备有一套安装于缸盖的执行机构，该执行机构包括可伸入沟槽中的锁销。当锁销伸入对应的沟槽时，随着凸轮轴的转动，套筒将被驱动沿轴向移动，从而切换凸轮的升程。

上述方案的缺点在于，第一，由于沟槽的结构形式较为复杂，加工难度较大，沟槽的形状和精度很难一次成型，通常还需要进行精加工，成本较高。第二，对于直列多缸发动机来说，例如直列四缸或六缸发动机，对应地就需要多个套筒，而凸轮轴的长度有限，导致各个套筒的轴向移动空间将会非常受限。

技术实现要素：

本发明解决的问题是现有发动机凸轮轴中，沟槽的结构形式复杂、加工繁琐，以及每个套筒的轴向移动空间受限。

为解决上述问题，本发明提供一种控制凸轮，用于发动机凸轮装置，所述控制凸轮设有面向轴向一端的第一驱动面、面向轴向另一端的第二驱动面， 以及位于所述第一驱动面、第二驱动面之间的间隔部，所述第一驱动面、所述第二驱动面彼此相背，并通过所述间隔部隔开；所述第一驱动面、所述第二驱动面分别用于与执行机构配合以使得所述凸轮装置能够被驱动而沿轴向朝向不同的方向移动。

可选的，所述第一驱动面、所述第二驱动面分别包括沿所述控制凸轮的周向依次连接的进入段、切换段和退出段，所述凸轮装置在所述切换段与所述执行机构配合时被驱动。

可选的，所述第一驱动面的切换段和所述第二驱动面的切换段彼此镜像对称。

可选的，从所述控制凸轮的径向方向看，所述进入段、退出段为直线段且与所述控制凸轮的中心轴垂直。

可选的，从所述控制凸轮的径向方向看，所述切换段为直线段、且与所述控制凸轮的中心轴不垂直；或者，所述切换段为弧线段或螺旋线段。

可选的，所述间隔部中开设有减重孔或槽。

可选的，所述间隔部中设有位置检测装置，用于检测所述发动机凸轮装置的轴向位置。

可选的，所述位置检测装置为磁性件，用于磁性传感器配合使用。

可选的，所述间隔部中开设有环形凹槽，所述磁性件为环状且固套于所述环形凹槽中。

本发明还提供一种发动机凸轮装置，包括：套筒，用于套设在芯轴上、并可由执行机构推动而沿所述芯轴的轴向移动；凸轮对，套设于所述套筒上、用于控制气门开闭，所述凸轮对包括至少两个沿轴向排布且升程不同的凸轮或者凸桃；还包括上述任一项所述的控制凸轮，所述控制凸轮套设于所述套筒上。

可选的，所述凸轮对具有多个，每两个凸轮对组成一组，每组凸轮对用于控制一个气缸的气门，所述多个凸轮对至少分为两组。

可选的，各组所述凸轮对分别设于所述控制凸轮的轴向两侧或同侧。

本发明还提供一种用于发动机的凸轮轴，包括芯轴，以及上述任一项所述的凸轮装置；所述凸轮装置通过所述套筒套设于所述芯轴外。

本发明还提供一种发动机，其包括上述凸轮轴，以及执行机构；所述执行机构包括电磁驱动器，以及与所述电磁驱动器连接、且由所述电磁驱动器驱动的锁销部，所述锁销部可沿所述控制凸轮的径向伸出或缩回，并能够伸出至与所述第一驱动面或第二驱动面配合，以推动所述凸轮装置沿轴向朝不同的方向移动。

可选的，所述锁销部包括第一锁销、第二锁销，所述第一锁销、第二锁销分别用于与所述第一驱动面、所述第二驱动面配合；所述第一锁销、所述第二锁销连接至同一电磁驱动器、由同一电磁驱动器驱动；或者，所述第一锁销、所述第二锁销分别连接至不同的电磁驱动器，由不同的电磁驱动器驱动。

本发明还提供一种发动机，包括芯轴、套设于所述芯轴上的套筒、套设于所述套筒上的凸轮对和控制凸轮，以及执行机构，所述凸轮对用于控制气门开闭、且包括至少两个升程不同的凸轮或者凸桃，所述控制凸轮可由所述执行机构推动而沿所述芯轴的轴向移动；所述控制凸轮为上述控制凸轮；所述执行机构包括电磁驱动器，以及与所述电磁驱动器连接、且由所述电磁驱动器驱动的锁销部，所述锁销部可沿所述控制凸轮的径向伸出或缩回，并能够伸出至与所述第一驱动面或第二驱动面配合，以推动所述凸轮装置沿轴向朝不同的方向移动；所述锁销部在与所述进入段的终点接触时、已完全伸出；或者，所述锁销部在与所述进入段的终点接触时、未完全伸出，并在与所述切换段接触的过程中完全伸出。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明的控制凸轮将第一驱动面、第二驱动面设置在轴向两端且分别面向轴向外侧，相对于现有的沟槽式结构来说，控制凸轮的结构和形状更简单，驱动面的形状和精度更加可控，可以采用粉末冶金、锻造等手段一次加工成型，甚至可以不需要后期精加工，简化了加工工艺，有助于降低成本。

进一步地，在套筒上集成多组分别对应不同气缸的凸轮对，并由同一控 制凸轮来控制升程的切换，可以减少执行机构的数量，减小布置难度，降低成本。

附图说明

图1是本发明第一实施例的凸轮轴的立体结构图；

图2是本发明第一实施例的凸轮轴的主视结构图；

图3示出了本发明第一实施例的凸轮轴的其中一个套筒与芯轴在分解状态下的半剖图；

图4示出了本发明第一实施例的凸轮轴的其中一个套筒与芯轴在装配状态下的剖视图；

图5示出了本发明第一实施例的控制凸轮的立体结构；

图6示出了本发明第一实施例的控制凸轮的横截面示意图；

图7示出了本发明第一实施例的控制凸轮沿径向方向看的展开示意图；

图8示出了第一实施例的一个变形例的凸轮轴的立体结构图；

图9示出了第一实施例的另一个变形例的凸轮轴的立体结构图；

图10a至图10d示出了第一实施例的又一些变形例的凸轮轴的立体结构图；

图11示出了本发明第二实施例的控制凸轮的立体结构；

图12示出了本发明第二实施例的控制凸轮的主视图；

图13示出了本发明第二实施例的控制凸轮沿径向方向看的展开示意图；

图14示出了本发明第二实施例的控制凸轮中安装有位置检测装置的立体结构示意图；

图15示出了本发明第二实施例的控制凸轮中安装有位置检测装置的主视图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图 对本发明的具体实施例做详细的说明。

第一实施例

参照图1至图4所示，本发明实施例提供一种发动机及其凸轮轴、凸轮装置1、控制凸轮13，其中控制凸轮13用于发动机凸轮轴的凸轮装置1中。凸轮装置1用于套设在芯轴2上，与芯轴2一起组成发动机凸轮轴。凸轮装置1与芯轴2之间可以通过花键或者其他结构连接，使得凸轮装置1可沿芯轴2的轴向移动。

执行机构3设于凸轮轴外，固定在气缸或气缸盖上、作为用于驱动凸轮装置1轴向移动的驱动部件，执行机构3可在凸轮装置1需要移动的时候作用于控制凸轮13，从而推动凸轮装置1沿芯轴2的轴向移动。

凸轮装置1除了控制凸轮13外，还包括套筒11，以及设于套筒11上的凸轮对12，凸轮装置1通过凸轮对12来控制气缸的气门开闭。其中，凸轮对12具有至少两个沿轴向排布且升程不同的凸轮或者凸桃。凸轮装置1通过套筒11套设在芯轴2上，并可由执行机构3与控制凸轮13之间的相互作用来实现沿芯轴2的轴向移动，从而可以根据不同的工况切换使用不同升程的凸轮或凸桃，实现对气门升程的调节。

如图1至图4所示，控制凸轮13位于凸轮装置1中且套设于套筒11上。结合图5、图6、图7所示，控制凸轮13设有面向轴向一端的第一驱动面13a、面向轴向另一端的第二驱动面13b，以及位于第一驱动面13a、第二驱动面13b之间的间隔部13c，第一驱动面13a、第二驱动面13b彼此相背，并通过间隔部13c隔开。

第一驱动面13a、第二驱动面13b分别用于与执行机构3配合以使得凸轮装置1能够被驱动而沿轴向朝向不同的方向移动。当执行机构3与第一驱动面13a配合时，凸轮装置1能够被驱动而朝向轴向一端移动；当执行机构3与第二驱动面13b配合时，凸轮装置1能够被驱动而朝向轴向另一端移动。

本发明的控制凸轮将第一驱动面、第二驱动面设置在轴向两端且分别面向轴向外侧，相对于现有的沟槽式结构来说，控制凸轮的结构和形状更简单，驱动面的形状和精度更加可控，可以采用粉末冶金、锻造等手段一次加工成 型，甚至可以不需要后期精加工，简化了加工工艺，有助于降低成本。

其中，控制凸轮13可以与套筒11一体成型或者通过压装工艺或者连接结构固定在套筒上。另外，为了减轻控制凸轮13的重量，间隔部13c中可以开设减重孔或槽。

执行机构3包括电磁驱动器31，以及与电磁驱动器31连接、且由电磁驱动器31驱动的锁销部32。如图1、图2所示，电磁驱动器31具有两个驱动器，分别为第一驱动器31a、第二驱动器31b；相应地，锁销部32也包括两个锁销，分别定义为第一锁销32a、第二锁销32b。第一锁销32a、第二锁销32b分别连接至不同的电磁驱动器，由不同的电磁驱动器驱动。如图1、图2，第一锁销32a与第一驱动器31a连接、由第一驱动器31a驱动，第二锁销32b由第二驱动器31b连接、由第二驱动器31b驱动。

使用时，第一锁销32a用于与第一驱动面13a配合、以推动凸轮装置1沿轴向朝一个方向移动，第二锁销32b用于与第二驱动面13b配合、以推动凸轮装置1沿轴向朝另一个方向移动。

在其他实施例中，如图8，第一锁销32a、第二锁销32b可以连接至同一电磁驱动器31、由同一电磁驱动器31驱动。

下面请继续参照图5、图6、图7，第一驱动面13a、第二驱动面13b分别包括沿控制凸轮13的周向依次连接的进入段p1、切换段p2和退出段p3，凸轮装置1在切换段p2与执行机构3配合时被驱动。换言之，当执行机构3与进入段p1或者退出段p3接触时，并不能推动凸轮装置1沿轴向移动。

其中，需要注意的是，切换段p2与锁销配合时能够使得凸轮装置1发生轴向移动，那么相对于控制凸轮13的径向平面来说，切换段p2必须具有一定的倾斜角度，并且第一驱动面13a的切换段p2和第二驱动面13b的切换段p2的倾斜方向相反。本实施例中，第一驱动面13a的切换段p2和第二驱动面13b的切换段p2彼此镜像对称。

此处对设置进入段p1的理由作详细解释。当不需要推动凸轮装置1沿轴向移动时，执行机构3的第一锁销32a、第二锁销32b处于回缩状态，此时第一锁销32a、第二锁销32b均不与对应的驱动面接触。当需要推动凸轮装置1 沿轴向移动时，例如需要推动凸轮装置1朝向图2所示右侧移动时，第一锁销32a伸出、并到达与第一驱动面13a接触的预定位置。推动凸轮装置1运动需要的一定的推力f，而锁销所能提供的力与其伸出的长度有关，如果锁销在未完全伸出时就与切换段p2接触，则有可能导致此时锁销所能提供的力小于所需的推力f，从而导致锁销的损坏。因此本实施例设置：锁销最迟应当在进入段p1的终点位置位于完全伸出的状态，也就是说在与切换段p2的起点接触时，锁销已经处于最大伸出长度。

设置退出段p3则出于同样的理由。另外，进入段p1、退出段p3的设置还能够为锁销与对应驱动面的配合及脱离配合提供一定的缓冲，避免由于力的突变而导致锁销与驱动面之间产生撞击。

如图7所示，从控制凸轮13的径向方向看，进入段p1、退出段p3为直线段且与控制凸轮11的中心轴垂直。也就是说，进入段p1的各个点都位于控制凸轮的同一径向平面上，退出段p3的各个点都位于控制凸轮13的同一径向平面上。这里说的径向平面，指的是与控制凸轮13的中心轴垂直的平面。

并且，从控制凸轮13的径向方向看，切换段p2为直线段、且与控制凸轮13的中心轴不垂直。当执行机构3的锁销与切换段p2接触时，切换段p2将推动凸轮装置1匀速地沿轴向移动。在其他实施例中，切换段p2还可以是为弧线段或螺旋线段，此时当执行机构3的锁销与切换段p2接触时并推动凸轮装置1沿轴向移动时，凸轮装置1的移动将呈现一定的加速度。

当凸轮装置1移动至指定位置且不需要再继续移动时，锁销移动至切换段2的终点，也就是退出段p3的起点。如图5、图6所示，控制凸轮13具有本体凸轮13f，第一驱动面13a、第二驱动面13b以及间隔部13c均设于本体凸轮13f的外周面上，且设于本体凸轮13f的中间区域。其中，本体凸轮13f沿轴向伸出第一驱动面13a、第二驱动面13b部分的周面上分别设有退出凸桃13g，退出凸桃13g的周向位置与退出段p3对应。当锁销移动至退出段p3的起点时，锁销的底部与退出凸桃13g接触，随着锁销沿退出段p3的运动，退出凸桃13g能够推动锁销朝向回缩方向运动，以将其沿径向推出驱动面。

其中，第一驱动面13a、第二驱动面13b沿控制凸轮13的周向所对应的 的圆心角的大小根据切换升程时套筒11需要移动的轴向距离以及切换的时间要求等来设定。本实施例中，第一驱动面13a、第二驱动面13b所对应的圆心角不大于360度。并且，切换段p2所对应的圆心角小于360度。也就是说，第一驱动面13a、第二驱动面13b沿周向的延伸长度不会超过控制凸轮13的一周。

本实施例中，一个套筒11上设置的凸轮对12具有多个，多个凸轮对12分为至少两组，一般每两个凸轮对组成一组，每一组分别对应一个发动机的气缸，用于控制对应气缸的气门开闭。

如图1所示，每一套筒11上的多个凸轮对12均分为两组，即第一组凸轮对12a、第二组凸轮对12b。第一组凸轮对12a对应一个气缸、并用于控制其气门的开闭；第二组凸轮对12b对应另一个气缸、并用于控制其气门的开闭。在其他实施例中，多个凸轮对12也可以分为三组或者三组以上，每一组分别对应一个发动机的气缸，用于控制对应气缸的气门开闭。

由此可见，本发明中，只需要控制一个套筒11的轴向移动，就可以改变多个气缸的气门升程。当本发明的套筒11应用于凸轮轴上时，对于气缸数目相同的直列发动机来说，凸轮轴上的套筒11的数量可以减小，由此可以增大每个套筒的轴向移动空间。

并且，当一个套筒11对应控制多个气缸时，由于套筒11上设有控制凸轮13，那么只要通过一个控制凸轮13以及一套对应于控制凸轮13的执行机构，就可以实现对多个气缸的气门升程的控制，从而可以减少执行机构的数量，减小执行机构的布置难度，降低成本。

进一步地，当套筒11集成有多组分别对应不同气缸的凸轮对时，控制凸轮13可以设于套筒11的轴向任一端或者设于中部。也就是说，多组凸轮对12可以分别设于控制凸轮13的两侧、或者均设于控制凸轮13的同侧。如图1至图4所示，本实施例采用后一种设置方式，即各组凸轮对12a、12b分别设于控制凸轮13的轴向两侧。在其他实施例中，各组凸轮对12a、12b可以设于控制凸轮13的同一侧，如图9所示。

需要注意的是，本发明实施例的发动机凸轮轴中，同一芯轴2上套设的 凸轮装置1可以是一个，也可以是多个。以每个套筒11上均分布有两组凸轮对12a、12b为例，那么，对于直列六缸发动机来说，每一芯轴2上可以最多套设三个凸轮装置1，如图1至图4及图8、图9。而对于直列四缸发动机来说，每个芯轴2上可以最多套设两个凸轮装置1，如图10a至图10d所示。总之，每一芯轴2上套筒11的数量根据直列气缸的数目以及每个套筒11上的凸轮对的组数来确定。其中，同一芯轴2上不同的套筒11可以具有不同组数的凸轮对。

另外，需要说明，如图10a至图10d，对于直列四缸发动机来说，同样的，各组凸轮对12a、12b分别设于控制凸轮13的轴向两侧(图10a、图10c)，也可以位于控制凸轮13的同一侧(图10b、图10d)。第一锁销32a、第二锁销32b可以连接至不同的电磁驱动器31、分别由各自的电磁驱动器31驱动(图10a、图10b)，也可以连接至同一电磁驱动器31、由同一电磁驱动器31驱动(图10c、图10d)。

其中，如图1、图2所示，套筒11上具有至少一个轴颈15，并且设在同一组的两个凸轮对12之间。本实施例只在图1中对部分轴颈做了标注。轴颈15作为支撑部位，凸轮轴在轴颈15的部位支撑在气缸的气缸盖上。

套筒11安装在芯轴2上时，需要满足两个条件，一是要保证套筒11可沿芯轴2轴向移动，即轴向导向的要求；二是要防止套筒11与芯轴2之间发生相对转动，即抗扭要求。因此，套筒11与芯轴2之间通过花键或者滑块-滑槽的形式配合连接(图中未示出)。

进一步地，芯轴2与套筒11之间还设有轴向限位部，以限定套筒11沿轴向移动的空间，对套筒11沿轴向移动的极限位置进行控制。

本实施例中，参照图3并结合图4，轴向限位部包括：位于芯轴2的外周面的第一限位槽51、位于套筒11的内周面的第二限位槽52，以及弹性锁止部53。其中，第一限位槽51、第二限位槽52的其中一个位于芯轴2的外周面，另一个位于套筒11的内周面。弹性锁止部53安装在第一限位槽51中，其伸出第一限位槽51的一端用于伸入第二限位槽52、并卡止于第二限位槽52，以对套筒11实现轴向限位。

本实施例中，第一限位槽51位于芯轴2的外周面，第二限位槽52位于套筒11的内周面。图3、图4中，第一限位槽51以沉孔的形式设于芯轴2上、且在深度方向沿芯轴2的径向延伸，第二限位槽52以环绕套筒11的环形槽的形式设于套筒11的内周面。在其他实施例中，第一限位槽、第二限位槽的位置也可以互换。

其中，弹性锁止部53始终处于被压缩的状态。也就是说，弹性锁止部53始终有沿径向朝向第二限位槽52移动的趋势。本实施例中，弹性锁止部53包括相互连接的弹簧53a以及钢球53b，弹簧53a的一端固定在第一限位槽51中，另一端与钢球53b连接，钢球53b始终受到弹簧53b的推力。

当套筒11相对于芯轴2沿轴向移动时，第二限位槽52也相对于第一限位槽51沿轴向移动。当套筒11沿轴向移动至设定位置时，第一限位槽51与第二限位槽52沿径向重叠，即当第二限位槽52移动至与第一限位槽51沿径向对准时，弹性锁止部53伸入第二限位槽52中，以阻止套筒11继续移动。

应当知晓，套筒11可以沿轴向朝向不同的方向移动，以实现不同凸轮之间的切换。那么，为了实现沿轴向在两个方向的限位，第二限位槽52具有两个且沿轴向排布，弹性锁止部53沿轴向在两个第二限位槽52之间移动。

其中，第一限位槽51及其弹性锁止部53的数量可以是一个，也可以是两个。当第一限位槽51也具有两个时，每一个第一限位槽51及其弹性锁止部53与对应的第二限位槽52构成一组限位结构，两组限位结构分别用于对套筒11沿两个方向的移动进行限位。两组限位结构可以沿套筒11轴向排布。

在本实施例中，第一限位槽51只设置一个，并且两个第二限位槽52彼此沿轴向紧挨着。当套筒11沿轴向移动时，弹性锁止部53只能在两个第二限位槽52之间切换。

在其他实施例中，两个第二限位槽52之间的轴向距离可以根据套筒11需要沿轴向移动的距离来设定，两者之间呈正比关系。或者，如果针对每一气门，需要切换的凸轮的数量较多，需要对套筒11的移动设置多个设定位置，则第二限位槽52的数量也可以再增加。

第二实施例

如图11至13所示，本实施例与第一实施例的区别在于控制凸轮的结构有所不同，本实施例的控制凸轮13中，第一驱动面13a、第二驱动面13b的设计与第一实施例相同，如图13，第一驱动面13a、第二驱动面13b分别包括沿控制凸轮13的周向依次连接的进入段p1、切换段p2和退出段p3，凸轮装置1在切换段p2与执行机构3配合时被驱动。换言之，当执行机构3与进入段p1或者退出段p3接触时，并不能推动凸轮装置1沿轴向移动。

如图11至13所示，本实施例的控制凸轮与第一实施例的控制凸轮之间的区别在于，控制凸轮13的间隔部13c中设有环形凹槽13d。环形凹槽13d将第一驱动面13a与第二驱动面13b隔开。

其中，环形凹槽13d可以作为控制凸轮13的减重沟槽。或者，环形凹槽13d中还可以作为安装部，用于安装其他部件。

本实施例中，环形凹槽13d中设有位置检测装置14，如图14、图15所示，检测装置14为环状且套设于环形凹槽13d中，用于检测套筒11的轴向位置，即发动机凸轮装置的轴向位置。

本实施例中，位置检测装置14为磁性件，用于磁性传感器配合使用。其中磁性传感器一般可以固定安装在气缸或气缸盖上，通过对磁性件产生的磁场进行感应来检测套筒11是否发生轴向移动。

例如，如果当套筒11未发生轴向移动时，磁性件与磁性传感器沿径向对准，此时磁性传感器能够感应到磁性件；那么当套筒11发生轴向移动时，磁性件与磁性传感器沿径向错开，此时磁性传感器不能够感应到磁性件，则判定套筒11发生了轴向移动。

在其他实施例中，磁性件的形状不作限定，可以是块状、条状、弧形状或者其他形状。

第三实施例

本实施例提供另一种发动机，其与第一实施例的发动机的区别在于执行机构3与控制凸轮13的配合关系不同。

本实施例中，锁销部32的锁销(即第一锁销32a、第二锁销32b)在与 进入段p1的终点接触时、未完全伸出，并在与切换段p2接触的过程中完全伸出。

也就是说，当锁销部32的锁销需要伸出至与对应驱动面配合时，锁销伸出并进入到进入段p1，在锁销从进入段p1的起点运动到终点的过程中，锁销处于不断伸出的过程中。

但是当锁销运动到进入段p1的终点时，锁销尚未完全伸出，即没有伸到最大长度。此时，锁销进入切换段p2，并且继续伸出，并在切换段p2中完成伸出动作、在切换段中伸至最大长度。

如第一实施例所述，推动凸轮装置1运动需要的一定的推力f，而锁销所能提供的力与其伸出的长度有关。此外，锁销所能提供的力还与其直径、以及材料的强度有关。如果锁销的直径足够大，或者材料的强度足够大，那么，只要锁销未完全伸出时，例如伸至第二位置时所能提供可以达到甚至超过所需的推力f，那么，此时即使与切换段p2接触，也不会导致锁销的损坏。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。