用于内燃发动机的可变气门机构转让专利
申请号 : CN200680038383.5
文献号 : CN101300409B
文献日 : 2010-05-19
发明人 : 立野学
申请人 : 丰田自动车株式会社
摘要 :
蜗杆连接到致动器并且蜗轮连接到控制轴。蜗轮具有仅在预定角度范围内形成的齿。上述角度范围包括控制轴的所需旋转范围。蜗轮形成为在预定角度范围外与蜗杆脱开啮合。
权利要求 :
1.一种用于内燃发动机的可变气门机构，包括：
可变机构，其用于根据控制轴的角位置改变气门的最大升程量；以及致动器，其经由蜗轮蜗杆机构连接到所述控制轴，所述可变气门机构通过使用所述致动器经由所述蜗轮蜗杆机构旋转地驱动所述控制轴来改变所述气门的最大升程量；
其中，所述蜗轮蜗杆机构包括连接到所述致动器的蜗杆和连接到所述控制轴的蜗轮；
所述蜗轮具有在包括所述控制轴的所需旋转范围的预定角度范围内与所述蜗杆啮合的齿，并且所述蜗轮形成为在所述预定角度范围外脱开与所述蜗杆的啮合；
所述控制轴的所需旋转范围包括所述控制轴的从对应于所述气门的最大升程量的最小设定值的角位置到对应于所述气门的最大升程量的最大设定值的角位置的角度范围；并且所述预定角度范围设定为使得，当所述控制轴沿小升程方向旋转超过与所述最小设定值相关联的角位置时，所述蜗轮与所述蜗杆在所述气门的最大升程量达到实现临界进气量所需的最小极限值之前彼此脱开啮合，其中所述临界进气量允许所述内燃发动机维持最佳运转状态。
2.一种用于内燃发动机的可变气门机构，包括：
可变机构，其用于根据控制轴的角位置改变气门的最大升程量；以及致动器，其经由蜗轮蜗杆机构连接到所述控制轴，所述可变气门机构通过使用所述致动器经由所述蜗轮蜗杆机构旋转地驱动所述控制轴来改变所述气门的最大升程量；
其中，所述蜗轮蜗杆机构包括连接到所述致动器的蜗杆和连接到所述控制轴的蜗轮；
所述蜗轮具有在包括所述控制轴的所需旋转范围的预定角度范围内与所述蜗杆啮合的齿，并且所述蜗轮形成为在所述预定角度范围外脱开与所述蜗杆的啮合；
所述控制轴的所需旋转范围包括所述控制轴的从对应于所述气门的最大升程量的最小设定值的角位置到对应于所述气门的最大升程量的最大设定值的角位置的角度范围；并且所述预定角度范围设定为使得，当所述控制轴沿大升程方向旋转超过与所述最大设定值相关联的角位置时，所述蜗轮与所述蜗杆在所述气门的最大升程量达到能够防止所述气门与活塞之间碰撞的最大极限值之前彼此脱开啮合。
3.根据权利要求1或2所述的可变气门机构，
其中，所述可变机构包括：
摇动构件，其绕与凸轮轴平行设置的轴线摇动；
摇动凸轮表面，其形成在所述摇动构件上，所述摇动凸轮表面与支撑所述气门的气门支撑构件相接触以便朝提升方向挤压所述气门；
滑动表面，其形成在所述摇动构件上从而与凸轮相对；
中间构件，其夹置在所述凸轮和所述滑动表面之间；以及操作性耦联机构，其通过与所述控制轴的旋转的操作性耦联来改变所述中间构件在所述滑动表面上的位置，其中，所述预定角度范围设定为使得，当所述控制轴旋转超过所述所需旋转范围时，在所述中间构件在所述滑动表面上的位置达到所述滑动表面的极端之前，所述蜗轮与所述蜗杆彼此脱开啮合。
4.根据权利要求1或2所述的可变气门机构，进一步包括：推动装置，如果所述蜗轮与所述蜗杆由于所述蜗轮的过度旋转而彼此脱开啮合，所述推动装置朝向使所述蜗轮的齿与所述蜗杆啮合的一侧推动所述蜗轮。
5.根据权利要求4所述的可变气门机构，
其中，所述推动装置包括：
第一弹簧，其以相应于所述蜗轮沿大升程方向的旋转量的弹簧力沿小升程方向推动所述蜗轮；以及第二弹簧，其以相应于所述蜗轮沿小升程方向的旋转量的弹簧力沿大升程方向推动所述蜗轮。
6.根据权利要求1或2所述的可变气门机构，进一步包括：角位置传感器，其响应于所述控制轴的角位置产生信号输出；
控制装置，其基于所述角位置传感器的信号控制所述致动器使得所述控制轴的角位置与目标角位置相符；
开关，当所述控制轴旋转时所述开关的信号在预定参考角位置之前及之后改变；以及修正装置，其基于所述控制轴位于所述参考角位置处时要从所述角位置传感器输出的信号与所述开关的信号改变时从所述角位置传感器实际输出的信号之间的偏差来修正所述角位置传感器的信号。
7.根据权利要求1或2所述的可变气门机构，进一步包括：角位置传感器，其响应于所述控制轴的角位置产生信号输出；
控制装置，其基于所述角位置传感器的信号控制所述致动器使得所述控制轴的角位置与目标角位置相符；以及修正装置，其基于供给到所述致动器的动力大小与所述角位置传感器的信号之间的关系来修正所述角位置传感器的信号。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种可变气门机构，其可以通过可变机构改变气门的最大升程量。更具体地，本发明涉及一种具有操作可变机构的控制轴的可变气门机构，该控制轴经由蜗轮蜗杆机构连接到旋转地驱动该控制轴的致动器。
背景技术
例如日本专利公报No.2000-234507中公开的已知可变气门机构根据发动机的运转状况改变气门的最大升程量以及开启/关闭正时。日本专利公报No.2000-234507中公开的可变气门机构包括可变机构和致动器。该可变机构根据控制轴的角位置改变气门的最大升程量以及开启/关闭正时。致动器控制控制轴的角位置。致动器连接到蜗轮蜗杆机构的蜗杆侧。控制轴连接到蜗轮蜗杆机构的蜗轮侧。因此，致动器的旋转输入给控制轴，同时其旋转速度由蜗轮蜗杆机构减小。
上述已知的可变气门机构包括限制控制轴在前后旋转中的最大角位置的限制机构。限制机构包括与蜗轮一体旋转的限制销以及固定到蜗轮蜗杆机构的容纳盖的限制构件。限制销抵靠在限制构件上，从而防止蜗轮进一步旋转。因而限制控制轴的最大角位置。另外，弹性体一体地固定到限制构件以吸收不然会在限制销接触限制构件时受到的冲击。
包括上述文献，申请人所知的本发明的背景技术包括下列文献。
日本专利公报No.2000-234507
日本专利公报No.2002-349215
上述已知的可变气门机构包括限制控制轴在前后旋转中的最大角位置的限制机构。限制机构包括与蜗轮一体旋转的限制销以及固定到蜗轮蜗杆机构的容纳盖的限制构件。限制销抵靠在限制构件上，从而防止蜗轮进一步旋转。因而限制控制轴的最大角位置。另外，弹性体一体地固定到限制构件以吸收不然会在限制销接触限制构件时受到的冲击。
包括上述文献，申请人所知的本发明的背景技术包括下列文献。
日本专利公报No.2000-234507
日本专利公报No.2002-349215
发明内容
然而，在上述公知的可变气门机构中，致动器可因为系统故障等而旋转超过极限量。在这种情况下，虽然蜗轮的角位置由限制机构直接限制，但是蜗杆的最大角位置仅能够由蜗轮间接地限制。从而，蜗杆的旋入动作使蜗杆与蜗轮过度啮合，经常导致蜗轮蜗杆机构的锁止或损坏。
本发明解致力于上述的这些问题，并且本发明的目的是为具有操作可变机构的控制轴的可变气门机构提供一种结构，其中该控制轴经由蜗轮蜗杆机构连接到旋转地驱动该控制轴的致动器，所述结构能够防止蜗轮蜗杆机构由于致动器的过度旋转而锁止或损坏以及防止该可变气门机构由于控制轴的过度旋转而损坏。
为了实现上述目的，根据本发明的第一个方面，提供一种用于内燃发动机的可变气门机构，该可变气门机构包括：可变机构，其用于根据控制轴的角位置改变气门的最大升程量；以及致动器，其经由蜗轮蜗杆机构连接到控制轴，该可变气门机构通过使用致动器经由蜗轮蜗杆机构旋转地驱动控制轴来改变气门的最大升程量；其中，蜗轮蜗杆机构包括连接到致动器的蜗杆和连接到控制轴的蜗轮；并且蜗轮具有在包括控制轴的所需旋转范围的预定角度范围内与蜗杆啮合的齿，并且蜗轮形成为在预定角度范围外脱开与蜗杆的啮合。
根据本发明的第一方面，蜗轮具有在预定角度范围内与蜗杆啮合的齿。如果致动器由于系统故障等而旋转超过极限量，则蜗轮与蜗杆之间的接触点超过预定角度范围，这使得蜗轮与蜗杆之间脱开啮合。这切断了从蜗杆向蜗轮输入旋转。能够防止蜗轮蜗杆机构由于蜗杆的旋入动作而锁止或损坏或者防止该可变气门机构由于控制轴的过度旋转而损坏。
根据本发明的第二方面，提供一种如第一方面中所述的可变气门机构，其中，控制轴的所需旋转范围包括控制轴的从对应于气门的最大升程量的最小设定值的角位置到对应于气门的最大升程量的最大设定值的角位置的角度范围；并且预定角度范围设定为使得，当控制轴沿小升程方向旋转超过与最小设定值相关联的角位置时，蜗轮与蜗杆在气门的最大升程量达到实现临界进气量所需的最小极限值之前彼此脱开啮合，其中临界进气量允许内燃发动机维持最佳运转状态。
根据本发明的第二方面，即使控制轴由于致动器因系统故障等旋转超过极限量而沿小升程方向旋转超过与气门的最大升程量的最小设定值相关联的角位置，蜗轮和蜗杆也是在气门的最大升程量达到最小极限值之前脱开啮合。这防止控制轴进一步旋转。因此，能够防止气门的最大升程量变得小于最小极限值，因此获得允许内燃发动机维持最佳运转状态的临界进气量。
根据本发明的第三方面，提供一种如第一方面中所述的可变气门机构，其中，控制轴的所需旋转范围包括控制轴的从对应于所述气门的最大升程量的最小设定值的角位置到对应于气门的最大升程量的最大设定值的角位置的角度范围；并且预定角度范围设定为使得，当控制轴沿大升程方向旋转超过与最大设定值相关联的角位置时，蜗轮与蜗杆在气门的最大升程量达到能够防止气门与活塞之间碰撞的最大极限值之前彼此脱开啮合。
根据本发明的第三方面，即使控制轴由于致动器因系统故障等旋转超过极限量而沿大升程方向旋转超过对应于气门的最大升程量的最大设定值的角位置，蜗轮和蜗杆也是在气门的最大升程量达到最大极限值之前脱开彼此啮合。这防止控制轴进一步旋转。因此，能够防止气门的最大升程量变得大于最大极限值，因此避免气门与活塞之间的碰撞。
根据本发明的第四方面，提供一种如第一方面中所述的可变气门机构，其中，该可变机构包括：摇动构件，其绕与凸轮轴平行设置的轴线摇动；摇动凸轮表面，其形成在摇动构件上，摇动凸轮表面与支撑气门的气门支撑构件相接触以便朝提升方向挤压气门；滑动表面，其形成在摇动构件上从而与凸轮相对；中间构件，其夹置在凸轮和滑动表面之间；以及操作性耦联机构，其通过与控制轴的旋转的操作性耦联来改变中间构件在滑动表面上的位置，其中，预定角度范围设定为使得，当控制轴旋转超过所需旋转范围时，蜗轮与蜗杆在中间构件在滑动表面上的位置达到滑动表面的极端之前彼此脱开啮合。
根据本发明的第四方面，即使控制轴由于致动器因系统故障等旋转超过极限量而旋转超过所需旋转范围，蜗轮和蜗杆也在中间构件在滑动表面上的位置达到滑动表面的极端之前脱开啮合。这防止控制轴进一步旋转。这防止中间构件超出滑动表面的极端，使得中间构件不会落到凸轮和滑动表面之间的空间之外。
根据本发明的第五方面，提供一种如第一至第四方面中任一个所述的可变气门机构，该可变气门机构进一步包括推动装置，如果蜗轮与蜗杆由于蜗轮的过度旋转而彼此脱开啮合，则推动装置便朝向使蜗轮的齿与蜗杆啮合的一侧推动蜗轮。
根据本发明的第五方面，蜗轮的齿与蜗杆啮合，即使蜗轮和蜗杆彼此脱开啮合。因此能够通过沿后向转动蜗杆来使蜗轮与蜗杆啮合。这使得能够经由蜗轮蜗杆机构再次旋转控制轴，从而可以迅速恢复可变气门机构的运转。
根据本发明的第六方面，提供一种如第五方面中所述的可变气门机构，其中，推动装置包括：第一弹簧，其以相应于蜗轮沿大升程方向的旋转量的弹簧力沿小升程方向推动蜗轮；以及第二弹簧，其以相应于蜗轮沿小升程方向的旋转量的弹簧力沿大升程方向推动蜗轮。
根据本发明的第六方面，通过将弹簧用作推动蜗轮的装置，能够以相应于蜗轮的旋转量的推动力沿与旋转方向相反的方向推动蜗轮。这防止蜗轮和蜗杆彼此啮合时过大的力作用在二者之间。如果蜗轮和蜗杆彼此脱开啮合，还能够使二者可靠地彼此啮合。
根据本发明的第七方面，提供一种如第一至第六方面中任一个所述的可变气门机构，其进一步包括：角位置传感器，其响应于控制轴的角位置产生信号输出；控制装置，其基于角位置传感器的信号控制致动器使得控制轴的角位置与目标角位置相符；开关，当控制轴旋转时开关的信号在预定参考角位置之前及之后改变；以及修正装置，其基于控制轴位于参考角位置处时要从角位置传感器输出的信号与开关的信号改变时从角位置传感器实际输出的信号之间的偏差来修正角位置传感器的信号。
根据本发明的第七方面，在基于角位置传感器的信号来控制致动器时，参照开关信号的变化来进行信号修正。这能够防止控制轴的角位置由于角位置传感器的信号偏差而产生偏差。从而，能够防止控制轴由于受电压降低等所致的角位置传感器的信号偏差的影响而旋转超出所需旋转范围。
根据本发明的第八方面，提供一种如第一至第六方面中任一个所述的可变气门机构，进一步包括：角位置传感器，其响应于控制轴的角位置产生信号输出；控制装置，其基于角位置传感器的信号控制致动器使得控制轴的角位置与目标角位置相符；以及修正装置，其基于供给到致动器的动力大小与角位置传感器的信号之间的关系来修正角位置传感器的信号。
根据本发明的第八方面，在基于角位置传感器的信号来控制致动器时，参照供给致动器的动力大小来进行信号修正。这能够防止控制轴的角位置由于信号偏差而产生偏差。从而，能够防止控制轴由于受电压降低等所致的角位置传感器的信号偏差的影响而旋转超出所需旋转范围。
为了实现上述目的，根据本发明的第九方面，提供一种驱动系统，该驱动系统包括减小致动器转速的蜗轮蜗杆机构和以减小的速度输出旋转的驱动轴，其中，蜗轮蜗杆机构包括连接到致动器的蜗杆和连接到驱动轴的蜗轮；并且蜗轮具有仅在包括驱动轴的所需旋转范围的预定角度范围内形成在蜗轮上、与蜗杆啮合的齿，并且蜗轮在预定角度范围外的任何范围上脱开与蜗杆的啮合。
根据本发明的第九方面，蜗轮具有仅在预定角度范围内形成在其上的齿。如果致动器由于系统故障等旋转超出极限量，则蜗轮和蜗杆之间的接触点超出预定角度范围，因此使蜗轮和蜗杆彼此脱开啮合。这切断了从蜗杆向蜗轮的旋转输入。能够防止蜗轮蜗杆机构由于蜗杆的旋入动作而锁止或损坏或者能够防止受驱动元件由于驱动轴的过度旋转而损坏。应当指出的是，根据本发明第九方面的驱动系统不仅能够适用于内燃发动机的可变气门机构，还能够适用于任何输入轴(驱动轴)角度范围有限的的受驱动机构或系统。
根据本发明的第十方面，提供一种如第九方面中所述的驱动系统，该驱动系统进一步包括推动装置，当蜗轮与蜗杆由于蜗轮的过度旋转而彼此脱开啮合时，推动装置便朝向使蜗轮的齿与蜗杆啮合的一侧推动蜗轮。
根据本发明的第十方面，即使在蜗轮和蜗杆彼此脱开啮合时，蜗轮的齿保持与蜗杆接合。因此，通过沿相反方向旋转蜗杆，蜗轮和蜗杆能够再次相互啮合，这使得能够经由蜗轮蜗杆机构使控制轴再次旋转，从而使受驱动元件能够迅速恢复运转。
本发明解致力于上述的这些问题，并且本发明的目的是为具有操作可变机构的控制轴的可变气门机构提供一种结构，其中该控制轴经由蜗轮蜗杆机构连接到旋转地驱动该控制轴的致动器，所述结构能够防止蜗轮蜗杆机构由于致动器的过度旋转而锁止或损坏以及防止该可变气门机构由于控制轴的过度旋转而损坏。
为了实现上述目的，根据本发明的第一个方面，提供一种用于内燃发动机的可变气门机构，该可变气门机构包括：可变机构，其用于根据控制轴的角位置改变气门的最大升程量；以及致动器，其经由蜗轮蜗杆机构连接到控制轴，该可变气门机构通过使用致动器经由蜗轮蜗杆机构旋转地驱动控制轴来改变气门的最大升程量；其中，蜗轮蜗杆机构包括连接到致动器的蜗杆和连接到控制轴的蜗轮；并且蜗轮具有在包括控制轴的所需旋转范围的预定角度范围内与蜗杆啮合的齿，并且蜗轮形成为在预定角度范围外脱开与蜗杆的啮合。
根据本发明的第一方面，蜗轮具有在预定角度范围内与蜗杆啮合的齿。如果致动器由于系统故障等而旋转超过极限量，则蜗轮与蜗杆之间的接触点超过预定角度范围，这使得蜗轮与蜗杆之间脱开啮合。这切断了从蜗杆向蜗轮输入旋转。能够防止蜗轮蜗杆机构由于蜗杆的旋入动作而锁止或损坏或者防止该可变气门机构由于控制轴的过度旋转而损坏。
根据本发明的第二方面，提供一种如第一方面中所述的可变气门机构，其中，控制轴的所需旋转范围包括控制轴的从对应于气门的最大升程量的最小设定值的角位置到对应于气门的最大升程量的最大设定值的角位置的角度范围；并且预定角度范围设定为使得，当控制轴沿小升程方向旋转超过与最小设定值相关联的角位置时，蜗轮与蜗杆在气门的最大升程量达到实现临界进气量所需的最小极限值之前彼此脱开啮合，其中临界进气量允许内燃发动机维持最佳运转状态。
根据本发明的第二方面，即使控制轴由于致动器因系统故障等旋转超过极限量而沿小升程方向旋转超过与气门的最大升程量的最小设定值相关联的角位置，蜗轮和蜗杆也是在气门的最大升程量达到最小极限值之前脱开啮合。这防止控制轴进一步旋转。因此，能够防止气门的最大升程量变得小于最小极限值，因此获得允许内燃发动机维持最佳运转状态的临界进气量。
根据本发明的第三方面，提供一种如第一方面中所述的可变气门机构，其中，控制轴的所需旋转范围包括控制轴的从对应于所述气门的最大升程量的最小设定值的角位置到对应于气门的最大升程量的最大设定值的角位置的角度范围；并且预定角度范围设定为使得，当控制轴沿大升程方向旋转超过与最大设定值相关联的角位置时，蜗轮与蜗杆在气门的最大升程量达到能够防止气门与活塞之间碰撞的最大极限值之前彼此脱开啮合。
根据本发明的第三方面，即使控制轴由于致动器因系统故障等旋转超过极限量而沿大升程方向旋转超过对应于气门的最大升程量的最大设定值的角位置，蜗轮和蜗杆也是在气门的最大升程量达到最大极限值之前脱开彼此啮合。这防止控制轴进一步旋转。因此，能够防止气门的最大升程量变得大于最大极限值，因此避免气门与活塞之间的碰撞。
根据本发明的第四方面，提供一种如第一方面中所述的可变气门机构，其中，该可变机构包括：摇动构件，其绕与凸轮轴平行设置的轴线摇动；摇动凸轮表面，其形成在摇动构件上，摇动凸轮表面与支撑气门的气门支撑构件相接触以便朝提升方向挤压气门；滑动表面，其形成在摇动构件上从而与凸轮相对；中间构件，其夹置在凸轮和滑动表面之间；以及操作性耦联机构，其通过与控制轴的旋转的操作性耦联来改变中间构件在滑动表面上的位置，其中，预定角度范围设定为使得，当控制轴旋转超过所需旋转范围时，蜗轮与蜗杆在中间构件在滑动表面上的位置达到滑动表面的极端之前彼此脱开啮合。
根据本发明的第四方面，即使控制轴由于致动器因系统故障等旋转超过极限量而旋转超过所需旋转范围，蜗轮和蜗杆也在中间构件在滑动表面上的位置达到滑动表面的极端之前脱开啮合。这防止控制轴进一步旋转。这防止中间构件超出滑动表面的极端，使得中间构件不会落到凸轮和滑动表面之间的空间之外。
根据本发明的第五方面，提供一种如第一至第四方面中任一个所述的可变气门机构，该可变气门机构进一步包括推动装置，如果蜗轮与蜗杆由于蜗轮的过度旋转而彼此脱开啮合，则推动装置便朝向使蜗轮的齿与蜗杆啮合的一侧推动蜗轮。
根据本发明的第五方面，蜗轮的齿与蜗杆啮合，即使蜗轮和蜗杆彼此脱开啮合。因此能够通过沿后向转动蜗杆来使蜗轮与蜗杆啮合。这使得能够经由蜗轮蜗杆机构再次旋转控制轴，从而可以迅速恢复可变气门机构的运转。
根据本发明的第六方面，提供一种如第五方面中所述的可变气门机构，其中，推动装置包括：第一弹簧，其以相应于蜗轮沿大升程方向的旋转量的弹簧力沿小升程方向推动蜗轮；以及第二弹簧，其以相应于蜗轮沿小升程方向的旋转量的弹簧力沿大升程方向推动蜗轮。
根据本发明的第六方面，通过将弹簧用作推动蜗轮的装置，能够以相应于蜗轮的旋转量的推动力沿与旋转方向相反的方向推动蜗轮。这防止蜗轮和蜗杆彼此啮合时过大的力作用在二者之间。如果蜗轮和蜗杆彼此脱开啮合，还能够使二者可靠地彼此啮合。
根据本发明的第七方面，提供一种如第一至第六方面中任一个所述的可变气门机构，其进一步包括：角位置传感器，其响应于控制轴的角位置产生信号输出；控制装置，其基于角位置传感器的信号控制致动器使得控制轴的角位置与目标角位置相符；开关，当控制轴旋转时开关的信号在预定参考角位置之前及之后改变；以及修正装置，其基于控制轴位于参考角位置处时要从角位置传感器输出的信号与开关的信号改变时从角位置传感器实际输出的信号之间的偏差来修正角位置传感器的信号。
根据本发明的第七方面，在基于角位置传感器的信号来控制致动器时，参照开关信号的变化来进行信号修正。这能够防止控制轴的角位置由于角位置传感器的信号偏差而产生偏差。从而，能够防止控制轴由于受电压降低等所致的角位置传感器的信号偏差的影响而旋转超出所需旋转范围。
根据本发明的第八方面，提供一种如第一至第六方面中任一个所述的可变气门机构，进一步包括：角位置传感器，其响应于控制轴的角位置产生信号输出；控制装置，其基于角位置传感器的信号控制致动器使得控制轴的角位置与目标角位置相符；以及修正装置，其基于供给到致动器的动力大小与角位置传感器的信号之间的关系来修正角位置传感器的信号。
根据本发明的第八方面，在基于角位置传感器的信号来控制致动器时，参照供给致动器的动力大小来进行信号修正。这能够防止控制轴的角位置由于信号偏差而产生偏差。从而，能够防止控制轴由于受电压降低等所致的角位置传感器的信号偏差的影响而旋转超出所需旋转范围。
为了实现上述目的，根据本发明的第九方面，提供一种驱动系统，该驱动系统包括减小致动器转速的蜗轮蜗杆机构和以减小的速度输出旋转的驱动轴，其中，蜗轮蜗杆机构包括连接到致动器的蜗杆和连接到驱动轴的蜗轮；并且蜗轮具有仅在包括驱动轴的所需旋转范围的预定角度范围内形成在蜗轮上、与蜗杆啮合的齿，并且蜗轮在预定角度范围外的任何范围上脱开与蜗杆的啮合。
根据本发明的第九方面，蜗轮具有仅在预定角度范围内形成在其上的齿。如果致动器由于系统故障等旋转超出极限量，则蜗轮和蜗杆之间的接触点超出预定角度范围，因此使蜗轮和蜗杆彼此脱开啮合。这切断了从蜗杆向蜗轮的旋转输入。能够防止蜗轮蜗杆机构由于蜗杆的旋入动作而锁止或损坏或者能够防止受驱动元件由于驱动轴的过度旋转而损坏。应当指出的是，根据本发明第九方面的驱动系统不仅能够适用于内燃发动机的可变气门机构，还能够适用于任何输入轴(驱动轴)角度范围有限的的受驱动机构或系统。
根据本发明的第十方面，提供一种如第九方面中所述的驱动系统，该驱动系统进一步包括推动装置，当蜗轮与蜗杆由于蜗轮的过度旋转而彼此脱开啮合时，推动装置便朝向使蜗轮的齿与蜗杆啮合的一侧推动蜗轮。
根据本发明的第十方面，即使在蜗轮和蜗杆彼此脱开啮合时，蜗轮的齿保持与蜗杆接合。因此，通过沿相反方向旋转蜗杆，蜗轮和蜗杆能够再次相互啮合，这使得能够经由蜗轮蜗杆机构使控制轴再次旋转，从而使受驱动元件能够迅速恢复运转。
附图说明
图1是用于示出根据本发明第一实施方式的可变气门机构的总体结构的立体图。
图2是示出该可变气门机构从图1中的箭头A方向观察的视图。
图3A和3B是示出该可变气门机构的升程操作的视图，图3A示出该可变气门机构的气门关闭的状态，图3B示出该可变气门机构的气门开启的状态。
图4A和4B是示出用于改变可变气门机构的最大升程量的操作的视图，图4A示出大升程的状态，图4B示出小升程的状态。
图5是示出蜗轮蜗杆机构从图1中的箭头B方向观察的视图。
图6A是示出控制轴沿大升程方向旋转而超出图5示出布置中的正确操作范围的状态的视图。
图6B是示出控制轴沿小升程方向旋转而超出图5示出布置中的正确操作范围的状态的视图。
图7A是示出根据本发明第二实施方式的蜗轮蜗杆机构从图1的箭头B方向观察的视图。
图7B是示出控制轴沿小升程方向而旋转超出图7A示出布置中的正确操作范围的状态的视图。
图8是示出来自参考开关的信号变化和来自升程传感器的信号相对于蜗轮角位置而变化的图表。
图9是示出提供给马达的供电电流的大小变化和来自升程传感器的信号相对于蜗轮角位置而变化的图表。
图2是示出该可变气门机构从图1中的箭头A方向观察的视图。
图3A和3B是示出该可变气门机构的升程操作的视图，图3A示出该可变气门机构的气门关闭的状态，图3B示出该可变气门机构的气门开启的状态。
图4A和4B是示出用于改变可变气门机构的最大升程量的操作的视图，图4A示出大升程的状态，图4B示出小升程的状态。
图5是示出蜗轮蜗杆机构从图1中的箭头B方向观察的视图。
图6A是示出控制轴沿大升程方向旋转而超出图5示出布置中的正确操作范围的状态的视图。
图6B是示出控制轴沿小升程方向旋转而超出图5示出布置中的正确操作范围的状态的视图。
图7A是示出根据本发明第二实施方式的蜗轮蜗杆机构从图1的箭头B方向观察的视图。
图7B是示出控制轴沿小升程方向而旋转超出图7A示出布置中的正确操作范围的状态的视图。
图8是示出来自参考开关的信号变化和来自升程传感器的信号相对于蜗轮角位置而变化的图表。
图9是示出提供给马达的供电电流的大小变化和来自升程传感器的信号相对于蜗轮角位置而变化的图表。
具体实施方式
第一实施方式
下面将参照图1至图7B描述本发明的第一实施方式。
根据此实施方式的可变气门机构的总体结构
图1是示出根据本发明第一实施方式的可变气门机构的总体结构的立体图。参阅图1，根据本发明实施方式的可变气门机构100设置在凸轮轴120和进气门104之间。可变气门机构100操作性地耦联凸轮122的旋转运动和进气门104的竖向运动。可变气门机构100包括控制轴132，控制轴132设置成与凸轮轴120平行。改变控制轴132的角位置使得能够改变凸轮122的旋转运动与进气门104的竖向运动之间的操作性耦联状态，而该操作性耦联状态的改变又改变进气门104的作用角和最大升程量。
尽管图1中没有示出，内燃发动机具有用于每个气缸的可变气门机构100。例如，对于直列四缸发动机来说，四个可变气门机构100通过凸轮轴120串联地设置。只有一根控制轴132与凸轮轴120平行设置并且每个气缸的可变气门机构100共用该控制轴132。因此，通过控制此单根控制轴132的角位置来同时控制用于所有四个气缸的可变气门机构100，使得能够同时改变所有进气门104的作用角和最大升程量。
控制轴132由用作致动器的马达10旋转地驱动。蜗轮30紧固到控制轴132的端部。固定到马达10的输出轴12的蜗杆20与蜗轮30啮合。蜗轮30和蜗杆20构成齿轮机构(蜗轮蜗杆机构)。马达10的旋转借助蜗杆20输入到蜗轮30。这改变了控制轴132的角位置，同时实现了所有进气门102的作用角和最大升程量的改变。根据本发明实施方式的可变气门机构100的特征在于蜗轮30的设置，下文将对此进行详细描述。
马达10的旋转由ECU(电子控制单元)60控制，ECU 60提供内燃发动机的总体控制。ECU 60通过将升程传感器5的输出信号用作参考信号来控制马达10的旋转运动。升程传感器50是安装在控制轴132端部上的角位置传感器。升程传感器50根据控制轴132的角位置产生信号输出。
可变气门机构的具体设置
下面将详细描述可变气门机构100的设置。
图2是示出从图1中的箭头A方向观察的可变气门机构100的视图，箭头A平行于控制轴132的轴线延伸。如图2所示，进气门104由可变气门机构100中的摇臂110支撑。可变机构130设置在凸轮122和摇臂110之间。可变机构130将摇臂110的摇动运动操作性地耦联到凸轮122的旋转运动。可变机构130能够连续改变凸轮122的旋转运动与摇臂110的摇动运动之间的操作性耦联的状态。可变气门机构100适于以可变方式控制可变机构130以便改变摇臂110的摇动运动和摇动正时，从而连续地改变进气门104的包括最大升程量、作用角以及气门正时的气门开启特性。
可变机构130包括上述控制轴132。控制臂162紧固到控制轴132。控制臂162沿控制轴132的径向突出。弓形连杆臂164配合到该突起。连杆臂164具有通过销166以可旋转方式连接到控制臂162的近端部。销166从控制轴132的中心偏置，用作连杆臂164的摇动运动的支点。
另外，摇动凸轮臂150以可摇动方式支撑在控制轴132上。摇动凸轮臂150成对设置以便夹持控制臂162。根据本发明实施方式的内燃发动机包括用于每个气缸的两个进气门104，尽管图2中没有示出。因此，可变气门机构100设置成驱动两个进气门104。摇动凸轮臂150设置成与每个进气门102相关联。
摇动凸轮臂150设置成使得其前端朝向凸轮122旋转方向的上游侧。根据本发明的实施方式，凸轮轴120沿顺时针方向旋转，如图2中的箭头所示。摇动凸轮臂150包括形成在其与凸轮122相面对的侧面上的滑动表面156。滑动表面156与下文将要描述的第二滚轮174接触。滑动表面156朝凸轮122一侧略微弯曲，并形成为使得在距控制轴132中心——其作为摇动中心——较远处，离凸轮122中心的距离变大。
摇动凸轮表面152(152a、152b)形成在摇动凸轮臂150的与滑动表面156相背对的侧面上。摇动凸轮表面152包括非作用面152a和作用面152b。非作用面152a是凸轮基圆的圆周面并形成为距控制轴132中心的距离恒定。作用面152b形成在摇动凸轮臂150的前端侧上，从而连接并平滑延伸到非作用面152a。作用面152b形成为使得与控制轴132中心的距离(即凸轮高度)朝摇动凸轮臂150的前端变大。当非作用面152a和作用面152b在本申请文件中不作区分时，所述面将简单地称作摇动凸轮表面152。
第一滚轮172和第二滚轮174设置在摇动凸轮臂150的滑动表面156与凸轮122的表面之间。第一滚轮172和第二滚轮174都以可旋转方式支撑在耦联轴176上，耦联轴176紧固到上述连杆臂164的前端部。每个摇动凸轮臂150都设置第二滚轮174。第一滚轮172设置在一对第二滚轮174之间。第一滚轮172与凸轮122接触，而第二滚轮174与相应的摇动凸轮臂150的滑动表面156接触。连杆臂164能够绕销166枢转。因此，第一滚轮172和第二滚轮174能够在与销166保持预定距离的同时分别沿滑动表面156和凸轮122的表面摇动。根据本发明的实施方式，控制臂162和连杆臂164构成操作性耦联机构，该操作性耦联机构通过与控制轴132旋转的操作性耦联来改变第二滚轮174在滑动表面156上的位置。
摇动凸轮臂150包括形成在其中的弹簧座158。具有固定到内燃发动机一静止部分的远端的空动弹簧168钩连到弹簧座158。根据本发明实施方式的空动弹簧168是压缩弹簧。来自空动弹簧168的推动力用作压起滑动表面156从而使其向上抵靠第二滚轮174的推动力。该推动力还用作压起以共轴方式与第二滚轮174结合成一体的第一滚轮172从而使其向上抵靠凸轮122的推动力。因而，第一滚轮172和第二滚轮174通过从两侧夹持在滑动表面156和凸轮122之间而被正确地定位。
上述摇臂110设置在摇动凸轮臂150下方。摇臂110包括设置成与摇动凸轮表面152相面对的摇臂滚轮112。摇臂滚轮112以可旋转方式安装在摇臂110的中部。摇臂110具有第一端，支撑进气门104的气门杆102安装到该第一端。摇臂110还具有第二端，第二端由液压间隙调节器106以可旋转方式支撑。气门杆102由未图示的气门弹簧沿闭合方向——即向上推压摇臂110的方向——推动。此外，摇臂滚轮112通过该推动力和液压间隙调节器106而压靠摇动凸轮臂150的摇动凸轮表面152。
可变气门机构的操作
(1)可变气门机构的升程操作
下面将参照图3A和3B描述可变气门机构100的升程操作。图3A是示出可变气门机构的一种状态的视图，其中进气门104在升程操作过程中是关闭的。图3B是示出可变气门机构的状态的视图，其中进气门104在升程操作过程中完全开启。
在可变气门机构100中，凸轮122的旋转运动首先输入到与其接触的第一滚轮172。第一滚轮172连同与其以共轴方式结合的第二滚轮174一起绕销166摆动。这种摇动运动输入到摇动凸轮臂150的支撑第二滚轮174的滑动表面156。滑动表面156始终通过空动弹簧的推动力压靠第二滚轮174。因此，摇动凸轮臂150根据由第二滚轮174传递的凸轮122的旋转绕控制轴132摆动。
更具体地，当凸轮轴120从图3A中示出的状态旋转时，第一滚轮172在凸轮122上的接触点逐渐接近凸轮122的顶点部，如图3B所示。然后第一滚轮172被凸轮122相对地下压且摇动凸轮臂150的滑动表面156由与第一滚轮172结合的第二滚轮174下压。因而，摇动凸轮臂150绕控制轴132沿图3B中的顺时针方向旋转。
摇动凸轮臂150的旋转将摇臂滚轮112在摇动凸轮表面152上的接触位置从非作用面152a移动到作用面152b。这样一来便根据作用面152b距控制轴132的中心的距离而下压摇臂110，从而导致摇臂110绕着液压间隙调节器106的支撑点沿顺时针方向摆动。因而，进气门104由摇臂110下压并开启。参阅图3B，当第一滚轮172在凸轮122上的接触位置抵达凸轮122的顶点部时，摇动凸轮臂150的旋转量变为最大。同时，在这种情况下进气门104的升程量变得最大。
当凸轮轴120进一步旋转时，第一滚轮172在凸轮表面124上的接触位置移动越过凸轮122的顶点部。然后，摇动凸轮臂150此时在空动弹簧和气门弹簧的推动力作用下绕控制轴132沿图3B中的逆时针方向旋转。摇动凸轮臂150沿逆时针方向的旋转使摇臂滚轮112在摇动凸轮表面152上的接触位置朝非作用面152a一侧移动。因而，进气门104的升程量减小。当摇臂滚轮112在摇动凸轮表面152上的接触位置最终从作用面152b变化到非作用面152a时，如图3A所示，进气门104的升程量变为零。具体而言，进气门104关闭。
(2)可变气门机构的升程量变化操作
下面将参照图4A和图4B描述可变气门机构100的升程量变化操作。图4A是示出可变气门机构100的具有最大升程量的状态的视图，其中可变气门机构100运转从而给进气门104(图4A中省略)提供一个大升程。图4B是示出可变气门机构100的具有最大升程量的状态的视图，其中可变气门机构100运转从而给进气门104提供一个小升程。
当最大升程量从图4A中示出的升程量变为图4B中示出的升程量时，控制轴132在图4A中示出的状态下被旋转地驱动从而沿与凸轮轴120的旋转方向相反的方向(即图4A中的逆时针方向)旋转。控制臂162因而旋转到图4B中示出的角位置。当控制臂162旋转时，第二滚轮174沿滑动表面156在离开控制轴132的方向上移动。同时，第一滚轮172沿凸轮122朝凸轮122旋转方向的上游侧移动。控制臂162和连杆臂164构成操作性耦联机构，该操作性耦联机构通过与控制轴132转动的操作性耦联来改变第二滚轮174在滑动表面156上的位置。
第二滚轮174沿远离控制轴132的方向移动。这导致摇动凸轮臂150的摇动中心与第二滚轮174在滑动表面156上的接触位置P2之间的距离增大，并且摇动凸轮臂150的摇动角度范围因此减小。其原因是因为摇动凸轮臂150的摇动角度范围与摇动中心和作为振动输入点的接触位置P2之间的距离成反比例。摇动凸轮臂150的摇动角度范围的减小导致摇臂滚轮112所能够到达的最终接触位置P3在作用面152b上朝非作用面152a一侧移动。因而减小进气门104的最大升程量。摇臂滚轮112保持位于作用面152b上的期间的角度用作进气门104的作用角。最终接触位置P3往非作用面152a一侧的移动导致进气门104的作用角减小。
另一方面，当最大升程量从图4B中示出的升程量变为图4A中示出的升程量时，控制轴132在图4B中示出的状态下被旋转地驱动，从而沿与凸轮轴120的旋转方向相同的方向(即图4B中的顺时针方向)旋转。控制臂162因而旋转到图4A中示出的角位置。然后第二滚轮174沿接近控制轴132的方向移动。因而，摇动凸轮臂150的摇动中心与第二滚轮174在滑动表面156上接触位置P2之间的距离缩短，因此使摇动凸轮臂150的摇动角度范围增大。摇动凸轮臂150的摇动角度范围的增大导致摇臂滚轮112能够到达的最终接触位置P3朝作用面152b的前端侧移动。于是进气门104的最大升程量和作用角增大。
蜗轮蜗杆机构的具体设置
下面将详细描述将马达10的驱动力传递给控制轴132的齿轮机构(蜗轮蜗杆机构)。
图5是示出该蜗轮蜗杆机构从在图1中平行于控制轴132的轴线延伸的箭头B的方向(与图2至图4B的相反观察方向)观察的视图。如前所述，该蜗轮蜗杆机构包括固定到马达的输出轴12的蜗杆20和固定到控制轴132的蜗轮30。在图5中，控制轴132沿顺时针方向旋转得越多，进气门104的最大升程量变得越小。此外，控制轴132沿逆时针方向旋转得越多，进气门104的最大升程量变得越大。在下文中，控制轴132沿顺时针方向的旋转称为沿小升程方向的旋转，且控制轴132沿逆时针方向的旋转称为沿大升程方向的旋转。
根据本发明实施方式的蜗轮30形成为扇形而不是常见的圆形。因此，蜗轮30具有仅形成在有限的角度范围θWHEEL上的齿32。蜗轮30仅在该有限的角度范围θWHEEL内与蜗杆20的螺纹22啮合。换句话说，在该有限的角度范围θWHEEL之外的任何范围内，蜗轮30不与蜗杆20啮合。
上述角度范围θWHEEL包括控制轴132所需的旋转范围θA，即控制轴132从对应于进气门104的最大升程量的最小设定值的角位置到对应于进气门104的最大设定值的角位置的角度范围。蜗轮30沿小升程方向的旋转使蜗轮30与蜗杆20之间的接触点(位于与蜗杆20的轴线正交地延伸并以最短的中心距连接蜗轮30的中心的线上的接触点)PWORM到达所需旋转范围θA的小升程侧边界BMIN。此时，进气门104的最大升程量变为图4B中示出的最小设定值。另一方面，蜗轮30沿大升程方向的旋转使上述接触点到达所需旋转范围θA的大升程侧边界BMAX。此时，进气门104的最大升程量变为图4A中示出的最大设定值。
上述角度范围θWHEEL还包括设定在所需旋转范围θA两侧的相应外侧端上的调节临界θB1、θB2。设定这些调节临界θB1、θB2以消除由于每个元件的尺寸误差所致的所需旋转范围θA的设计值与实际值之间的误差。所述临界值基于每个元件的公差而算出。这些调节临界θB1、θB2加到所需旋转范围θA上的角度范围代表控制轴132正确操作范围。ECU60控制马达10的旋转，使得控制轴132旋转过该正确操作范围。
角度范围θWHEEL还包括设在调节临界θB1、θB2外侧的容差范围θC1、θC2。这些容差范围θC1、θC2代表在接触点PWORM落到控制轴132的正确操作范围外之后直到蜗轮30不再旋转的角度范围。当控制轴132沿大升程方向旋转而超出正确操作范围时，接触点PWORM进入容差范围θC1。当接触点PWORM最终超出容差范围θC1时，蜗轮30与蜗杆20脱开啮合，因此使蜗杆20空转。另一方面，当控制轴132沿小升程方向旋转超过正确操作范围时，接触点PWORM进入容差范围θC2。当接触点PWORM最终超出容差范围θC2时，蜗轮30与蜗杆20脱开啮合，因此使蜗杆20空转。
考虑例如来自升程传感器50的信号的偏差来设定上述容差范围θC1、θC2中的每一个。ECU 60基于来自升程传感器50的信号确定控制轴132的角位置。因此，如果来自升程传感器50的信号存在偏差，则可能发生下面的情形。具体而言，当使控制轴132旋转到与最大升程量的最小设定值或最大设定值相关联的角位置时，控制轴132可能旋转得略微超出上述正确操作范围。然而，如果容差范围θC1、θC2设定得过大的话，如果马达10由于系统故障等而错误地旋转，则可变气门机构100将因为控制轴132的过度旋转而损坏。因此，在根据本发明的实施方式的蜗轮30中，容差范围θC1、θC2以下文详述的方式设定。
大升程侧的容差范围θC1基于进气门104的最大升程量的最大极限值来设定。进气门104的最大升程量越大，进气门开启时进气门104与活塞(未图示)之间的间隙越小。该最大极限值意指最大升程量的极限值，在该极限值处能够避免进气门104与活塞之间的碰撞。容差范围θC1设定成当控制轴132沿大升程方向旋转超过正确操作范围时蜗轮30与蜗杆20彼此之间在最大升程量达到上述最大极限值之前脱开啮合。
小升程侧的容差范围θC2基于进气门104的最大升程量的最小极限值来设定。进气门104的最大升程量越小，吸入燃烧室的空气量减少得越多。该最小极限值意指获得使内燃发动机能够维持最佳运转状态的临界进气量所需的最大升程量的极限值。容差范围θC2设定成当控制轴132沿小升程方向旋转超过正确操作范围时蜗轮30与蜗杆20彼此之间在最大升程量达到上述最小极限值之前脱开啮合。
还考虑第二滚轮174在滑动表面156上的位置来设定容差范围θC1、θC2中的每一个。当控制轴132沿大升程方向旋转时，第二滚轮174在滑动表面156上朝其前端位置移动。当控制轴132沿大升程方向旋转时，第二滚轮174在滑动表面156上朝其后端位置移动。如果第二滚轮174由于控制轴132过度旋转而超出滑动表面156的极端，则第一滚轮172和第二滚轮174便落到凸轮122与摇动凸轮臂150之间的空间之外。因此，容差范围θC1、θC2中的每一个设定成当控制轴132旋转超出正确操作范围时蜗轮30与蜗杆20彼此之间于第二滚轮174在滑动表面156上位置到达滑动表面156的极端之前脱开啮合。
根据本发明实施方式的齿轮机构包括用于限制蜗轮30沿小升程方向的旋转的减震器40。减震器40在蜗轮30的旋转平面内相对于蜗轮30设置在小升程方向上。减震器40固定到内燃发动机的静止部分。如图5中以虚线示出的，当蜗轮30沿小升程方向旋转时，蜗轮30适于在接触点PWORM进入小升程侧的容差范围θC2之前或之后抵靠减震器40的头部。
齿轮机构的操作和效用
下面将参照图6A和6B描述具有上述设置的齿轮机构的操作和效用。
首先描述一种情形，其中控制轴132由于系统故障等所致的马达10的错误旋转而沿大升程方向旋转超过正确操作范围。如前所述，蜗轮30的齿32仅形成在有限的角度范围θWHEEL内。而且，包含在有限的角度范围θWHEEL内的大升程侧的容差范围θC1设定成蜗轮30与蜗杆20彼此之间在进气门104的最大升程量达到最大极限值之前脱开啮合。因此，如果控制轴132沿大升程方向旋转超出正确的操作范围，则蜗轮30与蜗杆20彼此之间在进气门104的最大升程量达到最大极限值之前脱开啮合，如图6A所示，从而防止控制轴132进一步旋转。这防止了进气门104的最大升程量超出并大于最大极限值，因此避免了进气门104与活塞之间的碰撞。
接下来描述另一种情形，其中控制轴132沿小升程方向旋转超出正确操作范围。如前所述，蜗轮30的齿32形成在包含于角度范围θWHEEL内的小升程侧的容差范围θC2内，容差范围θC2设定成蜗轮30与蜗杆20彼此之间在进气门104的最大升程量达到最小极限值之前脱开啮合。因此，如果控制轴132沿小升程方向旋转超出正确操作范围，则蜗轮30与蜗杆20彼此之间在进气门104的最大升程量达到最小极限值之前脱开啮合，如图6B所示，从而防止控制轴132进一步旋转。这防止了进气门104的最大升程量超出并小于最小极限值。因而能够获得使内燃发动机维持最佳运转状态的临界进气量。
蜗轮30与蜗杆20在其中如上所述地脱开彼此之间的啮合的设置可以确实地防止控制轴132由于过度旋转而发生故障。然而，如果蜗轮30与蜗杆20彼此之间脱开啮合的话，则不能控制所述控制轴132的角位置。为了通过使机构100从故障状态恢复而继续运转可变气门机构100，需要使蜗轮30能够与蜗杆20再次啮合，以便能够控制所述控制轴132的旋转。在这方面，如下文所述，根据本发明实施方式的齿轮机构使得蜗轮30能够容易地回到与蜗杆20啮合的状态。
由空动弹簧和气门弹簧的反作用力产生的扭矩始终作用于控制轴132上。该扭矩沿着关闭进气门104的方向作用；具体而言，沿着使控制轴132在小升程量方向上旋转的方向作用。控制轴132定位在大升程侧的角位置越大，该扭矩的量便越大。因此，在蜗轮30与蜗杆20彼此之间由于控制轴132沿大升程方向的过度旋转而脱开啮合的状态下，沿小升程方向的扭矩Ta作用在蜗轮30上。如图6A所示，扭矩Ta始终作用压紧蜗轮30而使其向上抵靠蜗杆20，使得蜗轮30的齿32与蜗杆20的螺纹22啮合的状态得以维持。因此，沿小升程方向旋转马达10使得蜗杆20的螺纹22能够拉动蜗轮30的齿32，因此使蜗轮30再次与蜗杆20啮合。在本发明的实施方式中，空动弹簧和气门弹簧对应于根据本发明一个方面的“第一弹簧”。
另一方面，当控制轴132沿小升程方向旋转时，由空动弹簧和气门弹簧的反作用力产生的扭矩减小。同时，蜗轮30抵靠减震器40，这使得由减震器40的反作用力产生的扭矩作用于控制轴132上。减震器40产生的扭矩的大小与弹簧42的压缩量成正比。控制轴132位于小升程侧的角位置更大，该扭矩变得更大。因此，在蜗轮30与蜗杆20彼此之间由于控制轴132沿小升程方向的过度旋转而脱开啮合的状态下，沿大升程方向的扭矩Tb作用在蜗轮30上。如图6B所示，扭矩Tb始终作用挤压蜗轮30而使其向上抵靠蜗杆20，使得蜗轮30的齿32与蜗杆20的螺纹22啮合的状态得以维持。因此，沿大升程方向旋转马达10使蜗杆20的螺纹22能够拉动蜗轮30的齿32，因此使蜗轮30再次与蜗杆20啮合。在本发明的实施方式中，减震器40的弹簧42对应于根据本发明另一个方面的“第二弹簧”。
如上所述，依照根据本发明实施方式的齿轮机构，通过在控制轴132沿大升程方向旋转的过程中使用空动弹簧或气门弹簧的反作用力以及在控制轴132沿小升程方向旋转的过程中使用弹簧42的反作用力，能够根据蜗轮30的旋转量沿与蜗轮30的旋转方向相反的方向推动蜗轮30。这防止了当蜗轮30与蜗杆20相互啮合时过多的力作用在蜗轮30和蜗杆20上。此外，当蜗轮30与蜗杆20彼此脱开啮合时，两者能够可靠地回到啮合状态。
第二实施方式
下面将参照图7A、7B和图8描述本发明的第二实施方式。
根据本发明第二实施方式的可变气门机构的特征在于，用于修正来自升程传感器50的信号偏差的装置被创新性地添加到根据本发明第一实施方式的装置的基本结构中。在图7A、7B和图8中的每一个中，相同的参考标号指代相同的部件，因而不再进行重复描述或者予以简化。
图7A是示出根据本发明第二实施方式的蜗轮蜗杆机构从图1的箭头B方向观察的视图。图7A对应于根据本发明第一实施方式的图5。参阅图7A，减震器40包括新添加的杠杆44。杠杆44固定到减震器40。因此，当蜗轮30抵靠在减震器40上时，杠杆44与减震器40一体地根据蜗轮30的旋转量移动。
参考开关62沿杠杆44的运动轨迹设置。参考开关62连接到ECU60。来自参考开关62的信号持续地输出到ECU 60。来自参考开关62的信号随着杠杆44的抵靠而从切断状态变为导通状态。在图7A中，当蜗轮30沿小升程方向旋转时，蜗轮30抵靠减震器40。此时蜗轮30的角位置称为“A”。当蜗轮30位于角位置“A”且减震器40和杠杆44位于虚线示出的位置时，参考开关62的信号切断。当蜗轮30进一步沿小升程方向旋转从而到达图7A中的角位置“B”并且杠杆44如图7A中以实线示出地接触参考开关62时，参考开关62的信号导通。角位置B设定成当控制轴132落在正确的操作范围内时获得。
图7B是示出蜗轮30进一步沿小升程方向旋转从而使蜗轮30与蜗杆20彼此之间脱开啮合的状态的视图。在该状态下，蜗轮30的角位置是图7B中的“C”。图7B中示出的蜗轮30的角位置“B”对应于图7A中的位置B。在蜗轮30处于角位置B的情况下，减震器40和杠杆44位于图7B中以虚线示出的位置。当蜗轮30从角位置B向角位置C旋转时，杠杆44持续压紧参考开关62。因此来自参考开关62的信号继续是导通。
图8是来自参考开关62的信号以及来自升程传感器50的信号相对于蜗轮30的角位置变化的图表。蜗轮30的角位置与进气门104的最大升程量具有一一对应的关系。如上所述，当蜗轮30的角位置相对于位置B位于大升程侧时，参考开关62的信号切断。此外，当蜗轮30的角位置相对于位置B位于小升程侧时，信号导通。另一方面，升程传感器50的信号与蜗轮30的角位置成正比地变化。当大升程侧的角位置更大时，该信号变得更大。ECU 60利用来自升程传感器50的信号确定蜗轮30的当前角位置(控制轴132的角位置)。然后ECU 60控制马达10的旋转，使得蜗轮30的角位置与根据内燃发动机的运转状况等确定的目标角位置相符。
参考开关62是具有导通或切断信号的简单结构。如果参考开关62合适地安装，则该信号相对于蜗轮30的角位置不易于发生偏差。然而，对于升程传感器50来说，电压降低或其它影响能够使信号产生偏差。例如，参阅图8，以实线示出的实际信号可相对于以双点划线示出的设计信号朝小升程侧偏移。如果来自升程传感器50的信号如上所示地存在偏差，则导致基于该信号控制的进气门104的最大升程量产生误差。
因此，ECU 60参照参考开关62的信号修正升程传感器50的信号。更具体地，在参考开关62的信号从切断状态变为导通状态时测量升程传感器50的信号。因此测得的信号与设计信号的偏差(图8中示出的“信号偏差”)设为修正信号，用于修正升程传感器50的信号。这使得经过修正的升程传感器50的信号与设计信号相符。因此可基于准确的位置信息来控制所述控制轴132的角位置。
如上所述，根据本发明的第二实施方式，当基于升程传感器50的信号控制马达10的旋转时，参照参考开关62的信号变化修正升程传感器50的信号。因此能够防止控制轴132的角位置因受升程传感器50的信号偏差影响而产生偏差。因此，如果升程传感器50的信号由于电压降低等影响而产生偏差时，能够防止在进气门104最大升程量的控制上产生偏差，否则将因为升程传感器50的信号偏差而使进气门104最大升程量的控制产生偏差。另外，还可以防止控制轴132旋转超出正确操作范围，否则将因为升程传感器50的信号使控制轴132旋转超出正确操作范围。
第三实施方式
下面将参照图9描述本发明的第三实施方式。
根据本发明第三实施方式的可变气门机构的特征在于，该机构允许修正升程传感器50的信号偏差，而无需给根据本发明第一实施方式的装置的结构中添加任何新装置。
图9是示出供给马达10的供电电流的大小变化以及来自升程传感器50的信号相对于蜗轮30的角位置变化的图表。图9的横坐标上示出的角位置A、B和C分别对应于本发明第二实施方式中例举的蜗轮30的角位置A、B和C。参阅图9，随着蜗轮30的角位置朝小升程侧变化，马达供电电流逐渐减小。这是由于下列原因造成的。具体而言，随着空动弹簧和气门弹簧的反作用力的减小，马达10所需的驱动力减小。然而，如果蜗轮30的角位置在小升程侧大于角位置A，则马达供电电流逐渐增大。这就是为什么在蜗轮30的角位置于小升程侧大于角位置A的情况下减震器40的反作用力作用于蜗轮30上的原因。
马达供电电流与所需的马达10的驱动力成正比。马达10所需的驱动力由控制轴10的角位置限定。假设马达供电电流与驱动力之间的关系以及所需驱动力与控制轴10的角位置之间的关系是恒定的，则可以有把握地假设马达供电电流与控制轴10的角位置(蜗轮30的角位置)之间的关系也是恒定的。根据本发明的第三实施方式，马达供电电流用作修正来自升程传感器50的信号偏差的参考信号。下面将描述根据本发明第三实施方式修正来自升程传感器50的信号偏差的方法。
当蜗轮位于角位置A时——即当蜗轮30抵靠减震器40时，马达供电电流变为最小值。当蜗轮30进一步沿小升程方向旋转从而位于角位置B时，马达供电电流比最小值增大ΔA。ECU 60用该电流差ΔA来修正升程传感器50的信号。更具体地，当马达供电电流从最小值增大到电流差ΔA时，测量升程传感器50的信号，并且通过将所测得的信号与设计信号之间的偏差(图9中示出的“信号偏差”)用作修正信号来修正升程传感器50的信号。这使得修正之后的升程传感器50的信号与设计信号相符。因而能够基于准确的位置信息来控制所述控制轴132的角位置。
如前所述，根据本发明的第三实施方式，在基于升程传感器50的信号来控制马达10的旋转时，参照马达供电电流的变化来修正升程传感器50的信号。因此，如本发明的第二实施方式中一样，能够防止控制轴132的角位置因受升程传感器50的信号偏差影响而产生偏差。而且，本发明的第三实施方式提供的优点是：在该机构中不包括任何新的参考开关的情况下获得与本发明第二实施方式相同的效果。
综述
已经参照具体实施方式描述了本发明，所述具体实施方式被认为仅仅是说明性和非限制性的，并且本发明不限于本文给出的细节，而是可以在不偏离本发明精神的情况下以各种方式来实施本发明。例如，除了本发明实施方式中给出的进气门，根据本发明的可变气门机构也可应用于排气门。
下面将参照图1至图7B描述本发明的第一实施方式。
根据此实施方式的可变气门机构的总体结构
图1是示出根据本发明第一实施方式的可变气门机构的总体结构的立体图。参阅图1，根据本发明实施方式的可变气门机构100设置在凸轮轴120和进气门104之间。可变气门机构100操作性地耦联凸轮122的旋转运动和进气门104的竖向运动。可变气门机构100包括控制轴132，控制轴132设置成与凸轮轴120平行。改变控制轴132的角位置使得能够改变凸轮122的旋转运动与进气门104的竖向运动之间的操作性耦联状态，而该操作性耦联状态的改变又改变进气门104的作用角和最大升程量。
尽管图1中没有示出，内燃发动机具有用于每个气缸的可变气门机构100。例如，对于直列四缸发动机来说，四个可变气门机构100通过凸轮轴120串联地设置。只有一根控制轴132与凸轮轴120平行设置并且每个气缸的可变气门机构100共用该控制轴132。因此，通过控制此单根控制轴132的角位置来同时控制用于所有四个气缸的可变气门机构100，使得能够同时改变所有进气门104的作用角和最大升程量。
控制轴132由用作致动器的马达10旋转地驱动。蜗轮30紧固到控制轴132的端部。固定到马达10的输出轴12的蜗杆20与蜗轮30啮合。蜗轮30和蜗杆20构成齿轮机构(蜗轮蜗杆机构)。马达10的旋转借助蜗杆20输入到蜗轮30。这改变了控制轴132的角位置，同时实现了所有进气门102的作用角和最大升程量的改变。根据本发明实施方式的可变气门机构100的特征在于蜗轮30的设置，下文将对此进行详细描述。
马达10的旋转由ECU(电子控制单元)60控制，ECU 60提供内燃发动机的总体控制。ECU 60通过将升程传感器5的输出信号用作参考信号来控制马达10的旋转运动。升程传感器50是安装在控制轴132端部上的角位置传感器。升程传感器50根据控制轴132的角位置产生信号输出。
可变气门机构的具体设置
下面将详细描述可变气门机构100的设置。
图2是示出从图1中的箭头A方向观察的可变气门机构100的视图，箭头A平行于控制轴132的轴线延伸。如图2所示，进气门104由可变气门机构100中的摇臂110支撑。可变机构130设置在凸轮122和摇臂110之间。可变机构130将摇臂110的摇动运动操作性地耦联到凸轮122的旋转运动。可变机构130能够连续改变凸轮122的旋转运动与摇臂110的摇动运动之间的操作性耦联的状态。可变气门机构100适于以可变方式控制可变机构130以便改变摇臂110的摇动运动和摇动正时，从而连续地改变进气门104的包括最大升程量、作用角以及气门正时的气门开启特性。
可变机构130包括上述控制轴132。控制臂162紧固到控制轴132。控制臂162沿控制轴132的径向突出。弓形连杆臂164配合到该突起。连杆臂164具有通过销166以可旋转方式连接到控制臂162的近端部。销166从控制轴132的中心偏置，用作连杆臂164的摇动运动的支点。
另外，摇动凸轮臂150以可摇动方式支撑在控制轴132上。摇动凸轮臂150成对设置以便夹持控制臂162。根据本发明实施方式的内燃发动机包括用于每个气缸的两个进气门104，尽管图2中没有示出。因此，可变气门机构100设置成驱动两个进气门104。摇动凸轮臂150设置成与每个进气门102相关联。
摇动凸轮臂150设置成使得其前端朝向凸轮122旋转方向的上游侧。根据本发明的实施方式，凸轮轴120沿顺时针方向旋转，如图2中的箭头所示。摇动凸轮臂150包括形成在其与凸轮122相面对的侧面上的滑动表面156。滑动表面156与下文将要描述的第二滚轮174接触。滑动表面156朝凸轮122一侧略微弯曲，并形成为使得在距控制轴132中心——其作为摇动中心——较远处，离凸轮122中心的距离变大。
摇动凸轮表面152(152a、152b)形成在摇动凸轮臂150的与滑动表面156相背对的侧面上。摇动凸轮表面152包括非作用面152a和作用面152b。非作用面152a是凸轮基圆的圆周面并形成为距控制轴132中心的距离恒定。作用面152b形成在摇动凸轮臂150的前端侧上，从而连接并平滑延伸到非作用面152a。作用面152b形成为使得与控制轴132中心的距离(即凸轮高度)朝摇动凸轮臂150的前端变大。当非作用面152a和作用面152b在本申请文件中不作区分时，所述面将简单地称作摇动凸轮表面152。
第一滚轮172和第二滚轮174设置在摇动凸轮臂150的滑动表面156与凸轮122的表面之间。第一滚轮172和第二滚轮174都以可旋转方式支撑在耦联轴176上，耦联轴176紧固到上述连杆臂164的前端部。每个摇动凸轮臂150都设置第二滚轮174。第一滚轮172设置在一对第二滚轮174之间。第一滚轮172与凸轮122接触，而第二滚轮174与相应的摇动凸轮臂150的滑动表面156接触。连杆臂164能够绕销166枢转。因此，第一滚轮172和第二滚轮174能够在与销166保持预定距离的同时分别沿滑动表面156和凸轮122的表面摇动。根据本发明的实施方式，控制臂162和连杆臂164构成操作性耦联机构，该操作性耦联机构通过与控制轴132旋转的操作性耦联来改变第二滚轮174在滑动表面156上的位置。
摇动凸轮臂150包括形成在其中的弹簧座158。具有固定到内燃发动机一静止部分的远端的空动弹簧168钩连到弹簧座158。根据本发明实施方式的空动弹簧168是压缩弹簧。来自空动弹簧168的推动力用作压起滑动表面156从而使其向上抵靠第二滚轮174的推动力。该推动力还用作压起以共轴方式与第二滚轮174结合成一体的第一滚轮172从而使其向上抵靠凸轮122的推动力。因而，第一滚轮172和第二滚轮174通过从两侧夹持在滑动表面156和凸轮122之间而被正确地定位。
上述摇臂110设置在摇动凸轮臂150下方。摇臂110包括设置成与摇动凸轮表面152相面对的摇臂滚轮112。摇臂滚轮112以可旋转方式安装在摇臂110的中部。摇臂110具有第一端，支撑进气门104的气门杆102安装到该第一端。摇臂110还具有第二端，第二端由液压间隙调节器106以可旋转方式支撑。气门杆102由未图示的气门弹簧沿闭合方向——即向上推压摇臂110的方向——推动。此外，摇臂滚轮112通过该推动力和液压间隙调节器106而压靠摇动凸轮臂150的摇动凸轮表面152。
可变气门机构的操作
(1)可变气门机构的升程操作
下面将参照图3A和3B描述可变气门机构100的升程操作。图3A是示出可变气门机构的一种状态的视图，其中进气门104在升程操作过程中是关闭的。图3B是示出可变气门机构的状态的视图，其中进气门104在升程操作过程中完全开启。
在可变气门机构100中，凸轮122的旋转运动首先输入到与其接触的第一滚轮172。第一滚轮172连同与其以共轴方式结合的第二滚轮174一起绕销166摆动。这种摇动运动输入到摇动凸轮臂150的支撑第二滚轮174的滑动表面156。滑动表面156始终通过空动弹簧的推动力压靠第二滚轮174。因此，摇动凸轮臂150根据由第二滚轮174传递的凸轮122的旋转绕控制轴132摆动。
更具体地，当凸轮轴120从图3A中示出的状态旋转时，第一滚轮172在凸轮122上的接触点逐渐接近凸轮122的顶点部，如图3B所示。然后第一滚轮172被凸轮122相对地下压且摇动凸轮臂150的滑动表面156由与第一滚轮172结合的第二滚轮174下压。因而，摇动凸轮臂150绕控制轴132沿图3B中的顺时针方向旋转。
摇动凸轮臂150的旋转将摇臂滚轮112在摇动凸轮表面152上的接触位置从非作用面152a移动到作用面152b。这样一来便根据作用面152b距控制轴132的中心的距离而下压摇臂110，从而导致摇臂110绕着液压间隙调节器106的支撑点沿顺时针方向摆动。因而，进气门104由摇臂110下压并开启。参阅图3B，当第一滚轮172在凸轮122上的接触位置抵达凸轮122的顶点部时，摇动凸轮臂150的旋转量变为最大。同时，在这种情况下进气门104的升程量变得最大。
当凸轮轴120进一步旋转时，第一滚轮172在凸轮表面124上的接触位置移动越过凸轮122的顶点部。然后，摇动凸轮臂150此时在空动弹簧和气门弹簧的推动力作用下绕控制轴132沿图3B中的逆时针方向旋转。摇动凸轮臂150沿逆时针方向的旋转使摇臂滚轮112在摇动凸轮表面152上的接触位置朝非作用面152a一侧移动。因而，进气门104的升程量减小。当摇臂滚轮112在摇动凸轮表面152上的接触位置最终从作用面152b变化到非作用面152a时，如图3A所示，进气门104的升程量变为零。具体而言，进气门104关闭。
(2)可变气门机构的升程量变化操作
下面将参照图4A和图4B描述可变气门机构100的升程量变化操作。图4A是示出可变气门机构100的具有最大升程量的状态的视图，其中可变气门机构100运转从而给进气门104(图4A中省略)提供一个大升程。图4B是示出可变气门机构100的具有最大升程量的状态的视图，其中可变气门机构100运转从而给进气门104提供一个小升程。
当最大升程量从图4A中示出的升程量变为图4B中示出的升程量时，控制轴132在图4A中示出的状态下被旋转地驱动从而沿与凸轮轴120的旋转方向相反的方向(即图4A中的逆时针方向)旋转。控制臂162因而旋转到图4B中示出的角位置。当控制臂162旋转时，第二滚轮174沿滑动表面156在离开控制轴132的方向上移动。同时，第一滚轮172沿凸轮122朝凸轮122旋转方向的上游侧移动。控制臂162和连杆臂164构成操作性耦联机构，该操作性耦联机构通过与控制轴132转动的操作性耦联来改变第二滚轮174在滑动表面156上的位置。
第二滚轮174沿远离控制轴132的方向移动。这导致摇动凸轮臂150的摇动中心与第二滚轮174在滑动表面156上的接触位置P2之间的距离增大，并且摇动凸轮臂150的摇动角度范围因此减小。其原因是因为摇动凸轮臂150的摇动角度范围与摇动中心和作为振动输入点的接触位置P2之间的距离成反比例。摇动凸轮臂150的摇动角度范围的减小导致摇臂滚轮112所能够到达的最终接触位置P3在作用面152b上朝非作用面152a一侧移动。因而减小进气门104的最大升程量。摇臂滚轮112保持位于作用面152b上的期间的角度用作进气门104的作用角。最终接触位置P3往非作用面152a一侧的移动导致进气门104的作用角减小。
另一方面，当最大升程量从图4B中示出的升程量变为图4A中示出的升程量时，控制轴132在图4B中示出的状态下被旋转地驱动，从而沿与凸轮轴120的旋转方向相同的方向(即图4B中的顺时针方向)旋转。控制臂162因而旋转到图4A中示出的角位置。然后第二滚轮174沿接近控制轴132的方向移动。因而，摇动凸轮臂150的摇动中心与第二滚轮174在滑动表面156上接触位置P2之间的距离缩短，因此使摇动凸轮臂150的摇动角度范围增大。摇动凸轮臂150的摇动角度范围的增大导致摇臂滚轮112能够到达的最终接触位置P3朝作用面152b的前端侧移动。于是进气门104的最大升程量和作用角增大。
蜗轮蜗杆机构的具体设置
下面将详细描述将马达10的驱动力传递给控制轴132的齿轮机构(蜗轮蜗杆机构)。
图5是示出该蜗轮蜗杆机构从在图1中平行于控制轴132的轴线延伸的箭头B的方向(与图2至图4B的相反观察方向)观察的视图。如前所述，该蜗轮蜗杆机构包括固定到马达的输出轴12的蜗杆20和固定到控制轴132的蜗轮30。在图5中，控制轴132沿顺时针方向旋转得越多，进气门104的最大升程量变得越小。此外，控制轴132沿逆时针方向旋转得越多，进气门104的最大升程量变得越大。在下文中，控制轴132沿顺时针方向的旋转称为沿小升程方向的旋转，且控制轴132沿逆时针方向的旋转称为沿大升程方向的旋转。
根据本发明实施方式的蜗轮30形成为扇形而不是常见的圆形。因此，蜗轮30具有仅形成在有限的角度范围θWHEEL上的齿32。蜗轮30仅在该有限的角度范围θWHEEL内与蜗杆20的螺纹22啮合。换句话说，在该有限的角度范围θWHEEL之外的任何范围内，蜗轮30不与蜗杆20啮合。
上述角度范围θWHEEL包括控制轴132所需的旋转范围θA，即控制轴132从对应于进气门104的最大升程量的最小设定值的角位置到对应于进气门104的最大设定值的角位置的角度范围。蜗轮30沿小升程方向的旋转使蜗轮30与蜗杆20之间的接触点(位于与蜗杆20的轴线正交地延伸并以最短的中心距连接蜗轮30的中心的线上的接触点)PWORM到达所需旋转范围θA的小升程侧边界BMIN。此时，进气门104的最大升程量变为图4B中示出的最小设定值。另一方面，蜗轮30沿大升程方向的旋转使上述接触点到达所需旋转范围θA的大升程侧边界BMAX。此时，进气门104的最大升程量变为图4A中示出的最大设定值。
上述角度范围θWHEEL还包括设定在所需旋转范围θA两侧的相应外侧端上的调节临界θB1、θB2。设定这些调节临界θB1、θB2以消除由于每个元件的尺寸误差所致的所需旋转范围θA的设计值与实际值之间的误差。所述临界值基于每个元件的公差而算出。这些调节临界θB1、θB2加到所需旋转范围θA上的角度范围代表控制轴132正确操作范围。ECU60控制马达10的旋转，使得控制轴132旋转过该正确操作范围。
角度范围θWHEEL还包括设在调节临界θB1、θB2外侧的容差范围θC1、θC2。这些容差范围θC1、θC2代表在接触点PWORM落到控制轴132的正确操作范围外之后直到蜗轮30不再旋转的角度范围。当控制轴132沿大升程方向旋转而超出正确操作范围时，接触点PWORM进入容差范围θC1。当接触点PWORM最终超出容差范围θC1时，蜗轮30与蜗杆20脱开啮合，因此使蜗杆20空转。另一方面，当控制轴132沿小升程方向旋转超过正确操作范围时，接触点PWORM进入容差范围θC2。当接触点PWORM最终超出容差范围θC2时，蜗轮30与蜗杆20脱开啮合，因此使蜗杆20空转。
考虑例如来自升程传感器50的信号的偏差来设定上述容差范围θC1、θC2中的每一个。ECU 60基于来自升程传感器50的信号确定控制轴132的角位置。因此，如果来自升程传感器50的信号存在偏差，则可能发生下面的情形。具体而言，当使控制轴132旋转到与最大升程量的最小设定值或最大设定值相关联的角位置时，控制轴132可能旋转得略微超出上述正确操作范围。然而，如果容差范围θC1、θC2设定得过大的话，如果马达10由于系统故障等而错误地旋转，则可变气门机构100将因为控制轴132的过度旋转而损坏。因此，在根据本发明的实施方式的蜗轮30中，容差范围θC1、θC2以下文详述的方式设定。
大升程侧的容差范围θC1基于进气门104的最大升程量的最大极限值来设定。进气门104的最大升程量越大，进气门开启时进气门104与活塞(未图示)之间的间隙越小。该最大极限值意指最大升程量的极限值，在该极限值处能够避免进气门104与活塞之间的碰撞。容差范围θC1设定成当控制轴132沿大升程方向旋转超过正确操作范围时蜗轮30与蜗杆20彼此之间在最大升程量达到上述最大极限值之前脱开啮合。
小升程侧的容差范围θC2基于进气门104的最大升程量的最小极限值来设定。进气门104的最大升程量越小，吸入燃烧室的空气量减少得越多。该最小极限值意指获得使内燃发动机能够维持最佳运转状态的临界进气量所需的最大升程量的极限值。容差范围θC2设定成当控制轴132沿小升程方向旋转超过正确操作范围时蜗轮30与蜗杆20彼此之间在最大升程量达到上述最小极限值之前脱开啮合。
还考虑第二滚轮174在滑动表面156上的位置来设定容差范围θC1、θC2中的每一个。当控制轴132沿大升程方向旋转时，第二滚轮174在滑动表面156上朝其前端位置移动。当控制轴132沿大升程方向旋转时，第二滚轮174在滑动表面156上朝其后端位置移动。如果第二滚轮174由于控制轴132过度旋转而超出滑动表面156的极端，则第一滚轮172和第二滚轮174便落到凸轮122与摇动凸轮臂150之间的空间之外。因此，容差范围θC1、θC2中的每一个设定成当控制轴132旋转超出正确操作范围时蜗轮30与蜗杆20彼此之间于第二滚轮174在滑动表面156上位置到达滑动表面156的极端之前脱开啮合。
根据本发明实施方式的齿轮机构包括用于限制蜗轮30沿小升程方向的旋转的减震器40。减震器40在蜗轮30的旋转平面内相对于蜗轮30设置在小升程方向上。减震器40固定到内燃发动机的静止部分。如图5中以虚线示出的，当蜗轮30沿小升程方向旋转时，蜗轮30适于在接触点PWORM进入小升程侧的容差范围θC2之前或之后抵靠减震器40的头部。
齿轮机构的操作和效用
下面将参照图6A和6B描述具有上述设置的齿轮机构的操作和效用。
首先描述一种情形，其中控制轴132由于系统故障等所致的马达10的错误旋转而沿大升程方向旋转超过正确操作范围。如前所述，蜗轮30的齿32仅形成在有限的角度范围θWHEEL内。而且，包含在有限的角度范围θWHEEL内的大升程侧的容差范围θC1设定成蜗轮30与蜗杆20彼此之间在进气门104的最大升程量达到最大极限值之前脱开啮合。因此，如果控制轴132沿大升程方向旋转超出正确的操作范围，则蜗轮30与蜗杆20彼此之间在进气门104的最大升程量达到最大极限值之前脱开啮合，如图6A所示，从而防止控制轴132进一步旋转。这防止了进气门104的最大升程量超出并大于最大极限值，因此避免了进气门104与活塞之间的碰撞。
接下来描述另一种情形，其中控制轴132沿小升程方向旋转超出正确操作范围。如前所述，蜗轮30的齿32形成在包含于角度范围θWHEEL内的小升程侧的容差范围θC2内，容差范围θC2设定成蜗轮30与蜗杆20彼此之间在进气门104的最大升程量达到最小极限值之前脱开啮合。因此，如果控制轴132沿小升程方向旋转超出正确操作范围，则蜗轮30与蜗杆20彼此之间在进气门104的最大升程量达到最小极限值之前脱开啮合，如图6B所示，从而防止控制轴132进一步旋转。这防止了进气门104的最大升程量超出并小于最小极限值。因而能够获得使内燃发动机维持最佳运转状态的临界进气量。
蜗轮30与蜗杆20在其中如上所述地脱开彼此之间的啮合的设置可以确实地防止控制轴132由于过度旋转而发生故障。然而，如果蜗轮30与蜗杆20彼此之间脱开啮合的话，则不能控制所述控制轴132的角位置。为了通过使机构100从故障状态恢复而继续运转可变气门机构100，需要使蜗轮30能够与蜗杆20再次啮合，以便能够控制所述控制轴132的旋转。在这方面，如下文所述，根据本发明实施方式的齿轮机构使得蜗轮30能够容易地回到与蜗杆20啮合的状态。
由空动弹簧和气门弹簧的反作用力产生的扭矩始终作用于控制轴132上。该扭矩沿着关闭进气门104的方向作用；具体而言，沿着使控制轴132在小升程量方向上旋转的方向作用。控制轴132定位在大升程侧的角位置越大，该扭矩的量便越大。因此，在蜗轮30与蜗杆20彼此之间由于控制轴132沿大升程方向的过度旋转而脱开啮合的状态下，沿小升程方向的扭矩Ta作用在蜗轮30上。如图6A所示，扭矩Ta始终作用压紧蜗轮30而使其向上抵靠蜗杆20，使得蜗轮30的齿32与蜗杆20的螺纹22啮合的状态得以维持。因此，沿小升程方向旋转马达10使得蜗杆20的螺纹22能够拉动蜗轮30的齿32，因此使蜗轮30再次与蜗杆20啮合。在本发明的实施方式中，空动弹簧和气门弹簧对应于根据本发明一个方面的“第一弹簧”。
另一方面，当控制轴132沿小升程方向旋转时，由空动弹簧和气门弹簧的反作用力产生的扭矩减小。同时，蜗轮30抵靠减震器40，这使得由减震器40的反作用力产生的扭矩作用于控制轴132上。减震器40产生的扭矩的大小与弹簧42的压缩量成正比。控制轴132位于小升程侧的角位置更大，该扭矩变得更大。因此，在蜗轮30与蜗杆20彼此之间由于控制轴132沿小升程方向的过度旋转而脱开啮合的状态下，沿大升程方向的扭矩Tb作用在蜗轮30上。如图6B所示，扭矩Tb始终作用挤压蜗轮30而使其向上抵靠蜗杆20，使得蜗轮30的齿32与蜗杆20的螺纹22啮合的状态得以维持。因此，沿大升程方向旋转马达10使蜗杆20的螺纹22能够拉动蜗轮30的齿32，因此使蜗轮30再次与蜗杆20啮合。在本发明的实施方式中，减震器40的弹簧42对应于根据本发明另一个方面的“第二弹簧”。
如上所述，依照根据本发明实施方式的齿轮机构，通过在控制轴132沿大升程方向旋转的过程中使用空动弹簧或气门弹簧的反作用力以及在控制轴132沿小升程方向旋转的过程中使用弹簧42的反作用力，能够根据蜗轮30的旋转量沿与蜗轮30的旋转方向相反的方向推动蜗轮30。这防止了当蜗轮30与蜗杆20相互啮合时过多的力作用在蜗轮30和蜗杆20上。此外，当蜗轮30与蜗杆20彼此脱开啮合时，两者能够可靠地回到啮合状态。
第二实施方式
下面将参照图7A、7B和图8描述本发明的第二实施方式。
根据本发明第二实施方式的可变气门机构的特征在于，用于修正来自升程传感器50的信号偏差的装置被创新性地添加到根据本发明第一实施方式的装置的基本结构中。在图7A、7B和图8中的每一个中，相同的参考标号指代相同的部件，因而不再进行重复描述或者予以简化。
图7A是示出根据本发明第二实施方式的蜗轮蜗杆机构从图1的箭头B方向观察的视图。图7A对应于根据本发明第一实施方式的图5。参阅图7A，减震器40包括新添加的杠杆44。杠杆44固定到减震器40。因此，当蜗轮30抵靠在减震器40上时，杠杆44与减震器40一体地根据蜗轮30的旋转量移动。
参考开关62沿杠杆44的运动轨迹设置。参考开关62连接到ECU60。来自参考开关62的信号持续地输出到ECU 60。来自参考开关62的信号随着杠杆44的抵靠而从切断状态变为导通状态。在图7A中，当蜗轮30沿小升程方向旋转时，蜗轮30抵靠减震器40。此时蜗轮30的角位置称为“A”。当蜗轮30位于角位置“A”且减震器40和杠杆44位于虚线示出的位置时，参考开关62的信号切断。当蜗轮30进一步沿小升程方向旋转从而到达图7A中的角位置“B”并且杠杆44如图7A中以实线示出地接触参考开关62时，参考开关62的信号导通。角位置B设定成当控制轴132落在正确的操作范围内时获得。
图7B是示出蜗轮30进一步沿小升程方向旋转从而使蜗轮30与蜗杆20彼此之间脱开啮合的状态的视图。在该状态下，蜗轮30的角位置是图7B中的“C”。图7B中示出的蜗轮30的角位置“B”对应于图7A中的位置B。在蜗轮30处于角位置B的情况下，减震器40和杠杆44位于图7B中以虚线示出的位置。当蜗轮30从角位置B向角位置C旋转时，杠杆44持续压紧参考开关62。因此来自参考开关62的信号继续是导通。
图8是来自参考开关62的信号以及来自升程传感器50的信号相对于蜗轮30的角位置变化的图表。蜗轮30的角位置与进气门104的最大升程量具有一一对应的关系。如上所述，当蜗轮30的角位置相对于位置B位于大升程侧时，参考开关62的信号切断。此外，当蜗轮30的角位置相对于位置B位于小升程侧时，信号导通。另一方面，升程传感器50的信号与蜗轮30的角位置成正比地变化。当大升程侧的角位置更大时，该信号变得更大。ECU 60利用来自升程传感器50的信号确定蜗轮30的当前角位置(控制轴132的角位置)。然后ECU 60控制马达10的旋转，使得蜗轮30的角位置与根据内燃发动机的运转状况等确定的目标角位置相符。
参考开关62是具有导通或切断信号的简单结构。如果参考开关62合适地安装，则该信号相对于蜗轮30的角位置不易于发生偏差。然而，对于升程传感器50来说，电压降低或其它影响能够使信号产生偏差。例如，参阅图8，以实线示出的实际信号可相对于以双点划线示出的设计信号朝小升程侧偏移。如果来自升程传感器50的信号如上所示地存在偏差，则导致基于该信号控制的进气门104的最大升程量产生误差。
因此，ECU 60参照参考开关62的信号修正升程传感器50的信号。更具体地，在参考开关62的信号从切断状态变为导通状态时测量升程传感器50的信号。因此测得的信号与设计信号的偏差(图8中示出的“信号偏差”)设为修正信号，用于修正升程传感器50的信号。这使得经过修正的升程传感器50的信号与设计信号相符。因此可基于准确的位置信息来控制所述控制轴132的角位置。
如上所述，根据本发明的第二实施方式，当基于升程传感器50的信号控制马达10的旋转时，参照参考开关62的信号变化修正升程传感器50的信号。因此能够防止控制轴132的角位置因受升程传感器50的信号偏差影响而产生偏差。因此，如果升程传感器50的信号由于电压降低等影响而产生偏差时，能够防止在进气门104最大升程量的控制上产生偏差，否则将因为升程传感器50的信号偏差而使进气门104最大升程量的控制产生偏差。另外，还可以防止控制轴132旋转超出正确操作范围，否则将因为升程传感器50的信号使控制轴132旋转超出正确操作范围。
第三实施方式
下面将参照图9描述本发明的第三实施方式。
根据本发明第三实施方式的可变气门机构的特征在于，该机构允许修正升程传感器50的信号偏差，而无需给根据本发明第一实施方式的装置的结构中添加任何新装置。
图9是示出供给马达10的供电电流的大小变化以及来自升程传感器50的信号相对于蜗轮30的角位置变化的图表。图9的横坐标上示出的角位置A、B和C分别对应于本发明第二实施方式中例举的蜗轮30的角位置A、B和C。参阅图9，随着蜗轮30的角位置朝小升程侧变化，马达供电电流逐渐减小。这是由于下列原因造成的。具体而言，随着空动弹簧和气门弹簧的反作用力的减小，马达10所需的驱动力减小。然而，如果蜗轮30的角位置在小升程侧大于角位置A，则马达供电电流逐渐增大。这就是为什么在蜗轮30的角位置于小升程侧大于角位置A的情况下减震器40的反作用力作用于蜗轮30上的原因。
马达供电电流与所需的马达10的驱动力成正比。马达10所需的驱动力由控制轴10的角位置限定。假设马达供电电流与驱动力之间的关系以及所需驱动力与控制轴10的角位置之间的关系是恒定的，则可以有把握地假设马达供电电流与控制轴10的角位置(蜗轮30的角位置)之间的关系也是恒定的。根据本发明的第三实施方式，马达供电电流用作修正来自升程传感器50的信号偏差的参考信号。下面将描述根据本发明第三实施方式修正来自升程传感器50的信号偏差的方法。
当蜗轮位于角位置A时——即当蜗轮30抵靠减震器40时，马达供电电流变为最小值。当蜗轮30进一步沿小升程方向旋转从而位于角位置B时，马达供电电流比最小值增大ΔA。ECU 60用该电流差ΔA来修正升程传感器50的信号。更具体地，当马达供电电流从最小值增大到电流差ΔA时，测量升程传感器50的信号，并且通过将所测得的信号与设计信号之间的偏差(图9中示出的“信号偏差”)用作修正信号来修正升程传感器50的信号。这使得修正之后的升程传感器50的信号与设计信号相符。因而能够基于准确的位置信息来控制所述控制轴132的角位置。
如前所述，根据本发明的第三实施方式，在基于升程传感器50的信号来控制马达10的旋转时，参照马达供电电流的变化来修正升程传感器50的信号。因此，如本发明的第二实施方式中一样，能够防止控制轴132的角位置因受升程传感器50的信号偏差影响而产生偏差。而且，本发明的第三实施方式提供的优点是：在该机构中不包括任何新的参考开关的情况下获得与本发明第二实施方式相同的效果。
综述
已经参照具体实施方式描述了本发明，所述具体实施方式被认为仅仅是说明性和非限制性的，并且本发明不限于本文给出的细节，而是可以在不偏离本发明精神的情况下以各种方式来实施本发明。例如，除了本发明实施方式中给出的进气门，根据本发明的可变气门机构也可应用于排气门。