本发明提供了一种由电机驱动的可变气门正时和可变气门升程的装置。根据内燃机的运行特征和要求，仅通过一套装置，即可实现气门正时和升程的同时改变，且成本低廉，机构可靠，响应快速，精确度高，对怠速和冷启动均能充分应对，与可变压缩比(VCR)等先进技术可较好地匹配，甚至极有可能取消现有的节气门机构，重要的是加装该装置对现存的内燃机结构修改不大，对提高内燃机效率有极其明显的作用。该装置包括一个凸轮轴驱动机构、一个偏心环旋转机构和一个逆向运动传递自锁的减速机构，通过凸轮轴驱动机构将曲轴的旋转运动转变为凸轮轴的旋转运动，通过减速机构将其内置电机的高速小扭矩旋转运动转变为低速大扭矩旋转运动，并驱动偏心环旋转机构同时改变气门的正时和升程。
1.一种用于内燃机的改变气门正时和改变气门升程的装置，其包括：凸轮轴驱动机构(200)、偏心环旋转机构(10)和减速机构(300)，其特征在于：所述凸轮轴驱动机构(200)包括凸轮轴链轮(201)、外圈(202)、支撑套(206)、行星齿轮(207)和齿圈(208)，凸轮轴链轮(201)和齿圈(208)被固定安装在外圈(202)上，外圈(202)被可旋转地安装在支撑套(206)上，支撑套(206)被固定在缸盖上；凸轮轴链轮(201)、齿圈(208)、外圈(202)和支撑套(206)四个零件的轴线或旋转中心均与中心轴线(102)重合，当曲轴驱动凸轮轴链轮(201)旋转时，凸轮轴链轮(201)、齿圈(208)和外圈(202)三个零件均被驱动，使其绕中心轴线(102)同步旋转；
行星齿轮(207)，被固定安装在凸轮轴(100)的前端，其旋转轴线与凸轮轴轴线(101)重合；行星齿轮(207)与齿圈(208)内啮合，此两个零件的旋转轴线之间具有中心距L，当齿圈(208)绕中心轴线(102)旋转时，驱动行星齿轮(207)绕凸轮轴轴线(101)旋转，与行星齿轮(207)固定在一起的凸轮轴(100)也绕凸轮轴轴线(101)同步旋转，至此，完成了曲轴对凸轮轴(100)的旋转驱动；
所述偏心环旋转机构(10)包括至少一个偏心环(307)，所述的偏心环(307)具有内外两个圆柱表面，其两个圆柱表面的轴线之间具有偏心量E，所述的偏心量E等于行星齿轮(207)与齿圈(208)旋转轴线之间的中心距L，所述偏心环(307)被可旋转地套接在凸轮轴(100)轴颈和凸轮轴承座内孔(108)之间，其内圆柱表面(304)与凸轮轴(100)轴颈滑动接触，其外圆柱表面(305)与凸轮轴承座内孔(108)滑动接触，接触面之间安装滑动轴承或安装滚动轴承；
凸轮轴承座内孔(108)和偏心环外圆柱表面(305)的轴线与中心轴线(102)重合，因此，偏心环(307)的旋转被限定在绕中心轴线(102)旋转，又由于偏心量E等于中心距L，所以，所述的齿圈(208)、行星齿轮(207)、偏心环(307)、凸轮轴轴线(101)和中心轴线(102)共同组建了一个K-H-V行星齿轮传动机构；
当齿圈(208)被驱动旋转时，由于啮合关系，行星齿轮(207)和凸轮轴(100)被驱动旋转，此时气门升程和正时角度均未改变；
当偏心环(307)被驱动旋转时，一方面偏心环(307)将带动凸轮轴轴线(101)以偏心量E为半径，沿运行轨迹(104)与偏心环(307)同向旋转，另一方面由于齿圈(208)与行星齿轮(207)相互啮合的约束关系，使得行星齿轮(207)同时绕凸轮轴轴线(101)逆向旋转；
凸轮轴轴线(101)沿运行轨迹(104)的移动改变了凸轮轴(100)相对于气门挺柱或气门摇臂的距离或升程，凸轮轴(100)绕自身轴线(101)旋转，改变了凸轮相对于气门开启或关闭的角度；
即，偏心环(307)的旋转角度能够唯一对应于气门升程和气门正时角度。
2.一种用于内燃机的改变气门正时和改变气门升程的装置，其包括：凸轮轴驱动机构(200)、偏心环旋转机构(10)和减速机构(300)，其特征在于：所述凸轮轴驱动机构(200)包括凸轮轴链轮(201)、外圈(202)、支撑套(206)、行星齿轮(207)和齿圈(208)，凸轮轴链轮(201)和齿圈(208)被固定安装在外圈(202)上，外圈(202)被可旋转地安装在支撑套(206)上，支撑套(206)被固定在缸盖上；凸轮轴链轮(201)、齿圈(208)、外圈(202)和支撑套(206)四个零件的轴线或旋转中心均与中心轴线(102)重合，当曲轴驱动凸轮轴链轮(201)旋转时，凸轮轴链轮(201)、齿圈(208)和外圈(202)三个零件均被驱动，使其绕中心轴线(102)同步旋转；
行星齿轮(207)，被固定安装在凸轮轴(100)的前端，其旋转轴线与凸轮轴轴线(101)重合；行星齿轮(207)与齿圈(208)内啮合，此两个零件的旋转轴线之间具有中心距L，当齿圈(208)绕中心轴线(102)旋转时，驱动行星齿轮(207)绕凸轮轴轴线(101)旋转，与行星齿轮(207)固定在一起的凸轮轴(100)也绕凸轮轴轴线(101)同步旋转，至此，完成了曲轴对凸轮轴(100)的旋转驱动；
所述的偏心环旋转机构(10)，其包括第一偏心环(307a)和至少一个偏心环(307)，所述的第一偏心环(307a)和偏心环(307)均具有内外两个圆柱表面，其两个圆柱表面的轴线之间具有偏心量E，所述的偏心量E等于行星齿轮(207)与齿圈(208)旋转轴线之间的中心距L；
所述第一偏心环(307a)被可旋转地套接在凸轮轴(100)轴颈和固定支架(111)的内孔(108a)之间，其内圆柱表面(304a)与凸轮轴(100)轴颈滑动接触，其外圆柱表面(305a)与固定支架内孔(108a)滑动接触，接触面之间安装滑动轴承或安装滚动轴承；所述的固定支架内孔(108a)的轴线与中心轴线(102)重合，所述的第一偏心环(307a)的外圆柱表面(305a)受到所接触的支架内孔(108a)的限制，也以中心轴线(102)为中心；
所述偏心环(307)被可旋转地套接在凸轮轴(100)轴颈和凸轮轴承座内孔(108)之间，其内圆柱表面(304)与凸轮轴(100)轴颈滑动接触，其外圆柱表面(305)与凸轮轴承座内孔(108)之间安装滚动轴承(110)；所述的凸轮轴承座内孔(108)的轴线与中心轴线(102)重合，所述的偏心环(307)的外圆柱表面(305)受到所接触的凸轮轴承座内孔(108)的限制，也以中心轴线(102)为中心；
当来自电机(330)的扭矩通过减速机构传递到插销盘(310)时，插销盘的旋转直接带动与其固定连接的第一偏心环(307a)绕中心轴线旋转，第一偏心环(307a)的旋转带动其它偏心环(307)旋转；
由于第一偏心环(307a)和偏心环(307)的偏心量E等于中心距L，所以，所述的齿圈(208)、行星齿轮(207)、第一偏心环(307a)、偏心环(307)、凸轮轴轴线(101)和中心轴线(102)共同组建了一个K-H-V行星齿轮传动机构；
当齿圈(208)被驱动旋转时，由于啮合关系，行星齿轮(207)和凸轮轴(100)被驱动旋转，此时气门升程和正时角度均未改变；
当第一偏心环(307a)被驱动旋转时，一方面第一偏心环(307a)将带动凸轮轴轴线(101)以偏心量E为半径，沿运行轨迹(104)与第一偏心环(307a)同向旋转，另一方面由于齿圈(208)与行星齿轮(207)相互啮合的约束关系，使得行星齿轮(207)同时绕凸轮轴轴线(101)逆向旋转；
凸轮轴轴线(101)沿运行轨迹(104)的移动改变了凸轮轴(100)相对于气门挺柱或气门摇臂的距离或升程，凸轮轴(100)绕自身轴线(101)旋转，改变了凸轮相对于气门开启或关闭的角度；
即，第一偏心环(307a)的旋转角度能够唯一对应于气门升程和气门正时角度。
3.根据权利要求1所述的一种用于内燃机的改变气门正时和改变气门升程的装置，其特征在于：所述的偏心环旋转机构(10)，包括一根调节轴(302)、至少一个调节轴承座(105)、至少一个调节齿轮(306)、与调节齿轮(306)数量相等的偏心齿轮(303)和偏心环(307)、至少一个凸轮轴承座(103)、凸轮轴(100)以及中心轴线(102)；
所述的调节轴(302)与凸轮轴(100)平行地布置在内燃机缸盖上，并可旋转地被安装在所述调节轴承座(105)中；
所述的调节轴(302)一端与减速机构(300)相连接，并由减速机构(300)驱动其绕调节轴轴线(301)旋转；
所述调节齿轮(306)固定安装在调节轴(302)上，该调节齿轮(306)与所述的偏心齿轮(303)相啮合，所述的偏心齿轮(303)为一扇形齿轮，所述的偏心齿轮(303)的扇形角α小于或等于360度；
所述的偏心齿轮(303)被固定在所述的偏心环(307)上；
所述的调节轴(302)的旋转带动调节齿轮(306)旋转，并驱动与之相啮合的偏心齿轮(303)以及偏心环(307)绕中心轴线(102)旋转。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于内燃机的改变气门正时和改变气门升程的装置，其特征在于：所述减速机构(300)为少齿差行星轮减速机构，包括：插销盘(310)、至少一个插销(311)、少齿差行星轮(312)、少齿差行星轮内圆柱表面(313)、少齿差齿圈(315)、插销孔(317)、插销盘轴线(319)、偏心轮(320)、偏心轮内圆柱表面(321)、偏心轮外圆柱表面(322)，偏心轮轴线(323)、外壳(324)、支撑环(325)、支撑环外圆柱表面(326)、其中，偏心轮具有偏心轮偏心量e；
所述的插销盘(310)作为输出轴与需要被驱动的调节轴(302)或第一偏心环(307a)固定连接，且连接与被连接件的旋转轴线包括电机轴线(332)均重合；
沿着插销盘轴线(319)距离半径R1的圆周上，被固定设置且均匀分布4至12个插销(311)，在距离少齿差行星轮(312)旋转轴线半径为R1的圆周上，均匀分布与插销(311)数量相同的插销孔(317)，该插销孔(317)的直径等于插销(311)直径与两倍偏心轮偏心量e之和；
沿着插销盘轴线(319)距离半径R2的圆周上，开设一段环形槽(318)，其环形槽扇形角β小于360度；限位销(327)一端被固定安装在外壳(324)上，另一端插入插销盘(310)的环形槽(318)中；
插销盘(310)的另一端与少齿差行星轮(312)可滑动地贴合在一起，固定安装在插销盘(310)上的插销(311)则插入对应的少齿差行星轮(312)上开设的插销孔(317)中；
所述的少齿差行星轮内圆柱表面(313)被可旋转地安装在偏心轮外圆柱表面(322)上，而偏心轮内圆柱表面(321)则被可旋转地安装在支撑环外圆柱表面(326)上；
所述的支撑环(325)固定安装在外壳(324)的中部，使支撑环外圆柱表面(326)的轴线与插销盘轴线(319)、调节轴轴线(301)以及电机轴线(332)重合；
偏心轮轴线(323)、偏心轮外圆柱表面(322)的旋转轴线、少齿差行星轮(312)旋转轴线全部重合；
所述的电机轴(331)与偏心轮(320)固定连接，电机轴(331)的电机轴线(332)与偏心轮(320)的内圆柱表面(321)的轴线重合。
5.根据权利要求4所述的一种用于内燃机的改变气门正时和改变气门升程的装置，其特征在于：当角度传感器(109)将其感知到的凸轮相位角发送给内燃机的控制单元时，ECU向电机(330)发出执行指令；
当电机(330)从内燃机ECU接受指令后，电机(330)驱动电机轴(331)绕电机轴线(332)旋转时，其驱动偏心轮(320)旋转，偏心轮(320)的旋转一方面驱动少齿差行星轮(312)绕插销盘轴线(319)同方向公转，另一方面驱动少齿差行星轮(312)绕偏心轮轴线(323)逆向旋转；
少齿差行星轮(312)的旋转以及少齿差行星轮齿(314)和少齿差齿圈轮齿(316)的共同作用，驱动与其贴合在一起的插销盘(310)等速同方向旋转，进一步插销盘(310)驱动调节轴(302)、调节齿轮(306)、偏心齿轮(303)和偏心环(307)旋转。
6.根据权利要求4所述的一种用于内燃机的改变气门正时和改变气门升程的装置，其特征在于：当角度传感器(109a)将其感知到的凸轮相位角发送给内燃机的控制单元时，ECU向电机(330)发出执行指令；
当电机(330)从内燃机ECU接受指令后，电机(330)驱动电机轴(331)绕电机轴线(332)旋转时，其驱动偏心轮(320)旋转，偏心轮(320)的旋转一方面驱动少齿差行星轮(312)绕插销盘轴线(319)同方向公转，同时根据少齿差行星轮(312)的齿数、少齿差齿圈(315)的齿数和偏心轮偏心量e的大小所决定的速比绕偏心轮轴线(323)逆向旋转；
少齿差行星轮(312)的旋转以及少齿差行星轮齿(314)和少齿差齿圈轮齿(316)的共同作用，驱动与其贴合在一起的插销盘(310)等速同方向旋转，进一步插销盘(310)直接驱动第一偏心环(307a)乃至其余偏心环(307)旋转。
7.根据权利要求4所述的一种用于内燃机的改变气门正时和改变气门升程的装置，其特征在于：在内燃机运行中，当来自于凸轮轴(100)的扭矩反向作用于电机(330)时，其扭矩将依次传递到偏心环(307)、偏心齿轮(303)、调节齿轮(306)、调节轴(302)、插销盘(310)、少齿差行星轮(312)和偏心轮(320)，由于存在足够小的偏心轮偏心量e，能够使偏心轮(320)的内圆柱表面(321)相对于滑动接触的支撑环外圆柱表面(326)之间产生自锁。
8.根据权利要求4所述的一种用于内燃机的改变气门正时和改变气门升程的装置，其特征在于：在内燃机运行中，当来自于凸轮轴(100)的扭矩反向作用于电机(330)时，其扭矩将依次传递到偏心环(307)、第一偏心环(307a)、插销盘(310)、少齿差行星轮(312)和偏心轮(320)，由于存在足够小的偏心轮偏心量e，能够使偏心轮(320)的内圆柱表面(321)相对于滑动接触的支撑环外圆柱表面(326)之间产生自锁。
9.根据权利要求3所述的一种用于内燃机的改变气门正时和改变气门升程的装置，其特征在于：采用一根调节轴(302)同时改变进气凸轮和排气凸轮的相位和升程。
10.根据权利要求1或2所述的一种用于内燃机的改变气门正时和改变气门升程的装置，其特征在于：凸轮轴链轮(201)可替换为齿形皮带轮。
一种可变气门正时和可变气门升程的装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种内燃机可变气门正时和可变气门升程的装置，尤其涉及一种适用于各类往复活塞式内燃机可变气门正时和可变气门升程的装置。
背景技术
[0002] 液压可变气门正时技术(Variable Valve Timing，以下简称VVT)已在内燃机中得到广泛应用，同时，可变气门升程(Variable Valve Lift，以下简称VVL)的装置也开始得到应用，对内燃机性能改善起到了很大的作用。随着当前内燃机行业对VCR等前沿技术的深入研究，发现原有的液压驱动的VVT由于其反应慢、精度不高、可变正时角度小、冷启动和怠速工况难以运行等问题的存在，已经不能与上述技术相匹配。
[0003] 一种既可改变气门正时，又能改变气门升程的装置，与上述技术的配合将完美地解决现存内燃机的许多困扰。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种由电机驱动的可变气门正时和可变气门升程的装置(Electric Variable Valve Timing and Variable Valve Lift，以下简称EVVTL)。根据内燃机的运行特征和要求，仅通过一套装置，即可实现气门正时和升程的同时改变，且成本低廉，机构可靠，响应快速，精确度高，对怠速和冷启动均能充分应对，与VCR等前沿技术可较好地匹配，甚至极有可能取消现有的节气门机构，重要的是加装该装置对现存的内燃机结构修改不大，对提高内燃机效率有极其明显的作用。
[0005] 本发明是通过如下技术方案实现的：
[0006] 一种用于内燃机的改变气门正时和改变气门升程的装置，其包括：凸轮轴驱动机构、偏心环旋转机构和减速机构，其特征在于：
[0007] 所述凸轮轴驱动机构包括凸轮轴链轮、外圈、支撑套、行星齿轮和齿圈；
[0008] 凸轮轴链轮和齿圈被固定安装在外圈上，外圈被可旋转地安装在支撑套上，支撑套被固定在缸盖上；凸轮轴链轮、齿圈、外圈和支撑套四个零件的轴线或旋转中心均与中心轴线重合，当曲轴驱动凸轮轴链轮旋转时，凸轮轴链轮、齿圈和外圈三个零件均被驱动，使其绕中心轴线同步旋转；
[0009] 行星齿轮被固定安装在凸轮轴的前端，其旋转轴线与凸轮轴轴线重合；行星齿轮与齿圈内啮合，此两个零件的旋转轴线之间具有中心距L，当齿圈绕中心轴线旋转时，将驱动行星齿轮绕凸轮轴轴线旋转，与行星齿轮固定在一起的凸轮轴也绕凸轮轴轴线同步旋转，至此，完成了曲轴对凸轮轴的旋转驱动；
[0010] 所述偏心环旋转机构包括至少一个偏心环，所述偏心环具有内外两个圆柱表面，其两个圆柱表面的轴线之间具有偏心量E，其特征在于，所述的偏心量E等于行星齿轮与齿圈旋转轴线之间的中心距L，所述偏心环被可旋转地套接在凸轮轴轴颈和凸轮轴承座内孔之间，其内圆柱表面与凸轮轴轴颈滑动接触，其外圆柱表面与凸轮轴承座内孔滑动接触，接触面之间既可以安装滑动轴承，也可以安装滚动轴承；
[0011] 凸轮轴承座内孔和偏心环外圆柱表面的轴线与中心轴线重合，因此，偏心环的旋转仅仅被限定在绕中心轴线旋转，又由于偏心量E等于中心距L，所以，所述的齿圈、行星齿轮、偏心环、凸轮轴轴线和中心轴线共同组建了一个K-H-V行星齿轮传动机构；
[0012] 根据K-H-V行星齿轮传动机构的运动规律：
[0013] 当齿圈被驱动旋转时，由于啮合关系，行星齿轮和凸轮轴被驱动旋转，此时气门升程和正时角度均未改变；
[0014] 当偏心环被驱动旋转时，一方面偏心环将带动凸轮轴轴线以偏心量E为半径，沿运行轨迹与偏心环同向旋转，另一方面由于齿圈与行星齿轮相互啮合的约束关系，使得行星齿轮同时绕凸轮轴轴线逆向旋转；
[0015] 凸轮轴轴线沿运行轨迹的移动改变了凸轮轴相对于气门挺柱或气门摇臂的距离或升程，凸轮轴绕自身轴线旋转，则改变了凸轮相对于气门开启或关闭的角度；
[0016] 即，偏心环的旋转角度能够唯一对应于气门升程和气门正时角度。
[0017] 本发明的有益效果：
[0018] (1)众所周知，曲轴与凸轮轴的转速比为2:1，如果想要改变凸轮轴相对于曲轴的相位，已有的电机驱动的VVT专利通常均借助于一个行星齿轮机构。行星齿轮机构的特点是具有三根旋转轴，即：太阳轮、齿圈和行星轮架形成的旋转轴，且三根旋转轴线均重合，任意两根轴的旋转速度，决定了第三根轴的旋转速度。显然，三根轴线重合，可以改变凸轮轴相位，而不能改变凸轮升程。同理，现存的VVL通常则是改变气门摇臂支点位置。我们知道，气门摇臂支点实际上是一个杠杆支点，其杠杆一端与凸轮相连，另一端与气门相连。当杠杆支点的位置改变时，气门升程发生改变。由于凸轮相位没有改变，因此，气门正时的相位也没有改变，只是气门升程发生了改变。
[0019] (2)本发明将凸轮轴直接安装在行星轮上，由于行星轮的旋转中心与齿圈的旋转中心具有一个偏心量E，而行星轮绕齿圈中心旋转时，行星轮中心将沿齿圈中心以E为半径的圆形轨道上运行，这个结果是，凸轮的相位和升程同时发生改变，这种改变更有利于提高内燃机性能。
[0020] (3)对于现存的VVL，由于改变的是杠杆的支点位置，通常杠杆一端的凸轮承受的作用力与杠杆另一端的气门承受的作用力之矢量和等于杠杆支点承受的作用力，这种机构将导致改变支点所需消耗的功率很大，机构的受力也很大，因此机构的可靠性和寿命均会降低。而本发明的调节机构是通过改变偏心环的旋转角度来改变凸轮的相位和升程，机构受力很小，所需的消耗功率也很小，这将大大提高机构的可靠性和寿命。
[0021] (4)特别地，本发明在气门升程最小时，偏心环正处于上止点位置，该位置在调整升程时，较大角度的改变相对于非常小的升程改变，这对怠速和低速加速时的稳定性带来极大的好处。
附图说明
[0022] 图1是EVVTL布置示意图；
[0023] 图2是偏心环旋转机构示意图(A-A剖面图)；
[0024] 图3是凸轮轴轴线处于上止点位置图；
[0025] 图4是凸轮轴轴线处于下止点位置图；
[0026] 图5是凸轮轴驱动机构剖面图(B-B剖面图)；
[0027] 图6是凸轮轴驱动机构D-D剖面图；
[0028] 图7是凸轮轴相位和升程变化示意图(从上止点开始)；
[0029] 图8是凸轮轴相位和升程变化示意图(从下止点开始)；
[0030] 图9是减速机构C-C剖面图；
[0031] 图10是减速机构E-E剖面图；
[0032] 图11是减速机构F-F剖面图；
[0033] 图12是减速机构自锁原理图；
[0034] 图13是进排气门相位和升程同时改变示意图；
[0035] 图14是集驱动、减速和偏心环旋转机构于一体的结构图
[0036] 其中：10-偏心环旋转机构，100-凸轮轴，101-凸轮轴轴线，102-中心轴线，103-凸轮轴承座，104-运行轨迹，105-调节轴承座，106-凸轮轴上止点，107-凸轮轴下止点，108a-支架内孔，108-凸轮轴承座内孔，109-角度传感器，109a-角度传感器，110-滚动轴承，111-固定支架，200-凸轮轴驱动机构，201-凸轮轴链轮，202-外圈，203-轴承外圈，204-轴承滚珠，205-轴承内圈，206-支撑套，207-行星齿轮，208-齿圈，209-齿轮室盖，210-螺栓，211-定位销，212-螺栓，300-减速机构，301-调节轴轴线，302-调节轴，303-偏心齿轮，304-内圆柱表面，305a-第一偏心环外圆柱表面，305-外圆柱表面，306-调节齿轮，307a-第一偏心环，307-偏心环，309-螺栓，310-插销盘，311-插销，312-少齿差行星轮，313-少齿差行星轮内圆柱表面，314-少齿差行星轮齿，315-少齿差齿圈，316-少齿差齿圈轮齿，317-插销孔，318-环形槽，319-插销盘轴线，320-偏心轮，321-偏心轮内圆柱表面，322-偏心轮外圆柱表面，323-偏心轮轴线，324-外壳，325-支撑环，326-支撑环外圆柱表面，327-限位销，329-螺栓，330-电机，331-电机轴，332-电机轴线，400-排气凸轮轴，401-排气凸轮轴轴线，402-排气中心轴线，403-排气偏心齿轮，407-排气偏心环，α-偏心齿轮扇形角，β-环形槽扇形角，-偏心环
307旋转角，γ-气门正时角，Δ-升程改变量，中心轴线102与凸轮轴轴线101之间的距离L，E-第一偏心环307a以及偏心环307的偏心量，e-偏心轮320的偏心量。
具体实施方式
[0037] 以下将结合附图1-14对本发明的技术方案进行详细说明。
[0038] 如图1所示，本发明提供了一种用于内燃机的改变气门正时和改变气门升程的装置，该装置包括：凸轮轴驱动机构200，偏心环旋转机构10和减速机构300。
[0039] 1、偏心环旋转机构10
[0040] 作为本发明的第一优先方案，如图1所示。所述偏心环旋转机构10包括一根调节轴302及调节轴轴线301，至少一个调节轴承座105，至少一个调节齿轮306，与调节齿轮306数量相等的偏心齿轮303和偏心环307，至少一个凸轮轴承座103，凸轮轴100，凸轮轴轴线101，中心轴线102以及角度传感器109；
[0041] 所述的调节轴302与凸轮轴100平行地布置在内燃机缸盖(图中未显示)上，并可旋转地被安装在所述调节轴承座105中，而所述调节轴承座105则被固定安装在缸盖上；
[0042] 所述的调节轴302一端与减速机构300(下面将详述)相连接，并由减速机构300驱动其绕调节轴轴线301旋转，其另一端安装一个角度传感器109，该传感器用于确定调节轴的旋转角度；
[0043] 如图2所示，所述调节齿轮306被固定安装在调节轴302上，该齿轮与所述的偏心齿轮303相啮合，所述的偏心齿轮303为一扇形齿轮，根据不同的设计，其偏心齿轮扇形角α小于或等于360度；所述的偏心齿轮303被固定在所述的偏心环307上(大多数情况下，偏心齿轮303和偏心环307被设计为同一个零件)，所述的调节轴302的旋转带动调节齿轮306旋转，并驱动与之相啮合的偏心齿轮303以及偏心环307绕中心轴线102旋转；
[0044] 所述的偏心环307具有两个圆柱表面，即：外圆柱表面305和内圆柱表面304，其外圆柱表面305的轴线与中心轴线102重合，或者说凸轮轴偏心环307是绕中心轴线102旋转的，其内圆柱表面304的轴线与凸轮轴轴线101重合，就是说，偏心环307具有的两个圆柱表面间存在一个偏心量E，该偏心量E的大小等于中心轴线102与凸轮轴轴线101之间的距离L；
[0045] 所述的偏心环307被可旋转地安装在所述的凸轮轴承座103的凸轮轴承座内孔108中，其外圆柱表面305与凸轮轴承座内孔108可滑动地相接触，而凸轮轴承座103则被固定安装在缸盖上；
[0046] 所述的凸轮轴100被可旋转地套装在偏心环307的内圆柱表面304中；
[0047] 如图3所示，在图2的基础上，将偏心齿轮303和偏心环307顺时针旋转90度(从内燃机前端观察，以下同)，则凸轮轴轴线101沿着运行轨迹104顺时针旋转至凸轮轴上止点106位置，此时，气门升程达到最小(不同的内燃机有不同的设计，但总有一个气门升程最小的位置，我们定义气门升程最小位置为上止点，而气门升程最大位置为下止点)；
[0048] 如图4所示，在图2的基础上，将偏心齿轮303和偏心环307逆时针旋转90度，则凸轮轴轴线101沿着运行轨迹104逆时针旋转至凸轮轴下止点107位置，此时，气门升程达到最大；比照图3和图4，气门升程的最大变化量为2E；
[0049] 2、凸轮轴驱动机构200
[0050] 如图5所示，所述凸轮轴驱动机构200包括凸轮轴链轮201或齿形皮带轮、外圈202、轴承外圈203、轴承滚珠204、轴承内圈205、支撑套206、行星齿轮207、齿圈208、齿轮室盖209，中心轴线102和凸轮轴轴线101以及它们之间的距离L。
[0051] 凸轮轴链轮201或齿形皮带轮，被固定安装在外圈202上，通过链条或齿形皮带与曲轴正时链轮或正时齿形皮带轮啮合(所述链条或齿形皮带、曲轴正时链轮或正时齿形皮带轮图中均未显示)，并被曲轴驱动使凸轮轴链轮201绕中心轴线102旋转；外圈202，被固定安装在轴承外圈203上，与上述凸轮轴链轮201同步绕中心轴线102旋转；
[0052] 轴承内圈205被固定安装在支撑套206上，轴承外圈203、轴承滚珠204和轴承内圈205，此三个零件的中心线与中心轴线102重合；支撑套206，通过螺栓212被固定安装在缸盖(图中未显示)上，其支撑套206的轴线与中心轴线102重合；行星齿轮207，通过螺栓210和定位销211被固定安装在凸轮轴100的一端，并随凸轮轴100旋转而旋转，其旋转轴线与凸轮轴轴线101重合；齿圈208被固定安装在外圈202上，并随外圈202的旋转而旋转，其旋转轴线与中心轴线102重合；
[0053] 齿轮室盖209，被固定连接在外圈202的前端(内燃机前端)，随外圈202旋转而旋转，其旋转轴线与中心轴线102重合；
[0054] 中心轴线102与凸轮轴轴线101之间的距离L等于偏心环307内外圆柱表面之间的偏心量E；
[0055] 当曲轴旋转带动凸轮轴链轮201或齿形皮带轮旋转，进一步带动外圈202、轴承外圈203、齿圈208和齿轮室盖209绕支撑套206轴线(或中心轴线102)旋转，由于行星齿轮207与齿圈208的啮合关系，齿圈208驱动行星齿轮207绕凸轮轴轴线101旋转，从而完成了曲轴对凸轮轴100的旋转驱动；
[0056] 如图6所示，由于齿圈208的旋转轴线为中心轴线102，行星齿轮207的旋转轴线为凸轮轴轴线101，而偏心环307的旋转轴线也是中心轴线102，且凸轮轴轴线101与中心轴线102之间的距离L等于偏心环307的偏心量E，因此，齿圈208、行星齿轮207和偏心环307共同组建了一个K-H-V行星齿轮传动机构。
[0057] 不同之处在于：在传统的K-H-V行星齿轮传动机构中，偏心环307被可旋转地安装在行星齿轮207的中部，而本发明的偏心环307则被可旋转地安装在凸轮轴100和凸轮轴承座内孔108之间，或在凸轮轴100和支架内孔108a之间。
[0058] 根据K-H-V机构的速比关系，很容易知道：
[0059] ●当偏心环307静止不转动时，齿圈208与行星齿轮207的速比等于ZC/ZB，其中，ZC为行星齿轮207的齿数，ZB为齿圈208齿数，而且齿圈208和行星齿轮207的旋转方向一致；
[0060] 对四冲程内燃机而言，其曲轴与凸轮轴100的速比为2:1，即：当曲轴旋转两圈时，凸轮轴100旋转一圈；
[0061] 所述曲轴链轮、凸轮轴链轮、齿圈和行星齿轮的齿数符合下式：(凸轮轴链轮的齿数/曲轴链轮的齿数)*(行星齿轮的齿数/齿圈的齿数)＝2:1
[0062] 此时，凸轮轴100的相位和升程保持在原有位置没有发生改变；
[0063] ●当齿圈208静止不动时，偏心环307与行星齿轮207的速比等于-ZC/(ZB-ZC)，且偏心环307与行星齿轮207旋转方向相反；
[0064] 凸轮轴相位和升程调节原理如下：
[0065] 如图7a和图7b所示，当偏心环307绕中心轴线102从凸轮轴上止点106逆时针旋转一个 角时，凸轮轴100(由于凸轮轴100与行星齿轮207固定连接，且为同一旋转中心--凸轮轴轴线101，行星齿轮207的相位即代表了凸轮轴100的相位)也随同偏心环307绕中心轴线102逆时针公转一个 角，凸轮轴升程增大一个数量Δ，同时，凸轮轴100也会绕凸轮轴轴线
101顺时针旋转一个γ角(γ角的大小由K-H-V机构的参数决定)，此时，随着凸轮升程的增大，γ角也增大(设定顺时针方向为正)；
[0066] 如图7a和图7c所示，当偏心环307绕中心轴线102从凸轮轴上止点106顺时针旋转一个 角时，凸轮轴100也随同偏心环307绕中心轴线102顺时针公转一个 角，凸轮轴升程增大一个数量Δ，同时，凸轮轴100也会绕凸轮轴轴线101逆时针旋转一个γ角，此时，随着凸轮升程的增大，γ角减小；
[0067] 如图8a和图8b所示，当偏心环307绕中心轴线102从凸轮轴下止点107顺时针旋转一个 角时，凸轮轴100也随同偏心环307绕中心轴线102顺时针公转一个 角，凸轮轴升程增一个数量Δ，同时，凸轮轴100也会绕凸轮轴轴线101逆时针旋转一个γ角，此时，随着凸轮升程的减小，γ角也减小；
[0068] 如图8a和图8c所示，当偏心环307绕中心轴线102从凸轮轴下止点107逆时针旋转一个 角时，凸轮轴100也随同偏心环307绕中心轴线102逆时针公转一个 角，同时，凸轮轴100也会绕凸轮轴轴线101顺时针旋转一个γ角，此时，随着凸轮升程的减小，γ角增大；
[0069] γ角代表了气门正时角，当γ角增大时(顺时针方向)，气门正时提前；反之，当γ角减小时，气门正时延迟；
[0070] 偏心环307的旋转方向总是与气门正时γ角旋转方向相反，即当偏心环307顺时针旋转时，γ角则逆时针旋转，或气门正时延迟；当偏心环307逆时针旋转时，γ角则顺时针旋转，或气门正时提前；
[0071] 而凸轮轴轴线101沿着运行轨迹104从凸轮轴上止点106向凸轮轴下止点107旋转时，无论顺时针还是逆时针，气门升程总是增大；凸轮轴轴线101沿着运行轨迹104从凸轮轴下止点107向凸轮轴上止点106旋转时，无论顺时针还是逆时针，气门升程总是减小；
[0072] 总之，本发明提供的凸轮轴相位和升程调节方式概述如下：
[0073] 第一、偏心环307的旋转角度唯一决定了凸轮轴相位和升程，当不改变偏心环307的旋转角度时，凸轮轴相位和升程将保持原有状态不变，这也意味着只要控制偏心环307的旋转角度，就能得到所需的凸轮轴100相位和升程；进一步，调节轴302的相位唯一对应于偏心环307的旋转角度，因此改变调节轴302的相位就等于改变了凸轮轴100的升程和相位。
[0074] 第二、当凸轮轴轴线101沿运行轨迹104从凸轮轴上止点106向凸轮轴下止点107旋转时，无论顺时针还是逆时针，气门升程总是增大；当凸轮轴轴线101沿运行轨迹104从凸轮轴下止点107向凸轮轴上止点106旋转时，无论顺时针还是逆时针，气门升程总是减小；
[0075] 第三、偏心环307的旋转方向总是与气门正时γ角旋转方向相反；
[0076] 3、减速机构300
[0077] 如图9、图10和图11所示，所述减速机构300为少齿差行星轮减速机构，包括：螺栓309，插销盘310，至少一个插销311，少齿差行星轮312，少齿差行星轮内圆柱表面313，少齿差行星轮齿314，少齿差齿圈315，少齿差齿圈轮齿316，插销孔317，环形槽318，插销盘轴线
319，偏心轮320，偏心轮内圆柱表面321，偏心轮外圆柱表面322，偏心轮轴线323，外壳324，支撑环325，支撑环外圆柱表面326，限位销327，螺栓329，电机330，电机轴331，电机轴线
332，以及偏心轮偏心量e；
[0078] 插销盘310的一端，通过螺栓309被固定安装在调节轴302的末端，插销盘轴线319与调节轴轴线301以及电机轴线332重合；
[0079] 沿着插销盘轴线319距离半径R1的圆周上，被固定设置且均匀分布4至12个插销311，在距离少齿差行星轮312旋转轴线(该轴线与偏心轮轴线323重合)半径为R1的圆周上，均匀分布与插销311数量相同的插销孔317，该插销孔317的直径等于插销311直径与两倍偏心轮偏心量e之和(这是因为当插销盘310和少齿差行星轮312旋转时，由于它们的旋转轴线相差一个偏心轮偏心量e，插销孔317和插销311之间留有2e大小的间隙，使之相互之间不发生运动干涉)；
[0080] 插销盘310的另一端与少齿差行星轮312可滑动地贴合在一起，固定安装在插销盘310上的插销311则插入对应的少齿差行星轮312上开设的插销孔317中；
[0081] 所述的少齿差行星轮内圆柱表面313被可旋转地安装在偏心轮外圆柱表面322上，而偏心轮内圆柱表面321则被可旋转地安装在支撑环外圆柱表面326上；
[0082] 所述的支撑环325固定安装在外壳324的中部，使支撑环外圆柱表面326的轴线与插销盘轴线319、调节轴轴线301以及电机轴线332重合；
[0083] 外壳324通过螺栓329将其固定在缸盖上(未显示)静止不动；
[0084] 偏心轮轴线323、偏心轮外圆柱表面322的旋转轴线、少齿差行星轮312旋转轴线全部重合；
[0085] 所述的电机轴331与偏心轮320固定连接，电机轴331的电机轴线332与偏心轮320的内圆柱表面321的轴线重合；
[0086] 当角度传感器109(图1)将其感知到的调节轴302相位角发送给内燃机的控制单元(ECU，未显示)时，ECU同时从其它地方获得内燃机转速、车速、变速比、油门踏板位置以及内燃机水温、润滑油油温、压力等信号，并经过计算处理后，向电机330发出执行指令；
[0087] 当电机330从内燃机ECU接受指令后，电机330驱动电机轴331绕电机轴线332旋转时，其驱动偏心轮320旋转，偏心轮320的旋转一方面驱动少齿差行星轮312绕插销盘轴线319同方向公转，另一方面根据少齿差行星轮312的齿数、少齿差齿圈315的齿数和偏心轮偏心量e的大小所决定的速比绕偏心轮轴线323逆向旋转；
[0088] 与此同时，少齿差行星轮312的旋转以及少齿差行星轮齿314和少齿差齿圈轮齿316的共同作用，驱动与其贴合在一起的插销盘310等速同方向旋转，进一步插销盘310驱动调节轴302、调节齿轮306、偏心齿轮303和偏心环307旋转，凸轮相位和升程得以改变；
[0089] 如图10所示，沿着插销盘轴线319距离半径R2(R2>R1)的圆周上，开设一段环形槽318，其环形槽扇形角β小于360度；限位销327，其一端被固定安装在外壳324上(如图9所示)，另一端插入插销盘310的环形槽318中。由于限位销327被固定在外壳324上静止不动，当插销盘310顺时针或逆时针旋转时，插销盘310上的环形槽318的两端将触碰限位销327，所述限位销327，限制了插销盘310的最大旋转角度；
[0090] 由于插销盘310与调节轴302固定连接且同轴线，插销盘310的旋转可以理解为调节轴302的旋转，所以限制插销盘310的最大旋转角度，就是限制调节轴302的最大旋转角度，避免安装在调节轴302上的调节齿轮306与偏心齿轮303超出偏心齿轮扇形角α的范围而脱离啮合(如图2所示)；
[0091] 如图1、图9、图10和图11所示，与上述电机330驱动偏心环307的旋转相反。在内燃机运行中，当来自于凸轮轴100的扭矩反向作用于电机330时，其扭矩将依次传递到偏心环307、偏心齿轮303、调节齿轮306、调节轴302、插销盘310、少齿差行星轮312和偏心轮320，由于偏心轮偏心量e足够小，使偏心轮320的内圆柱表面321相对于滑动接触的支撑环外圆柱表面326之间产生自锁，其旋转运动不能进一步传递到电机轴331上，这样，避免了凸轮轴
100的运动对电机330运动的干扰，大大延长了电机寿命；
[0092] 如图12所示，描述了一个逆向运动传递自锁条件：
[0093] e
[0094] 其中：e---偏心轮320的偏心量
[0095] f1---偏心轮外圆柱表面322与少齿差行星轮内圆柱表面313之间的摩擦系数[0096] R3---偏心轮外圆柱表面322半径
[0097] f2---偏心轮内圆柱表面321与支撑环外圆柱表面326之间的摩擦系数[0098] R4---偏心轮内圆柱表面321半径
[0099] Δ---作用于偏心轮合力的矢量角
[0100] 综上所述，凸轮轴驱动机构200的作用是：完成曲轴对凸轮轴100的旋转驱动，同时，与偏心环307一道构成K-H-V行星齿轮传动机构，使凸轮轴的运动规律符合K-H-V行星齿轮传动机构的要求；偏心环旋转机构10的作用：是根据K-H-V行星齿轮传动机构的运动规律，执行对凸轮轴100升程和相位的改变；而减速机构的作用：则是将电机330的高速、小扭矩旋转运动改变为低速、大扭矩旋转运动，便于驱动调节轴302，并提供反向自锁功能，防止大扭矩对电机的破坏。
[0101] 这种机构显然可以用于进气凸轮，也可用于排气凸轮。
[0102] 作为本发明的第二优先方案，见图14。
[0103] 与第一优先方案不同的是：凸轮轴驱动机构200、偏心环旋转机构10和减速机构300并列安排在一起，减速机构的输出部分插销盘310，不再连接到调节轴302上，而是直接将插销盘310与第一偏心环307a同轴固定连接，直接驱动第一偏心环307a旋转，间接带动其它偏心环307旋转，而不是像第一优先方案通过调节齿轮306、偏心齿轮303来驱动偏心环
307；
[0104] 除了第一偏心环307a外，其余偏心环307均由凸轮轴100驱动旋转，为了防止运动自锁，在所有的偏心环307的外周均安装滚动轴承；
[0105] 此外，减速机构300固定安装在固定支架111的前端，减速机构300包含的电机轴线332、插销盘轴线319、偏心轮内圆柱321表面、支撑环外圆柱表面326、少齿差齿圈315，凸轮轴驱动机构200包含的齿圈208、凸轮轴链轮201、外圈202、支撑套206以及偏心环旋转机构
10包含的滚动轴承110、第一偏心环307a外圆柱表面305a、固定支架内孔108a，以上所有零件的几何中心或运动轴线均与中心轴线102重合；
[0106] 而少齿差行星轮312、少齿差行星轮内圆柱表面313、偏心轮外圆柱表面322，这些零件的几何中心或运动轴线则与偏心轮轴线323重合；
[0107] 行星齿轮207和凸轮轴100的旋转轴线与凸轮轴轴线101重合；
[0108] 与第一优先方案相同的是：齿圈208、行星齿轮207和第一偏心环307a以及偏心环307共同组建了一个K-H-V行星齿轮传动机构，以至于由电机330依次驱动偏心轮320、少齿差行星轮312、插销盘310、第一偏心环307a旋转，最终改变了凸轮轴100的升程和相位，其运动规律和结果与第一优先方案相同；此外，当凸轮轴100逆向传递扭矩时，其减速机构300中的支撑环外圆柱表面326与偏心轮内圆柱表面321之间存在自锁，这也与第一优先方案相同。
[0109] 此外，该方案由于取消了调节轴302、调节齿轮306和偏心齿轮303等零件，在成本上明显占有优势，特别地，本方案对内燃机的修改也最少。
[0110] 第三实施例：在优选案例的基础上，将曲轴与凸轮轴100的速比改为1:1(对二冲程内燃机)，即：当曲轴旋转一圈时，凸轮轴100也旋转一圈。
[0111] 所述曲轴链轮、凸轮轴链轮、齿圈和行星齿轮的齿数符合下式：
[0112] (凸轮轴链轮的齿数/曲轴链轮的齿数)*(行星齿轮的齿数/齿圈的齿数)＝1:1。
[0113] 第四实施例：在第一优选案例的基础上，采用一根调节轴同时改变进气凸轮和排气凸轮的相位和升程。
[0114] 如图13所示，当调节轴302依次驱动调节齿轮306、进气偏心齿轮303、进气偏心环307和进气凸轮轴轴线101旋转，最终改变进气凸轮的相位和升程；同时，调节轴302也在依次驱动调节齿轮306、排气偏心齿轮403、排气偏心环407和排气凸轮轴轴线401绕排气中心轴线402旋转，最终改变排气凸轮轴400的凸轮相位和升程。
[0115] 通常，进气凸轮轴相位和升程的参数与排气凸轮轴相位和升程的参数不同。
[0116] 尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但是本发明并不限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。
