行星齿轮系正反转模组驱动气门开闭的配气系统

技术领域

本发明涉及发动机配气技术领域，特别是一种无凸轮轴、无气门弹簧的行星齿轮系正反转模组驱动气门开闭的配气系统。

背景技术

在发动机工作循环中，气门是控制进气和排气的关键适配装置，内燃机气缸进气和排气过程是靠伞形/菌状气门直线往复运动对进排气口的开闭而完成的。常用配气机构是曲轴通过链/带驱动凸轮轴，再由凸轮与挺柱/摇臂、气门弹簧等部件直接或间接驱动进排气门以满足气缸进排气要求。机构整体部件多较为复杂，较多的气门组零部件增加了发动机的体积、重量；传动副构件间摩擦损耗较大，容易引起机械噪声和振动，气门驱动机构的阻力功耗大且进排气效率有限。

气门开启通过凸轮回转克服气门弹簧预紧力使气门移动与气道喉口分开；气门回位闭合则通过气门弹簧压缩张力的反作用释放实现。为了防止缸内气门与气门座圈接合不严密及高转速工况时要求，必须用较大的弹簧预紧力使气门头部与气门座圈相互紧密接触；多气门多缸发动机中，各缸气门顺序开闭，凸轮轴必须同时承受各缸的进排气门弹簧预紧力总和；驱动气门直线往复运动开闭要消耗很大的曲轴动能，直接影响到配气机构的凸轮轴整体刚度与运转精度；使发动机动力性经济性下降。在技术进步节能增效利于气缸更好的进排气效率目标下，为此提出一种新型紧凑便捷，行星齿轮系正反转且气门升程可延时保持于最大开度，气门驱动力/升程可随动调节的气门开阖直接驱动机构。

发明内容

本发明目的是为了克服现有发动机技术结构采用上述凸轮轴/摇臂及气门弹簧等驱动组件而导致的结构复杂，重量大，进排气效率低，额外能量消耗高的系列缺点不足，提供一种由行星齿轮组件正反转啮合气门齿条且弹性啮合以直接驱动气门开闭的驱动器。本发明基于上述结构性问题而开发，并且以一套装配紧凑，简便易于制造的直驱开闭系统组成的气门装置作为基础。这套气门装置不使用凸轮轴且取消了气门弹簧等组件，简化了驱动装置更有利于发动机高效可靠地工作。

依据本发明列举的所有技术特征，使得传统配气机构的上述问题均可以圆满解决。它能够大幅节省气门驱动循环所需动力，气门开闭升程可延时留驻并随时调节，执行响应性更准确快捷；降低内燃机的振动、噪音及结构高度；明显提高内燃机工况的机械效能并更加低碳环保。

本发明行星齿轮系正反转模组直驱气门开闭的主动配气系统仍由气门组和气门开闭驱动系统两部分构成，具体进/排气门联动与配气相位顺序驱动模式，以齿轮啮合气门杆齿条构成的集成组件相配合完成。该行星齿轮组啮合传动气门系统以曲轴带动正时齿轮轴为一级传动部，齿轮轴上安装的行星轮系气门开启及同轴排列的关闭驱动齿轮分别与气门杆上一体化工装的齿条啮合，按气门开闭相位循环完成二级传动过程。

本发明行星齿轮系正反转模组直驱气门开闭的主动配气系统，包括单极行星齿轮组，行星齿轮各安装在曲轴链条带动的两个进/排气门驱动齿轮轴上，行星轮的行星架固定于缸盖，正时齿轮轴穿过行星架中心孔，齿轮轴固定连接太阳轮输入，行星轮齿圈相对齿轮轴转速减速50％且由外周表面扇形啮合齿产生反转输出；与并列于行星轮系安装的齿轮轴同步正转驱动齿轮，各自按配气相位弹性啮合气门杆上安装的齿条驱动气门开闭。具备了在行星轮齿圈啮合驱动气门开启阶段为3/4冲程周期，而回位关闭阶段只需1/4冲程周期；气门可单独驻留悬停于最大开度位置1/4冲程周期而实现进/排气效率倍增功能。

本发明行星齿轮系正反转模组直驱气门开闭的主动配气系统，齿轮轴及气门开闭驱动齿轮系的一侧对应为气门齿条，气门开闭驱动齿轮与齿条间的啮合副为弹性啮合模式。齿条上的啮合副为自身可弹性形变，可进行超越离合传动的膜簧片或钢丝刷毛。

本发明配气系统的可变气门升程功能，气门升程调节机构包括缸盖上安装的伺服电机，蜗轮蜗杆传动系及对应于进排气门杆的螺母丝杠传动的气门行程限位机构；蜗杆外啮合蜗轮驱动旋转且由蜗轮内孔螺纹与丝杠形成的螺旋运动副使丝杠往复进给，同步带动气门行程限位座的高度变化以调节气门升程/开度；气门行程限位座也是各气门支撑缓冲弹簧的下座，气门支撑缓冲弹簧对气门杆齿条起到辅助定位及行程制动过程中的缓冲平衡作用。

无凸轮轴无气门弹簧的四冲程发动机及配气机构，以单缸四气门配置为例，燃烧室同侧的两个进/排气门的气门杆端部与齿条底座固定连接；齿条上还装配有弹性啮合刷毛刷头。曲轴链传动正时齿轮后带动齿轮轴齿轮组转动；气门开启与关闭驱动齿轮并列安装在对曲轴减速50％的齿轮轴上；行星轮由齿轮轴连接的太阳轮作为输入端，行星架固定，行星轮齿圈支撑于齿轮轴上；齿圈外缘面排列键齿啮合气门杆齿条，继续减速50％反转作为开启啮合动力；气门关闭驱动齿轮与齿轮轴连接转速相同，气门开启与关闭驱动齿轮直径相同，按曲轴相位以正反转向顺序对气门杆齿条啮合,带动气门进行直线往复开闭正时驱动。

四气门DOHC构型，根据曲轴及正时齿轮轴的旋转方向，进排气门齿条与驱动齿轮对应工装位置，如气门驱动齿轮位于齿条左或右侧方向，有不同的用于开启或作为关闭驱动使用方式。两个齿轮并排并列于齿轮轴上，转向相反与气门齿条顺序啮合以完成进/排气门往复开闭功能。

本发明中对应各缸进气门及排气门齿轮轴上分别安装的两个气门开闭驱动齿轮之间的转速不同，相互之间为(1/4):(1/2)rpm；这并不影响气门开闭过程的准确相位匹配。行星齿轮的齿圈转速为1/4rpm，外径齿廓按180°相位对称设置与气门杆齿条相啮合的键齿，保证(360°/16)齿廓角弧度即22.5°啮合范围即可。即齿圈每转动半圈半周,扇形齿即与气门杆齿条啮合一次完成气门驱动过程，180°:720°。同理，齿轮轴等速驱动齿轮为1/2rpm转速，即360°:720°；驱动齿轮转动一圈一周，扇形齿与气门齿条啮合一次完成驱动过程，保证(360°/8)即45°齿廓角弧度啮合范围即可；同时需另行拓宽气门关闭啮合角弧度范围以兼顾气门关闭周期内所必需保证的多个冲程中气门持续密闭稳定性。上述啮合分布配置完全符合发动机四冲程工作原理与进排气门相位开闭顺序。

考虑到齿圈的转速为1/4曲轴转速且齿圈表面按180°角弧度对称布置啮合齿，与齿条接触啮合角弧度的覆盖范围为22.5°；如果齿圈作为气门关闭驱动齿轮则可能出现典型的相对于转速更快的气门开启驱动齿轮与齿条旋转啮合45°的气门驱动开度，齿圈因转速慢无法及时关闭气门回位的技术问题；或者造成进排气相位混乱；所以齿圈作为气门开启驱动齿轮更为简明适宜。且齿圈转速更低，相应驱动扭矩也增大；对驱动进排气门尽快打开以进行充分的进排气循环有着更直接的作用。

优选地，本发明为保证进排气门开闭执行动作中，都是由行星齿轮组中的齿圈完成气门开启驱动；且保证进气门开闭驱动齿轮组与排气门开闭驱动齿轮组间水平对称布置。采用了由一个齿轮轴的正时齿轮先行与曲轴连接减速50％正时传动，再由此正时齿轮与另一正时齿轮等速啮合的传动方式。即曲轴使用齿形带/链单独驱动一个正时齿轮后再经过此齿轮等速啮合带动第二个齿轮轴同步反向转动；如此转向相反的两根进排气门驱动齿轮轴转速相同且曲轴相位周期一致同步。

进一步地，本发明配气系统正因为采用了行星齿轮系正反转的驱动结构形式，具备了突出独特的功能：作为气门开启驱动的行星轮齿圈，其转速为1/4曲轴转速且与齿条接触啮合角弧度的覆盖范围为22.5°，则其在气门垂直运动方向驱动气门开启的位移行程，即22.5°角弧度的等效“弦长”，为D×Sin11.25°；D为主动啮合齿轮/齿圈直径。

气门关闭驱动齿轮转速为1/2曲轴转速且理论上与齿条接触啮合角弧度覆盖范围为45°，如此45°角弧度的等效“弦长”为D×Sin22.5°，因为气门开启与关闭驱动齿轮的直径相等，即本着气门开闭行程同一性，气门关闭驱动齿轮旋转驱动气门齿条的啮合角度，保证对应于齿圈开启旋转22.5°即可；又因为二者存在100％的转速差，转速快的气门关闭齿轮，对应与气门齿条22.5°的啮合角弧度的啮合旋转驱动周期可以减少50％，即正好1/4冲程周期即可完成。

对于以1/2rpm旋转的气门关闭齿轮，其与气门杆齿条啮合缺省的1/4冲程周期；这个周期对于气门开启驱动齿圈而言，完全可利用此相同时间周期而在气门达到最大开度后，凭借弹性啮合且“放宽静不稳定性”超越离合的形式，保证气门持续驻留悬停于最大开度位置；即1/4rpm转速的气门开启行星轮齿圈，齿圈表面可以增加布置11.25°角弧度啮合齿；如此增加了1/4冲程周期气门开启过程，达到了3/4冲程时间；充分利用气门最大开度时的进气惯性而倍增了气缸气动效率，大幅提升了进气流量。此解释对于排气门开启的排气过程同理适用。

且本发明中主动齿轮齿廓全部为扇形键齿，因此论证完全合理。

进一步地，本发明设计中亦可以通过适当增大气门关闭齿轮，即齿轮轴同步正转齿轮的直径，大于行星轮齿圈即气门开启驱动齿轮的直径；凭借气门关闭驱动齿轮转速更快,而取得以更小的旋转啮合角弧度，即更短的冲程周期完成气门关闭/落座过程。如此使气门开启驱动齿圈在气门到达最大升程位置，能够静定性地悬停更长冲程相位时间。更发挥了惯性进气时效性最大化的优势，充分保证了气缸进排气效率的倍增。

本发明在气门开闭齿轮齿条驱动组件中，直接连接气门杆而带动气门运动的啮合齿条，机械传动结构首选创新型的弹性啮合理论及实践。即齿条驱动形式不是依靠固定键齿与驱动齿轮啮合，而是采取具备柔性接触以弹性力矩传动载荷的方式完成气门直线开闭驱动。

进一步地，弹性啮合方式即运动副构件中，齿轮和齿条中至少一方为非刚性构件；而是可以自身产生形变/变形的可塑性材质；即弹性元件。在采用弹性元件构造并主要依靠弹性元件的弹性模量，接触应力及扭转力矩为理论基础依据的弹性啮合运动副中，不仅接触应变应力可以保证啮合副工况要求的动力传递矢量/当量系数，同时因弹性元件具有形变弯曲而产生出来的超临界时效性的啮合脱离的独特功能。且超临界超越传动滑脱情况下仍能提供可持续的运动副临界动力与稳定性。

优选地，气门杆齿条弹性啮合模块模组的实现方式，本发明主要采用两种简洁实用的典型构造：

(1)平面板刷，即钢丝簇刷毛刷头模组；钢丝簇刷毛的刷头，刷毛群簇即齿条啮合副承载主体；

(2)水平凹形弹簧膜片多层均匀垂直排列对称传动模式。

对于弹性啮合的齿轮齿条机构，扇形轮齿和齿条刷毛组成的一对柔性耦合传动工作方式为圆弧齿轮在驱动器带动下旋转，通过齿轮与齿条刷毛之间的连续接触压缩，钢丝扭转弹性啮合作用，实现了气门杆齿条的直线位移驱动；或在气门杆件停止运动而静定时，圆弧齿轮在驱动器带动下持续旋转，通过刷头刷毛或弹簧膜片的过载保护性弯曲与齿轮之间超越离合/啮合分离作用，使得齿轮在旋转的同时继续保持与气门齿条相互接触传动弹性张力，实现了驱动齿轮沿齿条刷毛端的超越滚动/自由轮式脱离，保证了气门杆齿条整体的力位动态稳定性。

平面钢丝刷板模组，即气门杆端部齿条框架与均匀植入钢丝簇刷毛的板刷体连接；弹性啮合模块即具有钢丝簇刷毛阵列的毛刷版和刷头。毛刷版与钢丝簇刷毛可参考成熟的工业用条形刷/钢丝板刷结构，且钢丝刷头可方便拆装调适更换。刷头上刷毛呈悬臂梁式，根部固定于刷头，放射状排列布置的刷毛安装在齿条框架内，钢丝的自由端及钢丝簇为接触应力的力臂传动体。当刷毛接触啮合齿轮凸齿时，轮齿即按特定的角度压缩刷毛钢丝，因为团簇钢丝的根部与基座撑条/线匝接合，刷头安装于齿条边框内。这样确保了在侧向以及在边缘和表面上所有刷毛可平滑均匀的受力啮合，减小了刷毛钢丝簇根部固定端的应力集中；不论这些刷毛是以相同还是不同的弯曲程度而扭转延伸。

如是，弹簧钢丝被有力地使用，具有噪声低平稳性好、无轴向分力，承载能力大传动效率高、耐磨且有相当的柔韧性等优点。具体结合发动机工况，气门体重量，开度及开闭加速度等工艺要求，计算出弹性元件排列的密集程度与钢丝线径，弹性刚度等参数即可完整定型匹配。

凹形多片层平行排列式弹簧膜片；多个呈平面凹字形弹簧膜片；其每个膜片一端安装固定于齿条框架主体之上，凹形另一端的两个凸出部呈水平自由端；随着驱动齿轮转动，弹簧膜片的两个凸出部自由端顺序与开启/关闭啮合齿轮弹性接触并发生弯曲扭矩(抗力)；可以等效视同于钢丝簇刷毛的综合集成体，或视同膜片两侧的两个突出部即弹簧杆件，等效于固定啮合齿。弹簧膜片可以使用如螺钉、夹具、摩擦接片、卡扣配合件等紧固件联接至齿条框架/壳体。平面凹型弹簧膜片的材质可以是金属乃至采用新型纤维树脂等轻便弹性材料。

上述两种结构形式，在运动副的传动过程中弹性体耦合接触产生的扭转弯曲形变而引发的相互运动趋势的应变阻抗性作用力，弯曲和接触强度及承载能力完全符合，满足设计要求与齿轮啮合传动的有效性和平稳性。且这种弹性啮合具有超临界应力下啮合副的脱离/解除的自动超越传动功能；这个可持续过载保护功能对于保证气门开闭特别是气门关闭后保持对应于活塞冲程的相位周期准确性具有重要实际意义。

优选地，本发明为了准确掌握弹性啮合运动在气门开闭传动中力位关系可靠性并增进其工作动能，提供可变气门升程功能。工作原理为:

动力构件为伺服电机带动蜗杆沿缸心线平行传动，蜗杆上的蜗齿和对应各缸进排气门杆的螺母丝杆传动副中的螺母(即蜗轮)啮合构成蜗轮蜗杆机构。蜗杆转动时，通过外啮合带动蜗轮转动，而蜗轮(即螺母)上还设置有内孔螺纹嵌合的丝杆(screw stem)，当蜗杆蜗轮的外啮合使得蜗轮自旋并进而内啮合带动丝杆直线运动，丝杆的另一端与缸盖上的键槽孔联接导向(无旋转可能)，从而将蜗杆蜗轮传动副的转动转换成螺母(蜗轮)丝杆副中的丝杆沿气门开闭方向的往复进给移动；丝杆端面安装的气门行程限位座的伸缩高度变化可以灵活简便地调整燃烧室同侧两个进/排气门开闭升程与配气相位的准确性。

气门行程限位/挡块的位移，采用螺母/丝杆运动副结构。丝杆螺母机构也称丝杠螺母机构或称丝杆副或丝杠副。丝杆螺母可简称螺母。上述结构具有结构紧凑，啮合间隙高精度、可逆性，空行程小和高效率的动力结构特点。现有的螺母丝杆传动设备中大多采用丝杆作为主动传动装置(lead screw)，工作时由动力源联接带动丝杠旋转，再螺旋驱动与丝杠啮合的螺母滑块沿丝杠轴线运动传递动力。本发明中首选旋转螺母组合单元是通过对蜗杆蜗轮运动副中的蜗轮，其自身直接一体化构造成型的螺母主旋转运动转化为螺杆/丝杠直线往复运动的传动系统。

以蜗杆蜗轮运动副中的蜗轮直接一体化工装的螺母旋转作为(内螺纹)主动驱动相较之于普通常态以丝杆旋转作为主驱动而螺母从动，充分发挥了驱动螺母自身转动惯量较小的突出特点。大幅降低机械系统的转动惯量，提高了系统的转速响应，易于实现高速传动。因为丝杆只做直线运动并不旋转，载荷刚度高；其轴颈上亦无需安装轴承附件并可直接连接驱动附件/气门行程限位块支座；丝杆可承载更大的轴向应力，使整套螺母丝杆传动副的结构刚度与精度得以极大的提高。

操作中，伺服电机通电驱动转子枢轴连接工装的蜗杆并带动对应各缸气门的蜗轮水平旋转运动，由于蜗轮内孔的丝杠(螺杆)沿缸盖上导向键槽移动，从而保证丝杠运动的轴线性并带动气门限位座外向伸出；电流反向通入则电机/蜗杆带动蜗轮，即螺母同时反转，而实现丝杠轴带动气门行程限位座/挡块的内向收缩，实现了高低力位调节的伸缩运动。

以步进或伺服电机转子联接蜗杆驱动蜗轮一级传动，再通过蜗轮即螺母与丝杠的二级运动副将螺母(蜗轮)的旋转运动转变为丝杠直线往复运动进而调节气门限位高度使气门开度可变，改变气门在燃烧室内升程大小。电机与蜗杆蜗轮/螺母丝杠一体化导向，结构紧凑节省安装空间且能耗小定位精度高；辅之以行程电控感应限位控制即可。该一、二级运动副性能稳定结构坚固，脉冲加电精度高，计算好各级轮齿啮合副螺距配合完全可以实现0.1mm的气门升程步进变化。

本发明气门齿条齿轮啮合传动机构之间的运动和动力的传递，也可以采用工业应用广泛的渐开线齿轮齿条机构，包括直齿轮-直齿条副和斜齿轮-斜齿条副。其中驱动齿轮为扇形齿轮间歇传动设计并具有附属弹性膜片组件以形成必要的气门开闭周期力位超越传动。齿轮齿条的啮合原理都遵循曲面啮合理论，采用的渐开线齿形为悬臂梁式结构，齿面啮合方式为凸-平面啮合等形式。特此说明注释。

综上所示，本发明行星齿轮系正反转模组的配气系统，提供一种结构新颖简单，体积小质量轻，传动系零件数少集成度高，动力损耗小，承载能力强，传动效率高且兼容性好，正时相位稳定准确的直驱气门开闭机构。该机构通过气门杆齿条与行星齿轮组件啮合进行直线往复驱动，避免了传统凸轮轴机构中凸轮摆动引起的不平衡回转运动和气门弹簧压缩产生的交变冲击力；不仅消除了气门组部件间的不均匀摩擦和撞击，也减小了发动机/配气系的振动和噪声，整机运行更平稳。同时提供了可变气门升程的灵活调节配置，保持发动机高效进排气效率并最大限度的工作于高效工况循环区间内；拓宽了功率密度以实现恒定转速区间内的可变功率输出调节。提升了技术先进性与实用性。

下面结合附图对本发明行星齿轮系正反转驱动的可变气门驱动力及气门升程延时可变配气系统作进一步说明。

附图说明

图1为本发明行星齿轮系正反转驱动气门开闭的可变气门升程配气系统中气门杆及气门驱动齿条组装的结构示意图；

图2为本发明配气系统中气门齿条安装弹簧膜片的结构示意图；

图3为本发明配气系统中行星齿轮系正反转机构的主视图；

图4为本发明配气系统中气门开闭驱动系统的结构剖面图；

图5为本发明配气系统中单极行星齿轮的结构示意图；

图6为本发明配气系统中气门关闭驱动齿轮齿廓的结构示意图；

图7为本发明配气系统中可变气门升程调节机构结构示意图；

图8为本发明可变气门升程的螺母(蜗轮)丝杠装配结构剖面图；

图中标记示意为：1-气门；2-气门杆；3-气门驱动齿条；4-气门支撑缓冲弹簧；5-钢丝刷毛；6-主动正时齿轮；7-进气门齿轮轴；8-从动正时齿轮；9-排气门齿轮轴；10-单极行星齿轮组；11-行星轮齿圈；12-气门关闭驱动齿轮；13-太阳轮；14-行星架；15-扇形键齿；16-排气道；17-进气道；18-电机；19-蜗杆；20-蜗轮套筒；21-丝杆；23-气门行程制动限位座；24-气门导管；25-曲轴；26-限位缓冲弹簧环座；27-键槽。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围内涵。

如图1-图2所示，本发明行星齿轮系正反转模组驱动气门开闭的配气系统包括进/排气门1，进/排气门1的两个气门杆2的端部与气门驱动齿条3整体工装固定连接；驱动气门开闭的齿轮齿条传动副采用了弹性啮合结构。齿条上集成排列分布有钢丝刷毛5或如图2所示的平面凹型弹簧膜片，取代了啮合齿与驱动齿轮相互刚性啮合传动。

如图3-图6所示，进排气动力系统还包括与齿条弹性啮合的气门关闭驱动齿轮12、单极行星齿轮组10、行星轮齿圈11、曲轴25、齿形链/带及主动正时齿轮6和从动正时齿轮8。如图4-图6所示，曲轴25传动主动正时齿轮6进而啮合从动正时齿轮8，两个正时齿轮各自以转向相反的相同转速带动齿轮轴上的单极行星齿轮组10，由行星轮齿圈11产生减速反转输出，与并列安装的气门关闭驱动齿轮12按配气相位分别正反转啮合驱动进排气门杆的气门驱动齿条3上安装的钢丝刷毛5或凹型膜簧片，控制气门往复开闭。

如图3-图6所示，燃烧室左侧进气门开闭驱动单元中，进气门齿轮轴7由主动正时齿轮6与曲轴25连接并减速50％传动。这里设曲轴顺时针转动；行星齿轮组10安装于进气门齿轮轴7上，行星齿轮的k值＝2，即行星轮齿圈11相对于太阳轮13转速继续减速50％且相对于进气门齿轮轴7为逆时针反转。进气门齿轮轴7穿过固定安装的行星架14中心孔，太阳轮13与进气门齿轮轴7连接同步运转输入驱动力，行星轮齿圈11外表面上有按相位周期布置的扇形键齿15与齿条啮合传动。气门关闭驱动齿轮12与行星轮齿圈11并列安装且直径相同，固定连接于进气门齿轮轴7且为1/2曲轴转速且正转。

如此，发动机工作时，驱动进气门齿轮轴7沿顺时针转动，单极行星齿轮组10中行星轮齿圈11构造的驱动齿轮以1/4曲轴转速逆时针转动；对于图3和图4中燃烧室左侧的进气门组而言，行星轮齿圈11啮合并驱动位于其左侧方进气门杆齿条向下执行气门开启运动；而与其并列的气门关闭驱动齿轮12则以1/2曲轴转速顺时针转动，直接啮合并驱动进气门杆齿条向上执行气门落座关闭运动。

对于相同气缸上燃烧室右侧的排气门开闭驱动执行单元，因为排气驱动正时齿轮，即从动正时齿轮8逆时针以1/2曲轴速度运转并带动太阳轮13同步转动。单极行星齿轮组10中行星轮齿圈11构造的驱动齿轮，以1/4曲轴转速顺时针转动，直接啮合并驱动位于其右侧方排气门杆齿条向下执行气门开启运动；而气门关闭驱动齿轮12则以1/2曲轴转速逆时针转动，啮合驱动其右侧方排气门杆齿条向上执行气门关闭运动。

这样，通过进排气门齿轮轴上各自安装的单极行星齿轮组10的行星轮齿圈11及气门关闭驱动齿轮12以100％的转速差且正反双向按配气相位分别啮合驱动气门杆齿条刷头刷毛5或膜簧片，可以准确控制进排气门的开闭周期循环。完成了配气机构驱动进排气门开闭的功能。

无论进气门开闭驱动行星齿轮组或排气门开闭驱动行星齿轮组件，负责气门开启驱动的行星轮齿圈11因为转速为1/4曲轴转速，行星轮齿圈11外周的扇形啮合齿相位周期为180°完成一次气门开启(对应曲轴转角720°)，其对应的凸齿角弧度为360/16＝22.5°；即行星轮齿圈11外周表面上按照180°对称方式布置了两组角弧度幅宽为22.5°的扇形键齿15。根据平面解析几何原理可以确定，22.5°角弧度对应的齿圈部分“弦长”，即等于气门垂直运动行程/开度；则此情况下灵活设置行星轮齿圈的直径D，即可满足不同排量发动机工况下不同气门开度/升程大小的调整确定。

本实施例中，气门最大开度可以根据气门开启驱动齿轮/即行星轮齿圈11啮合气门齿条参数D×Sin(11.25°)表示。如图6所示，对于气门关闭驱动齿轮12，即齿轮轴同步齿轮，转速为1/2曲轴转速；齿轮啮合相位为360°完成一次气门关闭驱动(曲轴转角720°)，对应的凸齿弧度为360/8＝45°；即齿轮上按照360°圆周布置了幅宽为45°的扇形齿。考虑到上述计算说明，气门关闭驱动齿轮12因转速两倍于气门开启驱动齿轮,则只需要1/4冲程时间即可啮合22.5°气门齿条转角完成气门落座关闭；而气门关闭驱动齿轮12具备45°啮合转角/相位区间，可以轮空22.5°角弧度区间对应的冲程周期，即节省了1/4冲程时间。

同时气门开启驱动齿轮/行星轮齿圈的啮合角，可相应延长11.25°键齿幅宽作为气门开启相位补充，或者说在气门到达了最大开度的制动静定过程中，持续保持气门驻留于最大开度位置的稳定性动力辅助。其余齿廓角弧度(360°-33.75°-33.75°＝292.5°)范围内都为光滑空白缺省状态，以避免与气门关闭齿轮的驱动相位形成干涉混乱。

进而，气门关闭驱动齿轮12为了保证进/排气门在后续压气与做功冲程的密闭稳定性，仍需要进行对气门齿条的超越离合传动；且在气门开启驱动即行星轮齿圈11旋转向下啮合齿条过程中，气门关闭驱动齿轮12上相应的角弧度齿廓区域必须为空缺状态以避免造成气门驱动力相互矛盾混乱；则气门关闭驱动齿轮12上相应缺省了45°+22.5°＝67.5°角弧度的扇形齿区域。实际气门开闭运行中，气门关闭驱动齿轮12上相应空白缺省角度幅宽，可结合配气相位再进行具体精量化调整，如67.5°+4.5°＝72°齿形空白缺省范围。则进排气门的气门关闭驱动齿轮12齿廓，实际上布置了288°～292.5°角弧度幅宽的固定啮合齿。这样的布置保证了气门开启过程中可以单独多出1/4冲程时间使得气门在最大开度位置稳定停留，极大增加了气缸进排气流速流量，完全达到了倍增的效率。

同时,如果适当增大气门关闭齿轮，即齿轮轴同步正转齿轮的直径，如1.2倍于气门开启驱动齿圈的直径；则基于齿圈直径的旋转啮合角弧度的等效“弦长”垂直距离可求出，D×Sin11.25°＝1.2D×Sin x°，经取反函数计算x≈9.35°；即气门关闭齿轮约只需旋转18.7°即可关闭气门，啮合驱动周期更缩短；相对于45°弧度范围可节省出26.3°更多的冲程时间，可以使得气门开启驱动齿圈在气门达到最大开度后，能够保持更长冲程时间的稳定驻留形态；进一步放大增加了进/排气动功效。

本发明行星齿轮系正反转驱动气门开闭系统，齿轮齿条传动副采用了弹性啮合结构。对于齿条上的钢丝刷毛5或如图2所示的平面凹型弹簧膜片，因为呈一端固定且一端自由伸长状态，都可以按悬臂梁/杆系做材料力学分析。悬臂梁受力点即力臂长度，这样的等效悬臂梁结构的受力及杠杆力臂抗弯强度系数(挠性)扭矩进行分析，在传动过程中齿轮齿条的弹性啮合作用随齿轮轴转速变化，钢丝刷毛5或膜簧片的弹性体微观与宏观形态上亦可以在正常形变应力幅度内产生更大承载力与扭矩。即弹性啮合作用过程中运动副的冲量/动量动力学关系发生了线性改变。对发动机工况可得到不同的气门弹性啮合动力以相匹配适应载荷。

为了增加齿轮齿条弹性啮合扭矩和驱动力；可将齿条钢丝刷毛5或膜簧片的排列/几何形状略作调整，如图2所示，由等长度矩形调整为月牙形。即自刷头啮合水平中心线起，钢丝刷毛5上下对称端面向外延伸渐次成比率小幅加长；如此增加了齿轮节圆半径可以开始接触刷毛或膜簧片的提前角与产生弹性啮合力矩的区域，增加了刷毛的形面接触轮廓密度。且刷头中心区弹性啮合体相对较短，可以在驱动轮齿与刷毛/膜簧片充分接触后产生更强的扭转弹性力，自然增加了弹性啮合过程中的动力与气门开闭的加速时效性与响应性。

本发明从简化优化动力系统的创新角度，采用伺服/步进电机驱动蜗杆蜗轮齿系且由蜗轮一体化组合旋转螺母单元及丝杆运动副配置，通过丝杆运动调节气门行程限位以简便实现可变气门升程的重要功能。

如图7和图8所示，在可变气门升程调节机构模组中，电机18驱动蜗杆19转动，蜗杆19上的蜗齿与安装定位于各缸燃烧室一侧的两个进/排气门杆之间的蜗轮外表面上的被啮合蜗齿啮合传动，带动蜗轮围绕其基座轴线水平转动，进而使得蜗轮中嵌套的丝杠21相对于蜗轮(内螺纹)转动，本实施例中涡轮以涡轮套筒20的结构呈现，因为丝杠21同时被缸盖上的轴向键槽27孔限位不可转动，从而使得蜗轮套筒20(螺母)带动丝杠21沿着螺母内孔轴线方向直线进给运动，与丝杠21端部工装连接的整体呈T型的气门行程限位座23处于同步升降运动状态，直至气门行程限位/块到达预定位置。

如图8所示，主动旋转螺母组合单元以升降丝杠21为从动元件并实现丝杠在垂直轴向往复直线运动，且升降丝杠21底端部与缸盖内槽孔口形成键槽式工装以辅助导向定位。升降丝杠21顶端的气门行程限位座23左右侧各有一个环座26；两个进/排气门杆各自无接触穿过左右端部的行程限位环座26的内孔；同时气门杆仍沿气门导管24往复移动；丝杠顶部的T型梁环座26直线上下运动，则即改变了气门杆的有效行程长度。如此完成了可变气门升程，不同开度的调节。

气门杆的上端与气门行程限位座23之间设置有气门支撑缓冲弹簧4，气门支撑缓冲弹簧4的上部连接于气门齿条框架的底部端面定位槽；下部安装在气门行程限位座23的两端环座26中；可利用弹簧的负载力变化感应机构检测负载及行程，该负载传感器可检测丝杠轴向的推力，将其转换成电信号。亦即气门升程调节量大小的准确性。

采用主动旋转螺母组合单元并以丝杠为从动元件并实现丝杠在垂直轴向上下往复直线运动，有助于增强在气门往复运动开闭过程中整体传动结构刚度，对于气门行程限位，频繁启停运动所产生的震动冲击提供缓冲稳定性，防止螺母丝杠副结构异常形变或枢轴松旷变形。

伺服/步进电机驱动蜗轮蜗杆及螺母丝杠往复伸缩机构的优点在于：(1)通过定制螺母和丝杠导向的长度可精确实现小动量(0.1mm幅度)直线行程驱动；(2)可以选用高精度与大量程的编码器与电机组成闭环控制系统使机构满足高精度要求；(3)采用对称的结构导向设计优化了机构的整体受力性能，提高了机构承载力，增加了机构的刚度；(4)构件模组简单，制造性可靠性通用性好。

如图7和图8所示，丝杠螺母机构将电机/蜗杆蜗轮传动的旋转运动转换成丝杆线性往复运动，螺母即蜗轮套筒20被蜗杆19驱动旋转，由内孔螺旋啮合驱动丝杆21沿轴线方向运动；螺母即蜗轮，它既承担蜗杆蜗轮的一级传动，同时继续带动丝杠进行二级驱动以完成最终系列空间换向传动，作用至关重要。该结构通过电感限位设置可准确定位蜗杆蜗轮及螺母丝杆各自行程，进而使丝杆21端部连接的气门行程限位座23同步上下移动；简便实现气门杆/气门开度伸缩的可变升程功能。

从简化结构角度，排气门可省略安装可变气门升程装置；但是排气门具有可变升程功能对于气门可变相位的调整同样很有助益。即排气门无需过早地提前开启以泄压或过迟关闭；同理进气门也无需过早开启形成大幅度的进排气门开启重叠角而造成缸内气动紊乱；这对于改善提高气缸内进排气效率很有必要。当然传统四气门2+2对称倾斜布局中，进排气门的可变气门升程范围，要考虑到进排气门开闭过程中在燃烧室内运动路径交叉干涉的问题，需经过详细计算确定。

上述微电机螺母丝杆进给驱动机构，在行星轮模组主动啮合驱动提供足够的气门开闭动力条件下，有助于气门组结构的简便轻量化设计。气门运动惯性力由于整体轻量化都得到了良好的缓冲平衡。

综上所述，本发明中行星齿轮组件正反转直接啮合驱动齿条气门开闭的内燃机配气机构，取消了凸轮轴，气门挺柱/摇臂，气门弹簧等附件；气门机构刚度，开闭执行响应速度即进排气效率大幅提高，满足内燃机高速大功率化需求。简化节省了机构空间，更利于整机安装布局。

伺服-步进电机与蜗杆蜗轮/螺母丝杆副传动的可变气门升程配置，可以促进发动机中低速工况的进排气性能同样大幅提升。拓宽了发动机最佳效率转速区间，对可变动力输出的功能拓展大有助益。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上对之做出的修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。