电子凸轮 与 同步轴

在传统机械裡，轴与轴之间是靠机构来传动的，例如下图所示，主／从轴间以一条 平皮带 相连，当主轴开始转动，从轴也一起转动！假设主／从轴的轮径相同，并在轮上都做一个 ∇ 标记，初始的位置都在正上方．经过一段时间的运转后，由于皮带的打滑，主／从轴轮径误差等诸多因素，发现主／从轴上的标记 ∇ 位置不一样了！表示主轴与从轴的相位偏移了！

图（一）平皮带传动 发生相位偏移

如果只是单纯用来传输动力（例如引擎中的发电机皮带），相位的偏移并无关係；但若做为同步的控制（例如引擎中控制汽门，曲轴与点火时机的皮带），就会发生问题！以机构而言，要避免相位偏移，可 以把一般的皮带换成 正时皮带 （Timing Belt）跟齿轮！如下图所示，即使长时间运转，主／从轴的相位都能维持一致！就是彼此达到 同步状态 ！

图（二）正时皮带可维持相位同步

讲了这麽多，终于可以进入正题了！如果把上述的机械传动改成 伺服的电子凸轮，效果会是如何呢？如下图三，我们将皮带拆除，用编码器採集主轴的位置，以A/B相脉波的方式传给伺服，伺服以直线的电子凸轮来驱动从轴做跟随：

图（三）将皮带传动改成伺服电子凸轮－发生偏移

实测结果发现，相位发生了偏移，因为编码器的脉波受到干扰，而且会随时间累积，造成偏移愈趋明显！而脉波干扰是很难完全抑制的，在工厂多变的环境下，不论配线如何讲究，脉波偏差总会发生，只是时间早晚的问题！因此，单纯以编码器脉波驱动电子凸轮，无法达到正时皮带的同步效果，顶多是平皮带的效果而已！

那麽该怎麽改善呢？其实我们可以效法正时皮带，因为它是带＂齿＂的，所以不会滑动造成累积误差！那我们就用一个假想的＂齿＂来模彷它！并把齿的宽度（就是齿与齿的距离）定义清楚，这样就可以造出一个虚拟的 正时皮带，就是所谓的”同步轴” ！这个＂齿＂可以用主轴上任何一个週期性出现的信号（或编码器的Ｚ）来表示，如下图：

图（四）使用同步轴－避免相位偏移

在主轴上安装一个标记当作＂齿＂，并用感测器将信号读进伺服的ＤＩ，再根据编码器的型号 得知主轴转一圈应该会有 Ｒ 个脉波．由于一圈只有一个齿，所以齿的宽度就是Ｒ（单位是主轴的脉波）．如此，只要伺服每感测到一个＂齿＂，就知道应该要收到Ｒ个脉波，如果数量不对，就可加以补偿，让脉波总数一直跟齿数维持正确的关係，如此便可让主／从轴的相位永不偏移，保持同步！这功能在台达 ASD-A2 与 ASD-M-R 伺服裡都已具备，在凸轮的主轴来源 P5-88.Y 裡，选择 实体脉波 相当于使用 平皮带；选用 同步轴 就相当于使用 正时皮带，非常方便！设定方式请参考 A2凸轮 同步轴的 设定方法！

注：克服凸轮主轴脉波漏失 还有其他方法，例如：

１，採用虚拟主轴 不会漏脉波，但是主轴也必须使用伺服马达，无法採用一般马达外加编码器的方式！

２，利用凸轮对位 虽然可以做到，但通常会保留给 从轴的修正使用，因为从轴的误差补偿会用到！

丰田可变气门正时机构：VVT、VVT-i、VVT-iE、VVT-iW哪种更可靠？

什么是 VVT-i 发动机？

VVT-i是“Variable Valve Timing-intelligent system”的缩写，指的是一种可变气门正时机构。可变气门机构是控制引入发动机进排气的气门系统，可以在行驶时改变发动机的性能。汽车制造商为可变气门系统开发了各种特色结构，丰田开发了VVT系列。基于称为 VVT（可变气门正时）的基本结构正在继续改进，其中之一是这次引入的 VVT-i。

什么是可变气门系统？

气门就像盖子一样，关闭发动机气缸顶部的进排气口，并在发动机进排气冲程期间打开以引入进气和排气。气门的开启/关闭正时和开启量（升程量）是由凸轮轴设定的，在普通发动机中，它固定在一定的时间和升程量。然而，发动机必须根据从低转速范围到高转速范围的驾驶条件在各种状态下运行，但如果气门设置固定，则无法在整个区域内实现高效运行。

这就是可变气门系统的用武之地，它允许在运行期间通过改变气门正时和气门升程来改变发动机性能。因此，它是一种自 1990 年左右开始被广泛采用的技术，目的是提高发动机输出、扭矩和燃油效率。

VVT和VVT-i的结构

VVT是改变气门正时的系统，仅适用于DOHC发动机，但它是通过改变进气侧凸轮轴的相位来改变气门正时的系统。凸轮轴的相位是发动机旋转和气门正时之间的差值，但是可以通过改变这个相位来改变气门正时。

因为可以通过从初始位置旋转凸轮轴来改变相位，所以 VVT 在凸轮轴和同步带之间的连接处提供了一个旋转结构，通过控制它来改变凸轮轴的相位。最早的 VVT 使用机械系统作为旋转机构，液压系统通过将凸轮相位偏移 30° 使气门正时提前或延迟成为可能。

VVT于1991年安装在卡罗拉系列中，运动车型通过安装VVT机构，首次在丰田汽车上实现了每升100马力。

之后，在1996年VVT-i将VVT的旋转机构从完全机械式改为电控液压系统。 结果，可以根据发动机状况将气门正时调整到最佳水平，并且可以在高水平上实现性能和燃油效率。由于VVT-i作为可变气门系统是比较简单的系统，因此在量产车上很容易采用，并且在采用上取得了长足的进步，现在是大多数丰田汽车采用的标准技术。不仅是国产车，还有丰田的世界标准技术，VVT-i本身已经变得普遍。

除了进气侧的可变机构，DUAL VVT-i还在排气侧的凸轮轴上加入了可变机构，使其成为范围更广的可变气门正时机构。

在VVT-i中，只有进气系统的凸轮轴是可变的，排气系统是固定的，但进排气的正时是可以相对调整的。但是，如果在排气侧加入类似的机构，自然可以进行更广泛的改变。1998年，丰田的高端车型开始采用，此后采用范围扩大。现在中型车采用的是VVT-i ，高性能车型主要采用VVTL-i。

VVTL-i

VVTL-i（Variable Valve Timing and Lift智能系统）是一种结构与之前的VVT-i明显不同的系统，它不是像VVT那样的可变气门正时机构，而是改变可变气门正时的机构提升量。这是一种更先进的可变气门系统，不仅可以改变气门正时，还可以改变气门运动量，并且可以通过气门开度来控制可引入的进气量和排气量。

在结构上，一个凸轮轴有两种凸轮，一种用于低转速范围，另一种用于高转速范围，通过在凸轮轴和气门之间切换摇臂来改变凸轮。这种结构类似于本田的VTEC，它是其他公司的可变气门机构，以及三菱汽车的智能可变气门正时与升程控制系统，并且在切换时性能会发生显着变化。

VVTL-i 有一个凸轮，可以在 6,000 rpm 的发动机转速下切换，让发动机旋转得更高。因此，发动机可以在低转速范围内实现效率和低扭矩，在高转速范围内实现最大输出，使其成为比仅使用可变气门正时时具有更高性能的发动机。

虽然属于丰田发动机的高性能类别，但由于成本等问题，其采用受到限制，并于 2010 年停产。

VVT-iE

VVT-iE（Variable Valve Timing-intelligent system by Electric motor）是VVT-i的一种完全电控的电控液压控制类型，它由电动机而不是液压驱动。

VVT-i控制系统还通过电子控制实现了精确控制，但另一方面，缺点是在低发动机转速范围或冷启动时控制不够充分。然而，通过用电动机操作它，甚至可以在该区域进行控制，从而提高较低旋转范围内的效率。

VVT-iE 于 2006 年首次安装在丰田的豪华汽车品牌雷克萨斯 LS460 上，此后主要用于豪华汽车。之后，在2014年，搭载于丰田的小型车Vitz，并迅速扩大到中小型车，确立了VVT-i的升级版地位。其中，燃油效率性能对于小型车型主要是重要的，它是强调燃油效率的气门正时可变设置。如今的RAV4也使用了该技术。

VVT-iW

VVT-iW（Variable Valve Timing-intelligent Wide）不是VVT-iE那样的电动马达型，而是传统的电控液压控制型VVT，而是增加了VVT运转时可以固定在中间的中间锁定机构。它是一个已经能够在中间位置主动引入米勒循环的系统。

米勒循环的作用将在后面解释，但通过将VVT暂时固定在发挥高燃油效率改善效果的米勒循环位置，即使当时油压较弱，VVT也能被积极利用启动或低旋转。

它是最新的 VVT 系统，于 2014 年首次安装在雷克萨斯 NX 上。从那时起，它已安装在多款雷克萨斯车型以及丰田品牌的皇冠上。采用的范围仍然很小，但它将成为未来主流的 VVT 系统之一。

在中低转速和高转速之间切换

可变气门正时机构的优点是可以任意调节低中速档和高速档所需的气门正时。使用VVT-i，可以分别改变进气或进气和排气的气门正时，并且可以延迟或加速气门开启正时。一般来说，发动机的气门正时随着发动机转速从低速到中速再到高速都有一个适合的正时，需要根据施加在发动机上的负载情况进行微调。

如果没有可变气门正时，需要平衡所有这些并以牺牲性能为代价进行设置，但如果像VVT-i一样可以连续控制，则根据当时的运行条件是最佳的。控制由汽车的计算机ECU控制，根据发动机转速和负荷自动控制。ECU 控制程序在丰田内部的汽车开发过程中设置最佳气门正时，并将其用作自动控制的基础。

此外，根据车型，最佳气门正时设置将根据您的驾驶方式而变化，但是如果您拥有像 VVT-i 这样的机构，即使使用 VVT-i 也可以通过更改程序来实现各种设置，这是一个很大的优势。对于专业汽车改装高手，可以通过刷ECU程序来改变性能。

晚闭米勒循环的实现

可变气门正时机构最初是为了实现中低转速和高转速，但现在它是一种模拟“米勒循环（阿特金森循环）”的手段，在提高燃油效率方面非常有效。米勒循环是一种旨在提高发动机效率的发动机循环，它通过采用大于发动机压缩比的膨胀比来提高效率和燃油效率。

在一般的发动机中，活塞压缩和膨胀时的冲程是一样的，所以压缩比=膨胀比，但是如果提高压缩比来提高发动机的效率，就会出现各种各样的问题，只有膨胀比可以增加。米勒循环就是从这个问题中诞生的。

在米勒循环中，通过比平时更晚关闭进气门，即使在压缩开始时，进气口也会打开，混合器的一部分被配入进气口，这仅具有降低压缩比的效果。米勒循环虽然效率高，具有较高的燃油效率提升效果，但在发动机输出、扭矩等性能方面存在诸多不足，尤其是在高转速范围内。

因此，米勒循环发动机具有比平时更晚关闭进气门的机构，可以在米勒循环和正常的奥托循环之间进行切换。

但同样可以采用VVT-i等可变气门正时机构，仅在低负荷时延迟气门正时，制成伪米勒循环发动机。

由于这种效果，可变气门正时机构作为一种省油技术受到了极大的关注，不仅被丰田采用，还被世界各地的制造商采用。

结构简单，安装方便

可变气门正时对米勒循环的实现等有很大的影响，但它可以安装在实际发动机上的事实也是它立即普及的原因。特别是VVT-i因安装而对发动机的改装范围较窄，无需对凸轮轴、摇臂、气门等气门系统部件进行大的改动。

需要液压机构和电子控制机构来改变凸轮轴的相位，但由于这很容易安装到凸轮轴的一端，因此可以通过稍微修改发动机阵容将其转换为 VVT-i。

另一方面，VVTL-i、本田的VTEC、三菱的MIVEC等除了专用的凸轮轴和摇臂外，还需要液压控制系统，因此需要开发各种发动机改装范围广泛的新零件。由于结构复杂，控制范围广，但在广泛使用方面也是一大劣势。

自从丰田的发动机VVT推出以来，VVT-i的采用进展迅速，其背景是易于采用的结构产生了巨大的影响。

VVT-i发动机的缺点

VVT-i的机构比其他可变气门系统更简单，更容易采用，但可以肯定的是，在以前的发动机上增加了零件，因此成本会增加。VVT-i的液压控制部件比较复杂，部件数量多，而且一点也不便宜。但是，丰田是世界领先的制造商之一，随着VVT-i的普及，成本增加可以通过规模经济的量产效应来弥补，这将导致成本的大幅降低。

VVT-i 发动机故障

搭载 VVT-i 的发动机在性能和燃油效率方面都非常高效，但另一方面，自采用 VVT 以来，这种结构发生了许多故障，这是事实。大多数在行驶时发动机上都有警告灯，似乎都是VVT-i发生内部故障或内部零件损坏。

但是，这种故障很少是零件的设计或机制问题，实际上往往是用户缺乏维护造成的。VVT-i 使用液压装置，使用发动机油进行内部操作，但是如果发动机油变质并变得更粘稠，或者如果发动机油中脏的油泥增加，通过阻碍机制的运作而发生故障。

原因是机油没有正确更换，如果机油更换正确，故障原因就会减少。日系车由于可靠性高，故障少，但正因如此，用户经常忽略更换机油。丰田汽车的数量是压倒性的，采用的 VVT-i 的数量也很多，因此可以说，由于缺乏维护而导致的故障数量可能会增加。

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