JP2004052729A

JP2004052729A - 内燃機関のバルブタイミング制御装置

Info

Publication number: JP2004052729A
Application number: JP2002214704A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Hibi; 日比　勉; Naotaka Nagura; 名倉　直孝
Original assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Current assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】装置回転に伴う遠心力がリンクに大きなメーメントとして作用しないようにして、作動応答性を高める。
【解決手段】駆動リング３を従動軸部材８に回動可能に組み付け、これら３，８に対して回転可能な中間回転体を設ける。駆動リング３には径方向溝９を設け、中間回転体の径方向溝９に対向する側の面に渦巻き溝１７を設ける。径方向溝９と渦巻き溝１７にリンク１３の先端側の突出部１５と球１８を夫々係合させる。リンク１３の基端を従動軸部材８のレバー１１に連結し、中間回転体に付与された回転操作力をリンク１３を介して駆動リング３と従動軸部材８の相対回動に変換する。このような装置において、リンク１３に付加重量部３１を設けることにより、リンク１３の重心ｃを径方向内側の揺動支点ｐと外側の揺動支点ｑを結ぶ直線ｒ上からずらすようにした。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、内燃機関の吸気側または排気側の機関弁の開閉タイミングを運転状態に応じて可変制御するバルブタイミング制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のバルブタイミング制御装置として、特開２００１−４１０１３号公報に記載されるようなものがある。
【０００３】
この装置は、クランクシャフトにタイミングチェーン等を介して連係されたハウジング（駆動回転体）がカムシャフトの端部に回動可能に組み付けられ、ハウジングの内側端面に形成された径方向ガイドに可動案内部が径方向に沿って摺動自在に係合支持されると共に、径方向外側に突出するレバーを有するレバー軸（従動回転体）がカムシャフトの端部にボルト結合され、可動案内部とレバー軸のレバーとがリンクによって枢支連結されている。そして、前記径方向ガイドに対向する位置には、渦巻き状ガイドを有する中間回転体がハウジングとレバー軸に対して相対回動可能に設けられ、前記可動案内部の軸方向の一方の端部に突設された略円弧状の複数の突条が前記渦巻き状ガイドに案内係合されている。また、中間回転体はハウジングに対して回転を進める側にゼンマイばねによって付勢されると共に、電磁ブレーキによって回転を遅らせる側の力を適宜受けるようになっている。
【０００４】
この装置の場合、電磁ブレーキがＯＦＦ状態のときには、中間回転体がゼンマイばねの付勢力を受けハウジングに対して初期位置に位置されており、渦巻き状ガイドに突条でもって噛合う可動案内部は径方向外側に最大に変位し、リンクを引き起こしてハウジングとカムシャフトの組付角を最遅角位置または最進角位置に維持している。そして、この状態から電磁ブレーキがＯＮにされると、中間回転体が減速されてハウジングに対して遅れ側に相対回転する結果、渦巻き状ガイドに噛合う可動案内部が径方向内側に変位し、今まで引き起こされていたリンクを次第に倒すようにしてハウジングとカムシャフトの組付角を最進角位置または最遅角位置に変更する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この従来のバルブタイミング制御装置の場合、レバー軸のレバーと可動案内部を連結するリンクが、図９に示すように（同図中、リンクは符号５０で示す。）、ほぼストレート状に形成されているため、リンク５０の重心ｃが径方向内側と外側の揺動支点ｐ，ｑを結ぶ直線上に位置されることとなり、リンク５０が装置回転中心ｏを起点として内側の揺動支点ｐを通る法線ｍに対して傾斜しているときに、装置回転（レバー軸５１の回転）に伴う遠心力Ｆがリンク５０を回動させる大きなモーメントとして働く。
【０００６】
即ち、リンク５０に作用する揺動支点ｐ回りのモーメントは、遠心力Ｆの揺動支点ｐと重心ｃを通る直線ｎと直交する方向の分力Ｆ_１に比例するが、この分力Ｆ_１は遠心力Ｆの作用方向と直線ｎの成す角度をθとしたときに、Ｆ_１＝ｃｏｓ（π／２−θ）で表すことができる。そして、角度θは前記法線ｍに対する直線ｎの傾斜角が大きくなるにつれて大きくなるため、法線ｍと直線ｎの傾斜角の大きい従来のバルブタイミング制御装置の場合、分力Ｆ_１が大きくなり、揺動支点ｐ回りのモーメントも大きくなる。このため、装置回転速度が速くなると、リンク５０に作用する遠心力Ｆの影響が大きくなり、リンク５０の先端側の可動案内部と渦巻き状ガイドの接触抵抗が増大して、装置の作動応答性が低下することが問題となる。
【０００７】
そこでこの出願の発明は、装置回転に伴う遠心力がリンクに大きなメーメントとして作用しないようにして、作動応答性に優れた内燃機関のバルブタイミング制御装置を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するための手段として、この出願の発明は、リンクに付加重量部を設けることにより、リンクの重心を径方向内側の揺動支点と外側の揺動支点を結ぶ直線上からずらすようにした。
【０００９】
したがって、この発明によれば、リンクの径方向内側の揺動支点と重心を結ぶ直線と、前記法線の成す角度をリンクの揺動範囲のほぼ全域で小さくすることが可能となり、その結果、前記重心に作用する遠心力の内側揺動支点回りのモーメント成分を揺動範囲のほぼ全域で小さくすることが可能となる。このため、装置回転に伴う遠心力がリンクにモーメントとして大きく作用しなくなり、装置の作動応答性が確実に向上する。
【００１０】
具体的には、例えば、付加重量部は、リンクが最進角位置から最遅角位置に、若しくは、最遅角位置から最進角位置に移動する際に、そのリンクの重心が、装置回転中心を起点としリンクの内側の揺動支点を通る法線を横断するように配置すれば良い。この場合、リンクの重心がリンクの揺動範囲内において前記法線を横断するため、リンクの径方向内側の揺動支点と重心を結ぶ直線と前記法線の成す角度がリンクの揺動範囲の全域で平均的に小さくなる。したがって、リンクに作用する遠心力のモーメント成分をリンクの揺動範囲の全域で全体的に小さくすることができる。
【００１１】
また、前記付加重量部は、リンクの本体部が、装置回転中心を起点としリンクの内側の揺動支点を通る法線に対して傾斜しているときに、その法線を挟んでリンクの本体部と逆側に位置されるように配置することが望ましい。このようにした場合、リンクの重心は確実に前記法線に近接した位置に配置されることとなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、この出願の発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。尚、この実施形態は、この出願の発明にかかるバルブタイミング制御装置を内燃機関の吸気側の動力伝達系に適用したものであるが、内燃機関の排気側の動力伝達系に同様に適用することも可能である。
【００１３】
このバルブタイミング制御装置は、図２に示すように内燃機関のシリンダヘッド（図示せず）に回転自在に支持されたカムシャフト１と、このカムシャフト１の前端部に必要に応じて相対回動できるように組み付けられ、チェーン（図示せず）を介してクランクシャフト（図示せず）に連繋されるタイミングスプロケット２を外周に有する駆動リング３（駆動回転体）と、この駆動リング３とカムシャフト１の前方側（図２中左側）に配置されて、両者３，１の組付角を操作する組付角操作機構４と、この組付角操作機構４のさらに前方側に配置されて、同機構４を駆動する操作力付与手段５と、内燃機関の図外のシリンダヘッドとロッカカバーの前面に跨って取り付けられて組付角操作機構４と操作力付与手段５の前面と周域を覆うＶＴＣカバー６と、を備えている。
【００１４】
駆動リング３は、段差状の挿通孔７を備えた短軸円筒状に形成され、この挿通孔７部分が、カムシャフト１の前端部に結合された従動軸部材８（従動回転体）に回転可能に組み付けられている。そして、駆動リング３の前面（カムシャフト１と逆側の面）には、図１に示すように、対面する平行な側壁を有する３つの径方向溝９（径方向ガイド）が同リング３のほぼ半径方向に沿うように形成されている。
【００１５】
また、従動軸部材８は、図２に示すように、カムシャフト１の前端部に突き合わされる基部側外周に拡径部１０が形成されると共に、その拡径部１０よりも前方側の外面に放射状に突出する三つのレバー１１が一体に形成され、軸心部を貫通するボルト１２によってカムシャフト１に結合されている。各レバー１１には、後述するリンク１３の本体部３０の基端がピン１４によって枢支連結され、各リンク１３の本体部３０の先端には前記各径方向溝９に摺動自在に係合する円柱状の突出部１５が一体に形成されている。
【００１６】
各リンク１３は、突出部１５が対応する径方向溝９に係合した状態において、ピン１４を介して従動軸部材８に連結されているため、リンク１３の本体部３０の先端側が外力を受けて径方向溝９に沿って変位すると、駆動リング３と従動軸部材８はリンク１３の作用でもって突出部１５の変位に応じた方向及び角度だけ相対回動する。
【００１７】
また、各リンク１３の本体部３０の先端には、軸方向前方側に開口する挿通穴１６が形成され、この挿通穴１６に、後述する渦巻き溝１７に係合する球１８と、その球１８を転動自在に保持する略円柱状のリテーナ１９と、このリテーナ１９を介して球１８を前方側（渦巻き溝１７側）に付勢するコイルばね２０とが収容されている。尚、この実施形態の場合、リンク１３の先端の突出部１５と球１８、コイルばね２０等によってこの出願の発明における可動案内部が構成されている。
【００１８】
一方、従動軸部材８のレバー１１の突設位置よりも前方側には、中間回転体２１が軸受２２を介して回転可能に支持されている。この中間回転体２１の後部面には断面半円状の渦巻き溝１７（渦巻き状ガイド）が形成され、この渦巻き溝１７に、前述の各リンク１３の先端の球１８が転動自在に案内係合されている。渦巻き溝１７の渦巻きは、図１，図４，図５に示すように駆動リング３の回転方向Ｒに沿って次第に縮径するように形成されている。したがって、各リンク１３の先端の球１８が渦巻き溝１７に係合した状態で中間回転体２１が駆動リング３に対して遅れ方向に相対回転すると、リンク１３の先端部は径方向溝９に案内されつつ、渦巻き溝１７の渦巻き形状に誘導されて半径方向内側に移動し、逆に、中間回転体２１が進み方向に相対回転すると、半径方向外側に移動する。
【００１９】
この実施形態の組付角操作機構４は、以上説明した駆動リング３の径方向溝９、リンク１３、突出部１５、球１８、レバー１１、中間回転体２１、渦巻き溝１７等によって構成されている。この組付操作機構４は、操作力付与手段５から中間回転体２１にカムシャフト１に対する相対的な回動操作力が入力されると、その操作力が渦巻き溝１７と球１８の係合部を通してリンク１３の先端を径方向に変位させ、このときリンク１３とレバー１１の作用でもって駆動リング３と従動軸部材８に相対的な回動力を伝達する。
【００２０】
一方、操作力付与手段５は、中間回転体２１を駆動リング３の回転方向（Ｒ方向）に付勢するゼンマイばね２３と、中間回転体２１を駆動リング３の回転方向と逆方向（反Ｒ方向）に付勢する電磁ブレーキ２４と、を備えて成り、内燃機関の運転状態に応じて電磁ブレーキ２４の励磁を適宜制御することにより、中間回転体２１を駆動リング３に対して相対回動させ、或は、両者の相対回動位置を維持するようになっている。
【００２１】
ゼンマイばね２３は、駆動リング３に固定された円筒壁にその外周端部が結合される一方で、内周端部が中間回転体２１の基部に結合されている。
【００２２】
また、電磁ブレーキ２４は、中間回転体２１の前端部に一体に結合された制動フランジ２５と、この制動フランジ２５に対峙するように、非回転部材であるＶＴＣカバー６の内面に回動を規制した状態で取付けられた電磁コイルブロック２６と、を備え、電磁コイルブロック２６のコイルに通電を行うことによって制動フランジ２５に制動力を付与するようになっている。
【００２３】
尚、図２中２７は、中間回転体２１と駆動リング３の間に設けられた回動ストッパである。
【００２４】
ここで、前記各リンク１３は、図１，図３に示すように、両端に揺動支点ｐ，ｑ（ピン１４の枢支部と球１８の保持部）を有するほぼストレート状の本体部３０と、リンク１３全体の重心位置ｃを揺動支点ｐ，ｑを結ぶ直線ｒ上からずらすための付加重量部３１とを備えている。この付加重量部３１は、ほぼ円形状の頭部３１ａと、その頭部３１ａとリンク１３の本体部３０を連結するネック部３１ｂとから成り、本体部３０の径方向の内側の端部に、リンク１３全体が略Ｖ字形状を成すように一体に形成されている。このリンク１３の成すＶ字は径方向外側に開き、付加重量部３１の成すＶ字の一辺は本体部３０成す他辺よりも短くなっている。尚、図１，図３中ｍは、装置回転中心ｏを起点としリンク１３の径方向内側の揺動支点ｐを通る法線である。
【００２５】
この実施形態の場合、上述のようにリンク１３全体が径方向外側に開くＶ字形状を成すように付加重量部３１が設けられているため、リンク１３全体の重心ｃは、図１，図３に示すように揺動支点ｐ，ｑを結ぶ直線ｒ上から揺動支点ｐを中心として同図中時計回転方向にずれた位置に配置されている。このため、揺動支点ｐと重心ｃを通る直線ｎが法線ｍと成す角度は常に非常に小さい範囲に維持され、リンク１３における遠心力Ｆの作用方向と、揺動支点ｐと重心ｃを通る直線ｎの成す角度θもそれに伴なって小さい角度範囲に維持される。
【００２６】
また、この実施形態の場合、付加重量部３１は、リンク１３が図３中の実線で示す最遅角位置から破線で示す最進角位置に変化するときと、逆に最進角位置から最遅角位置に変化するときに、重心ｃが法線ｍを横断する。したがって、重心ｃが常に法線ｍの片側に位置されるように設定した場合に比較して、法線ｍと直線ｎの成す角度θはリンク１３の揺動範囲の全域でより小さい角度に維持されている。つまり、この実施形態の場合、リンク１３が最遅角位置から最進角位置、或は、最進角位置から最遅角位置に向かって揺動変位すると、この間、法線ｍと直線ｎの成す角度θは０°の前後で変化する。尚、このとき付加重量部３１は、リンク１３の全揺動範囲において、法線ｍを挟んで本体部３０と逆側に位置されるようにすることが望ましい。
【００２７】
このバルブタイミング制御装置は以上のような構成であるため、内燃機関の始動時やアイドル運転時には、電磁ブレーキ２４の励磁をオフにしておくことにより、ゼンマイばね２３の力によって中間回転体２１を駆動リング３に対して正方向（Ｒ方向）に最大に回転させておく（図１参照）。これにより、クランクシャフトとカムシャフト１の回転位相（機関弁の開閉タイミング）は最遅角側に維持され、機関回転の安定化と燃費の向上が図られる。
【００２８】
そして、この状態から機関の運転が通常運転に移行し、前記回転位相を最進角側に変更すべく指令が図外のコントローラから発されると、電磁ブレーキ２４の励磁がオンにされて、ゼンマイばね２３の力に抗する制動力が中間回転体２１に付与される。これにより、中間回転体２１が駆動リング３に対して逆方向（反Ｒ方向）に回転し、それによってリンク１３のの先端の球１８が渦巻き溝１７に誘導されてリンク１３の先端部が径方向溝９に沿って径方向内側に変位し、図４，図５に順次示すようにリンク１３の作用によって駆動リング３と従動軸部材８の組付角が最進角側に変更される。この結果、クランクシャフトとカムシャフト１の回転位相が最進角側に変更され、それによって機関の高出力化が図られることとなる。
【００２９】
また、この状態から前記回転位相を最遅角側に変更すべく指令がコントローラから発されると、電磁ブレーキ２４の励磁がオフにされ、再度ゼンマイばね２３の力によって中間回転体２１が正方向（Ｒ方向）に回転させられる。すると、渦巻き溝１７による球１８の誘導によってリンク１３が上記と逆側に揺動し、図１に示すようにそのリンク１３の作用によって駆動リング３と従動軸部材８の組付角が再度最遅角側に変更される。
【００３０】
ところで、このバルブタイミング制御装置の場合、リンク１３に前述した付加重量部３１を設けることにより、リンク１３に対する遠心力Ｆの作用方向と、揺動支点ｐと重心ｃを通る直線ｎの成す角度θが小さい角度範囲に維持されるようにしているため、遠心力Ｆの直線ｎと直交する方向の分力Ｆ_１（＝Ｆ・ｃｏｓ（π／２−θ））は非常に小さくなり、遠心力Ｆによってリンク１３の揺動支点ｐ回りに作用するモーメントも非常に小さくなる。したがって、カムシャフト１の回転速度が増大してもリンク１３に大きなモーメントが作用しなくなり、リンク１３の先端側の球１８がリンク１３のモーメントによって渦巻き溝１７の側壁に強固に押付けられてフリクションの増大を招く不具合も生じない。
【００３１】
図６は、この実施形態の装置におけるリンク１３の重心ｃの変位と発生モーメントの関係を図９に示す従来例と比較して示したグラフであり、このグラフから明かなように、従来のものは、モーメントの作用する向きが一方向のみであって全体的に大きな値となっているのに対し、この実施形態のものは、モーメントの作用する向きが重心ｃの変位と共に反転し、値は全体的に０前後の小さなものとなる。
【００３２】
また、図７は、この実施形態の装置におけるリンク１３の重心ｃの変位と渦巻き溝１７部分の発生フリクションの関係を図９に示す従来例と比較して示したグラフであり、このグラフから明らかなように、この実施形態のものは重心ｃが最進角位置と最遅角位置の間で変位したときに発生フリクションが０の近傍で変動する。尚、同図中フリクションが０まで減少して再度増大するのは、リンク１３に作用するモーメントの向きが変化するのに伴なって球１８に対する渦巻き溝１７の当接面が内周壁側と外向壁側とで切り換わるためである。
【００３３】
尚、この出願の発明の実施形態は以上で説明したものに限るものではなく、例えば、以上の実施形態では、付加重量部３１を単に本体部３０の基部に一体形成したものであるが、図８に示すように、本体部１３０の付加重量部１３１と逆側の側面にさらに肉抜き３５を設けるようにしても良い。この場合、リンク１１３の全体の重量増加を回避しつつ、より効果的に重心ｃをずらすことが可能となる。
【００３４】
また、付加重量部の形状も種々の形状が採用可能である。
【００３５】
次に、上記の実施形態から把握し得る請求項に記載以外の発明について、以下にその作用効果と共に記載する。
【００３６】
（イ）リンクを略Ｖ字状に形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【００３７】
この場合、リンク全体の重量増加を最小限に抑えつつ、リンクに作用するモーメントを小さくすることができる。
【００３８】
（ロ）リンクは、最進角位置と最遅角位置においても中間回転体の外周面よりも内側に位置されていることを特徴とする請求項１〜３、前記（イ）のいずれかに記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【００３９】
この場合、発生モーメントを小さく抑えつつ、装置の大型化も回避することができる。
【００４０】
（ハ）付加重量部は、円形状の頭部と、その頭部をリンクの本体部の基部に連結するネック部を有することを特徴とする請求項１〜３、前記（イ），（ロ）のいずれかに記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【００４１】
この場合、付加重量部は重心調整機能を確保しつつ、最も軽量化することができる。
【００４２】
（ニ）リンクは、本体部の付加重量部と逆側の側面に肉抜き部を設けたことを特徴とする請求項１〜３、前記（イ）〜（ハ）のいずれかに記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【００４３】
この場合、リンク全体の重量増加を回避しつつ、重心位置を効果的にずらすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明の一実施形態を示す図２のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図２】同実施形態を示す縦断面図。
【図３】同実施形態のリンクの作動を示す要部の正面図。
【図４】同実施形態を示す図１と同様の断面図。
【図５】同実施形態を示す図１と同様の断面図。
【図６】同実施形態の装置と従来の装置のモーメント−リンク重心変位特性を示すグラフ。
【図７】同実施形態の装置と従来の装置のフリクション−リンク重心変位特性を示すグラフ。
【図８】この出願の発明の他の実施形態を示すリンクの正面図。
【図９】従来の技術を示す正面図。
【符号の説明】
３…駆動リング（駆動回転体）
５…操作力付与手段
８…従動軸部材（従動回転体）
９…径方向溝（径方向ガイド）
１３…リンク
１５…突出部（可動案内部）
１７…渦巻き溝（渦巻き状ガイド）
１８…球（可動案内部）
２０…コイルばね（可動案内部）
２１…中間回転体
３０…本体部
３１…付加重量部
ｃ…重心
ｐ…揺動支点
ｑ…揺動支点
ｍ…法線
ｒ…揺動支点を結ぶ直線

Claims

内燃機関のクランクシャフトによって回転駆動される駆動回転体と、カムシャフト若しくは同シャフトに結合された別体部材から成り、前記駆動回転体から動力を伝達される従動回転体と、前記駆動回転体と従動回転体のいずれか一方に設けられた径方向ガイドと、前記駆動回転体と従動回転体に対して相対回転可能に設けられ、前記径方向ガイドに対峙する側の面に渦巻き状ガイドを有する中間回転体と、前記径方向ガイドと渦巻き状ガイドに変位可能に案内係合される可動案内部と、前記駆動回転体と従動回転体のいずれか他方のものの回転中心から離間した部位と前記可動案内部とを揺動可能に連結するリンクと、前記中間回転体に駆動回転体及び従動回転体に対する相対的な回動操作力を付与する操作力付与手段と、を備え、
前記操作力付与手段によって中間回転体を駆動回転体及び従動回転体に対して回動操作することにより、渦巻き状ガイドに係合した各可動案内部を径方向ガイドに沿わせて径方向に変位させ、その変位を前記リンクを介して駆動回転体と従動回転体の相対回動に変換する内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
前記リンクに、リンクの重心を、径方向内側の揺動支点と外側の揺動支点を結ぶ直線上からずらすための付加重量部を設けたことを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
前記付加重量部は、リンクが最進角位置から最遅角位置に、若しくは、最遅角位置から最進角位置に移動する際に、そのリンクの重心が、装置回転中心を起点としリンクの内側の揺動支点を通る法線を横断するように配置したことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
前記付加重量部は、リンクの本体部が、装置回転中心を起点としリンクの内側の揺動支点を通る法線に対して傾斜しているときに、その法線を挟んでリンクの本体部と逆側に位置されるように配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。