JP2005016517A - 可変カムシャフトタイミングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 ハウジングに対するロータのロック係合時の応答性を向上させる。
【解決手段】 可変カムシャフトタイミングシステムにおいて、ローブ１２，１４，１６を有し、カムシャフト２６に固定されたロータ１０と、ロータ１０を囲繞するとともに、ローブ１２，１４，１６の周方向長さよりも長いローブ受入れ用の凹部２０，２２，２４を有し、カムシャフト２６およびロータ１０に対して回転可能かつ振動可能に設けられたハウジングと１８と、エンジンオイル圧の低下時にハウジング１８およびロータ１０間の相対的周方向運動を防止するために、ロックプレート５０の歯５２がハウジング１８の歯５４と係合するように付勢する金属製ストラップ７０とを設ける。
【選択図】 図３

Description

本発明は、アクチュエータロック装置を備えた内燃機関用可変バルブタイミングシステムに関する。より詳細には、本発明は、エンジン始動時のような液圧低下時にシステム構成部品をロック状態でロックすることができるロック能力を備えたトルクパルス駆動の液圧可変バルブタイミングシステムに関する。

ベッカーらによる米国特許第 5,107,804号は、カムシャフト位相シフトシステムを駆動する作動流体がエンジンオイルであるところの内燃機関用ベーン型カムシャフトトルクパルス駆動液圧カムシャフトまたはバルブタイミングシステムについて記述している。なお、当該米国特許は、本件出願の譲受人に譲渡されており、その開示内容は引用することによって本願の明細書に含まれている。

このシステムは、たとえばエンジン運転状態の変化に対するタイムリーな応答性において、その他の既知のタイプのバルブまたはカムシャフトタイミングシステムに比べて、多くの運転上の利点を有している。

しかしながら、このシステムは、エンジンオイル圧の低下時に騒音を発生したり、または不安定となる傾向がある。これは、しばしばエンジン始動時に発生し、時々その他の運転状態時にも発生する。

このような場合、システムの相対移動可能な要素を固定位置で互いにロックできることは重要であり、本発明が関係しているのは、このような可変バルブタイミングシステムにおけるシステムロックの要求を解決するための改良された手法を提供することにある。

ストールトによる米国特許第 2,861,557号は、もっぱらエンジンオイル圧によって運転されるシステムではあるが、液圧可変カムシャフトタイミングシステムについて記述している。当該米国特許は、低速運転時にシステムの可変要素を互いに固定位置にロックするのが望ましいということを教示しているが、単一の組の固定位置が得られるシステムについて教示しているだけである。

米国特許第 6,250,265号は、エンジンオイル圧が高いときに可変位置カムシャフト位相器ハウジングとのロック係合が外れた位置から、またエンジンオイル圧が低いときに位相器ハウジングとロック係合する位置から、エンジンオイル圧に抗してスプリング付勢されたロックプレートを有する液圧可変カムシャフトタイミングシステムについて教示している。

このロックプレートは、環状配列の多数の歯を有している。ロックプレートが位相器ハウジングとロック係合しているとき、ロックプレートの歯は、位相器ハウジングの歯と係合している。ロックプレートおよび位相器ハウジングがそれぞれ噛合可能な多数の歯を有しているので、ロックプレートは、ロックプレートおよび位相器ハウジング間において対応する多数の周方向位置で位相器ハウジングとロック係合し得る。

米国特許第 6,250,265号の発明が任意の多数位置で位相器ハウジングをロックできることは、位相器のオイル消費および位相器の振動またはディザーを有益に減少させる。さらに、制御システムの運転要求を、ロック能力のないシステムにおけるフルタイムからパートタイムへと減少させる。

カムシャフト位相器ロック装置は、要求されたときに確実に係合しまたは係合が外れるように、捩じり方向に剛性を有しかつ軸方向に可撓性を有していなければならないということが知られている。また、ロックプレートおよび位相器ハウジング間で最小限のバックラッシュを有しつつ運転できなければならない。
米国特許第 5,107,804号明細書 米国特許第 2,861,557号明細書 米国特許第 6,250,265号明細書

本発明が解決しようとする課題は、ロータとのロック係合時の応答性を向上できる可変カムシャフトタイミングシステムを提供することにある。

請求項１の発明は、少なくとも一つのカムシャフトを有する内燃機関のための可変カムシャフトタイミングシステムであって、カムシャフトとともに回転するようにカムシャフトに固定された少なくとも一つのローブを有し、カムシャフトに対して振動しないように設けられたベーン型ロータと、ロータを囲繞しかつカムシャフトおよびロータに対して回転可能かつ振動可能に設けられるとともに、ローブの周方向長さよりも長いローブ受入れ用の少なくとも一つの凹部を有する環状ハウジングと、エンジンオイル圧の低下時に、ハウジングおよびロータ間の複数の周方向相対位置の一つにおいてハウジングおよびロータ間の相対的周方向運動を防止するようにエンジンオイル圧に反応するロック手段と、一端が環状ハウジングに固定されかつ他端がロータに固定されるとともに、エンジンオイル圧の低下時にロック手段がロータとロック係合するように付勢する少なくとも一つの金属製ストラップとを備えている。

請求項２の発明では、請求項１において、環状ハウジングが第１の環状配列歯を有するとともに、ロック手段が、第２の環状配列歯を有する環状ロックプレートを有している。環状ロックプレートの第１の位置において、ハウジングおよびロータ間の相対移動を防止するために、第２の環状配列歯が第１の環状配列歯と噛み合っており、環状ロックプレートの第２の位置において、ハウジングおよびロータ間の相対的周方向移動を許容するために、第２の環状配列歯が第１の環状配列歯との噛合いから外れており、少なくとも一つの金属製ストラップが、環状ロックプレートを第１の位置に付勢している。

請求項３の発明では、請求項２において、環状ロックプレートが、カムシャフトの長手方向の中心軸に沿って第１および第２の位置の間で移動可能に設けられている。

請求項４の発明では、請求項１において、少なくとも一つの金属製ストラップが、周方向に離間配置された少なくとも３つの金属製ストラップから構成されており、各ストラップは、一端がロックプレートに固定され、他端がロータに固定されている。

請求項５の発明では、請求項１において、ロータが、周方向に離間配置された少なくとも３つのベーンから構成されており、環状ハウジングが、周方向に離間配置された同じ数の凹部から構成されている。

本発明による可変カムシャフトタイミングシステムは、上述の米国特許第 6,250,265号のシステムと同様に、囲繞するハウジングローブ付ベーン型ロータの位置を変更するのに用いられる、エンジンオイルで運転されるカムシャフトトルクパルス駆動の液圧システムである。

さらに、本発明による可変カムシャフトタイミングシステムは、上述の米国特許第6,250,265号のシステムと同様に、エンジンオイル圧が所定値を越えたときを除いて、ロータおよびハウジング間の相対運動を防止するために、エンジンオイル圧に抗してスプリング付勢されたロックプレートを有している。本発明によるロックは、米国特許第6,250,265号のシステムと同様に、ロータおよびハウジング間の相対的な多数位置のうちの一つまたはもう一つの位置において発生し得る。

本発明が、バターフィールドらによる米国特許第 5,657,725号のシステムのように、カムシャフトトルクパルスに起因するオイル圧およびエンジンオイル圧の双方で運転されるハイブリッド・可変カムシャフトタイミングシステムに適用され得るとともに、上述の米国特許第 2,861,557号のシステムのようなエンジンオイル圧駆動システムに適用され得るということも意図されている。米国特許第 5,657,725号は、本件出願の譲受人に譲渡されており、その開示部分は引用することによって本明細書に含まれている。

しかしながら、米国特許第 6,250,265号の発明と異なり、本発明によるロックプレートは、可変カムシャフトタイミング位相器のローブ付ロータに物理的に結合されている。この結合は、複数のストラップ、好ましくは３本のストラップによって行なわれており、これらのストラップは環状に配列されており、各ストラップの両端は、たとえばリベットやボルトによってそれぞれロックプレートおよびローブ付ロータに固定されている。

ストラップは、ロックプレートおよびロータのロック解除位置において、ロックプレートに作用するエンジンオイル圧に抗してロックプレートをロータ側に付勢するように配向されている。これにより、エンジンオイル圧が許容最小値を下回ったときに、オイル圧を制御するオン・オフソレノイドがオフとなり、ストラップがロックプレートをロータとのロック位置に付勢する。

ロックプレートおよび位相器ロータ間のストラップ結合は、これらの部材間の迅速な係合および係合解除を許容する点で、軸方向に可撓性を有しており、また周方向には固定されており、これにより、これらの部材間の相対的な周方向運動を防止している。

さらに、ロックプレートおよび位相器ロータ間のストラップ結合は、米国特許第 6,250,265号の発明においてロックプレートおよびロータに楔状の内側噛合歯を設けることによって達成されたものと比較すると、ロックプレートおよびロータ間のバックラッシュをなくしまたは実質的になくすのを可能にする。このような係合の形態は、内側噛合スプライン歯による噛合いと比較して、バックラッシュの非常に少ない噛合形態である。

したがって、内燃機関のための改良されたベーン型トルクパルス駆動の液圧可変バルブタイミングまたは可変カムシャフトタイミングシステムを提供することが本発明の目的である。より詳細には、本発明の目的は、上記特性を有するとともに、ハウジング位置に対するローブ付ロータの位置をロックするための改良された装置を有する可変バルブタイミングまたは可変カムシャフトタイミングシステムを提供することである。

この装置においては、エンジン運転状態がロータおよびハウジング間の相対運動を防止するのを望ましいとするときはいつでも、ロータが自由に振動する。さらに詳細には、本発明の目的は、上記特性を有するとともに、システムのロックプレートおよびロータ間のバックラッシュを排除しまたは実質的に排除する可変バルブタイミングまたは可変カムシャフトタイミングシステムを提供することである。

本発明およびその目的のさらなる理解のためには、図面および好ましい実施例の詳細な記述に注意が向けられるべきである。

本発明によれば、ロック手段をロック係合方向に付勢する金属製ストラップを設けたことにより、ロック手段とロータとのロック係合を迅速に行えるようになり、応答性を向上できる。

以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
本発明による可変カムシャフトタイミングシステムには、ベーン型ロータ１０が設けられている。ロータ１０には、半径方向外方に突出する複数（ここでは３つ）のローブ１２，１４，１６が設けられている。

環状のスプロケット型ハウジング１８は、ロータ１０を囲繞するとともに、それぞれローブ１２，１４，１６を受け入れる凹部２０，２２，２４を有している。ロータ１０は、回転カムシャフト２６の延長部４６端部のフランジ４６ａにインナープレート２８を介してボルト締めされている。

これにより、ロータ１０は、カムシャフト２６とともに回転可能で、カムシャフト２６に対して振動しないようになっている。ハウジング１８には、その外周にスプロケット歯３０が設けられている。カムシャフト２６を含む組立体は、スプロケット歯３０と係合する無端状チェーン（図示せず）からハウジング１８に与えられるトルクによって、ロータ１０およびハウジング１８とともに回転させられる。

図示しない回転クランクシャフトまたは図示しない他の回転カムシャフトからの回転力は、無端状チェーンに与えられる。なお、カムシャフト２６とともに回転するハウジング１８は、クランクシャフトまたは他のカムシャフトに対するカムシャフト２６の位相を変更するために、カムシャフト２６に対して振動可能になっている。

その点で、各凹部２０，２２，２４の周方向長さは、各凹部内に受け入れられたローブ１２，１４，１６の周方向長さよりも長くなっており、ハウジング１８およびロータ１０間の制限された周方向相対運動が許容されている。

ハウジング１８の凹部２０，２２，２４を囲繞するように、カバープレート３２が、周方向に離間配置されたボルト３４によってロータ１０にボルト締めされている。ハウジング１８の外側面上の凹部３８には、カバープレート３２の面とシール可能に係合する環状シール３６が配置されている。

メインオイルギャラリ（図示せず）からの補充エンジンオイルは、カムシャフト２６の延長部４６内の流路４４を通って凹部２０，２２，２４に流入する。上記米国特許第 5,107,804号に説明されるように、ロータ１０およびカバープレート３２に同軸に配置されたスプールバルブ４８のスライド運動により、オイルは、凹部２０，２２，２４内のローブ１２，１４，１６の一方の側または他方の側に選択的に分配される。

環状のロックプレート５０は、ロータ１０およびカバープレート３２に同芯に配置されており、ロータ１０およびカバープレート３２に対して軸方向にスライド可能になっている。ロックプレート５０には、複数の歯５２が環状に配列されている。歯５２は、ロックプレート５０がハウジング１８に対し軸方向の最も内側の位置に配置されているときにハウジング１８の複数の歯５４と噛み合うように配置されている。

これにより、ハウジング１８およびロータ１０間の相対的な運動が防止されている。その一方、ロックプレート５０が軸方向の最も外側の位置に配置されているときには、歯５２は歯５４との噛合いが外れており、これにより、ハウジング１８およびロータ１０間の相対的振動運動が許容されている。

ロックプレート５０は、延長部４６内に配設された独立通路９６からのエンジンオイル圧によって、軸方向最外側位置に付勢されている。通路９６内に存在するオイルは、オン・オフソレノイド９０によって制御されている。オン・オフソレノイド９０の状態に応じて、ロックプレート５０は、ロックピストン５６上において軸方向の最外側位置に付勢される。ロックピストン５６は、ロックプレート５０とともに軸方向に往復運動するように、ロックプレート５０の環状部をシールしつつロックプレート５０に設けられている。

カバープレート３２の内径およびロックピストン５６の間の相対的軸方向運動を許容するように、ロックピストン５６の外周の凹部６０には、環状シール５８が設けられている。ロックピストン５６のカバープレート３２に対する過剰な外方運動を防止するように、カバープレート３２の内周の凹部６４には、Ｃ形リテーニングリングが設けられている。

ロックプレート５０は、複数（ここでは３個）の金属製ストラップ７０によって軸方向の最内側位置にスプリング付勢されている。各ストラップ７０は、その非負荷位置において平坦状になっており、ロックプレート５０のロック解除位置においては略Ｚ字状に屈曲変形している。

各ストラップ７０の一端７０ａは、リベット７２によってロックプレート５０に固定されている。各ストラップ７０の他端７０ｂは、ワッシャー７６を介してネジ付締結具７４によりカバープレート３２に固定されている。

ロックプレート５０には、ネジ付締結具７４と軸方向に整列した複数の開孔７８が設けられているが、開孔７８は、ネジ付締結具７４よりも大きく形成されており、これにより、ロックプレート５０およびカバープレート３２間の相対的な軸方向移動が許容されている。各ストラップ７０の端部７０ｂとカバープレート３２との間は、リベット結合されている。

ロックプレート５０の歯５２とハウジング１８の歯５４との間の噛合いは、各歯に楔形状が用いられる場合には、実質的にバックラッシュがない。これに対して、互いに軸方向に移動する部材間における内側係合スプライン歯の係合は、本来いくらかのバックラッシュが必要である。その点で、各楔状歯５２，５４において５度の角度が、最小の噛合量で実質的にバックラッシュのない良好なトルク伝達を提供することが分かった。

楔状歯におけるテーパー状の歯の角度はトルク伝達を増加させるが、ロックプレート５０が環状ハウジング１８に楔となって嵌まり込むのを防止するために、いくらかのバックラッシュが設けられている。さらに、同じ枚数の歯５４と噛み合う多数の歯５２を用いることにより、ロックプレート５０が環状ハウジング１８と噛み合う前にロックプレート５０および環状ハウジング１８がほぼ周方向に整列するのを確保する必要がなくなる。

各歯５２，５４が噛み合っているときに各歯５２，５４への荷重を最小限に抑えるためには、各歯５２，５４が大きな外径上に配置されているのが好ましい。このことはまた、より細かなピッチの歯の使用を許容するとともに、より多くのロック位置を許容する。

カムシャフト２６の延長部４６は、ネジ付留め具８４により互いに取り外し可能に連結された下部半割り部８０および上部半割り部８２からなる分割ベアリングに回転自在に支持されている。上下部半割り部８０，８２により構成されたベアリングはまた、延長部４６内の半径方向通路８６を通じてエンジンオイルを導入するためのバルブとして機能している。

半径方向通路８６を含む独立通路が延長部４６に設けられており、エンジンオイルのＶＣＴシステム内への流入を許容している。第１の独立通路４４は、位相器を満たすとともに、漏れによるオイル損失を補填するために供給されるエンジンオイルのための通路である。

第２の通路８６は、パルス幅変調（ＰＷＭ）ソレノイド８８を介して制御されている。ＰＷＭソレノイド８８は、ＶＣＴ駆動の方向および駆動変化速度を制御するスプールバルブ４８を移動させるための圧力を調節する。第３の独立通路９６は、ロックプレートと連絡しており、オン・オフソレノイド９０によって制御されている。

オン・オフソレノイド９０は、ロックプレート５０がロータ１０と係合しまたは係合解除するタイミングを制御している。オン・オフソレノイド９０は、ブラケット９２によって、ベアリングの上部半割り部８２に固定されている。

本発明による可変カムシャフトタイミングシステムは、オープンループ制御またはクローズドループ制御によって運転制御されている。これらの制御方法は、米国特許出願第09/450,456号に記述されている。さらに、本発明によるＶＣＴシステムのロックプレート５０がシステムの他の部品の外部に配置されているので、たとえば米国特許出願第09/473,804号に記述されたエンジンオイル圧駆動（ＯＰＡ）システムのような他のタイプのＶＣＴシステムに適用可能である。

上記米国特許出願は、本件出願の譲受人に譲渡されており、その開示部分は引用することによって本明細書に含まれる。また、本発明によるＶＣＴシステムは、米国特許第 5,657,725号に記述されたようなハイブリッドシステムにも適用可能である。

本発明が関連する分野の当業者は、上述の教示内容を考慮するとき、本発明の精神および本質的な特徴部分から外れることなく、本発明の原理を採用する種々の変形例やその他の実施態様を構築し得る。上述の実施態様はあらゆる点で単なる例示としてのみみなされるべきものであり、限定的なものではない。

したがって、本発明が個々の実施態様に関連して説明されてきたものの、構造、順序、材料その他の変更は、本発明の範囲内においてではあるが、当該技術分野の当業者にとって明らかであろう。

本発明の好ましい実施例による可変カムシャフトタイミングシステムの分解組立図である。 本発明の好ましい実施例による可変カムシャフトタイミングシステムの分解組立図である。 図１Ａおよび図１Ｂによる可変カムシャフトタイミングシステムの端面図である。 図２の３−３線断面図である。

符号の説明

１０：（ベーン型）ロータ
１２，１４，１６： ローブ（ベーン）
１６： ローブ
１８：（環状）ハウジング
２０，２２，２４： 凹部
２６： カムシャフト
５０：（環状）ロックプレート
５２：（環状配列）歯
５４：（環状配列）歯
７０：（金属製）ストラップ

２８： インナープレート
３０： スプロケット歯
３６： 環状シール
４６： 延長部
４６ａ： フランジ
８０： 下部半割り部
８２： 上部半割り部
８４： ネジ付留め具
８６： 半径方向通路
８８： パルス幅変調（ＰＷＭ）ソレノイド
９０： オン・オフソレノイド
９２： ブラケット

Claims (5)

1. 少なくとも一つのカムシャフトを有する内燃機関のための可変カムシャフトタイミングシステムであって、
   カムシャフトとともに回転するようにカムシャフトに固定された少なくとも一つのローブを有し、カムシャフトに対して振動しないように設けられたベーン型ロータと、
   ロータを囲繞しかつカムシャフトおよびロータに対して回転可能かつ振動可能に設けられるとともに、ローブの周方向長さよりも長いローブ受入れ用の少なくとも一つの凹部を有する環状ハウジングと、
   エンジンオイル圧の低下時に、ハウジングおよびロータ間の複数の周方向相対位置の一つにおいてハウジングおよびロータ間の相対的周方向運動を防止するようにエンジンオイル圧に反応するロック手段と、
   一端が環状ハウジングに固定されかつ他端がロータに固定されるとともに、エンジンオイル圧の低下時にロック手段がロータとロック係合するように付勢する少なくとも一つの金属製ストラップと、
   を備えた可変カムシャフトタイミングシステム。
2. 請求項１において、
   環状ハウジングが第１の環状配列歯を有しており、
   ロック手段が、第２の環状配列歯を有する環状ロックプレートを有しており、環状ロックプレートの第１の位置において、ハウジングおよびロータ間の相対移動を防止するために、第２の環状配列歯が第１の環状配列歯と噛み合っており、環状ロックプレートの第２の位置において、ハウジングおよびロータ間の相対的周方向移動を許容するために、第２の環状配列歯が第１の環状配列歯との噛合いから外れており、少なくとも一つの金属製ストラップが、環状ロックプレートを第１の位置に付勢している、
   ことを特徴とする可変カムシャフトタイミングシステム。
3. 請求項２において、
   環状ロックプレートが、カムシャフトの長手方向の中心軸に沿って第１および第２の位置の間で移動可能に設けられている、
   ことを特徴とする可変カムシャフトタイミングシステム。
4. 請求項１において、
   少なくとも一つの金属製ストラップが、周方向に離間配置された少なくとも３つの金属製ストラップから構成されており、各ストラップは、一端がロックプレートに固定されており、他端がロータに固定されている、
   ことを特徴とする可変カムシャフトタイミングシステム。
5. 請求項１において、
   ロータが、周方向に離間配置された少なくとも３つのベーンから構成されており、環状ハウジングが、周方向に離間配置された同じ数の凹部から構成されている、
   ことを特徴とする可変カムシャフトタイミングシステム。

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