JP2005525495A - 電気的な駆動部を備えたカム軸調節装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関のカム軸（３）およびクランク軸を解離可能に結合し、かつ調節するための装置であって、３軸伝動装置として形成された調節伝動装置（１）が設けられており、該調節伝動装置（１）が、クランク軸に結合された駆動軸（４）と、カム軸に結合された被動軸（５）と、電気的な調節モータ（２）に結合された調節軸（６）とを有しており、駆動軸（４）と被動軸（５）との間で、調節軸（６）の静止時に提示される固定伝動装置伝達比ｉ_０の高さが、伝動装置タイプ（マイナス伝動装置またはプラス伝動装置）と、基本位置または非常運転位置を有するカム軸（３）の調節方向とを規定するようになっている形式のものに関する。
装置の機能信頼性は、調節モータ（２）および／またはその制御部の故障時に、調節軸（６）の制止もしくは固定および駆動軸（４）の同時的な回転ならびに適当な固定伝動装置伝達比ｉ_０により、カム軸（３）の基本位置もしくは非常運転位置が達成可能および保持可能であることにより改善される。

Description

発明の分野
本発明は、特に請求項１の上位概念部に記載された形式の、内燃機関のカム軸およびクランク軸を解離可能に結合し、かつ調節するための装置に関する。

発明の背景
液圧式または電気式のカム軸調節システムを備えた内燃機関において、確実な機関スタートを保証するために、カム軸はいわゆる「基本位置」または「非常運転位置」にいなければならない。この位置はインテークカム軸では一般に「遅れ側（遅角）」に、エキゾーストカム軸では「早め側（進角）」にある。車両の通常運転中、カム軸は機関の停止時に、調整されてその都度の基本位置へと運動させられ、そこに固定または係止される。

従来慣用の、液圧式に操作される回転型ピストン式調節装置、例えばベーン容器、旋回ベーンまたはセグメントベーンは係止ユニットを有している。係止ユニットは液圧式の調節装置をその基本位置に、カム軸を調節するために十分な油圧が形成されるようになるまで固定する。機関の機関停止（エンスト）が発生すると、カム軸は基本位置以外の、不定の位置にあり得る。

基本位置が「遅れ側」にある液圧式のカム軸調節システムの場合、カム軸は、内燃機関の次のスタート時およびその際の欠乏した油圧時に、カム軸回転方向とは逆向きに働くカム軸摩擦モーメントに基づいて、自動的に遅れ側の基本位置へと調節される。基本位置が「早め側」にある場合、カム軸は油圧の欠乏時にカム軸摩擦モーメントに抗して、早め側の基本位置へと調節されねばならない。このことは大抵の場合補償ばねの助けを借りて行われる。補償ばねは、カム軸摩擦モーメントに等しい、ただし逆向きのモーメントを生ぜしめる。

これらの、液圧式に操作可能なカム軸調節装置において一般的な、内燃機関の機関停止後に基本位置へともたらす方法を、電気的に駆動されるカム軸調節装置で使用することはできない。調節モータシステムが無傷であって、カム軸が内燃機関の停止時または再スタート時にその都度の基本位置へと調節可能である限り、これらの方法は必要ない。しかしながら、電気的な調節モータシステムの場合、調節モータおよび／またはその制御部は故障する可能性があって、これにより、基本位置の達成は阻止されてしまう。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第４１１０１９５号明細書に記載されている、内燃機関のカム軸およびクランク軸を解離可能に結合し、かつ調節するための装置には、３軸伝動装置として形成された調節伝動装置が設けられており、該調節伝動装置が、クランク軸に結合された駆動軸と、カム軸に結合された被動軸と、電気的な調節モータに結合された調節軸とを有しており、駆動軸と被動軸との間で、調節軸の静止時に提示される固定伝動装置伝達比ｉ_０の高さが、伝動装置タイプ（マイナス伝動装置またはプラス伝動装置）と、基本位置または非常運転位置を有するカム軸の調節方向とを規定するようになっている。この調節装置では、カム軸位置の簡単かつ正確な調節が課題となっている。調節モータシステムの故障時に内燃機関の機能を少なくとも必要最低限維持できるように、調節角の制限が意図されている。ただし、そのような事例での基本位置もしくは非常運転位置の達成については記載も示唆もなされていない。

発明の課題
それゆえ、本発明の課題は、カム軸を調節モータの故障時および／または調節モータの制御部の故障時にもその基本位置へと調節することができる、電気的なカム軸調節装置を提供することである。

発明の要旨
本発明により、上記課題は特許請求項１の特徴部に記載された特徴により解決される。調節軸の制止もしくは固定後に、内燃機関の低アイドリング時、または内燃機関が機関停止してしまった場合には、内燃機関の再スタート時に、駆動軸を回転させることにより、たとえ調節モータシステムが故障していても、カム軸はその基本位置もしくは非常運転位置へと調節される。この位置で、車両はスタートさせられることができ、ある制限を伴って運転されることができるので、整備場までは到達することができる。前提は、適当な固定伝動装置伝達比ｉ_０である。適当な固定伝動装置伝達比ｉ_０により、所望の伝動装置タイプ（プラス伝動装置またはマイナス伝動装置）および調節方向（遅れ側または早め側）が規定されている。

調節伝動装置の選択時に、マイナス伝動装置にするかプラス伝動装置にするかが問題となる。マイナス伝動装置は０より小さな固定伝動装置伝達比ｉ_０を有しており、プラス伝動装置は０より大きな固定伝動装置伝達比ｉ_０を有している。正の固定伝動装置伝達比ｉ_０時に、駆動軸と被動軸とは、停止した調節軸および該調節軸に結合された構成部分に関して、同じ回転方向を有しており、負の固定伝動装置伝達比ｉ_０時に、逆向きの回転方向を有している。

マイナス伝動装置の場合、調節軸が固定され、駆動軸が時計回りで回転すると、被動軸、ひいてはカム軸は反時計回りで回転する。このことは遅れ側調節に相当する。

固定伝動装置伝達比がｉ_０＞１であるプラス伝動装置の場合、調節軸が固定され、駆動軸が時計回りで回転すると、被動軸が駆動軸よりもゆっくりと、すなわち、反時計回りで、ひいては遅れ側調節の方向で回転する。

固定伝動装置伝達比が０＜ｉ_０＜１であるプラス伝動装置の場合、調節軸が固定され、駆動軸が時計回りで回転すると、被動軸は駆動軸よりも速く、すなわち、時計回りで、ひいては早め側調節の方向で回転する。

この関係は全ての該当する調節伝動装置で使用可能である。要するに、調節モータの故障時に、遅れ側の基本位置を達成するためには、ｉ_０＜０のマイナス伝動装置またはｉ_０＞１のプラス伝動装置の調節軸の固定が必要であり、早め側の基本位置を達成するためには、０＜ｉ_０＜１のプラス伝動装置の調節軸の固定が必要である。

有利には、調節モータが、中央位置から両回転方向で最大値まで上昇し、その後再度下降する、パッシブな自己保持モーメントを備えた永久磁石ロータを有している。調節伝動装置の、変換された摩擦モーメントの分だけ増大された、調節モータの自己保持モーメントは、変換された最大の動力学的な、調節軸に反作用するカム軸トルクの６０〜１００％を有しているだけでよい。それというのも、カム軸トルクのピークのエネルギ内容量が低く、必要な保持モーメントがむしろ平均的なカム軸モーメントにより規定されているからである。永久磁石ロータの使用は永久磁石ステータに対して、電流がシリンダヘッドに定置のステータに導入されるだけでよいという利点を有している。

永久磁石型調節モータの自己保持モーメントが不十分である場合、および自己保持モーメントのない、他励式の直流モータの場合、付加的なブレーキモーメントが調節軸の固定のために役立つ。このブレーキモーメントはシリンダヘッドに定置の、有利には機械的なブレーキまたは渦電流ブレーキにより生ぜしめられる。ブレーキは内燃機関の低アイドリング時に自動的に操作され、調節モータの作業時に自動的に緩解される。このようにして、カム軸は内燃機関の停止前に常にその基本位置へと調節される。このことが機関の機関停止により不可能であるならば、次回の始動時に改めて行われる。

有利には、カム軸の調節速度が、選択された固定伝動装置伝達比ｉ_０に基づき、調節軸の停止時および内燃機関の低アイドリング回転数時に、有利には３０゜〜６０゜カム角度／秒にある。その際、調節モータが、カム軸の、その基本位置への戻し時に、一回転方向または両回転方向で移動するかは重要でない。

カム軸の平常位置では、調節伝動装置の駆動軸、被動軸および調節軸が同じ回転数で回転することが必要である。こうすると、クランク軸とカム軸との間の相対運動が生じない。

調節伝動装置として例えば公知の、プラス伝動装置である偏心体伝動装置（Ｅｘｚｅｎｔｅｒｇｅｔｒｉｅｂｅ）または軸伝動装置（Ｗｅｌｌｅｎｇｅｔｒｉｅｂｅ）が、またはマイナス伝動装置またはプラス伝動装置である揺動伝動装置（Ｔａｕｍｅｌｇｅｔｒｉｅｂｅ）または二重遊星歯車伝動装置（Ｄｏｐｐｅｌｐｌａｎｅｔｅｎｇｅｔｒｉｅｂｅ）が考慮の対象として挙げられる。調節モータは一般的なブラシレスの永久磁石ロータ型モータまたはブラシ付の他励直流モータとして形成される。

図面の簡単な説明
本発明の別の特徴は以下の説明、および本発明の実施例が概略的に示されている図面から見て取れる。

図面の詳細な説明
図１および図２には、電気的な調節モータ２，２′を備えた調節伝動装置１，１′が示されている。調節伝動装置１，１′は内燃機関のカム軸３，３′と、図示されていないクランク軸との間の回転角度位置を調節するために役立つ。

調節伝動装置１，１′は駆動軸４，４′、被動軸５，５′および調節軸６，６′を備えた３軸伝動装置（Ｄｒｅｉｗｅｌｌｅｎｇｅｔｒｉｅｂｅ）として形成されている。

駆動軸４，４′は駆動輪７，７′に結合されており、かつ駆動輪７，７′を介して、図示されていない歯車、歯付きベルトまたは歯付きチェーンにより、クランク軸に固く結合されている。

被動軸５，５′はカム軸３，３′に固く結合されており、調節軸６，６′は調節モータ２，２′のロータ８，８′に固く結合されている。

調節モータ２のステータ９はシリンダヘッド１０に固く結合されており、不動である。調節モータ２′のステータ９′は駆動輪７′に固く結合されており、調節伝動装置１と同様にクランク軸の半分の回転数で回転する。

カム軸３，３′は、確実なスタートおよび制限された運転のために達成されねばならない基本位置もしくは非常運転位置を有している。基本位置もしくは非常運転位置の達成は、調節モータ２，２′が無傷であれば、内燃機関の機関停止後にも問題なく行われる。それというのも、調節モータ２，２′がカム軸３，３′を内燃機関の停止時または再スタート中に基本位置へと調節するからである。ただし、調節モータ２，２′が故障した場合にも、少なくとも整備場に到達できるように、再スタートが可能でなければならない。

調節伝動装置１，１′およびその固定伝動装置伝達比（Ｓｔａｎｄｇｅｔｒｉｅｂｅｕｅｂｅｒｓｅｔｚｕｎｇ）ｉ_０は、調節軸６，６′を固定するだけで、カム軸３，３′が始動時にその基本位置に到達し、ひいては内燃機関がスタート可能な状態にあるように設計されている。

調節軸６，６′が静止し、駆動軸４，４′が右回りで回転する場合、ｉ_０の設計に関して次のことが成立する：
ｉ_０＜０では、遅れ側調節を行うマイナス伝動装置（Ｍｉｎｕｓｇｅｔｒｉｅｂｅ）が提示され、０＜ｉ_０＜１では、早め側調節を行うプラス伝動装置（Ｐｌｕｓｇｅｔｒｉｅｂｅ）が提示され、ｉ_０＞１では、遅れ側調節を行うプラス伝動装置が提示される。

調節軸６の固定は、永久磁石ロータ８または永久磁石ステータ９を備えた、通電されていない調節モータ２により実施されることができる。調節モータ２は自己保持モーメント（Ｓｅｌｂｓｔｈａｌｔｅｍｏｍｅｎｔ）を有しており、自己保持モーメントは中央位置から両回転方向で最大値まで上昇し、その後再度下降する。自己保持モーメントは、励磁されていない調節モータを静力学的に、不均等で連続的な回転を惹起することなく負荷し得る最大のトルクである。

自己保持モーメントは、調節伝動装置１の、変換された摩擦モーメントにより、内燃機関の低アイドリング回転数時の、変換された最大の動力学的なカム軸モーメントの６０％〜１００％にあるべき係止モーメントへと強められる。

通電されていない調節モータ２の係止モーメントが、調節軸を固定するのに十分でなければ、シリンダヘッドに定置の、機械的または電気的に働くブレーキ１１によって付加的に、外的なブレーキモーメントが加えられる。このブレーキモーメントは係止モーメントと同様に調節軸６の両回転方向で働く。

内燃機関の機関停止後または調節モータ２の故障後、カム軸３は不定の位置にあり得る。調節軸６の固定もしくは制止により、カム軸３は続いての始動時に、駆動軸４の、始動装置により惹起される回転運動により、その基本位置へと調節される。その結果、スタートが可能である。

調節モータ２′（図２参照）のステータ９′はそのロータ８′と共に回転するので、ステータ９′とロータ８′との間で有効な自己保持モーメントにより調節軸６′を固定することは不可能である。この場合、調節軸６′はシリンダヘッドに定置の、機械的または電気的なブレーキ１１′だけで制止され得る。ブレーキ１１′により、内燃機関の機関停止後または調節モータ２′の故障時に、遅くとも次回の機関始動時には、その基本位置へのカム軸３′の調節、ひいては機関スタートが可能になる。

調節モータ２，２′が高い温度を有する場合、調節軸６，６′を機械的または電気的に制止することは調節モータ２，２′の熱負荷を軽減するためにも役立つ。

ステータがシリンダヘッドに定置である調節モータを備えた調節伝動装置を示す図である。

ステータが共に回転する、別の調節モータを備えた別の調節伝動装置を示す図である。

符号の説明

１ 調節伝動装置、 １′ 調節伝動装置、 ２ 電気的な調節モータ、 ２′ 電気的な調節モータ、 ３ カム軸、 ３′ カム軸、 ４ 駆動軸、 ４′ 駆動軸、 ５ 被動軸、 ５′ 被動軸、 ６ 調節軸、 ６′ 調節軸、 ７ 駆動輪、 ７′ 駆動輪、 ８ ロータ、 ８′ ロータ、 ９ ステータ、 ９′ ステータ、 １０ シリンダヘッド、 １０′ シリンダヘッド、 １１ シリンダヘッドに定置のブレーキ、 １１′ シリンダヘッドに定置のブレーキ

Claims (10)

1. 内燃機関のカム軸（３，３′）およびクランク軸を解離可能に結合し、かつ調節するための装置であって、３軸伝動装置として形成された調節伝動装置（１，１′）が設けられており、該調節伝動装置（１，１′）が、クランク軸に結合された駆動軸（４，４′）と、カム軸に結合された被動軸（５，５′）と、電気的な調節モータ（２，２′）に結合された調節軸（６，６′）とを有しており、駆動軸（４，４′）と被動軸（５，５′）との間で、調節軸（６，６′）の静止時に提示される固定伝動装置伝達比ｉ_０の高さが、伝動装置タイプ（マイナス伝動装置またはプラス伝動装置）と、基本位置または非常運転位置を有するカム軸（３，３′）の調節方向とを規定するようになっている形式のものにおいて、調節モータ（２，２′）および／またはその制御部の故障時に、調節軸（６，６′）の制止もしくは固定および駆動軸（４，４′）の回転ならびに適当な固定伝動装置伝達比ｉ_０により、カム軸（３，３′）の基本位置もしくは非常運転位置が達成可能および保持可能であることを特徴とする、電気的な駆動部を備えたカム軸調節装置。
2. カム軸（３，３′）の遅れ側調節のために、ｉ_０＜０を有するマイナス伝動装置またはｉ_０＞１を有するプラス伝動装置が適しており、カム軸（３，３′）の早め側調節のために、０＜ｉ_０＜１を有するプラス伝動装置が適している、請求項１記載の装置。
3. 調節軸（６）を、通電することなく固定するために、調節モータ（２）の自己保持モーメントが適しており、調節モータ（２）がロータ（８）と、シリンダヘッドに定置のステータとを有しており、有利にはロータ（８）に永久磁石が装備されている、請求項２記載の装置。
4. 調節モータ（２）を相応に設計し、かつ調節伝動装置（１）の、変換された摩擦モーメントの分だけその自己保持モーメントを増大することにより、変換された最大の動力学的な、調節軸（６）に反作用するカム軸トルクの、有利には６０％〜１００％が、少なくとも内燃機関のスタート時および低アイドリング時に達成可能である、請求項３記載の装置。
5. 調節モータ（２，２′）の自己保持モーメントが不十分であるかまたは存在していない場合に、シリンダヘッドに定置の、機械的または電気的なブレーキ（１１，１１′）の外的なブレーキモーメントが、調節軸（６，６′）を固定するために加えられる、請求項４記載の装置。
6. ブレーキ（１１，１１′）が内燃機関の低アイドリング時に自動的に操作され、かつ調節モータ（２，２′）の作業時に自動的に緩解されている、請求項５記載の装置。
7. カム軸（３，３′）の調節速度が、選択された固定伝動装置伝達比ｉ_０に基づき、調節軸（６，６′）の停止時および内燃機関の低アイドリング回転数時に、有利には３０゜〜６０゜カム角度／秒にある、請求項６記載の装置。
8. カム軸（３，３′）の、その基本位置もしくは非常運転位置への戻しが調節モータ（２，２′）の回転方向とは無関係に実施される、請求項７記載の装置。
9. カム軸（３，３′）の平常位置で、調節伝動装置（１，１′）の駆動軸（４，４′）、被動軸（５，５′）および調節軸（６，６′）が同じ回転数で回転する、請求項８記載の装置。
10. 調節伝動装置（１，１′）が例えば偏心体伝動装置または軸伝動装置（プラス伝動装置）として、または揺動伝動装置または二重遊星歯車伝動装置（マイナス伝動装置またはプラス伝動装置）として形成されており、かつ調節モータ（１，１′）がブラシレスの直流モータまたはブラシ付の直流モータとして形成されている、請求項９記載の装置。

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