JP2007046459A - 可変動弁機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 テーパカムと揺動カムとの接触部における偏当りを防止し、部品摩耗を抑制する。
【解決手段】 カムシャフト４にテーパカム１４を設け、バルブ６を駆動するロッカアーム３とカムシャフト４との間に揺動カム５を配置する。アクチュエータ２４でテーパカム１４を揺動カム５に対しカムシャフト４の軸線方向へ移動し、揺動カム５の初期位相を内燃機関の運転状態に応じて変更する。揺動カム５の支持部１７にカム追従子１８を設け、その軸部にテーパカム１４のテーパ面１４ｃと接触する平面部１８ｂを形成する。カム追従子１８の軸部を支持部１７にテーパカム１４の回転軸線と直角でかつ平面部１８ｂに含まれる軸線の周りで揺動可能に支持する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の運転状態に応じてバルブ特性を変更する可変動弁機構に関する。

従来、リンクを用いた可変動弁機構が知られている。例えば、特許文献１には、内燃機関のクランク軸によって駆動されるカムシャフト上に回転カムを固定するとともに、バルブを駆動する揺動カムを支持し、回転カムをリング状リンクを介してロッカアームの一端に連結し、ロッカアームを制御カム上に揺動可能に支持し、ロッカアームの他端をロッド状リンクを介して揺動カムに連結し、制御カムをアクチュエータで回動し、揺動カムの初期移送を内燃機関の運転状態に応じて変更する可変動弁機構が記載されている。

また、従来、テーパカムを用いた可変動弁機構も知られている。例えば、特許文献２の可変動弁機構５０は、図９に示すように、バルブ５１を駆動するロッカアーム５２とカムシャフト５３との間に揺動カム５４を備えている。カムシャフト５３にはテーパカム５５が固定され、揺動カム５４にテーパカム５５と係合するテーパローラ５６が支持されている。そして、アクチュエータ（図示略）でカムシャフト５３を軸線方向へ駆動し、テーパカム５５とテーパローラ５６との相対位置を変え、揺動カム５４の初期位相を内燃機関の運転状態に応じて変更して、バルブ５１のリフト量、作用角および開閉タイミングを制御するようになっている。
特開平１１−３２４６２５号公報 特許第３３１３４４５号公報

テーパカム式の可変動弁機構５０は、リンク式の機構と比較し、より少数の部品でバルブ特性を高精度に制御できる利点がある。しかし、従来の可変動弁機構５０は、テーパカム５５の動力をテーパローラ５６を介して揺動カム５４に伝えているので、加工誤差や組付誤差によってテーパカム５５のテーパ角とテーパローラ５６のテーパ角とが一致しない場合に、偏当り（点接触）によって双方のテーパ面が摩耗しやすくなるという問題点があった。

本発明の目的は、上記課題を解決し、テーパカムと揺動カムとの接触部における偏当りを防止して、部品摩耗を抑えることができる可変動弁機構を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、カムシャフトにテーパカムを設け、バルブを駆動するロッカアームとカムシャフトとの間に揺動カムを配置し、アクチュエータでテーパカムと揺動カムとをカムシャフトの軸線方向へ相対移動し、揺動カムの初期位相を内燃機関の運転状態に応じて変更する可変動弁機構において、揺動カムにテーパカムのテーパ面と接触する平面部を備えたカム追従子をテーパカムの回転軸線と直角な軸線の周りで揺動可能に設けたことを特徴とする。

上記可変動弁機構において、好ましくは、次の手段を採用できる。
（１）揺動カムにカム追従子をテーパカムの回転軸線と直角でかつ平面部に含まれる軸線の周りで揺動可能に設けること。
（２）平面部をカム追従子の揺動軸線方向に長く形成すること。
（３）カム追従子が平面部を揺動軸線方向へ移動不能に係止する係止部を備えること。

（４）カム追従子が揺動軸線方向に長い軸部を備え、軸部に平面部と係止部とを形成すること。
（５）軸部を半割円柱状に形成し、揺動カムに軸部を揺動可能に支持する凹溝を形成すること。
（６）凹溝を軸部の半径よりも浅く形成すること。

本発明の可変動弁機構によれば、テーパカムのテーパ角に誤差がある場合に、カム追従子がテーパカムの回転軸線と直角な軸線周りで揺動し、平面部をテーパ面に追従させて、互いに線接触する状態に保つ。従って、テーパカムとカム追従子との偏当りを防止し、これらの部品の摩耗を抑制できるという効果がある。

また、カム追従子が平面部に含まれる軸線の周りで揺動するので、カム追従子の揺動によって揺動カムの位相が変化することがなく、テーパカムの変位量を揺動カムに正確に伝えて、バルブ特性を高精度に制御することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、この可変動弁機構１は、カムシャフト４にテーパカム１４を設け、バルブ６を駆動するロッカアーム３とカムシャフト４との間に揺動カム５を配置し、アクチュエータ２４でテーパカム１４を揺動カム５に対しカムシャフト４の軸線方向へ移動し、揺動カム５の初期位相を内燃機関の運転状態に応じて変更可能に構成されている。揺動カム５の支持部１７にはカム追従子１８が設けられ、カム追従子１８の軸部１８ａにテーパカム１４のテーパ面１４ｃと接触する平面部１８ｂが形成されている。軸部１８ａはテーパカム１４の回転軸線と直角でかつ平面部１８ｂに含まれる軸線の周りで支持部１７に揺動可能に支持されている。

次に、可変動弁機構１の構成と作用を実施例に基づいて詳細に説明する。この実施例では、内燃機関として自動車用ガソリンエンジンを例示する。このガソリンエンジンには、一つのシリンダにつき二本の吸気バルブと二本の排気バルブとが設けられている。図１〜図４は吸気バルブ側の可変動弁機構１を示すが、同じ機構を排気バルブ（図示略）側に適用することも可能である。

可変動弁機構１は、シリンダヘッド２の上方に、二つのロッカアーム３と、一本のカムシャフト４と、二つの揺動カム５とを備えている。ロッカアーム３は、シリンダヘッド２に支持されたバルブ（吸気バルブ）６の上方に配置されている。カムシャフト４と揺動カム５は、共にロッカアーム３の上方においてシリンダヘッド２からの高さがほぼ同等となる位置に配置され、カムシャフト４が揺動カム５の横方向に位置している。

ロッカアーム３の基端には凹部７が形成され、凹部７に嵌入するピボット８によりロッカアーム３が上下方向（バルブ６の軸線方向）へ揺動可能に支持されている。ロッカアーム３の先端にはバルブ６を駆動する駆動部９が設けられ、ロッカアーム３の中間部にローラ１０がローラ軸１１によって支持されている。なお、ピボット８はシリンダヘッド２に固定されたホルダ１２に高さ調整可能に螺合されている。

カムシャフト４には一つのシリンダにつき二つのテーパカム１４が固定的に設けられ、エンジンのクランク軸によりカムシャフト４と一体に回転される。テーパカム１４には、所定の角度範囲でバルブ６のリフト量をゼロに保つベース部１４ａと、残りの角度範囲でバルブリフト量を増大させるノーズ部１４ｂとが設けられている。テーパカム１４の全周にはテーパ面１４ｃが各部同一角度で形成され、テーパ面１４ｃに揺動カム５の初期位相を最小化する最小プロフィール１４ｄと、揺動カム５の初期位相を最大化する最大プロフィール１４ｅとが設定されている。

揺動カム５は、ロッカアーム３とカムシャフト４との間でカムシャフト４と平行なシャフト１６に支持されている。揺動カム５のボディ５ａには、支持部１７がカムシャフト４側へ突設され、支持部１７にテーパカム１４と係合するカム追従子１８が設けられている。支持部１７の下面には、ロッカアーム３のローラ１０に係合するカム面２０が形成され、その一端にロッカアーム３を駆動しない等半径部２０ａが設けられている。支持部１７と反対側のボディ５ａには角部２１が突設され、角部２１に当接するプッシャー２２にカム追従子１８をテーパカム１４側へ付勢するスプリング２３が嵌挿されている。そして、テーパカム１４のカム形状に従って揺動カム５が揺動し、揺動カム５の揺動に伴ってロッカアーム３がバルブ６を駆動するようになっている。

カム追従子１８は円柱体を半分に割った形状の軸部１８ａを備え、軸部１８ａにテーパカム１４のテーパ面１４ｃと接触する平面部１８ｂが形成されている。支持部１７の上面には凹溝１９がテーパカム１４の回転軸線（カムシャフト４の軸線Ｘ）に対し直角に延びるように形成され、凹溝１９に軸部１８ａが平面部１８ｂに含まれる軸線Ｙ（円柱体の中心線）の周りで揺動可能に支持されている。軸部１８ａの中間部外周には凹溝１９の大径部１９ａに嵌合する係止部１８ｃが突設され、係止部１８ｃによって平面部１８ｂがカム追従子１８の揺動軸線Ｙ方向へ移動不能に係止されている。なお、揺動軸線Ｙが支持部１７の上面より高い位置に形成されるように、凹溝１９は軸部１８ａの半径よりも浅く形成されている。

一方、カムシャフト４の一端は油圧又は電動のアクチュエータ２４に連結され、アクチュエータ２４によってカムシャフト４が軸線方向へ往復駆動される。そして、この可変動弁機構１は、制御装置（図示略）によりアクチュエータ２４の駆動量をエンジンの運転状態に応じて制御し、テーパカム１４とカム追従子１８との相対位置をカムシャフト４の軸線方向に変化させ、揺動カム５の初期位相を変えて、バルブ６のリフト量、作用角および開閉タイミングを変更するように構成されている。

次に、上記のように構成された可変動弁機構１の作用について説明する。図５（ａ），（ｂ）は、テーパカム１４の最小プロフィール１４ｄをカム追従子１８に位置決めした状態を示す。この状態では、（ａ）に示すように、揺動カム５の初期位相が最小化され、カム追従子１８がベース部１４ａに係合している期間中は、揺動カム５とロッカアーム３が静止し、バルブ６が閉鎖位置に保持される。（ｂ）に示すように、カム追従子１８がノーズ部１４ｂの頂点に係合すると、揺動カム５とロッカアーム３が共に最小の角度で揺動し、図７の曲線（イ）に示すように、バルブリフト量と作用角が共に最小化され、吸気バルブ６の開放タイミングが遅く閉鎖タイミングが早く制御される。なお、図７の曲線（ホ）は排気バルブのリフト量と作用角を示す。

図６（ａ），（ｂ）は、テーパカム１４の最大プロフィール１４ｅをカム追従子１８に位置決めした状態を示す。この状態では、（ａ）に示すように、カム追従子１８がテーパカム１４のテーパ面１４ｃでロッカアーム３側へ押され、揺動カム５の初期位相が最大化される。しかし、カム追従子１８がベース部１４ａに係合している期間中は、揺動カム５の等半径部２０ａがローラ１０に係合するため、ロッカアーム３が静止し、バルブ６が閉鎖位置に保持される。（ｂ）に示すように、カム追従子１８がノーズ部１４ｂの頂点に係合すると、揺動カム５とロッカアーム３が最大の角度で揺動し、図７の曲線（ロ）に示すように、バルブリフト量と作用角が共に最大化され、吸気バルブ６の開放タイミングが早く閉鎖タイミングが遅く制御される。従って、揺動カム５の初期位相を変えることで、図７の曲線（ハ），（ニ）に示すように、バルブ特性を任意の中間値に制御できる。

ところで、テーパカム１４の回転中は、図３（ａ）に示すように、カム追従子１８が平面部１８ｂをテーパ面１４ｃに線接触させた状態でテーパカム１４の動力を揺動カム５に伝える。図３（ｂ）に示すように、テーパ面１４ｃの角度θが加工誤差や組付誤差で変化した場合は（θａ＜θｂ）、カム追従子１８が軸線Ｙの周りで揺動し、平面部１８ｂをテーパ面１４ｃに追従させる。従って、平面部１８ｂとテーパ面１４ｃとの線接触を保ち、テーパカム１４と揺動カム５との偏当りを防止し、これらの部品の摩耗を抑制することができる。また、カム追従子１８の揺動軸線Ｙが平面部１８ｂに含まれているので、カム追従子１８が揺動した場合でも、揺動カム５の位相（図３に高さで示す）に変化が生じない。このため、テーパカム１４の変位量を揺動カム５に正確に伝え、バルブ特性を高精度に制御することができる。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、例えば以下のように、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することもできる。
（１）図８に示すように、カムシャフト４に一シリンダあたり一つのテーパカム１４と、一つの揺動カム５とを設ける。揺動カム５のボディ５ａに二つのカム面２０と一つの支持部１７とを形成し、支持部１７の凹溝１９にカム追従子１８を支持する。こうすれば、一つのテーパカム１４で二本のバルブ６を開閉可能な二弁一体式の可変動弁機構３１を構成できる。

（２）ロッカアームをＴ字形に形成し、その両端に二つのバルブ駆動部を設け、一本のロッカアームで二本のバルブを駆動すること。この場合も、一つのテーパカムと一つのカム追従子とを備えた二弁一体式の可変動弁機構３１を構成できる。
（３）図１、図８の可変動弁機構１，３１において、ローラ１０にかえて超硬チップを使用し、超硬チップを揺動カム５のカム面２０と係合する部位でロッカアーム３に固定的に設けること。

本発明の一実施例を示す可変動弁機構の斜視図である。 該可変動弁機構を図１の左方から見た断面図である。 該可変動弁機構におけるカム追従子の支持構造を示す縦断面図である。 該カム追従子の支持構造を示す斜視図である。 該可変動弁機構においてバルブリフト量を最小化するときの作用を示す断面図である。 該可変動弁機構においてバルブリフト量を最大化するときの作用を示す断面図である。 バルブリフト量と作用角の関係を示す特性図である。 本発明の変更例を示す二弁一体式可変動弁機構の縦断面図である。 従来の可変動弁機構を示す断面図である。

符号の説明

１ 可変動弁機構
２ シリンダヘッド
３ ロッカアーム
４ カムシャフト
５ 揺動カム
６ バルブ
１４ テーパカム
１４ｃ テーパ面
１７ 支持部
１８ カム追従子
１８ａ 軸部
１８ｂ 平面部
２０ カム面
２４ アクチュエータ
３１ 可変動弁機構

Claims (2)

1. カムシャフトにテーパカムを設け、バルブを駆動するロッカアームとカムシャフトとの間に揺動カムを配置し、アクチュエータでテーパカムと揺動カムとをカムシャフトの軸線方向へ相対移動し、揺動カムの初期位相を内燃機関の運転状態に応じて変更する可変動弁機構において、
   前記揺動カムにテーパカムのテーパ面と接触する平面部を備えたカム追従子をテーパカムの回転軸線と直角な軸線の周りで揺動可能に設けたことを特徴とする可変動弁機構。
2. 前記揺動カムにカム追従子をテーパカムの回転軸線と直角でかつ前記平面部に含まれる軸線の周りで揺動可能に支持した請求項１記載の可変動弁機構。

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