JP2007071059A - バルブタイミング調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐久性を確保しつつコストを低減するバルブタイミング調整装置を提供する。
【解決手段】 バルブタイミング調整装置は、第一内歯車部２２を有し、カム軸と連動して回転する第一回転体２０と、第一内歯車部２２から軸方向へずれて位置する第二内歯車部１４を有し、クランク軸と連動して回転する第二回転体１０と、第一外歯車部５４及び第二外歯車部５２を有し、第一外歯車部５４及び第二外歯車部５２がそれぞれ第一内歯車部２２及び第二内歯車部１４に噛合しつつ一体に遊星運動することにより第一回転体２０と第二回転体１０との間の相対回転位相を変化させる遊星歯車５０とを備え、第一内歯車部２２と第一外歯車部５４との歯すじ方向の歯当たり長さＬが、第二内歯車部１４と第二外歯車部５２との歯すじ方向の歯当たり長さｌよりも長いことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、クランク軸からのトルク伝達によりカム軸が開閉する吸気弁及び排気弁のうち少なくとも一方のバルブタイミングを調整する内燃機関のバルブタイミング調整装置に関する。

従来、クランク軸及びカム軸とそれぞれ連動して回転する二つの回転体間の相対回転位相を変化させることにより、バルブタイミングを調整するバルブタイミング調整装置が知られている。例えば特許文献１には、遊星歯車を主体とする差動歯車機構により二つの回転体間の相対回転位相を変化させるバルブタイミング調整装置が開示されている。具体的に特許文献１に開示の装置では、クランク軸及びカム軸の各々の連動回転体に設けられて軸方向へ互いにずれて位置する二つの内歯車部を、遊星歯車に設けられた二つの外歯車部と噛合させている。これにより、コンパクトな設計で大きな減速比を得ることが可能となっている。

さて、特許文献１に開示の装置では、カム軸の連動回転体に設けられている内歯車部（以下、カム軸側内歯車部という）がカム軸の変動トルクを直接的に受けることにより、当該カム軸側内歯車部と外歯車部との歯当たり部分に大きな面圧が生じる。一方、クランク軸の連動回転体に設けられている内歯車部（以下、クランク軸側内歯車部という）は、カム軸側内歯車部及び遊星歯車となす差動歯車機構の作用によって、減少した変動トルクを受けることになるため、当該クランク軸側内歯車部と外歯車部との歯当たり部分に生じる面圧は小さくなる。また、カム軸を平均的に回転させるクランク軸のトルクはカム軸の変動トルクよりも小さくなるのが通常であり、このことによっても、クランク軸側内歯車部と外歯車部との歯当たり部分に生じる面圧は小さくなる。

独国特許発明第４１１０１９５Ｃ２号明細書

しかし、特許文献１に開示の装置では、カム軸側内歯車部と外歯車部との歯すじ方向の歯当たり長さが、クランク軸側内歯車部と外歯車部との歯すじ方向の歯当たり長さよりも短い。これによりカム軸側内歯車部と外歯車部との歯当たり面積が、クランク軸側内歯車部と外歯車部との歯当たり面積よりも小さくなっている。そのため、歯当たり部分に生じる大きな面圧にカム軸側内歯車部と外歯車部とが耐え得るようにするには、高剛性材料の選定や高硬度化処理等によって各歯車部の剛性を高めるしか手立てがなく、その結果、コストが高騰してしまう。
本発明の目的は、耐久性を確保しつつコストを低減するバルブタイミング調整装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明によると、カム軸と連動回転する第一回転体の第一内歯車部と遊星歯車の第一外歯車部との歯すじ方向の歯当たり長さは、クランク軸と連動回転する第二回転体の第二内歯車部と遊星歯車の第二外歯車部との歯すじ方向の歯当たり長さよりも長くされる。これにより第一内、外歯車部の歯当たり面積が大きくなるので、カム軸の変動トルクによって第一内、外歯車部の歯当たり部分に生じる面圧を下げることができる。したがって、第一内、外歯車部の剛性をそれ程に高めなくても、それら歯車部の耐久性を確保することができ、その結果、コストが低減する。
尚、「歯すじ方向の歯当たり長さ」とは、よく知られているように、互いに噛み合う歯車部同士が歯当たりしている部分の歯すじ方向における長さを意味する。

請求項２に記載の発明によると、カム軸と連結される第一回転体は当該カム軸から変動トルクを直に受けることになるため、第一内歯車部の歯に作用するモーメントが比較的大きくなり易い。しかし、上述した歯当たり長さが採用されるため、第一内歯車部の歯に大きなモーメントが作用したとしても、第一内、外歯車部の大きな歯当たり面積によってその歯当たり部分における面圧増大が抑制される。
尚、第一回転体は、例えばタイミングチェーン、タイミングベルト等の回転伝達部材を介してカム軸と連繋するものであってもよい。

請求項３に記載の発明の如く第一内歯車部が第二内歯車部よりも小径に形成される構成では、装置に要求される体格に応じて第二内歯車部の径が設定され、またそうした第二内歯車部の径よりも小さくなるように第一内歯車部の径が設定される。そのため、第一歯車部の径を大きくするには限界が生じてしまい、第一内歯車部の歯に作用するモーメントを小さくすることが難しくなる。しかし、上述した歯当たり長さが採用されるため、第一内歯車部の歯に作用するモーメントが大きくても、第一内、外歯車部の歯当たり面積が大きいことによってその歯当たり部分における面圧増大を抑制することができる。
尚、第一内歯車部は、第二内歯車部よりも大径であってもよい。

請求項４に記載の発明によると、遊星歯車を内周側から自転自在に支持する遊星枠には、制御ユニットにより制御された回転トルクが遊星歯車の公転方向に与えられる。この回転トルクを受けて遊星歯車は遊星運動し、第一、第二回転体間の相対回転位相変化を生じさせるので、制御ユニットの回転トルク制御によって当該相対回転位相、さらにはバルブタイミングを正確に調整することができる。そして特に、第一内、外歯車の耐久性が確保された状態にあるので、バルブタイミングの正確な調整を長期に亘って実現することができる。

請求項５に記載の発明によると、制御ユニットは、遊星枠に与える回転トルクを電動モータにより発生する。このように、高精度に電気制御可能な電動モータを用いることでバルブタイミングの調整精度を高めることができる。
尚、制御ユニットは、電動モータにより回転トルクを発生させるもの以外にも、例えば油圧モータや電磁ブレーキ装置等により回転トルクを発生させるものであってもよい。

請求項６に記載の発明によると、吸気弁のバルブタイミングを調整するバルブタイミング調整装置は、電動モータが発生する回転トルクにより遊星枠が第二回転体に対して遅角方向へ相対回転するとき、第一回転体が第二回転体に対して遅角方向へ相対回転する。このような構成では、内燃機関の回転中に電動モータが停止すると、第二内歯車部に対して遊星枠を遅角方向へ相対回転させる回転トルクが発生し、第一回転体が第二回転体に対して遅角方向へ相対回転する。それ故、故障時等に電動モータが急停止したとしても、内燃機関の始動が可能な遅角側の安全位相へとバルブタイミングを変移させることができる。また、第二回転体に対する遅角方向への相対回転を遊星枠及び第一回転体について同時に成立させるには、例えば第一内、外歯車部の径をそれぞれ第二内、外歯車部の径よりも小さくし、第一内、外歯車部の歯数をそれぞれ第二内、外歯車部の歯数よりも少なくする必要がある。このように第一内歯車部の径を小さくした場合、当該歯車部の歯に作用するモーメントを小さくすることは難しくなるが、請求項３に記載の発明について説明した原理と同様の原理によって、第一内、外歯車部の歯当たり部分での面圧増大を抑制することができる。
尚、バルブタイミング調整装置は、排気弁のバルブタイミングを調整するものであってもよい。また、バルブタイミング調整装置は、調整対象の弁の種類に拘らず、電動モータが発生する回転トルクにより遊星枠が第二回転体に対して遅角方向へ相対回転するときに第一回転体が第二回転体に対して進角方向へ相対回転するものであってもよい。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図２は、本発明の一実施形態によるバルブタイミング調整装置１を示している。バルブタイミング調整装置１は、内燃機関のクランク軸からカム軸２へ機関トルクを伝達する伝達系に設けられている。バルブタイミング調整装置１は、クランク軸とカム軸２との間の相対回転位相を変化させることにより、内燃機関の吸気弁のバルブタイミングを調整する。
バルブタイミング調整装置１は、駆動側回転体１０、従動側回転体２０、制御ユニット３０、遊星枠４０、遊星歯車５０を備えている。

駆動側回転体１０と従動側回転体２０とは共同して、遊星枠４０及び遊星歯車５０等の収容空間１１を内部に形成している。
図２，３に示すように駆動側回転体１０は、有底円筒状の歯車部材１２と、二段円筒状のスプロケット１３とを同軸に組み合わせて構成されている。歯車部材１２の周壁部は、歯先円面が歯底円の内周側にあり且つ歯すじ方向が軸方向に一致する駆動側内歯車部１４を形成している。歯車部材１２は、駆動側内歯車部１４の外周壁がスプロケット１３の大径部１５の内周壁に嵌合した状態でスプロケット１３に螺子留めされている。スプロケット１３において大径部１５と小径部１６との間を繋ぐ段差部１７には、外周側へ突出する形態で複数の歯１９が設けられており、これらの歯１９とクランク軸の複数の歯との間で環状のタイミングチェーンが巻き掛けられる。故に、クランク軸から出力された機関トルクがタイミングチェーンを通じてスプロケット１３へ入力されるときには、駆動側回転体１０はクランク軸と連動して、当該軸に対する相対位相を保ちつつ回転軸線Ｏ周りに回転する。このとき駆動側回転体１０の回転方向は、本実施形態では図３の反時計方向となる。

図２，４に示すように従動側回転体２０は有底円筒状であり、駆動側回転体１０及びカム軸２と同軸に配置されている。従動側回転体２０の底壁部は、カム軸２の一端部にボルト固定される固定部２１を形成している。そして、このボルト固定によってカム軸２と同軸に連結された形の従動側回転体２０は、カム軸２と連動して当該軸２に対する相対回転位相を保ちつつ回転軸線Ｏ周りに回転可能となっており、また駆動側回転体１０に対して相対回転可能となっている。尚、以下の説明では、駆動側回転体１０に対して従動側回転体２０が進角する相対回転方向を進角方向Ｘといい、駆動側回転体１０に対して従動側回転体２０が遅角する相対回転方向を遅角方向Ｙという。

従動側回転体２０の周壁部は、歯先円が歯底円の内周側にあり且つ歯すじ方向が軸方向に一致する従動側内歯車部２２を形成している。ここで、従動側内歯車部２２の内径は駆動側内歯車部１４の内径よりも小さく設定され、従動側内歯車部２２の歯数は駆動側内歯車部１４の歯数よりも少なく設定されている。従動側内歯車部２２の外周壁はスプロケット１３における小径部１６及び段差部１７の内周壁に嵌合しており、それによって従動側回転体２０は駆動側回転体１０を内周側から相対回転自在に支持している。従動側内歯車部２２の固定部２１とは反対側端部には、外周側へ突出するフランジ部２３が設けられている。フランジ部２３は、軸方向において向き合う駆動側内歯車部１４の端面２４と段差部１７の端面２５との間に挟持されている。この挟持形態によって、従動側内歯車部２２と駆動側内歯車部１４とが軸方向にずれて隣接していると共に、従動側回転体２０に対する駆動側回転体１０の軸方向相対変位が規制されている。

図２に示すように制御ユニット３０は、電動モータ３２、通電制御回路３３等から構成されている。電動モータ３２は、回転体１０，２０を挟んでカム軸２とは反対側に配置されている。電動モータ３２は例えばブラシレスモータ等であり、内燃機関にステー（図示しない）を介して固定されるモータケース３１並びにモータケース３１によって正逆回転自在に支持されるモータ軸３４を有している。通電制御回路３３はマイクロコンピュータ等の電気回路であり、モータケース３１の外部又は内部に配置されて電動モータ３２と電気的に接続されている。通電制御回路３３は、電動モータ３２のコイル（図示しない）への通電を内燃機関の運転状態等に応じて制御する。この通電制御によって電動モータ３２は、モータ軸３４の周りに回転磁界を形成し、当該回転磁界の方向に応じた方向Ｘ，Ｙ（図５参照）の回転トルクをモータ軸３４から出力する。

図２，５に示すように、遊星枠４０の入力部４１は回転体１０，２０及び軸２，３４と同軸の円筒状であり、継手４２を介してモータ軸３４に固定されている。この固定によって遊星枠４０は、モータ軸３４と連動して回転軸線Ｏ周りに回転可能となっており、また駆動側回転体１０に対しては相対回転可能となっている。入力部４１は、歯車部材１２の底壁部１８を軸方向へ貫通する中心孔１９の内周側に配置されており、ベアリング４３を介して駆動側回転体１０を内周側から支持している。

図２，３に示すように、遊星枠４０において入力部４１よりも固定部２１側の偏心部４４は、回転体１０，２０及び軸２，３４に対して外周壁が偏心する円筒状である。偏心部４４は、遊星歯車５０を軸方向へ貫通する中心孔５１の内周側に配置されており、ベアリング４５を介して遊星歯車５０を内周側から支持している。この支持により遊星歯車５０は、偏心部４４の外周壁の中心軸線である偏心軸線Ｐ周りに自転可能且つ偏心部４４の回転方向へ公転可能となっている。即ち遊星歯車５０は、遊星運動可能に配置されている。

図２〜４に示すように遊星歯車５０は二段円筒状であり、歯先円が歯底円の外周側にあり且つ歯すじ方向が軸方向に一致する駆動側外歯車部５２及び従動側外歯車部５４をそれぞれ大径部分及び小径部分によって形成している。ここで、駆動側外歯車部５２の歯数は駆動側内歯車部１４の歯数よりも所定数Ｎ（ここでは一つ）少なく設定され、また従動側外歯車部５４の歯数は従動側内歯車部２２よりも所定数Ｎ少なく設定されている。したがって、従動側外歯車部５４の歯数は駆動側外歯車部５２の歯数よりも少ない。駆動側外歯車部５２は駆動側内歯車部１４の内周側に配置されて、当該歯車部１４の一部と噛み合っている。また、駆動側外歯車部５２よりも固定部２１側の従動側外歯車部５４は従動側内歯車部２２の内周側に配置されて、当該歯車部２２の一部と噛み合っている。

以上の構成により回転体１０，２０の内部空間１１には、偏心部４４の外周側で駆動側内歯車部１４と従動側内歯車部２２とが遊星歯車５０を介して連繋してなる差動歯車機構６０が形成されている。そしてこの差動歯車機構６０において、遊星枠４０が駆動側回転体１０に対して相対回転しないときには、遊星歯車５０が外歯車部５２，５４と内歯車部１４，２２との噛合位置を保ちつつ回転体１０，２０と共に回転する。これにより回転体１０，２０間の相対回転位相が保持されるので、バルブタイミングも保持される。一方、回転トルクの方向Ｘへの増大等に伴い遊星枠４０が駆動側回転体１０に対して進角方向Ｘへ相対回転するときには、遊星歯車５０が外歯車部５２，５４と内歯車部１４，２２との噛合位置を変化させつつ遊星運動することにより、従動側回転体２０が駆動側回転体１０に対して進角方向Ｘへ相対回転する。したがって、バルブタイミングが進角側へ変移する。また一方、回転トルクの方向Ｙへの増大、電動モータ３２の急停止等に伴い遊星枠４０が駆動側回転体１０に対して遅角方向Ｙへ相対回転するときには、遊星歯車５０が外歯車部５２，５４と内歯車部１４，２２との噛合位置を変化させつつ遊星運動することにより、従動側回転体２０が駆動側回転体１０に対して遅角方向Ｙへ相対回転する。したがって、バルブタイミングが遅角側へ変移し、特に電動モータ３２の急停止の場合には、内燃機関の始動が可能な最遅角位相のバルブタイミングを実現することができる。

さて、こうした差動歯車機構６０の作動を実現するために本実施形態では、上述の如く従動側内歯車部２２の内径を駆動側内歯車部１４の内径よりも小さく設定して、従動側内歯車部２２の歯数を駆動側内歯車部１４の歯数よりも少なく設定している。それ故、従動側内歯車部２２の内径を大きくするには限界があり、しかも従動側内歯車部２２の設けられた従動側回転体２０にはカム軸２の変動トルクが直に伝達されるため、そうした変動トルク等によって従動側内歯車部２２の歯に作用するモーメントを下げることは難しい。そこで本実施形態では、図１に示すように、従動側内歯車部２２と従動側外歯車部５４との歯すじ方向の歯当たり長さＬを、駆動側内歯車部１４と駆動側外歯車部５２との歯すじ方向の歯当たり長さｌよりも長く設定している。これにより、従動側内歯車部２２と従動側外歯車部５４との歯当たり部分の総面積が増大するため、カム軸２の変動トルク等によって当該歯当たり部分に生じる面圧を小さく抑えることができる。したがって、従動側内、外歯車部２２，５４の剛性をそれ程に高めなくても、それら歯車部２２，５４の耐久性を確保することができる。故にコストが低減すると共に、制御ユニット３０の回転トルク制御に従う正確なバルブタイミング調整を長期に亘って実現することができる。

尚、ここまで説明した実施形態では、従動側回転体２０が特許請求の範囲に記載の「第一回転体」に相当し、駆動側回転体１０が特許請求の範囲に記載の「第二回転体」に相当する。また、従動側内歯車部２２が特許請求の範囲に記載の「第一内歯車部」に相当し、駆動側内歯車部１４が特許請求の範囲に記載の「第二内歯車部」に相当する。さらに、従動側外歯車部５４が特許請求の範囲に記載の「第一外歯車部」に相当し、駆動側外歯車部５２が特許請求の範囲に記載の「第二外歯車部」に相当する。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、かかる実施形態に限定して解釈されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態に適用可能である。
例えば上述の実施形態では、従動側内歯車部２２の内径を駆動側内歯車部１４の内径よりも小さく設定し、従動側内歯車部２２の歯数を駆動側内歯車部１４の歯数よりも小さく設定しているが、それらの逆の設定も採用可能である。即ち上述の実施形態において、従動側内歯車部２２の内径を駆動側内歯車部１４の内径よりも大きく設定し、従動側内歯車部２２の歯数を駆動側内歯車部１４の歯数よりも多く設定してもよい。

さらに上述の実施形態では、吸気弁のバルブタイミングを調整するバルブタイミング調整装置１について説明したが、本発明は、排気弁のバルブタイミングを調整する装置や、吸気弁及び排気弁の双方のバルブタイミングを調整する装置に適用してもよい。また、排気弁のバルブタイミングを調整する装置に本発明を適用する場合には、例えば上述の実施形態において、従動側内歯車部２２の内径を駆動側内歯車部１４の内径よりも大きく設定し、従動側内歯車部２２の歯数を駆動側内歯車部１４の歯数よりも多く設定することが望ましい。これにより、電動モータ３２の急停止等に伴い遊星枠４０が駆動側回転体１０に対して遅角方向Ｙへ相対回転するときには、従動側回転体２０を駆動側回転体１０に対して進角方向Ｘへ相対回転する。したがって、電動モータ３２の急停止の場合には、内燃機関の始動が可能な最進角位相のバルブタイミングを実現することができる。尚、排気弁のバルブタイミングを調整する装置に本発明を適用する場合において、上述の実施例の如く、従動側内歯車部２２の内径を駆動側内歯車部１４の内径よりも小さく設定し、従動側内歯車部２２の歯数を駆動側内歯車部１４の歯数よりも小さく設定することも可能である。

またさらに上述の実施形態では、従動側回転体２０をボルト固定によってカム軸２に連結させているが、例えばタイミングチェーン、タイミングベルト等の回転伝達部材を介して従動側回転体２０をカム軸２に連繋させてもよい。
加えて上述の実施形態では、駆動側回転体１０にスプロケット１３を設けて、駆動側回転体１０とクランク軸とをタイミングチェーンを介して連繋させているが、例えば駆動側回転体１０にプーリを設ける等して、駆動側回転体１０をタイミングベルト等の回転伝達部材を介してクランク軸に連繋させてもよい。

本発明の一実施形態によるバルブタイミング調整装置の特徴部分を示す模式図である。 本発明の一実施形態によるバルブタイミング調整装置を示す図であって、図３のII−II線断面図に相当する。 図２のIII−III線断面図である。 図２のIV−IV線断面図である。 図２のV−V線断面図である。

符号の説明

１ バルブタイミング調整装置、２ カム軸、１０ 駆動側回転体（第二回転体）、１２ 歯車部材、１３ スプロケット、１４ 駆動側内歯車部（第二内歯車部）、２０ 従動側回転体（第一回転体）、２２ 従動側内歯車部（第一内歯車部）、２３ フランジ部、３０ 制御ユニット、３２ 電動モータ、３３ 通電制御回路、３４ モータ軸、４０ 遊星枠、４１ 入力部、４４ 偏心部、５０ 遊星歯車、５２ 駆動側外歯車部（第二外歯車部）、５４ 従動側外歯車部（第一外歯車部）、６０ 差動歯車機構、Ｌ，ｌ 歯当たり長さ

Claims (6)

1. クランク軸からのトルク伝達によりカム軸が開閉する吸気弁及び排気弁のうち少なくとも一方のバルブタイミングを調整する内燃機関のバルブタイミング調整装置であって、
   第一内歯車部を有し、前記カム軸と連動して回転する第一回転体と、
   前記第一内歯車部から軸方向へずれて位置する第二内歯車部を有し、前記クランク軸と連動して回転する第二回転体と、
   第一外歯車部及び第二外歯車部を有し、前記第一外歯車部及び前記第二外歯車部がそれぞれ前記第一内歯車部及び前記第二内歯車部に噛合しつつ一体に遊星運動することにより前記第一回転体と前記第二回転体との間の相対回転位相を変化させる遊星歯車と、
   を備え、
   前記第一内歯車部と前記第一外歯車部との歯すじ方向の歯当たり長さは、前記第二内歯車部と前記第二外歯車部との歯すじ方向の歯当たり長さよりも長いことを特徴とするバルブタイミング調整装置。
2. 前記第一回転体は前記カム軸と連結されることを特徴とする請求項１に記載のバルブタイミング調整装置。
3. 前記第一内歯車部は前記第二内歯車部よりも小径に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のバルブタイミング調整装置。
4. 前記遊星歯車を内周側から自転自在に支持し、前記遊星歯車の公転方向へ回転する遊星枠と、
   前記遊星枠に与える回転トルクを制御する制御ユニットと、
   を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のバルブタイミング調整装置。
5. 前記制御ユニットは、前記回転トルクを発生する電動モータを有することを特徴とする請求項４に記載のバルブタイミング調整装置。
6. 前記吸気弁のバルブタイミングを調整するバルブタイミング調整装置であって、
   前記回転トルクにより前記遊星枠が前記第二回転体に対して遅角方向へ相対回転するとき、前記第一回転体が前記第二回転体に対して遅角方向へ相対回転することを特徴とする請求項５に記載のバルブタイミング調整装置。
   

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