JP2007120339A - 内燃機関の可変バルブタイミング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電磁ブレーキ体８とドラム９との摺接部分の摩擦・摩耗による温度上昇やヒステリシスの発生を低減・回避する。
【解決手段】 ドラム９に軸方向に対向配置された電磁ブレーキ体８を備え、電磁ブレーキ体８に生じる磁力を制御することにより、クランクシャフトに対するカムシャフト２の位相を変化させる。電磁ブレーキ体８とドラム９とが摺接可能に対向する対向面部８ａ，９ａの一方に、軸方向に段差ΔＤを有する凹凸面部４１を周方向に沿って設け、他方に、凹凸面部４１に摺接する可動子４２を軸方向に移動可能に設ける。
【選択図】 図４

Description

本発明は、クランクシャフトに対するカムシャフトの位相を変化させて吸・排気弁のバルブタイミングを変化させる内燃機関の可変バルブタイミング装置の改良に関する。

吸・排気弁のバルブタイミングを変化させる内燃機関の可変バルブタイミング装置として、電磁ブレーキ体を備えた電磁式のものが例えば特許文献１に開示されている。この電磁式可変バルブタイミング装置では、クランクシャフトと同期して回転するクランク回転体からカムシャフトへの回転動力伝達経路に移動部材が設けられ、この移動部材に係合するドラムが、捩りスプリング等の付勢手段によりカムシャフトの回転方向へ付勢されている。そして、磁力によりドラムの軸方向一側面を電磁ブレーキ体により吸引し、両者を摺接させてドラムに摩擦による制動力を付与することにより、ドラムの回転を遅延させて移動部材を軸方向に変位させ、クランク回転体に対するカムシャフトの位相を変化させるように構成されている。電磁ブレーキ体とドラムとの対向面部には、例えば熱硬化性樹脂を含浸したプレート状の多孔質成形体からなる摩擦材が設けられている。
特開２００２−９７９０８号公報

このような従来の可変バルブタイミング装置にあっては、非常に高速で摺動する摩擦材とその対向面とをほぼ全面にわたって面接触させているので、摺動熱により摺動面の温度が非常に高温となり易く、例えばエンジンオイルによる十分な冷却を行う必要がある。また、摩擦材が高速・高温条件下で摺動することから、摩擦材の摩耗・変形に伴うヒステリシスを生じ、制御性に対して悪影響を及ぼすおそれがある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明に係る内燃機関の可変バルブタイミング装置は、クランクシャフトからカムシャフトへの回転動力伝達経路に設けられた移動部材と、この移動部材に係合するドラムと、このドラムに軸方向に対向配置され、機関固定体に対してカムシャフト回りの相対回転が規制された電磁ブレーキ体と、この電磁ブレーキ体に生じる磁力を制御する駆動制御手段と、を有し、上記磁力により電磁ブレーキ体をドラムに吸引して、上記ドラムに制動力を作用させ、上記移動部材を介してクランクシャフトに対するカムシャフトの位相を変化させるものである。そして、上記電磁ブレーキ体とドラムとが摺接可能に対向する対向面部の一方に、軸方向に段差のある凹凸面部が周方向に沿って設けられていることを特徴としている。

本発明によれば、電磁ブレーキ体とドラムとが摺動する対向面部の少なくとも一方に設けられた凹凸面部を、対向面部の他方が乗り越える際の回転方向のトルクによって、ドラムに制動力が付与される。従って、従来のようにプレート状の摩擦材を対向面にほぼ全面にわたって面接触させる場合に比して、摩擦による影響が小さく、つまり摩擦による温度上昇が低く抑制されるので、冷却の必要性が低くなり、冷却に必要な油量を抑制できるとともに、摩擦によるヒステリシスの発生が抑制され、制御性を向上することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。図１に示すように、この可変バルブタイミング装置は、吸・排気弁（吸気弁又は排気弁）を駆動するカムシャフト２の外周に同軸上に配置され、図外のクランクシャフトと同期して回転するクランク回転体１８と、このクランク回転体１８からカムシャフト２への回転動力伝達経路に設けられた略筒状の移動部材１１と、この移動部材１１の軸方向一側（図１の左側）に係合するドラム９と、このドラム９をクランク回転体１８に対してカムシャフト２の回転方向へ付勢する付勢手段としての捩りコイルスプリング１０と、ドラム９の軸方向外側（図１の左側）のドラム側対向面部９ａに対向配置された電磁ブレーキ体８と、この電磁ブレーキ体８を覆うように、機関本体側のスプロケットカバー６に固定されたカバー７と、このカバー７に対する電磁ブレーキ体８のカムシャフト２回りの相対回転を規制する回転規制機構３０と、を有している。後述するように、駆動制御部１により電磁ブレーキ体８を通電して磁力を発生させることにより、電磁ブレーキ体８とドラム９との対向面部８ａ，９ａを摺接させてドラム９に制動力を与え、このドラム９のカムシャフト回りの回転を遅延させることにより、移動部材１１を介してクランクシャフトに対するカムシャフト２の位相が変化するように構成されている。

カムシャフト２の一端部には、このカムシャフト２と一体的に回転する筒状のスプラインシャフト１３が固定ボルト３及び位置決めピン２１を介して固定されている。クランク回転体１８は、チェーン４が巻き掛けられ、このチェーン４を介してクランクシャフトの回転動力が伝達されるスプロケット５と、捩りコイルスプリング１０の外周の一部を覆うスプリングカバー２２と、捩りコイルスプリング１０の一端を受けるスプリングケース１２と、これらの部材５，２２，１２を共締め固定する複数のボルト１７と、を備えており、スプラインシャフト１３の外周に相対回転可能に外嵌されている。

移動部材１１の内周面とスプラインシャフト１３の外周面とはヘリカルスプライン２７により互いに噛合し、移動部材１１の外周面とスプリングケース１２の内周面とはヘリカルスプライン２８により互いに噛合している。従って、移動部材１１がカムシャフト２の軸方向（図１の左右方向）へ移動すると、スプラインシャフト１３とスプリングケース１２とが相対的に回転して、クランク回転体１８に対するカムシャフト２の位相が変化する。

ドラム９は、ベアリング１４を介してスプラインシャフト１３の外周に相対回転可能に取り付けられている。なお、このドラム９の内周には、ベアリング１４の軸方向一側面に係合する止め輪２３が取り付けられている。このドラム９の内周面と、移動部材１１の外周面とは、角ネジ２９により互いに噛合している。従って、ドラム９が移動部材１１に対して相対的に回転すると、この移動部材１１がドラム９に対して軸方向へ移動する。また、ドラム９の軸方向一端部には、フランジ部９ｂが径方向外方へ張出形成され、このフランジ部９ｂに、捩りコイルスプリング１０の他端を受けるピン２４が設けられているとともに、電磁ブレーキ体８のブレーキ側対向面部８ａに対向・摺接可能に対向するドラム側対向面部９ａが形成されており、かつ、後述する可動子４２（図４等参照）が取り付けられている。

略環状をなす電磁ブレーキ体８は、駆動制御部１から機関運転状態に応じて通電制御される電磁コイル２５と、この電磁コイル２５を収容するハウジング２６と、を備えている。そして、ドラム９のドラム側対向面部９ａに摺接可能に対向する軸方向内側のブレーキ側対向面部８ａには、後述するように、軸方向に段差のある凹凸面部４１、いわゆるディンプルが周方向に沿って設けられている。

回転規制機構３０は、電磁ブレーキ体８のハウジング２６の軸方向外壁部に固定され、この外壁部より軸方向外方へ突出する円柱状の一対の第１突起部３１及び第２突起部３２と、この外壁部に対向するカバー７の内壁部に凹設され、第１突起部３１及び第２突起部３２がそれぞれ緩く嵌合（遊嵌）する略円孔状の一対の第１嵌合部３３及び第２嵌合部３４と、により構成されている。つまり、カバー７に対する電磁ブレーキ体８の僅かな変位を許容するように、突起部３１，３２に比して第２嵌合部３３，３４が大径かつ長尺に形成されている。なお、組付誤差等を考慮して電磁ブレーキ体８とカバー７との間に僅かな隙間Ｄ１を確保するように、電磁ブレーキ体８が配設されるドラム９とカバー７との間の軸方向寸法は、電磁ブレーキ体８の軸方向寸法よりわずかに大きく設定されている。

カバー７には、電磁ブレーキ体８の内周面に適宜な隙間を介して対向するガイド部７ｂが突出形成されている。つまり、カバー７は、電磁ブレーキ体８の過度な変位を規制するように、電磁ブレーキ体８の三方を囲っている。上記のクランク回転体１８，移動部材１１及び電磁ブレーキ体８は、通常の状態ではカムシャフト２の中心軸Ｌ１と同軸上に配置されている。なお、スプラインシャフト１３には、各軸受部分に潤滑油を供給するための適宜な潤滑油路３６，３７，３８が形成されている。

電磁ブレーキ体８が通電されていない初期状態（非作動状態）では、ドラム９は捩りコイルスプリング１０の付勢力によりクランク回転体１８に対して最もカムシャフト２の回転方向に回転した所定の初期位置に保持されており、この状態で、クランク回転体１８，移動部材１１，ドラム９及び及びカムシャフト２が同期して回転する。このような初期状態から、駆動制御部１により電磁ブレーキ体８を通電すると、両者間に発生する磁力により電磁ブレーキ体８がドラム９を吸引する。これにより、電磁ブレーキ体８とドラム９の対向面部８ａ，９ａが摺動して、ドラム９に対して回転方向の制動力が作用し、捩りコイルスプリング１０のバネ力に抗してドラム９のカムシャフト２回りの回転が適宜に遅延される。これにより、ドラム９が移動部材１１に対して相対回転して、角ネジ２９を介して移動部材１１が軸方向に移動するとともに、ヘリカルスプライン２７，２８を介してスプリングケース１２とスプラインシャフト１３とが相対的に回転する。この結果、クランク回転体１８に対するカムシャフト２の位相が変化して、吸・排気弁のバルブタイミングが適宜に変更される。電磁ブレーキ体８の吸引力をデューティ制御し、この吸引力と捩りコイルスプリング１０の付勢力とをバランスさせることにより、ドラム９の遅延量を所定の制御範囲内で任意に制御することが可能で、バルブタイミングを無段階に変更することができる。

そして、図２や図４にも示すように、電磁ブレーキ体８のブレーキ側対向面部８ａに、両対向面部８ａ，９ａが接近・離間する方向である軸方向に段差ΔＤが与えられた凹凸面部４１が周方向に沿って設けられている。凹凸面部４１は、周方向位置によって軸方向高さが異なる起伏形状をなしており、例えば図５に示すように断面半円弧状の谷部４１Ａと山部４１Ｂとが周方向に交互かつ滑らかに連続する湾曲面をなし、あるいは図７（Ａ）に示すように断面略矩形状の溝部４１Ｃと突条部４１Ｄとが交互に形成される鍵型形状をなしており、あるいはジグザグ形状等に形成される。この凹凸部４１は、一般的な切削加工の他、ショットブラスト等の微少な凹凸を付ける加工法により成形することができる。

一方、この凹凸面部４１に対向するドラム側対向面部９ａには、上記の凹凸面部４１に摺接する可動子４２が設けられている。可動子４２は、周方向に所定間隔Ｌ１毎に複数設けられている。各可動子４２は、磁性体であって、例えば図５〜８に示すように球状をなすボール４２Ａであり、あるいは図４に示すように軸方向に進退するピストン４２Ｂである。

可動子４２は、凹凸面部４１の段差ΔＤに追従するように軸方向に移動可能にドラム９に支持されている。例えば図４に示すように、可動子としてのピストン４２Ｂがドラム９に形成されたシリンダ４３内に軸方向に進退可能に嵌合している。また、ピストン４２Ｂに凹凸面部４１側への予圧（プレロード）を与えるように、シリンダ４３にはピストン４２Ｂを凹凸面部４１側へ付勢する予圧ばね４４が設けられている。また、ピストン４２Ｂ及び予圧ばね４４の脱落を防止するために、ピストン４２Ｂ後端の大径フランジ部４９及び予圧ばね４４の後端を受けるばね受け部５０に係合するストッパ部４５，４６が設けられている。なお、図６及び図８に示す例でも、可動子としてのボール４２Ａを軸方向に移動可能に収容する受容部４３Ａがドラム側対向面部９ａに凹設されている。

また、図４の例では、電磁ブレーキ体８の電磁コイル２５とドラム９との間、より詳しくは凹凸面部４１を除くブレーキ側対向面部８ａとドラム側対向面部９ａとの間に所定のギャップ（隙間）ΔＧを確保するように、非磁性体からなるギャップ調整部４７が、電磁ブレーキ体８の対向面部８ａの直ぐ外周側に設けられている。

あるいは図６に示すように、上記のギャップ調整部４７のない簡素な構成としても良い。この場合、ブレーキ側対向面部８ａの中で凹凸面部４１を除く一般面部がドラム側対向面部９ａと面接触することのないように、凹凸面部４１を一般面部に対してドラム９側へ張り出させている。

凹凸面部４１の形状及び段差ΔＤは、適用されるエンジンに応じて設定されるが、図７（Ｂ）にも示すように、少なくとも可動子４２を軸方向に弾きだすことが可能なものとされる。例えば図９に示す比較例のように段差ΔＤが大きく、可動子４２が凹凸面部４１の溝部４１Ｃから抜け出せないおそれがあるものは不適である。また、図７（Ａ）に示すように隣り合う可動子４２間のピッチＬ１と、凹凸面部４２の各凹凸ピッチＬ２とは、ほぼ同じ値であっても良く、あるいはそれぞれ要求に応じて異なる値としても良い。

凹凸面部４１と可動子４２の摺接部分に対し、接触時の打音の発生を防止するための表面処理、つまりメッキを施したり別材質を塗布しても良い。但し、その材質は透磁性の高いものである必要がある。

以上のような構成によれば、図７に示すように、可動子４２は磁力による吸着力や予圧ばね４４の付勢力により矢印Ｆｇに示すように凹凸面部４１側へ押しつけられており、この可動子４２が凹凸面部４１の中でドラム９側へ張り出した山部４１Ｂや突条部４１Ｄを乗り越えようとする際に、矢印Ｆａｃｔに示すように回転方向の成分を含むトルクが作用し、上述したようにドラム９を回転方向に遅延させようとする制動力が作用する。このように多数の可動子４２が凹凸面部４１の山部や突条部を乗り越えようとする際に比較的大きな制動力が断続的に作用することから、上記の従来技術のように対向面部に摩擦材を設けて面接触させる場合に比して、摩擦による影響が低減され、具体的には摩擦による温度上昇が抑制され、冷却の必要性が低減又は解消されるとともに、摩擦による変形・摩耗に伴うヒステリシスの発生が抑制又は解消されるために、バルブタイミング制御の信頼性・安定性が向上する。

以上の説明より把握し得る本発明の技術的思想について説明する。但し、本発明は参照符号を付した実施例の構成に限定されるものではなく、種々の変形・変更を含むものである。例えば、上記の予圧ばね４４に代えて油圧により可動子４２を凹凸面部４１側へ付勢するようにしても良い。また、凹凸部４１に接触する部分（可動子４２）を軸方向に移動可能な構成とせず、より簡易的に、例えば図５に示すようにボール４２Ａの一部がドラム側対向面部９ａの表面から張り出す状態で、このボール４２Ａをドラム側対向面部９ａに固定しても良い。

（１）本発明に係る内燃機関の可変バルブタイミング装置は、クランクシャフトからカムシャフト２への回転動力伝達経路に設けられた移動部材１１と、この移動部材１１に係合するドラム９と、このドラム９に軸方向に対向配置され、カバー３等の機関固定体に対してカムシャフト２回りの相対回転が規制された電磁ブレーキ体８と、この電磁ブレーキ体８に生じる磁力を制御する駆動制御部１のような駆動制御手段と、を有し、上記磁力により電磁ブレーキ体８をドラム９に吸引して、上記ドラム９に制動力を作用させ、上記移動部材１１を介してクランクシャフトに対するカムシャフト２の位相を変化させる。そして、電磁ブレーキ体８とドラム９とが摺接可能に対向する対向面部８ａ，９ａの一方に、軸方向に段差ΔＤを有する凹凸面部４１、いわゆるディンプルが周方向に沿って設けられている。

これにより、従来のように対向面部に摩擦材を設けて面接触させる場合に比して、摩擦による影響が低減され、具体的には摩擦による温度上昇が抑制され、冷却の必要性が低減又は解消されるとともに、摩擦による変形・摩耗に伴うヒステリシスの発生が抑制又は解消されるために、バルブタイミング制御の信頼性・安定性が向上する。

（２）対向面部８ａ，９ａの他方に、凹凸面部４１に摺接する少なくとも一つの可動子４２が設けられる。この可動子４２は、上記凹凸面部４１の段差に追従するように軸方向に移動可能に支持されている。このように凹凸面部４１に摺接する可動子４２を軸方向に移動可能とすることによって、可動子４２と凹凸面部４１とのエアギャップを０（ゼロ）又は極小状態に維持することができ、エアギャップによる磁力の減衰を低減して、安定した制動力を得ることができる。

（３）可動子４２を良好に凹凸面部４１へ接触させるために、例えば上記の予圧ばね４４のように、好ましくは可動子４２を凹凸面部４１へ向けて付勢する、つまり可動子４２に凹凸面部４１側への予圧（プレロード）を与える付勢手段を設ける。

（４）制動力が安定して得られるように、好ましくは多数の可動子４２を周方向に間欠的に設ける。可動子４２の数は、要求制御性に応じて設定される。

（５）更に好ましくは、電磁ブレーキ体８とドラム９との間のギャップΔＧを確保するために、上記電磁ブレーキ体８及びドラム９の少なくとも一方に非磁性体からなるギャップ調整部４７を設ける。

本発明が適用される内燃機関の可変バルブタイミング装置の一例を示す断面図。 上記ブレーキ側対向面部を示す平面図。 上記ドラム側対向面部を示す平面図。 可動子としてピストンを用いた実施例を示す断面図。 凹凸面部の周方向に沿う断面形状を簡略的に示す説明図。 ギャップ調整機構のない例の要部を簡略的に示す断面図。 （Ａ）が凹凸面部や可動子のピッチを示す説明図で、（Ｂ）が可動子と凹凸面部に作用する力を示す説明図。 可動子としてのボールを示す断面対応図。 比較例に係る凹凸面部の形状例を示す断面対応図。

符号の説明

１…駆動制御部（駆動制御手段）
２…カムシャフト
８…電磁ブレーキ体
８ａ…ブレーキ側対向面部
９…ドラム
９ａ…ドラム側対向面部
１１…移動部材
４１…凹凸面部
４２…可動子
４４…予圧ばね（付勢手段）
４７…ギャップ調整部

Claims (6)

1. クランクシャフトからカムシャフトへの回転動力伝達経路に設けられた移動部材と、この移動部材に係合するドラムと、このドラムに軸方向に対向配置され、機関固定体に対してカムシャフト回りの相対回転が規制された電磁ブレーキ体と、この電磁ブレーキ体に生じる磁力を制御する駆動制御手段と、を有し、上記磁力により電磁ブレーキ体をドラムに吸引して、上記ドラムに制動力を作用させ、上記移動部材を介してクランクシャフトに対するカムシャフトの位相を変化させる内燃機関の可変バルブタイミング装置であって、
   上記電磁ブレーキ体とドラムとが摺接可能に対向する対向面部の一方に、軸方向に段差のある凹凸面部が周方向に沿って設けられていることを特徴とする内燃機関の可変バルブタイミング装置。
2. 上記対向面部の他方に、上記凹凸面部に摺接する少なくとも一つの可動子が設けられ、この可動子は、上記凹凸面部の段差に追従するように軸方向に移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の可変バルブタイミング装置。
3. 上記可動子を凹凸面部へ向けて付勢する付勢手段を有することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の可変バルブタイミング装置。
4. 上記可動子が、周方向に間欠的に複数設けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の可変バルブタイミング装置。
5. 上記電磁ブレーキ体及びドラムの少なくとも一方に、電磁ブレーキ体とドラムとの間のギャップを確保するための非磁性体からなるギャップ調整部が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の可変バルブタイミング装置。
6. 上記凹凸面部が電磁ブレーキ体に設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の可変バルブタイミング装置。

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