JP2007182872A - カム駆動装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】クランクシャフトとカムシャフトとの間で回転運動を伝達するカム駆動装置で、非効率をまねく物理的接触をなくす。
【解決手段】カム駆動装置は、クランクシャフトとカムシャフトとの間で回転運動を伝達する磁気歯車を備え、カム駆動装置内において、磁気歯車は、円周に間隔をおいて配置された複数の磁気手段を含み、クランクシャフトおよびカムシャフトの中の一方に回転のために取り付けられている外側部材１４と、円周に間隔をおいて配置された複数の磁気手段を含み、内側部材と外側部材との間に環状間隙を定義するために外側部材の内側に同心円状に配置されている内側部材１６と、内側と外側部材との間の環状間隙内に配置された、円周に間隔をおいて配置された複数の強磁性体の磁極片２２を含み、さらにクランクシャフトおよびカムシャフトの中の他方に回転のために取り付けられている中間部材とを具備している。
【選択図】図１

Description

本発明は、カム駆動装置に関し、特に、限定的ではないが、自動車エンジンの弁機構内でカムシャフトの位相を変えることができるカム駆動装置に関する。

自動車エンジンにおいては、エンジンクランクシャフトからカムシャフトへ回転駆動を伝達することができる駆動手段を備えることが必要である。この駆動手段は、また、エンジンが作動している間、クランクシャフトの回転方位とカムシャフトの回転方位との間の関係であるカムの位相も変えることができることが望ましい。現在使用可能なさまざまなカム位相可変機構には、一般に遊星歯車装置およびウォーム歯車駆動装置を含む機械式作動装置が採用されている。カム位相を変えるために、遊星歯車装置の太陽歯車が直流モータによって回転される。この太陽歯車の回転によって、遊星歯車が太陽歯車の周りを回転され、それによって、カムシャフトの回転方位が調節される。しかしながら、そのようなシステムは、作動のために歯車間の高度の物理的接触に頼っている。この物理的接触は、歯車間に大量の摩擦および騒音を作り出す可能性があり、それによって、結局、方向転換工程に非効率をまねく。この非効率は、自動車エンジンで遭遇する高負荷の下では特に問題を含む。

この問題に対する現在利用可能な解決策は、オイルをベースにした油圧式カム位相可変機構を使うことである。しかしながら、これらの解決策には、苛酷な温度および低エンジン速度における低性能に改善の余地がある。

本発明によれば、クランクシャフトとカムシャフトとの間で回転運動を伝達することができるようになっている磁気歯車を備えたカム駆動装置が提供される。

この磁気歯車は、周方向に間隔をおいて配置された複数の磁石手段を含み、クランクシャフトおよびカムシャフトの一方に回転のために取り付けられている外側部材と、周方向に間隔をおいて配置された複数の磁気手段を含み、外側部材との間に環状間隙を定義するために該外側部材の内側に同心円状に配置されている内側部材と、内側部材と外側部材との間の環状間隙内に設置された、周方向に間隔をおいて配置された複数の強磁性体の磁極片２２を含み、さらにクランクシャフトおよびカムシャフトの他方に回転のために取り付けられている中間部材とを具備していることが望ましい。

外側部材の磁石手段の数は、内側部材の磁石手段の数より多いことが望ましい。

中間部材が固定された場合、外側または内側部材の一方（駆動部材）が回転することによって、中間部材の磁極片内に回転磁場が作り出され、外側または内側部材の他方（被動部材）が異なる速度で、かつ駆動部材に対して反対方向に回転される。したがって、外側部材、中間部材、および内側部材は、それぞれ遊星歯車システムの内歯歯車、遊星歯車、および太陽歯車に類似している。

本発明によって、駆動回転部材と被動部材したがってカムシャフトとの間にまったく接触を必要としないカム駆動装置が提供される。このカム駆動装置は、極小の摩擦疲労および騒音の発生を含む多くの利点を有する。

内輪（内側部材）および外輪（外側部材）の一方または両方の磁石手段は、電磁石を含む。あるいは、内輪および外輪の一方または両方の磁石手段は、永久磁石を含んでもよい。

好ましい一実施形態においては、外側部材は、外側部材とともに回転するためにカムシャフトに連結され、それによって、外側部材は被動部材を構成し、また中間部材は、中間部材とともに回転するためにカムスプロケットまたはプーリに連結され、カムスプロケットまたはプーリは、エンドレスチェーンまたはベルトを介してクランクシャフトによって駆動され、それによって、中間部材は駆動部材を構成する。このような好ましい実施形態においては、内側部材は、駆動部材と被動部材との間の角度関係を調節する作動手段に連結され、後述のとおりカム位相を調節することができる。

別の好ましい実施形態においては、中間部材は、カムシャフトに連結され、被動部材を構成することができ、外側部材は、カムスプロケットまたはプーリに連結され、駆動部材を構成することができ、内側部材は、さらにカム位相を調節する作動手段に連結されている。

さらなる好ましい実施形態においては、内側部材を駆動および被動部材に対して静止状態に保持することができ、カム位相調節手段は、内側部材の角度位置を調節することができるようになっており、カムタイミングを進めたりまたは遅らせたりすることができる。

本発明のさらなる態様によれば、磁気歯車を使ってクランクシャフトからカムシャフトへ回転運動を伝達するステップを含むカムシャフトの駆動方法も提供される。

今から添付の図面を参照しながら、本発明による装置の好ましい実施形態を説明する。

カム駆動装置１０は、エンジンのカムシャフトとクランクシャフトとの間に連結を与える磁気歯車を含み、磁気歯車は、内輪部材１６の周りに同軸状に配置された外輪部材１４を含む。周方向に間隔をおいて配置された複数の駆動磁極部材２２が、被動外輪部材１４と内輪部材１６との間の環状間隙内に設けられている。磁極部材２２は、中間輪または類似構造体上に設けられてもよい。

外輪部材１４は、当該外輪部材の内側円周周りに磁気セルの形で一連の磁石１８を備えている。内輪部材１６は、当該内輪部材の外側円周周りに磁気セルの形で一連の磁石２０を備えている。外側磁石１８および／または内側磁石２０のどちらか一方が、電磁石であってもよい。外輪部材１４は、内輪部材１６より多数の磁気セルを有する。例示の好ましい実施形態においては、４６の磁石（２３対の磁極を備えるように配置されている）が被動外輪部材１４上に設けられており、さらに８つの磁石（４対の磁極を備えるように配置されている）が内輪部材１６上に設けられている。

用途に応じて任意の歯車比を有するカム駆動装置１０を作るために、製造中に磁石比を選択することができることは明白であるが、外側磁石１８、内側磁石２０、および駆動磁極部材２２のこの比は、結果的に５．７５：１の有効歯車比となる。

本発明の第１の好ましい実施形態によれば、図１および図１Ａを参照すると、クランクシャフト（図示せず）からの回転入力は、チェーンまたはベルトなどといったあらゆる適切な手段によって駆動磁極部材２２に連結されている。この配置の場合、車両クランクシャフトの回転によって、内輪部材１６と被動外輪部材１４との間の環状間隙内で磁極部材２２（またはセル）が回転されることになる。

駆動回転出力が被動外輪部材１４によって与えられ、かつ車両カムシャフトに連結されている。電気作動装置（図示せず）は、内輪部材１６に連結されており、また後述のとおりカム位相の制御に使われる。

後述の好ましい実施形態においては、駆動磁極部材、被動外輪部材、および内輪部材をそれぞれ遊星歯車機構の遊星キャリア、内歯歯車、および太陽歯車の機械的等価物と考えるとよい。

使用中、エンジン作動の間中、クランクシャフトの回転によって、駆動磁極部材２２が環状間隙の周りを回転される。この駆動磁極部材２２の回転によって、被動外側磁石１８と内側磁石２０との間に回転磁場が作り出され、この回転磁場によって、被動外輪部材１４が図１の矢印Ａで示される第１方向に回転され、さらに内輪部材１６が図１の矢印Ｂで示される反対方向に回転される。３つの異なる部材の回転方向は、各部材上のそれぞれのトルクに応じて決まることになる。

位相調節は、内輪部材１６にブレーキトルクを加えるために、電気作動装置（または類似装置）を使って行われる。このブレーキトルクは、エンジンが作動している間、連続的に加えられてもよく、またカムシャフトによって作り出される摩擦トルクを補償するためにエンジン管理システムによって制御される。位相を進めたい場合は、より高いブレーキトルクを内輪部材１６に加える。これによって、被動外輪部材１４が内輪部材１６に対して加速されるように内輪部材１６と被動外輪部材１４との間の磁場パターンが変わる。この加速によって、結果として任意の位相進みがもたらされる。対照的に、位相を遅らせたい場合は、低減されたブレーキトルクを内輪部材１６に加える。これによって、被動外輪部材１４が内輪部材１６に対して減速され、それによって、結果として任意の位相遅れがもたらされる。所要の位相遷移の速度および範囲によっては、ブレーキトルクを単純に低減させるよりむしろ、任意の位相遅れに達するために、反対方向の正トルクを与えることが必要な場合がある。

図２および図２Ａを参照しながら、今から本発明の第２の好ましい実施形態を説明する。この好ましい実施形態においては、機構の数は、第１の好ましい実施形態に対して前述した機構の数とほぼ同等であり、したがって、それ以上何も説明することはない。しかしながら、第２の好ましい実施形態の機構は、後述のとおり異なった動作モードを提供するために異なった構成部品に連結されている。

クランクシャフト（図示せず）からの駆動回転入力は、チェーンまたはベルトなどといったあらゆる適切な手段によって外輪歯車１１４に連結されている。車両カムシャフトは、被動磁極部材１２２（これは第１の好ましい実施形態の配置と逆である）に連結されている。電気作動装置（図示せず）は、内輪部材１１６に連結されており、また後述のとおりカム位相の制御に使われる。

この配置の場合、車両クランクシャフトの回転によって、駆動外輪部材１１４が駆動され、駆動外輪部材１１４によって、被動磁極部材１２２が内輪部材１１６と駆動外輪部材１１４との間の環状間隙内で回転されることになる。

使用中、エンジン作動の間、クランクシャフトの回転によって、駆動外輪部材１１４が図２の矢１Ａで示される方向に回転される。この駆動外輪部材１１４の回転によって、外側磁石１１８と内側磁石１２０との間に磁束が作り出され、この磁束によって、内輪部材１１６が図２の矢１Ｂで示される方向に回転され、この内輪部材１１６の回転方向は、駆動外輪部材１１４の回転方向と同じ方向である。この動きによって、被動磁極部材１２２も図２の矢１Ｃで示される方向に回転される。この被動磁極部材１２２の回転方向は、再び内および被動外輪部材の回転方向と同じである。

カム位相は、内輪部材１１６に電動すなわち駆動トルクを加えるために、電気作動装置（または類似装置）を使って制御される。この電動トルクは、エンジンが作動している間、連続的に加えられてもよく、またカムシャフトによって作り出される摩擦トルクを補償するためにエンジン管理システムによって制御される。

第１の好ましい実施形態とは対照的に、カム位相を進めたい場合は、高められた電動トルクを内輪部材１１６に加え、内輪部材１１６を加速させる。この内輪部材１１６の加速によって、被動磁極部材１２２が駆動外輪部材１１４に対して加速されるように内輪部材１１６と駆動外輪部材１１４との間の磁場パターンが変わる。この加速によって、結果として任意の位相進みがもたらされる。位相を遅らせたい場合は、低減された電動（または多分ブレーキ）トルクを内輪部材１１６に加える。これによって、被動磁極部材１２２が駆動外輪部材１１４に対して減速され、それによって、結果として任意の位相遅れがもたらされる。

なお、本発明の第１と第２の好ましい実施形態の両方によって提供された配置において、クランクシャフトとカムシャフトとの間の総合比が実質上２：１に維持されることを確実にするために、第１の好ましい実施形態の磁極部材２２または第２の好ましい実施形態の外輪部材１１４と、クランクシャフトとの間の歯車比を２：１に維持するものとする。換言すれば、カム駆動装置１１０からの出力が維持されることを確実にするために、エンジン管理システムによって適切な制御が加えられている限り、磁極部材２２または外輪部材１１４を任意の適度な速度で回転させることができる。

今から図３および図３Ａを参照しながら、本発明の第３の好ましい実施形態を説明する。この好ましい実施形態においては、機構の数は、先行の好ましい実施形態に対して前述した機構の数とほぼ同等であり、したがって、それ以上何も説明することはない。しかしながら、第２の好ましい実施形態の機構は、後述のとおり異なった動作モードを提供するために異なった構成部品に連結されている。

クランクシャフト（図示せず）からの駆動入力は、チェーンまたはベルトなどといったあらゆる適切な手段によって駆動磁極部材２２２（これらは、円環または類似の構造体上に設けられていてもよい）に連結されている。

回転出力は、被動外輪部材２１４によって与えられ、また車両カムシャフトに連結されている。電気作動装置（図示せず）は、内輪部材２１６に連結されており、後述のとおりカム位相の制御に使われる。この好ましい実施形態においては、内輪部材２１６は、エンジンが正常（進みも遅れもない）位相で動作している間、実質上静止状態に保たれている。

内輪は、ウォーム歯車（図示せず）を備えた直流モータなどの作動装置に連結されている。

使用中、エンジン作動の間、クランクシャフトの回転によって、駆動磁極部材２２２は、環状間隙の周りを回転される。この回転によって、外側磁石２１８と内側磁石２２０との間に磁束が作り出され、この磁束によって、被動外輪部材２１４が回転される。

カム位相は、「静止」内輪部材２１６を選択的に回転させるために、直流モータおよびウォーム歯車を使って制御される。この点に関しては、位相を進めたい場合、内輪部材を磁極部材２２２の回転に対して反対方向の回転で回転させる。この回転によって、被動外輪部材２１４が内輪部材２１６に対して加速されるように内輪部材２１６と被動外輪部材２１４との間の磁場パターンが変わる。この加速によって、結果として任意の位相進みがもたらされる。対照的に、位相を遅らせたい場合は、内輪部材２１６を同じ方向に回転させる。これによって、被動外輪部材２１４が内輪部材２１６に対して減速され、それによって、結果として任意の位相遅れがもたらされる。

本発明の範囲を逸脱することなく前述に変更および改良が可能である。たとえば、

装置の第３の好ましい実施形態においては、駆動部材が外輪部材２１４によって規定され、また被動部材が磁極部材２２２によって規定されるような駆動と被動とを入れ替えることが可能であると思われる。その結果、位相進みは、磁極部材２２２の回転方向と同じ方向の内輪部材２１６の回転によって得られることになる。逆に、位相遅れは、内輪部材２１６の回転に対して反対方向の内輪部材２１６の回転によって達成されることになる。

本発明の第１の好ましい実施形態による装置の概略平面断面図である。 図１の装置の概略横断面図である。 本発明の第２の好ましい実施形態による装置の概略平面断面図である。 図２の装置の概略横断面図である。 本発明の第３の好ましい実施形態による装置の概略平面断面図である。 図３の装置の概略横断面図である。

Claims (10)

1. クランクシャフトとカムシャフトとの間で回転運動を伝達することができるようになっている磁気歯車を備えるカム駆動装置。
2. 前記磁気歯車が、周方向に間隔をおいて配置された複数の磁気手段を備える外側部材であって、前記クランクシャフトおよびカムシャフトの一方に回転のために取り付けられている前記外側部材と、周方向に間隔をおいて配置された複数の磁気手段を備える内側部材であって、該内側部材と外側部材との間に環状間隙を定義するために前記外側部材の内側に同心円状に配置されている前記内側部材と、前記内側と外側部材との間の前記環状間隙内に配置された、周方向に間隔をおいて配置された複数の強磁性体の磁極片を備え、前記クランクシャフトおよびカムシャフトの他方に回転のために取り付けられている中間部材とを具備する請求項１記載のカム駆動装置。
3. 前記外側部材の前記磁気手段の数が前記内側部材の前記磁気手段の数より多いことを特徴とする請求項２記載のカム駆動装置。
4. 前記内側部材および前記外側部材の一方または両方の前記磁気手段が電磁石を備える請求項２または請求項３記載のカム駆動装置。
5. 前記内側部材および前記外側部材の一方または両方の前記磁気手段が永久磁石を備える請求項２または請求項３記載のカム駆動装置。
6. 前記外側部材は、前記外側部材とともに回転するために前記カムシャフトに連結され、それによって、前記外側部材は被動部材を構成し、
   前記中間部材は、前記中間部材とともに回転するためにカムスプロケットまたはプーリに連結され、前記カムスプロケットまたはプーリは、エンドレスチェーンまたはベルトを介して前記クランクシャフトによって駆動され、それによって、前記中間部材は駆動部材を構成し、
   前記内側部材は、カム位相を調節するために前記駆動部材と前記被動部材との間の角度関係を調節する作動手段に連結されている、請求項２〜５のいずれか一項に記載のカム駆動装置。
7. 前記中間部材は、被動部材を構成すべく前記カムシャフトに連結されており、前記外側部材は、駆動部材を構成すべく前記カムスプロケットまたはプーリに連結されていてもよく、前記内側部材は、カム位相を調節するために作動手段に連結されている請求項２〜５のいずれか一項に記載のカム駆動装置。
8. 前記内側部材は、前記駆動部材および前記被動部材に対して静止状態に保持されており、前記カム位相調節手段は、カムタイミングを進めたり遅らせたりするために前記内側部材の角度位置を調節できるようになっている請求項６または７に記載のカム駆動装置。
9. 前記内側部材は、駆動手段によって回転可能に駆動され、前記駆動手段は、カムタイミングを進めたり遅らせたりすることができるように、前記作動手段によって加速または減速される請求項６または７に記載のカム駆動装置。
10. 磁気歯車を使ってクランクシャフトからカムシャフトへ回転運動を伝達することを含むことを特徴とするカムシャフトを駆動する方法。

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