JP2007512460A - 内燃機関のカムシャフト用の調整装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関のカムシャフト（２）用の調整装置（１）であって、内燃機関のクランクシャフトによって駆動される駆動要素（３）と、内燃機関のカムシャフト（２）を駆動する出力要素（４）と、ブレーキ（６）が作用する作動要素（５）とを備えた調整装置に関する。駆動要素（３）と出力要素（４）との間の相対的な回転が、作動要素（５）にかかるブレーキトルクを変更することによって実現可能である。本発明の目的は、コストが安く、簡単な方法で製造でき、かつ任意の分野の用途に使用可能である、内燃機関のカムシャフト用の調整装置を提供することである。この目的のために、調整装置（１）は、駆動要素（３）と出力要素（４）との間の任意の位相角を可能にするように設計される。

Description

本発明は、請求項１の前段に記載の、内燃機関のカムシャフト用の調整装置に関する。

特許文献１には、遊星ギヤ機構と、電動サーボモータとから構成される、内燃機関のカムシャフト用の調整装置が開示されている。歯車機構の２つの入力部のうちの一方は内燃機関のクランクシャフトに連結され、他方の入力部はサーボモータに連結される。カムシャフトは、歯車機構の出力部に取り付けられる。サーボモータの回転速度が変化すると、カムシャフトの回転速度がクランクシャフトに対して変更され、クランクシャフトに対するカムシャフトの位相角が調整される。しかし、この解決策を実行するためには、速度伝達比の高い２段歯車機構が必要とされ、コストの増加を伴う。さらに、調整中に比較的高い電流が流れ、電力出力段階が必要になる。

特許文献２には、内燃機関のカムシャフト用の一般的なタイプの調整装置が開示されている。この調整装置は、クランクシャフトに回転式に固定連結された駆動要素と、カムシャフト側に配置された出力要素とを備えている。駆動要素と出力要素との間の位相角を調整するために、レバー機構として具体化される作動要素が、２つの要素の間に配置され、この作動要素にブレーキが作用する。しかし、このレバー機構は比較的複雑で非常に磨耗しやすく、かつ制限された調整範囲しか許容しない。カムシャフトをクランクシャフトに直接連結する結果、作動要素すなわちレバー機構に連結された、ブレーキのロータが、一定の位相角で、かつカムシャフトと同じ回転速度（速度伝達比１：１）で動作しなければならない。入力要素と出力要素の速度伝達比のため、双方向の調整のための構成部品が必要である。位相角の調整は、ロータを制動又は加速することによって行われる。クランクシャフトより先にカムシャフトを回転可能とするために、すなわちロータを加速するためには、回転ばねが作動要素にさらに配置され、その連続的に作用するトルクが、位相が一定である場合又は逆方向の回転が発生した場合にさらに制動されなければならず、該さらなる制動は効率性に悪影響を及ぼす。

一般的な技術的背景としては、特許文献３、特許文献４及び特許文献５を参照されたい。

独国特許出願公開第１００ ３８ ３５４ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０２ ４７ ６５０ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０２ ４７ ５４ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０３ ０１ ４９３ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０２ ０３ ６２１ Ａ１号明細書

本発明は、製造上のコスト効果が高く製造が簡単である上に、任意の分野の用途に使用可能な内燃機関のカムシャフト用の調整装置を提供するという目的に基づいている。

上記目的は、本発明によれば、請求項１に記載の特徴部分によって達成される。

本発明の大きな利点は、遊星ギヤ機構を用いることによって作動範囲が理論的には無制限となるため、あらゆる装置に、及び、あらゆる位相角の範囲で該調整装置を使用できることである。

駆動要素と出力要素との間の位相角は、好ましいことにブレーキによって調整される。電気的に調整されるブレーキは、制御装置の電力出力段を必要としない。というのは、これに必要な電流が非常に低いからである。好ましくは、ブレーキトルクが回転速度に依存しないヒステリシスブレーキが用いられる。

調整装置は、好ましいことに、元々無制限な作動範囲をストッパによって任意の作動範囲に適合させることにより、あらゆる用途に利用可能である。

遊星ギヤ機構のギヤ比を好適に選択することによって、復元ばねを省略することが可能となり、１つの調整要素（この場合はブレーキ）で、双方向に調整するのに十分になる。しかし、調整装置が、特に高い作動特性向けに構成されている場合、ブレーキを解放した際に一方向のカムシャフト調整器の最適な調整速度を実現するための作動ばねによって、カムシャフトの負荷トルクが増大される可能性がある。

調整装置は、相互に結合され共通の要素を備えた２つの遊星ギヤ機構として具体化でき、部品を節減できる。これによって、スペースを取らない構成を可能にする幅狭の調整装置の設計ができる。

本発明のさらなる改良形態及び利点は、他の請求項及び以下の説明から明らかになるであろう。

図面を用いて具体的に６つの実施形態を参照しながら本発明を説明する。

簡略化のために、図中の対応する構成部品には同じ参照符号を用いた。

図１は、第１の実施形態による、内燃機関のクランクシャフト（ここでは図示せず）に対するカムシャフト２の位相角を変更するための、内燃機関のカムシャフト２用の調整装置１を示しており、ここで、カムシャフト２は、調整装置１を用いてクランクシャフトによって駆動される。

調整装置１は、３つの要素、すなわち具体的にはクランクシャフトによって駆動される駆動要素３と、カムシャフト２に回転式に固定連結されるとともにカムシャフト２を駆動する出力要素４と、駆動要素３と出力要素４との間の位相角を調整するための作動要素５と、作動要素５に適用するブレーキ６を備えており、作動要素５に加えるトルクを様々に変更することによって駆動要素３と出力要素４との間に相対的な回転をもたらすことを可能にする。ブレーキ６は、好ましくは、磨耗することなく、特に非接触式に動作する電磁ブレーキである。トルクが回転速度に依存しないヒステリシスブレーキが特に好適である。ブレーキ６を作動させるのに必要な電流が非常に低いため、制御装置の電力出力段階を省略できる。ブレーキ６は、シングルブレーキであっても又はマルチブレーキであってもよい。ブレーキ６のロータ（ここでは図示せず）は、作動要素５に回転式に固定連結される。また、ブレーキ６のハウジング（ステータ）７は、例えば、シリンダヘッド、シリンダヘッドカバー、制御ケーシングカバーなどの、内燃機関の固定部品に保持される（ここでは図示せず）。駆動要素３は、本件では、タイミングチェーン（ここでは図示せず）を介して内燃機関のクランクシャフトによって駆動されるスプロケットとして具体化される。

任意の分野の用途で上記調整装置の使用を可能にするために、本発明は、駆動要素３と出力要素４との間で、任意の所望の位相角を可能にする調整装置１のデザインを提供する。

調整装置１は、好ましくは、歯車機構、特に遊星ギヤ機構として具体化され、この場合、調整装置の３つの要素３〜５がそれぞれ遊星ギヤ機構の要素の１つとして具体化される。

図１によれば、調整装置１の要素３〜５は、１段の遊星ギヤ機構として具体化される。遊星ギヤ機構は、リングギヤ（３）、遊星ギヤ８、サンギヤ（５）及び少なくとも１つの遊星キャリア（４）から構成される。出力要素４は２つの遊星キャリアを形成し、該遊星キャリアには、遊星ギヤ８が、軸１０を有する軸受ボルト９によって取り付けられる。リングギヤを形成する駆動要素３によって外側を囲まれた３つの遊星ギヤ８が好ましくは設けられ、該遊星ギヤ８は駆動要素３と噛み合う。内側では、遊星ギヤ８が、サンギヤとして具体化される作動要素５で動作する。作動要素（サンギヤ）５のシャフト１１は、この実施形態では駆動要素（リングギヤ）３と出力要素（遊星キャリア）４とに共通の回転軸１２でもある。出力側では、遊星ギヤ８が、遊星キャリア（４）を介してカムシャフト２に連結される。この場合、調整装置１の要素３〜５が正転歯車機構として具体化され、すなわち、スプロケット３が固定されると作動要素５及びカムシャフト２が同じ方向に回転する。

駆動要素３と出力要素４との間の位相角の調整は、ブレーキ６によってのみ行われ、具体的には作動要素５における制動トルクを変更することによって行われる。スプロケット３とカムシャフト２との間の位相角を一定にするために、ブレーキ６が対応して作動要素５に作用する。制動トルクを変更することにより、作動要素５の回転速度を上昇又はそれぞれ低下させ、それによってカムシャフト２のクランクシャフトに対する位相角が変えられるようにする。

図２は、第２の実施形態による調整装置１を示している。調整装置１はまた、１段遊星ギヤ機構としても具体化される。駆動要素（スプロケット）３は２つの遊星キャリアを形成し、該遊星キャリアには、遊星ギヤ８が、軸１０を有する軸受ボルト９によって取り付けられる。リングギヤを形成する出力要素（カムシャフト）４によって外側を囲まれた３つの遊星ギヤ８が好ましくは設けられ、該遊星ギヤ８は出力要素４と噛み合う。内側では、遊星ギヤ８が、サンギヤとして具体化される作動要素５で動作する。作動要素（サンギヤ）５のシャフト１１は、出力要素（リングギヤ）４と駆動要素（遊星キャリア）３とに共通の回転軸１２でもある。出力側では、リングギヤ（出力要素）４がカムシャフト２と一体部品として具体化される。この場合、調整装置１の要素３〜５が逆転歯車機構として具体化され、すなわち、スプロケット３が固定されると作動要素５及びカムシャフト２が逆方向に回転する。

カムシャフト２の位相シフトは、作動要素５における制動トルクを変更することによって行われる。速度伝達比は、好ましくは、駆動要素３と出力要素４との間の位相角が一定であるときに作動要素５がカムシャフト２の回転速度に等しい特定の回転速度まで制動されるように選択される。制動トルクを増大させることにより、作動要素５の回転速度が（必要に応じて、静止段階まで）低下し、カムシャフト２がスプロケット３に対して予め調整されるようにする。制動トルクを（必要に応じてゼロまで、すなわち「作動要素自由回転状態」まで）低減した場合、作動要素５がカムシャフト２の負荷トルクによって加速され、それによってカムシャフト２が再びスプロケット３に対して調整される。

図３は、第３の実施形態による調整装置１を示している。調整装置１は２段の結合された遊星ギヤ機構として具体化され、両方の遊星ギヤ機構ユニットは共通の要素５、８を有する。各遊星ギヤ機構ユニットは内歯１４、１５を備えたそのリングギヤ３、１３を有し、他方の遊星ギヤ機構ユニットと、サンギヤ５と遊星ギヤ８の両方を共有しており、駆動側のリングギヤは、スプロケット３によって形成されている。リングギヤ３、１３は、その内歯１４、１５によって遊星ギヤ８に噛み合う。遊星ギヤ８は、リングギヤ３、１３と、サンギヤとして具体化される作動要素５との間のスペースに分配されて配置され、すなわち、遊星ギヤ８は、特別な軸受を用いずに単に緩く挿入される。遊星ギヤ８は、スプロケット３、及び出力要素４に連結されたスラストワッシャ１６によって軸方向に案内され、該出力要素４はカムシャフト２に形成され、かつ出力側リングギヤ１３に恒久的に連結されている。遊星ギヤ８は作動要素５と噛み合う。作動要素（サンギヤ）５のシャフト１１はまた、駆動側リングギヤ３と出力側リングギヤ１３とに共通の回転軸１２でもある。この場合、調整装置１は、２つのリングギヤ３、１３の歯数に応じて、正転歯車機構又は逆転歯車機構のいずれとしても具体化可能なものである。リングギヤ３、１３の歯数が規定されると、２つのリングギヤ３、１３を取り替えることによって、正転歯車機構から逆転歯車機構を作製することが可能であり、かつその逆も可能である。

しかし、本発明による調整装置１は、特に高い作動動特性向けに構成され、カムシャフト２の有効負荷トルクは、制動トルクが変化した際に調整装置１の最適な作動速度を実現するために、図４〜６に記載の作動ばね１７によって低減したり又は増大させたりすることが可能である。

作動ばね１７の複数の可能な構成が考えられる。図４は、駆動要素（スプロケット）３と作動要素（ブレーキ）５との間の作動ばね１７を示し、図５は、駆動要素（スプロケット）３と出力要素（カムシャフト）４との間の作動ばね１７を示し、そして図６は、出力要素（カムシャフト）４と作動要素（ブレーキ）５との間の作動ばね１７を示している。

調整装置の無制限な作動範囲が、特定の用途のために制限されることになる場合、ストッパ、例えば確実係止装置を設けることが可能である。

駆動要素、出力要素、及び作動要素を備えた、正転歯車機構と呼ばれるものとして具体化されるカムシャフト調整器を示す図であり、該作動要素と出力要素とが同じ回転方向を有し、ブレーキを該作動要素にかけることが可能である。 逆転歯車機構と呼ばれるものとして具体化されるカムシャフト調整器を示す図であり、該作動要素と出力要素とが逆の回転方向を有し、ブレーキを該作動要素にかけることが可能である。 要素が２段の結合された遊星ギヤ機構として具体化されるカムシャフト調整器を示す図であり、ブレーキを該作動要素にかけることが可能である。 駆動要素と作動要素との間に作動ばねを備えたカムシャフト調整器を示す図である。 出力要素と駆動要素との間に作動ばねを備えたカムシャフト調整器を示す図である。 出力要素と作動要素との間に作動ばねを備えたカムシャフト調整器を示す図である。

Claims (12)

1. 内燃機関のクランクシャフトによって駆動される駆動要素（３）と、前記内燃機関の前記カムシャフト（２）を駆動する出力要素（４）と、ブレーキ（６）が作用する作動要素（５）とを備え、前記駆動要素（３）と出力要素（４）との間の相対的な回転を、前記作動要素（５）における制動トルクを変更することによってもたらすことが可能である内燃機関のカムシャフト（２）用の調整装置（１）において、
   前記調整装置（１）の設計により、前記駆動要素（３）と出力要素（４）との間の任意の所望の位相角が可能になることを特徴とする調整装置。
2. 前記駆動要素（３）と前記出力要素（４）との間の位相角が、前記ブレーキ（６）によってのみ調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の調整装置。
3. 前記ブレーキ（６）が、シングルブレーキ又はマルチブレーキであることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の調整装置。
4. 前記ブレーキ（６）が、電気的に作動される、及び／又は非接触式に動作するブレーキであ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調整装置。
5. 前記位相角の調整が、ストッパによって制限可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の調整装置。
6. 前記作動要素（５）と前記出力要素（４）とが逆の回転方向を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の調整装置。
7. 前記作動要素（５）と前記出力要素（４）とが同じ回転方向を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の調整装置。
8. 作動ばね（１７）が、前記調整装置（１）の３つの要素（３〜５）のうちの２つの要素間に働くことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の調整装置。
9. 前記調整装置（１）が、歯車機構として具体化されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の調整装置。
10. 前記調整装置（１）が、少なくとも１つの遊星ギヤをもつ機構として具体化されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の調整装置。
11. 前記調整装置（１）が、互いに結合された２つの遊星ギヤをもつ機構（３、５、８又は１３、５、８）として具体化され、該２つの遊星ギヤをもつ機構は、共通の要素（５、８）を備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の調整装置。
12. 前記調整装置の３つの要素（３〜５）が、遊星ギヤ機構の要素のうちの１つとしてそれぞれ具体化され、該遊星ギヤ機構は、リングギヤ（３、４、１３）、遊星キャリア（３、４）及びサンギヤ（５）を備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の調整装置。

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