JP2008540909A - カムシャフト調整装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、カムシャフトの位相位置を調整するためのカムシャフト調整装置に関する。該カムシャフト調整装置は、ステータ（４５）及び少なくとも１つの軸方向に移動可能なローター（３１）を有する回転式アクチュエータと、少なくとも３つのシャフト（１１、１２、１３）のうちの２つのシャフトの間に配置される歯車機構（１０）とを有する。ここで、３つのシャフトのうちの１つは、制御シャフト（１３）の役割を果たし回転式アクチュエータによって作用され、１つはクランクシャフトに連結される入力シャフト（１１）であり、１つはカムシャフトに連結される出力シャフト（１２）である。回転式アクチュエータを作動させる励磁コイル（４２）に加えて、ローター（３１）の軸方向の動きを少なくとも一方向（２０）に発生させる補助コイル（４４）を設けることにより、少なくとも３つのシャフト（１１、１２、１３）のうちの少なくとも２つを運転条件に応じて回転可能にロックされるように互いにロック可能な場合、費用効果が高くコンパクトなロック機構を有するカムシャフト調整装置が実現される。本発明は、カムシャフト調整装置用のローターにも関する。

Description

本発明は、請求項１の前段に係るカムシャフト調整装置、特に、パッシブカムシャフト調整装置に関する。

カムシャフト調整装置によって内燃機関のカムシャフトの位相位置を変えることは公知である。ブレーキによって位相位置を調整することは公知である。カムシャフト調整装置の歯車機構の制御入力でのブレーキの可変モーメントにより、カムシャフトの位相位置が変更される。ブレーキがかけられると、制御シャフトが減速し、位相位置が例えばネガティブ歯車機構を介して進み方向に変化する。ブレーキが解除されると、カムシャフトの負荷モーメントの変化により制御入力が加速し、位相位置が遅れ方向に変化する。一定の位相位置で、制御シャフトは歯車機構での相対運動が不可能なようにカムシャフトの回転速度に維持されなければならない。内燃機関の始動中、低回転速度時、及びブレーキが機能しない場合は、カムシャフト調整装置を、通常置かれるエンドストップ間の位置にロックしなければならない。ブレーキ、制御ユニット、接触連結手段、センサ技術等のシステムの部品に障害が発生した場合は、車両の非常走行を可能にするためにロックすることが望ましい。

特許文献１では、２つのシャフトの相対的な角位置が、電磁調整ドライブのローターによって操作される制御シャフトの相対的な回転を介してもたらされる電気調整装置を開示している。調整ドライブが励磁されていない場合、軸方向に移動可能なローターはドライブシャフトに作動的に連結され、シャフトの相対的な回転が相互に防止される。調整ドライブが励磁されると、軸方向に有効な磁気力によってローターとドライブシャフトとの間の作動連結が解除され、ローターは制御シャフトを回転させることが可能になる。

独国特許出願公開第１０２ ２４ ４４６ Ａ１号明細書

本発明の目的は、費用効果が高くコンパクトな、カムシャフト調整装置のロック機構を可能にするカムシャフト調整装置及びカムシャフト調整装置用ローターを提供することにある。

上記目的は、本発明に従い請求項１に記載の特徴によって達成される。

カムシャフトの位相位置を調整するための本発明に係るカムシャフト調整装置、特に、パッシブカムシャフト調整装置の場合は、カムシャフト調整装置の回転式アクチュエータを作動させる励磁コイルに加えて、回転式アクチュエータ、特にローターの軸方向の動きを少なくとも一方向に発生させる補助コイルを設けることにより、少なくとも３つのシャフトのうちの少なくとも２つが、運転条件に応じて回転可能にロックされるように、互いにロックされ得る。ロック手段は、シャフトの１つに、回転可能にロックされるように連結されるのが得策である。ロック手段は、特に、回転可能に固定されるように、制御入力に連結されることが好ましく、具体的に制御入力はヒステリシスブレーキのヒステリシスバンドの支持体によって形成される。好ましい構成で、ロック手段は回転可能にロックされるように歯車機構の制御入力をドライブに連結する。ロック手段は必要に応じて歯車機構の制御入力をカムシャフトに連結、或いは、カムシャフトのドライブを、回転可能にロックされるように、カムシャフトに連結することができる。

補助コイルはステータの主磁気回路に配置されることが好ましい。これは、制御動作に関してコイルの磁界が回転式アクチュエータに実質的に影響を与えないような構成である。補助コイルは移動方向、即ち、軸方向への力を発生させるだけであり、トルク、特に制動モーメントは発生させない。補助コイルの励磁により生じるローターの軸方向への移動はトルクを発生させないということから、ロック解除と制御動作が有利に分離される。システムは単純であるので、非常にコンパクトな設計が可能である。回転式アクチュエータは、ヒステリシスブレーキのローターとして設計されることが好ましい。

加算歯車機構の少なくとも３つのシャフトのうちの２つは、回転可能にロックされるように、互いに連結されることが好ましい。２つのシャフトを連結することで、第３のシャフトの回転速度も固定される。低温でのコールドスタートの場合には、カムシャフトの負荷モーメントの補正をヒステリシスブレーキ又はカムシャフト調整装置だけで行う必要がないので、ヒステリシスブレーキの小型化及び該ヒステリシスブレーキの作動の軽減が有利に可能である。更に、低い回転速度でのカムシャフトの交番モーメントは別の方法で制御され得るが困難を伴うしかないので、内燃機関の始動中及び回転数上昇中のカムシャフト調整装置の制御が簡略化される。内燃機関を切ったとき、次の始動で必要とされる位置にカムシャフト調整装置を有利に移動させ、その位置でカムシャフト調整装置をロックすることができる。本発明は、便宜上、回転式アクチュエータと加算歯車機構とを備える全てのカムシャフト調整装置に対して使用することができる。

本発明の有利な改良形態及び利点については、明細書及び更なる請求項から明らかになる。

補助コイル及び励磁コイルが同一軸の周りに配置されると、コンパクトで好適な構成がもたらされる。半径方向に見て、補助コイルが励磁コイルの内側に配置されると、特に有利な構成となる。励磁コイル及び補助コイルは、同軸状に配置、或いは軸方向に位置調整されて配置され得る。補助コイルをローターに近接させて配置すると、制御動作への補助コイルの影響をそれだけ適切に防止することができる。距離が短縮されると、それだけ必要な磁界の強さも小さくてすむので、補助コイルの構造を小さくすることが可能である。

補助コイルが励磁されることに応じて、ローターが、補助コイルに割り当てられたステータの空隙に電機子によって係合可能である場合、好ましい構成がもたらされる。これにより、ローターの簡単な構成が可能になる。例えばヒステリシスブレーキの形式では、ローターがその円形の軟質磁性バンドによってステータの空隙に係合する。電機子はバンドと同軸状に配置され得る。

補助コイルの磁気力の方向と反対の向きに作用するバネ要素が、ロックのために設けられることが好ましい。バネ要素は圧縮バネのように設計され、ローターがロック機構と作動連結するまで、ローターをステータから押し出す。したがって、追加のパワーがなくとも、ロック位置は維持され得る。この構成では、補助コイルが励磁されて、バネの力に勝る磁気力が生成され、その磁気力によりローターがステータの方へ軸方向移動されることにより、ロック解除が可能となる。

ローターは、ロックのために、他の２つのシャフトのうちの１つのロック手段によってロック位置に有利に移動され得る。ロック手段は、形状が嵌合するように設計され得る。例えば、突起と溝の形式によるラッチ手段が挙げられるが、摩擦ブレーキライニング等を備える摩擦ロックも考えられる。複数のロック手段が挿入された場合も、又は摩擦ロックの場合でさえも、カムシャフト調整装置を一定の位相位置にロックすることが可能である。運転条件に応じて個々のロック箇所が選択され得る。更に、個々のロック手段に振り分けられた負荷が種々のロック箇所で緩和される。軸方向に移動可能なローターと共に制止つめ等の独立ロック機構を作動させることもできる。ロック及び／又はロック解除に必要なバネの力及び／又は磁気力が有効である場合、２つのシャフトの摩擦連結が好適となり得る。この場合は、カムシャフト調整装置がどの位置でもロックされ得る。

歯車機構は特に加算歯車機構、具体的には単段遊星歯車機構として設計されることが好ましい。歯車機構は自動ロック構造とすることが好適である。

励磁コイル及び補助コイルが共通の給電ユニットを有する場合が好適である。

カムシャフト調整装置の本発明に係るローターの場合、軟質磁性材料から形成された電機子は、軟質磁性材料から形成された外壁と同軸状に配置され、外壁より小さな半径を有する。

ローターシャフトがカップ状の形状の電機子側に相当する内側の中央に配置される場合は、対称構成がもたらされる。ローターシャフトは、外歯部を備える中空シャフトとして外側にも延びることが好ましい。

カムシャフト調整装置のための本発明に係るローターはカップ状の形状を呈し、軟質磁性材料から形成された外壁内において、軟質磁性材料の環状電機子が、該外壁と同軸状に配置される。

電機子は外壁内において環状構造とすることができる。別の方法として、電機子をローターシャフト上に配置することもできる。電機子はまた、ローターシャフトとの一体構造で形成され得る。

少なくとも１つのロック手段（例えば、ラッチ手段等）は、電機子の反対側のローター外側に配置されることが好ましく、取り付け後は、別のラッチ手段に対応する。

それぞれ異なる半径上に配置される複数のロック手段が設けられることが好ましい。これは、単一の規定されたロック位置を達成すべき場合に有利である。カムシャフト調整装置の回転式アクチュエータにローターを取り付けた後、約７対約１５の一般的歯車機構伝達比、及び約１００°のクランク角度を有する一般的制御領域で、複数のロックオプションがもたらされることを防止できる。

図面に示した例示的な実施形態を参照して本発明の詳細を以下に説明する。図面、明細書、及び特許請求の範囲には、多数の特徴が組み合わされて含まれており、当業者は、それらを個別に検討し、まとめて有意義な更なる組み合わせを形成することも得策である。

図１は、カムシャフトの位相位置を調整するための、３つのシャフトを備えた好適なカムシャフト調整装置を通る縦断面図を示す。ここで、３つのシャフトとは、クランクシャフトに連結されていてドライブホイールとして設計されている、歯車機構入力側のドライブシャフト１１と、カムシャフト２２に連結された歯車機構出力側の、カムシャフトに連結された出力シャフト１２と、ローター３１から成る回転式アクチュエータに連結された制御シャフト１３である。

図示したカムシャフト調整装置はロック位置にあり、このロック位置では、位相位置の調整が行われず、ローター３１はドライブシャフト１１に形状が嵌合するように連結されている。

ローター３１は、ヒステリシスブレーキとして設計され切抜き部４１に励磁コイル４２を備えたステータ４５を有する調整ユニット３０の一部である。励磁コイル４２はヒステリシスブレーキの磁気回路の一部である。カップ状構造のローター３１の外壁３２を形成するヒステリシスバンドは、該切抜き部４１に係合している。ヒステリシスバンドとして設計された壁３２の係合領域の両側には、極性構造体４６がステータ４５内に、例えば幾何学的成形及び／又は材料自体の対応する磁化によって、形成されている。これにより、ヒステリシスバンドとして設計された壁３２が本質的に公知の方法で軸４７を中心として回転運動しているときに、ローター３１に制動モーメントが及ぼされ、ドライブシャフト１１と出力シャフト１２との間の位相位置の調整が行われる。

ドライブシャフト１１は、チェーンホイールとして設計されるのが好ましい。カムシャフト２２はチェーンホイールを介して駆動されるので、カムシャフト２２とチェーンホイールの回転速度は同じである。

ドライブシャフト１１は、好ましくは加算歯車機構として設計される歯車機構１０を介して出力シャフト１２に連結されている。出力シャフト１２は、単段遊星歯車機構が配置された内歯部を備える冠歯車として設計されている。ドライブシャフト１１は遊星キャリア２３に連結されており、遊星キャリア２３の遊星ホイール１６は太陽ホイール１４上を転がると同時に、冠ホイールと噛み合う。当然のことながら、遊星ホイール１６を３つ以上、設けることもできる。ドライブシャフト１１、出力シャフト１２、及び制御シャフト１３、並びに、これらに対するローター３１は、同じ軸４７を中心に回転する。太陽ホイール１４は、回転可能に固定されるように、ローター３１に連結されている。

本発明に係るカップ状ローター３１は、その内部領域（カップベースとして設計され、半硬質磁性材料から形成された壁３２の中に外側４０と内側４８とを有する）に、壁３２と同心円状に配置される軟質磁性材料でできた環状電機子３４を有する。２つのロック箇所１８、１９を形成するロック手段３９は、電機子３４と反対の外側４０に配置されている。

ローターシャフト３３はカップ形状内で電機子側に相当する内側４８の中心に配置され、歯車機構１０の制御シャフト１３に係合する外歯部３６を有する中空シャフトとして外側４０にも延びている。ローターシャフト３３は、ステータ４５内の２箇所で、転がり接触軸受３５によって支持されている。外歯部３６は、軸方向移動を許容する継手１５（例えば、スプライン軸継手）の一部である。バネ要素３８は、中空シャフトとして延びている、ローターシャフト３３の延長部分の内部空間に形成されている。

電機子３４は、補助コイル４４が配置されているステータ４５の切抜き部４３に係合可能である。補助コイル４４は、励磁コイル４２と同じ軸４７の周りに配置され、半径方向に見ると、励磁コイル４２の内側に位置する。図示した配置は同心円状の配置となっており、両コイルの軸方向の高さは同じである。補助コイル４４は、励磁されると、軸方向の磁気力を電機子３４に矢印で示された方向２０に働かせ、該電機子を引き寄せる。これにより、ローター３１はドライブシャフト１１から解放可能となり、カムシャフト調整装置のロックが解除される。補助コイル４４の磁気力の方向２０に反して作用するバネ要素３８が、ロックのために設けられている。ロックの場合は、ドライブシャフト１１のロック手段１７によってローター３１がロック位置へ移動され、その位置でローター３１はロック手段３９（ラッチ用突起として設計されている）によってドライブシャフト１１のロック手段１９（ロック手段が溝として設計されている）に係合可能となる。

少なくとも３つのシャフト１１、１２、１３のうちの少なくとも２つが、運転条件に応じて、回転可能にロックされるよう、互いにロックされ得る。

図２の調整ユニット３０を参照することで、本発明に係るカムシャフト調整装置の好適な更なる改良形態が理解できよう。カムシャフト調整ユニットの歯車機構ユニット１０については詳しく示していないが、図１に示したものに相当する。この構成は、そのほとんどが図１の構成に対応しているので、個々の要素の説明については図１を参照されたい。更に、全ての図で、変わりのない要素又は機能的に同様に動作する要素には、同じ参照番号が付けられている。

ローター３１を軸方向に移動させるための補助コイル４４は、調整ユニット３０の励磁コイル４２と同じステータ４５内に配置されている。図１に係る構成とは対照的に、補助コイル４４は、半径方向だけでなく軸方向にも、励磁コイル４２と互い違いに配置されている。軟質磁性材料でできた電機子３４は、ローター３１の内側４８、又はローター３１の一部に固定されている。突起として設計されたロック手段３９は、ローター３１の外側４０に位置している。補助コイル４４は、図１に例示した実施形態の場合よりも電機子３４に近づけて小さなサイズで形成されている。

ローター３３は、中空シャフトとして設計されていて、ヒステリシスブレーキとして設計された調整ユニット３０のステータ４５の中を延在している。ステータ４５は、ローター３１に遠い側が連結分岐４９に向けて先細りになっている。軸方向移動を許容する継手１５は、端部側歯部３６と一体化している。半径方向兼軸方向軸受３７は、ステータ４５内に配置されていて、転がり接触軸受３５によってローターシャフトをステータ４５内で軸方向に支持している。ローターシャフト３３はローター３１の外側４０に連結分岐として突出しており、歯車機構１０（ここでは図示せず、図１を参照）と連結可能な端部外歯部３６で終端している。ローター３１は、回転可能なように且つ軸方向に移動可能なように、該当するベアリング設計によって取り付けられており、歯車機構１０の制御入力に連結することができる。

補助コイル４４が励磁されていない場合、歯車機能の入力（図１のドライブシャフト１１）又は歯車機能の出力（図１の出力シャフト１２）との回転可能に固定された連結が可能である。このために、当該歯車機構部には、突起として設計されたロック手段３９用の切抜き部が設けられている。このロックのために、圧縮バネとして設計されたバネ要素３８がローターシャフト３３の周りに、構造的空間が最適になるように配置されている。このバネ要素は、ローターシャフト３３に沿って移動可能であると共に半径方向兼軸方向軸受３７とローターとに支持されている２つのシート５０間に位置する。半径方向兼軸方向軸受３７はまた、ロックされていない状態でローター３１に作用する軸方向の力を吸収する。

図２に基づいて構成を示すために、図３では、ステータ４５を有するローター３１の外側４０を斜めから見た等角投影図で示す。突起として設計された２つのロック手段３９がそれぞれ異なる半径上に配置されているのが見て取れる。この構成では、１つの規定箇所でのみロック可能となるように保証している。更に、調整ユニット３０（ヒステリシスブレーキとして設計されている）の一般的な電極構造体４６（歯として設計されている）が確認できる。歯として設計された更なる電極構造体がローター３１に隠れて見えないが、この電極構造体は図示された電極構造体４６と向かい合わせに位置し、半径方向に向き合った歯列の歯が互いにオフセットされて配置されている。

図４ａ及び図４ｂは、図１又は図２に係る構成において、補助コイル（４ａ）及び励磁コイル（４ｂ）が励磁されている状態での磁気回路の力線のプロファイルを示している。この構成は、軸４７を中心に対称的に回転するように配置されている。補助コイル４４が励磁されている場合、ローター３１の電機子３４の領域の周りに密度の高い力線が発生していることが分かる。電機子３４ではその中を通過する力線の密度が高くなっており、これに応じて形成される磁気力によって電機子３４が補助コイル４４の方へ引き寄せられる。これと対照的に、カップ状ローター３１の壁部３２（この壁は軟質磁性バンドとして設計されている）には力線が実質的に及んでいないので、壁部３２は励磁された補助コイル４４によって実質的に影響されない。したがって、補助コイル４４は、ヒステリシスブレーキとして設計された調整ユニット３０のローター３１に何らトルクを作用させない。

対照的に、励磁コイル４２が励磁されている場合、図４ｂに示すように、電機子３４の領域には力線が実質的に及んでいないが、ローター３１のバンド領域には高密度の力線が通っているので、対応する制動モーメントがローター３１に作用している。

図５は、電機子３４がローター３１の内側４８に配置されているのではなく、ステータ４５内のローター３１のローターシャフト３３を包囲している構成での力線プロファイルを示している。他の点について、カムシャフト調整ユニットの構成は、図１又は図２に対応しているので、その説明を参照されたい。補助コイル４４が励磁されている場合、電機子３４の領域に力線が集中しているが、その外側では力線密度は非常に低く、実質的に無効である。

調整ユニットとしてのヒステリシスブレーキとローターとを有するカムシャフト調整装置を示す。ローターは、バネ要素のバネ力により軸方向をロック位置に移動されている。 ローターを有するヒステリシスブレーキを示す。ローターは、ヒステリシスブレーキのステータ内の補助コイルの磁束によって軸方向をロック解除位置に移動されている。 図２に係る補助コイルを備えたシステムの等角投影図を示す。 補助コイル（ａ）が励磁された状態での図２に係る磁気回路の力線を示す。 励磁コイル（ｂ）が励磁された状態での図２に係る磁気回路の力線を示す。 ローターシャフト上に直接配置された電機子を中央に備えた磁気回路の力線を示す。

Claims (19)

1. ステータ（４５）及び少なくとも１つの軸方向に移動可能なローター（３１）を有する回転式アクチュエータと、少なくとも３つのシャフト（１１、１２、１３）のうちの２つのシャフトの間に配置される歯車機構（１０）とを有し、前記シャフトの１つである制御シャフト（１３）が前記回転式アクチュエータによって作用され、前記シャフトの１つがクランクシャフトに連結されるドライブシャフト（１１）であり、前記シャフトの１つが前記カムシャフトに連結される出力シャフト（１２）である、カムシャフトの位相位置を調整するためのカムシャフト調整装置であって、
   前記回転式アクチュエータを作動させる励磁コイル（４２）に加えて、前記ローター（３１）の軸方向の動きを少なくとも一方向（２０）に発生させる補助コイル（４４）を設けることにより、前記少なくとも３つのシャフト（１１、１２、１３）のうちの少なくとも２つが、運転条件に応じて回転可能にロックされるように、互いにロックされ得ることを特徴とするカムシャフト調整装置。
2. 前記補助コイル（４４）と前記励磁コイル（４２）とが同一軸（４７）の周りに配置されることを特徴とする請求項１に記載のカムシャフト調整装置。
3. 前記補助コイル（４４）が半径方向に前記励磁コイル（４２）の内側に配置されることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載のカムシャフト調整装置。
4. 軸方向に見ると、前記補助コイル（４４）が、前記励磁コイル（４２）に対して位置調整されて配置され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カムシャフト調整装置。
5. 前記補助コイル（４４）が励磁されることに応じて、前記ローター（３１）が、前記補助コイル（４４）に割り当てられた前記ステータ（４５）の空隙（４３）に電機子（３４）によってはめ込み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カムシャフト調整装置。
6. 前記補助コイル（４４）の磁気力の前記方向（２０）と反対の向きに作用するバネ要素（３８）が、前記ロックのために設けられ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カムシャフト調整装置。
7. 前記ローター（３１）が、前記ロックのために、前記他の２つのシャフトのうちの１つシャフト（１１）のロック手段（１７）によってラッチ位置に移動され得ることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のカムシャフト調整装置。
8. 前記歯車機構（１０）が、加算歯車機構として設計されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のカムシャフト調整装置。
9. 前記歯車機構（１０）が、自動ロック構造であ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カムシャフト調整装置。
10. 複数のロック箇所（１８、１９）が、前記ロックのために設けら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カムシャフト調整装置。
11. 個々のロック箇所（１８、１９）が、運転条件に応じて選択され得ることを特徴とする請求項９に記載のカムシャフト調整装置。
12. 前記励磁コイル（４２）と前記補助コイル（４４）とが、共通の給電ユニットを有す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カムシャフト調整装置。
13. カップ状の形状を呈する、カムシャフト調整装置のローターであって、軟質磁性材料から形成された環状電機子（３４）が、軟質磁性材料から形成された外壁（３２）と同軸状に配置され、前記外壁（３２）より小さな半径を有することを特徴とするローター。
14. ローターシャフト（３３）が、前記カップ状の形状の内側（４８）の中央に配置されることを特徴とする請求項１３に記載のローター。
15. 前記ローターシャフト（３３）が、外歯部（３６）を備える中空シャフトとして、外側（４０）にも延びていることを特徴とする請求項１４に記載のローター。
16. 前記電機子（３４）が、前記外壁（３２）内で環状構造を呈することを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一項に記載のローター。
17. 前記電機子（３４）が、前記ローターシャフト（３３）上に配置されることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一項に記載のローター。
18. 少なくとも１つのロック手段（３９）が、前記電機子（３４）の反対側の外側（４０）に配置されることを特徴とする請求項１３〜１７のいずれか一項に記載のローター。
19. それぞれ異なる半径上に配置される複数のロック手段（３９）が設けられることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか一項に記載のローター。

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