JP2009523943A - 内燃機関用カムシャフト調節器 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関用カムシャフト調節器に関する。カムシャフト調節器では、カムシャフト調節器の位置決めと作用のモーメント条件に影響を与えるバネ要素は通常、ハウジングの内側に在るように置かれる。
本発明によると、バネ要素（２９）は、カムシャフト調節器（１）のハウジング（４）の外側に配置され、バネ要素（２９）のバネ基点は、ハウジング（４）を貫通し且つロータ（６）に回転方向に固定して連結されたピン（２１）を介して支持されている。

Description

本発明は、請求項１の前提部分に記載の、内燃機関用カムシャフト調節器に関する。詳細には、本発明は、
−燃焼室の充填、
−燃焼条件、
−性能データ、
−排気ガス値、
に影響を与えるために、カムシャフトと、例えば引張手段を介して内燃機関のクランクシャフトにより駆動される駆動要素との間の相対的な円周方向位置を、制御デバイスによる対象方法で変更できるカムシャフト調節器に関する。

米国特許第6,311,654B１号明細書は、鎖歯車がカムシャフト調節器のハウジングを駆動し、ハウジングの中ではロータとして構成される出力要素が中心ネジを介してカムシャフトに回転方向に固定されるよう螺合される、翼型セル構造のカムシャフト調節器を開示した。ロータに割り当てられる翼は、圧力室の油圧負荷に応じて、ロータ従ってカムシャフトをハウジングと駆動歯車に対し“早い”又は“遅い”傾向に調整できるようにハウジングの圧力室に置かれる。明細書は、圧力室を加圧する油圧ポンプが通常、クランクシャフトにより駆動され、油圧媒体の流動が状況次第では内燃機関の低速度で低減されるという結果をもたらす問題に取り組んでいる。これはカムシャフト調節器の好ましくない調整をもたらすことが多い。

前述のタイプの問題を解消するために、日本特許第A9 264 110号明細書は、駆動要素と出力要素との間に捩りバネを接続することを提案している。このために、捩りバネは、カムシャフト調節器のハウジングにおいて鎖歯車上の一基点で支持されるが、一方、捩りバネの他の基点はロータ上で支持される。

この方法は米国特許第6,311,654B1号によれば不十分であると考えられている。状況次第では好ましくない運転状態とカムシャフト調節器の破損さえもたらすことが多いバイパスが、捩りバネの受け入れ空間を介してカムシャフト調節器の圧力室間に形成されるからである。このタイプの問題を回避するために、米国特許第6,311,654B1号明細書は、圧力室と翼を捩りバネ要素の受け入れ空間外側の半径方向に在るように置いて、適切なシールがハウジングの半径方向の中間空間に形成されることを提案している。しかしながらその結果は、カムシャフト調節器の半径方向構造の全体寸法を増大する。このように半径方向寸法が増大することは、第一に圧力室と、第二に捩りバネの受け入れ空間を半径方向に互いに重複するよう軸方向に配置するという米国特許第6,311,654Ｂ１号明細書によって回避できる。バネ要素の受け入れ空間を介して個々の圧力室間の油圧媒体を移動させることは、圧力室と受け入れ空間との間に軸方向に接続される円形の環状分割ディスクにより回避される。

独国特許第40 32 586A1号明細書は、制御ピストンを介して作動され、ほぼ平均のトルクを伝達するのに役立つ捩りバネ装置が、駆動歯車とカムシャフトとの間の調整室に平行に置かれるカムシャフト調節器を開示している。この技術は、異なる方向の調整については、両方向についてカムシャフト調節器にトルクを発生させる必要があるが、その大きさは異なる方向については状況次第で異なり、その結果例えば駆動移動及び/又は摩擦条件の結果として、異なる調整方向に必要なトルクがゼロに等しくない平均モーメントを生ずるという発見に基づいている。カムシャフト調節器に生成されるモーメントを主要モーメントから必要とされる極値の差までに制限し、また状況次第でより大きな絶対極値にしないために、エネルギ蓄積器により平均モーメントを提供することが提案されている。このエネルギ蓄積器は、駆動鎖歯車とカムシャフトとの間の調整室に平行に接続される捩りバネ装置として構成される。この場合、捩りバネ装置はカムシャフト調節器から離して構成される。

独国特許第690 28 063 T2号明細書は、カムシャフト調節器のモーメント条件に影響を与える捩りバネ要素を使用する場合のさらなる改良を開示している。

独国特許第198 20 638 A1号明細書は、シザー歯車として知られる歯車の歯の遊び補正のためのカムシャフト調節器の捩りバネを使用することを開示している。同様に、米国特許第5,056,613号明細書、米国特許第4,747,321号明細書、米国特許第4,739,670号明細書、米国特許第3,365,973号明細書及び米国特許第2,607,238号明細書を比較されたい。

本発明は、
組立体、
必要な半径及び/又は軸方向設置空間、
カムシャフト調節器のモーメント条件の作用、及び/又は
カムシャフト調節器の駆動要素及び/又は出力要素へのバネ要素の接続
に関して改良されるカムシャフト調節器を提案することを目的とする。

本発明によると、目的は、独立請求項１の特徴により達成される。本発明による解決法のさらなる改良は、従属請求項２乃至１４の特徴によって達成される。

本発明はまず第一に、駆動要素とカムシャフト自体との間にカムシャフト調節器のモーメント条件に影響を与えるバネ要素を連結することが状況次第で不利であるという発見に基づいている。このタイプの連結は、バネ要素をカムシャフトに連結するために、適当な手段を必要とする。これにより、カムシャフトの製造費、カムシャフトの質量、慣性質量モーメント及び/又は設置空間を増大する。第二には、このタイプのバネ要素はカムシャフト調節器の製造の際に前もって取り付けることができず、カムシャフト調節器がカムシャフトと組立てられるときだけ取り付けできるに過ぎない。

さらに、本発明は、米国特許第6,311,654B1号明細書による改良については、バネ要素はカムシャフト調節器のハウジングに取り付けられる必要があるという発見に基づいている。このことは、例えば、ハウジング部品の正確な位置決めと同時にハウジング内部のアクセス可能性の保証を伴う開放ハウジングについては、バネ要素は固定されねばならないという結果をもたらす。さらに、ハウジング内に捩りバネを配置した場合、バネ要素の受け入れ空間を介して個々の圧力室間で油圧媒体が移動する恐れに関して米国特許第6,311,654B1号明細書において議論された問題を生じさせる。

本発明によると、バネ要素はハウジングと出力要素との間で作動する。本明細書では、バネ要素を、ハウジング又は出力要素に直接的に、あるいはただ単に構成要素に間接的に支持される。この構成要素は、ハウジング又は出力要素に対して回転方向に固定されるよう連結される。

さらに、本発明によってバネ要素をハウジングの外側に配置することが提案されている。これは、詳細には、ハウジングの取付けのため、カムシャフトがこのために存在する必要はなく、まずハウジング内に出力要素を配置し、ハウジングを密閉し、その後にバネ要素を取付ける。あるいは、バネ要素をカムシャフト調節器の製造の際に前もって取付け、それからカムシャフトに単に連結されるだけの一つの構造ユニットを形成してもよい。

ハウジングの外側へのバネ要素の配置による一つの改良については、多種多様な実施形態が可能である：
a）例えば、出力要素は、突出部、詳細には中空円筒型の突出部を有していてもよい。
- 出力要素は、ハウジングと、ハウジングを内側から外向きに貫いて外側に在る円周面との間でシール機能を備えて延び、
- ハウジングの外側に在る形で外部円周面領域においてバネ要素の接続を可能にし、
- カムシャフトとカムシャフト調節器の取り付けのために、半径方向内側に在る形でカムシャフトを受け入れる、
突出部を保有できる。
ｂ）本発明の一つの、別の又は追加的な改良では、バネ基点は部分要素上で支持される。支持要素は、ハウジングに置かれる出力要素に回転方向に固定して連結される。本明細書では、出力要素は部分要素を有する単一片又は多重片形状から成る。ハウジングの壁の一つは切欠きを有する。支持要素はこの切欠きを通って延びて、ハウジングの外側で支持要素に加えられる力を出力要素に切欠きを通して伝達できる。本明細書では、ハウジングの壁の切欠きは、ハウジングと支持要素従って出力要素との間で相対的回転を可能にするように構成される。支持要素をバネ要素から離して又はバネ要素と一体化して構成でき、たわみの弾性を主としてバネ要素により与えてもよく、あるいはバネ要素と支持要素の各々を剛性に結合して共同して提供してもよい。

支持要素がピンとして構成される場合、単純な構造様式で機械特性を予め規定できる具体的な半完成製品を使用できる。

本発明の一つのさらなる改良では、このタイプのピンの出力要素への、詳細には、翼型セル構造のカムシャフト調節器のロータへの単純接続を、突き合わせ嵌めにより提供できる。

本発明の一つのさらなる提案によると、ある大きさを備えた切欠きがハウジングの壁の円周方向に、例えば湾曲した溝又は“バナナ形溝”の形状で設けられ、これによりハウジングと支持要素との間の相対的回転がこのタイプの切欠き又は溝により可能となる。

カムシャフト調節器の圧力室からの油圧媒体の流出、とりわけ個々の圧力室間の油圧媒体の移動を回避するために、本発明によれば、シールがハウジングと前述の切欠き周辺領域のロータとの間に設けられる。シール作用は、例えば以下の通りである。
- 上述のように、その間に接続されているシール領域を備える、一側の圧力室と他側の切欠きとの半径方向オフセットにより達成され、
- ールワッシャ又はラビリンスシール、シールリング等などのシール要素を介して、
達成できる。

ばね鋼又は例えばエラストマ要素などの弾性材料製の引張又は圧縮バネ、らせん状バネなど、所望のバネをバネ要素として適合できる。本発明の一つの具体的特徴によれば、バネ要素はらせん状捩りバネにより構成され、バネ要素はカムシャフト調節器の円周方向に、３６０°よりも大きい範囲の角度で延びていることが好ましい。

バネ要素を、カムシャフト調節器の一端側に置くことができる。しかしながら、バネ要素をシリンダ・ヘッドに向き合うカムシャフト調節器の一端側に配置することが好ましく、この場合、バネ要素はカムシャフト調節器のハウジングとシリンダ・ヘッドとの間に位置する。従って、シリンダ・ヘッドから反対側にあってかつ反対側を向くカムシャフト調節器の一端側は、他の目的のために、例えば中心ネジを介したカムシャフト調節器とカムシャフトとを組立てたり、油圧媒体の供給又は端側調整ユニット用に使用できる。

バネ要素をカムシャフト調節器の駆動歯車の内側半径方向に配置した場合、本発明の装置を特にコンパクトにすることができる。このために、カムシャフト調節器の駆動要素は、バネ要素が受け入れられる中心穴又は環状溝を有していてもよい。穴又は環状溝は、バネ要素の防護として及び／又は案内用に供給でき、この場合、バネ要素のこれらの機能と受け入れ空間は必ずしもカムシャフト調節器の設置空間の増大を必要としない。

バネ要素は、汚染又は機械的損傷から防御され、且つカバーによって流出又は曲げ離れに対して軸方向に制限され、これによりバネ要素が、ハウジングとカバーとの間で軸方向に置かれる。

本発明の一つのさらなる改良では、バネ要素は、取り付け（及び取り外し）用の基点領域において単純な方法で、出力要素、支持要素及び/又はハウジングもしくはこのタイプの構成要素に対して回転方向に固定される構成要素の中にフック止めできる。このために、バネ要素は、例えばラグナット、ジャーナル又はブラケットの中にフック止めできる少なくとも一つのフック形バネ基点を有する。

さらに、本発明は、バネ要素の弾性負荷によるバネ要素の移動が、このタイプのフック形バネ基点を解放するために必要とされることを開示した。本明細書では、関連構成要素からバネ要素の解放するのに十分な力を予め規定するために、バネ要素は全体が弾性を有することは適切でなく、これにより、例えば内燃機関の操作の際に、バネ要素の意図しない解放を回避できる。本発明は従って、バネ基点の周辺領域の半径方向においてバネ要素が止め具上で支持されることを提案している。このタイプの支持は同一方向に働き、その方向では関連構成要素へのバネ基点のフック止めも解放される。このことは、バネ要素の全体が剛性をもつことはバネ要素の解放に重要ではなくて、止め具の摩耗のため、バネ要素の解放の力水準に影響できる、詳細にはそれを上げるやや変化した境界条件が、バネ要素の解放に有効であるという結果をもたらす。

本発明の有利な展開は、特許請求項、明細書及び図面に示すとおりである。明細書の導入部に述べられ、特徴及び複数の特徴の組み合わせとから成る利点は、単なる一例であり、それらは必ずしも本発明に記載の実施形態のみにより達成されるものではない。さらなる特徴が、図面から、詳細には示される幾何学的形状及び複数の構成要素の相対的形状とそれらの相対的配置と作動接続部(operative connection)から得られる。本発明の異なる実施形態の特徴、あるいは異なる特許請求項の特徴から成る組み合わせは、同様に、特許請求の範囲から外れない限り、本発明の範囲内のものである。これはまた、個々の図面に示される又はそれらの説明に述べられる種類の特徴も同様に特許請求の範囲から外れない限り、本発明の範囲内のものである。本発明は特許請求の範囲のうち異なる請求項の特徴同志を組合せてもよい。また特許請求の範囲に定められた特徴を、本発明のさらなる実施形態から省略してもよい。

本発明のさらなる特徴は、本発明の代表的な実施形態が図式的に示される、以下の説明と関連図面から生ずる。

図１は、カムシャフト調節器１を長手方向断面で示し、カムシャフト調節器１はカムシャフト２と組立てられている。図に示される代表的な実施形態のカムシャフト調節器１は、それ自体が周知の翼型セル構造から成る。カムシャフト調節器１は、示される代表的な実施形態において鎖歯車３として構成される駆動要素を有する。鎖歯車３は、引張手段（図示せず）、本明細書では鎖、を介してクランクシャフトに接続されるさらなる鎖歯車に回転により固定して駆動接続される。鎖歯車３は、ハウジング４又はハウジング４の一部に回転方向に固定して連結されている。カムシャフト２に回転方向に固定して連結されたロータ６は、カムシャフト調節器１の長手方向軸５−５の周囲を相対的に回転できるようにハウジング４内に配置されている。ハウジング４には圧力室７があり、その圧力室７ではロータ６に固定して連結された翼は、ハウジング４に対するロータ６の回転に伴う油圧媒体による負荷により旋回される。示される代表的な実施形態については、圧力室７に対してはカムシャフト調節器１の端側供給チャネルを介して圧力が負荷される。ロータ６とカムシャフト２とは、カムシャフト２のネジ山を有する中心穴の中に、中心ネジ８の端側を螺合する代表的な実施形態により固定される。ロータ６は、カムシャフトの端面９と中心ネジ８のヘッド１０との間で、把持され留められるが、両者の中間にさらなる構成要素１８を設けてもよい。中心ネジ８は、カムシャフト２から離れた反対側に端側ブラインド穴１１を有し、その端側ブラインド穴１１の中には、油圧媒体によるカムシャフト調節器１に適切な負荷を与えるために油圧要素が収納されている。油圧媒体は、ブラインド穴１１から、適当な部材、例えば半径方向チャネルを介して、圧力室７へ供給される。

ハウジング４は、ほぼ軸方向に配向された底面リムと、互いに平行に半径方向に配向された側面リム１３，１４とを有するほぼＵ形の半断面を備えている。側面リム１３，１４は、半径方向内向きの形でロータ６の周囲に達する。側面リム１３，１４の半径方向の内部端面１５，１６はカムシャフト２の円周面１７、およびロータ６に回転方向に固定して連結された構成要素１８の円周面との間に、接触面又はシール面を形成する。示される代表的な実施形態において、側面リム１３，１４は、二つのほぼ円形の環状ディスク２３，２４からなる。側面リム１４のディスク２４は、シリンダ・ヘッドの方向に延び且つ鎖歯車１３を半径方向外側に案内する穴３８を含む中空円筒型突出部２２を有する。ディスク２４、突出部２２及び鎖歯車３は、示される実施形態については一体構造から成る。

底面リム１２は、ハウジング４の中空円筒型外部ケースにより形成され、この外部ケースは圧力室７を円周方向に区切る半径方向内向きに配向された突出部を有する。このように、ハウジング４は従って、互いに離して構成されるが互いに対しシールされるディスク２３，２４及び外部ケースを有する。シール１９が、側面リム１３，１４と側面リムに対し旋回できるロータ６との間に配置され、潤滑油が一圧力室から隣の圧力室へ漏洩しないようにし、及び／又は潤滑油がカムシャフト調節器１の半径方向内向きに又は外側に移動しないようにする。シール１９を、側面リム１３，１４とロータ６の対向端面との間の狭い隙間又は接触面として構成できる。ラビリンスシール、シールリングなどの補足的なシール要素等の配置も可能である。

ロータ６は、長手方向軸５−５に対し平行に配向され且つ貫通穴又はブラインド穴として構成できる穴２０を有する。穴２０の長手方向軸の長手方向軸５−５からの間隔は、カムシャフト調節器領域のカムシャフト２の直径よりも大きいが、圧力室７の内部境界の直径よりも小さい。円筒型ピン２１として構成される支持要素は、正確な嵌め合わせ、詳細にはプレス嵌めにより穴２０の中に挿入される。ピン２１は、無接触の形、詳細には遊び２６の形成を伴って、シリンダ・ヘッドから離れた反対側でディスク２４の切欠き２５を通って延び、またシリンダ・ヘッドに向き合う側で端部領域２７においてディスク２４から突出する。端部領域２７は、突出部２２の内側の半径方向を向く形で穴３８内に配置される。

図２において、切欠き２５は円周方向に延びる溝２８として構成されている。バネ要素２９は、円周方向に複数の巻かれた巻体を有するらせん状捩りバネ３２を介して弾性的に互いに接続されるフック形バネ基点３０，３１を有する。フック形バネ基点３０はフック状に約１８０°の円周角を超えて曲げられ且つ端部領域２７の外径よりも僅かに大きい直径を有しており、このフック形バネ基点３０は、端部領域２７の周囲と係合する。一方フック形バネ基点３１は、フック状に約９０°の円周角を越えて曲げられ且つ突出部２２の半径方向内向きに配向される突起３３の中にフック止めされる。バネ要素２９は、弾性材料、詳細には弾力性のある金属から形成される。図に示される代表的な実施形態については、捩りバネ３２の線バネは、ほぼ矩形状の断面を有する。止め具３４は、捩りバネ３２がその外側で支持される突起３３の内径にほぼ一致する半径で、突起３３に対して長手方向軸５−５の周囲を円周方向に約６０°だけオフセットされるように配置される。バネ要素２９を取り付けるために、バネ要素２９のバネ基点３０が、ピン２１の端部領域２７の中にフック止めされる。これによりカムシャフト調節器１自体がほぼ取り付けられ、ハウジング４が組立てられる。さらに、捩りバネ３２の結合領域が、止め具３４上に配置される。捩りバネ３２に対して突起３３と止め具３４との間で円周方向に延びる領域において負荷がかかると、フック状バネ基点３１は弾性的に半径方向内向きに変形される。フック形バネ基点３１は次に、突起３３の中にフック止め又はクリップ止めされる。捩りバネの補足的な部分領域を例えばピンに対応する形状の補足的なピン３５によって支持してもよく、このピン３５は対応する切欠き３６を通って延び、捩りバネ３２がピン３５の半径方向外側で支持される。捩りバネ３２は、個々の巻体間で半径方向の遊びを有し、その結果ロータ６とハウジング４との間の旋回の抵抗となる摩擦を回避することが好ましい。

カバー３７が、突出部２２の中へ半径方向内側に挿入される。示される代表的な実施形態において、カバーは、円形の環状ディスク形金属プレートとして構成され、金属プレートの内部穴は、ピン３５，２１の外径よりも僅かに大きい半径を有している。カバー３７は、外側でシリンダ・ヘッドの半径方向に曲げられる。カバー３７は、突出部２２への挿入により半径方向内向きに変形され、且つ図１に示される操作位置において、半径方向圧力により突出部２２の内部穴３８を押圧し、これにより摩擦嵌めにより突出部２２に固定される。突出部２２は、さらなる型嵌め(form-fitting)接続のための適当な溝を有していてもよい。

図１はカムシャフトと組立てられる本発明に記載のカムシャフト調節器を、長手方向断面で示す図である。 図２はバネ要素を覆うカバーの無いカムシャフト調節器の端面図を、シリンダ・ヘッドに向き合う側から示す図である。 図３は図２に示す端面図と同様の図であるが、この場合はバネ要素を覆うカバーが設けられている。

Claims (14)

1. 内燃機関用カムシャフト調節器（１）であって、
   a）駆動ハウジング（４）と、
   b）前記カムシャフト（２）に回転方向に固定して連結され、且つ前記カムシャフト調節器（１）の調整移動のために前記ハウジング（４）に対し回転できる出力要素（ロータ６）と、
   c）前記駆動ハウジング（４）と前記出力要素（ロータ６）との間で作動するバネ要素（２９）とを備え、
   前記バネ要素（２９）は、前記ハウジング（４）の外側に配置されることを特徴とする、
   カムシャフト調節器。
2. バネ基点（３０）は、支持要素（ピン２１）により支持され、前記支持要素は、
   a）前記ハウジング（４）内に配置された前記出力要素（ロータ６）に回転方向に固定して連結され、
   ｂ）前記ハウジング（４）の壁の切欠き（２５）を突き通し、これにより前記ハウジング（４）と前記支持要素（ピン２１）との間の相対的移動を可能にしている、ことを特徴とする、請求項１に記載のカムシャフト調節器。
3. 前記支持要素（ピン２１）は、翼型セル構造の前記カムシャフト調節器（１）のロータ（６）として構成される出力要素に対し支持されることを特徴とする、請求項２に記載のカムシャフト調節器。
4. 前記支持要素は、ピン（２１）として構成されることを特徴とする、請求項３に記載のカムシャフト調節器。
5. 前記ピン（２１）は、突き合わせ嵌めにより前記ロータ（６）に連結されることを特徴とする、請求項４に記載のカムシャフト調節器。
6. 前記ハウジング（４）の壁は切欠き（２５）を有し、この切欠きは円周方向に延び且つこの切欠きを前記支持要素（ピン２１）が通り抜け、これによって相対的回転を可能にしていることを特徴とする、請求項２乃至５のいずれか１項に記載のカムシャフト調節器。
7. シール（１９）は、前記ロータ（６）と前記切欠き（２５）の周辺領域の前記ハウジング（４）との間に設けられることを特徴とする、請求項３乃至５のいずれか１項に記載のカムシャフト調節器。
8. 前記バネ要素（２９）は、らせん状捩りバネ（３２）により構成されることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のカムシャフト調節器。
9. 前記バネ要素（２９）は、前記カムシャフト調節器（１）のシリンダ・ヘッドに向き合う側に置かれることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のカムシャフト調節器。
10. 前記バネ要素（２９）は、前記カムシャフト調節器（１）の前記駆動要素又は駆動歯車（鎖歯車３）の内側で半径方向に配置されることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のカムシャフト調節器。
11. 前記カムシャフト調節器（１）の駆動要素（突出部２２）は、前記バネ要素（２９）が受け入れられる中心穴（３８）又は環状溝を有することを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のカムシャフト調節器。
12. 前記バネ要素（２９）は、前記ハウジング（４）と覆い（カバー３７）との間で軸方向に配置されることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のカムシャフト調節器。
13. 前記バネ要素（２９）は、前記出力要素（ロータ６）、前記支持要素（ピン２１）及び/又は前記ハウジング（４）もしくはこのタイプの構成要素に回転方向に固定して連結される構成要素の中にフック止めされる少なくとも一つのフック形バネ基点（３０，３１）を有することを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のカムシャフト調節器。
14. 前記バネ要素（２９）は、バネ基点（３０）の周辺領域の半径方向で止め具（３４）上に支持され、その半径方向で前記出力要素（ロータ６）、前記支持要素（ピン２１）又は前記ハウジング（４）への前記バネ基点（３０）のフック止めが解放されることを特徴とする、請求項１３に記載のカムシャフト調節器。

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