JP2010159738A - 可変バルブタイミング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動モータの回転を減速機構のみでカムシャフトに伝達する先に開発した可変バルブタイミング装置で、ローラが内歯車のカム山の頂部を通過するときに過大な接触圧力が生じないようにすることである。
【解決手段】内歯車８のカム山８ａの頂部を切欠いて、偏心軸部の外径面に外嵌された玉軸受６の外輪６ａと転接するローラ９がカム山８ａの頂部を通過するときに、これらの間に隙間δが形成されるようにすることにより、電動モータの回転を減速機構のみでカムシャフトに伝達する先に開発した可変バルブタイミング装置で、ローラ９がカム山８ａの頂部を通過するときに過大な接触圧力が生じないようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、エンジンの吸気バルブや排気バルブの開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング装置に関するものである。

自動車の運転状況に応じて、エンジンの吸気バルブと排気バルブの一方または両方のバルブの開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング装置は、油圧を駆動源として、エンジンの回転とバルブを駆動するカムシャフトの回転との位相を変更する油圧式のものが多いが、油圧式のものは、寒冷時やエンジン始動時に油圧が不足したり、油圧制御の応答性が低下したりして、可変バルブタイミング制御精度が低下することから、アクチュエータとして電動モータを用いた電動式のものが提案されている。

このような電動式の可変バルブタイミング装置としては、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、エンジンのバルブを駆動するカムシャフト５１と、エンジンから回転を伝達され、カムシャフト５１を回転駆動するスプロケット５２とを、相対回転可能に同軸上に配置して、カムシャフト５１と同軸上に配置した電動モータ５３の出力軸５４の回転を減速機構５５とリンク機構５６を介してカムシャフト５１に伝達し、カムシャフト５１をスプロケット５２に対して相対回転させて、両者の回転位相差を変化させ、バルブの開閉タイミングを変更するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

前記減速機構５５は、電動モータ５３の出力軸５４の偏心軸部５４ａに軸受で回転自在に支持された内歯車５７の歯の一部が、スプロケット５２と一体化したハウジング５８に設けた外歯車５９と噛み合うようにして、出力軸５４をスプロケット５２に対して相対回転させたときに、内歯車５７が偏心軸部５４ａの回りに回転するようにしたものであり、この内歯車５７の回転をガイドプレート６０に伝達し、さらに、ガイドプレート６０の回転を、アーム５６ａ、５６ｂで構成されるリンク機構５６を介して、カムシャフト５１と一体回転するカムプレート５１ａに伝達し、カムシャフト５１をスプロケット５２に対して相対回転させるようにしている。

特開２００８−５７３４９号公報

特許文献１に記載された電動式の可変バルブタイミング装置は、電動モータの回転をカムシャフトに伝達する機構が、減速機構とリンク機構を組み合わせた複雑な構造となり、装置をコンパクトに設計できない問題がある。

この問題に対して、本発明者らは、電動モータの出力軸の回転をカムシャフトに伝達する減速機構を、電動モータの出力軸に円形断面の偏心軸部を設け、スプロケットと一体化したハウジングの円筒部の内径面に複数のカム山を形成した内歯車を偏心軸部と対向させて設け、これらの対向する偏心軸部の外径面と内歯車とに転接する複数のローラを保持するポケットを設けた環状の保持器部を有する中間軸をカムシャフトと同軸上に配置して、電動モータの出力軸を回転させたときに、ポケットに保持されたローラが偏心軸部の外径面に沿って公転するようにし、これらのローラの公転を中間軸を介してカムシャフトに伝達する可変バルブタイミング装置を先に出願している（特願２００８−２１５５４７）。

この先に開発した可変バルブタイミング装置は、電動モータの回転を減速機構のみでカムシャフトに伝達することができ、コンパクトな設計が可能であるが、偏心軸部の外径面に転接するローラが内歯車のカム山の頂部を通過するときに、尖ったカム山の頂部と大きな接触圧力で接触し、異音が発生することがある。また、過大な接触圧力によってカム山にクラックが発生する恐れもある。さらに、内歯車に尖ったカム山を加工するブローチ等の工具やプレス打ち抜き、型鍛造等の金型の形状を作り難い問題もある。プレス打ち抜きで加工する場合は、金型の寿命も短くなる。

そこで、本発明の課題は、電動モータの回転を減速機構のみでカムシャフトに伝達する先に開発した可変バルブタイミング装置で、ローラが内歯車のカム山の頂部を通過するときに過大な接触圧力が生じないようにすることである。

上記の課題を解決するために、本発明は、エンジンの吸気バルブおよび排気バルブの少なくとも一方のバルブを駆動するカムシャフトと、エンジンから回転を伝達され、前記カムシャフトを回転駆動するスプロケットとを、相対回転可能に同軸上に配置して、前記カムシャフトと同軸上に配置した電動モータの出力軸の回転を減速機構を介して前記カムシャフトに伝達し、前記カムシャフトの前記スプロケットに対する回転位相差を変化させて、前記バルブの開閉タイミングを変更するようにし、前記減速機構を、前記電動モータの出力軸に円形断面の偏心軸部を設け、前記スプロケットと一体化したハウジングの円筒部の内径面に、複数のカム山を円周方向に等ピッチで形成した内歯車を前記偏心軸部と対向させて設け、これらの対向する偏心軸部の外径面と内歯車とに転接する複数のローラを保持するポケットを設けた環状の保持器部を有する中間軸を前記カムシャフトと同軸上に配置して、前記環状の保持器部を円周方向に等ピッチで分割したときの分割点の数が、前記カム山の数と１つだけ異なる分割点の全ての位置または一部の間引いた位置に、前記ローラを保持するポケットを設けて、前記カム山の１ピッチ分の形状を、前記電動モータの出力軸を回転させたときに、前記ポケットに保持されたローラが前記偏心軸部の外径面に沿って公転する軌跡の外径側包絡線と合致させて、これらのローラの公転を前記中間軸を介して前記カムシャフトに伝達するものとした可変バルブタイミング装置において、前記内歯車のカム山の頂部で、前記偏心軸部の外径面と転接するローラとの間に隙間が形成されるようにした構成を採用した。

すなわち、内歯車のカム山の頂部で、偏心軸部の外径面と転接するローラとの間に隙間が形成されるようにすることにより、電動モータの回転を減速機構のみでカムシャフトに伝達する先に開発した可変バルブタイミング装置で、ローラが内歯車のカム山の頂部を通過するときに過大な接触圧力が生じないようにした。

前記内歯車のカム山の頂部で前記ローラとの間に隙間を形成する手段を、前記カム山の頂部を切欠くものとすることにより、容易にローラとの間に隙間を形成することができる。また、内歯車にカム山を加工するブローチ等の工具やプレス打ち抜き、型鍛造等の金型の形状を作り易くすることもできる。プレス打ち抜きで加工する場合は、金型の寿命も延長することができる。

前記カム山の頂部の切欠き形状は、フラットな形状とすることができる。

前記カム山の頂部の切欠き形状は、内径側へ凸または凹のＲ形状とすることもできる。

前記ハウジングの円筒部の内径面の内歯車を、円筒部の内径面に内嵌固定された別体の内歯車で形成することにより、内歯車の加工を容易にすることができる。

前記別体の内歯車のカム山は、ブローチ研削加工、プレス打ち抜き加工または型鍛造加工のいずれかで形成することができる。

前記内歯車のカム山の部分を高周波焼入れすることにより、カム山の強度や耐摩耗性を向上させることができる。

中間軸の保持器部において、ポケット内のローラは転動できるように、通常、そのポケットの周方向両方向の内面との間で隙間が形成された状態で保持されている。前記中間軸の保持器部がそのポケット内のローラを周方向両側から押圧する状態で支持する弾性部材を備えた構成とすると、弾性部材により周方向両側から支持されたローラが中間軸の保持器部のポケット内で確実に支持され、ローラの挙動を安定させることができる。

中間軸の保持器部が前記弾性部材を備えた構成を採用した場合、前記中間軸の保持器部のポケットの周方向に対向する両内壁に前記弾性部材の収納凹部が形成された構成を採用することができる。このようにすると、収納凹部内に弾性部材を収めることで、中間軸の保持器部に弾性部材を容易に配置することができる。

また、ローラを支持する前記弾性部材がコイルばねであれば、ローラと接する端部に応力が集中しにくく、折損した場合であっても、直ちに機能が完全に失われず好ましい。

前記内歯車のカム山の頂部のローラとの間に隙間が形成される部分は、運転中、ローラの衝突による、衝撃や振動を吸収するために、緩衝材料をコーティングすることができる。

本発明の可変バルブタイミング装置は、内歯車のカム山の頂部で、偏心軸部の外径面と転接するローラとの間に隙間が形成されるようにしたので、電動モータの回転を減速機構のみでカムシャフトに伝達する先に開発した可変バルブタイミング装置で、ローラが内歯車のカム山の頂部を通過するときに過大な接触圧力が生じないようにし、異音の発生やカム山でのクラックの発生を防止することができる。

実施例１の可変バルブタイミング装置を示す縦断面図 図１のＸ−Ｘ線に沿った断面図 図２の要部を拡大して示す断面図 図３のカム山の頂部に緩衝材料をコーティングした状態を示す断面図 ａ、ｂは、それぞれ図３のカム山の切欠き形状の変形例を示す断面図 実施例２の可変バルブタイミング装置を示す横断面図 図６の要部を拡大して示す断面図 図７のＹ−Ｙ線に沿った断面図 ａは従来の可変バルブタイミング装置を示す縦断面図、ｂはａのＺ−Ｚ線に沿った断面図

以下、この発明に係る可変バルブタイミング装置の実施例１を図１〜図５に基づいて説明する。

この実施例１は、図１に示すように、エンジンの吸気バルブ（図示省略）を駆動するカムシャフト１と、エンジンから回転を伝達され、カムシャフト１を回転駆動するスプロケット２とを、相対回転可能に同軸上に配置し、カムシャフト１と同軸上に配置した電動モータ３の出力軸４の回転を減速機構５を介してカムシャフト１に伝達し、カムシャフト１のスプロケット２に対する回転位相差を変化させて、吸気バルブの開閉タイミングを変更するものである。

図１および図２に示すように、前記減速機構５は、電動モータ３の出力軸４に円形断面の偏心軸部４ａを設けて、この偏心軸部４ａに玉軸受６を外嵌固定し、スプロケット２と一体化したハウジング７の円筒部７ａの内径面に、複数のカム山８ａを形成した別体の内歯車８を、玉軸受６の外輪６ａの外径面と対向するように内嵌固定して、これらの対向する外輪６ａの外径面と内歯車８とに転接する複数のローラ９を保持するポケット１０ａを設けた環状の保持器部１０ｂを有する中間軸１０をカムシャフト１と同軸上に配置し、その中間軸１０をスプライン１１によってカムシャフト１に連結したものであり、後述するメカニズムによって、電動モータ３の出力軸４の回転を中間軸１０を介してカムシャフト１に伝達する。

前記電動モータ３の出力軸４は、負の隙間を設定した玉軸受１２によってハウジング７の円筒部７ａの片側に設けられた内向きの鍔部７ｂに支持され、中間軸１０は４点接触タイプの玉軸受１３によって、内歯車８の延長円筒部を介してハウジング７に支持されており、負の隙間を設定した玉軸受１２の回転抵抗によってカムシャフト１から出力軸４への逆入力が抑制されるとともに、４点接触タイプの玉軸受１３によって、中間軸１０の振れ回りが抑制される。また、偏心軸部４ａの偏心側には、出力軸４の軸心の回りの重量バランスを調整するバランス調整部としての貫通孔４ｂが設けられている。

前記内歯車８のカム山８ａの部分は、ブローチ研削加工によって加工され、高周波焼入れを施されている。カム山８ａの加工は、プレス打ち抜き加工や型鍛造加工で行うこともできる。このカム山８ａは円周方向に等ピッチで２９個形成され、ローラ９を保持するポケット１０ａは、環状の保持器部１０ｂを円周方向に等ピッチで３０分割したときの分割点に対して１つおきに間引いた１５箇所の位置に設けられており、分割点の数がカム山８ａよりも１つだけ多くなっている。また、カム山８ａの１ピッチ分の形状は、出力軸４を回転させたときに、ポケット１０ａに保持されたローラ９が偏心軸部４ａに外嵌された玉軸受６の外輪６ａの外径面に沿って公転する軌跡の外径側包絡線と合致している。

図３に拡大して示すように、前記内歯車８のカム山８ａの頂部はフラットな形状に切欠かれており、ポケット１０ａに保持されて玉軸受６の外輪６ａと転接するローラ９がカム山８ａの頂部を通過するときに、これらの間に隙間δが形成されるようになっている。したがって、ローラ９がカム山８ａの頂部を通過するときに過大な接触圧力が生じることはない。

また、内歯車８のカム山８ａの頂部でのローラ９との間に隙間δが形成される部分は、ローラ９が通過する際、ローラ９の衝突による衝撃や振動を吸収するために、緩衝材料１４をコーティングすることができる（図４参照）。

緩衝材料１４のコーティングによって、ローラ９の衝撃および振動による内歯車８のカム山８ａの頂部の磨耗を低減することができるので、内歯車８の寿命を延ばすことができる。緩衝材料１４としては、例えば、ウレタン樹脂、合成ゴムなどが挙げられる。

図５（ａ）、（ｂ）は、前記カム山８ａの頂部の切欠き形状の変形例を示す。図５（ａ）は、切欠き形状を内径側へ凹のＲ形状としたもの、図５（ｂ）は、内径側へ凸のＲ形状としたものである。

以下に、前記減速機構５の減速メカニズムを説明する。図２に矢印で示したように、出力軸４が時計回りに回転し、偏心した外輪６ａの外径面とカム山８ａが形成された内歯車８との環状空間の極小部Ａが時計回りに０°の位置、極大部Ｂが１８０°の位置にあるとすると、出力軸４の回転に伴って、極小部Ａと極大部Ｂは時計回りに移動し、環状空間の右半分は狭くなる傾向、環状空間の左半分は広くなる傾向となる。このため、環状空間の右半分に存在するローラ９は内歯車８のカム山８ａを下る外径方向へ、環状空間の左半分に存在するローラ９はカム山８ａを上る内径方向へ移動し、図中に矢印で示すように、ローラ９を保持する中間軸１０の保持器部１０ｂは、出力軸４と同じ時計回りに回転する。

この実施例１では、保持器部１０ｂの分割点の数Ｎがカム山８ａの数よりも１つだけ多いので、出力軸４が１回転すると各ローラ９はカム山８ａの１ピッチ分だけ時計回りに公転し、出力軸４と中間軸１０の減速比は、分割点の数Ｎと等しくなる。なお、分割点の数Ｎがカム山８ａの数よりも１つだけ少ない場合は、各ローラ９は反時計回りに公転し、中間軸１０は出力軸４と逆方向に回転する。

この発明に係る可変バルブタイミング装置の実施例２を図６から図８に基づいて説明する。
この実施例２は、中間軸１０の保持器部１０ｂがそのポケット１０ａ内のローラ９を周方向両側から押圧する状態で支持する弾性部材を備える点で、前述の実施例１と相違しており、その他の構成は実施例１と同様であり、同一に考えられる構成に同符号を用いて、その構成、作用効果の説明を省略する。

実施例２では、中間軸１０の保持器部１０ｂは、そのポケット１０ａの周方向に対向する両内壁に弾性部材であるコイルばね１５の収納凹部１６が形成されている。コイルばね１５は圧縮状態で収納凹部１６に入れられ、その復元力により、ポケット１０ａ内のローラ９を周方向両側から押圧する。

弾性部材としては、必ずしもコイルばね１５である必要はなく、ローラ９を周方向両側から押圧することができるものを適用可能である。コイルばね１５であれば、ローラと接する端部に応力が集中しにくく、折損した場合であっても、直ちに機能が完全に失われず好ましい。

この収納凹部１６は、図７に示すように、保持器部１０ｂの周方向保持器部１０ｂの径方向外側に開放している。このため、ポケット１０ａ内にローラ９を保持した状態で、コイルばね１５を収納凹部１６に径方向外側から容易に入れることができる。

また、収納凹部１６の周方向を向く内面および軸方向を向く内側面で形成される２箇所の角部１７（図８参照）がアール形状をなし、応力集中による保持器部１０ｂのクラックの発生を防止している。

さらに、収納凹部１６の軸方向を向く内側面およびポケット１０ａの周方向の内面で形成される２箇所の角部１８もアール形状をなしている。これにより、運転時、角部１８にローラ９が触れて傷付くことが防止される。

この実施例２では、この収納凹部１６内のコイルばね１５がポケット１０ａ内のローラ９を周方向両側から押圧する状態で確実に支持するので、ポケット１０ａ内でのローラの挙動が安定する。これにより、運転中の振動の発生を抑制することが可能となる。

この実施例２の減速機構５の減速メカニズムは、実施例１の場合と同様であり、図６に矢印で示したように、出力軸４が時計回りに回転し、偏心した外輪６ａの外径面とカム山８ａが形成された内歯車８との環状空間の極小部Ｃが時計回りに０°の位置、極大部Ｂが１８０°の位置にあるとすると、出力軸４の回転に伴って、極小部Ｃと極大部Ｂは時計回りに移動し、環状空間の右半分は狭くなる傾向、環状空間の左半分は広くなる傾向となる。このため、環状空間の右半分に存在するローラ９は内歯車８のカム山８ａを下る外径方向へ、環状空間の左半分に存在するローラ９はカム山８ａを上る内径方向へ移動し、同図中に矢印で示すように、ローラ９を保持する中間軸１０の保持器部１０ｂは、出力軸４と同じ時計回りに回転する。

この実施例２においても、保持器部１０ｂの分割点の数Ｎがカム山８ａの数よりも１つだけ多いので、出力軸４が１回転すると各ローラ９はカム山８ａの１ピッチ分だけ時計回りに公転し、出力軸４と中間軸１０の減速比は、分割点の数Ｎと等しくなる。なお、分割点の数Ｎがカム山８ａの数よりも１つだけ少ない場合は、各ローラ９は反時計回りに公転し、中間軸１０は出力軸４と逆方向に回転する。

１ カムシャフト
２ スプロケット
３ 電動モータ
４ 出力軸
４ａ 偏心軸部
４ｂ 貫通孔
５ 減速機構
６ 玉軸受
６ａ 外輪
７ ハウジング
７ａ 円筒部
７ｂ 鍔部
８ 内歯車
８ａ カム山
９ ローラ
１０ 中間軸
１０ａ ポケット
１０ｂ 保持器部
１１ スプライン
１２、１３ 玉軸受
１４ 緩衝材料
１５ コイルばね
１６ 収納凹部
１７、１８ 角部

Claims (11)

1. エンジンの吸気バルブおよび排気バルブの少なくとも一方のバルブを駆動するカムシャフトと、エンジンから回転を伝達され、前記カムシャフトを回転駆動するスプロケットとを、相対回転可能に同軸上に配置して、前記カムシャフトと同軸上に配置した電動モータの出力軸の回転を減速機構を介して前記カムシャフトに伝達し、前記カムシャフトの前記スプロケットに対する回転位相差を変化させて、前記バルブの開閉タイミングを変更するようにし、前記減速機構を、前記電動モータの出力軸に円形断面の偏心軸部を設け、前記スプロケットと一体化したハウジングの円筒部の内径面に、複数のカム山を円周方向に等ピッチで形成した内歯車を前記偏心軸部と対向させて設け、これらの対向する偏心軸部の外径面と内歯車とに転接する複数のローラを保持するポケットを設けた環状の保持器部を有する中間軸を前記カムシャフトと同軸上に配置して、前記環状の保持器部を円周方向に等ピッチで分割したときの分割点の数が、前記カム山の数と１つだけ異なる分割点の全ての位置または一部の間引いた位置に、前記ローラを保持するポケットを設けて、前記カム山の１ピッチ分の形状を、前記電動モータの出力軸を回転させたときに、前記ポケットに保持されたローラが前記偏心軸部の外径面に沿って公転する軌跡の外径側包絡線と合致させて、これらのローラの公転を前記中間軸を介して前記カムシャフトに伝達するものとした可変バルブタイミング装置において、前記内歯車のカム山の頂部で、前記偏心軸部の外径面と転接するローラとの間に隙間が形成されるようにしたことを特徴とする可変バルブタイミング装置。
2. 前記内歯車のカム山の頂部で前記ローラとの間に隙間を形成する手段が、前記カム山の頂部を切欠くものである請求項１に記載の可変バルブタイミング装置。
3. 前記カム山の頂部の切欠き形状を、フラットな形状とした請求項２に記載の可変バルブタイミング装置。
4. 前記カム山の頂部の切欠き形状を、内径側へ凸または凹のＲ形状とした請求項２に記載の可変バルブタイミング装置。
5. 前記ハウジングの円筒部の内径面の内歯車を、円筒部の内径面に内嵌固定された別体の内歯車で形成した請求項１乃至４のいずれかに記載の可変バルブタイミング装置。
6. 前記別体の内歯車のカム山を、ブローチ研削加工、プレス打ち抜き加工または型鍛造加工のいずれかで形成した請求項５に記載の可変バルブタイミング装置。
7. 前記内歯車のカム山の部分を高周波焼入れした請求項１乃至６のいずれかに記載の可変バルブタイミング装置。
8. 前記中間軸の保持器部がそのポケット内のローラを周方向両側から押圧する状態で支持する弾性部材を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の可変バルブタイミング装置。
9. 前記中間軸の保持器部のポケットの周方向に対向する両内壁に前記弾性部材の収納凹部が形成されたことを特徴とする請求項８に記載の可変バルブタイミング装置。
10. 前記弾性部材がコイルばねであることを特徴とする請求項８または９に記載の可変バルブタイミング装置
11. 前記内歯車のカム山の頂部の前記ローラとの間で隙間を形成する部分に緩衝材料がコーティングされていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の可変バルブタイミング装置。

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