JP2014163231A - 内燃機関のバルブタイミング可変機構 - Google Patents

Abstract

【課題】スプリングの折損時に同スプリングの破片が飛散することを防止し、且つ、バルブタイミング可変機構の整備性の低下を抑制できるようにする。
【解決手段】バルブタイミング可変機構のロータと一体回転するフロントブッシュ２７にスプリング２８による付勢力が作用するとき、同スプリング２８に作用する応力は予測折損位置Ｂにて最大となる。そして、スプリング２８が予測折損位置Ｂで折れて同スプリング２８がカムシャフト２の中心ＣＬ寄りの部分Ｐ１とその中心ＣＬから離れた部分Ｐ２とに分断されると、それら二つの部分Ｐ１，Ｐ２が次のように動く。すなわち、スプリング２８におけるカムシャフト２の中心ＣＬ寄りの部分Ｐ１が弾性力によりカムシャフト２を中心に拡開し、それによってスプリング２８におけるカムシャフト２の中心ＣＬから離れた部分Ｐ２をストッパ３２に押し付ける。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関のバルブタイミング可変機構に関する。

内燃機関のバルブタイミング可変機構は、クランクシャフトからの回転伝達を受けるハウジングと、そのハウジング内に設けられてカムシャフトと一体回転しつつ同ハウジングに対し回転方向について相対移動可能なロータとを備えている。このバルブタイミング可変機構では、ハウジングとロータとの相対回転を通じてクランクシャフトに対するカムシャフトの相対回転位相を変更することにより、カムシャフトの回転に伴って開閉動作する機関バルブの開閉タイミング（バルブタイミング）が可変とされる。

また、バルブタイミング可変機構としては、ロータの周方向において、ロータをハウジングに対する同ロータの相対回転範囲内の所定の位置に付勢するスプリングを備えたものも知られている。このスプリングは、例えばカムシャフトを中心とする渦巻き状に形成されており、一方の端部がロータに対し係合されるとともに、もう一方の端部がハウジングに対し係合されている。なお、特許文献１には、上記スプリング全体を覆うようにカバーを設けることが開示されている。

特開２００９−６２９７８公報

特許文献１に示されるように、バルブタイミング可変機構にスプリング全体を覆うカバーを設けるようにすれば、そのスプリングの折損時に同スプリングの破片が飛散することを防止できるようにはなる。ただし、スプリング全体を覆うカバーが存在する分、バルブタイミング可変機構を整備しにくくなることは否めない。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、スプリングの折損時に同スプリングの破片が飛散することを防止し、且つ、整備性の低下を抑制できる内燃機関のバルブタイミング可変機構を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する内燃機関のバルブタイミング可変機構は、クランクシャフトからの回転伝達を受けるハウジングと、そのハウジング内に設けられてカムシャフトと一体回転しつつ同ハウジングに対し回転方向について相対移動可能なロータとを備えている。更に、バルブタイミング可変機構は、カムシャフトを中心とする渦巻き状に形成されてロータを周方向について付勢するスプリングも備えている。このスプリングにおける一方の端部はロータに対し係合され、同スプリングにおけるもう一方の端部はハウジングに対し係合される。更に、バルブタイミング可変機構において、スプリングの渦巻き状に延びる方向における同スプリングの前記カムシャフトの中心から離れる方向の端部と最高応力が作用する予測折損位置との間には、カムシャフトの中心から離れる方向についてのスプリングの変位を規制するストッパが設けられる。このため、スプリングに作用する応力により同スプリングが上記予測折損位置にて折れ、それによってスプリングがカムシャフトの中心寄りの部分とその中心から離れた部分とに分断されたとき、それら二つの部分が次のように動くようになる。すなわち、スプリングにおけるカムシャフトの中心寄りの部分が弾性力によりカムシャフトを中心に拡開し、それによってスプリングにおけるカムシャフトの中心から離れた部分をストッパに押し付ける。また、スプリングにおけるカムシャフトの中心から離れた部分は、ストッパとスプリングにおけるカムシャフトの中心寄りの部分との間に挟まれてその位置に保持される。このため、スプリング全体を覆うカバーを設けずとも、スプリングの折損時に同スプリングの破片が飛散することを防止することができる。また、折損したスプリングの破片の飛散を防止する上記ストッパは、上記カバーのようにスプリング全体を覆うものではない。このため、ストッパを設けることによってバルブタイミング可変機構の整備性が低下することはない。

なお、上記ストッパは、スプリングの付勢力に抗してハウジングに対しロータを相対移動させるときの同スプリングのカムシャフトの径方向についての変位が最も小さくなる位置に対応して設けることが好ましい。この場合、スプリングが予測折損位置で折れた後、スプリングにおけるカムシャフトの中心寄りの部分が、その弾性力によりスプリングにおけるカムシャフトの中心から離れた部分をストッパに押し付けるとき、それに要するカムシャフトの径方向についての変位が小さく抑えられる。このため、その変位が大き過ぎて上記押し付けの際にスプリングにおけるカムシャフトの中心から離れた部分がストッパから外れやすくなることを抑制できる。

また、上記ストッパは、スプリングが予測折損位置にて折れることにより、同スプリングにおけるカムシャフトの中心寄りの部分が拡開して同スプリングにおけるカムシャフトの中心から離れた部分をストッパに押し付ける際、その押し付けを垂直に受けることが可能な位置に設けることが好ましい。この場合、上記押し付けの際にスプリングにおけるカムシャフトの中心から離れた部分がストッパに対しずれにくくなり、そのずれによって上記部分がストッパから外れやすくなることを抑制できる。

内燃機関のバルブタイミング可変機構、及び、同機構を油圧動作させる油圧回路を示す略図。 図１のバルブタイミング可変機構を矢印Ａ−Ａ方向から見た断面図。 バルブタイミング可変機構に設けられるフロントブッシュ及びスプリングを示す正面図。

以下、内燃機関のバルブタイミング可変機構の一実施形態について、図１〜３を参照して説明する。
図１に示すように、内燃機関のバルブタイミング可変機構１は、同機関のカムシャフト２（例えば吸気カムシャフト）に対しボルトにより固定されたロータ３と、カムシャフト２と同一軸線上に上記ロータ３を囲むように設けられて内燃機関のクランクシャフトの回転が伝達されるハウジング４とを備えている。このハウジング４の内周面には、カムシャフト２の軸線に向かって突出する突部５が周方向について所定の間隔をおいて複数形成されている。また、上記ロータ３の外周面には、カムシャフト２の軸線から離れる方向に突出する複数のベーン６がそれぞれ上記各突部５の間に位置するように形成されている。これにより、ハウジング４内における各突部５の間に位置する部分が、ベーン６により進角側油圧室７と遅角側油圧室８とに区画されている。

そして、進角側油圧室７にオイルを供給するとともに遅角側油圧室８からオイルを排出すると、上記ロータ３がハウジング４に対し図中の右回転方向に相対移動してカムシャフト２のクランクシャフトに対する相対回転位相が進角側に変化し、それによって内燃機関の機関バルブ（この例では吸気バルブ）のバルブタイミングが進角側に変化する。また、遅角側油圧室８にオイルを供給するとともに進角側油圧室７からオイルを排出すると、上記ロータ３がハウジング４に対し図中左回転方向に相対移動してカムシャフト２のクランクシャフトに対する相対回転位相が遅角側に変化し、それによって内燃機関の機関バルブのバルブタイミングが遅角側に変化する。

バルブタイミング可変機構１の進角側油圧室７及び遅角側油圧室８に対するオイルの給排は、同機構１とオイルポンプ９とを繋ぐ油圧回路に設けられたオイルコントロールバルブ１０の駆動を通じて制御される。このオイルコントロールバルブ１０は、オイルポンプ９に対し供給通路１１を介して接続されるとともに、そのオイルポンプ９により汲み上げられるオイルを貯留するためのオイルパン１２に対し排出通路１３を介して接続されている。また、オイルコントロールバルブ１０は、バルブタイミング可変機構１の進角側油圧室７に対し進角側油路１４を介して接続されるとともに、同機構１の遅角側油圧室８に対し遅角側油路１５を介して接続されている。

バルブタイミング可変機構１は、ロータ３のハウジング４に対する相対移動を禁止する禁止動作を行うとともに、その相対移動を許可状態とする許可動作を行うロック機構１６を備えている。このロック機構１６によるハウジング４に対するロータ３の相対移動の禁止は、ハウジング４に対するロータ３の回転方向についての相対移動範囲の端以外の位置であって、且つ、吸気バルブのバルブタイミングが機関始動に適したタイミングとなる位置である中間ロック位置にて行われる。

次に、バルブタイミング可変機構１のカムシャフト２への取り付け態様について詳しく説明する。
図２に示すように、バルブタイミング可変機構１において、ロータ３はボルト２３によってカムシャフト２の端部に固定されて同カムシャフト２に対し一体回転可能となっており、そのロータ３を囲むハウジング４はカムシャフト２によって同カムシャフト２の周りを相対回転可能な状態で支持されている。このハウジング４は、ロータ３を厚さ方向（図中左右方向）の両側から挟むフロントプレート２４及びリヤプレート２５と、ロータ３の外周に位置して同ロータ３の外周全体を囲むサイドリング２６とを備え、それらフロントプレート２４、リヤプレート２５、及びサイドリング２６を一体回転可能に連結することによって形成されている。

また、上記ボルト２３の頭部２３ａとロータ３との間にはフロントブッシュ２７が挟まれており、ボルト２３を締め付けることによりフロントブッシュ２７がロータ３と固定されて同ロータ３と一体回転可能となっている。このフロントブッシュ２７の周りには、カムシャフト２を中心とする渦巻き状のスプリング２８が設けられている。このスプリング２８は、ハウジング４に対するロータ３が上記中間ロック位置よりも遅角側に相対移動したとき、そのロータ３を周方向について上記中間ロック位置に向けて付勢するためのものである。

図３に示すように、スプリング２８における一方の端部２８ａ、詳しくはカムシャフト２の中心ＣＬ寄りの端部２８ａは、フロントブッシュ２７に形成された切り欠き部３１と係合されている。フロントブッシュ２７はロータ３に固定されていることから、このときのスプリング２８の上記端部２８ａはロータ３に対しフロントブッシュ２７を介して係合された状態となる。また、スプリング２８におけるもう一方の端部２８ｂ、詳しくはカムシャフト２の中心ＣＬから離れた端部２８ｂは、ハウジング４（正確にはフロントプレート２４）に固定されたピン２９、もしくはフロントブッシュ２７に固定されたピン３０と係合可能となっている。

ここで、ハウジング４に対しロータ３及びフロントブッシュ２７が中間ロック位置よりも遅角側（矢印Ｙ１方向）に相対移動すると、スプリング２８における上記端部２８ｂがフロントプレート２４のピン２９と係合する一方、その係合に伴ってフロントブッシュ２７のピン３０が端部２８ｂから矢印Ｙ１方向に離間する。その結果、フロントブッシュ２７（ロータ３）には、スプリング２８による中間ロック位置に向けた進角方向への付勢力が作用する。また、ハウジング４に対しロータ３及びフロントブッシュ２７が中間ロック位置よりも進角側（矢印Ｙ２方向）に相対移動すると、スプリング２８における上記端部２８ｂがフロントブッシュ２７のピン３０と係合する一方、その係合に伴って端部２８ｂがフロントプレート２４のピン２９から矢印Ｙ２方向に離間する。このときには、フロントブッシュ２７（ロータ３）にスプリング２８による中間ロック位置に向けた付勢力が作用することはない。

従って、ハウジング４に対しロータ３及びフロントブッシュ２７が中間ロック位置よりも遅角側（矢印Ｙ１方向）に相対移動したときのみ、スプリング２８の端部２８ｂがピン２９と係合する。このピン２９はフロントプレート２４に形成されているため、このときには端部２８ｂがピン２９を介してフロントプレート２４（ハウジング４）に係合された状態となり、フロントブッシュ２７にスプリング２８による中間ロック位置に向けた進角方向への付勢力が作用する。

フロントブッシュ２７には、スプリング２８におけるカムシャフト２の中心から離れる方向についての変位を規制するストッパ３２が設けられている。このストッパ３２は、スプリング２８の外周一周分の一部（この例では図中の下端部）に対応して位置している。また、このときのストッパ３２の位置は、スプリング２８の渦巻き状に延びる方向における同スプリング２８のカムシャフト２の中心ＣＬから離れる方向の端部２８ｂと最高応力が作用する予測折損位置Ｂとの間の位置となる。なお、フロントブッシュ２７に中間ロック位置に向けたスプリング２８による付勢力が作用するときには、スプリング２８には応力が作用して上記予測折損位置Ｂにて上記応力が最大となる。この予測折損位置Ｂについては、スプリング２８の延びる方向についての同スプリング２８の湾曲形状の変更によって任意に定めることが可能である。ちなみに、この実施形態での上記予測折損位置Ｂは、スプリング２８における端部２８ｂと予測折損位置Ｂとの間の部分が、カムシャフト２を中心とする同スプリング２８の外周一周分の長さよりも短く、且つ上記外周一周分の半分以上の長さとなるように定められている。

一方、上記ストッパ３２は、スプリング２８の付勢力に抗してハウジング４に対しロータ３（フロントブッシュ２７）を相対移動させるときの同スプリング２８のカムシャフト２の径方向についての変位が最も小さくなる位置に対応して設けられている。更に、上記ストッパ３２は、スプリング２８が予測折損位置Ｂにて折れることにより、同スプリング２８におけるカムシャフト２の中心ＣＬ寄りの部分が拡開して同スプリング２８におけるカムシャフト２の中心ＣＬから離れた部分をストッパ３２に押し付ける際、その押し付けを垂直に受けることが可能な位置に設けられている。このようにストッパ３２を設けることにより、この実施形態では同ストッパ３２がスプリング２８における端部２８ｂと予測折損位置Ｂとの中間部に対応して位置している。

次に、本実施形態のバルブタイミング可変機構１の作用について説明する。
フロントブッシュ２７に中間ロック位置に向けたスプリング２８による付勢力が作用するときには、スプリング２８には応力が作用して上記予測折損位置Ｂにて上記応力が最大となる。このため、スプリング２８に作用する応力により同スプリング２８が折れる場合、そうしたスプリング２８の折損は上記予測折損位置Ｂにて生じる。そして、スプリング２８の予測折損位置Ｂでの折損により、スプリング２８がカムシャフト２の中心ＣＬ寄りの部分Ｐ１とその中心ＣＬから離れた部分Ｐ２とに分断されたとき、それら二つの部分Ｐ１，Ｐ２が次のように動くようになる。

すなわち、スプリング２８におけるカムシャフト２の中心ＣＬ寄りの部分Ｐ１が弾性力によりカムシャフト２を中心に拡開し、それによってスプリング２８におけるカムシャフト２の中心ＣＬから離れた部分Ｐ２をストッパ３２に押し付ける。また、スプリング２８におけるカムシャフト２の中心ＣＬから離れた部分Ｐ２は、上記部分Ｐ１により押されて端部２８ｂ（ピン２９）を中心に回動し、それによってストッパ３２に向けて変位した後、同ストッパ３２と上記部分Ｐ１との間に挟まれてその位置に保持される。

従って、バルブタイミング可変機構１にスプリング２８全体を覆うカバーを設けずとも、スプリング２８の折損時に同スプリング２８の破片が飛散することを防止することができる。また、折損したスプリング２８の破片の飛散を防止する上記ストッパ３２は、上記カバーのようにスプリング２８全体を覆うものではないため、ストッパ３２を設けることによってバルブタイミング可変機構１の整備性が低下することはない。

以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）バルブタイミング可変機構１のフロントブッシュ２７には、スプリング２８におけるカムシャフト２の中心から離れる方向についての変位を規制するストッパ３２が設けられている。そして、ストッパ３２は、スプリング２８の渦巻き状に延びる方向における同スプリング２８のカムシャフト２の中心ＣＬから離れる方向の端部２８ｂと最高応力が作用する予測折損位置Ｂとの間に位置する。このストッパ３２により、スプリング２８全体を覆うカバーを設けずとも、スプリング２８の折損時に同スプリング２８の破片が飛散することを防止することができる。また、このストッパ３２は上記カバーのようにスプリング２８全体を覆うものではないため、ストッパ３２を設けることによってバルブタイミング可変機構１の整備性が低下することはない。

（２）上記ストッパ３２は、スプリング２８の付勢力に抗してハウジング４に対しロータ３（フロントブッシュ２７）を相対移動させるときの同スプリング２８のカムシャフト２の径方向についての変位が最も小さくなる位置に対応して設けられる。このため、スプリング２８が予測折損位置Ｂで折れた後、スプリング２８におけるカムシャフト２の中心ＣＬ寄りの部分Ｐ１が、その弾性力によりスプリング２８におけるカムシャフト２の中心ＣＬから離れた部分Ｐ２をストッパ３２に押し付けるとき、それに要するカムシャフト２の径方向についての変位が小さく抑えられる。このため、その変位が大き過ぎて上記押し付けの際にスプリング２８におけるカムシャフト２の中心ＣＬから離れた部分Ｐ２がストッパ３２から外れやすくなることを抑制できる。

（３）上記ストッパ３２は、スプリング２８が予測折損位置Ｂにて折れることにより、同スプリング２８におけるカムシャフト２の中心ＣＬ寄りの部分Ｐ１が拡開して同スプリング２８におけるカムシャフト２の中心ＣＬから離れた部分Ｐ２をストッパ３２に押し付ける際、その押し付けを垂直に受けることが可能な位置に設けられる。このため、上記押し付けの際にスプリング２８におけるカムシャフト２の中心ＣＬから離れた部分Ｐ２がストッパ３２に対しずれにくくなり、そのずれによって上記部分Ｐ２がストッパ３２から外れやすくなることを抑制できる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・スプリング２８は、その延びる方向について同スプリング２８の曲率が一定の割合で変化する形状のものであってもよい。

・ストッパ３２の位置については、スプリング２８における端部２８ｂと予測折損位置Ｂとの間の部分に対応する任意の位置に適宜変更可能である。
・フロントブッシュ２７のストッパ３２は複数設けられていてもよい。

・バルブタイミング可変機構によってバルブタイミングが可変とされる機関バルブは、排気バルブであってもよい。この場合、バルブタイミング可変機構のスプリングによってハウジングに対しロータが最進角位置に向けて付勢されるとともに、その最進角位置にてロック機構によるハウジングに対するロータの相対移動の禁止が行われる。

１…バルブタイミング可変機構、２…カムシャフト、３…ロータ、４…ハウジング、５…突部、６…ベーン、７…進角側油圧室、８…遅角側油圧室、９…オイルポンプ、１０…オイルコントロールバルブ、１１…供給通路、１２…オイルパン、１３…排出通路、１４…進角側油路、１５…遅角側油路、１６…ロック機構、２３…ボルト、２３ａ…頭部、２４…フロントプレート、２５…リヤプレート、２６…サイドリング、２７…フロントブッシュ、２８…スプリング、２８ａ…端部、２８ｂ…端部、２９…ピン、３０…ピン、３１…切り欠き部、３２…ストッパ。

Claims (3)

1. クランクシャフトからの回転伝達を受けるハウジングと、そのハウジング内に設けられてカムシャフトと一体回転しつつ同ハウジングに対し回転方向について相対移動可能なロータと、前記カムシャフトを中心とする渦巻き状に形成されて前記ロータを周方向について付勢するスプリングとを備え、前記スプリングにおける一方の端部が前記ロータに対し係合されるとともに、前記スプリングにおけるもう一方の端部が前記ハウジングに対し係合される内燃機関のバルブタイミング可変機構において、
   前記スプリングの渦巻き状に延びる方向における同スプリングの前記カムシャフトの中心から離れる方向の端部と最高応力が作用する予測折損位置との間に、前記カムシャフトの中心から離れる方向についての前記スプリングの変位を規制するストッパを設けた
   ことを特徴とする内燃機関のバルブタイミング可変機構。
2. 前記ストッパは、前記スプリングの付勢力に抗して前記ハウジングに対し前記ロータを相対移動させるときの同スプリングの前記カムシャフトの径方向についての変位が最も小さくなる位置に対応して設けられる
   請求項１記載の内燃機関のバルブタイミング可変機構。
3. 前記ストッパは、前記スプリングが前記予測折損位置にて折れることにより、同スプリングにおける前記カムシャフトの中心寄りの部分が拡開して同スプリングにおける前記カムシャフトの中心から離れた部分を前記ストッパに押し付ける際、その押し付けを垂直に受けることが可能な位置に設けられる
   請求項１又は２記載の内燃機関のバルブタイミング可変機構。