JP2015514912A5

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Publication number: JP2015514912A5
Application number: JP2015507255A
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Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2016-06-23
Anticipated expiration: 2033-04-22

Description

本出願は、内燃機関のロッカーアーム構成に関し、詳しくは、効率性が高くかつ新規なバルブ駆動スイッチングロッカーアームシステムに関する。

図１Ａは、２０１２年と２０１９年におけるエンジンタイプの相対的パーセンテージを示す図である。図１Ｂは、第１型、第２型、第３型、第４型のバルブトレインの一般的構成及び市場規模を示す図である。図２は、吸気バルブトレイン及び排気バルブトレインの構成を示す図である。図３は、油圧作動部を含むＤＶＶＬシステムを構成する主要な構成要素を示す図である。図４は、スイッチングロッカーアームの一例を、３ローブ型カムとともに動作する間に構成される形で示す透視図である。図５は、ＤＶＶＬの例示的な実装において、吸気バルブと排気バルブの両方についてカムシャフトのクランク角度に対してバルブリフト状態をプロットした図である。図６は、油圧駆動ＤＶＶＬロッカーアームアセンブリに対するシステム制御を示す図である。図７は、ロッカーアームの作動油ギャラリー及び制御バルブ構成を示す図である。図８は、油圧駆動システム、及び、低リフト（未ラッチ状態）動作の間の例示的なＤＶＶＬスイッチングロッカーアームシステムの状態を示す図である。図９は、油圧駆動システム、及び、高リフト（ラッチ状態）動作の間の例示的なＤＶＶＬスイッチングロッカーアームシステムの状態を示す図である。図１０は、デュアルフィード油圧式ラッシュアジャスタ（ＤＦＨＬＡ）を備える例示的なスイッチングロッカーアームの側面を切り欠いて示す図である。図１１は、ＤＦＨＬＡを切り欠いて示す図である。図１２は、ダイアモンドライクカーボンコーティングの複数の層を示す図である。図１３は、ＤＦＨＬＡボールプランジャーの位置または相対移動を検知するために使用される装置を示す図である。図１４は、既知の状態に対する相対的なバルブの移動を測定するために、バルブステムとともに使用される装置を示す図である。図１４Ａ及び図１４Ｂは、バルブステムの移動を測定するための、３つの巻線を使用する第１線形可変差動トランスを示す断面図である。図１４Ａ及び図１４Ｂは、バルブステムの移動を測定するための、３つの巻線を使用する第１線形可変差動トランスを示す断面図である。図１４Ｃ及び図１４Ｄは、バルブステムの移動を測定するための、２つの巻線を使用する第２線形可変差動トランスを示す断面図である。図１４Ｃ及び図１４Ｄは、バルブステムの移動を測定するための、２つの巻線を使用する第２線形可変差動トランスを示す断面図である。図１５は、例示的なスイッチングロッカーアームの別の透視図である。図１６は、位置及び／または移動を検出するように構成された装置を示す図である。図１７は、高リフトと低リフトとの間の遷移の間の、ＯＣＶ駆動電流、駆動オイル圧力、及びバルブリフト状態の関係を示す図である。図１８は、ＤＶＶＬシステムの制御ロジックを示すダイアグラムである。図１９は、例示的なスイッチングロッカーアームの展開図である。図２０は、ＤＶＶＬロッカーアームアセンブリの低リフト運転及び高リフト運転の両方について、作動油圧条件及び油量制御バルブ（ＯＣＶ）状態を示す図である。図２１−２２は、作動油温度（オイル温度）とラッチ応答時間との関係を示す図である。図２１−２２は、作動油温度（オイル温度）とラッチ応答時間との関係を示す図である。図２３は、４気筒エンジン、及びそれぞれのＯＣＶが２つのシリンダーを制御することによって制御される作動油圧において、例示的なＤＶＶＬスイッチングロッカーアームで使用可能なスイッチングウィンドウを示すタイミングダイアグラムである。図２４は、高リフトから低リフトへの切換前のラッチの事前負荷を示す、ＤＶＶＬスイッチングロッカーアームの側断面図である。図２５は、低リフトから高リフトへの切換の前のラッチの事前負荷を示す、ＤＶＶＬスイッチングロッカーアームの側断面図である。図２５Ａは、低リフトと高リフトとの間の切換を行うときの臨界的シフト事象を示す、ＤＶＶＬスイッチングロッカーアームの側断面図である。図２６は、４気筒エンジン、及びそれぞれのＯＣＶが２つのシリンダーを制御することによって制御される作動油圧において、例示的なＤＶＶＬスイッチングロッカーアームで使用可能なスイッチングウィンドウと、構成要素の機械的切換時間を示す拡張されたタイミングダイアグラムである。図２７は、例示的なスイッチングロッカーアームの透視図である。図２８は、例示的なスイッチングロッカーアームの上面図である。図２９は、図２８の２９−２９線に沿った断面を示す断面図である。図３０Ａ−３０Ｂは、例示的なねじりバネの断面図である。図３０Ａ−３０Ｂは、例示的なねじりバネの断面図である。図３１は、外側アーム底部の透視図である。図３２は、図２８の３２，３３−３２，３３線に沿ってラッチ状態を示す、ラッチ機構の断面図である。図３３は、未ラッチ状態のラッチ機構の断面図である。図３４は、別のラッチピン構成を示す図である。図３５Ａ−３５Ｆは、ピンの動作のためのいくつかの保持装置を示す図である。図３５Ａ−３５Ｆは、ピンの動作のためのいくつかの保持装置を示す図である。図３５Ａ−３５Ｆは、ピンの動作のためのいくつかの保持装置を示す図である。図３５Ａ−３５Ｆは、ピンの動作のためのいくつかの保持装置を示す図である。図３５Ａ−３５Ｆは、ピンの動作のためのいくつかの保持装置を示す図である。図３５Ａ−３５Ｆは、ピンの動作のためのいくつかの保持装置を示す図である。図３６は、例示的なラッチピン設計を示す図である。図３７は、別のラッチ機構を示す図である。図３８−４０は、スイッチングロッカーアームを組立てるための例示的な方法を示す図である。図３８−４０は、スイッチングロッカーアームを組立てるための例示的な方法を示す図である。図３８−４０は、スイッチングロッカーアームを組立てるための例示的な方法を示す図である。図４１は、ピンの別の実施形態を示す図である。図４２は、ピンの別の実施形態を示す図である。図４３は、スイッチングロッカーアームの様々なラッシュ測定値を示す図である。図４４は、例示的なスイッチングロッカーアームの内側アームを示す透視図である。図４５は、スイッチングロッカーアームの内側アームを下方から見た透視図である。図４６は、例示的なスイッチングロッカーアームの外側アームを示す透視図である。図４７は、例示的なスイッチングロッカーアームのラッチアセンブリを示す断面図である。図４８は、スイッチングロッカーアームのカムシャフト角に対するラッシュを示す図である。図４９は、例示的なスイッチングロッカーアームの側断面図である。図５０は、負荷状況時の最大たわみが特定された領域を有する外側アームの透視図である。図５１は、例示的なスイッチングロッカーアームの上面図である。図５２は、例示的なスイッチングロッカーアームの、図５１の５２−５２線に沿った断面図である。図５３は、例示的なスイッチングロッカーアームの展開図であり、例示的なスイッチングロッカーアームアセンブリの慣性に影響を及ぼす主要な構成要素を示す図である。図５４は、例示的なスイッチングロッカーアームアセンブリにおいて、慣性と剛性の関係を最適化する設計工程を示す図である。図５５は、例示的なスイッチングロッカーアームアセンブリの設計の反復において、剛性に対して慣性をプロットした図である。図５６は、例示的なスイッチングロッカーアームアセンブリにおいて、位置に対して、応力、たわみ、負荷、及び剛性をプロットした図である。図５７は、例示的なスイッチングロッカーアームアセンブリの慣性の範囲に対して、剛性をプロットした図である。図５８は、複数のＤＶＶＬスイッチングロッカーアームアセンブリの構成要素において、剛性と慣性の許容可能な離散的範囲を示した図である。図５９は、ＤＦＨＬＡ及びバルブ含む、例示的なスイッチングロッカーアームアセンブリを示す側断面図である。図６０は、例示的なスイッチングロッカーアームの構成要素の位置に対して剛性値の範囲をプロットした図である。図６１は、例示的なスイッチングロッカーアームの構成要素の位置に対して質量分布値の範囲をプロットした図である。図６２は、ラッチ変位を測定する試験スタンドを示す図である。図６３は、スイッチングロッカーアームアセンブリを試験するための非点火試験スタンドを示す図である。図６４は、カムシャフト角に対してバルブ変位をプロットした図である。図６５は、スイッチングローラーフィンガーフォロワー（ＳＲＦＦ）ロッカーアームアセンブリの耐久性を試験するための重要な試験の階層を示す図である。図６６は、システムの加速劣化試験サイクルにわってＳＲＦＦを評価するための手順を示す図である。図６７は、ＳＲＦＦ耐久試験の相対的試験時間を示す円グラフである。図６８は、試験の間にＳＲＦＦに取り付けられてそれを監視するひずみゲージを示す図である。図６９は、低リフトモードのバルブ閉止速度を示す図である。図７０は、バルブ降下高さ分布を示す図である。図７１は、カムシャフト角に対して臨界的シフトの分布を示す図である。図７２は、使用前の新規の外側アームを示す図である。図７３は、使用後の外側アームの典型的な損耗を示す図である。図７４は、寿命試験において平均のねじりバネ負荷損失を示す図である。図７５は、システムの加速劣化試験において、全機械的ラッシュの変化を示す図である。図７６は、寿命終了時のＤＬＣコーティングを備えるスライダーパッドを示す図であり、最小損耗を示している。図７７は、クラウン型形状を使用したカムシャフト表面の実施形態を示す図である。図７８は、試験クーポン上の支持ロッカーに取付けられた一対のスライダーパッドを示す図である。図７９Ａは、クーポンの試験において、早期のＤＬＣコーティング損失を示す図である。図７９Ｂは、最大設計負荷及び０．２度の開先角度で試験されたクーポンの典型的な一例を示す図である。図８０は、ＤＬＣコーティングを有する試験クーポンについて、エンジン寿命に対して試験された応力レベルを示すグラフである。図８１は、ＤＬＣコーティングによるコーティングの前に研磨されたスライダーパッド、及び研磨されていないスライダーパッドについて、エンジン寿命における増大を示すグラフである。図８２は、試験に研削工程及び研磨工程が同時に行われる製造方法の開発を示すフローチャートである。図８３は、３つの異なる研削機に対して、スライダーパッドの角度制御の結果を示す図である。図８４は、３つの異なる研削機に対して、表面仕上げの測定値を示す図である。図８５は、スライダーパッドの研削工程の間に外側アームを保持する６つの異なる固定治具の結果を示す図である。図８６は、高リフトモードにおけるバルブ閉止速度を示すグラフである。図８７は、耐久試験の期間を示す図である。

高リフト運転を開始するために、ＯＣＶセンブリー８２０のソレノイドバルブは非励磁状態とされる。ラッチバネ２００はラッチ２００を伸長させ、内側アーム１２２と外側アーム１２０とをロックする。これらのロックされたアームは、１つの固定されたロッカーアームのように機能する。対称な高リフトローブ１０４、１０６（図３）は、外側アーム１２０上のスライダーパッド１３０、（及び図示を省略する１３２）に接触し、内側アーム１２２をＤＦＨＬＡ１１０のボールエンド６０１回りに回転させ、高リフトのプロファイル８１４（図５）に従ってバルブ１１２を開放する。この間に、０．２×１０^５〜０．４×１０^５Ｐａ（０．２〜０．４ bar）に調整された油圧が、制御ギャラリー８０２、８０３を通じてスイッチングロッカーアーム１００に供給される。油圧が０．２×１０^５〜０．４×１０^５Ｐａ（０．２〜０．４ bar）に維持されることによって、オイル流路は充填された状態に維持されるが、ラッチ２００は退縮されない。

３．３．１収集されたデータ
実時間のセンサ情報には、図６に開示する例示的なＤＶＶＬシステム８００に示されるように、任意の数のセンサからの入力が含まれる。これらのセンサの検知する情報には、次の情報が含まれるものであってもよい。１）一実施形態において、上述した線形可変差動トランス（ＬＶＤＴ）使用して測定されるような、バルブステム移動８２９。２）ホール効果センサまたは運動検出器の使用による移動／位置８２８及びラッチ位置８２７。３）近接スイッチ、ホール効果センサ、または他の手段の使用によるＤＦＨＬＡ移動８２６。４）作動油圧８３０。５）作動油温度８９０。カムシャフトの回転位置及び回転速度は、直接収集されるものであってもよく、または、エンジンの回転速度センサから推定されるものであってもよい。

油圧駆動ＶＶＡシステムにおいて、作動油温度（オイル温度）は、ＣＤＡ及びＶＶＬのようなシステムにおける切換のために使用される油圧システムの剛性に影響を及ぼす。作動油が冷たすぎる場合、粘性により切換時間が遅くなり、誤動作を引き起こす。例示的なＤＶＶＬスイッチングロッカーアームシステムにおけるこの関係が、図２１−図２２に示されている。図６に示すセンサ８９０を、エンジンオイルクランクケース内ではなく、使用箇所の近傍に配置することによって取得された正確な作動油温度が、最も正確な情報を与える。一例として、ＶＶＡシステムにおいて、油量制御バルブ（ＯＣＶ）に近接して監視された作動油温度は、必要な流体剛性を用いて低リフト（未ラッチ状態）運転を始動するために、２０℃以上でなければならない。測定値は、任意の数の市販の部品（例えば、熱電対）を使用して取得することができる。油量制御バルブについては、２０１０年４月１５日に公開された米国特許出願公開第２０１０／００８９３４７号、及び、２０１０年１月２８日に公開された米国特許出願公開第２０１０／００１８４８２号にさらに詳しく説明されており、これらの文献の開示内容の全体は、参照により本明細に含まれる。

センサ情報は、実時間の運転パラメータとして、エンジン制御装置（ＥＣＵ）８２５に送信される（図１８）。

３．３．２保存された情報
３．３．２．１スイッチングウィンドウアルゴリズム
機械的スイッチングウィンドウ
図４に示す３ローブ型カムの各ローブの形状には、リフトが生じない基礎円部６０５、６０７、６０９と、リフト事象の前に機械的クリアランスを取るために使用される遷移部と、バルブ１１２を移動させるリフト部とが含まれる。システム８００（図６）に組み付けられた、例示的なＤＶＶＬスイッチングロッカーアーム１００において、高リフトモードと低リフトモードとの切換は、ラッチ上にその移動を妨げる負荷がない基礎円動作の間にのみ生じることができる。この機構については、以下の節において詳述する。図５のグラフには、基礎円動作のリフトなし部分８６３が示されている。ＤＶＶＬシステム８００では、最大で３５００ｒｐｍのエンジン回転速度及び２０℃以上の作動油温度において、カムシャフトの１回転のうちに切換が行われる。切換が、タイミングウィンドウまたは所定の作動油条件の外で行われた場合、臨界的シフト事象が発生する場合がある。臨界的シフト事象は、バルブアクチュエータスイッチング要素上またはエンジンバルブ上の負荷が、切換の間にそれらの構造が適合するように設計された負荷よりも高いときのエンジンサイクル内の点における、エンジンバルブ位置の移動である。臨界的シフト事象によって、バルブトレイン及び／または他のエンジン部品が損傷する場合がある。スイッチングウィンドウは、さらに、制御ギャラリー内の圧力を変更し、ラッチを伸長位置から退縮位置に（及び、退縮位置から伸長位置に）移動させるために必要とされるカムシャフトクランク角の持続時間として定義される。

ここで、図４及び図２５Ａに示すように、カムシャフトの回転とラッチ２００の移動のタイミングが一致して、ラッチ２００に一端で負荷が印加され、そこでラッチが外側アーム１２０上に部分的にのみ係合した場合、臨界的シフトが発生する場合がある。一旦、高リフト事象が開始すると、ラッチ２００は、外側アーム１２０から滑って外れる可能性がある。これが発生すると、内側アーム１２２が、バルブバネ１１４の力によって加速されて、ローラー１２８と低リフトカムローブ１０８との間に衝突を生じさせることになる。臨界的シフトによって、ロッカーアームアセンブリ１００及びバルブの移動の制御に瞬時的な損失が発生し、また、システムに衝撃が発生するため、臨界的シフトは望ましくない。ＤＶＶＬスイッチングロッカーアームは、寿命分の臨界的シフトの発生に応じるように構成された。

一実施形態において、図６及び図１８に示すエンジン制御装置（ＥＣＵ）８２５は、バルブステムの移動８２９、移動／位置８２８、ラッチ位置８２７、ＤＦＨＬＡ移動８２６、作動油圧８３０、及び作動油温度８９０のような、複数のセンサからの入力を受け入れる。所定のエンジン回転速度（図２０）で可能な運転温度及び圧力、及び、（図２６に示し、他の節で説明したような）スイッチングウィンドウのようなデータが、メモリに保存される。そして、実時間で収集された情報が、保存された情報と比較され、解析されて、ＥＣＵ８２５が切換のタイミングを決め、制御するためのロジックが与えられる。

ここで、図１５、２８、３０Ａ、及び３０Ｂを参照すると、ねじりバネ１３４、１３６は、略台形状のワイヤ３９７から構成される。この台形は、巻回工程の間に力が印加されると、ワイヤ３９７が略四角形の形状に変形することが可能なように構成されている。ねじりバネ１３４、１３６が巻回された後、結果として生じるワイヤの形状は、略四角形の断面形状を備える第１ワイヤ３９６と同様のものである。図２８の８線に沿った断面において、２つのねじりバネ１３４、１３６は、複数のコイル３９８，３９９の断面として示されている。好適な実施形態において、ワイヤ３９６は、この例では垂直な辺４０２、４０４として示されている２つの長辺と、上辺４０１及び底辺４０３とをそなえた四角形の断面形状を有する。コイルの上辺４０１と底辺４０３の平均長の、辺４０２と辺４０４の平均長に対する比率は、１未満の任意の値とすることができる。この比率によって、コイル３９８の上辺４０１と底辺４０３の平均長に等しい直径を備えた円形ワイヤを使用して巻回されたバネよりも、曲げに対してコイル軸４００に沿った大きな剛性が生じる。別の実施形態において、ワイヤの断面は、長い上辺４０１と短い底辺４０３とを備えた略台形状を有する。

ねじりバネ１３４、１３６は、加熱後急冷することによって、バネ性をやわらげるものであってもよい。これによって、残留応力が低減する。

ねじりバネ１３４、１３６を形成するためのワイヤ３９６、３９７の表面に投射物を衝突させること、または「ショットピーニング」が、ワイヤ３９６、３９７の表面に残留圧縮応力を付加するために使用される。次いで、ワイヤ３９６、３９７は、巻回されてねじりバネ１３４、１３６となる。このようなショットピーニングにより、結果として生じるねじりバネ１３４、１３６は、ショットピーニングを行うことなく形成された同等のバネよりも大きな引張応力を受け入れることが可能となる。

４．４外側アーム
外側アーム１２０は、動作の間に予測される特定の負荷に対して最適化されており、その曲げに対する抵抗、及び他の手段によってまたは他の方向に印加されるトルクによっては、仕様から外れたたわみが生じる場合もある。非動作的な負荷の例は、取り扱いまたは加工によって発生する。スライダーパッドを研削する間のクランプ及び保持を支援するために構成され、部品に組み込まれたクランプ機能またはクランプ面は、それが部品をゆがみなく固定するため、複数のスライダーパッドの間の平行性を維持するために必要な重要なステップである。図１５に、ロッカーアーム１００の別の透視図を示す。第１クランプ用ローブ１５０が、第１スライダーパッド１３０の下側から突出している。第２クランプ用ローブ（図示は省略する）は、同様に、第２スライダーパッド１３２の下側に配置されている。製造工程の間に、クランプ用ローブ１５０は、スライダーパッド１３０、１３２の研削の間のクランプに係合される。外側アーム１２０をロッカーアームアセンブリ１００の部品として組み立てられた状態に近い位置に保持するクランプ用ローブ１５０に力が印加される。これらの面の研削には、パッド１３０、１３２が互いに平行であり、外側アーム１２がゆがんでいないことが要求される。クランプ用ローブ１５０でクランプすることによって、他のクランプ構成では外側アーム１２０に発生するおそれがあるゆがみが、防止される。例えば、クランプ用ローブ１５０で、好適には外側アーム１２０の全体をクランプすることは、サイドアーム１２４、１２６を互いの方向に圧迫することによって発生するおそれがある機械的応力を消去することに役立つ。別の例では、クランプ用ローブ１５０の位置は、スライダーパッド１３０、１３２の直下であり、その結果、研削機との接触によって発生する外側アーム上のトルクが実質的にゼロになるかまたは最小化される。特定の応用例では、ゆがみを最小化するために、外側アーム１２０の他の部分に圧力を印加する必要がある場合もある。

ダイアモンドライクカーボンコーティング（ＤＬＣ）によって、摩擦を低減し、同時に、スライダーパッド１３０、１３２が必要な損耗特性及び負荷特性を備えることにより、例示したスイッチングロッカーアーム１００の動作が可能となる。容易に理解されるように、ＤＬＣコーティングの利点は、このアセンブリまたは他のアセンブリの任意の部品面（例えば、ピボット軸面１６０、１６２、図１９に示す外側アーム１２０上）に応用することができる。

ラッチピンアセンブリ構成は、クリアランス、公差、穴部サイズ、チャンバーのサイズ、バネ構成、及び、作動油の流れを制御する同様の寸法の組み合わせにより、ラッチピン応答時間を管理する。例えば、ラッチピン構成は、所定の圧力範囲における公差内で動作するアクティブ作動油領域を備えるように構成された複直径ピン、作動油のポンピング損失を制限するように構成された作動油シール用ランド、作動油送り込みチャンバーのような特徴を含むものであってもよい。

４．５．２ラッチピン機構
ロッカーアームアセンブリ１００のラッチピン機構２０１は、高リフトモードから低リフトモードへ、及び、低リフトモードから高リフトモードへ、機械的に切換える手段を与える。ラッチピン機構は、通常は未ラッチ状態にあるか、または、ラッチ状態にあるように構成することができる。いくつかの好適な実施形態について説明する。

一実施形態において、内側アーム１２２を外側アーム１２０にラッチするための機構２０１は、図１９に示されている。外側アームは、図示された実施形態では、ロッカーアーム１００の第２端１０３の近傍に配置される。機構２０１は、ラッチピン２００、スリーブ２１０、配向ピン２２０、及びラッチバネ２３０を含む。機構２０１は、内側アーム１２２のボア２４０内に取り付けられるように構成される。以下に説明するように、組立てられたロッカーアーム１００では、ラッチ２００は、高リフトモードに伸長され、内側アーム１２２を外側アーム１００に固定している。低リフトモードにおいて、ラッチ２００は、内側アーム１２２内に退縮し、これによって、外側アーム１２０のロストモーション運動が可能となる。切換えられた作動油圧は、上述したように、第１及び第２ギャラリー１４４、１４６を通じて供給され、ラッチ２００のラッチ状態または未ラッチ状態を制御する。プラグ１７９は、ギャラリー穴部１７２内に挿入され、第１及び第２作動油ギャラリー１４４、１４６を閉じる圧力的に密なシールを形成し、ギャラリーがラッチ機構２０１に作動油を通過させることが可能となる。

ここで、図４３、図４７、及び図４８に示すように、個々の部品及びサブアセンブリの設計及び組立ての変化は、切換タイミングの仕様を満たすラッシュ値の行列を生成し、上述した必要な一定速度の切換領域を低減することができる。例えば、１つのラッチピン２００の自己整列の実施形態には、機能するために、１０ミクロンの最小のラッチラッシュ６０２を必要とする形状が含まれる。修正改善されたラッチ２００は、自己整列機能なく構成され、５ミクロンのラッチラッシュを要するように設計することができる。この設計変更は、全ラッシュを５ミクロン分低減させ、バルブリフトのプロファイル６６０に必要なリフトなし部分６６１が低減する。

ＤＶＶＬスイッチングロッカーアームの耐久性は、継続性能（すなわち、適切なバルブ開放及び閉止）と損耗測定とを組みあせて実施することによって査定される。損耗は、システム内の機械的ラッシュの相対量に沿って、ＤＶＶＬスイッチングロッカーアーム上の材料、特にＤＬＣコーティングの損失を定量化することによって査定される。上述したように、ラッチラッシュ６０２（図４３）は、内側及び外側アームの間のラッチピンの移動を許容するために必要であり、エンジン電子制御装置（ＥＣＵ）によって指令されたときに、高リフトモード及び低リフトモード運転の両方を可能にする。任意の理由によるＤＶＶＬロッカーアーム上のラッシュの増大は、使用可能なリフトなしランプ６６１（図４８）を低減し、バルブトレインの高加速が生じる。機械的ラッシュに関する損耗の仕様は、寿命の終了時における所望の動的性能を維持するために制限組み込み部品を許容するように、設定される。

例えば、図４３に示すように、ロッカーアームアセンブリの接触面間の損耗は、ラッチラッシュ６０２、カムシャフトラッシュ６１０、及び結果として生じる全ラッシュを変化させる。これらのそれぞれの値に影響する損耗は、次のものである。１）ローラー１２８（図１５）とカムローブ１０８（図４）の間の界面の損耗は、全ラッシュを低減する。２）スライド面、スライダーパッド１３０、１３２（図１５）とカムローブ１０４、１０６（図４）との間のスライド面の損耗は、全ラッシュを増大させる。３）ラッチ２００とラッチパッド面２１４との間の損耗は、全ラッシュを増大させる。ベアリング界面の損耗は、全ラッシュを低減させ、ラッチとスライダー界面の損耗は、全ラッシュを増大させる。このため、全体的な損耗は、ロッカーアームアセンブリの寿命に渡って最小の正味の全ラッシュ変化を生じさせ得る。

１．スッテプ３５０において、質量をボールプランジャー接触点６１１に向けて寄せるために、構成要素６２２、１２０、１３４、及び１３６を測定軸に沿って配置する。例えば、ねじりバネ１３４，１３６は、ボールプランジャー接触点から２ｍｍ左に配置し、内側アームアセンブリ６２２のピボット軸１１８は、５ｍｍ右に配置するものであってもよい。外側アーム１２０は、図５３に示すようにピボット軸１１８と並ぶように配置される。
２．ステップ３５１において、与えられた構成要素の配置構成に対して、ロッカーアームアセンブリ１００の全慣性を計算する。
３．ステップ３５２において、構成要素の配置構成の機能性を評価する。例えば、ねじりバネ１３４、１３６が、指定された位置において、追加の質量なしでスライダーパッド１３０、１３２とカム１０２との接触を維持するために必要な剛性を与えることを確認する。別の例では、構成要素の配置構成は、パッケージサイズの拘束条件に適合するように決定されなければばらない。
４．ステップ３５３において、ステップ３５１とステップ３５２の結果を評価する。選択されたエンジン回転速度におけるバルブ先端負荷２１４及び動的安定性の最小要件を満たさない場合、ステップ３５１とステップ３５２における構成要素の配置と解析の実行を繰り返す。選択されたエンジン回転速度におけるバルブ先端負荷２１４及び動的安定性の最小要件を満たす場合、ロッカーアームアセンブリ１００のたわみ及び応力を計算する。
５．ステップ３５４において、応力及びたわみを計算する。
６．ステップ３５６において、たわみ及び応力を評価する。たわみ及び応力に関する最小要件を満たさない場合、ステップ３５５に進み、構成要素設計を改善する。設計の反復が終了した場合、ステップ３５３に戻り、バルブ先端負荷２１４と動的安定性を再評価する。選択されたエンジン回転速度におけるバルブ先端負荷２１４及び動的安定性の最小要件を満たす場合、ステップ３５４において、たわみ及び応力を計算する。
７．図５５を参照すると、応力、たわみ、及び動的安定性の条件を満足するとき、結果は、１つの可能な設計３５７である。解析結果は、可能な設計構成について、慣性に対する剛性のグラフ上にプロットすることができる。このグラフは、領域３６０で示される許容値の範囲を備える。図５７は、３つの異なる合格設計を示す。さらに、許容可能な慣性／剛性領域３６０は、個別の主要構成要素１２０、１２２及びねじりバネ１３４、１３６の特性も限定する。

・設計例＃１の外側アーム１２０について、Ａ端から開始してＢ端まで進むように、部品に沿った距離に対して質量分布をプロットすることができる。同様に、設計例＃２の外側アーム１２０の質量分布値、及び、設計例＃３の外側アーム１２０についてもプロットされる。
・２つの最も端にある質量分布曲線の間の領域は、このアセンブリにおける外側アーム１２０の特性を示す値の範囲として定義できる。
・設計例＃１の外側アーム１２０について、Ａ端から開始してＢ端まで進むように、部品に沿った距離に対して剛性分布をプロットすることができる。同様に、設計例＃２の外側アーム１２０の剛性値、及び、設計例＃３の外側アーム１２０についてもプロットされる。
・２つの最も端にある剛性分布曲線の間の領域は、このアセンブリにおける外側アーム１２０の特性を示す値の範囲として定義できる。

外側アーム１２０の、その移動及び配向に関連する軸に沿った、運転の間の剛性及び質量分布は、特性値、ひいては特性形状によって説明される。

寿命試験におけるバルブトレイン要件は、約３２０，０００ｋｍ（２００，０００マイル）という目標に変換された。この距離目標は、バルブトレインの耐久性要件を定義するために、バルブ駆動事象に変換する必要がある。バルブ事象の回数を決定するために、車両の寿命にわたる、平均的な車両速度及びエンジン回転速度が仮定された。この例では、乗用車への応用として、平均的車両速度は約６４ｋｍ毎時（４０マイル毎時）、平均的エンジンの回転速度は２２００ｒｐｍが選択された。カムシャフトは、エンジン回転速度の半分の速度で動作し、バルブはカムシャフトの１回転について１回駆動される。この結果、試験の要件として、３３０×１０^６（３３０Ｍ）回のバルブ事象が得られた。試験は、点火エンジンと非点火品の両方で実施された。点火エンジン試験を５０００時間実施するのではなく、大部分の試験と結果のリポートは、図６３に示す非点火品の使用に焦点をおき、３３０Ｍ回のバルブ事象を満たすために必要な試験を実行した。点火試験と非点火試験の結果は比較され、バルブトレインも損耗の結果に関して良い一致を見た。これによって、非点火品による寿命試験の信頼性が与えられた。

図１７には、バルブ閉止変位を診断するための１つの切換サイクルシステムを表す診断ウィンドウが示されている。ＯＣＶは、制御システムにより指令されると、ＯＣＶアーマチャを移動させ、これは、ＯＣＶ電流追跡８８１によって表される。ＯＣＶの制御ギャラリー内における下流方向への作動油の流れは、圧力曲線８８０によって示されるように、増大し、これによって、ラッチピンが駆動されて、高リフト状態から低リフト状態への変化が発生する。

アイドル速度耐久性
アイドル速度耐久試験は、低い作動油圧及び高い作動油温度によって生じる限界潤滑条件をシミュレートする。この試験は、スライダーパッド及びベアリング、バルブパレットに対するバルブ先端、及びボールプランジャーに対するボールソケットの損耗を評価するために使用される。リフト状態は、試験を通じて、高リフトまたは低リフトとのいずれかに一定に維持される。全機械的ラッシュは、周期的検査間隔で測定され、損耗の主要な測定値である。

コールドスタート耐久性
コールドスタート耐久試験は、−３０℃の初期温度からの３００回のエンジン始動サイクルに耐えるＤＬＣの能力を評価する。典型的には、これらの温度での寒冷時のエンジン始動には、エンジンブロックヒーターが含まれる。この極限試験は、ロバスト性を示すために選択され、モーターで駆動される試験品のエンジン上で３００回繰り返された。この試験は、低温度の結果として生じる低潤滑に耐えるＤＬＣコーティングの能力を評価する。

図６７には、ＳＲＦＦ耐久性試験の相対的な試験時間が円グラフで示されている。全試験時間は、約１５，７００時間である。システム劣化の加速試験は、加速因子及び１つの試験内に組み合わされたＳＲＦＦの負荷のため、試験時間毎の情報が最も大きく、全試験時間のうち３７％が割り当てられている。アイドル速度耐久性試験（低速、低リフト及び低速、高リフト）は、各テストが長期にわたるため、全試験時間のうちの２９％が割り当てられている。スイッチング耐久性試験は、複数回の寿命にわって試験され、全試験時間の９％を構成する。臨界的シフト耐久性とコールドスタート耐久性の試験は、臨界的シフトを達成することの困難性により長時間が必要となり、コールドスタート耐久性については、熱サイクル時間が必要である。単に臨界的シフト及びコールドスタートの試験自体の時間ではなく、これららのモードを実行するために必要な全時間に関連してデータが定量化されている。残りの下位システムの試験及び極限試験には、全試験時間の１１％が必要であった。

バルブトレインのダイナミクスの試験は、バルブトレインの性能を評価するために実行された。この試験は、全機械的ラッシュの公称値及び制限値で実行された。公称値の場合について説明する。１０００ｒｐｍから７０００ｒｐｍの速度掃引が実行され、エンジン回転速度毎に３０回のバルブ事象が記録された。ダイナミクスデータの後処置によって、バルブ閉止速度及びバルブバウンスが計算することができる。ＳＲＦＦの外側アーム及び内側アームに取り付けられたひずみゲージは、全てのエンジン回転速度で、バルブトレインの構成要素間の分離またはＨＬＡの「ポンプアップ」を防止するために十分な負荷を示している。ポンプアップは、ＨＬＡが、バルブがカムシャフトの基礎円上で開放されたままになるバルブバウンスまたはバルブのたわみを補償するときに発生する。エンジン回転速度の範囲にわたる分布を理解に供するために、最小、最大、及び平均の閉止速度が示されている。高リフト閉止速度が、図６７に示されている。高リフト閉止速度は、設計目標（ターゲット）を満たしている。値の範囲は、７５００ｒｐｍにおける最小値と最大値との間で、目標の範囲内に確実に留まりつつ、近似的に２５０ｍｍ／ｓだけ変動する。

システムの加速劣化試験
システムの加速劣化試験は、持続する性能を評価するために使用される包括的な耐久試験である。この試験は、厳しいエンドユーザによる累積的損傷に相当する。試験サイクルの平均は、近似的に５０００ｒｐｍであり、一定の速度及び加速度を伴うものである。１サイクルの時間は、次のように分けられる。すなわち、２８％の定常状態、１５％の低リフト状態、そして、残りは、加速条件の下で高リフトと低リフトとの間を循環している状態である。試験結果によれば、１回分の寿命の試験におけるラッシュ変化は、ロッカーアームの利用可能な損耗仕様の２１％を説明する。システムの加速劣化試験は、８個のＳＲＦＦを含み、ＳＲＦＦの損耗モードを判別するため、標準寿命を経過した後まで延長された。全機械的ラッシュの測定値は、標準寿命を経過した後は、１００試験サイクル毎に記録された。

スライダーパッド
スライダーパッドのプロファイルは、バルブリフト及びバルブトレインダイナミクスに対して指定された要件を満たすように設計された。図７７には、ＳＲＦＦ上のスライダーパッドと、接触する高リフトローブ対との間の接触関係が示されている。予期される製造のばらつきにより、図７７に尺度を強調して示すこの接触面には、角度アラインメント関係がある。クラウン付き面により、様々なアラインメントを考慮して、スライダーパッドへのエッジ負荷のリスクが低減される。しかし、クラウン付き面は、製造に複雑性を付加し、したがって、コーティングされた界面の性能に対するクラウンの作用は、その必要性を判別する試験計画に追加される。

鋳鉄製カムシャフトの結果
第１の試験では、鋳鉄製カムシャフトローブが使用され、スライダーパッドの表面仕上げと、２つの角度アラインメント構成が比較された。結果は、表２にまとめられている。この表には、鋳鉄製カムシャフトで試験されたスライダーパッドの開先角度と表面仕上げ条件との組合せが要約されている。それぞれの組合わせは、最大負荷条件と、最大負荷条件の１２５％で試験された。リストに挙げられた値は、試験の間にそれぞれの組合わせで達成されたエンジン寿命の回数を表す。

鋼製カムシャフトの試験結果
次のセットの試験では、鋼性カムシャフトローブが使用された。試験された組合せと結果の概要は、表３にまとめられている。カムシャフトローブは、次の４つの異なる条件で試験された。すなわち、（１）平坦な研削仕上げ表面、（２）クラウン付きローブで、研削仕上げ表面、（３）最小のクラウン付きローブで、研磨仕上げ表面、（４）公称のクラウン付きローブで、研磨仕上げ表面である。クーポン上のスライダーパッドは、ＤＬＣコーティング前に研磨され、次の３つの角度で試験された。すなわち、（１）平坦（０．０５度を下回る開先角度）、（２）０．２度の開先角度、（３）０．４度の開先角度、である。全てのカムシャフトに対する負荷は、最大設計レベル、または、最大設計レベルの１２５％に設定された。

最大設計負荷の１２５％における研削された平坦な鋼製カムシャフトローブと０．４度開先角度のクーポンの試験サンプルは、１寿命を超えなかった。最大設計負荷で試験されたサンプルは、１寿命続いたが、コーティイング上に同様の効果が見られた。０．２度と平坦なサンプルは、より良好であるが、２寿命を超えなかった。

この試験の後、研削、平坦、鋼性カムシャフトローブ、及び、０．２度の開先角度のクーポン、及び平坦なクーポンで試験をした。コーティング損失を観察する前の時間は、０．２度のサンプルで１．６寿命だった。平坦なクーポンは、僅かに長い１．８寿命を達成した。平坦なサンプルのＤＬＣ損失のパターンは、非一様であり、最大の損失は接触パッチの外にあった。接触パッチの外にコーティングの損失があることは、スライダーパッドが被る応力が、その幅にわたって非均一であったことを示す。この現象は、「エッジ効果」として知られている。２つの揃えられた要素のエッジにおける応力を低減するための解決法は、要素のうちの１つにクラウン型のプロファイルを付加することである。ＳＲＦＦを使用する応用例では、カムシャフトにクラウン付きプロファイルが付加されている。

この節では、クーポンからＳＲＦＬの外側アームまで、スライダーパッドの製造法の開発について説明する。

スライダーパッド上のＤＬＣコーティングは、寿命要件を超えることが示され、これは、システムＤＶＶＬの結果と整合する。外側アーム用スライダーパッド上のＤＬＣコーティングは、全ての運転条件にわたってロバストであることが示された。その結果、ＳＲＦＦ設計は、エンジンの部分負荷運転によるポンピング損失を低減することによって燃費を改善する目的のための、４気筒乗用車の応用例に対して適切なものである。ＤＶＶＬのＤＬＣコーティングされたスライド面は、耐久性を有するとともに、ＶＶＡ技術を様々なエンジンバルブトレインの応用のために使用することを可能にすることが示された。

本明細における開示により本出願の教示の様々な態様が例示され、及び、これらの態様が詳細に説明されたが、これは、本出願において請求される教示の範囲を、そのような詳細に限定またはいかなる方法においても制限することを意図するものではない。追加の利点及び修正は、当業者には容易に理解されるものである。したがって、本出願の教示は、その広い態様において、特定の詳細及び例示されて説明された例によって制限されない。したがって、本出願において請求される教示の思想または範囲から逸脱することなく、このような詳細から逸脱することは可能である。さらに、上述した態様は、例示的なものであり、本出願または後の出願において請求される可能性のある全ての可能な組合せにおいて必須の機能または要素はない。

Claims

エンジンバルブを制御するためのラッシュ制御されたスイッチングロッカーアームシステムであって、
少なくとも１つの第１カム及び基礎円部を有する第２カムと、
支点に取付けられた第１端部及びエンジンバルブ側に取付けられた第２端部を有するロッカーアセンブリと、を備え、
ロッカーアセンブリは、
第１端部及び第２端部を有し、第１端部と第２端部との間のローラーが第１カムを押圧する第１アームと、
第１端部と、第２端部と、第２カムを押圧する少なくとも１つのスライダーパッドとを有する第２アームと、を含み、該第２アームは、更にラッチパッド面を含み、
第１アームと第２アームとは、これらの第１端部で互いに回動可能に取付けられ、
更に、ラッチされたとき、第１アームの第２アームに対する回動を阻止するラッチを含み、該ラッチは、更にアーム係合面を含み、
ラッチパッド面とアーム係合面との間の距離は、ラッチラッシュを含み、少なくとも１つのスライダーパッドと基礎円部との間の距離は、カムラッシュを含み、ラッチラッシュ及びカムラッシュは、全機械的ラッシュを含んでおり、
ラッシュ制御されたスイッチングロッカーアームシステムは、ラッシュ制御されたスイッチングロッカーアームシステムの寿命の間、全機械的ラッシュが制限内に維持されるように作動することを特徴とするシステム。
カムラッシュは、少なくとも１つのスライダーパッドと第２カムの基礎円部との間の接触を解消するために十分であることを特徴とする請求項１に記載のラッシュ制御されたスイッチングロッカーアームシステム。
ラッチラッシュは、５マイクロメートルであることを特徴とする請求項１に記載のラッシュ制御されたスイッチングロッカーアームシステム。
ラッチラッシュは、第２カムの角度とともに変化することを特徴とする請求項１に記載のラッシュ制御されたスイッチングロッカーアームシステム。
カムラッシュは、第２カムの角度が変化するとき一定であることを特徴とする請求項１に記載のラッシュ制御されたスイッチングロッカーアームシステム。
エンジンバルブのリフトのプロファイルは、ラッチパッド面とアーム係合面との間の一定の閉止速度を含むことを特徴とする請求項１に記載のラッシュ制御されたスイッチングロッカーアームシステム。
少なくとも１つのスライダーパッドは、耐損耗ＤＬＣコーティングを有することを特徴とする請求項１に記載のラッシュ制御されたスイッチングロッカーアームシステム。
少なくとも１つのスライダーパッドは、研削及び研磨され、次いで耐損耗ＤＬＣコーティングで覆われた面を有していることを特徴とする請求項１に記載のラッシュ制御されたスイッチングロッカーアームシステム。
少なくとも１つのスライダーパッドは、ＤＬＣコーティングで覆われており、かつ、研削及び研磨され、少なくとも１つのスライダーパッドと第２カムとの間の０．２度以下の開先角度により第２カムに対して角度付けられた面を有することを特徴とする請求項１に記載のラッシュ制御されたスイッチングロッカーアームシステム。
第２カムは、クラウン付きの外形を有することを特徴とする請求項９に記載のラッシュ制御されたスイッチングロッカーアームシステム。
第２カムのカムローブは、クラウン付きであり、かつ研磨されることを特徴とする請求項９に記載のラッシュ制御されたスイッチングロッカーアームシステム。
ロッカーアームシステム内に略一定のラッシュを維持する方法であって、
少なくとも１つの第１カムと、第１カム上に載るように構成されたローラーであって、第１カムとローラーとで第１損耗率を示す第１カム及びローラーを備えるステップと、
基礎円部を有する第２カムと、第２カムに沿って載るように構成されたスライダーパッドであって、第２カムとスライダーパッドとで第１損耗率と略等しい第２損耗率を示す第２カム及びスライダーパッドを備えるステップと、
第１ロッカーアーム内でローラーを使用するステップと、
第１ロッカーアームの第１端に旋回可能に取付けられた第１端を有し、更にラッチパッド面を含む第２ロッカーアームを備えるステップと、
第１アームを第２アームに対して固定するために、アーム係合面を有するラッチを使用するステップと、
スライダーパッドを第２カム上に載るように第２ロッカーアーム上に取付けるステップと、
第１カム、ローラー、第１ロッカーアーム、第２カム、第２ロッカーアーム、及びラッチを、ラッチパッド面とアーム係合面との間の距離がラッチラッシュを含み、スライダーパッドと基礎円部との間の距離がカムラッシュを含み、ラッチラッシュ及びカムラッシュが全機械的ラッシュを含むように、ロッカーアームシステム中に組み付けるステップと、
ラッシュ制御されたスイッチングロッカーアームシステムの寿命の間、全機械的ラッシュが制限内に維持されるようにロッカーアームシステムを作動させるステップと、
を含んでいる方法。
カムラッシュは、スライダーパッドと第２カムの基礎円部との間の接触を解消するために十分であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
ラッチラッシュは、１０マイクロメートル以下であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
ラッチラッシュは、第２カムの角度とともに変化することを特徴とする請求項１２に記載の方法。