JP2019528399A - 特に内燃機関のカムシャフトを調整するための電磁制御装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、特に内燃機関のカムシャフト又はカムシャフト部分を調整するための電磁制御装置に関し、電磁制御装置は、励磁可能なコイルユニット（４６）を備え、励磁状態において制御装置（１０）の長手方向軸（Ｌ）に沿って移動するように取り付けられた電機子（２６）を、ポールコアに対して後退位置と前進位置の間で移動させることが可能であり、電機子（２６）と相互作用するとともに自由端（２８）を有するタペット（２４）が、前記長手方向軸（Ｌ）に沿って移動可能に取り付けられており、タペット（２４）は前進位置においてカムシャフトを調整するためにカムシャフトと相互作用し、制御装置（１０）を構成要素、特にシリンダヘッドカバーに固定することができるアダプタ（１８）をさらに有し、電機子（２６）及びタペット（２４）は一体で回転するように互いに結合されており、制御装置（１０）はアダプタ（１８）の内側に、タペット（２４）を回転可能に取り付けるための第１の軸受部（２２）を有し、アダプタ（１８）の外側に、タペット（２４）及び／又は電機子（２６）を回転可能に取り付けるための第２の軸受部（３０）を有する。

Description

本願は、特に内燃機関のカムシャフトを調整するための電磁制御装置に関する。

カムシャフトは、カムシャフト上の偏心部をなす多数のカムを有する。カムは、カムシャフト上に固定的に配置するか、カムシャフト部分に固定的に配置された状態で、円筒状シャフトと一体で回転するが円筒状シャフトに対し軸方向に変位するように取り付けることができる。カムに隣接して配置され、軸方向に移動可能な部品は、カムシャフトを回転させることにより一定の間隔で変位することができる。強調されるカムシャフトの用途は、内燃機関におけるバルブの開閉を含む。現代の内燃機関では、エンジン特性は、より快適な特性からスポーティな特性へと調整することができ、これはとりわけ、カムの形状によって決定されるバルブリフト量を変更することにより決定される。さらに、エンジン回転速度の変更には、トルク及び燃料消費量を最適化するために、バルブリフト量を可変とすることが必要とされる。他の内燃機関は、燃料を節約するためにシリンダのいくつかを休止させることができる気筒休止を備える。この場合、休止したシリンダのバルブを再び開けてはならない。この場合ではまた、個々のシリンダを休止させるだけでなく、上述の理由のためバルブリフト量を可変にすることが有利である。

そのような内燃機関は、異なるサイズ及び形状のカムを備えるカムシャフトを必要とする。しかし、これらの異なるリフト曲線でバルブを開閉できるようにするためには、それぞれのカムがバルブと相互作用できるように、カムシャフト又はカムシャフト部分を軸方向に変位させなければならない。特許文献１、特許文献２、及び特許文献３に記載されているような既知の制御装置では、カムシャフトは様々な溝を有し、それらの溝において、アクチュエータが異なる数のタペットと係合する。タペットは、前進位置で溝と係合するように、後退位置と前進位置との間で移動することができる。溝は案内部をなし、係合しているタペットと共にカムシャフトの軸方向調整のためのスライディングブロックガイドを形成する。このため、カムシャフトは特定の量だけ回転されなければならない。

最も標準的な設計の４ストローク内燃機関では、カムシャフトが最大３０００ｒｐｍ又はそれ以上の速度で容易に回転できるように、カムシャフトはクランクシャフトの半分の速度で回転する。このような高い回転速度に起因して、タペットには、大きな半径方向力が衝撃のように作用する。カムシャフトまたはカムシャフト部分を調整するための上述の制御装置では、タペットは、制御装置を構成要素、特にシリンダヘッドカバーに取り付けるためのアダプタとしても知られるハウジング部分にのみ取り付けられる。大きな半径方向力によってタペットに作用する曲げモーメントは、タペットをアダプタ内で詰まらせてしまうほどタペットを曲げさせる可能性がある。そうなると、それらはもはや後退位置と前進位置との間で移動することができなくなり、カムシャフト又はカムシャフト部分もそれ以上軸方向に変位できなくなってしまう。

この欠点に対処するために、特許文献４によるタペットは、アダプタ内だけでなく、アダプタから定距離に配置されたポールコア内にも取り付けられている。特許文献５では、タペットはアダプタ内だけでなく、同様にアダプタから定距離に配置された電機子内にも取り付けられている。

カムシャフトの溝に係合するタペットの自由端の摩耗を最小限にするために、タペットは制御装置内で回転するように取り付けられる。しかしこれとは対照的に、特許文献４及び特許文献５の電機子は、隙間嵌めによってタペットに結合されている。その結果、軸方向力のみが伝達され、長手方向軸の周りに作用するトルクは伝達されない。したがって、カムシャフトの溝への係合時のタペットの回転は電機子には伝達されない。回転しない電機子に対するタペットの回転により、制御装置の動作中、電機子とタペットとが互いに接触してタペット及び／又は電機子が磨耗を示し始める場所で摩耗が生じる。このようにして、タペットに対する電機子の軸方向位置を、タペットが必要な程度まで溝に係合することができなくなるほどに変更させ得る。その結果、誤動作や、故障さえも引き起こし得る。

欧州特許第２１５８５９６号明細書 独国実用新案第２０２００６０１１９０４号明細書 国際公開第２００８／０１４９９６号 独国特許出願公開第１０２０１３１０２２４１号明細書 国際公開第２０１６／００１２５４号

本発明の一実施形態の目的は、特に内燃機関のカムシャフト又はカムシャフト部分を調整するための、上述の欠点を無くすか又は少なくとも明らかに少なくすることができる電磁制御装置を作成することである。特に、作動中にタペットに作用する高い曲げモーメントを確実に吸収することができ、それによってタペットが詰まるのを防止することができる制御装置が作成される。同時に、電機子とタペットとの相対位置、特に互いに対する軸方向位置を動作中に変化させないように、電機子とタペットとの間の磨耗を減少させる。

この目的は請求項１に記載の特徴によって達成される。有利な実施形態は従属請求項の主題である。
本発明の一実施形態は、特に内燃機関のカムシャフトを調整するための電磁制御装置に関し、電磁制御装置は、励磁可能なコイルユニットを備え、励磁状態において、制御装置の長手方向軸に沿って移動するように取り付けられた電機子を、ポールコアに対して後退位置と前進位置の間で移動させることが可能であり、電機子と相互作用するとともに自由端を有するタペットが、前記長手方向軸に沿って移動可能に取り付けられており、タペットは前進位置においてカムシャフトを調整するためにカムシャフトと相互作用し、制御装置を構成要素、特にシリンダヘッドカバーに固定することができるアダプタをさらに有し、電機子及びタペットは一体で回転するように互いに結合されており、制御装置はアダプタの内側に、タペットを回転可能に取り付けるための第１の軸受部を有し、アダプタの外側に、タペット及び／又は電機子を回転可能に取り付けるための第２の軸受部を有する。

電機子とタペットが一体回転のために互いに結合されていることにより、カムシャフトまたはカムシャフト部分の溝に係合する際のタペットの回転は電機子に伝達される。その結果、電機子とタペットとの間の相対的な回転運動はなく、したがって、タペットと電機子との互いに対する軸方向の位置の変化をもたらす可能性がある磨耗点はもはや存在しない。これは回転運動と比較して明らかに摩耗の減少をもたらすか、又は磨耗を全く生じさせないため、電機子とタペットとの間の相対的な軸方向の移動を制限することができる。製造の観点からは、電機子とタペットとが同期して並進運動及び回転運動の両方が可能であるように、電機子をタペットと共に圧縮成形によって製造することが望ましい。

動作中にタペットに作用する曲げモーメントによるタペットの詰まりは、タペットが第１の軸受部だけでなく第２の軸受部にも取り付けられるということによって防止される。第１の軸受部はアダプタの内側に配置され、第２の軸受部はアダプタの外側に配置されるため、第２の軸受部は第１の軸受部から離れている。したがって、第２の軸受部はタペットの自由端から見て下流側に配置することが望ましい。タペットの湾曲及びその結果生じる詰まりを防ぐために、ここでは小さな距離で十分である。タペット又は電機子の一方又は両方を一緒に第２の軸受部に取り付けることができる。タペットが電機子に一体回転するように結合されているとき、電機子を第２の軸受部に取り付けると、タペットを第２の軸受部に間接的に取り付けることになる。これは、電機子がタペットと共に圧縮成形によって製造される場合になおさら当てはまる。

別の実施形態によれば、第２の軸受部は、非磁性材料又は非磁化材料で形成されている。コイルユニットの励磁に起因して磁界が発生し、電機子に作用してそれをポールコアに対して移動させる。第２の軸受部が非磁性材料又は非磁化材料で形成されている場合、磁力線は破壊も向きの変更もされない。したがって、コイルユニット、電機子及びポールコアの設計において、第２の軸受点をさらに考慮する必要がないため、既に試みられ試験された設計に依存することができ、その結果、この実施形態において提案された制御装置を実施するために構造が複雑になることを最小限にできる。

さらに改良された実施形態では、第２の軸受部は摩擦軸受を含むか、又は摩擦軸受によって形成されてもよい。摩擦軸受は非常に普及しており受け入れられている機械要素であるので、第２の軸受部を安価かつ確実に設計することができる。特に標準化された摩擦軸受を使用することができ、それによってさらにコストが削減される。さらに、摩擦軸受はほぼ維持管理が不要で、大きな力を吸収することができる。摩擦軸受は、内燃機関で使用されるモータオイルによって潤滑される。

さらに発展させた実施形態では、摩擦軸受は、プラスチック又は非磁性又は非磁化ステンレス鋼で形成されてもよい。これらの材料の摩擦軸受も数多く入手可能であるため、このような材料の選択に対する制限は、言及すべきほどのコストの増加をもたらさない。さらに、これにより磁力線が乱されないようにすることができる。

別の実施形態では、摩擦軸受は管状本体内に配置されてもよい。管状本体は、例えば摩擦軸受上に収まるように縮めることができ、これにより追加の接続要素なしで確実な接続を形成することができるため、製造が単純化される。さらに、組み立てが単純化されるように、管状本体は、それが数回の操作のみで制御装置に挿入され、同時に摩擦軸受の位置が固定されるように設計されてもよい。あるいは、管状本体は、例えば電機子及び／又はタペットと接触する第２の軸受部の面を対応するように設計することによって、摩擦軸受を使用しないように第２の軸受部を形成してもよい。特に、摩擦軸受が非磁性材料で形成されている場合、電機子と摩擦軸受との間に磁力が作用しないため、電機子と摩擦軸受との間の摩擦が減少する。このようにして、一方では摩耗を減少させることが可能であり、他方では電機子ひいてはタペットが移動する速度を増大させることができる。さらに、摩擦軸受は、電機子と管状本体との間に間隙が形成されるような寸法にすることができる。これもまた、電機子と管状本体との間に作用する磁力が、前述の不利益をもたらす摩擦を引き起こすことを防止する。

さらに改良された実施形態は、装置が第１の端部と第２の端部とを有するばね要素を含み、その第１の端部がタペット又は電機子上のばね板によって支持され、第２の端部が第２の軸受部に支持されることを特徴とする。電機子ひいてはタペットを、対応するコイルユニットの励磁によってのみ長手方向軸に沿って所望の方向に移動させることは十分に可能である。しかし、そのためには相応の複雑な制御電子システムが必要となる。さらに、既存の磁場が消散して新しい磁場が形成されるまでに、ある程度の時間が経過する。ばね要素の助けにより、磁場によって電機子に加えられる磁力と、ばね要素のプレストレス力とは反対に作用する磁力とが所定のレベルをはるかに下回る場合に、タペットは既に対応する方向に動くことができる。この範囲で、タペットをより迅速に動かすことができる。ばね板は、隙間嵌めによってタペットまたは電機子に固定され、プレストレス力の作用方向にある肩部によって軸方向に固定される。従って、タペットの回転運動はばね要素には伝達されないため、ばね要素にはねじれや磨耗が生じない。第２の端部では、ばね要素は第２の軸受部、特に摩擦軸受上に支持されているため、ばね要素の軸方向位置を固定するためにさらに広範囲の構造的対策を講じる必要はない。これは製造の複雑さを最小にする。それに加えて、ばね板は管状本体によって案内されるように管状本体内で移動可能に配置されてもよい。これにより、ばね板が傾いたり後者が隣接する部品に引っ掛かるのを防ぐ。

さらなる実施形態によれば、アダプタは、ばね板を前進位置で停止させる停止部を有する。上述したように、溝に係合したときのタペットの磨耗は、それが回転可能に取り付けられているため低減される。このようにして、タペットは溝の側面を転がることができ、それによって摩耗を助長するあらゆる摺動を防止又は少なくとも低減する。タペットの磨耗は、タペットが前進状態で溝に係合するが溝の底面には当たらないか、又は溝の深さが溝の出口で減少するときにのみ溝の底面に当たることによってさらに低減することができる。ばね板は、例えば肩部として設計され得るアダプタの停止部に衝突するため、前進位置は明確に規定される。さらに、溝に対しタペットが対応するような設計にすることによって、タペットの自由端が溝の出口の外側で溝の底面と接触しないことを確実にし、それによってタペットの自由端の磨耗を減少させる。

さらに改良された実施形態は、装置が、コイルユニットの非励磁状態で電機子を後退位置に保持する永久磁石を有することを特徴とする。もちろん、電機子はコイルユニットの持続的な励磁によって後退位置に維持されるのだが、そのためには相応の量の電力が必要とされる。この電力は、永久磁石を使用することによって節約することができ、それによって制御装置を経済的に動作させることができる。

本発明の例示的な実施形態を、添付の図面を参照してより詳細に説明する。

提案された電磁制御装置の一実施形態の基本断面図を示す。

図１は、本発明の電磁制御装置１０の一実施形態を基本断面図に基づいて示す。図１は、制御装置１０が同一設計の２つの構成要素を有することを示している。明確性のため、以下では本質的に一方の構成要素についてのみ説明するが、同じ説明は他方の構成要素にも当てはまる。

制御装置１０は、本明細書に示す実施形態では本質的に管状の形態で設計されたハウジング１２を有する。図１に関して、ハウジング１２の下端部はフランジ１６で、上端部はカバー１４で閉じられている。制御装置１０は、フランジ１６に取り付けられたアダプタ１８を有する。このアダプタ１８を用いて、制御装置１０を例えば内燃機関のシリンダヘッドカバー（図示略）に取り付けることができる。アダプタ１８は、シリンダヘッドカバーに対して制御装置１０をシールするためのガスケット（図示略）を挿入可能な凹部２０を含む。

アダプタ１８は、制御装置１０の長手方向軸Ｌに沿って変位可能であるタペット２４の第１の軸受部２２を形成する。第１の軸受部２２は、例えば、タペット２４の外表面と接触するアダプタ１８の内表面と全く同じように、対応する表面品質をタペット２４の外表面に提供することによって設けることができる。第１の軸受部２２は、内燃機関のエンジンオイルによって潤滑される。動作中にタペット２４に作用する大きな軸方向の力を確実に吸収できるようにするために、アダプタ１８は硬化ステンレス鋼で作られている。

本明細書に示す実施形態におけるタペット２４は、電機子２６と共に圧縮成形によって製造され、従ってそれと一体的に回転するように結合されている。一体回転式結合は、別の方法で、例えば溶接によっても実施することができる。良好な圧縮成形を達成するために、電機子２６はタペット２４を長尺部分にわたって係合させる凹部を有する。タペット２４は、アダプタ１８を越えて突出する自由端２８を有する。

本明細書に示す実施形態では、制御装置１０は、自由端２８から見て第１の軸受部２２の後方に配置され、摩擦軸受３２として設計されている第２の軸受部３０を有する。摩擦軸受３２は、例えばプラスチック又は非磁性ステンレス鋼から製造され、管状本体３４内に配置され、例えば焼きばめによって管状本体３４に結合される。図示の例では、摩擦軸受３２は、電機子２６のみが摩擦軸受３２で支持されるように配置されている。したがって、第２の軸受部３０は、ハウジング１２の内側に位置している。第１の軸受部２２及び第２の軸受部３０は共に、タペット２４及び電機子２６が長手方向軸Ｌを中心に回転すると共に長手方向軸Ｌに沿って移動可能に取り付けられるように設計されている。摩擦軸受３２は、管状本体３４と電機子２６との間に狭い間隙が形成されるように、管状本体３４から半径方向内側にいくらか突出している。したがって、管状本体３４と電機子２６とは互いに接触していない。

さらに、制御装置１０は、タペット２４の周りに環状に延び、タペット２４に対し隙間嵌めされ、かつタペットの直径拡大部３８の領域においてタペット２４に接触しているばね板３６を備えている。さらに、ばね板３６は電機子２６によって軸方向に固定されている。その結果、ばね板３６は、電機子２６及びタペット２４と同じ長手方向軸Ｌに沿って同じ軸方向運動を行う。図１から分かるように、ばね板３６は管状本体によって半径方向に囲まれている。ばね板３６の軸方向移動中、ばね板は管状本体３４によって案内される。

加えて、第１の端部４２及び第２の端部４４を有するばね要素４０が設けられている。ばね要素４０は、長手方向軸Ｌに沿って実質的に作用するプレストレス力を提供することができる。ばね要素４０は、第１の端部４２においてばね板３６に支持され、第２の端部４４において管状本体３２に支持されている。タペット３４に対するばね板３６の隙間嵌めにより、タペット２４の回転運動は、ばね板３６を直径拡大部３８に押し付けるプレストレス力が所定のレベルを超えた時にのみ、ばね板３６に伝達される。

電機子２６を移動させるために、制御装置１０は、電機子２６を包囲して環状の隙間を形成するコイルユニット４６を含む。また、図１に示されているように、電機子２６の上方に配置されたポールコア４８が設けられている。さらに、制御装置１０は、カバー１４に取り付けられてポールコア４８の上方に配置された永久磁石５０を備える。

電機子２６とタペット２４とが圧縮成形によって一緒に製造されるため、それらは常に同じ運動を行う。その結果、タペット２４と電機子２６とは互いに対して移動することはないため、電機子２６とタペット２４との間の相対運動によって生じる磨耗点はない。左側のタペット２４及び左側の電機子２６は後退位置にあり、右側のタペット２４及び右側の電機子２６は前進位置にある。

制御装置１０は次のように操作される。永久磁石５０は電機子２６に、長手方向軸Ｌに沿って作用する吸着力を加えるため、後退した状態では、電機子２６は永久磁石５０に引き寄せられてポールコア４８に接触する。これにより、ばね要素４０は圧縮されてプレストレス力を提供するが、それは永久磁石５０の吸着力よりも小さい。その結果、電機子２６及びタペット２４は後退位置をとる。

コイルユニット４６が励磁されると磁界が発生し、この磁界は、ばね要素４０によって提供されるプレストレス力と同じ方向に沿って電機子２６に作用する磁力を誘発し、それによって永久磁石５０の吸着力に対抗する。この磁力とプレストレス力の合計は永久磁石５０の吸着力よりも大きいため、電機子２６ひいてはタペット２４は、ばね板３６がアダプタ１８の停止部５２に当接するまで、永久磁石５０から長手方向軸Ｌに沿って離れる方向に移動する。これにより、タペット２４と電機子２６は同じ前進位置に達する。この前進位置において、タペット２４の自由端２８はカムシャフト（図示略）又はカムシャフト部分（図示略）の溝に係合する。溝はカムシャフトの回転軸に基づき螺旋形を有することにより、タペット２４の溝内への係合が、カムシャフトの自身の回転軸を中心とする回転と相まって、カムシャフトの回転軸に沿った長手方向の調整を生じる。対応する軸方向の力を伝達するために、タペット２４は溝に係合したときに非常に高い回転速度で回転するように、タペット２４は溝の側壁の１つと接触し、その上を転がる。電機子２６とタペット２４とが圧縮成形されているため、タペット２４の回転運動は電機子２６にも伝達される。アダプタ１８の停止部５２及び溝の深さは、タペット２４の自由端２８が前進位置で溝の底面に接触しないように選択される。しかし、カムシャフトが特定の回転角度を超えるとタペット２４の自由端２８が溝の底面に接触するように、溝の深さは端部に向かって減少し、それによってタペット２４は再び永久磁石５０の方向に変位する。そして遅くとも、コイルユニット４６の励磁が中断されると、永久磁石５０によって電機子２６に加えられる吸着力が再び、ばね要素４０により提供されるプレストレス力と、コイルユニット４６が励磁されていないためもはや作用しない磁力の合計よりも大きくなる。その結果、タペット２４及び電機子２６は、コイルユニット４６が再度励磁されるまで、再び後退位置をとる。

１０ 制御装置
１２ ハウジング
１４ カバー
１６ フランジ
１８ アダプタ
２０ 凹部
２２ 第１の軸受部
２４ タペット
２６ 電機子
２８ 自由端
３０ 第２の軸受部
３２ 摩擦軸受
３４ 管状本体
３６ ばね板
３８ 直径拡大部
４０ ばね要素
４２ 第１の端部
４４ 第２の端部
４６ コイルユニット
４８ ポールコア
５０ 永久磁石
５２ 停止部
Ｌ 長手方向軸

Claims (8)

1. 特に内燃機関のカムシャフト又はカムシャフト部分を調整するための電磁制御装置であって、
   励磁可能なコイルユニット（４６）であって、励磁状態において、制御装置（１０）の長手方向軸（Ｌ）に沿って移動するように取り付けられた電機子（２６）をポールコア（４８）に対して後退位置と前進位置の間で移動させることが可能である、コイルユニット（４６）と、
   電機子（２６）と相互作用するとともに制御装置（１０）の前記長手方向軸（Ｌ）に沿って移動可能に取り付けられており、自由端（２８）を有するタペット（２４）であって、タペット（２４）は前進位置においてカムシャフトを調整するために、前記自由端（２８）によってカムシャフトと相互作用する、タペット（２４）と、
   制御装置（１０）を特にシリンダヘッドカバーに固定することができるアダプタ（１８）と
   を備え、
   電機子（２６）及びタペット（２４）は一体で回転するように互いに結合されており、
   制御装置（１０）はアダプタ（１８）の内側に、タペット（２４）の回転軸受けのための第１の軸受部（２２）を有し、アダプタ（１８）の外側に、タペット（２４）及び／又は電機子（２６）を回転可能に取り付けるための第２の軸受部（３０）を備えることを特徴とする、制御装置。
2. 第２の軸受部（３０）は、非磁性材料又は非磁化材料で形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の制御装置。
3. 第２の軸受部（３０）は摩擦軸受（３２）を含むか、又は摩擦軸受（３２）によって形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の制御装置。
4. 摩擦軸受（３２）は、プラスチック又は非磁性ステンレス鋼又は非磁化ステンレス鋼で形成されていることを特徴とする、請求項３に記載の制御装置。
5. 摩擦軸受（３２）は管状本体（３４）内に配置されていることを特徴とする、請求項３又は４に記載の制御装置。
6. 装置が第１の端部（４２）及び第２の端部（４４）を有するばね要素（４０）を含み、ばね要素の第１の端部（４２）がタペット（２４）又は電機子（２６）上のばね板（３６）によって支持され、第２の端部（２８）が第２の軸受部（３０）に支持されてい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制御装置。
7. アダプタ（１８）は、ばね板（３６）を前進位置で停止させる停止部（５２）を有することを特徴とする、請求項５に記載の制御装置。
8. 装置が、コイルユニット（４６）の非励磁状態で電機子（２６）を後退位置に保持する永久磁石（５０）を有す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制御装置。

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