JP2020183706A - 内燃機関の可変動弁機構 - Google Patents

Abstract

【課題】ロッカアームとは別部品であるローラガイドを不要にし、構造を簡単にするとともに、ローラ軸を短くしてたわまないようにし、機構剛性を高める。【解決手段】ロッカアーム１０は、ロッカシャフトにロッカシャフト長方向に変位可能に支持され、ローラ１６は、ロッカアーム１０のロッカシャフト長方向に対向する一対の第一対向面ｆ１，ｆ１に所定のクリアランスをおいて挟まれた状態で、ロッカアーム１０に設けられたローラ軸１５に回転可能に軸着され、リンクアーム２０は、ロッカアーム１０のロッカシャフト長方向に対向する一対の第二対向面ｆ２，ｆ２に所定のクリアランスをおいて挟まれている。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関のバルブを駆動するとともに、その駆動状態を内燃機関の運転状況に応じて変更する可変動弁機構に関する。

本出願人は、先に、図６に示す内燃機関の可変動弁機構５１を提案した（特許文献１）。この可変動弁機構５１は、カムシャフト５２に、カム５３と２つの螺旋溝５４，５５とが設けられ、カムシャフト５２と平行に延びるロッカシャフト５６に、ロッカアーム本体５７が揺動可能に支持され、ロッカアーム本体５７に、ロッカシャフト５６と平行に延びるローラ軸５８が設けられ、ローラ軸５８に、カム５３が当接しうるローラ５９がロッカシャフト長方向に変位可能に支持され、２つの螺旋溝５４，５５に択一的に係入する２つの係入アーム６１，６２とローラ５９の両側面を抱持するローラガイド６３（摺接部）とを含むリンクアーム６０が、ロッカシャフト長方向に変位可能に設けられている。そして、リンクアーム６０全体を回動装置（図示略）により回動させて、一方の係入アーム６１を一方の螺旋溝５４に係入させるか又は他方の係入アーム（図示略）を他方の螺旋溝５５に係入させるかを選択することにより、選択した螺旋溝５４，５５に従ってリンクアーム６０及びローラ５９をロッカシャフト長方向に変位させて、該ローラ５９に前記カム５３が当接するか又は当接しないかを切り替える機構である。

特開２０１４−２２４４９６号公報

上記の可変動弁機構５１においては、（ロッカアーム本体５７とは別部品である）ローラ５９の側面を抱持するローラガイド６３を、リンクアーム６０と共に軸長方向に変位するように設ける必要があったため、構造が複雑であった。また、ロッカアーム本体５７はロッカシャフト長方向に変位させず、ロッカアーム本体５７に架設したローラ軸５８上でローラ５９をローラガイド６３により変位させるために、ローラ軸５８の長さ（ロッカアーム本体５７から出た部分の長さ）がローラ幅の２倍以上あるため、ローラに荷重が入力された際にローラ軸がたわみ、機構剛性が低くなる可能性があった。

そこで、本発明の課題は、ロッカアームとは別部品であるローラガイドを不要にし、構造を簡単にするとともに、ローラ軸を短くしてたわまないようにし、機構剛性を高めることにある。

本発明は、
カムシャフト（２）に、カム（３）と２つの螺旋溝（５，７）とが設けられ、
カムシャフト（２）と平行に延びるロッカシャフト（９）に、カム（３）が当接しうるローラ（１６）を含むロッカアーム（１０）が揺動可能に支持され、
２つの螺旋溝（５，７）に択一的に係入する２つの係入アーム（２３，２４）を含むリンクアーム（２０）が、ロッカシャフト長方向に変位可能に設けられ、
２つの係入アーム（２３，２４）を回動装置（４０）により回動させて、一方の係入アーム（２３）を一方の螺旋溝（５）に係入させるか又は他方の係入アーム（２４）を他方の螺旋溝（７）に係入させるかを選択することにより、選択した螺旋溝（５，７）に従ってリンクアーム（２０）がロッカシャフト長方向に変位し、該変位に基づいてローラ（１６）がロッカシャフト長方向に変位して、ローラ（１６）に前記カム（３）が当接するか又は当接しないかを切り替える内燃機関の可変動弁機構において、
ロッカアーム（１０）は、ロッカシャフト（９）にロッカシャフト長方向に変位可能に支持され、
ローラ（１６）は、ロッカアーム（１０）のロッカシャフト長方向に対向する一対の第一対向面（ｆ１，ｆ１）に所定のクリアランスをおいて挟まれた状態で、ロッカアーム（１０）に設けられたローラ軸（１５）に回転可能に軸着され、
リンクアーム（２０）は、ロッカアーム（１０）のロッカシャフト長方向に対向する一対の第二対向面（ｆ２，ｆ２）に所定のクリアランスをおいて挟まれていることを特徴とする。

本発明によれば、ロッカアームの一対の第一対向面にローラが所定のクリアランスをおいて挟まれており、ロッカアームの一対の第二対向面に所定のクリアランスをおいて挟まれたリンクアームがロッカシャフト長方向に変位すると、ロッカアームと共にローラが変位するので、従来例のようにロッカアームとは別部品であるローラガイドを設ける必要がなく、構造が簡単である。また、ローラ軸の長さ（ロッカアームから出た部分の長さ）がローラ幅と実質的に同等で短いため、ローラに荷重が入力された際にローラ軸がたわまず、機構剛性が高い。

図１は実施例の可変動弁機構を前側（正面側）からみた斜視図である。 図２は同機構を後側（背面側）からみた斜視図である。 図３（ａ）は同機構のロッカアームとリンクアームの斜視図、（ｂ）は同機構のロッカアームをローラの位置で切断した断面図である。 図４（ａ）は同機構をロッカアームとヘッドとの境界位置で切断した側断面図、（ｂ）は同機構をリンクアームの位置で切断した側断面図である。 図５は同機構のＶ−Ｖ断面図であり、（ａ）はローラが第一カム位置に変位したときを示し、（ｂ）はローラが第二カム位置に変位したときを示す。 図６は従来例の可変動弁機構を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。

１．ロッカアーム
ロッカアームが含むローラの数は、１つでも複数でもよいが、左右バランス上は左右２つが好ましい。
ロッカアームは、複数のバルブを駆動するものでもよいし、１つのバルブを駆動するものでもよい。
ロッカアームは、直接バルブを駆動するものでもよいし、間接的にバルブを駆動する（例えば、ロッカアームが第２ロッカアームを押圧し、第２ロッカアームがバルブを駆動する）ものでもよい。

２．リンクアーム
リンクアームは、特に限定されないが、上記左右２つのローラの間に、一対の第二対向面が形成されたものが好ましい。

３．回動装置
回動装置としては、特に限定されないが、電磁ソレノイド、油圧機構、電動モータ機構等によるものを例示できる。

４．ローラに前記カムが当接しないときの態様
ローラに前記カムが当接しないときの態様としては、ローラに別のカムも当接しない態様、ローラに別のゼロリフトの円カムが当接する態様、ローラに別のノーズプロフィールのカムが当接する態様とを例示できる。次に説明する実施例は、ローラに別のノーズプロフィールのカムが当接する態様である。

次に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。なお、実施例の各部の構造、形状、数等は例示であり、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更できる。
図１〜図５に示す実施例の可変動弁機構１は、
カムシャフト２に、カム３と２つの螺旋溝５，７とが設けられ、
カムシャフト２と平行に延びるロッカシャフト９に、カム３が当接しうるローラ１６を含むロッカアーム１０が揺動可能に支持され、
２つの螺旋溝５，７に択一的に係入する２つの係入アーム２３，２４を含むリンクアーム２０が、ロッカシャフト長方向に変位可能に設けられ、
２つの係入アーム２３，２４を回動装置４０により回動させて、一方の係入アーム２３を一方の螺旋溝５に係入させるか又は他方の係入アーム２４を他方の螺旋溝７に係入させるかを選択することにより、選択した螺旋溝５，７に従ってリンクアーム２０がロッカシャフト長方向に変位し、該変位に基づいてローラ１６がロッカシャフト長方向に変位して、ローラ１６に前記カム３が当接するか又は当接しないかを切り替える機構であって、
ロッカアーム１０は、ロッカシャフト９にロッカシャフト長方向に変位可能に支持され、
ローラ１６は、ロッカアーム１０のロッカシャフト長方向に対向する一対の第一対向面ｆ１，ｆ１に所定のクリアランスをおいて挟まれた状態で、ロッカアーム１０に設けられたローラ軸１５に回転可能に軸着され、
リンクアーム２０は、ロッカアーム１０のロッカシャフト長方向に対向する一対の第二対向面ｆ２，ｆ２に所定のクリアランスをおいて挟まれていることを特徴とする。

カムシャフト長方向と、ロッカシャフト長方向と、ローラ軸長方向は、いずれも図１での左右方向であって同一である。そこで、以下では、前側から見た図１で左に向かう方向を軸長方向ｄ１といい、右に向かう方向を軸長方向ｄ２という。また、左、右というときは、図１での左、右をいう。後側から見た図２及び図５は、図１とは左右が反対に表れる。

［カム等］
内燃機関のシリンダヘッドのカムサポート２７と、該カムサポート２７の上にボルト２９により取り付けられたカムキャップ２８との間に、カムシャフト２が挿通しているとともに回転可能に支持されている。互いに離間した２つのカムサポート２７の間において、カムシャフト２には、軸長方向ｄ１側から軸長方向ｄ２側へ順に、駆動カムとしての第一カム３及び第二カム４と、カムレール溝としての第二螺旋溝７、円環溝６及び第一螺旋溝５と、再び駆動カムとしての第一カム３及び第二カム４とが、並んで設けられている。

２つの第一カム３は、断面形状が円形のベース円と、ベース円から突出した相対的に高リフトかつ狭作用角のノーズとからなり、主に高速回転域で使用されるものである。
２つの第二カム４は、断面形状が円形のベース円と、ベース円から突出した相対的に低リフトかつ広作用角のノーズとからなり、主に低速回転域で使用されるものである。

円環溝６は、リンクアーム２０を軸長方向ｄ１，ｄ２に変位不能に係止するための溝であって、軸長方向にずれない円環状の溝である。

第一螺旋溝５は、リンクアーム２０を軸長方向ｄ１に変位させるための溝であって、円環溝６よりも軸長方向ｄ２側に設けられている。第一螺旋溝５は、その基端から所定の位置までは、カムシャフト２の回転方向の反対方向に軸長方向ｄ１，ｄ２にずれることなく延びており、該所定の位置からは、カムシャフト２の回転方向の反対方向に進むに従い軸長方向ｄ１側に進む螺旋状に延びて円環溝６に合流している。この螺旋状に延びる部分は、第一及び第二カム３，４のベース円作用時に、第一係入アーム２３の先端部が係入する位相に設けられている。

第二螺旋溝７は、リンクアーム２０を軸長方向ｄ２に変位させるための溝であって、円環溝６よりも軸長方向ｄ１側に設けられている。第二螺旋溝７は、その基端から所定の位置までは、カムシャフト２の回転方向の反対方向に軸長方向ｄ１，ｄ２にずれることなく延びており、該所定の位置からは、カムシャフト２の回転方向の反対方向に進むに従い軸長方向ｄ２側に進む螺旋状に延びて円環溝６に合流している。この螺旋状に延びる部分は、第一及び第二カム３，４のベース円作用時に、第二係入アーム２４の先端部が係入する位相に設けられている。

［ロッカアーム等］
シリンダヘッドのカムサポート２７には、カムシャフト２と平行に延びるロッカシャフト９が挿通している。互いに離間した２つのカムサポート２７の間において、ロッカシャフト９にはロッカアーム１０が、ロッカシャフト周方向に揺動可能に、且つ、軸長方向ｄ１，ｄ２に変位可能に支持されている。

ロッカアーム１０は、図３等に示すように、左ロッカアーム１１と右ロッカアーム１２の下部間が連結部１３により隔てられて連結された２連型のロッカアームである。左右の各ロッカアーム１１，１２は、ロッカシャフト９に外嵌されて上記のとおり支持された基部１４と、軸長方向に離間した一対の側壁部１７，１７と、一対の側壁部１７，１７の下部間を連結する底部１８とを含み、底部１８の下面の前部にバルブＶを押圧するバルブ押圧部が形成されている。ロッカアーム１０の左右長が２つのカムサポート２７間よりも小さいため、ロッカアーム１０は２つのカムサポート２７間で軸長方向ｄ１，ｄ２に変位可能である。

さらに、左右の各ロッカアーム１１，１２は、一対の側壁部１７，１７の間に架け渡されたローラ軸１５と、ローラ軸１５にニードルローラを介してローラ軸周方向に回転可能に軸着されたローラ１６とを含んでいる。ローラ１６は、一対の側壁部１７，１７のロッカシャフト長方向に対向する一対の第一対向面ｆ１，ｆ１に、所定のクリアランス（ローラ１６の回転を許容するための最小限の隙間）をおいて挟まれた状態で、上記のとおりローラ軸１５に軸着されている。よって、ローラ１６は、各ロッカアーム１１，１２に対してはロッカシャフト軸長方向（ローラ軸長方向）に実質的に相対変位しないように位置決めされており、ロッカアーム１０と共にロッカシャフト長方向に変位する。

［リンクアーム］
リンクアーム２０は、図３等に示すように、筒状基部２２と、筒状基部２２から、正面視で軸長方向に互いに離間し、側面視でＶ字をなするように、前方へ突出した第一係入アーム２３及び上方へ突出した第二係入アーム２４とを含み構成されている。

筒状基部２２は、左ロッカアーム１１の基部１４と右ロッカアーム１２の基部１４のロッカシャフト長方向に対向する一対の第二対向面ｆ２，ｆ２に、所定のクリアランス（リンクアーム２０の回動を許容する最小限の隙間）をおいて挟まれた状態で、ロッカシャフト９にロッカシャフト周方向に回動可能に外嵌されている。よって、リンクアーム２０は、ロッカアーム１０に対しては軸長方向に実質的に変位不能であり、ロッカアーム１０及びローラ１６と共に軸長方向に変位可能である。

ロッカアーム１０の軸長方向ｄ１側のスラスト位置は、左ロッカアーム１１の基部１４の左側面が左側のカムサポート２７（又はカムキャップ２８）の側面に当接することにより決まり、これが決まると同時にローラ１６の軸長方向ｄ１側のスラスト位置も決まる。言い換えれば、カムサポート２７（又はカムキャップ２８）の側面で、ロッカアーム１０の軸長方向ｄ１側のスラスト方向の変位端を規制する。
ロッカアーム１０の軸長方向ｄ２側のスラスト位置は、右ロッカアーム１２の基部１４の右側面が右側のカムサポート２７（又はカムキャップ２８）の側面に当接することにより決まり、これが決まると同時にローラ１６の軸長方向ｄ２側のスラスト位置も決まる。言い換えれば、カムサポート２７（又はカムキャップ２８）の側面で、ロッカアーム１０の軸長方向ｄ２側のスラスト方向の片異端を規制する。

筒状基部２２の背面には板状の被押圧部２５が設けられ、被押圧部２５の下部又は上部が択一的に前方へ回動装置４０により押圧されることにより、リンクアーム２０が回動する。

第一係入アーム２３は、その先端部が第一螺旋溝５ないし円環溝６に係入可能に形成されている。
第二係入アーム２４は、その先端部が第二螺旋溝７ないし円環溝６に係入可能に形成されている。

［付勢構造］
ロッカアーム１０を軸長方向ｄ１側のスラスト位置に付勢する付勢構造３０は、左側のカムサポート２７の背面にボルト３２で取り付けられた板バネ３１で付勢される凸状ラッチ３３と、左ロッカアーム１１の基部１４に形成された、凸状ラッチ３３が係入する凹状キャッチ３４とからなる。
ロッカアーム１０を軸長方向ｄ２側のスラスト位置に付勢する付勢構造３０は、右側のカムサポート２７の背面にボルト３２で取り付けられた板バネ３１で付勢される凸状ラッチ３３と、右ロッカアーム１２の基部１４に形成された、凸状ラッチ３３が係入する凹状キャッチ３４とからなる。
各凸状ラッチ３３は、板バネ３１の途中部を変形させて形成されているが、板バネ３１に取り付けられたものでもよい。

ロッカアーム１０が軸長方向ｄ１，ｄ２の各スラスト位置に決まったときに、各凸状ラッチ３３は各凹状キャッチ３４に係合して、ロッカアーム１０を各スラスト位置に付勢する。この付勢によりロッカアーム１０は各スラスト位置に保持されるため、どちらの係入アーム２３，２４も螺旋溝５，７に係入しないタイミングで、動弁機構に振動や外力が加わったとしても、ロッカアーム１０及びリンクアーム２０が意図しない位置に変位することはない。

［回動装置］
回動装置４０は、図２、図４等に示すように、被押圧部２５の下部を前方へ押圧してリンクアーム２０を軸周方向一方ｒ１に回動させるための第一電磁ソレノイド４１と、被押圧部２５の上部を前方へ押圧してリンクアーム２０を軸周方向他方ｒ２に回動させるための第二電磁ソレノイド４２とからなる。各電磁ソレノイド４１，４２は、ＯＮによりロッドを繰出してリンクアーム２０を押圧し、ＯＦＦによりロッドを退入させて前記押圧を解除する。

以上のように構成された実施例の可変動弁機構１の可変動弁動作を説明する。
［１］ローラ１６を第二カム４が当接する位置に変位させるとき
第二電磁ソレノイド４２をＯＮにして、被押圧部２５の上部を前方へ押圧し、図４（ｂ）に実線で示すように、リンクアーム２０を軸周方向他方ｒ２に回動させる。このリンクアーム２０の回動により、第二係入アーム２４の先端部が第二螺旋溝７に係入し、第一係入アーム２３の先端部が円環溝６から退出する。前記のとおり、第二螺旋溝７の螺旋状に延びる部分はベース円作用時に第二係入アーム２４が係入する位相にあるので、図１、図２及び図５（ａ）に示すように、リンクアーム２０はカムシャフト２の回転に伴いベース円作用時に第二螺旋溝７に沿って軸長方向他方ｄ２に変位し、ロッカアーム１０及びローラ１６を押して同様に変位させる。その結果、２つのローラ１６は２つの第二カム４が当接する（且つ第一カム３が当接しない）位置に変位し、第二係入アーム２４が円環溝６に入ることでリンクアーム２０の左右方向位置が保持される。また、上記のとおり、ロッカアーム１０のスラスト位置がロッカアーム１０とカムサポート２７との当接により決まり、付勢構造３０によりロッカアーム１０はスラスト位置に付勢される。

そして、第二カム４によりローラ１６が押圧されてロッカアーム１０が揺動し、左ロッカアーム１１のバルブ押圧部に押圧されるバルブＶと、右ロッカアーム１２のバルブ押圧部に押圧されるバルブＶが、２本同時に、低リフトかつ広作用角でリフトされる。この動弁モードは、主に低速回転域で使用される。

［２］ローラ１６を第一カム３が当接する位置に変位させるとき
第一電磁ソレノイド４１をＯＮにして、被押圧部２５の下部を前方へ押圧し、図４（ｂ）に２点鎖線で示すように、リンクアーム２０を軸周方向一方ｒ１に回動させる。このリンクアーム２０の回動により、第一係入アーム２３の先端部が第一螺旋溝５に係入し、第二係入アーム２４の先端部が円環溝６から退出する。前記のとおり、第一螺旋溝５の螺旋状に延びる部分はベース円作用時に第一係入アーム２３が係入する位相にあるので、図５（ｂ）に示すように、リンクアーム２０はカムシャフト２の回転に伴いベース円作用時に第一螺旋溝５に沿って軸長方向一方ｄ１に変位し、ロッカアーム１０及びローラ１６を押して同様に変位させる。その結果、２つのローラ１６は２つの第一カム３が当接する（且つ第二カム４が当接しない）位置に変位し、第一係入アーム２３が円環溝６に入ることでリンクアーム２０の左右方向位置が保持される。また、上記のとおり、ロッカアーム１０のスラスト位置がロッカアーム１０とカムサポート２７との当接により決まり、付勢構造３０によりロッカアーム１０はスラスト位置に付勢される。

そして、第一カム３によりローラ１６が押圧されてロッカアーム１０が揺動し、左ロッカアーム１１のバルブ押圧部に押圧されるバルブＶと、右ロッカアーム１２のバルブ押圧部に押圧されるバルブＶが、２本同時に、高リフトかつ狭作用角でリフトされる。この動弁モードは、主に高速回転域で使用される。

本実施例によれば、次の作用効果が得られる。
（ア）ロッカアーム１０及びローラ１６のスラスト位置を、螺旋溝５，７及び係入アーム２３，２４とは別の少数の部材（ロッカアーム１０自身とカムサポート２７又はカムキャップ２８）により決めて、螺旋溝５，７及び係入アーム２３，２４の耐久性を高めるとともに、同部材が少数であることにより、スラスト位置の精度を向上させてばらつきを低減できる。また、同部材が少数であることは、同部材の公差詰めの緩和によるコスト低減も可能にする。
（イ）２つのどちらの係入アームも螺旋溝に係入しないタイミングで、リンクアームが意図しない位置に変位しないようにすることができる。
（ウ）従来例のような（ロッカアームとは別部品である）ローラの側面を抱持するローラガイドをリンクアームと共に軸長方向に変位するように設ける必要がないため、構造が簡略化する。
（エ）ロッカアームに設けるローラ軸をローラ幅と実質的に同等にまで短くすることができる。このようにローラ軸が短いと、ローラに荷重が入力された際に、ローラ軸のたわみが小さいため、機構剛性が向上する。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、例えば次のように、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することができる。
（１）第一カム３及び第二カム４をそれぞれ１つにし、ローラ１６を１つにすること。

１ 可変動弁機構
２ カムシャフト
３ 第一カム
４ 第二カム
５ 第一螺旋溝
６ 円環溝
７ 第二螺旋溝
９ ロッカシャフト
１０ ロッカアーム
１１ 左ロッカアーム
１２ 右ロッカアーム
１３ 連結部
１４ 基部
１５ ローラ軸
１６ ローラ
１７ 側壁部
１８ 底部
２０ リンクアーム
２２ 筒状基部
２３ 第一係入アーム
２４ 第二係入アーム
２５ 被押圧部
Ｖ バルブ
ｆ１ 第一対向面
ｆ２ 第二対向面

Claims (1)

1. カムシャフト（２）に、カム（３）と２つの螺旋溝（５，７）とが設けられ、
   カムシャフト（２）と平行に延びるロッカシャフト（９）に、カム（３）が当接しうるローラ（１６）を含むロッカアーム（１０）が揺動可能に支持され、
   ２つの螺旋溝（５，７）に択一的に係入する２つの係入アーム（２３，２４）を含むリンクアーム（２０）が、ロッカシャフト長方向に変位可能に設けられ、
   ２つの係入アーム（２３，２４）を回動装置（４０）により回動させて、一方の係入アーム（２３）を一方の螺旋溝（５）に係入させるか又は他方の係入アーム（２４）を他方の螺旋溝（７）に係入させるかを選択することにより、選択した螺旋溝（５，７）に従ってリンクアーム（２０）がロッカシャフト長方向に変位し、該変位に基づいてローラ（１６）がロッカシャフト長方向に変位して、ローラ（１６）に前記カム（３）が当接するか又は当接しないかを切り替える内燃機関の可変動弁機構において、
   ロッカアーム（１０）は、ロッカシャフト（９）にロッカシャフト長方向に変位可能に支持され、
   ローラ（１６）は、ロッカアーム（１０）のロッカシャフト長方向に対向する一対の第一対向面（ｆ１，ｆ１）に所定のクリアランスをおいて挟まれた状態で、ロッカアーム（１０）に設けられたローラ軸（１５）に回転可能に軸着され、
   リンクアーム（２０）は、ロッカアーム（１０）のロッカシャフト長方向に対向する一対の第二対向面（ｆ２，ｆ２）に所定のクリアランスをおいて挟まれていることを特徴とする内燃機関の可変動弁機構。

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