JP2023011129A - 内燃機関の可変動弁機構 - Google Patents

Abstract

【課題】カムレールの溝壁面とピンとの接触面圧を低くして、摩耗減少・耐久性向上を図る。【解決手段】カムと共に回転する溝状のカムレール５，６と、カムレール５，６に係入したピン１５，１６との、前記回転に伴うスラスト方向の相対変位を、可変動弁に利用する内燃機関の可変動弁機構において、ピン１５，１６の断面形状は、カムレール５，６の溝壁面との接触部ｐの曲率半径が該断面形状に内接する最大の仮想円ｔの半径よりも大きいことを含む、非円形である。前記接触部の曲率半径は前記仮想円ｔの半径の１．５倍以上であることが好ましい。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の可変動弁機構に関する。

カムと共に回転する溝状のカムレールと、カムレールに係入したピンとの、前記回転に伴うスラスト方向の相対変位を、バルブリフトを切り替える可変動弁に利用する機構が知られている（特許文献１～５）。

独国特許出願公開第１０２００４０２４２１９Ａ１号明細書 特開２０１０－２４９１２３号公報 特開２０１４－２２４４９６号公報 特開２０１３－１３３８０９号公報 特開２０２０－１３９４２８号公報

従来の同機構において、バルブリフト切替時の内燃機関回転数を上げようとすると、カムレールのアール箇所の溝側面とピンとの接触面圧が高くなり、異常摩耗等の不具合につながる。そこで、本発明者は先に、カムレールの所定区間の溝壁面を単一アールにすることにより接触面圧を低くすることを発案したが（特願２０２１－３８３７号（本出願時において未公開））、さらに接触面圧を下げることを目指している。

そこで、本発明の目的は、カムレールの溝壁面とピンとの接触面圧を低くして、摩耗減少・耐久性向上を図ることにある。

本発明者は、カムレールに続いて、ピンの形状に着目した。従来の同機構においてピンは円柱状であり、ピンの直径はカムレールの溝幅よりも小さいという関係がある。このピン側の制約が接触面圧低下の限界となっていることに着目するとともに、ピンはそれを支える部材（アーム等）に回転しないように設けられることに着目し、さらに検討を重ねて本発明に至った。

［１］カムと共に回転する溝状のカムレールと、カムレールに係入した柱状のピンとの、前記回転に伴うスラスト方向の相対変位を、可変動弁に利用する内燃機関の可変動弁機構において、
ピンの断面形状は、カムレールの溝壁面との接触部の曲率半径が該断面形状に内接する仮想円の半径よりも大きい、非円形であることを特徴とする内燃機関の可変動弁機構。

［２］上記［１］において、前記接触部の曲率半径が前記仮想円の半径の１．５倍以上であることが好ましく、より好ましくは２倍以上であり、最も好ましくは３倍以上である。
前記接触部の曲率半径の上限は、特に限定されないが、カムレールの溝壁面のアールまでとすることが好ましい。よって、前記接触部がカムレールの直線状の溝壁面にのみ接触する側であれば、該接触部の曲率半径は無限大（すなわち直線であって平らな面を形成する）であってもよい。

［３］上記［１］又は［２］において、カムレールは、回転角の進行によりスラスト方向にずれない第一区間と、第一区間に続いて、回転角の進行によりスラスト方向に進む第二区間と、第二区間に続いて、回転の進行によりスラスト方向にずれない第三区間とを含み、
第二区間の開始点から第二区間の前半を越えた箇所までの、第三区間から遠い側の溝壁面が、第一区間の終了点に傾きなく続く単一アールであることが好ましい。
単一アールの曲率半径は、第二区間（ｂ）の周方向長さの１／２以上であることが好ましい。
単一アールの曲率半径は、３０ｍｍ以上であることが好ましく、より好ましくは４０ｍｍ以上であり、最も好ましくは５０ｍｍ以上である。
前記曲率半径の上限は、特に限定されないが、敢えていえば８０ｍｍである。

本発明によれば、カムレールの溝壁面とピンとの接触面圧を低くして、摩耗減少・耐久性向上を図ることができる。

図１は実施例１の可変動弁機構を正面側から見た斜視図である。 図２（ａ）は実施例１の可変動弁機構の要部を背面側から見た斜視図、（ｂ）は第一ピン及び第二ピンの断面形状を示す図である。 図３は同可変動弁機構の右側面図であり、（ａ）はローラが駆動用カムに当接する状態の図、（ｂ）はローラが休止用カムに当接する状態の図である。 図４は同可変動弁機構の平面図であり、（ａ）はローラが駆動用カムに当接する状態から第一ピンがスラスト移動を開始するときの図、（ｂ）はローラが休止用カムに当接するように第一ピンがスラスト移動を終えたときの図である。 図５は図４（ａ）から（ｂ）へと回転する第一カムレールを平らに展開して第一ピンと共に示す展開図であり、（ａ）は第一ピンが第一区間にあるときの図、（ｂ）は第一ピンが第一区間の第三区間から遠い溝壁面に沿って第二区間の開始点にきたときの図、（ｃ）は第一ピンが第一区間の第三区間から近い溝壁面に沿って第二区間の途中にきたときの図、（ｄ）は第一ピンが第二区間の出口付近にきたときの図である。 図６は同可変動弁機構の右側面図であり、（ａ）はローラが休止用カムに当接する状態の図、（ｂ）はローラが駆動用カムに当接する状態の図である。 図７は同可変動弁機構の平面図であり、（ａ）はローラが休止用カムに当接する状態から第二ピンがスラスト移動を開始するときの図、（ｂ）はローラが駆動用カムに当接するように第二ピンがスラスト移動を終えたときの図である。 図８は図７（ａ）から（ｂ）へと回転する第二カムレールを平らに展開して第二ピンと共に示す展開図であり、（ａ）は第二ピンが第一区間にあるときの図、（ｂ）は第二ピンが第一区間の第三区間から遠い溝壁面に沿って第二区間の開始点にきたときの図、（ｃ）は第二ピンが第一区間の第三区間から近い溝壁面に沿って第二区間の途中にきたときの図、（ｄ）は第二ピンが第二区間の出口付近にきたときの図である。 図９は実施例２の可変動弁機構の平面図であり、（ａ）はローラが休止用カムに当接する状態からカムキャリアがスラスト移動を開始するときの図、（ｂ）はローラが駆動用カムに当接するようにカムキャリアがスラスト移動を終えたときの図である。

１．カムレールとピンとのスラスト方向の相対変位
カムレールとピンとのスラスト方向の相対変位は、ピン側がスラスト変位してカムレール側がスラスト変位しない態様でもよいし、カムレール側がスラスト変位してピン側がスラスト変位しない態様でもよい。

２．スラスト方向の相対変位を可変動弁に利用する態様
スラスト方向の相対変位を可変動弁に利用する態様としては、特に限定されないが、スラスト方向に並ぶ駆動用カムと休止用カムとを切り換えてバルブの駆動状態と休止状態とを切り換える態様、スラスト方向に並ぶ高リフトカムと低リフトカムとを切り換えてバルブの高リフト駆動状態と低リフト駆動状態とを切り換える態様等を例示できる。

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。

＜実施例１＞
図１～図８に示す実施例１の可変動弁機構１は、ピン側がスラスト変位してカムレール側がスラスト変位しない態様であって、カムレールの構成以外は、特許文献２の実施例１の可変動弁機構と共通するものである。可変動弁機構１は、一つの気筒に設けられた２本の吸気用又は排気用のバルブＶに対して設けられており、該２本のバルブＶの駆動と休止とを切り換える。

以下において、カムシャフト２の軸線方向と平行な方向をスラスト方向という。スラスト方向は、図１、図４、図７での左右方向である。左、右というときは、図１、図４、図７での左、右をいう。

カムシャフト２には、左から右へ順に、駆動用カム３、休止用カム４、第一カムレール５、第二カムレール６、駆動用カム３及び休止用カム４が、並んで設けられており、これらはカムシャフト２と共にカムシャフト２の軸線回りに回転する。

駆動用カム３は、ベース円とノーズを備えるものである。
休止用カム４は、ベース円のみを備えてノーズを備えないものである。

第一カムレール５は、図５等に示すように、回転角の進行によりスラスト方向にずれない第一区間ａと、第一区間ａに続いて、回転角の進行によりスラスト方向（右方向）に進む第二区間ｂと、第二区間ｂに続いて、回転の進行によりスラスト方向にずれない第三区間ｃとを含む。
第一区間ａは、後述する第一ピン１５を係入させ易くするためのものである。
第二区間ｂは、カムノーズがロッカアーム８に当接しない時に、後述する第一ピン１５に当接する位相に設けられている。
第二区間ｂの開始点から第二区間ｂの前半を越えた箇所（図示例では第二区間ｂの約７５～８５％）までの、第三区間ｃから遠い側の溝壁面は、第一区間ａの終了点に傾きなく続く単一アール（第三区間ｃから遠い方へ凸）である。単一アールの曲率半径は、第二区間（ｂ）の周方向長さ（図５のｂの矢印間長）の１／２以上であり、かつ、５０～７０ｍｍから選ばれる値である。第二区間ｂの単一アールが終わってから第二区間ｂの終了点までの（すなわち第二区間ｂの出口付近の）、第三区間ｃから遠い側の溝壁面は、前記単一アールよりも曲率半径が小さいアール（第三区間ｃから遠い方へ凹）であり、さらに直線部を含んでいてもよい。
第三区間ｃは、後述するリンクアーム１１を軸長方向に移動しないように係止するための環状溝であり、次の第二カムレール６の第三区間ｃと共用である。

第二カムレール６は、図８等に示すように、回転角の進行によりスラスト方向にずれない第一区間ａと、第一区間ａに続いて、回転角の進行によりスラスト方向（左方向）に進む第二区間ｂと、第二区間ｂに続いて、回転の進行によりスラスト方向にずれない第三区間ｃとを含む。
第一区間ａは、後述する第二ピン１６を係入させ易くするためのものである。
第二区間ｂは、カムノーズがロッカアーム８に当接しない時に、後述する第二ピン１６に当接する位相に設けられている。
第二区間ｂの開始点から第二区間ｂの前半を越えた箇所（図示例では第二区間ｂの約７５～８５％）までの、第三区間ｃから遠い側の溝壁面は、第一区間ａの終了点に傾きなく続く単一アール（第三区間ｃから遠い方へ凸）である。単一アールの曲率半径は、第二区間（ｂ）の周方向長さ（図８のｂの矢印間長）の１／２以上であり、かつ、５０～７０ｍｍから選ばれる値である。第二区間ｂの単一アールが終わってから第二区間ｂの終了点までの（すなわち第二区間ｂの出口付近の）、第三区間ｃから遠い側の溝壁面は、前記単一アールよりも曲率半径が小さいアール（第三区間ｃから遠い方へ凹）であり、さらに直線部を含んでいてもよい。
第三区間ｃは、後述するリンクアーム１１を軸長方向に移動しないように係止するための環状溝であり、上記の第一カムレール５の第三区間ｃと共用である。

左右方向に延びるロッカシャフト７には、左右二つのロッカアーム８と、両ロッカアーム８の間に配されたリンクアーム１１と、これらのアームを一緒に左右方向に変位可能に連結する連結部材１９とが、揺動可能かつ左右方向に変位可能に支持されている。

ロッカアーム８は、前後方向中間部に駆動用カム３及び休止用カム４に択一的に当接するローラ９を備え、先端部にバルブＶに当接する当接面を備えている。ロッカシャフト７は、ラッシュアジャスタ１０に支持されている。

リンクアーム１１は、筒状基部１２と、筒状基部１２から側面視でＶ字をなするように延びた第一アーム１３及び第二アーム１４を備えている。第一アーム１３の先端部には、第一カムレール５に係入する柱状の第一ピン１５が、該先端部に対して回転しないように設けられている。第二アーム１４の先端部には、第二カムレール６に係入する柱状の第二ピン１６が該先端部に対して回転しないように設けられている。第一アーム１３が電磁アクチュエータ１７により押圧されると、リンクアーム１１が回動して、第一ピン１５が第一カムレール５に係入し、第二ピン１６が第二カムレール６から外れる。また、第二アーム１４がリターンスプリング１８により押圧されると、リンクアーム１１が回動して、第二ピン１６が第二カムレール６に係入し、第一ピン１５が第一カムレール５から外れる。

図２（ｂ）等に示すように、第一ピン１５及び第二ピン１６の断面形状は、それぞれ第一カムレール５及び第二カムレール６の溝壁面との接触部ｐ，ｑの曲率半径が該断面形状に内接する最大の仮想円ｔの半径よりも大きい、非円形（異形）である。仮想円ｔの半径を例えば５ｍｍとすると、該非円形の詳細は次のとおりである。
・第一区間ａ及び第二区間ｂの両溝壁面のうち第三区間ｃから遠い側の溝壁面と接触する第一ピン１５及び第二ピン１６の接触部ｐの曲率半径は、例えば１５～２０ｍｍであり、該接触部ｐは第二区間ｂの単一アールと同じ方向に傾いており、
・第一カムレール５の第一区間ａ及び第二区間ｂの両溝壁面のうち第三区間ｃに近い側の溝壁面と接触する、第一ピン１５及び第二ピン１６の接触部ｑの曲率半径が無限大（すなわち直線であって平らな面を形成する）であり、
・単一アールが接近してくる側及びその反対側の、第一ピン１５及び第二ピン１６の溝横断部ｒ，ｓは直線であり、
・接触部ｐと溝横断部ｒ，ｓとの間、接触部ｑと溝横断部ｒ，ｓとの間は、微小な曲率半径（例えば１～３ｍｍ）である。

第一カムレール５及び第二カムレール６の溝幅は、第一ピン１５及び第二ピン１６をスムーズに摺接させるために、第一ピン１５及び第二ピン１６の最大横幅よりも、例えば０．５～１ｍｍ大きい。
そのため、図５（ａ）に示すように、第一ピン１５は、第一カムレール５の第一区間ａにあるときに、第一区間ａの両溝壁面のうち第三区間ｃから遠い左側の溝壁面に沿うこともあるし、第三区間ｃに近い右側の溝壁面に沿うこともある。
同様に、図８（ａ）に示すように、第二ピン１６は、第二カムレール６の第一区間ａにあるときに、第一区間ａの両溝壁面のうち第三区間ｃから遠い右側の溝壁面に沿うこともあるし、第三区間ｃに近い左側の溝壁面に沿うこともある。

連結部材１９は、両ロッカアーム８の間にリンクアーム１１が配された状態で、両ロッカアーム８を抱持するコ字状の部材である。

以上のように構成された実施例１の可変動弁機構の動作を説明する。
［１］駆動状態から休止状態に切り換えるとき
図３（ａ）に示すように、第一ピン１５が第一カムレール５から抜出し、第二ピン１６が第二カムレール６の第三区間ｃに係入しているとき、図４（ａ）に示すように、駆動用カム３がローラ９に当接するバルブ駆動状態である。この状態から、電磁アクチュエータ１７を作動させてリンクアーム１１を回動させ、図４（ａ）に示すように、第一ピン１５を第一カムレール５の第一区間ａに係入させ、第二ピン１６を第二カムレール６の第三区間ｃから抜出させる。すると、カムシャフト２の回転により、第一ピン１５が、第一カムレール５の第一区間ａから第二区間ｂに移り、第二区間ｂに沿ってスラスト方向（右方向）に変位するため、それと共にリンクアーム１１及びロッカアーム８も右方向にスラスト移動し、さらに第一ピン１５が第三区間ｃに移って、図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示すように、休止用カム４がローラ９に当接するバルブ休止状態に切り換わる。

図５は、図４（ａ）から（ｂ）へと回転する第一カムレール５を平らに展開して第一ピン１５と共に示す展開図である。

まず、第一ピン１５が、図５（ａ）に実線で示すように、第一区間ａにおける第三区間ｃから遠い左側の溝壁面に沿った場合、図５（ｂ）に示すように、第二区間ｂの左側の溝壁面の開始点に滑らかに移行し、その後も左側の溝壁面に沿って滑らかに摺接してスラスト変位する。この間の第二区間ｂと第一ピン１５との接触面圧の増加は低い。これは、第一ピン１５の接触部ｐの曲率半径が大きく、また、第二区間ｂの開始点から第二区間ｂの前半を越えた箇所までの、第三区間ｃから遠い側の溝壁面が、第一区間ａの終了点に傾きなく続く、曲率半径が大きい単一アールだからである。こうして、スラスト移動で接触面圧が特に高くなる第二区間ｂの前半での接触面圧を、低くキープすることができる。続いて、第一ピン１５が、図５（ｄ）に示すように、第二区間ｂの出口付近の小さいアールにきたとき、第二区間ｂと第一ピン１５との接触面圧は高くなる。しかし、第二区間ｂの出口付近では、上記リンクアーム１１及びロッカアーム８のスラスト移動が終了側にあり、移動させるための荷重は殆どかからないため、悪影響はない。このスラスト移動の慣性力により、図５（ｄ）の直後に、第一ピン１５の接触部ｑは第三区間ｃの右側の溝壁面に当たるが、接触部ｑは上記のとおり直線であって面接触するため耐久性が高い。

次に、第一ピン１５が、図５（ａ）に鎖線で示すように、第一区間ａにおける第三区間ｃから遠い右側の溝壁面に沿った場合、図５（ｃ）に示すように、第二区間ｂの開始点からやや進んだ途中部の左側の溝壁面に衝突する。しかし、第一ピン１５の接触部ｐの曲率半径が大きく、また、その溝壁面は曲率半径が大きい単一アールであるから、第一ピン１５は緩く衝突し、接触面圧のピークはさほど高くならない。衝突後の第一ピン１５は、上記と同様に溝壁面に沿って滑らかに摺接してスラスト変位する。

［２］休止状態から駆動状態に切り換えるとき
図６（ａ）は、図３（ｂ）と同じくバルブ休止状態である。この状態から、電磁アクチュエータ１７を停止させてリターンスプリング１８の復元力によりリンクアーム１１を回動させ、図７（ａ）に示すように、第一ピン１５を第一カムレール５の第三区間ｃから抜出させ、第二ピン１６を第二カムレール６の第一区間ａに係入させる。すると、カムシャフト２の回転により、第二ピン１６が、第二カムレール６の第一区間ａから第二区間ｂに移り、第二区間ｂに沿ってスラスト方向（左方向）に変位するため、それと共にリンクアーム１１及びロッカアーム８も左方向にスラスト移動し、さらに第二ピン１６が第三区間ｃに移って、図６（ｂ）及び図７（ｂ）に示すように、駆動用カム３がローラ９に当接するバルブ駆動状態に切り換わる。

図８は、図７（ａ）から（ｂ）へと回転する第二カムレール６を平らに展開して第二ピン１６と共に示す展開図である。

まず、第二ピン１６が、図８（ａ）に実線で示すように、第一区間ａにおける第三区間ｃから遠い右側の溝壁面に沿った場合、図８（ｂ）に示すように、第二区間ｂの右側の溝壁面の開始点に滑らかに移行し、その後も右側の溝壁面に沿って滑らかに摺接してスラスト変位する。この間の第二区間ｂと第二ピン１６との接触面圧の増加は低い。これは、第二ピン１６の接触部ｐの曲率半径が大きく、また、第二区間ｂの開始点から第二区間ｂの前半を越えた箇所までの、第三区間ｃから遠い側の溝壁面が、第一区間ａの終了点に傾きなく続く、曲率半径の大きい単一アールだからである。こうして、スラスト移動で接触面圧が特に高くなる第二区間ｂの前半での接触面圧を、低くキープすることができる。続いて、第二ピン１６が、図８（ｄ）に示すように、第二区間ｂの出口付近の小さいアールにきたとき、第二区間ｂと第二ピン１６との接触面圧は高くなる。しかし、第二区間ｂの出口付近では、上記リンクアーム１１及びロッカアーム８のスラスト移動が終了側にあり、移動させるための荷重は殆どかからないため、悪影響はない。このスラスト移動の慣性力により、図８（ｄ）の直後に、第二ピン１５の接触部ｑは第三区間ｃの左側の溝壁面に当たるが、接触部ｑは上記のとおり直線であって面接触するため耐久性が高い。

次に、第二ピン１６が、図８（ａ）に鎖線で示すように、第一区間ａにおける第三区間ｃから遠い左側の溝壁面に沿った場合、図８（ｃ）に示すように、第二区間ｂの開始点からやや進んだ途中部の右側の溝壁面に衝突する。しかし、第二ピン１６の接触部ｐの曲率半径が大きく、また、その溝壁面は曲率半径の大きい単一アールであるから、第二ピン１６は緩く衝突し、接触面圧のピークはさほど高くならない。衝突後の第二ピン１６は、上記と同様に溝壁面に沿って滑らかに摺接してスラスト変位する。

＜実施例２＞
次に、図９に示す実施例２の可変動弁機構は、カムレール側がスラスト変位してピン側がスラスト変位しない態様であって、カムレールの構成以外は、特許文献２の実施例２の可変動弁機構と共通するものである。

実施例２は、カムシャフト２に筒状のカムキャリア２０が左右方向に変位可能かつ周方向に相対回動不能に外挿され、そのカムキャリア２０に駆動用カム３、休止用カム４、第一カムレール５、第二カムレール６が形成されている点と、カムシャフト２にロッカアーム８及びリンクアーム１１が左右方向に変位不能に設けられている点において実施例１と相違し、その他は実施例１と共通である。よって、実施例１と同様に、各カムレール５，６の溝壁面と各ピン１５，１６との接触面圧を低くすることができる。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、発明の要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）ピン側がスラスト変位してカムレール側がスラスト変位しない態様として、実施例１のほか、例えば特許文献３の実施例のような構成を採用すること。
（２）カムレール側がスラスト変位してピン側がスラスト変位しない態様として、実施例２のほか、例えば特許文献４の実施例のような構成を採用すること。

１ 可変動弁機構
２ カムシャフト
３ 駆動用カム
４ 休止用カム
５ 第一カムレール
６ 第二カムレール
７ ロッカシャフト
８ ロッカアーム
９ ローラ
１０ ラッシュアジャスタ
１１ リンクアーム
１２ 筒状基部
１３ 第一アーム
１４ 第二アーム
１５ 第一ピン
１６ 第二ピン
１７ 電磁アクチュエータ
１８ リターンスプリング
１９ 連結部材
２０ カムキャリア
Ｖ バルブ
ａ 第一区間
ｂ 第二区間
ｃ 第三区間
ｐ 接触部
ｑ 接触部
ｔ 仮想円

Claims (3)

1. カム（３，４）と共に回転する溝状のカムレール（５，６）と、カムレール（５，６）に係入した柱状のピン（１５，１６）との、前記回転に伴うスラスト方向の相対変位を、可変動弁に利用する内燃機関の可変動弁機構において、
   ピン（１５，１６）の断面形状は、カムレール（５，６）の溝壁面との接触部（ｐ，ｑ）の曲率半径が該断面形状に内接する最大の仮想円（ｔ）の半径よりも大きい、非円形であることを特徴とする内燃機関の可変動弁機構。
2. 前記接触部（ｐ，ｑ）の曲率半径が前記仮想円（ｔ）の半径の１．５倍以上である請求項１記載の内燃機関の可変動弁機構。
3. カムレール（５，６）は、回転角の進行によりスラスト方向にずれない第一区間（ａ）と、第一区間（ａ）に続いて、回転角の進行によりスラスト方向に進む第二区間（ｂ）と、第二区間（ｂ）に続いて、回転の進行によりスラスト方向にずれない第三区間（ｃ）とを含み、
   第二区間（ｂ）の開始箇所から第二区間（ｂ）の前半を越えた箇所までの、第三区間（ｃ）から遠い側の溝壁面が、第一区間（ａ）の終了箇所に傾きなく続く単一アールである請求項１又は２記載の内燃機関の可変動弁機構。

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