JP2962058B2

JP2962058B2 - 可変バルブタイミング機構

Info

Publication number: JP2962058B2
Application number: JP20147292A
Authority: JP
Inventors: 博多田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-07-28
Filing date: 1992-07-28
Publication date: 1999-10-12
Anticipated expiration: 2014-10-12
Also published as: JPH0650408A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関のカム軸駆動機
構に関し、詳細には運転条件に応じてバルブリフト特性
を変更可能な可変バルブタイミング機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の運転条件に応じて最適のバル
ブリフト期間（開弁期間）等のバルブリフト特性を得ら
れるようにした可変バルブタイミング機構が従来から考
案されている。一般に、バルブリフト特性は、カム軸の
カムプロフィルによって決定されるため、バルブリフト
期間を変更するためには異なるプロフィルを持つカムを
カム軸に予め形成しておき、それらを切換えて使用した
り、バルブリフトの作用角が異なるようにロッカアーム
を切換えてバルブを駆動する方法がとられている。しか
し、これらの方法は、ロッカアームを介さずにカムで直
接バルブ押動するいわゆるダイレクトＯＨＣ式の動弁機
構には適用が困難であった。

【０００３】一方、これらダイレクトＯＨＣ式のカム軸
にも適用可能なものとしてはカム軸を不等速回転させる
ことによりバルブリフト期間を可変化させるようにした
可変バルブタイミング機構がある。例えば、この種の可
変バルブタイミング機構の例としては、特開平３−２０
６３１１号公報に開示されたものがある。同公報の装置
は、カム軸への回転伝達経路に揺動運動をする遊星歯車
機構を設け、機関出力軸の等速回転にこの遊星歯車の揺
動回転運動を付加してカム軸に伝達することによりカム
軸の不等速回転運動を得るようにしたものである。カム
軸に不等速回転運動をさせ、例えばバルブ閉弁中にはカ
ム軸回転速度を増し、バルブ開弁中にはカム軸回転速度
を低下させることにより結果としてバルブ開弁期間を増
加させ、カムプロフィルを変更したと同等の効果を得る
ことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記特開平
３−２０６３１１号公報の装置はカム軸駆動経路に揺動
運動を生じさせる遊星歯車機構を設置する必要があり、
構造が複雑になる問題が生じる。また、カム軸にはバル
ブ駆動反力によるトルク変動が生じており、歯車噛合部
があるとトルク変動により歯面衝突音（カタ打ち音）が
発生するが、上記公報の装置ではカム軸駆動力は多数の
遊星歯車噛合部を介して伝達されることになるため、上
記カタ打ち音の発生個所が多く、対策が困難になる問題
がある。

【０００５】本発明は上記問題に鑑み、簡易な構造でバ
ルブリフト特性を変更可能であり、歯面衝突音対策が容
易な可変バルブタイミング装置を提供することを目的と
している。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、機関出
力軸回転を気筒弁駆動用カム軸に伝達する機構であっ
て、前記出力軸回転を前記カム軸にそれぞれ伝達可能な
第一の歯車装置と第二の歯車装置と、機関運転条件に応
じて前記第一の歯車装置と前記第二の歯車装置とを選択
的に切換えて前記カム軸を駆動する切換手段とを備え、
少なくとも前記第一の歯車装置は、前記機関出力軸の等
速回転を、機関出力軸回転角に応じて速度が変動する不
等速回転に変換する、相互に噛合する一対の非円形歯車
を備え、前記第一と第二の歯車装置はそれぞれ噛合部が
シザーズギヤとして構成されたことを特徴とする可変バ
ルブタイミング機構が提供される。

【０００７】

【作用】図４から図７を用いて本発明の作用を説明す
る。図４Ａ，Ｂはカム軸に回転を伝達する第一の歯車装
置に使用する非円形歯車の形状を示し、例えば図４
（Ａ）は２葉（楕円）歯車、図４（Ｂ）は楕円を２つ組
合せた形状を有する４葉歯車である。また図４（Ｃ）
は、本明細書で使用する楕円率ｅの定義を示す図であ
る。図４（Ｃ）に示すように楕円率ｅは、歯車の楕円の
長半径Ｒ₁と短半径Ｒ₂とを用いて１＋ｅ＝Ｒ₁／Ｒ，
１−ｅ＝Ｒ₂／Ｒ（Ｒ＝（Ｒ₁＋Ｒ₂）／２）として表
される。

【０００８】図５は、それぞれ図４（Ａ），図４（Ｂ）
の非円形歯車を用いて回転を伝達した場合の速度線図を
示す。図５に示すように入力軸を一定速度で回転させた
場合出力軸は図４（Ａ）の２葉歯車では１回転当り２回
（１８０度毎）、図４（Ｂ）の４葉歯車では１回転当り
４回（９０度毎）のサイクルで回転速度が周期的に変化
する不等速回転運動を行い、速度の変化幅は入力軸回転
速度を１とした場合（１−ｅ／１＋ｅ）〜（１＋ｅ／１
−ｅ）の範囲である。

【０００９】従って、上記歯車装置の出力軸側にカムを
形成して、それぞれの不等速回転区間でバルブを駆動す
ることにより同じカムプロフィルを用いて異なるバルブ
リフト期間や特性を得ることができる。なお、この場
合、２葉歯車は２気筒機関、４葉歯車は４気筒機関に使
用可能だが、他の気筒数の場合も気筒数と同じ葉数を持
つ非円形歯車を用いれば本発明を適用できる。

【００１０】次に図６を用いて非円形歯車によるバルブ
リフト特性変化の作用を説明する。図６において、横軸
は非円形歯車装置の入力軸回転角θ、縦軸は出力軸（カ
ム軸）回転角φを示す。今、仮に非円形歯車を使用せず
歯数の等しい真円歯車を使用して回転を伝達したとする
と入力軸回転角θと出力軸回転角φとはθ＝φの関係に
なり図６において原点を通り傾き４５度の直線で表わさ
れる（図６、直線Ｉ）。

【００１１】しかし、非円形歯車を使用した場合には、
出力軸回転角φは入力軸回転角θに対して図５に示した
変動成分を加算したものになり、図６に曲線IIで示すよ
うに直線Ｉを中心に周期的に変動する不等速回転になる
（図６，IIは４葉歯車の場合の速度変化を示す）。図６
にIII,IVで示したのは出力軸側に設けたカムのリフトカ
ーブである。実際には出力軸には歯車葉数（気筒数）に
等しい数のカムが設けられているが本図では簡単のため
１つのみを示し、カム形成位置を変化させた場合を描い
ている。またバルブリフト期間は出力軸回転角φに換算
して９０度とする。

【００１２】今、出力軸を真円歯車を用いて駆動し、等
速伝達を行ったとするとθ＝φ（直線Ｉ）の関係がある
ため、カムのリフトカーブは入力軸回転角θに換算した
場合もIII と同一である。一方、非円形歯車を用いて曲
線IIに示すような不等速伝達を行った場合にはカムのリ
フトカーブはカムを形成する位置（φの角度位置）によ
り変化する。

【００１３】すなわち図６にIII で示すφの範囲にカム
を形成した場合、不等速運動であるため、入力軸回転角
θに換算したカムのリフトカーブはIII ′のような形に
なりリフト開始及び終了時には速度が遅く最大リフト近
傍で速度が早い、いわゆる“やせたリフトカーブ”にな
る。また図６にIVで示すφの範囲にカムを形成した場合
には、θに換算するとリフト開始時及び終了時に速度が
早く最大リフト近傍で速度が遅い図にIV′で示す“太っ
たリフトカーブ”になり高速回転時等に性能向上を図る
ことができる。

【００１４】また、図６の場合はバルブリフト期間を９
０度（４葉の場合）としたためリフトカーブの形状は変
化してもθに換算したリフト期間は９０度のままであり
変化していない。しかし、リフト期間を９０度以外とし
た場合にはリフトカーブの形状と共にθに対するリフト
期間をも変化させることができる。

【００１５】図７は実際の４気筒機関のバルブリフト期
間に近い値としてカムのリフト期間を１３５度（φの値
で）とした場合を示す。図７，Ｉに示した位置では、θ
に換算するとリフトは遅く始まり早く終了することにな
るためリフト期間は１３５度より短くなり、図７にＩ′
で示すように、例えば最小で１１２度程度になる。ま
た、逆に図７，IIに示した位置にカムを形成するとリフ
ト期間は長くなり、図７にII′で示すように最大１５８
度程度になる。

【００１６】本発明では、上記を利用してカム軸を非円
形歯車と他の歯車（例えば真円歯車、又は位相、形状等
が異なる他の非円形歯車）とを選択的に用いて駆動する
ことにより吸気弁、排気弁等の気筒弁のリフト特性や期
間が運転条件に応じて切換えられる。また、本発明で
は、カム軸駆動力伝達経路に設置する非円形歯車は原則
として１組で足り、噛合部も１個所であるため、容易に
シザーズギヤとして構成できるため、歯面のカタ打ち音
が低減される。

【００１７】

【実施例】図１から図３に本発明の第一の実施例を示
す。図１は本発明の可変バルブタイミング機構の断面図
を示す。図１において、１は吸気弁駆動用カム軸、３は
駆動軸であり、図示しないクランク軸からベルトや歯車
等を介して駆動され、歯車５ａ，５ｂ，７ａ，７ｂを介
してカム軸１を回転駆動している。なお、ダブルオーバ
ヘッドカムシャフト機関では独立した駆動軸３を設ける
代わりに、排気弁駆動用カム軸をクランク軸で駆動し、
排気弁駆動用カム軸を駆動軸３として用いて歯車５ａ，
５ｂ，７ａ，７ｂを介して吸気カム軸１を駆動するよう
にしても良い。

【００１８】本実施例では歯車５ａ，５ｂは相互に噛合
する真円歯車として構成されており、歯車７ａ，７ｂは
直列４気筒エンジンを想定して図２に示すように相互に
噛合する４葉歯車として構成されている。また、歯車５
ａと７ａとは一体に接合されており、更にピン９を介し
てカム軸１に対して回転不能に固定されている。また、
歯車５ｂと７ｂとは別体に形成されており、それぞれ駆
動軸３に対しては回転自由に個別に嵌装されている。

【００１９】また駆動軸３は中空構造とされ、中空部の
内部を摺動可能なピストン１１が設けられている。ま
た、ピストン１１の両側の中空部は油圧通路１３ａ，１
３ｂと図示しない油圧切換弁とを介して油圧供給源とド
レーンとに選択的に接続されるようになっている。例え
ば通路１３ａ側に油圧が供給されるとピストン１１は図
中右方向に移動し、通路１３ｂ側に油圧が供給されると
ピストン１１は図中左方向に移動する。また、ピストン
１１は駆動軸３壁面に設けた長穴１５を貫通するピン１
７により駆動軸３外周に嵌装したスリーブ１９と連結さ
れており、ピストン１１と共にスリーブ１９が軸方向に
移動するようになっている。

【００２０】図３は図１のIII −III 線に沿った断面を
示す。図３に示すようにスリーブ１９は外周部に軸方向
に延設された突起２１ａ，２１ｂ，２１ｃを有する変形
スプラインとして構成されており、歯車５ｂと７ｂのボ
ス部にはスリーブ１９の突起２１ａ，２１ｂ，２１ｃと
係合する溝２３ａ〜２３ｃ，２５ａ〜２５ｃ（図１には
２３ａ，２５ａのみを示す）がそれぞれ形成されてい
る。

【００２１】油圧通路１３ｂに油圧が供給されピストン
１１が図中左方向に移動した位置ではスリーブ１９の突
起２１ａ〜２１ｃは歯車５ｂの溝２３ａ〜２３ｃとのみ
係合し歯車７ｂの溝２５ａ〜２５ｃとは係合しない。従
ってカム軸１への駆動力は駆動軸３の長穴１５側壁から
ピン１７を介してスリーブ１９に伝達され、スリーブ１
９外周の突起２１ａ〜２１ｃと歯車５ｂのボス部の溝２
３ａ〜２３ｃとを介して歯車５ｂに伝達され、歯車５ｂ
から歯車５ａ、ピン９を通じてカム軸に伝えられる。

【００２２】従って、ピストン１１が左側に移動した状
態ではカム軸１は駆動軸３と速度の等しい等速回転運動
を行い、歯車７ｂは駆動軸３に対して空転状態となる。
一方、油圧通路１３ａに油圧が供給され、ピストン１１
が図中右方向に移動すると、上記とは逆にカム軸１は駆
動軸３から歯車７ｂ，７ａを介して駆動され、歯車５ｂ
は駆動軸３に対して空転状態になる。前述のように、本
実施例では歯車７ａ，７ｂは４葉の非円形歯車として構
成されているため、このときカム軸は不等速回転運動を
行う。

【００２３】上記説明から明らかなように本実施例によ
れば例えば低中速運転では真円歯車５ａ，５ｂを介して
カム軸１を駆動し、通常のバルブリフト特性（図７，I
I）を得るようにし、高速回転時には油圧を切換えて歯
車７ａ，７ｂを介してカム軸１を不等速回転させ、例え
ば図７，II′に示すようにバルブリフト期間を増大させ
て高出力を得るようにすることができる。

【００２４】次に図１，図２を用いて本実施例で採用し
たシザーズギヤ構成を説明する。カム軸１にはバルブ開
閉駆動の反力が加わっており、この反力は正と負の値に
変動する反力トルクとしてカム軸１に作用している。こ
のため歯車５ａ，５ｂ，７ａ，７ｂ等の歯車噛合部にバ
ックラッシュがあると上記変動する反力トルクによりバ
ックラッシュ内で歯面が触れ衝突音（カタ打ち音）が生
じることになる。

【００２５】本実施例では歯車５ａ及び７ａをシザーズ
ギヤとして構成することによりカタ打ち音の発生を防止
している。以下、歯車７ａについて説明するが歯車５ａ
も同様な構造とされている。図１に示すように歯車７ａ
は、実際には２枚の歯車７１ａと７２ａとを軸方向に重
ねた構成となっている。歯車７１ａ（メインギヤ）と７
２ａ（サブギヤ）とは一体の歯車７ａを軸線に沿って切
断、分割した形状の全く同一の断面形状を有している。
メインギヤ７１ａとサブギヤ７２ａとは間にリング状の
板ばね７３を挟んで軸方向に重ね合わせてあり、板ばね
７３の一端はメインギヤ７１ａに固定したピン７４と、
また他端はサブギヤ７２ａに固定したピン７５とそれぞ
れ係合してメインギヤ７１ａとサブギヤ７２ａの歯筋が
ずれる方向にメインギヤ７１ａとサブギヤ７２ａとを押
圧している。従って、歯車７ａが７ｂと噛合した状態で
は歯車７ｂの歯面を、メインギヤ７１ａとサブギヤ７２
ａの歯面が両側から挟んで押圧する形になり、噛合部の
バックラッシュをゼロに保持することができる。このた
め板ばね７３による付勢力を適当に設定すればカム軸１
に変動トルクが作用しても歯面の振れは生じずカタ打ち
音の発生が防止される。

【００２６】上述のように本実施例によればカム軸を、
非円形歯車による不等速回転運動と真円歯車による等速
回転運動とに切換えて駆動するようにしたことにより簡
単な構成で吸気弁のバルブリフト特性やリフト期間を変
更することができる。また歯車を容易にシザーズギヤ化
できるため、カム軸トルク変動による歯面のカタ打ち音
を効果的に防止できる。

【００２７】次に図８に本発明の第二の実施例を示す。
図において図１から図３に示したと同じ参照符号は同様
な要素を示しているので詳細は省略する。本実施例では
４気筒エンジンに対して２葉歯車を使用した場合を示し
ている。２葉歯車７ａ，７ｂを使用するため、駆動軸３
は例えば排気弁駆動カム軸２から増速ギヤ８１ａ，８１
ｂを介して駆動され、排気カム軸２の２倍の速度で回転
している。また従動軸４は減速ギヤ８２ａ，８２ｂを介
して速度を１／２に減速して吸気カム軸１を駆動する。
このように非円形歯車部分のみをカム軸の２倍の速度で
回転させるようにしたことにより、４葉歯車を用いた場
合（図１）と同様、カム軸１回転当り４サイクルの速度
変動を得ることができる。

【００２８】非円形歯車は葉数が多くなるにつれて、歯
車のピッチ円設定に制約が加わり、前述の楕円率ｅを大
きく設定できなくなり、不等速回転運動の速度変動幅が
小さくなる傾向がある。また、葉数が多くなれば非円形
歯車の制作も困難になる。本実施例は、上記を考慮して
非円形歯車部分のみ回転速度を高め、少ない葉数の歯車
で多葉歯車と同等の効果を得られるようにしたものであ
る。なお、本実施例では４気筒機関に対して２葉歯車を
用いた場合を示しているが、同様な構成で、例えば直列
６気筒機関に３葉歯車を使用することも可能である。

【００２９】また、本実施例では、例えば排気カム軸４
から増速ギヤ８１ａ，８１ｂを介して、駆動軸３を駆動
し、カム軸の２倍の速度に増速しているが、駆動軸３を
機関クランク軸からベルト、チェーン等を介して直接駆
動するようにしても良い。なお、上述の実施例は、いず
れも非円形歯車７ａ，７ｂと真円歯車５ａ，５ｂとを切
換えて使用する場合を示しているが、歯車７ａ，７ｂと
５ａ，５ｂの両方に非円形歯車を使用することが可能で
あることはいうまでもない。この場合、リフト期間や特
性の切換幅を一層大きくとることができる利点がある。

【００３０】

【発明の効果】本発明の可変バルブタイミング機構によ
れば、簡易な構成で運転条件に応じてバルブリフト期間
やリフト特性を変更することができると共に、歯面のカ
タ打ち音等の騒音を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を示す断面図である。

【図２】図１のII−II線に沿った断面図である。

【図３】図１のIII −III 線に沿った断面図である。

【図４】本発明に使用する非円形歯車の形状例を示す図
である。

【図５】非円形歯車による不等速回転運動を説明する図
である。

【図６】非円形歯車によるバルブリフト特性変化の例を
示す図である。

【図７】非円形歯車によるバルブリフト期間の変化を示
す図である。

【図８】本発明の第二の実施例を示す図である。

【符号の説明】

１…吸気カム軸２…排気カム軸３…駆動軸４…従動軸５ａ，５ｂ…真円歯車７ａ，７ｂ…非円形歯車９…ピン１１…ピストン１３ａ，１３ｂ…油圧通路１５…長穴１７…ピン１９…スリーブ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…突起２３ａ，２３ｂ，２３ｃ…溝２５ａ，２５ｂ，２５ｃ…溝７１ａ…メインギヤ７２ｃ…サブギヤ７３…板ばね７４…ピン７５…ピン８１ａ，８１ｂ…増速ギヤ８２ａ，８２ｂ…減速ギヤ

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F01L 13/00 301 F16H 35/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】機関出力軸回転を気筒弁駆動用カム軸に
伝達する機構であって、前記出力軸回転を前記カム軸にそれぞれ伝達可能な第一
の歯車装置と第二の歯車装置と、機関運転条件に応じて
前記第一の歯車装置と前記第二の歯車装置とを選択的に
切換えて前記カム軸を駆動する切換手段とを備え、少なくとも前記第一の歯車装置は、前記機関出力軸の等
速回転を、機関出力軸回転角に応じて速度が変動する不
等速回転に変換する、相互に噛合する一対の非円形歯車
を備え、前記第一と第二の歯車装置はそれぞれ噛合部が
シザーズギヤとして構成されたことを特徴とする可変バ
ルブタイミング機構。