JP3330634B2 - エンジンのバルブタイミング可変装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、吸、排気バルブ開閉タ
イミングを遊星歯車機構を介して可変するエンジンのバ
ルブタイミング可変装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、自動車のエンジンにおける吸、
排気バルブの開閉タイミングは、エンジンの運転状態に
応じて変えることが好ましいため、従来より、種々のバ
ルブタイミング可変装置が提案されている。

【０００３】例えば、特公昭61-24533号公報には、カム
シャフトの一端に遊星歯車機構を備え、クランクシャフ
トにより回転駆動されるカムプーリに対するカムシャフ
トの位相を上記遊星歯車機構を介して変更するようにし
たバルブタイミング可変装置が開示されている。

【０００４】この装置では、上記遊星歯車機構のサンギ
ヤがカムプーリ側に連結され、かつリングギヤがカムシ
ャフト側に連結されているとともに、サンギヤとリング
ギヤとの間で遊星運動を行なう複数のピニオンギヤを回
転自在に支持するキャリヤが、カムシャフトの軸線のま
わりで時計方向または反時計方向に所定角度範囲内で回
動しうるようになっており、このキャリヤを所定の方向
に回動させることにより、カムプーリに対するカムシャ
フトの位相、すなわちクランクシャフトに対するカムシ
ャフトの位相が進角または遅角されるように構成されて
いる。

【０００５】また、特開平3-115714号公報に開示された
バルブタイミング可変装置では、カムシャフトに低速用
カムと高速用カムとが並設され、かつ上記低速用カムと
バルブとの双方に係合する主ロッカーアームと、上記高
速用カムのみに係合する副ロッカーアームとが互いに隣
接してロッカーシャフトに揺動自在に設けられていると
ともに、油圧によって上記ロッカーシャフトの軸線方向
に移動しうるピンの係脱によって上記主、副ロッカーア
ームを連動状態または非連動状態に択一的に切換えうる
切換機構が配設され、エンジンの高速運転時には、上記
主、副ロッカーアームが上記ピンによって結合されるこ
とにより連動状態とされて、上記バルブが高速用カムに
よって駆動され、エンジンの低速運転時には、上記主、
副ロッカーアームが非連動状態とされて、上記バルブが
低速用カムで駆動されるように構成されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前者すなわ
ち特公昭61-24533号公報に開示された構造では、キャリ
ヤの回動により、カムの位相を進角側あるいは遅角側の
何れか一方側に変更することができるのみであって、例
えば開弁タイミングの進角と閉弁タイミングの遅角とを
同時に行なって開弁角を拡張するようなことはできない
ため、高回転域での吸気限界（チョーク限界）は変ら
ず、したがって、高回転域での最大出力の大幅な向上は
望み得ないものであった。

【０００７】一方、後者すなわち特開平3-115714号公報
に開示された構造では、エンジンの低回転域と高回転域
とにそれぞれ適合したバルブリフト特性を独立的に選ぶ
ことが可能となり、所期の性能向上を果すことができる
ものの、部品点数が増加し、かつ特殊なカムシャフトと
複雑な油通路を必要とするのみでなく、主、副ロッカー
アームを連動状態と非連動状態との間で切換えるときに
衝撃を伴うおそれがあり、しかも係脱用ピンにせん断応
力が作用することからピンの耐久性に問題があった。

【０００８】このような課題に鑑み、本発明は、前者す
なわち特公昭61-24533号公報に開示された遊星歯車機構
を利用しながら、バルブの開弁タイミングの進角と閉弁
タイミングの遅角とを衝撃を伴うことなく同時に行なう
ことが可能なエンジンのバルブタイミング可変装置を提
供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によるエンジンの
バルブタイミング可変装置は、カムシャフトのクランク
シャフトに対する位相が位相変更手段により遊星歯車機
構を介して変更される構成において、上記遊星歯車機構
は、クランクシャフトにより回転駆動されるカムプーリ
に連結されたサンギヤと、カムシャフトに連結されたリ
ングギヤと、サンギヤとリングギヤとの間で遊星運動を
行なう複数のピニオンギヤと、該複数のピニオンギヤを
それぞれピニオン軸を介して回転自在に支持し、かつカ
ムシャフトの軸線のまわりで揺動可能なキャリヤとを備
えているとともに、少なくとも１つのピニオンギヤがピ
ニオン軸に固設され、該ピニオン軸がキャリヤに回転自
在に支持されて、ピニオンギヤと一体に回転しうるよう
に構成されている。

【００１０】また、上記位相変更手段は、上記回転自在
なピニオン軸に固設された偏心カムと、該偏心カムに対
する係合面を備えてカムシャフトの軸線のまわりで揺動
可能に設けられた部材と、該部材またはキャリヤを択一
的に固定部に係止する係止手段とを備えている。

【００１１】そして、上記偏心カムに対する係合面を備
えた部材が、上記係止部材により固定部に係止された場
合に、偏心カムの回転に伴ってキャリヤがクランクシャ
フトの回転に同期して揺動されて、カムシャフトの位相
が変更されるように構成されている。

【００１２】必要に応じて、上記回転自在なピニオン軸
に固設させた偏心カムは偏心形態の異なる複数種の偏心
カムであり、上記部材は複数設けられかつ各偏心カムに
対応した係合面をそれぞれ備え、該複数の部材及び前記
キャリアのうちの一つを択一的に固定部に係止する係止
手段が備えられる。

【００１３】

【作用および効果】本発明によれば、バルブタイミング
可変手段として既存の遊星歯車機構を用いながら、ピニ
オンギアの回転力を利用して、ピニオン軸に固設した偏
心カムと、該偏心カムと係合関係を有するカムシャフト
と同心配置の部材とを付設するとい う僅かな変更によ
り、バルブの開弁タイミングの進角と閉弁タイミングの
遅角とを同時に行なうことができるコンパクトなバルブ
タイミング可変装置を容易に得ることができる。

【００１４】また、従来のエンジンでは、カムシャフト
の回転数を１／２に減速するために、クランクプーリの
２倍の直径を有するカムプーリをカムシャフトの一端に
取り付けていてが、本発明によれば遊星歯車機構自体が
減速機能を有しているため、この遊星歯車機構をその減
速比が２となるように構成することにより、カムプーリ
の直径をクランクプーリと同径にすることができ、その
点からもバルブタイミング可変装置をコンパクトにする
ことができる。

【００１５】本発明によれば、例えばエンジンの低回転
域では、上記係止手段によってキャリヤを固定部に係止
するとともに、上記偏心カムに対する係合面を備えた部
材を上記係止手段による係止から解放することにより、
キャリヤは固定されるが、上記係合面を備えた部材は、
ピニオンギヤと連動する偏心カムの回転に伴って揺動す
るのみであるから、図１(A)に示されているように、カ
ムシャフトの位相の変更は行なわれず、遊星歯車機構
は、バルブの開弁角が小さい状態で、カムプーリからカ
ムシャフトへの動力伝達手段および減速機構としての機
能のみを果すことになる。ここで、固定部というのはカ
ムシャフトやクランクシャフトなどに対して不動の固定
された部分のことであって、例えば遊星歯車機構のケー
スを挙げることができる。

【００１６】これに対して、例えばエンジンの高回転域
では、上記偏心カムに対する係合面を備えた部材を上記
係止手段によって固定部に係止するとともに、キャリヤ
を上記係止手段による係止から解放することにより、上
記係合面を備えた部材が固定され、キャリヤが偏心カム
の回転に伴ってクランクシャフトの回転に同期して揺動
されるから、クランクシャフトに対するカムシャフトの
位相が変更されることになる。

【００１７】そしてこの場合、図１(B)に示されている
ように、バルブの開弁時にはキャリヤが進角側に揺動さ
れ、かつバルブの閉弁時にはキャリヤが遅角側に揺動さ
れるように偏心カムの位相を設定しておくことにより、
早開く遅閉じのバルブリフト特性が得られ、開弁角が大
になるから、エンジンの最大出力を大幅に向上させるこ
とができる。

【００１８】さらに本発明によれば、回転自在なピニオ
ン軸に偏心形態の異なる複数種の偏心カムを固設し、各
偏心カムに対応した係合面を備えた複数の部材を設け
て、この複数の部材と上記キャリアのうちの一つを択一
的に係止手段により固定部に係止することも可能であ
り、これによって、より精密なバルブタイミング制御を
可能にすることができる。偏心形態の異なる偏心カムと
は、例えば、外径が異なる偏心カムを挙げることがで
き、カム形状や軸位置が異なるものでも構わない。

【００１９】

【実施例】以下、本発明によるエンジンのバルブタイミ
ング可変装置の実施例を図面に基づいて説明する。

【００２０】図２において、シリンダヘッド１には、吸
気側カムシャフト２および排気側カムシャフト（図示せ
ず）がそれぞれ回動自在に軸支されている。カムシャフ
ト２にはカム３が設けられ、このカム３によって、吸気
バルブ４が開閉駆動されるようになっている。

【００２１】カムシャフト２の一端には、バルブタイミ
ング可変装置５が取り付けられており、このバルブタイ
ミング可変装置５は、図３に示されているように、サン
ギヤ６とリングギヤ７と、互いに120°の角間隔を保っ
てサンギヤ６とリングギヤ７との間に配置されて遊星運
動を行なう３個のプラネタリ・ピニオンギヤ（以下単に
「ピニオンギヤ」と呼ぶ）８と、これらピニオンギヤ８
をそれぞれピニオン軸９を介して回転自在に支持するキ
ャリヤ10とによって構成された遊星歯車機構11を備えて
いる。

【００２２】遊星歯車機構11のリングギヤ７は、カムシ
ャフト２の一端にボルト12によって固定された部材13に
一体に形成されており、またサンギヤ６は、図４からも
明らかなように、上記部材13の筒状部13aの外周に回転
自在に嵌合されたスリーブ14の外周面上に形成されてい
る。スリーブ14にはカムプーリ15が一体に設けられてお
り、このカムプーリ15とクランクプーリ（図示せず）と
の間にタイミングベルト16が懸装されている。

【００２３】ピニオンギヤ８をそれぞれ支持する３本の
ピニオン軸９は、１本のピニオン軸9aを除いてキャリヤ
10に固定されていて、それぞれピニオンギヤ８を回転自
在に軸支しているが、残る１本のピニオン軸9aのみは、
キャリヤ10にベアリング17を介して回転自在に支持され
ているとともに、キャリヤ10のピニオンギヤ８側の面と
は反対側の面に突出している。そして、このピニオン軸
9aの一端にピニオンギヤ８が固設されて、ピニオン軸9a
と一体に回転するように構成されている。サンギヤ６、
ピニオンギヤ８およびリングギヤ７の歯数比は２：１：
４（直列４気筒エンジンの場合）に設定され、これによ
って減速比を２とする遊星歯車機構11が構成されてい
る。

【００２４】さらに、キャリヤ10のピニオンギヤ８側の
面とは反対側に突出するピニオン軸9aの端部には偏心カ
ム18が固設され、ピニオン軸9aに固設されたピニオンギ
ヤ８と一体に回転するようになっている。

【００２５】キャリヤ10は中心に孔を有する円板よりな
り、サンギヤ６を備えたスリーブ14の外周面に回転自在
に嵌合されている。また、スリーブ14の外周面には、キ
ャリヤ10に対してほぼ等しい外径および厚さを有する円
板状の部材19が、キャリヤ10の偏心カム18側の面に隣接
して回転自在に嵌合されている。この部材19には、偏心
カム18を収容する孔20が設けられているが、この孔20
は、カムシャフト２の軸線に関して周方向の２つの内壁
面のみで偏心カム18のカム面に常時係合しており、放射
方向の内壁面は、偏心カム18が回転してもこれに接触し
ないように長孔に形成されている。

【００２６】キャリヤ10および上記部材19の外周面に
は、それぞれ部材19側およびキャリヤ10側に面する斜面
10aおよび19aが外周に沿って形成され、両斜面10a，19a
によって浅いＶ字形の断面形状を有する谷21が形成され
ている。そしてこの谷21と、遊星歯車機構11のケース22
の内周面22aとの間に、キャリヤ10または部材19を択一
的に係止するための環状の係止部材23が介設されてい
る。

【００２７】係止部材23は、上記浅いＶ字形の断面形状
を有する谷21に対向する山形の断面形状を有しており、
かつスプリング24の押圧力または油圧によって、キャリ
ヤ10の斜面10aまたは部材19の斜面19aの何れかに択一的
に押接されるようになっている。また、スプリング２４
を介して固定部であるケース２２に連結されている。

【００２８】すなわち、係止部材23は、常時はスプリン
グ24によってキャリヤ10側に付勢されてキャリヤ10の外
周の斜面10aに押接され、これによって、キャリヤ10が
回動不能にケース２２に係止されて固定されるととも
に、部材19は係止部材23による係止から解放されてい
る。したがって、この状態では、ピニオンギヤ８と連動
される偏心カム18の回転に伴って部材19が揺動されるの
みであり、遊星歯車機構11は、単に減速比を２とする動
力伝達機能を果すのみとなる。

【００２９】一方、係止部材23が収容されている空間
は、シリンダヘッド１内に形成されたオイル通路25に連
通しており、このオイル通路25に作動油が供給されるこ
とによって、係止部材23はスプリング24の付勢力に抗し
て部材19側に移動して部材19の外周の斜面19aに押接さ
れ、これによって、部材19が回動不能にケース２２に係
止されるとともに、キャリヤ10は係止部材23による係止
から解放される。したがって、ピニオンギヤ８と連動さ
れる偏心カム18の回転に伴って、キャリヤ10がタイミン
グベルト16およびカムプーリ15を介したクランクシャフ
トの回転に同期して揺動され、偏心カム18の外径および
偏心度に応じた位相の変更が行なわれる。

【００３０】図５(A)〜(C)は、遊星歯車機構11によるバ
ルブタイミング可変動作を示す説明図である。いま、サ
ンギヤ６を固定した状態でキャリヤ10を図の時計方向に
θ_Pだけ回動すると、ピニオンギヤ８は図５(A)の状態か
ら図５(B)のように時計方向にθ_Pだけ回動し、これによ
ってサンギヤ６は固定されたまま、リングギヤ７が時計
方向にθ_Rだけ回動する。したがって、サンギヤ６およ
びリングギヤ７の回転方向を図の時計方向とすれば、リ
ングギヤ７はサンギヤ６に対してθ_Rだけ進角される。
すなわち、カムプーリ15に対するカムシャフト２の位相
が進角されることになる。また、これとは反対に、キャ
リヤ10を図の反時計方向にθ_P′だけ回動すると、ピニ
オンギヤ８は図５(A)の状態から図５(C)のように反時計
方向にθ_P′だけ回動し、これによってサンギヤ６は固
定されたまま、リングギヤ７が反時計方向にθ_R′だけ
回動する。すなわち、リングギヤ７はサンギヤ６に対し
てθ_R′だけ遅角される。すなわち、カムプーリ15に対
するカムシャフト２の位相が遅角されることになる。し
たがって、バルブ４の開弁時にカムプーリ15に対するカ
ムシャフト２の位相が進角され、かつバルブ４の閉弁時
にカムプーリ15に対するカムシャフト２の位相が遅角さ
れるような偏心カム18をピニオン軸9aに取り付けておけ
ば、早開き遅閉じのバルブリフト特性が得られることに
なる。

【００３１】図６は、点火順序を^#１→^#３→^#４→^#２と
する直列４気筒エンジンにおいて、全気筒の吸気バルブ
に対して早開き遅閉じのバルブリフト特性が得られるキ
ャリヤ10の揺動動作を示したものである。この場合、偏
心カム18によって、キャリヤ10の揺動周期がクランク角
で180°に設定されており、図７にさらに詳細に示され
ているように、各気筒の吸気バルブがカムシャフト２が
開弁時に進角され、閉弁時に遅角されること明らかであ
る。図６、図７においては、キャリヤ10が固定された場
合のバルブリフト特性が破線で、部材19が固定されてキ
ャリヤ10が偏心カム18によって揺動される場合のバルブ
リフト特性が実線でそれぞれ示されている。

【００３２】図８は、ピニオンギヤ８を固設したピニオ
ン軸9aに３個の互いに外径を異にする、即ち偏心形態の
異なる偏心カム18Ａ〜18Ｃが固設されている場合の構成
を示す説明図である。この場合、偏心カム18Ａ〜18Ｃの
それぞれに対する係合面をそれぞれ備えた３個の部材19
Ａ〜19Ｃが設けられているとともに、キャリヤ10または
部材19Ａ〜19Ｃのうちの１つを択一的にケース２２に係
止するための係止部材23Ａ，23Ｂが設けられる。そして
キャリヤ10が係止部材23Ａによって係止されている場合
は、部材19Ａ〜19Ｃがそれぞれのカム18Ａ〜18Ｃによっ
て揺動されるのみで、カムプーリ15に対するカムシャフ
ト２の位相変更は行なわれないが、係止部材23Ａによっ
て部材19Ａが係止されるとともにキャリヤ10が解放さ
れ、かつ部材19Ｂ，19Ｃの双方が係止部材23Ｂによる係
止から解放されている場合は、キャリヤ10および部材19
Ｂ，19Ｃが偏心カム18Ａの回転に伴って揺動されて、偏
心カム18Ａの外径および偏心度に応じた位相変更がなさ
れる。

【００３３】また、部材19Ｂが係止部材23Ｂによって係
止され、キャリヤ10および部材19Ａ，19Ｃが解放されて
いるときには、キャリヤ10および部材19Ａ，19Ｃが偏心
カム18Ｂの回転に伴って揺動されて、偏心カム18Ｂの外
径および偏心度に応じた位相変更がなされる。

【００３４】さらに、部材19Ｃが係止部材23Ｂによって
係止され、キャリヤ10および部材19Ａ，19Ｂが解放され
ているときには、キャリヤ10および部材19Ａ，19Ｂが偏
心カム18Ｃの回転に伴って揺動されて、偏心カム18Ｃの
外径および偏心度に応じた位相変更がなされることにな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるバルブタイミング可変装置の動作
の説明に供するタイミングチャート

【図２】エンジンのシリンダヘッドに設けられる本発明
の実施例の構造を示す断面図

【図３】図２のIII-III線に沿った断面図

【図４】図２の装置の要部を概略的に示す斜視図

【図５】本発明の実施例の動作を説明する図

【図６】本発明の装置を直列４気筒エンジンに適用した
場合の動作の説明に供するタイミングチャート

【図７】図６の要部を詳細に説明するタイミングチャー
ト

【図８】複数個の偏心カムを設ける場合の概略的構造説
明図

【符号の説明】

１ シリンダヘッド ２ カムシャフト ３ カム ５ バルブタイミング可変装置 ６ サンギヤ ７ リングギヤ ８ ピニオンギヤ ９，9a ピニオン軸 10 キャリヤ 11 遊星歯車機構 15 カムプーリ 18 偏心カム 19 偏心カムに対する係合面を備えた部材22 ケース（固定部） 23 係止部材（係止手段） 24 スプリング 25 オイル通路

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 バルブを開閉駆動するカムを備えたカム
   シャフトの一端に遊星歯車機構が設けられ、該遊星歯車
   機構を介して、クランクシャフトに対する前記カムシャ
   フトの位相が位相変更手段により変更されるように構成
   されてなるエンジンのバルブタイミング可変装置におい
   て、 前記遊星歯車機構は、前記クランクシャフトにより回転
   駆動されるカムプーリに連結されたサンギヤと、前記カ
   ムシャフトに連結されたリングギヤと、前記サンギヤと
   前記リングギヤとの間で遊星運動を行なう複数のピニオ
   ンギヤと、該複数のピニオンギヤをそれぞれピニオン軸
   を介して回転自在に支持し、かつ前記カムシャフトの軸
   線のまわりで揺動可能なキャリアとを備えているととも
   に、少なくとも１つのピニオンギヤがピニオン軸に固設
   され、該ピニオン軸が前記キャリアに回転自在に支持さ
   れて、前記ピニオンギヤと一体に回転しうるように構成
   され、 前記位相変更手段は、前記回転自在なピニオン軸に固設
   された偏心カムと、該偏心カムに対する係合面を備えて
   前記カムシャフトの軸線のまわりで揺動可能に設けられ
   た部材と、該部材または前記キャリアを択一的に固定部
   に係止する係止手段とを備え、 前記偏心カムに対する係合面を備えた部材が前記係止手
   段により固定部に係止された場合に、前記偏心カムの回
   動に伴って前記キャリアが前記クランクシャフトの回転
   に同期して揺動されて、前記カムシャフトの位相が変更
   されるよう構成されてなることを特徴とするエンジンの
   バルブタイミング可変装置。
2. 【請求項２】 前記回転自在なピニオン軸に固設させた
   偏心カムは偏心形態の異なる複数種の偏心カムであり、
   前記カムシャフトの軸線のまわりで揺動可能に設けられ
   た部材は複数設けられかつ該各偏心カムに対応した係合
   面をそれぞれ備え、該複数の部材及び前記キャリアのう
   ちの一つを択一的に固定部に係止する係止手段を備えた
   ことを特徴とする請求項１記載のエンジンのバルブタイ
   ミング可変装置。