JP3800669B2 - 弁開閉時期制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピストン型内燃機関のカムシャフトに装着されるベーンタイプの弁開閉時期制御装置に係り、特にカム変動トルク等に対してバルブタイミングを安定化するロック機構を備えたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
カム変動トルクに対してバルブタイミングを安定化するロック機構（位相固定解除手段）を備えた弁開閉時期制御装置として、特開平１−９２５０４号公報がある。同公報の弁開閉時期制御装置は、図５に示すように回転軸１に中間部材２を介して回転伝達部材３が装着され、回転軸１と回転伝達部材３との間にそれぞれベーン４を隔壁とする周方向の油圧室５が複数形成されてなる回転油圧機構を主体に構成されている。ここでは回転軸１はカムシャフト（シリンダブロックよりタイミングプーリ側に延出させた軸部材）であり、回転伝達部材３はタイミングプーリに一体化されている。ベーン４によって分割された二つの油圧室は、それぞれ回転伝達部材３を強制回転してバルブタイミングを早める進相用室５ａと遅らせる遅相用室５ｂとなる。
【０００３】
回転軸１には軸方向に油圧を供給する幹路６、７と、該幹路６、７からそれぞれ分岐した枝路６ａ、７ａと、枝路６ａと連通した周状通路６ｂ、枝路７ａと連通した周状通路７ｂとが形成され、周状通路６ｂは中間部材２に形成された通路２ａ、２ａ′（ただし２ａ′は後述するキー溝１１を含んで）介して各進相用室５ａに連通され、周状通路７ｂは中間部材２に形成された通路２ｂ、２ｂ′（ただし２ｂ′は後述のキー溝１１を含んで）を介して各遅相用室５ｂに連通されている。幹路６、７には図示しない油圧供給装置からの油圧が選択的に供給されるようになっている。
【０００４】
そして、回転伝達部材３には退避孔８に収納されたスプリング９によって中間部材側に突出するノックピン１０が設けられ、中間部材２には上記ノックピン１０の先端部を受容するキー溝１１が形成されている。上記ノックピン１０を主体とする位相固定解除手段は、ここでは最遅相時と最進相時とに位相固定するように２箇所設けられ、最遅相時に位相固定するノックピン１０のキー溝１１には上記周状通路７ｂと連通した通路２ｂ′を介して油圧が供給され、最進相時に位相固定するノックピン１０のキー溝１１には上記周状通路６ｂと連通した通路２ａ′を介して油圧が供給される。
【０００５】
上記構成の弁開閉時期制御装置は、スプリング９によって常に回転軸側に付勢されているノックピン１０と中間部材側のキー溝１１とが一致すると、ノックピン１０がキー溝１１に嵌合して回転軸１と回転伝達部材３の位相を固定し、カム変動トルクやエンジン始動の低油圧時におけるバルブタイミングを安定化させている。この位相固定状態の解除は、最遅相時の場合、進相のために幹路６、枝路６ａ、周状通路６ｂ、通路２ａ′を介して油圧が供給されるときにノックピン１０が退避孔８に没入されることにより行われる。同様に最進相時の場合、遅相のために幹路７、枝路７ａ、周状通路７ｂ、通路２ｂ′を介して油圧が供給されるときに行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図６に示すように、キー溝１１がノックピン１０との間にもつ間隙ａ（実際の大きさの平均）と、退避孔８がノックピン１０との間にもつ間隙ｂ（同上）は、位相固定状態を解除するとき、ノックピン１０の背面側室８ａへの油圧のリーク防止と各間隙への異物の噛み込み防止との相反する条件を考慮して、リークを若干許容した大きさに設定される。
【０００７】
しかし、上記間隙ａ、ｂをリークを許容した大きさに設定すると、固定解除する場合、作動油の状態や種類によって油圧のリーク量が変動し、スプリング９の力に抗した一定の圧力をノックピン１０に加えることができない。このため確実に固定解除状態にならないおそれがある。
また、間隙ａを大きくとることができないため、ノックピン１０の軸芯とキー溝１１の軸線とがずれていると、位相固定時にノックピン１０へキー溝１１が充分に挿入されなかったり、固定解除時にキー溝１１から外れにくい現象が生じる。
【０００８】
本発明は上記従来装置の問題点に鑑みてなされたもので、ノックピンがキー溝へ確実に嵌合し、またキー溝から確実に退避され、位相固定状態と固定解除状態への切換えの信頼性を高めることを解決すべき課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく本発明は種々検討を重ね、流体圧によってノックピンを押圧するピストンをキー溝側に設けることにより、問題を解決できることを確認した。
即ち、本発明は請求項１の構成を備えることにより、キー溝側に設けるピストンは、流体圧のリークを許容する要請がなく、キー溝に対し極めて極小とした間隙を設定でき、作動油の種類や状態にかかわらずピストンを殆ど一定の流体圧で押出すことができる。また、回転軸と回転伝達部材との回転変位の方向（周方向）の寸法に関し、キー溝の開口面における周方向寸法を図４に示すように退避溝の開口面における周方向寸法よりも大きくすることで、回転軸と回転伝達部材が回転変位してキー溝と退避溝との位相が合致すると、ノックピンをキー溝に充分な遊嵌状態で侵入させることができる。従って、ノックピンには位相固定時に付勢部材による押圧力が確実に作用して、固定解除状態（位相制御可能状態）から位相固定状態へ高い信頼性で切換えることができる。また、ピストンの外周とキー溝との隙間を微小隙間とすることにより、位相固定状態から固定解除状態に切換えるピストンに作動する流体圧が洩れることくなく、ピストンを素早く、確実に作用させることが可能となる。更に、ノックピンとピストンを点接触とした請求項２の構成を備えることにより、位相固定状態から固定解除状態に切換えた場合に、ノックピンの先端がキー溝から完全に抜けきる前に回転軸と回転伝達部材が回転変位を始めてもノックピンをキー溝から抜くことができ、万一流体圧により作動するピストンの先端が退避溝まで侵入しても回転軸と回転伝達部材との回転変位によってキー溝に戻すことが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態は、クランクプーリからの回転動力が伝達されるバルブ開閉用のカムシャフトと、該カムシャフトに回転位相角可変に装着されかつタイミングプーリの内周に一体化され、該カムシャフトとの間にそれぞれベーンを隔壁とした複数の周方向油圧室を形成するとともに、該カムシャフトへ上記タイミングプーリの回転を伝達する回転伝達部材と、上記ベーンによって上記各周方向油圧室が二分された進相用室及び遅相用室の少なくとも一方に油圧を供給し、上記タイミングプーリと上記カムシャフトとの相対位相を可変する油圧供給手段とを備えた弁開閉時期制御装置において、上記カムシャフト及び回転伝達部材のうち一方部材に形成された退避溝から付勢力によって先端部が押出され他方部材に形成されたキー溝に嵌合するノックピン及び該ノックピンを上記退避溝に退避させるべく上記キー溝に収嵌され油圧によって作動するピストンからなる位相固定解除手段を設けたことを特徴とする。
【００１１】
上記構成の弁開閉時期制御装置の作用は、カムシャフトの位相を進ませる場合、油圧供給手段より進相用室に油圧が供給され、カムシャフトを回転伝達部材より位相が進む方向に回転させて、タイミングプーリに対しカムシャフトの位相を進ませる。カムシャフトの位相を遅らせる場合は、油圧供給手段より遅相用室に油圧が供給され、カムシャフトが上記進相時と逆方向に回転してタイミングプーリに対しカムシャフトの位相を遅らせる。
【００１２】
カムシャフトとタイミングプーリの位相を固定する場合、例えば最進相位置で固定するエンジンでは、回転伝達部材がカムシャフトに対し最も位相が遅れる回転角だけ回転すると、退避溝とキー溝とが一致してノックピンが付勢部材の力で押出されキー溝に嵌合する。位相固定状態を解除する場合は、進相用室に供給される油圧をキー溝に供給すると、ピストンがノックピンを押圧してキー溝より退避させる。
【００１３】
位相固定位置は、キー溝と退避孔との一致位置で決まることは勿論であるが、この一致位置は最進相位置と最遅相位置の範囲で任意位置（複数を含む）でよい。
本発明の他の実施形態は、クランクプーリからの回転動力が伝達されるバルブ開閉用のカムシャフトに回転伝達部材を装着し、該回転伝達部材を別のバルブ開閉用のカムシャフトに例えばギヤ結合させた弁開閉時期制御装置に適用することができる。
【００１４】
請求項１に従う実施形態では、ピストンの外周とキー溝との隙間は、ノックピンの外周とキー溝との間の隙間又はノックピンの外周と退避溝との間の隙間よりも小さな微小隙間として、ピストンを作動する流体圧がピストンの外周とキー溝との隙間から洩れないようにすることが好ましい。
【００１５】
この請求項２の構成によれば、ノックピンがキー溝に侵入する際と、ノックピンがキー溝から排出させる際に、ノックピン又はピストンのキー溝との摺動面がキー溝又は退避溝と干渉することがなく、弁開閉時期制御を円滑に行うことができ、ノックピン及びピストンの耐久性を向上させることができる。
【００１６】
【実施例】
本発明の一実施例に係る弁開閉時期制御装置は、図１に示すように、ＤＯＨＣエンジンに適用したものであり、シリンダヘッド１２に回転可能に支持された排気バルブ用カムシャフト１３及び吸気バルブ用カムシャフト１４は、シリンダヘッド内において、それぞれ排気バルブ用カムシャフト１３の外周に相対回転可能に装着されたギヤ１５と吸気バルブ用カムシャフト１４の外周に相対回転不能に装着されたギヤ１６とが噛合してなる動力伝達手段１７を介して連結されている。なお、以下に説明する弁開閉時期制御機構は、ここでは上記排気バルブ用カムシャフト１３に装着される。
【００１７】
タイミングプーリ１８は、シリンダヘッド内より突出した排気バルブ用カムシャフト１３（以下、単にカムシャフトという）の端部にボルト１９によって締着されている。ボルト１９の偏心位置には、タイミングプーリ１８とカムシャフト１３との回り止め機能と相対位置決め機能を果たすストッパピン２０が設けられている。
【００１８】
シリンダヘッド内に延びるカムシャフト１３の円筒部２１は、フロント側より雄螺子部２２と、後述する放射状の枝路２３ａ，２３ａ…、２３ｂ，２３ｂ…及び分割周状通路２４が形成された部分と、リヤ側のジャーナル部２５とからなり、ジャーナル部２５はカム形成部分２６へと続いている。尚、ギヤ１５は、ジャーナル部２５の外周に前述したように相対回転可能に装着されている。
【００１９】
上記枝路２３ａ，２３ａ…、２３ｂ，２３ｂ…及び分割周状通路２４が形成された部分には、弁開閉時期制御装置の主体となる油圧機構２７が装着される。油圧機構２７は、図２に示すように、カムシャフト１３に固着された内周の中間部材２８と、該中間部材２８に一端が係留され放射方向に延びるベーン２９と、該ベーン２９の他端側を円陣状に有して中間部材２８を同軸状に内包し上記凹溝３０ａ間の凸部が中間部材２８の外周面と摺接した環状ハウジング部材３０と、図１に示すように、上記中間部材２８、ベーン２９及び環状ハウジング部材３０を軸方向に挟み、上記凹溝３０ａを上記ベーン２９を隔壁として収嵌した周方向の各油圧室３１とするフロントプレートハウジング部材３２及びリヤプレートハウジング部材３３とからなり、ギヤ１５に螺入したボルト３４によって上記フロントプレートハウジング部材３２とリヤプレートハウジング部材３３との間が圧接されている。各油圧室３１はベーン２９によって進相用室３１ａ（図２）と遅相用室３１ｂに二分される。
【００２０】
上記油圧機構２７のフロントプレートハウジング部材３２、環状ハウジング部材３０及びリヤプレートハウジング部材３３と、上記ギヤ１５とを主体に本発明の回転伝達部材を構成している。
なお、フロントプレートハウジング部材３２と環状ハウジング部材３０のフロント側面の間と、リヤプレートハウジング部材３３と環状ハウジング部材３０のリヤ側面の間はそれぞれメタルタッチでシールされているが、シール部材が介装されてもよく、その際にはボルト３４がシール面の外側になるように屈曲したシールを用いる。
【００２１】
また、上記油圧機構２７は、中間部材２８のリヤ側に向く側面が上記ジャーナル部２５に当接しており、この当接状態において、中間部材２８のフロント側に向く側面から上記雄螺子部２２に締結されたナット２５ａと上記ジャーナル部２５との間に狭圧されている。これにより、中間部材２８はカムシャフト１３と一体的に回転される。
【００２２】
また、カムシャフト１３と中間部材２８との周方向の位置決めは、両者に係合したキーピン３５（図１、図２、図３）によってなされている。
各油圧室３１には、油圧供給装置３６から作動油圧が供給される。油圧供給装置３６は、油圧機構２７を制御する油圧制御弁３７及びバルブタイミング制御装置３９等によって構成されていて、カムシャフト１３内の中央軸方向に形成された幹路４３は接続通路４２ａ及びシリンダヘッド１２に形成された内周溝４２を介して油圧制御弁３７のＡポートに接続されている。もう一つ軸方向には三方に偏心して各幹路４４が形成され、各幹路４４はシリンダヘッド１２に形成された内周溝４１を介して油圧制御弁３７のＢポートに接続されている。また、油圧制御弁３７のＰポートには例えばエンジンにより駆動される油圧ポンプ３８が接続され、Ｒポートにはリザーバ４０が形成されていて、油圧制御弁３７がバルブタイミング制御装置３９によって作動を制御されることにより、後述するように油圧機構２７が進角及び遅角作動及び、中立位置保持を行うようになっている。幹路４３は各枝路２３ｂ，２３ｂ…に連通し、該各枝路２３ｂ，２３ｂ…は中間部材２８に形成された各枝路４５を介して遅相用室３１ｂに連通され、各幹路４４は分割周状通路２４を介して各枝路２３ａ，２３ａ…に連通し、各枝路２３ａ，２３ａ…は中間部材２８に形成された各枝路４６を介して進相用室３１ａに連通される。上記枝路２３ｂ，２３ｂのうち一つの油圧は後述する位相固定解除手段５０に供給されるようになっている（この実施例では最進相位置で動作させる位相固定解除手段が一つ設けられるので遅相用の油圧を導く枝路２３ｂより油圧を与える）。
【００２３】
また、幹路４３は、両端のボールシール４７、４８によって他の通路と遮断されている。つまり、幹路４３は、図１右方のカムジャーナルの潤滑通路がカムシャフト１３の軸心に形成される際に同時に形成されるが、ボール４７を圧入することにより該潤滑通路と遮断され、またボール４８を圧入し、ボルト１９により更に押圧することにより外部と遮断される。また、もう一方の幹路４４は、幹路４３とほぼ同等の流路抵抗となっている。
【００２４】
さて、本実施例の特徴とする位相固定解除手段５０は、図２〜図４に示すように、中間部材２８の外周側に開口を向けて形成されたキー溝５１と、該キー溝５１に収嵌されたピストン５２と、位相固定状態においてピストン５２と先端を突合するノックピン５３と、中間部材２８の外周面よりノックピン５３の退避を許容する、環状ハウジング部材３０に形成された退避孔５４と、該退避孔５４に収納されノックピン５３を内方に押圧する付勢部材（スプリング、ゴム等）５５とで構成される。
【００２５】
ピストン５２及びノックピン５３の各突合面は湾曲しており点接触している。これにより、位相固定する際の互いのコーナがカットされた形態となり、位相可変時に円滑な動きが達成される。また、ノックピン５３の放射方向長は、退避孔５４の外側を塞ぐストッパ５６と退避孔５４の開口位置との寸法にほぼ等しく設定されている。このためピストン５２は退避孔５４に侵入することはない。
【００２６】
また、図４に示すように、キー溝５１の開口面における周方向寸法Ａを退避溝５４の開口面における周方向寸法Ｂより大きくしている。従って、キー溝５１の開口面の寸法は、退避溝５４内を摺動するノックピン５３の寸法より大きくなっている。また、退避溝５４がノックピン５３との間にもつ間隙ｂはキー溝５１がピストン５２との間にもつ間隙ａより大きくされている。ここで、ａはキー溝５１の壁面を移動するピストン５２の角部によって異物を噛込まず、且つ枝路２３ｂから供給される油圧の洩れを減らした大きさ（例えば１０μ）に、ｂは作動油の異物が確実に外部に除去できる充分な大きさの値に設定される（例えば８０μ）。
【００２７】
本実施例の弁開閉時期制御装置は以上のように構成され、次にその作用を説明する。クランクプーリの回転動力が伝達されるタイミングプーリ１８によってカムシャフト１３が駆動されると、このカムシャフト１３の回転が中間部材２８、ベーン２９、環状ハウジング部材３０等を介してギヤ１５へ伝達され、更にギヤ１５及びギヤ１６を介してカムシャフト３に伝達され、カムシャフト１３の各バルブとカムシャフト１４の各バルブが作動する。
【００２８】
ここで、ギヤ１５は、カムシャフト１３のジャーナル部２５に対し周方向の移相が可能となっており、油圧供給装置３６の油圧制御弁３７を介して油圧ポンプ３８からの作動油圧が進相用室３１ａに作用すると、環状ハウジング部材３０及びギヤ１５がカムシャフト１３に対して図３上反時計方向に回転し、最大、ベーン２９の移動角度分θ（図３）だけ、カムシャフト１３に対するカムシャフト１４の相対位相を進ませる。また、油圧ポンプ３８からの作動油圧が遅相用室３１ｂに作用すると、環状ハウジング部材３０及びギヤ１５がカムシャフト１３に対して図２上時計方向に回転し、最進相位置から最大、ベーン２９の移動角度分θだけ、カムシャフト１３に対するカムシャフト１４の相対位相を遅らせる。これにより、カムシャフト１４における各バルブの開閉時期とカムシャフト１３における各バルブの開閉時期とを調整することができる。
【００２９】
そして、カムシャフト１４の最進相位置では、キー溝５１と退避溝５４との位相が一致するため、ピストン５２とノックピン５３とが中間部材２８と環状ハウジング３０との境界面で突合する。このとき、進相用の油圧が低下すると、付勢部材５５の力によってノックピン５３の先端部がキー溝５１内に挿入され、図２に示すように位相固定状態となる。次に幹路４３、枝路２３ｂ、４５に供給される遅相用の油圧が高まると、ピストン５２とノックピン５３とは再び中間部材２８と環状ハウジング３０との境界面で突合して固定解除状態となり、回転伝達部材とカムシャフト１３との相対回転が可能となる。
【００３０】
上記位相固定解除手段５０によれば、キー溝側に設けるピストン５２は、油圧のリークを許容する要請がなく、また、ノックピン５３とキー溝５１との間隙ｃに制約がないため、図４に示すように、キー溝５１の周方向寸法Ａと退避溝５４の周方向寸法Ｂとの差を、位相固定状態におけるカムシャフト１３（中間部材２８）と環状ハウジング部材３０との周方向の位置のばらつきの値（公差）以上に設定すれば、ノックピン５３の軸芯とキー溝５１の軸線が上記公差の範囲内でずれても確実にノックピン５３はキー溝５１に嵌合し、また、キー溝５１から容易に抜け出せ、位相固定状態と固定解除状態との切換わりの信頼性が高くなる。
【００３１】
また、上記のようにキー溝５１の周方向寸法を退避溝５４の周方向寸法より大きくすると、必然的にノックピン５３の間隙ｂも大きくとれるので、退避溝５４の加工精度が要求されない。
本発明は、特開平１−９２５０４号公報に記載されているような、クランクシャフトからの機関回転動力をタイミングベルト又はタイミングチェーン等の動力伝達手段によりカムシャフトに伝達し、弁開閉制御機構がシリンダヘッド外にてカムシャフトの端部に装着される内燃機関に適用できる。
【００３２】
また、特許請求の範囲の構成を逸脱しない範囲で種々の変更、変形が可能である。例えば回転伝達部材を直接にカムシャフト１３に装着したり、退避溝５４とキー溝の関係、即ち、ノックピン５３を中間部材側から外方に突出させ、ピストン５２を回転伝達部材から内方に突出させたり、油圧の代わりに空気圧で作動させることもできる。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、位相固定状態と固定解除状態との切換わりの信頼性が高くなるとともに、加工精度も要求されず、低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例に係る弁開閉時期制御装置を示す断面図であり、Ａ−Ａ線は図２、図３における破断線を示している。
【図２】 上記弁開閉時期制御装置の最進相時を示す断面図である。
【図３】 上記弁開閉時期制御装置の最遅相時を示す断面図である。
【図４】 本発明の一実施例における位相固定解除手段を示す拡大断面図である。
【図５】 従来の弁開閉時期制御装置を示す断面図である。
【図６】 従来の位相固定解除手段を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１３はカムシャフト（回転軸）、１４はカムシャフト、２９はベーン、３１は周方向油圧室、３６は油圧供給装置（油圧供給手段）、５０は位相固定解除手段、５１はキー溝、５２はピストン、５３はノックピン、５４は退避溝である。

Claims (2)

1. クランクプーリからの回転動力が伝達されるバルブ開閉用の回転軸と、
   該回転軸に回転位相角可変に外装されて該回転軸との間にそれぞれベーンを隔壁とした複数の周方向流体圧室を形成する回転伝達部材からなる流体圧機構と、
   前記ベーンによって前記各周方向流体圧室が二分された進相用室及び遅相用室の少なくとも一方に流体圧を供給し、前記回転軸を回転伝達部材に対し回転変位させて前記回転伝達部材と前記回転軸との相対位相を可変する流体圧供給手段と、
   前記回転軸及び回転伝達部材のうち一方部材に形成された退避溝から付勢力によって先端部が押出され他方部材に形成されたキー溝に嵌合するノックピン及び該ノックピンを前記退避溝に退避させるべく前記キー溝に収嵌され流体圧によって作動するピストンからなる位相固定解除手段とを具備した弁開閉時期制御装置において、
   前記ピストンの外周と前記キー溝との隙間は、前記ノックピンの外周と前記キー溝の間の隙間よりも小さくしたことを特徴とする弁開閉時期制御装置。
2. 前記ノックピンと前記ピストンとは互いに点接触であることを特徴とする請求項１記載の弁開閉時期制御装置。

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