JP3801847B2

JP3801847B2 - 内燃機関のバルブタイミング制御装置

Info

Publication number: JP3801847B2
Application number: JP2000218379A
Authority: JP
Inventors: 鉄雄山崎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-07-19
Filing date: 2000-07-19
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2020-07-19
Also published as: JP2002030908A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関（以下、「エンジン」と言うものとする。）の吸気弁や排気弁の開閉タイミングを運転条件に応じて制御するためのバルブタイミング制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンのクランクシャフトと同期回転するタイミングプーリやチェーンスプロケット等の駆動力伝達部材と、外周に駆動カムを有するカムシャフトとの組付角を回動操作することにより、吸気弁や排気弁の開閉タイミングを可変制御するバルブタイミング制御装置が従来より案出されており、この技術は、例えば、特開平９-６０５０７号公報等に開示されている。
【０００３】
この公報に記載のバルブタイミング制御装置は、径方向外側に突出する複数枚の羽根部を備えたベーン部材をカムシャフトの端部に一体に取付け、前記ベーン部材を駆動力伝達部材と一体のハウジング部材の内部に収容配置すると共に、このハウジング部材の内部に進角油圧室及び遅角油圧室を設け、この各油圧室に選択的に油圧を吸排することによってベーン部材をハウジング部材に対して相対的に回動させ、それにより駆動力伝達部材とカムシャフトとの回転位相を変化させて吸気弁や排気弁の開閉タイミングを変更するようになっている。
【０００４】
このような所謂ベーン式のバルブタイミング制御装置においては、エンジンの回転速度が遅い場合等の供給油圧が低いときに油圧室内の圧力が吸気弁や排気弁から受ける反力に負け、ベーン部材がその反力によって押し動かされることが知られている。これに対処するため上記公報に記載のバルブタイミング制御装置にあっては、ベーン部材の一枚の羽根部にロックピンを進退自在に設け、ベーン部材とハウジング部材が設定相対回動位置にある状態において、ロックピンの先端をハウジング部材のロック穴に嵌合することにより、前記ベーン部材の押し戻しを防止するようにしている。
【０００５】
このバルブタイミング制御装置の場合、ベーン部材とハウジング部材を相対回転させる際のトルクは、羽根部の受圧面積と油圧の積によって決まる。そして、このトルクに関係する受圧面積は各羽根部の受圧面のサイズが同じであれば羽根部の枚数に比例して増大するため、作動時に機関弁の反力に確実に打ち勝てるだけのトルクを得ようとする場合には、通常、羽根部の枚数を増加することによって対処している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ベーン部材の羽根部の枚数を単純に増やした場合、ベーン部材の重量が大幅に増加してしまううえ、羽根部の枚数増加と共にハウジング側にその枚数に応じた数の仕切壁を設けなければならないことから、その分ベーン部材とハウジング部材の回動角度が狭められてしまう。
【０００７】
この対処策としては、各羽根部の周方向幅を狭めることによって重量増加の抑制や回動角度の拡大を図ることが考えられるが、少なくともロックピンを配置する羽根部はロックピンを確実に保持し得る幅を確保しなければならないため、その羽根部を残して他の羽根部の幅を狭くするとベーン部材全体の回転アンバランスが生じる。そして、バルブタイミング制御装置は、常時カムシャフトと共に高速で回転するものであるため、この回転アンバランスは振動の発生や軸受部の耐久性の低下等の種々の不具合を引き起こす。
【０００８】
そこで本発明は、３枚以上の羽根部を備えたベーン部材を用いて充分な作動トルクを確保しつつも、ベーン部材の回転アンバランスを招くことなく、ベーン部材の重量を軽減し、しかも、ベーン部材とハウジングの間の充分な相対回動角度をも確保することのできる内燃機関のバルブタイミング制御装置を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために請求項１に記載の発明は、内燃機関のクランクシャフトによって駆動される駆動力伝達部材と、外周に機関弁を作動させるための駆動カムを有する一方で前記駆動力伝達部材が必要に応じて相対回転できるように組み付けられ、前記駆動力伝達部材から動力を伝達されて従動回転するカムシャフトと、前記駆動力伝達部材と前記カムシャフトのいずれか一方と一体化されて回転するハウジング部材と、前記ハウジング部材内に収容され、前記駆動力伝達部材と前記カムシャフトの他方と一体化されて回転すると共に、径方向外側に突出する３枚以上の羽根部を有するベーン部材と、前記ハウジング部材内に設けられ、油圧によって前記ベーン部材を回動させる進角油圧室及び遅角油圧室と、前記進角油圧室及び遅角油圧室に連通し、これらの油圧室に選択的に油圧を吸排する油圧吸排手段と、前記ベーン部材の一つの羽根部に進退自在に取付けられ、内燃機関の運転状態に応じてハウジング部材のロック穴に嵌合されるロックピンと、を備えた内燃機関のバルブタイミング制御装置において、ロックピンの設けられる羽根部の周方向幅と、この羽根部に対して回転軸を挟んで反対側に位置される１枚の羽根部の周方向幅を残余の羽根部の周方向幅よりも広く形成すると共に、この残余の羽根部を、前記ロックピンを設けない周方向幅の広い羽根部側に偏倚させて配置するようにした。
【００１０】
この発明の場合、ロックピンを設ける羽根部の周方向幅は、ロックピンが挿通するための嵌合孔を設ける関係上、必然的に広く形成される必要があることから、この羽根部よりも周方向幅の狭い前記残余の各羽根部を、前記ロックピンを設けない周方向幅の広い羽根部側に偏倚させて配置したことにより、前記ベーン部材が、前記ロックピンを設ける羽根部の重量と、該ロックピンを設ける羽根部以外の各羽根部の総重量と、によって重量バランスされるようになる。これにより、前記残余の羽根部の各周方向幅をより狭めることができるため、ベーン部材全体の重量がより一層軽量化されると共に、ベーン部材とハウジング部材の相対回動角度が確保される。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、ロックピンの設けられる羽根部の周方向幅を、この羽根部に対して回転軸を挟んで反対側に位置される羽根部の周方向幅よりも広く形成するようにした。
【００１２】
ロックピンを設ける羽根部には、ロックピンやそのロックピンを付勢するための機構を収容するための空間部を設けなければならならず、また、ハウジング部材のロックピンの嵌合される位置には嵌合穴を設けなければならないため、ロックピンの配置側される羽根部はこれらの分だけ軽量化される。しかし、この発明の場合、ロックピンの設けられる羽根部を、回転軸を挟んでそれと反対側に位置される羽根部の周方向幅よりも広く確保しているため、両羽根部がより正確に重量バランスされる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、ロックピンの設けられる羽根部と、この羽根部に対して回転軸を挟んで反対側に位置されるロックピンを設けない各羽根部と、の前記回転軸周りの慣性モーメントを略一致させるようにした。
【００１４】
この発明の場合、前記ロックピンを設ける羽根部と該ロックピンを設けない各羽根部との重量バランスだけでなく、前記回転軸周りの慣性モーメントも略一致させたため、ベーン部材全体の重心が回転中心と一致する。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、ベーン部材に羽根部を４枚設け、ロックピンの設けられる羽根部と周方向幅の広い１枚の羽根部を回転軸対称に配置すると共に、周方向幅の狭い残余の２枚の羽根部を、前記ロックピンの設けられる羽根部とそれと対称位置に配置される羽根部を結ぶ軸線に対して対称に配置するようにした。
【００１６】
この発明の場合、幅の広い２枚の羽根部を結ぶ軸線の左右での重量バランスが幅の狭い２枚の羽根部によって保たれる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
図２において、１は、エンジンの吸気側のカムシャフトである。このカムシャフト１は、図外のシリンダヘッドに軸受を介して回転自在に支持されると共に、その基幹部外周に、機関弁としての吸気弁を開閉するための図外の駆動カムが設けられている。本発明にかかるバルブタイミング制御装置２はこのカムシャフト１の一端側に設けられている。
【００２１】
バルブタイミング制御装置２は、タイミングチェーン（図示せず。）を介してクランクシャフトによって回転駆動される駆動力伝達部材としてのチェーンスプロケット４と、このチェーンスプロケット４がリヤ側外周に形成されたハウジング部材５と、一端部にこのハウジング部材５が必要に応じて回動できるように組み付けられた前記カムシャフト１と、このカムシャフト１の一端に一体に組み付けられ前記ハウジング部材５の内部に回動自在に収容されたベーン部材７と、このベーン部材７をエンジンの運転状態に応じて油圧によって正逆回転させる油圧吸排手段８と、前記カムシャフト１に作用する回転変動トルクに伴なうベーン部材７の戻りを運転状態に応じて規制する回動規制手段９とを備えている。
【００２２】
前記ハウジング部材５は、略円筒状のハウジング本体１０と、このハウジング本体１０の前後の端面にボルト１１によって結合されたフロントカバー１２及びリヤカバー１３を備えており、ハウジング本体１０の内周面には、図１に示すように、ほぼ９０°間隔で断面台形状の仕切壁１４が４つ突設されている。
【００２３】
一方、前記ベーン部材７は、略円柱状の胴部１６と、この胴部１６の外周面に放射状に突設された４つの羽根部１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄを備えており、胴部１６はハウジング部材１０の軸心位置に配置され、各羽根部１７ａ〜１７ｄはハウジング部材５の隣接する仕切壁１４，１４間に配置されている。そして、ベーン部材７の各羽根部１７ａ〜１７ｄの一方側の側面とそれに対峙する仕切壁１４の間は進角油圧室１８とされ、各羽根部１７ａ〜１７ｄの他方側の側面とそれに対峙する仕切壁１４の間は遅角油圧室１９とされている。したがって、この装置においては進角油圧室１８と遅角油圧室１９の対が計４組設けられている。
【００２４】
また、ベーン部材７の胴部１６の軸心部には前面側に開口する第１の凹部２０と後面側に開口する第２の凹部２１が夫々形成されている。第２の凹部２１には前記カムシャフト１の端部が嵌合され、第１の凹部２０と第２の凹部２１を隔てる隔壁２２にはカムシャフト１の端部がボルト２３によって結合されている。ボルト２３はその頭部が第１の凹部２０内に配置されており、ボルト２３の軸心部から頭部にかけて形成された第１吸排孔２４の端部が第１の凹部２０内に開口するようになっている。これに対し第２の凹部２１に嵌合されるカムシャフト１の外周面には、同シャフト１に形成された第２吸排孔２５の端部が開口している。そして、第１の凹部２０には前記各進角油圧室１８に連通する第１径方向孔２６が開口し、第２の凹部２１のうちの前記第２吸排孔２５の端部と合致する位置には、前記各遅角油圧室１９に連通する第２径方向孔２７が開口している。したがって、各進角油圧室１８と遅角圧室１９は第１の凹部２０と第２の凹部２１を介して夫々第１吸排孔２６と第２吸排孔２７に連通している。
【００２５】
前記油圧吸排手段８は、第１吸排孔２４に接続されて進角油圧室１８に油圧を吸排する第１油圧通路２８と、第２吸排孔２５に接続されて遅角油圧室１９に対して油圧を吸排する第２油圧通路２９の２系統の油圧通路を有し、この両油圧通路２８，２９には、供給通路３０とドレン通路３１が夫々通路切換用の電磁切換弁３２を介して接続されている。前記供給通路３０には、オイルパン３３内の油を圧送するオイルポンプ３４が設けられており、ドレン通路３１の端部は前記オイルパン３３内に連通している。また、電磁切換弁３２はコントローラ３５によって制御されるが、このコントローラ３５には、エンジンの運転状態を示す各種信号が入力されるようになっている。
【００２６】
一方、回動規制手段９は、エンジン始動時等にベーン部材７が遅角側に回動制御されているときにハウジング部材５とベーン部材７の相対的な回動を機械的にロックするものであり、図３に拡大して示すように、ベーン部材７の一つの羽根部１７ａに軸方向に沿って進退自在に収容支持されたロックピン３６と、このロックピン３６を突出方向（フロントカバー１２方向）に付勢するばね部材３７と、フロントカバー１２の内側面（ハウジング部材５の側壁）の設定位置に配置され、ベーン部材７がハウジング部材５に対して遅角側に最大に変位した位置でロックピン３６の先端が嵌合されるロック穴３８とを備えている。
【００２７】
ロックピン３６は、先端にテーパ部を備える有底円筒状に形成され、ベーン部材７の一つの羽根部１７ａに形成された軸孔３９に摺動自在に収容されている。軸孔３９には、ロックピン３６を突出方向に付勢する前記ばね部材３７と共にこのばね部材３７の一端を支持するばね支持ピン４０が収容され、ばね部材３７の介在されるロックピン３６の背部空間は大気に連通している。
【００２８】
一方、ロック穴３８はフロントカバー１２に直接加工されているのではなく、フロントカバー１２の設定位置に形成された取付穴４１に、耐摩耗性の高い材料から成る有底円筒状のガイドブッシュ４２が圧入固定されることにより構成されている。尚、ガイドブッシュ４２にはその底部を進角油圧室１８に連通させる図示しない吸排孔が形成され、ロックピン３６の嵌合時に、その先端部に進角油圧室１８の油圧が作用するようになっている。
【００２９】
ところで、本発明にかかるバルブタイミング制御装置２においては、ベーン部材７の４つの羽根部１７ａ〜１７ｄが以下のような設定で形成されている。
【００３０】
即ち、ベーン部材７は、図４に示すようにロックピン３６の配置される羽根部１７ａに対して１枚の羽根部１７ｂが回転軸（ｏ）対称に配置され、残余の２枚の羽根部１７ｃ，１７ｄが羽根部１７ａ，１７ｂを結ぶ軸線ｐについて線対称に、かつ、羽根部１７ｂ側に若干偏寄して配置されている。そして、羽根部１７ａと１７ｂは、その各周方向幅Ｌ₁，Ｌ₂が残余の羽根部１７ｃ，１７ｄの周方向幅Ｌ₃，Ｌ₄よりも広く設定されている。また、羽根部１７ａの周方向幅Ｌ₁は対称位置の羽根部１７ｂの周方向幅Ｌ₂よりも広く設定され、残余の羽根部１７ｃ，１７ｄの周方向幅Ｌ₃，Ｌ₄はいずれも同じに設定されている（以下の（１）式参照。）。
【００３１】
【数１】
Ｌ₁＞Ｌ₂＞Ｌ₃＝Ｌ₄ …（１）
ここで、羽根部１７ａの周方向幅Ｌ₁はロックピンを設ける関係上必然的に広くなるものであるが、それと対称位置にある羽根部１７ｂは、羽根部１７ａとの重量的なバランスをとるために同様に周方向幅Ｌ₂が広く設定されている。そして、残余の羽根部１７ｃ，１７ｄは羽根部１７ａ，１７ｂよりも周方向幅Ｌ３，Ｌ４が狭くされている。
【００３２】
また、羽根部１７ａにはロックピン３６やばね部材３７等を収容するための軸孔３９が形成され、さらにハウジング部材１０のロックピン３６対応部にロック穴３８が形成されているため、羽根部１７ｂは羽根部１７ａと同一周方向幅Ｌ₁＝Ｌ₂に設定すると羽根部１７ｂ側の重量が重くなってしまう。このため、この実施形態においては、羽根部１７ａの軸孔３９やロック穴３８の空洞部分を考慮して、羽根部１７ｂの周方向幅Ｌ₂が羽根部１７ａの周方向幅Ｌ₁よりも広く設定されている。そして、羽根部１７ａと１７ｂはベーン部材７の重心が回転軸ｏと一致するよう両者の慣性モーメントを略一致させてある。
【００３３】
かかる構造において、エンジン始動時でオイルポンプ３４から作動油が充分に供給されないときや、電磁切換弁３２の操作によって遅角油圧室１９に高圧の作動油が供給されたときには、ベーン部材７がハウジング部材５に対して図１に示す最遅角位置にあり、回動規制手段９のロックピン３６はこのときばね部材３７の付勢力を受けその先端部がガイドブッシュ４２のロック穴３８に嵌合し、ベーン部材７とハウジング部材５を機械的に連結している。このため、図外のクランクシャフトからチェーンスプロケット４に入力された回転駆動力は、最遅角状態で機械的に連結されたハウジング部材５とベーン部材７を介してカムシャフト１に伝達され、図外の駆動カムを介して吸気弁を遅角タイミングで開閉する。
【００３４】
そして、ベーン部材７がこのように最遅角側に回動変位しているときには、上述のようにロックピン３６がハウジング部材５とベーン部材７を機械的に結合するため、吸気弁からカムシャフト１に変動トルクが入力されてもベーン部材７はハウジング部材５に対して相対回動することがなく、したがって、ベーン部材７がばた付き音を発生する等の不具合は生じない。
【００３５】
また、この状態からコントローラ３５による電磁切換弁３２の制御によって進角油圧室１８が供給通路３０に連通し、遅角油圧室１９がドレン通路３１に連通するようになると、進角油圧室１８には高圧の作動油が導入され、このときロックピン３６の先端部（ロック穴３８）にもその高圧の作動油が導入される。ロックピン３６はこのとき高圧の作動油の圧力を受け、ばね部材３７の付勢力に抗して後退し、ハウジング部材５とベーン部材７の回動規制を解除する。
【００３６】
一方、ベーン部材７の各羽根部１７ａ〜１７ｄは進角油圧室１８と遅角油圧室１９の差圧を受け、ベーン部材７全体はハウジング部材５に対して進角方向（遅角油圧室１９方向）に回動し、最進角位置で停止する。これにより、チェーンスプロケット４とカムシャフト１が相対回動し、チェーンスプロケット４に対するカムシャフト１の回転位相が進角側に制御される。
【００３７】
このバルブタイミング制御装置２は以上のように作動するが、ベーン部材７は作動時に４枚の羽根部１７ａ〜１７ｄで油圧を受けるため、大きな作動力でもって確実な作動を得ることができる。また、この装置２においては、ベーン部材７の羽根部１７ａ〜１７ｄを４枚設けるにあたって、ロックピン３６を設ける羽根部１７ａと、それと軸対称位置にある羽根部１７ｂの周方向幅Ｌ₁，Ｌ₂のみを広く設定して、残余の２枚の羽根部１７ｃ，１７ｄの周方向幅Ｌ₃，Ｌ₄を狭く設定したため、ベーン部材７全体の重量を軽量化することができると共に、ハウジング部材５に対する相対回動角度を広く確保することができる。
【００３８】
そして、羽根部１７ａと軸対称位置にある羽根部１７ｂは、羽根部１７ａ側の軸孔３９やロック穴３８等の空洞部分を考慮して羽根部１７ａよりも若干周方向幅を狭くすると共に、両羽根部１７ａ，１７ｂの慣性モーメントを略一致させているため、軸心ｏ回りの回転バランスが良好に保たれている。
【００３９】
さらに、この実施形態の装置２においては、残余の羽根部１７ｃ，１７ｄ相互も軸線ｐを挟んで線対象に配置されているため、軸線ｐを挟んでの重量バランスも良好に維持されている。また、両羽根部１７ｃ，１７ｄは羽根部１７ｂ側に偏寄して突設されているため、ロックピン３６側の羽根部１７ａとバランスさせるための羽根部１７ｂの周方向幅の拡大量を小さくし、ベーン部材７全体をより軽量化することができる、という利点がある。
【００４０】
尚、以上では、４枚の羽根部を有するベーン部材を適用した例について説明したが、本発明にかかる装置で用いるベーン部材の羽根部は３枚以上であれば任意数であって良い。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載の発明は、３枚以上の羽根部によって油圧を受けるようにしたために、充分な作動トルクを確保することができる。また、ベーン部材を、ロックピンを設ける羽根部の重量と、該ロックピンを設ける羽根部以外の各羽根部の総重量と、によって重量バランスを図ることができるようになるために、ベーン部材やハウジング部材の回転バランスを高めることができる。さらに、残余の羽根部の周方向幅を狭く形成することが可能となり、ベーン部材全体の重量をより一層低減することができる。これにより、ベーン部材全体のより一層の軽量化と、ベーン部材及びハウジング部材間の充分な相対回動角度の確保との両立を図ることが可能となっている。
【００４２】
請求項２に記載の発明は、ロックピンの収容空間等を考慮してロックピンを設ける羽根部と、それと対称にある羽根部を完全にバランスさせることができるため、ベーン部材やハウジング部材の回転バランスより高めることができる。
【００４３】
請求項３に記載の発明は、ベーン部材の重心が回転中心とほぼ一致するために、ベーン部材の回転バランスをより一層高めることが可能となり、回転軸周りの回転バランスを良好に保つことができる。
【００４４】
請求項４に記載の発明は、幅の広い２枚の羽根部を結ぶ軸線の左右での重量バランスを幅の狭い２枚の羽根部によって保つことができるため、ベーン部材の回転バランスをさらに高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す図２のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図２】同実施形態を示す図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図。
【図３】同実施形態を示す部分拡大断面図。
【図４】同実施形態を示すベーン部材の断面図。
【符号の説明】
１…カムシャフト
２…バルブタイミング制御装置
４…チェーンスプロケット（駆動力伝達部材）
５…ハウジング部材
７…ベーン部材
８…油圧吸排手段
１８…進角油圧室
１９…遅角油圧室
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ…羽根部
３６…ロックピン
３８…ロック穴

Claims

内燃機関のクランクシャフトによって駆動される駆動力伝達部材と、
外周に機関弁を作動させるための駆動カムを有する一方で前記駆動力伝達部材が必要に応じて相対回転できるように組み付けられ、前記駆動力伝達部材から動力を伝達されて従動回転するカムシャフトと、
前記駆動力伝達部材と前記カムシャフトのいずれか一方と一体化されて回転するハウジング部材と、
前記ハウジング部材内に収容され、前記駆動力伝達部材と前記カムシャフトの他方と一体化されて回転すると共に、径方向外側に突出する３枚以上の羽根部を有するベーン部材と、
前記ハウジング部材内に設けられ、油圧によって前記ベーン部材を回動させる進角油圧室及び遅角油圧室と、
前記進角油圧室及び遅角油圧室に連通し、これらの油圧室に選択的に油圧を吸排する油圧吸排手段と、
前記ベーン部材の一つの羽根部に進退自在に取付けられ、内燃機関の運転状態に応じてハウジング部材のロック穴に嵌合されるロックピンと、を備えた内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
ロックピンの設けられる羽根部の周方向幅と、この羽根部に対して回転軸を挟んで反対側に位置される１枚の羽根部の周方向幅を残余の羽根部の周方向幅よりも広く形成すると共に、
この残余の羽根部を、前記ロックピンを設けない周方向幅の広い羽根部側に偏倚させて配置したことを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
ロックピンの設けられる羽根部の周方向幅を、この羽根部に対して回転軸を挟んで反対側に位置される羽根部の周方向幅よりも広く形成したことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
ロックピンの設けられる羽根部と、この羽根部に対して回転軸を挟んで反対側に位置されるロックピンを設けない各羽根部と、の前記回転軸周りの慣性モーメントを略一致させたことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
ベーン部材に羽根部を４枚設け、ロックピンの設けられる羽根部と周方向幅の広い１枚の羽根部を回転軸対称に配置すると共に、周方向幅の狭い残余の２枚の羽根部を、前記ロックピンの設けられる羽根部とそれと対称位置に配置される羽根部を結ぶ軸線に対して対称に配置したことを特徴する請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。