JP3934579B2

JP3934579B2 - 内燃機関のバルブタイミング制御装置

Info

Publication number: JP3934579B2
Application number: JP2003168619A
Authority: JP
Inventors: 保東藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2003-06-13
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2021-04-20
Also published as: JP2003328708A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の吸気弁や排気弁の開閉タイミングを運転状態に応じて制御するバルブタイミング制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関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、機関弁（吸気弁または排気弁）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いる（特許文献１参照）。
【０００３】
この公報に記載のバルブタイミング制御装置は、駆動力伝達部材側のハウジングの内部に、カムシャフトの端部に一体に取り付けられたベーンロータを収容配置すると共に、前記ハウジングの内部に進角室と遅角室を設け、この各室に選択的に油圧を給排することによってベーンロータをハウジングに対して相対回動させ、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機関弁の開閉タイミングを変更する基本構成となっている。
【０００４】
また、機関の始動性を良好にするためには、吸気弁と排気弁の所謂オーバーラップを小さくする必要があるため、このバルブタイミング制御装置の場合、機関停止時に前記オーバーラップが最小になる側（吸気弁にあっては最遅角側、排気弁にあっては最進角側）においてベーンロータとハウジングを機械的にロックするロック機構が設けられている。
【０００５】
即ち、この装置にあっては、図５に示すように、ベーンロータ１の羽根部にロックピン２が進退自在に設けられ、このロックピン２がスプリング３によって突出方向に付勢される一方で、初期位置（吸気弁と排気弁のオーバーラップが最小となる位置）において、このロックピン２が嵌合されるべくロック穴４がハウジング５側に設けられている。したがって、機関の停止時にベーンロータ１が初期位置に戻されると、ロックピン２がスプリング３の付勢力を受けて突出し、その先端部がロック穴４に嵌合される。
【０００６】
また、この装置は、機関始動後にロック機構のロックを解除するために、進角室と遅角室の両油圧をロックピン２に作用させるロック解除機構を採用している。即ち、ベーンロータ１側でロックピン２を収容すべくピン孔６は、小径孔６ａと大径孔６ｂを有する二段孔形状とされ、ロックピン２は、小径孔６内を入出する先端側の小径部２ａと、この小径部２ａに対してフランジ状に拡径し、大径孔６ｂ内に収容される基端側の大径部２ｂとを有している。そして、ハウジング５側のロック穴４の底部には進角室と遅角室のうちの一方側の油圧が供給され、ピン孔６の大径孔６ｂと小径孔６ａの間の段差面と、ロックピン２側の大径部２ｂとの間に形成された環状空間７には、進角室と遅角室のうちの他方側の油圧が供給されるようになっている。したがって、ロックピン２がロック穴４に嵌合された状態（ロック状態）において、進角室と遅角室の一方側の作動油の圧力が高まると、その圧力がスプリング３の力に抗してロックピン２を後退させるように作用する。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０-１１０６０３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この従来のバルブタイミング制御装置においては、ベーンロータ１とハウジング５の相対回動位置が初期位置に達したときにロックピン２がロック穴４に確実に嵌合できるようにしなければならないが、初期位置でピン孔６とロック穴４の軸心位置が完全に合致するように製造することは実際上難しい。つまり、初期位置でピン孔６とロック穴４の軸心位置を合致させるためには、ハウジング５とベーンロータ１の製造精度や組付精度を高め、さらにピン孔６やロック穴４の加工精度等もすべて同様に高めなければならず、このようなことは現在の技術においては実際上不可能である。このため、従来においては、ロックピン２の小径部２ａと大径部２ｂに対してピン孔６の小径孔６ａと大径孔６ｂを大きめに形成しておき、ロックピン２とピン孔６の間に設けられたクリアランスｄによってピン孔６とロック穴４の軸心の位置ずれを吸収できるようにしている。
【０００９】
しかし、この従来のバルブタイミング制御装置の場合、ロックピン２とピン孔６について小径部２ａと小径孔６ａ、大径部２ｂと大径孔６ｂの各間に同様のクリアランスｄを設けるようにしているため、図５に一部拡大して示すように、ロックピン２がロック穴６に傾いた状態で嵌合しているときにロックピン２に解除油圧が作用すると、ロックピン２の大径部２ｂがコーナのエッジＥ部分でピン孔６（大径孔６ｂ）の内面に引っ掛かり、ロックピン２のスムーズな抜けが阻害されてしまう。
【００１０】
そこで本発明は、初期位置でのロックピンとロック穴の確実な嵌合と、スムーズなロック解除を実現できるようにして、初期位置でのベーンロータのばたつき防止と、位相変更の円滑化を図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。
【００１１】
上述した課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、クランクシャフトによって回転駆動する駆動力伝達部材と、機関弁を駆動する駆動カムを回転させるカムシャフトとの相対回転位相を制御する内燃機関のバルブタイミング制御装置であって、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に回転するハウジングと、前記駆動力伝達部材とカムシャフトのいずれか他方と一体に回転するベーンロータと、前記ハウジング内に設けられ、油圧によって前記ベーンロータを回動させる進角室及び遅角室と、前記ベーンロータとハウジングの一方側に設けられたピン孔にロックピンが進退自在に収容され、このロックピンの円錐状の先端部が前記ベーンロータとハウジングの他方側に設けられたテーパ面を有するロック穴に嵌合することによって、ベーンロータとハウジングの相対回動位置をロックするロック機構と、前記ロックピンの受圧面に進角室または遅角室の油圧を作用させてロック穴に対するロックピンの嵌合を解除するロック解除機構と、を備え、前記ピン孔は、ロックピンが入出する先端側に対して基端側が拡径して形成され、一方、前記ロックピンは、前記ロック穴側に位置される先端側の小径部と、この小径部に対して段差状に拡径する基端側の大径部とを有し、かつ前記小径部の先端側の面と大径部の小径部寄りの段差面が夫々進角室と遅角室の各一方の油圧を受ける受圧面とされ、前記ロックピンの大径部と該大径部が進退動する前記ピン孔の大径孔との間のクリアランスを、前記ロックピンの小径部と該小径部が進退動する前記ピン孔の小径孔との間のクリアランスよりも大きく設定したことを特徴としている。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明は、クランクシャフトによって回転駆動する駆動力伝達部材と、機関弁を駆動する駆動カムを回転させるカムシャフトとの相対回転位相を制御する内燃機関のバルブタイミング制御装置であって、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に回転するハウジングと、前記駆動力伝達部材とカムシャフトの他方と一体に回転するベーンロータと、前記ベーンロータとハウジングの一方側に設けられたピン孔にロックピンが進退自在に収容され、このロックピンの円錐状の先端部が前記ベーンロータとハウジングの他方側に設けられたテーパ面を有するロック穴に嵌合することによって、ベーンロータとハウジングの相対回動位置をロックするロック機構と、前記ロックピンの受圧面に進角室または遅角室の油圧を作用させてロック穴に対するロックピンの嵌合を解除するロック解除機構と、を備え、前記ピン孔は、ロックピンが入出する先端側に対して基端側が拡径して形成され、一方、前記ロックピンは、前記ロック穴側に位置される先端側の小径部と、この小径部に対して段差状に拡径する基端側の大径部とを有し、前記小径部の先端側の面と大径部の小径部寄りの段差面が夫々進角室と遅角室の各一方の油圧を受ける受圧面とされ、前記ロックピンの大径部と該大径部が進退動する前記ピン孔の大径孔との間のクリアランスを、前記ロックピンの小径部と該小径部が進退動する前記ピン孔の小径孔との間のクリアランスよりも大きく設定し、前記ロックピンが傾いた際に、該ロックピンの小径部が前記ピン孔の小径孔の内面に接触し、ロックピンの大径部はピン孔の大径孔の内面と非接触になるようにしたことを特徴としている。
【００１４】
この出願の発明の場合、ロックピンがロック穴に傾いた状態で嵌合し、その状態からロックピンに解除油圧が作用すると、ロックピンの小径部がピン孔の小径孔部分に接触し、ロックピンのスムーズな抜けが阻害されることがなくなる。したがって、この発明によれば、ロックピンとピン孔の間にクリアランスを持たせることによってロックピンとロック穴の確実な嵌合を実現しつつ、ロック解除時のロックピンの円滑、かつ確実な作動を得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１〜図３は、本発明の第１の実施形態を示すものであり、図１において、１１は、内燃機関のカムシャフトである。このカムシャフト１１はシリンダヘッド１２に回転自在に支持されると共に、その基幹部外周に機関弁である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１０はこのカムシャフト１１の前端部側に設けられている。
【００１７】
バルブタイミング制御装置１０は、図外のタイミングチェーン等を解して内燃機関のクランクシャフト（図示せず。）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１３と、このチェーンスプロケット１３が一体に形成されたハウジング１４と、一端部にこのハウジング１４が必要に応じて回転できるように組み付けられる前記カムシャフト１１と、このカムシャフト１１の一端にカムボルト１５によって一体に結合され前記ハウジング１４の内部に回動自在に収容されたベーンロータ１６と、このベーンロータ１６を内燃機関の運転状態に応じて油圧によって正逆回転させる油圧給排手段１７と、機関の始動時等にハウジング１４とベーンロータ１６の相対回動を規制するロック機構１８と、このロック機構１８のロックを解除するロック解除機構２３とを備えている。
【００１８】
前記ハウジング１４は、略円筒状のハウジング本体１９と、このハウジング本体１９の前後の端面にボルトによって結合されたフロントカバー２０及びリアカバー２１とを備えており、ハウジング本体１９の内周面には、図２に示すように、９０°間隔で断面台形状の仕切壁２２が４つ突設されている。
【００１９】
一方、前記ベーンロータ１６は、カムシャフト１１の前端部にカムボルト１５によって結合される略円柱状の胴部２４と、この胴部２４の外周面に９０°間隔で放射状に突設された４つの羽根部２５を備えており、胴部２４はハウジング１４の軸心位置に配置され、各羽根部２５はハウジング１４の隣接する仕切壁２２，２２間に配置されている。そして、ベーンロータ１６の各羽根部２５の一方側の側面とそれに対峙する仕切壁２２の間は進角室２６とされ、各羽根部２５の他方側の側面とそれに対峙する仕切壁２２の間は遅角室２７とされている。したがって、この装置においては進角室２６と遅角室２７の対が計４組設けられている。尚、各羽根部２５と仕切壁２２の先端部には、ばね付勢されたシール部材２８が夫々装着され、隣接する室２６，２７間の液密が図られている。
【００２０】
また、ベーンロータ１６の胴部２４の前端面の中央には接続穴２９が形成され、この接続穴２９の底部には、ベーンロータ１６をカムシャフト１１に結合するための前記カムボルト２３の頭部が配置されている。さらに、接続穴２９の内周面には前記各進角室２６に連通する第１の径方向孔３０の端部と、各遅角室２７に連通する第２の径方向孔３１の端部が夫々開口している。
【００２１】
そして、前記ベーンロータ１６の接続穴２９には、シリンダヘッド１２の前端側に取り付けられたＶＴＣカバー３２の円柱状の給排通路軸３３が相対回転可能に嵌挿されており、この給排通路軸３３を通して進角室２６と遅角室２７に対する作動油の給排が行われるようになっている。
【００２２】
油圧給排手段１７は、図１に示すように、給排通路軸３３の内部通路と第１の径方向孔３０を通して進角室２６に油圧を給排する第１油圧通路３４と、給排通路軸３３の別の内部通路と第２の径方向孔３１を通して遅角室２７に油圧を給排する第２油圧通路３５の２系統の油圧通路を有し、この両油圧通路３４，３５には、供給通路３６とドレン通路３７が夫々流路切換用の電磁切換弁３８を介して接続されている。尚、図中３９はオイルパンを示し、４０はオイルポンプ、４１はコントローラを示す。また、このコントローラ４１には、カムシャフト１１とクランクシャフトの回転信号の他、負荷や温度などの機関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。
【００２３】
ロック機構１８は、ベーンロータ１６の一つの羽根部２５に軸方向に沿って形成されたピン孔４２に進退自在に収容されたロックピン４３と、ピン孔４２内に収容されてロックピン４３をフロントカバー２０方向に付勢するスプリング４４と、ピン孔４２内に収容されてスプリング４４の逆側の端部を支持するリテーナ４５と、フロントカバー２０の内側面に設けられ、ベーンロータ１６がハウジング１４に対して遅角側に最大に変位した位置（初期位置）においてロックピン４３の先端が嵌合されるロック穴４６とを備えている。
【００２４】
ピン孔４２は、リアカバー２１側の端部からフロントカバー２０側の端部に向かって段差状に縮径して形成されており、フロントカバー２０側の小径孔４７とリアカバー２１側の大径孔４８を接続する段差面４９は内周縁部のコーナが鈍角を成すようにテーパ状に傾斜している。一方、ロックピン４３は、ピン孔４２の小径孔４７部分に嵌挿される先端側の小径部５０と、この小径部５０の基端側にフランジ状に拡径しピン孔４２の大径孔４８部分に嵌挿される大径部５１を有し、さらに、小径部５０の先端側には、ロック穴４６に嵌合されるべく截頭円錐状の突起部５２が設けられている。そして、ロックピン４３は突起部５２の先端面と、大径部５１の小径部５０側の段差側面が受圧面とされ、これらに適宜ロック解除油圧が作用するようになっている。
【００２５】
即ち、ロック穴４６の底部は解除通路５３を介して進角室２６に連通し、ピン孔４２の段差面４９とロックピン４３の大径部５１の間に形成された環状空間５４は解除通路５５を介して遅角室２７に連通している。したがって、ロックピン４３がロック穴４６に嵌合された状態で進角室２６側の圧力が高まると、ロックピン４３を後退させるように突起部５２の先端面に進角室２７の圧力が作用し、また、遅角室２７側の圧力が高まると、同様にロックピン４３を後退させるように大径部４８の側面に遅角室２７の圧力が作用する。
【００２６】
尚、この実施形態においては、ロック穴４６の底部に連通する解除通路５３と、ピン孔４２とロックピン４３の間の環状空間５４、環状空間５４に連通する解除通路５５等によってロック解除機構２３が構成されている。また、ロックピン４３の大径部４８の背部側の空間は、ベーンロータ１６に形成されたドレン溝５６を介して大気に連通している。
【００２７】
ここで、ピン孔４２とロックピン４３の間には、ベーンロータ１６とハウジング１４が初期位置（最遅角位置）にあるときにロックピン４３がロック穴４６に確実に嵌合し得るように従来のものと同様に所定クリアランスが設けられている。しかし、このクリアランスについては、小径部５０と小径孔４７、大径部５１と大径孔４８の各間で異なり、大径部５１と大径孔４８の間のクリアランスｄ₁は小径部５０と小径孔４７の間のクリアランスｄ₂よりも大きく設定されている。
【００２８】
つづいて、このバルブタイミング制御装置１０の作動について説明する。
【００２９】
内燃機関の始動時には、ベーンロータ１６がハウジング１４に対して遅角側に回動した状態でロック機構１８のロックピン４３が両者を機械的にロックしており、クランクシャフトの回転力はその状態においてカムシャフト１１に伝達される。したがって、駆動カムとバルブスプリングの力に起因するトルク反力によってベーンロータ１６がハウジング１４に対してばた付く不具合は回避され、カムシャフト１１は遅角タイミングで吸気弁を開閉することとなる。
【００３０】
そして、こうして機関が始動されると、遅角室２７に導入される作動油の圧力が次第に増大し、ベーンロータ１６の各羽根部２５が遅角室２７の圧力を受けて遅角側に押圧される一方、ロックピン４３の大径部５１が同じ遅角室の圧力を受けて後退方向に押圧される。このときロックピン４３は設定によってはロック穴４６から完全に抜けないが、少なくともロック穴４６に対して抜け易い状態が作られる。
【００３１】
ところで、ロックピン４３を収容するピン孔４２と、ロックピン４３の間にはクリアランスが設けられているため、ロックピン４３はロック穴４６に対して傾いた状態で嵌合されることがある。しかし、このような場合であっても、ロックピン４３の大径部５１側のクリアランスｄ₁は小径部５０側のクリアランスｄ₂よりも大きく設定されているため、ロックピン４３にロック解除油圧が作用したときに大径部５１のコーナのエッジＥ部分がピン孔４２の内面に引っ掛かるようなことはない（図３参照）。つまり、ロックピン４３が傾く場合には、前述のクリアランスの関係（ｄ₁＞ｄ₂）で、図３に示すようにロックピン４３の小径部５０がピン孔４２（小径孔４７）に先に当接し、ロックピン４３の大径部５１はピン孔４２に対して非接触となる。
【００３２】
また、この後に機関回転数が高まり、電磁切換弁３８の操作によって供給通路３６が進角室２７に、ドレン通路３７が遅角室２７に夫々連通すると、進角室２６に導入される高圧の作動油が解除通路５３を通してロックピン４３の先端の突起部５２に作用し、ロックピン４３がこの作動油の圧力を受けてピン孔４２内に後退する。これにより、ロック機構１８によるハウジング１４とベーンロータ１６の機械的なロックが完全に解除され、ベーンロータ１６は進角室２６の圧力を受けて進角側に回動する。この結果、カムシャフト１１は進角タイミングで吸気弁を開閉することとなる。
【００３３】
また、この状態から機関が停止しようとすると、駆動カムとバルブスプリングの力に起因するトルク反力によってベーンロータ１６がハウジング１４に対して最遅角位置に戻され、その状態でロックピン４３がスプリング４４の付勢力によってロック穴４６に嵌合される。この結果、次の機関始動に備えたロック状態に維持される。尚、ベーンロータ１６が最遅角位置に変位した状態においては、ピン孔４２とロック穴４６の軸心が完全に合致しないことがほとんどであるが、この場合であっても、ロックピン４３はロック穴４６内のテーパ面にガイドされつつピン孔４２とのクリアランスｄ₂の範囲で適宜動くことにより、ロック穴４６に対して確実に嵌合される。
【００３４】
図４は、本発明の第２の実施形態を示すものであり、図１〜図３に示した第１の実施形態と同一部分には同一符号を付してある。この実施形態のバルブタイミング制御装置１１０はロックピン４３の大径部５１の外周に環状溝５８を設け、この環状溝５８にピン孔４２の内周面に密接する樹脂またはゴムから成るシールリング５９（シール部材）を取り付けた点が第１の実施形態のものと異なっている。
【００３５】
この装置の場合、基本的に第１の実施形態とほぼ同様の作用効果を得ることができるが、さらに、ロックピン４３の大径部４８の周域からの作動油の漏れをシールリング５９によって確実に阻止することができるため、ロックピン４３の解除作動をより迅速、確実なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す図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】同実施形態を示す図２のＣ−Ｃ線に沿う断面図。
【図４】本発明の第２の実施形態を示す図３に対応の断面図。
【図５】従来の技術を示す断面図。
【符号の説明】
１０，１１０…バルブタイミング制御装置
１１…カムシャフト
１３…チェーンスプロケット（駆動力伝達部材）
１４…ハウジング
１６…ベーンロータ
１７…油圧給排手段
１８…ロック機構
２３…ロック解除機構
２６…進角室
２７…遅角室
３８…電磁切換弁
４２…ピン孔
４３…ロックピン
４６…ロック穴
５０…小径部
５１…大径部

Claims

クランクシャフトによって回転駆動する駆動力伝達部材と、機関弁を駆動する駆動カムを回転させるカムシャフトとの相対回転位相を制御する内燃機関のバルブタイミング制御装置であって、
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に回転するハウジングと、
前記駆動力伝達部材とカムシャフトのいずれか他方と一体に回転するベーンロータと、
前記ハウジング内に設けられ、油圧によって前記ベーンロータを回動させる進角室及び遅角室と、
前記ベーンロータとハウジングの一方側に設けられたピン孔にロックピンが進退自在に収容され、このロックピンの円錐状の先端部が前記ベーンロータとハウジングの他方側に設けられたテーパ面を有するロック穴に嵌合することによって、ベーンロータとハウジングの相対回動位置をロックするロック機構と、
前記ロックピンの受圧面に進角室または遅角室の油圧を作用させてロック穴に対するロックピンの嵌合を解除するロック解除機構と、を備え、
前記ピン孔は、ロックピンが入出する先端側に対して基端側が拡径して形成され、
一方、前記ロックピンは、前記ロック穴側に位置される先端側の小径部と、この小径部に対して段差状に拡径する基端側の大径部とを有し、かつ前記小径部の先端側の面と大径部の小径部寄りの段差面が夫々進角室と遅角室の各一方の油圧を受ける受圧面とされ、
前記ロックピンの大径部と該大径部が進退動する前記ピン孔の大径孔との間のクリアランスを、前記ロックピンの小径部と該小径部が進退動する前記ピン孔の小径孔との間のクリアランスよりも大きく設定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。
クランクシャフトによって回転駆動する駆動力伝達部材と、機関弁を駆動する駆動カムを回転させるカムシャフトとの相対回転位相を制御する内燃機関のバルブタイミング制御装置であって、
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に回転するハウジングと、
前記駆動力伝達部材とカムシャフトの他方と一体に回転するベーンロータと、
前記ベーンロータとハウジングの一方側に設けられたピン孔にロックピンが進退自在に収容され、このロックピンの円錐状の先端部が前記ベーンロータとハウジングの他方側に設けられたテーパ面を有するロック穴に嵌合することによって、ベーンロータとハウジングの相対回動位置をロックするロック機構と、
前記ロックピンの受圧面に進角室または遅角室の油圧を作用させてロック穴に対するロックピンの嵌合を解除するロック解除機構と、を備え、
前記ピン孔は、ロックピンが入出する先端側に対して基端側が拡径して形成され、
一方、前記ロックピンは、前記ロック穴側に位置される先端側の小径部と、この小径部に対して段差状に拡径する基端側の大径部とを有し、前記小径部の先端側の面と大径部の小径部寄りの段差面が夫々進角室と遅角室の各一方の油圧を受ける受圧面とされ、
前記ロックピンの大径部と該大径部が進退動する前記ピン孔の大径孔との間のクリアランスを、前記ロックピンの小径部と該小径部が進退動する前記ピン孔の小径孔との間のクリアランスよりも大きく設定し、
前記ロックピンが傾いた際に、該ロックピンの小径部が前記ピン孔の小径孔の内面に接触し、ロックピンの大径部はピン孔の大径孔の内面と非接触になるように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。