JP3996755B2

JP3996755B2 - 内燃機関のバルブタイミング制御装置

Info

Publication number: JP3996755B2
Application number: JP2001315062A
Authority: JP
Inventors: 保東藤; 正彦渡辺
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-10-12
Filing date: 2001-10-12
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2021-10-12
Also published as: JP2003120233A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の吸気側または排気側の機関弁の開閉タイミングを運転状態に応じて可変にする内燃機関のバルブタイミング制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のバルブタイミング制御装置は、クランクシャフトからカムシャフトに至る動力伝達経路において、両シャフトの回転位相を操作することにより、機関弁の開閉タイミングを制御するようにしている。即ち、この種の装置は、クランクシャフトにタイミングチェーン等を介して連繋された駆動回転体がカムシャフト側の従動回転体に必要に応じて相対回動できるように組み付けられると共に、これらの回転体の間に両者の組付角を操作すべく組付角操作機構が介装され、この組付角操作機構を適宜駆動制御することによってクランクシャフトとカムシャフトの回転位相を変更するようになっている。
【０００３】
組付角操作機構としては、ヘリカルギヤを用いて油圧ピストンの直進作動を両回転体の回動作動に変換するもの等種々のものが開発されているが、近年、軸長を短縮化でき、フリクションロスが少ない等の多く利点を有するリンクを用いたものが案出されている。
【０００４】
組付角操作機構にリンクを用いたバルブタイミング制御装置としては、例えば、特開２００１−４１０１３号公報に開示されるようなものがある。
【０００５】
この装置は、クランクシャフトにタイミングチェーン等を介して連繋されたハウジング（駆動回転体）がカムシャフトの端部に回動可能に組み付けられ、ハウジングの内側端面に形成された複数の径方向ガイドに夫々案内部材（可動案内部）が径方向に沿って摺動自在に係合支持されると共に、径方向外側に突出するレバーが従動軸部材(従動回転体)と共にカムシャフトの端部にボルト結合され、案内部材と従動軸部材側の対応するレバーとが夫々リンクによって枢支連結されている。そして、ハウジングの前記径方向ガイドに対向する位置には、渦巻き状ガイドを有する中間回転体がハウジングと従動軸部材に対して相対回動可能に設けられ、前記案内部材の端部に突設された略円弧状の突条が前記渦巻き状ガイドに案内係合されている。また、この装置は、ゼンマイばねと電磁ブレーキから成る操作力付与手段を備え、同手段のゼンマイばねによって中間回転体に増速側の力（回転を進める方向の力）を付与すると共に、電磁ブレーキによって減速側の力（回転を送らせる方向の力）を付与するようになっている。
【０００６】
したがって、この装置の場合、電磁ブレーキがＯＦＦ状態のときには、中間回転体がゼンマイばねの付勢力を受けハウジングに対して初期位置に位置されており、渦巻き状ガイドに突条でもって噛合う案内部材は径方向外側に最大に変位し、リンクを引き起こしてハウジングとカムシャフトの組付角を最遅角位置または最進角位置に維持している。そして、この状態から電磁ブレーキがＯＮにされると、中間回転体が減速されてハウジングに対して遅れ側に相対回転する結果、渦巻き状ガイドに噛合う案内部材が径方向内側に変位し、今まで引き起こされていたリンクを次第に倒すようにしてハウジングとカムシャフトの組付角を最進角位置または最遅角位置に変更する。
【０００７】
また、このバルブタイミング制御装置は、従動軸部材にストッパピンが突設される一方で、中間回転体に、このストッパピンと当接可能なストッパ溝が形成され、中間回転体が従動軸部材に対して所定角度以上に相対回動したときに、ストッパピンとストッパ溝の端部が当接することにより、従動軸部材に対する中間回転体の回動を規制するようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この従来のバルブタイミング制御装置は、ストッパピンとストッパ溝が当接した状態において、駆動カムのプロフィールとバルブスプリングの付勢力に起因するカムシャフトのトルク変動が従動軸部材に入力されると、ストッパピンとストッパ溝が離反と当接を繰り返すこととなり、このとき振動やガタつき音等の騒音を発生する。
【０００９】
そこで本発明は、駆動回転体と従動回転体に対する中間回転体の相対回動を規制するストッパ機構がカムシャフト側のトルク変動を受けてバタつく不具合を無くし、振動や騒音の発生の少ない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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するための手段として、本発明は、内燃機関のクランクシャフトによって回転駆動される駆動回転体と、カムシャフト若しくは同シャフトに結合された別体部材からなり、前記駆動回転体から動力を伝達される従動回転体と、前記駆動回転体と従動回転体に対して相対回転可能に設けられ、前記駆動回転体または従動回転体の回転方向に沿って縮径する溝部を有する中間回転体と、前記溝部に係合案内されて径方向へ変位可能な可動案内部と、一端側が前記従動回転体の回転中心から離間した部位に回転自在に連結され、他端側が前記可動案内部を介して前記中間回転体と前記駆動回転体にそれぞれ連係されたリンクと、前記駆動回転体と従動回転体に対する前記中間回転体の相対回動を規制するストッパ機構と、を備え、前記中間回転体を、前記駆動回転体と従動回転体に対して回動操作することによって、前記可動案内部が前記溝部に係合案内されつつ径方向へ変位することにより前記リンクを介して駆動回転体とカムシャフトとの相対回動位相を変換すると共に、前記ストッパ機構を、前記中間回転体と駆動回転体にそれぞれ設けられ、互いに当接することによって前記両者の相対変位を規制する当接部によって構成したことを特徴としている。
【００１１】
この発明の場合、カムシャフト側からトルク変動が入力されると、そのトルク変動による荷重は、リンクと、さらにその先端の可動案内部と溝部の係合部を介して中間回転体に入力されることとなるが、駆動回転体と従動回転体に対する中間回転体の相対回動は中間回転体側と駆動回転体側の当接部相互の接触によって規制されているため、前記のトルク変動によって生じる振動や衝撃はストッパ機構に伝達される前に、リンクの作動部や、可動案内部と渦巻き状ガイドの係合部によって吸収される。
【００１２】
前記中間回転体側と駆動回転体側の当接部のうちの、少なくとも一方には弾性体を設けることが望ましい。この場合、ストッパ機構においても振動や衝撃に対する緩衝作用を持たせることができ、振動・騒音の発生をより確実に防止することが可能となる。
【００１３】
また、中間回転体側と駆動回転体側の当接部は突状部によって構成することが好ましい。中間回転体は渦巻き状ガイドの渦巻きの設定によって駆動回転体に対する回動角を大きくすることができるため、中間回転体側と駆動回転体側に各一つずつ突状部を設けるだけでストッパ機構を構成することができる。したがって、ストッパ機構を安価に設けることが可能となる。
【００１４】
また、中間回転体側と駆動回転体側の突状部のうちの、少なくとも一方は中間回転体または駆動回転体と一体に形成するようにしても良い。この場合、製造が容易になると共に部品点数が削減され、ストッパ機構をさらに安価に設けることが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。尚、この実施形態は、本発明にかかるバルブタイミング制御装置を内燃機関の吸気側の動力伝達系に適用したものであるが、内燃機関の排気側の動力伝達系に同様に適用することも可能である。
【００１６】
このバルブタイミング制御装置は、図１に示すように内燃機関のシリンダヘッド（図示せず）に回転自在に支持されたカムシャフト１と、このカムシャフト１の前端部に必要に応じて相対回動できるように組み付けられ、チェーン（図示せず）を介してクランクシャフト（図示せず）に連係されるタイミングスプロケット２を外周に有する駆動プレート３（本発明における駆動回転体）と、この駆動プレート３とカムシャフト１の前方側（図１中左側）に配置されて、両者３，１の組付角を回動操作する組付角操作機構５と、この組付角操作機構５のさらに前方側に配置されて、同機構５を駆動する操作力付与手段４と、内燃機関の図外のシリンダヘッドとロッカカバーの前面に跨って取り付けられて組付角操作機構５と操作力付与手段４の前面と周域を覆うＶＴＣカバー１２と、を備えている。
【００１７】
駆動プレート３は、挿通孔６を備えた円板状に形成され、カムシャフト１の前端部に一体に結合されたレバー軸１０（本発明における従動回転体）が挿通孔６部分に回転可能に組み付けられている。そして、駆動プレート３の前面（カムシャフト１と逆側の面）には、図２に示すように、対面する平行な側壁を有する３つの径方向溝８が同プレート３の半径方向に沿うように形成されている。
【００１８】
また、レバー軸１０は、図１に示すように、カムシャフト１の前端部に突き合わされる基部側外周に大径フランジ部７が形成されると共に、その大径フランジ部７よりも前方側の外面に放射状に突出する三つのレバー９が一体に形成され、軸心部を貫通するボルト１３によってカムシャフト１に結合されている。レバー軸１０の各レバー９には、リンク１４の基端が枢支ピン１５Ａまたは１５Ｂによって枢支連結され、各リンク１４の先端には前記各径方向溝８に摺動自在に係合する円柱状の突出部１７が一体に形成されている。
【００１９】
各リンク１４は、突出部１７が対応する径方向溝８に係合した状態において、枢支ピン１５Ａまたは１５Ｂを介してレバー軸１０に連結されているため、リンク１４の先端側が外力を受けて径方向溝８に沿って変位すると、駆動プレート３とレバー軸１０はリンク１４の作用でもって突出部１７の変位に応じた方向及び角度だけ相対回動する。
【００２０】
また、各リンク１４の先端部にはリンク本体部から突出部１７にかけて軸方向に貫通する貫通孔１８が形成され、この貫通孔１８の突出部１７側の端部には別体の板状の封止部材１６が圧入固定されている。そして、貫通孔１８には、後述する渦巻き溝２４に係合される球１９と、その球１９の背部を支持する略円柱状のリテーナ２０が収容されると共に、リテーナ２０と封止部材１６の間に介装されて球１９を前方側に付勢するコイルばね２１が収容されている。尚、この実施形態の場合、可動案内部はリンク１４の先端の突出部１７と球１９によって構成されている。
【００２１】
一方、レバー軸１０のレバー９の突設位置よりも前方側には、略円板状の中間回転体２３が回転可能に支持されている。この中間回転体２３の後部側の面には断面半円状の渦巻き溝２４（本発明における溝部）が形成され、この渦巻き溝２４に、前述の各リンク１４の球１９が転動自在に係合されている。渦巻き溝２４の渦巻きは、図２及び図５，図６に示すように駆動プレート３の回転方向Ｒに沿って次第に縮径するように形成されている。したがって、各リンク１４の球１９が渦巻き溝２４に係合した状態で中間回転体２３が駆動プレート３に対して遅れ方向に相対回転すると、リンク１４の先端部は渦巻き溝２４の渦巻き形状に沿って半径方向内側に移動し、逆に、中間回転体２３が進み方向に相対回転すると、半径方向外側に移動する。
【００２２】
この実施形態の組付角操作機構５は、以上説明した駆動プレート３の径方向溝８、突出部１７、球１９、リンク１４、レバー９、中間回転体２３の渦巻き溝２４等によって構成されている。この組付角操作機構５は、操作力付与手段４から中間回転体２３にカムシャフト１に対する相対的な回動操作力が入力されると、その操作力が渦巻き溝２４と球１９の係合部を通してリンク１４の先端を径方向に変位させ、このときリンク１４とレバー９の作用でもって駆動プレート３とカムシャフト１に相対的な回動力を伝達する。
【００２３】
一方、操作力付与手段４は、一対の電磁ブレーキ２６，２７と遊星歯車機構２８を備え、電磁ブレーキ２６，２７の作動の切換えによって中間回転体２３に対して減速方向の力と増速方向の力を適宜選択的に付与できるようになっている。
【００２４】
遊星歯車機構２８は、図１と図３，図４に示すように、中間回転体２３の内周縁部に軸方向前方に突出するように一体形成されたサンギヤ２９と、このサンギヤ２９の外周側に回転可能に配置されたアウタギヤ３０と、レバー軸１０の先端部に圧入固定された円板状のキャリアプレート３１と、このキャリアプレート３１に回転自在に支持されると共にサンギヤ２９とアウタギヤ３０に噛合された複数のプラネタリギヤ３２とによって構成されている。尚、中間回転体２３は、サンギヤ２９の内周面に断面略Ｌ字状のブッシュ３３が圧入固定され、そのブッシュ３３を介してレバー軸１０の先端側外周面に回転自在に支持されている。
【００２５】
したがって、この遊星歯車機構２８は、今アウタギヤ３０がフリー回転状態となっており、プラネタリギヤ３２が自転せずにキャリアプレート３１と共に公転したとすると、このときアウタギヤ３０とサンギヤ２９はキャリアプレート３１（レバー軸１０）と同速度で一体回転するが、この状態からアウタギヤ３０のみに制動力が付与されると、アウタギヤ３０がキャリアプレート３１に対して遅れ方向に相対回転することによってプラネタリギヤ３２が自転し、このプラネタリギヤ３２の自転がサンギヤ２９を増速させて、中間回転体２３を駆動プレート３に対して増速側に相対回転させる。
【００２６】
また、各電磁ブレーキ２６，２７は全体が略円環状に形成されており、一方の電磁ブレーキ２６は他方の電磁ブレーキ２７の径方向内側に配置されている。そして、外側に配置される第１電磁ブレーキ２６と内側に配置される第２電磁ブレーキ２７は共にほぼ同様の構成とされているが、第１電磁ブレーキ２６は中間回転体２３の外周縁部に一体に取り付けられた第１制動フランジ３４の前端面に対峙し、第２電磁ブレーキ２７は前記アウタギヤ３０の前端部に延設された第２制動フランジ３５の前端面に対峙している。
【００２７】
また、両電磁ブレーキ２６，２７はＶＴＣカバー１２の内面に固定設置され、対峙する制動フランジ３４，３５に磁気的吸引力を作用させることにより、各制動フランジ３４，３５に制動力を付与する。
【００２８】
ところで、中間回転体２３は第１電磁ブレーキ２６と第２電磁ブレーキ２７による制動力の付与により、レバー軸１０に対して正逆いずれかの方向（増速方向または減速方向）に相対回動することとなるが、この相対回動は中間回転体２３と駆動プレート３の間に設けられたストッパ機構４０によって所定角度範囲に規制されるようになっている。
【００２９】
ストッパ機構４０は、中間回転体２３の後面の外周縁部に設けられた第１の突状部４１（当接部）と、駆動プレート３の前面の外周縁部に設けられた第２の突状部４２（当接部）によって構成され、これらの突状部４１，４２の側面が相互に当接することによって両回転体２３，３の相対回動を規制するようになっている。第１の突状部４１は中間回転体２３の後面に一体形成された突起によって構成され、第２の突状部４２は駆動プレート３の前面に一体形成された突起４３と、この突起４３の周囲に嵌合された略長方形状のゴム弾性体４４（弾性体）によって構成されている。
【００３０】
ゴム弾性体４４は、駆動プレート３の前面一般部にビス４５止めされた階段状に屈曲した係止プレート４６によって抜け止めされ、その状態において、長方形の短辺に相当する二つの側面が駆動回転体３のほぼ円周方向に指向するようになっている。この二つの側面は中間回転体２３の第１の突状部４１が当接する部分であり、係止プレート４６の幅よりもはみ出た位置に配置されている。尚、駆動回転体３の突起４３は断面方形状に形成され、嵌合されたゴム弾性体４４が回り止めされるようになっている。
【００３１】
以下、この実施形態の作用を説明する。
【００３２】
機関始動時及びアイドル運転時には、第１電磁ブレーキ２６の通電がオフにされる一方で、第２電磁ブレーキ２７の通電がオンにされ、第２制動フランジ３５側にのみ制動力が付与される。これにより、遊星歯車機構２８のアウタギヤ３０に制動力が作用する結果、駆動プレート３の回転に伴なって中間回転体２３が増速側に回転させられ、各リンク１４の先端側が図２に示すように径方向外側端に維持されることとなる。したがって、各リンク１４にレバー９を介して枢支連結されたレバー軸１０（カムシャフト１）は、駆動プレート３に対して最遅角側の組付角に維持される。この結果、クランクシャフトとカムシャフト１の回転位相が最遅角側に制御され、機関回転の安定化と燃費の向上が図られる。
【００３３】
また、この状態から機関が通常運転に移行すると、第１電磁ブレーキ２６がオンにされる一方で、第２電磁ブレーキ２７がオフにされ、第１制動フランジ３４側にのみ制動力が付与される。これにより、アウタギヤ３０がフリー回転状態になる一方で、中間回転体２３に制動力が作用し、中間回転体２３が駆動プレート３に対して減速側に相対回転する。この結果、各リンク１４の先端部の球１９が図５，図６に順次示すように渦巻き溝２４によって渦巻きの中心方向に誘導されると共に、突出部１７が径方向溝８内で回転しつつ同溝８に沿って径方向内側に変位し、その変位に伴うリンク１４の倒れ込みによって駆動プレート３とレバー軸１０の組付角が最進角側に変更される。したがって、これにより機関の高出力化が図られる。
【００３４】
このバルブタイミング制御装置は、駆動プレート３とレバー軸１０の組付角が以上のようにして回動操作されるが、組付角が最遅角側または最進角側にあるときには、図２及び図６に示すように中間回転体２３側の第１の突状部４１と駆動回転体３側の第２の突状部４２が互いに当接することにより、駆動プレート３とレバー軸１０の設定角度以上の相対回動が規制される。
【００３５】
また、カムシャフト１には、機関の運転中に駆動カムのプロフィールとバルブスプリングの付勢力に起因するトルク変動が入力されるが、この装置の場合、第１の突状部４１と第２の突条部４２が中間回転体２３と駆動プレート３の相対回動を直接規制する構造となっているため、両突状部４１，４２が相互に当接した状態で前記のトルク変動が入力されても、突状部４１，４２相互の当接面にはカムシャフト１のトルク変動に伴なうバタつきは生じない。即ち、カムシャフト１と中間回転体２３の間は、リンク１４の作動部や、球１９と渦巻き溝２４の係合部等を介して回転方向の力が伝達されるようになっているため、カムシャフト１からレバー軸１０に入力されたトルク変動は、リンク１４の作動部や、球１９と渦巻き溝２４の係合部等において摺動摩擦等による減衰力を受けることとなる。このため、突状部４１，４２相互の当接面にはカムシャフト１のトルク変動による影響がほとんど現れない。
【００３６】
さらに、この実施形態の場合、駆動プレート３側の突状部４２は駆動プレート３の突起４３にゴム弾性体４４を嵌合した構成となっているため、突状部４１，４２間に僅かな振動や衝撃が入力されたとしても、ゴム弾性体の弾性作用でもってその振動や衝撃を確実に吸収することができる。
【００３７】
したがって、この装置においては、これらのことからストッパ機構４０においてのバタつきを防止することができるため、運転中における振動・騒音を確実に低減することができる。
【００３８】
また、この装置の場合、中間回転体２３は、その側面に形成する渦巻き溝２４の設定により駆動プレート３に対する相対回動角を３６０°近くに設定することができるため、中間回転体２３側と駆動プレート３側に各一つずつ比較的小さな突状部４１，４２を形成するだけで、中間回転体２３の正逆両方向の回動角を規制することができる。したがって、この装置においては、ストッパ機構４０の加工や組付けが容易であることから、ストッパ機構４０を安価に設けることができる。特に、この実施形態の装置のように一方の突状部４１を中間回転体２３に一体に形成するようにした場合には、ストッパ機構４０を容易に製作することができるうえに、部品点数を少なくすることができ、これらのことから、より安価にストッパ機構４０を設けることができる。
【００３９】
尚、本発明の実施形態は以上で説明したものに限るものではなく、例えば、上記の実施形態の場合、第２の突状部４２は、駆動プレート３に一体に形成された突起４３にゴム弾性体４４を嵌合し、駆動プレート３にビス止めされた係止プレート４６によってそのゴム弾性体４４を押さえるようにしたが、図７，図８に示すように、駆動プレート３に結合されるビス５０自体に、ゴム弾性体４４が嵌合されるボス部５０ａと、ゴム弾性体４４の前面を押さえ込むフランジ部５０ｂを一体に形成するようにしても良い。こうした場合、係止プレートを設けない分、部品点数を削減することができると共に、駆動プレート３の前面に突起を造形しなくて良くなることから、駆動プレート３の製造もより容易となる。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように本発明は、駆動回転体と従動回転体に対する中間回転体の相対回動を中間回転体側と駆動回転体側の当接部相互の接触によって規制するため、カムシャフト側のトルク変動がストッパ機構に伝達される前にそのトルク変動をリンクの作動部や、可動案内部と溝部の係合部によって吸収し、それによってカムシャフト側のトルク変動によるストッパ機構のバタつきを無くすことができる。したがって、本発明によれば、振動・騒音の発生を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す縦断面図。
【図２】同実施形態を示す図１Ａ−Ａ線に沿う断面図。
【図３】同実施形態を示す分解斜視図。
【図４】同実施形態を示す図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図。
【図５】同実施形態の作動状態を示す図２と同様の断面図。
【図６】同実施形態の作動状態を示す図２と同様の断面図。
【図７】他の実施形態を示す要部の拡大断面図。
【図８】同実施形態を示す図７のＤ−Ｄ線に沿う断面図。
【符号の説明】
１…カムシャフト
３…駆動プレート（駆動回転体）
４…操作力付与手段
８…径方向溝（径方向ガイド）
１０…レバー軸（従動回転体）
１４…リンク
２３…中間回転体
２４…渦巻き溝（渦巻き状ガイド）
４０…ストッパ機構
４１…第１の突状部（突状部、当接部）
４２…第２の突状部（突状部、当接部）
４３…ゴム弾性体（弾性体）

Claims

内燃機関のクランクシャフトによって回転駆動される駆動回転体と、
カムシャフト若しくは同シャフトに結合された別体部材からなり、前記駆動回転体から動力を伝達される従動回転体と、
前記駆動回転体と従動回転体に対して相対回転可能に設けられ、前記駆動回転体または従動回転体の回転方向に沿って縮径する溝部を有する中間回転体と、
前記溝部に係合案内されて径方向へ変位可能な可動案内部と、
一端側が前記従動回転体の回転中心から離間した部位に回転自在に連結され、他端側が前記可動案内部を介して前記中間回転体と前記駆動回転体にそれぞれ連係されたリンクと、
前記駆動回転体と従動回転体に対する前記中間回転体の相対回動を規制するストッパ機構と、を備え、
前記中間回転体を、前記駆動回転体と従動回転体に対して回動操作することによって、前記可動案内部が前記溝部に係合案内されつつ径方向へ変位することにより前記リンクを介して駆動回転体とカムシャフトとの相対回動位相を変換すると共に、
前記ストッパ機構を、前記中間回転体と駆動回転体にそれぞれ設けられ、互いに当接することによって前記両者の相対変位を規制する当接部によって構成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。
中間回転体側と駆動回転体側の当接部のうちの、少なくとも一方に弾性体を設け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。
中間回転体側と駆動回転体側の当接部を突状部によって構成し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。
中間回転体側と駆動回転体側の突状部のうちの、少なくとも一方を中間回転体または駆動回転体と一体に形成したことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。