JP4012386B2

JP4012386B2 - 内燃機関のバルブタイミング制御装置

Info

Publication number: JP4012386B2
Application number: JP2001315063A
Authority: JP
Inventors: 正彦渡辺
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-10-12
Filing date: 2001-10-12
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2021-10-12
Also published as: JP2003120234A

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（回転を遅らせる方向の力）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てハウジングに対して初期位置に保持されており、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】
【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、径方向ガイドと渦巻き状ガイドに係合される可動案内部がリンクと別体の案内部材によって形成され、その案内部材が枢支ピンによってリンクの先端部に連結された構造となっているため、リンク先端側の部品点数が多くなり、製造コストの高騰に繋がることが問題となっている。また、この装置の場合、可動案内部には枢支ピンの保持部を確保しなければならないために可動案内部全体が大型・重量化してしまい、リンク先端側が他部品と干渉し易くなり、各部の設計が大きく制約を受けるうえ、リンク先端側の慣性質量が大きくなることから、高速運転時等にバルブタイミングの制御が不安定になり易い。
【０００８】
そこで本発明は、リンク先端側の構造を簡素化できるようにして、部品点数の削減と小型・軽量化を図り、製造コストの低減と、設計の自由度の拡張、バルブタイミング制御の安定化等を実現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】
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該カムシャフトに結合された別体部材から成り、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、周方向へ縮径する溝を有する中間回転体と、前記縮径する溝に案内係合されて径方向へ変位可能な可動案内部と、前記駆動回転体と従動回転体のいずれか他方のものの回転中心から離間した部位と前記可動案内部とを揺動可能に連結するリンクと、を備え、前記リンクの先端に、前記可動案内部の一部を構成する突出部を軸方向に沿って一体に形成し、前記中間回転体を駆動回転体及び従動回転体に対して回動操作することにより、前記突出部を介して前記可動案内部が前記縮径する溝に沿って摺動案内されつつ径方向へ変位されることにより、前記リンクを介して駆動回転体と従動回転体の相対回動可能に変換することを特徴としている。
【００１０】
この発明の場合、リンクの作動時には、突出部が縮径する溝の内部で摺動しつつ回転し、リンクの先端側に特別に枢支ピン等の別体の枢支部品を設けなくてもリンクの円滑な揺動作動を得ることができる。
【００１１】
前記突出部は円柱状に形成するようにしても良く、こうした場合、突出部を球面状に形成する場合に比較して前記周方向へ縮径する溝に対する接触面積が大きくなるため、突出部の耐久性の面で有利となる。
【００１２】
また、前記リンクの端部に、前記駆動回転体に形成された径方向ガイド側に突出する前記突出部を一体に形成し、前記リンクのリンク本体部から前記突出部にかけて貫通孔を形成すると共に、この貫通孔の突出部側の端部に別体の封止部材を嵌入し、前記貫通孔に、前記縮径する溝に係合される球と、その球を支持するリテーナと、前記封止部材とリテーナの間に介装されて前記球を前記縮径する溝方向に付勢する付勢部材とを収容するようにしても良い。
この場合、封止部材の厚みを管理することによって、付勢部材の初期荷重や球のストロークを容易に設定調整することが可能となる。
【００１３】
また、前記突出部の先端は球面状に形成し、前記径方向ガイド及び／または前記縮径する溝の断面を、突出部の先端よりも曲率半径の大きい曲面で形成するようにしても良い。この場合、突出部と径方向ガイドや前記縮径する溝が曲面で接触するため、これらの接触部の抵抗が小さくなり、円滑な作動が可能となると共に、係合部でのガタつきも抑制される。
【００１４】
【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。
【００１５】
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。
【００１６】
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つの径方向ガイドである径方向溝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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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(本発明における付勢部材)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。
【００２０】
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（本発明における周方向へ縮径する溝）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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
ところで、この装置の場合、図１，図３に示すように、リンク１４をレバー９に連結する枢支ピン１５Ａ，１５Ｂは一つのもの１５Ａが他の二つのもの１５Ｂ，１５Ｂよりも軸長が長く形成されており、その一つの枢支ピン１５Ａはレバー軸１０の大径フランジ部７を貫通してカムシャフト１側の切欠き溝４２に位置決め係合されている。
【００２８】
尚、図１中４０は、潤滑液を遊星歯車機構２８の噛合部に供給するためにカムシャフト１とレバー軸１０のボルト螺合部の周域からレバー軸１０の端面とキャリアプレート３１の背面にかけて形成された供給通路である。
【００２９】
以下、この実施形態の作用を説明する。
【００３０】
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度に維持される。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。
【００３１】
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の組付角度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。
【００３２】
このバルブタイミング制御装置の場合、前述のようにリンク１４の先端側に一体に形成された円筒状の突出部１７が径方向溝８内で回転することによってリンク１４先端側の揺動が許容されるようになっているため、リンク１４の先端側を回動させるために別途枢支ピン等を設ける必要がない。このため、各リンク１４の先端部は、枢支ピン等の支持構造を設けなくても良い分、小型・軽量化することができる。
【００３３】
したがって、各リンク１４の先端部は周囲の他の部品と干渉しにくくなり、その結果、リンク１４の揺動角度を充分に大きく確保して、駆動プレート３とレバー軸１０の組付角操作量を大きくすることが可能である。また、各リンク１４の先端側は質量が小さく、高速運転時等に遠心力の影響を受け難くいため、機関の運転状態に拘らず常時安定したバルブタイミング制御を行うことができる。
【００３４】
また、この実施形態の場合、リンク１４先端の突出部１７は円柱状に形成されているため、径方向溝８の側壁に対しては常時軸方向の充分な幅をもって接触することとなる。したがって、突出部１７と径方向溝８の間の接触面圧が低減されることから、経時使用によって突出部１７や径方向溝８に摩耗等が生じ難くなる。
【００３５】
さらに、この実施形態の装置においては、各リンク１４のリンク本体部から突出部１７にかけて貫通孔１８を形成し、その貫通孔１８の突出部１７側の端部に板状の封止部材１６を圧入するようにしたため、この封止部材１６の板厚を管理することによってコイルばね２１の初期荷重や球１９の後退ストロークを容易に設定調整することができるという利点がある。
【００３６】
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、断面円形状の突出部を渦巻き状ガイド側に向けて一体に形成し、その突出部を渦巻き状ガイドに係合させることも可能である。この場合、上記の実施形態と同様に径方向溝に係合される突出部をリンク先端に併せて形成することが望ましいが、その突出部を形成せずに係合用の別体部品を付設するようにしても良い。
【００３７】
また、上記の実施形態においては、リンク１４の先端の突出部１７を円柱状に形成したが、図７に示すように突出部１１７を球面状に形成し、駆動プレート３側の径方向溝１０３を突出部１１７よりも曲率半径の大きい円弧状断面に形成するようにしても良い。こうした場合、突出部１１７と径方向溝１０８の間の接触抵抗が小さくなることから、リンク１４の円滑な作動が可能になり、また、急激な荷重の入力等があったときも突出部１１７と径方向溝１０８の壁面が直角に近い角度で突き当たることがないため、突出部１１７と径方向溝１０８の間のガタつきも確実に抑えることができる。また、リテーナを介して球を付勢する付勢部材としては、コイルばねに限らず、この図７に示す実施形態のような皿ばね１２１やゴム弾性体等を用いることが可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、リンクの先端に一体に形成した突出部を周方向へ縮径する溝の内部で直接摺動回転させることで、リンク先端側に別体の枢支部品を設ける必要がなくなるようにしたため、リンク先端側の部品点数の削減と小型・軽量化を図ることができる。
したがって、製造コストを低減することができると共に、リンク先端側の小型化によって各部の設計の自由度を拡張することができ、さらに、リンク先端側の慣性質量の低減によって安定したバルブタイミング制御を実現することができる。
【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。
【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
８，１０８…径方向溝（径方向ガイド）
１０…レバー軸（従動回転体）
１４…リンク
１６…封止部材
１７，１１７…突出部
１８…貫通孔
１９…球
２０…リテーナ
２１…コイルばね(付勢部材)
２３…中間回転体
２４…渦巻き溝（渦巻き状ガイド）
１２１…皿ばね(付勢手段)

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該カムシャフトに結合された別体部材から成り、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、周方向へ縮径する溝を有する中間回転体と、
前記縮径する溝に案内係合されて径方向へ変位可能な可動案内部と、
前記駆動回転体と従動回転体のいずれか他方のものの回転中心から離間した部位と前記可動案内部とを揺動可能に連結するリンクと、を備え、
前記リンクの先端に、前記可動案内部の一部を構成する突出部を軸方向に沿って一体に形成し、
前記中間回転体を駆動回転体及び従動回転体に対して回動操作することにより、前記突出部を介して前記可動案内部が前記縮径する溝に沿って摺動案内されつつ径方向へ変位されることにより、前記リンクを介して駆動回転体と従動回転体の相対回動可能に変換する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。
前記突出部を円柱状に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。
前記リンクの端部に、前記駆動回転体に形成された径方向ガイド側に突出する前記突出部を一体に形成し、前記リンクのリンク本体部から前記突出部にかけて貫通孔を形成すると共に、この貫通孔の突出部側の端部に別体の封止部材を嵌入し、前記貫通孔に、前記縮径する溝に係合される球と、その球を支持するリテーナと、前記封止部材とリテーナの間に介装されて前記球を前記縮径する溝方向に付勢する付勢部材とを収容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。
前記突出部の先端を球面状に形成し、前記径方向ガイド及び／または前記縮径する溝の断面を、突出部の先端よりも曲率半径の大きい曲面で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。