JP4012388B2 - 内燃機関のバルブタイミング制御装置 - Google Patents

内燃機関のバルブタイミング制御装置 Download PDF

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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制御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係されたハウジング(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径方向ガイドに案内部材(可動案内部)が夫々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を有するレバー軸(従動回転体)がカムシャフトの端部にボルト結合され、案内部材とレバー軸の対応するレバーとが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レバー軸に対して相対回動可能に設けられ、前記案内部材の軸方向の一方の端部に突設された略円弧状の複数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、中間回転体はハウジングに対して回転を進める側にゼンマイばねによって付勢されると共に、電磁ブレーキによって回転を遅らせる側の力を適宜受けるようになっている。
【0006】
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】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本出願人は、前記中間回転体の渦巻き状ガイドと可動案内部(案内部材)の間の摺動抵抗の低減とガタつきを防止すべく改良を施したバルブタイミング制御装置を案出し、特願2001−24077号として先に出願している。
【0008】
この装置は、案内部材の渦巻き状ガイドに対峙する側の面に円形状の凹部を設け、その凹部に、係合部品である球と、その球を転動可能に抱持するリテーナと、リテーナを介して球を前方に付勢する付勢手段とを収容し、渦巻き状ガイドに対して球で係合する構造となっている。
【0009】
しかし、その先に出願したバルブタイミング制御装置は、駆動カムのプロファイルとバルブスプリングのばね力に起因する大きなトルク変動を受けたとき等に球が付勢手段を押し戻して渦巻き状ガイドの縁部に乗り上げ、球を含む可動案内部の円滑な作動を妨げることがある。
【0010】
そこで本発明は、大トルクの入力時に可動案内部の係合部品が渦巻き状ガイドから抜け出る不具合を無くし、可動案内部を渦巻き状ガイドに沿わせて常時円滑にかつ正確に作動させ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】
【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、前記駆動回転体と対峙する側の面に回転方向へ沿って縮径する溝部を有する中間回転体と、前記縮径する溝部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一方の回転中心から離間した部位と前記可動案内部とを連結して、該可動案内部の前記径方向の変位を前記駆動回転体と従動回転体の相対回動に変換するリンクと、を備えた内燃機関のバルブタイミング制御装置であって、前記可動案内部は、前記リンクの先端側に支持される本体部分と、この本体部分に進退自在に設けられ、前記縮径する溝部に係合する係合部品と、この係合部品を前記縮径する溝部方向に付勢する付勢手段と、前記係合部品が前記付勢手段の力に抗して移動した際に、該係合部品が前記縮径する溝部から抜け出ない範囲に規制する規制手段と、を備え、前記規制手段を、前記係合部品若しくは該係合部品と一体変位する部材の前記付勢手段と対向する面に設けられた当接部と、前記本体部分に設けられて、前記当接部が当接して前記係合部品の前記付勢手段方向への移動を規制する規制壁と、によって構成した。
【0012】
この発明の場合、規制手段の作用により係合部品が前記縮径する溝部から抜け出さなくなるため、係合部品と前記縮径する溝部は常時安定した係合状態が維持されることとなる。
【0013】
このとき、規制手段は、係合部品若しくは該係合部品と一体変位する部品の前記付勢手段と対向する面に設けられた当接部と、前記本体部分に設けられて、前記当接部が当接して前記係合部品の前記付勢手段側への移動を規制する規制壁と、によって構成することが望ましく、このような構成とした場合、係合部品が常時正確な位置で規制されることとなる。また、この場合、係合部品と前記縮径する溝部が完全に係合している初期状態での当接部と規制壁の離間距離を変更することにより、係合部品の前記付勢手段側への移動規制位置を容易に設定調整することができる。
【0014】
また、前記縮径する溝部を断面半円状の溝によって構成し、係合部品を、前記縮径する溝部に転動可能に係合する球によって構成した場合、前記の可動案内部の構成は特に有効となり、前記縮径する溝の縁部に対する球の乗り上げは確実に防止される。
【0015】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施形態を図1〜図9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(動力入力部)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を駆動操作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、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おり、この各径方向溝8の内部には、後述する案内部材17(本発明における可動案内部の本体部分)の断面方形状の基部が摺動自在に係合されている。
【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よりも所定距離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の一端がピン15によって枢支連結され、各リンク14の他端には、基部側が径方向溝8に係合された前記各案内部材17が回動可能に嵌合支持されている。
【0019】
各案内部材17は、上述のように径方向溝8に係合された状態において、リンク14を介してレバー軸10の対応するレバー9に連結されているため、案内部材17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の作用でもって案内部材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、各案内部材17には前面側(カムシャフト1と逆側)に開口する円形状の保持穴18が設けられ、この保持穴18に係合部品である球19と略円柱状のリテーナ20が摺動自在に収容されると共に、リテーナ20を前方側に付勢するためのコイルばね21(本発明における付勢手段)が収容されている。リテーナ20は前端面20aが平面状または僅かな凹球面状に形成され、その前端面20aによって球19の背部を支持するようになっている。また、リテーナ20の背部側はコイルばね21の端部を支持するために段差状に形成され、その先端のボス部20bがコイルばね21の内部に突出している。そして、ボス部20bの端面20cは保持穴18の底壁18aに対峙し、リテーナ20が球19と共にコイルばね21の力に抗して設定距離後退したときに底壁18aと当接するようになっている。したがって、リテーナ20の端面20cは案内部材17に対する当接部を構成し、保持穴18の底壁18aは端面20cが直接当接する規制壁を構成している。また、球19は保持穴18の内径よりも若干小さい直径に形成され、保持穴18の内周面によって転動可能に案内されるようになっている。
【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が玉軸受22を介して支持されている。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、前記各案内部材17に保持された球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8,図9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、案内部材17側の球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、案内部材17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】
ここで、前記各案内部材17に収容されるリテーナ20の端面20cと、保持穴18の底壁18aとの初期状態(球19が渦巻き溝24に完全に係合した状態)での離間距離は、球19がコイルばね21の力に抗して後退したときに、その球19が渦巻き溝24から完全に抜け出る前に端面20cと底壁18が先に当接するように設定されている。この実施形態の場合、本発明における規制手段はこのリテーナ20の端面20cと保持穴18の底壁18aとによって構成されている。
【0023】
この実施形態の場合、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、案内部材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、渦巻き溝24を介して案内部材17を径方向に変位させ、さらにリンク14及びレバー9を介してその回動力を設定倍率に増幅し、駆動プレート3とカムシャフト1に相対的な回動力を作用させる。
【0024】
また、操作力付与手段4は、図1,図4に示すように前記中間回転体23の前面側(駆動プレート3と逆側)に接合された円環プレート状の永久磁石ブロック29と、レバー軸10に一体に結合された同じく円環プレート状のヨークブロック30と、VTCカバー12内に取りつ付けられた電磁コイルブロック32と、を備えて成り、この電磁コイルブロック32の備える複数の電磁コイル33A,33Bは、励磁回路やパルス分配回路等を含む駆動回路(図示せず)に接続され、この駆動回路が図示しないコントローラによって制御されるようになっている。尚、コントローラは、クランク角、カム角、機関回転数、機関負荷等の各種の入力信号を受け、随時機関の運転状態に応じた制御信号を駆動回路に出力する。
【0025】
永久磁石ブロック29は、図5に示すように、軸方向と直交する面に放射方向に延出する磁極(N極,S極)が、異磁極が交互になるように円周方向に沿って複数着磁されている。尚、図5においては、N極の磁極面を36nで示し、S極の磁極面を36sで示している。
【0026】
ヨークブロック30は、図4,図6に示すように第1,第2極歯リング37,38が対にされて成る二組のヨーク39A,39Bを備え、その内周縁部がレバー軸10に対し一体に結合されている。
【0027】
各ヨーク39A,39Bの第1,第2極歯リング37,38は透磁率の高い金属材料によって形成され、図6に示すように、平板リング状の基部37a,38aと、その基部37a,38aから径方向内側または外側に延出する略台形状の複数の極歯37b…,38b…とを備えている。この実施形態の場合、各極歯リング37,38の極歯37b,38bは、円周方向に等間隔に、かつ、歯先が相手極歯リング側に指向するように、つまり、第1極歯リング37の歯先は径方向内側に、第2極歯リング38の歯先は径方向外側に夫々指向するように延出している。そして、第1極歯リング37と第2極歯リング38は、互いの極歯37b,38bが円周方向に交互に、かつ、等ピッチとなるように絶縁体である樹脂材料40によって結合されている。
【0028】
ヨークブロック30を構成する2つのヨーク39A,39Bは、径方向外側と内側に全体がほぼ円板状を成すように並べられると共に、互いの極歯37b,38bが円周方向に沿って4分の1ピッチずれるように組み付けられている。
【0029】
また、ヨークブロック30は、図1,図4に示すように、その両側面が永久磁石ブロック29と電磁コイルブロック32に軸方向で対向するように配置されているが、各ヨーク39A,39Bの第1,第2極歯リング37,38は、リング状の基部37a,38aが電磁コイルブロック32側(図中左側)に位置され、台形状の各極歯37b,38bが永久磁石ブロック29側(図中右側)に位置されるように極歯37b,38bと基部37a,38aの連接部が適宜屈曲して形成されている。そして、ヨークブロック30のヨーク39A,39B相互は各ヨークの第1,第2極歯リング37,38間と同様に絶縁体である樹脂材料40によって結合されている。
【0030】
一方、電磁コイルブロック32は、径方向内外に並べて配置された2相の電磁コイル33A,33Bと、電磁コイル33A,33Bの各周域に配置され、電磁コイル33Aで発生した磁束をヨークブロック30寄りの磁気入端部34,35(図4参照)に誘導するためのヨーク41とを備えた構成とされている。
【0031】
そして、各電磁コイル33A,33Bにおける磁気入出部34,35は、図4に拡大して示すように、ヨークブロック30の対応するヨーク39A,39Bの、リング状の基部37a,38aに対して、軸方向のエアギャップaを介して対面している。したがって、電磁コイル33A,33Bが励磁されて所定の向きの磁界が生じると、エアギャップaを介してヨークブロック30の対応するヨーク39A,39Bに磁気誘導が生じ、その結果として、ヨーク39A,39Bの各極歯リング37,38に磁界の向きに応じた磁極が現れる。
【0032】
電磁コイル33A,33Bの発生磁界は、駆動回路のパルスの入力に対して所定のパターンで順次切換えられ、それによって永久磁石ブロック29の磁極面36n,36sに対峙する極歯37b,38bの磁極が円周方向に沿って4分の1ピッチずつ移動するようになっている。したがって、中間回転体23は、このときヨークブロック30上の円周方向に沿った磁極の移動に追従し、レバー軸10に対して相対的に回動することとなる。
【0033】
また、電磁コイルブロック32は、両ヨーク41,41の磁気入出部34,35を除くほぼ全域が、アルミニウム等の非磁性材料から成る抱持ブロック42によって抱持され、その抱持ブロック42を介してVTCカバー12に取り付けられている。また、抱持ブロック42の内周面には玉軸受50が配置され、同ブロック42はその玉軸受50を介してレバー軸10に回転自在に係合されている。
【0034】
このバルブタイミング制御装置は以上のような構成であるため、内燃機関の始動時やアイドル運転時には、図2に示すように、駆動プレート3とレバー軸10の組付角を予め最遅角側に維持しておくことにより、クランクシャフトとカムシャフト1の回転位相(機関弁の開閉タイミング)を最遅角側にし、機関回転の安定化と燃費の向上を図ることができる。
【0035】
そして、この状態から機関の運転が通常運転に移行し、前記回転位相を最進角側に変更すべく指令が図外のコントローラから電磁コイルブロック32の駆動回路に発されると、電磁コイルブロック32はその指令に従って発生磁界を所定パターンで変化させ、永久磁石ブロック29を中間回転体23と共に遅れ側に最大に相対回動させる。これにより、渦巻き溝24に球19を介して係合されている案内部材17は、図8,図9に順次示すように、径方向溝8に沿って径方向内側に最大に変位し、リンク14とレバー9を介して駆動プレート3とレバー軸10の組付角を最進角側に変更する。この結果、クランクシャフトとカムシャフト1の回転位相が最進角側に変更され、それによって機関の高出力化が図られることとなる。
【0036】
また、この状態から前記回転位相を最遅角側に変更すべく指令がコントローラから発されると、電磁コイルブロック32が発生磁界を逆パターンで変化させることによって中間回転体23を進み側に最大に相対回動させ、渦巻き溝24に係合する案内部材17を、図2に示すように、径方向溝8に沿って径方向外側に最大に変位させる。これにより、案内部材17はリンク14とレバー9を介して駆動プレート3とレバー軸10を相対回動させ、クランクシャフトとカムシャフト1の回転位相を最遅角側に変更する。
【0037】
このバルブタイミング制御装置の場合、前述のように中間回転体23が回動操作されると、中間回転体23の渦巻き溝24内を球19が転動することによって案内部材17を径方向に変位させるが、このときコイルばね21で付勢した状態で球19の軸方向変位を許容することによって球19及び案内部材17の円滑な作動を実現している。一方、案内部材17には中間回転体23からの操作力(回転方向の力)ばかりでなく、駆動カムのプロファイルとバルブスプリングのばね力に起因する大きなトルク変動がカムシャフト1側からリンク14を介して入力されることがあり、このとき、球19には渦巻き溝24の円弧面を乗り上げようとする力が大きく作用する。しかし、この装置の場合、各案内部材17においてリテーナ20の端面が保持穴18の底壁18aに当接することによって球19が渦巻き溝24から抜け出るのを確実に防止できるようにしているため、球19が渦巻き溝24の縁部に完全に乗り上げてしまう心配はない。
【0038】
したがって、各球19は常時に渦巻き溝24内に確実に維持されるため、中間回転体23の回動操作時における案内部材17の作動は安定かつ確実なものとなる。よって、この装置によれば、常時所望通りのバルブタイミング制御を実現することができる。
【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、溝部に係合する係合部品は球に限らず他の形状のものであっても良く、また、係合部品の付勢手段方向への移動を規制する規制手段もコイルばね等の付勢手段のばね定数の設定のみによって実現することも可能である。ただし、上記の実施形態のようにリテーナ等に設けた当接部と、軸方向に非可動の規制壁とによって規制手段を構成した場合には、球等の係合部品の規制位置を容易に設定調整することができる。また、付勢手段もコイルばねに限らず、図10に示すように皿ばね121によって構成するようにしても良い。この場合、皿ばね121の特性上、収容スペースを小さくすることができるため、装置の軸長のさらなる短縮を実現することができる。
【0040】
【発明の効果】
以上のように本発明は、係合部品が溝部から抜け出るのを規制手段によって防止して、係合部品と溝部を常時安定した係合状態に維持することができるため、大トルクの入力時に係合部品が溝部から外れる不具合を無くすことができる。したがって、本発明によれば、可動案内部の円滑かつ正確な作動を得ることができ、常時所望通りの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】本発明の一実施形態を示す縦断面図。
【図2】同実施形態を示す図1のA−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の一部の拡大断面図。
【図5】同実施形態を示す電磁石ブロックの正面図。
【図6】同実施形態を示すヨークブロックの充填樹脂材料の図示を省略した正面図。
【図7】同実施形態を示す電磁コイルブロックの縦断面図。
【図8】同実施形態の作動状態を示す図3に対応の断面図。
【図9】同実施形態の別の作動状態を示す図3に対応の断面図。
【図10】本発明の他の実施形態を示す部分縦断面図。
【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
10…レバー軸(従動回転体)
14…リンク
17…案内部材(可動案内部の本体部分)
18a…底壁(規制壁、規制手段)
19…球
20c…端面(当接部、規制手段)
21,121…コイルばね(付勢手段)
23…中間回転体
24…渦巻き溝(溝部

Claims (2)

  1. 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、前記駆動回転体と対峙する側の面に回転方向へ沿って縮径する溝部を有する中間回転体と、
    前記縮径する溝部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一方の回転中心から離間した部位と前記可動案内部とを連結して、該可動案内部の前記径方向の変位を前記駆動回転体と従動回転体の相対回動に変換するリンクと、を備えた内燃機関のバルブタイミング制御装置であって、
    前記可動案内部は、前記リンクの先端側に支持される本体部分と、この本体部分に進退自在に設けられ、前記縮径する溝部に係合する係合部品と、この係合部品を前記縮径する溝部方向に付勢する付勢手段と、前記係合部品が前記付勢手段の力に抗して移動した際に、該係合部品が前記縮径する溝部から抜け出ない範囲に規制する規制手段と、を備え、
    前記規制手段を、前記係合部品若しくは該係合部品と一体変位する部材の前記付勢手段と対向する面に設けられた当接部と、前記本体部分に設けられて、前記当接部が当接して前記係合部品の前記付勢手段方向への移動を規制する規制壁と、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。
  2. 前記縮径する溝部を断面半円状の溝によって構成し、前記係合部品を、前記回転方向へ沿って縮径する溝部に転動可能に係合する球によって構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。
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