JP4120720B2 - カム位相可変装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関（以下、エンジンと称す）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調整するカム位相可変装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種のカム位相可変装置として、例えば、特開平９−６０５０８号に記載のものを挙げることができる。この可変装置はクランクシャフトにより回転駆動されるカムスプロケットに設けられて、内部にカムシャフトと連結したベーンロータを配置しており、油圧によってベーンロータの位相を進角側或いは遅角側に変更して、カムスプロケットに対するカムシャフトの位相を変更し、その結果、吸排気弁の開閉タイミングを調整している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
周知のようにカムシャフトはエンジン回転速度の１／２で高速回転することから、そのカムシャフトと共に回転するカム位相可変装置には精密な回転バランスが要求される。しかしながら、上記した公報記載のカム位相可変装置は回転バランスについての配慮は何らなされず、アンバランスによる種々の不具合、例えば、カムシャフトの回転に伴って軸受部に偏荷重が加わったときのフリクション増大や焼付き、或いはカムシャフトの回転変動による機関不調に伴う振動及び騒音発生等を生じる可能性があった。
【０００４】
本発明の目的は、回転バランスを精密に均衡させて、アンバランスによる種々の不具合を未然に防止することができるカム位相可変装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明では、クランクシャフトで回転駆動される本体内に位相可変部材を配置して弁開閉駆動用のカムシャフトと連結し、その位相可変部材の回動位置を内燃機関の回転速度に応じて調整し、弁の開閉タイミングを変更するように構成した。そして、高回転域の位相可変部材の回動位置において本体と位相可変部材とのアセンブリ状態での回転バランスが均衡するように、本体の一側に重量調整部を設けた。即ち、カム位相可変装置は実際の稼働時と同じアセンブリ状態で、かつ、アンバランスの悪影響が顕著に現れる高回転域の作動状態で回転バランスの均衡が図られている。
請求項２の発明では、請求項１において、内燃機関の停止時において高回転域の回動位置で位相可変部材を回動規制する回動規制部材を備えた。従って、重量調整部による本体及び位相可変部材のバランス取り作業では、回動規制部材により位相可変部材を高回転域の回動位置に保持した状態で実施可能となる。
請求項３の発明では、請求項１または２において、位相可変部材が、内燃機関の高回転域において回動ストロークの一端側の最遅角位置または回動ストロークの他端側の最進角位置に調整され、重量調整部が、位相可変部材の最遅角位置または最進角位置において回転バランスを均衡させるものである。従って、内燃機関の高回転域では位相可変部材が最遅角位置または最進角位置に制御され、この回動位置において重量調整部により回転バランスが均衡される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を吸気弁の開閉タイミングを調整するカム位相可変装置に具体化した一実施例を説明する。
【０００７】
図１及び図２に示すように、エンジンのシリンダヘッド１の軸受部２には吸気側のカムシャフト３が回転可能かつ軸方向に移動不能に支持され、カムシャフト３の回転に伴って各気筒の図示しない吸気弁が開閉駆動されるようになってる。カムシャフト３の前端はシリンダヘッド１から側方に突出してタイミングプーリ４のボス部４ａが回動可能に嵌め込まれ、このタイミングプーリ４はタイミングベルト５を介して図示しないクランクシャフトに連結されて、カムシャフト３の軸線を中心として図２の矢印方向に１／２に減速されて回転駆動される。図示はしないがタイミングベルト５には排気側のタイミングプーリも連結されて、排気側のカムシャフトにて排気弁が開閉駆動されるようになっている。なお、タイミングプーリ４のボス部４ａと軸受部２との間にはオイルシール６が嵌め込まれ、シリンダヘッド１から外部へのオイルの流出を防止している。
【０００８】
タイミングプーリ４の一側面には、ハウジング７とフロントカバー８がボルト９により固定され、その内部にカムシャフト３の軸心を中心とした略十字状の油圧室１０が形成されて、Oリング１１により油密を保持されている。油圧室１０内にはベーンロータ１２が配置され、その中心部はカムシャフト３の前端に図示しないノックピンで位置決めされてカムボルト１４で固定されている。カムボルト１４の頭部１４ａはベーンロータ１２に形成された油分配室１５内に位置し、この分配室１５は前記フロントカバー８に螺合したプラグ１６により閉塞されている。本実施例では、タイミングプーリ４、ハウジング７及びフロントカバー８が本体として機能し、ベーンロータ１２が位相可変部材として機能する。
【０００９】
ベーンロータ１２は油圧室１０と対応する略十字状をなして、その９０度間隔の４つのベーン１２ａ間には、油圧室１０の固定摺接面１０ａに当接する円弧状の可動摺接面１２ｂが形成され、それぞれのベーン１２ａの先端にはオイルシール１８が設けられている。これらの摺接面１０ａ，１２ｂにより油圧室１０は各ベーン１２ａに対応して４つに区画され、各油圧室１０内においてベーン１２ａの両側には遅角油圧室１７ａと進角油圧室１７ｂが形成されている。
【００１０】
そして、ベーンロータ１２は、図２に実線で示すように各ベーン１２ａの進角油圧室１７ｂ側を油圧室１０の内壁に当接させて遅角油圧室１７ａの容積を最大とする最遅角位置と、仮想線で示すように各ベーン１２ａの遅角油圧室１７ａ側を油圧室１０の他方の内壁に当接させて進角油圧室１７ｂの容積を最大とする最進角位置との間で、カムシャフト３の軸線を中心として回動し得る。その結果、タイミングプーリ４に対するカムシャフト３の位相が変化して、吸気弁の開閉タイミングが変更される。
【００１１】
図２及び図３に示すように、ベーンロータ１２の各ベーン１２ａには、その厚み方向（カムシャフト３の軸線方向）にピン孔１９が貫設され、各ピン孔１９内にはロックピン２０（回動規制部材）が軸方向に摺動可能に嵌め込まれている。ロックピン２０の長さはベーンロータ１２の厚みとほぼ等しく設定され、ロックピン２０の先端（図３の下端）はテーパ状に面取り形成されている。タイミングプーリ４には、ベーンロータ１２が最遅角位置にあるときに各ピン孔１９とそれぞれ対応するロック孔２１が形成され、各ロック孔２１はロックピン２０の先端と対応するテーパ状の断面形状をなしている。ロックピン２０はピン孔１９内で摺動して、図３に示すように先端をロック孔２１内に嵌入させてベーンロータ１２を最遅角位置で回動規制するロック位置と、先端をロック孔２１内から離脱させてベーンロータ１２の回動を許容するロック解除位置との間で切換えられる。
【００１２】
ベーンロータ１２には、ピン孔１９内と遅角油圧室１７ａ内とを連通させるロック油路２２ａ、及びピン孔１９内と進角油圧室１７ｂ内とを連通させるロック解除油路２２ｂが形成され、後述するように遅角油圧室１７ａ内の油圧が増加したときには、その油圧がロック油路２２ａを経てロックピン２１の基端側に作用してロック位置に切換え、又、進角油圧室１７ｂ内の油圧が増加したときには、その油圧がロック解除油路２２ｂを経てロックピン２１の先端側に作用してロック解除位置に切換える。
【００１３】
一方、ベーンロータ１２には油分配室１５を中心として放射状に４本の進角導入油路２３が形成され、各進角導入油路２３の一端は油分配室１５内に開口し、他端はそれぞれ進角油圧室１７ｂ内に開口している。油分配室１５は、カムボルト１４を貫通する貫通油路２４、貫通油路２４より連続する第一油路２５及び第二油路２６を介してカムシャフト３の外周全周に形成されたオイル溝２７内に開口し、前記軸受部２に形成された進角供給油路２８に対してカムシャフト３の回転角度に拘わらず常に連通している。
【００１４】
一方、ベーンロータ１２には放射状に４本の遅角導入油路２９が形成され、各遅角導入油路２９の一端は遅角油圧室１７ａ内に開口している。各遅角導入油路２９の他端はそれぞれ第三油路３０及び第四油路３１を介してカムシャフト３のオイル溝３２内に開口し、軸受部２に形成された遅角供給油路３３に対してカムシャフト３の回転角度に拘わらず常に連通している。
【００１５】
図１に示すように、進角供給油路２８及び遅角供給油路３３には、オイルタンク３４内の作動油をオイルポンプ３５により圧送する圧送路３６とオイルタンク３４内に作動油を排出する排出路３７とが切換弁３８を介して接続され、切換弁３８の切換動作に応じて各供給油路２８，３３が圧送路３６及び排出路３７と交互に連通、或いは双方とも遮断される。
【００１６】
図１に示すように、フロントカバー８の表面側の一側には表面側バランス孔４１が、タイミングプーリ４の裏面側の一側には裏面側バランス孔４２が形成されている。これらのバランス孔４１，４２は、カム位相可変装置の回転バランスを均衡させるためにドリルにより穿孔したものである。尚、図では理解を容易にするために、同一位相位置に１個ずつバランス孔４１，４２を設けた例を示しているが、実際にはカムシャフト３の軸線を中心とした所定半径上で、回転バランスが均衡する位相位置に必要な個数だけバランス孔４１，４２が設けられている。本実施例では、これらのバランス孔４１，４２が重量調整部として機能する。
【００１７】
次に、上記バランス取り作業の手順を説明する。
【００１８】
回転バランスの均衡状態は、カムシャフト３を模した回転治具上にカム位相可変装置のアセンブリ（切換弁３８等の油圧回路を除き、カムシャフト３と共に回転するタイミングプーリ４、ハウジング７及びフロントカバー８等を組立てた状態）をセットして確認される。まず、カム位相可変装置を構成する各部品の製造が完了すると、実際のカムシャフト３への組付け状態と全く同様に、回転治具に対して各構成部品を順次組付け、アセンブリとして完成させる。
【００１９】
次いで、バランス取り作業を行うのであるが、図２の構成から明らかなように、内部のベーンロータ１２の位相位置に応じてカム位相可変装置の回転重心が移動することから、全ての位相位置で回転バランスを均衡させることは不可能である。よって、ベーンロータ１２の特定の位相位置に絞って回転バランスを均衡させる必要があり、本実施例では、最遅角位置においてバランス取りがなされる。
【００２０】
具体的には、まず、カム位相可変装置を把持して回転治具に対して相対回転させ、ベーンロータ１２を図２の最遅角位置に切換える。次に、この最遅角位置を保持するためにロックピン２０をロック位置に切換えるのであるが、アセンブリ状態ではロックピン２０に触れて直接操作できない。そこで、ロックピン２０が鉄系材料からなることを利用して、図３に示すように、タイミングプーリ４の裏面側より磁石Ｍで吸引してロック位置に切換える。
【００２１】
この状態で、回転治具と共にカム位相可変装置を回転回転駆動して回転バランスの均衡状態を確認し、表面側及び裏面側共に、重心が偏っている位相位置にバランス孔４１，４２を適宜ドリルにより穿孔する。詳細は説明しないが、このバランス取り作業の手順は、一般的なバランス取りの手法を利用している。尚、バランス孔４１，４２の穿孔に代えて、重心が偏っている位相位置の反対側にウエイトを固定しても同様の効果が得られる。
【００２２】
以上のバランス取り作業によりカム位相可変装置は、エンジンに組付けられた実際の稼働時と同じアセンブリ状態で、かつ、ベーンロータ１２を最遅角位置に保持した状態で回転バランスが最も均衡することになる。その後、カム位相可変装置を回転治具より取り外して、分解することなくそのままエンジンに組付ける。従って、再組立による部品相互間の位置関係の狂いで回転バランスが悪化する虞がなくなり、カム位相可変装置はバランス取り時の最良の状態でエンジンに組付けられる。又、このようにアセンブリ状態でバランス孔４１，４２を穿孔するため、油圧室１０内等に切り粉が付着したときの動作不良を未然に回避可能となる。
【００２３】
次に、本実施例のカム位相可変装置の作動状況を説明する。
【００２４】
まず、エンジン停止時において、ベーンロータ１２は図２に実線で示す最遅角位置（図４の進角量０°）に切換えられ、図３に示すロック位置に切換えられたロックピン２０により回動規制されている。エンジン始動に際して切換弁３８は図１に示す位置に切り換えられ、オイルポンプ３５からの作動油は遅角供給油路３３、第四油路３１、第三油路３０及び遅角導入油路２９を経て遅角油圧室１７ａ内に導入されて、ベーンロータ１２を最遅角位置に保持する。尚、このように始動時にベーンロータ１２を最遅角位置に保持するのは始動性向上を目的としたものであり、ロックピン２０は、始動完了によりオイルポンプ３５が作動して遅角油圧室１７ａ内の油圧を立ち上げるまでの間、ベーンロータ１２を最遅角位置に保持する役割を果たす。
【００２５】
始動完了後のベーンロータ１２の回動位置は、図４のマップに従ってエンジン回転速度ＮeやエンジントルクＴq（負荷）に基づいて制御される。図から明らかなように、エンジン回転速度Ｎeが高いほど、或いはエンジントルクが低いほど、小さな進角量を適用してベーンロータ１２を遅角側に制御する。この制御特性は、遅角側への制御により排気側とのオーバラップを縮小して、吸入空気の充填効率を向上させることを目的とするものである。
【００２６】
例えば、始動完了後に車両を発進させると、エンジン回転速度ＮeとエンジントルクＴqの増加に伴って次第に大きな進角量が設定される。それに応じて切換弁３８は図１とは逆位置に切り換えられ、作動油を進角供給油路２８、第二油路２６、第一油路２５、貫通油路２４、油分配室１５及び進角導入油路２３を経て進角油圧室１７ｂ内に導入する。その油圧によりロックピン２０がロック解除位置に切換えられると共に、ベーンロータ１２が進角側に回動し、所定位置に達したときに切換弁３８を中立に切り換えて、ベーンロータ１２の回動位置を保持する。
【００２７】
ここで、ベーンロータ１２が最遅角位置に制御される場合のエンジン運転状況としては、上記したエンジン始動時の他に、図４のマップから明らかなように高回転域及び低トルク域を挙げることができる。そして、上記のようにカム位相可変装置は、この最遅角位置において回転バランスが最も均衡しているが故に、以下に述べるアンバランスによる不具合を未然に回避することができる。
【００２８】
まず、高回転域では、カム位相可変装置にアンバランスが生じているとカムシャフト３の回転に伴って軸受部２に偏荷重が加わってしまうが、カム位相可変装置の回転バランスが均衡しているために偏荷重が防止され、それによって引き起こされる軸受部２のフリクション増大や焼付きを未然に回避することができる。更に、タイミングベルト５に作用する偏荷重も防止されるため、その耐久性を向上させることができる。
【００２９】
尚、回転バランスは最遅角位置に対応する６０００〜７０００rpmの回転域で最も均衡するが、ベーンロータ１２が最遅角位置からそれほど位相変化しない領域、例えば進角量１０°程度に対応する５０００〜６０００rpmの回転域でも十分良好な回転バランスが得られるため、上記した不具合を回避することができる。
【００３０】
又、低トルク域では、アイドル運転での停車中のように周囲の騒音（エンジンの燃焼音や走行音）や振動が低いために運転者が騒音や振動に最も敏感になる領域であるが、カム位相可変装置の回転バランスが均衡しているためにカムシャフト３の回転変動が防止され、それによって引き起こされる機関不調による振動及び騒音を回避して、運転者に極めて良好な運転環境を提供できる。
【００３１】
以上で実施例の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施例に限定されるものではない。例えば、上記実施例では、吸気側カムシャフト３にカム位相可変装置を取り付けてその位相を調整したが、加えて、排気側カムシャフトにも同様のカム位相可変装置を取り付けてもよい。この場合の排気側のカム位相可変装置は、例えば図５に示すマップに従って、エンジン回転速度Ｎeが高いほど、或いはエンジントルクが高いほど、大きな進角量を適用してベーンロータ１２を進角側に制御し、吸気側とのオーバラップ縮小により吸入空気の充填効率向上を図る。又、アイドル時にも進角側に制御してオーバラップを縮小し、ＥＧＲ減による回転の安定化を図る。尚、排気側では、始動性向上のためにベーンロータ１２を最進角位置で保持する必要があるため、最進角位置でベーンロータ１２を回動規制できるようにロック孔２１の位置を変更する。
【００３２】
そして、この排気側に用いるカム位相可変装置は、ロックピン２０により最進角位置を保持した状態で、吸気側と同様の手順でバランス取り作業を実施する。即ち、上記のように回転バランスの均衡が最も要求される高回転域及びアイドル時には最進角位置に制御されるため、この最進角位置で最も回転バランスを均衡させているのである。その結果、吸気側のカム位相可変装置で述べたようにアンバランスによる不具合、つまり、高回転域では軸受部２のフリクション増大や焼付きを、アイドル時には機関不調による振動及び騒音発生を未然に回避することができる。
【００３３】
又、上記実施例では、オイルポンプ３５からの油圧を利用してベーンロータ１２を回動させる油圧式のカム位相可変装置として具体化したが、その作動原理はこれに限定されるものではなく、例えば、電動モータ等を駆動源とするカム位相可変装置に具体化してもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１〜３の発明のカム位相可変装置によれば、アンバランスの悪影響が顕著に現れる高回転域の作動状態で回転バランスの均衡が図られ、極めて精密に回転バランスを均衡させて、アンバランスによる種々の不具合を未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例のカム位相可変装置を示す図２のI−I線断面図である。
【図２】最遅角位置のカム位相可変装置を示す横断面図である。
【図３】第２図のIII−III線断面図である。
【図４】吸気側の進角特性を示すマップの説明図である。
【図５】排気側の進角特性を示すマップの説明図である。
【符号の説明】
３ カムシャフト
４ タイミングプーリ（本体）
７ ハウジング（本体）
８ フロントカバー（本体）
１２ ベーンロータ（位相可変部材）
２０ ロックピン（回動規制部材）
４１ 表面側バランス孔（重量調整部）
４２ 裏面側バランス孔（重量調整部）

Claims (3)

1. 内燃機関のクランクシャフトで回転駆動される本体と、
   前記本体内に相対回動可能に配置されて弁開閉駆動用のカムシャフトに対して連結され、内燃機関の回転速度に応じて本体内での回動位置を調整される位相可変部材と、
   前記本体の一側に設けられて、高回転域の位相可変部材の回動位置において前記本体及び位相可変部材のアセンブリ状態での回転バランスを均衡させる重量調整部と
   を備えたことを特徴とするカム位相可変装置。
2. 前記内燃機関の停止時において前記高回転域の回動位置で前記位相可変部材を回動規制する回動規制部材を備えたことを特徴とする請求項１記載のカム位相可変装置。
3. 前記位相可変部材は、前記内燃機関の高回転域において回動ストロークの一端側の最遅角位置または回動ストロークの他端側の最進角位置に調整され、
   前記重量調整部は、前記位相可変部材の最遅角位置または最進角位置において回転バランスを均衡させることを特徴とする請求項１または２記載のカム位相可変装置。

Images