JP4227901B2 - 可変動弁装置 - Google Patents

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Description

本発明は、バルブの開弁特性を機械機構によって変更可能な可変動弁装置に関し、特に、バルブの開弁特性を変化させる制御軸と制御軸を回転駆動するアクチュエータがギヤ機構を介して接続されている可変動弁装置に関する。
従来、例えば、特許文献1に開示されるように、エンジンの運転状況に応じてバルブの作用角及びリフト量を変更する可変動弁装置が知られている。特許文献1に記載される可変動弁装置は、偏心したロッカーシャフト(制御軸)によってロッカーアームを回動可能に支持するとともに、バルブを開閉駆動するスイングカムをロッカーアームによって回動駆動するように構成したものである。この可変動弁装置では、ロッカーシャフトの回転位置によってバルブの作用角及びリフト量を変更することが可能になっており、ロッカーシャフトはギヤ機構を介してモータ(アクチュエータ)により回転駆動できるようになっている。ギヤ機構としてはウォームギヤ機構が用いられ、ウォームギヤ側にモータの出力軸が接続され、ウォームホイール側にロッカーシャフトが接続されている。
特開平7−293216号公報 特開平7−63023号公報 実開平2−39505号公報
上記の従来技術において、ロッカーシャフトにはスイングカムをロッカーアーム側に常に隙間無く押し当てておくためのコイルバネが装着されている。コイルバネはバルブの作用角及びリフト量を減少させる側にスイングカムを付勢しており、その反力がロッカーシャフトに作用している。コイルバネからの反力によってロッカーシャフトには常に一定方向への捻りモーメントが作用し、この捻りモーメントはロッカーシャフトを介してウォームホイールに入力されている。ウォームギヤ機構は逆入力に対するセルフロック機能を有するため、捻りモーメントの入力によるウォームホイールの回転はウォームギヤによって受け止められ、ウォームホイールはウォームギヤに密着した状態で静止している。
バルブが一定の開弁特性に維持される場合、上記のようにウォームホイールとウォームギヤが密着した静止状態が続くことになる。この状態でバルブの作用角及びリフト量を増大させる側にモータを作動させると、ウォームホイールとウォームギヤが密着していることからギヤ機構には静止摩擦が発生する。静止摩擦はギヤ機構の作動時に歯車間に作用する動摩擦に比較して大きく、モータには静止摩擦に打ち勝つだけの大きな駆動トルクが要求される。その結果、モータの消費電力が増大し、また、駆動力の大きい大型のモータが必要になってしまう。また、開弁特性の変更要求に対して速やかに応答できない可能性もある。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、制御軸を回転駆動してバルブの開弁特性を変化させる際にアクチュエータに要求される駆動トルクを低減できるようにした可変動弁装置を提供することを目的とする。
第1の発明は、上記目的を達成するため、カム軸の回転に対するバルブの開弁特性を制御軸の回転位置に応じて変化させる可変機構と、前記制御軸とギヤ機構を介して接続されたアクチュエータとを備え、前記アクチュエータにより前記制御軸を回転駆動することで前記開弁特性を変化させる可変動弁装置において、
前記制御軸を一方向に回転駆動して前記開弁特性を一定の状態から変化させる際、前記ギヤ機構に作用する摩擦を静止摩擦から動摩擦に変化させてから、前記アクチュエータにより前記制御軸を前記一方向に回転駆動することを特徴としている。
また、第2の発明は、第1の発明において、前記開弁特性が一定の状態が所定時間継続した後で前記開弁特性を一定の状態から変化させる場合に限り、前記ギヤ機構に作用する摩擦を静止摩擦から動摩擦に変化させることを特徴としている。
また、第3の発明は、第1又は第2の発明において、前記開弁特性を前記バルブの作用角及びリフト量が増大する側に変化させる場合に限り、前記ギヤ機構に作用する摩擦を静止摩擦から動摩擦に変化させることを特徴としている。
また、第4の発明は、第1乃至第3の何れか一つの発明において、前記アクチュエータを一旦反転させることにより、前記ギヤ機構に作用する摩擦を静止摩擦から動摩擦に変化させることを特徴としている。
また、第5の発明は、第1乃至第3の何れか一つの発明において、前記ギヤ機構を振動させる振動手段を前記アクチュエータとは別に備え、
前記振動手段により前記ギヤ機構を振動させることにより、前記ギヤ機構に作用する摩擦を静止摩擦から動摩擦に変化させることを特徴としている。
第1の発明によれば、バルブの開弁特性を一定の状態から変化させる際のアクチュエータによる制御軸の回転駆動は、ギヤ機構に作用する摩擦を静止摩擦から動摩擦に変化させてから、或いは変化させると同時に行われる。このため、静止摩擦が作用している状態で制御軸を回転駆動する場合に比較して、アクチュエータに要求される駆動トルクは低減される。その結果、アクチュエータの応答性が向上するとともに、アクチュエータの消費エネルギの低減とアクチュエータの小型化も可能になる。
なお、ギヤ機構に作用する摩擦を静止摩擦から動摩擦に変化させる処理(摩擦低減処理)を実行するには、そのためのエネルギが必要となる。第2の発明によれば、摩擦低減処理の実行が開弁特性が一定の状態が所定時間継続した場合に限られることで、摩擦低減処理の実行に伴う消費エネルギの増大が防止される。なお、前記所定時間は、例えば、ギヤ機構の油膜切れが静止摩擦の増大の一原因であることから、油膜切れが生じる時間を考慮して決定すればよい。
動弁装置には、ロストモーションスプリングやバルブスプリング等の一又は複数のスプリングが備えられるが、通常、これらスプリングの反力は何れもバルブの作用角及びリフト量を減少させる側に作用している。スプリングの反力は制御軸からギヤ機構に入力されており、ギヤ機構の各歯車はスプリングの反力に抗するように、バルブの作用角及びリフト量を増大させるときの噛み合い関係で噛み合っている。このため、開弁特性をバルブの作用角及びリフト量が増大する側に変化させる場合には、ギヤ機構の歯車間に静止摩擦が発生するのに対し、開弁特性をバルブの作用角或いはリフト量が減少する側に変化させる場合には、ギヤ機構の歯車間には静止摩擦は発生しない。したがって、第3の発明によれば、摩擦低減処理の実行が開弁特性をバルブの作用角或いはリフト量が増大する側に変化させる場合に限られることで、摩擦低減処理の実行に伴う消費エネルギの増大が防止される。
また、第4の発明によれば、アクチュエータの回転方向の制御によって摩擦低減処理が実行されるので、制御装置の制御プログラムの変更で対応できるという効果がある。
また、第5の発明によれば、アクチュエータとは別に設けられた振動手段によって摩擦低減処理が実行されるので、アクチュエータによる制御軸の回転駆動と同時にギヤ機構に作用する摩擦を静止摩擦から動摩擦に変化させることが可能になり、開弁特性を変化させる際の応答性を向上させることができる。
実施の形態1.
以下、図1乃至図5を参照して、本発明の実施の形態1について説明する。
図1は、本発明の実施の形態1にかかる可変動弁ユニット1の構成を示す側面図である。本可変動弁ユニット1はロッカーアーム方式の機械式動弁機構を有し、カム軸10の回転運動がカム軸10に設けられたカム12によってロッカーアーム4の揺動運動に変換され、ロッカーアーム4に支持されるバルブ2の上下方向への往復運動に変換される。本可変動弁ユニット1では、カム12によって直接、ロッカーアーム4を駆動するのではなく、カム12とロッカーアーム4との間に、カム12のプロフィール変化にロッカーアーム4の揺動運動を連動させる連動機構(可変機構)14を介在させている。本可変動弁ユニット1は、この連動機構14を可変制御することでカム12のプロフィール変化とロッカーアーム4の揺動運動との連動状態を連続的に変化させることができ、これによりロッカーアーム4の揺動量や揺動タイミングを変化させて、バルブ2の作用角及びリフト量を連続的に変更できるようになっている。
連動機構14は、第1アーム18、第2アーム20、及び第3アーム22の三つのアームと制御軸16とから構成されている。第1アーム18は第2アーム20の一端に制御軸16によって回転自在に連結されている。制御軸16はカム軸10に平行に配置された静止軸であり、第2アーム20はこの制御軸16にピンの圧入或いはボルト結合によって一体的に固定され、制御軸16から突出した状態で空間内の位置を固定されている。第3アーム22は第2アーム20の他端にピン24によって回転自在に連結され、先端を斜め下方に向けた状態で第2アーム20との連結点から垂れ下がっている。第3アーム22の先端には選択ローラ28が回転自在に取り付けられており、第3アーム22はこの選択ローラ28を介して第1アーム18に接触している。
第1アーム18は、制御軸16から離れた位置に制御軸16に直交するように配置された受動アーム181と、受動アーム181に対して制御軸16の軸方向にずらして配置された従動カム182とから構成されている。受動アーム181と従動カム182とは一体化され、従動カム182を制御軸16によって回転自在に支持されることで、制御軸16の回りを一体的に回転できるようになっている。なお、図1では省略しているが、従動カム182は受動アーム181の両側に一対設けられ(図1では、奥側の従動カム182のみ図示され手前側の従動カムは省略されている)、一つの受動アーム181とその両側の従動カム182,182とで第1アーム18が構成されている。
受動アーム181は、制御軸16に対して第3アーム22が配置される側に延びるアーム部181aと、逆側に延びるアーム部181bとから構成されている。アーム部181aには、第3アーム22の先端に位置する選択ローラ28に対向するように、受動面181cが形成されている。他方のアーム部181bには、空間内に一端を固定されたロストモーションスプリング30の他端が掛けられている。ロストモーションスプリング30は圧縮バネであり、受動アーム181は、制御軸16を中心にして受動面181cを選択ローラ28に押し付ける方向に回転するよう付勢されている。受動アーム181と第3アーム22とは、これら受動面181cと選択ローラ28との間で接触している。
従動カム182は、異なるプロフィールを有する2つの面182a,182bを有している。その一方の面である非作用面182aは、制御軸16の軸心からの距離を一定に形成されている。他方の面である作用面182bは、非作用面182aから見てロストモーションスプリング30の付勢力による第1アーム18の回転方向(図1中では制御軸16を中心にして反時計回り方向)に設けられている。作用面182bは非作用面182aと連続するように接続されるとともに、前記回転方向に向けて制御軸16の軸心からの距離が次第に遠くなるよう形成されている。
連動機構14は、第1アーム18の従動カム182がロッカーアーム4のロッカーローラ6に接触し、第3アーム22がカム12に接触するように配置されている。第3アーム22の中間部、すなわち、ピン24と選択ローラ28との間にはカムローラ26が回転自在に取り付けられており、カム12はこのカムローラ26に接触している。ロッカーローラ6はロッカーアーム4の中間部に回転自在に取り付けられている。ロッカーローラ6を挟んだロッカーアーム4のカム軸10側の端部にはバルブ2が取り付けられ、他端は油圧ラッシャアジャスタ8によって回動自在に支持されている。バルブ2は図示しないバルブスプリングによって、閉方向、すなわち、ロッカーアーム4を押し上げる方向に付勢されており、この付勢力によってロッカーローラ6が第1アーム18の従動カム182に押し当てられている。なお、可変動弁ユニット1には、二つの従動カム182,182のそれぞれに対応してロッカーアーム4とバルブ2が配置されており、可変動弁ユニット1は、二つのバルブ2,2を同時に駆動するように構成されている(後述する図2参照)。
上記のような構成により、カム軸10の回転に伴うカム12のプロフィール変化は、先ず、カム12に接触するカムローラ26を介して第3アーム22に入力される。第3アーム22は、空間内の位置を固定された第2アーム20にピン結合されているので、入力されるカム12のプロフィール変化に応じてピン24を中心にして揺動する。第3アーム22の揺動運動は、選択ローラ28を介して第1アーム18の受動アーム181に入力される。受動アーム181の受動面181cは、ロストモーションスプリング30の付勢力によって常に選択ローラ28に押し付けられているので、受動アーム181は第3アーム22の揺動運動に応じて制御軸16を中心にして揺動する。これにより、受動アーム181と一体化された従動カム182も制御軸16を中心にして回動する。
具体的には、先ず、カム軸10が図1に示す状態から時計回りに回転すると、カムローラ26のカム12上での接触位置は非作用面12aから作用面12bへと移っていく。相対的に第3アーム22はカム12によって押し下げられていき、受動アーム181は選択ローラ28によって押し下げられる。これにより、受動アーム181と一体の従動カム182は制御軸16を中心にして時計回り方向に回動する。カム軸10がさらに回転し、カムローラ26のカム12上での接触位置が作用面12bの頂部を過ぎると、今度はロストモーションスプリング30による付勢力によって受動アーム181は上方に押し上げられていく。これにより、従動カム182は制御軸16を中心にして反時計回り方向に回動する。
このように従動カム182が制御軸16を中心にして回動することで、従動カム182のロッカーローラ6との接触位置が変化することになる。ロッカーローラ6が非作用面182aに接触している場合には、非作用面182aは制御軸16の軸心から表面までの距離が一定であるので、その接触位置にかかわらずロッカーローラ6の空間内での位置は変化しない。したがって、ロッカーアーム4は揺動することがなく、バルブ2は一定位置に保持される。本可変動弁ユニット1では、ロッカーローラ6が非作用面182aに接触しているとき、バルブ2が閉弁状態になるように各部位の位置関係が調整されている。
そして、従動カム182の時計回り方向への回動により、ロッカーローラ6との接触位置が非作用面182aから作用面182bに切り換わると、ロッカーアーム4は作用面182bのプロフィール変化に応じて押し下げられ、油圧ラッシャアジャスタ8による支持点を中心に時計回り方向へ揺動する。これにより、バルブ2はロッカーアーム4によって押し下げられ、開弁する。逆に、従動カム182の反時計回り方向への回動により、ロッカーローラ6との接触位置が作用面182bから非作用面182aに切り換わるときには、バルブスプリングの付勢力によってバルブ2は押し戻され、閉弁する。以下、従動カム182上の非作用面182aから作用面182bに切り換わる位置をリフト開始位置という。
バルブ2のリフトは、カムローラ26がカム12の作用面12bの頂部に接触したときに最大となり、その時点における従動カム182のロッカーローラ6との接触位置(以下、最終接触位置)によってリフト量が決まる。また、従動カム182のロッカーローラ6との接触位置がリフト開始位置を超えている期間(以下、リフト期間)が、バルブ2の作用角に対応する。上記の最終接触位置及びリフト期間は、カムローラ26がカム12の非作用面12aに接触しているときの、従動カム182のロッカーローラ6との接触位置(以下、初期接触位置)によって変化し、この初期接触位置はカム12、ロッカーアーム、第1アーム18、第2アーム20、及び第3アーム22の位置関係によって幾何学的に決まる。したがって、この位置関係を変更できれば、ロッカーアーム4の揺動量や揺動タイミングを変更し、バルブ2の作用角及びリフト量を変更することが可能になる。
可変動弁ユニット1では、制御軸16の回転角度を調整可能にして第2アーム20の設置角度を可変にすることで、バルブ2の作用角及びリフト量の連続的な変更を実現している。つまり、制御軸16が回転すると、制御軸16に固定された第2アーム20も制御軸16の軸心を中心にして傾斜し、その傾斜角度に応じて先端のピン24とカム軸10との距離が変化する。このピン24とカム軸10との距離の変化に伴い、第3アーム22のカムローラ26は、カム12の周面に沿うようにカム軸10の周方向に移動する。図1に示す場合では、制御軸16が反時計回り方向に回転し、ピン24とカム軸10との距離が遠くなったときには、カムローラ26はカム12の周囲を時計回り方向に移動する。逆に制御軸16が時計回り方向に回転し、ピン24とカム軸10との距離が近くなったときには、カムローラ26はカム12の周囲を反時計回り方向に移動する。
ピン24とカムローラ26の位置が変化することで、第3アーム22の位置及び傾斜角度も変化し、その先端の選択ローラ28の位置も変わる。これにより、選択ローラ28に受動面181cを押し当てられている受動アーム181の傾斜角度が変化し、その結果、従動カム182の制御軸16回りの回転角度が変化して、従動カム182のロッカーローラ6との初期接触位置が変化する。図1に示す場合では、制御軸16が反時計回り方向に回転すると、第3アーム22は反時計回り方向に傾斜し、選択ローラ28は制御軸16の回りを時計回り方向に移動する。その結果、従動カム182は受動アーム181の傾斜角度の変化に伴い制御軸16の回りを時計回り方向に回動し、従動カム182のロッカーローラ6との初期接触位置は作用面182bから遠ざかる方向に変化する。逆に、制御軸16が時計回り方向に回転すると、第3アーム22は時計回り方向に傾斜し、選択ローラ28は制御軸16の回りを反時計回り方向に移動する。その結果、従動カム182は制御軸16の回りを反時計回り方向に回動し、初期接触位置は作用面182bに近づく方向に変化する。
前述のように、ロッカーローラ6が到達できる作用面182b上の最終接触位置、及びロッカーローラ6がリフト開始位置を越えているリフト期間は、従動カム182のロッカーローラ6との初期接触位置によって決まる。初期接触位置が作用面182bから遠くなると、最終接触位置は非作用面182bに近くなってリフト期間も短くなる。その結果、バルブ2のリフト量、作用角ともに小さくなる。逆に、初期接触位置が作用面182bに近くなると、最終接触位置は非作用面182bから遠くなってリフト期間も長くなる。その結果、バルブ2のリフト量、作用角ともに大きくなる。本可変動弁ユニット1によれば、制御軸16を反時計回り方向に回転させることで、バルブ2の作用角及びリフト量をともに小さくすることができ、制御軸16を時計回り方向に回転させることで、バルブ2の作用角及びリフト量をともに大きくすることができる。また、バルブ2の作用角及びリフト量は、制御軸16の回転角度に応じて連続的に変更することができる。
次に、上述の可変動弁ユニット1がエンジンに搭載されたときの全体構成について説明する。図2は、可変動弁ユニット1のエンジンへの具体的な適用例を示すカムハウジング内の斜視図である。ここでは、直列4気筒エンジンに適用した場合を示している。ただし、第3気筒及び第4気筒に備えられる可変動弁ユニットは図示を省略し、第1気筒及び第2気筒に備えられる可変動弁ユニット1のみ図示している。なお、図2中では第1気筒用の可変動弁ユニット1には符号1Aを付記し、第2気筒用の可変動弁ユニット1には符号1Bを付記している。
可変動弁ユニット1A,1Bは、一つの制御軸16を共用している。図中省略されている第3気筒及び第4気筒の可変動弁ユニットも同一の制御軸16を共用している。これにより、一つの制御軸16の回転角度を制御することで、4気筒全ての可変動弁ユニット1を同時に制御して、全バルブ2の作用角及びリフト量を同時に変更できるようになっている。制御軸16の回転駆動はアクチュエータとしてのモータ40によって行われる。制御軸16の一端にはウォームホイール44が固定され、モータ40の出力軸に固定されたウォームギヤ46が噛み合わされている。ウォームホイール44とウォームギヤ46とでウォームギヤ機構42が構成されている、モータ40の回転がウォームギヤ46を介してウォームホイール44に入力されることで、制御軸16の回転角度が変更され、全バルブ2の作用角及びリフト量の変更が同時に実現される。モータ40の回転は、エンジンに備えられる制御装置(ECU)48によって制御される。本実施の形態では、各可変動弁ユニット1と、それらで共用される制御軸16、制御軸16を駆動するためのモータ40並びにウォームギヤ機構42、及びモータ40を制御する制御装置48によって、エンジンの可変動弁装置が実現されている。
なお、制御軸16はカムハウジングに取り付けられる支持部材34,36によって回転自在に支持されている。これら支持部材34,36はカム軸10を支持する支持部材としての機能も有し、さらに、ロストモーションスプリング30の一端を固定するための固定具としての機能も有している。また、カム軸10には、クランク軸に対する位相角を変化させることでバルブ2の開閉タイミングを可変制御する図示しないバルブタイミング可変装置が備えられている。バルブタイミング可変装置は可変動弁装置とともに制御装置48によって協調制御されている。
本実施形態の可変動弁装置では、各可変動弁ユニット1において、ロストモーションスプリング30の反力が第1アーム18の受動アーム181に常時作用している。また、第1アーム18の従動カム182には、ロッカーローラ6を介して図示しないバルブスプリングの反力が常時作用している。これらのスプリング反力の作用によって、第1アーム18は図1中において制御軸16を中心に反時計回り方向に付勢され、受動面181cを介して選択ローラ28を押圧している。選択ローラ28に加えられた第1アーム18からの荷重は第3アーム22に伝わり、第3アーム22をカムローラ26とカム12との接点を支点にして反時計回り方向に回転させるように作用する。これにより、第3アーム22とピン24によって連結される第2アーム20には、制御軸16の中心方向に押し付ける荷重が第3アーム22から加えられる。第2アーム20は制御軸16に固定されているので、第2アーム20に加えられる荷重によって制御軸16には反時計回り方向の捻りモーメントが作用する。この捻りモーメントの作用方向は、バルブ2の作用角及びリフト量を減少させるように制御軸16を回転駆動する方向である。
制御軸16に作用する捻りモーメントは、制御軸16の端部に設けられたウォームホイール44からウォームギヤ機構42に入力される。ウォームギヤ機構42は逆入力に対するセルフロック機能を有するため、捻りモーメントの入力によるウォームホイール44の回転はウォームギヤ46によって受け止められ、ウォームホイール44はウォームギヤ46に密着した状態で静止している。図3はモータ40が作動していないときのウォームホイール44とウォームギヤ46との噛み合い部を拡大して示す図である。図3において、大作用角・大リフトと付記された矢印で示す回転方向が、バルブ2の作用角及びリフト量を増大させる場合のウォームホイール44、ウォームギヤ46のそれぞれの回転方向であり、小作用角・小リフトと付記された矢印で示す回転方向が、バルブ2の作用角及びリフト量を減少させる場合のウォームホイール44、ウォームギヤ46のそれぞれの回転方向である。この図に示すように、ウォームホイール44とウォームギヤ46は、ロストモーションスプリング30等の反力に抗するように、バルブ2の作用角及びリフト量を増大させるときの噛み合い関係で噛み合っている。
図3に示す状態からウォームギヤ46を小作用角・小リフト方向に回転させる場合、ウォームギヤ46はウォームホイール44との間のバックラッシュ分回転してからウォームホイール44に接触し、ウォームホイール44を小作用角・小リフト方向に回転駆動する。このためウォームギヤ46は回転している状態でウォームホイール44に接触することになり、このとき、ウォームギヤ46とウォームホイール44との間には動摩擦が発生する。これに対し、図3に示す状態からウォームギヤ46を大作用角・大リフト方向に回転させる場合には、ウォームギヤ46はウォームホイール44と接触した状態で回転を始めることになり、ウォームギヤ46はウォームホイール44と密着した状態からウォームホイール44を大作用角・大リフト方向に回転駆動する。このためウォームギヤ46への駆動トルクの入力直後は、ウォームギヤ46とウォームホイール44との間には静止摩擦が発生する
静止摩擦は動摩擦よりも大きいため、上記のようにウォームギヤ46を大作用角・大リフト方向に回転させる場合には、ウォームギヤ46を駆動するモータ40にはウォームギヤ46を小作用角・小リフト方向に回転させる場合に比較して大きな駆動トルクが要求される。モータ40に要求される駆動トルクが大きくなると、その分、モータ40の消費電力が増大してしまう。また、大作用角・大リフト方向への開弁特性の変更要求に対して速やかに応答できない可能性もある。そこで、本実施形態の可変動弁装置では、モータ40を制御する制御装置48は、バルブ2の開弁特性の変更要求に対し、単に要求された方向にウォームギヤ46を回転させるようモータ40を制御するのではなく、以下に説明する制御ルーチンに従いモータ40を制御するようにしている。
図4は本実施形態の可変動弁装置において制御装置48により実行されるモータ制御ルーチンのフローチャートである。まず、ステップ100では、制御装置48はバルブ2の開弁特性の変更要求の有無について判定する。変更要求が有った場合にはステップ102に進み、さらに、その変更要求が大作用角・大リフト方向への開弁特性の変更要求か、或いは、小作用角・小リフト方向への開弁特性の変更要求かについて判定する。
ステップ102の判定の結果、変更要求が大作用角・大リフト方向である場合には、制御装置48は、現在のバルブ2の開弁特性(作用角・リフト方向)が一定のまま所定期間継続されていたか否かについて判定する(ステップ104)。判定基準となる所定期間は、歯車間の油膜切れを考慮して決定する。歯車間に油膜が形成されている場合と油膜が切れている場合とでは、歯車間に作用する静止摩擦の大きさには差が有り、油膜が切れるに従い静止摩擦は増大する。そこで、油膜切れがある程度進んだと考えられる所定時間が経過した場合には、ステップ106の処理を実行する。
ステップ106では、制御装置48は、変更要求に応じてそのままモータ40を大作用角・大リフト方向に回転させるのではなく、一旦、小作用角・小リフト方向にモータ40を反転させる。これにより、ウォームホイール44に密着していたウォームギヤ46は、一旦、ウォームホイール44から離れることになる。このときのモータ40の回転量は、ウォームギヤ46の回転がウォームホイール44との間のバックラッシュ内に収まるように設定するのが望ましい。
そして、ステップ106の処理によりウォームギヤ46を一旦ウォームホイール44から離した後、制御装置48は、今度は変更要求どおりにモータ40を大作用角・大リフト方向に回転させる(ステップ108)。これにより、ウォームギヤ46は回転している状態でウォームホイール44に接触し、ウォームホイール44を大作用角・大リフト方向に回転駆動することになる。このように、ウォームギヤ46が回転しながらウォームホイール44に接触することで、ウォームギヤ46とウォームホイール44との間に作用する摩擦は静止摩擦ではなく動摩擦となる。
この結果、本実施形態の可変動弁装置においてバルブ2の開弁特性を大作用角・大リフト方向に変更する際に要求されるモータ40の駆動力は、図5に示すグラフのようになる。図5は、ステップ106の処理(摩擦低減処理)を行った場合(図5中に実線で示す)と、変更要求に応じてそのままモータ40を大作用角・大リフト方向に回転させた場合(図5中に破線で示す)とでモータ40の駆動力の時間変化を比較したグラフである。この図に示すように、ステップ106の摩擦低減処理を実行してウォームギヤ機構42に作用する摩擦を静止摩擦から動摩擦に変化させることで、静止摩擦が作用している状態でモータ40を回転させるよりも、必要な駆動力は大幅に低減される。これにより、モータ40の消費電力が低減されるとともに、大作用角・大リフト方向への開弁特性の変更要求に対して速やかに応答することが可能になる。
なお、ステップ104の判定の結果、現在のバルブ2の開弁特性の継続時間が未だ所定時間に達していないと判定された場合には、ステップ106の摩擦低減処理を実行することなくステップ108に進む。これにより、制御装置48は、ウォームホイール44にウォームギヤ46が密着した状態でモータ40を大作用角・大リフト方向に回転させる。このとき、ウォームギヤ機構42には静止摩擦が作用するが、歯車間に油膜が保たれているために油膜切れ状態で回転させる場合に比較して静止摩擦の大きさは小さい。逆に、ステップ106の摩擦低減処理を実行する場合には、モータ40を一旦反転させる分、電力を余計に消費することになる。したがって、静止摩擦の小さい状況では敢えてそのままモータ40を大作用角・大リフト方向に回転させることで、全体として消費電力を抑えることができる。
また、ステップ102の判定の結果、変更要求が小作用角・小リフト方向である場合には、そのままモータ40を小作用角・小リフト方向に回転させる(ステップ110)。前述のように、小作用角・小リフト方向にウォームギヤ46を回転させるときにウォームギヤ機構40に作用する摩擦は動摩擦であるので、モータ40に要求される駆動力は小さく消費電力も少ない。
以上のように、バルブ2の開弁特性の変更時に図4のモータ制御ルーチンが実行されることで、特に大作用角・大リフト方向への変更時においてモータ40に要求される駆動トルクを低減することができる。したがって、本実施形態の可変動弁装置によれば、消費電力を低減できるとともに、モータ40は駆動トルクの小さいものでよいことから、より小型のモータ40を採用することも可能になる。
実施の形態2.
次に、図6を用いて本発明の実施の形態2について説明する。
本実施形態の可変動弁装置は、実施の形態1の可変動弁装置と同様に、図1及び図2に示す構成を基本構成としている。本実施形態の可変動弁装置と実施の形態1との相違点は、ウォームギヤ機構42に作用する摩擦を低減させるための手段にある。実施の形態1ではモータ40の回転制御によってウォームギヤ機構42に作用する摩擦を低減させているのに対し、本実施形態ではモータ40の回転制御は従来どおり行いながら、以下に説明する別の手段によってウォームギヤ機構42に作用する摩擦を低減させている。
図6は本実施形態にかかるモータ40の出力軸40aの構造を示す概略図である。この図に示すように、出力軸40aは、そのウォームギヤ46が固定されている部位よりも基端側をカムハウジング(図示略)に固定された軸受け52と支持部材54とによって回転自在に支持されている。支持部材54とモータ40との間にはスプリング56が挟み込まれており、出力軸40aの基端部はこのスプリング56に通されている。出力軸40aの先端部はカムハウジングに固定された油圧シリンダ50内に挿入されている、この油圧シリンダ50内にはオイルポンプ62に繋がる油圧管60が接続されている。油圧管60の途中には電磁弁64が設けられており、電磁弁64の開閉制御によって油圧シリンダ50内の油圧を制御することができるようになっている。
電磁弁64の制御は制御装置48によって行われる。制御装置48は、大作用角・大リフト方向へのバルブ2の開弁特性の変更要求があり、且つ、現在のバルブ2の開弁特性が所定期間継続されていた場合には、周期的なオン/オフ信号を電磁弁64に入力する。制御装置48からの信号により電磁弁64は周期的に開閉を繰り返し、これにより油圧シリンダ50内の油圧は周期的に変動する。油圧シリンダ50には出力軸40aの先端部が軸方向に挿入されているので、油圧シリンダ50内の油圧の変動は軸方向への押圧力の変動として出力軸40aに作用する。この油圧シリンダ50から受ける押圧力の変動とスプリング56からの付勢力とを受けて出力軸40aは軸方向に振動する。本実施形態では、油圧シリンダ50、スプリング56、オイルポンプ62、及び電磁弁64によって、ウォームギヤ機構42を振動させる振動手段が構成されている。
出力軸40aが軸方向に振動することで出力軸40aと一体のウォームギヤ46も軸方向に振動し、ウォームギヤ46はウォームホイール44に対して接触と離隔を周期的に繰り返すようになる。なお、電磁弁64により制御される油圧の変動量は、ウォームギヤ46の振動の振幅がウォームホイール44との間のバックラッシュ内に収まるように設定するのが望ましい。このようにウォームギヤ46が振動することで、ウォームギヤ機構42に作用する摩擦は静止摩擦から動摩擦へと変化する。制御装置48は、ウォームギヤ機構42に振動を入力した後或いは入力と同時に、モータ40を大作用角・大リフト方向に回転させる。
上記のように本実施形態の可変動弁装置では、ウォームギヤ機構42への振動の入力によってウォームギヤ機構42に作用する摩擦を低減させている。これによれば、実施の形態1と同様、大作用角・大リフト方向への変更時においてモータ40に要求される駆動トルクを低減することができ、モータ40の消費電力を低減することができる。さらに、モータ40の制御によるウォームギヤ機構42の回転駆動と、電磁弁64の制御によるウォームギヤ機構42への振動の入力とを独立して行うことができるので、バルブ2の開弁特性の変更要求があった場合に、ウォームギヤ46を振動させると同時にウォームギヤ46を大作用角・大リフト方向へ回転させることも可能である。したがって、本実施形態の可変動弁装置によれば、大作用角・大リフト方向への開弁特性の変更要求に対してより速やかに応答することが可能になる。
その他.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
上述の実施の形態では、モータ40と制御軸16との間にウォームギヤ機構42が配置されている場合について説明したが、他のギヤ機構が配置される可変動弁装置にも本発明を適用することは可能である。特に、セルフロック機能を備えたギヤ機構であれば、本発明を適用することの効果は大きい。
また、実施の形態2では油圧によってウォームギヤ機構42を振動させているが、油圧以外の他の手段、例えば、超音波振動子等を用いてもよい。振動の入力先はウォームギヤ46に限らずウォームホイール44でもよい。ウォームギヤ46とウォームホイール44との間に相対的な振動が生じればよい。
本発明の実施の形態1にかかる可変動弁ユニットの構成を示す側面図である。 図1に示す可変動弁ユニットのエンジンへの具体的な適用例を示す斜視図である。 図2に示すウォーム機構の歯車間の噛み合い部を拡大して示す図である 本発明の実施の形態1において実行されるモータ制御ルーチンのフローチャートである。 摩擦低減処理を実行した場合としない場合とでモータの駆動力の時間変化を比較したグラフである。 本発明の実施の形態2にかかる振動装置の構造を示す概略図である。
符号の説明
1,1A,1B 可変動弁ユニット
2 バルブ
4 ロッカーアーム
6 ロッカーローラ
8 油圧ラッシャアジャスタ
10 カム軸
12 カム
12a 非作用面
12b 作用面
14 連動機構
16 制御軸
18 第1アーム
181 受動アーム
181a アーム部
181b アーム部
181c 受動面
182 従動カム
182a 非作用面
182b 作用面
20 第2アーム
22 第3アーム
24 ピン
26 カムローラ
28 選択ローラ
30 ロストモーションスプリング
34,36 支持部材
40 モータ
40a 出力軸
42 ウォームギヤ機構
44 ウォームホイール
46 ウォームギヤ
50 油圧シリンダ
56 スプリング
62 オイルポンプ
64 電磁弁

Claims (3)

  1. カム軸の回転に対するバルブの開弁特性を制御軸の回転位置に応じて変化させる可変機構と、前記制御軸とギヤ機構を介して接続されたアクチュエータとを備え、前記アクチュエータにより前記制御軸を回転駆動することで前記開弁特性を変化させる可変動弁装置において、
    前記制御軸を一方向に回転駆動して前記開弁特性を一定の状態から変化させる際、前記アクチュエータを一旦反転させることにより前記ギヤ機構に作用する摩擦を静止摩擦から動摩擦に変化させてから、前記アクチュエータにより前記制御軸を前記一方向に回転駆動することを特徴とする可変動弁装置。
  2. 前記開弁特性が一定の状態が所定時間継続した後で前記開弁特性を一定の状態から変化させる場合に限り、前記アクチュエータを一旦反転させることを行うことを特徴とする請求項1記載の可変動弁装置。
  3. 前記開弁特性を前記バルブの作用角及びリフト量が増大する側に変化させる場合に限り、前記アクチュエータを一旦反転させることを行うことを特徴とする請求項1又は2記載の可変動弁装置。
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