JP4446897B2 - 内燃機関のバルブタイミング制御装置 - Google Patents

Description

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。

この種の従来のバルブタイミング制御装置としては、本出願人が先に出願した以下の特許文献１に記載されるようなものが知られている。

このバルブタイミング制御装置は、クランクシャフト側のタイミングスプロケットと一体に回転するプレート部材に、径方向に沿うガイド用の孔であるスリットが形成されている。

また、プレート部材の後端側に対向配置された渦ディスクに渦巻き溝が形成されていると共に、機関弁を開閉するカムを有するカムシャフトに固定された円板部材に、複数のリンク部材の基端部が揺動自在に結合されている。また、この各リンク部材の先端部に形成された収容穴には、半球状に形成された先端部が前記スリットを介して前記渦巻き溝に係合する係合ピンが保持されている。

そして、機関運転状態に応じて前記渦ディスクにヒステリシスブレーキによる電気的制動力を加えると、前記係合ピンが半球状の先端部を介して前記渦巻き溝内を摺動しつつ前記スリット内を径方向に移動することによって、前記スプロケットに対するカムシャフトの相対回転位相を変更するようになっている。
特開２００４−９２５７６号公報

しかしながら、この従来のバルブタイミング制御装置にあっては、前述のように、係合ピンの先端部の根元部がほぼ円環状（円筒状）に形成されていることから、該先端部が前記渦巻き状ガイドに係合しつつ移動した際に、前記リンク部材の収容穴との間のクリアランスなどに起因して前記係合ピンが傾いて前記根元部の外周面が渦巻き状ガイドの縁部に局部的に片当たりしてしまう。

この結果、該係合ピンの根元部が経時的に摩耗して、該係合ピンの耐久性の低下を招くおそれがある。

本発明は、前記従来の技術的課題を解決するために案出されたもので、請求項１に記載の発明は、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、機関弁を開閉作動させるカムが設けられたカムシャフトあるいは該カムシャフトに結合された別部材からなる従動回転体と、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、回転方向に沿って縮径するガイドが形成された中間回転体と、前記ガイドによって誘導されて径方向へ移動するように構成され、前記ガイドに係合する先端頭部における前記ガイドの縁部に対応する領域に該先端頭部の最大直径より小径となる縮径部が設けられたピンと、前記中間回転体に回転操作力を付与する操作力付与機構と、前記ピンの径方向の変位を駆動回転体と従動回転体の相対回転位相の変位に変換する運動変換機構と、を備えたことを特徴としている。

この発明によれば、前記運動変換機構の作動によって前記ピンの先端頭部が前記ガイドに係合しつつ該ガイドを介して移動している際に、該ピンが傾いたとしても、この先端頭部の縮径部が前記ガイドの縁部を吸収して該縁部に対して逃げる形になるため、該ガイドの縁部にピンの縮径部が片当たりすることがなくなる。これによって、ピンの局部的な摩耗の発生が防止されて、耐久性の向上が図れる。

請求項２に記載の発明は、とりわけ、内側方向若しくは外側方向に移動するように構成された係合部材と、周方向に縮径する溝を有する中間回転体と、前記溝に沿って前記係合部材を内側方向若しくは外側方向に移動させて前記駆動回転体に対する前記従動回転体の組付角を調整する運動変換機構と、前記中間回転体に回転操作力を付与して前記係合部材を前記溝に沿って径方向に変位させて前記クランクシャフトと前記カムシャフトの相対回転位相を可変制御する操作力付与機構と、を備え、前記係合部材が傾いた際に前記溝の縁部に対する当接を回避する逃げ部を、前記係合部材における前記溝内の縁部に対応した領域に形成したことを特徴としている。

以下、本発明に係る内燃機関のバルブタイミング制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、この実施形態は、内燃機関の吸気側の動弁装置に適用したものであるが、内燃機関の排気側の動弁装置に同様に適用することも可能である。

本実施形態のバルブタイミング制御装置は、図１〜図３に示すように、内燃機関のシリンダヘッドＳの上端部に軸受６を介して回転自在に支持され、外周に吸気弁を開閉作動させるカムを有するカムシャフト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、図外のチェーンを介してクランクシャフトに連係されるギア歯部３を外周に一体に有する駆動回転体であるタイミングスプロケット２と、このタイミングスプロケット２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１，２の組付角を操作する運動変換機構４と、この運動変換機構４のさらに前方側に配置されて、この運動変換機構４を駆動する操作力付与機構５とを備えている。

前記タイミングスプロケット２は、中央に段差状の挿通孔２ａを備えた略円板状に形成され、前記カムシャフト１の前端部に結合された従動回転体である従動軸部材７が前記挿通孔２ａに回転自在に挿通して全体を回転可能に支持されている。また、タイミングスプロケット２の前面側には、図２及び図３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窓８が同タイミングスプロケット２のほぼ半径方向に沿うように形成されている。

前記従動軸部材７は、図１に示すように、カムシャフト１の前端部に突き合される基部側外周に拡径部が形成されると共に、その拡径部よりも前方側の外周面に放射状に突出する三つのレバー突起９が一体に形成され、軸芯部を貫通するボルト１０によってカムシャフト１に結合されている。各レバー突起９には、リンク１１が基端部に挿通されたピン１２によって枢支され、各リンク１１の先端には前記各径方向窓８に摺動自在に係合する円柱状の突出部１３が一体に形成されている。

各リンク１１は、突出部１３が対応する径方向窓８に係合した状態において、ピン１２を介して従動軸部材７に連結されているため、リンク１１の先端側が外力を受けて径方向窓８に沿って変位すると、タイミングスプロケット２と従動軸部材７はリンク１１の作用でもって突出部１３の変位に応じた方向及び角度だけ相対回動する。

また、各リンク１１の先端部には、軸方向前方側に開口する収容穴１４が形成され、この収容穴１４に、後述する渦巻き状ガイドである渦巻き溝１８に係合する係合ピン１６が収容配置されていると共に、この係合ピン１６を前方側（渦巻き溝１８側）に付勢するコイルばね１７が収容されている。

この係合ピン１６は、図４に拡大して示すように、リンク１１の収容穴１４内に収容される略円筒状の筒状部１６ａと、その筒状部１６ａの先端側に収容穴１４から突出した状態に設けられ、前記渦巻き溝１８内に転動自在に係合される半球面状の先端頭部１６ｂとを有しており、これらは全体が金属材料によって一体に形成されている。

前記筒状部１６ａは、外周面が軸方向全域に亙って略均一な一定外径に形成されていると共に、前記収容穴１４の内周面との間に僅かなクリアランスをもって回転自在に収容されている。したがって、この係合ピン１６は、前記クリアランスを介して収容穴１４内で僅かに揺動するようになっている。また、係合ピン１６の表面は、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）等の摺動抵抗を下げるための表面処理が施されている。

また、前記先端頭部１６ｂは、図４及び図５に示すように、外周面１６ｃ全体が球面状に形成されていると共に、該先端頭部１６ｂと前記筒状部１６ａとの間の根元部領域が前記先端頭部１６ｂの外周面１６ｃと同じ曲率半径の球面状に連続形成されて、窪み状の縮径部１９になっている。

そして、前記先端頭部１６ｂの外周面１６ｃと縮径部１９の外面全体が、図６に示すように、同一の砥石２０によって球面状に研磨加工されるようになっている。すなわち、前記砥石２０は、矢印方向へ回転駆動する円盤状に形成されていると共に、円環状の外周面２０ａが各外周面１６ｃと縮径部１９とを球面状に研磨するために、円弧状に形成されている。また、この砥石２０は、２点鎖線矢印に示す方向へ移動して、その外周面４３ａで前記先端頭部１６ｂの外周面１６ｃと縮径部１９の外面とを連続して一度に研磨するようになっている。

一方、従動軸部材７のレバー突起９の突設位置よりも前方側には、図１に示すように、円板状のフランジ壁を有する渦ディスク１５がボールベアリング２１を介して回転自在に支持されている。この渦ディスク１５のフランジ壁の後面側には、断面半円状の前記渦巻き溝１８が形成され、この渦巻き溝１８に、前記各リンク１１の先端の係合ピン１６が先端頭部１６ｂを介して摺動自在に係合案内されている。

前記渦巻き溝１８は、その渦巻きが機関回転方向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１１先端の係合ピン１６が渦巻き溝１８に係合した状態において、渦ディスク１５がタイミングスプロケット２に対して遅れ方向に相対回転すると、リンク１１の先端部は径方向窓８に案内されつつ、渦巻き溝１８の渦巻き形状に誘導されて半径方向内側に移動し、逆に、渦ディスク１５が進み方向に相対変位すると、半径方向外側に移動する。

運動変換機構４は、前記タイミングスプロケット２の径方向窓８と、リンク１１、突出部１３、係合ピン１６、レバー突起９、渦ディスク１５及び渦巻き溝１８等によって構成されている。

また、この運動変換機構４は、操作力付与機構５から渦ディスク１５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１８と係合ピン１６の係合部を通してリンク１１の先端を径方向に変位させ、このときリンク１１とレバー突起９の作用でもってタイミングスプロケット２と従動軸部材７に相対的な回動力を伝達する。

前記操作力付与機構５は、渦ディスク１５をタイミングスプロケット３に対して機関回転方向Ｒに付勢する回転付勢ばねとしてのゼンマイばね２２と、渦ディスク１５を駆動リング３に対して機関回転方向Ｒと逆方向に付勢するヒステリシスブレーキ２３とから構成され、内燃機関の運転状態に応じてヒステリシスブレーキ２３の制動力を適宜制御することにより、渦ディスク１５をタイミングスプロケット２に対して相対回動させ、あるいは、両者の回転位置を維持するようになっている。

前記ゼンマイばね２２は、タイミングスプロケット２に基部がビス２４によって固定された円筒壁２５の先端部にその外周端部が結合される一方、内周端部が渦ディスク１５の円筒状の基部に結合されている。

ヒステリシスブレーキ２３は、基本的に前記公報記載の従来技術と同様の構造であって、図外の非回転部材であるＶＴＣカバーに取り付けられ、ほぼ円筒状の隙間を挟んで対向する一対の周面状の対向面を有する磁気誘導部材２６と、前記両対向面に夫々設けられた内側極歯２７及び外側極歯２８と、磁気誘導部材２６に取り付けられて内側極歯２７と外側極歯２８の間に磁界を生じさせる電磁コイル２９と、前記両極歯２７，２８間に非接触状態で挿入配置された円筒状のヒステリシスリング３０と、外周端がこのヒステリシスリング３０に一体に結合された状態で渦ディスク１５に連結ピン３１とゴムブッシュ３２を介して結合された円環プレート３３とを備え、電磁コイル２９が図外のコントローラによって通電制御されるようになっている。

磁気誘導部材２６の内側極歯２７と外側極歯２８は夫々軸方向に沿って延出する複数の極歯要素を有している。両極歯２７，２８の極歯要素は、夫々円周方向に沿って配置され、極歯２７，２８の極歯要素相互は円周方向に相互にオフセットされている。したがって、電磁コイル２９に通電されると、両極歯２７，２８間には、オフセットした位置関係にある相手極歯要素に向かう磁界が発生する。

ヒステリシスリング３０は、磁気的ヒステリシス特性を有するヒステリシス材から成り、このヒステリシスリング３０の回転中に内側極歯２７と外側極歯２８の間に磁界が発生すると、その磁界の向きとヒステリシスリング３０内の磁束の向きとにずれが生じるようになっており、ヒステリシスブレーキ２３は、このずれによって制動力を発生する。

また、円環プレート３３は、磁気誘導部材２６の内周面に一対の軸受３４，３４を介して支持された軸部材３６に一体に結合されている。したがって、ヒステリシスリング３０は、円環プレート３３と軸部材３６を介して磁気誘導部材２６に相対回転可能に支持されている。

また、前記運動変換機構４の周域に形成された空間部３７には、カムシャフト１と従動軸部材７を通して機関ブロック側から潤滑油が供給されるようになっている。

すなわち、カムシャフト１の内部軸方向には、シリンダＳ内に形成されたメインオイルギャラリー３８と連通する油通路３９が軸方向に沿って形成されていると共に、従動軸部材７の内部に一端が前記油通路３９と連通する連通路４０が径方向に沿って形成されている。また、タイミングスプロケット２の内部には、一端部が前記連通路４０の他端と連通し、他端部が前記空間部３７と連通する油孔４１が軸方向に沿って穿設されている。また、前記油通路３９には、前記メインオイルギャラリー３８を介して潤滑用のオイルポンプ４２から潤滑油が圧送されるようになっている。

したがって、運動変換機構４の各部はその潤滑油によって潤滑され、前記係合ピン１６と収容穴１４の隙間にもその潤滑油が回り込んでおり、特に、図５に示すように、係合ピン１６の前記縮径部１９内に潤滑油Ｏを供給することができることから、ここから係合ピン１６の先端頭部１６ｂの外周面と渦巻き溝１８の内周面との間に潤滑油が供給されるようになっている。

以下、本実施形態の作用について説明すると、まず、内燃機関の始動時やアイドル運転時には、ヒステリシスブレーキ２３の電磁コイル２９の励磁をオフにしておくことにより、ゼンマイばね２２のばね力によって渦ディスク１５をタイミングスプロケット２に対して機関回転方向Ｒに最大に回転させておく（図２参照）。これにより、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）は最遅角側に維持され、機関回転の安定化と燃費の向上が図られる。

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き指令が図外のコントローラから発されると、ヒステリシスブレーキ２２の電磁コイル２９の励磁がオンにされ、ゼンマイばね２２に抗する制動力が円環プレート３３から渦ディスク１５に連結ピン３１とゴムブッシュ３２を介して伝達される。

これにより、渦ディスク１５がタイミングスプロケット２に対して逆方向に回転し、それによってリンク１１の先端の係合ピン１６が渦巻き溝１８に誘導されてリンク１１の先端部が径方向窓８に沿って変位し、図３に示すようにリンク１１の作用によってタイミングスプロケット２と従動軸部材７の相対回転角が最進角側に変更される。

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。

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、ヒステリシスブレーキ２３の電磁コイル２５の励磁がオフにされ、再度ゼンマイばね２２の力によって渦ディスク１５が機関回転方向Ｒに回転させられる。すると、渦巻き溝１８による係合ピン１６の誘導によってリンク１１が上記と逆方向に揺動し、図２に示すようにそのリンク１１の作用によって駆動リング３と従動軸部材７の組付角が再度遅角側に変更される。

なお、このバルブタイミング制御装置によるクランクシャフトとカムシャフト１の回転位相は、以上で説明した最遅角と最進角の二種の位相ばかりでなく、ヒステリシスブレーキ２３の制動力の制御によって任意の位相に変更し、ゼンマイばね２２の力とヒステリシスブレーキ２３の制動力のバランスによってその位相を保持することができる。

また、この実施形態では、前記運動変換機構４の作動によって前記係合ピン１６の先端頭部１６ｂが前記渦巻き溝１８に係合しつつ前記径方向窓８を介して移動している際に、図４及び図５に示すように、この係合ピン１６が収容穴１４とのクリアランスなどに起因して傾くと、その先端頭部１６ｂの傾きに伴い渦巻き溝１８の縁部１８ａ付近に図５の矢印方向へ力が加ったとしても、前記縮径部１９が渦巻き溝１８の縁部１８ａを吸収して、該縁部１８ａに対して逃げる形になるため、該渦巻き溝１８の縁部１８ａに対する係合ピン１６の縮径部１９の片当たりを確実に回避できる。

この結果、係合ピン１６の局部的な摩耗の発生が防止されて、耐久性の向上が図れる。

しかも、前記縮径部１９に潤滑油Ｏを滞留させることが可能になるため、この潤滑油Ｏの粘性によって渦巻き溝１８の縁部１８ａとの干渉をさらに防止することができると共に、該縮径部１９から前記先端頭部１６ｂと前記渦巻き溝１８の内周面との間に潤滑油を導入させることができるので、該両者間の潤滑性能が向上する。

また、前述したように、係合ピン１６の先端頭部１６ｂと前記縮径部１９とを同じ加工砥石２０によって連続的にかつ一度の研磨作業を行えるので、該研磨作業が容易になる。

すなわち、前記縮径部１９が先端頭部１６ｂとは異なり、例えば従来のように円環状に形成されている場合は、前記先端頭部１６ｂと縮径部１９とをそれぞれ異なる形状の砥石を用いて別個に研磨作業を行わなければならず、かかる研磨作業が煩雑になるが、本実施形態の場合は、研磨作業が連続かつ一度に行えるので、その研磨作業がきわめて容易になる。

また、この実施形態においては、係合ピン１６の先端頭部１６ｂが球面状に形成され、渦巻き溝１８の断面がこの先端頭部１６ｂの半径よりも大きい半円状の断面形状に形成されているため、係合ピン１６が揺動しても、その揺動に応じて渦巻き溝１８と先端頭部１６ｂの接触点を滑らかに変化させることができ、両者の間のガタ付きを十分に無くすことができる。

前記実施形態から把握される前記請求項に記載した発明以外の技術的思想について以下に説明する。

請求項（１） 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、
機関弁を開閉作動させるカムが設けられたカムシャフトあるいは該カムシャフトに結合された別部材からなる従動回転体と、
前記駆動回転体と従動回転体のいずれか一方に設けられた径方向ガイドと、
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、前記径方向ガイドに対峙する面に断面ほぼ半円弧状の渦巻き状ガイドが形成された中間回転体と、
前記径方向ガイドに変位可能に係合案内されると共に、先端部の根元部の外周に球面状の縮径部を有し、該先端部が前記渦巻き状ガイドに係合する係合ピンと、
前記中間回転体に回転操作力を付与する操作力付与機構と、
前記係合ピンの変位を駆動回転体と従動回転体の相対回転位相の変位に変換する運動変換機構と、
を備えた内燃機関のバルブタイミング制御装置。

この発明によれば、前記請求項１に記載された発明と同様な作用効果が得られる。
請求項（２） 前記操作力付与機構は、電気によって駆動されることを特徴とする請求項１〜（１）に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
請求項（３） 前記操作力付与機構は、電磁ブレーキによって構成されていることを特徴とする請求項（２）に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
請求項（４） 前記操作力付与機構は、ヒステリシスブレーキによって構成されている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。
請求項（５） 前記運動変換機構は、前記駆動回転体と従動回転体の他方側に設けられ、回転軸中心から離れた位置に揺動自在に設けられたリンクによって構成され、該リンクに前記係合ピンが設けられていることを特徴とする請求項１〜（４）のいずれかに記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。

本発明は、前記実施形態の構成に限定されるものではなく、例えば、運動変換機構４の構成をさらに別の構造としてもよく、また、操作力付与機構もヒステリシスブレーキの他に電磁ブレーキによって構成することも可能である。

また、前記縮径部１９を、球面状ではなく、小径な円環状に形成することも可能である。

本発明に係る内燃機関のバルブタイミング制御装置の一実施形態を示す縦断面図である。 同実施形態の最遅角制御時の作動状態説明図である。 同実施形態の最進角制御時の作動状態説明図である。 同実施形態の要部拡大図である。 図４のＡ部拡大図である。 同実施形態に供される係合ピンの先端頭部と縮径部との外面を研磨加工する際の動作説明図である。

符号の説明

１…カムシャフト
２…タイミングスプロケット（駆動回転体）
４…運動変換機構
５…操作力付与機構
７…従動軸部材（従動回転体）
８…径方向窓（径方向ガイド）
１１…リンク部材
１５…渦ディスク（中間回転体）
１６…係合ピン
１６ａ…筒状部
１６ｂ…先端頭部（先端部）
１６ｃ…球面状外周面
１８…渦巻き溝（渦巻状ガイド）
１８ａ…縁部
１９…縮径部
２０…加工砥石
２３…ヒステリシスブレーキ

Claims (2)

1. 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、
   機関弁を開閉作動させるカムが設けられたカムシャフトあるいは該カムシャフトに結合された別部材からなる従動回転体と、
   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、回転方向に沿って縮径するガイドが形成された中間回転体と、
   前記ガイドによって誘導されて径方向へ移動するように構成され、前記ガイドに係合する先端頭部における前記ガイドの縁部に対応する領域に該先端頭部の最大直径より小径となる縮径部が設けられたピンと、
   前記中間回転体に回転操作力を付与する操作力付与機構と、
   前記ピンの径方向の変位を駆動回転体と従動回転体の相対回転位相の変位に変換する運動変換機構と、
   を備え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. 内燃機関のクランクシャフトによって回転される駆動回転体とカムシャフトに結合されて前記駆動回転体から回転を伝達される従動回転体とを備え、内燃機関の運転状況に応じて前記クランクシャフトと前記カムシャフトの相対回転位相を可変制御する内燃機関のバルブタイミング制御装置であって、
   内側方向若しくは外側方向に移動するように構成された係合部材と、
   周方向に縮径する溝を有する中間回転体と、
   前記溝に沿って前記係合部材を内側方向若しくは外側方向に移動させて前記駆動回転体に対する前記従動回転体の組付角を調整する運動変換機構と、
   前記中間回転体に回転操作力を付与して前記係合部材を前記溝に沿って径方向に変位させて前記クランクシャフトと前記カムシャフトの相対回転位相を可変制御する操作力付与機構と、を備え、
   前記係合部材が傾いた際に前記溝の縁部に対する当接を回避する逃げ部を、前記係合部材における前記溝内の縁部に対応した領域に形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。

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