JP4624409B2 - カムシャフトの調整機構、調整機構に使用するための装置及び調整機構を操作するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、独立請求項の前段によるカムシャフトの調整機構、調整機構に使用するための装置及び調整機構を操作するための方法に関する。

カムシャフトの位相位置を変更するために、油圧式回転翼型調整装置が知られているが、それらの調整速度及び調整角度は小さい。低い回転速度では、及び低いオイル圧力では、調整は困難である。したがって、十分に高い調整速度及び大きな調整角度を可能にするカムシャフト用の電動式受動型調整機構が、すでに提案されてきた。特許文献１は、制動機構と、歯車機構としてのレバー機構と、調整ばねとを備えるカムシャフトの電動調整機構を開示している。最初の回転方向の調整のため、調整機構の調整入力が制動される。反対方向の調整は、調整ばねを介して行われる。一定の位相位置において、制動機構は、調整ばねに対抗して動作しなければならず、大きな制動損失を引き起こす可能性がある。

独国特許出願公開第１０２４７６５０Ａ１号明細書 （対応する日本特許公開２００３−１２０２３２号公報）

本発明は、簡単な調整が可能であり、一定の位相位置においてカムシャフトの制動損失が低減される、カムシャフトの調整機構、調整機構に使用するための装置及びカムシャフトの調整機構を操作するための方法を提供することを目的とする。

この目的は、本発明により独立請求項の特徴によって達成される。

本発明の好ましい改良及び利点は、詳細な説明及びさらなる請求項から理解することができよう。

歯車機構、駆動要素、出力要素（カムシャフト）及び調整入力を有するカムシャフトの本発明による調整機構は、接触なしに動作する磁気連結体として好ましくは設計される連結機構を有する。この種の連結機構により、伝達すべき連結トルクを必要条件に合うように設定することができ、非常に短時間に連結を解除することができ、このことは、高い調整ダイナミクスが望ましい位相位置の調整中に特に好ましい。さらに有利なことに、連結機構の摩耗は少なくてすむ。調整入力は、最初の回転方向の調整のために制動されることが好ましく、このため、接触なしに動作する磁気式制動機構が用いられることが好ましい。

連結機構が調整入力と駆動要素との間に取り付けられる場合、好ましくは調整入力と駆動要素との間に取り付けられており、逆回転方向のカムシャフトの調整を行い得る調整ばねの動作は、例えばカムシャフトの回転速度未満の回転速度に、例えば調整入力を制動することによって、最初の回転方向の調整が行われる場合に埋め合わされることができる。調整ばねは、調整入力と出力要素（カムシャフト）との間に取り付けることもできる。調整ばねの大きさは、セルフロックの歯車機構が使用される場合の歯車機構のあり得る低い効率度にもかかわらず、制動が解除されるときに必要な調整速度を達成するために、調整ばねのトルクが十分であるような大きさであるべきである。一定の位相位置において、制動は、調整ばねの作用が補償される程度に十分に強く適用されるべきであろう。連結機構は、一定の位相位置において、少なくとも低から中程度のカムシャフトトルクで、制動を完全にさえも解除できるように、調整ばねのスパンをもたらすことが有利である。例えばコールドスタート中に生じる高いカムシャフトトルクにおいて、制動及び連結機構は、位相位置を一定に保持するために並列に操作することもできる。連結機構は、調整ばねが調整入力と出力要素との間に取り付けられる場合、調整入力と出力要素（カムシャフト）との間に都合よく取り付けることができる。

代わりの改良形態では、調整ばねは、駆動要素と出力要素との間に取り付けることができる。一定の位相位置において、好ましい歯車機構のサンギヤの回転速度は、連結機構のトルクの流れによって、駆動要素、特にチェーン歯車、又はカムシャフトの回転速度と一致させることができる。この場合、制動機構を作動する必要はなく、このため、機械的な制動損失はカムシャフトに発生されない。この解決方法は、例えば、高圧ポンプ、低圧ポンプ等の追加の補助ユニットがカムシャフトを介して操作される場合、特に有利である。

歯車機構が、差動装置として設計される差動歯車機構である場合、調整ばねを省略してもよく、同様に利点である。差動装置とは、駆動要素が固定されたときにカムシャフトが調整入力と反対方向に回転することを意味すると理解すべきである。好ましい特に有利な実施形態は、遊星キャリアの駆動要素としてのチェーン歯車と、リング歯車の出力要素としてのカムシャフトと、サン歯車の調整入力とを有する単段式遊星歯車機構である。しかし、例えば、独国特許出願公開第１０２４７６５０Ａ１号明細書から知られるように、レバー機構を有する歯車機構も任意に設けることができる。これは、調整入力とカムシャフトとの間の速度伝達比が小さい場合、及び調整範囲が小さい場合に好ましいが、この理由は、歯車機構のセルフロックが特に簡単にレバー機構で行うことができるからである。

連結機構の係合時に、一定の位相位置で及び少なくとも小から中のカムシャフトトルクで、制動機構を完全に解除できるように連結機構が取り付けられる場合、カムシャフトの特に小さな制動損失が可能である。制動損失の低減は、カムシャフトによって吸気弁及び／又は排気弁が作動される内燃機関の消費節減を可能にする。

本発明の有利な発展形態において、歯車機構は、調整入力の方向に出力要素からセルフロックするように設計される。この種のセルフロックにより、カムシャフトから調整入力にトルク変化が及ぶことが防止される。歯車機構の速度伝達比が十分に高い場合、歯車機構のセルフロックも任意に省略することが可能であり、歯車機構の効率度を改良する利点を可能にする。特に、歯車機構の速度伝達比が十分に高い場合、及び差動装置としての歯車機構の改良により、歯車機構のセルフロック及び調整ばねの両方を省略してもよく、一定の位相位置において、連結機構それ自体により、位相位置用の保持力が提供されることが好ましい。

コンパクトで容易に制御可能な調整機構は、制動機構の制動要素が連結機構の連結要素を形成する場合に、達成されることができる。連結機構のような制動機構は、接触なしに動作する磁気式機構であることが好ましく、特に好ましくは、制動機構はヒステリシスブレーキであり、連結機構はヒステリシスカップリングであり、その両方は、共通のヒステリシスベルトに作用する。

連結体の閉鎖時の力束は、連結要素の支持部が調整入力に接続される場合、簡単に付与することができる。

好ましい改良形態において、連結要素は、固定子の中の回動ベルトとして設計される。

固定子が静止固定子部分と、駆動要素に回転固定して接続され、駆動要素と共に回転する固定子部分とから形成される場合、コンパクト構造のヒステリシスカップリングを提供することができる。２つの固定子部分は、同心に取り付けられることが好ましい。

調整機構に使用するための本発明による装置は、接触なしに動作する磁気式連結機構に固定接続される接触なしに動作する磁気式制動機構を有する。制動機構の空隙で及び連結機構の空隙で回動して、一方で制動力を、他方で連結力を引き起こすことができる共通のベルトが設けられることが好ましい。装置は、コンパクトであり、事実上摩耗がない。さらに、装置は、位相位置を調整するための動作を開始するために、連結体の迅速な解除、連結体における設定可能な連結トルク及び制動における制動トルク、同様に迅速な制動を可能にする。

カムシャフトの位相位置を調整するためのカムシャフトの調整機構を操作するための本発明による方法は、一定の位相位置において、連結装置を通したトルクの流れによって、調整機構の調整入力の回転速度を出力要素又は駆動要素の回転速度に整合させることを意図している。一定の位相位置におけるカムシャフトの制動損失が低減される。小から中のカムシャフトトルクでは、一定の位相位置で制動を完全に解除でき、制動損失がさらに最小にされる。

高いカムシャフトトルクでは、位相位置を保持するために、制動機構及び連結機構を並列に操作することができ、その結果、大きなカムシャフトトルクが生じるコールドスタート状態の下でも、調整機構の確実な機能が達成される。

図面に示した例示的実施形態を参照して、本発明について以下により詳細に説明する。図面、詳細な説明および特許請求の範囲は、組み合わせによる多数の特徴を含み、当業者は、適切にこれらの特徴を個別に考慮し、それらを組み合わせて意義のあるさらなる組み合わせを形成するであろう。

図では、同一又は対応する要素には同一の参照番号が付されている。

図１〜図３は、カムシャフトの本発明による調整機構１０の概略構造を示している。図の調整機構１０は、駆動要素１２、例えば、内燃機関（図示せず）のクランクシャフト（図示せず）のチェーン（図示せず）によって駆動されるチェーン歯車を有する歯車機構１１を備える。出力要素１３はカムシャフトによって形成される。

制御を単純化するため、歯車機構１１は、セルフロックするように設計することができ（図１と図２）、この結果、カムシャフトのトルク変化は、調整入力１５まで及ぶことができない。カムシャフトの位相位置の調整は、調整入力１５が最初の回転方向の調整のために制動機構２０によって制動されることによって行われる。最初の回転方向と逆の回転方向の調整は、調整ばね１６によって行われる。図１は、調整入力１５と駆動要素１２との間の調整ばね１６を示しており、他方、図２は、駆動要素１２と出力要素１３との間に調整ばね１６を示している。調整ばね１６の作用は、好ましくは調整入力１５と駆動要素１２との間に取り付けられる連結機構３０によって及ぼされることができる。連結機構３０は、調整入力１５と出力要素１３との間に任意に取り付けることが可能である。したがって、一定の位相位置において、制動機構２０が、調整ばね１６に対抗して動作しなければならないことを防止することができる。

歯車機構の速度伝達比がより高い場合、セルフロックを省略することが可能であり、このことは、歯車機構の効率度に有利である。

図３は、調整ばねなしの本発明による調整機構１０の概略構造を示している。好ましい差動装置として歯車機構１１が設計される場合、調整ばねを省略してもよい。

図１〜図３に示した実施形態の場合、一定の位相位置における制動機構２０の動作を省略することができる。調整入力１５の回転速度は、連結装置３０のトルクの流れによって、駆動要素１２又はカムシャフト（出力要素１３）の回転速度と一致させることができる。高いカムシャフトトルクでは、例えばコールドスタート中に、制動機構２０は、一定の位相位置において連結機構３０と並列に操作することができる。制動機構２０にとって重要な構造基準を構成する制動機構２０によって加えることができる最大トルクは、これによって低減され、制動機構２０は、今やトルクが連結機構３０及び制動機構２０に割り当てられるので、より小さく構成することができる。

図４は、歯車機構１１、制動機構２０及び連結機構３０を備える調整機構１０の断面図を示している。好ましい調整ばね１６（図１、図２）は図示されていない。連結機構３０は、接触なしに動作する電磁連結体であることが好ましく、連結機構３０は、その係合時に制動機構２０が一定の位相位置で少なくとも小から中のカムシャフトトルクで完全に解放されることができるように取り付けられる。

歯車機構１１は、差動装置として設計されることが好ましい。好ましい特に有利な実施形態は、遊星歯車４２、４３を有する遊星キャリア４５、４６の駆動要素１２としてのチェーン歯車と、リング歯車４４の出力要素１３としてのカムシャフトと、サン歯車４１の調整入力１５とを有する単段式遊星歯車機構である。遊星キャリア４５、４６には、遊星歯車を装着するための軸受ボルトが設けられる。遊星歯車４２、４３は、中心に位置するサンギヤ４１と、歯車機構１１の外側領域を構成するリング歯車４４と噛み合っている。

制動機構２０及び連結機構３０は、共通の装置を形成するために連結される。制動機構２０及び連結機構３０の両方は、接触なしに動作する磁気要素として設計される。

制動機構２０は、特にヒステリシスブレーキであり、環状固定子２１を有し、その本体には励磁コイル２４が空洞２６に取り付けられる。固定子２１の空隙２５は、空隙２５の両方の側面に取り付けられた極歯を有する極構造体２３を有し、これによって、空隙２５で回動する制動要素２２内に磁束を結合することができる。制動機構２０と対面する制動要素２２の側面は、空隙２５内に突出する。空隙２５は、空隙２６内に開口する。極構造体２３を有する空隙２５は、歯車機構１１に面する制動機構２０のその端面に配置される。制動要素２２は、磁気的に半硬質のベルトとして設計されることが好ましい。

好ましくはヒステリシスカップリングとして設計される連結機構３０は、制動機構２０に隣接する。この場合、制動機構２０の制動要素２２は、ベルトとして設計される制動要素２２によって連結機構３０の連結要素を同時に形成し、連結機構３０に面するベルトの側面は、連結機構３０の固定子３５の空隙３７内に突出する。空隙３７は、歯車機構１１と反対側の連結機構３０のその端面に配置される。固定子３５は、２つに、外側の静止固定子部分３１と、外側の静止固定子部分と同心に取り付けられ駆動要素１２と共に回転する内側固定子部分３２とに分割される。固定子部分３１及び固定子部分３２は、狭い空隙３６によって分離される。空隙３６は、歯車機構１１に面する空隙の側で、好ましくは磁気的に非導電性の材料から製造されるブリッジ３９によって閉鎖される。制動機構２０の固定子２１は、接続要素４８を介して静止固定子部分３１に接続される。

連結要素又は制動要素２２の支持部３８は、歯車機構１１の調整入力１５に接続される。

制動機構２０の空隙２５で及び連結機構３０の空隙３７で回動する共通のベルトにより、各々の場合に、ここでは、例えば調整入力１５と駆動要素１２との間の連結装置の位置に応じて、制動が加えられるときに制動トルクが引き起こされ、連結機構３０が係合するときに連結体の摩擦の接続が引き起こされる。

カムシャフトの位相位置を調整するためにカムシャフトの調整機構１０を操作するための本発明による方法の場合、一定の位相位置において、調整機構１０の調整入力１５の回転速度が、連結装置３０のトルクの流れによって出力要素１３又は駆動要素１２の回転速度に整合される。連結機構３０の閉鎖時、一定の位相位置で少なくとも小から中のカムシャフトトルクで、調整入力１５を制動するための制動機構２０を完全に開放できる。高いカムシャフトトルクにおいて、位相位置を保持するために、制動機構２０及び連結機構３０を並列に操作することができる。連結体の係脱時、位相位置を調整できる。

調整機構１０の細部としての制動機構２０及び連結機構３０の分解図が、図５に示されている。調整ばね及び調整機構それ自体は、図示していない。制動機構２０の固定子２１は、カバー２８によって閉じられるカップ形状部２９として設計される。中心軸４７の周りに同軸上に巻かれた環状励磁コイル２４を収容できる空洞２６は、内部に形成される。極構造体２３は、カップ形状部２９の底部に形成され、その反対側の極歯（各々の場合に反対側の間隙と互い違いの歯）は、狭い空隙２５（図４）によって分離され、固定子２１に面する制動要素２２の一部は、空隙２５内に突出する。制動要素２２は、その支持部３８によって調整入力１５に接続される。連結機構３０に面する制動要素２２の側面は、固定子３５の空隙３７内に突出し、空隙３７は、固定子３５の極構造体３３を分離する。制動機構２０及び連結機構３０の基本的な構造及び動作は、大部分同一である。その両方は、ヒステリシスブレーキ又はヒステリシスカップリングとして機能する。組み立てた状態では、ベルトとして設計される制動要素２２は、制動機構２０の極構造体２３の空隙２５に、連結機構３０の極構造体３３の空隙３７に同時に係合する。特定の励磁コイル２４、３４のいずれに電圧印加されるかに応じて、制動要素２２は、ブレーキとして又は連結体として作用する。適切であれば、高いカムシャフトトルクにおいて、コールドスタート中に生じ得るように、両方の励磁コイル２４、３４に電圧印加可能であり、この結果、制動機構２０及び連結機構３０が並列に操作される。制動機構２０の強度又は連結機構３０の強度は、特定の励磁電流の強さに応じて設定することができる。

制動機構２０の固定子２１とは異なる方法で、固定子３５は、２つの同軸部分、内側の回転固定子部分３２を囲む外側の静止固定子部分３１を備える。固定子部分３２は駆動要素１２と共に回転する。固定子３５の極構造体３３は、回転固定子部分３２の端面に位置し、その端面は、歯車機構（図示せず）と反対方向を向いている。静止固定子部分３１では、中心軸線４７の周りに同軸上に巻かれる励磁コイル３４が空洞に取り付けられる。構造は、全体的にコンパクトで頑丈である。

調整入力と駆動要素との間に調整ばねを有する本発明による調整機構の概略構造の図面である。 駆動要素と出力要素との間に調整ばねを有する本発明による調整機構の概略構造の図面である。 調整ばねなしの本発明による調整機構の概略構造の図面である。 歯車機構、制動機構、及び連結機構を備える調整機構（但し、調整ばねの図面省略）の断面図である。 調整機構の詳細を示す制動機構及び連結機構の分解図である（但し、調整ばねの図面省略）。

Claims (19)

1. 駆動要素（１２）と、前記駆動要素（１２）によって駆動される歯車機構（１１）と、前記歯車機構（１１）の出力要素（１３）としてのカムシャフトと、少なくとも第１の方向における前記出力要素（１３）としてのカムシャフトの位相位置を調整するための前記歯車機構（１１）の調整入力（１５）と、前記調整入力（１５）を制動するための制動機構（２０）と、を有するカムシャフトの調整機構において、
   前記駆動要素（１２）に接続される連結機構（３０）が設けられ、前記連結機構（３０）が接触なしで動作する磁気式連結機構であり、また前記制動機構（２０）が接触なしで動作する磁気式制動機構であり、前記制動機構（２０）の制動要素（２２）が前記連結機構（３０）の連結要素を形成し、前記連結要素または前記制動要素（２２）の支持部（３８）が前記調整入力（１５）に接続されることを特徴とする調整機構。
2. 前記連結機構（３０）が、前記調整入力（１５）と前記駆動要素（１２）との間に取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載の調整機構。
3. 前記連結機構（３０）が、前記調整入力（１５）と前記出力要素（１３）との間に取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載の調整機構。
4. 前記連結機構（３０）が、該連結機構（３０）の係合時に前記制動機構（２０）が前記カムシャフトの一定の位相位置で及び少なくとも小から中のカムシャフトトルクで完全に解放されるように取り付けられることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の調整機構。
5. 調整ばね（１６）が第２の方向の前記カムシャフトの位相位置を調整するために設けられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の調整機構。
6. 前記調整ばね（１６）が、前記調整入力（１５）と前記駆動要素（１２）との間に取り付けられることを特徴とする、請求項５に記載の調整機構。
7. 前記調整ばね（１６）が、前記調整入力（１５）と前記出力要素（１３）との間に取り付けられることを特徴とする、請求項５に記載の調整機構。
8. 前記調整ばね（１６）が、前記駆動要素（１２）と前記出力要素（１３）との間に取り付けられることを特徴とする、請求項５に記載の調整機構。
9. 前記連結機構（３０）が前記調整ばね（１６）を囲むように配置されることを特徴とする、請求項５〜８のいずれか一項に記載の調整機構。
10. 前記歯車機構（１１）が、差動装置として動作することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の調整機構。
11. 前記歯車機構（１１）がレバー機構を有することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の調整機構。
12. 前記歯車機構（１１）が、前記調整入力（１５）の方向に前記出力要素（１３）からセルフロックするように構成されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の調整機構。
13. 前記制動要素（２２）が、前記連結機構（３０）の固定子（３５）内で回転するベルトであることを特徴とする、請求項１に記載の調整機構。
14. 前記固定子（３５）が静止固定子部分（３１）と、前記駆動要素（１２）に回転固定して接続される回転固定子部分（３２）とから形成されることを特徴とする、請求項１３に記載の調整機構。
15. 非接触で動作する磁気式制動機構（２０）が、非接触で動作する磁気式連結機構（３０）に連結されることを特徴とする、請求項１に記載の調整機構で使用するための装置。
16. 前記制動機構（２０）の空隙（２５）内、及び、前記連結機構（３０）の空隙（３７）内で回転する共通のベルトが設けられることを特徴とする、請求項１５に記載の装置。
17. 請求項１に記載のカムシャフトの調整機構を操作する方法であって、前記調整入力（１５）が、前記第１の方向のカムシャフトの位相位置を調整するために制動される方法において、
    一定の位相位置において、前記調整入力（１５）の回転速度が、前記連結機構（３０）を通したトルクの流れによって前記出力要素（１３）又は前記駆動要素（１２）の回転速度に整合されることを特徴とする方法。
18. 前記連結機構（３０）を介した摩擦接続により、前記調整入力（１５）を制動するための前記制動機構（２０）が、少なくとも小から中のカムシャフトトルクにおいて一定の位相位置で完全に開放されることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
19. 高いカムシャフトトルクで、前記制動機構（２０）及び前記連結機構（３０）が、位相位置を保持するために並列に操作されることを特徴とする、請求項１７または１８に記載の方法。

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