JP4695780B2

JP4695780B2 - 可変バルブタイミングコントロールユニットの解析装置

Info

Publication number: JP4695780B2
Application number: JP2001185856A
Authority: JP
Inventors: 正昭新納; 宏司丹下
Original assignee: Nittan Valve Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Nittan Corp
Priority date: 2001-06-20
Filing date: 2001-06-20
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2021-06-20
Also published as: JP2003004594A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の動弁系における可変バルブタイミングコントロールユニットの解析装置に関し、特にカムシャフトを駆動させることなしに可変バルブタイミングコントロールユニット単体の状態で種々の解析を行えるようにした解析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の燃費を悪化させることなく出力を向上させる手段として可変バルブタイミングコントロールユニットを搭載することがあり、この可変バルブタイミングコントロールユニットの効率やレスポンスをさらに良くするために、従来より広く用いられていた油圧式のものに代えて、例えば特開平１０−１０８４８７号公報および特願２０００−２８９９７６号に記載のように電磁ブレーキを用いたいわゆる電磁制御式のものが提案されている。
【０００３】
そして、上記のような電磁制御式の可変バルブタイミングコントロールユニットの場合、電磁ブレーキを使用するが故に振動の影響で騒音が発生しやすくなる一方で、騒音防止のために各構成要素間の摺動がたを小さくするとレスポンスが悪化する傾向にあり、双方の要求特性を満たすように事前に綿密な解析を行う必要がある。そのため、従来では可変バルブタイミングコントロールユニットを実際にカムシャフトに接続した上で高速回転させて各種の解析を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術では、可変バルブタイミングコントロールユニットの一部をカムシャフトとともに高速回転させる必要があるため、解析のための装置が大がかりで且つ高価なものとなるほか、高速回転させるために例えば各要素間の摺動トルクやがたの正確な測定がかえって困難になるという不都合が生じる。
【０００５】
すなわち、例えば実際にエンジンが回転駆動されている場合には、カムが回転しながらバルブスプリングを押さえ付けることになるため、カムシャフトには回転方向のトルク変動（回転振動）が生ずることになる。そして、そのトルク変動に伴い可変バルブタイミングコントロールユニットが振動し、その振動は先に述べた騒音やレスポンスの度合いを決める重要な因子になる。
【０００６】
それ故に、可変バルブタイミングコントロールユニットにカムシャフトを連結するとともに回転駆動させて、実際に振動を与えた状態での解析が必要となるのであるが、可変バルブタイミングコントロールユニットの一部の要素をカムシャフトとともに高速回転させる必要があり、上記のように解析装置が大がかりで且つ高価なものとならざる得なくなる。
【０００７】
また、可変バルブタイミングコントロールユニット単体の状態で摺動トルクの測定やがたの測定等を行った場合には、カムシャフトに連結されていないだけでなく相応の振動が付加されていないために、実際と異なった挙動となり、解析精度の向上が望めないことになる。
【０００８】
本発明は、以上のような課題に着目してなされたもので、とりわけ可変バルブタイミングコントロールユニット単体でありながらもエンジンへの搭載状態と同等の条件下での各種の解析を行えるようにした解析装置を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、カムシャフトの端部に結合されるスプラインシャフトと、このスプラインシャフトと同一軸線上に配置された回転入力部材と、上記回転入力部材とスプラインシャフトとの間に介装されるとともにその両者に対してヘリカルギヤをもって噛み合うアドバンス部材と、上記アドバンス部材に対して相対的に螺進可能に結合されたドラムと、このドラムをカムシャフトの回転方向と同方向に回動付勢する付勢手段と、上記ドラムと対向するように配置されて該ドラムに制動力を付与するための電磁ブレーキとを有していて、上記電磁ブレーキを作動させた時のドラムとアドバンス部材との相対的な螺進作用によって回転入力部材とカムシャフトとの間の回転位相を変化させるようにした電磁式の可変バルブタイミングコントロールユニットについて、該可変バルブタイミングコントロールユニット単体での挙動を解析する装置であることを前提としている。
【００１０】
その上で、上記スプラインシャフトと回転入力部材および電磁ブレーキのうち二つの部材を回転不能に拘束しながらその可変バルブタイミングコントロールユニット単体を支えるスタンドと、カムシャフトにて吸排気弁を実際に駆動したときと同等の回転変動トルクを非駆動状態にある上記可変バルブタイミングコントロールユニットの一部に負荷として与えるトルク付与手段と、を備えていることを特徴としている。
【００１１】
この場合、上記トルク付与手段は、可変バルブタイミングコントロールユニットの一部に接続された支持体上に所定質量の重りを回転可能に支持させて、可変バルブタイミングコントロールユニットの軸心から所定距離離れた軸線を回転中心として上記重りを所定の回転半径のもとで回転駆動させるようになっているものとする。
【００１２】
また、請求項２に記載のように、上記トルク付与手段によって１５〜３５Ｈｚの回転振動が可変バルブタイミングコントロールユニットに負荷されるようになっていることが望ましい。
【００１３】
したがって、この請求項１，２に記載の発明では、可変バルブタイミングコントロールユニットをスタンドに支持させた状態で、例えばスプラインシャフトとチェーンスプロケット等の回転入力部材とを回転不能に拘束し、外力を加えることによって電磁ブレーキのみを回転させることができるようにする。同時に、トルク付与手段として、例えば回転不能に拘束された回転入力部材に支持体として所定のアームを連結し、このアーム上にて可変バルブタイミングコントロールユニットの軸心から所定距離離れた軸線を回転中心として、所定質量の重りを所定の回転半径のもとで回転させることにより回転振動を与える。この回転振動によるトルク負荷は、実際のエンジンの駆動状態においてカムシャフトが回転しながら吸排気バルブを駆動することによって発生する回転方向での変動トルクと同等のものを負荷するために行われる。
【００１４】
上記重りの質量としては、その回転運動により例えば±２５Ｎのトルクを発生できるように調整し、請求項２に記載のように１５〜３５Ｈｚ程度（エンジン回転数で９００〜２１００ｒｐｍ相当）の振動が可変バルブタイミングコントロールユニットに負荷されるようにする。
【００１５】
そして、上記のようにスプラインシャフトと回転入力部材とを回転不能に拘束した上、電磁ブレーキを作動させた状態で該電磁ブレーキをトルクレンチ等を用いて適宜回転させることにより、所定の位相角の範囲内で回転摺動トルクの測定が可能であり、同時にその回転方向でのがたを角度として把握することが可能になる。また、必要に応じ騒音計を近付けることによりその騒音の測定が可能となる。
【００１６】
【発明の効果】
以上のように請求項１，２に記載の発明によれば、可変バルブタイミングコントロールユニット単体の状態でありながら実際のエンジン搭載状態と相関のある解析が可能となり、その解析結果の信頼性が向上するほか、装置そのものが小型でしかも安価なもので済むようになる。その上、従来のように高速回転させる必要がないために摺動トルクや機械的ながたを精度良く測定して定量的に把握することが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１以下の図面は本発明の好ましい実施の形態を示す図で、特に図１，２は本発明が解析対象としている可変バルブタイミングコントロールユニット（以下、ＶＴＣユニットと略称する）の詳細を、また図３以下では解析装置の詳細をそれぞれ示している。
【００１８】
図１，２に示すように、ＶＴＣユニット１はボルト２と中間スリーブ３とを介してカムシャフト４の端部に一体的に連結されるもので、その中心部には外周にヘリカルスプライン（ヘリカルギヤ）５ａが形成されたスプラインシャフト５を有している。スプラインシャフト５の外周には、スプリングケース６と結合された回転入力部材としてのチェーンスプロケット７とドラム８とが互いに隣接するように配置されており、チェーンスプロケット７は図示しないクランクシャフト側のチェーンスプロケットとの間に巻き掛けられたチェーンによって回転駆動されるようになっている。なお、チェーンスプロケット７にはこれよりも小径のチェーンスプロケット９が一体に結合されており、小径のチェーンスプロケット９は図示しない隣接するカムシャフトを同期回転させるために使用される。
【００１９】
上記スプラインシャフト５とチェーンスプロケット７との間にはアドバンススリーブ（アドバンス部材）１０が介装されている。このアドバンススリーブ１０の内周にはスプラインシャフト５側のヘリカルスプライン５ａと噛み合うヘリカルスプライン（ヘリカルギヤ）１０ａが、アドバンススリーブ１０の外周には同じくヘリカルスプライン（ヘリカルギヤ）１０ｂと角ねじ（おねじ）１０ｃとがそれぞれ形成されている。そして、アドバンススリーブ１０の外周側のヘリカルスプライン１０ｂはスプリングケース６の内周面に形成されたヘリカルスプライン（ヘリカルギヤ）６ａと噛み合っているとともに、同じくアドバンススリーブ１０の外周側の角ねじ１０ｃはドラム８の内周面に形成された角ねじ（めねじ）８ａと噛み合っている。
【００２０】
上記ドラム８はスプラインシャフト５に対しボールベアリング１１を介して相対回転可能に支持されており、このドラム８とスプリングケース６との間には付勢手段としてねじりコイルばね１２が介装されている。ねじりコイルばね１２の一端はドラム８側のピン１３に係止され、他端はスプリングケース６側の穴１４に係止されていることから、このねじりコイルばね１２の回転方向の付勢力をもってドラム８がスプラインシャフト５（カムシャフト４）の回転方向に常時回動付勢されている。
【００２１】
また、上記ドラム８と対向するようにして電磁ブレーキ１５が対向配置されている。この電磁ブレーキ１５は、その内周面がエンジン側のカバー１６のボス部１６ａに対し遊嵌的に支持されていると同時に、その背面側がピン１７と駒１８とを介して同じカバー１６の縦壁面１６ｂにそれぞれ独立形成された溝部１９に遊嵌的に支持されている。これにより、電磁ブレーキ１５はその吸着制動面が微小クリアランスを保ちながらドラム８の一側面に対向しているとともに、カバー１６との間の相対回転を阻止されながらカバー１６に対する電磁ブレーキ１５の微小な傾動変位（姿勢変化）が許容されるようになっている。
【００２２】
このようなＶＴＣユニット１によれば、クランクシャフトからの回転入力によってチェーンスプロケット７が回転駆動されると、これと一体のスプリングケース６とアドバンススリーブ１０およびスプラインシャフト５のそれぞれがヘリカルスプライン嵌合していて、しかもアドバンススリーブ１０に対して角ねじ８ａ，１０ｃにて相互に螺合しているドラム８はねじりコイルばね１２により最大限位置まで回動付勢されていることから、上記スプリングケース６とアドバンススリーブ１０を介してスプラインシャフト５およびドラム８までもがカムシャフト４とともに一体的に回転することになる。この時、電磁ブレーキ１５は非制動状態にあり、したがって電磁ブレーキ１５は微小クリアランスをもって対向しているドラム８の回転を許容する。
【００２３】
一方、上記のようなカムシャフト４の回転中において、所定のタイミングで電磁ブレーキ１５に通電して制動状態とすると、電磁ブレーキ１５がドラム８側に吸着されて両者の間に摩擦制動力が生じ、ねじりコイルばね１２の回転付勢力に抗してドラム８がアドバンススリーブ１０に対してそれと逆方向に相対回転し、チェーンスプロケット７の回転に対してドラム８の回転が遅れ気味となる。この相対回転に伴いドラム８とアドバンススリーブ１０間の角ねじ８ａ，１０ｃ同士の螺進作用のためにそのアドバンススリーブ１０が軸心方向にスライド変位し、同時に各ヘリカルスプライン同士の噛み合いのためにスプリングケース６とスプラインシャフト５とが相対的に回転することになる。その結果、回転入力部材であるチェーンスプロケット７とカムシャフト４との間の回転位相が変化し、もって図２のようにロッカーアーム２０を介して駆動される吸排気弁２１の開閉タイミングが適宜変更されることになる。
【００２４】
なお、上記の位相変化量は、電磁ブレーキ１５の吸引力をデューティ比制御することにより可変制御される。
【００２５】
このようなＶＴＣユニット１について、そのユニット１単体の状態で摺動トルクや機械的ながた等を定量的に把握してその解析を行うには次のような手順による。
【００２６】
図３に示すように、解析装置の主体となるスタンド２２を用意し、これに上記ＶＴＣユニット１を両持ち支持させる。
【００２７】
スタンド２２は、ベース２３の上に固定ホルダ２４とスライド式の可動ホルダ２５とを互いに対向配置するとともに、両者の間にボルト２６付きのクランプブロック２７を配置したもので、可動ホルダ２５はリニアガイド２８を介して水平方向にスライド可能であり、可動ホルダ２５にはボールベアリング２９を介してサポートシャフト３０が回転可能に支持されている。また、サポートシャフト３０の他端には必要に応じてトルクレンチ３１等が適宜嵌合される。
【００２８】
上記ＶＴＣユニット１をスタンド２２にセットする際には、図１に示した中間シャフト３に代わるダミーシャフト３２を用いるとともに、図４に示すようにチェーンスプロケット９にリング治具３３をボルト３４にて予め固定し、チェーンスプロケット７，９側を上記ダミーシャフト３２と固定ボルト３５とをもって固定ホルダ２４に支持させる一方、ドラム８と隣接配置される電磁ブレーキ１５を図１に示したピン１７と駒１８とをもってサポートシャフト３０の面板部３０ａに相対回転不能に嵌合支持させる。同時に、チェーンスプロケット９を回転不能に拘束するべくそのチェーンスプロケット９に連結されたリング治具３３を上記クランプブロック２７にてクランプするとともに、リング治具３３にはトルク付与手段３６を連結する。
【００２９】
このトルク付与手段３６は、図３のほか図４，５にも示すように支持体としてのアーム３７の先端に電動もしくは空圧式のモータ３８を装着するとともに、そのモータ３８の出力軸３９にリンク４０を介して所定質量Ｍの重り４１を支持させたもので、上記アーム３７はボルト４２にてリング治具３３にて連結される。このトルク付与手段３６は、上記ＶＴＣユニット１が実際のエンジンに搭載された場合にカムシャフト４が回転しながら相手側となる吸排気バルブ２１を駆動する際の変動トルク（回転振動）を再現するために付加されるもので、より具体的には回転方向以外の振動成分を抑制するためにＶＴＣユニット１の軸心から所定距離Ｌ１離れた軸線を回転中心として、モータ３８により質量Ｍの重り４１を半径Ｌ２（Ｌ１≫Ｌ２）のもとで連続回転させるものである。
【００３０】
上記重り４１の質量Ｍとしては、その回転運動により例えば±２５Ｎの回転方向での変動トルクを発生できるように調整し、１５〜３５Ｈｚ程度（エンジン回転数で９００〜２１００ｒｐｍ相当）の回転振動がＶＴＣユニット１に負荷されるようにする。
【００３１】
なお、これらの条件を満たし得るようにするために、重り４１は着脱可能なものとして質量Ｍが異なるものを数種類用意するとともに、図５に示すようにアーム３７に対するモータブラケット３８ａ側の取付穴４３を長穴として、上記寸法Ｌ１を適宜調整できるようにできるようにしておく。
【００３２】
上記のようにＶＴＣユニット１がスタンド２２に正しくセットされたならば、トルク付与手段３６を駆動させて変動トルクの負荷状態とし、同時に電磁ブレーキ１５にも通電して制動状態とする。
【００３３】
この状態で、例えば図３に示すトルクレンチ３１を用いて電磁ブレーキ１５側をサポートシャフト３０ごと設定位相角の範囲内で所定量だけ回転させて、その回転摺動トルクを測定，記録する。同時に、ＶＴＣユニット１を構成している部品相互間の累積された機械的ながた量を測定するために、いわゆる回転方向での遊びを角度として測定，記録する。そのほか、騒音計もしくは騒音計測のためのピックアップをＶＴＣユニット１に近付けて上記トルク付与手段によるトルク負荷状態での騒音を測定する。
【００３４】
ここで、図１，３に示すように、ＶＴＣユニット１には構成要素相互間のがたを抑制するためにフリクションプレート４４が予め介装されているものであるが、上記トルク付与手段３６による回転振動を負荷しなかった場合には、上記フリクションプレート４４のフリクションが要素相互間の相対回転を阻止する方向にのみ働き、所定の回転トルクを与えても本来の位相角分の相対回転がなされずに、そのＶＴＣユニット１について入力トルク−回転角度（位相角）の相関を再現できないことになる。
【００３５】
このように本実施の形態によれば、従来のような大がかりな解析装置を用いることなく、しかも高速回転させることなしに、ＶＴＣユニット１単体の状態で必要な解析を行えるようになる。
【００３６】
ここで、本実施の形態では、チェーンスプロケット７，９とスプラインシャフト５および電磁ブレーキ１５のうち、チェーンスプロケット７，９とスプラインシャフト５とを固定した上で電磁ブレーキ１５側を回転させることで摺動トルクおよびがたの測定等を行っているが、必ずしもこの方式に限られるものではなく、要は上記三部品のうちの二つの部品を固定状態として残る一つの部品を回転させるようにすればよい。同様にして、トルク付与手段３６を結合する位置も必ずしもチェーンスプロケット９に限定されるものではなく、さらに上記解析装置は例えば電磁ブレーキ１５のデューティ比制御の特性試験等にも応用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】可変バルブタイミングコントロールユニットの構成を示す要部断面図。
【図２】図１のＡ方向矢視図。
【図３】図１の可変バルブタイミングコントロールユニット単体の状態でその挙動を解析するための装置の説明図。
【図４】図３のＢ方向矢視図。
【図５】図３に示すトルク付与手段の要部拡大断面図。
【符号の説明】
１…可変バルブタイミングコントロールユニット（ＶＴＣユニット）
４…カムシャフト
５…スプラインシャフト
５ａ…ヘリカルスプライン（ヘリカルギヤ）
６…スプリングケース
６ａ…ヘリカルスプライン（ヘリカルギヤ）
７…チェーンスプロケット（回転入力部材）
８…ドラム
８ａ…角ねじ
９…チェーンスプロケット
１０…アドバンススリーブ（アドバンス部材）
１０ａ…ヘリカルスプライン（ヘリカルギヤ）
１０ｂ…ヘリカルスプライン（ヘリカルギヤ）
１０ｃ…角ねじ
１２…ねじりコイルばね（付勢手段）
１５…電磁ブレーキ
２２…スタンド
２４…固定ホルダ
２５…可動ホルダ
２７…クランプブロック
３０…サポートシャフト
３１…トルクレンチ
３３…リング治具
３６…トルク付与手段
３７…アーム（支持体）
３８…モータ
４１…重り

Claims

カムシャフトの端部に結合されるスプラインシャフトと、このスプラインシャフトと同一軸線上に配置された回転入力部材と、上記回転入力部材とスプラインシャフトとの間に介装されるとともにその両者に対してヘリカルギヤをもって噛み合うアドバンス部材と、上記アドバンス部材に対して相対的に螺進可能に結合されたドラムと、このドラムをカムシャフトの回転方向と同方向に回動付勢する付勢手段と、上記ドラムと対向するように配置されて該ドラムに制動力を付与するための電磁ブレーキとを有していて、上記電磁ブレーキを作動させた時のドラムとアドバンス部材との相対的な螺進作用によって回転入力部材とカムシャフトとの間の回転位相を変化させるようにした電磁式の可変バルブタイミングコントロールユニットについて、該可変バルブタイミングコントロールユニット単体での挙動を解析する装置であって、
上記スプラインシャフトと回転入力部材および電磁ブレーキのうち二つの部材を回転不能に拘束しながらその可変バルブタイミングコントロールユニット単体を支えるスタンドと、
カムシャフトにて吸排気弁を実際に駆動したときと同等の回転変動トルクを非駆動状態にある上記可変バルブタイミングコントロールユニットの一部に負荷として与えるトルク付与手段と、
を備えていて、
上記トルク付与手段は、可変バルブタイミングコントロールユニットの一部に接続された支持体上に所定質量の重りを回転可能に支持させて、可変バルブタイミングコントロールユニットの軸心から所定距離離れた軸線を回転中心として上記重りを所定の回転半径のもとで回転駆動させるようになっていることを特徴とする可変バルブタイミングコントロールユニットの解析装置。
上記トルク付与手段によって１５〜３５Ｈｚの回転振動が可変バルブタイミングコントロールユニットに負荷されるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の可変バルブタイミングコントロールユニットの解析装置。