JP4801665B2 - 可変バルブタイミングシステム用のブレーキ装置 - Google Patents

Description

本発明は可変バルブタイミングシステム用のブレーキ装置に関する。

可変バルブタイミングシステムの調整入力部に、ブレーキをかけるためにヒステリシス・ブレーキを採用することが知られている。ヒステリシス・ブレーキの励磁コイルが通電された場合、磁束はステータの極構造の間にガイドされ、回転するヒステリシス要素を通過して流れる。極構造により動かされ、磁性半硬材料、すなわち磁気ヒステリシス曲線（Ｂ／Ｈ線図）において明確なヒステリシス・ループを有する材料から成るヒステリシス要素は、連続的な磁気反転によりブレーキをかけられる。調整入力部にブレーキをかけるこのタイプのヒステリシス・ブレーキは、例えば特許文献１から知られている。

他方で、二つの調整入力部を有する調整装置が出願人による先行出願（本願出願後に公開）に記載される。複数の調整入力部を有するこのタイプの調整装置の場合、各々の調整入力部にブレーキをかけることが可能でなければならない。ヒステリシス・ブレーキが各々の調整入力部のために設けられる場合、これは比較的大きなスペースを要し、調整装置もしくはブレーキ装置の複雑な制御が必要になる。

独国特許出願公開第１０３ ２４ ８４５ Ａ１号明細書 （対応する日本特許出願公開２００４−１１５３７号明細書）

本発明は、少なくとも二つの調整入力部を有し、出来る限り小型に製作でき、出来る限り簡単に制御可能な可変バルブタイミングシステム用のブレーキ装置を提供することを目的とする。

この目的は請求項１の特徴により本発明に従って達成される。

本発明の有利な改良及び利点は説明及び更なる請求項から明らかになるであろう。

少なくとも二つの調整入力部を有する可変バルブタイミングシステム用の、本発明によるブレーキ装置の場合、非接触で作動するブレーキの各ブレーキ要素が各々の調整入力部にブレーキをかけるために各調整入力部用に設けられ、そこで励磁コイル配置の通電方向に応じて、一方又は他方のブレーキ要素を磁束の支配下に置くための手段が設けられる。非接触で作動するブレーキは、望ましくは電磁誘導で作動するブレーキ、特に回転可能なリング又は回転可能なディスクとして設計されたブレーキ要素を有するヒステリシス・ブレーキである。ステータの極構造を経由してそれぞれのブレーキ要素へ導かれる磁束により、個々のブレーキ要素中にブレーキトルクが発生し、該ブレーキ要素に割り当てられた調整入力部にブレーキをかけることが可能になる。適用可能な手段は、望ましくは磁束のためのフローバルブの方式の永久磁石、特に単一の励磁コイルと相互作用する永久磁石、又は、磁束が通電の方向に応じてステータ内の異なる所定の経路上をガイドされる適切な配置で共通のステータと相互作用する二つの励磁コイルである。適切な通電に際して、磁束は一つのブレーキ要素を通じて流れ、そのブレーキトルクは励磁コイル装置を通って増加する電流と共に、大きな最大トルクまで急激に上昇する。通電の極性が反転するとき、流れは相応に他のブレーキ要素を通る。ブレーキ要素は互いに分離したブレーキ要素であることが望ましく、それぞれの回転支持部、特に磁性半硬材料から形成されたリング又はディスクに配置され、そして一種のタンデム型ヒステリシス・ブレーキを形成する。

特に、前記特許文献２に記述される従動型の無駆動式４軸歯車機構の場合には、該装置を一方向に調整するために、第一調整入力部がブレーキをかけられて第二調整入力部が解放されることが可能で、また該装置をその他の方向に調整するために、第二調整入力部がブレーキをかけられて第一調整入力部が解放されることが可能である。

本発明によれば、リング又はディスクとして設計されたブレーキ要素は、互いに依存して作動することができる。これによってその二つのブレーキ要素の独立した作動が不要であるため、これは特に上記の調整装置にとって有利である。

望ましくは一つの磁気ピッチ円が、該ピッチ円に共通のステータと共に、調整入力部ごとに設けられる。これは有利なことに励磁コイル装置のプラスもしくはマイナスの通電中に、ブレーキトルクが個々のブレーキ要素に分配される結果をもたらす。ブレーキの作動は単純化される。必要とされる構造スペースは低減される。該ブレーキ装置は費用効率が高い。単純化された設計はブレーキトルクを両方のブレーキ要素において発生するために、構成部品を同時に使用することを可能にする。

第一の好適な実施形態において、共通の励磁コイルが設けられる。永久磁石が望ましくは各々の磁気ピッチ円内に配置され、該永久磁石は有利なことに励磁コイルの軸方向、隣に配置される。ブレーキ要素がいずれの場合にも励磁コイル及び割り当てられた永久磁石の軸方向の隣に配置される場合は更に有利である。この構造の方式はブレーキ装置の外径を小さく保つことを可能にする。磁束は二つのブレーキ要素により二重に作用する。磁気分路を有する永久磁石は、磁束のためのバルブとして作用し、いずれの場合にも磁束が一方向に通ることを可能にする。励磁コイルの通電方向により、これは磁束をブレーキ装置内の異なった経路へと導く。一つのブレーキ要素がその都度異なる磁束の経路に配置される場合、その極性が電流磁束を阻止する方向に相当する一つのブレーキ要素は、通電に応じてその都度磁束を阻止することができ、一方でその他のブレーキ要素はそれを通る磁束を有する。一定の励磁値において、磁束はそれぞれのブレーキ要素でのトルクに直接的に関連する。

第二の好適な実施形態において、永久磁石は励磁コイルの半径方向、隣に配置される。この構造の方式はブレーキ装置の特に短い軸方向の構造長さによって識別される。励磁コイルの通電方向によって、磁束はそれぞれの永久磁石により妨げられるか又は補助される。従って、ブレーキトルクは流れが通過するブレーキ要素においてのみ発生し、一方で流れが通過しないブレーキ要素においてブレーキトルクは発生しない。流れが通過するブレーキ要素に割り当てられたブレーキ装置の出力軸、もしくはそこに接続された調整装置の調整入力部は従ってブレーキをかけられる。

更なる好適な改良において、一つの励磁コイルが磁気ピッチ円ごとにそれぞれ設けられる。前記励磁コイルは磁束用のバルブとしての永久磁石に取って代わる。励磁コイルは望ましくは軸方向に隔てられ、共通のステータ内に収容される。励磁コイル装置の励磁コイルが通電されるのに応じて、流れはいずれの場合にもそれぞれの磁気ピッチ円の対応するブレーキ要素のみを通り、各々の励磁コイルのための磁束はステータ内の異なる経路上をガイドされる。

有利な展開において、励磁コイルを通じた電流はいずれの場合にも、該励磁コイルと電気的に直列に接続された整流素子を経由して制御される。該整流素子は阻止及び通過方向を有するダイオード又は切替え回路であることが望ましい。整流素子を使うことにより、２本の給電ケーブルだけによるブレーキ装置の作動が可能であり、それは費用効率が高く、ブレーキ装置の重量及び容積に対して非常に有利な効果を有する。さらに、整流素子を励磁コイルと一体的に構成することは特にスペースの節約となる。

ブレーキ要素はリング形の円筒状の設計であってもよく、いずれの場合にもステータの円周方向に走り、そして回転軸に平行に延びるエア・ギャップ内に案内される。代わりに、ブレーキ要素はディスク形の設計であってもよく、いずれの場合にもステータの対称軸に対して直角に延在するエア・ギャップ内に案内されることができる。

本発明は図面内に描かれている例示的実施形態を参照して、以下により詳細に説明される。図面、記述、及び請求項は当業者が好都合に、また個別に考え、有意義な更なる組合せを形成するためにそれらを総合した組合せにおける多くの特徴を含む。

図中で同一要素、又は実質的に同じ要素は同一の参照番号が付けられる。図において「半径方向に」及び「軸方向に」の用語は、いずれの場合にも対称軸もしくは回転軸５０に対する方向を示す。

前記特許文献２（独国特許出願公開第１０ ２００４ ０１８９４２Ａ１号明細書）による４軸歯車機構として設計された好適な、特に小型の調整装置１０が図１にスケッチされる。該調整装置１０は二つの部分的な歯車機構１１、１２用の第一及び第二調整入力部１３、１４と、駆動輪１５として設計された駆動要素用の入力部、及びカム軸１６用の出力部を有する。一つの方向の調整のために第一調整入力部１３はブレーキをかけられ、第二調整入力部１４は解放される。反対方向の調整のために第二調整入力部１４はブレーキをかけられ、もう一方の調整入力部１３は解放される。

本発明によるブレーキ装置はヒステリシス・ブレーキの原理に従って作動し、それぞれの調整入力部１３、１４にブレーキをかける一つのブレーキ要素をいずれの場合にも備える。理想的な場合、各ブレーキ要素のための励磁電流に対する磁束特性及び同様にブレーキトルク特性は、励磁コイル装置の通電の第一方向に第一ブレーキ要素を通じて磁束が流れ、そして反対の通電方向に第二ブレーキ要素を通じて磁束が流れ、それに相当するブレーキトルクを発生するような方法で設計される。

図２は励磁電流Ｉの関数としての磁束Φ（Ｉ）もしくはブレーキトルクＭ（Ｉ）の理論的な特性を示す。曲線２０は第一ブレーキ要素の励磁電流Ｉが増加する時の、磁束Φ（Ｉ）及びブレーキトルクＭ（Ｉ）の急激な増加を示し、一方で、同じ通電方向に際しては、曲線２１に見られるように第二ブレーキ要素は実質的に貢献しない。通電方向が反転した場合、ブレーキトルクＭ（Ｉ）は第二ブレーキ要素により供給される（マイナスの励磁電流Ｉを伴う曲線２１）。出来る限り急勾配の曲線２０、２１の特性がここでは好ましい。

本発明によるブレーキ装置の第一の好適な改善が図３の断面図にスケッチされる。調整装置の詳細は示されていない。ブレーキ装置３０はリングとして設計された二つのブレーキ要素３１、３２と、励磁コイル３６を有する励磁コイル装置、及び二つの永久磁石４２、４３を含む。これらの要素は、それらが二つの磁気ピッチ円４０、４１を形成するような方法でステータ３９内に配置される。ステータ３９は二つの軸出力部１７、１８の回転軸５０に一致する対称軸に対して回転対称である。

サポート３３はその端部をブレーキ装置３０の入力に面しつつ、第一軸出力部１７の所に配置され、該サポートはその外周にリングとして設計された第一ブレーキ要素３１を支持する。サポート３４はその端部をブレーキ装置３０の出力部に面しつつ、第二軸出力部１８の所に配置され、該サポートはその外周にリングとして設計された第二ブレーキ要素３２を支持する。軸出力部１７、１８は同軸上に配置され、同軸上に設計された調整入力部１３、１４（図１）に接続される。

ブレーキ装置３０は回転軸５０に対して回転対称の方法で形成される。リングとして設計されたブレーキ要素３１、３２は、ステータ３９の二つの端部側に配置されたエア・ギャップ４６もしくは４７内をそれぞれ走り、互いに対向する偏心した磁極を有する極構造がエア・ギャップ４６、４７の両側で半径方向に配置される。エア・ギャップ４６、４７は回転軸５０に平行に延在する。回転軸５０に対して同軸上に巻かれた励磁コイル３６はステータ３９の空洞６０内に配置される。コイル巻線の軸方向の上流及び下流に、該空洞６０は永久磁石４２、４３のいずれか一つが配置されているそれぞれの端部を有する。永久磁石４２、４３は同じ方向に磁化される。永久磁石４２、４３の軸方向に隣接して、それぞれエア・ギャップ４６、４７に接続されたそれぞれの更なる空洞６３、６４がステータ３９内に配置される。磁束をブレーキ要素３１、３２の領域に集中させることにより、エア・ギャップ４６、４７は磁場の分布を改善する。磁束の流れは励磁コイル３６の通電方向にその都度依存して、基本的にブレーキ要素３１又は３２のうちの一つのみを通る。ブレーキ要素３０の円周面においてステータ３９は、その二つの端部で極構造５１、５２の一部分を支持し、ステータ３９の空洞６０、６３、６４及びエア・ギャップ４６、４７を覆う出力部６５を有する。ステータ３９内で永久磁石４２、４３、コイル３６及びブレーキ要素３１、３２のような要素は互いに軸方向に隣接して配置され、それは好ましいことにブレーキ装置３０の小さな外形を可能にする。磁気分路を有する永久磁石４２、４３は磁束Φ（Ｉ）が一方向のみに通ることを許すバルブとして役立ち、その結果として局部的に異なる磁束の分布が励磁コイル３６の異なる通電方向に対して生じる。

個々の要素の機能については、不必要な反復を避けるため、以下において前述の図面が参照される。

図３からの配置の磁力線の特徴は図４に例示される。片側のみの磁力線の特徴が例示される。この配置は対称軸もしくは回転軸５０に対して回転対称である。励磁コイル３６の通電方向は第二永久磁石４３が磁束を阻止し、第一永久磁石４２が磁束を補助するような方法で選ばれ、その結果として流れは第二磁気ピッチ円４１を通る。その結果、流れは第二ブレーキ要素３２を通り、ブレーキトルクＭ（Ｉ）は後者によって生じる。

図５は両方のブレーキ要素３１、３２用の励磁コイル３６を通る励磁電流Ｉの関数としての磁束Φ（Ｉ）もしくはブレーキトルクＭ（Ｉ）の計算特性を示す。曲線２２は第一ブレーキ要素３１に対する特性を示し、曲線２３は第二ブレーキ要素３２に対する特性を示す。励磁コイル３６を通る励磁電流Ｉ無しでは、磁束Φ（Ｉ）は二つの比較的弱い永久磁石４２、４３のみにより生じる。磁束Φ（Ｉ）は両方のブレーキ要素３１、３２において同一であり、従ってまた同じブレーキトルクＭ（Ｉ）を生じる。磁束Φ（Ｉ）もしくはブレーキトルクＭ（Ｉ）の曲線２２、２３は急勾配の特性を有し、有利に高い最大値を実現する。当初に述べられた４軸歯車機構が両方の調整入力部１３、１４において同じブレーキトルクＭ（Ｉ）を受ける場合、そこで調整は行なわれずカム軸の位相位置は不変のままである。

図６に概略的に例示される好適なブレーキ装置３０により短い構造長さが得られる。個々の要素の説明及び機能については、前述の図面が参照される。巻線が円周方向に巻かれている励磁コイル３６が中に配置される空洞６０から始まって、該空洞６０から半径方向に延びる端部に永久磁石４４、４５が配置され、前記永久磁石は回転軸５０と同軸上に取り付けられ、互いに軸方向に離れている。該端部はいずれの場合にも空洞６０の軸方向端部に位置する。永久磁石４４、４５は軸方向に磁化され、二つの永久磁石４４、４５は反対方向に磁化される。二つの空洞６３、６４は端の部分から、その両端において極構造５１、５２の一部分を支持し、ステータ３９のエア・ギャップ４６、４７及び空洞６３、６４を覆う、外側の部分６５に向かって半径方向に延びている。

特有の磁力線の特徴が図７に説明される。通電方向は第一永久磁石４４が磁束を阻止し、従って第一ブレーキ要素３１へと強制し、一方で実質的に第二ブレーキ要素３２を流れが通らないような方法で選ばれる。通電方向はその流れが第一磁気ピッチ円４０を通るような方法で選ばれる。励磁コイル３６を通る電流の方向が反転するとき、該条件は逆になる。

図８は励磁コイル３６を通る励磁電流Ｉの関数としての、磁束Φ（Ｉ）もしくはブレーキトルクＭ（Ｉ）の計算特性を示す。曲線２４は第一ブレーキ要素３１に対する特性を示し、曲線２５は第二ブレーキ要素３２に対する特性を示す。磁束Φ（Ｉ）もしくはブレーキトルクＭ（Ｉ）の曲線２４、２５は急勾配の特性を有し、有利に高い最大値を実現する。

図９は本発明の更なる好適な改良を示す。磁束のバルブとして作動する永久磁石の代わりに、ステータ３９の空洞６１、６２内に配置された二つの励磁コイル３７、３８を有する励磁コイル装置が、ステータ３９における磁束Φ（Ｉ）の経路を制御するために設けられる。該励磁コイル３７、３８は基本的にブレーキ装置３０の回転軸５０周りに同じ直径で同軸上に配置される。励磁コイル３７、３８の巻線はステータ３９の円周方向に走っている。ステータ３９はその端部側に、いずれの場合にも回転軸５０に対して軸方向に平行に走り、その中にリングとして設計されたそれぞれのブレーキ要素３１、３２が係合する、エア・ギャップ４６、４７を有する。ブレーキ要素３１、３２は励磁コイル３７、３８の外形よりも僅かに大きい直径上に延在する。励磁コイル３７、３８はブレーキ要素３１、３２と軸方向に密接する方法でブレーキ要素３１、３２につながっている。この実施形態において、励磁コイル３７又は３８のうちの一つの通電は、いずれの場合にも磁束Φ（Ｉ）がブレーキ要素３１又は３２の一つだけを通じて制御されることをもたらす。励磁コイル３７、３８はそれらの割り当てられたブレーキ要素３１、３２と共に、それぞれ磁気ピッチ円４０、４１を形成する。ステータ３９内の磁束経路は該ステータ３９のみにより決定され、ここでは永久磁石は不要である。第一励磁コイル３７のみが通電された場合、磁束もまた第一ブレーキ要素３１のみを通る。第二励磁コイル３８のみが通電された場合、その流れは第二ブレーキ要素のみを通る。図１０は第一励磁コイル３７のみが通電された場合の、特有の磁束の特徴を示す。本発明の前述の改善の場合のように、この配置は励磁電流Ｉが増加する時に、それを経由して流れが通るそれぞれのブレーキ要素３１、３２を通過する磁束の有利で急激な増加を示す。これは第一ブレーキ要素３１に対する曲線２６及び第二ブレーキ要素３２に対する曲線２７に関して図１１において見ることができる。特定の励磁コイル３７又は３８を通る励磁電流Ｉの関数として、計算された磁束Φ（Ｉ）もしくはブレーキトルクＭ（Ｉ）がここにプロットされる。

二つの電力供給線を用いたブレーキ装置３０の単純な作動は図１２にスケッチされている回路５３で可能である。該回路５３は作動手段（図示せず）とブレーキ装置３０の間に配置される。電圧Ｕは、第一励磁コイル３７と、それと電気的に直列に接続されるダイオードとして設計された第一整流素子４８を有する第一回路分岐、ならびに、それに並列の接続される分岐であって、第二励磁コイル３８と、それと電気的に直列に接続されるダイオードとして設計された第二整流素子４９を有する第二回路分岐に、電極５４と５５から加えられる。該二つの整流素子４８、４９は他方が通過方向に通電している時に、一方が阻止されるように接続される。従って、他方の回路分岐における整流素子４９又は４８が電流を遮断するため、与えられた通電方向において一つだけの励磁コイル３７又は３８が通電されることができる。この回路を直接ブレーキ装置３０内へ統合することが特に好ましい。

本発明による改良はリングとして設計されたブレーキ要素３１、３２、及びディスクとして設計されたブレーキ要素３１、３２の両方に対して実現可能である。ブレーキ要素３１、３２のうちの一つをディスクとして、もう一つをリングとして設計することも可能である。

好適な可変バルブタイミングシステムは同軸上に構成される二つの調整入力部を有する４軸歯車機構として設計され、同軸上に構成される二つの軸出力部１７、１８を有する本発明によるブレーキ装置３０を含む。

二つの調整入力部を有するカム軸の位相位置を調整するための、好適な４軸歯車機構の概略図形を示す。 調整入力部ごとの一つのブレーキ要素のための励磁電流に応じた磁束の特性を図式的に示す。 磁束のためのバルブとしての永久磁石を有する、本発明によるブレーキ装置の第一の好適な改良を断面で示す。 図３の配置における磁力線の流れを示す。 図３の配置に対する励磁電流の関数としての、二つのブレーキ要素における磁束もしくはブレーキトルクの計算特性を示す。 磁束のためのバルブとしての永久磁石を有する、本発明によるブレーキ装置の代替の好適な改良を断面で示す。 図６の配置における磁力線の流れを示す。 図６の配置に対する励磁電流の関数としての、二つのブレーキ要素における磁束もしくはブレーキトルクの計算特性を示す。 磁束のためのバルブとしての二つの励磁コイル及び一つのステータ・ヨークを有する、本発明によるブレーキ装置の代替の好適な改良を断面で示す。 図９の配置における磁力線の流れを示す。 図９の配置に対する励磁電流の関数としての、二つのブレーキ要素における磁束もしくはブレーキトルクの計算特性を示す。 図９による改良におけるいずれか一つの励磁コイルの通電方向に応じた、作動のための好適な電気回路を示す。

Claims (10)

1. 少なくとも二つの調整入力部（１３、１４）を有する、カム軸（１６）調整装置（１０）用のブレーキ装置であって、前記調整入力部（１３、１４）にブレーキをかけるために各調整入力部（１３、１４）用にそれぞれに対応するブレーキ要素（３１、３２）が設けられ、さらに、励磁コイル（３６）及び永久磁石（４２、４３、４４、４５）が設けられ、前記励磁コイル（３６）への通電方向に応じて、二つの磁気回路（４０、４１）のいずれか一方の磁気回路が形成されて、一方又は他方の前記ブレーキ要素（３１、３２）のいずれかに磁束を導くように構成され、磁束の導きにより前記ブレーキ要素（３１、３２）のいずれかにブレーキトルクを発生させることを特徴とするブレーキ装置。
2. 一つの磁気回路（４０、４１）が、調整入力部（１３、１４）ごとに形成されることを特徴とする請求項１に記載のブレーキ装置。
3. 前記励磁コイル（３６）は、前記二つの磁気回路（４０、４１）に対して共通に設けられることを特徴とする請求項１あるいは２に記載のブレーキ装置。
4. 前記永久磁石（４２、４３、４４、４５）が各々の磁気回路（４０、４１）内に配置さ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ブレーキ装置。
5. 前記永久磁石（４２、４３）が前記励磁コイル（３６）に対して、軸方向の隣に配置されることを特徴とする請求項４に記載のブレーキ装置。
6. 前記ブレーキ要素（３１、３２）が、前記励磁コイル（３６）及びそれぞれに割り当てられた前記永久磁石（４２、４３）に対して、軸方向の隣に配置されることを特徴とする請求項４あるいは５に記載のブレーキ装置。
7. 前記永久磁石（４４、４５）が前記励磁コイル（３６）に対して、半径方向の隣に配置されることを特徴とする請求項４に記載のブレーキ装置。
8. それぞれの調整入力部（１３、１４）にブレーキトルクをかけるための二つの軸出力部（１７、１８）が同軸上に配置されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のブレーキ装置。
9. 前記ブレーキ要素（３１、３２）が円筒形であり、ステータ（３９）の円周方向に延在するエア・ギャップ（４６、４７）内に案内されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のブレーキ装置。
10. 前記ブレーキ要素（３１、３２）がディスク形であり、ステータ（３９）の対称軸に対して直角に延在するエア・ギャップ内に案内されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のブレーキ装置。

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