JP5100028B2 - 内燃機関用カムシャフト調整装置 - Google Patents

Description

本発明はクランクシャフトに対して固着された駆動部と、カムシャフトに対して固着された従動部と、電気調整ユニットの調整ユニット軸に回転に関して固定的に連結された調整軸とを有する調整ギヤによって、内燃機関のカムシャフトとクランクシャフトとの間の相対回転角位置を電気的に調整する装置に関するものである。

内燃機関のクランクシャフトとカムシャフトとの間の角位置の相対調整のために、種々の可能性が従来技術において公知である。基本的に、電気的調整システムおよび液圧（油圧、水圧）調整システムが公知である。電気的に駆動されるカムシャフト調整システムにおいては、電気調整ユニット、例えば、高回転速度の場合に利用可能な駆動モータまたはブレーキ装置の比較的低いトルクが、高いトルクの回転運動に変換されており、このような高いトルクはカムシャフトを調整するために必要である。この目的のために、調整ギヤとして集合ギヤを使用することが知られている。このようなギヤはクランクシャフトに対して固着された駆動歯車を有している。動力の取り出しはカムシャフトに対して固着された歯車の出力を介して行われる。回転の一方向または他の方向で調整するために供給されるべきギヤの差動力は、このギヤの第３の軸、即ち調整軸を介して導入される。

このタイプの電気カムシャフト調整装置はＤＥ１０２４８３５５Ａ１から公知である。カムシャフトとクランクシャフトとの間の相対回転角位置の電気的な調整のための調整装置が開示されており、三軸ギヤが調整ギヤとして使用されており、この三軸ギヤはクランクシャフトに対して固着された駆動部と、カムシャフトに対して固着された従動部と、電気調整電動機用の調整電動機軸に回転に関して固定的に連結された調整軸と、を有している。ここで、調整電動機は、ハウジングに対して固着された固定子及び永久磁石電動機を有するブラシレス直流電動機として設計されている。使用されている調整ギヤは二段偏心ギヤまたは二段遊星ギヤであり、ここでは１：２５０までの減速比が提供される。

クランクシャフトに対するカムシャフトの相対的な調整は、他の刊行物にも記載されており、同様に電動機によって作動され得る調整ギヤが使用されている。ＥＰ１０３９１０１Ａ２は、調整ギヤとしてハーモニックドライブギヤを使用している。このギヤは薄い弾性的に変形し得る歯付きスリーブと共に作動し、このスリーブの歯は輪歯車と噛合している。それ故、高い減速比と共に調整ギヤの構造をコンパクトなタイプにすることが可能である。

このような解決策はＤＥ４０２２７３５Ａ１からも知られており、この場合にはサイクロイド減速ギヤのような装置を使用している。同様のタイプの構造はＷＯ９５／００７４８に示されている。

ＵＳ５，６８０，８３６およびＤＥ１０２０３６２１Ａ１は、クランクシャフトとカムシャフトとの間に相対回転を発生させるために、調整ギヤとして遊星ギヤを使用している。このような解決策はＤＥ２５２５７４６Ａ１からも知られている。

この場合、調整中に高い効率でパワーフラックスの発生が可能であり、このためブレーキ装置の駆動電動機は、できるだけ小さく構成することができる。この場合、熱損失はできるだけ少なくなる。さらに調整ギヤの各歯は、可能な限り相互に遊びの無い状態で作動する。もしそうでないと、作動中に好ましくない高音のノイズが発生する。このノイズは主にカムシャフトの著しく変化する交番トルクに起因するものである。調整ギヤ内に発生する可能性がある遊びは、ギヤの伝達比によって変化する。さらにトルクコンバータ用の構造空間はできるだけ小さい形態を有することが必要である。なぜならば内燃機関の構造が一層コンパクトなタイプに向かう傾向にあるからである。さらに安全上の理由のために、本体と内燃機関との間の一定の距離は厳守されなければなず、このことは同様に機関の構造のコンパクトなタイプを要求することになる。また調整ギヤはできるだけコスト効率良く実現されなければならず、それにより調整ギヤ、電動機／ブレーキおよび制御電子機器からなる電気カムシャフト調整装置用のシステムコストを低く維持することができる。

すでに公知の解決策では、この点において、特に静寂な作動に関して制約がある。使用されている歯の実際の作動誤差は、高い費用をかけた場合にのみ低く維持することができるに過ぎず、このため歯車の噛合中および歯車の回転中、ノイズの若干の発生は避けることができない。使用される歯車の製造時の製造コストに関する費用が低ければ低い程、ノイズの発生の問題は一層大きくなる。

従って、本発明が基礎としている目的は、歯が噛合している時でも、または実際の作動誤差が存在している時でも、調整ギヤのより静寂な作動が可能なように序論において述べたタイプのカムシャフト調整装置を開発することにある。この結果、製造コストは、調整ギヤの作動状態に悪影響を及ぼすこと無く、低く維持することができる。

本発明によりこの目的を達成するための解決策は、調整ギヤの調整軸が半径方向に浮動するように取り付けられ、または配置されていることを特徴とする。

従って、公知の解決策と異なり、調整軸はもはや常識的に取り付けられておらず、その代わりに、調整軸は一定の限度内で自由に移動することができ、且つ噛み合う歯車の歯の係合によって自動的に中心に配置される。

この目的のために、調整軸と調整ユニット軸との間の僅かな相対的な半径方向の移動を可能にする継手が、調整軸と調整ユニット軸との間に配置されること好ましい。調整ユニット軸は電動機またはブレーキ装置内に半径方向に取り付けられると共に、電動機およびブレーキ装置の両方は内燃機関に固着連結され、前記半径方向の取付けは継手の半径方向の可撓性のために調整軸に伝達されず、その代わりに調整軸は調整ユニット軸に対して半径方向に移動可能である。

調整ユニットは電動機または電気ブレーキ装置として設計してもよい。

使用される継手は弾性継手またはオルダム継手であるのが好ましい。

１つの実施形態によれば、調整ギヤは二段遊星ギヤとして設計される。二段遊星ギヤは２つの隣接して配置された内歯を有していてもよく、これ等の内歯には、少なくとも１つまたは２つまたはそれ以上の平歯車、好ましくは３つの平歯車が噛合し、または同時に噛合しており、２つの内歯の歯の数は異なっており、歯の数の差は平歯車の数に対応し、またはその数の倍数に対応している。

前記の少なくとも１つの平歯車は遊星キャリヤ内に取り付けられてもよく、特に後者の遊星キャリヤはそれ自身調整軸として機能する。前記の少なくとも１つの平歯車は転がり軸受によって遊星キャリヤ内に取り付けてもよい。しかし原理上、この目的のために平面軸受の使用も考えられ得る。

構造の代案タイプによれば、少なくとも１つまたは２つまたはそれ以上の平歯車は、調整軸に連結され中心に配置された太陽歯車と噛合するように設けることもできる（太陽歯車はウォルフロムギヤとして知られている）。

調整ギヤは二段偏心ギヤまたはハーモニックドライブとして設計されてもよい。

調整ギヤの減速量は１：２と１：２５０との間にあることが好ましい。使用される電気調整ユニットが電動機である時、これは高誘導永久磁石ロータを有していることが好ましい。

前記の提案された解決策は、浮動取り付け構造のため、調整ギヤの調整軸または調整軸に結合されたギヤ部分が噛合する歯車に対して最適に中心に配置されるという利点を提供している。調整軸の部分は、半径方向に移動可能であるため、例えば実際の作動誤差に起因する回転側面の遊びの一部を補償することができ、従って一層静寂な作動を提供する。これにより作動ノイズは減少され、同様に歯の噛合中のジャミングの危険が減少される。

さらに、調整ギヤの調整軸または調整軸に結合されたギヤ部分の半径方向の取付けを省略してもよく、これにより調整ギヤの摩擦を減少させるだけでなく、ギヤのコスト効率を一層良くすることができるという利点がある。低摩擦のため、ギヤの効率を増大させることができる。

有益な事項として、ギヤの要求する構造空間が減少できることにも注目すべきである。

本発明の例示的な実施形態が図面に示されている。

図１において、基本線図を見ることができ、この基本線図は電気的に駆動される調整ギヤを備えるカムシャフト調整装置の基本的な構造を示している。前記カムシャフト調整装置１は、バルブの制御時間に影響を及ぼすように、内燃機関のクランクシャフトに対して内燃機関のカムシャフト２を調整する役割を果たす。この目的のため、調整ギヤ３が設けられており、この調整ギヤはクランクシャフトに対して固着された駆動部４と、カムシャフトに対して固着された従動部５とを有している。クランクシャフトに対して固着された駆動部４はチェーンホイール１６を有していることが図示されており、図示されていないチェーンは一定に回転するようにクランクシャフトと連結している。

調整ギヤ３は入力軸として調整軸８を有しており、この調整軸８は継手９を介して回転に関して固定的に調整ユニット軸６に連結されており、この調整ユニット軸６は、例えば電動機（電気モータ）またはブレーキ装置のような電気調整ユニット７の一体部分である。調整ギヤ３は集合ギヤとして構成されているので、調整ユニット７による調整軸８の回転の結果は、クランクシャフトに対して固着された駆動部４とカムシャフトに対して固着された従動部５との間で相対回転を生じさせ、カムシャフト制御時間を「早い接触」と「遅い接触」との間で変化させることができる。

調整軸８は遊星キャリヤ１３に連結されており、この遊星キャリヤの周囲には外歯車を有する多数の平歯車１２が配置されている。遊星キャリヤ１３は平歯車間に必要な軸線距離が維持されることを確実にしている。

クランクシャフトに対して固着された駆動部４およびカムシャフトに対して固着された従動部５はそれぞれ歯１０、１１を有しており、これ等の歯１０、１１は輪歯車（リングホイール）のように設計されており、且つ平歯車１２はこれ等の歯と噛合している。この場合の２つの内歯１０、１１は等しくない歯数を有している。この場合、前記歯数の差は使用されている平歯車１２の数、またはその数の倍数である。

例えば２つの平歯車１２が使用されるとき、歯１０、１１の間の歯数の差は２、４、６等である。３つの平歯車１２が設けられるとき、歯数の差は３、６、９等である。

歯車１０、１１のどちらがより多い歯数を有するかによって、調整ギヤを正の減速比または負の減速比を有するように設計することができる。

明らかなように、平歯車１２は内歯１０および内歯１１と同時に噛合するような幅に設計されている。

２つの歯１０、１１の間で歯の数が異なるために、結果として調整軸８の回転駆動中に、従って遊星キャリヤ１３の回転中に、２つの歯１０、１１の間で大きな減速比を有する相対移動が生じる。代表的な減速比は約１：５０〜１：２００である。

先行技術による解決策において通例であるように、遊星キャリヤ１３自身は追加的に半径方向に取り付けられないことが、本発明にとって必須事項である。平歯車１２の歯と駆動部４および従動部５の歯との係合により、半径方向に浮動するように配置されている前記遊星キャリヤは自動的に中心に配置される。この結果、噛合の誤差は改善された方法で補正することができ、従って調整ギヤ３の作動はより静寂なものとなる。

遊星キャリヤ１３の浮動のために、遊星キャリヤ１３と調整ユニット軸６との間に僅かな軸線のずれが生ずる恐れがある。従って、継手９は半径方向に可撓性の継手として設計されている。これにより２つの軸部分６、８の間の僅かな半径方向の移動が許容される。このようにして継手９は、調整軸８の半径方向の僅かなずれが補償され、同時に調整軸８が調整トルクを伝えることを確実にしている。このような継手の例は、それ自身十分に知られている弾性継手またはオルダム継手である。

図２は二段遊星ギヤ（ダブルエピサイクリックギヤ）が調整ギヤとして使用されている本発明の実施形態を示している。遊星キャリヤ１３への平歯車１２の取付けは、転がり軸受（ローリングベアリング）の取付け、または平面軸受（プレインベアリング）の取付けとして設計することができる。例示の実施形態では、転がり軸受の取付け１４が使用されており、これは結果的に低摩擦をもたらすことになる。

摩擦を最少にするため、遊星キャリヤ１３は軸線方向の支持面を有していないが、その代わりに遊星キャリヤユニット全体が、平歯車の側壁を介して軸線方向に案内されている。これにより、軸線方向に支持する接触のために摩擦が直接遊星キャリヤ１３に作用し、従って電気調整ユニット７に作用して効率を低下させる状況が避けられる。

図２による解決策に関して、ここで調整軸８は継手９の一部と共に部品として設計され、または機能していることも述べておくべきである。継手９は弾性継手として設計されている。調整ユニット軸（図示せず）に連結されている図示されていない継手の一部は、図２に示す窪み１７内に係合している。継手９は調整ユニット軸と参照数字８が付されている継手の一部との間に僅かな半径方向の移動を許容している。この結果、遊星キャリヤ１３は半径方向に浮動するように配置されている。

図３による実施形態においては、調整ギヤはウォルフロムギヤとして、即ち遊星ギヤの基本タイプに属するギヤとして設計されている。調整ギヤは、相互に取り付けられ且つ内歯１０、１１を有する２つの輪歯車を有しており、内歯１０、１１はさらにクランクシャフトおよびカムシャフトにそれぞれ連結されている。さらに、複数の平歯車１２と同時に噛合が行なわれている。二段遊星ギヤの場合のように、ここでもまた、歯１０、１１の間の歯の数の差は平歯車１２の数と同じか、またはこの数の倍数でなければならない。ここで、調整ギヤの調整は太陽歯車１５によって行われ、この太陽歯車は全ての平歯車１２と噛合し且つさらに半径方向に浮動するように配置されている。従って、それ自体以前より公知のウォルフロムギヤとの相違点は、太陽歯車１５と平歯車１２（遊星歯車）が歯の噛合のみによって半径方向に位置決めされていることである。

ここに設けられた継手９はそれ自体十分に知られているオルダム継手である。ここでもまた、調整軸８は継手９の一部と共に部品として設計され、または機能している。オルダム継手９も、調整ユニット軸と符号８が付されている継手部分との間で僅かな半径方向の移動を許容している。

図４が示すように、例えば、ハーモニックドライブを、遊星ギヤの代わりに調整ギヤ３として使用することもできる。ハーモニックドライブおよびそれ自体十分に知られているハーモニックドライブギヤは、同一の原理で作動する。

カムシャフトに対して固着された従動部５は内歯１１を有しており、一方クランクシャフトに対して固着された駆動部４は内歯１０を有している。２つの歯１０、１１は外側に歯を有する薄い肉厚のスリーブ１８と噛合している。ここで楕円形状の調整軸８によって、歯１０、１１がスリーブ１８上の２つの相互に対向する円周上の点でスリーブ１８の外歯と噛合される。従って、調整ユニット軸（図示せず）による調整軸８の回転中、ハーモニックドライブの減速作用が発生する。

調整軸８は継手９に連結されており、この場合継手９は弾性材料１９の使用により調整軸８の本発明による浮動の配置をもたらす。従って、調整軸８の参照符号２０を付した図４の半径方向領域は、隣接する構成部分と共に浮動状態に配置されており、即ち半径方向の取付けなしで、歯の噛合のみによってセンタリングが行われる。

原理上は、本発明の思想を実現するために、いかなる所望のタイプの調整ギヤ３も使用することができる。挙げることのできる例は、それ自身公知の回転斜板（スワッシュプレート）機構または変動伝導比を有するスライダクランク機構である。

図１は、電気的に駆動される調整ギヤが設けられているカムシャフト調整装置の線図を示す。 図２は、調整ギヤが二段遊星ギヤとして設計されているカムシャフト調整装置の部分断面斜視図を示す。 図３は、調整ギヤがウォルフロムギヤとして設計されているカムシャフト調整装置の部分断面斜視図を示す。 図４は、調整ギヤがハーモニックドライブとして設計されているカムシャフト調整装置の半径方向断面を示す。

符号の説明

１ カムシャフト調整装置
２ カムシャフト
３ 調整ギヤ
４ クランクシャフトに対して固着された駆動部
５ カムシャフトに対して固着された従動部
６ 調整ユニット軸
７ 電気調整ユニット
８ 調整軸
９ 継手
１０ 内歯
１１ 内歯
１２ 平歯車
１３ 遊星キャリヤ
１４ 転がり軸受による取付け
１５ 太陽歯車
１６ チェーンホイール
１７ 窪み
１８ スリーブ
１９ 弾性材料
２０ 半径方向領域

Claims (12)

1. 内燃機関のカムシャフト（２）とクランクシャフトとの間の相対回転角位置を、クランクシャフトに対して固着された駆動部（４）と、カムシャフトに対して固着された従動部（５）と、電気調整ユニット（７）の調整ユニット軸（６）に回転に関して固定的に連結された調整軸（８）と、を有する調整ギヤ（３）により電気的に調整する装置（１）であって、
   前記調整軸（８）が半径方向に浮動するように配置され、
   前記調整ギヤ（３）が二段遊星ギヤとして設計され、
   前記二段遊星ギヤ（３）が、２つの隣接して配置された内歯（１０、１１）と、少なくとも１つの平歯車（１２）とを有し、各平歯車（１２）が前記２つの内歯と同時に噛合し、前記２つの内歯（１０、１１）の歯数が相違し、前記歯数の差が前記平歯車（１２）の数またはその数の倍数に相当する装置。
2. 前記調整軸（８）と前記調整ユニット軸（６）との間に、前記調整軸（８）と前記調整ユニット軸（６）との間の僅かな相対的な半径方向の移動を可能にする継手（９）が配置されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記調整ユニット（７）が電動機または電気ブレーキ装置として設計されている、請求項２に記載の装置。
4. 前記継手（９）が弾性継手として設計されている、請求項２に記載の装置。
5. 前記継手（９）がオルダム継手として設計されている、請求項２に記載の装置。
6. 少なくとも１つの平歯車（１２）が遊星キャリヤ（１３）内に取り付けられている、請求項１に記載の装置。
7. 前記遊星キャリヤ（１３）が調整軸（８）として機能する、請求項６に記載の装置。
8. 少なくとも１つの前記平歯車（１２）が、転がり軸受による取付け（１４）によって前記遊星キャリヤ（１３）内に取り付けられている、請求項６に記載の装置。
9. 少なくとも１つの前記平歯車（１２）が、中心に配置された太陽歯車（１５）と噛合し、前記太陽歯車（１５）が、前記調整軸（８）に連結され、または前記調整軸（８）として機能する、請求項１に記載の装置。
10. 前記調整ギヤ（３）の減速量が１：２と１：２５０との間である、請求項１に記載の装置。
11. 前記電気調整ユニット（７）が高誘導永久磁石ロータを有する電動機として設計されている、請求項３に記載の装置。
12. 前記駆動部（４）が前記２つの内歯の一方（１０）を有し、前記従動部（５）が前記２つの内歯の他方（１１）を有する、請求項１に記載の装置。

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