JP5440853B2 - 弁開閉時期制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車等の車輌に用いられる内燃機関の吸気弁や排気弁の開閉タイミングを調節するためカムシャフトの外端に備えられる弁開閉時期制御装置に関し、詳しくは、この弁開閉時期制御装置を支持する技術に関する。

弁開閉時期制御装置を支持する技術として特許文献１では、クランクシャフトの回転駆動力がチェーンを介して伝えられるスプロケット（文献中１４）と一体的に回転する駆動側回転部材（文献中１６）を備え、この駆動側回転部材（文献中１６）に軸受部（文献中４６）が一体形成され、駆動側回転部材（文献中１６）との回転位相を作動油の制御によって変更する従動側回転部材（文献中１８）を備え、この従動側回転部材（文献中１８）に連結するボス（文献中３６〈ジャーナル〉を外周に形成した部材）を備え、このボスにカムシャフト（文献中３８）を連結した構成が示されている。

この特許文献１のようにスプロケットのうちエンジンに対向する面が平坦に成形されているものでは、この面をスラスト軸受のようにエンジン（シリンダヘッド）の外壁面に接触させる形態で開閉時期制御装置が支持されることもあった。

また、特許文献２では、クランクシャフトの回転駆動力がチェーンを介して伝えられるスプロケット１３と一体回転する駆動側回転部材（文献ではシューハウジング１２）を備え、この駆動側回転部材に対する回転位相を作動油の制御によって変更可能な従動側回転部材（文献ではベーンロータ１４）を備え、この従動側回転部材がカムシャフト２と連結している。

この特許文献２ではカムシャフト２の一部を大径化して形成した段差部１６３をエンジンヘッド１６０の外面に接触させることで、この段差部１６３をスラスト軸受として弁開閉時期制御装置が支持されている。

米国特許第６，１７６，２１０ Ｂ１号明細書 特開２００９−１３８６１１号公報

カムシャフトには、エンジン（内燃機関）の外壁（シリンダヘッドの外壁）に対し回転軸芯に沿う方向に多少移動可能な状態で支持されるものがある。このカムシャフトがエンジンに引き込まれる方向に変位した場合には、特許文献１に記載されている構造の弁開閉時期制御装置ではスプロケットがエンジンの外壁面に接触することとなる。

このように、スプロケット等の広い面がエンジンの外壁面に接触した場合には、スプロケットやチェーンが摩耗することや、異音を発生することがある。しかも、スプロケットやチェーンがエンジンの外壁（シリンダヘッドの外壁）に接触した場合には外壁面からの摩擦力がクランクシャフトに直接的に作用するため回転位相制御のタイミングを遅らせることもあった。

そこで、特許文献２に記載されるようにカムシャフトの大径部をエンジンの外壁面に接触させる構成を用いることで、スプロケットやチェーンをエンジンの外壁から積極的に離間させ、また、接触面積を小さくすることも考えられる。しかし、カムシャフトを加工するものでは加工の工程が増すばかりでなく構造が複雑となる点で改善の余地がある。

また、特許文献２のカムシャフトの大径部と同様に、弁開閉時期制御装置を構成する従動側回転部材のうち軸芯に近接する部位に大径部化してエンジン側に突出させ、この部位をエンジンの外壁面に接触させる構成も考えられる。しかしながら、従動側回転部材を単純にエンジンの外面に接触させるものでは、摩耗を招き易く耐久性の点で改善の余地がある。

尚、耐久性を向上させる観点から従動側回転部材に耐摩耗性の高い素材を用いることも考えられるが、加工性の面や素材のコストの面で改善の余地がある。また、耐久性を向上させる観点からエンジンの外壁面に接触する部位の耐摩耗性を高めるように、接触部位だけ表面処理を行うことも考えられるが、処理範囲を決めるマスクを必要とすることや、表面処理の工程が複雑になり実現性が低いものとなる。

本発明の目的は、弁開閉時期制御装置がエンジンの外壁面に当接する場合にも回転位相制御を損なうことなく、円滑な支持が可能な弁開閉時期制御装置を合理的に構成する点にある。

本発明の特徴は、内燃機関のクランクシャフトに対して同期回転する駆動側回転部材と、
前記駆動側回転部材に対して相対回転可能に同軸に配置され、前記内燃機関の弁開閉用のカムシャフトに対して一体回転する従動側回転部材と、
前記駆動側回転部材と前記従動側回転部材とにより形成され、容積拡大により前記駆動側回転部材に対する前記従動側回転部材の相対回転位相を遅角方向に移動させる遅角室、および、容積拡大により前記相対回転位相を進角方向に移動させる進角室を備え、前記進角室又は遅角室に対する作動油の給排により駆動側回転部材と従動側回転部材との回転位相を調節する回転位相調節系が構成され、
前記従動側回転部材のうち前記内燃機関の外壁面に対向する部位に、前記カムシャフトの回転軸芯と直交する姿勢で、前記内燃機関の外壁面側に露出する平滑なスラスト面を有したボス部材が備えられ、
前記ボス部材が前記外壁面に当接することで、前記駆動側回転部材の前記外壁面への当接を回避する点にある。

この構成によると、カムシャフトが内燃期間の内部側に変位した場合には、平滑なスラスト面が内燃機関の外壁面に当接することになる。よって、例えば、駆動側回転部材のスプロケットが内燃機関の外壁面に当接するもののように、スプロケットの摩耗を招くことや異音を発生させることがない。しかも、スプロケットが内燃機関の外壁面に当接することによる回転抵抗の作用により回転位相制御の応答性を低下させる不都合を回避できる。また、ボス部材として耐摩耗性が高い材料を用いた場合には、従動側回転部材を耐摩耗性が高い材料を用いた場合と比較してコストを低減しながら耐久性を高める。
従って、弁開閉時期制御装置がエンジンの外面に当接する場合にも回転位相制御を損なうことなく、円滑な支持が可能な弁開閉時期制御装置が合理的に構成された。

本発明は、前記従動側回転部材のうち内燃機関の外壁面に対向する部位に、前記カムシャフトの回転軸芯を中心とするシリンダ内面状の凹部が形成され、前記ボス部材が前記凹部に嵌め込まれていても良い。

これによると、嵌め込み固定によりボス部材を従動側回転部材に対して容易に一体化させることも可能となる。

本発明は、前記ボス部材とカムシャフトとの相対回転を阻止する位相決め手段が備えられても良い。

これによると、位相決め手段を備えることにより、ボス部材と従動側回転部材との相対回転が阻止される。例えば、遅角室あるいは進角室に対して作動油の給排を行うための油路をボス部材に形成しても、従動側回転部材との間での油路が確実に確保でき、作動油の給排を安定的に行うことができる。

本発明は、位相決め手段が、前記従動側回転部材の嵌合孔と、ボス部材の嵌合孔とに嵌合するピンで構成されても良い。

これによると、従動側回転部材とボス部材とに嵌合孔を形成し、これらにピンの挿入を可能にする程度の簡単な構造で従動側回転部材とボス部材との相対回転を抑制できる。

カムシャフトに支持された弁開閉時期制御装置の断面図である。 図１のII−II線断面図である。 弁開閉時期制御装置の分解状態の断面図である。 ベーンとボス部材との分解斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
〔基本構成〕
図１及び図２に示すように、エンジン（内燃機関）のクランクシャフト（図示せず）とタイミングチェーン（図示せず）を介して同期回転する駆動側回転部材としての外部ロータ１と、エンジンの燃焼室の吸気弁又は排気弁を開閉するためのカムシャフト３と同軸で一体回転する従動側回転部材としての内部ロータ２と、外部ロータ１と内部ロータ２との回転位相調節系を構成する電磁制御弁（図示せず）とを備えて弁開閉時期制御装置が構成されている。

カムシャフト３はエンジン（内燃機関）のシリンダヘッド４を貫通する形態で支持され、このシリンダヘッド４の外壁面４Ｓと近接する位置に弁開閉時期制御装置が備えられている。

弁開閉時期制御装置は、外部ロータ１（駆動側回転部材）に対して、内部ロータ２（従動側回転部材）を嵌め込み、夫々が回転軸芯Ｘを中心として所定の相対回転位相の範囲内で相対回転自在に構成されている。外部ロータ１と内部ロータ２との間には流体圧室が形成されている。この流体圧室の内部には内部ロータ２から外方に突設されたベーン５が配置され、このベーン５によって流体圧室が遅角室２１と進角室２２とに仕切られている。

ベーン５の外端には流体圧室の内周面に摺接するシール６を備え、これにより外部ロータ１と内部ロータ２との相対回転時には、ベーン５の外端のシール６が外部ロータ１における流体圧室の内面に摺接して遅角室２１と進角室２２との間での作動油の直接的な流動を抑制する。また、ベーン５のうちの１つには回転軸芯Ｘと平行する方向に移動自在なロック部材２３がバネ（図示せず）により突出付勢状態で備えられている。このロック部材２３は、外部ロータ１と内部ロータ２とが所定の相対回転位相にある状態でバネの付勢力によって外部ロータ１のロック凹部（図示せず）に係入してロック状態に達し、外部ロータ１と内部ロータ２との相対回転を阻止する。

遅角室２１への作動油の給排を行う第１油路Ｌ１と、進角室２２への作動油の給排を行う第２油路Ｌ２と、ロック部材２３のロック解除を行う第３油路Ｌ３とが内部ロータ２に形成されている。尚、ロック部材２３の構造や油路の構造は特開平１０−２１２９１１号公報や特開平１１−８１９２７等に記載されるように公知の技術であるので内部ロータ２に形成された３つの油路（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）の詳細については記載していない。

外部ロータ１の前面側にフロントプレート７を配置、外部ロータ１の後面側にリヤプレート８を配置し、このフロントプレート７とリヤプレート８とで外部ロータ１を挟み込む形態でこれらを固定ボルト９によって連結固定している。このリヤプレート８の外周には、タイミングスプロケット８Ｓが一体的に形成され、このタイミングスプロケット８Ｓとエンジンのクランクシャフトに取り付けられたスプロケットとの間にタイミングチェーンが架設される。

また、外部ロータ１（駆動側回転部材）と、内部ロータ２（従動側回転部材）との間に回転軸芯Ｘを中心とする方向に付勢力を作用させる戻しバネ１０を備えている。この戻しバネ１０は、内部ロータ２が最遅角から進角側の所定の回転位相に達するまで付勢力を作用させ、内部ロータ２が所定回転位相を進角側に超えた領域では付勢力を作用させない機能を有するものであり、トーションバネやゼンマイバネが用いられる。

〔ボス部材〕
図１〜図４に示すように、内部ロータ２のうち、後面側に回転軸芯Ｘを中心としたシリンダ内面状の凹部２Ａが形成され、この凹部２Ａにボス部材１２が嵌め込まれている。このボス部材１２は焼結金属等の耐摩耗性の高い材料が用いられ、円柱状のボス部本体１２Ａと、後面側に形成されるディスク状部１２Ｂとが一体的に形成されている。その中心には連結ボルト１３が挿通する貫通孔１２Ｃが形成され、ディスク状部１２Ｂの後面側には回転軸芯Ｘに対して直交する姿勢で平滑に仕上げられたスラスト面１２Ｓが形成されている。

外部ロータ１の後面側にはボス部材１２が挿通するように回転軸芯Ｘを中心とした円形の開口１Ａが形成され、この開口１Ａに対してボス部材１２のボス部本体１２Ａの外周が軽く当接した状態で夫々の相対回転が許容されるように寸法関係が設定されている。

内部ロータ２に形成された第１油路Ｌ１と第２油路Ｌ２と第３油路Ｌ３とは、ボス部材１２に形成された貫通孔で成る油路を介して、カムシャフト３に形成された第１油路Ｌ１、第２油路Ｌ２、第３油路Ｌ３夫々に連通している。夫々の油路を相対的な位置関係を維持するため、ボス部材１２のボス部本体１２Ａには、回転軸芯Ｘと平行姿勢の嵌合孔１２Ｄが回転軸芯Ｘと平行する姿勢で穿設されている。また、カムシャフト３の端面には嵌合孔１２Ｄと対向する位置に嵌合孔３Ｄが形成され、内部ロータ２の凹部２Ａには嵌合孔１２Ｄと対向する位置に嵌合孔２Ｄが形成され、これらに嵌め込まれる位相決め手段としての嵌合ピン１４が備えられている。

シリンダヘッド４には、電磁制御弁（図示せず）と連通する第１油路Ｌ１と第２油路Ｌ２と第３油路Ｌ３が形成され、カムシャフト３の外周面には、第１油路Ｌ１と第２油路Ｌ２と第３油路Ｌ３とを連通する油路孔が形成されている。

カムシャフト３には回転軸芯Ｘと同軸芯となるボルト孔が形成され、このボルト孔は、外端側の内径を連結ボルト１３の外形より大径化することで、このボルト孔を第１油路Ｌ１に兼用している。このカムシャフト３の内部には端面の油路孔に連通する形態で第２油路Ｌ２と第３油路Ｌ３とが形成されている。

前述したボス部材１２の貫通孔１２Ｃの内径も連結ボルト１３の外形より大径化することで第１油路Ｌ１に兼用されている。更に、このボス部材１２には内部ロータ２の第２油路Ｌ２と、カムシャフト３の第２油路Ｌ２とを連通させる第２油路Ｌ２が穿設される。これと同様に、ボス部材１２には、内部ロータ２の第３油路Ｌ３とカムシャフト３の第３油路Ｌ３とを連通させる第３油路Ｌ３が形成されている。

このような構成であることから、弁開閉時期制御装置を組み立て、カムシャフト３に対して連結ボルト１３で連結固定した状態では、内部ロータ２の嵌合孔２Ｄと、ボス部材１２の嵌合孔１２Ｄと、カムシャフト３の嵌合孔３Ｄとが嵌合ピン１４によって予め設定された回転位相関係に保持される。また、弁開閉時期制御装置を組み立てた状態では、リヤプレート８におけるシリンダヘッド側の面より、ボス部材１２のスラスト面１２Ｓがシリンダヘッド側に少し突出する位置関係となる。そして、弁開閉時期制御装置をカムシャフト３に対して連結ボルト１３で連結固定した状態では、ボス部材１２のスラスト面１２Ｓとシリンダヘッド４の外壁面４Ｓとの間には僅かな隙間が形成される。

また、この連結状態では、内部ロータ２の第１油路Ｌ１とボス部材１２の第１油路Ｌ１とカムシャフト３の第１油路Ｌ１とが連通し、内部ロータ２の第２油路Ｌ２とボス部材１２の第２油路Ｌ２とカムシャフト３の第２油路Ｌ２とが連通し、内部ロータ２の第３油路Ｌ３とボス部材１２の第３油路Ｌ３とカムシャフト３の第３油路Ｌ３とが連通する。

尚、カムシャフト３のボルト挿通孔を第１油路Ｌ１に兼用しているが、このカムシャフト３の油路を第１油路Ｌ１としても良く、第２油路Ｌ２と第３油路Ｌ３とを任意の位置に形成できる。

〔作動形態〕
これにより、弁開閉時期制御装置は、エンジンの稼働時おいて電磁制御弁の制御によりシリンダヘッド４、カムシャフト３、ボス部材１２、内部ロータ２夫々の第１油路Ｌ１を介して遅角室２１に作動油が供給された場合には、ベーン５に作用する圧力で遅角室２１の容積が拡大する。これにより、進角室２２の作動油が内部ロータ２、ボス部材１２、カムシャフト３、シリンダヘッド４夫々の第２油路Ｌ２を介して排出される。この結果、外部ロータ１に対して内部ロータ２が矢印Ｔ１の方向に移動する。

これとは逆に、弁開閉時期制御装置は、エンジンの稼働時において電磁制御弁の制御によりシリンダヘッド４、カムシャフト３、ボス部材１２、内部ロータ２夫々の第２油路Ｌ２を介して進角室２２に作動油が供給されることで、ベーン５に作用する圧力で進角室２２の容積が拡大する。これにより、遅角室２１の作動油が内部ロータ２、ボス部材１２、カムシャフト３、シリンダヘッド４夫々の第１油路Ｌ１を介して排出される。この結果、外部ロータ１に対して内部ロータ２が矢印Ｔ２の方向に移動する。このようにクランクシャフトの回転位相に対するカムシャフト３の回転位相を変化させて吸気弁又は排気弁の開閉時期の制御を実現する。

ロック部材２３はエンジンの始動直後において作動油の圧力が不安定な状況にある場合に外部ロータ１と内部ロータ２とを設定された相対回転位相に拘束（ロック）する機能を有するものであり、クランクシャフトの回転位相に対するカムシャフト３の回転位相をエンジンの始動に適した位相に維持し、エンジンの安定的な回転を現出する。このロック状態を現出するには第３油路Ｌ３を排油状態に設定することになる。

エンジンの始動の後にエンジンの回転が安定した後には、電磁制御弁の制御により第３油路Ｌ３に作動油を供給することでロック部材２３は、外部ロータ１のロック凹部から分離しロックが解除される。

特に、カムシャフト３がシリンダヘッド４の内部に引き込まれる方向に変位した場合には、ボス部材１２のスラスト面１２Ｓがシリンダヘッド４の外壁面４Ｓに当接する状態に達し、スラスト軸受と同様にカムシャフト３の変位を抑制することになる。このようにボス部材１２のスラスト面１２Ｓがシリンダヘッド４の外壁面４Ｓに当接する状態では、リヤプレート８やタイミングチェーンが外壁面４Ｓに接触しない。よって、リヤプレート８やタイミングチェーンを摩耗させることや異音を発生させることがなく、しかも、弁開閉時期制御装置の応答性を低下させることがない。更に、内部ロータ２を耐摩耗性が高い材料を用いて形成する必要がなく、コストの低減に繋がり、ロータの加工も容易に行える。

〔実施の形態の効果〕
前述したように、弁開閉時期制御装置は、フロントプレート７とリヤプレート８とで外部ロータ１と内部ロータ２とを挟み込む構造を有し、これらの間に形成される流体圧室に作動油が供給されるため、作動油のリークを伴うものである。従って、ボス部材１２のスラスト面１２Ｓがシリンダヘッド４の外壁面４Ｓに当接する状態に達しても弁開閉時期制御装置からリークする作動油が、スラスト面１２Ｓとシリンダヘッド４の外壁面４Ｓとの間に潤滑油として供給され、耐久性を一層向上させると云う良好な面も現出する。

内部ロータ２とボス部材１２とカムシャフト３とを単一の嵌合ピン１４で嵌合させて回転位相を決めているので、例えば、スプライン型等の嵌合構造を用いるものと比較して、加工が単純でありながら、３種の油路の連通を確実に行わせるものにしている。

〔別実施の形態〕
本発明は、上記した実施の形態以外に以下のように構成しても良い。

（ａ）位相決め手段として、内部ロータ２とボス部材１２との位相決めを行うピンと、ボス部材１２とカムシャフト３との位相決めを行うピンとの別個のピンを備えても良い。尚、このピンは２つ以上備えても良い。

（ｂ）位相決め手段として、内部ロータ２とボス部材１２との相対位置を決めるように角孔と角柱等の嵌合構造を備え、ボス部材１２とカムシャフト３との相対位置を決めるように同様の嵌合構造を備えても良い。

（ｃ）弁開閉時期制御装置の電磁制御弁をシリンダヘッド４の外部に備える。このように構成することにより、シリンダヘッド４とカムシャフト３との間に形成される油路の数を低減することや、油路を省略することも可能となり、ボス部材１２の構造を簡素化する。

（ｄ）本発明では、シリンダヘッド４の外壁面４Ｓのうちボス部材１２に対向する部位がボス部材１２の方向の突出する構造であれば、ボス部材１２のスラスト面１２Ｓが、タイミングスプロケット８Ｓよりシリンダヘッド４の外壁面４Ｓに突出している必要はない。つまり、スラスト面１２Ｓとタイミングスプロケット８Ｓの裏面側とが同一面、あるいは、スラスト面１２Ｓよりタイミングスプロケット８Ｓの裏面側がシリンダヘッド４の方向に突出する構成でも良い。このような構成においてもカムシャフト３がシリンダヘッド４の内部に引き込まれる方向に変位した場合には、外壁面４Ｓに対してボス部材１２のスラスト面１２Ｓを当接させ得るものとなる。

本発明は、クランクシャフトと同期して回転する駆動側回転部材と、カムシャフトと一体回転する従動側回転部材とを備えている弁開閉時期制御装置に利用することができる。

１ 駆動側回転部材（外部ロータ）
２ 従動側回転部材（内部ロータ）
２Ａ 凹部
２Ｄ 嵌合孔
３ カムシャフト
４Ｓ 外壁面
１２ ボス部材
１２Ｄ 嵌合孔
１２Ｓ スラスト面
１４ 位相決め手段・嵌合ピン
２１ 遅角室
２２ 進角室
Ｘ 回転軸芯

Claims (4)

1. 内燃機関のクランクシャフトに対して同期回転する駆動側回転部材と、
   前記駆動側回転部材に対して相対回転可能に同軸に配置され、前記内燃機関の弁開閉用のカムシャフトに対して一体回転する従動側回転部材と、
   前記駆動側回転部材と前記従動側回転部材とにより形成され、容積拡大により前記駆動側回転部材に対する前記従動側回転部材の相対回転位相を遅角方向に移動させる遅角室、および、容積拡大により前記相対回転位相を進角方向に移動させる進角室を備え、前記進角室又は遅角室に対する作動油の給排により駆動側回転部材と従動側回転部材との回転位相を調節する回転位相調節系が構成され、
   前記従動側回転部材のうち前記内燃機関の外壁面に対向する部位に、前記カムシャフトの回転軸芯と直交する姿勢で、前記内燃機関の外壁面側に露出する平滑なスラスト面を有したボス部材が備えられ、
   前記ボス部材が前記外壁面に当接することで、前記駆動側回転部材の前記外壁面への当接を回避する弁開閉時期制御装置。
2. 前記従動側回転部材のうち内燃機関の外壁面に対向する部位に、前記カムシャフトの回転軸芯を中心とするシリンダ内面状の凹部が形成され、前記ボス部材が前記凹部に嵌め込まれている請求項１記載の弁開閉時期制御装置。
3. 前記ボス部材とカムシャフトとの相対回転を阻止する位相決め手段が備えられている請求項１又は２記載の弁開閉時期制御装置。
4. 位相決め手段が、前記従動側回転部材の嵌合孔と、ボス部材の嵌合孔とに嵌合するピンで構成されている請求項３記載の弁開閉時期制御装置。

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