JP5655097B2 - エネルギーを回収する電気式カム軸位相調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンのクランク軸とカム軸との間の位相関係を変化させることによって内燃機関における燃焼弁のタイミングを変化させるためのカム軸位相調整装置に関し、より詳細には、位相関係を変化させるために調整歯車駆動装置が電気式モータ（ｅモータ）によって制御され、また本明細書で「電気式可変カム位相調整装置」（ｅＶＣＰ）と呼ばれる、無給油カム軸位相調整装置に関する。

内燃機関における燃焼弁のタイミングを変化させるためのカム軸位相調整装置（「カム位相調整装置」）がよく知られている。スプロケット要素として一般に知られている第１の要素は、エンジンのクランク軸からの鎖、ベルト、または歯車装置によって駆動される。カム軸プレートとして一般に知られている第２の要素は、エンジンのカム軸の端部に取り付けられる。

そのようなカム位相調整装置が電気的に作動される場合、遊星歯車または調和駆動機構などの、３軸の機構が設けられる。カム位相調整装置とともに使用するのに適した３軸の動力伝達装置の例には、太陽歯車、遊星キャリヤに取り付けられた遊星歯車、および内歯車を有する遊星歯車システム、またはウェーブジェネレータ、フレクスプライン(flex-spline)、およびサーキュラスプラインを有する調和駆動システムが含まれる。

本明細書に参照により援用される米国特許第７，４２１，９９０Ｂ２号は、カム軸および位相調整装置の共通軸に沿って互いに向かい合いかつ共通の可撓性スプライン（フレクスプライン）によって接続された第１および第２の調和歯車駆動装置を備える、ｅＶＣＰを開示している。第１の、すなわち入力の調和駆動装置は、エンジンスプロケットによって駆動され、第２の、すなわち出力の調和駆動装置は、エンジンカム軸に接続される。

自動車産業における現在の傾向は、自動車両のエネルギー消費を最適化することである。

本発明の主たる目的は、エネルギー消費を最適化するためのｅＶＣＰを提供することである。

本発明は、内燃機関におけるクランク軸とカム軸との間の位相関係を制御可能に変化させるための電気式カム軸位相調整装置であって、クランク軸に接続された駆動軸と、カム軸に接続された出力軸と、電気機械の制御軸に接続された調整軸とを含む３軸の動力伝達装置として形成された調整歯車駆動装置を備え、電気機械が、位相保持モード中回転している制御軸の制御軸速度を増減することにより、クランク軸に対するカム軸の位相調整を可能にする、装置において、電気エネルギーを生成するために制動トルクが制御軸に印加される、エネルギー回収モードが設けられるように調整歯車駆動装置が構成され、前記制動トルクが位相保持モード中に制御軸に印加され、前記制動トルクが制御軸上のカム軸摩擦トルクを相殺することを特徴とする、電気式カム軸位相調整装置を提供する。

本発明により、カム軸上の摩擦などによるトルク損失を、調整歯車駆動装置を通じて回収することができる。したがって、被駆動機構（カム軸）内の摩擦によって制御軸上の力行トルクが生成されて、制御軸と同じ方向に回転すると、電気機械は、電気式モータモードから発電機モードに切り替わる。この形態において、電気エネルギーを回収することができる。

本発明の有利な特徴によれば、
− 調整歯車駆動装置は、機械的なカム軸の摩擦によるトルク損失の回収による電気エネルギーの生成を実現するために、制御軸がカム軸と逆の方向に回転するように構成される。
− 調整歯車駆動装置は、サーキュラスプラインと、ダイナミックスプラインと、前記サーキュラスプラインおよび前記ダイナミックスプラインの内側に配置されたフレクスプラインと、前記フレクスプラインの内側に配置されたウェーブジェネレータとを備える調和歯車駆動装置であり、前記電気機械が、前記ウェーブジェネレータに接続される。
− 少なくとも１つのばねが、前記サーキュラスプラインおよび前記ダイナミックスプラインのうちの一つを押圧してカム軸位相調整装置を初期回転位置まで移動させるように、前記サーキュラスプラインおよび前記ダイナミックスプラインに操作的に接続される。
− 前記電気機械が、ＤＣ軸方向磁束モータである。

調和歯車駆動装置が使用される場合、エネルギー損失が回収されるカム位相調整装置の機能モードを選択するために、ダイナミックスプラインに関するサーキュラスプラインの配置を替えることが容易に可能であることに留意すべきである。

本発明はまた、上述の電気式カム軸位相調整装置の制御方法であって、
− カム軸を位相調整するために、制御軸速度を増減するステップと、
− クランク軸とカム軸との間の位相を保持するために、制御軸速度を維持するステップと、を含む方法において、
電気エネルギーを生成するために制御軸に制動トルクを印加することによりエネルギー損失を回収するステップをさらに備え、回収するステップは、カム軸の摩擦トルクを相殺するために位相保持中に実施される、制御方法を提案する。

次に、例として添付図面を参照しながら、本発明を説明する。

本発明によるｅＶＣＰの組立分解等角図である。 図１に示したｅＶＣＰの横断立面図である。 明瞭性のためにｅモータ、カップリング、およびバイアスばねを省略した、図１および図２に示したｅＶＣＰの断面斜視図である。 バイアスばねの内側爪部を係合するための戻り止めを示した、ｅＶＣＰハブの斜視図である。 本明細書で基本スプライン配置と呼ばれるものであって、ダイナミックスプラインがカム軸を駆動し、サーキュラスプラインがスプロケットによって駆動される、ｅＶＣＰにおける第１の歯車装置関係を示す概略図である。 本明細書で逆スプライン配置と呼ばれるものであって、サーキュラスプラインがカム軸を駆動し、ダイナミックスプラインがスプロケットによって駆動される、ｅＶＣＰにおける第２の歯車装置関係を示す概略図である。 調和歯車装置が本発明による機械式バイアスばねを備え、ｅモータが電磁ブレーキを備える場合の、例示的な基本ｅＶＣＰおよび逆ｅＶＣＰに対する進み時間および遅れ時間を示す第１の表である。 調和歯車装置が機械式バイアスばねを備え、ｅモータが電磁ブレーキを有さない場合の、例示的な基本ｅＶＣＰおよび逆ｅＶＣＰに対する、進み時間および遅れ時間を示す第２の表である。 基本スプライン配置のための幾つかの構成部品の回転方向を示した、本発明のｅＶＣＰの正面図である。

本明細書に提示された各例示は、本発明の現在好ましい実施形態を示す。かかる例示は、いかなる方法によっても本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
図１から図４を参照すると、本発明によるｅＶＣＰ１０は、好ましくは平坦な調和歯車駆動装置１２である調整歯車駆動装置１２と、調和歯車駆動装置１２に操作的に接続された好ましくはＤＣ電動機（ｅモータ）である電気機械１４と、調和歯車駆動装置１２に操作的に接続されかつエンジン１８のクランク軸によって駆動される入力スプロケット１６と、調和歯車駆動装置１２に取り付けられかつエンジンカム軸２２の端部に取付け可能である出力ハブ２０と、出力ハブ２０と入力スプロケット１６との間に操作的に配置されたバイアスばね２４と、を備える。ばね２４は、ばねカセット２６の構成部品とすることができる。ｅモータ１４は、軸方向磁束ＤＣモータとすることができる。

調和歯車駆動装置１２は、下記のようにサーキュラスプラインまたはダイナミックスプラインのどちらであってもよい外側の第１のスプライン２８と、第１のスプライン２８の逆のスプライン（ダイナミックまたはサーキュラ）でありかつ第１のスプライン２８に隣接して同軸上に配置された外側の第２のスプライン３０と、第１および第２のスプライン２８、３０の両方の内方に放射状に配置され、かつ第１および第２のスプライン２８、３０の両方の内方に延在する歯に係合するように配置された外方に延在する歯を有する、フレクスプライン３２と、フレクスプライン３２の内方に放射状に配置され、かつフレクスプライン３２と係合する、ウェーブジェネレータ３４と、を備える。

フレクスプライン３２は、サーキュラスプラインよりわずかに小さいピッチ円直径上の外歯を有する非剛体リングである。フレクスプライン３２は、ウェーブジェネレータ３４に嵌合され、かつウェーブジェネレータ３４によって弾性的に撓められる。

サーキュラスプラインは、ウェーブジェネレータ３４の長軸と交差してフレクスプライン３２の歯と係合する内歯を有する剛体リングである。
ダイナミックスプラインは、フレクスプライン３２と同数の内歯を有する剛体リングである。ダイナミックスプラインは、フレクスプライン３２とともに回転し、出力部材として機能する。ダイナミックスプラインであるかそれともサーキュラスプラインであるかは、一方のスプラインを他方と区別するための、スプラインの外径にある面取り隅部３３によって識別することができる。

従来技術で開示されているように、ウェーブジェネレータ３４は楕円形軸受を支持する楕円形鋼円盤の組立体であり、その組み合わせがウェーブジェネレータ・プラグを画定する。可撓性の軸受保持器が、楕円形軸受を包囲しかつフレクスプライン３２と係合する。ウェーブジェネレータ・プラグの回転が、フレクスプライン３２内に回転波動を生成させる（実際には、２つの波動が１８０°離れて生成され、円盤の長楕円軸の両端に対応する）。

調和歯車駆動装置１２の組立て中、フレクスプラインの歯は、ウェーブジェネレータの長楕円軸の先およびその近傍で、サーキュラスプラインの歯およびダイナミックスプラインの歯の両方と係合する。ダイナミックスプラインがフレクスプラインの歯と同数の歯を有するので、ウェーブジェネレータの回転は、それらの間に１回転当たりの正味回転をもたらさない。しかし、サーキュラスプラインは、ダイナミックスプラインが有する歯よりもわずかに少ない歯を有し、したがって、ウェーブジェネレータ・プラグの回転中、サーキュラスプラインは、ダイナミックスプラインに先行して回転し、それらの間の歯車比を規定する（例えば、５０：１の歯車比は、ダイナミックスプラインに先行するサーキュラスプラインの１回転が、ウェーブジェネレータの５０回転に相当することを意味する）。したがって、調和歯車駆動装置１２は、高比率の歯車伝動装置である。すなわち、第１のスプライン２８と第２のスプライン３０との間の角度位相関係は、ウェーブジェネレータ３４の１回転ごとに、２％ずつ変化する。

当然ながら、当業者には明らかなように、サーキュラスプラインは、ダイナミックスプラインが有するよりもわずかに多くの歯を有していてもよく、この場合、下記の回転関係は逆になる。

図１および図２をなおも参照すると、スプロケット１６は、ボルト３８によって第１のスプライン２８に固定された全体的にカップ形状のスプロケットハウジング３６に支持される。カップリングアダプタ４０は、ウェーブジェネレータ３４に取り付けられ、スプロケットハウジング３６を貫通して延在し、スプロケットハウジング３６内に取り付けられたベアリング４２によって支持される。ｅモータ１４のモータ軸または制御軸４５に取り付けられ、ピン４６によってそれにピン止めされたカップリング４４は、カップリングアダプタ４０と係合し、第１のスプライン２８と第２のスプライン３０との間の位相関係を所望に応じて変えるために、ウェーブジェネレータ３４がｅモータ１４によって回転的に駆動されることを可能にする。

ハブ２０は、ボルト４８によって第２のスプライン３０に固定され、またハブ２０内の軸方向穴５１を貫通して延在する中央通しボルト５０によりカム軸２２に固着されてもよく、段付きスラスト座金５２、およびハブ２０に凹設されたフィルタ５４を捕捉する。ｅＶＣＰにおいて、入力ハブと出力ハブとの間のラジアル方向の振れを制限することが必要である。従来技術では、このことは、複数のころ軸受を設けて入力ハブと出力ハブとの間の同軸性を維持することによって成されてきた。図２を参照すると、本発明の一態様では、ラジアル振れは、ハウジング３６（入力ハブ）と出力ハブ２０との間の単一のジャーナル軸受接触面３５によって制限され、したがって、複数のころ軸受を有する従来技術のｅＶＣＰよりも、ｅＶＣＰ１０の全体的な軸方向長さおよびその製造費用が減少する。

ばねカセット２６は、ばね２４の両側に配置された底板５６および天板５８を備える。底板と天板５８との間に延在する肩付きばねスペーサ６０は、ばね２４のための作動空間をもたらし、またばね２４上の外側爪部６２のための留め具を提供する。ばねスペーサ６０は、天板５８を貫通してナット６４によって固着される。カセット２６をハウジング３６に固着するために、第１および第２の保持板６６が使用されてもよい。例えば、第１および第２の保持板６６は、スタッド６８によって天板５８上に配置されかつボルト７０によって底板５６に固着されてもよい。保持板６６は、スプロケットハウジング３６に形成された環状の溝またはスロットに係合するように、天板５８の縁部を越えて放射状に延在していてもよく、したがってばね２４の内側爪部７２が、ハブ２０内に形成された、２つの交互の戻り止め７４のうちの１つと係合するように、カセット２６を、ハブ２０上の所定の位置に軸方向に配置および固定する。保持板６６は、カセット２６をｅＶＣＰ１０に取り付けるための１つの構成のみ例示的に示されているが、当然ながら、他のすべての代替的な取付け構成が、本発明に完全に含まれる。

ｅモータが誤動作した際には、ばね２４は、エンジン１８が始動または稼働することになる第２のスプライン３０の回転位置までｅモータ１４の支援なしに調和歯車駆動装置１２を逆に駆動させるために付勢され、この位置は、力の及ぶ範囲（the range of authority）の最端位置のうちの１つの位置でもよく、または、本発明の一態様においては、位相調整装置の力の及ぶ回転範囲の最端位置の中間でもよい。例えば、ばね２４が調和歯車駆動装置１２を付勢する移動回転範囲は、位相調整装置の力の及ぶ範囲の端部停止位置より多少短く制限されてもよい。そのような構成は、アイドリングまたは再始動のための中間待機位置を必要とするエンジンに有用であろう。

次に図５および図６を参照すると、装置１２のような平坦な調和歯車駆動装置の利点は、援用された参照に開示されるようなカップ型の装置とは対照的に、装置１２を、スプロケットハウジング３６内に２つの配置のどちらにでも設置することができることである。基本スプライン配置（図５）では、第１の、すなわち入力スプライン２８は、サーキュラスプラインであって、スプロケットハウジング３６に接続され、第２のスプライン３０は、ダイナミックスプラインであって、ハブ２０に接続される。逆スプライン配置（図６）では、第１のスプライン２８は、ダイナミックスプラインであって、スプロケットハウジング３６に接続され、第２のスプライン３０は、サーキュラスプラインであって、ハブ２０に接続される。

ｅＶＣＰ１０における調和歯車駆動装置のフェイルセーフ動作は、２つの配置で同一ではない。したがって、所望の配置は、エンジンが停止されてｅモータ１４の電源が切られるとき、またはｅモータが不具合（故意ではない電源の入り切り）を起こしたときのフェイルセーフ応答時に、好ましい初期位置まで戻すためのｅＶＣＰ１０の応答時間を最短に抑えるために、設置中に選択することができる。両方の配置において、第２のスプライン３０である出力歯車は、第１のスプライン２８に対して回転する。サーキュラスプラインが第１のスプライン２８であり、ダイナミックスプラインが第２のスプライン３０である場合、図５（基本配置）に示されるように、ダイナミックスプラインは、ウェーブジェネレータの入力方向と逆の方向に回転する。しかし、ダイナミックスプラインが第１のスプライン２８であり、サーキュラスプラインが第２のスプライン３０である場合、図２および図６（逆配置）に示すように、サーキュラスプラインは、出力歯車であり、ウェーブジェネレータの入力方向と同じ方向に回転する。

図７を参照すると、例示的なｅＶＣＰが、バイアスばね２４と、さらにｅモータ１４上のフェイルセーフ電磁ブレーキ（図示しないが当技術分野で知られている）との両方を備える場合、図５に示される基本スプライン配置が、電源喪失時のフェイルセーフ進み時間が最短になるという理由から好ましいことが分かる。

図８を参照すると、例示的なｅＶＣＰが、バイアスばね２４を備えるが、ｅモータ１４上のフェイルセーフ電磁ブレーキを備えない場合、図６に示される逆スプライン配置が、電源喪失時のフェイルセーフ進み時間が最短になるという理由から好ましいことが分かる。

本発明によれば、調和歯車駆動装置１２は、エネルギー回収モードが設けられるように構成され、このモードでは、電気エネルギーを生成するために制動トルクがｅモータ１４の制御軸４５に印加される。

有利には、制動トルクは、位相保持モード中に制御軸４５に印加され、前記制動トルクは、制御軸４５上のカム軸の摩擦トルクを相殺する。
好ましくは、調和歯車駆動装置１２は、機械的なカム軸の摩擦によるトルク損失の回収による電気エネルギー生成を実現するために、制御軸４５がカム軸２２と逆の方向に回転するように構成される。これは、図９と関連して説明される図５の基本スプライン配置に関する事例である。

基本スプライン配置では、カム軸の位置を一定に保つ（位相調整しない）ために、制御軸速度をカム軸速度に同期させることにより、入力軸速度すなわち制御軸速度と、出力軸速度すなわちカム軸速度とを等しくする必要がある。カム軸２２の機械的摩擦のため、たとえスプロケット１６がカム軸２２をＦ１の方向（図９で時計方向）に駆動させていても、Ｆ２の方向（反時計方向）に負のトルクが生じる。この負のトルクは、制御軸４５の回転速度を上げる傾向がある。制御軸４５の回転を制動することにより、前記負のトルクの逆方向Ｆ３にトルクが生じ、電気機械１４を通じて電気エネルギーが生成される。

本発明は様々な特定の実施形態を参照して説明されたが、説明された本発明の概念の精神および範囲内で多数の変更がなされうることを理解されたい。より詳細には、フェイルセーフ構成は、省略されてもよく、または図に示された実施形態のものとは異なって設計されてもよい。さらに、３軸の伝動装置は、調和駆動システムの代わりに遊星歯車システムを備えてもよい。したがって、本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲の用語によって定義される全ての範囲を含む。

Claims (6)

1. 内燃機関におけるクランク軸（１８）とカム軸（２２）との間の位相関係を制御可能に変化させるための電気式カム軸位相調整装置（１０）であって、前記クランク軸（１８）に接続された駆動軸と、前記カム軸（２２）に接続された出力軸と、電気機械（１４）の制御軸（４５）に接続された調整軸とを含む３軸の動力伝達装置として形成された調整歯車駆動装置（１２）を備え、前記電気機械（１４）が、位相保持モード中回転している前記制御軸（４５）の速度を増減することにより、前記クランク軸（１８）に対する前記カム軸（２２）の位相調整を可能にする、装置において、
   電気エネルギーを生成するために制動トルクが前記制御軸（４５）に印加される、エネルギー回収モードが設けられるように前記調整歯車駆動装置（１２）が構成され、前記制動トルクが、位相保持モード中に前記制御軸（４５）に印加され、前記制動トルクが、前記制御軸（４５）上のカム軸摩擦トルクを相殺することを特徴とする、装置。
2. 機械的なカム軸の摩擦によるトルク損失の回収による電気エネルギーの生成を実現するために前記制御軸（４５）が前記カム軸（２２）と逆の方向に回転するように、前記調整歯車駆動装置（１２）が構成される、請求項１に記載の装置（１０）。
3. 前記調整歯車駆動装置（１２）が、サーキュラスプライン（２８）と、ダイナミックスプライン（３０）と、前記サーキュラスプライン（２８）および前記ダイナミックスプライン（３０）の内側に配置されたフレクスプライン（３２）と、前記フレクスプライン（３２）の内側に配置されたウェーブジェネレータ（３４）とを備える調和歯車駆動装置であり、前記電気機械（１４）が、前記ウェーブジェネレータ（３４）に接続されている、請求項１または２に記載の装置（１０）。
4. 少なくとも１つのばね（２４）が、前記サーキュラスプライン（２８）および前記ダイナミックスプライン（３０）のうちの１つを押圧して前記カム軸位相調整装置（１０）を初期回転位置まで移動させるために、前記サーキュラスプライン（２８）および前記ダイナミックスプライン（３０）に操作的に接続される、請求項３に記載の装置（１０）。
5. 前記電気機械（１４）が、ＤＣ軸方向磁束モータである、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置（１０）。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の電気式カム軸位相調整装置（１０）の制御方法であって、
   カム軸（２２）を位相調整するために制御軸速度を増減するステップと、
   クランク軸（１８）とカム軸（２２）との間の位相を保つために制御軸速度を維持するステップと、を含む方法において、
   電気エネルギーを生成するために制御軸（４５）に制動トルクを印加することによりエネルギー損失を回収するステップをさらに備え、前記回収するステップは、カム軸の摩擦トルクを相殺するために位相保持中に実施される、制御方法。

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