JP6015604B2 - バルブタイミング調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸気弁および排気弁の少なくともいずれか一方のバルブタイミングを調整するバルブタイミング調整装置に関する。

従来、内燃機関のクランクシャフトと同期回転するハウジングと、カムシャフトにクランクシャフトの駆動力を伝達するベーンロータとを備え、ハウジングに対するベーンロータの相対回転による位相差により吸気弁および排気弁の少なくとも一方の開閉タイミングを調整するベーン式のバルブタイミング調整装置が知られている。

ベーン式のバルブタイミング調整装置では、ベーンロータのベーンがハウジングのシューに接触することにより、ベーンロータの相対回転が制限される。接触時の衝撃によりベーンに割れが生じるのを防ぐために、ベーンロータは硬度が比較的に低い材料から構成される。一般に、ベーンロータはボルトによってカムシャフトに結合されるが、硬度の低いベーンロータを保護するために、スリーブボルトとベーンロータとの間には座金が設けられる。

また、ベーン式のバルブタイミング調整装置では、内燃機関の始動時におけるベーンロータの位相を制御するために、ベーンロータをハウジングに対する進角側へ付勢する付勢部材を用いることが知られている。例えば、特許文献１に記載されたバルブタイミング装置では、渦巻ばねを用いることによって、ベーンロータをハウジングに対する進角側へ付勢している。

特開２０１０−１８０８６２号公報

一般に、付勢部材として渦巻ばねを用いたバルブタイミング調整装置では、ベーンロータとカムシャフトとを結合するボルトの頭部の周囲に渦巻ばねが配置される。しかしながら、内燃機関の振動などにより、振動した渦巻ばねの挙動が不安定になることがあり、ひいては渦巻ばねの内周部分がボルト側に位置ずれしてしまう可能性がある。このような位置ずれが生じると、渦巻ばねの内周端が係止部から外れて渦巻ばねが装置から脱落してしまう恐れがある。

特許文献１のバルブタイミング調整装置では、ボルトとベーンロータとの間に設けられた座金に多角形状の外周面を有する突出部が形成されており、渦巻ばねは、内周端が座金の突出部に係止され、外周端がハウジングに係止されることにより付勢を行っている。ここで、渦巻ばねの内周端が座金の突出部に巻き付いていることによって、渦巻ばねの振動および位置ずれは抑制される。

しかしながら、特許文献１のバルブタイミング調整装置を製造するためには、上述の突出部が形成された特殊な形状の座金を準備せねばならず、また、座金自体の質量が大きくなる。また、渦巻ばねを座金の形状に合わせて数回折り曲げる加工が必要であり、装置を製造するための工数が増加してしまう。さらに、渦巻ばねが強力な付勢力を有する場合、装置の使用時に座金が渦巻ばねの付勢力を受け止めきれず、ベーンロータに対して回転してしまう可能性がある。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成によって、渦巻ばねの振動および位置ずれを抑制し、かつ、ベーンロータに対する座金の回転を防止することができるバルブタイミング調整装置を提供することにある。

本発明に係るバルブタイミング調整装置は、内燃機関の駆動力を駆動軸から従動軸に伝達する駆動力伝達系に設けられ、前記従動軸により開閉駆動される吸気弁および排気弁の少なくとも一方のバルブタイミングを調整するバルブタイミング調整装置である。当該装置は、駆動軸および従動軸の一方とともに回転し、回転方向に所定角度範囲で形成される収容室を有するハウジングと、駆動軸および従動軸の他方とともに回転し、収容室を進角室と遅角室とに区画し、遅角室および進角室に供給される作動油の圧力によりハウジングに対して進角方向または遅角方向へ相対回転するように駆動され、従動軸とは反対側に形成された嵌合穴を有するベーンロータと、ベーンロータに対して従動軸とは反対側に設けられており、ベーンロータの回転軸方向に貫通している係合孔を有する座金と、ベーンロータをハウジングに対し進角方向または遅角方向へ付勢する渦巻ばねと、座金の係合孔を挿通してベーンロータの嵌合穴に嵌合しており、かつ、渦巻ばねの最内周部に内側から当接しているストッパピンと、を備えている。

上記構成によれば、ベーンロータの嵌合穴に嵌合したストッパピンが座金の係合孔と係合可能であるため、渦巻ばねが強力な付勢力を有する場合でも、ベーンロータに対する座金の回転を防止することができる。また、ピンが渦巻ばねの最内周部に内側から当接しているため、渦巻ばねの振動および位置ずれを抑制することができる。

したがって、本発明に係るバルブタイミング調整装置によれば、１本のピンを用いる簡単な構成によって、渦巻ばねの振動および位置ずれを抑制し、かつベーンロータに対する座金の回転を防止することができる。

本発明の一実施形態によるバルブタイミング調整装置を示す図であり、図２のＩ−Ｉ線断面図である。 図１に示すバルブタイミング調整装置を矢印ＩＩ方向から見た上面図である。 図１に示すバルブタイミング調整装置のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 図１のバルブタイミング調整装置が適用された内燃機関を示す模式図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
まず、本実施形態のバルブタイミング調整装置１が設けられる内燃機関９０の駆動力伝達系について、図４を参照して概略を説明する。バルブタイミング調整装置１は、車両に搭載された内燃機関９０内でクランクシャフト９７からカムシャフト２、９４へ回転を伝達する駆動力伝達系に設置される。駆動力伝達系では、内燃機関９０の駆動軸としてのクランクシャフト９７に支持されるギア９８と、従動軸としてのカムシャフト２、９４に支持されるギアであるチェーンスプロケット３１、９５とにタイミングチェーン９６が巻き掛けられ、クランクシャフト９７からカムシャフト２に駆動力が伝達される。カムシャフト９４はカム機構を経由して吸気弁９１を開閉駆動し、カムシャフト２はカム機構を経由して排気弁９２を開閉駆動する。

本実施形態のバルブタイミング調整装置１は作動油を用いる油圧制御式であり、内燃機関９０の排気弁９２について始動時の位相を進角側に制御するものである。よって、バルブタイミング調整装置１は、カムシャフト２の端部に接続され、クランクシャフト９７とカムシャフト２との相対回転位相を調整して排気弁９２の所望の開閉タイミングを実現する。

（基本構成）
本実施形態のバルブタイミング調整装置１の基本構成について、図１〜図３を参照して説明する。バルブタイミング調整装置１は、ハウジング３、ベーンロータ５、座金６、規制機構７、ストッパピン８、および渦巻ばね１０等を備えている。

ハウジング３は、チェーンスプロケット３１およびシューハウジング３２を備える。チェーンスプロケット３１は、内燃機関９０の駆動軸としてのクランクシャフト９７とタイミングチェーン９６により結合し、クランクシャフト９７と同期して回転する（図４参照）。

従動軸としてのカムシャフト２は、チェーンスプロケット３１に対し相対回転可能にチェーンスプロケット３１に挿入され、チェーンスプロケット３１に対し所定の位相差をおいて回転する。チェーンスプロケット３１およびカムシャフト２は、図１に示す矢印ＩＩＩ方向から見て反時計回りに回転する。以下、この回転方向を進角方向とし、反回転方向を遅角方向とする。また、以下では説明のために、チェーンスプロケット３１およびカムシャフト２の回転軸方向を単に「軸方向」と称する。

シューハウジング３２は、前壁３４と、筒状に形成される周壁３６と、周壁３６から内側に延びるシュー３７、３８、３９とを有しており、これらは一体に形成されている。シューハウジング３２は、ボルト３３によりチェーンスプロケット３１と同軸上に固定されている。

シュー３７、３８、３９は、周壁３６の周方向に略等間隔に設けられる。シュー３７とシュー３８との間に収容室４１が区画され、シュー３８とシュー３９との間に収容室４２が区画され、シュー３９とシュー３７との間に収容室４３が区画されている。前壁３４には凸部３１１が設けられている。

ベーンロータ５は、ハウジング３に対し相対回転可能な状態でハウジング３内に収容され、カムシャフト２の軸方向の端面と当接している。また、ベーンロータ５はカムシャフト２と結合するためのボルト孔５５を有する。

ベーンロータ５は、カムシャフト２に固定される円筒状のボス５１と、ボス５１の外側に突出するベーン５２、５３、５４とを有している。ボス５１は、シューハウジング３２の前壁３４側の面に、カムシャフト２側へ円筒状に凹む凹部５６を有する。

ベーン５２、５３、５４は、収容室４１、４２、４３内に回転可能に収容されている。ベーン５２は、収容室４１を進角室４４と遅角室４７とに仕切っている。ベーン５３は、収容室４２を進角室４５と遅角室４８とに仕切っている。ベーン５４は、収容室４３を進角室４６と遅角室４９とに仕切っている。図３に示す進角方向、遅角方向を表す矢印は、ハウジング３に対するベーンロータ５の進角方向、遅角方向を表している。

座金６は、ボルト孔６１を有する略円形の板状であり、ボス５１の凹部５６内に配置されている。座金６のボルト孔６１およびベーンロータ５のボルト孔５５には、スリーブボルト２１が挿入され、座金６およびベーンロータ５はカムシャフト２に固定されている。ここで、座金６は、スリーブボルト２１とベーンロータ５との間に挟まれることにより、スリーブボルト２１の締め付けからベーンロータ５を保護している。

規制機構７は、ベーン５２に設けられたストッパピストン７１と、前壁３４に設けられた嵌合リング７２とを備えている。ストッパピストン７１は、ベーン５２を軸方向に貫通して形成された孔に軸方向に往復移動自在に収容されている。嵌合リング７２は、前壁３４に圧入保持されている。ストッパピストン７１は、ベーンロータ５が最進角側に位置するときに嵌合リング７２に嵌合可能である。ストッパピストン７１が嵌合リング７２に嵌合した状態においてベーンロータ５のハウジング３に対する相対回転は拘束されている。

渦巻ばね１０は、素線を巻回すことにより略渦巻状に形成されている。本実施形態では、素線は角線すなわち断面矩形状の線材である。渦巻ばね１０は、軸方向に垂直な平面内で渦巻形を有するように、シューハウジング３２の前壁３４上に設けられている。

渦巻ばね１０の外周端１１は、シューハウジング３２の前壁３４に形成された凸部３１１に係止されている。このため、渦巻ばね１０の外周端１１はハウジング３の相対回転方向と同期して回転する。一方、渦巻ばね１０の内周端１２は、後述にて詳細を説明するが、座金６の係止溝６３に係止されている。このため、渦巻ばね１０の内周端１２はベーンロータ５の相対回転方向と同期して回転する。渦巻ばね１０の復元力は、ハウジング３に対してベーンロータ５を進角側に相対回転させるトルクとして働く。すなわち、渦巻ばね１０は、ベーンロータ５をハウジング３に対し進角方向に付勢している。

次に、バルブタイミング調整装置１の一般作動について図１および図３を用いて簡単に説明する。なお、図１および図３は、バルブタイミング調整装置１がベーンロータの位相を進角制御している状態を示している。

内燃機関停止状態では、ストッパピストン７１が嵌合リング７２に嵌合し、カムシャフト２がクランクシャフト９７に対して最進角位置に保持されている。内燃機関始動後、作動油が規制機構７の周囲に十分に供給されると、油圧によりストッパピストン７１が嵌合リング７２から抜け出すため、ベーンロータ５はハウジング３に対して相対回転自在となる。その後、制御回路が各進角室および各遅角室に加わる油圧を制御することにより、クランクシャフト９７に対するカムシャフト２の位相差が調整される。

例えば、バルブタイミング調整装置１が遅角作動するとき、油圧ポンプから吐出される作動油は、遅角室４７、４８、４９に供給される。遅角室４７、４８、４９の油圧がベーン５２、５３、５４に作用し、ベーンロータ５を遅角側に付勢するトルクを発生する。油圧の発生するトルクが、渦巻ばね１０の発生するトルクに抗し、ベーンロータ５は、ハウジング３に対し遅角側に回転する。

一方、バルブタイミング調整装置１が進角作動するとき、油圧ポンプから吐出される作動油は、進角室４４、４５、４６に供給される。進角室４４、４５、４６の油圧は、ベーン５２、５３、５４に作用し、ベーンロータ５を進角側に付勢するトルクを発生する。進角室４４、４５、４６の油圧の発生するトルクと、渦巻ばね１０の復元力がベーンロータ５を進角側へ回転させるトルクとの合力により、ベーンロータ５はハウジング３に対し進角側に回転する。

（特徴構成）
次に、本発明の一実施形態によるバルブタイミング調整装置１の特徴構成について、図１および図２を参照して説明する。

本実施形態において、座金６は、係合孔および係止孔として、ストッパピン８が挿通する係合溝６２と、渦巻ばね１０の内周端１２が挿通する係止溝６３とを有している。係合溝６２および係止溝６３は、座金６の外側から回転軸に直交する方向に凹むように形成されている。係合溝６２および係止溝６３と回転軸とを結んでできる中心角αは任意の角度に設定可能である。なお、本実施形態において、係合溝６２と係止溝６３との幅および深さは等しい。

また、本実施形態において、ベーンロータ５は、嵌合穴および収容穴として、ストッパピン８が嵌合している嵌合穴５７と、渦巻ばね１０の内周端１２が挿入されている収容穴５８とを有している。嵌合穴５７は、係合溝６２と対向する位置に軸方向に延びている。また、収容穴５８は、係止溝６３と対向する位置に軸方向に延びている。

ストッパピン８は、略円筒形のピンである。ストッパピン８は、座金６の係合溝６２を軸方向に挿通してベーンロータ５の嵌合穴５７に嵌合している。本実施形態では、ストッパピン８は嵌合穴５７に圧入されてベーンロータ５に固定されている。また、ストッパピン８の直径は係合溝６２の幅と略等しく、ストッパピン８の側面は進角側および遅角側のいずれにおいても係合溝６２の内壁に当接している。

ストッパピン８の一端である端部８１は、ベーンロータ５および座金６から突出しており、さらにシューハウジング３２の前壁３４よりもカムシャフト２とは反対側に突出している。また、ストッパピン８の端部８１は、渦巻ばね１０の最内周部１３に対して内側から外側へ向けて荷重を加えた状態で接している。なお、渦巻ばね１０の最内周部１３とは、渦巻ばね１０の内側から１重目の巻きを成す素線の内側部分を示している。

渦巻ばね１０の内周端１２は、巻きを成す部分から軸方向へ略垂直に延びるよう折れ曲がっており、座金６の係止溝６３を軸方向に挿通して、ベーンロータ５の収容穴５８に挿入されている。係止溝６３の幅は渦巻ばね１０の素線の直径と略等しく、係止溝６３は渦巻ばね１０の内周端１２を係止している。一方、収容穴５８の直径は渦巻ばね１０の素線の直径および係止溝６３の幅よりも大きく、内周端１２が収容穴５８の内壁に接しないよう、内周端１２と収容穴５８の内壁との間には隙間が存在している。

（効果）
本実施形態では、ベーンロータ５の嵌合穴５７に固定されたストッパピン８の側面が、座金６の係合溝６２の内壁に当接している。このような構成によれば、渦巻ばね１０が強力なトルクを有していたとしても、ストッパピン８は、座金６がベーンロータ５に対する進角方向に回転してしまうことを防止することができる。また、ストッパピン８は、座金６をベーンロータ５に対して位置決めすることも可能である。

また、ストッパピン８は渦巻ばね１０の最内周部１３に内側から荷重を加えた状態で当接しているため、渦巻ばね１０の振動および位置ずれを効果的に抑制することができる。これにより、渦巻ばね１０はベーンロータ５に対して安定したトルクを与えることができる。また、渦巻ばね１０の内周端１２が座金６から外れることを防止することができる。

したがって、本実施形態のバルブタイミング調整装置１によれば、ストッパピン８が座金６の回り止めを行う機能に加え、渦巻ばね１０の振動および位置ずれを抑制する機能を兼ねることができるため、質量の大きくなる複雑な構成の部品を用いずとも、安定した動作を行うバルブタイミング調整装置１を提供することができる。

また、本実施形態において、渦巻ばね１０の内周端１２を係止する方法は、渦巻状の素線の一端を一度、略垂直に軸方向へ折り曲げて、係止溝６３に挿入するのみの簡単なものである。よって、バルブタイミング調整装置１の製造工数を削減することができる。

さらに、渦巻ばね１０の内周端１２は、座金６の係止溝６３を挿通してベーンロータ５の収容穴５８内に達するまで深く差し込まれているため、渦巻ばね１０が係止溝６３からはずれることが防止される。それと共に、収容穴５８の直径は渦巻ばね１０の素線の直径よりも大きく設定されており、渦巻ばね１０の内周端１２は収容穴５８の内壁に接しないように配置されているため、深く差し込まれた内周端１２がベーンロータ５を傷つけることはない。

また、本実施形態では、座金６の係合溝６２と係止溝６３との径が同じである。このため、座金６をベーンロータ５に組み付けるとき、座金６の表裏の区別を必要とせず、利便性が高いという利点がある。

（他の実施形態）
（ア）上述した実施形態において、ストッパピン８は、渦巻ばね１０の最内周部分１３に荷重を加えていたが、自由状態の最内周部分１３に対して単に接しているのみであってもよい。このような構成によっても、渦巻ばね１０の振動および位置ずれを抑制する効果を発揮することができる。

（イ）座金６の係合溝６２と係止溝６３との幅は、互いに異なるものであってもよい。例えば、ストッパピン８と渦巻ばね１０との最適な径が異なる場合には、それぞれの径に合わせて、係合溝６２および係止溝６３の幅を設定してもよい。

（ウ）上述した実施形態において、ストッパピン８の直径は、座金６の係合溝６２の幅と等しく、ストッパピン８の側面は進角側および遅角側のいずれにおいても係合溝６２の内壁に当接しているが、本発明はこれに限られない。すなわち、渦巻ばね１０のトルクが働く方向である進角方向に座金６が回転することがないよう、少なくともストッパピン８の側面が遅角側において係合溝６２の内壁に当接可能であればよい。

（エ）特許請求の範囲に記載する係合孔および係止孔は、上述した実施形態における係合溝６２および係止溝６のように、座金６を軸方向に貫通する孔の縁が座金６の外側で一部途切れた溝の形態を含んでいる。ただし、上述した実施形態において、係合溝６２および係止溝６３は、その両方または一方が、溝ではなく、周囲に縁を有する孔の形態であってもよい。

（オ）上述した実施形態は、内燃機関９０の排気弁９２に関して渦巻ばね１０がベーンロータ５を進角側に付勢するものであるが、本発明は吸気弁９１に関して適用してもよいし、渦巻ばね１０がベーンロータ５を遅角側に付勢するものであってもよい。

以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

１ ・・・バルブタイミング調整装置
２ ・・・カムシャフト（従動軸）
３ ・・・ハウジング
５ ・・・ベーンロータ
５７・・・嵌合穴
５８・・・収容穴
６ ・・・座金
６２・・・係合溝（係合孔）
６３・・・係止溝（係合孔）
８ ・・・ストッパピン
１０・・・渦巻ばね
１３・・・最内周部

Claims (4)

1. 内燃機関（９０）の駆動力を駆動軸（９７）から従動軸（２）に伝達する駆動力伝達系に設けられ、前記従動軸により開閉駆動される吸気弁（９１）および排気弁（９２）の少なくとも一方のバルブタイミングを調整するバルブタイミング調整装置（１）であって、
   前記駆動軸および前記従動軸の一方とともに回転可能であり、回転方向に所定角度範囲で形成されている収容室（４１、４２、４３）を有するハウジング（３）と、
   前記駆動軸および前記従動軸の他方とともに回転可能であり、前記収容室を進角室（４４、４５、４６）と遅角室（４７、４８、４９）とに区画し、前記進角室および前記遅角室に供給される作動油の圧力により前記ハウジングに対して進角方向または遅角方向へ相対回転するように駆動され、前記従動軸とは反対側に形成された嵌合穴（５７）を有するベーンロータ（５）と、
   前記ベーンロータに対し前記従動軸とは反対側に設けられ、前記ベーンロータの回転軸方向に貫通している係合孔（６２）を有する座金（６）と、
   前記ベーンロータを前記ハウジングに対し進角方向または遅角方向へ付勢する渦巻ばね（１０）と、
   前記座金の前記係合孔を挿通して前記ベーンロータの前記嵌合穴に嵌合しており、かつ、前記渦巻ばねの最内周部（１３）に内側から当接しているストッパピン（８）と、
   を備えることを特徴とするバルブタイミング調整装置。
2. 前記ストッパピンは、前記渦巻ばねの前記最内周部に対して外側へ向けて荷重をかけた状態で当接していることを特徴とする請求項１に記載のバルブタイミング調整装置。
3. 前記座金は、前記ベーンロータの回転軸方向に貫通している係止孔（６３）を有し、
   前記ベーンロータは、前記従動軸とは反対側に形成された収容穴（５８）を有し、
   前記渦巻ばねの内周端（１２）は、前記係止孔を挿通し、前記収容穴に当該収容穴の内壁との間に隙間を有して挿入されていることを特徴とする請求項１または２に記載のバルブタイミング調整装置。
4. 前記係合孔と前記係止孔とは、径が同じであることを特徴とする請求項３に記載のバルブタイミング調整装置。

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