JP6097074B2

JP6097074B2 - エンジン補機

Info

Publication number: JP6097074B2
Application number: JP2012286581A
Authority: JP
Inventors: 高橋　豊; 豊高橋
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2032-12-28
Also published as: JP2014129730A

Description

本発明は、エンジンのカムシャフトによって駆動されるエンジン補機に関し、特に駆動トルクが変動するエンジン補機をカムシャフトによって駆動する場合に発生する騒音、振動を低減したものに関する。

自動車のエンジンには、ブレーキブースタの作動に用いられる負圧を生成するため、ベーン式等のバキュームポンプが設けられる場合がある。
例えば特許文献１には、エンジンのカムシャフト等の駆動軸によってベーン式のバキュームポンプを駆動するとともに、駆動軸とポンプのロータとの寸法公差等に起因する偏心等を吸収するため、駆動軸とロータとの間にオルダムカップリングを設けることが記載されている。
また、特許文献２には、カムシャフトからサプライポンプに駆動力を伝達するオルダムカップリングにおいて、誤組立を防止するとともにばたつきを防止するため、所定の突起を設けることが記載されている。

特開２０１０−１１２３３２号公報特開２０１０−２４９１５１号公報

カムシャフトはカム山がバルブを駆動する際に、バルブスプリングからの反力等を受けるため、カムシャフトからバキュームポンプ等のエンジン補機に伝達される駆動トルクは所定の周期で変動することになる。
一方、バキュームポンプの駆動に必要な負荷トルクも、ロータ及びベーンの位置に応じて所定の周期で変動する。
このため、カムシャフトとバキュームポンプとの間にオルダムカップリングを介在させてバキュームポンプを駆動する場合、カムシャフトとバキュームポンプのロータとが回転方向にずれることに起因して、オルダムカップリングから打突音、衝撃音等の異音が発生する場合がある。
本発明の課題は、駆動トルクが変動するエンジン補機をカムシャフトによって駆動する場合に発生する騒音、振動を低減したエンジン補機を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、エンジンのクランクシャフトと同期して回転するカムシャフトによって駆動されるエンジン補機であって、前記カムシャフトから前記エンジン補機に伝達される駆動トルク及び前記エンジン補機の駆動に要する負荷トルクの一方が極大値をとる前記クランクシャフトの位相と、他方が極小値をとる前記クランクシャフトの位相とをクランク角にして９０度以上離間させたことを特徴とするエンジン補機である。
これによれば、カムシャフトからエンジン補機に伝達される駆動トルクが大きくなったときにエンジン補機の駆動に要する負荷トルクが小さくなってエンジン補機の回転速度が急激に加速したり、駆動トルクが小さくなったときに負荷トルクが大きくなってエンジン補機の回転速度が急激に減速することを防止でき、回転速度の急変による継手からの騒音や振動を抑制することができる。
なお、本明細書、特許請求の範囲等においては、「極大値」、「極小値」とは、駆動トルク変動、負荷トルク変動の波形において、例えばクランク角にして９０度以上の周期を有する比較的低次の成分によって発生するピーク値を示すものとし、短周期の高次成分に起因して多数出現するピーク値は含まないものとする。

請求項２に係る発明は、前記駆動トルク及び前記負荷トルクがそれぞれ極大値をとる前記クランクシャフトの位相と、それぞれ極小値をとる前記クランクシャフトの位相との少なくとも一方をクランク角にして４５度以内となるように近接させたことを特徴とする請求項１に記載のエンジン補機である。
これによれば、カムシャフトからエンジン補機に伝達される駆動トルクが大きくなったときにはエンジン補機の駆動に要する負荷トルクも大きくなるようにし、駆動トルクが小さくなったときには負荷トルクも小さくなるようにすることによって、エンジン補機の回転速度変化を抑制することができ、回転速度の急変による継手からの騒音や振動を抑制することができる。

請求項３に係る発明は、前記エンジン補機は、オルダムカップリングを介して前記カムシャフトによって駆動されるバキュームポンプであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジン補機である。

以上説明したように、本発明によれば、駆動トルクが変動するエンジン補機をカムシャフトによって駆動する場合に発生する騒音、振動を低減したエンジン補機を提供することができる。

本発明を適用したエンジン補機の実施例を有するエンジンの構成を示す模式図である。図１のエンジンに設けられるバキュームポンプの構成を示す模式図である。図１のエンジンにおけるカムシャフト、バキュームポンプ、及び、これらの間に設けられるオルダムカップリングを示す模式図である。バキュームポンプのベーン位相角を基準ベーン角に対して進角させた場合のオルダムカップリング外周部におけるカムシャフトとロータとの回転方向ずれ量の履歴を示すグラフである。バキュームポンプのベーン位相角を基準ベーン角に対して遅角させた場合のオルダムカップリング外周部におけるカムシャフトとロータとの回転方向ずれ量の履歴を示すグラフである。バキュームポンプのベーン位相角と最大となる回転ずれ量との相関を示すグラフである。バキュームポンプのベーン位相角とオルダムカップリングが発生する振動との相関を示すグラフである。カムシャフトからバキュームポンプに入力される駆動トルクとバキュームポンプの駆動に要する負荷トルクの履歴を示すグラフである。

本発明は、駆動トルクが変動するエンジン補機をカムシャフトによって駆動する場合に発生する騒音、振動を低減したエンジン補機を提供する課題を、カムシャフトからオルダムカップリングを介してエンジン補機（例えばバキュームポンプ）に入力される駆動トルク及びエンジン補機の駆動に要する負荷トルクの一方が極大値をとるクランクシャフト位相と他方が極小値をとるクランクシャフト位相とを離間させるとともに、駆動トルクと負荷トルクがそれぞれ極大値をとるクランクシャフト位相、それぞれ極小値をとるクランクシャフト位相を近接させることによって解決した。

以下、本発明を適用したエンジン補機の実施例について説明する。
実施例のエンジン補機は、エンジンのカムシャフトによって駆動され、ブレーキブースタの作動に用いられる負圧を生成するバキュームポンプである。
図１は、実施例のバキュームポンプを有するエンジンの構成を示す模式図である。
図１は、エンジンを上方から見た状態を示している。

エンジン１０は、例えば、乗用車等の自動車に搭載されて走行用動力源として用いられるものである。
エンジン１０は、一例として、水平対向４気筒の４ストロークガソリン又はディーゼルエンジンである。
エンジン１０は、クランクシャフト１１、ピストン１２、コンロッド１３、バルブ１４、カムシャフト１５、クランクスプロケット１６、カムスプロケット１７、タイミングチェーン１８等を有して構成されている。

クランクシャフト１１は、エンジン１０の出力軸であって、シリンダブロックに設けられたメインベアリングによって支持されるジャーナル部、ジャーナル部に対して偏心して配置されたクランクピン部、ジャーナル部とクランクピン部との間に設けられたクランクウェブ部等を有して構成されている。

ピストン１２は、シリンダ内に挿入され往復運動する部材である。
コンロッド（コネクティングロッド）１３は、ピストン１２に設けられたピストンピン、及び、クランクシャフト１１のクランクピン部にそれぞれ揺動可能に接続され、ピストン１２とクランクシャフト１１との間で力を伝達するものである。

バルブ１４は、シリンダ内に設けられた燃焼室内に新気（燃焼用空気）を導入する吸気ポート、及び、燃焼室から排ガスを排出する排気ポートをそれぞれ所定のバルブタイミングで開閉する弁体である。
カムシャフト１５は、バルブ１４を駆動するカム部を有する回転軸であって、シリンダヘッド内にクランクシャフト１１と平行に配置されている。
エンジン１０がＤＯＨＣエンジンである場合には、カムシャフト１５は吸気側（例えば上方）、排気側（例えば下方）にそれぞれ１本ずつが設けられる。

カムシャフト１５は、クランクスプロケット１６、カムスプロケット１７、タイミングチェーン１８等からなる駆動系によって、クランクシャフトの１／２の速度で回転駆動されている。
クランクスプロケット１６は、クランクシャフト１１の前端部に設けられた歯車である。
カムスプロケット１７は、カムシャフト１５の前端部に設けられた歯車であって、クランクスプロケット１６の２倍の歯数を有している。
タイミングチェーン１８は、クランクスプロケット１６及びカムスプロケット１７に架け渡され、クランクシャフト１１からカムシャフト１５に駆動力を伝達するものである。

エンジン１０における右バンクの吸気側のカムシャフト１５の後端部（クランクスプロケット１６とは反対側の端部）には、オルダムカップリング３０（図３参照）を介して、バキュームポンプ２０が設けられている。
バキュームポンプ２０は、カムシャフト１５によって駆動され、負圧式ブレーキブースタを作動させる負圧を生成するベーンポンプである。

図２は、バキュームポンプの構成を示す模式図であって、ハウジングの内部をロータの回転軸方向から見た状態を示している。
なお、図２において、クランクシャフト、カムシャフト、ベーンの位相については、本発明の参考例である基準値を示している。
以下、このときのカムシャフト１５に対するベーンの位相角を、「基準ベーン角」と称して説明する。
バキュームポンプ２０は、ハウジング２１、吸気口２２、排気口２３、ロータ２４、ベーン２５等を備えて構成されている。

ハウジング２１は、ロータ２４、ベーン２５等を収容する部材であって、例えばアルミニウム系等の軽合金によって形成されている。
ハウジング２１は、エンジン１０のシリンダヘッドに固定されている。
ハウジング２１の内部は、ロータ軸方向から見て実質的に楕円形に形成された空間部が形成されている。
この空間部は、空気の圧縮等を行なうチャンバとして機能する。
吸気口２２は、ハウジング２１の外周面部に形成された貫通孔及び配管が接続されるアタッチメントを有し、ハウジング２１の内部に空気を導入する部分である。
排気口２３は、ハウジング２１の内面におけるロータ回転軸と直交する平面部分（ベーンの側端と摺接する面部）に形成された開口であって、ハウジング２１から空気を排出する部分である。
排気口２３は、ロータ２４に隣接して配置されている。

ロータ２４は、オルダムカップリング３０を介してカムシャフト１５に接続され、カムシャフト１５に回転駆動されることによって、ハウジング２１に対してカムシャフト１５と１：１の回転数で相対回転する部材である。
ロータ２４は、実質的に円筒状に形成されるとともに、ハウジング２１内部の楕円状の空間部の中心に対して、短軸方向の一方にオフセットして配置されている。
ロータ２４は、ベーン２５をスライド可能に保持する溝部が形成されている。

ベーン２５は、例えば平板状に形成された部材であって、ロータ２４の溝部に、ロータ２４の径方向に沿ってスライド可能に保持されている。
ベーン２５は、ロータ２４の回転に応じてロータ２４に対してスライドしつつハウジング２１に対して相対回転する。
このとき、ベーン２５の両端部は、ハウジング２１の内周面と摺動する。
ベーン２５は、このような運動によって、吸気口２２から空気を吸入してこれを圧縮しつつ排気口２３が設けられた領域に搬送し、排気口２３から排出する。
図２に示すように、ベーン２５は、カムシャフト位相角が−３６°、クランクシャフト位相角が−７２°であるときに、中立位置となるチップ位置となるように構成されている。

このようなベーン式のバキュームポンプにおいては、クランクシャフト１１、カムシャフト１５の位相に対するベーン２５の位相によっては、運転時に騒音、振動の発生が顕著となることがわかっている。
こうした騒音、振動は、カムシャフト１５とロータ２４とを連結するオルダムカップリング３０から発生している。
図３は、図１のエンジンにおけるカムシャフト、バキュームポンプ、及び、これらの間に設けられるオルダムカップリングを示す模式図である。

オルダムカップリング３０は、カムシャフト１５とロータ２４との間に設けられ、これらの間の偏心を吸収しつつ駆動力の伝達を行う継手である。
オルダムカップリング３０は、カムシャフト１５とオルダムカップリング３０との間で、径方向に沿った相対並進移動を許容する第１のスライダ部３１と、ロータ２４とオルダムカップリング３０との間で、径方向に沿った相対並進移動を許容する第２のスライダ部３２とを備えている。
第１のスライダ部３１は、カムシャフト１５の端部に形成された突条、及び、オルダムカップリング３０側に設けられ、突条が挿入される溝部を有して構成されている。
第２のスライダ部３２は、ロータ２４の入力軸部の端部に形成された突条、及び、オルダムカップリング３０側に設けられ、突条が挿入される溝部を有して構成されている。
第１のスライダ部３１、第２のスライダ部３２の案内方向（突条及び溝部の延在方向）は、オルダムカップリング３０を中心軸方向から見たときに、例えば直交するように配置されている。

以上説明した構成の場合、カムシャフト１５からバキュームポンプ２０に入力される駆動トルクには、カムによる各気筒のバルブ駆動等に起因する周期的な変動が存在する。
一方、バキュームポンプ２０を駆動するのに必要な負荷トルクも、ベーンの位置に応じて周期的に変動するため、バキュームポンプ２０のロータ２４の回転速度も周期的に変動し、カムシャフト１５との間で回転ずれが生じる。

オルダムカップリング３０の第１のスライダ部３１、第２のスライダ部３２には、寸法公差等に起因して不可避的に設けられる隙間が存在することから、カムシャフト１５に対してロータ２４が回転方向にずれた場合、図３に示すように、オルダムカップリング３０ががたつく挙動を示し、他部品と衝突することによって打突音（衝撃音）が発生する。
このような衝撃音は、回転ずれが大きくなるほど顕著になると考えられる。

図４は、バキュームポンプのベーン位相角を基準ベーン角に対して進角させた場合のオルダムカップリング外周部におけるカムシャフトとロータとの回転方向ずれ量の履歴を示すグラフである。
図５は、バキュームポンプのベーン位相角を基準ベーン角に対して遅角させた場合のオルダムカップリング外周部におけるカムシャフトとロータとの回転方向ずれ量の履歴を示すグラフである。
図４、図５において、横軸はクランクシャフト１１の位相を示し、縦軸はシミュレーションによって算出された回転ずれ量を示している。
この回転ずれ量（浮き上がり量）は、カムシャフトの駆動トルク変動、及び、バキュームポンプの負荷トルク変動から両者の回転速度変動を解析によって算出し、その差分から求めたものである。
図４、図５に示すように、回転ずれは周期的に特定の位相において発生し、その大きさはベーンの位相によって異なることがわかる。

図６は、バキュームポンプのベーン位相角と最大となる回転ずれ量との相関を示すグラフである。
図６において、横軸は基準ベーン角に対するベーン位相角の進角量、遅角量を示し、縦軸は一周期中において最大となる回転ずれ量を示している。
また、図６には、エンジン低負荷時(一定車速走行相当)のときのデータと高負荷時（加速走行相当）のときのデータとをプロットしている。

図４乃至図６に示すように、いずれの負圧においても、ベーン位相角を基準ベーン角に対して進角させた場合に、回転ずれ量が顕著に低減されることがわかる。
特に、基準ベーン角に対するベーン位相角の進角量が３０〜６０°のときに回転ずれ量が顕著に少なくなり、特に４５°において最良となっていることがわかる。

図７は、バキュームポンプのベーン位相角とオルダムカップリングが発生する振動との相関を示すグラフである。
図７において、横軸は基準ベーン角に対するベーン位相角の進角量、遅角量を示し、縦軸はオルダムカップリング近傍でカムシャフト１５を保持するカムキャップの振動による加速度を示している。
また、図７には、エンジン低負荷時(一定車速走行相当)のときのデータと高負荷時（加速走行相当）のときのデータ（エンジン回転数はともに２０００ｒｐｍ）とをプロットしている。
図７においても、図６等において説明した傾向と同様の傾向がみられることがわかる。

以下、上述したような騒音、振動の発生メカニズムについて考察する。
図８は、カムシャフトからバキュームポンプに入力される駆動トルクとバキュームポンプの駆動に要する負荷トルクの履歴を示すグラフである。
図８において、横軸はクランク角を示し、縦軸はトルクを示している。
また、図８には、基準ベーン角のデータ、及び、ベーン位相角を＋４５°、＋６０°進角させたデータをそれぞれ示している。

図４、図５に示すように、基準ベーン角のものでは、クランク角が６１０〜６２０°付近において、回転ずれ量が極端に大きくなり、ここでのロータ２４の回転速度の急変が騒音、振動の原因になっていると考えられる。
図８に示すように、カムシャフトの駆動トルクは、クランク角６１０°付近において、極小値ｍｉｎ１をとる。
一方、基準ベーン角においては、バキュームポンプ２０の負荷トルクは、クランク角６２０°付近において、極大値ｍａｘ１をとる。
これによって、ロータ２４の回転速度が急減してカムシャフト１５との間に比較的大きな回転ずれが発生しているものと推定される。

これに対し、ベーン位相角を基準ベーン角に対して進角させることによって、負荷トルクが極大値ｍａｘ１をとるクランクシャフトの位相角を、駆動トルクが極小値ｍｉｎ１をとるクランクシャフトの位相角に対してずらすことが可能となる。
例えば、ベーン位相角を基準ベーン角に対して＋４５°進角させることによって、基準ベーン角における極大値ｍａｘ１に相当する極大値ｍａｘ２は、クランク角５３０°付近に出現するようになる。
また、クランク角５３０°近傍には、駆動トルクの極大値ｍａｘ３が存在する。
一方、駆動トルクの極小値ｍｉｎ１が出現するクランク角に近接したクランク角５９０°近傍には、負荷トルクの極小値ｍｉｎ２が存在する。

このように、駆動トルクが極小値をとるクランク位相角と、負荷トルクが極大値をとるクランク位相角とを離間させることによって、バキュームポンプ２０のロータ２４の回転速度が急減速することを抑制することができる。
また、駆動トルクが極大値をとるクランク位相角と、負荷トルクが極大値をとるクランク位相角とを近接させ、駆動トルクが極小値をとるクランク位相角と、負荷トルクが極小値をとるクランク位相角とを近接させることによって、ロータの回転速度変動を抑制することができる。
これによって、オルダムカップリング３０のカムシャフト１５及びロータ２４に対する挙動を抑制し、騒音や振動を低減することができる。

以上の検討・考察の結果、本実施例においては、ベーン２５の位相角を基準ベーン角に対して４５°又は６０°進角させることとした。
進角量が６０°である場合にも、程度の違いはあるが、４５°の場合と同様の傾向がみられる。
このような最適な進角量、遅角量そのものは、エンジンの気筒数、バルブタイミング等のカムシャフトの諸元や、バキュームポンプの構造等に依存するため、ケースバイケースではあるが、駆動トルク及び負荷トルクの一方が極大値をとるクランク位相角と、他方が極小値をとるクランク位相角とを、例えば９０°以上離間させることが好ましいと考えられる。
また、駆動トルクが極大値をとるクランク位相角と、負荷トルクが極大値をとるクランク位相角とを、例えば、４５°以内となるように近接させることが好ましいと考えられる。
また、駆動トルクが極小値をとるクランク位相角と、負荷トルクが極小値をとるクランク位相角とを、例えば、４５°以内となるように近接させることが好ましいと考えられる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
実施例においては、駆動トルクが極小値をとるクランク位相角と負荷トルクが極大値をとるクランク位相角とを離間させる構成としているが、駆動トルクが極大値をとるクランク位相角と負荷トルクが極小値をとるクランク位相角とを離間させる構成としても実質的に同様の効果を得られると考えられる。
また、カムシャフトによって駆動されるエンジン補機は、ベーン式のバキュームポンプに限らず、他の方式のバキュームポンプや、ポンプ以外の機器であってもよい。

１０エンジン１１クランクシャフト
１２ピストン１３コンロッド
１４バルブ１５カムシャフト
１６クランクスプロケット１７カムスプロケット
１８タイミングチェーン２０バキュームポンプ
２１ハウジング２２吸気口
２３排気口２４ロータ
２５ベーン３０オルダムカップリング
３１第１のスライダ部３２第２のスライダ部

Claims

エンジンのクランクシャフトと同期して回転するカムシャフトによって駆動されるエンジン補機であって、
前記カムシャフトから前記エンジン補機に伝達される駆動トルク及び前記エンジン補機の駆動に要する負荷トルクの一方が極大値をとる前記クランクシャフトの位相と、他方が極小値をとる前記クランクシャフトの位相とをクランク角にして９０度以上離間させたこと
を特徴とするエンジン補機。
前記駆動トルク及び前記負荷トルクがそれぞれ極大値をとる前記クランクシャフトの位相と、それぞれ極小値をとる前記クランクシャフトの位相との少なくとも一方をクランク角にして４５度以内となるように近接させたこと
を特徴とする請求項１に記載のエンジン補機。
前記エンジン補機は、オルダムカップリングを介して前記カムシャフトによって駆動されるバキュームポンプであること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジン補機。