JP6733048B2 - 特に内燃機関のカムシャフトを調整するための電磁制御装置 - Google Patents

Description

本願は、特に内燃機関のカムシャフトを調整するための電磁制御装置に関する。

カムシャフトは、カムシャフト上の偏心部をなす多数のカムを有する。カムは、カムシャフト又はカムシャフト部分に固定的に配置された状態で、円筒状シャフトと一体で回転するが円筒状シャフトに対し軸方向に移動可能な態様で取り付けることができる。カムに隣接して配置され、軸方向に移動可能な部品は、カムシャフトを回転させることによりカムと共に一定の間隔で移動することができる。この文脈において強調されるカムシャフトの用途は、内燃機関におけるバルブの開閉である。現代の内燃機関では、エンジン特性は、例えば、より快適な特性からスポーティな特性へと変化させることができ、この変化は、例えば、カムの形状によって決定されるバルブリフト量を変更することにより実現される。加えて、エンジン速度の変更には、トルク及び燃料消費量を最適化するために、バルブリフト量を可変とすることが必要とされる。内燃機関によっては気筒休止を備えることにより、燃料を節約するためにシリンダのいくつかを休止させることができる。この場合、休止したシリンダのバルブは全く開く必要はない。これらの内燃機関では、個々のシリンダを休止させるだけでなく、上述の理由のためバルブリフト量を可変にすることも有利である。

そのような内燃機関は、異なるサイズ及び形状のカムを備えるカムシャフトを必要とする。これらの異なるリフト曲線によってバルブを開閉できるようにするためには、それぞれのカムがバルブと相互作用できるように、カムシャフト又はカムシャフト部分を軸方向に移動させなければならない。例えば特許文献１、特許文献２、及び特許文献３に記載されている既知の制御装置では、カムシャフトは様々な溝を有し、それらの溝において、アクチュエータが異なる数のタペットと係合する。タペットは、後退位置と前進位置との間で移動することができ、タペットは前進位置で溝と係合する。溝は案内部をなし、係合しているタペットと共にカムシャフトの軸方向調整のための摺動ガイドを形成する。カムシャフトはこの目的のために特定の手段によって回転されなければならない。

標準的な４ストローク内燃機関のほとんどは、クランクシャフトの半分の速度でカムシャフトを回転させる。これは、カムシャフトが最大３０００ｒｐｍ以上の速度で回転され得ることを意味する。このような高い回転速度の結果として、タペットには、大きな力がそれらの長手方向軸に直交して作用する。その結果生じるタペットに作用する曲げモーメントは、タペットを制御装置内で詰まらせてしまうほど大きく曲げさせる恐れがある。そうなると、それらはもはや後退位置と前進位置との間で移動することができなくなり、カムシャフト又はカムシャフト部分の軸方向の移動を妨げてしまう。

この欠点に対処するために、特許文献４によるタペットは、２つの完全に離間された軸受点に取り付けられ、これらの軸受点のうちの１つはポールコア内に配置される。特許文献５でも、タペットは２つの軸受点で支持されており、そのうちの１つは電機子内に配置されている。

カムシャフトの溝に係合するタペットの自由端の摩耗をできるだけ少なくするために、タペットは制御装置に回転可能に取り付けられる。これとは対照的に、特許文献４及び特許文献５の電機子は、隙間嵌めによってタペットに結合されている。その結果、タペットと電機子との間では軸方向力のみが伝達され、長手方向軸の周りに作用するトルクは伝達されない。したがって、溝に係合しているときのタペットの回転は電機子には伝達されない。電機子に対するタペットの回転は、電機子とタペットとが接触する摩耗点を生じさせ、この摩耗点において、制御装置の作動中にタペット及び／又は電機子が経時的に摩耗する。これは特にタペットに対する電機子の軸方向位置を、タペットが所要の手段で溝に係合することができなくなるほどに変える可能性がある。その結果、誤動作や、故障さえも起こり得る。

欧州特許第２１５８５９６号明細書 独国実用新案第２０２００６０１１９０４号明細書 国際公開第２００８／０１４９９６号 独国特許出願公開第１０２０１３１０２２４１号明細書 国際公開第２０１６／００１２５４号

本発明の一実施形態の課題は、特に内燃機関のカムシャフト又はカムシャフト部分を調整するための、上述の欠点を無くすか又は少なくとも著しく少なくすることができる電磁制御装置を作成することである。特に、作動中にタペットに作用する高い曲げモーメントを安全に吸収することができ、それによってタペットが詰まるのを防止することができる制御装置が作成される。同時に、電機子とタペットとの相対位置、特にそれらの相対的な軸方向位置を動作中に変化させないように、電機子とタペットとの間の磨耗を減少させることが意図される。

この問題は請求項１に記載の特徴によって解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項の主題である。
本発明の一実施形態は、特に内燃機関のカムシャフト又はカムシャフト部分を調整するための電磁制御装置に関し、電磁制御装置は、励磁可能なコイルユニットであって、制御装置の長手方向軸に沿って移動するように取り付けられた電機子は、励磁状態における前記コイルユニットにより、ポールコアに対して後退位置と前進位置の間で移動可能であるコイルユニット；及び前記長手方向軸に沿って移動するように取り付けられた少なくとも１つのタペットであって、前記前進位置において、自由端によってカムシャフトと相互作用してカムシャフトを調整し、内側端において電機子に結合されたタペットを備え、前記タペットは、自由端の領域に第１の直径を有し、内側端の領域に第２の直径を有し、第１の直径は第２の直径よりも大きい。

タペットの直径が以下で言及される場合、これらの直径はタペットの長手方向軸に沿って極僅かな拡張を有するだけではない。タペットの円錐形の部分又は長手方向軸に沿う断面に対して湾曲した部分は、厳密な数学的意味において無限に多くの直径を有し、これらの部分は含まれない。
本発明を実施するための設計変更をできるだけ少なくするために、第２の直径は便宜上、既存の電機子と相互作用することができるように選択される。したがって、第２の直径は電機子の寸法によって決まる。自由端の領域に設けられた第１の直径は第２の直径よりも大きく選択することができるため、たとえ大きな力がタペットの長手方向軸に対して直角に作用したとしても、タペットの曲がりを、制御装置内での詰まりが大部分除外できる程度に低減することができる。これは制御装置の故障の可能性を著しく減少させ、内燃機関の運転上の安全性に寄与する。第１の直径と第２の直径との間の比が１．５から３の間、特に１．６から２．５の間であることが有利であることが実証されている。

別の実施形態によれば、タペットは、自由端の領域と内側端の領域との間に、第１の直径よりも小さい第３の直径を有する。この実施形態では、高い曲げモーメントでのタペットの曲がりを顕著に増加させることなく、材料が節約されるため、既知のタペットと比較して、タペットの重量増加が抑制されるか、あるいは重量増加がない。タペットは非常に速く加速されるため、タペットを動かすために制御装置が必要とするエネルギーは僅かしか増加しないか、あるいは全く増加しない。さらに、タペットの質量慣性が低く保たれるため、ばね要素の強度を増す必要なしにタペットを加速させることができる。

第２の直径よりも大きい第３の直径を選択することが有用であることが実証されている。これは、一方では既知のタペットと比較して重量増加を低く抑えるのを助け、他方ではタペットの曲げ剛性をそれほど減少させない。第３の直径は、例えば、第２の直径よりも１．１倍から１．４倍大きくなるように選択することができる。

さらに発展させた実施形態では、制御装置は、制御装置を構成要素、特にシリンダヘッドカバーに固定することができるアダプタを含んでもよく、前記アダプタは、タペットをアダプタに回転可能に取り付けるための第１の軸受部を形成する。アダプタを使用して、制御装置を構成要素、特にシリンダヘッドカバーにぴったりと固定することができる。アダプタは、制御装置の他の構成要素を変更する必要なしに、簡単な方法でシリンダヘッドカバーの幾何学的特性に適合させることができる。アダプタは、制御装置の柔軟な使用を可能にすることに寄与する。

さらに発展させた実施形態では、タペットは、自由端の領域に軸受面を有し、この面は第１の軸受部と相互作用する。この実施形態では、タペットにその長手方向軸に対して直角に作用する力の作用点と軸受部分との間の経路が短いため、自由端の領域における軸受面の配置により、タペットに作用する曲げモーメントが確実に低く保たれるようになる。

別の実施形態では、タペットは、その自由端と軸受面との間に、第１の直径よりも小さい第４の直径を有することができる。信頼性及び耐摩耗性の高い取付けを確保するために、軸受面には高品質の仕上げが必要である。しかしながら、必要な表面仕上げを提供することは比較的高価である。この実施形態では、軸受面の大きさが最小に低減され、これによっても軸受面の製造コストが低く抑えられる。第４の直径は第１の直径よりも僅かに小さいだけでよい。第１の直径と第４の直径との間の比は特に１．０２から１．１の間である。これにより、軸受面を製造するのに必要な工具を容易に軸受面に向かって移動させることができる。これは特に、第３の直径を有するさらなる領域が内側端に向かって続くときに当てはまる。

別の実施形態又はさらに発展させた実施形態は、タペットが第１の直径から第４の直径へ移行する部分に段壁を形成することを特徴とする。この場合、タペットは移行部に、長手方向軸に対して実質的に直交して延びる表面を備える。この表面によって、汚れを制御装置の外へ、特にアダプタの外へ出すことができる。

別の実施形態によれば、制御装置は、タペットを電機子の外側に回転可能に取り付けるための第２の軸受部を形成する。カムシャフトの溝に係合したタペットの自由端の摩耗をできるだけ低く維持するために、タペットは制御装置内に回転可能に取り付けられる。従来の制御装置では、タペットは電機子に対して回転するように隙間嵌めによって電機子に取り付けられる。上述したように、これは電機子とタペットとの間の軸方向位置を変化させるような磨耗点を電機子とタペットとの間に形成し、それにより制御装置の機能損傷や機能障害をもたらし得る。制御装置は、タペットを電機子の外側に回転可能に取り付けるための第２の軸受部を形成するため、タペットと電機子とを互いに押圧して互いに対する回転を防止することができる。その結果、摩耗点がなくなり、磨耗に関連した機能損傷又は機能障害の可能性が大幅に減少する。

さらに発展させた実施形態は、タペットがステンレス鋼製であることを特徴とする。ステンレス鋼は多くの場合従来の鋼よりも強いので、この実施形態によるタペットは詰まることなくさらに大きな力を吸収することができる。さらに、ステンレス鋼はさらに大きな力を吸収するために硬化させることができる。これに関連して、励磁状態のコイルユニットによって生成される磁力線の向きへの悪影響を防ぐために、非磁性又は磁化不能なステンレス鋼を使用することが可能である。

本発明の例示的な実施形態を、添付の図面を参照して説明する。

本明細書で提案される電磁制御装置の例示的実施形態の概略断面図である。

図１は、本発明による電磁制御装置１０の例示的実施形態の概略断面図を示す。図１から明らかなように、制御装置１０は２つの同一の構造単位を含む。明確性の理由から、以下の説明は構造単位のうちの一方についてのみであり、同じ説明は他方の構造単位にも同様に当てはまる。

制御装置１０はハウジング１２を含み、ハウジング１２は、図示されている例示的な実施形態では、実質的に管状の構成を有する。図１に示されているように、ハウジング１２の上端部は蓋１４で、下端部はフランジ１６で閉じられている。制御装置１０は、フランジ１６に取り付けることができるアダプタ１８を備える。このアダプタ１８は、制御装置１０を例えば内燃機関のシリンダヘッドカバー（図示略）に固定するのに使用することができる。アダプタ１８は、制御装置１０をシリンダヘッドカバーからシールするための図示しないシールを挿入可能な凹部２０を含む。

アダプタ１８は、制御装置１０の長手方向軸Ｌに沿って移動可能なタペット２４の第１の軸受部２２を形成する。タペット２４は、アダプタ１８から突出する自由端２６を有する。タペット２４は、自由端２６の領域に第１の直径Ｄ１を有する。第１の軸受部２２において、タペット２４と相互作用するアダプタ１８の内面は、それぞれ表面仕上げされている。自由端２６の領域において、タペット２４は、軸受部２２と相互作用する軸受面２８を有する。軸受面２８もそれぞれ表面仕上げされている。軸受面２８と自由端２６との間で、タペット２４は第４の直径Ｄ４を有し、これは第１の直径Ｄ１よりも僅かに小さいだけである。タペット２４は、第１の直径Ｄ１から第４の直径Ｄ４への移行部に段壁３０を形成する。

第１軸受部２２は、内燃機関のエンジンオイルによって潤滑される。動作中にタペット２４に作用する大きな軸方向の力を安全に吸収するために、タペット２４及びアダプタ１８の両方は硬化ステンレス鋼で作られている。

さらに、タペット２４は、内側端３２を有する。内側端３２の領域において、タペット２４は、第１の直径Ｄ１及び第４の直径Ｄ４よりも小さい第２の直径Ｄ２を有する。さらに、タペット２４の内側端３２は電機子３４と共に押圧され、一体的に回転するように結合されている。一体回転式結合は、別の方法で、例えば溶接によっても実施することができる。良好な圧迫を達成するために、電機子３４はタペット２４を係合させる凹部を有する。

制御装置１０は第２の軸受部３６を有し、図示された例示的な実施形態では、これは自由端２６から見て第１の軸受部２２の背後に配置されており、管状本体３８によって形成されている。示された実施例では、第２の軸受部３６は、タペット２４のみが第２の軸受部３６に取り付けられるように配置されている。その結果、第２の軸受部３６はハウジング１２の内側にあるが、第１の軸受部２２はアダプタ１８内にあり、したがってハウジング１２の外側に配置される。第１の軸受部２２及び第２の軸受部３６の両方は、タペット２４及び電機子３４が長手方向軸Ｌを中心に回転するように、かつ長手方向軸Ｌに沿って移動するように取り付けられるように構成されている。図示された例示的な実施形態では、タペット２４は第２の直径Ｄ２を有し、そこで第２の軸受部３６と相互作用する。

さらに、制御装置１０は、タペット２４を環状に取り囲み、タペット２４に対し隙間嵌めされ、かつタペットの直径拡大部４２の領域においてタペット２４に当接しているばね板４０を備えている。前進位置では、タペット２４の直径拡大部４２はアダプタ１８に当接する。したがって、直径拡大部４２は停止部として作用する。直径拡大部４２は、タペット２４に必要な安定性を与えるように寸法決めされている。同時に、直径拡大部４２は、粘性油などによってタペット２４が意図せずに後退位置へ移動することのないように、永久磁石４１に引き寄せられてタペット２４を前進位置に保持するばね板４０の支持体として使用される。

加えて、第１の端部４４及び第２の端部４５を有するばね要素４３が設けられている。ばね要素４３は、長手方向軸Ｌに沿って実質的に作用する付勢力を提供することができる。ばね要素４３は、第１の端部４４においてばね板４０に支持され、第２の端部４５において管状本体３８に支持されている。このようにして、ばね板４０は、電機子３４及びタペット２４と同じ長手方向軸Ｌに沿って同じ軸方向移動を行う。タペット２４に対するばね板３６の隙間嵌めにより、タペット２４の回転運動は、ばね板４０を直径拡大部４２に押圧する付勢力が特定の値を超えた時に、ばね板４０に伝達されるだけである。

タペット２４は、自由端２６の領域と内側端３２の領域との間に別の領域４６を含み、この領域４６においてタペットは第３の直径Ｄ３を有する。図示した例示的な実施形態では、第３の直径Ｄ３は、第１の直径Ｄ１及び第４の直径Ｄ４よりも小さいが、第２の直径Ｄ２よりも大きい。

電機子３４を移動させるために、制御装置１０はコイルユニット４８を含む。コイルユニット４８は電機子３４を環状に包囲することによって隙間を形成している。また、図１に示されているように、電機子３４の上方に配置されたポールコア５０が設けられている。さらに、制御装置１０は、蓋１４に固定されてポールコア５０の上方に配置された別の永久磁石５２を備える。

電機子３４とタペット２４とは共に押圧されているため、それらは同じ動きをする。したがって、タペット２４と電機子３４とは、互いに対しては移動しない。これは、電機子３４とタペット２４との間の相対的な動きによる磨耗点がないことを意味する。

制御装置１０は次のように操作される。他方の永久磁石５２は電機子３４に、長手方向軸Ｌに沿って作用する吸着力を加え、その結果、後退した状態では、電機子３４は他方の永久磁石５２に引き寄せられてポールコア５０に当接する。これにより、ばね要素４３は圧縮されて付勢力を提供するが、それは他方の永久磁石５２の吸着力よりも小さい。その結果、電機子３４及びタペット２４は後退位置をとる（図１参照）。

コイルユニット４８が励磁されると磁界が発生し、この磁界は、ばね要素４３によって提供される付勢力と同じ方向に沿って電機子３４に作用する磁力を誘発し、それによって永久磁石５２の吸着力を打ち消す。磁力と付勢力の合計は他方の永久磁石５２の吸着力よりも大きいため、電機子３４ひいてはタペット２４は、ばね板４０が停止部５４と接触するまで、他方の永久磁石５２から長手方向軸Ｌに沿って離れる方向に移動する。これにより、タペット２４と電機子３４は前進位置（図示略）に達する。この前進位置において、タペット２４の自由端２６は図示しないカムシャフト又は図示しないカムシャフト部分の溝に係合する。溝はカムシャフトの回転軸に対して螺旋経路を有することにより、タペット２４の溝内への係合が、カムシャフトの自身の回転軸を中心とする回転と相まって、カムシャフトの回転軸に沿った長手方向の調整を生じる。それぞれの軸方向の力を伝達するために、タペット２４は溝に係合したときに高い回転速度で回転するように、タペット２４は溝の側壁の１つと接触し、それに沿って転がる。電機子３４とタペット２４とが共に押圧されているため、タペット２４の回転運動は電機子３４にも伝達される。アダプタ１８の停止部５４及び溝の深さは、タペット２４の自由端２６が前進位置で溝の底面に接触しないように選択される。例えばタペット２４の下に堆積した粘性油によってタペット２４が後退位置に戻るのを防ぐために、タペット２４は直径拡大部４２内の永久磁石４１によって前進位置に保持される。しかし、タペット２４の自由端２６が特定の回転角度から溝の底面に接触するように、溝の深さは端部に向かって減少し、それによってタペット２４は再び他方の永久磁石５２に向かって移動する。これにより、永久磁石４１からの直径拡大部４２の距離が増すにつれて永久磁石４１の保持力が小さくなり、打ち消される。タペット２４が溝から後退位置に向かって移動するとすぐに、コイルユニット４８の励磁が中断され、他方の永久磁石５２によって電機子３４に加えられる吸着力が再び、ばね要素４３により提供される付勢力と、コイルユニット４８が励磁されていないためもはや作用しない磁力の合計よりも大きくなる。その結果、タペット２４及び電機子３４は、コイルユニット４８が再度励磁されるまで、再び後退位置をとる。

タペット２４は、その自由端２６の領域において、内側端３２の領域における第２の直径Ｄ２よりも大きい第１の直径Ｄ１を有するため、タペット２４は、既知のタペットと比較して高い曲げ剛性を有する。そのため、高い曲げモーメントは、タペット２４の湾曲及びその結果生じる２つの軸受部２２、３６における詰まりを引き起こすことなく吸収される。第３の直径Ｄ３を有する別の領域４６は、高められた曲げ剛性を維持しつつ、タペットの重量が既知のタペットよりも僅かに重いか、又は全く重くならないように設計されている。

段壁３０は、自由端２６の領域においてアダプタ１８とタペット２４との間に蓄積する汚れを、タペット２４が後退位置から前進位置へ移動するときにアダプタ１８の外へ押し出す。これは、汚れ粒子の侵入によるタペット２４の閉塞又は第１の軸受部２２の損傷を防止する。

１０ 制御装置
１２ ハウジング
１４ 蓋
１６ フランジ
１８ アダプタ
２０ 凹部
２２ 第１の軸受部
２４ タペット
２６ 自由端
２８ 軸受面
３０ 段壁
３２ 内側端
３４ 電機子
３６ 第２の軸受部
３８ 管状本体
４０ ばね板
４１ 永久磁石
４２ 直径拡大部
４３ ばね要素
４４ 第１の端部
４５ 第２の端部
４６ 別の領域
４８ コイルユニット
５０ ポールコア
５２ 他方の永久磁石
５４ 停止部
Ｄ１ 第１の直径
Ｄ２ 第２の直径
Ｄ３ 第３の直径
Ｄ４ 第４の直径
Ｌ 長手方向軸

Claims (5)

1. 内燃機関のカムシャフト又はカムシャフト部分を調整するための電磁制御装置であって、
   励磁可能なコイルユニット（４８）であって、前記制御装置（１０）の長手方向軸（Ｌ）に沿って移動するように取り付けられた電機子（３４）が、励磁状態における前記コイルユニット（４８）により、ポールコア（５０）に対して後退位置と前進位置との間で移動可能であるコイルユニット（４８）；及び
   前記長手方向軸（Ｌ）に沿って移動するように取り付けられた少なくとも１つのタペット（２４）であって、前記前進位置において、自由端（２６）によってカムシャフトと相互作用してカムシャフトを調整し、内側端（３２）において電機子（３４）に結合されたタペット（２４）
   を備え、
   前記タペット（２４）は、自由端（２６）の領域に第１の直径（Ｄ１）を有し、内側端（３２）の領域に第２の直径（Ｄ２）を有し、
   第１の直径（Ｄ１）は第２の直径（Ｄ２）よりも大きく、
   前記制御装置（１０）は、前記制御装置（１０）を構成要素に固定することができるアダプタ（１８）を含み、前記アダプタ（１８）は、タペット（２４）をアダプタ（１８）に回転可能に取り付けるための第１の軸受部（２２）を形成しており、
   タペット（２４）は、自由端（２６）の領域に、第１の軸受部（２２）と相互作用する軸受面（２８）を有し、
   タペット（２４）は、その自由端（２６）と軸受面（２８）との間に、第１の直径（Ｄ１）よりも小さい第４の直径（Ｄ４）を有することを特徴とする、電磁制御装置。
2. タペット（２４）は、自由端（２６）の領域と内側端（３２）の領域との間に、第１の直径（Ｄ１）よりも小さい第３の直径（Ｄ３）を有する別の領域（４６）を有することを特徴とする、請求項１に記載の電磁制御装置。
3. タペット（２４）が第１の直径（Ｄ１）から第４の直径（Ｄ４）へ移行する部分に段壁（３０）を形成していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電磁制御装置。
4. 前記制御装置は、電機子（３４）の外側に、タペット（２４）を回転可能に取り付けるための第２の軸受部（３６）を形成していることを特徴とする、請求項１に記載の電磁制御装置。
5. タペット（２４）がステンレス鋼で形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電磁制御装置。

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