JP7424245B2

JP7424245B2 - バルブタイミング調整装置

Info

Publication number: JP7424245B2
Application number: JP2020135345A
Authority: JP
Inventors: 正男栗栖
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2020-08-07
Filing date: 2020-08-07
Publication date: 2024-01-30
Anticipated expiration: 2040-08-07
Also published as: US20220042426A1; JP2022030986A; DE102021114133A1

Description

本発明は、エンジンのバルブタイミング調整装置に関する。

従来、車両用エンジンにおいて、モータにより減速機構を介してカム軸を駆動し、カム軸の回転によりバルブの開閉タイミングを調整するバルブタイミング調整装置が知られている。例えば、特許文献１のバルブタイミング調整装置は、モーメント荷重に対する信頼性を確保するために、減速機構の軸方向に複数の転がり軸受を設け、潤滑油を減速機構の最内径部から供給し、小径側の軸受から大径側の軸受に順次流通させ、４つの軸受を潤滑したのち、減速機構の最外径部から外部に排出するように構成されている。

特許文献２には、減速機構を小型化するために、２つの転がり軸受を軸方向に並設し、モーメント荷重およびアキシャル荷重に対する剛性を確保したうえで、転がり軸受の個数を特許文献１よりも少数にする技術が提案されている。また、特許文献２では、転動体を案内する内輪および外輪の軌道溝を比較的深く形成し、モーメント荷重で軌道溝と転動体との接点が軸方向に変位した場合でも、転動体を深めの軌道溝で案内し、応力集中による軌道溝の摩耗、変形を防止している。

特許６３１１０４４号公報特開２０１９－８５９９４号公報

特許文献１のバルブタイミング調整装置によると、エンジンの停止時に、潤滑油が重力で減速機構の最外径部つまり最下部から排出されるが、複数の転がり軸受では、潤滑油の一部が軌道溝から排出されず、そこに滞留する。そして、エンジンの温度が低下すると、潤滑油が冷え、次回エンジンを始動させる前または始動直後に、潤滑油の粘度が高くなる。この状態で減速機構を駆動すると、転がり軸受の転動体が高粘度の潤滑油を掻き分けながら軌道輪を転動し、このときの潤滑油抵抗が減速機構の応答速度に悪影響を及ぼすことがあった。

特に、バルブタイミング調整装置に用いられる減速機構では、カム軸に提供する出力を高くする目的で、通常、モータに連結される入力部材の回転数を出力部材の回転数に比べて数十～数百倍高く設定されているため、高速回転する入力側の転がり軸受ほど潤滑油の粘性抵抗による影響が大きい。また、特許文献１のように、モーメント荷重を考慮して複数の転がり軸受を径方向にオフセットして配置した構造によると、減速機構が大型化するうえ、転がり軸受の個数に応じて低温環境下での潤滑油抵抗が大きくなる。

特許文献２のバルブタイミング調整装置は、特許文献１よりも少数の転がり軸受を用いて、減速機構を小型化し、かつモーメント荷重に対する耐性を高めることができる。しかし、低温環境下での潤滑油抵抗の点では、特許文献１と同様の課題が残っていた。特に、特許文献２では、軌道溝が比較的深く形成されているため、そこに滞留する潤滑油量が増加するという課題もあった。

そこで、本発明の目的は、エンジン停止時における転がり軸受の潤滑油滞留量を低減可能な減速機構を備えたバルブタイミング調整装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、モータ（１１）により減速機構（１２）を介してカム軸（１０４，１０６）を駆動し、カム軸の回転によりエンジン（１００）におけるバルブ（１０７，１０９）の開閉タイミングを調整するバルブタイミング調整装置（１０）を提供する。
減速機構は、カム軸の軸方向においてモータとカム軸との間に設けられる。減速機構は、モータにより駆動される入力部材（１８）と、カム軸に一体回転可能に連結された出力部材（２２）と、出力部材の内歯（２２１）に噛み合う小径外歯（２６２）が形成された遊星ギヤ（２６）と、入力部材においてカム軸と同心の同心部（１８１）を回転可能に支持する第１転がり軸受（１７）、及び、入力部材においてカム軸から偏心する偏心部（１８２）の外側に遊星ギヤを回転可能に支持する第２転がり軸受（２５）、を含む複数の転がり軸受と、転がり軸受に潤滑油（Ｏ）を供給する給油通路（４２）と、転がり軸受を軸方向の定位置に係止する少なくとも１つのスラスト受け（５５１～５５４）とを備える。
転がり軸受は、内輪（５１）および外輪（５２）の相対面に転動体（５３）を案内する軌道溝（５４）を有し、軌道溝は、転動体の中心より軸方向の一方側に相対的に深い深溝（５４１）を含むとともに、転動体の中心より軸方向の他方側に相対的に浅い浅溝（５４２）を含む。外輪の深溝は、転動体の中心よりカム軸側に設けられており、内輪の深溝は、転動体の中心よりモータ側に設けられている。
外輪を係止するスラスト受け（５５１）は、外輪の浅溝から流れ出た潤滑油を転がり軸受の外部に排出する第１排油部（４３）を備えている。内輪を係止するスラスト受け（５５３）は、内輪の浅溝から流れ出た潤滑油を転がり軸受の外部に排出する第２排油部（４４）を備えている。
このバルブタイミング調整装置は、エンジン停止中に軌道溝に滞留する潤滑油量を低減する。

本発明のバルブタイミング調整装置によれば、転がり軸受の軌道溝に深溝と浅溝とが設けられているので、エンジンの停止時に、潤滑油が重力で外輪の軌道溝に流れ落ち、浅溝からスラスト受けの第１排油部を経て転がり軸受の外部に排出される。したがって、エンジン停止中に軌道溝に滞留する潤滑油量を低減し、エンジン始動時または始動直後の潤滑油抵抗を軽減し、減速機構の応答速度を速めることができる。

本発明のバルブタイミング調整装置を備えたエンジンの模式図である。バルブタイミング調整装置の第１実施形態を示す断面図である。バルブタイミング調整装置の減速機構を示す図２のＩＩＩ部拡大図である。内輪を傾けるモーメント荷重に対する転がり軸受の作用を示す断面図である。外輪を傾けるモーメント荷重に対する転がり軸受の作用を示す断面図である。本発明による第２実施形態のバルブタイミング調整装置を示す断面図である。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態を図１～図５に基づいて説明する。図１に示すように、第１実施形態のバルブタイミング調整装置１０は、車両用エンジン１００のクランク軸１０２により第１チェーン１０３を介して第１カム軸１０４を回転し、第１カム軸１０４により第２チェーン１０５を介して第２カム軸１０６を回転する。第１カム軸１０４上には吸気カム１０８が設けられ、第１カム軸１０４の回転に伴って吸気カム１０８が吸気バルブ１０７の開閉タイミングを調整する。第２カム軸１０６上には排気カム１１０が設けられ、第２カム軸１０６の回転に伴って排気カム１１０が排気バルブ１０９の開閉タイミングを調整する。

図２に示すように、バルブタイミング調整装置１０は、モータ１１によって駆動される減速機構１２を備えている。減速機構１２は、スプロケット部材１３とカバー部材１４とを有し、両者がボルト１５およびピン１６で一体回転可能に結合されている。スプロケット部材１３の外周には、第１チェーン１０３と係合する第１スプロケット歯１３１と、第２チェーン１０５と係合する第２スプロケット歯１３２とが形成されている。

カバー部材１４の内側には、第１転がり軸受１７を介して入力部材１８が回転可能に支持されている。入力部材１８は、円筒状に形成され、ジョイント１９でモータ軸２０に結合され、モータ１１により第１カム軸１０４（以下、カム軸１０４と呼ぶ）と共通の軸線Ａｘを中心軸として回転される。一方、スプロケット部材１３の内側には、滑り軸受２１を介して減速機構１２の出力部材２２が回転可能に設けられている。出力部材２２は、カップ状に形成され、ボルト２３でカム軸１０４に一体回転可能に連結されている。

入力部材１８は、カム軸１０４と同心の同心部１８１と、カム軸１０４から偏心する偏心部１８２とを備えている。偏心部１８２の外周には、第２転がり軸受２５を介して遊星ギヤ２６が回転可能に支持されている。遊星ギヤ２６の外周には、大径外歯２６１と小径外歯２６２とが形成され、大径外歯２６１がカバー部材１４の内歯１４１に噛み合い、小径外歯２６２が出力部材２２の内歯２２１に噛み合う。

出力部材２２の外周には、複数のストッパ２２２が周方向に等角度を離隔した位置に突設され、スプロケット部材１３の内周に、ストッパ２２２に当接可能な複数の当接部１３３が形成されている。そして、出力部材２２とスプロケット部材１３とが、ストッパ２２２および当接部１３３の離隔角度範囲内において相対回転可能に組み合わされている。なお、出力部材２２には給油通路４２が形成され、潤滑油がポンプ４０からカム軸１０４の導入通路４１および給油通路４２を介して各軸受１７，２１，２５に供給される。

次に、減速機構１２の動作について説明する。エンジン１００が停止している状態では、出力部材２２が最遅角位置で停止し、出力部材２２のストッパ２２２がスプロケット部材１３の当接部１３３に当接している。エンジン１００が始動すると、ストッパ２２２および当接部１３３の当接が維持される方向（図１の遅角方向）にモータ１１が入力部材１８を回転する。このため、エンジン１００の始動直後は、モータ軸２０、入力部材１８、出力部材２２およびスプロケット部材１３が同じ回転数で回転する。

バルブタイミング調整装置１０がカム軸１０４を進角方向（図１参照）に回転するときには、モータ１１が入力部材１８をスプロケット部材１３よりも大きな回転数で駆動する。これにより、遊星ギヤ２６が出力部材２２の内側で自転および公転し、出力部材２２がスプロケット部材１３に対し進角方向に相対回転する。その結果、カム軸１０４の回転位相が進み、バルブ１０７，１０９の開閉タイミングが進角側に調整される。

バルブタイミング調整装置１０がカム軸１０４を遅角方向に回転するときには、モータ１１が入力部材１８をスプロケット部材１３よりも小さい回転数で駆動する。これにより、遊星ギヤ２６が出力部材２２の内側で自転および公転し、出力部材２２がスプロケット部材１３に対し遅角方向に相対回転する。その結果、カム軸１０４の回転位相が遅れ、バルブ１０７，１０９の開閉タイミングが遅角側に調整される。

カム軸１０４が目標位相に達すると、入力部材１８およびスプロケット部材１３が同じ回転数で回転するようにモータ１１が制御され、遊星ギヤ２６が出力部材２２に対して相対回転せず、出力部材２２がスプロケット部材１３に対し所定の位相（目標位相）に保持される。その結果、カム軸１０４の回転位相が目標位相に保持され、バルブ１０７，１０９の開閉タイミングが所定のタイミングに保持される。そして、エンジン１００の停止が指令されると、スプロケット部材１３に対して出力部材２２が遅角方向に回転し、最遅角位置で停止する。

続いて、２つの転がり軸受１７，２５の構成について図３～図５を参照して説明する。本実施形態では、第１転がり軸受１７および第２転がり軸受２５がそれぞれ同様に構成されている。このため、以下では第１転がり軸受１７の構成について説明し、第２転がり軸受２５については図面に第１転がり軸受１７と同じ符号を付して、重複説明を省略する。

図３に示すように、第１転がり軸受１７（以下、転がり軸受１７と呼ぶ）は、内輪５１と、外輪５２と、転動体（球体）５３とを備えている。内輪５１および外輪５２の相対面には、それぞれ転動体５３を案内する軌道溝５４が全周にわたって延びるように形成されている。軌道溝５４は、転がり軸受１７の軸方向に非対称に形成され、転動体５３の中心より軸方向の一方側に相対的に深い深溝５４１を有し、転動体５３の中心より軸方向の他方側に相対的に浅い浅溝５４２を有している。

具体的には、図４に示すように、外輪５２の深溝５４１は、転動体５３の中心より、内輪５１に作用するモーメント荷重Ｆ１の作用点Ｐ１側に設けられている。また、外輪５２の浅溝５４２は、転動体５３の中心より作用点Ｐ１と反対側に設けられている。図４において、転動体５３の中心からモーメント荷重Ｆ１の作用点Ｐ１までのオフセット距離をＬとしたとき、内輪５１に作用するモーメントＭ１は、Ｍ１＝Ｆ１×Ｌで表される。

一方、図５に示すように、内輪５１の深溝５４１は、転動体５３の中心より、外輪５２に作用するモーメント荷重Ｆ２の作用点Ｐ２と反対側に設けられている。また、内輪５１の浅溝５４２は、転動体５３の中心より作用点Ｐ２側に設けられている。図５において、転動体５３の中心からモーメント荷重Ｆ２の作用点Ｐ２までのオフセット距離をＬとしたとき、外輪５２に作用するモーメントＭ２は、Ｍ２＝Ｆ２×Ｌで表される。

図３に示すように、２つの転がり軸受１７，２５は、複数のスラスト受け５５１～５５４によって軸方向の定位置に係止されている。第１スラスト受け５５１は、カバー部材１４の中心孔１４０を取り囲むように円環状に形成され、転がり軸受１７の外輪５２をモータ１１側へ移動不能に係止する。第２スラスト受け５５２は、遊星ギヤ２６のカム軸側端部の内周に一体形成され、転がり軸受２５の外輪５２をカム軸１０４側へ移動不能に係止する。

第３スラスト受け５５３は、入力部材１８の偏心部１８２上に掛止されたリング状部品であって、転がり軸受２５の内輪５１をカム軸１０４側へ移動不能に係止する。第４スラスト受け５５４は、偏心部１８２と同心部１８１との間において、入力部材１８上に突出形成され、転がり軸受１７の内輪５１をカム軸１０４側へ移動不能に係止するとともに、転がり軸受２５の内輪５１をモータ１１側へ移動不能に係止する。

そして、第１スラスト受け５５１に、第１排油部４３が外輪５２の内径と同等または大きな内径で円環状に形成され、浅溝５４２から流れ出た潤滑油Ｏを転がり軸受１７の外部に排出する。また、第３スラスト受け５５３には、第２排油部４４が第２転がり軸受２５の内輪５１の外径と同等またはそれより小さな外径で円環状に形成され、浅溝５４２から流れ出た潤滑油Ｏを転がり軸受２５の外部に排出する。なお、第１排油部４３または第２排油部４４は、円環形状に限定されず、鋸歯状、パルス波状、または穴あき鍔状に形成することも可能である。

上記のように構成された第１実施形態のバルブタイミング調整装置１０によれば、転がり軸受１７，２５の軌道溝５４を軸方向に異なる深さで形成したので、エンジン１００の停止時に、潤滑油Ｏが重力で外輪５２の軌道溝５４に流れ落ち、浅溝５４２からスラスト受け５５１の第１排油部４３を経て転がり軸受１７，２５の外部に排出される。したがって、軌道溝５４に滞留する潤滑油量を減少させ、エンジン始動時または始動直後の潤滑油抵抗を軽減することができる。

特に、モータ駆動の減速機構１２において、転がり軸受１７，２５がモータ１１により高速回転される入力部材１８上に設けられているので、潤滑油の滞留量を減らすことによって、減速機構１２の応答速度を速めることができる。また、本実施形態では、２つの転がり軸受１７，２５を軸方向に並べているが、１つあたりの滞留量が僅かであることから、２つを用いた場合の潤滑油抵抗も従来と比較し小さく、むしろ、２つの軸受１７，２５でモーメント荷重Ｆ１，Ｆ２に対する剛性を高め、減速機構１２を小型かつ堅牢に構成できるという利点がある。

ところで、モーメント荷重Ｆ１が内輪５１に作用すると、図４に示すように、転がり軸受１７（転がり軸受２５も同様）のラジアル内部隙間が軸受上部で開き、軸受下部で閉じる。軸受上部では、転動体５３と軌道溝５４との接点が転動体５３の中心から、外輪５２で作用点Ｐ１側に、内輪５１で作用点Ｐ１と反対側にそれぞれ大きく移動する。しかし、移動方向に深溝５４１が設けられているため、接点は深溝５４１の端部５４１ａ，５４１ｂまで移動せず、この部位の摩耗、変形が防止される。軸受下部では、接点の移動量が少ないため、接点は浅溝５４２の端部５４２ａ，５４２ｂまで移動せず、この部位の摩耗、変形も防止される。

一方、モーメント荷重Ｆ２が外輪５２に作用すると、図５に示すように、転がり軸受１７のラジアル内部隙間が軸受上部で閉じ、軸受下部で開く。軸受上部では、接点が転動体５３の中心から移動するが、移動量が少ないため接点は浅溝５４２の端部５４２ａ，５４２ｂまで移動せず、この部位の摩耗、変形が防止される。軸受下部では、隙間が開いているため、接点が軸受中心から大きく移動するが、移動方向に深溝５４１が設けられているため、接点は深溝５４１の端部５４１ａ，５４１ｂまで移動せず、この部位の摩耗、変形が防止される。

したがって、モーメント荷重Ｆ１，Ｆ２により内輪５１、外輪５２のどちらが傾いた場合でも、軌道溝５４の端部の摩耗、変形を防止し、転がり軸受１７，２５の耐久性を向上させることができる。このため、遊星ギヤ２６の偏心回転に伴ってモーメント荷重Ｆ１，Ｆ２が転がり軸受１７，２５に繰り返し作用するバルブタイミング調整装置１０において、減速機構１２に高い信頼性を与えることが可能になる。

＜第２実施形態＞
上記実施形態では、減速機構１２に２つの転がり軸受１７，２５が使用されているが、転がり軸受の個数は特に限定されない。図６に示す第２実施形態のバルブタイミング調整装置では、第１転がり軸受１７、第２転がり軸受２５に加えて、第３転がり軸受６１が用いられている。第３転がり軸受６１は、減速機構１２の低速側において、スプロケット部材１３と出力部材２２との間に介装されている。高速側の２つの転がり軸受１７，２５と異なり、第３転がり軸受６１には、軌道溝５４の深さが軸方向の両側で等しいラジアルボールベアリングを使用することができる。

＜他の実施形態＞
その他、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、次に例示するように、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各部の構成を適宜変更して実施することも可能である。

１０・・・バルブタイミング調整装置、１１・・・モータ、
１２・・・減速機構、１７・・・第１転がり軸受、２５・・・第２転がり軸受、
４２・・・給油通路、４３・・・第１排油部、５１・・・内輪、５２・・・外輪、
５３・・・転動体、５４・・・軌道溝、５４１・・・深溝、５４２・・・浅溝、
１００・・・車両用エンジン、１０４，１０６・・・カム軸、１０７・・・吸気バルブ、
１０９・・・排気バルブ、５５１・・・第１スラスト受け、Ｏ・・・潤滑油。

Claims

モータ（１１）により減速機構（１２）を介してカム軸（１０４，１０６）を駆動し、該カム軸の回転によりエンジン（１００）におけるバルブ（１０７，１０９）の開閉タイミングを調整するバルブタイミング調整装置（１０）であって、
前記減速機構は、
前記カム軸の軸方向において前記モータと前記カム軸との間に設けられ、
前記モータにより駆動される入力部材（１８）と、
前記カム軸に一体回転可能に連結された出力部材（２２）と、
前記出力部材の内歯（２２１）に噛み合う小径外歯（２６２）が形成された遊星ギヤ（２６）と、
前記入力部材において前記カム軸と同心の同心部（１８１）を回転可能に支持する第１転がり軸受（１７）、及び、前記入力部材において前記カム軸から偏心する偏心部（１８２）の外側に前記遊星ギヤを回転可能に支持する第２転がり軸受（２５）、を含む複数の転がり軸受と、
該転がり軸受に潤滑油（Ｏ）を供給する給油通路（４２）と、
前記転がり軸受を軸方向の定位置に係止する複数のスラスト受け（５５１～５５４）と、
を備え、
前記転がり軸受は、内輪（５１）および外輪（５２）の相対面に転動体（５３）を案内する軌道溝（５４）を有し、
前記軌道溝は、前記転動体の中心より軸方向の一方側に相対的に深い深溝（５４１）を含むとともに、前記転動体の中心より軸方向の他方側に相対的に浅い浅溝（５４２）を含み、
前記外輪の前記深溝は、前記転動体の中心より前記カム軸側に設けられており、
前記内輪の前記深溝は、前記転動体の中心より前記モータ側に設けられており、
前記外輪を係止する前記スラスト受け（５５１）は、前記外輪の前記浅溝から流れ出た潤滑油を前記転がり軸受の外部に排出する第１排油部（４３）を備えており、
前記内輪を係止する前記スラスト受け（５５３）は、前記内輪の前記浅溝から流れ出た潤滑油を前記転がり軸受の外部に排出する第２排油部（４４）を備えており、
エンジン停止中に前記軌道溝に滞留する潤滑油量を低減するバルブタイミング調整装置。