JP2013503287A - 可変カム位相器を有する弁作動装置 - Google Patents

Abstract

内燃エンジン用弁作動装置が、カム軸（１４）、およびカム軸（１４）を駆動するために前記カム軸（１４）に連結された可変カム位相器（１２）を備える。可変カム位相器（１２）が、クランク軸駆動部材（２０）に回転可能に結合された入力軸（２４）と、カム軸（１４）に回転可能に結合され、入力軸（２４）と同軸の出力軸（２６）とを備える。電気的に作動される調整手段が入力軸および出力軸（２４；２６）を駆動可能に連結し、入力軸および出力軸（２４；２６）が選択的に角度調整されることを可能にし、一方、それらの間に駆動係合を維持する。入力軸および出力軸（２４；２６）が、それぞれ回転可能に堅固な順応性のある結合手段（７０、７２；６６、６８）を介して駆動部材（２０）およびカム軸（１４）に結合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、全体的に内燃エンジンの分野に関し、より具体的にはエンジンのカム軸の位相を調整するための可変カム位相器を有する弁作動装置に関する。

よく知られているように、可変カム位相器は、エンジンが稼働中に、エンジンのパラメータに基づいて、クランク軸タイミングに対するカムローブ（ｃａｍ ｌｏｂｅ）（弁リフト事象）タイミングを変更するために使用される。したがって、燃料消費および排気物質に関する最適値をエンジンの作動特性の様々な領域で得ることができる。カム軸をその駆動部材、典型的にはチェーンあるいは歯状ベルトを介してクランク軸に連結されたスプロケットまたはプーリに対して回転させることによって、洗練された形でバルブタイミングを変化させることが達成される。

これを達成できる様々な型のカム位相器が存在する。従来のカム位相器は、駆動部材と被駆動部材の間の相対的な角度変位を可能にするために、高圧油を使用する油圧アクチュエータを採用している。不都合なことに、油圧システムは、特にエンジンを始動する間、オイルが低温であるとき、オイルの温度関連の粘度変化に起因して極端な温度で作動するのが困難である。

そのような問題を回避するために、最近のカム位相器の設計は、カム軸の一端部に取り付けることができる構成で、電気アクチュエータを採用している。カム位相器は、典型的には、同軸の入力部材および出力部材を有し、入力部材はエンジンのスプロケットに結合されて駆動部材として作動し、一方、出力部材はカム軸に結合される。実際には、スプロケットは、しばしば歯状部分を有する延長部を備え、この歯状部分がピニオンと噛合してカム位相器の入力部材を形成し、出力部材はカム軸端部に直接ねじで取り付けられる。電気的に駆動される調整機構が入力部材と出力部材を駆動可能に連結し、出力軸の選択的角度調整を可能にし、一方、入力部材と出力部材の間の駆動係合を維持する。調整機構は典型的には遊星歯車装置またはハーモニックドライブ（登録商標）の形態のギヤボックス装置を備える。

したがって、電気的に駆動されるカム位相器は、歯車のロッキングおよび破壊を回避するために非常に注意深く精密に製造されなければならない比較的複雑な変速装置／減速装置（ｒｅｄｕｃｔｏｒ）装置を備える。さらに、カム位相器は、スプロケットによって直接負荷を受け、重大な影響をもつ機械的応力を受け、このことが多くのカム位相器の急速な摩耗および／または破壊の原因になる。

例えば、米国特許第６，３２８，００６号はハーモニックドライブ（登録商標）を有するカム位相器について記載する。一方、米国特許第６，９８１，４７８号は遊星歯車装置を有するカム位相器について記載する。

したがって、スプロケットからの機械的負荷に対してそれほど敏感でない可変カム位相器の代替設計が求められている。

このことは、請求項１に記載されている可変カム位相器を備える弁作動装置によって達成される。
本発明によれば、カム軸、およびカム軸を駆動するためにカム軸に取り付けられた可変カム位相器を備える内燃エンジンのための弁作動装置が提供され、エンジンが、カム軸と同軸の駆動部材によって、可変カム位相器に駆動トルクを提供するクランク軸を有する。可変カム位相器が、駆動部材に回転可能に結合された入力軸と、カム軸に回転可能に結合され、入力軸と同軸の出力軸とを備える。調整手段が、入力軸と出力軸を駆動可能に連結し、入力軸および出力軸が選択的に角度調整されることができるように構成され、一方、それらの間の駆動係合を維持し、調整手段が入力軸と出力軸の間の角度調整を選択的に操作するための電気アクチュエータを有する。

本発明の重要な態様によれば、入力軸および出力軸が、それぞれ回転可能に剛性を有し（ｓｔｉｆｆ）且つ可撓性を有する（ｆｌｅｘｉｂｌｅ）結合手段を介してクランク軸およびカム軸に結合されている。

したがって、本発明は、カム位相器とスプロケットとカム軸との間の接触面での従来の堅固な連結がそれぞれ回避され、それによりクランク軸からカム位相器への機械的な衝撃、張力および負荷の伝達を低減し回避する。結果的に、このことはカム位相器のより信頼性のある、長い作動を保証する。

したがって弁作動装置は、すべてのカム位相器構成要素が回転可能に剛性を有し且つ可撓性を有する結合手段の同じ側、すなわちカム位相器側に位置するように設計されることが有利である。したがって、カム位相器調整機構とスプロケットまたはカム軸の間の直接の堅固な連結は存在せず、強い機械的緊張を回避する。

本明細書では、可撓性を有する結合手段という用語を一般的な方法で使用しており、何らかの半径方向、軸方向および角度に関する位置ずれを許容する一方で、トルクの伝達を可能にする結合を意味している。しかし、制御されない形ではタイミングが変化することができないことが重要であり、その結果、可撓性を有する結合（換言すれば、撓み接続）は回転可能に剛性を有していなければならない（すなわち結合はねじりに対して堅固（ｒｉｇｉｄ）であり、したがってトルク伝達方向には可撓性がない）。

回転可能に剛性を有し且つ可撓性を有する結合の多くの設計が、駆動部材を入力軸に結合するために、および出力軸をカム軸に結合するために使用され得るが、いくつかの調整が必要ならば加えられる。結合手段の設計および選択は、伝達されるトルクの実際の強度および許容可能な大きさに応じて行うことができる。

好ましい実施形態では、すなわち小型化（ｃｏｍｐａｃｔｎｅｓｓ）の理由から、回転可能に剛性を有し且つ可撓性を有する結合手段は湾曲した噛み合い結合として実装される。したがって、入力軸または駆動軸の一方が、その内周または外周に、湾曲端部を有する軸方向に延在する歯部を備えることができ、その歯部が入力軸または駆動軸の他方の外周または内周のスプライン歯部の間で係合する。同様に、出力軸またはカム軸の一方が、その内周または外周に、湾曲端部を有する軸方向に延在する歯部を備え、その歯部が出力軸またはカム軸の他方の外周または内周のスプライン歯部の間で係合する。当業者に理解されるように、そのような結合は、ある程度の位置ずれまたは端部の動き（すなわち、ある半径方向／角度方向の、および軸方向の変位）を許容する、ねじりに対して堅固なトルク伝達結合を可能にする。

しかし、他の型の回転可能に剛性を有し且つ可撓性を有する結合が別法として使用可能であり、例えば：オルダム継手、自在継手などであるが、それらに限定するものではない。

調整手段に関して、ハーモニックドライブ（登録商標）またはエピサイクリック／遊星歯車装置はこの機能で一般的であるが、ここでもまた様々な設計が可能である。例えば、調整手段が、入力軸に結合された輪歯車、電気モータによって回転可能な太陽歯車および出力軸に結合された支持体によって支持される遊星歯車を有する遊星歯車装置を備えることができる。当業者にとって明らかなように、遊星歯車装置の他の構成もまた可能である。

好ましくは、カム軸がその前方端部でアダプタ部分を備え、その前方端部にカム位相器出力軸が結合される。
カム位相器は筺体内に配置されることが好都合であり、その結果、カム位相器は、スプロケットおよびカム軸と接触している一対の同軸の入力軸および出力軸を有する自己内蔵型装置として簡単に取り扱いが可能である。カム位相器はその筺体を取り囲む環状ゴムブロックによって固定されることが好ましい。そのようなゴムブロックは小さい寸法変動（例えば、偏心および位置ずれ）を吸収し、特に湾曲した噛み合い結合を使用するとき、カム位相器の軸方向のロッキングを許容する。

戻しばね装置をカム位相器に関連付けることができ、カム位相器を所与の位置に戻すことを保証する。
また、行程制限器装置をカム位相器に関連付けることができ、カム軸、したがって、バルブタイミングの過度の角度補正を回避する。様々な行程制限器の設計が当分野で知られており、本発明のカム軸と共に作動するように容易に適合される。

加えて、本発明のカム位相器は、カム軸の角度の位置を決定する位相検出器、ならびにエンジンパラメータに基づいてエンジン制御ユニットによって提供される位相情報により電気アクチュエータを作動する電気制御ユニットを備えることができる。

本発明は、本発明の弁作動装置を装備された内燃エンジンにも関する。
次に、本発明について、添付の図面を参照して、例として述べる。

本発明による弁作動装置内のカム軸端部に取り付けられたカム位相器の好ましい実施形態による断面図である。 駆動部材／入力軸と出力軸／カム軸アダプタ間の結合の同様に軸方向に切断された概略分解図である。

本発明の弁作動装置１０の好ましい実施形態が図１に示され、可変カム位相器１２が内燃エンジンのカム軸１４の前方端部に取り付けられている。そのような弁作動装置では、従来、カム軸は、よく知られているように、シリンダ弁（図示せず）と相互に作用する多数のカム（図示せず）を備える。従来、駆動部材であるカム軸１４は、例えば、穴１８を通るねじ（図示せず）によってカム軸１４前方端部に固定して取り付けられたアダプタ部分１６を備える（またはアダプタ部分１６はカム軸１４と一体に形成され得る）。参照符号２０は、カム軸１４と同軸であり、ジャーナル軸受１９によってカム軸アダプタ部分１６上に回転可能に取り付けられたスプロケットを示す。スプロケット２０は、それ自体が知られている方法で、歯付き駆動ベルトまたはチェーン２２を介してエンジンのクランク軸（図示せず）によって回転可能に駆動され、カム位相器１２に駆動トルクを提供する。ジャーナル軸受１９は、当分野で知られているように、カム軸から到着する、アダプタ部分１６内の流路によって分配される油によって潤滑されることが好ましい。

カム位相器１２は、駆動部材を形成する、回転可能にスプロケット２０に結合された入力軸２４、およびそのアダプタ部分１６を介してカム軸１４に回転可能に結合された出力軸２６を備える。カム位相器１２は実際に、スプロケット２０とカム軸１４の間の連結部を提供し、その連結部によりカム軸１４がスプロケット２０に関して相対的に角度調整されることが可能になり、以下に説明されるように、一方でその間の駆動係合を維持する。

カム位相器１２の構造をより具体的に参照すると、カム位相器１２は、電気ＤＣモータおよび調整手段が収容される筺体２８を有する自己内蔵型装置として、ここでは設計される。電気モータは外側の電磁気固定子３０、および隔壁４０の貫通孔３８内に配置された一対のボール軸受３６によって回転可能に支持される回転子軸３４と一体になった磁気回転子３２を備える。

本発明の可変、調整手段は、４つの遊星歯車４６（それらの２つのみが図示される）の一組と協動する内側歯部４４を有する輪部材４２を備える遊星歯車装置の形態をとる。遊星歯車４６は、支持体４８上に取り付けられ、また回転子軸３４に固定して取り付けられた太陽歯車５０と噛み合い係合する。図１から分かるように、輪部材４２は、筺体２８の肩区域５４に固定されたころ軸受５２によって回転可能に支持される。遊星歯車４６は、ここでは二段階歯車として設計されており、すなわちそれらは、内側輪４２の歯部４４に噛み合う第１外側歯部５６および太陽歯車５０の外側歯部６０に噛み合う第２外側歯部５８を有する。遊星歯車は、支持体４８に固定されたピン６２によって回転可能に支持され、支持体４８自体は、太陽歯車５０に関して回転可能であり、出力軸２６と回転可能に一体になっている。

入力軸２４および輪４２は一体に形成され、出力軸２６は、入力軸２４の内壁に取り付けられたボール軸受６４に回転可能に支持されることにやはり留意されたい。
スプロケット２０から入力軸２４までのトルク伝達、および出力軸２６からカム軸１４までのトルク伝達は、それぞれの回転可能に剛性を有し且つ可撓性を有する結合によって実行されることを理解されたい。ここではそのような結合は、２つの同軸の層として配置された湾曲した噛み合い結合として実装される。

図２で最もよく分かるように、入力軸２４は内側にスプライン端部を有し、そこでは、軸方向に延在するスプライン６６はその長さの少なくとも一部に亘って、内側に湾曲した形状を有する。入力軸のスプライン部分は、スプロケット２０と一体になった外側のスプライン輪６８と噛合する。同様に出力軸２６は、軸方向に延在するスプライン７０がその長さの少なくとも一部に亘って、外向きに湾曲した形状を有する、外側のスプライン部分を有する。これらのスプラインはカム軸アダプタ１６の内側のスプライン端部７２に噛み合い係合する。

当然のことながら、この種の湾曲した噛み合い結合は、湾曲した歯部によって或る程度の角度の位置ずれを許容する一方で軸方向のスプラインがある程度の軸方向の変位を許容する、ねじりに対して堅固な結合を提供する。したがって、効率的で正確なトルクの伝達が達成されるが、駆動負荷およびスプロケットからの振動は本質的にはカム位相器１２に伝達されない。実際には、本発明の構成ではチェーン（またはベルト）負荷はスプロケット２０のジャーナル軸受１９によって吸収される。

したがって、カム軸とスプロケットの間のリンクは堅固ではなく、角度調整機構に含まれるすべての構成要素は可撓性を有する結合のカム位相器側に配置され、それは「柔軟（ｓｏｆｔ）」にトルク伝達のためだけに働く。したがって、カム位相器の歯車はスプロケットからの駆動負荷を受けない。

エンジンが稼働中で、バルブタイミングの修正が必要ではないとき、そのとき、電気モータは付勢されず、調整機構は入力軸２４と共に簡単に駆動され、カム軸の角度の調整は行われず、スプロケット２０およびカム軸１４は同じ速度で回転する。バルブタイミングを変更するために、所望のバルブタイミングに対応するカム軸１４の所望の角度の変更を得るためには、カム軸１４をスプロケット２０よりも速いまたは遅い速度で回転させるために、電気モータが付勢される。遊星歯車の本発明の構成を考察すると、太陽５０は遊星の入力を形成し、出力は支持体４８である。電気モータを適切な速度で付勢することにより、カム軸１４を所望の角度位置に導くために、したがって所望のバルブタイミングを提供するために要求される期間の間、出力軸２６を入力軸２４よりも速いまたは遅い速度で回転させることが可能になる。

好ましくは、そのような軸方向のスプラインを使用する場合、カム位相器１２はゴムブロック７４を介して定位置に固定され、ゴムブロック７４は振動を減衰し、位置ずれおよび角度デフォルトを吸収し、また筺体２８を軸方向でブロックする。そのようなゴムブロック７４は壺状筺体２８の周囲上で成型されることができる。

既に言及したように、カム位相器１２は、カム軸の端部に容易に取り付け可能な自己内蔵型装置である。電気モータおよび調整機構が筺体内に完全に一体化され、したがって筺体はその２つの接触面、入力軸２４および出力軸２６のそれぞれを介して簡単に連結され得る。輪４２／入力軸２４の部材の構成および支持体４８／出力軸２６の部材の構成もまた筺体２８を閉鎖する。

戻しばね７６はスプロケットと行程制限器の間に固定されて、カム位相器を所定の位置に戻すことを保証することが好ましい。
また、従来の設計の行程制限器は、カム軸１４のスプロケット２０に関する過度な回転を回避するために有利に使用されることができる。これは、アダプタ部分１６から半径方向に延在し、当業者に知られているように、スプロケットのハブ内の、１つまたは２つの円周上に延在する切り欠き（図示せず）と協動する１つまたは２つのピン（図示せず）によってなされ得る。

Claims (11)

1. カム軸（１４）、および前記カム軸（１４）を駆動するために前記カム軸（１４）に連結された可変カム位相器（１２）を備える内燃エンジンのための弁作動装置であって、前記エンジンが、前記カム軸（１４）と同軸の駆動部材（２０）によって前記可変カム位相器（１２）に駆動トルクを提供するクランク軸を有し、前記可変カム位相器（１２）が、
   前記駆動部材（２０）に回転可能に結合された入力軸（２４）と、
   前記カム軸（１４）に回転可能に結合され、前記入力軸（２４）と同軸の出力軸（２６）と、
   前記入力軸と前記出力軸（２４；２６）を駆動可能に連結し、前記入力軸および前記出力軸（２４；２６）が選択的に角度調整されることを可能にし、一方、それらの間に駆動係合を維持する調整手段であって、選択的に角度調整を操作するための電気アクチュエータを有する調整手段とを備える、弁作動装置において、
   前記入力軸および前記出力軸（２４；２６）が、それぞれ回転可能に剛性を有し且つ可撓性を有する結合手段を介して前記駆動部材（２０）および前記カム軸（１４）に結合されていることを特徴とする、弁作動装置。
2. 前記入力軸と前記駆動部材の間の回転可能に剛性を有し且つ可撓性を有する結合および／または前記出力軸と前記カム軸の間の結合が、湾曲した噛み合い結合（７０、７２；６６、６８）として実施される、請求項１に記載の弁作動装置。
3. 前記入力軸または駆動軸の一方が、その内周または外周に、湾曲端部を有する軸方向に延在する歯部（６６）を備え、前記歯部（６６）が前記入力軸または駆動軸の他方の外周または内周のスプライン歯部（６８）の間で係合し、前記出力軸または前記カム軸の一方が、その内周または外周に、湾曲端部（７０）を有する軸方向に延在する歯部を備え、前記歯部が前記出力軸または前記カム軸の他方の外周または内周のスプライン歯部（７２）の間で係合する、請求項２に記載の弁作動装置。
4. 前記調整手段が、ハーモニックドライブまたは遊星歯車装置を備える、請求項１、２または３に記載の弁作動装置。
5. 前記調整手段が、前記入力軸（２４）に結合された輪歯車（４２）、電気モータによって回転可能な太陽歯車（５０）および前記出力軸（２６）に結合された支持体（４８）によって支持される遊星歯車（４６）を有する遊星歯車装置を備える、請求項４に記載の弁作動装置。
6. 前記カム軸（１４）が、その前方端部でアダプタ部分（１６）を備え、前記カム位相器出力軸（２６）が前記アダプタ部分（１６）に結合される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の弁作動装置。
7. 前記カム位相器（１２）が、筺体（２８）内に配置される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の弁作動装置。
8. 前記カム位相器（１２）が、その筺体を取り囲む環状ゴムブロック（７４）によって固定される、請求項７に記載の弁作動装置。
9. 前記カム位相器に関連する戻しばねを備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の弁作動装置。
10. 前記カム位相器に関連する行程制限器を備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の弁作動装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の弁作動装置を備える内燃エンジン。

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