JP3911982B2

JP3911982B2 - 内燃機関の可変バルブタイミング装置

Info

Publication number: JP3911982B2
Application number: JP2000289976A
Authority: JP
Inventors: 洋介前; 文彦今村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-09-25
Filing date: 2000-09-25
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2020-09-25
Also published as: US20020038639A1; JP2002097908A; US6390045B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クランクシャフトに対するカムシャフトの位相を変化させて吸排気弁のバルブタイミングを変化させる内燃機関の可変バルブタイミング装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
吸排気弁のバルブタイミングを変化させる内燃機関の可変バルブタイミング装置として、電磁ブレーキ体を備えた形式のものが、特開平４−２７２４１１号公報や及び特開平１０−１５３１０５号公報等に開示されている。
【０００３】
すなわち、この種の可変バルブタイミング装置では、クランクシャフトと同期して回転するクランク回転体からカムシャフトへの回転動力伝達経路に移動部材が設けられ、この移動部材に係合するドラムが、捩りスプリング等の付勢手段によりカムシャフトの回転方向へ付勢されている。そして、磁力によりドラムの軸方向一側面を電磁ブレーキ体により吸引することにより、電磁ブレーキ体がドラムに吸引（付勢）され、以てドラムの回転を遅延させて移動部材を軸方向に変位させ、クランク回転体に対するカムシャフトの位相を変化させるように構成されている。この電磁ブレーキ体は、機関本体側に対する回転が規制された状態で、例えば機関本体側に固定されたカバー内に収容配置されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような可変バルブタイミング装置では、軸方向で互いに対向する電磁ブレーキ体とドラムの表面が均一に対向，接触しないと、安定的にブレーキトルクを発生することができない。
【０００５】
しかしながら、機関運転中には、クランク回転体の一部としてのスプロケットやプーリに、動力伝達用のチェーンやベルトの張力が作用する。このような張力等に起因してクランク回転体に連携されたドラムの軸心が傾転し、互いに対向する電磁ブレーキ体とドラムの表面が均一に対向，接触しなくなるおそれがある。この結果、電磁ブレーキ体とドラムの対向面が片当りして、所望の摩擦抵抗が得られず、位相変更特性に悪影響を与えるおそれがある。
【０００６】
そこで、カムシャフトの一端にベアリング部材を設置し、このベアリング部材を介して電磁ブレーキ体をカムシャフトに対して回転可能に保持することも考えられるが、この場合、構造が複雑になり、コスト的，レイアウト的に望ましくない。
【０００７】
また、部品寸法のバラツキ等に起因して電磁ブレーキ体とドラムの対向面間に過度な摩擦が作用することのないように、電磁ブレーキ体とドラムとの対向面間にある程度のクリアランスを確保している場合、電磁ブレーキ体に軸方向の振動入力が作用すると、この電磁ブレーキ体が軸方向に振動したり、カバーやドラムに衝突して騒音を招くおそれがある。
【０００８】
更に、このようなクリアランスの増加に伴って、ドラムを吸引する電磁ブレーキ体に要求される電力も大きくなり、この電磁ブレーキ体の大型化，消費電力の増加及びこれに伴う燃費の低下等を招くおそれがある。
【０００９】
加えて、このようなクリアランスが大きくなると、実働中の電磁ブレーキ体の挙動が不安定となり、この電磁ブレーキ体がドラムの表面を安定して均一な力で吸引することが困難となる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明に係る内燃機関の可変バルブタイミング装置は、吸排気弁を駆動するカムシャフトと同軸上に配置され、クランクシャフトと同期して回転するクランク回転体と、このクランク回転体からカムシャフトへの回転動力伝達経路に設けられた移動部材と、この移動部材に係合するドラムと、このドラムをクランク回転体に対してカムシャフトの回転方向へ付勢する付勢手段と、上記ドラムの軸方向一側面に対向配置された電磁ブレーキ体と、この電磁ブレーキ体を覆うように、機関本体側に固定されたカバーと、このカバーに対する電磁ブレーキ体のカムシャフト回りの相対回転を規制する回転規制機構と、を有し、磁力により上記電磁ブレーキ体をドラムの軸方向一側面に吸引させて、このドラムのカムシャフト回りの回転を遅延させることにより、上記移動部材が軸方向に移動して、上記クランク回転体に対するカムシャフトの位相が変化するように構成されている。
【００１１】
そして、請求項１に係る発明では、上記回転規制機構が、軸方向に互いに対向する電磁ブレーキ体の壁部及びカバーの壁部の一方に設けられる第１突起部及び第２突起部と、上記電磁ブレーキ体の壁部及びカバーの壁部の他方に設けられ、上記第１突起部及び第２突起部がそれぞれ嵌合する第１嵌合部及び第２嵌合部と、を有し、上記第１突起部と第２突起部とを結ぶ基準線が、上記ドラムの所定の直径方向に設定されていることを特徴としている。
【００１２】
このような回転規制機構により、カバーに対する電磁ブレーキ体の相対回転が規制されるとともに、カバーに対する電磁ブレーキ体の基準線回りの傾転が適宜に許容される。このため、ドラムがその中心軸に対して傾むいた場合にも、電磁ブレーキ体がドラムに追従して適宜に傾転することが可能となり、ドラムと電磁ブレーキ体との対向面が片当りすることを有効に防止できる。
【００１３】
また、上記クランクシャフトと上記クランク回転体のスプロケット又はプーリとに動力伝達用のチェーン又はベルトが巻き掛けられ、このチェーン又はベルトからスプロケット又はプーリへ作用する張力又は張力の合力の方向に対して、上記基準線が略直交するように設定されている。
【００１４】
従って、このような張力又は張力の合力に起因してドラムが傾いた場合に、電磁ブレーキ体がこのドラムに追従して確実に傾転することが可能で、ドラムに対向する電磁ブレーキ体の追従性が更に向上する。
【００１５】
請求項２に係る発明は、上記電磁ブレーキ体の壁部とカバーの壁部との軸方向対向面間に、上記電磁ブレーキ体をドラム側へ押圧する弾性体を介装したことを特徴としている。
【００１６】
この請求項２に係る発明によれば、電磁ブレーキ体がドラムとカバーとの間で軸方向に振動することが抑制され、この振動に起因する騒音の発生等が効果的に抑制される。
【００１７】
より好ましくは請求項３に係る発明のように、このような電磁ブレーキ体の振動をより確実に抑制するため、上記弾性体の押圧力が少なくとも上記電磁ブレーキ体に作用する所定の軸方向振動入力を上回るように設定されている。
【００１８】
更に好ましくは請求項４に係る発明のように、上記電磁ブレーキ体に電力が供給されていない初期状態、つまり非作動時では、上記クランク回転体に対して上記ドラムがカムシャフトの回転方向へ最も回動した位置、つまり初期位相に保持されるように、上記付勢手段の付勢力及び弾性体の押圧力が設定されている。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、クランク回転体へ作用する張力等に起因して仮にドラムが傾転しても、このドラムと電磁ブレーキ体の対向面を常に均一に対向，接触させることができ、これらの対向面が片当りすることによる位相変更性能の低下を確実に抑制することができる。
【００２０】
加えて、請求項２に係る発明のように、カバーと電磁ブレーキ体との間の軸方向間隙に弾性体を介装することにより、電磁ブレーキ体の軸方向の振動が抑制され、この振動に起因する騒音の発生が防止されるとともに、電磁ブレーキ体の消費電力を効果的に抑制することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２２】
図１及び図２に示すように、この可変バルブタイミング装置は、吸排気弁（吸気弁又は排気弁）を駆動するカムシャフト２の外周に同軸上に配置され、クランクシャフト１（図３及び図４参照）と同期して回転するクランク回転体１８と、このクランク回転体１８からカムシャフト２への回転動力伝達経路に設けられた略筒状の移動部材１１と、この移動部材１１の軸方向一側（図１の左側）に係合するドラム９と、このドラム９をクランク回転体１８に対してカムシャフト２の回転方向へ付勢する付勢手段としての捩りコイルスプリング１０と、ドラム９の軸方向外側（図１の左側）の表面９ａに対向配置された電磁ブレーキ体８と、この電磁ブレーキ体８を覆うように、機関本体側のスプロケットカバー６に固定されたカバー７と、このカバー７に対する電磁ブレーキ体８のカムシャフト２回りの相対回転を規制する回転規制機構３０と、を有している。
【００２３】
そして、後述するように、電磁ブレーキ体８によりドラム９の表面９ａを吸引して、このドラム９のカムシャフト回りの回転を遅延させることにより、移動部材１１が軸方向に移動して、クランク回転体１８及びクランクシャフト１に対するカムシャフト２の位相が変化するように構成されている。
【００２４】
詳細に説明すると、カムシャフト２の一端部には、このカムシャフト２と一体的に回転する筒状のスプラインシャフト１３が固定ボルト３及び位置決めピン２１を介して固定されている。
【００２５】
クランク回転体１８は、チェーン４が巻き掛けられ、このチェーン４から回転動力が伝達されるスプロケット５と、捩りコイルスプリング１０の外周の一部を覆うスプリングカバー２２と、捩りコイルスプリング１０の一端を受けるスプリングケース１２と、これらの部材５，２２，１２を共締め固定する複数のボルト１７と、を備えており、スプラインシャフト１３の外周に相対回転可能に外嵌されている。
【００２６】
移動部材１１の内周面とスプラインシャフト１３の外周面とはヘリカルスプライン２７により互いに噛合し、移動部材１１の外周面とスプリングケース１２の内周面とはヘリカルスプライン２８により互いに噛合している。従って、移動部材１１がカムシャフト２の軸方向（図１の左右方向）へ移動すると、スプラインシャフト１３とスプリングケース１２とが相対的に回転して、クランク回転体１８に対するカムシャフト２の位相が変化する。
【００２７】
ドラム９は、ベアリング１４を介してスプラインシャフト１３の外周に相対回転可能に取り付けられている。なお、このドラム９の内周には、ベアリング１４の軸方向一側面に係合する止め輪２３が取り付けられている。このドラム９の内周面と、移動部材１１の外周面とは、角ネジ２９により互いに噛合している。従って、ドラム９が移動部材１１に対して相対的に回転すると、この移動部材１１がドラム９に対して軸方向へ移動する。
【００２８】
また、ドラム９の軸方向一端部には、円盤状のフランジ部９ｂが径方向外方へ張出形成され、このフランジ部９ｂに、捩りコイルスプリング１０の他端を受けるピン２４が設けられているとともに、電磁ブレーキ体８の表面８ａに対向する表面９ａが形成されている。
【００２９】
略環状をなす電磁ブレーキ体８は、図外の制御部から機関運転状態に応じて通電制御される電磁コイル２５と、この電磁コイル２５を収容するハウジング２６と、を備えているとともに、ドラム９の表面９ａに対向，摺接する軸方向内側の表面８ａに、薄板状のフリクション部材８ｂが設けられている。
【００３０】
回転規制機構３０は、電磁ブレーキ体８のハウジング２６の軸方向外壁部に固定され、この外壁部より軸方向外方へ突出する円柱状の一対の第１突起部３１及び第２突起部３２と、この外壁部に対向するカバー７の内壁部に凹設され、第１突起部３１及び第２突起部３２がそれぞれ緩く嵌合（遊嵌）する略円孔状の一対の第１嵌合部３３及び第２嵌合部３４と、により構成されている。つまり、カバー７に対する電磁ブレーキ体８の僅かな変位を許容するように、突起部３１，３２に比して第２嵌合部３３，３４が大径かつ長尺に形成されている。
【００３１】
なお、組付誤差等を考慮して電磁ブレーキ体８とカバー７との間に僅かな隙間Ｄ１を確保するように、電磁ブレーキ体８が配設されるドラム９とカバー７との間の軸方向寸法は、電磁ブレーキ体８の軸方向寸法よりわずかに大きく設定されている。
【００３２】
カバー７には、電磁ブレーキ体８の内周面に適宜な隙間を介して対向するガイド部７ｂが突出形成されている。つまり、カバー７は、電磁ブレーキ体８の過度な変位を規制するように、電磁ブレーキ体８の三方を囲っている。
【００３３】
上記のクランク回転体１８，移動部材１１及び電磁ブレーキ体８は、通常の状態ではカムシャフト２の中心軸Ｌ１と同軸上に配置されている。なお、スプラインシャフト１３には、各軸受部分に潤滑油を供給するための適宜な潤滑油路３６，３７，３８が形成されている。
【００３４】
そして、この実施形態では、図３及び図４に示すように、軸方向視で第１突起部３１と第２突起部３２とを結ぶ基準線Ｐが、電磁ブレーキ体８（あるいはカムシャフト２）の所定の直径方向に沿うように設定されている。つまり、一対の突起部３１，３２がカムシャフト中心軸Ｌ１に対して互いに対向配置されており、同様に嵌合部３３，３４も中心軸Ｌ１を挟んで互いに対向配置されている。
【００３５】
このような構成により、電磁ブレーキ体８が通電されていない初期状態（非作動状態）では、ドラム９は捩りコイルスプリング１０の付勢力によりクランク回転体１８に対して最もカムシャフト２の回転方向に回転した所定の初期位置に保持されており、この状態で、クランク回転体１８，移動部材１１，ドラム９及び及びカムシャフト２が同期して回転する。
【００３６】
このような初期状態から、制御部により電磁ブレーキ体８を通電すると、両者間に発生する磁力により電磁ブレーキ体８がドラム９の軸方向一側面９ａを吸引する。これにより、電磁ブレーキ体８がドラム９側へ吸引，付勢され、電磁ブレーキ体８とドラム９の対向面８ａ，９ａ間に摩擦力が発生し、捩りコイルスプリング１０のバネ力に抗してドラム９のカムシャフト２回りの回転が適宜に遅延される。これにより、ドラム９が移動部材１１に対して相対回転して、角ネジ２９を介して移動部材１１が軸方向に移動するとともに、ヘリカルスプライン２７，２８を介してスプリングケース１２とスプラインシャフト１３とが相対的に回転する。この結果、クランク回転体１８に対するカムシャフト２の位相が変化して、吸排気弁のバルブタイミングが適宜に変更される。
【００３７】
ここで、電磁ブレーキ体８の吸引力をデューティ制御し、この吸引力と捩りコイルスプリング１０の付勢力とをバランスさせることにより、ドラム９の遅延量を所定の制御範囲内で任意に制御することが可能で、バルブタイミングを無段階に変更することができる。
【００３８】
ところで、スプロケット５にはチェーン４から張力が作用する。各張力の大きさは、機関運転中におけるカムシャフト２の駆動トルクの変動や燃焼トルク等に起因して変動するものの、その方向はほぼ一定である。つまり、各張力の方向は、チェーン４とスプロケット５の噛合部分の中央部からスプロケット５の中心へ向かう方向とほぼ等しくなる。
【００３９】
例えば図３に示すように、Ｖバンクの内側に配置された一対の吸気側スプロケット５Ａとクランクシャフト１とにメインチェーン４Ａが掛け渡されており、かつ、各バンクの隣り合う吸気側スプロケット５Ａと排気側スプロケット５Ｂとにそれぞれサブチェーン４Ｂが巻き掛けられたＶ型内燃機関の場合、吸気側スプロケット５Ａには、メインチェーン４Ａから作用する張力Ｆａと、サブチェーン４Ｂから作用する張力Ｆｂとの合力Ｆｃが作用する。一方、排気側スプロケット５Ｂには、サブチェーン４Ｂからの張力Ｆｂ’が作用する。
【００４０】
あるいは図４に示すように、各バンクの吸気側スプロケット５Ａ及び排気側スプロット５Ｂと、クランクシャフト１とにわたって１本のチェーン４が巻き掛けられるものもある。この場合、各スプロケット５Ａ，５Ｂにはそれぞれチェーン４から張力Ｆｄ，Ｆｅが作用する。
【００４１】
このようなスプロケット５に作用するチェーン４からの全張力（張力又は張力の合力）に起因して、図５に示すように、移動部材１１等を介してスプロケット５に係合するドラム９の中心軸Ｌ２がカムシャフト２の中心軸Ｌ１に対して傾くことがある。
【００４２】
ここで、図５（ａ）に示す比較例のように、突起部３１，３２同士を結ぶ基準線が上記全張力の作用方向（図５の上下方向）と平行に配置されている場合、電磁ブレーキ体８がドラム９の傾きに追従して良好に傾転することができない。この結果、ドラム９の中心軸Ｌ２と電磁ブレーキ体８の中心軸（Ｌ１）とが互いにずれて、電磁ブレーキ体８とドラム９の対向面８ａ，９ａが片当り状態となり、この摺動面８ａ，９ａに作用する摩擦力が安定せず、所望の位相変更特性が得られない。
【００４３】
そこで、この実施形態では、図３，４に示すように、第１突起部３１と第２突起部３２とを結ぶ基準線Ｐを、回転動力伝達用のチェーン４からスプロケット５へ作用する全張力（図３のＦｃ，Ｆｂ’、図４のＦｄ，Ｆｅ）の方向と直交するように設定している。これにより、図５（ｂ）に示すように、仮に上記のチェーン張力に起因してドラム９の中心軸Ｌ２が傾いたとしても、電磁ブレーキ体８もこれに追従して基準線Ｐ回りに良好に傾転することが可能で、電磁ブレーキ体８とドラム９の対向面８ａ，９ａを均一に対向，接触させることができる。この結果、この摺動面８ａ，９ａで片当りすることがなく、この摺動面８ａ，９ａに発生する摩擦トルクが安定し、所望のバルブタイミング変更特性を得ることができる。
【００４４】
より好ましくは、図６〜８に示すように、電磁ブレーキ体８の外壁部とカバー７の内壁部との軸方向の対向面間に、電磁ブレーキ体８をドラム９側へ軸方向に押圧する弾性体３９（３９Ａ〜３９Ｃ）を介装する。つまり、弾性体３９として、図６ではゴム等の弾性部材３９Ａが介装され、図７ではウェーブスプリング（又は皿バネ）３９Ｂが介装され、図８ではコイルスプリング３９Ｃが介装されている。なお、図６，図７に示すような構成では、突起部３１，３２との干渉を回避するために、環状の弾性部材３９Ａ，３９Ｂに適宜な切欠部（図示省略）を設けたり、弾性部材３９Ａを周方向に間欠的に配置する等の工夫が必要である。
【００４５】
このように弾性体３９を設けることにより、電磁ブレーキ体８へ電力が供給されていない初期状態においても、電磁ブレーキ体８の表面８ａとドラム９の表面９ａとが常に均一に接触する状態に保持される。従って、電磁ブレーキ体８とカバー７との間に確保される軸方向隙間Ｄ１に起因して、電磁ブレーキ体８の不用意な軸方向の振動，ガタツキの発生が抑制されるとともに、仮にガタツキが生じても弾性体３９による減衰効果で速やかに低減される。従って、このようなガタツキに起因する振動，騒音の発生がより確実に抑制される。
【００４６】
つまり、電磁ブレーキ体８の振動を確実に抑制するために、弾性体３９の押圧力が、電磁ブレーキ体８に作用する所定の軸方向振動入力を上回るように予め設定されている。
【００４７】
しかしながら、弾性体３９の押圧力を過度に大きく設定すると、電磁ブレーキ体８が通電されていない初期状態でも、ドラム９が捩りコイルスプリング１０の付勢力に抗して初期位相から不用意に回転してしまう可能性がある。従って、このような初期状態では、ドラム９がクランク回転体１８に対してカムシャフト２の回転方向へ最も回動した位置に保持されるように、捩りコイルスプリング１０の付勢力や弾性体３９の押圧力を適宜に設定する必要がある。
【００４８】
従って、好ましくは、弾性体３９の押圧力を、捩りコイルスプリング１０の付勢力を上回らない範囲で十分に大きく設定することにより、位相変更に必要な電磁ブレーキ体８の吸引力つまり消費電力を十分に抑制することが可能で、これにより、電磁ブレーキ体８の低電力化，小型化を図ることができる。この場合、通電状態から通電停止状態への移行時には、弾性体３９の押圧力を上回る捩りコイルスプリング１０の付勢力によりドラム９を速やかに初期位相へ復帰させることができる。
【００４９】
なお、上記の突起部３１，３２及び第２嵌合部３３，３４の形状は、上記の実施形態では円柱，円孔状であったが、これに限らず、キー及びキー溝や、二面幅を持った形状であっても良い。
【００５０】
また、上記の実施形態では、クランクシャフト１の回転動力伝達経路にチェーン４及びスプロケット５を用いているが、これに限らず、例えばタイミングベルト及びプーリを用いた構成であっても良く、あるいは一部にギヤを用いた構成であっても良い。
【００５１】
更に、チェーン４等のレイアウトについても、図３及び図４に示す例に限らず、他の多段式や１段式の構成であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変バルブタイミング装置を示す断面図。
【図２】上記可変バルブタイミング装置の分解斜視図。
【図３】上記可変バルブタイミング装置が適用されるＶ型内燃機関の正面対応図。
【図４】上記可変バルブタイミング装置が適用される他のＶ型内燃機関の正面対応図。
【図５】本実施形態の作用説明図。
【図６】本実施形態に係る弾性体の第１の例を示す要部断面図。
【図７】本実施形態に係る弾性体の第２の例を示す要部断面図。
【図８】本実施形態に係る弾性体の第３の例を示す要部断面図。
【符号の説明】
１…クランクシャフト
２…カムシャフト
４…チェーン
５…スプロケット
７…カバー
９…ドラム
１０…捩りコイルスプリング（付勢手段）
１１…移動部材
１８…クランク回転体
３０…回転規制機構
３１，３２…突起部
３３，３４…嵌合部

Claims

吸排気弁を駆動するカムシャフトと同軸上に配置され、クランクシャフトと同期して回転するクランク回転体と、
このクランク回転体からカムシャフトへの回転動力伝達経路に設けられた移動部材と、
この移動部材に係合するドラムと、
このドラムをクランク回転体に対してカムシャフトの回転方向へ付勢する付勢手段と、
上記ドラムの軸方向一側面に対向配置された電磁ブレーキ体と、
この電磁ブレーキ体を覆うように、機関本体側に固定されたカバーと、
このカバーに対する電磁ブレーキ体のカムシャフト回りの相対回転を規制する回転規制機構と、を有し、
磁力により上記電磁ブレーキ体をドラムの軸方向一側面に吸引させて、このドラムのカムシャフト回りの回転を遅延させることにより、上記移動部材が軸方向に移動して、上記クランク回転体に対するカムシャフトの位相が変化するように構成された内燃機関の可変バルブタイミング装置であって、
上記回転規制機構は、軸方向に互いに対向する電磁ブレーキ体の壁部及びカバーの壁部の一方に設けられる第１突起部及び第２突起部と、上記電磁ブレーキ体の壁部及びカバーの壁部の他方に設けられ、上記第１突起部及び第２突起部がそれぞれ嵌合する第１嵌合部及び第２嵌合部と、を有し、
上記クランクシャフトと上記クランク回転体のスプロケット又はプーリとに動力伝達用のチェーン又はベルトが巻き掛けられ、
上記第１突起部と第２突起部とを結ぶ基準線が、上記ドラムの直径方向であって、かつ、上記チェーン又はベルトからスプロケット又はプーリへ作用する張力又は張力の合力の方向に対して略直交する方向に設定されていることを特徴とする内燃機関の可変バルブタイミング装置。
上記電磁ブレーキ体の壁部とカバーの壁部との軸方向対向面間に、上記電磁ブレーキ体をドラム側へ押圧する弾性体を介装したことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の可変バルブタイミング装置。
上記弾性体の押圧力は、少なくとも上記電磁ブレーキ体に作用する所定の軸方向振動入力を上回るように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の可変バルブタイミング装置。
上記電磁ブレーキ体に電力が供給されていない初期状態では、上記クランク回転体に対して上記ドラムがカムシャフトの回転方向へ最も回動した位置に保持されるように、上記付勢手段の付勢力及び弾性体の押圧力が設定されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の可変バルブタイミング装置。