JP4874966B2 - カムシャフト調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段による、カムシャフト調整装置に関し、特に受動式のカムシャフト調整装置に関する。

受動式の、すなわち駆動装置無しのカムシャフト調整装置によって内燃機関のカムシャフトの位相位置を変更することが知られている。これらの装置は、例えば、特許文献１に記載の、ブレーキやレバー機構を有する。カムシャフト調整装置の調整歯車機構の制御入力におけるブレーキの可変モーメントは、カムシャフトの位相位置の変更につながる。ブレーキを掛けると、例えば逆転歯車機構を介して、制御シャフトを減速させ、ゆえに位相位置を進めた位置に変更する。ブレーキが解除された場合、制御入力はカムシャフトの負荷モーメントのため加速し、位相位置は遅らせた位置に変更される。一定の位相位置において、制御シャフトは、調整歯車機構内でいかなる相対的運動もできないようにカムシャフトの回転速度に同調されなければならない。

内燃機関の始動動作中の低回転速度において、ブレーキが故障した場合、カムシャフト調整装置は、通常では両端部ストッパ間の決められた位置でロックされなければならない。また、ロックを設けることは、ブレーキ、制御ユニット、接触連結手段、センサ技術などの、カムシャフト調整システムの部品故障の際にも望ましく、これによって異常時においても運転を継続できる。

独国特許出願公開第１０２ ４７ ６５０ Ａ１号明細書

本発明は、カムシャフト調整機構の確実なロックを、コスト対効果の高い方法で実現できるカムシャフト調整装置を提供することを目的とする。

上記目的は、本発明によれば、請求項１の特徴によって達成される。

本発明では、カムシャフトの位相位置を調整する本発明によるカムシャフト調整装置、特に受動式のカムシャフト調整装置の場合、動作条件により、少なくとも３本のシャフトのうち少なくとも２本が同調して回転するように、互いにロックするためのロック機構を設ける。このことは、カムシャフト調整装置の位相位置が一定のままであることを保証する。遊星歯車機構の少なくとも３本のシャフトのうち２本は同調して回転するように、固定して互いに連結されることが好ましい。２本のシャフトの連結は第３のシャフトの回転速度をも固定する。低温での常温始動の際に、カムシャフトの負荷モーメントがヒステリシスブレーキ又はカムシャフト調整装置によって単独で補償される必要がないので、好ましいことに、ヒステリシスブレーキ及びその作動はより小さくなる。さらに、内燃機関の始動や回転上昇中のカムシャフト調整装置の制御は、低回転速度でのカムシャフトの交互のモーメントが簡単に制御できないので、簡素化される。内燃機関がオフに切り換えられると、カムシャフト調整装置は、次の始動に必要な位置に移動し、そこでロックされる。

本発明の有利な改良形態や利点は、以下の説明や他の請求項から得られる。

ロック機構は、シャフトの１本に回転するように取り付けられる。ロック機構は、特に制御入力と同調して回転するように取り付けられることが好ましい。特に、制御入力は、ヒステリシスブレーキのヒステリシスリングの支持によって形成される。

有利な改良形態において、ロック機構は、歯車機構の制御入力をドライブに回転するように取り付けられる。ロック機構は、歯車機構の制御入力をカムシャフトと共に回転するように固定されるか、あるいは、カムシャフトのドライブをカムシャフトと共に回転するように固定される。２本のシャフトは、ロック機構によって、好ましくは係合するように連結される。２本のシャフトの摩擦連結も、必要なばね力及び／又は磁力がロック及び／又はロック解除に有効である場合に考えられる。その場合は、カムシャフト調整装置はあらゆる位置でロックできる。

有利な改良形態において、ラッチ位置でロックするための、ロック機構は、２本の他のシャフトのうち１本の止め具に移動できる。その結果、ロック機構が回転するように連結されるシャフト、及び止め具がその上に配置されるシャフトは、少なくとも係合することにより互いにしっかりと連結される。この場合、ロック機構は、ロック位置とロック解除位置との間で半径方向に移動可能である。ロック機構は、存在するヒステリシスブレーキの磁力によって及び／又は遠心力によって移動されることが好ましい。

ロック機構は、例えば鉄のような１より大きな比透磁率を有する磁性材料から、少なくとも部分的に形成されることが好ましい。ロック機構は、それで磁界の作用によって都合よく移動される。好ましい発展形態において、ロック機構は、少なくとも部分的に永久磁性材料から形成される。連結要素がヒステリシスブレーキの磁気回路によって移動される場合、ロック機構のアクティブ作動は不要となる。カムシャフト調整装置のコストは、永久的に低減される。永久磁石の力の作用は、ヒステリシスブレーキに割り当てられ、ロック解除位置にロック機構を保持するために必要であるコイル内に必要な電流を低減できる。

複数のラッチポイントは、ロック用のシャフト上に提供されることが好ましい、すなわち、ロック機構が引っ掛かる複数の止め具が対応するシャフト上に配置される。個々のラッチポイントは、動作条件により有利に選択される。それぞれ好ましい位置は、例えば、始動用又は緊急運転用に設定できる。

ロック機構がロック位置とロック解除位置との間でシャフトの回転軸に対し半径方向に移動される場合、ロックは、ヒステリシスブレーキの固定子間隙の外側で行われ、その間隙は極構造を備えている。

あるいは、ロック機構は、ロック位置とロック解除位置との間のシャフトの回転軸に対し軸方向に移動可能である。ロック機構は、それが、磁界によってヒステリシスブレーキの固定子間隙の方向に軸方向に往復移動されるように配置されることが好ましい。この場合、ロック機構は、ヒステリシスブレーキの極構造の外側でロック可能であり、ロック機構は、そのロック解除位置において、実際には固定子間隙内で係合していない。しかしながら、ロック機構がヒステリシスブレーキの極構造を備えた固定子間隙内で基本的に往復移動され、さらに磁力によって固定子間隙内に引き込まれるように配置されるようにしてもよい。この場合、復元ばねは、固定子間隙内に設けられ、その復元ばねは、磁力が弱ると、ロック機構をロック用の固定子間隙から引き離す作用をする。

好ましい代替形態において、ロック機構は、それがロック位置とロック解除位置との間で回転継手を中心に旋回されるように設計される。回転継手は、その枢軸がヒステリシスブレーキの回転子支持部の回転子断面の面内にあるように配置されることが好ましい。

復元ばねは、ロック機構をロック解除位置からロック位置に移動するために用いられる。ロック機構が磁力によって、特にヒステリシスブレーキから、ロック解除される場合、復元ばねは、磁力が弱まるか又は消滅すると、ロック機構が２本のシャフトを回転するように固定して確実に結合させる。停電の場合又は制御システム内に故障がある場合、内燃機関はカムシャフト調整装置の一定位相位置における緊急運転モードで操作される。

有利な発展形態において、ロック機構は、ヒステリシスブレーキの磁束によってロック解除位置に保持される。その結果、ヒステリシスブレーキに割り当てられたコイルは、同時にロック機構の磁気作動用に使用される。この場合、ロック機構のアクティブ作動用の追加的な構成要素は不要である。

好ましい改良形態において、個別ソレノイドはロック機構を作動させるために低い追加コストで提供される。ヒステリシスブレーキの固定子に、追加のソレノイドを一体化することは特に設置空間の節約となる。追加のソレノイドは、ヒステリシスブレーキのヒステリシスリングの半径方向外側に配置される。この場合、ロック機構は、ロック位置及びロック解除位置との間で半径方向に移動可能である、そうでなければ、上述のように、固定子間隙、好ましくはさらなるソレノイドの固定子間隙内の軸方向に移動可能である。

ソレノイド及びヒステリシスブレーキは、共通の電源ユニットから給電される。ソレノイドの両コイルは、電気的に並列、あるいは、直列に接続される。また、さらなるソレノイドに個別の電源を提供することも同様に考えられる。

他の有利な発展形態において、ロック機構は、遠心力の作用によって半径方向に移動可能となるように配置される。この発展形態は、カムシャフト調整装置がある回転速度超でのみロック解除され、その回転速度がそれ未満に降下した場合に再びロックされるようにすると好ましい。さらに、上述の手段と共に磁力によりロックさせるようにすることが好ましい。しかしながら、基本的に、この発展形態では、磁力補助が全く省かれても良い。カムシャフト調整装置がロック解除される所定の回転速度は、カムシャフト調整装置の対応する形状構造及びその構成要素、特に復元ばねのばね力によって、設計時に予め決定される。

本発明は図で示された例示的実施形態を参照して以下でより詳細に説明される。本発明はこの説明に限定されるものではなく、図、説明及び特許請求の範囲は、当業者が個別に、又はそれらを組み合わせをして任意に改良することができる内容も包含する。

以下の図１〜８でより詳細に説明される例示的実施形態は、遊星歯車機構として設計された歯車機構１３でカムシャフト１１の位相位置を調整するカムシャフト調整装置１０を示す。カムシャフト調整装置１０は、３本のシャフトである、制御入力１８、ドライブ１２及びカムシャフト１１によって形成される出力、を有する。歯車機構１３は、カムシャフト１１がリングギヤ１４に接続され、チェインホイールとして設計されたドライブ１２が、遊星歯車１６を有する遊星キャリヤ１７上に配置され、さらにサンホイール１５上に制御入力１８を有する、単段遊星歯車機構として設計される。例として使用される歯車機構１３は、他の種類の歯車機構（以下では詳述しない）が提供されても良い。カムシャフト調整装置１０はヒステリシスブレーキ２０により受動的に作動する。

ヒステリシスブレーキ２０の回転子２２は制御入力１８に接続され、ソレノイドを形成するコイル２５はヒステリシスブレーキの固定子２１内に配置され、さらに回転子２２に連結固定されるヒステリシスリング２３はヒステリシスブレーキの固定子間隙２４内で回転可能である。ヒステリシスリング２３は、カムシャフト１１と同じ回転軸回りで回転し、回転軸は破線で対称軸として示されている。磁極構造（図示せず）は、固定子間隙２４として形成され、コイル２５が励起されるとヒステリシスリング２３内に磁束を誘導し、コイル２５の適切な励起時に、それ自体周知の方法でヒステリシスブレーキを作動させる働きをする。図では、同一要素又は実質上略同じである要素には原則として同一の参照番号が付される。

第１の例示的実施形態は、図１ａ及び１ｂで示されるように、ロック機構２７がヒステリシスブレーキ２０の固定子間隙２４の外側に配置され、その間隙が極構造を備える。少なくとも部分的に磁性材料から構成されるロック機構２７は、ヒステリシスブレーキ２０の回転子２２内でスライド移動し、ヒステリシスブレーキ２０のコイル２５が励起されると、その磁力によって固定子間隙２４の外側方向に引っ張られる。ロック機構２７は、回転子２２と共に回転するように固定される。復元ばね３２は、チェインホイールとして設計されるドライブ１２のラッチポイント１９に向かって、止め具３１の方向にロック機構２７を引くように、カムシャフト調整装置１０の入力部に設置される。止め具３１は、代わりにカムシャフト１１に連結されても良く、さらに複数のラッチポイント１９が設けられても良い。

復元ばね３２のばね力が、コイル２５又は関連ソレノイドの磁力よりも大きく、さらに止め具３１及びロック機構２７が互いに対して正しい位置にあるとき、ロック機構２７は止め具３１に係合される。その結果、歯車機構１３の制御入力１８を形成する回転子２２の回転子シャフトと、チェインホイールとして設計され歯車機構１３の入力を形成するドライブ１２とが、一緒に回転するように固定される。このことは、図１ａに示された連結状況に相当する。その結果、歯車機構１３の動作は制限され、さらにカムシャフト調整装置１０の位相位置は不変のままになる。磁力の作用は、ロック機構２７上に上向きの矢印で示した方向である。ロック機構２７のロック解除位置は図１ｂに示されている。コイル２５が十分に励起されると、ロック機構２７は半径外側に移動し、そこで磁力が復元ばね３２のばね力よりも小さくなるまで保持される。ロック機構２７は、もはや止め具３１に係合しない。その結果、ドライブ１２及び回転子２２は連結されない。

動作中、カムシャフト調整装置１０がオフに切換又は緊急運転位置にある場合、一定の最小限の電流がヒステリシスブレーキ２０のコイル２５に流れなければならないので、ロック機構２７は止め具３１に係合しない。１つ又は複数のラッチポイント１９の全ての他の位置においても、復元ばね３２は、ヒステリシスブレ−キ２０が低すぎるレベルで励起されるか又は全く励起されず、その結果ラッチ掛けができない場合、ロック機構２７が稼働する。

図２は、ロック機構２７がヒステリシスブレーキ２０の固定子間隙２４の軸方向外側に配置され、その間隙は極構造を備えている、好ましい例示的実施形態を示す。歯車機構１３の図示は省略されている。ロック機構２７上の、固定子間隙２４に向けられる、矢印は、ヒステリシスブレーキ２０のコイル２５が励起されるときの磁力の方向を示す。ロック機構２７は、ヒステリシスブレーキ２０の回転子２２上に、移動可能なように取り付けられる。ロックのために、ロック機構２７は反対方向に係合解除され、止め具（図示せず）に、例えば軸方向に、引っ掛かる。

図３ａ、３ｂ、３ｃは、回転子２２内に旋回可能に配置される、ロック機構２７が、ヒステリシスブレーキ２０の磁力によってヒステリシスブレーキ２０の固定子２１内の回転子間隙２４の方向に旋回できる、他の好ましい例示的実施形態を示す。歯車機構１３はここでも図示は省略されている。ロック機構２７の旋回運動は、ロック機構２７上の湾曲矢印で示される（図３ａ）。図３ｂは、歯車機構１３無しのヒステリシスブレーキ２０の外観図を示す。ロック機構２７は、板ばねで形成される弾性部材２９によって回転子２２に押圧され、さらに板ばねのばね力によって係合解除ができる。ヒステリシスブレーキ２０の固定子２１の周辺又は上部に達するように設けられる突起２８は、ロック機構２７の終端に形成される。このことは、図３ｃの詳細図により明確に示される。磁束の誘導は、ゆえに改良され、ロック機構２７に作用する磁力が増加される。ヒステリシスリング２３は切り欠き２６を有するロック機構２７付近に設けられるので、このポイントにおける磁束は主にロック機構２７を通過することになる。ロック機構２７は回転軸３０の回りで旋回できる。図３ｃにおいて、ロック機構２７はそのロック解除位置で示される。

全ての前の及び以後の例示的実施形態において、ロック機構２７は、少なくとも部分的に永久磁性材料から形成されるか又は、図４が示すように、完全に永久磁性材料から構成される。ロック機構２７の極性は、ここではヒステリシスブレーキ２０の固定子２１の極性と逆になるように選択される。永久磁性材料の力の影響は、ヒステリシスブレーキ２０のコイル２５内の電流を減少させ、その電流はロック機構２７をロック解除位置に保持するために必要とされる。

図５による他の好ましい改良形態において、ロック機構２７は、ヒステリシスブレーキ２０の極構造（図示せず）を備え、固定子間隙２４内で移動可能に取り付けられる。この改良形態において、回転子２２内で移動可能に取り付けられる、ロック機構２７は、コイル２５の磁力によって固定子間隙２４内に引き込まれる。このことは、ロック機構２７のロック解除位置に相当する。コイル２５が低過ぎるレベルにおいて励起されるか又は全く励起されないと、復元ばね３３は、カムシャフト調整装置１０をロックするためにロック機構２７を軸方向外側に押す。歯車機構１３はこの図には明確に描かれていない。

図６ａ及び６ｂは、他の好ましい改良形態を示す。ロック機構２７はここでは独立ソレノイド３５を用いて作動される。ソレノイド３５は、ヒステリシスブレーキ２０の固定子２１に一体化され、そのコイルがヒステリシスブレーキ２０のコイル２５の半径方向外側に配置される。図６ａはロック機構２７をそのロック位置で示す。ロック機構２７もコイル２５の半径方向外側に配置される。ソレノイド３５のコイルが励起された場合、ロック機構２７は、図６ｂに示すように、そのロック解除位置へ、ロック機構２７上の上向きの矢印で示されるように、半径方向外側に移動する。そのロック解除位置において、ロック機構２７は、独立ソレノイド３５の固定子間隙３４上まで押され、その磁力が復元ばね３２のばね力よりも小さくなるまでそこで保持される。

図７は、図６の実施形態に対応する独立ソレノイド３５を用いた改良形態を示し、軸方向に移動可能なロック機構２７を示す。歯車機構１３はこの図では明確に描かれていない。ロック機構２７は、回転子２２の半径方向外部延長部３６内で軸方向に移動可能に取り付けられ、ソレノイド３５が励起されると、その固定子間隙３４内に引き込まれる。ソレノイド３５の励起が低過ぎるレベルにあるか又は無い場合、固定子間隙３４からロック機構２７をそのロック位置へ軸方向に押すために、手段（図示せず）が都合よく提供される。

図８は、他の好ましい実施形態を示す。ロック機構２７は、それがロック機構２７上の半径方向外側を指す矢印で示されるように、遠心力の作用によって半径方向に移動可能となるように配置される。ロック機構２７を移動させるためのヒステリシスブレーキ２０の磁力は、同じように半径方向に作用する、回転子２２の遠心力によって支援される。一定の回転速度を超えたときにだけロック解除が行われ、さらにロックは、回転速度がそれ未満に降下した場合に行われることになる場合、このような構成であれば、磁力支援は省略できる。

磁束によるヒステリシスブレーキの固定子内で半径方向に移動可能であるロック機構のロック位置の場合を示す図である。 磁束によるヒステリシスブレーキの回転子内で軸方向に移動可能であるロック機構ロック解除位置の場合を示す図である。 磁束によるヒステリシスブレーキの回転子内で軸方向に移動可能であるロック機構を示す図である。 示された運動方向（ａ）での、ヒステリシスブレーキの回転子内で旋回可能に配置される、ロック機構を示す図である。 ロック機構の全体斜視図である。 ロック解除位置での、ロック機構の詳細図である。 ロック解除位置の、永久磁性材料から形成されたロック機構を部分的に示す図である。 復元ばねで、軸方向に移動可能に取り付けられる、ロック機構を示す図である。 ロック位置において、独立ソレノイドによって半径方向に移動されるように取り付けられるロック機構の配置を示す全体図である。 ロック解除位置において、独立ソレノイドによって半径方向に移動されるように取り付けられるロック機構の配置を示す全体図である。 ロック機構が独立ソレノイドによって軸方向に移動されるように取り付けられるロック機構の配置を示す図である。 ロック機構が遠心力によって半径方向に移動されるように取り付けられるロック機構の配置を示す図である。

Claims (20)

1. 少なくとも３本のシャフト（１１、１２、１８）及び歯車機構（１３）を有する、内燃機関のカムシャフト（１１）の位相位置を調整するカムシャフト調整装置において、
   動作条件により、少なくとも３本のシャフト（１１、１２、１８）のうち少なくとも２本を互いに相対回転不能に固定するロック機構（２７）を設け、
   前記ロック機構（２７）が前記シャフト（１１、１２、１８）の１本に相対回転不能に連結され、
   前記ロック機構（２７）が、前記少なくとも３本のシャフトのうちの少なくとも２本を相対回転不能に連結するロック位置と、ブレーキ（２０）が前記少なくとも３本のシャフトのうちの１本である制御シャフト（１８）の回転を制動して前記歯車機構（１３）を介して位相位置を進角方向に変更可能とし、またはブレーキ（２０）が解除されて前記カムシャフト（１１）の負荷モーメントにより前記歯車機構（１３）を介して位相位置を遅角方向に変更可能とするロック解除位置との間で移動可能であることを特徴とするカムシャフト調整装置。
2. 前記ロック機構（２７）が前記歯車機構（１３）の制御シャフト（１８）とドライブシャフト（１２）を、相対回転不能に連結することを特徴とする請求項１に記載のカムシャフト調整装置。
3. 前記ロック機構（２７）が前記歯車機構（１３）の制御シャフト（１８）と前記カムシャフト（１１）を相対回転不能に連結することを特徴とする請求項１に記載のカムシャフト調整装置。
4. 前記ロック機構（２７）が前記カムシャフト（１１）のドライブシャフト（１２）と前記カムシャフト（１１）を相対回転不能に連結することを特徴とする請求項１に記載のカムシャフト調整装置。
5. ラッチ位置でロックするための前記ロック機構（２７）が、２本の他のシャフトの１本（１２）の止め具（３１）に係合可能であ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カムシャフト調整装置。
6. 前記ロック機構（２７）が、少なくとも部分的に磁化可能材料から形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のカムシャフト調整装置。
7. 前記ロック機構（２７）が、少なくとも部分的に永久磁性材料から形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のカムシャフト調整装置。
8. 複数のラッチポイント（１９）が、ロック用に設けられることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のカムシャフト調整装置。
9. 前記複数のラッチポイント（１９）の１つが、始動状態又は緊急運転状態の動作条件になった場合に選択可能であることを特徴とする請求項８に記載のカムシャフト調整装置。
10. 前記ロック機構（２７）が、ロック位置とロック解除位置との間で半径方向に移動可能であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のカムシャフト調整装置。
11. 前記ロック機構（２７）が、ロック位置とロック解除位置との間で軸方向に移動可能であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のカムシャフト調整装置。
12. 前記ロック機構（２７）が、ロック位置とロック解除位置との間で回転継手（３０）を中心として旋回可能であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のカムシャフト調整装置。
13. 復元ばね（３２）が、ロック機構（２７）をロック解除位置からロック位置に移動させるために設けられることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のカムシャフト調整装置。
14. 前記ロック機構（２７）が、ヒステリシスブレーキ（２０）の磁束によってロック解除位置に保持可能であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載のカムシャフト調整装置。
15. 前記ロック機構（２７）を作動させるためにソレノイド（３５）が設けられることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載のカムシャフト調整装置。
16. ヒステリシスブレーキ（２０）のヒステリシスリング（２３）の半径方向外側に、ソレノイド（３５）が配置されることを特徴とする請求項１５に記載のカムシャフト調整装置。
17. 前記ソレノイド（３５）及び前記ヒステリシスブレーキ（２０）が、共通の電源ユニットから給電されることを特徴とする請求項１５あるいは１６に記載のカムシャフト調整装置。
18. 前記ロック機構（２７）が、遠心力の作用によって半径方向に移動可能となるように構成されることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項に記載のカムシャフト調整装置。
19. 前記ロック機構（２７）が、ヒステリシスブレーキ（２２）の回転子に相対回転不能に連結されることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか一項に記載のカムシャフト調整装置。
20. 前記ロック機構（２７）が、内燃機関がオフに切り換えられるとラッチ掛けされ、カムシャフト調整装置の動作を停止させることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか一項に記載のカムシャフト調整装置。

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