JP5783310B2

JP5783310B2 - カムシャフトの支持構造

Info

Publication number: JP5783310B2
Application number: JP2014164504A
Authority: JP
Inventors: 小林　勉; 勉小林
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2014-08-12
Filing date: 2014-08-12
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2031-04-27
Also published as: JP2014240656A

Description

本発明は、ＶＶＴ（可変バルブタイミング装置）と連結されるカムシャフトを転がり軸受によって支持するカムシャフトの支持構造に関する。

近年、自動車用のエンジンとして、高出力、低燃費、低排気ガスを目的として、エンジンの運転状態に応じて吸気バルブ及び排気バルブのバルブタイミングを制御する可変バルブタイミング装置を搭載したものが増加している。従来、この種の可変バルブタイミング装置において、吸気バルブ及び排気バルブを駆動するカムシャフトを、ハウジングに形成した滑り軸受により支持するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この可変バルブタイミング装置では、ハウジング内のオイル通路とカムシャフト内の連通路とを介してオイルが油圧機器（ＶＶＴアッシ）の進角室及び遅角室に供給される。そして、進角室及び遅角室へのオイルの供給によって、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相が変化してバルブタイミングが調整される。

特開２００７−３２７３６２号公報

上記の可変バルブタイミング装置では、ハウジング内に進角側及び遅角側のオイル通路が並んで形成される。このハウジング内の進角側及び遅角側のオイル通路は、カムシャフトの外周面に形成された２つの環状溝を介して、カムシャフト内の進角側及び遅角側の連通路に連通している。互いに隣り合う環状溝はカムシャフトの外周面と軸受面との隙間を介して連通されている。これによって両環状溝間でオイルが流通して油圧機器の作動応答性が鈍くなるため、回転軸方向に十分な間隔を空けて両環状溝を配置することが望まれている。

ところで、滑り軸受によってカムシャフトを支持する構成では、摩擦が大きく回転抵抗を十分に下げることができないため、転がり軸受によりカムシャフトを支持する構成が提案されている。しかしながら、転がり軸受によりカムシャフトを支持する構成では、軸受の幅分だけハウジング及びカムシャフトの支持部分（ジャーナル部分）の回転軸方向における幅寸法が増加し、エンジンが大型化してしまっていた。この場合、支持部分全体の幅寸法を小さくするために隣り合う環状溝を近づけると、進角側及び遅角側のオイル通路（環状溝）間でオイルが流通して油圧機器の作動応答性が悪化するという問題があった。

本発明は係る点に鑑みてなされたものであり、転がり軸受によってカムシャフトを支持する構成であっても、エンジンの小型化を図りつつ、油圧機器の作動応答性を向上させることができるカムシャフトの支持構造を提供することを目的とする。

本発明のカムシャフトの支持構造は、カムシャフトをハウジングに設けた転がり軸受によって支持するカムシャフトの支持構造において、前記ハウジングには、前記カムシャフトを支持する支持面に一端を開口した複数のオイル通路が設けられ、前記カムシャフトには、前記複数のオイル通路に前記カムシャフト内の連通路を連通させるように、外周面に並列に配置された複数の環状溝が形成され、前記支持面には、前記カムシャフトに圧入された前記転がり軸受を収容する環状の収容溝が、隣り合うオイル通路の間に形成され、前記転がり軸受は、前記複数の環状溝の油圧の低下を抑えるように、前記カムシャフトの外周面と前記ハウジングの支持面の間に、前記オイル通路間の隔壁部として配置されたことを特徴とする。また本発明の上記カムシャフトの支持構造において、前記カムシャフト内の連通路は、可変バルブタイミング装置の作動用のオイル通路である。

この構成によれば、転がり軸受によって隣り合う環状溝間のオイルの流通が抑制され、カムシャフトの回転抵抗を下げつつ油圧機器の作動応答性を向上させることができる。また、両環状溝の間隔を十分に空けることなく両環状溝間のオイルの流通を抑制できるため、両環状溝の間の隔壁部を狭めてハウジング及びカムシャフトの支持部分の幅寸法を小さくできる。また、転がり軸受が両環状溝間に配置されるため、転がり軸受を配置することによる支持部分の幅寸法の増加がない。よって、エンジンの小型化を図ることができる。

また本発明の上記カムシャフトの支持構造において、前記ハウジングは、前記カムシャフトの上半部を支持するアッパハウジングと、前記カムシャフトの下半部を支持するロアハウジングとにより構成されて前記ロアハウジングの支持面に一端を開口した複数のオイル通路が設けられた。

本発明によれば、転がり軸受によってカムシャフトを支持する構成であっても、エンジンの小型化を図りつつ、油圧機器の作動応答性を向上させることができる。

第１の実施の形態に係る可変バルブタイミングシステムの概略構成図である。第１の実施の形態に係るバルブタイミング装置の正面図である。第１の実施の形態に係るカムシャフトの支持構造の周辺部分の断面図である。比較例に係るカムシャフトの支持構造の周辺部分の断面図である。第２の実施の形態に係るカムシャフトの支持構造の周辺部分の断面図である。変形例に係るカムシャフトの支持構造の周辺部分の断面図である。

以下、実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。なお、以下においては、本発明のカムシャフトの支持構造を四輪車の可変バルブタイミング装置（ＶＶＴ）に適用した例について説明するが、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。例えば、本発明のカムシャフトの支持構造を、自動二輪車、船舶等のエンジンにも適用可能である。また、以下の説明では、比較例、第２の実施の形態、変形例において第１の実施の形態の同一名称の部分について同一の符号を付して説明する。

図１及び図２を参照して、第１の実施の形態に係る可変バルブタイミング装置の概略構成について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る可変バルブタイミングシステムの概略構成図である。図２は、第１の実施の形態に係るバルブタイミング装置の正面図である。なお、以下の説明では、吸気側の可変バルブタイミングシステムを説明するが、排気側の可変バルブタイミングシステムも同様な構成である。また、吸気側又は排気側にだけ可変バルブタイミングシステムが設けられていてもよい。

図１及び図２に示すように、可変バルブタイミングシステムは、不図示のクランクシャフトに対するカムシャフト１の回転位相を変化させてバルブタイミングを可変するものであり、油圧式の可変バルブタイミング装置２（油圧機器）を有している。カムシャフト１には、クランクシャフトからの動力が不図示のタイミングチェーンによって可変バルブタイミング装置２を介して伝達される。可変バルブタイミング装置２は、カムシャフト１の一端部に設けられており、内部に供給されたオイルを介してカムシャフト１に動力を伝達するように構成されている。

可変バルブタイミング装置２のケース２１は、タイミングチェーンが掛け渡されたスプロケット２２にボルト２３で締め付け固定されており、スプロケット２２と一体に回転する。スプロケット２２は、ケース２１とともにカムシャフト１の一端部に回転可能に支持されている。また、カムシャフト１の一端部には、ベーン２４１付きのロータ２４がボルト２５で締め付け固定されており、ロータ２４はケース２１の内側に相対回転可能に収容されている。ケース２１の内側には、複数の隔壁部２１１によって複数の油圧室が形成されており、各油圧室にロータ２４の各ベーン２４１が収容されている。各油圧室は、それぞれベーン２４１によって進角室Ｓ１と遅角室Ｓ２とに仕切られている。

進角室Ｓ１及び遅角室Ｓ２は、カムシャフト１及びハウジング７（図３参照）に形成された油路に連通されている。油圧によって進角室Ｓ１の容積が拡大すると、ケース２１に対してロータ２４が相対的に進角側に回転される。これにより、ロータ２４に固定されたカムシャフト１が回転して、バルブタイミングが進角側に変化する。一方、油圧によって遅角室Ｓ２の容積が拡大すると、ケース２１に対してロータ２４が相対的に遅角側に回転される。これにより、ロータ２４に固定されたカムシャフト１が回転して、バルブタイミングが遅角側に変化する。なお、カムシャフト１及びハウジング７の油路の詳細は後述する。

ベーン２４１には、エンジン始動時等において一定レベルに油圧が達するまで、ロータ２４をケース２１に連結するロックピン２６が設けられている。ロックピン２６は、ベーン２４１に形成された有底の収容孔２４２に収容され、収容孔２４２の底面に配置されたスプリング２７によってケース２１の前面側に付勢されている。ケース２１の前面には、ロックピン２６に対応してロック孔２１２が形成されており、このロック孔２１２にロックピン２６が入り込むことでロータ２４とケース２１とが一体化される。また、ロックピン２６は、解除用の油圧によってスプリング２７の付勢力に抗して収容孔２４２内に戻されるように構成されている。

可変バルブタイミング装置２は、オイル制御弁３（ＯＣＶ）からの油圧によって作動される。オイル制御弁３には、エンジンの動力によって駆動されるオイルポンプ４によって、オイルパン５内からオイルが汲み上げられて供給される。オイル制御弁３は、いわゆる電磁式のスプール弁であり、進角ポートＰ１、遅角ポートＰ２、入力ポートＰ３、排出ポートＰ４等が形成されている。進角ポートＰ１及び遅角ポートＰ２は、それぞれカムシャフト１及びハウジング７の油路を介して進角室Ｓ１及び遅角室Ｓ２に接続されている。入力ポートＰ３は、オイルフィルタ６を介してオイルポンプ４に接続され、排出ポートＰ４は、オイルパン５に接続されている。オイル制御弁３は、スプール３１を進退させて内部流路を可変することで、各ポート間の連通状態を切り替えている。

例えば、進角ポートＰ１が入力ポートＰ３、遅角ポートＰ２が排出ポートＰ４にそれぞれ連通されると、遅角室Ｓ２からオイルが排出された状態で進角室Ｓ１にオイルが供給され、バルブタイミングが進角側に可変される。また、進角ポートＰ１が排出ポートＰ４、遅角ポートＰ２が入力ポートＰ３にそれぞれ連通されると、進角室Ｓ１からオイルが排出された状態で遅角室Ｓ２にオイルが供給され、バルブタイミングが遅角側に可変される。さらに、進角ポートＰ１及び遅角ポートＰ２が入力ポートＰ３および排出ポートＰ４から遮断されると、進角室Ｓ１及び遅角室Ｓ２の油圧が保持されてバルブタイミングが固定される。

このように構成された可変バルブタイミングシステムでは、油圧が働かないエンジン始動時にはロックピン２６によってスプロケット２２とカムシャフト１とを連結する。そして、可変バルブタイミングシステムは、油圧が一定レベルに達した時点でロックを解除し、エンジンの回転数等の運転状態に応じてオイル制御弁３を駆動してバルブタイミングを調整する。

ここで、比較例と比較しつつ、本実施の形態に係る可変バルブ装置の特徴部分であるカムシャフトの支持構造について説明する。図３は、第１の実施の形態に係るカムシャフトの支持構造の周辺部分の断面図である。図４は、比較例に係るカムシャフトの支持構造の周辺部分の断面図である。

図３に示すように、本実施の形態に係るカムシャフト１は、転がり軸受８を介してハウジング７に回転可能に支持されている。ハウジング７は、カムシャフト１の上半部を支持するアッパハウジング７１と、カムシャフト１の下半部を支持するロアハウジング７２とにより構成されている。アッパハウジング７１及びロアハウジング７２には、円筒状の支持面７５が形成されている。カムシャフト１は、この支持面７５によって形成される円筒状の支持空間に差し込まれる。ロアハウジング７２には、進角側及び遅角側のオイル通路７２４、７２５がカムシャフト１の回転軸方向に並んで形成されている。

進角側のオイル通路７２４は、一端が支持面７５に開口され、他端がオイル制御弁３の進角ポートＰ１に連通されている。遅角側のオイル通路７２５は、一端が支持面７５に開口され、他端がオイル制御弁３の遅角ポートＰ２に連通されている。支持面７５には、カムシャフト１に圧入された転がり軸受８を収容する環状の収容溝７６が形成されている。収容溝７６は、ロアハウジング７２において隣り合うオイル通路７２４、７２５の間に位置しており、転がり軸受８をオイル通路７２４、７２５間の隔壁部として機能させる。アッパハウジング７１の支持面７５には、収容溝７６に対してスプロケット２２側とは反対側の位置に、カムシャフト１を軸方向に位置決めする半環状のスラスト規制溝７１７が形成されている。

カムシャフト１には、端面１８にボルト２５を介してベーン２４１付きのロータ２４が固定されている。ロータ２４は、カムシャフト１の端面１８に圧入されたノックピン２８を介して、カムシャフト１に対して位置決めされている。また、カムシャフト１の端面１８近傍には、スプロケット２２が回転可能に支持されている。カムシャフト１の側方には、スプロケット２２に固定されたケース２１とロータ２４のベーン２４１とによって進角室Ｓ１及び遅角室Ｓ２が形成される（図２参照）。カムシャフト１の外周面１１には、ロアハウジング７２の進角側及び遅角側のオイル通路７２４、７２５に対応して進角側及び遅角側の環状溝１２、１３が形成されている。

進角側の環状溝１２は、カムシャフト１内を回転軸方向に延びる連通路１４を介して進角室Ｓ１に連通する。遅角側の環状溝１３は、カムシャフト１内を回転軸方向に延びる連通路１５を介して遅角室Ｓ２に連通する。この隣り合う環状溝１２、１３間の隔壁部１６には、転がり軸受８が圧入されている。転がり軸受８は、外輪８１と内輪８２との間に複数の転動体８３を配置して構成されている。転がり軸受８の回転軸方向の両端部には、外輪８１と内輪８２との間にシール部材８４が設けられ、このシール部材８４により転がり軸受８の内部が液密に封止されている。また、カムシャフト１の外周面１１には、アッパハウジング７１のスラスト規制溝７１７に挿入されるフランジ部１７が形成されている。

カムシャフト１は、外周面１１と支持面７５との僅かな隙間Ｃ１を空けてハウジング７に支持されている。このため、オイル通路７２４、７２５から環状溝１２、１３にオイルが流入すると、外周面１１と支持面７５との隙間Ｃ１に一部のオイルが入り込む。このとき、隣り合う環状溝１２、１３間におけるオイルの流通がシール部材８４付きの転がり軸受８によって遮られる。また、収容溝７６に入り込んだオイルについては、転がり軸受８の熱膨張を考慮して設計された外輪８１の外周面と収容溝７６の底面との狭い隙間Ｃ２によって流れが抑制される。このような構成により、進角側及び遅角側のオイル通路７２４、７２５間のオイルの流通による可変バルブタイミング装置２の作動応答性の悪化が防止される。

ハウジング７外に向かうオイルについては、進角側の環状溝１２とハウジング７のスプロケット２２側の端面７３との間の幅寸法Ｌ２、遅角側の環状溝１３とハウジング７のスプロケット２２側とは逆側の端面７４との間の幅寸法Ｌ３がそれぞれ十分に確保されることで、外部への漏れ量の増加が抑えられる。これにより、ハウジング７外へのオイル漏れの増加による可変バルブタイミング装置２の作動応答性の悪化が防止される。

また、両環状溝１２、１３間の隔壁部１６の幅寸法Ｌ１と転がり軸受８の幅寸法Ｌ４とが略同幅に形成され、この隔壁部１６に転がり軸受８が設置されているため、ハウジング７及びカムシャフト１の支持部分（ジャーナル部分）を延長して転がり軸受８用の設置部を新たに設ける必要がない。よって、転がり軸受８用に支持部分の回転軸方向における幅寸法Ｌ５を長くとる必要がなく、エンジンの小型化を図ることができる。このように、本実施の形態では、転がり軸受８によってカムシャフト１を支持する構成であっても、エンジンの小型化を図りつつ、可変バルブタイミング装置２の作動応答性を向上させることが可能である。

図４に示すように、比較例に係るカムシャフトの支持構造においては、転がり軸受８の設置位置が、本実施の形態に係るカムシャフトの支持構造と異なっている。比較例に係る転がり軸受８は、ハウジング７のスプロケット２２側に形成された収容溝７６内に配置されており、隣り合う環状溝１２、１３が所定の幅寸法Ｌ１を有する隔壁部を挟んでカムシャフト１の外周面１１に形成されている。

この比較例に係るカムシャフトの支持構造では、隣り合う環状溝１２、１３が所定の幅寸法Ｌ１を有する隔壁部を挟んで形成されているが、ハウジング７の支持面７５とカムシャフト１の外周面１１との隙間Ｃ１によって連通されている。よって、進角側及び遅角側の環状溝１２、１３間のオイルの流通を十分に抑制することができず、可変バルブタイミング装置２の作動応答性が鈍くなる。また、ハウジング７及びカムシャフト１の支持部分には、転がり軸受８を配置するために転がり軸受８用の設置部が幅Ｌ４にて新たに設けられている。よって、ハウジング７及びカムシャフト１の支持部分の回転軸方向における幅寸法Ｌ５が増加し、エンジンの小型化を図ることができない。

このように、第１の実施の形態に係るカムシャフトの支持構造は、比較例に係るカムシャフトの支持構造と比較して、エンジンの小型化を図りつつ可変バルブタイミング装置２の作動応答性を向上させることができる。なお、本実施の形態においては、転がり軸受８の回転軸方向の両端部に、外輪８１と内輪８２との間を塞ぐシール部材８４を設ける構成としたが、転がり軸受８を介して隣り合う環状溝１２、１３間のオイルの流通を抑制できれば、シール部材８４を設けない構成としてもよい。

以上のように、本実施の形態に係るカムシャフト１の支持構造によれば、転がり軸受８によって隣り合う環状溝１２、１３間のオイルの流通が抑制され、カムシャフト１の回転抵抗を下げつつ可変バルブタイミング装置２の作動応答性を向上させることができる。また、転がり軸受８が両環状溝１２、１３間に配置されるため、転がり軸受８を配置することによる支持部分の幅寸法Ｌ５の増加がなく、エンジンの小型化を図ることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

例えば、第１の実施の形態では、隣り合う環状溝１２、１３間の隔壁部１６の幅寸法Ｌ１と転がり軸受８の幅寸法Ｌ４とが略同幅に形成されたが、この構成に限定されるものではない。図５の第２の実施の形態に示すように、転がり軸受８の幅寸法Ｌ４よりも隔壁部１６の幅寸法Ｌ１が小さく形成されてもよい。この構成であっても、転がり軸受８によって隣り合う環状溝１２、１３間が仕切られるため、環状溝１２、１３間のオイルの流通を抑制できる。

この第２の実施の形態では、環状溝１２、１３の間隔を狭めても相互のオイルの流通を抑制できるため、第１の実施の形態と比較してハウジング７及びカムシャフト１の支持部分の回転軸方向における幅寸法Ｌ５を更に狭くできる。この場合、アッパハウジング７１及びロアハウジング７２の支持面７５に、カムシャフト１の環状溝１２、１３に対向するように環状溝７７、７８が形成されていてもよい。

この構成により、支持面７５に形成された進角側及び遅角側のオイル通路７２４、７２５の出口の一部が転がり軸受８によって遮られても、オイル通路７２４、７２５の出口に連なる環状溝７７、７８を介してカムシャフト１の周囲から環状溝１２、１３にオイルを流入させることができる。よって、進角室Ｓ１及び遅角室Ｓ２に対するオイルの供給量を十分に確保でき、可変バルブタイミング装置２の作動応答性が向上される。

また、図６の変形例に示すように、進角側の環状溝１２の一部と重なるようにハウジング７のスプロケット２２側に形成された収容溝７６に転がり軸受８を配置してもよい。この構成によれば、カムシャフト１のスプロケット２２寄りの部分を転がり軸受８にて支持する構成であっても、ハウジング７及びカムシャフト１の支持部分の回転軸方向における幅寸法Ｌ５を第１の実施の形態と同程度に抑えることができる。また、支持面７５に形成された進角側のオイル通路７２４の出口の一部が転がり軸受８によって遮られているため、アッパハウジング７１及びロアハウジング７２の支持面７５には、第２の実施の形態と同様に環状溝７７が形成されている。

なお、変形例では、隣り合う環状溝１２、１３間のオイルの流通量は、比較例と略同一となるが、進角側の環状溝１２からハウジング７外に向うオイルがシール部材８４付きの転がり軸受８によって低減される。よって、可変バルブタイミング装置２の進角側への作動応答性を向上することができる。また、環状溝１２からハウジング７外にオイルが流出するのを抑制するように転がり軸受８を配置する構成に代えて、環状溝１３からハウジング７外にオイルが流出するのを抑制するように転がり軸受８を配置してもよい。

また、上記各実施の形態においては、転がり軸受の回転軸方向の両端部に、内輪と外輪との間を塞ぐシール部材を設ける構成としたが、この構成に限定されない。シール部材は、転がり軸受の回転軸方向の両端部のいずれか一方に設けられていればよい。また、シール部材は、内輪と外輪との間に配置される構成に限定されず、内輪と外輪の端面に貼り付けられる構成としてもよい。

また、上記各実施の形態においては、進角側及び遅角側にそれぞれ１つのオイル通路、環状溝、連通路が設けられる構成としたが、この構成に限定されない。進角側及び遅角側にそれぞれ複数のオイル通路、環状溝、連通路が設けられる構成としてもよい。

１カムシャフト
１１外周面
１２、１３環状溝
１４、１５連通路
２可変バルブタイミング装置
７ハウジング
７１アッパハウジング
７２ロアハウジング
７２４、７２５オイル通路
７５支持面
７６収容溝
７７、７８環状溝
８転がり軸受
８１外輪
８２内輪
８４シール部材
Ｓ１進角室
Ｓ２遅角室

Claims

カムシャフトをハウジングに設けた転がり軸受によって支持するカムシャフトの支持構造において、
前記ハウジングには、前記カムシャフトを支持する支持面に一端を開口した複数のオイル通路が設けられ、
前記カムシャフトには、前記複数のオイル通路に前記カムシャフト内の連通路を連通させるように、外周面に並列に配置された複数の環状溝が形成され、
前記支持面には、前記カムシャフトに圧入された前記転がり軸受を収容する環状の収容溝が、隣り合うオイル通路の間に形成され、
前記転がり軸受は、前記複数の環状溝の油圧の低下を抑えるように、前記カムシャフトの外周面と前記ハウジングの支持面の間に、前記オイル通路間の隔壁部として配置されたことを特徴とするカムシャフトの支持構造。
前記カムシャフト内の連通路は、可変バルブタイミング装置の作動用のオイル通路であることを特徴とする請求項１に記載のカムシャフトの支持構造。
前記ハウジングは、前記カムシャフトの上半部を支持するアッパハウジングと、前記カムシャフトの下半部を支持するロアハウジングとにより構成されて前記ロアハウジングの支持面に一端を開口した複数のオイル通路が設けられたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のカムシャフトの支持構造。