(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸の周方向に摺動可能な嵌合部材の凹状係合部に、軸から突出可能なピン部材を係合させることにより、軸と嵌合部材とを結合させてバルブタイミングを変化させるバルブタイミング可変装置において、前記軸と前記嵌合部材とを結合させることを意図しない時においても前記ピン部材を突出方向に付勢する第１付勢手段と、前記軸と前記嵌合部材とを結合させることを意図する時に前記ピン部材を突出方向に付勢する第２付勢手段とを具備し、前記嵌合部材の凹状係合部は、前記ピン部材が前記軸の動作に伴い前記凹状係合部へ近づく側において、前記嵌合部材における前記軸との第１接触位置と前記ピン部材の先端部の正規の係合位置とを滑らかに接続する第１溝を有し、前記第１付勢手段によって前記ピン部材に作用する第１付勢力は、前記ピンの先端部が前記係合位置に達する時でも、前記嵌合部材に作用する外力に逆らって前記軸と前記嵌合部材とを結合させるほど大きくはなく、前記第２付勢手段によって前記ピン部材に作用する第２付勢力と前記第１付勢力との和は、前記ピンの先端部が前記係合位置に達する時には、前記嵌合部材に作用する外力に逆らって前記軸と前記嵌合部材とを結合可能とする大きさであることを特徴とするバルブタイミング可変装置。
【請求項２】
前記嵌合部材の前記凹状係合部は、さらに、前記ピン部材が前記軸の動作に伴い前記凹状係合部から遠ざかる側において、前記ピン部材の先端部の正規の係合位置と前記嵌合部材における前記軸との第２接触位置とを滑らかに接続する第２溝を有し、前記第２溝は前記第２接触位置側の第１傾斜面と前記係合位置側の第２傾斜面とを有し、前記軸の動作に伴い前記ピン部材によって前記第２溝へ作用する押圧力に対する反力における前記ピン部材を前記軸へ押し込める方向の分力が、前記第１付勢力と前記第２付勢力との和より大きくなるように、前記第１傾斜面の角度が設定され、前記分力が前記第１付勢力と前記第２付勢力との和より小さくなるように、前記第２傾斜面の角度が設定されていることを特徴とする請求項１に記載のバルブタイミング可変装置。
【請求項３】
前記軸がカムシャフトであり、前記嵌合部材がカムであり、前記凹状係合部は、前記カムにおいて、前記カムシャフト中心に対してカムノーズ部と反対側の部分に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のバルブタイミング可変装置。
【請求項４】
前記軸にはそれぞれが互いに異なる開閉弁動作を機関バルブに与えるための少なくとも二つの嵌合部材が配置され、前記第２付勢手段は、前記軸と前記二つの嵌合部材のうちの選択した一方とを結合させることを意図する時に、前記一方の嵌合部材を前記軸に結合させるための前記ピン部材だけを付勢する選択付勢手段であることを特徴とする請求項１に記載のバルブタイミング可変装置。
【請求項５】
前記軸がロッカアーム軸であり、前記二つの嵌合部材がカムシャフトに固定された二種類のカムによってそれぞれ駆動されるフォロアであることを特徴とする請求項４に記載のバルブタイミング可変装置。
【請求項６】
前記選択付勢手段は前記軸内の軸線方向における二つの設定位置の間を往復運動可能なピストン部材を具備し、前記ピストン部材は、一方の設定位置において、その両端部の一方が前記二つのピン部材の一方をその突出方向に前記第２付勢力で付勢すると同時に、他方のピン部材は前記ピストン部材の中央部に設けられた凹みによって付勢されず、他方の設定位置において、その両端部の他方が前記二つのピン部材の他方をその突出方向に前記第２付勢力で付勢すると同時に、一方のピン部材は前記ピストン部材の中央部に設けられた凹みによって付勢されないことを特徴とする請求項４に記載のバルブタイミング可変装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、カムシャフトに設けられたカムの動作を吸気バルブ又は排気バルブ等の機関バルブへ伝達するか否かを選択可能としてバルブタイミングを切り換えるバルブタイミング可変装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの低回転域における使いやすさ即ち、低速高トルクを保持しつつ高速域におけるエンジンの出力トルクの向上を図るために、プロフィールの異なる低速用と高速用の２種類のカムをカムシャフトに設け、エンジンの低速回転域では低速用カムで、高速回転域では高速用カムでバルブを駆動する動弁機構がある。このバルブタイミングを可変とする機構を具体的に述べるとカムプロフィールの異なる第１と第２のカムを常に１つのバルブに接触するようにカムシャフトに設ける。そして、第１のカムをカムシャフトに回転自在に取り付けることで、第１のカムと形状が異なる第２のカムのタイミングでバルブを駆動する。他方、ピンで第１のカムとカムシャフトを結合させることで第１のカムの形状に伴うタイミングでバルブを駆動する。そして、機関の運転状態に応じて、ピンでカムとカムシャフトを結合又はそれを解除することにより、バルブタイミングを切り換えている。
【０００３】
このカムシャフトと第１のカムとをピンによって結合する方法として、カムシャフト内に設けた油圧回路によりピンをカムロブ内に設けた凹状係合部に押し出してカムシャフトとカムとを結合駆動している。しかし、このカムシャフトはエンジンからの出力を受けて常に高速で回転しているため、ピンが凹状係合部に係合しにくいといった問題がある。特開昭６２−１３１９０７号公報には、カムロブ側に設けた凹状係合部に常にピンをカムシャフト内へ付勢するバネ部材が配置され、それによりカムシャフト内へ押し込まれてカムシャフトと共に回転するピンを油圧により凹状係合部に係合させる際に、ピンがこのバネ部材を徐々に押圧してピンの先端部が凹状係合部の正規の係合位置に達するように、凹状係合部の円周方向の片側に正規の係合位置に通じる助走溝を設けることが記載されている。このような構造によって、バルブタイミングを変化させるために、ピンが助走溝上に移動する以前に油圧を作用させている場合には、ピンの先端部が確実に凹状係合部における正規の係合位置に達し、ピンと凹状係合部との良好な係合を実現することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術において、バネ部材によりカムシャフト内に押し込められたピンが助走溝上の途中に位置している時にピンに油圧を作用させると、ピンが凹状係合部の正規の係合位置に対向するまでの時間で、ピンがバネ部材を十分に押圧することができず、ピンの先端部が凹状係合部における正規の係合位置に達する以前の中途半端な位置で係合を開始しカムシャフトを回転させようとする。この状態でカムシャフトとカムが回転するとピンに大きな力が働き、この結果として、ピンに応力が集中し、耐久性悪化や破損といった問題が生じる。
【０００５】
従って、本発明の目的は、軸の周方向に摺動可能な嵌合部材の凹状係合部に、軸から突出可能なピン部材を係合させることにより、軸と嵌合部材を結合させてバルブタイミングを変化させるバルブタイミング可変装置において、軸と嵌合部材とを結合させることを意図する時には、常に正規な係合位置でのピンと凹状係合部との良好な係合を実現することを可能とし、ピンの耐久性悪化及び破損を防止することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載のバルブタイミング可変装置は、軸の周方向に摺動可能な嵌合部材の凹状係合部に、軸から突出可能なピン部材を係合させることにより、軸と嵌合部材を結合させてバルブタイミングを変化させるバルブタイミング可変装置において、前記軸と前記嵌合部材とを結合させることを意図しない時においても前記ピン部材を突出方向に付勢する第１付勢手段と、前記軸と嵌合部材とを結合させることを意図する時に前記ピン部材を突出方向に付勢する第２付勢手段とを具備し、前記嵌合部材の凹状係合部は、前記ピン部材が前記軸の動作に伴い前記凹状係合部へ近づく側において、前記嵌合部材における前記軸との第１接触位置と前記ピン部材の先端部の正規の係合位置とを滑らかに接続する第１溝を有し、前記第１付勢手段によって前記ピン部材に作用する第１付勢力は、前記ピンの先端部が前記係合位置に達する時でも、前記嵌合部材に作用する外力に逆らって前記軸と前記嵌合部材とを結合させるほど大きくはなく、前記第２付勢手段によって前記ピン部材に作用する第２付勢力と前記第１付勢力との和は、前記ピンの先端部が前記係合位置に達する時には、前記嵌合部材に作用する外力に逆らって前記軸と前記嵌合部材とを結合可能とする大きさであることを特徴とする。
【０００７】
本発明による請求項２に記載のバルブタイミング可変装置は、請求項１に記載のバルブタイミング可変装置において、前記嵌合部材の前記凹状係合部は、さらに、前記ピン部材が前記軸の動作に伴い前記凹状係合部から遠ざかる側において、前記ピン部材の先端部の正規の係合位置と前記嵌合部材における前記軸との第２接触位置とを滑らかに接続する第２溝を有し、前記第２溝は前記第２接触位置側の第１傾斜面と前記係合位置側の第２傾斜面とを有し、前記軸の動作に伴い前記ピン部材によって前記第２溝へ作用する押圧力に対する反力における前記ピン部材を前記軸へ押し込める方向の分力が、前記第１付勢力と前記第２付勢力との和より大きくなるように、前記第１傾斜面の角度が設定され、前記分力が前記第１付勢力と前記第２付勢力との和より小さくなるように、前記第２傾斜面の角度が設定されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明による請求項３に記載のバルブタイミング可変装置は、請求項１に記載のバルブタイミング可変装置において、前記軸がカムシャフトであり、前記嵌合部材がカムであり、前記凹状係合部は、前記カムにおいて、前記カムシャフト中心に対してカムノーズ部と反対側の部分に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明による請求項４に記載のバルブタイミング可変装置は、請求項１に記載のバルブタイミング可変装置において、前記軸にはそれぞれが互いに異なる開閉弁動作を機関バルブに与えるための少なくとも二つの嵌合部材が配置され、前記第２付勢手段は、前記軸と前記二つの嵌合部材のうちの選択した一方とを結合させることを意図する時に、前記一方の嵌合部材を前記軸に結合させるための前記ピン部材だけを付勢する選択付勢手段であることを特徴とする。
【００１０】
本発明による請求項５に記載のバルブタイミング可変装置は、請求項４に記載のバルブタイミング可変装置において、前記軸がロッカアーム軸であり、前記二つの嵌合部材がカムシャフトに固定された二種類のカムによってそれぞれ駆動されるフォロアであることを特徴とする。
【００１１】
本発明による請求項６に記載のバルブタイミング可変装置は、請求項４に記載のバルブタイミング可変装置において、前記選択付勢手段は前記軸内の軸線方向における二つの設定位置の間を往復運動可能なピストン部材を具備し、前記ピストン部材は、一方の設定位置において、その両端部の一方が前記二つのピン部材の一方をその突出方向に前記第２付勢力で付勢すると同時に、他方のピン部材は前記ピストン部材の中央部に設けられた凹みによって付勢されず、他方の設定位置において、その両端部の他方が前記二つのピン部材の他方をその突出方向に前記第２付勢力で付勢すると同時に、一方のピン部材は前記ピストン部材の中央部に設けられた凹みによって付勢されないことを特徴とする。
【００１２】
【作用】
前述の請求項１に記載のバルブタイミング可変装置は、軸と嵌合部材を結合させるためのピン部材が、この結合を意図しない時においても第１付勢手段によって突出方向に付勢され、嵌合部材の凹状係合部には、軸との第１接触位置からピン部材の正規の係合位置へ滑らかに接続された第１溝を有しているために、ピン部材の先端部がこの第１溝に沿って移動して正規の係合位置へ達する。第１付勢手段によってピン部材に作用する第１付勢力は比較的小さいために、この時において、嵌合部材に作用する外力に逆らって軸と嵌合部材とは結合されないが、嵌合部材と軸とを結合させるためにピン部材に第２付勢力を作用させれば、この時にピン部材が第１溝上に位置していても、ピン部材のストロークを急激に増加させる必要はなく、ピン部材は第１溝に沿って確実に凹状係合部の正規の係合位置に達する。
【００１３】
前述の請求項２に記載のバルブタイミング可変装置は、請求項１に記載のバルブタイミング可変装置において、嵌合部材の凹状係合部はその正規の係合位置と嵌合部材における軸との第２接触位置とを滑らかに接続する第２溝を有し、第１付勢手段による第１付勢力だけがピン部材に作用する時には、ピン部材の先端部は第１溝及び第２溝に沿って滑らかに凹状係合部を通過する。ピン部材の先端部がこの第２溝の第２接触位置側の第１傾斜面上に位置する時には、軸の動作に伴いピン部材を介して第２溝へ作用する押圧力に対する反力におけるピン部材を軸へ押し込める方向の分力が、第１付勢力と第２付勢力との和より大きいために、第２付勢手段により第２付勢力がピン部材に作用しても、ピン部材は軸内へ押し込められ、ピン部材の先端部が凹状係合部の正規の係合位置と係合しようとして嵌合部材が軸の動作方向に大きく進行したり、ピン部材が凹状係合部の中途半端な位置で係合することは防止される。また、ピン部材の先端部がこの第２溝の係合位置側の第２傾斜面と接触する時には、前述の分力が第１付勢力と第２付勢力との和より小さくなるために、この位置で第２付勢手段により第２付勢力がピン部材に作用すると、嵌合部材が軸の動作方向にわずかに進行してピン部材の先端部が凹状係合部の正規の係合位置に係合し、嵌合部材と軸とが結合される。
【００１４】
前述の請求項３に記載のバルブタイミング可変装置は、請求項１に記載のバルブタイミング可変装置において、軸がカムシャフトであり、嵌合部材がカムであり、凹状係合部は、カムにおいて、カムシャフト中心に対してカムノーズ部と反対側の部分に形成されているために、カムの凹状係合部近傍には、カムノーズ部により機関バルブを開弁する際の比較的大きな反力が作用しない。
【００１５】
前述の請求項４に記載のバルブタイミング可変装置は、請求項１に記載のバルブタイミング可変装置において、軸にはそれぞれが互いに異なる開閉動作を機関バルブに与えるための少なくとも二つの嵌合部材が配置され、第２付勢手段は、軸と二つの嵌合部材のうちの選択した一方とを結合させることを意図する時に、この一方の嵌合部材を前記軸に結合させるための前記ピン部材だけを付勢する選択付勢手段であるために、一方の嵌合部材が軸と結合されている時は、他方の嵌合部材は軸の周方向に摺動可能となっていて一方の嵌合部材による機関バルブの開閉動作に影響を与えることはなく、二つの嵌合部材により機関バルブに与えられる開閉動作を自由に設定することができる。
【００１６】
前述の請求項５に記載のバルブタイミング可変装置は、請求項４に記載のバルブタイミング可変装置において、軸がロッカアーム軸であり、二つの嵌合部材がカムシャフトに固定された二種類のカムによってそれぞれ駆動されるフォロアであり、選択付勢手段によって、一方のフォロアだけがロッカアーム軸に結合され、対応するカムの動作によりロッカアームが機関弁を開閉動作させる。
【００１７】
本発明による請求項６に記載のバルブタイミング可変装置は、請求項４に記載のバルブタイミング可変装置において、選択付勢手段は軸内の軸線方向における二つの設定位置の間を往復運動可能なピストン部材を具備し、このピストン部材を一方の設定位置にすることにより、ピストン部材の両端部の一方によって二つのピン部材の一方がその突出方向に第２付勢力で付勢されると同時に、他方のピン部材はピストン部材の中央部に設けられた凹みによって付勢されず、また他方の設定位置にすることにより、ピストン部材の両端部の他方によって二つのピン部材の他方が第２付勢力で付勢されると同時に、一方のピン部材はピストン部材の中央部に設けられた凹みによって付勢されないために、二つの嵌合部材のうちの一つだけを軸に結合させることが可能となる。
【００１８】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。図１及び２は、本発明の第１実施例であるバルブタイミング可変装置の概略図であり、これらの図において、バルブタイミング可変装置１は、バルブ２と、このバルブ２の頂部に取り付けられたバルブリフタ３と、このバルブリフタ３を駆動するカムシャフト４とプライマリカム５、５’とセカンダリカム６から構成されている。このプライマリカム５、５’はカムシャフト４に固定されており、カムシャフト４が回転するのに同期して回転するようになっている。一方、セカンダリカム６とプライマリカム５、５’とはカムプロフィールの形状が相違し、カムシャフト４に形成されたボール移動孔１２に沿ってカムシャフトの半径方向に移動可能な係合ピンであるボール７の位置によって、回転するカムシャフト４に対して結合又は回転自在とに切り換わるようになっている。これらのプライマリカム５、５’又はセカンダリカム６はカムシャフト４が回転することによりバルブリフタ３を駆動し、バルブ２をリフト駆動することになる。
【００１９】
また、このカムシャフト４内には、ピストン孔１１を摺動可能なピストン９が備えられているとともに、カムシャフト４は図示しないカムシャフトベアリングに回転可能に軸支されている。そして、カムシャフト４およびカムシャフトベアリングに設けられた油路８を通してカムシャフト４内に設けられたピストン９に油圧Ｐが供給され、油圧Ｐによってピストン９の位置を制御している。ボール７が係合するセカンダリカム６の凹部１３は、カムシャフト４の回転に伴いボール７が凹部１３へ近づく側において、セカンダリカムとカムシャフトとの第１接触位置１３ａ及びボール７の正規の係合位置であるその頂部１３ｂを滑らかに接続する第１溝１３ｃと、カムシャフト４の回転に伴いボール７が凹部１３から遠ざかる側において、セカンダリカムとカムシャフトとの第２接触位置１３ｄ及びボール７の正規の係合位置１３ｂを滑らかに接続する第２溝１３ｅとを有している。
【００２０】
ピストン９は、油路８に油圧Ｐが供給されていないときには、リターンスプリング１０のばね力により所定の係合離脱位置（図２のピストン９によって表される位置）とされ、ピストン９の中央部に形成された環状凹みによってボール７には油圧に伴うボール突出方向の付勢力は作用しないようになっている。一方、油路８に油圧Ｐが供給されているときには、リターンスプリング１０のバネ力に抗して所定の係合位置（図１のピストン９によって表される位置）に移動され、ピストン９の端部によってボール７にはその突出方向の大きな付勢力が作用する。また、前述の係合離脱位置からこの係合位置に達するまでにおいても、環状凹みの傾斜面によってボール７には油圧に伴うボール突出方向の付勢力が作用するようになっている。油路Ｐは、機関の運転状態に応じて、図示しないオイルポンプに接続される油圧経路内に設けられた電磁油圧制御弁を電子制御ユニットにより開閉することによりＯＮ、ＯＦＦ制御される。ここで、請求項１〜６のピン部材とは、本実施例においてボール７に相当するものである。
【００２１】
ピストン９が係合離脱位置にある時のボール７、セカンダリカム６、及びカムシャフト４の挙動が図３（ａ）〜（ｄ）に示されており、この時において、ボール７は、カムシャフト４と共にカムシャフトの中心回りに回転するために、第１付勢力として遠心力が作用し、セカンダリカム６の凹部１３と対向する位置において、図３（ｂ）に示すように、第１溝１３ｃに沿って正規の係合位置１３ｂに達する。しかしながら、この遠心力は比較的小さいものであるために、セカンダリカム６がバルブリフタ３を押し下げることよりセカンダリカム６に作用する反力に逆らって、セカンダリカム６とカムシャフト４との結合を維持することはできず、図３（ｃ）に示すように、ボール７はカムシャフト４内に押し込められ、カムシャフト４はセカンダリカム６に対して自在に回転する。
【００２２】
図３に示す状態から油路８を介してピストン孔１１に油圧が供給された時の挙動が図４（ａ）〜（ｄ）に示されている。何時の時点で油圧が作用したかにかかわらず、ボール７には前述したように遠心力が作用するために、ボール７はセカンダリカム６の凹部１３における正規の係合位置１３ｂに達し、この時に、ボール７に第２付勢力として油圧によるピストン９の押圧力が既に作用していれば、この押圧力はかなり大きなものであるために、セカンダリカム６に作用する前述の反力に逆らってセカンダリカム６とカムシャフト４との結合は維持され、図４（ｃ）〜（ｄ）に示すように、セカンダリカム６によるバルブリフタ３を介してのバルブ駆動が開始される。このように、ボール７は、常にセカンダリカム６の凹部１３に沿って移動するために、例えば、第１溝１３ｃ上で油圧が作用した場合において、ピン部材がカムシャフト内に押し込められたまま回転する従来のように、ボール７を凹部１３の正規の係合位置に移動させるために急激にボールのストロークを増加させる必要はなく、何時の時点で油圧を作用させてもボール７と凹部１３との確実な係合を実現することができる。
【００２３】
このようにしてセカンダリカム６とカムシャフト４とが結合された時の挙動を図５（ａ）〜（ｄ）に示す。また、この状態からピストン９への油圧の供給を停止した時の挙動が図６（ａ）〜（ｄ）に示されており、バルブ閉弁中のセカンダリカム６へ作用する反力が非常に小さい時には、ボール７に作用する前述の遠心力によってセカンダリカム６とカムシャフト４との結合が維持され、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、セカンダリカム６のカムノーズ部がバルブリフタ３を押し下げる直前までセカンダリカム６はカムシャフト４と共に回転し、その後、図６（ｄ）に示すように、ボール７の係合が外れて、カムシャフト６は図３と同様にセカンダリカム６に対して自在に回転する。
【００２４】
次に、遠心力によってセカンダリカム６の凹部１３に沿って移動するボール７が、凹部１３の第２溝１３ｅ上に位置する時に、油圧が作用する場合について詳しく説明する。図７（ａ）はこの時の状態図であり、図７（ｂ）はボール７とセカンダリカム６の第２溝１３ｅとの接触部近傍のＳ部拡大図である。図７（ｂ）において、第２溝１３ｅは、凹部１３におけるボール７の正規の係合位置１３ｂ及びセカンダリカム６のカムシャフトとの第２接触位置１３ｄを滑らかに接続するためのボール７より大きな所定半径を有する曲面Ａと傾斜面Ｂとから構成されている。
【００２５】
第２溝１３ｅにおけるボール７との当接点Ｒは、カムシャフト４の回転に伴いボール７によって当接点Ｒとカムシャフト中心とを結ぶ方向に対して垂直方向に押圧されている。この押圧力の方向と第２溝１３ｅとのなす角度をｒとすると、この角度（以下、接触角）ｒは、第２接触位置１３ｄ側のＰ点と正規の係合位置１３ｂ側のＱ点において相違しており、Ｐ点での接触角をｒ１  、Ｑ点での接触角をｒ２  とすると、両者にはｒ１  ＜ｒ２  の関係が成り立つ。さらに、ボール７が第２溝１３ｅの曲面Ａ上に位置する時には、常に、その接触角ｒはｒ２  より大きくなる。Ｐ点での力の関係を図８（ａ）に、Ｑ点での力の関係を図８（ｂ）に示す。尚、図８（ａ）及び（ｂ）において、ボール７は見やすくするため実際より小さく表している。ここで、前述の押圧力は、カムシャフト４の回転に伴うものであるために、ボール７の第２溝１３ｅに対する当接点Ｒの位置にかかわらず等しく、ボール７には常に所定の反力Ｆが作用する。この所定の反力Ｆは、第２溝１３ｅを垂直方向に押圧する第１分力Ｆｑとボール７をカムシャフト４内へ押し戻す方向の第２分力Ｆｐとに分けられる。この時、接触角ｒが小さいと図８（ａ）に示すように第２分力Ｆｐが大きくなり、接触角ｒが大きいと図８（ｂ）に示されるように第２分力Ｆｐは小さくなる。つまり、接触角ｒが小さくなればボール７をカムシャフト４内へ押し戻す力Ｆｐは大きくなり、接触角ｒが大きくなれば押し戻す力Ｆｐは小さくなる。
【００２６】
図８（ｃ）は接触角ｒとカムシャフト４内へボール７を押し戻す力Ｆｐの関係を示す。尚、前述の遠心力と油圧力とによってカムシャフト中心から外側へボール７を押し出す力をＦ０  とし、Ｒ点を基準としてカムシャフト中心とした回転方向へどれくらいずれたかを示すずれ量をθとする。ここで、図８（ｃ）は係合部同志の位相のずれθに応じたボールを押し戻す力Ｆｐと押し出す力Ｆ０  との関係を示したものである。これを見ると、凹部１３の第２溝１３ｅにおいて、位相差θがθ＞｜θ２  ｜、θ＞｜θ１  ｜のときにはＦｐ＞Ｆ０  となり現時点においてボール７がカムシャフト４内に押し戻され、カムシャフト４とセカンダリカム６とは結合されず、ボール７が次に凹部１３に達した時に結合される。また位相差θがθ２  ＜θ＜θ１  のときにはＦｐ＜Ｆ０  となり、θ＝０のときＦ０  −Ｆｐが正の値でかつ最大となるため、セカンダリカム６がわずかに回転して、ボール７が正規の係合位置１３ｂに係合し、カムシャフト４とセカンダリカム６が一体となって回転することになる。また、油圧Ｐが作用していない時には遠心力だけの力Ｆ１  となり、常に、ボール７が固定されずに回転し続ける。
【００２７】
従来技術では、第２溝の角度設定において、このようなことが考慮されていないために、第２溝における位相差θが比較的大きい位置でピン部材に油圧が作用する時に、前述のＦｐが小さくなり、この位置でピン部材と凹部とが係合してセカンダリカムとカムシャフトとの不完全な結合をもたらしたり、また、ボール７が凹部１３の正規の係合位置に係合しようとしてセカンダリカム６を急激に回転させて非常に大きなカム（バルブ運動）加速度が発生し、バルブのジャンプ等異常運動を引き起こす恐れがある。上記実施例では、図８（ｃ）の力関係図からわかるように微小角度のずれでは正規の係合位置１３ｂへ瞬時に戻り、油圧Ｐの掛かるタイミングが少しでも遅れると１回係合を見送ってから次のサイクルに確実に係合するために、前述のバルブの異常運動を防止することができる。
【００２８】
図９に本発明の第２実施例を示す。第１実施例との違いは、図７（ｂ）との比較から明確なように、第２溝１３ｅの傾斜面が、異なる傾斜角度を有する第１及び第２傾斜面Ｂ’，Ｃ’から構成されていることである。ボール７に作用する遠心力及び油圧力を考慮して、前述の考え方に基づき、第１傾斜面Ｂ’は、それ上にボール７が位置する場合には、油圧が作用してもボール７をカムシャフト４内へ確実に押し戻すように角度設定され、第２傾斜面Ｃ’は、それ上にボール７が位置する場合には、油圧が作用する時にボール７を確実に正規の係合位置に係合させるように、角度設定されている。それにより、ボール７が第２溝上に位置する時に油圧が作用する場合において、セカンダリカム６とカムシャフト４とを結合させるか否かが第１傾斜面Ｂ’と第２傾斜面Ｃ’とで明確に区別され、結合に際しての前述の問題を確実に防止することができる。
【００２９】
図１０に本発明の第３実施例を示す。これは、前記第１実施例のバルブタイミング可変装置のボール７及び凹部１３を複数設けたもので、係合可能な位相はカムシャフト１回転に１回のみである。このように複数係合部を設けることにより、係合部１つ当たりの回転拘束力が軽減できるため、ピストンに作用する油圧を小さくすることができる。
【００３０】
図１１に本発明の第４実施例を示す。これは、請求項３のバルブタイミング可変装置であり、第１実施例と同様に、セカンダリカムやプライマリカムに適用することにより、第１実施例と同様の効果が生じることはいうまでもなく、第４実施例では、バルブを駆動するカムプロフィール部分であるカムノーズ部のカムシャフト中心軸に対して反対側に凹部１３を設けている。その結果、一般的に、バルブを駆動するときに生じる反作用としてカムノーズがカムシャフト側に付勢力により押されることになるが、第４実施例のような構成とすることにより、カムとカムシャフトとの接触する面積を大きくすることができ、面圧を低減することができるため、係合部の耐久性向上を図ることができる。
【００３１】
図１２、１３、１４、及び１５に本発明の第５実施例を示す。本実施例は、カムがロッカアームを介してバルブを駆動する動弁機構に本発明を適用した場合である。図１２において、２０はロッカアーム軸であり、それには二つの機関バルブ２を同時に駆動するための第１及び第２ロッカアーム２１ａ，２１ｂが固定されている。第１及び第２ロッカアーム２１ａ，２１ｂの間において、ロッカアーム軸２０には、第１及び第２フォロア２２ａ，２２ｂが揺動可能に嵌合されている。図１２の分解斜視図である図１３に示すように、第１及び第２フォロア２２ａ，２２ｂと中空のロッカアーム軸２０との間に前述同様な第１及び第２ボール２３ａ，２３ｂとピストン２４とを使用する係合機構が設けられている。ロッカアーム軸２０内へピストン２４を挿入するための開口部２０ａは、蓋部材２５により密閉される。ロッカアーム軸２０の第１及び第２ロッカアーム２１ａ，２１ｂの両側に形成された孔２６ａ，２６ｂは、ロッカアーム軸２０内に位置するピストン２４の両端へ油圧を提供するための油供給孔である。
【００３２】
図１４に示すように、第１及び第２フォロア２２ａ，２２ｂの先端上部には、カムシャフト２７に固定された異なるプロフィールを有する第１及び第２カム２８ａ，２８ｂが当接し、第１及び第２フォロア２２ａ，２２ｂがそれぞれ異なる揺動動作を行うようになっている。本実施例のバルブタイミング可変装置は、前述同様な係合機構を使用していずれか一方のフォロア２２ａ又は２２ｂをロッカアーム軸２０に結合させることにより、バルブタイミングを変化させるものである。
【００３３】
図１５はロッカアーム軸２０の長手方向部分断面図である。同図に示すように、ロッカアーム軸２０の両端部は軸受け２９ａ，２９ｂによって回動可能に支持されている。ロッカアーム軸２０内の空間において、ピストン２４は、この空間内に形成された第１ストッパ３０ａと、前述の蓋部材に形成された第２ストッパ３０ｂとによって両端の位置が規制され、前述の油供給孔２６ａ，２６ｂの一方から作動油を供給することにより他方の油供給孔から作動油が排出され、ピストン２４は、図１５（ａ）及び（ｃ）に示すような第１及び第２所定位置の間を移動するようになっている。図１５（ｂ）は第１及び第２所定位置の間の中間位置を示している。このようなピストン２４の移動に際して、ピストン２４の両端部２４ａ，２４ｂは、ロッカアーム軸２０内の空間を油密に摺動し、作動油がピストン２４の中央部に設けられた環状凹み２４ｃに侵入しないようになっている。
【００３４】
図１５（ａ）に示されたピストン２４の第１所定位置において、第１ボール２３ａがピストン２４の一方の端部２４ａによってロッカアーム軸２０から強制的に押し出されて第１フォロア２２ａの凹部に係合し、第１フォロア２２ａとロッカアーム軸２０とが結合される一方で、ピストン２４の中央部に設けられた環状凹み２４ｃによって第２ボール２３ｂには突出方向の付勢力は作用せず、第２フォロア２２ｂとロッカアーム軸２０とは結合されないために、第１カム２７ａの動作によりバルブが駆動される。
【００３５】
また、図１５（Ｃ）に示されたピストン２４の第２所定位置において、第２ボール２３ｂがピストン２４の他方の端部２４ｂによってロッカアーム軸２０から強制的に押し出されて第２フォロア２２ｂの凹部に係合し、第２フォロア２２ｂとロッカアーム軸２０とが結合される一方で、ピストン２４の中央部に設けられた環状凹み２４ｃによって第１ボール２３ａには突出方向の付勢力は作用せず、第１フォロア２２ａとロッカアーム軸２０とは結合されないために、第２カム２７ｂの動作によりバルブが駆動される。ピストン２４は、一方の所定位置から他方の所定位置に切り換わる途中で、図１５（Ｂ）に示すように第１及び第２ボール２３ａ，２３ｂの両方を突出方向に付勢しない状態があるために、両方のフォロアが瞬間的においても同時にロッカアーム軸２０に結合されることはない。
【００３６】
第１及び第２フォロア２２ａ，２２ｂに形成された凹部は、詳細には図示されていないが、第１又は第２実施例で説明したと同様な形状を有しており、第１及び第２ボール２３ａ，２３ｂとの係合に際して、第１溝によって、何時の時点で油圧を作用させても、ボールと凹部との確実な係合を実現することができると共に、第２溝によって、フォロアの急激な回動に伴うバルブのジャンプ等異常運動は防止される。
【００３７】
前述した第１実施例のように、プライマリカムが固定されたカムシャフトに対してセカンダリカムを結合又は摺動可能とすることにより、バルブタイミングを変化させる機構においては、プライマリカムのカムノーズ部の形状は、カムシャフトに結合されたセカンダリカムのカムノーズ部の形状に対して投影的に突出する部分がないように選択されなければならない。なぜなら、セカンダリカムがカムシャフトに結合されている場合においてもプライマリカムはカムシャフトと共に回転するものであり、プライマリカムに前述した突出部分が存在すると、この突出部分がセカンダリカムによる機関バルブの開閉動作に影響を与えるためである。このように、プライマリカムとセカンダリカムのプロフィールは、自由に選択することができず、例えば、機関バルブの開弁時期及び閉弁時期を同時に早めるようにバルブタイミングを変化させることはできない。
【００３８】
しかしながら、本実施例においては、機関バルブに異なる開閉動作を与える第１及び第２フォロア２２ａ，２２ｂは、その一方がロッカアーム軸２０に結合されている時には、他方がロッカアーム軸２０に対して揺動自在となっているために、カムシャフトに固定された二つのカムのプロフィールは、互いに影響されることなく自由に選択することができ、二種類のバルブタイミングを自在に設定することが可能となる。
【００３９】
図１６は本発明の第６実施例を示しており、第５実施例との違いは、ピストン２４を一方の所定位置方向に付勢する弾性部材、例えばバネ３１が、ピストン２４をこの所定位置方向に付勢するための油圧を提供する油圧系の代わりに設けられていることである。このような構造によっても前述同様なピストン２４の動作を実現することができ、油圧系２６は一つとなるために、第５実施例に比較して構造を簡単化することができる。
【００４０】
第５実施例において、ピストン２４の両端に油圧を作用させないようにすれば、機関バルブを開弁させる際の反力によって第１及び第２フォロア２２ａ，２２ｂはロッカアーム軸２０に対して自在に回動するようになり、ピストン２４の位置は、図１５（ｂ）に示すような中間位置となる。この時には、第５実施例の構造では機関バルブは閉弁状態に維持される。しかしながら、第５実施例において、カムシャフト２７に，一方のロッカアーム２１ａ又は２１ｂに当接して第１及び第２カム２８ａ，２８ｂのカムノーズ部に対して投影的に突出する部分がないように形状が選択された第３カムを追加することにより、ピストン２４が第１所定位置にある時には第１カムにより機関バルブが駆動され、ピストン２４が第２所定位置にある時には第２カムにより機関バルブが駆動され、さらに、ピストン２４が中間位置にある時には第３カムにより機関バルブが駆動され、このように三段階にバルブタイミングを変化させることが可能となる。もちろん、第６実施例においても、ピストン２４を中間位置とする弾性部材３１の付勢力と等しい値となるように油圧を制御することで、ピストン２４を中間位置に維持させることができ、カムシャフトに同様な第３カムを設ければ、三段階のバルブタイミングの切り換えが実現できる。
【００４１】
第５及び第６実施例に示した、二つのフォロアのいずれかをロッカアーム軸に結合させる構造は、もちろん、カムシャフトに回転自在に嵌合するように設けられた二つのカムに適用させることも可能である。また、カムシャフト又はロッカアーム軸に、回転又は揺動自在な単一のカム又はフォロアを嵌合させ、第１及び第２実施例において説明した係合機構を設けることで、機関運転中に機関バルブを意図的に閉弁状態とさせることも可能である。このようなバルブタイミング可変機構を、ヘリカルポートとストレートポートがそれぞれ吸気バルブを介して燃焼室に通じる内燃機関のストレートポート側の吸気バルブに適用すれば、機関低負荷時において、ストレートポート側の吸気バルブを閉弁状態とすることができ、ストレートポートにスワール制御弁を設けなくても、吸気はヘリカルポートだけを通り燃焼室内へ供給され、燃焼室内に強いスワールを生成することが可能となる。
【００４２】
これまで説明した全ての実施例において、カムシャフト又はロッカアーム軸等の軸に、カム又はフォロア等の嵌合部材を結合又は結合解除させるための軸から突出する部材としてボールを使用したが、これは本発明を限定するものではなく、第１実施例の変更実施例として図１７に示す第７実施例のように、ボールに代えて角柱部材７’を使用しても、第１付勢力としてこの角柱部材７’に作用する遠心力によって角柱部材７’は、嵌合部材６’の第１溝１３ｃ’及び第２溝１３ｅ’を有する凹状係合部１３’に沿って移動し、何時の時点で第２付勢力としての油圧が角柱部材７’に作用しても、角柱部材７’を凹状係合部１３’の正規の係合位置１３ｂ’に、嵌合部材６’の異常に大きな回動動作を伴わずに、確実に係合させることができる。また、全ての実施例において、ボール又は角柱部材等のピン部材に作用させる第１付勢力は遠心力を利用したが、もちろん、適当な大きさの油圧力、バネ又はゴム等による弾性力、又は電磁力等の力を利用することも可能であり、これは実施例において油圧とされた第２付勢力にも言えることである。
【００４３】
【発明の効果】
このように、本発明による請求項１に記載のバルブタイミング可変装置によれば、軸と嵌合部材を結合させるためのピン部材が、軸と嵌合部材とを結合させることを意図しない時にも、第１付勢手段によって突出方向に付勢され、嵌合部材の凹状係合部に設けられたピン部材の正規の係合位置へ滑らかに接続された第１溝に沿って移動するために、比較的小さな第１付勢力しかピン部材に作用していない時には、嵌合部材に作用する外力に逆らって軸と嵌合部材とは結合されないが、ピン部材に第２付勢力を作用させると、この時にピン部材が第１溝上に位置していても、ピン部材はストロークを急激に増加させることなく第１溝に沿って確実に凹状係合部の正規の係合位置に達し、ピン部材が凹状係合部の中途半端な位置で係合して、ピン部材に大きな力が作用し、ピン部材が破損したり、また耐久性が悪化したりすることは防止される。
【００４４】
また、請求項２に記載のバルブタイミング可変装置によれば、前述した請求項１に記載のバルブタイミング可変装置の効果に加えて、嵌合部材の凹状係合部はその正規の係合位置と嵌合部材における軸との第２接触位置とを滑らかに接続する第２溝を有し、ピン部材の先端部がこの第２溝の第２接触位置側の第１傾斜面上に位置する時に第２付勢力がピン部材に作用すると、軸の動作に伴いピン部材を介して第２溝へ作用する押圧力に対する反力におけるピン部材を軸へ押し込める方向の分力が、この時には第１付勢力と第２付勢力との和より大きいために、ピン部材は、軸内へ押し込められて軸と共に回動し、その後、第１溝に沿って凹状係合部の正規の係合位置に係合し、嵌合部材と軸とが結合される。それにより、ピン部材が第２溝の第１傾斜面上に位置する時に第２付勢力が作用する場合に、ピン部材が軸内へ押し込まれずにこの位置で凹状係合部に係合して、ピン部材に大きな力が作用し、ピン部材が破損したり、また、ピン部材の先端部が凹状係合部の正規の係合位置と係合しようとして嵌合部材が軸の動作方向に大きく進行して、バルブが急激に開弁される等のバルブの異常運動を引き起こすことは防止される。また、ピン部材の先端部がこの第２溝の係合位置側の第２傾斜面上に位置する時に第２付勢力がピン部材に作用すると、前述の分力が第１付勢力と第２付勢力との和より小さくなるために、嵌合部材が軸の動作方向にわずかに進行してピン部材の先端部が凹状係合部の正規の係合位置に係合し、嵌合部材と軸とが結合される。
【００４５】
また、請求項３に記載のバルブタイミング可変装置によれば、前述した請求項１に記載のバルブタイミング可変装置の効果に加えて、軸がカムシャフトであり、嵌合部材がカムであり、凹状係合部は、カムにおいて、カムシャフト中心に対してカムノーズ部と反対側の部分に形成されているために、カムノーズ部により機関バルブを開弁する際の比較的大きな反力が作用するカムのおけるカムシャフトとの接触面は、その面圧が凹部によって増大することはなく、カムの耐久性が悪化することは防止される。
【００４６】
また、請求項４に記載のバルブタイミング可変装置によれば、前述した請求項１に記載のバルブタイミング可変装置の効果に加えて、軸にはそれぞれが互いに異なる開閉動作を機関バルブに与えるための少なくとも二つの嵌合部材が配置され、第２付勢手段は、軸と二つの嵌合部材の一方とを結合させることを意図する時に、この一方の嵌合部材を軸に結合させるためのピン部材だけを付勢する選択付勢手段であるために、一方の嵌合部材が軸と結合されている時は、他方の嵌合部材は軸の周方向に摺動可能となっており、二つの嵌合部材により機関バルブに与えられる開閉動作を自由に設定することができ、バルブ開弁及び閉弁時期を同時に早めるようにバルブタイミングを変化させることが可能となる。
【００４７】
また、請求項５に記載のバルブタイミング可変装置によれば、前述した請求項４に記載のバルブタイミング可変装置の効果に加えて、軸がロッカアーム軸であり、二つの嵌合部材がカムシャフトに固定された二種類のカムによってそれぞれ駆動されるフォロアであり、選択付勢手段によって、一方のフォロアだけがロッカアーム軸に結合され、対応するカムの動作によりロッカアームが機関弁を開閉動作させるために、結合解除された場合においてフォロアはロッカアーム軸に対して揺動するものであり、カムシャフトに対して回転するカムに比較して摺動面の磨耗が少なく、この装置全体の耐久性を向上させることができる。
【００４８】
また、請求項６に記載のバルブタイミング可変装置によれば、前述した請求項４に記載のバルブタイミング可変装置の効果に加えて、選択付勢手段は軸内の軸線方向における二つの設定位置の間を往復運動可能なピストン部材を具備し、このピストン部材を一方の設定位置にすることにより、ピストン部材の両端部の一方によって二つのピン部材の一方がその突出方向に第２付勢力で付勢されると同時に、他方のピン部材はピストン部材の中央部に設けられた凹みによって付勢されず、また他方の設定位置にすることにより、ピストン部材の両端部の他方によって二つのピン部材の他方が第２付勢力で付勢されると同時に、一方のピン部材はピストン部材の中央部に設けられた凹みによって付勢されないために、比較的簡単な構造で二つの嵌合部材のうちの一つだけを軸に結合させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるバルブタイミング可変装置の第１実施例におけるセカンダリカムとカムシャフトとの結合状態を示す概略図である。
【図２】本発明によるバルブタイミング可変装置の第１実施例におけるセカンダリカムとカムシャフトとの回転自在状態を示す概略図である。
【図３】本発明によるバルブタイミング可変装置の第１実施例における回転自在状態の時の挙動図である。
【図４】本発明によるバルブタイミング可変装置の第１実施例における回転自在状態から結合状態となる時の挙動図である。
【図５】本発明によるバルブタイミング可変装置の第１実施例における結合状態の時の挙動図である。
【図６】本発明によるバルブタイミング可変装置の第１実施例における結合状態から回転自在状態となる時の挙動図である。
【図７】本発明によるバルブタイミング可変装置の第１実施例における凹状係合部の形状を示す図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は（ａ）のＳ部拡大図である。
【図８】本発明によるバルブタイミング可変装置の第１実施例における第２溝上に位置するボールに作用する力関係を説明する図であり、（ａ）はボールの第２溝に対する接触角が小さい場合、（ｂ）はボールの第２溝に対する接触角が大きい場合、（ｃ）は接触角とボールを押し戻す力との関係を示すグラフである。
【図９】本発明によるバルブタイミング可変装置の第２実施例における図７に相当する凹状係合部の形状を示す図である。
【図１０】本発明によるバルブタイミング可変装置の第３実施例におけるボール係合時の図である。
【図１１】本発明によるバルブタイミング可変装置の第４実施例におけるボール係合時の図である。
【図１２】本発明によるバルブタイミング可変装置の第５実施例を示す斜視図である。
【図１３】図１２の分解斜視図である。
【図１４】図１２の側面図である。
【図１５】図１２のロッカアーム軸の長手方向断面図である。
【図１６】本発明によるバルブタイミング可変装置の第６実施例を示す図１５に相当する図である。
【図１７】本発明によるバルブタイミング可変装置の第７実施例を示す図７に相当する図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は（ａ）のＵ部拡大図である。。
【符号の説明】
１…バルブタイミング可変装置
２…バルブ
３…バルブリフタ
４…カムシャフト
５，５’…プライマリカム
６…セカンダリカム
７…ボール
８…油路
９…ピストン
１０…リターンスプリング
１１…ピストン孔
１２…ボール移動孔
１３…凹部
２０…ロッカアーム軸
２１ａ…第１ロッカアーム
２１ｂ…第２ロッカアーム
２２ａ…第１フォロア
２２ｂ…第２フォロア
２３ａ…第１ボール
２４…ピストン
２７…カムシャフト
２８ａ…第１カム
２８ｂ…第２カム
３１…弾性部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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