JP2002166365A - 組立式カムシャフトのジャーナル硬化方法および硬化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シャフト本体に安価なパイプ材を使用してそ
のジャーナル部に対してショットピーニングを行う際
に、金属粉やショットピーニング用の投射材を給油孔か
らカムシャフト内部に侵入させないようにする。 【解決手段】 中空のシャフト本体１９にカムロブ２１
が外嵌されて組み付けられた組立式カムシャフト１７の
ジャーナル部２３に、ショットピーニングにより硬化層
を形成する。ジャーナル部２３には、給油孔２７が内部
の潤滑油通路２５に連通しており、潤滑油通路２５に供
給する空気を給油孔２７から外部に流出させることで、
ノズル３７から投射されるショットピーニング用の玉４
３や金属粉を給油孔２７に侵入させないようにする。カ
ムロブ２１とジャーナル部２３との間には、遮へい板３
１を設置し、ショットピーニング用の玉４３や金属粉
を、カムロブ２１とシャフト本体１９との隙間に侵入さ
せないようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、カムロブのシャ
フト挿入孔にシャフト本体を挿入してこれら両者相互を
固定する組立式カムシャフトのジャーナル硬化方法およ
び硬化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガソリンエンジンなどの内燃機関におい
て、クランクシャフトと連動して回転し、吸気および排
気バルブの開閉タイミングを制御するカムシャフトとし
て、シャフト本体とカムロブとを結合して構成する組立
式のものがある（例えば、特開２０００−１４５４１１
号公報参照）。この組立式カムシャフトは、図５に示す
ように、シャフト本体１を金属製のパイプで構成し、こ
のパイプにシャフト挿入孔３を備えたカムロブ５を外嵌
させた状態で、パイプ内に拡管部材を挿入したり空圧や
水圧などを付与して拡管させて両者相互を固定したり、
あるいは単にカムロブ５をシャフト本体１に圧入により
固定して製造される。なお、カムロブ５，５相互間のシ
ャフト本体１にはジャーナル部７が形成され、このジャ
ーナル部７には、シャフト本体１内に矢印Ａで示すよう
に導入される潤滑油を摺動面に吐出するための給油孔９
が形成されている。

【０００３】シャフト本体１を中空のパイプとすること
で、従来カムロブ５とシャフト本体１とを一体成形して
シャフト本体部分が中実なものに比べて軽量化し、エン
ジンの軽量化および高速回転化などが達成されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、カムシャフ
トにおけるジャーナル部の硬度不足あるいは面性状不良
は、ジャーナル部の焼き付きや摺動傷によるフリクショ
ン増加などの不具合を招く。このため、上記した組立式
カムシャフトにおいては、図６に示すように、ジャーナ
ル部７に、耐摩耗性のある別ピース１１を装着したり、
シャフト本体１自体を高価な耐摩耗性のある硬質材料と
するなどで対応していた。

【０００５】ところが、別ピース１１を設ける場合に
は、部品点数の増加を招き、一方シャフト本体１自体を
耐摩耗性のある硬質材料とした場合には、シャフト本体
１の拡管性や圧入性が低下し、拡管設備や圧入設備の大
型化を招いたり、あるいは拡管部材の消耗が顕著になる
など、コスト上不利な面がある。

【０００６】そこで、安価なパイプ材を使用し、ジャー
ナル部のみに硬化層および必要な面性状を得る方法とし
て、図７に示すように、表面硬化処理としてショットピ
ーニングを行う方法がある。すなわち、ショットピーニ
ングノズル１３から直径２０μｍ〜２００μｍ程度の鋼
球などからなるショットピーニング用の玉１５をジャー
ナル部７に投射する。

【０００７】しかしながら、ショットピーニングによる
表面硬化処理では、ショットピーニング後の切粉（金属
粉）や、ショットピーニング用の玉１５が、図７中のＢ
部で示すように、直径２ｍｍ程度の給油孔９からシャフ
ト本体１内に入り込んで残留し、エンジン稼働時にこれ
らの残留物が、摺動部（ジャーナル部７）に入り込むこ
とで、ジャーナル部７で残留物の咬み込みが発生し、ジ
ャーナル部７の焼き付きや異常摩耗が発生するという問
題がある。

【０００８】そこで、この発明は、シャフト本体に安価
なパイプ材を使用してそのジャーナル部に対し投射材を
投射してショットピーニングを行う際に、金属粉や投射
材を給油孔からカムシャフト内部に流入させないように
することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、中空のシャフト本体がカムロブ
のシャフト挿入孔に挿入固定されてこれら両者が一体化
される組立式カムシャフトのジャーナル硬化方法におい
て、前記シャフト本体のジャーナル部に対し粒状の投射
材を投射して硬化させる際に、前記シャフト本体内に空
気を送り込み、この送り込んだ空気を前記ジャーナル部
に形成してある給油孔から外部に流出させ、これにより
前記投射材や金属粉の給油孔への侵入を回避する。

【００１０】請求項２の発明は、請求項１記載の組立式
カムシャフトのジャーナル硬化方法において、空気供給
源から供給される所定量の空気に対し、シャフト本体に
送り込まれる空気の流量が規定量以下となっているとき
に、給油孔が未形成であると判断するようにしてある。

【００１１】請求項３の発明は、請求項１または２記載
の組立式カムシャフトのジャーナル硬化方法において、
粒状の投射材は、ショットピーニング用の玉としてあ
る。

【００１２】請求項４の発明は、中空のシャフト本体が
カムロブのシャフト挿入孔に挿入固定されてこれら両者
が一体化される組立式カムシャフトのジャーナル硬化装
置において、前記シャフト本体のジャーナル部に対し粒
状の投射材を投射して硬化させるジャーナル硬化手段
と、前記シャフト本体内に空気を送り込み、この送り込
んだ空気を前記ジャーナル部に形成してある給油孔から
外部に流出させる空気供給手段とを有する構成としてあ
る。

【００１３】請求項５の発明は、ジャーナル部とカムロ
ブとの間に、投射材や金属粉のカムロブ側への移動を阻
止する遮へい部材を設置した構成としてある。これによ
り、投射材や金属粉の、シャフト本体とカムロブとの隙
間への侵入が回避される。

【００１４】請求項６の発明は、請求項５記載の組立式
カムシャフトのジャーナル硬化装置において、遮へい部
材は、シャフト本体の表面に密着するシール用のゴムを
備えている。

【００１５】請求項７の発明は、請求項４ないし６のい
ずれかに記載の組立式カムシャフトのジャーナル硬化装
置において、空気供給手段から供給される空気のシャフ
ト本体内への流入を計測する空気流入量検出手段と、こ
の空気流入量検出手段が検出する空気流入量が規定量以
下のときに、給油孔が未加工であると判断する判断手段
とを設けた構成としてある。

【００１６】請求項８の発明は、請求項４ないし７のい
ずれかに記載の組立式カムシャフトのジャーナル硬化装
置において、ジャーナル硬化手段は、投射材としてショ
ットピーニング用の玉を投射するショットピーニング装
置である構成としてある。

【００１７】

【発明の効果】請求項１または４の発明によれば、シャ
フト本体内に送り込まれた空気が給油孔から外部に流出
することで、ジャーナル部に向けて投射されている粒状
の投射材や金属粉の給油孔内への侵入を防止でき、エン
ジン稼働時にてこれら侵入物のジャーナル部への咬み込
みによるジャーナル部の焼き付きや異常摩耗を回避する
ことができる。

【００１８】請求項２または７の発明によれば、給油孔
が未加工のカムシャフトを判別することができ、この未
加工カムシャフトのジャーナル部に対する硬化処理や後
工程への投入を未然に防ぐことができる。

【００１９】請求項３または８の発明によれば、シャフ
ト本体内に送り込まれた空気が給油孔から外部に流出す
ることで、ジャーナル部に向けて投射されているショッ
トピーニング用の玉や金属粉の給油孔内への侵入を防止
でき、これら侵入物のジャーナル部への咬み込みによる
ジャーナル部の焼き付きや異常摩耗を回避することがで
きる。

【００２０】請求項５の発明によれば、ジャーナル部と
カムロブとの間に設置した遮へい部材により投射材や金
属粉のカムロブ側への移動を阻止するようにしたので、
投射材や金属粉のシャフト本体とカムロブとの隙間への
侵入が回避され、これら侵入物のジャーナル部への咬み
込みによるジャーナル部の焼き付きや異常摩耗を回避す
ることができる。

【００２１】請求項６の発明によれば、シール用のゴム
がシャフト本体の表面に密着するので、投射材や金属粉
のシャフト本体とカムロブとの隙間への侵入を確実に回
避することができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面に基づき説明する。

【００２３】図１は、この発明の実施の一形態を示す、
組立式カムシャフトのジャーナル硬化装置の概略構成図
である。この組立式カムシャフト１７は、図示しない吸
気バルブや排気バルブを回転によって開閉駆動するもの
で、中空のシャフト本体１９に、１つの気筒に対し２つ
の吸気バルブまたは排気バルブに対応する２つのカムロ
ブ２１（２１ａ，２１ｂ）が、４組取り付けられてい
る。

【００２４】シャフト本体１９は、耐摩耗性については
特に考慮していない安価なパイプ材を使用しており、こ
のシャフト本体１９の図中で左側の端部には、大突起２
０ａおよび小突起２０ｂならびにこれら各突起２０ａ，
２０ｂ相互間に形成されるジャーナル部２０ｃを有する
フロントエンドピース２０が取り付けられている。フロ
ントエンドピース２０を取り付けることで、シャフト本
体１９の左側端部の開口が密閉された状態となる。

【００２５】カムロブ２１は、シャフト本体１９が挿入
されるシャフト挿入孔２２を備えており、このカムロブ
２１とシャフト本体１９との組み付けは、フロントエン
ドピース２０をシャフト本体１９に摩擦圧接や溶接によ
り接合固定し、かつシャフト本体１９にカムロブ２１を
外嵌させた状態で、シャフト本体１９内に圧力空気を供
給してシャフト本体１９を拡管させて両者相互を固定す
る。

【００２６】なお、カムロブ２１とシャフト本体１９と
の組み付けは、シャフト本体１９内に拡管部材を挿入し
て拡管したり、あるいは単に圧入により行っても構わな
い。いずれにしても、カムロブ２１をシャフト本体１９
に外嵌固定する際には、パイプ材は耐摩耗性を特に考慮
していない安価なものを使用しているので、拡管設備や
圧入設備が大型化することがなく、コスト上不利になる
ことはない。

【００２７】カムロブ２１ａ，２１ｂ相互間のシャフト
本体１９は、後述する硬化処理を行うジャーナル部２３
となっており、ジャーナル部２３には、シャフト本体１
９内の潤滑油通路２５と外部とを連通する給油孔２７が
形成されている。なお、フロントエンドピース２０は、
硬質な材料を用いているので、そのジャーナル部２０ｃ
に対しては硬化処理を行う必要はない。

【００２８】上記した組立式カムシャフト１７は、治具
２９に図中で左側の端部が保持されてシャフト中心軸を
中心として、ベアリング３０を介して回転可能となって
いる。そして、カムロブ２１ａ，２１ｂとジャーナル部
２３との間には、図２に拡大して示すように、遮へい部
材としての遮へい板３１が、カムロブ２１ａ，２１ｂの
側面に接触した状態でセットされている。遮へい板３１
は、下端がシャフト本体１９の円形の外周面に整合する
よう凹曲面３３が形成され、この凹曲面３３を備えた部
位は、摩擦抵抗の低いシール用のゴム３５で構成されて
いる。

【００２９】図２に示すように、遮へい板３１，３１相
互間にはショットピーニング用のノズル３７がセットさ
れている。ノズル３７には、導管３９を介してショット
ピーニング投射装置４１が接続され、ノズル３７の先端
から投射材としてのショットピーニング用の玉４３がジ
ャーナル部２３に向けて投射される。ノズル３７による
玉４３の投射方向は、シャフト本体１９に対して直角方
向である。上記したノズル３７およびショットピーニン
グ投射装置４１などにより、ジャーナル硬化手段として
のショットピーニング装置を構成している。

【００３０】図１に示すように、組立式カムシャフト１
７の治具２９と反対側の端部には、空気供給用治具４５
がセットされ、この治具４５により組立式カムシャフト
１７の端部がシール材４６を介して回転可能に支持され
ている。空気供給用治具４５内には、シャフト本体１９
内の潤滑油通路２５に連通する空気導入用連通路４７が
形成され、空気導入用連通路４７には、図示しない空気
供給源に一端が接続されて途中に空気流入量検出手段と
しての流量センサ４９を備えた空気導入通路５１の他端
が接続されている。

【００３１】次に、上記した構成の組立式カムシャフト
のジャーナル硬化装置によるジャーナル部２３に対する
硬化層の形成作業を、図４を用いて説明する。まず、治
具２９および空気供給用治具４５にワーク（組立式カム
シャフト１７）をセットし（ステップ１０１）、このワ
ークおよび治具２９，４５を、ショットピーニングノズ
ル３７の下端が、ショットピーニングを行うジャーナル
部２３の上方となるようセットする（ステップ１０
３）。そして、ノズル３７下方のジャーナル部２３の両
側部に、遮へい板３１をセットする（ステップ１０
５）。

【００３２】この状態で図示しない空気供給源から供給
される空気を、空気供給用治具４５を通して潤滑油通路
２５内に導入し、このときの空気流量を流量センサ４９
により検出して規定流量であるかどうかを確認する（ス
テップ１０９）。

【００３３】ここで、空気供給量が規定流量以下の場合
には、シャフト本体１９に形成されいているはずの給油
孔２７が未形成であるとして、このワークを給油孔未形
成ワークとして図示しないＮＧシュータへ払い出す（ス
テップ１１１）。これにより給油孔未形成のワークに対
するショットピーニング作業が回避され、給油孔未形成
ワークの後工程への投入も未然に防止することができ
る。

【００３４】シャフト本体１９内への空気供給量が規定
値を超えている場合には、ワークを回転させて（ステッ
プ１１３）、ジャーナル部２３に対してショットピーニ
ングを行う（ステップ１１５）。このときのショットピ
ーニングの条件は以下の通りである。

【００３５】 投射圧：０．４ＭＰａ 投射時間：６５ｓｅｃ 投射材：ＦＳＳ＃３００（スチール製で粒径約８５μｍ
程度） 投射距離（ノズル３７からワークまでの距離）：１００
ｍｍ ワークの回転速度：４ｒｐｍ ショットピーニングを行うことで、ノズル３７から投射
される玉４３がジャーナル部２３に叩きつけられ、表層
部が硬化する。このとき回転中のワークの給油孔孔２７
が図２および図３に示すように、上方位置つまりノズル
３７の下方に位置すると、ワーク内に供給されている空
気が給油孔２７から上方に向けて噴出にし、玉４３や、
ショットピーニングによって発生した金属粉の給油孔２
７への流侵入が阻止される。

【００３６】これにより、ショットピーニング用の玉４
３や金属粉の潤滑油通路２５への残留が回避され、エン
ジン稼働時での潤滑油通路２５に供給される潤滑油とと
もにこれらの玉４３や金属粉のジャーナル部２３表面へ
の流出によるジャーナル部２３での残留物の咬み込みが
回避され、ジャーナル部２３の焼き付きや異常摩耗を防
止することができる。

【００３７】また、遮へい板３１を、カムロブ２１とジ
ャーナル部２３との間に設置しており、しかも遮へい板
３１は、シャフト本体１９に対する接触部位がシール用
のゴム３５で構成されているので、ショットピーニング
時には、上記した玉４３や金属粉がシャフト本体１９と
カムロブ２１との隙間に確実に侵入しなくなる。玉４３
や金属粉がシャフト本体１９とカムロブ２１との隙間へ
侵入していると、エンジン稼働時にこれらの侵入物がジ
ャーナル部２３へ咬み込み、ジャーナル部２３の焼き付
きや異常摩耗が発生する。このため、上記した遮へい板
３１を設けることで、これらの不具合を防止することが
できる。

【００３８】上記したショットピーニング加工が、すべ
てのジャーナル部２３に対して終了したら、空気供給を
停止し、治具２９，４５よりワークを外す（ステップ１
１７）。

【００３９】なお、流量センサ４９の検出値を取り込ん
で、この検出値が規定値以下の場合に、ショットピーニ
ング投射装置４１を動作させないようにして、給油孔未
形成ワークに対するショットピーニング作業を未然に防
止する制御回路を設けるようにしてもよい。

【００４０】ここで、速度ｖで投射される質量ｍのショ
ットピーニング用の玉４３を給油孔２７に侵入させない
ための給油孔２７から流出する空気の流量Ｑを考える
と、基本的には、下記のエネルギ方程式が成り立つ。

【００４１】 （１／２）ρＱＰＶ²＝（１／２）ｍｖ^２ …… ρ：大気密度（ｇ／ｃｍ^３） Ｑ：空気流量（ｌ／ｍｉｎ） Ｐ：気圧（ａｔｍ） Ｖ：空気流速（ｍ／ｓｅｃ） ｍ：ショットピーニング粒子質量（ｇ） ｖ：ショットピーニング粒子速度（ｍ／ｓｅｃ） Ｓ：給油孔２７の面積（ｍｍ^２） また、 Ｑ＝ＳＶ …… が成り立つので、式および式より、必要な空気流量
Ｑについて解くと、質量ｍ、速度ｖで飛んでくる粒子を
給油孔２７に侵入させないためには、 Ｑ＞（Ｓ²ｍｖ^２／ρＰ）^１／３ が成り立つ。

【００４２】具体例としては、：ρ＝１．２９４６×１
０^−３ｇ／ｃｍ^３，Ｐ＝１ａｔｍ，ｍ＝１ｇｖ＝５０ｍ
／ｓｅｃ，Ｓ＝３．１４ｍｍ^２（φ２ｍｍ）で計算する
と、 Ｑ＞２．６７ｌ／ｍｉｎ となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の一形態を示す、組立式カムシ
ャフトのジャーナル硬化装置の概略構成図である。

【図２】図１の拡大された要部における動作説明図であ
る。

【図３】図２のＣ−Ｃ断面図である。

【図４】図１のジャーナル硬化装置によるジャーナル部
に対する硬化処理作業工程図である。

【図５】従来の組立式カムシャフトの要部の斜視図であ
る。

【図６】他の従来の組立式カムシャフトの要部の斜視図
である。

【図７】従来の組立式カムシャフトに対するショットピ
ーニング作業を示す斜視図である。

【符号の説明】

１７ 組立式カムシャフト １９ シャフト本体 ２１（２１ａ，２１ｂ） カムロブ ２２ シャフト挿入孔 ２７ 給油孔 ３１ 遮へい板（遮へい部材） ３５ シール用のゴム ３７ ノズル（ジャーナル硬化手段、ショットピーニン
グ装置） ４１ ショットピーニング投射装置（ジャーナル硬化手
段、ショットピーニング装置） ４３ ショットピーニング用の玉（投射材） ４９ 流量センサ（空気流入量検出手段）

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中空のシャフト本体がカムロブのシャフ
   ト挿入孔に挿入固定されてこれら両者が一体化される組
   立式カムシャフトのジャーナル硬化方法において、前記
   シャフト本体のジャーナル部に対し粒状の投射材を投射
   して硬化させる際に、前記シャフト本体内に空気を送り
   込み、この送り込んだ空気を前記ジャーナル部に形成し
   てある給油孔から外部に流出させることを特徴とする組
   立式カムシャフトのジャーナル硬化方法。
2. 【請求項２】 空気供給源から供給される所定量の空気
   に対し、シャフト本体に送り込まれる空気の流量が規定
   量以下となっているときに、給油孔が未形成であると判
   断することを特徴とする請求項１記載の組立式カムシャ
   フトのジャーナル硬化方法。
3. 【請求項３】 粒状の投射材は、ショットピーニング用
   の玉であることを特徴とする請求項１または２記載の組
   立式カムシャフトのジャーナル硬化方法。
4. 【請求項４】 中空のシャフト本体がカムロブのシャフ
   ト挿入孔に挿入固定されてこれら両者が一体化される組
   立式カムシャフトのジャーナル硬化装置において、前記
   シャフト本体のジャーナル部に対し粒状の投射材を投射
   して硬化させるジャーナル硬化手段と、前記シャフト本
   体内に空気を送り込み、この送り込んだ空気を前記ジャ
   ーナル部に形成してある給油孔から外部に流出させる空
   気供給手段とを有することを特徴とする組立式カムシャ
   フトのジャーナル硬化装置。
5. 【請求項５】 ジャーナル部とカムロブとの間に、投射
   材や金属粉のカムロブ側への移動を阻止する遮へい部材
   を設置したことを特徴とする請求項４記載の組立式カム
   シャフトのジャーナル硬化装置。
6. 【請求項６】 遮へい部材は、シャフト本体の表面に密
   着するシール用のゴムを備えていることを特徴とする請
   求項５記載の組立式カムシャフトのジャーナル硬化装
   置。
7. 【請求項７】 空気供給手段から供給される空気のシャ
   フト本体内への流入を計測する空気流入量検出手段と、
   この空気流入量検出手段が検出する空気流入量が規定量
   以下のときに、給油孔が未加工であると判断する判断手
   段とを設けたことを特徴とする請求項４ないし６のいず
   れかに記載の組立式カムシャフトのジャーナル硬化装
   置。
8. 【請求項８】 ジャーナル硬化手段は、投射材としてシ
   ョットピーニング用の玉を投射するショットピーニング
   装置であることを特徴とする請求項４ないし７のいずれ
   かに記載の組立式カムシャフトのジャーナル硬化装置。