JP2003505245A - カムシャフトを製造するための方法及び、この方法に従って製造されたカムシャフト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明によれば、カムシャフトを製造するために、公知のスクィーズ成形法とＩＨＵとを組み合わせて、両端部をスクィーズ成形することによって、支承部材、駆動部材及び制御部材が得られるようにした。次いで、内部高圧成形法によってよって前もって製造された支持リング及びチェーンホイール又は歯車が摩擦結合式及び形状結合式に取り付けられる。本発明の方法によれば、カムシャフトの主な使用領域に隣接する領域を、カムディスク等を備えたシャフトを製造するためにも使用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、カムシャフトを製造するための方法及び、この方法に従って製造さ
れたカムシャフトに関する。また本発明は有利には、自動車のエンジンのための
カムシャフトに関するものであるが、軸上に配置されたカムディスク等の類似の
製造品を製造するためにも適している。このような部材は、ストローク部材が種
々異なる湾曲部を有する回転するディスク上を走行し、回転方向に抗して移動せ
しめられることによって、回転運動をストローク（行程）運動に置き換える部材
である。

【０００２】 一体的な部材より製造された、つまり鍛造又は鋳造によって製造されたカムシ
ャフトは公知である。摩耗にさらされるカムの走行面は、機械的な切削加工後に
、レーザー光線、電子線又はＷＩＧによって溶融されるか又は例えば誘導式或い
は熱的／化学的プロセスによって硬化される。次いで別の機械的な処理、例えば
軸受及びカム形状の研削が行われる。このカムシャフトは、その重量及びひいて
は移動させられる質量が非常に大きいという欠点がある。カムシャフトの質量が
大きいことによって、燃料消費に不都合に作用する。その他の欠点は、半製品を
加工する際の機械的なコストが高いという点ある。

【０００３】 カムシャフトを複数の個別部材より製造することも公知である。個別のカムは
、１つの軸上に取り付けられ、この軸に有利には溶接によって結合されるか、押
しつけ又は収縮ばめによって結合される。この場合、シャフトは中空軸であって
よいので、中実なカムディスクの重量が高いという欠点は取り除かれるが、製造
のコストはまだ非常に高い。

【０００４】 このような方法の別の実施例では、カムを被せ嵌めた後で中空軸を圧力の作用
によって広げることによって、各カムを中空軸上に固定することも公知である。
圧力媒体としては有利には液体が使用される。圧力はピストン又はポンプによっ
て生ぜしめられる（ＤＥ３４０９５４１：３５２１２０６）。しかしながらこの
方法では、各部材の製造特に接合若しくは結合が技術的に複雑であって、カムの
内側輪郭形状を制限することになるという欠点がある。

【０００５】 また、細長い中空体つまり中空軸を内部高圧成形法「Ｉｎｎｅｎｈｏｃｈｄｒ
ｕｃｋ−Ｕｍｆｏｒｍｖｅｒｆａｈｒｅｎ」（ＩＨＵ法）によって成形して、カ
ムとして働く部分を個別に又は相次いで或いは同時に生ぜしめることも公知であ
る。

【０００６】 相応に２つの部分又は４つの部分より成る工具は、中空軸を軸方向でスライド
させることによって、複数のカムの位置が規定されて製造され、一体的な成形が
行われることを保証する（ＷＯ９７／４６３４１）。

【０００７】 しかしながらこの方法に従って製造されたカムシャフトは、鍛造されるか又は
組み立てられたカムシャフトに対して製造コストが安価であるが、カム面の耐摩
耗性は不十分であるという欠点を有している。耐摩耗性を保証する材料で、ＩＨ
Ｕ法を実施することも不可能である。しかも、自動車エンジンにおいて一般に要
求されているように、シャフト上にカムが小さい間隔を保って配置されている場
合には、カムの平らな走行面を生ぜしめることは不可能である。何故ならば高い
変形度（Ｕｍｆｏｒｍｇｒａｄ）で成形された箇所の材料は強制的に弱められ、
ひいては強度に関して不都合に影響するからである。

【０００８】 中空軸の材料が以上のような欠点を減少させるために寄与するものであれば、
この材料は良好な成形を可能にするが、硬さ若しくは耐摩耗性自体は、次いで行
われる硬化プロセスによっては得られない。カムの硬度及び耐摩耗性は、自動車
のカムシャフトの高い耐用年数のための基本的な前提条件である。カムシャフト
の全領域つまりシャフト（軸）自体及び特にカムの側面及び先端部の全領域で必
要な材料厚を得ることは非常に困難である。

【０００９】 さらにまた、偏心的な成形部を備えた、カム軌道を形成する管区分を製造して
、この管区分をプレス嵌め複合体（Ｐｒｅｓｓｉｔｚｖｅｒｂｕｎｄ）を用いて
補強することも公知である。カムの製造は、管を爆発成形（Ｅｘｐｌｏｓｉｖｕ
ｍｆｏｒｍｕｎｇ）することによって行われる。各カムは互いに相応にずらして
カムシャフト上に固定される（ＤＤ２４３２２３）。この時点で製造されたカム
シャフトは、高価な製造コストを必要とし、重い重量を有している。塑性変形プ
ロセスは、時間に関連して制御できない。

【００１０】 そこで本発明の課題は、公知の内部高圧成形法を用いることによって、硬く、
撓みが小さく、高いねじり強さ（ねじりに対する強さ）を有し、カム側面及びカ
ム先端部の負荷面で高い曲げ強さを有しているようなカムシャフトを製造するた
めの方法を提供することである。この製造方法は簡単なものでなければならない
。別のプロセス段階で付加的な層つまり耐摩耗層を被覆する作業及び高価な機械
的な後作業は省かれなければならない。使用材料は少なくなければならない。全
カムシャフトのための必要とされる個別部分は、カムシャフトのための公知の製
造方法に対して減少されなければならない。

【００１１】 本発明によればこの課題は請求項１及び請求項８に記載した特徴によって解決
される。有利な構成要件は、請求項２乃至７及び請求項９乃至１７に記載されて
いる。

【００１２】 本発明の要旨は、別個の方法で、わずかな壁厚及びカムの最終的な形状を有す
る、相応に硬く耐摩耗性の支持リングが製造され、この支持リングは内部高圧成
形法（ＩＨＵ法）によって、ＩＨＵ工具内に挿入され、ＩＨＵ工具及び管に導入
された軸方向力によって、圧力媒体を介して生ぜしめられた内圧と組み合わせて
、管を１段階又は２段階でカムシャフトに成形できるという点にある。

【００１３】 成形プロセスの終了に伴って、カムと支持リングとの摩擦結合式及び形状結合
式の結合が得られる。カムシャフトの両端部には、公知の支承部材が配置されて
おり、この公知の支承部材は公知の形式で固定される。

【００１４】 本発明による方法の別の有利な実施態様によれば、前記方法の前に行われる方
法段階で、変形のために必要な特性及び機械的な要求を満たす材料から成る管を
、公知のこね成形若しくはスクィーズ成形「Ｋｎｅｔｅｎ」（ローリングスクィ
ーズ成形とも呼ばれる）によって又は圧縮成形（Ａｎｓｔａｕｃｈｅｎ）によっ
て、管が全体的に又は部分的に或いはカムシャフト端部だけが塑性変形、つまり
例えば伸ばされるか及び／又は厚みをつけられるように、成形するようにした。
これによって両端部では、駆動及び制御部材のための成形部材、例えば歯車のた
めの座部が得られる。次の方法段階で、ＩＨＵ法によって、管の、カムが配置さ
れている領域が広げられ、この際に前もってＩＨＵ工具内に、支持リングがカム
の位置に応じて挿入される。

【００１５】 先端が非常に尖っているカムにおいては、支持リングが同じ壁厚を有している
場合に、管が強い変形にさらされ、場合によっては多段成形プロセスが必要とな
る、という欠点が生じる。これによって製造コストは高くなり、生産性は低下す
る。さらにまた、カムシャフトの外側で、カム間若しくはカムの隣で、シリンダ
ヘッド内に妨害輪郭形状が生じる。これによって、提供される構造スペースは制
限され、ＩＨＵプロセスが困難になる。これは、複雑な多段式のＩＨＵプロセス
によってのみ取り除くことができる。これによって再び高い製造コストが必要と
なる。従って、本発明の有利な変化実施例、若しくはこの方法に従って製造され
たシャフトは、別の方法で製造された支持リングを、その外側が機能に基づいて
限定された輪郭形状に相当し、その内側が管よりもやや大きい直径を有するよう
にした点にある。支持リングの壁厚は、一様な厚さを有しているのではなく、カ
ム先端部の領域がより大きい厚さを有している。このことはつまり、支持リング
がカムとして、可変な厚さを有し、内側輪郭形状が円形ではないということであ
る。

【００１６】 本発明による方法は、主として、２つ又は多くの公知の製造方法を互いに組み
合わせたものである。

【００１７】 少なくとも１つの溝を支持リングに半径方向で設ければ、圧力が加えられた時
にこの溝がシャフトの材料によって満たされるので、支持リングが側方にずれる
ことを阻止するために有利である。

【００１８】 本発明のその他の実施態様は、駆動及び／又は制御部材が、ＩＨＵ法によって
もシャフト上に固定されるいう点にある。同様に、ＩＨＵ法によって管を広げる
ことによっても支承面を形成することができる。特に、塑性変形プロセスに従っ
て生じた管材料の冷間硬化は有利である。

【００１９】 本発明の方法に従って製造されたカムシャフトは、中空のカム及び非常に薄い
壁厚の支持リングによって、重量が非常に軽量で、しかも高い剛性を有している
。支持リングは、機械的な後作業を全く必要としないか又はわずかしか必要とし
ないので有利である。支持リングの硬さは、要求に応じて予め与えられている。
これによって、そうでなければ一般的に行われている補足的な硬化作業例えば真
空プロセスでの誘導式硬化作業又は再溶融硬化作業は省かれる。

【００２０】 本発明の方法の別の実施態様によれば、公知の製造方法とは異なり、ラウンド
スクィーズ成形（Ｒｕｎｄｋｎｅｔｅｎ）又は圧縮成形（Ｓｔａｕｃｈｅｎ）を
ＩＨＵ法と組み合わせたことによって、非常に安価な製造費用及びひいては安価
なコストを必要とするだけであるという付加的な利点が得られる。これは特に、
別個に製造して接合若しくは結合する個別部材の数が非常に少ないことによて、
さらに安価になる。本発明の製造法によれば、従来のように末端部材を接合若し
くは結合することによって生じ得た欠陥源は取り除かれる。本発明の主要な利点
は、スクィーズ成形若しくはこね成形プロセスによって、その幾何学的な形状、
寸法安定性、表面品質において非常にわずかな機械的な後加工しか必要としない
機能部材が製造可能であるという点にある。完成のためには、しばしば１回の研
削プロセスしか必要としない。

【００２１】 本発明の方法に従って製造されたカムシャフトは、少数の個別部材より成って
いる。成形プロセスの終了と共に、カムリングは、シャフトに摩擦結合式及び形
状結合式に結合される。

【００２２】 支持リングの、管に向いた側の一方側又は両側に面取り部を備えても有利であ
る。これによって、シャフト上で側方にずれることは阻止される。

【００２３】 支持リングの有利な構成は、支持リングが従来技術のものに対してプラスチッ
ク又は焼結材料より成っているという点にある。これらの材料は、安価な製造コ
ストで、簡単に製造できるという利点を提供する。

【００２４】 さらにまた、セラミック材料を使用することもできる。セラミック材料は、最
大の耐摩耗性及び最小の重量及びひいて最も軽量のカムシャフトを提供するとい
う利点を有している。

【００２５】 カムシャフトの別の有利な実施態様によれば、管がアルミニウム又はチタンよ
り成っている。これによって非常に軽量のカムシャフトが得られる。

【００２６】 以下に２つの実施例を用いて本発明を説明する。

【００２７】 図１は、完成したカムシャフトの縦断面図、 図２は、シャフト上のカムの横断面図、 図３は、シャフト上のカムの縦断面図、 図４は、ラウンドスクィーズ成形／圧縮成形された端部を有するカムシャフト
の断面図 図５は、厚さが可変である支持リングを有するカムシャフトの断面図である。

【００２８】 図１乃至図３にはＩＨＵ方法によりカムシャフトの製造が示されている。

【００２９】 良好に変形可能である材料より成る薄い壁状の管１では、ＩＨＵ成形によって
プレス型内でカムシャフトがほぼ完成した輪郭形状に近い形状で製造される。つ
まり、カム２がその座部を有する箇所で、カム２の寸法及びその長さに応じて成
形される。カム２を有するシャフトは、１つの中空体である。公知のプロセスで
、独立した支持リング３が図２及び図３に示されているように製造される。この
ために例えば、耐摩耗性の材料より成る管が、支持リング３（カム）の最終的な
形状が与えられて硬化されるように、成形される。カムシャフトに成形しようと
する、前もって製造された管１は、支持リング３を通して押しずらされ、この支
持リング３と共に、開放された成形工具内に挿入される。このようにしてすべて
の個別部材は位置固定される。成形工具は、軸方向で押しずらされて、半径方向
で成形のための力を導入することができる。力の導入は、管１内に所定の内圧に
補助されて、その所定の軸方向力が管１に及び／又は工具に加えられることによ
って開始される。工具が軸方向及び半径方向で完全に閉じられると、純粋なＩＨ
Ｕプロセスによって、管１と支持リング３との形状結合（ｆｏｒｍｓｃｈｌｕｅ
ｓｓｉｇｅ Ｖｅｒｂｉｎｄｕｎｇ；形状による束縛）及び摩擦結合（ｋｒａｆ
ｔｏｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ；摩擦による束縛）が行われる。管１の端部には、支
承又は駆動部材５が公知の形式で取り付けらる。この支承又は駆動部材５をＩＨ
Ｕプロセスによって管１に固定することも可能である。

【００３０】 支持リング３内部に溝４を形成し、この溝４を管１の材料で満たすことによっ
て、カム２上での支持リング３の保持を改善することも可能である。また、支持
リング３の内径に段部を設け、次いでこの段部にＩＨＵプロセスで材料を満たす
ことも可能である。

【００３１】 別の実施例では、図４に示したスクィーズ成形法（Ｋｎｅｔｖｅｒｆａｈｒｅ
ｎ）と組み合わせたＩＨＵ法によってカムシャフトを製造する方法について記載
されている。

【００３２】 良好に変形可能な材料より成る管１は、その両端部が、ラウンドスクィーズ成
形又は圧縮成形若しくはすえ込み成形によって厚みをつけて成形されている。こ
れによって一方側では、その内径Ｄｉが減少され、外径ＤＡが製造されるので、
カムシャフトを増強するゾーン６が形成される。最も外側の端部には機能部材７
が形成されており、この機能部材７の座部は研削によってその最終的な寸法が得
られる。他方の端部には、同様にスクィーズ成形又は圧縮成型、及びそれと同時
に前記端部をスクィーズ成形することによって、内径Ｄｉが同様に減少され、別
の機能部材７（軸受座部、制御カムその他）が得られる。次の方法段階で、つば
８も圧縮成形され、このつば８は別の装置をフランジ結合（Ａｎｆｌａｎｓｃｈ
ｅｎ；フランジで結合する）ために必要である。

【００３３】 第１の方法段階によれば、別の方法で製造された支持リング３（カムの形状に
相当する）及びチェーンホイール（図示せず）がＩＨＵ法によって摩擦結合式に
又は形状結合式に取り付けられる。このために、支持リング３及びチェーンホイ
ールはＩＨＵ工具内に挿入される。

【００３４】 図５には、カムシャフトの実施例が示されており、この実施例では支持リング
３が種々異なる厚さを有している。

【００３５】 良好に変形可能な材料より成る管１は、外径ｄａを有している。焼結金属より
成る支持リング３は、外側で機能的に限定された形状を有していて、内側は円形
ではない。その内径Ｄｉは、管１の外径ｄａよりもやや大きい。支持リング３の
厚さは一定ではない。一定の支持リング厚から出発することによって生じた高さ
Aは、管１の最大変形の高さＡ′よりも大きく、ひいては管１の変形領域の曲率
半径Ｒｉ′は支持リング３の与えられた一様な厚さｃにおけるＲｉよりも大きい
。この領域で、支持リング３の厚さｃ′は大きく、一定な厚さｃに移行している
。

【００３６】 支持リング３のこの形状の製造はやや高くても、一体的に可能であるＩＨＵプ
ロセスのための安価なコストが優先する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 完成したカムシャフトの縦断面図である。

【図２】 シャフト上のカムの横断面図である。

【図３】 シャフト上のカムの縦断面図である。

【図４】 ラウンドスクィーズ成形／圧縮成形された端部を有するカムシャフトの断面図
である。

【図５】 厚さが可変である支持リングを有するカムシャフトの断面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 １００ ０５ ６９０．３ (32)優先日 平成12年２月９日(2000．2．9) (33)優先権主張国 ドイツ（ＤＥ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＢＲ，ＣＮ，Ｃ Ｚ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＲ，ＭＸ，ＳＫ，ＵＳ

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高い内圧下で軸方向力及び媒体の作用によって変形せしめら
   れる管より成るカムシャフトを製造するための方法において、 カム輪郭、必要な硬さ、強度及び耐摩耗性に相応して別個の方法で製造された
   支持リングを、内部高圧・成形工具内に、成形しようとする管と一緒に挿入し、
   内部高圧下で軸方向力及び媒体の作用を受けて管を広げることによって、支持リ
   ングを摩擦結合式及び形状結合式に固定することを特徴とする、カムシャフトを
   製造するための方法。
2. 【請求項２】 第１の方法段階で、内部高圧成形の前に、有利にはカムがそ
   の座部を有している領域の外側である、管の端部の領域を、この領域が厚くされ
   及び／又は伸ばされて別の機能部材が形成されるように、スクィーズ成形及び／
   又は圧縮成形する、請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 内部高圧成形の前に第１の方法段階で、カムがその座部を有
   する後ろの領域の直径を所望の程度だけ減少させることによって、カムがその座
   部を有する後ろの領域及び支承面を、カムシャフト両端部間に、ラウンドスクィ
   ーズ成形によって製造する、請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】 内部高圧成形で管を広げることによって、カム間に支承面を
   形成する、請求項１又は２記載の方法。
5. 【請求項５】 支持リングを、内部高圧成形工具内に挿入する前に公知の方
   法で硬化させる、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 【請求項６】 別個の方法で製造された歯車又はチェーンホイールを内部高
   圧成形工具内に挿入し、内部高圧成形によって摩擦結合式及び／又は形状結合式
   に結合する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 【請求項７】 カムシャフトの厚みを付けた及び／又は先細りした端部をラ
   ウンドスクィーズ成形によって製造した後で、この方法段階に組み込まれた付加
   的な方法段階で、内歯列及び／又はねじを製造する、請求項１から６までのいず
   れか１項記載の方法。
8. 【請求項８】 請求項１記載の方法に従って製造したカムシャフトにおいて
   、 カムシャフトが、シャフトが輪郭付近において一体的にすべてのカム（２）の
   形状及び位置を有するように、管（１）から内部高圧成形法によって製造されて
   おり、成形されたカム（２）に、耐摩耗性の硬い材料より成る、カム輪郭に従っ
   て成形された支持リング（３）が摩擦結合式及び形状結合式に取り付けられてお
   り、両端部に公知の形式で支承部材及び／又は、駆動及び／又は制御部材（５）
   が取り付けられていることを特徴とするカムシャフト。
9. 【請求項９】 支持リング（３）が同じ壁厚を有している、請求項８記載の
   カムシャフト。
10. 【請求項１０】 支持リング（３）の厚さが可変であって、この場合、カム
    先端部の領域の厚さがより大きくなっている、請求項８記載のカムシャフト。
11. 【請求項１１】 支持リング（３）が焼結金属、プラスチック又はセラミッ
    クより成っている、請求項８記載のカムシャフト。
12. 【請求項１２】 管（１）が、アルミニウム、マグネシウム又はチタン又は
    その合金より成っている、請求項８記載のカムシャフト。
13. 【請求項１３】 管（１）の初期の直径（Ｄｉ：ｄａ）を広げるか又は先細
    りさせることによって、支承面、駆動及び／又は制御部材及び雌ねじ山及び／又
    は雄ねじ山が形成されるように、管（１）の両端部がスクィーズ成形によって成
    形されている、請求項８記載のカムシャフト。
14. 【請求項１４】 駆動部材及び制御部材有利にはチェーンホイール又は歯車
    が、内部高圧成形法によって取付けられている、請求項８記載のカムシャフト。
15. 【請求項１５】 支持リング（３）内、及び駆動及び制御部材内に、少なく
    とも１つの半径方向に延びる溝（４）が設けられている、請求項１４記載のカム
    シャフト。
16. 【請求項１６】 管（１）に向けられた支持リング（３）の側及び駆動部材
    が、管（１）に向いた片側又は両側で面取り部を有している、請求項１４記載の
    カムシャフト。
17. 【請求項１７】 支持リング（３）が、成形されたカム上に取り付けられる
    前に硬化される、請求項８記載のカムシャフト。