JP2004516404A - ローブ領域の重量が低減され耐摩耗性が付加されたカム軸 - Google Patents

Abstract

カム軸のローブ（６）で重量が低減され耐摩耗性が付加された、内燃機関（１４）に取り付けられるカム軸（１）。カム軸（１）は、内燃機関の効率を改善するために耐摩耗性を付加し、重量を低減するために内燃機関に提供される。カム軸（１）は、カム軸（１）のローブ（６）の表面に耐摩耗性材料（１２）を含む。耐摩耗性材料（１２）は、ローブ（６）の外面に分布され、ベース材料に混合される。

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、一般に、カム軸に関し、より詳しくは、カム軸の複数のローブ領域で重量が低減され、耐摩耗性が付加されたカム軸に関する。
【０００２】
（背景技術）
内燃機関は、エンジンの正常な使用中に摩耗する広範な部品を含む複雑な機構である。また、これらの部品は、それぞれエンジンの全重量に加えられ、これにより燃料消費が増大し、他のエンジンの効率を低下させる。
【０００３】
内燃機関のこのような１つの部品は、カム軸である。このカム軸は、特定のタイミングで吸気及び排気弁を開閉するようにクランク軸の駆動力によって回転される。カム軸は、吸気弁及び排気弁を開閉するために、カムを有し、そのカムの各々は、ローブを有し、このローブは、カム軸の回転中吸気弁及び排気弁のそれぞれのロッカーアームに接触し、それらを持ち上げる。しかしながら、カム軸のローブと吸気弁及び排気弁のそれぞれのロッカーアームとの間の広範な接触は、高い接触圧からの疲労によるローブの摩耗を生じることが見出された。この問題は、また、カム軸の故障またはエンジン効率の低下につながる。
【０００４】
カム軸の故障は、カム軸の軸またはカムのような軸の部品の割れを含む。これは、通常、内燃機関の突然の故障につながる。他方、エンジンの性能の非効率性は、カムのローブと吸気弁及び排気弁のそれぞれのロッカーアームとの間の不適切な接触を含み、これは、それぞれの吸気弁及び排気弁で不適切あるいは完全でない開放を招く。これにより、空燃比を不適切にしたり、または排気ガスの不適切な排出を生じる。その双方により、燃費悪化、エンジン性能の低下が生じる。また、排気ガスの不適切な排出により、シリンダ壁に炭素が堆積され、これは、燃費悪化などにつながる。
【０００５】
内燃機関のメーカーは、内燃機関の効率及び信頼性を改善するための方法を継続的に模索している。通常、これらの効率は、カム軸を含む内燃機関の各部品の効率及び信頼性を改善することによって提供される。カム軸に関しては、メーカーは、カム軸の重量を低減し、並びにカム軸の軸にねじり強度を加えるために異なるカム軸の材料を使用する試みをしてきた。メーカーは長年にわたってカム軸の改良について飛躍的発展をとげてきたが、カム軸のローブで耐摩耗特性を有し、重量が低減されたカム軸をいまだ提供していない。これは、主に、メーカーによって使用される、例えば、生砂鋳造、または鍛造のような製造工程によるものであり、これは、材料分布の非均一性（すなわち、カム軸の一方の側に向かって重い材料が移動すること）並びにカム軸の重量の増大を生じる。これらの双方は、内燃機関の効率の低下を招く。
【０００６】
２００２年４月２日にＳｗａｒｓに付与された米国特許第５，００４，３７０号は、軸線方向に変化する特性を有する駆動部品（例えば、カム）を有する中空の軸を開示している。駆動部品は、中空の軸の膨張によって中空の軸に固定されており、高周波焼入れ処理によって生じる分離した摩耗層を含む。しかしながら、この分離した摩耗層は、駆動部材全体にわたって分布されず、中空の軸内にも分布されない。したがって、Ｓｗａｒｓの装置は、内燃機関を使用する間に摩耗する傾向があり、大きなねじれまたは接触応力に適切に耐えることができない。
【０００７】
本発明は、上述したような１つ以上の問題を克服することである。
【０００８】
（発明の開示）
本発明の１つの形態において、カム軸が提供される。このカム軸は、ベース材料から作られた軸を有する。軸の上にカムが配置されている。カムからローブが突出しており、ローブは、ベース材料とがローブの外面に分布された耐摩耗性材料とから部分的になる。
【０００９】
本発明の他の形態において、カム軸は、軸とこの軸上に配置されたカムとを含む。カムからローブが延びており、このローブは、軸の組成に使用されるベース材料よりも高密度の耐摩耗性材料からなる。
【００１０】
本発明の他の形態によれば、カム軸は、内燃機関に使用するために適合される。内燃機関は、シリンダを有するシリンダブロックを含む。ピストンアセンブリがシリンダ内に配置され、クランク軸がピストンアセンブリに接続されている。弁アセンブリがシリンダに連通している。カム軸が弁アセンブリを開放し、軸を含む。ローブを有するカムが軸上に配置されている。ローブは、カム軸に使用する材料よりも高密度の耐摩耗性材料からなる。
【００１１】
（発明を実施するための最良の形態）
図１を参照するに、カム軸１の平面図が示されている。カム軸１は、カム軸本体、すなわち軸２を含む。軸２は、少なくとも１つのカム４を含み、このカム４は、このカム４から延びるローブ６を有し、カム４と交互に配置される形態で間隔を置いているカム軸ジャーナル軸受け８を含む。カム軸の他の特徴部分も提供できるが、この説明は、本発明をさらによく理解するために上述した特徴に制限されることを理解すべきである。軸２並びにカム４及びローブ６のサイズは、カム軸１とともに使用される特定の用途に依存して変化し、特定のサイズは本発明を理解する上で重要なものではないことを当業者はさらに理解すべきである。
【００１２】
図２を参照するに、カム軸１は、軸線方向を向いた中空の内側部分１０を含む。軸２は、耐摩耗性材料（例えば、粒子）１２と組み合わせられたスチールまたは鋳鉄からなることが好ましい。耐摩耗性材料１２は、カム軸１を通して分布されており、さらに各ローブ６の外面に分布されていることが好ましい。また、耐摩耗性材料１２は、ジャーナル軸受８の中に、および軸２を通してある程度まで分布されることができる。
【００１３】
耐摩耗性材料１２は、ほぼ５０ミクロンの大きさのタングステンカーバイド粒子のようなカーバイド材料が好ましい。また、耐摩耗性材料は、５ミクロンの大きさのフェロタングステン／炭化チタンである。これらのカーバイド材料を使用するとき、鋳鉄内の高い炭素含有率によってカム軸１のベース材料に鋳鉄を使用することが好ましい。（鋳鉄の溶融温度は、カーバイド材料内の炭素を中に残すことができ、それを犠牲にすることなく、鋳造処理の間カーバイド耐摩耗性材料の一体性を保持することができる。）
【００１４】
カム軸１とともに使用する特定の用途に依存して他の材料及び粒子の大きさも本発明とともに使用することができることを当業者は理解すべきである。しかしながら、ローブ６に使用される耐摩耗性材料１２は、軸２（及び他の部品）に使用されるベース材料より高い密度を有する耐摩耗性材料でなければならない。高密度が有利であり、適していることが分かった。なぜならば、製造工程中に向心力が高密度の材料を外側に移動させるからである。これらの材料は、カーバイド材料、セラミック、またはダイヤモンド材料を含む。また、耐摩耗性材料１２は、ベース材料より高い融点を有する。
【００１５】
耐摩耗性材料１２は、ローブ６の表面の（ベース材料に対して）ほぼ２０ないし４０容量％である。また、この同じ容量百分率をジャーナル軸受け８の表面に提供することもできる。耐摩耗性粒子の容量百分率は、軸２の内側でゼロまで次第に低減し、すなわち、中空の内側部分１２の表面は、耐摩耗性材料１２がなくなる。
【００１６】
図３は、図１の線３−３に沿った断面図を示す。図３は、主に、カム４のローブ６、好ましくはローブ６の外面の耐摩耗性材料１２を示す。ローブ６及びカム４を通して耐摩耗性材料１２が分布されるが、耐摩耗性材料１２は、付加された耐摩耗性がこのような場所に備えられることを確実にするために少なくともローブ６の表面で鉄またはスチール（または他のベース材料）に混合されることが好ましいことも理解すべきである。
【００１７】
図４は、図３のカム４の断面図を示す。ローブ６の表面で耐摩耗性材料１２が濃縮していることが分かる。また耐摩耗性材料１２は、カム４を通して提供されるが、量が少ないことが好ましい。
【００１８】
図５は、内燃機関１４に使用されるカム軸１を示す。図５の内燃機関１４は、当業者に公知の態様で作動するが、内燃機関は、カム軸１を使用することによって効率が増大する。特に、内燃機関１４は、シリンダブロック１８内に機械加工されたシリンダ１６と、シリンダ１６内に配置されたピストンアセンブリ２２に接続されたクランク軸２０とを有する。吸気弁及び排気弁（例えば、弁アセンブリ）２４は、シリンダ１６と連通し、これらの弁は、カム軸１のローブ６と接触するロッカーアームアセンブリ２６を介して開放される。
【００１９】
（産業上の利用可能性）
カム軸１は、内燃機関１４に使用される。カム軸の中空の内側部分１０は、カム軸１の重量を低減し、これは、また、内燃機関１４の効率を増大する。軸２は、耐摩耗性材料１２と組み合わせられるスチールまたは鋳鉄からなる。少なくともローブ６内の耐摩耗性材料１２の分布は、特にローブ６が内燃機関１４の使用中に過剰な摩擦からの大きな接触圧力によって摩耗しないことを保証する。
【００２０】
耐摩耗性材料１２は、軸２（及び他の部品）について使用されるベース材料より高い密度を有する。理想的には、軸２は、向心力鋳造法によって製造され、この方法によれば、製造工程中、ローブ６（及びカム軸１の他の部品）の外面に耐摩耗性材料が移動し、内燃機関１４の使用中にローブ６の領域に耐摩耗性が確実に付加されることができるようにする。
【００２１】
本発明の他の形態、目的および利点は、図面、明細書および添付した特許請求の範囲の検討によって得られることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明のカム軸の平面図である。
【図２】
図１のカム軸の線２−２に沿った断面図である。
【図３】
図１のカム軸の線３−３に沿った断面図である。
【図４】
図３のローブの線４−４に沿った断面図である。
【図５】
内燃機関に使用される本発明のカム軸の概略図である。

Claims (20)

1. ベース材料で作られた軸（２）と、
   軸（２）上に配置され、ベース材料で作られたカム（４）と、
   カム（４）から突出しており、一部がベース材料からなり、外面を有するローブ（６）と、
   ローブ（６）の外面に分布され、ベース材料に混合された耐摩耗性材料（１２）とを備えることを特徴とするカム軸。
2. 耐摩耗性材料（１２）は、タングステンカーバイド及びフェロタングステン／炭化チタンからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載のカム軸。
3. 軸（２）は、スチール及び鋳鉄のうちの一つからなることを特徴とする請求項２に記載のカム軸。
4. タングステンカーバイドは、ほぼ５０ミクロンのサイズの粒子を含み、フェロタングステン／炭化チタンは、ほぼ５ミクロンのサイズの粒子を含むことを特徴とする請求項２に記載のカム軸。
5. ローブ（６）の外面に、量にしてほぼ２０容量％ないし４０容量％の耐摩耗性材料（２１）を含むことを特徴とする請求項２に記載のカム軸。
6. 耐摩耗性材料（１２）の容量百分率は、軸（２）で２０％未満であることを特徴とする請求項５に記載のカム軸。
7. 耐摩耗性材料（１２）の容量百分率は、軸（２）で０％まで減少することを特徴とする請求項５に記載のカム軸。
8. 軸（２）内に中空の中心内側部分（２０）を含むことを特徴とする請求項１に記載のカム軸。
9. 耐摩耗性材料（１２）は、ベース材料より密度が高いことを特徴とする請求項１に記載のカム軸。
10. 耐摩耗性材料（１２）は、ベース材料より高い融点温度を有することを特徴とする請求項９に記載のカム軸。
11. 耐摩耗性材料（１２）は、カーバイドをベースとした材料であり、ベース材料は鋳鉄であることを特徴とする請求項９に記載のカム軸。
12. 耐摩耗性材料（１２）は、セラミックス及びダイヤモンド材料のうちの一つであることを特徴とする請求項１に記載のカム軸材料。
13. ある長さを有し、ベース材料からなる軸（２）と、
    軸（２）の長さの一部に沿って配置されたカム（４）と、
    カム（４）から延出しているローブ（６）と、
    ベース材料に混合され、ローブ（６）に集中され、ベース材料より密度が高い耐摩耗性材料（１２）とを有することを特徴とするベース材料からなるカム軸。
14. 耐摩耗性材料（１２）は、ベース材料より高い融点を有することを特徴とする請求項１３に記載のカム軸。
15. 耐摩耗性材料（１２）は、カーバイドをベースとした材料であり、ベース材料は鋳鉄である請求項１３に記載のカム軸。
16. カーバイドをベースとした材料は、タングステンカーバイド及びフェロタングステン／炭化チタンのうちの一つであることを特徴とする請求項１３に記載のカム軸。
17. 耐摩耗性材料（１２）は、セラミックス及びダイヤモンド材料のうちの一つであることを特徴とする請求項１３に記載のカム軸材料。
18. シリンダブロック（１８）と、
    シリンダブロック（１８）内に中ぐりされているシリンダ（１６）と、
    シリンダ（１６）内に配置されたピストンアセンブリ（２２）と、
    ピストンアセンブリ（２２）に接続されたクランク軸（２０）と、
    シリンダ（１６）と連通する弁アセンブリ（２４）と、
    弁アセンブリ（２４）を開放するためのカム軸（１）と、を備える内燃機関であって、
    カム軸（１）は、ベース材料からなり、ある長さを有する軸（２）と、
    軸（２）の長さに沿う位置に配置されたカム（４）と、
    カム（４）から延びており、外面を有するローブ（６）と、
    ベース材料に混合され、ベース材料より密度が高い、ローブ（６）の外面上の耐摩耗性材料（１２）とを備えることを特徴とする内燃機関。
19. 耐摩耗性材料（１２）は、タングステンンカーバイド及びフェロタングステン／炭化チタンのうちの一つであることを特徴とする請求項１８に記載の内燃機関。
20. 耐摩耗性材料（１２）は、ベース材料より高い融点温度を有することを特徴とする請求項１８に記載の内燃機関。

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