JP2004528521A5 - - Google Patents

Description

カム軸の製造方法

本発明は、軸が第一の低炭素鋼からなり、カムが高炭素鋼からなる硬化された摺動当接面を有しており、さらに、軸上に少なくとも一つの溶接によりそれぞれ固定された複数のカムを備えた、組立式のカム軸の製造方法に関する。

本発明は、このようなカム軸のための製造方法に関する。

軸上に溶接により固定されたカムを備えた組立式のカム軸は、従来技術においては、既にいくつも記述されている。ＵＳ４９８３７９７ Ａ１号公報およびＤＥ３４３３５９５ Ａ１号公報から、溶接結合の製造のためのレーザーの使用も知られている。上述した公報は、溶接がより大きな問題を引き起こさないことから明らかに出発しており、とにかくそれらはこのような問題にはっきりとは言及していない。

しかしながら、実際には、カムのために使用されるべき材料、一般には高炭素の硬化させることのできる鋼に関する溶接が、完全には容易でなく、耐久性のある内燃機関内での必要条件を満たす結合がすぐには製造されえないことが示されている。したがって、組立式のカム軸における溶接結合は、従来も普及するにはいたりえない。使用において、個々のカムは、形状及び力を利用した接合，熱技術，及び／又は内部高圧法の使用により、軸上に固定されるが、ブロックから鍛造技術により製造されるカム軸等は、常に非常に高価である。

ＤＥ３７４３８１６ Ｃ２号公報から、カム先端に硬質金属挿入物が埋め込まれている組立式のカム軸のためのカムが知られており、それは、残りのカム材料とハンダ付けされ、カム先端の領域におけるより高い面圧に良好に耐えている。軸上へのカムの固定に関しては実施されていない。

本発明の課題は、冒頭に述べた種類の組立式のカム軸の製造方法におけるように、実際に一定荷重を満たす溶接結合がコスト的に有利に達成されえることを提供することにある。

この課題は、カム軸の製造方法に関して、本発明によれば請求項１に特徴づけられた対策により解決される。したがって、本発明による解決法は、少なくとも二つの異なる材料から構成され、少なくとも一つの溶接部にてそれぞれ軸の鋼と良好に溶接することができる第二の低炭素鋼が使用されるカムの使用にある。

上記カムの異なる材料は、ろう付け，板金，形状を利用した接合，力を利用した接合，形状及び力を利用した接合，接着，リベット及び／又は溶接により、しかしながら特に、抵抗圧接及び／又は摩擦溶接により、互いに接合されえる。抵抗圧接及び／又は摩擦溶接の場合には、その際使用される圧力のもとで、特に微小亀裂及び／又は巨大亀裂の形成が回避される。

第一の好適な実施形態によれば、カムが、摺動当接面を含みかつ高炭素鋼からなるコアを有し、さらに、コアが、リング状及び／又は部分的にリング状でありかつ軸と溶接され第二の低炭素鋼からなる少なくとも二つの部材の間に、軸方向に沿って設けられている。

逆に、カムが、軸と溶接され第二の低炭素鋼からなるコアを有し、このコアが、軸方向であって、摺動当接面を含み高炭素鋼からなる二つのリング部材の間に設けられている。

他の実施形態によれば、カムは、少なくとも二つの殻で構成され、摺動当接面を含む高炭素鋼からなる外殻と、少なくとも一つの軸と溶接された第二の低炭素鋼からなる内殻と、を有していてもよい。

最後に、これらの変形例の間の過渡的形態も可能である。

好ましくは、カムの第二の低炭素鋼からなる部分が、全周にて軸と溶接されている。これにより、カムの高い安定性が達成される。

特に経済的には、カムの摺動当接面を構成し又は含む部分は、湾曲した型材から製造され、その際上記型材は、重量および材料節約のために好ましくはカム先端の領域にてそれぞれ軸から離反している。この場合、上記型材の互いに当接する端部は、互いに特に抵抗圧接溶接により溶接される。しかしながら、互いに当接する端部がカムの第二の低炭素鋼からなる部分上でのみ互いに連結されてもよい。その際、互いに当接する端部が周囲方向に互いにオーバーラップして構成されると、特に有利である。

他の実施形態によれば、カムの摺動当接面を構成し又は含む部分が一つの部材で形成され、軸を例えば全周にわたって適宜に包囲するようにしてもよい。

上記カムの軸上への固定のための溶接の実施は、溶接部の少なくとも一つにおいて、第二の低炭素鋼からなり軸に隣接する部分にて、溶接用突起部が備えられ、溶接がこの溶接用突起部を介して実施されることにより、容易になされる。

軸のために使用される第一の低炭素鋼及び／又はカムのために使用される第二の低炭素鋼は、０．５％以下の炭素含有量を有するべきである。これに対して、カムの摺動当接面のために使用される高炭素鋼は、良好にそして十分に硬化させることができるようにするために、０．５％以上、しかしながら特に０．７５％以上の炭素含有量を有する。

製造方法の観点においては、上述した課題は、本発明によれば、製造方法の少なくとも一つによって解決される。

本発明においては、カムの摺動当接面は、接合前に既にそのいわゆる反発硬さ（例えば６４ＨＲ_C++）に硬化され、付加的に必要であれば焼き戻しされる。これにより、有利には、軸変形となるカム軸全体の熱的負荷が回避される。

第二の低炭素鋼からなるカムと軸の低炭素鋼との材料における低い炭素含有率のために、その溶接の際に、溶接継ぎ目の領域又はいわゆる熱影響ゾーンにおける硬化が回避される。これにより、微小亀裂の発生と結び付いた接合スリットの拡大にもならない。本発明によれば、溶接は、これによって互いに溶接すべき部分の周囲温度で実施される。高過ぎる熱応力を回避するための軸の予熱は、必要ではない。また接合されたカム軸の高過ぎる溶接継ぎ目硬度を低減するための追加の加熱も必要ではなく、それにより最終的にカムの先行して硬化された摺動当接面の硬度の変更が回避される。カムの溶接は、上述したように工程的に確実に実施可能である。溶接継ぎ目の品質は、運転中に検査される必要はない。

本発明によれば、カムの軸への固定のための溶接は、レーザーにより行なわれる。

第二の低炭素鋼からなるカムと軸の低炭素鋼との材料の良好な溶接可能性のために、カムの軸への固定のための溶接は、本発明によれば、２ｍ／ｓ以上、しかしながら特に４ｍ／ｓ以上の溶接速度で実施される。これにより、高い製造速度が達成され、レーザー溶接装置が使用される際の高価な設備が最適に利用される。

また、本発明によれば、カム軸の製造の際に、カムが、その軸に溶接される前に、第二の低炭素鋼からなるその軸と溶接すべき部材が軸と固定されることによって、軸上に仮止めされる。

これは、例えば簡単なペンチ圧によって行なわれ、続く溶接を容易にし、その際カムが軸上に正確に固定保持されなくてもよく、カムが仮止めされた軸は、接合溶接するための光線を受けながら回転させられる。

本発明の一般的な利点は、カム材料がカムと軸との間の溶接接合に関係なく、実際に自由に選択可能であるということにある。

本発明は、以下に図面と関連した実施形態にもとづいてより詳細に説明される。

図１のカム１は、摺動当接面２を含み高炭素鋼からなるコア３を有しており、それは軸方向にて低炭素鋼からなる二つのリング部材４の間に設けられている。上記コアは、見られるように、その周囲に、基本的に一様でリング部材４の幅ｂに一致する厚さδを有する。上記コア３により、カム凸部又はカム先端５が構成される。摺動当接面２に沿って、上記コア３が硬化される。対応する表面硬化ゾーンは、符号６により示されている。

それが互いにオーバーラップしているところで、上記コア３および二つのリング部材４は、部品の相互当接のもとで実施された抵抗溶接部７によって互いに連結される。このような連結技術によって、二つの異なる鋼が、気孔なしに、かつ、亀裂なしに、互いに溶接される。

図２は、その貫通開口８を有し低炭素鋼からなる軸９に挿入され、軸９がカム軸１０を形成するように溶接された図１のカム１を示しており、溶接部１１は、それぞれ二つのリング部材４と軸９との間の継ぎ目に沿って３６０度を超えて全周に延びるように、特にレーザー溶接により実施される。軸９と二つのリング部材４は低炭素鋼から構成されているので、それらは、良好に、そして部品の周囲温度においてすら気孔なしにかつ亀裂なしに互いに溶接させることができる。

カム１の貫通開口８の特にリング部材４の内径により決まる直径ｄは、軸９の外径Ｄと一致しているので、上記カム１は、軸９上に実質的に隙間なく載っている。これは、それがカム先端５の領域にて軸９から中空部１２を形成しながら離反しない限りは、カム３に関しても当てはまる。

図３は、図２ａ）の一種の拡大断面にて、二つのリング部材４の特別の実施形態を示しており、これらは、それぞれリング状の溝１３を備えている。そのリング状の溝１３により、一種の溶接用突起部１４が生じ、それにより図３の右側部分にて溶接部１１が実施される。溶接用突起部１４の存在によって、リング部材４と軸９との間の有利な幅広い溶接横断面が生じ、それは非常に安定的でありかつ高負荷に耐えることが可能である。図３の左側部分においては、溶接部１１は、溶接用突起部１４をより良好に見えるようにするために、省略されている。

図１のカム１の上述した実施形態においては、コア３は、その全周に亘って一様な厚さδを有しており、それによってカム先端５の領域にて、コア３と軸９との間の間隙又は中空部１２が生ずる。図４は、ａ）にてこの構成におけるコア３を再び示している。しかしながら、これは、後に詳細に説明されるようなコアが型材から曲げにより製造される場合に、特別に有利である可能性のみである。しかしながら、上記コア３は、図４の例えばｂ）で示すように、カム先端の領域にて同様に良好により大きな厚さを有していてもよく、そこでは、貫通開口８が円筒状であって、要するに中空部１２が回避される。この場合、このことは、中実のコアカムにもいえる。図４ｂ）の実施方法は、図４ａ）のものに対してカム先端５の領域により高い曲げ剛性を有していると推測される。しかしながら、これに対して、図４ａ）の実施形態は、より僅かなカム重量により，より僅かな材料消費量により，回転時のより僅かなアンバランスにより，そしてより簡単な製造可能性により傑出している。図４ｃ）は、図４ａ）および図４ｂ）による実施形態の間の過渡的形態を示している。そこでは、コア３は、それぞれ中空部１２への移行領域に、軸表面に密着してカム先端５に対して一定の補強作用を有する肉厚部１５を備えている。しかしながら、他方で、これらが確かに全周にわたって軸と接触するので、カム先端５の同様の補強が、二つのリング部材４にも作用する。場合によっては、この追加の補強作用は、実際に図４ａ）によるコア３を構成しえるためには、リング部材４により十分である。

カム先端５の剛性をさらに高める処置は、リング部材４を、円環状の代わりに、その形態に関して図４ｂの中実コアの横断面形状に対応して形成し、それを全周に亘って図４ａ）によるコア３と図５のａ）およびｂ）が示すように連結することによってもなしえる。その際、カム先端５も、二つのそのように形成され打ち抜き技術によりそのまま製造可能である部材４を介して軸上に支持され、付加的に横方向の力に対して安定するであろう。

既に述べたように、前述したカム１のコアは、簡単な方法で曲げにより、例えばより長い型材から切り出される一つ又は多数の型材から製造される。図６は、ａ）により単一の型材２０を、ｂ）により上記型材２０の両端の曲げにより生ずるようなカム１のためのコア２１を示している。続いて、両端が互いに連結され、それによってコア２１が閉じられる。このために、特に再び抵抗圧接溶接が適している。その際常に生ずる溶接こぶは、後に除去されなければならない。

図６は、ｃ）により、一様でない厚さの型材２２を示しており、それからその端部の曲げによって、ｄ）により示されたカムコア２３が製造可能であり、図４ｃ）のそれと一致している。

図６は、ｅ）により、二つのそれぞれ半殻２５，２６に曲げられた型材から構成されているカムコア２４を示している。二つの半殻２５，２６の双方の当接位置は、再び互いに溶接される。この実施形態は、型材があまり強く曲げられなくてもよく、それによって材料がより僅かな負荷を受けるという利点を有している。図６は、ｆ）により、二つの半殻２７，２８から、例えば図４ｂ）による中実コア２９も同様に製造可能であるということを示している。

図６のすべての実施形態において、当接位置は、カム周囲に沿って、他の位置にも、特にそれが図６ｅ）および６ｆ）の比較からも生ずるように、それぞれ１８０度又は９０度だけずれて、配置される。

曲げ加工により製造された図６のカムコアの当接位置が、リング部材４が両側に追加されることによって連結され、それによりコアの閉鎖がいずれにせよ行なわれることにより、そしてその限りにおいて、場合によっては、前述したような当接端部の先行する連結が放棄される。しかしながら、この場合、コアの当接端部を周囲方向に僅かに互いにオーバーラップさせることが有利であろう（例えば斜め断面）。逆に、閉じたリング部材４の代わりに、単にリングの一部分を使用して、例えばその当接位置をコアにより連結することも可能であろう。

図７は、ａ）〜ｇ）により、本発明によるカムのさらなる実施形態を示している。

図７ａ）の変形例においては、高炭素鋼からなるコア３０は、その両側に配置されそれと形状を利用した接合によりそして例えば抵抗圧接溶接により連結され、断面がｃ字状の二つの低炭素鋼からなるリング部材３１によって、挟持されている。図７ｂ）の変形例においては、高炭素鋼からなるコア３２の両側に設けられた二つの低炭素鋼からなるリング部材３３の幅ｂは、コア３２の厚さδより小さく選定されているので、これらは半径方向外側に向かって部材３３を超えて突出する。図７ｃ）の変形例においては、幅ｂと厚さδに関する関係が逆になっている。この場合も、コア３４とリング部材３５は、それぞれ軸方向にオーバーラップしている。図７ｄ）の変形例においては、図７ｂ）に対応するリング部材３６が、コア３７の側方の溝内に埋め込まれ、あるいはコア３７が両側で外側に向かってリング部材３６を超えてその端面にまで引き出されている。同様のことが、図７ｅ）による変形例に対して当てはまり、この場合リング部材３８が断面にて三角形状である。図７ｆ）の実施形態においては、低炭素鋼からなる単一のリング部材３９のみがあって、それが完全に低炭素鋼からなるコア４０の下方に設けられている。これにより、カムは、二殻構造に保持される。最後に、図７ｇ）の実施形態においては、低炭素鋼からなるコア４１の両側に、二つの高炭素鋼からなるリング部材４２が設けられている限りにおいて、上記関係が逆である。カム軸の軸との溶接は、この場合、例えばコア４１を介して行なわれなければならない。

すべての前述した実施形態においては、上述した抵抗圧接溶接の他に一方で高炭素鋼からなる部品と他方で低炭素鋼からなる部品とを連結するために、他の連結技術、例えばろう付け，板金，形状を利用した接合，力を利用した接合，形状及び力を利用した接合，接着，リベット及び／又は摩擦溶接による方法も使用される。

本発明にかかるカムの第一実施形態であり、ａ）は端面図であり、ｂ）はＡ−Ａ断面図である。 図１によるカムを備えた本発明によるカム軸であり、ａ）は縦断面図であり、ｂ）はＢ−Ｂ横断面図である。 溶接用突起部を備えた本発明によるカムの特別な実施形態であり、図２ａ）による拡大断面図である。 本発明にかかるカムのためのコアの異なる形態を示す図である。 閉じられた中空カムであり、ａ）は正面図であり、ｂ）はＣ−Ｃ線断面図である。 ａ）〜ｆ）は、本発明にかかるカムのためのコアのさらなる実施形態を示す図である。 ａ）〜ｇ）は、本発明かかるカムのさらなる実施形態の断面図および拡大図である。

符号の説明

１ カム
２ 摺動当接面
３ コア
４ リング部材
５ カム先端
６ 表面硬化ゾーン
７ 抵抗溶接部
８ 貫通開口
９ 軸
１０ カム軸
１１ 溶接部
１２ 中空部
１３ 溝
１４ 溶接用突起部
２０，２２ 型材
２１ コア
２３，２４ カムコア
２５，２６ 半殻
２７，２８ 半殻
２９ 中実コア
３０ コア
３１ リング部材
３２，３４，３７，４０，４１ コア
３３，３５，３６，３８，３９，４２ リング部材

Claims (4)

1. 軸（９）上に少なくとも一つの溶接によりそれぞれ固定された複数のカム（１）を備え、前記軸（９）が０．５％未満の炭素含有量を有する第一の低炭素鋼からなる組立式のカム軸の製造方法において、
   前記カム（１）を、硬化された摺動当接面を含む０．５％以上の炭素を含有する高炭素鋼からなる外殻と、０．５％未満の炭素を含有する第二の低炭素鋼からなる内殻とを有する型材を曲げて形成し、
   前記内殻の部分を、前記軸（９）又は前記軸（９）に連結された第二の低炭素鋼からなるリング部材（４）にレーザー又は溶接によって連結することを特徴としたカム軸の製造方法。
2. 前記カム（１）が、軸方向に関して二つの前記リング部材（４）の間に設けられたことを特徴とする請求項１記載のカム軸の製造方法。
3. 前記カム（１）が、前記リング部材（４）の外周に設けられたことを特徴とする請求項１記載のカム軸の製造方法。
4. 前記リング部材（４）が、前記軸（９）に仮止めされ、その後に、前記軸（９）と連結されることを特徴とする請求項１,２又は３記載のカム軸の製造方法。