JP2007138795A - カムキャップ、ならびにそれを用いたカムシャフト支持構造 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関１におけるバルブ５，６開閉用のカムシャフト７，８のジャーナル部７ｂ，８ｂを、シリンダヘッド２に設けられる台座２０とで挟んだ状態で回転自在に支持するよう前記台座２０上に取り付けられるカムキャップ３０において、カムシャフト７，８のジャーナル部７ｂ，８ｂの潤滑性を阻害することなく、カムシャフト７，８の回転に伴う打音の発生を抑制または防止する。
【解決手段】カムキャップ３０は、半円凹状の軸受面３１を有し、この軸受面３１においてバルブ開閉動作に伴うカム反力を受ける領域αを除いた領域βに、油溝３２が設けられている。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関のカムシャフトのジャーナル部を支持する場所に用いるカムキャップ、ならびにそれを用いたカムシャフト支持構造に関する。

一般的に、内燃機関のカムシャフトは、シリンダヘッド上に設けられる台座と、この台座上にボルト止めされて取り付けられるカムキャップとの間に挟まれた状態で回転自在に支持されるようになっている。

上記台座およびカムキャップには、共に半円凹状の軸受面が設けられており、この両軸受面で作られる円形孔に、カムシャフトのジャーナル部がすべり接触状態で支持される。

通常、両軸受面で形成する円形孔とカムシャフトのジャーナル部との間に、適宜のクリアランス、つまりラジアル隙間が設けられることにより、両軸受面とジャーナル部との間のフリクションを低減してカムシャフトの回転円滑性を確保するようにしている。

ところで、上記台座およびカムキャップの両軸受面に、その周方向全長にわたる油溝を設けたものがある（例えば特許文献１参照。）。この場合、油溝内の潤滑油によって前記すべり接触部分の潤滑性を高めることが可能になる。
特許第３２８４８８８号公報

上記従来例では、カムシャフトの回転に伴い吸気バルブや排気バルブが開閉駆動されるが、このバルブの開閉動作に伴いカム反力が周期的に増減することがあって、それが原因で、カムシャフトのジャーナル部がカムキャップに周期的に衝突することにより打音が発生することがある。

なお、カム反力は、バルブを閉じているときはバルブスプリングが最大に伸張しているために最小となるが、バルブを開いたときはバルブスプリングが最大に圧縮するので最大となる。

そもそも、カムキャップの軸受面に油溝を設けていない場合には、カムキャップの軸受面とカムシャフトのジャーナル部との間の適宜のクリアランスに出来る油膜によって、ジャーナル部の衝突を回避できるようになっていたのであるが、カムキャップの軸受面に油溝を設けると、この油溝によって前記油膜が軸方向に途切れることになるために、ジャーナル部の衝突が避けられなくなってしまい、その結果、前述したような打音が発生するものと考えられる。

この他、本願出願人は、例えば特開平９−８８５２０号公報に示すように、カムシャフトのジャーナル部の断面形状を楕円形にすることにより、バルブを開くときに前記クリアランスが小さくなる一方で、バルブを閉じるときに前記クリアランスが大きくなるような構成を提案し、出願している。この場合、打音発生を防止するうえで効果があるものの、カムシャフトのジャーナル部に対し特別な加工を施す必要がある。そこで、本願出願人は、他の対策を提案するに至った。

本発明は、内燃機関におけるバルブ開閉用のカムシャフトのジャーナル部を、シリンダヘッドに設けられる台座とで挟んだ状態で回転自在に支持するよう前記台座上に取り付けられるカムキャップ、ならびにそれを用いたカムシャフト支持構造において、カムシャフトのジャーナル部の潤滑性を阻害することなく、カムシャフトの回転に伴う打音の発生を抑制または防止することを目的としている。

本発明は、内燃機関におけるバルブ開閉用のカムシャフトのジャーナル部を、シリンダヘッドに設けられる台座とで挟んだ状態で回転自在に支持するよう前記台座上に取り付けられるカムキャップであって、半円凹状の軸受面を有し、この軸受面においてバルブ開閉動作に伴うカム反力を受ける領域を除いた領域に油溝が設けられていることを特徴としている。

なお、前記カム反力を受ける領域は、前記軸受面の周方向中間となり、両油溝の設置領域は、前記軸受面の周方向両側辺りとなる。

この構成では、カムシャフトのジャーナル部を台座およびカムキャップの両半円凹状の軸受面で囲むようになり、カムキャップの軸受面に、上記従来例で説明した「カム反力」が作用するが、本発明の上記構成のように、カムキャップの軸受面において前記カム反力を受ける領域に油溝を設けていなければ、油溝を設けていない領域の比較的広い面でジャーナル部を支えるようになり、しかも、油溝を設けていない領域の面とジャーナル部の外周面との間における軸方向略一定のクリアランスに油膜が途切れることなく形成されるようになる。

これにより、カムキャップの軸受面においてジャーナル部を受ける領域での単位面積当たりの耐荷重性が向上することになる。

したがって、カムシャフトのジャーナル部にカム反力が作用したときに、ジャーナル部からカムキャップの軸受面にかかる衝撃が軽減または吸収されることになるので、打音の発生が抑制または防止される結果となる。

好ましくは、前記カム反力を受ける領域は、前記軸受面において前記バルブの軸芯の延長線に交差する位置およびその周辺とされる。

ここでは、カム反力を受ける領域を特定することにより、カムキャップにおいて油溝を設けない領域を明確にしている。

好ましくは、前記油溝は、前記軸受面の周方向両端へ向かうにつれて漸次深くされる。

この構成によれば、従来例のように油溝を軸受面全長に設ける場合と同様に、軸受面内に比較的多量の潤滑油が貯留可能になる。この油溝に貯留される潤滑油が安定的にカムシャフトのジャーナル部に供給されるから、そこの潤滑性が長期にわたって確保される。

また、本発明は、内燃機関におけるバルブ開閉用のカムシャフトのジャーナル部を、シリンダヘッド側に設けられかつ半円凹状の軸受面を有する台座と、この台座上に取り付けられかつ半円凹状の軸受面を有するカムキャップとで挟んだ状態で回転自在に支持したカムシャフト支持構造であって、前記カムキャップが、前述した構成とされていることを特徴としている。

この構成によれば、カムシャフトのジャーナル部での打音の発生を抑制または防止できるカムキャップを用いるから、動弁機構の動作安定化ならびに耐久性向上に貢献できるようになる。

本発明によれば、カムシャフトのジャーナル部の潤滑性を阻害することなく、カムシャフトの回転に伴う打音の発生を抑制または防止することが可能になる。しかも、ジャーナル部に特別な加工を施す必要がなく、製造コストの上昇が回避される。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明の一実施形態を図１から図５に示している。この実施形態では、ツインカム直打式で１気筒当たり４バルブ構造の内燃機関（エンジン）に本発明を適用した例を挙げる。内燃機関の気筒数は特に限定されるものではないが、説明をわかり易くするために、一気筒のみを図示している。

内燃機関１のシリンダヘッド２には、気筒毎の燃焼室２ａに連通する吸気ポート３および排気ポート４が設けられ、吸気ポート３の燃焼室２ａ側開口が吸気バルブ５で、排気ポート４の燃焼室２ａ側開口が排気バルブ６でそれぞれ開閉される。

両バルブ５，６は、シリンダヘッド２に搭載される吸気用カムシャフト７および排気用カムシャフト８で開閉駆動される。

両バルブ５，６は、共に、図２に示すように、鉛直方向に対し若干傾いた姿勢とされ、シリンダヘッド２に軸方向変位可能に支持されるステム部５ａ，６ａの下端に傘部５ｂ，６ｂを一体形成した形状である。

両バルブ５，６のステムエンド側には、バルブリフタ１１，１２が被せられており、このバルブリフタ１１，１２に対しカムシャフト７，８のカム７ａ，８ａが直接当接されるようになっている。

図２に示すように、シリンダヘッド２の凹状部底壁面とバルブリフタ１１，１２との間には、バルブスプリング９，１０が配置されており、このバルブスプリング９，１０の弾力により両バルブ５，６が閉側（図中の上方向）に付勢されている。

なお、バルブスプリング９，１０は、通常、圧縮コイルスプリングとされており、圧縮状態で組み込まれるので、その伸張復元力がカムシャフト７，８のカム７ａ，８ａとバルブ５，６とにかかる。

カムシャフト７，８の回転に伴いバルブ５，６が上方向または下方向に変位されることによって、バルブ５，６の傘部５ｂ，６ｂが、ポート３，４における燃焼室２ａ側開口のバルブシートに当接または離隔されることで、ポート３，４が閉塞または開放される。

ところで、吸気用カムシャフト７の吸気カム７ａは、燃焼室２ａ内において隣り合わせに配置される二つの吸気バルブ５，５に対応する位置に、また、排気用カムシャフト８の排気カム８ａは、燃焼室２ａ内において隣り合わせに配置される二つの排気バルブ６，６に対応する位置に、それぞれ配置されている。

ここで、カムシャフト７，８の支持構造について詳細に説明する。

カムシャフト７，８は、軸方向所定間隔おきにカム７ａ，８ａが設けられており、カム７ａ，８ａの間の領域がジャーナル部７ｂ，８ｂとされ、このジャーナル部７ｂ，８ｂがシリンダヘッド２上に回転自在に支持されるようになっている。

シリンダヘッド２の上部には、立壁のような台座２０が一体に設けられており、この台座２０の上にカムキャップ３０がボルト１５等により取り付けられる。

この台座２０とカムキャップ３０とで各カムシャフト７，８のジャーナル部７ｂ，８ｂが挟まれた状態で回転自在に支持されている。

台座２０の上面およびカムキャップ３０の下面には、共に、半円凹状の軸受面２１，３１が設けられている。

この半円凹状の両軸受面２１，３１を向き合わせることによって、断面円形の貫通孔が形成され、この貫通孔内にカムシャフト７，８のジャーナル部７ｂ，８ｂが挿通されるようになっている。つまり、ジャーナル部７ｂ，８ｂは、両軸受面２１，３１にすべり接触状態で支持される。

この台座２０およびカムキャップ３０の両軸受面２１，３１で形成する貫通孔の内周面と、カムシャフト７，８のジャーナル部７ｂ，８ｂの外周面との間には、適宜のクリアランスが設けられている。このクリアランスは、周方向で略一定の寸法になっており、両軸受面２１，３１の曲率をジャーナル部７ｂ，８ｂの直径寸法に応じて適宜設定することによって調整できる。

この実施形態では、吸気用カムシャフト７および排気用カムシャフト８を支持するための各台座２０は、当該カムシャフト７，８の軸方向において各燃焼室２ａの両側位置にそれぞれ設けられている。

そして、カムキャップ３０の軸受面３１には、油溝３２が設けられている。

この油溝３２は、図３および図４に示すように、軸受面３１の周方向全長に設けられておらず、軸受面３１においてバルブ開閉動作に伴うカム反力を受ける領域αを除いた領域βに設けられている。

このカム反力を受ける領域α、つまり油溝３２を設けない領域は、図５に示すように、軸受面３１において各バルブ５，６の軸芯の延長線Ｘと交差する位置およびその周辺とされるが、具体的には、前記延長線Ｘに対し、カムシャフト７，８の回転軸心Ｏを中心とした適宜の角度±θの範囲とされる。

しかも、油溝３２は、軸受面３１の周方向両端へ向かうにつれて漸次深くされている。これにより、油溝３２において台座２０との結合側が、深くなっている。そのため、この油溝３２における油貯留量は、従来例のように油溝を周方向全長に設ける場合と遜色ない程度に確保することが可能になる。

次に、動作を説明する。

カムシャフト７，８が一方向に回転する過程において、カム７ａ，８ａの円形ベース面がバルブリフタ１１，１２に当接している期間は、バルブ５，６が押し下げられない非リフト期間となり、カム７ａ，８ａのノーズ面がバルブリフタ１１，１２に当接している期間は、バルブ５，６が押し下げられるリフト期間となる。

但し、リフト期間において、バルブリフタ１１，１２に対するカム７ａ，８ａのノーズ面の当接位置によってバルブ５，６のリフト量が異なる。

ここで、バルブ５，６のリフト期間は、カム７ａ，８ａに対し、バルブスプリング９，１０の弾性復元力を主体とするカム反力（ラジアル荷重）が作用するが、この実施形態では、このカム反力を受けることによってカムシャフト７，８のジャーナル部７ａ，８ａが、カムキャップ３０の軸受面３１において油溝３２を設けていない領域αに押圧されることになる。

その際、ジャーナル部７ａ，８ａが、カムキャップ３０の軸受面３１において油溝３２を設けていない領域αの比較的大きな面で支えられるようになり、しかも、油溝３２を設けていない領域αの面とカムシャフト７，８のジャーナル部７ｂ，８ｂの外周面との間における軸方向略一定のクリアランスに油膜が途切れることなく形成されるようになる。

これにより、カムキャップ３０の軸受面３１においてジャーナル部７ｂ，８ｂを受ける領域（α）での単位面積当たりの耐荷重性が向上することになる。

したがって、カムシャフト７，８のジャーナル部７ｂ，８ｂにカム反力が作用したときに、ジャーナル部７ｂ，８ｂからカムキャップ３０の軸受面３１にかかる衝撃が軽減または吸収されることになるので、打音の発生が抑制または防止される結果となる。

また、カムシャフト７，８の回転中、動弁機構に対する油供給経路（一般的に装備されているものなので図示していない）から噴射される潤滑油が、ジャーナル部７ｂ，８ｂと台座２０およびカムキャップ３０の両軸受面２１，３１との間に供給されるとともに油溝３２に貯留されることになる。そのため、この油溝３２内の潤滑油が、ジャーナル部７ｂ，８ｂと台座２０およびカムキャップ３０の両軸受面２１，３１との間に安定的に供給されることになるので、そこの潤滑性を長期にわたって確保できるようになる。

これにより、ジャーナル部７ｂ，８ｂと台座２０およびカムキャップ３０の両軸受面２１，３１との間のフリクションが軽減され、カムシャフト７，８の円滑な回転が確保されるので、動弁機構の動作安定化ならびに耐久性向上に貢献できるようになる。

しかも、この実施形態では、カムシャフト７，８のジャーナル部７ａ，８ａに、「発明が解決しようとする課題」の欄で記載したような特別な加工を施さないので、カムシャフト７，８の製造コストの上昇を回避できる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜の応用例や変形例が考えられる。

（１）上記実施形態では、吸気側カムシャフト７および排気側カムシャフト８の支持部分に、本発明を適用した例を挙げたが、吸気側カムシャフト７および排気側カムシャフト８のうちのいずれか一方の支持部分に本発明を適用してもよい。

（２）上記実施形態では、カムキャップ３０の軸受面３１に油溝３２を設けて、台座２０の軸受面２１に油溝を設けていない例を挙げたが、台座２０の軸受面２１にも油溝（図示省略）を設けた構造とすることができる。

この場合、台座２０の軸受面２１に設ける油溝は、周方向全長に設けてもよいし、あるいはカムキャップ３０の軸受面３１に設ける油溝３２と同様に、この油溝３２と対向する領域を除く領域に油溝を設けるようにしてもよい。

しかも、台座２０の軸受面２１において油溝を設けない領域については、例えば上記実施形態で説明したようにカムキャップ３０の軸受面３１において油溝３２を形成しない領域αの角度範囲±θと同一とすることができる。

（３）上記実施形態では、ツインカム直打式、１気筒当たり４バルブ構造の内燃機関１を例に挙げたが、他の形式の内燃機関にも本発明を適用できる。

まず、１気筒当たりのバルブ使用数は特に限定されない。また、直打式でなくて、ロッカアーム等を用いる間接式の内燃機関にも本発明を適用できる。

（４）本発明に係るカムシャフト支持構造は、例えば特許第３２８４８８８号公報に示されているように、油圧式のバルブタイミング変更手段を設けたタイプの内燃機関にも適用できる。

簡単に説明すると、図６および図７に示すように、油圧式のバルブタイミング変更手段１００は、例えば吸気用カムシャフト７の一端側に装着されて、この吸気用カムシャフト７の回転位相を変更可能とするものであって、プーリ１０１、大径筒１０２、ピストン１０３、油圧制御弁１０４を備える。

プーリ１０１は、吸気用カムシャフト７の一端に取り付けられてタイミングベルト１０５が巻き掛けられる。大径筒１０２は、プーリ１０１に取り付けられている。ピストン１０３は、大径筒１０２と吸気用カムシャフト７との間に配置されて、大径筒１０２内を第１の油圧室１１０と第２の油圧室１２０とに区画する。油圧制御弁１０４は、そのスプール弁１０６の位置変更によってオイルポンプ１３０で吸い上げたオイルパン１３１内の油を、第１の油圧室１１０や第２の油圧室１２０へ適宜に送る。

ピストン１０３の小径部において、外面には外歯ヘリカルスプライン１０３ａが、また、内面には、内歯ヘリカルスプライン１０３ｂがそれぞれ形成されている。大径筒１０２の内面には、ピストン１０３の外歯ヘリカルスプライン１０３ａと噛合する内歯ヘリカルスプライン１０２ａが形成されている。吸気用カムシャフト７の先端には、小径筒１０７が止着されており、この小径筒１０７の外面には、ピストン１０３の内歯ヘリカルスプライン１０３ｂと噛合する外歯ヘリカルスプライン１０７ａが形成されている。

エンジンの回転駆動力は、タイミングベルト１０５を通じてプーリ１０１に伝達され、内歯ヘリカルスプライン１０２ａと外歯ヘリカルスプライン１０３ａとの噛合を介してピストン１０３へ伝達される。ピストン１０３へ伝達された回転駆動力は、内歯ヘリカルスプライン１０３ｂと外歯ヘリカルスプライン１０７ａとの噛合を介して吸気用カムシャフト７に伝達される。

そして、第１の油圧室１１０は、吸気用カムシャフト７の内部に設けられる第１の油通路１１１に連通連結され、また、第２の油圧室１２０は、吸気用カムシャフト７の内部に設けられる第２の油通路１２１が連通連結されている。第１の油通路１１１は、台座２０の油溝２２に、また、第２の油通路１２１は、カムキャップ３０の油溝３２にそれぞれ連通連結されるようになっている。台座２０の油溝２２とカムキャップ３０の油溝３２とはカムシャフト７の軸方向にずらされており、これら台座２０の油溝２２およびカムキャップ３０の油溝３２には、油圧制御弁１０４が連通連結されている。

動作としては、油圧制御弁１０４が台座２０の油溝２２へ油を送る状態では、第１の油圧室１１０の圧力が第２の油圧室１２０の圧力よりも高くなり、この圧力差によりピストン１０３がプーリ１０１側へ移動する。この場合、プーリ１０１に対するカムシャフト７の回転位相が進む。

一方、油圧制御弁１０４がカムキャップ３０の油溝３２へ油を送る状態では、第２の油圧室１２０の圧力が第１の油圧室１１０の圧力よりも高くなり、この圧力差によりピストン１０３がプーリ１０１から離れる方向へ移動する。この場合、プーリ１０１に対する吸気用カムシャフト７の回転位相が遅れる。

なお、油圧制御弁１０４側から第１、第２の油圧室１１０，１２０へ作動油が供給される際、および第１、第２の油圧室１１０，１２０側から油圧制御弁１０４側へ作動油が戻される際に、この作動油が油溝２２，３２に導入されるので、この油溝２２，３２から吸気用カムシャフト７のジャーナル部７ｂと軸受面２１，３１との間のクリアランスへと作動油が供給されることになって、そこが潤滑される。

このように、台座２０の油溝２２やカムキャップ３０の油溝３２、および吸気用カムシャフト７の油通路１１１，１２１について、油圧室１１０，１２０と油圧制御手段１０４とを連通連結する通路として利用するような構造になっている。

このような構成において、カムキャップ３０の油溝３２について、上記実施形態と同様に形成している。要するに、上述したような形態の内燃機関におけるカムシャフト支持部分にも、本発明を適用できるのである。

本発明に係るカムシャフト支持構造の一実施形態を示す平面図である。 図１の（２）−（２）線断面の矢視図である。 図１の（３）−（３）線断面の矢視図である。 図３のカムシャフト支持部分の分解斜視図である。 図１から図４に示すカムキャップにおいて油溝を形成しない領域を説明するための模式図である。 本発明に係るカムシャフト支持構造の他の実施形態で、カムシャフトの一端側を軸方向に沿って径方向に断面にした図である。 図６のカムシャフト支持部分の分解斜視図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ シリンダヘッド
２ａ 燃焼室
３ 吸気ポート
４ 排気ポート
５ 吸気バルブ
６ 排気バルブ
７ 吸気用カムシャフト
７ａ 吸気カム
７ｂ ジャーナル部
８ 排気用カムシャフト
８ａ 排気カム
８ｂ ジャーナル部
２０ 台座
２１ 台座の軸受面
３０ カムキャップ
３１ カムキャップの軸受面
３２ カムキャップの油溝

Claims (4)

1. 内燃機関におけるバルブ開閉用のカムシャフトのジャーナル部を、シリンダヘッドに設けられる台座とで挟んだ状態で回転自在に支持するよう前記台座上に取り付けられるカムキャップであって、
   半円凹状の軸受面を有し、この軸受面においてバルブ開閉動作に伴うカム反力を受ける領域を除いた領域に油溝が設けられていることを特徴とするカムキャップ。
2. 請求項１において、前記カム反力を受ける領域は、前記軸受面において前記バルブの軸芯の延長線に交差する位置およびその周辺とされることを特徴とするカムキャップ。
3. 請求項１または２において、前記油溝は、前記軸受面の周方向両端へ向かうにつれて漸次深くされていることを特徴とするカムキャップ。
4. 内燃機関におけるバルブ開閉用のカムシャフトのジャーナル部を、シリンダヘッド側に設けられかつ半円凹状の軸受面を有する台座と、この台座上に取り付けられかつ半円凹状の軸受面を有するカムキャップとで挟んだ状態で回転自在に支持したカムシャフト支持構造であって、
   前記カムキャップが、請求項１から３のいずれかに記載の構成とされていることを特徴とするカムシャフト支持構造。

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