JP2008069725A - カムシャフト支持構造 - Google Patents

Abstract

【課題】カムシャフトの支持構造における固体潤滑剤の配置位置について、適正化を図る。
【解決手段】軸方向の一端部で駆動され、軸方向に沿って複数のジャーナル部１４が設けられたカムシャフト２、３の各ジャーナル部１４を、エンジン本体側に設けられた複数の軸受部５０により各々回転可能に支持するカムシャフト支持構造において、軸方向の一端側に位置するジャーナル部１４又はこれに対応する軸受部５０の摺動面に固体潤滑剤を設ける。面圧が大きく潤滑油が不足しがちな部位に固体潤滑剤を配置するので、その配置位置を適正化できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンにおいてカムシャフトを支持するカムシャフト支持構造に関し、特にカムシャフトと軸受部との少なくとも一方に固体潤滑剤を設けたカムシャフト支持構造に関する。

一般に、エンジンにおけるクランクシャフトやカムシャフト等の軸がシリンダブロックやシリンダヘッド等の軸受部に支持されながら回転するとき、軸と軸受部との間の摺動部で磨耗が起きないように、そこに潤滑油や固体潤滑剤が配置されて潤滑状態とされる。

摺動部に関して一方では、振動を抑えるために軸と軸受部との隙間を狭めることへの要求がある。他方、軸と軸受部との隙間を小さくし過ぎると潤滑切れを起こし易くなり、それらの間で磨耗が発生するという問題がある。

軸と軸受部との間における磨耗の発生に対しては、カムシャフトと軸受との間の摺動部で、それらが摺動する部位を固体潤滑剤によって被覆する手法が開示されている。特許文献１では、カムシャフトにおける軸受によって支持される部分が硬質炭素膜によって被覆され、硬質炭素被膜には、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）を用いることが記載されている。これにより、摺動部位での耐磨耗性が向上し、耐久性が向上すると記載されている。

特開２００５−５４６１７号公報

しかしながら、特許文献１には、ダイヤモンドライクカーボンといった硬質炭素被膜をカムシャフトと軸受との間の摺動部に用いると記載されているが、それ以上については記載されていない。つまり、固体潤滑剤をどの位置にどのように設ければ良いのかという点については言及されておらず、この点について課題が依然として残されている。

そこで、本発明はかかる点に鑑みて創案されたものであり、その目的は、カムシャフトの支持構造における固体潤滑剤の配置位置について、適正化を図ることにある。

上記課題を解決するため、第１の発明は、軸方向の一端部で駆動され、軸方向に沿って複数のジャーナル部が設けられたカムシャフトの各ジャーナル部を、エンジン本体側に設けられた複数の軸受部により各々回転可能に支持して、軸方向に複数の支持部を設けたカムシャフト支持構造において、軸方向の一端側に位置する支持部に固体潤滑剤を設け、その軸方向一端側に位置する支持部以外の他の支持部の少なくとも一つには固体潤滑剤を設けないことを特徴とする。

この第１の発明によれば、カムシャフトが軸方向の一端部で駆動されることで軸方向の一端側に位置する支持部に大きな面圧がかかることになるが、この支持部に固体潤滑剤が設けられるので、大きな面圧により潤滑油が押し退けられて油膜の厚さが薄くなり、潤滑油が不足するような状況になったとしても、固体潤滑剤によって潤滑状態が保たれることになる。また、軸方向一端側に位置する支持部以外の他の支持部の少なくとも一つには固体潤滑剤を設けないこととした。よって、必要な部位に固体潤滑剤を配置し、その配置位置について適正化を図ることができる。

なお、一つの支持部は、互いに対となって組み合わされる一つずつのジャーナル部及び軸受部によって構成される。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記カムシャフトが、軸方向の最も一端側に位置された軸受部よりも一端側に突出された部位で駆動され、前記固体潤滑剤が、軸方向の最も一端側に位置する支持部に設けられることを特徴とする。

この第２の発明によれば、カムシャフトが軸方向の最も一端側に位置された軸受部よりも一端側に突出された部位で駆動されるので、軸方向の最も一端側に位置する支持部に最大の面圧がかかることになる。しかしながら、その最も大きな面圧がかかる支持部に固体潤滑剤が設けられるので、その最大面圧となる部位の潤滑状態を好適に保つことができる。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記固体潤滑剤が、軸方向の一端側に位置する支持部のうち、軸方向一端側の部位に設けられることを特徴とする。

この第３の発明によれば、軸方向の一端側に位置する支持部のうち、軸方向一端側の部位に固体潤滑剤が設けられるので、一つの支持部の中で固体潤滑剤が特に必要な部位に対してのみに固体潤滑剤を設けることができ、さらなる適正化を図ることができる。

また、第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、
軸方向の一端側に位置する支持部において、ジャーナル部と軸受部との間の隙間の軸方向両端部に、当該隙間に潤滑油を保持するためのシールリングが設けられることを特徴とする。

この第４の発明によれば、ジャーナル部と軸受部との間の隙間の軸方向両端部をシールリングによって封止するので、カムシャフトが回転駆動される際やエンジンが停止した際に、その隙間から潤滑油が軸方向に流出する流出量を少なくし、潤滑油による潤滑状態を好適に保つことができる。

また、第５の発明は、第１から第４のいずれかの発明において、
前記固体潤滑剤が、前記他の支持部のうち、軸方向の他端側に位置する支持部に設けられることを特徴とする。

この第５の発明によれば、例えばカムシャフトが軸方向の他端部で他の部材を駆動することにより、軸方向他端側の支持部において大きな面圧が発生し、潤滑油が不足することになったとしても、固体潤滑剤により潤滑状態を保つことができる。

また、第６の発明は、第１から第５のいずれかの発明において、
前記固体潤滑剤が、これが設けられる前記支持部のうち、前記ジャーナル部の摺動面に設けられることを特徴とする。

また、第７の発明は、第１から第５のいずれかの発明において、
前記固体潤滑剤が、これが設けられる前記支持部のうち、前記軸受部の摺動面に設けられることを特徴とする。

また、第８の発明は、第１から第５のいずれかの発明において、
前記固体潤滑剤が、これが設けられる前記支持部のうち、前記軸受部の摺動面に設けられ、且つ、その摺動面のうち、最大面圧となる角度位置を中心に所定の角度範囲に亘って設けられることを特徴とする。

この第８の発明によれば、特に固体潤滑剤を設ける角度範囲について適正化を図ることができる。

また、第９の発明は、第８の発明において、
前記所定の角度範囲が略９０°であることを特徴とする。

また、第１０の発明は、第１から第９のいずれかの発明において、
前記固体潤滑剤が設けられない前記他の支持部が、軸方向中間部に位置する支持部であることを特徴とする。

この第１０の発明によれば、軸方向中間部に位置する比較的大きな面圧がかからない支持部に固体潤滑剤が設けられないこととなる。このような支持部では、潤滑油が不足する状況が起こり難いと考えられるので、固体潤滑剤を配置する必要性はそれほど無い。むしろ、そのような支持部の摺動面を鏡面に仕上げ、摩擦抵抗を低減させた上で、潤滑油による流体潤滑を行う方が好ましい。なぜなら固体潤滑剤を設けると、鏡面仕上げと比較して表面粗さがより粗くなり、摩擦抵抗の増大につながってしまうからである。このように、固体潤滑剤がむしろ不要と考えられる場合にはそれを設けないこととすることによって、固体潤滑剤の配置位置について適正化を図ることができる。

また、第１１の発明は、軸方向の一端部で駆動され、軸方向に沿って複数のジャーナル部が設けられたカムシャフトの各ジャーナル部を、エンジン本体側に設けられた複数の軸受部により各々回転可能に支持して、軸方向に複数の支持部を設けたカムシャフト支持構造において、軸方向の他端側に位置する支持部に固体潤滑剤を設け、その軸方向の他端側に位置する支持部以外の他の支持部の少なくとも一つには固体潤滑剤を設けないことを特徴とする。

この第１１の発明によれば、軸方向の他端側に位置する支持部で潤滑油不足が発生しても、固体潤滑剤により潤滑状態を保つことができる。また、軸方向の他端側に位置する支持部以外の他の支持部の少なくとも一つには固体潤滑剤を設けないこととした。よって、必要な部位に固体潤滑剤を配置し、その配置位置について適正化を図ることができる。

また、第１２の発明は、第１１の発明において、
前記固体潤滑剤が、これが設けられる前記支持部のうち、前記ジャーナル部の摺動面に設けられることを特徴とする。

また、第１３の発明は、第１１の発明において、
前記固体潤滑剤が、これが設けられる前記支持部のうち、前記軸受部の摺動面に設けられることを特徴とする。

また、第１４の発明は、第１から第１３のいずれかの発明において、
前記固体潤滑剤がダイヤモンドライクカーボンからなることを特徴とする。

本発明によれば、潤滑切れを起こし易い部位に固体潤滑剤を設けるので、カムシャフトの支持構造における固体潤滑剤の配置位置について、適正化を図ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。

図１から図７を用いて、本発明の第一実施形態を説明する。本実施形態において、エンジンは車両用であり、特にＤＯＨＣタイプの直列４気筒自動車用エンジンとして構成されている。

図１は、第一実施形態に係るエンジンのカムシャフト駆動機構を示し、このカムシャフト駆動機構は、クランクシャフト１と、動弁機構の一部である吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３とを備える。カムシャフト駆動機構においては、タイミングチェーン４によって、クランクシャフト１、吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３が連結されている。

駆動側回転軸であるクランクシャフト１の一端部には、駆動部材としてのクランクスプロケット５が取り付けられている。吸気カムシャフト２の一端部には、被駆動部材としての吸気カムスプロケット６が設けられている。吸気カムシャフト３の一端部には、回転位相差可変アクチュエータ（可変バルブタイミング機構）７が取り付けられており、吸気カムスプロケット６は回転位相差可変アクチュエータ７に取り付けられている。また、排気カムシャフト３の一端部には被駆動部材としての排気カムスプロケット８が取り付けられている。タイミングチェーン４は、クランクスプロケット５、吸気カムスプロケット６及び排気カムスプロケット８に巻き掛けられている。

吸気カムシャフト２には、吸気バルブ９を駆動するための吸気カム１０が設けられ、排気カムシャフト３には、排気バルブ１１を駆動するための排気カム１２が設けられている。吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３は、一つの気筒に対してそれぞれ二つの吸気カム１０及び排気カム１２を有しており、それぞれ計八つずつの吸気カム１０及び排気カム１２を有している。そして、吸気カムシャフト２が回転すると吸気カム１０により吸気バルブ９が開閉駆動され、また、排気カムシャフト３が回転すると排気カム１２により排気バルブ１１が開閉駆動されるようになっている。

タイミングチェーン４は、テンショナ１３によって適度なテンションが与えられるとともに、その走行軌道上に設けられたチェーンガイド１９によって、タイミングチェーン４の走行軌道が規制され、クランクスプロケット５、吸気カムスプロケット６、排気カムスプロケット８からのタイミングチェーン４の外れが防止されている。

吸気カムシャフト２の平面図を図２に示す。各気筒の二つの吸気カム１０の間には、吸気カムシャフト２が支持される部分であるジャーナル部１４が形成されている。これらジャーナル部１４を、軸方向の一端側（図中左側）から他端側（図中右側）に向かって順に第一のジャーナル部１４ａ、第二のジャーナル部１４ｂ、第三のジャーナル部１４ｃ、第四のジャーナル部１４ｄ、第五のジャーナル部１４ｅとする。そして、図１４に示すように、これらのジャーナル部１４に対応する軸受部５０を軸方向の一端側（図中左側）から他端側（図中右側）に向かって順に第一の軸受部５０ａ、第二の軸受部５０ｂ、第三の軸受部５０ｃ、第四の軸受部５０ｄ、第五の軸受部５０ｅとする。なお、一組のジャーナル部１４及び軸受部５０で支持部４０が構成され、本実施形態では軸方向の一端側（図中左側）から他端側（図中右側）に向かって順に第一の支持部４０ａ、第二の支持部４０ｂ、第三の支持部４０ｃ、第四の支持部４０ｄ、第五の支持部４０ｅが設けられる。このように、吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３は複数のジャーナル部１４を有しており、これらの各ジャーナル部１４はエンジン本体側に設けられた複数の軸受部５０により各々回転可能に支持され、複数の支持部４０が設けられている。

本実施形態では、吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３のための軸受部５０は、同一気筒内で隣接する二つの吸気カム１０の間及び同一気筒内で隣接する二つの排気カム１２の間に配置されている。そして、同一気筒内で隣接する吸気カム１０の間及び同気筒内で隣接する排気カム１２の間で、吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３を支持している。

軸受部５０は、エンジン本体の一部であるシリンダヘッド１６の上面部に突出して設けられた下部軸受部２３と、上部軸受部としてのカムキャップ１７とからなる。吸気カムシャフト２がエンジンに実装される際には、吸気カムシャフト２のジャーナル部１４が下部軸受部２３とカムキャップ１７により上下から挟まれ、カムキャップ１７が下部軸受部２３にボルト１８によって固定されることで、軸受部５０に対して相対回転可能に支持されている。吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３は、軸方向の一端部で駆動される。そして、特に本実施形態では、吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３は、軸方向の最も一端側に位置された第一の軸受部５０ａよりも一端側に突出された部位で駆動される。この突出された部位には、吸気カムスプロケット６及び排気カムスプロケット８が配置されており、これらがチェーン４によって駆動される。

第一の支持部４０ａの断面図を図３に示す。吸気カムシャフト２の中心部には、潤滑油の油路１５がほぼ全長に沿って形成されている。第一のジャーナル部１４ａにおいては、油路１５から吸気カムシャフト２の半径方向に二本の分岐油路２４が延びている。シリンダヘッド１６には潤滑用油路３８が形成されており、潤滑用油路３８は、第一のジャーナル部１４ａと第一の軸受部５０ａとの間の隙間に連通している。潤滑油は、潤滑用油路３８から第一のジャーナル部１４ａと第一の軸受部５０ａと間の隙間及び分岐油路２４を介して油路１５内に供給されている。

図３のIV-IV線に沿う断面図を図４に示す。図示されるように、オイルパン２５に貯留された潤滑油が、オイルポンプ２６によって汲み上げられ、オイルフィルタ２７を介して排出される。排出された潤滑油はオイルスイッチングバルブ（ＯＳＶ）２８によって回転位相差可変アクチュエータ７側と、吸気カムシャフト２内の油路１５側と、に所定量ずつ振り分けられて供給される。

回転位相差可変アクチュエータ７は、吸気カムシャフト２に取り付けられた要素と、吸気カムスプロケット６に取り付けられた要素と、を備えており、油圧通路３９からの油圧の給排に応じて両要素を相対回転させ、吸気カムスプロケット６に対する吸気カムシャフト２の相対位相を変換する。

より詳しくは、オイルフィルタ２７から排出された潤滑油が潤滑用油路３８を通って油路１５に供給され、他方、オイルスイッチングバルブ２８から排出された潤滑油が潤滑用油路３８と並列に設けられた油圧通路３９を通じて、吸気カムシャフト２内の回転位相差可変アクチュエータ側通路４１に供給され、この回転位相差可変アクチュエータ側通路４１から回転位相差可変アクチュエータ７に供給される。

第一の支持部４０ａ以外の支持部４０における断面図を図５に示す。吸気カムシャフト２の中心部に形成された油路１５は、第一のジャーナル部１４ａから第五のジャーナル部１４ｅまで軸方向に延びている。第一のジャーナル部１４ａ以外のジャーナル部１４では、油路１５から一本の分岐油路２４が延びている。分岐油路２４はそれぞれのジャーナル部１４の表面即ち摺動面に開放されている。これにより、それぞれのジャーナル部１４と軸受部５０との摺動面の間の隙間に油路１５から潤滑油が供給されるようになっている。

本実施形態においては、軸方向の一端側に位置する支持部４０に固体潤滑剤が設けられる。特に、最も一端側に位置する第一のジャーナル部１４ａの表面即ち摺動面の全体が、固体潤滑剤によって被覆されている（図２のドット部分参照）。本実施形態では、固体潤滑剤はダイヤモンドライクカーボン２０からなっている。ダイヤモンドライクカーボン２０は、ＣＶＤ（化学蒸着）あるいはＰＶＤ（物理蒸着）によって成膜される。ダイヤモンドライクカーボン２０は硬質な炭素薄膜材料であり、低摩擦係数、高耐摩耗性といった特性を有する。本実施形態では、第一の支持部以外の支持部に固体潤滑剤は設けられていない。

排気カムシャフト３の支持構造は、吸気カムシャフト２の支持構造と同様の構成であるので説明を省略する。

このように構成されたエンジンが運転される際、不図示のシリンダの内部で不図示のピストンが往復運動を行う。この往復運動は、クランクシャフト１の回転運動に変換され、これにより、クランクシャフト１が回転駆動力を得る。クランクシャフト１が回転を行うと、クランクスプロケット５が回転し、この回転駆動力がタイミングチェーン４によって吸気カムスプロケット６および排気カムスプロケット８に伝達される。このようにして、駆動側回転軸としてのクランクシャフト１の回転が、タイミングチェーン４を介して、従動側回転軸としての吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３に伝達される。こうして、これら吸気カムシャフト２および排気カムシャフト３がクランクシャフト１の回転に同期して回転する。そして、エンジンの運転条件に応じて回転位相差可変アクチュエータ７を作動させ、吸気バルブ９の開閉のタイミングを制御している。

ここで、吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３におけるジャーナル部１４から軸受部５０へかかる力の大きさは、支持部４０の位置によって異なる。本実施形態の吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３の支持では、軸方向両端に位置する第一の支持部４０ａ及び第五の支持部４０ｅにおける面圧が、軸方向中央部に位置する他のジャーナル部である第二の支持部１４ｂ、第三の支持部１４ｃ、第四の支持部１４ｄに比べて大きい。また、吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３が第一の軸受部５０ａよりもさらに一端側に突出した部位でタイミングチェーン４によって駆動されるので、最も一端側に位置する第一の支持部４０ａにおける面圧の大きさが、複数ある支持部４０の中で最も大きい。支持部４０の面圧が大きい程、ジャーナル部１４とそれに対応する軸受部５０との隙間にある潤滑油がこれらの間から流出し、潤滑切れを起こし易くなる。

また、本実施形態のように吸気カムシャフト２に回転位相差可変アクチュエータ７が設けられている場合、回転位相差可変アクチュエータ７が作動している間に、潤滑油が回転位相差可変アクチュエータ７側に供給されることがある。このときは、潤滑油が全て支持部４０の潤滑に用いられるわけではない。これにより、支持部において、回転位相差可変アクチュエータ７が作動していないときよりも潤滑油が少ない状態となる。

このように、第一の支持部４０では元々面圧が高く、潤滑切れを起こし易い。また、回転位相差可変アクチュエータ７の作動時にはさらにこの傾向が強くなる。しかしながら、本実施形態においては、第一のジャーナル部１４ａに、ダイヤモンドライクカーボン２０である固体潤滑剤が配置されているので、第一のジャーナル部１４ａと第一の軸受部５０ａとの摺動面の間における潤滑油の油膜厚さが薄くなり、これらの摺動面が直接接触したとしても、ダイヤモンドライクカーボン２０による固体潤滑により潤滑状態が好適に保たれることになる。こうして、面圧が大きく潤滑状態が厳しい部位にダイヤモンドライクカーボン２０を配置するので、その配置位置について適正化を図ることができる。また、第一の支持部４０ａ以外にはダイヤモンドライクカーボン２０を配置しない構成としたので、ダイヤモンドライクカーボン２０は最も必要な部位にしか用いられず、従って、全ての支持部４０に用いられるよりも少ないダイヤモンドライクカーボン２０の消費量で済む。このように、ダイヤモンドライクカーボン２０の効率的な使用を図ることができる。

そして、第一の支持部４０ａでの摩擦抵抗が減少し、エンジンの燃費が向上する。また、第一の支持部４０ａで磨耗が減少し、エンジンの信頼性が向上する。また、第一の支持部４０ａで潤滑状態が良好に保たれることにより、これらの間で発生する騒音が低減される。

また、潤滑油がまだ行き渡っていないようなエンジンの始動時といった状況においても、第一の支持部４０ａで固体潤滑剤による潤滑状態が保たれているので、これらの部品での磨耗の発生が抑えられる。また、摩擦抵抗が減少することにより始動時における燃費が向上し、燃料の消費が少なくなることから、始動時に問題とされる炭化水素（ＨＣ）の排出量が抑えられる。従って、始動性能や始動時のエミッションに優れたエンジンとすることができる。

また、始動時における摩擦抵抗が少なく抑えられることから、エンジンを始動させるのに必要とされるトルクが少なくて済む。これにより、始動のためのスタータやバッテリーといった補機を小型化させることができる。また、エンジンがハイブリッドエンジンである場合には、始動時に必要とされるモーターのパワーが少なくて済み、モーターを小型化させることができる。従って、エンジンにおける補機の容量や重量を抑制することができる。

さらに、ダイヤモンドライクカーボン２０による固体潤滑剤が配置されるので、潤滑油の供給量を少なくすることができる可能性もある。これにより、オイルポンプ２６の必要とされる吐出量が低減されることから、オイルポンプ２６を小型化、軽量化することができる。従って、エンジンにおける補機の容量や重量を抑制することができる。

また、吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３が高回転領域となると、吸気バルブ９及び排気バルブ１１がバルブシートで跳ねたり吸気カム１０及び排気カム１２との衝突でカムから離間したりすることで、吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３の回転が安定せず、ジャーナル部１４にかかる面圧が瞬間的に大きくなり、これにより潤滑油の量が摺動面で不足することも考えられる。このような場合にも、第一の支持部４０ａで潤滑状態が保たれるので、各部品の磨耗の発生が抑えられ、摩擦抵抗が減少することにより燃費も向上する。従って、高回転領域においても有利なエンジンとすることができる。

また、高回転領域での摩擦抵抗が減少することから、吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３における駆動力が摩擦による抵抗として失われることなく、吸気カム１０及び排気カム１２により吸気バルブ９及び排気バルブ１１を押す力に使うことができる。吸気バルブ９及び排気バルブ１１を押す力が向上し、これにより、バルブスプリングをさらに強いものにすることができるので、エンジンの高出力化が期待でき、併せてエンジンの高回転化も期待できる。

また、固体潤滑剤としてダイヤモンドライクカーボン２０を使用した場合、長期間に亘って使用したとしても固体潤滑剤の劣化が少なく、部品が長寿命となる。

本実施形態における吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３と従来のそれらとを比較したグラフを図６及び図７に示す。図６には、横軸にエンジンの回転数（ｒｐｍ）を取り、縦軸に吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３の回転の抵抗となるフリクショントルク（Ｎｍ）を取ったグラフが示されている。実線で示されているものがダイヤモンドライクカーボン２０の配置されていない従来のカムシャフトであり、破線で示されているものが第一のジャーナル部１４ａにダイヤモンドライクカーボン２０の配置されたカムシャフトである。このように、エンジンの低回転領域で従来のカムシャフトよりもフリクショントルクを低く抑えることができると共に、高回転領域においてもフリクショントルクを低く抑えることができる。

図７には、横軸に潤滑油の油温（℃）を取り、縦軸にフリクショントルク（Ｎｍ）を取ったグラフが示されている。実線で示されているものがダイヤモンドライクカーボン２０の被覆されていない従来のカムシャフトであり、破線で示されているものが第一のジャーナル部１４ａにダイヤモンドライクカーボン２０が配置されたカムシャフトである。一般的に、油温が高くなると油膜の厚さが薄くなり、カムシャフトと軸受部との間の潤滑油による良好な潤滑状態が保てなくなる。そのため、油温の高い領域ではフリクショントルクが高くなっている。しかし、本実施形態においては第一のジャーナル部１４ａの表面にダイヤモンドライクカーボン２０が配置されているので、油膜の厚さが薄くなっても固体潤滑による潤滑状態が保たれる。従って、図７のように、油温の高い領域で従来のカムシャフトよりもフリクショントルクを低く抑えることができる。

なお、本実施形態においては、第一のジャーナル部１４ａの表面にダイヤモンドライクカーボン２０を配置することとしたが、これに代えて、第一の軸受部５０ａの摺動面にダイヤモンドライクカーボン２０を設けることとしても良い。また、必要に応じて、第二のジャーナル部１４ｂ又は第二の軸受部５０ｂにも追加して設けても良い。また、軸方向一端側のジャーナル部１４と、軸受部５０の摺動面との両方にダイヤモンドライクカーボン２０を被覆させても良い。

次に、本発明の第二実施形態を図８を参照しつつ説明する。前記第一実施形態と同様の構成については図中同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

第一実施形態では、固体潤滑剤であるダイヤモンドライクカーボン２０を第一の支持部４０ａに設けた。これに対し、この第二実施形態においては、第一の支持部４０ａに加え、最も他端側に位置する第五の支持部４０ｅにもダイヤモンドライクカーボン２０を設けている。具体的には、第五の支持部４０ｅにおける第五のジャーナル部１４ｅの摺動面全体にダイヤモンドライクカーボン２０を設けている（図８のドット部分参照）。排気カムシャフト３についても同様の構成がなされる。

吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３が駆動された際、第五の支持部４０ｅにおける面圧は、第一の支持部４０ａほどではないにせよ、中間部の第二〜第四の支持部４０ｂ〜４０ｄに比べて大きい。特に、図示しないが、吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３の他端部で、エアコンコンプレッサやオルタネータ等の補機を駆動する場合があり、この場合には他端側に位置する支持部にも大きな面圧が加わることになる。この場合の構造としては例えば、一端側と対称的に、吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３が第五の軸受部５０ｅよりも他端側に突出され、その突出された部位に駆動スプロケットが取り付けられ、この駆動スプロケットでチェーンを介し補機のスプロケットを駆動する構造がある。

このように第五の支持部４０ｅにおいても面圧が高くなるので、潤滑切れが生じる虞がある。また、第五のジャーナル部１４ｅが油路１５の末端部に位置しているため、潤滑油がここに到達するまでに既に消費され、第五のジャーナル部１４ｅでの潤滑油の供給量が不足することが考えられる。また、ここに潤滑油が到達するまでに時間がかかってしまうため、始動時には潤滑油の少ない状態で運転されることが考えられる。かような理由から、第五のジャーナル部１４ｅにもダイヤモンドライクカーボン２０を配置したものである。そして、第一実施形態同様、第二〜第四の支持部４０ｂ〜４０ｄには、ダイヤモンドライクカーボンを配置しないものとした。このように、中間部の第二〜第四の支持部４０ｂ〜４０ｄに比べて潤滑不良が懸念される第五の支持部４０ｅにもダイヤモンドライクカーボン２０を配置したので、固体潤滑剤の配置位置について適正化を図ることができる。

なお、第五のジャーナル部１４ｅの代わりに、或いはそれに加え、第五の軸受部５０ｅの摺動面に固体潤滑剤を設けてもよい。また、必要に応じて、第四のジャーナル部１４ｄ又は第四の軸受部５０ｄの摺動面に固体潤滑剤を設けてもよい。

ここで、第一の支持部４０ａの方が第五の支持部４０ｅよりも摺動面にかかる面圧が大きいことから、ダイヤモンドライクカーボン２０の厚さに差を持たせても良い。好ましくは、第一の支持部４０ａにおけるダイヤモンドライクカーボン２０の厚さを厚くし、第五の支持部４０ｅにおけるダイヤモンドライクカーボン２０の厚さを薄くする。この場合、例えば第一の支持部４０ａでは膜厚を５〜１０μｍとし、第五の支持部４０ｅでは膜厚を１〜２μｍとすることができる。

なお、中間部の第二〜第四の支持部４０ｂ〜４０ｄについては、前述したように面圧が比較的高くなく、潤滑油が不足する状況が起こり難いと考えられるので、固体潤滑剤を配置する必要性はそれほど無い。むしろ、中間のジャーナル部１４ｂ〜１４ｄや軸受部５０ｂ〜５０ｄの摺動面を鏡面に仕上げ、摩擦抵抗を低減させた上で、潤滑油による流体潤滑を行う方が都合が良い。鏡面仕上げと比較すると、固体潤滑剤の表面粗さはより粗くなり、摩擦抵抗の増大につながってしまうからである。

しかしながら、とりわけ第一の支持部４０ａ、任意的に第五の支持部４０ｅにおいて、摺動面を鏡面仕上げのみとすることは好ましくない。これらの部位では面圧が比較的高く、潤滑油量も比較的少なくなりがちなので、摺動面を鏡面仕上げのみとした場合はスカッフ等の傷がつき易くなる。仮に、鏡面に仕上げた摺動面にスカッフ等の傷が付くと、固体潤滑剤を設けてその摺動面の摩擦係数が高くなった場合よりも、さらに摺動面の摩擦係数が高くなる。このことから、第一の支持部４０ａ及び第五の支持部４０ｅでは固体潤滑剤を設ける方がむしろ好ましい。

次に、本発明の第三実施形態を図９を参照しつつ説明する。前記第一実施形態及び第二実施形態と同様の構成については図中同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

この第三実施形態では、固体潤滑剤としてのダイヤモンドライクカーボン２０が、軸方向の一端側に位置する支持部４０の摺動面のうち、軸方向一端側の部位に部分的に設けられる。好ましくは、図示されるように、最も一端側に位置する第一の軸受部５０ａの摺動面のうち、軸方向一端側（図中左側）の部位にダイヤモンドライクカーボン２０を配置するものである（図９のドット部分参照）。さらに好ましくはダイヤモンドライクカーボン２０は、第一の軸受部５０ａの摺動面のうち、軸方向の最も一端側の位置から他端側に向かって所定距離までの領域、最大で中間位置までの領域に配置する。第一の軸受部５０ａにおける軸方向他端側には、ダイヤモンドライクカーボンは配置しない。

吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３が第一の軸受部５０ａよりも一端側に突出された部位で駆動されるので、第一の支持部４０ａでの摺動面にかかる圧力の分布は、一端側に向かう程高くなる。従って、本実施形態のように第一の軸受部５０ａの摺動面のうち、軸方向一端側の部位のみにダイヤモンドライクカーボンを配置することで、ダイヤモンドライクカーボンの効率的な使用を図り、その配置位置を適正化することができる可能性がある。

なお、第一の軸受部５０ａに代わって或いはそれに加え、第一のジャーナル部１４ａにも同様の方法で固体潤滑剤を配置することとしても良い。

次に、本発明の第四実施形態を図１０から図１２を参照しつつ説明する。前記第一実施形態から第三実施形態までと同様の構成については図中同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

図１１に示すように、この第四実施形態では、固体潤滑剤としてのダイヤモンドライクカーボン２０が軸方向の一端側に位置する軸受部５０の摺動面に設けられ、且つ、その摺動面のうち、最大面圧となる角度位置を中心に所定の角度範囲に亘って部分的に設けられている。より具体的には、ダイヤモンドライクカーボン２０が、最も一端側に位置する第一の軸受部５０ａの摺動面に設けられ、且つ、その摺動面のうち、最大面圧となる角度位置θｍａｘを中心に所定の角度範囲Δθに亘って設けられている。所定の角度範囲Δθは好ましくは略９０°である。

図１０も参照して、タイミングチェーン４によって吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３を駆動させるための力がそれぞれのスプロケット６，８にかかった際に、ジャーナル部１４が軸受部５０に押しつけられることにより生じる面圧が最も大きな角度位置を中心に所定の角度範囲に亘ってダイヤモンドライクカーボン２０が配置される。図１０はエンジンを軸方向一端側から見たときの側面視である。この側面視において、タイミングチェーン４は略逆三角形をなすように巻掛けられている。そして、このタイミングチェーン４の輪の内側に向かう力Ｆ１，Ｆ２が、上部右側に位置される吸気カムスプロケット６と、上部左側に位置される排気カムスプロケット８とに付加される。より具体的には、吸気カムシャフト２に対し、その中心から左斜め下に向かう方向の力Ｆ１が付加され、排気カムシャフト３に対し、その中心から右斜め下に向かう方向の力Ｆ２が付加される。この力Ｆ１，Ｆ２のベクトル線上で最大面圧が生じることとなる。

図１１に示すように、吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３の中心から鉛直上方に延びる線上の位置を基準の角度位置（θ＝０°）として時計回りに正の座標を仮想する。この場合、右側の吸気カムシャフト２に関して、本実施形態の最大面圧角度位置θｍａｘは２２５°であり、この２２５°の角度位置を中心に±４５°の範囲にダイヤモンドライクカーボン２０が設けられる。つまりダイヤモンドライクカーボン２０は、θ１＝１８０°からθ２＝２７０°までの角度範囲Δθに設けられる。他方、左側の排気カムシャフト３に関して、本実施形態の最大面圧角度位置θｍａｘは１３５°であり、この１３５°の角度位置を中心に±４５°の範囲にダイヤモンドライクカーボン２０が設けられる。つまりダイヤモンドライクカーボン２０は、θ３＝９０°からθ４＝１８０°までの角度範囲Δθに設けられる。

このように、最大面圧角度位置θｍａｘを中心に所定の角度範囲Δθに亘ってダイヤモンドライクカーボンを部分的に配置することで、ダイヤモンドライクカーボンを必要な部位にのみ効率的に使用することができ、ダイヤモンドライクカーボンの配置位置を適正化することができる。

なお、最大面圧角度位置θｍａｘや角度範囲Δθの値は実機試験等を通じて適宜最適化することができ、必ずしも上述の値に限られない。例えばＳＯＨＣタイプのエンジンで鉛直下向きの力が加わる場合には、最大面圧角度位置θｍａｘ＝１８０°などとすることもできる。また、このようにダイヤモンドライクカーボンを所定角度範囲に亘って部分的に配置する構成は、第五の支持部４０ｅに適用することもできるし、図１２に示すように第一の軸受部５０ａの軸方向一端側のみに部分的に設けることもできるし、軸受部の全長に設けることもできる。

次に、本発明の第五実施形態を図１３を参照しつつ説明する。前記第一実施形態から第四実施形態までと同様の構成については図中同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

この第五実施形態では、吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３における第一のジャーナル部１４ａの摺動面全体にダイヤモンドライクカーボン２０が配置され、そのうえで、第一のジャーナル部１４ａ及び軸受部５０ａの摺動面の軸方向両端部に、ジャーナル部１４ａ及び軸受部５０ａの隙間に潤滑油を保持するためのシールリング３４が設けられている。シールリング３４は好ましくはゴム製Ｏリングからなる。

第一のジャーナル部１４ａの軸方向両端部には、シールリング３４が軸方向に対して固定されるように、シールリング３４を嵌合させるための第一のリング溝３５が形成され、これら第一のリング溝３５に対向した位置における第一の軸受部５０ａにも第二のリング溝３６が形成されている。従って、シールリング３４はこれら第一及び第二のリング溝３５，３６に嵌め入れられつつ軸方向に位置決めされることとなる。

本実施形態によれば、潤滑油が、第一のジャーナル部１４ａと、第一の軸受部５０ａと、二つのシールリング３４とによって囲まれた領域に封鎖される。よって、カムシャフト駆動時に大きな面圧が加わって第一のジャーナル部１４ａの下方の隙間が狭まったとしても、潤滑油の軸方向への流出を抑制すると同時に潤滑油を上方に回り込ませることができ、潤滑油による流体潤滑状態を好適に保つことができ、磨耗を抑制することができる。

ところで、一般的にエンジンの停止時においては、オイルポンプ２６が作動しておらず、仮にテンショナ１３が油圧式であればテンショナ１３が作動しないのでタイミングチェーン４に対して張力がかけられない。従って吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３にはタイミングチェーン４からの下向きの力が掛からない。吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３は自重で下降するのみである。ここで前記シールリング３４が無いと仮定すると、吸気カムシャフト２（又は排気カムシャフト３）のジャーナル部１４ａが下降して軸受部５０ａに対し下方に偏心し、ジャーナル部１４ａの下方の隙間の潤滑油を軸方向に押し退けて隙間を狭くする。この状態でエンジンが始動されれば当然に潤滑油量が少ない状態での始動となる。しかしながら、前記シールリング３４が有る本実施形態によれば、ジャーナル部１４ａが下がって軸受部５０ａに対し偏心したとしても、潤滑油の軸方向への流出はなく、ジャーナル部１４ａの下方の狭められた隙間の潤滑油は上方の拡大された隙間に回り込むだけで、隙間全体での潤滑油の総量はほぼ同一に保持できる。よって結果的にエンジン始動時の潤滑状態は良好となり、多量の潤滑油が有る状態でエンジンを始動することが可能になる。

なお、第一のジャーナル部１４ａに代えて或いはこれに加えて、第一の軸受部５０ａの摺動面に固体潤滑剤を設けてもよい。また、第五の支持部４０ｅに同様の構成を施しても良い。リング溝は、ジャーナル部及び軸受部のいずれか一方にのみ設けることも可能である。

次に、本発明の第六実施形態を図１４を参照しつつ説明する。前記第一実施形態から第五実施形態までと同様の構成については図中同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

この第六実施形態では、固体潤滑剤としてのダイヤモンドライクカーボン２０が、軸方向の他端側に位置するジャーナル部１４又はこれに対応する軸受部５０の摺動面に設けられる。具体的には、図示されるように、軸方向の最も他端側に位置する第五の軸受部５０ｅの摺動面にダイヤモンドライクカーボン２０が設けられ、特に本実施形態ではその摺動面のうち、軸方向他端側の部位にダイヤモンドライクカーボン２０が部分的に設けられる（ドット部分参照）。本実施形態では、第五の支持部４０ｅ以外の支持部４０にダイヤモンドライクカーボン２０は設けられていない。

前述したように、各支持部４０の面圧は第一の支持部４０ａで最も高くなり、次いで第五の支持部４０ｅで高くなる。ここで、潤滑不良、摩耗及び摩擦抵抗の問題は、面圧のみならず、摺動面面積、カムシャフトの曲げモード、駆動方式、油路構造、油圧の大きさといった様々な要因が絡み合って生じる。従って、場合によっては、第一の支持部４０ａよりも第五の支持部４０ｅの方で潤滑不良等の問題がより顕著となる可能性がある。そこで本実施形態においては、第五の支持部４０ｅにのみダイヤモンドライクカーボンが配置されている。こうすることで、必要な部位にのみダイヤモンドライクカーボン２０を設け、その配置位置の適正化を図ることができる。

なお、本実施形態では第五の軸受部５０ｅの摺動面のうち他端側のみにダイヤモンドライクカーボン２０を配置することとしたが、第五の軸受部５０ｅの摺動面全体にダイヤモンドライクカーボン２０を配置することとしても良い。

また、本実施形態では第五の軸受部５０ｅにダイヤモンドライクカーボンを配置しているが、これに代えて或いはこれに加えて、第五のジャーナル部１４ｅにダイヤモンドライクカーボンを配置することとしても良い。

本発明の実施形態は他にも様々なものが可能である。例えば上記第一実施形態から第六実施形態においては固体潤滑剤としてダイヤモンドライクカーボンが用いられたが、これに限定されない。例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）あるいは二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）等を用いても良い。

また、上記実施形態では、吸気カムシャフト及び排気カムシャフトを支持する軸受部は、同一気筒内の二つの吸気カムの間、及び排気カムの間に配置されることとしたが、気筒間に軸受部を配置することとしても良い。

また、上記実施形態では、吸気カムシャフト側と排気カムシャフト側との両方の支持構造に固体潤滑剤を設けたが、いずれか一方のみに固体潤滑剤を設けてもよい。

また、上記実施形態ではエンジンは直列４気筒のＤＯＨＣタイプのものを用いたがこれに限定されない。エンジンの形式は、カムシャフトが用いられる形式であれば何であっても良い。例えば、ＳＯＨＣタイプ等のものでも良いし、また、Ｖ型エンジンであっても良い。

また、上記実施形態ではスプロケット・チェーン方式のカムシャフト駆動機構を用いたが、これに限らず、プーリ・ベルト方式或いはギヤ方式のカムシャフト駆動機構を用いてもよい。

なお、上記実施形態の構成はクランクシャフトに適用することが可能である。

本発明の第一実施形態におけるカムシャフトの駆動機構を示した斜視図である。 本発明の第一実施形態における吸気カムシャフトを示した平面図である。 本発明の第一実施形態における第一支持部の断面図である。 本発明の第一実施形態における第一支持部周辺の部分断面図であり、図３のIV-IV断面図である。 本発明の第一実施形態における第一支持部以外の支持部の断面図である。 本発明の第一実施形態におけるエンジンの回転数に対するフリクショントルクの大きさを示すグラフである。 本発明の第一実施形態における潤滑油の油温に対するフリクショントルクの大きさを示すグラフである。 本発明の第二実施形態における吸気カムシャフトを示した平面図である。 本発明の第三実施形態における第一軸受部の平面図である。 カムシャフト駆動機構にかかる力の方向を示した説明図である。 本発明の第四実施形態における第一支持部の断面図である。 本発明の第四実施形態における第一軸受部の一例を示す平面図である。 本発明の第五実施形態における第一支持部の断面図である。 本発明の第六実施形態における軸受部の平面図である。

符号の説明

１ クランクシャフト
２ 吸気カムシャフト
３ 排気カムシャフト
４ タイミングチェーン
６ 吸気カムスプロケット
８ 排気カムスプロケット
９ 吸気バルブ
１０ 吸気カム
１１ 排気バルブ
１２ 排気カム
１４ ジャーナル部
１６ シリンダヘッド
１７ カムキャップ
２０ ダイヤモンドライクカーボン
４０ 支持部
５０ 軸受部

Claims (14)

1. 軸方向の一端部で駆動され、軸方向に沿って複数のジャーナル部が設けられたカムシャフトの各ジャーナル部を、エンジン本体側に設けられた複数の軸受部により各々回転可能に支持して、軸方向に複数の支持部を設けたカムシャフト支持構造において、
   軸方向の一端側に位置する支持部に固体潤滑剤を設け、その軸方向一端側に位置する支持部以外の他の支持部の少なくとも一つには固体潤滑剤を設けないことを特徴とするカムシャフト支持構造。
2. 前記カムシャフトが、軸方向の最も一端側に位置された軸受部よりも一端側に突出された部位で駆動され、前記固体潤滑剤が、軸方向の最も一端側に位置する支持部に設けられることを特徴とする請求項１に記載のカムシャフト支持構造。
3. 前記固体潤滑剤が、軸方向の一端側に位置する支持部のうち、軸方向一端側の部位に設けられることを特徴とする請求項１または２に記載のカムシャフト支持構造。
4. 軸方向の一端側に位置する支持部において、ジャーナル部と軸受部との間の隙間の軸方向両端部に、当該隙間に潤滑油を保持するためのシールリングが設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のカムシャフト支持構造。
5. 前記固体潤滑剤が、前記他の支持部のうち、軸方向の他端側に位置する支持部に設けられることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のカムシャフト支持構造。
6. 前記固体潤滑剤が、これが設けられる前記支持部のうち、前記ジャーナル部の摺動面に設けられることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のカムシャフト支持構造。
7. 前記固体潤滑剤が、これが設けられる前記支持部のうち、前記軸受部の摺動面に設けられることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のカムシャフト支持構造。
8. 前記固体潤滑剤が、これが設けられる前記支持部のうち、前記軸受部の摺動面に設けられ、且つ、その摺動面のうち、最大面圧となる角度位置を中心に所定の角度範囲に亘って設けられることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のカムシャフト支持構造。
9. 前記所定の角度範囲が略９０°であることを特徴とする請求項８に記載のカムシャフト支持構造。
10. 前記固体潤滑剤が設けられない前記他の支持部が、軸方向中間部に位置する支持部であることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のカムシャフト支持構造。
11. 軸方向の一端部で駆動され、軸方向に沿って複数のジャーナル部が設けられたカムシャフトの各ジャーナル部を、エンジン本体側に設けられた複数の軸受部により各々回転可能に支持して、軸方向に複数の支持部を設けたカムシャフト支持構造において、
    軸方向の他端側に位置する支持部に固体潤滑剤を設け、その軸方向の他端側に位置する支持部以外の他の支持部の少なくとも一つには固体潤滑剤を設けないことを特徴とするカムシャフト支持構造。
12. 前記固体潤滑剤が、これが設けられる前記支持部のうち、前記ジャーナル部の摺動面に設けられることを特徴とする請求項１１に記載のカムシャフト支持構造。
13. 前記固体潤滑剤が、これが設けられる前記支持部のうち、前記軸受部の摺動面に設けられることを特徴とする請求項１１に記載のカムシャフト支持構造。
14. 前記固体潤滑剤がダイヤモンドライクカーボンからなることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載のカムシャフト支持構造。

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