JP2009047048A - カム部材及び該カム部材の製造方法、該カム部材が用いられた内燃機関の動弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】焼結合金材によって成形された駆動カムの外周面に膜厚の十分な皮膜を形成して摩耗量の低減化を図り得るカム部材を提供する。
【解決手段】駆動軸の外周に一体に固定された駆動カム５と、吸気弁を開閉作動させる揺動カムと、前記駆動カムがリンクアームの嵌合孔内で回転摺動し、この回転運動をロッカアーム及びリンクロッドを介して揺動運動に変換して前記揺動カムに伝達する伝達機構と、を備えている。前記駆動カムを焼結合金材によって一体に成形すると共に、外周面５ｃを砥石３３によって研削することにより表面の金属密度を高くして、内部の潤滑油の染みだしを防止した上で、リン酸マンガン３３の皮膜処理を行うことによって前記外周面に十分な皮膜を形成することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば吸気弁や排気弁のバルブリフト量を機関運転状態に応じて変更可能な内燃機関の動弁装置に用いられるカム部材に関する。

従来の内燃機関の動弁装置としては、以下の特許文献１に記載されたものがある。

概略を説明すれば、この動弁装置は、吸気弁側に適用されたもので、クランクシャフトの回転に同期して回転する駆動軸の外周に、軸心が前記駆動軸の軸心から偏心した焼結合金材からなる駆動カムが設けられていると共に、該駆動カムの回転力が多節リンク式の伝達機構を介して伝達されて、吸気弁の上端部に有するバルブリフターの上面をカム面が摺接して吸気弁をバルブスプリングのばね力に抗して開作動させる揺動カムを有している。

前記伝達機構は、揺動カムの上方に配置されて、制御軸の外周に有する制御カムに揺動自在に支持されたロッカアームと、一端部が駆動カムの外周面に嵌合しかつ他端部がロッカアームの一端部に回転自在に連結されたリンクアームと、一端部がロッカアームの他端部に回転自在に連結され、他端部が前記揺動カムのカムノーズ部に回転自在に連結されたリンクロッドとから構成されている。

そして、機関運転状態に応じて電動モータや螺子伝達手段などからなるアクチュエータによって前記制御軸を介して制御カムの回動位置を変化させることによりロッカアームの揺動支点を変化させて、前記吸気弁のバルブリフト量を機関運転状態に応じて可変制御するようになっている。
特開２００１−２３４７２１号公報

前記駆動カムは、前述のように、いわゆる焼結合金材によって一体に成形されているが、かかる焼結合金材では前記リンクアームと摺動する外周面が摩耗し易くなってしまう。

そこで、前記外周面に表面処理を行って皮膜を形成することにより摩耗の発生を抑制する工夫もなされているが、焼結合金材における粉体間には一般的に潤滑剤である潤滑油が含浸していることから、この潤滑油が前記皮膜の付着を妨げてしまい、十分に皮膜を形成することができないといった問題がある。

また、一般に焼結合金材に表面処理を施す場合、高温のスチームを吹き付けて表面に酸化皮膜を形成し、この酸化皮膜によって前記潤滑油の表面への染み出しを防止することも行われているが、かかる高温スチームによる表面処理を前記駆動カムの摺動面(外周面)に施した場合には、温度が上昇することによって表面に変形が発生してしまうおそれがある他に、酸化皮膜の形成によって駆動カムの外周面の面粗度の悪化を招き、リンクアームの嵌合孔の内周面との摺動性に大きな影響を与えてしまうおそれがある。

本発明は、前記従来の駆動カム(カム部材)の成形時における技術的課題に鑑みて案出されたもので、潤滑剤が含浸された多孔性材料によって成形され、少なくとも摺動部分の表面に表面処理が施されたカム部材であって、前記表面処理が施された表面部分の孔の大きさを、内部の孔の大きさよりも小さく形成したことを特徴としている。

この発明によれば、カム部材の表面を予め例えば研削などの加工を行って表面部分の孔を内部よりも小さくすることにより、潤滑剤の染みだしを防止するようにした。このため、その後の、表面部分に皮膜を形成した際に、潤滑剤の染みだしがなくなることから、前記皮膜を表面部分全体に渡って十分に形成することかが可能になる。

以下、本発明に係るカム部材が適用された内燃機関の動弁装置の実施の形態を図面に基づいて詳述する。この実施の形態では、６気筒内燃機関の一方バンクの吸気側に適用したものであって、１気筒当たり２つの吸気弁を備え、かつ吸気弁のバルリフト量を機関運転状態に応じて可変にする可変機構を備えている。

すなわち、前記動弁装置は、図１及び図２に示すように、シリンダヘッド１に図外のバルブガイドを介して摺動自在に設けられた１気筒当たり２つの吸気弁２，２と、機関前後方向に配置された内部中空状の駆動軸３と、気筒毎に配置されて、前記駆動軸３の外周面に同軸上に回転自在に支持されたカムシャフト４と、前記駆動軸３の所定位置に一体的に固定された駆動カム５と、前記カムシャフト４の両端部に一体に設けられて、各吸気弁２，２の上端部に配設されたバルブリフター６，６に摺接して各吸気弁２，２を開作動させる一対の揺動カム７，７と、前記駆動カム５と揺動カム７，７との間に配置されて、前記駆動カム５の回転力を揺動カム７，７の揺動力（開弁力）として伝達する伝達機構８と、該伝達機構８の作動位置を可変にする制御機構９と、を備えている。

前記吸気弁２，２は、シリンダヘッドの上端部に形成されたボアの底部とバルブステム上端部のスプリングリテーナとの間に弾装されたバルブスプリング１０，１０によって閉方向に付勢されている。

前記駆動軸３は、機関前後方向に沿って配置されて、図１にも示すように、内部軸方向にメインオイルギャラリーと連通する油孔３ａが形成されていると共に、各気筒間に対応した位置に図外の支持孔が径方向に沿って貫通形成されている。また、駆動軸３は、両端部がシリンダヘッド１の上部に設けられた軸受１１によって回転自在に軸支されていると共に、一端部に設けられた図外の従動スプロケットや該従動スプロケットに巻装されたタイミングチェーン等を介して機関のクランクシャフトから回転力が伝達されている。

前記カムシャフト４は、図１、図２にも示すように、駆動軸３の軸方向に沿ってほぼ円筒状に形成され、内部軸方向に前記駆動軸３の外周面に回転自在に支持される支軸孔４ａが貫通形成されていると共に、外周面のほぼ中央位置に形成された大径円筒状のジャーナル部４ｂが図２に示すカム軸受によってそれぞれ回転自在に軸支されている。

前記駆動カム５は、ほぼ円盤状に形成されたカム本体５ａの外周面５ｃが偏心円のカムプロフィールに形成されて、軸心が駆動軸３の軸心から径方向へ所定量だけオフセットしていると共に、該カム本体５ａの一側部軸方向に一体に設けられた筒状部５ｂが径方向に形成された図外の固定用孔に圧入された固定用ピンによって駆動軸３に固定されている。また、この駆動カム５は、焼結合金材によって一体に形成され、後述する成形工程によって特に外周面５ｃの表面処理が施されるようになっている。

前記各揺動カム７は、図１，図４及び図５に示すように、同一形状のほぼ雨滴状を呈し、基端部側がカムシャフト４を介して前記駆動軸３の軸心を中心として揺動するようになっていると共に、それぞれの下面には、各バルブリフター６の上面所定位置に当接するカム面７ａがそれぞれ形成されており、また、一方の揺動カム７の先端側のカムノーズ部にピン孔が巾方向から貫通形成されている。

前記伝達機構８は、前記駆動軸３の上方に配置されたロッカアーム１３と、該ロッカアーム１３の一端部１３ａと駆動カム５とを連係するリンクアーム１４と、ロッカアーム１３の他端部１３ｂと一方の揺動カム７とを連係するリンクロッド１５とを備えている。

前記ロッカアーム１３は、中央の筒状基部１３ｃの内部に支持孔１３ｄが横方向から貫通形成され、この支持孔１３ｄを介して後述する制御カム２０の外周に揺動自在に支持されている。また、ロッカアーム１３の一端部１３ａは、先端部の側部にピン１６が一体に突設されている一方、他端部１３ｂには、先端側に前記リンクロッド１５との関連で吸気弁２，２のバルブリフト量を調整するリフト調整機構２１が設けられている。

前記リンクアーム１４は、大径な円環部１４ａと、該円環部の外周面所定位置に突設された突出端１４ｂとを備え、円環部１４ａの中央位置には、前記駆動カム５の外周面５ｃが回転自在に嵌合する嵌合孔１４ｃが形成されている一方、突出端１４ｂには、前記ピン１６が回転自在に挿通するピン孔が貫通形成されている。

前記リンクロッド１５は、プレス成形によって横断面ほぼコ字形状に形成されており、内側がコンパクト化を図るために、ほぼく字形状に折曲形成されていると共に、平行な２枚板状、つまり横断面ほぼコ字形状に形成された二股状の両端部１５ａ，１５ｂにピン孔がそれぞれ横方向に貫通形成されている。

また、リンクロッド１５は、一端部１５ａが前記両ピン孔に挿通した連結ピン１７と前記リフト調整機構２１を介してロッカアーム１３の他端部１３ｂに回転自在に連結されている。一方、他端部１５ｂは、前記各ピン孔と揺動カム７のカムノーズ部に形成されたピン孔にそれぞれ挿通された連結ピン１８を介して揺動カム７に回転自在に連結している。

前記リフト調整機構２１は、ロッカアーム１３の他端部１３ｂに一体に有する矩形ブロック状の連係部２２と、該連係部１７の上面から内部に形成された固定用雌ねじに上方から螺着した固定ねじ部材２３と、連係部２２の両側面から前記雌ねじ孔に直交する方向へ貫通形成されて、前記連結ピン１７が挿通されるピン挿通孔と、前記連係部２２の下端内部に前記雌ねじ孔と同軸上に形成された調整用雌ねじ孔に下方側から螺入する調整ねじ部材２４とから構成されている。

前記制御機構９は、図１に示すように、駆動軸３の上方位置に配置された制御軸１９と、該制御軸１９の外周に一体に固定されてロッカアーム１３の揺動支点となる制御カム２０と、前記制御軸１９を回転制御するアクチュエータとを備えている。

前記制御軸１９は、図１及び図２に示すように、駆動軸３と並行に機関前後方向に配設され、図外の軸受の上端に有するブラケットを介して回転自在に支持されていると共に、内部軸心方向にメインオイルギャラリーと連通する潤滑油通路２５が形成されている。また、制御軸１９の前記軸受に支持されるジャーナル部となる位置に、前記潤滑油通路２５と径方向から連通する通路孔１９ａが形成されている。

一方、前記制御カム２０は、円筒状を呈し、軸心位置が肉厚部の分だけ制御軸１９の軸心から所定分だけ偏倚している。

また、前記制御軸１９と制御カム２０の内部径方向には、前記潤滑油通路２５と連通する連通路２６が形成されている一方、前記ロッカアーム１３の他端部１３ｂの内部には、前記連通路２６と適宜連通する油孔１３ｅが貫通形成されている。

前記アクチュエータは、シリンダヘッドの後端部に固定された電動モータ２７と、該電動モータ２７の回転駆動力を前記制御軸１９に伝達する螺子伝達手段２８とから構成されている。

前記電動モ−タ２７は、比例型のＤＣモータによって構成され、機関の運転状態を検出するコントローラ２９からの制御信号によって駆動するようになっている。このコントローラ２９は、機関回転数を検出するクランク角センサや、吸入空気量を検出するエアーフローメータ、機関の水温を検出する水温センサ及び制御軸１９の回転位置を検出するポテンショメータ３０等の各種のセンサからの検出信号をフィードバックして現在の機関運転状態を演算などにより検出して、前記電動モータ２７に制御信号を出力している。

次に、前記駆動カム５の成形工程を、図３Ａ〜Ｄに示す工程図によって説明する。

すなわち、まず、図３Ａに示すように、粉体に潤滑剤である潤滑油を含浸させた状態で加圧して圧縮すると共に、加熱することによって駆動カム５の全体形状を成形する(焼結工程)。この時点では、駆動カム５は、全体が多孔質材として内部及び表面全体に微小孔(ポーラス)が形成されている。

次に、図３Ｂに示すように、前記リンクアーム１４の嵌合孔１４ｃの内周面と摺動するカム本体５ａの摺動部分である外周面５ｃ全体を砥石研削する(研削工程)。つまり、所定の固定機構に固定された駆動カム５を回転させながら砥石３１を外方から外周面５ｃに中心方向へ押圧しながら研削する。これによって、外周面５ｃに有する前記ポーラスが内部のポーラスよりも潰れによって小さくなる。換言すれば、外周面５ｃの金属密度が内部の金属密度よりも高くなる。これによって、内部に含浸されている潤滑油が外周面５ｃに染み出ることがなくなる。

次に、外周面５ｃに通常の脱脂処理を行った後、図３Ｃに示すように、浴槽３２内に貯留されているリン酸マンガン液３３に、前記駆動カム５を投入して浸漬し、そのまま約十数分間程度放置する(表面処理工程)。これによって、駆動カム５全体にリン酸マンガン皮膜が施される。

特に、外周面５ｃには、予め潤滑油が染み出ることなく十分な脱脂処理がなされていることから、図３Ｄに示すように、外周面５ｃの全体に十分な膜厚の皮膜３４が形成される。

以下、前記可変機構による吸気弁２，２のバルブリフト量及び作動角の可変制御を簡単に説明する。

まず、例えば、機関の低回転域では、コントローラ２９によって電動モータ２７が回転駆動し、この回転トルクが螺子伝達手段２８に伝達されて回転すると、これによって制御軸１９は、一方向へ所定量回転駆動される。したがって、制御カム２０が、図４Ａ、Ｂに示すように、一方向に回動して軸心Ｐ１が制御軸１９の軸心Ｐの回りを同一半径で回転し、肉厚部が駆動軸３から上方向に離間移動する。これにより、ロッカアーム１３の他端部１３ｂとリンクロッド１５の枢支点（連結ピン１７）は、駆動軸３に対して上方向へ移動し、このため、各揺動カム７は、リンクロッド１５を介してカムノーズ部側が強制的に引き上げられる。

よって、駆動カム５が回転してリンクアーム１４を介してロッカアーム１３の一端部１３ａを押し上げると、そのリフト量がリンクロッド１５を介して各揺動カム７及び各バルブリフター６に伝達されるが、吸気弁２，２のバルブリフト量Ｌ１は最小になる。

さらに、機関高回転領域に移行した場合は、コントローラ２９によって電動モータ２７が逆回転して螺子伝達手段２８を同方向へ回転させると、この回転に伴って制御軸１９が、図５Ａ、Ｂに示すように、制御カム２０を他方向へ回転させて軸心Ｐ１が下方向へ移動する。このため、ロッカアーム１３は、今度は全体が駆動軸３方向に移動して他端部１３ｂによって揺動カム７のカムノーズ部を、リンクロッド１５を介して下方へ押圧して該揺動カム７全体を所定量だけ反時計方向へ回動させる。したがって、各揺動カム７の各バルブリフター６の上面に対するカム面７ａの当接位置が、カムノーズ部側（リフト部側）に移動する。

このため、吸気弁２の開作動時に駆動カム５が回転してロッカアーム１３の一端部１３ａを、リンクアーム１４を介して押し上げると、バルブリフター６を介して吸気弁２，２のバルブリフト量Ｌ２が最大になる。

そして、この実施形態では、前述のように、駆動カム５の外周面５ｃに膜厚の大きな皮膜３５が形成されていることから、前記機関の作動中に該駆動カム５がリンクアーム１４の嵌合孔１４ｃの内周面に沿って回転摺動した際に、これら互いの内外周面１４ｃ、５ｃ間の馴染み性が向上する。この結果、かかる馴染み性によって駆動カム５の外周面５ｃの摩耗量を十分に低減させることが可能になる。

特に、前記外周面５ｃを高温スチームによって加熱することなく、単に砥石研削によって表面密度を高めて内部の潤滑油の染みだしを防止するようにしたため、高熱による表面に変形が発生することがないばかりか、酸化皮膜も形成されないので、駆動カム５の外周面５ｃの面粗度の悪化を確実に防止することができ、高精度な表面粗度を確保することが可能になる。この結果、嵌合孔１４ｃの内周面との良好な摺動性が得られる。

なお、前記可変機構の作動中に、前記潤滑油通路２５内に流入した潤滑油の一部は、通路孔１９ａを通って前記ジャーナル部と軸受ブラケットとの間を潤滑することから、制御軸１９を常時円滑に回転作動させることが可能になる。

また、ロッカアーム１３の所定の揺動位置において連通路２６の他端開口と前記油孔１３ｅの一端開口が合致して連通すると、前記連通路２６から油孔１３ｅ内を通って他端開口から吐出され、ここから連係部２２の上面を伝って前固定用ねじ部材２３付近を中心に左右に分かれて連係部２２の両側面を伝って前記連結ピン１７の外周面と各ピン孔の内周面との間に流れ込んで、該両者間を効果的かつ積極的に潤滑する。

さらに、ここから潤滑油は、リンクロッド１５の内面を伝って流下し、他端部１５ｂ付近まで来ると、下側の連結ピン１８とピン孔及び揺動カム７側のピン孔の各内周面との間に供給されて、該両者間を効果的に潤滑する。

したがって、前記両連結ピン１７，１８及び各ピン孔に対して強制的な潤滑によってリンクロッド１５や揺動カム７の常時円滑な作動が得られる。

また、前記連通路２６に流入した潤滑油は、制御カム２０の外周面と支持孔１３ｄとの間にも強制的に供給されるため、該制御カム２０とロッカアーム１３との間も、効果的に潤滑される。

本発明は、前記実施形態の構成に限定されるものではなく、カム部材としては、前述の駆動カムに限定されるものではなく、一般的な卵形のカムに適用することも可能である。例えば、可変機構を他の構造としてもよい。また、前記動弁装置を吸気弁側の他に排気弁側に適用することも可能である。

本発明のカム部材が適用される動弁装置の可変機構の要部斜視図である。 同動弁装置の側面図である。 Ａ〜Ｄは本実施形態に供される駆動カムの成形工程手順を示す概略図である。 Ａ、Ｂは本実施形態における可変機構による最小リフト制御時の作用説明図である。 Ａ、Ｂは本実施形態における可変機構による最大リフト制御時の作用説明図である。

符号の説明

２…吸気弁（機関弁）
３…駆動軸
４…カムシャフト
５…駆動カム
５ａ…カム本体
５ｂ…筒状部
５ｃ…外周面
７…揺動カム
８…伝達機構
９…制御機構
１３…ロッカアーム
１３ａ…一端部
１３ｂ…他端部
１５…リンクロッド
１５ａ…一端部
１５ｂ…他端部
２１…リフト調整機構

Claims (5)

1. 潤滑剤が含浸された多孔性材料によって成形され、少なくとも摺動部分の表面に表面処理が施されたカム部材であって、
   前記表面処理が施された表面部分の孔の大きさを、内部の孔の大きさよりも小さく形成したことを特徴とするカム部材。
2. 焼結材料によって成形され、少なくとも摺動部分の表面に表面処理が施されたカム部材であって、
   前記表面処理が施された表面部分の密度を、内部の密度よりも高くなるように形成したことを特徴とするカム部材。
3. 焼結材料によって成形され、少なくとも摺動部分の表面に表面処理が施されたカム部材の製造方法であって、
   粉体に潤滑剤を含浸させた状態で加圧して圧縮すると共に、加熱することによってカム部材の形状を成形する焼結工程と、
   成形された前記カム部材の少なくとも摺動部分を加圧しながら研削する研削工程と、
   前記研削された摺動部分に表面処理を施す表面処理工程と、
   を備えたことを特徴とするカム部材の製造方法。
4. クランクシャフトから伝達された回転力によってカム部材が回転駆動して機関弁を開閉作動させる内燃機関の動弁装置であって、
   前記カム部材は、潤滑剤が含浸された粉体を圧縮固化して成形されると共に、摺動部分には表面処理が施され、前記摺動部分の表面処理がなされた表面を研削により圧潰したことを特徴とする内燃機関の動弁装置。
5. 焼結材料によって一体成形され、少なくともカム表面が、内部に存在する潤滑剤の表面への染み出しを防止するようにポーラスを内部より小さく形成されると共に、表面処理が施されたカム部材と、
   該カム部材の回転運動を揺動運動に変換して動力を伝達する伝達機構と、
   該伝達機構から伝達された揺動力によって揺動運動を行って機関弁を開閉作動させる揺動カムと、
   前記伝達機構の揺動支点を変更することにより機関弁のリフト量を可変させる可変機構と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の動弁装置。

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