JP2009540240A - 固定された構成部品を有するシャフト - Google Patents

Abstract

固定された構成部品を有するシャフト（１）は、粘着および連結の組み合わせによりシャフト本体部（２）と構成部品（３）とを接続してなる。連結は、一例として、構成部品（２，３）の形状を介して実現され、シャフト本体部（２）に対して半径方向に正しい位置にシャフト本体部（２）上に配置することができる。粘着は、実質的に加熱することを回避した接続方法により高強度構造用接着剤からなる接着層（４）を用いて実現される。粘着接続（４）は、シャフト本体部（２）上であって、これに対して軸方向に構成部品（３）を固定する。作動状態にあるとき、構成部品に作用する力は、粘着接続および連結接続の両方により伝達される。
【選択図】図２

Description

本願発明は、固定された構成部品を有するシャフトに関する。こうした種類のシャフトは、とりわけ内燃エンジンなどの制御バルブためのカムシャフトとして利用される。しかし本願発明は、カムシャフトのみに関するものではなく、構造および製造においてコストならびに品質において利点が得られるあらゆる用途で採用することができる。

先行技術において、鋳鉄または透明チル鋳物を用いて一体成型されたカムシャフトが知られている。しかし、これらの構成部品は、原材料から最終仕上カムシャフトの作製に至るまでのカム研磨処理、熱処理、および矯正処理などの高コストで時間を要するマシン成形ステップを実施しなければならないという問題点を有する。さらに作製プロセス中、複数部品からなるカムシャフトを製造する。こうしたカムシャフトはワークカムシャフト（worked camshaft）と称する。シャフト本体部およびカムは、個別の技術を用いて製造される。実質的に仕上げ加工されたカムはシャフト本体部に固定することができる。この種のワークカムシャフトがドイツ特許第4121951号に記載されている。これによれば、シャフト本体部とカムは個別に製造される。カムが固定されるシャフト本体部の一部分は、他の部分に比して大きい径を有する。シャフト本体部の大きい径を有する部分とカムの間における圧力嵌めまたは摩擦嵌合により、カムはシャフト本体部上に固定される。ただし、この作製プロセスの問題は、カムをシャフト本体部に関し半径方向において正しい位置に配置するという点である。とりわけ内燃エンジンの場合、カムをシャフト本体部に対して正しく配置しなかったとき、ほんのわずかなカムの位置ずれがあっても所定の効果を達成することはできず、特に内燃エンジンのバルブの制御を保証することができない。他の圧力嵌めまたは摩擦嵌合による接続が先行技術で知られている。部品とシャフトを接続するための知られた作製方法として、円筒状締まり嵌めアセンブリ方法がある。しかし、これは煩雑で費用の嵩む方法である。さらに、適当な壁厚を有する中空シャフト本体部を用いる必要がある。塑性変形により中空シャフト本体部があまりにも薄い壁を有することがある。

たとえば接着剤を用いて、シャフトを構成部品に接続する粘着接続も同様に知られている。しかし、こうした接続方法は、熱および油の影響により長期間の耐性を有さないので、特にカムシャフトのための許容レベルを実現することはできなかった。たとえば内燃エンジンが休止状態にあって、カムシャフト上のカムに負荷が加わった状態にあるとき、接着剤は流出しがちとなり、シャフト本体部に対するカムの半径方向の歪みをもたらす傾向がある。この状況は、内燃エンジン内の通常の高い温度および油の存在によりさらに顕著となる。この場合、エラーのない内燃エンジンの始動はもはや保証することはできない。

ドイツ特許第2838995号は、カムがフルーティングにより半径方向に固定されたワークシャフトを示している。このカムは、蝋付け（brazing）によりシャフト本体部の指定位置に強固に接続されている。この例において、蝋付けによる部材に対する熱の影響が問題となる。この接続技術によれば、接続部に応力が集中し、カムシャフト全体の負荷耐量が制限される。この問題は、熱を放出する両方の構成部品に関して、焼結または溶接などの他の接続技術についても生じる。高い応力集中を分散させるために、この手法の動作効率を制限するアニール処理または歪み除去アニール処理などの費用の嵩む追加的な処理がカムシャフトに施す必要が生じる。

ドイツ特許第4121951号公報 ドイツ特許第2838995号公報

したがって、本願発明の目的は、上述の問題点を解消する安価で改善された汎用デバイスを提供することである。

この目的は、請求項１に記載の特徴により実現される。

本願発明に係る有利な改良点が従属する請求項に記載されている。

本願発明の基本的に着想は、粘性接続および連結接続を組み合わせたものでシャフト本体部と構成部品を接続するという点にあり、粘性接続は、実質的に加熱することを回避した接続方法により高強度構造用接着剤を用いて実現される。たとえば粘性固定により、構成部品をシャフト本体部に対してシャフト方向に固定することができる。シャフト本体部がたとえば多角形形状または１つまたはそれ以上の溝部などの特定の形状物を有するようにシャフト本体部を設計することが想到される。この場合、固定される構成部品は、シャフト本体部に対応する形状物に適合するような適当な形状物または１つまたはそれ以上の突起部を有する。このように、シャフト本体部および構成部品の設計は、互いに対して押し出すことにより組み立てる前に、構成部品の位置などを特定することができる。当然に、台座係合接続（seat-engaging joint）またはスプライン接続（splined joint）などの他のタイプの連結接続も着想可能である。シャフト軸に対して対称的な連結接続は、伝達すべき力を均一に分布させる点において有利である。構成部品の連結接続により好適にも正しく配置した後には、実質的に加熱することのない接続方法を用いた粘着力により、シャフト本体部と構成部品の間の強固な接続を実現することができる。このために高強度構造用接着剤が利用される。この粘着接続は、好適にも、構成部品をシャフト本体部に対してシャフト本体部上にシャフト方向に固定するとともに、連結接続に加えて半径方向に固定する。構成部品に作用する力は、動作状態において、粘着剤および連結接続に伝達される。

既知の高強度構造用接着剤が適当な接着剤である。こうした接着剤は、特に、架橋結合したポリウレタン樹脂系、エポキシ樹脂系、および嫌気性架橋結合したアクリレート含有接着剤などの１成分または２成分接着剤の中から選択される。同様に、温度安定ポリイミド接着剤を採用することができる。接着剤は、温度および使用状態にある溶媒に対して安定している必要がある。エポキシ樹脂系接着剤は、たとえばポリアミン、ポリアミド、ポリメルカプタン、ポリオルまたはポリフェノールなどの求核性または求電子性の硬化剤で架橋結合可能なオリゴマまたはポリゴマを含むエポキシド系接着剤を意味すると考えられている。嫌気性硬化接着剤は、たとえばアクリル酸塩群などの二重結合を含むオリゴマまたはポリゴマを含むものを意味すると考えられ、このときラジカル架橋結合が活性剤／開始剤系により開始され、嫌気状態下で活性化される。酸化還元系が既知の活性剤であり、とりわけ金属含有系が好適である。ポリウレタン系接着剤は、２−Ｋ系または１−Ｋ系として存在し得るイソシアン酸塩含有ポリウレタン系の反応型接着剤を意味するものと考えられている。たとえば水または潜在的硬化剤などの１−Ｋ系架橋結合剤は、熱の作用により活性化される。２−Ｋ系では、イソシアン酸塩含有プレポリマが、たとえばヒドロキシル基（ＯＨ）、アシル基（ＮＨ）、チオール基（ＳＨ）、またはカルボキシル基（ＣＯＯＨ）などの硬化剤を用いて処理される。

適当な接着剤は、たとえばポリマ科学技術百科事典（Encyclopedia of Polymer Science and Technology (pub. Wiley, 2005)）の「構造用接着剤」の章に記載されている。このタイプの接着剤は、触媒、フィラ、反応性希釈剤、結合剤などの既知の補助添加剤を接着剤に混合したもので、これらの添加剤により接着剤の特性に大きく影響を与え得る。

シャフト作動時に、接着層に主に剪断力が加わるため、高強度構造用接着剤が配設された、構成部品とシャフト本体部の間のギャップは、極力小さく維持される。構成部品とシャフト本体部の間のギャップの大きさは５００μｍ以下にすることが有益であることが確認されている。これにより、動作条件下で構成部品に作用する力により接着剤が剪断されること、および粘性接続が破壊されることを防止することができる。

中空カムシャフトならびに中実カムシャフトは、本願発明の範疇に含まれるものと考えられる。本願発明の有用な改良点において、シャフト本体部として中空シャフトが意図されている。このように、特に内燃エンジンに用いる場合には、重量を削減することができ、これは大きな利点である。特に油を搬送するためには中空シャフトを利用することができる。よって中実のシャフト本体部を用いた場合には、極めて大きい動的トルクを伝達することができる。本願発明の範疇において、シャフト本体部は金属または非金属材料からなり、とりわけ炭素鋼、合金鋼、非合金鋼、層状または球状炭素鉄、鋳鉄、射出成形物、またはシャフト用途に必要な適当な材料からなる。

バランス不均衡を是正する手段とともに、中空シャフトのシャフト本体部を用いた場合にはさらなる利点がある。上述のようにシャフト本体部は、作製時において形成し、振動設計することができる。たとえば鋳造シャフト本体部が考えられ、これは一部領域において、凹部または突起部の形態としてより薄いまたは厚い壁厚を有する。その結果、シャフト本体部の第１の製造ステップにおいてすでにシャフトを作製し、特定の振動設計された特徴を満たすようにバランス設計することができる。択一的または追加的には、中空シャフトとして設計されたシャフト本体部に関し、構成部品との連結接続に必要な外側面形状に基づいて対応する内側面形状を考案することができる。たとえばシャフト本体部の外側面形状が多角形形状である場合、シャフト本体部の外側面形状と相補的な内側面形状を設計することが有利である。

本願発明の開発において、シャフト本体部および構成部品を同一材料で作製することが予見される。これは、単純で負荷のより少ないシャフト−構成部品のシステムの場合、異なる材料の特徴および特性を考慮する必要がないので、たとえば作製およびマシン加工を簡素化する。

さらなる利点は、シャフト本体部および少なくとも１つの構成部品を異なる材料を用いて仕上げ加工する点にある。シャフト本体部に接続される構成部品のために、たとえば負荷要求に十分に耐える高品位で適当な材料を用いることができる。たとえば、さらに潜在的な節約を実現すると同時に、負荷耐性をより高くするために、シャフト本体部および／またはより負荷の少ない構成部品をより安価でマシン加工しやすい材料を用いて製造することができる。とりわけ摩耗耐性の極めて高いボールベアリング鋼、鋳鉄、鋳型、セラミック、または焼結材料を高負荷部品に利用することができる。

さらなる利点は、焼結材料からなる構成部品を用いることである。特に構成部品およびシャフト本体部を相補的に正確に製造する場合には、焼結部品を用いることにより、たとえば研磨プロセスなどのシャフトのための追加的なマシン加工ステップを省略することができる。任意の形状を有する構成部品は、焼結処理により作製し、機械的な後処理を必要とすることなく組み立て準備を整えることができる。一例として、たとえば卵型、楕円または多角形の特定の形状を有するカムシャフト内の構成部品およびシャフト本体部に関して利用することである。シャフト本体部の形状ならびにシャフト本体部の軸に対するシャフト本体部上の半径方向の位置に基づいて、焼結技術により、カムまたは他の制御部品などの構成部品の開口部を設計することができる。構成部品の追加的な有利な製作手法は、焼結鍛造、鋳型成型すること、または鍛造することである。

本願発明の有用な特徴において、シャフトはたとえば内燃エンジンとして用いられるようにカムシャフトを有する。シャフト本体部はカムシャフト管であってもよく、構成部品はチェーンホイール保持部、スラストベアリング、スラストベアリングカラー、信号送信器、ディスク、および／または歯車などであってもよい。

本願発明に係る構成部品を有するシャフトの水平方向断面図である。 本願発明に係る構成部品を有するシャフトの垂直方向断面図である。

本願発明に係るいくつかの実施形態について、図面を参照しながら以下に詳細説明する。

ワークカムシャフトとして用いられる、図１および図２で図示された本願発明に係るシャフトが符号１で示されている。カムシャフト１は、中空シャフト管として形成されたシャフト本体部２を備える。好適には、シャフト本体部２は鋼管で製造されている。別個に製造されたカム３がシャフト本体部２に固定的に接続される。図２で示すような連結接続および接着層４を用いた接着接続により、カム３がシャフト本体部２に固定される。本願発明によれば、接着層に関し、嫌気性硬化接着剤を高強度の構造用接着剤として採用される。ただし、１つまたは２つ以上のエポキシ樹脂系接着剤あるいはポリウレタン樹脂系接着剤を同様に採用することもできる。一般に、カムシャフト１を完成するためには、詳細図示しないが、たとえばハブ、チェーンホイール（鎖車）保持部、カラー付きスラストベアリング、非対称位置ジェネレータおよび／または追加的な制御部品などの構成部品がカムシャフト１上に配置される。振動設計の観点から最適にバランス化されたカムシャフト１を提供するためには、中空シャフト管として形成されたシャフト本体部２の内側面上に肥大部６と凹部５が設けられる。この実施形態で図示されているように、中空シャフト管２の内側面および外側面の両方に配置することができる。図示された変形例では、シャフト本体部２の作製中に凹部５と肥大部６を形成して、上述の手法により振動バランスが最適化されたシャフト本体部２を実現するために、鋳型成型された中空シャフト本体部２を用いることが推奨される。

図２は、シャフト本体部２およびカム３の横断面を示す本願発明に係るカムシャフト１を示す。本願発明に係るシャフト本体部２は平坦凹部（Aussparung）８を有する。この平坦凹部は、カム３とシャフト本体部２を組み立てる際に、カム３の内側面上に設けた張出部７と係合するように設計されている。こうしてシャフト本体部２とカム３が連結接続される。この実施形態で図示する連結接続は、他の形状を有する手段を用いても実現することができる。多角形形状を有するシャフト本体部２、および対応する形状の開口部を有するカム３が想到され、このときカム３がシャフト本体部２上に押圧する。同様に、カム３の開口部の内側面は、１つまたはそれ以上のスプールを有し、スプールがシャフト本体部２の外側面に設けた対応するスリット内に係合するようにしてもよい。カム３は、連結接続により、シャフト本体部２に対して半径方向において正しく配置される。シャフト本体部２上に固定された複数のカムの異なる位相をカム３の製造時にすでに決定することができる。所望の位相に対応してさまざまな位置に配置されたカム３の平坦凹部８は、焼結プロセスにおいてカム３の開口部上に作製されることが好ましい。さらに、カムシャフト１はカム３とシャフト本体部２の間に接着層４を有する。この接着接続４は、シャフト本体部２に対して軸方向に固定するように機能するとともに、連結接続に加えて半径方向に固定するように機能する。

カムシャフト１は、シャフト軸に関して所定の角度位置にあるシャフト本体部２上にカム３を押出することにより組み立てられる。シャフト本体部２は用途範囲に適合する任意の形状を有し、カム３の開口部はそれに応じた相補的形状を有する。カム３とシャフト本体部２の間の接着層は、とりわけ自在に流動する低粘性接着剤を用いた場合、カム３がシャフト本体部２上の所定位置に達したときにのみ適用（塗布）することができる。ただし、特に高粘性接着剤の場合であっても、カム３が所定位置に配置される前に塗布することも想到される。シャフト本体部２の外側面およびカム３の開口部の内側面の両方に塗布することができる。こうしてシャフト本体部２上にカム３を押出する際に、接着剤を均一に塗布することができる。さらに未硬化状態にある接着層４は潤滑フィルムとして機能し、カム３とシャフト本体部２の接続を支援することができる。カムの他、カムシャフト１は、図示しない構成部品、たとえばカム、チェーンホイール保持部、スラストベアリング、スラストベアリングカラー、信号送信器などを有していてもよい。

１：カムシャフト
２：シャフト本体部
３：カム
４：接着層
５：凹部
６：肥大部
７：張出部
８：平坦凹部

Claims (16)

1. シャフト本体部（２）と、その上に固定された少なくとも１つの構成部品（３）とを有するシャフト（１）であって、
   連結接続（７，８）ならびに高強度構造用接着剤を用いた粘性接続（４）により、構成部品（３）がシャフト本体部（２）に接続されることを特徴とするシャフト。
2. 請求項１に記載のシャフト（１）であって、
   構成部品（３）が連結接続（７，８）によりシャフト本体部（２）上で半径方向に配置されることを特徴とするシャフト。
3. 請求項１または２に記載のシャフト（１）であって、
   構成部品（３）が粘性接続（４）によりシャフト本体部（２）上で半径方向に固定されることを特徴とするシャフト。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載のシャフト（１）であって、
   粘性接続（４）のための高強度構造用接着剤としてエポキシ樹脂系接着剤を用いることを特徴とするシャフト。
5. 請求項１〜３のいずれか１に記載のシャフト（１）であって、
   粘性接続（４）のための高強度構造用接着剤として嫌気性硬化接着剤を用いることを特徴とするシャフト。
6. 請求項１〜３のいずれか１に記載のシャフト（１）であって、
   粘性接続（４）のための高強度構造用接着剤としてポリウレタン樹脂系接着剤を用いることを特徴とするシャフト。
7. 請求項１〜６のいずれか１に記載のシャフト（１）であって、
   構成部品（３）とシャフト本体部（２）の間のギャップの大きさは、５００μｍ以下であることを特徴とするシャフト。
8. 請求項１〜７のいずれか１に記載のシャフト（１）であって、
   シャフト本体部（２）は、中空シャフト管であることを特徴とするシャフト。
9. 請求項１〜８のいずれか１に記載のシャフト（１）であって、
   シャフト本体部（２）は、中空シャフト管であり、バランス不均衡を補償する手段（５，６）が設けられていることを特徴とするシャフト。
10. 請求項１〜９のいずれか１に記載のシャフト（１）であって、
    シャフト本体部（２）および構成部品（３）は同一材料からなることを特徴とするシャフト。
11. 請求項１〜９のいずれか１に記載のシャフト（１）であって、
    少なくとも１つの構成部品（３）は、シャフト本体部（２）とは別の材料から製造されることを特徴とするシャフト。
12. 請求項１〜９のいずれか１に記載のシャフト（１）であって、
    少なくとも１つの構成部品（３）は、焼結部材からなることを特徴とするシャフト。
13. 請求項１〜９のいずれか１に記載のシャフト（１）であって、
    少なくとも１つの構成部品（３）は、鍛造された焼結部材からなることを特徴とするシャフト。
14. 請求項１〜９のいずれか１に記載のシャフト（１）であって、
    少なくとも１つの構成部品（３）は、鋳型成型された部材からなることを特徴とするシャフト。
15. 請求項１〜９のいずれか１に記載のシャフト（１）であって、
    少なくとも１つの構成部品（３）は、鍛造された部材からなることを特徴とするシャフト。
16. 請求項１〜１５のいずれか１に記載のシャフト（１）であって、
    構成部品は、ベアリングおよび／またはカム、ハブ、または歯車などの任意の制御部品を付随することを特徴とするシャフト。

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