JP2010025227A - 結合構造および結合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】第１，第２の部材の組み外し作業の容易性や、再度の結合作業の容易性、再度の結合時の位置決め精度の確保などを図ることが可能な結合構造および結合方法を提供する。
【解決手段】吸気用カムシャフト７を支持するシリンダヘッド２とカムキャップ３０とをボルト１５により結合するにあたって、シリンダヘッド２に形成された半球状の凹部２３とカムキャップ３０に形成された半球状の凹部３３との間に跨って配置されるボール４０を用いて、シリンダヘッド２に対するカムキャップ３０の位置決めが行われる。シリンダヘッド２に対するカムキャップ３０の位置決めは、ボール４０を凹部２３，３３に圧入することで、凹部２３，３３を塑性変形させることによって行われる。
【選択図】図６

Description

本発明は、第１の部材と第２の部材とを結合するにあたって、第１の部材と第２の部材との間に挟まれる位置決め部材を用いて、第１の部材に対する第２の部材の位置決めを行うようにした結合構造および結合方法に関する。本発明の結合構造および結合方法の適用対象はさまざまであり、例えば、車両に搭載される内燃機関も適用対象となる。内燃機関においては、例えば、カムシャフトを支持するシリンダヘッドとカムキャップとの結合、シリンダブロックとクランクキャップとの結合、コネクティングロッドとコネクティングキャップとの結合などに、本発明は適用可能である。

第１の部材の所定の位置に第２の部材をボルト等により結合するにあたっては、第１の部材に対する第２の部材の位置決めを精度よく行うことが重要となる。従来では、例えば、ノックピンや圧入ピン等のようなほぼ円筒形状の位置決め部材を用いて、第１の部材に対する第２の部材の位置決めを行うことによって、第１の部材に対する第２の部材の位置決め精度の向上を図るようにしている。ノックピン等による第１の部材に対する第２の部材の位置決めは、第１の部材および第２の部材に設けられた円筒形状の位置決め用の凹部にノックピン等を圧入することによって行われる。

ところが、従来のノックピン等を用いる構成では、次のような点が問題となる。すなわち、ノックピン等を円筒形状の凹部に圧入する構成であるため、ノックピン等の圧入に必要な押圧力（加圧力）が大きくなる。このため、第１の部材と第２の部材とを組み外す作業が困難となり、その作業性が悪化してしまう。具体的には、第１の部材と第２の部材とを組み外す必要が生じた場合、ノックピン等を凹部から引き抜かなければならない。しかし、圧入されたノックピン等を引き抜くには、強力な力が必要となる。このため、第１の部材と第２の部材とを組み外す作業が困難となり、場合によっては専用の治具が必要となる。加えて、ノックピン等を無理に引き抜くと、凹部が変形する可能性がある。

また、第１の部材と第２の部材とを組み外した後、第１の部材と第２の部材とを再び結合したとき、第１の部材に対する第２の部材の位置決め精度が悪化することが懸念される。つまり、組み外しを行う前の元の結合状態の位置決めを再現することは困難である。詳細には、元の結合状態では、ノックピン等の公差分の位置ずれが発生している可能性があるが、再度の結合時に、元の結合状態と全く同じ状態（同じ位置ずれが発生した状態）で、位置決めを行うことは現実的には困難である。すなわち、ノックピン等を用いる構成では、再度の結合時にもノックピン等を凹部に圧入して位置決めを行う必要があるが、この際、元の結合状態と全く同じ状態で、ノックピン等を凹部に圧入することは難しい。このため、再度の結合時には、第１の部材に対する第２の部材の位置決め精度が悪化してしまう。加えて、組み外しの際にノックピン等の引き抜きにより凹部が変形した場合、再度の結合時には、第１の部材に対する第２の部材の位置決め精度がさらに悪化する可能性がある。

特許文献１には、ノックピンの形状に改良を加えた技術が提案されている。しかし、上述のような問題点が全て解消されているとは言えず、未だ改良の余地があった。
特開２００６−１７７４５４号公報

本発明は、上述のような点を鑑みてなされたものであり、第１，第２の部材の組み外し作業の容易性、再度の結合作業の容易性、および、再度の結合時の位置決め精度の確保を図ることが可能な結合構造および結合方法を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題を解決するための手段を以下のように構成している。すなわち、本発明は、第１の部材に形成された第１の凹部と第２の部材に形成された第２の凹部との間に跨って配置される位置決め部材により、上記第１の部材に対する第２の部材の位置決めを行って、上記第１の部材と第２の部材とを結合する結合構造であって、上記第１の部材に対する第２の部材の位置決めは、上記位置決め部材の上記第１の凹部および第２の凹部への圧入により、上記第１の凹部および第２の凹部が塑性変形されることによって行われることを特徴としている。

上記構成によれば、位置決め部材の圧入により第１，第２の凹部が塑性変形されると、位置決め部材の表面と第１，第２の凹部の内面とが隙間なく嵌め合わされるので、第１，第２の部材の結合の際、第１の部材に対する第２の部材の高精度な位置決めが可能となる。さらに、結合された第１，第２の部材を組み外す作業を、従来例で挙げたノックピン等の場合と比べて極めて容易に行うことができる。上述したように、位置決めの際に位置決め部材の圧入により第１，第２の凹部が塑性変形される結果、第２の部材を第１の部材から取り外すとき、第１，第２の凹部による位置決め部材への拘束力がほとんど作用しないようになる。これにより、強力な力を要することなく、また、専用の治具を必要とすることなく、極めて簡単に第１，第２の部材を組み外すことができる。

また、組み外した第１，第２の部材を再び結合する作業を、従来例で挙げたノックピン等の場合と比べて容易に行うことができ、しかも、再度の結合時には、組み外しを行う前の（元の結合時の）第１の部材に対する第２の部材の位置決め精度を確保することができる。詳細には、初回の結合時の位置決めの際、第１，第２の凹部が塑性変形されるので、再度の結合時（２回目以降の結合時）の位置決めの際には、第１，第２の凹部を変形させる必要がなくなる。したがって、再度の結合時の位置決めの際には、位置決め部材を第１，第２の凹部に嵌め込むだけでよく、位置決め部材を第１，第２の凹部に圧入させる必要がない。これにより、再度の結合時の位置決めが第１，第２の部材との間に位置決め部材をセットするだけの単純なものとなり、第１，第２の部材を再び結合する作業が容易になる。

そして、再度の結合時には、位置決め部材の圧入をともなわないため、元の結合時と同じ状態で位置決め部材が第１，第２の凹部に嵌め込まれ、位置決め部材の表面が第１，第２の凹部の内面に隙間なく嵌め合わされることになる。これにより、再度の結合時の位置決めが、元の結合時の位置決めと同じ状態で行われることになる。その結果、再度の結合時には、元の結合時の位置決めを再現することができ、位置決め精度の悪化を防ぐことができる。

したがって、以上より、第１，第２の部材の組み外し作業の容易性、再度の結合作業の容易性、および、再度の結合時の位置決め精度の確保を図ることができる。しかも、第１，第２の部材の組み外しおよび再度の結合の回数には関係なく、同じ効果を得ることができる。

本発明の結合構造の適用対象としては、例えば、車両に搭載される内燃機関が挙げられる。そして、内燃機関における本発明の好ましい適用箇所としては、次の３つの態様が挙げられる。

（１）上記第１の部材を内燃機関に備えられるシリンダヘッドとし、上記第２の部材を上記シリンダヘッドに取り付けられるカムキャップとする態様。

（２）上記第１の部材を内燃機関に備えられるシリンダブロックとし、上記第２の部材を上記シリンダブロックに取り付けられるクランクキャップとする態様。

（３）上記第１の部材を内燃機関に備えられるコネクティングロッドとし、上記第２の部材を上記コネクティングロッドに取り付けられるコネクティングキャップとする態様。

本発明において、上記位置決め部材が球状の部材であることが好ましい。また、上記第１の凹部および第２の凹部が半球状に形成されていることが好ましい。この構成では、半球状の第１，第２の凹部に対し、球状の位置決め部材を圧入させることになるので、位置決め部材の直径と第１，第２の凹部の内径との差の分だけ第１，第２の凹部を変形させればよく、位置決め部材の圧入に必要な力が小さくて済む。また、位置決め部材の圧入荷重が第１，第２の凹部の内面のほぼ全体で受け止められるので、位置決め部材の圧入荷重が効率的に第１，第２の凹部の内面のほぼ全体に伝えられ、第１，第２の凹部が全体的にほぼ均等に変形されることになる。このため、第１，第２の凹部の変形に要する力、つまり、位置決め部材の圧入に必要な力が小さくて済む。これにより、位置決め作業を容易に行うことができる。

そして、位置決め部材を球状とすることで、その強度が高くなるため、サイズを小さく抑えることが可能となる。また、位置決めの際、第１，第２の凹部の変形量は、位置決め部材の直径と第１，第２の凹部の内径との差の分だけで済むので、第１，第２の凹部のサイズも小さく抑えることが可能となる。これにより、位置決めに利用できるスペースが僅かしかない場合であっても、位置決めを確実に行うことができる。

また、本発明において、上記位置決め部材が、上記第１の部材および第２の部材に比べ硬度が大きい部材であることが好ましい。例えば、位置決め部材を鋼鉄製とし、第１，第２の部材を鉄製、アルミニウム合金製としたり、位置決め部材を鉄製とし、第１，第２の部材をアルミニウム合金製とすることが可能である。この構成によれば、位置決め部材の第１，第２の凹部への圧入に必要な力が比較的小さくて済み、位置決め作業を容易に行うことができる。

また、本発明は、第１の部材と第２の部材とを結合するにあたって、上記第１の部材に形成された第１の凹部と上記第２の部材に形成された第２の凹部との間に跨って配置される位置決め部材を用いて、上記第１の部材に対する第２の部材の位置決めを行うようにした結合方法であって、上記位置決め部材として、上記第１の部材および第２の部材に比べ大きな硬度を有する球状の部材を用い、上記第１の部材に対する第２の部材の位置決めを、上記位置決め部材を上記第１の凹部および第２の凹部に圧入して、上記第１の凹部および第２の凹部を塑性変形させることによって行うことを特徴としている。この本発明の結合方法によれば、上述した本発明の結合構造と同様の作用効果が得られる。

本発明の結合構造および結合方法によれば、第１，第２の部材の組み外し作業の容易性、再度の結合作業の容易性、および、再度の結合時の位置決め精度の確保を図ることができる。しかも、第１，第２の部材の組み外しおよび再度の結合の回数には関係なく、同じ効果を得ることができる。

本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照しながら説明する。

以下では、本発明を、車両用の内燃機関のシリンダヘッドとカムキャップとの結合構造に適用した実施形態について説明する。この実施形態では、内燃機関をツインカム直打式で１気筒当たり４バルブ構造とした例を挙げているが、他の形式の内燃機関にも、本発明は適用可能である。

まず、内燃機関のシリンダヘッドの概略構成について、図１、図２を参照して説明する。図１、図２は、実施形態に係る内燃機関のシリンダヘッドの概略構成を示しており、図１は平面図、図２は図１のＸ１−Ｘ１線断面の矢視図である。図１では、一気筒のみを図示しているが、内燃機関の気筒数は特に限定されるものではない。

図１、図２に示すように、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が設けられている。シリンダヘッド２は、例えば、アルミニウム合金等によって成形される。

吸気ポート３の燃焼室２ａ側開口は、吸気バルブ５により開閉される。吸気バルブ５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により開閉駆動される。また、排気ポート４の燃焼室２ａ側開口は、排気バルブ６により開閉される。排気バルブ６は、シリンダヘッド２に搭載される排気用カムシャフト８により開閉駆動される。

吸気用カムシャフト７には、吸気カム７ａが設けられている。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２つの吸気バルブ５，５に対応する位置にそれぞれ配置されている。同様に、排気用カムシャフト８には、排気カム８ａが設けられている。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２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。

吸気用カムシャフト７のジャーナル部７ｂは、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。具体的には、シリンダヘッド２の上部には、立壁のような台座２０が一体的に設けられている。台座２０は、吸気用カムシャフト７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、台座２０の上には、カムキャップ３０がボルト１５等により一体的に締結されている。これら台座２０およびカムキャップ３０によって、吸気用カムシャフト７のジャーナル部７ｂが挟まれた状態で回転自在に支持されている。同様に、シリンダヘッド２の上部に設けられた台座２０とカムキャップ３０とによって、排気用カムシャフト８のジャーナル部８ｂが挟まれた状態で回転自在に支持されている。なお、シリンダヘッド２とカムキャップ３０の結合の詳細については後述する。

両バルブ５，６は、とも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となっている。両バルブ５，６のステムエンド側には、バルブリフタ１１，１２が被せられている。そして、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。

また、シリンダヘッド２の凹状部底壁面２ｂ，２ｂとバルブリフタ１１，１２との間には、バルブスプリング９，１０が圧縮状態で配設されている。バルブスプリング９，１０の弾性力によって、両バルブ５，６が閉側（図中の上方向）に付勢されている。

そして、カムシャフト７，８の回転にともない、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。

次に、この実施形態の特徴であるシリンダヘッドとカムキャップとの結合について、図１〜図５を参照して説明する。図３〜図５は、シリンダヘッドとカムキャップとの結合部分を示しており、図３は図１のＸ２−Ｘ２線断面の矢視図、図４は図１のＸ３−Ｘ３線断面の矢視図、図５は図４のシリンダヘッドとカムキャップとの分解斜視図である。なお、図３〜図５では、吸気用カムシャフト７を支持するシリンダヘッド２とカムキャップ３０との結合部分を示しているが、排気用カムシャフト８の場合も同様となっている。以下では、吸気用カムシャフト７を支持するシリンダヘッド２とカムキャップ３０との結合について代表して説明することとする。

上述したように、シリンダヘッド２の上部に設けられる台座２０とカムキャップ３０とにより、吸気用カムシャフト７のジャーナル部７ｂが回転自在に支持されている。具体的には、台座２０の上面には断面半円状の凹部２１が設けられ、カムキャップ３０の下面には断面半円状の凹部３１が設けられている。これら半円状の両凹部２１，３１を向き合わせることによって、断面円形の貫通孔（カム孔）が形成される。このカム孔内に吸気用カムシャフト７のジャーナル部７ｂが挿通されるようになっている。そして、吸気用カムシャフト７のジャーナル部７ｂが、カム孔を構成する両凹部２１，３１の内面にすべり接触状態で支持されるようになっている。

シリンダヘッド２とカムキャップ３０とは、ボルト１５により一体的に結合されている。具体的には、シリンダヘッド２の台座２０には、その上面から下方へ向けて延びるねじ孔２２が形成されている。ねじ孔２２は、吸気用カムシャフト７の軸方向に直交する方向おいて凹部２１の両側にそれぞれ設けられている。

カムキャップ３０には、上下方向に貫通する挿通孔３２が形成されている。挿通孔３２は、上述した台座２０のねじ孔２２と対応する位置に設けられている。つまり、挿通孔３２は、吸気用カムシャフト７の軸方向に直交する方向おいて凹部３１の両側にそれぞれ設けられている。そして、カムキャップ３０の挿通孔３２にボルト１５が挿通され、さらにそのボルト１５がシリンダヘッド２の台座２０のねじ孔２２に締め付けられることで、シリンダヘッド２に対しカムキャップ３０が結合されている。

ここで、シリンダヘッド２の台座２０の所定の位置にカムキャップ３０を結合するために、シリンダヘッド２の台座２０に対するカムキャップ３０の位置決めが行われる。この実施形態では、位置決め部材としてのボール４０を用いて、シリンダヘッド２の台座２０に対するカムキャップ３０の位置決めを行うようにしている。以下、ボール４０によるシリンダヘッド２の台座２０とカムキャップ３０との位置決め（以下では、単に「位置決め」とも言う）について詳しく説明する。

シリンダヘッド２の台座２０の上面には、位置決め用の凹部２３が複数箇所（図４、図５では２箇所）に形成されている。凹部２３は、上方に向け開放された半球状に形成されている。凹部２３は、ねじ孔２２の近傍に設けられている。また、凹部２３は、吸気用カムシャフト７の軸方向に直交する方向おいて、上述した凹部２１の両側に１箇所ずつ設けられている。

カムキャップ３０の下面には、位置決め用の凹部３３が複数箇所（図４、図５では２箇所）に形成されている。凹部３３は、下方に向け開放された半球状に形成されている。凹部３３は、挿通孔３２の近傍に設けられている。また、凹部３３は、吸気用カムシャフト７の軸方向に直交する方向おいて、上述した凹部３１の両側に１箇所ずつ設けられている。

そして、台座２０の凹部２３とカムキャップ３０の凹部３３とは、互いに対応する位置に設けられている。具体的には、台座２０における凹部２１およびねじ孔２２に対する凹部２３の位置関係と、カムキャップ３０における凹部３１および挿通孔３２に対する凹部３３の位置関係とが一致している。これにより、シリンダヘッド２とカムキャップ３０の結合の際、台座２０とカムキャップ３０とを向き合わせると、半球状の凹部２３，３３が互いに向き合わせられ、これら凹部２３，３３により球状の空間が形成される。そして、この空間内に位置決め用のボール４０が収容されている。つまり、ボール４０が凹部２３，３３に跨って配置されている。具体的には、台座２０の凹部２３には、ボール４０の下半分の部分が圧入され、カムキャップ３０の凹部３３には、ボール４０の上半分の部分が圧入されている。

凹部２３，３３を構成するシリンダヘッド２の台座２０およびカムキャップ３０は、ボール４０の圧入により塑性変形することが可能な材料で形成されている。この実施形態では、シリンダヘッド２の台座２０およびカムキャップ３０は、アルミニウム合金製となっている。

ボール４０は、シリンダヘッド２の台座２０とカムキャップ３０との間に挟まれる球状の部材である。ボール４０は、１つのカムキャップ３０に対し凹部３３と同じ数だけ（図４では２つ）使用される。ボール４０は、凹部２３，３３を構成するシリンダヘッド２の台座２０およびカムキャップ３０に比べ硬度が大きい材料で形成されている。この実施形態では、アルミニウム合金製のシリンダヘッド２の台座２０およびカムキャップ３０に比べ大きな硬度を有する鋼球が、ボール４０として用いられている。

ボール４０は、位置決め前には（ここでは、再度の結合の場合を除く）、凹部２３，３３に比べ大きくなっている。つまり、ボール４０の直径φｃが凹部２３，３３の内径φａ，φｂに比べ大きくなっている（図６（ａ）参照）。例えば、ボール４０の直径φｃが、凹部２３，３３の内径φａ，φｂの約１２０％の大きさとなっている。このため、位置決めの初期段階では、ボール４０の全体が凹部２３，３３に収容されるのではなく、ボール４０の上下の一部分だけが凹部２３，３３に収容されるようになっている。また、このとき、ボール４０の表面全体が凹部２３，３３の内面に接しているのではなく、ボール４０の表面の一部だけが凹部２３，３３の内面に接するようになっている。そして、位置決めの初期段階では、シリンダヘッド２の台座２０の上面とカムキャップ３０の下面との間には、所定の隙間が存在することになる。

しかし、ボール４０と凹部２３，３３との大小関係は、位置決めの前後で変化する。具体的には、位置決めの際、シリンダヘッド２の台座２０に対し、カムキャップ３０が上方から押し付けられる。これにともない、ボール４０が凹部２３，３３に圧入される。このため、位置決めの前後において、ボール４０の直径φｃは変化しないのに対し、凹部２３，３３の内径φａ，φｂは変化する。つまり、位置決めの際、凹部２３，３３にボール４０が圧入される結果、凹部２３，３３が塑性変形される。この際、凹部２３，３３の変形は全体にわたってほぼ均等に起きるため、ボール４０の圧入により、凹部２３，３３が拡径されることになる。

そして、シリンダヘッド２の台座２０の上面にカムキャップ３０の下面が接するまで、カムキャップ３０が押し付けられると、凹部２３，３３が最大限に塑性変形される。つまり、ボール４０の圧入により、凹部２３，３３の内径φａ，φｂがボール４０の直径φｃと同じになるまで、凹部２３，３３が拡径される（図６（ｃ）参照）。

この状態では、ボール４０の全体が凹部２３，３３に収容されており、ボール４０の表面全体が凹部２３，３３の内面に密着されている。このように、ボール４０が凹部２３，３３に収容されている状態では、シリンダヘッド２の台座２０におけるカムキャップ３０の位置が変化することはない。つまり、ボール４０による位置決めが可能となる。そして、この状態で、ボルト１５が締め付けられ、シリンダヘッド２の台座２０に対しカムキャップ３０が結合される。

ここで、シリンダヘッド２とカムキャップ３０とを結合する手順の詳細について、図６を参照しながら説明する。

この実施形態のシリンダヘッド２とカムキャップ３０の結合方法は、シリンダヘッド２の所定の位置にカムキャップ３０を位置決めする位置決め工程（図６（ａ）〜（ｃ））と、シリンダヘッド２にカムキャップ３０を結合する結合工程（図６（ｄ））とを含んでいる。

位置決め工程を行うにあたっては、シリンダヘッド２とカムキャップ３０とを用意し、シリンダヘッド２とカムキャップ３０に対し位置決め工程および結合工程を行うのに必要な加工を施しておく（加工工程）。例えば、シリンダヘッド２の台座２０のねじ孔２２の加工、カムキャップ３０の挿通孔３２の加工や、吸気用カムシャフト７を支持するカム孔を構成する台座２０の凹部２１およびカムキャップ３０の凹部３１の粗加工が行われる。また、合わせ面となる台座２０の上面およびカムキャップ３０の下面を平坦に研磨する加工、プレス加工の押圧面（加圧面）となるカムキャップ３０の上面を平坦に研磨する加工などが行われる。

また、この実施形態では、台座２０の上面への半球状の凹部２３の加工と、カムキャップ３０の下面への半球状の凹部３３の加工とが行われる。この際、凹部２３，３３の内径φａ，φｂは、ほぼ同じ径となるように加工され、また、位置決めに使用されるボール４０の直径φｃに比べ小さい径となるように加工される。このように、凹部２３，３３は、位置決め部材であるボール４０の半分の部分の相似形状で、若干だけ小さいサイズに加工される。

そして、位置決め工程では、まず、図６（ａ）に示すように、位置決め用のボール４０を用意し、シリンダヘッド２の台座２０とカムキャップ３０との間にボール４０をセットする（セッティング工程）。この際、１つのカムキャップ３０に対しボール４０が２つ用意される。具体的には、ボール４０の下部を台座２０の凹部２３に嵌め込み、さらにカムキャップ３０をボール４０の上側に被せる。このとき、ボール４０の上部をカムキャップ３０の凹部３３に嵌め込ませる。この段階では、ボール４０の直径φｃが凹部２３，３３の内径φａ，φｂに比べ大きいため、台座２０の上面とカムキャップ３０の下面とは接していない。台座２０の上面とカムキャップ３０の下面とは、ボール４０を挟んで対向して配置される。

次に、図６（ｂ）に示すように、シリンダヘッド２の台座２０に対しカムキャップ３０を上方から下向きに押圧（加圧）するプレス加工を行う（プレス工程）。プレス加工は、例えばハンドプレスなどにより行うことが可能である。プレス加工により、カムキャップ３０の上面が下向きに押圧されると、ボール４０が凹部２３，３３に圧入される。ボール４０の圧入にともなって、凹部２３，３３が塑性変形され、拡径される。このとき、シリンダヘッド２およびカムキャップ３０がアルミニウム合金製なのに対しボール４０が鋼鉄製であり、半球状の凹部２３，３３に対しボール４０を圧入するため、凹部２３，３３がスプリングバックをほとんど起こさずに塑性変形しやすくなっている。

プレス加工により台座２０の上面とカムキャップ３０の下面とが徐々に近付いていくが、図６（ｃ）に示すように、シリンダヘッド２の台座２０の上面にカムキャップ３０の下面が接すると、位置決め工程が完了する。すなわち、凹部２３，３３が塑性変形して、凹部２３，３３の内径φａ，φｂがボール４０の直径φｃと同じ径に拡径する。このとき、ボール４０によってシリンダヘッド２の台座２０の上でのカムキャップ３０のスライド移動が阻止されるため、台座２０の所定の位置にカムキャップ３０が位置決めされる。

このように、ボール４０を用いて位置決めを行った状態で、次に、結合工程を行う。図６（ｄ）に示すように、ボルト１５を締め付け、シリンダヘッド２の台座２０にカムキャップ３０を結合する。そして、台座２０にカムキャップ３０を結合した状態で、吸気用カムシャフト７を支持するカム孔を構成する台座２０の凹部２１およびカムキャップ３０の凹部３１の仕上げ加工（真円加工等）などを行う。

また、シリンダヘッド２に吸気用カムシャフト７を組み付けるには、上記のような手順で結合したシリンダヘッド２およびカムキャップ３０に、カム孔の真円加工を施した後、一旦組み外す。そして、吸気用カムシャフト７をシリンダヘッド２の所定の位置にセットし、次に、ボール４０を用いてシリンダヘッド２に対するカムキャップ３０の位置決めを行う。このとき、凹部２３，３３が既に塑性変形しているため、ボール４０を凹部２３，３３に圧入させる必要はなく、単に嵌め込めばよい。そして、位置決めの完了後、ボルト１５を締め付けて両者２，３０を再び結合する。なお、このようなシリンダヘッド２とカムキャップ３０との組み外しおよび再度の結合は、内燃機関１の性能試験等を行う場合にも、その都度行われる。

この実施形態によれば、シリンダヘッド２に対するカムキャップ３０の位置決めにボール４０を用いるので、次のような効果が得られる。

上述したように、ボール４０の圧入により凹部２３，３３が塑性変形されると、ボール４０の表面と凹部２３，３３の内面とが隙間なく嵌め合わされるので、シリンダヘッド２に対するカムキャップ３０の合わせ面に沿った方向への移動がほとんど不可能となる。これにより、カムキャップ３０がシリンダヘッド２に対してほとんど位置ずれを起こすことがないため、シリンダヘッド２とカムキャップ３０との結合の際、高精度な位置決めが可能となる。また、シリンダヘッド２とカムキャップ３０とを結合した後、吸気用カムシャフト７を支持するカム孔の真円加工などを行う際にも、位置決めの精度が保証されるので、カム孔の真円加工の精度を向上させることができる。そして、この真円加工の精度の向上にともなって、吸気用カムシャフト７の回転時のフリクションを低減することができ、その結果、燃費低減に貢献できる。

また、鋼球であるボール４０をアルミニウム合金製のシリンダヘッド２およびカムキャップ３０の凹部２３，３３に圧入させればよいので、ボール４０の圧入に必要な力が比較的小さくて済み、簡単なプレス加工によって位置決め作業を容易に行うことができる。この際、半球状の凹部２３，３３に対しボール４０を圧入させる構成のため、ボール４０の直径φｃと凹部２３，３３の内径φａ，φｂとの差の分だけ凹部２３，３３を変形させればよく、ボール４０の圧入に必要な力が小さくて済む。また、ボール４０の圧入荷重が凹部２３，３３の内面のほぼ全体で受け止められるので、その荷重が効率的に凹部２３，３３の内面のほぼ全体に伝えられ、凹部２３，３３が全体的にほぼ均等に変形されることになる。このため、凹部２３，３３の変形に要する力、つまり、ボール４０の圧入に必要な力が小さくて済む。

ところで、従来例で挙げたノックピン等の場合、強度確保のために所定のサイズ（外径）以上のノックピン等を用いる必要がある。しかし、カムキャップ３０には位置決めに利用できるスペースは僅かしかなく、ノックピン等を用いることは実際には難しい。これに対し、この実施形態では、ボール４０は、円筒形状の部材に比べ強度的に優れているため、そのサイズを小さく抑えることが可能となる。また、位置決めの際、凹部２３，３３の変形量は、ボール４０の直径φｃと凹部２３，３３の内径φａ，φｂとの差の分だけで済むので、凹部２３，３３のサイズも小さく抑えることが可能となる。これにより、位置決めに利用できるスペースが僅かしかない場合であっても、位置決めを確実に行うことができる。

さらに、結合されたシリンダヘッド２とカムキャップ３０とを組み外す作業を、従来例で挙げたノックピン等の場合と比べて極めて容易に行うことができる。上述したように、位置決めの際にボール４０の圧入により凹部２３，３３が塑性変形される結果、カムキャップ３０をシリンダヘッド２から取り外すとき、凹部２３，３３によるボール４０への拘束力がほとんど作用しないようになる。これにより、強力な力を要することなく、また、専用の治具を必要とすることなく、極めて簡単にシリンダヘッド２とカムキャップ３０とを組み外すことができる。

また、組み外したシリンダヘッド２とカムキャップ３０とを再び結合する作業を、従来例で挙げたノックピン等の場合と比べて容易に行うことができ、しかも、再度の結合時には、組み外しを行う前の（元の結合時の）シリンダヘッド２に対するカムキャップ３０の位置決め精度を確保することができる。

詳細には、初回の結合時の位置決めの際、凹部２３，３３が塑性変形されるので、再度の結合時（２回目以降の結合時）の位置決めの際には、凹部２３，３３を変形させる必要がなくなる。したがって、再度の結合時の位置決めの際には、ボール４０を凹部２３，３３に嵌め込むだけでよく、プレス加工によってボール４０を凹部２３，３３に圧入させる必要がない。これにより、再度の結合時の位置決めがシリンダヘッド２とカムキャップ３０との間にボール４０をセットするだけの単純なものとなり、シリンダヘッド２とカムキャップ３０とを再び結合する作業が容易になる。

そして、再度の結合時には、ボール４０の圧入をともなわないため、元の結合時と同じ状態でボール４０が凹部２３，３３に嵌め込まれ、ボール４０の表面が凹部２３，３３の内面に隙間なく嵌め合わされることになる。これにより、再度の結合時の位置決めが、元の結合時の位置決めと同じ状態で行われることになる。その結果、再度の結合時には、元の結合時の位置決めを再現することができ、位置決め精度の悪化を防ぐことができる。

したがって、以上より、シリンダヘッド２とカムキャップ３０との組み外し作業の容易性、再度の結合作業の容易性、および、再度の結合時の位置決め精度の確保を図ることができる。しかも、シリンダヘッド２とカムキャップ３０との組み外しおよび再度の結合の回数には関係なく、同じ効果を得ることができる。

−他の実施形態−
以上、本発明の実施形態について説明したが、ここに示した実施形態は一例であり、さまざまに変形することが可能である。

シリンダヘッド２は、台座２０を構成するカムシャフトハウジングを別体として備えるものであってもよい。つまり、シリンダヘッド２を、シリンダヘッド本体とカムシャフトハウジングとの分割構造としてもよい。

本発明の適用対象として挙げた内燃機関におけるシリンダヘッド２とカムキャップ３０の結合は一例であって、本発明はさまざまな箇所に適用可能である。例えば、内燃機関におけるシリンダブロックとクランクキャップとの結合、コネクティングロッドとコネクティングキャップとの結合などにも、本発明は適用可能である。また、内燃機関以外にも、さまざまな対象に本発明は適用可能である。

位置決め部材、凹部の構成材料、形状、数、設置箇所などは一例であって、さまざまに変更可能である。

例えば、位置決め部材の材料および位置決め部材を圧入させる第１，第２の部材（上記実施形態では、シリンダヘッド２およびカムキャップ３０）の材料は、第１，第２の部材に比べ位置決め部材の硬度が高ければ、上記以外であってもよい。例えば、位置決め部材を鋼鉄製とし、第１，第２の部材を鉄製としたり、位置決め部材を鉄製とし、第１，第２の部材をアルミニウム合金製とすることが可能である。上記実施形態では、シリンダヘッド２およびカムキャップ３０はアルミニウム合金製とされるため、位置決め部材として鉄球を用いてもよい。また、例えば、コネクティングロッドとコネクティングキャップとの結合の場合、コネクティングロッドおよびコネクティングキャップは鋳鉄製とされるため、位置決め部材としては鋼球を用いることが好ましい。

また、位置決め部材の形状は、位置決めを容易に行うことが可能な形状であれば、球状以外であってもよい。例えば、位置決め部材の形状は、中間部分が膨らみ、先端部分が絞られるような形状であることが好ましい。詳細には、位置決め部材の形状は、位置決めを行ったときに第１，第２の部材の合わせ面からその垂直方向に遠ざかるほど先細りするような形状（径が絞られる形状）であることが好ましい。一方、第１，第２の部材の凹部は、位置決め部材の半分の部分の相似形状で、若干だけ小さいサイズとすることが好ましい。例えば、位置決め部材の半分の各部分をともに円錐形状とし、第１，第２の部材の各凹部をともに円錐形状とすることが可能である。なお、位置決め部材の凹部への圧入をほぼ均等に行うには、位置決め部材の形状は、合わせ面について対称的な形状であることが好ましい。

さらに、位置決め部材および凹部の数は、２つ以上であれば、適用対象に応じて適宜変更可能である。また、位置決め部材および凹部を設ける箇所についても、適用対象に応じて適宜変更可能である。

上記実施形態では、位置決め部材の凹部への圧入をプレスにより一方向から（上記実施形態では上方から）押し付けて行う場合について説明したが、このプレスを両方向から（例えば上下から）挟み付けるようにして行ってもよい。また、上記実施形態では、プレスにより位置決め部材の凹部への圧入を行った後、ボルトの締め付けを行う場合について説明したが、プレスを行わず、ボルトを締め付けるとともに、位置決め部材を凹部へ圧入して、凹部を塑性変形させるようにしてもよい。つまり、ボルトの締め付けによる第１，第２の部材の結合と、そのボルトの締め付けにともなう位置決め部材の凹部への圧入による第１，第２の部材の位置決めとを同時に行うようにしてもよい。

実施形態に係る内燃機関のシリンダヘッドの概略構成を示す平面図である。 図１のＸ１−Ｘ１線断面の矢視図である。 図１のＸ２−Ｘ２線断面の矢視図である。 図１のＸ３−Ｘ３線断面の矢視図である。 図４のシリンダヘッドとカムキャップとの分解斜視図である。 シリンダヘッドとカムキャップとの結合手順を説明するための図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ シリンダヘッド
７ 吸気用カムシャフト
８ 排気用カムシャフト
１５ ボルト
２０ 台座
２２ ねじ孔
２３ 凹部
３０ カムキャップ
３２ 挿通孔
３３ 凹部
４０ ボール

Claims (8)

1. 第１の部材に形成された第１の凹部と第２の部材に形成された第２の凹部との間に跨って配置される位置決め部材により、上記第１の部材に対する第２の部材の位置決めを行って、上記第１の部材と第２の部材とを結合する結合構造であって、
   上記第１の部材に対する第２の部材の位置決めは、上記位置決め部材の上記第１の凹部および第２の凹部への圧入により、上記第１の凹部および第２の凹部が塑性変形されることによって行われることを特徴とする結合構造。
2. 請求項１に記載の結合構造において、
   上記位置決め部材が、球状の部材であることを特徴とする結合構造。
3. 請求項２に記載の結合構造において、
   上記第１の凹部および第２の凹部が、半球状に形成されていることを特徴とする結合構造。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の結合構造において、
   上記位置決め部材が、上記第１の部材および第２の部材に比べ硬度が大きい部材であることを特徴とする結合構造。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の結合構造において、
   上記第１の部材が、内燃機関に備えられるシリンダヘッドであり、
   上記第２の部材が、上記シリンダヘッドに取り付けられるカムキャップであることを特徴とする結合構造。
6. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の結合構造において、
   上記第１の部材が、内燃機関に備えられるシリンダブロックであり、
   上記第２の部材が、上記シリンダブロックに取り付けられるクランクキャップであることを特徴とする結合構造。
7. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の結合構造において、
   上記第１の部材が、内燃機関に備えられるコネクティングロッドであり、
   上記第２の部材が、上記コネクティングロッドに取り付けられるコネクティングキャップであることを特徴とする結合構造。
8. 第１の部材と第２の部材とを結合するにあたって、上記第１の部材に形成された第１の凹部と上記第２の部材に形成された第２の凹部との間に跨って配置される位置決め部材を用いて、上記第１の部材に対する第２の部材の位置決めを行うようにした結合方法であって、
   上記位置決め部材として、上記第１の部材および第２の部材に比べ大きな硬度を有する球状の部材を用い、
   上記第１の部材に対する第２の部材の位置決めを、上記位置決め部材を上記第１の凹部および第２の凹部に圧入して、上記第１の凹部および第２の凹部を塑性変形させることによって行うことを特徴とする結合方法。

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