JP2011220266A - カムシャフト - Google Patents

Abstract

【課題】組立式カムシャフトを得るに際して、その構成部材の変形量を抑制する。
【解決手段】本発明に係るカムシャフト１０は、シャフト本体２４と、該シャフト本体２４が貫通して嵌まる貫通孔２８を有する連結部３０および互いに離されて該連結部３０と一体化された複数のカム部３２を有する駆動部材２６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの吸気弁および／または排気弁を開閉動作させるためのカムシャフトに関する。

従来、自動車等に用いられるエンジンでは、吸排気弁を所定のタイミングで開閉させるべく、カムシャフトが用いられている。カムシャフトは、一般に、単一のシリンダあるいは複数のシリンダ用に複数のカムを備え、エンジンのシリンダヘッドとヘッドカバーとの間に区画形成された動弁室に回転可能に支持される。カムシャフトを回転自在に支持するために滑り軸受や転がり軸受を用いることが可能である。

また、カムシャフトとしては、例えば別々に製造されたシャフト本体とカム部材とを組み立てる（結合する）ことによって得られる組立式カムシャフトが知られている。

他方、特許文献１は、素材鋼管に塑性加工を施してカムシャフト粗材を製造することを開示する。カムシャフトの最終仕上げ形状に近似した形状を備えたカムシャフト粗材には、カムシャフトを回転させるためのスプロケットを装着するためのスプロケット取付ピースが、カムシャフト粗材を拡管することによって固定される。

特開２０００−１９２８０５号公報

ところで、既知の組立式カムシャフトでは、１つのカム部材は１つのカムないしカムロブに対応付けられているので、カム部材をシャフト本体に固定するとき、それらの間の接触面積は概ね限定される。それ故、カム部材をシャフト本体に取り付けるためには、それらの変形量を大きくすることが必要であった。

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、組立式カムシャフトを得るに際して、その構成部材の変形量を抑制することにある。

本発明に係るカムシャフトは、シャフト本体と、該シャフト本体が貫通して嵌まる貫通孔を有する連結部および互いに離されて該連結部と一体化された複数のカム部を有する駆動部材とを備えていることを特徴とする。

好ましくは、上記駆動部材は転がり軸受の転動体が接触する面を含む。その面は複数のカム部の間に定められるとよい。

本発明に係る第１実施形態のカムシャフトの取付状態を示す概略図である。 図１のカムシャフトの駆動部材を示す図である。 図１のカムシャフトの組み立てを説明するための図である。 駆動部材がシャフト本体に取り付けられた図１のカムシャフトを示す図である。 図１のカムシャフトに転がり軸受が取り付けられた状態を示す図である。 本発明に係る第２実施形態のカムシャフトの取付状態を示す概略図である。 別の駆動部材を示す図である。 さらに別の駆動部材を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態が添付図面に基づいて説明される。まず、第１実施形態が説明される。

まず、第１実施形態のカムシャフト１０が適用される内燃機関（エンジン）に関して簡単に説明する。図示しないが、エンジンでは、既知の如く、吸気系から吸気弁を介して導かれた空気と燃料噴射弁から噴射された燃料との混合気を燃焼室で燃焼させて、シリンダ内でピストンを往復動させて、クランクシャフトを回転させる。そして、燃焼室での混合気の燃焼により生じた排気ガスは、排気弁を介して排気系から排出される。

このエンジンには、吸気弁を開閉動作させる吸気側カムシャフトと、排気弁を開閉動作させる排気側カムシャフトとが搭載される。これらの各々としてカムシャフト１０が用いられる。以下、両カムシャフトはここでは概ね同じ構成を備えるので、一方のカムシャフト１０に関してより詳細に説明する。

カムシャフト１０は、エンジンのシリンダヘッド１２とヘッドカバーとの間に区画形成された動弁室１４に回転可能に支持される。カムシャフトは、カムキャリアまたはシリンダヘッド１２に回転可能に支持され得るが、ここではシリンダヘッド１２に支持される。

図１に示すように、カムシャフト１０は、シリンダヘッド１２に形成されたブラケット１６（固定支持部材）と、ブラケット１６にボルト等の固定手段を用いて取り付けられたカムキャップ１８（キャップ部材）との間に挟持される。ブラケット１６とカムキャップ１８とが転がり軸受２０を介してカムシャフト１０を支持するので、カムシャフト１０は回転自在にされる。なお、図１はカムシャフト１０の支持構造を模式的に表していて、図１ではカムシャフト１０の本発明に関する特徴的な部分のみが簡単に表されている。例えば、図１では、カムシャフト１０の端部に取り付けられるスプロケットは省略されている。

カムシャフト１０は、クランクシャフトにより図示していないタイミングチェーン（あるいはタイミングベルト）を介して回転駆動される。タイミングチェーンは、ピストンの往復動作に同期させて吸排気弁を開閉させるべく該カムシャフトを回転させるためのスプロケットに巻き掛けられている。

なお、このエンジンでは、吸気弁と排気弁とはそれぞれ１つのシリンダ当たり２つずつ設けられているが、それぞれ１つのシリンダ当たり１つまたは３つ以上設けられてもよい。なお、当該エンジンでは、吸気側カムシャフトと吸気弁との間および排気側カムシャフトと排気弁との間にロッカアームが配設されていないが、そのようなロッカアームが用いられてもよい。また、吸気側カムシャフトと排気側カムシャフトとが一体とされ、単一のカムシャフトが、吸気弁および排気弁を開閉動作させるために用いられてもよい。また、本実施形態では、１つのカムシャフト１０は複数のシリンダのために複数のカム２２を備えるが、単一のシリンダのための複数のカム２２のみを備えてもよい。また、カムシャフト１０には、その他種々の部材が設けられてもよい。

カムシャフト１０は、組立式カムシャフトとして構成されている。カムシャフト１０は、シャフト本体２４と、駆動部材２６とを備えて構成されていて、これらを組み立てることにより得られる。

駆動部材２６は、カムシャフト１０のカム２２を構成する部材である。駆動部材２６は、貫通孔２８を有する連結部３０と、該連結部３０に一体化されたカム部３２とを備えている。ここでは、連結部３０とカム部３２とは当初から焼結鋳造あるいは鍛造等により一体的に構成されている。連結部３０およびカム部３２とは別体として構成されて、嵌合、溶接等の種々の機械的結合方法および化学的結合方法を用いて一体とされてもよい。

カム部３２は、１つの連結部３０に２つ備えられている。これは、上述のように１つのシリンダあたり吸気弁と排気弁とはそれぞれ２つずつ配置されていることに対応している。つまり、１つの駆動部材２６は１つのシリンダの２つの弁用の２つのカム部３２を備えている。なお、カム部３２は一般のカムシャフトのカムに対応する。２つのカム部３２はそれぞれ連結部３０の両端部に位置付けられ、互いに離されている。したがって、駆動部材２６は、貫通孔２８の軸線方向において、カム部３２の幅ａの２倍を超える幅ないし長さを有する。好ましくは、図２に示すように、駆動部材２６はカム部３２の幅ａに対して３倍〜５倍の長さの幅ｂを有する。なお、各カム部３２は、吸気弁や排気弁を駆動するために形作られているので、凸面３２ａを有する。

連結部３０の貫通孔２８は、そこにシャフト本体２４が貫通して嵌まることができるようにシャフト本体２４の外形および寸法に対応した形状および大きさを有する。ここでは、貫通孔２８の形状および大きさはシャフト本体２４の外形および寸法に対して小さく作られている。これは、後述するように、駆動部材２６がシャフト本体２４に焼き嵌めによって取り付け固定されるからである。

シャフト本体２４は、図１では単なる丸棒として描かれているが、複数の段部が備えられてもよい。また、シャフト本体２４は中実部材として構成されているが、中空部材として構成されてもよい。シャフト部材２４が中空部材として構成されるとき、それはエンジンの軽量化に寄与し得る。

ここで、シャフト本体２４と駆動部材２６との組み立てに関して説明する。まず駆動部材２６は、第１所定温度以上かつ第２所定温度以下の温度にまで加熱される。好ましくは、駆動部材２６は、２００℃以下の温度にまで加熱される。駆動部材２６がそのような温度にまで加熱されている状態で、駆動部材２６の貫通孔２８にシャフト本体２４が押圧挿入される（図３参照）。この押圧挿入は、駆動部材２６をシャフト本体２４の所定位置に位置付けるまで行われる。この押圧挿入時、駆動部材２６は２００℃以下の温度を有し、シャフト本体２４は例えば２０℃といった室温ないしは常温を有することが望ましい。こうして駆動部材２６にシャフト本体２４を嵌合して、シャフト本体２４に駆動部材２６を一体的に固定することができる。本実施形態では、シリンダは２つ備えられているので、１つのクランクシャフト１０に２つの駆動部材２６が備えられる。それ故、図４に示すように、２つの駆動部材２６がシャフト本体２４に取り付けられる。

このようにしてシャフト本体２４に駆動部材２６が取り付けられる。このとき、上記の如く駆動部材２６の幅ｂはカム部３２の幅ａの３〜５倍の長さであるので、仮に駆動部材２６が１つのカム部３２のみで構成されてシャフト本体２４に取り付けられる場合に比して、シャフト本体２４と駆動部材２６との間に十分に大きな接触領域を確保できる。したがって、そのような場合に比して、駆動部材２６をシャフト本体２４に取り付けるときに、それらの焼き嵌めないしは締まり嵌めの程度を緩やかにすることができる。つまり、そのような場合に比して、駆動部材２６の貫通孔２８の形状および大きさ（内寸）と、シャフト本体２４の外形および寸法との差を小さくすることができる。したがって、駆動部材２６をシャフト本体２４に取り付けるとき、駆動部材２６を非常に高温にまで加熱する必要がない。故に、駆動部材２６のシャフト本体２４への取り付け作業により、駆動部材２６やシャフト本体２４に歪や反りが生じたり、それらに硬度低下が生じたりすることを抑制できる。また、これにより、カムシャフト１０を組み立てた後に行われる、そのような歪や反り等に起因する加工工程の全部または一部を省くことが可能になり、製造コストを削減することが可能になる。

ただし、組み立てられたカムシャフト１０において、駆動部材２６のシャフト本体２４に対するスリップトルクが規定スリップトルク以上になるように、駆動部材２６の貫通孔２８の形状および大きさは、シャフト本体２４の外形および寸法に対して相互に関係付けられる。なお、駆動部材２６は鋳鉄材、焼結材、浸炭材、炭素鋼等の種々の材料から作製可能である。ただし、駆動部材２６は、熱処理後、ビッカース硬さで５５０Ｈｖ以上の硬さを有することが望ましい。

そして、２つの駆動部材２６およびシャフト本体２４が一体的にされたカムシャフト１０に転がり軸受２０が図５に示すように取り付けられる。本第１実施形態では、転がり軸受２０は、転がり軸受２０間に駆動部材２６が挟まれるように、シャフト本体２４の所定位置に取り付けられる。転がり軸受２０は分割型軸受である。しかし、転がり軸受２０が非分割型軸受であってもよい。転がり軸受２０は、外輪２０ａと、複数のコロ（転動体）２０ｂとを備える。転がり軸受２０は内輪を備えておらず、シャフト本体２４上を直接的にコロ２０ｂが転がるように構成されている。このように、シャフト本体２４は、転がり軸受２０のコロ２０ｂが接触する面（転がり面）２４ａを含み、転がり軸受２０の内輪としての機能を発揮するのに足りる材料から作られ、所定の機械的強さを有する。なお、転がり軸受２０はグリース封入型であってもよい。また、転がり軸受２０は内輪を備えてもよい。また、転がり軸受２０は１つのカムシャフト１０に１つあるいは複数個備えられてもよい。また、転がり軸受２０の転動体は、コロ以外に、ニードル、玉であってもよい。なお、転がり軸受２０は、カムシャフト１０の一部とみなされ得る。

次に、本発明に係る第２実施形態のカムシャフト１００が説明される。だだし、カムシャフト１００は、上記カムシャフト１０に対して、駆動部材に直接的に転がり軸受が配置されるという特徴を有する。カムシャフト１００は、それ以外の点ではカムシャフト１０と概ね同じ構成を備え同様の効果を奏し、カムシャフト１０と同様の変更が適用され得る。それ故、以下では、カムシャフト１００に対する転がり軸受の設置位置およびそれに関するカムシャフト１００の構成に関して主に説明し、既に説明した構成要素に対応する構成要素には対応する符号を付して、重複する説明を省略する。

ブラケット１６とカムキャップ１８との間に、転がり軸受２０が介在された状態で、ブラケット１６とカムキャップ１８とによって駆動部材２６つまりカムシャフト１００は回転可能に支持される。転がり軸受２０は内輪を備えていないので、本第２実施形態では、駆動部材２６が転がり軸受２０の転動体が接触する面（転がり面）２６ａを含む。そして、そのような転がり軸受２０の転動体であるコロ２０ｂが接触可能な面２６ａは、カム部３２間の連結部３０の外表面に定められて形成される。

このように、駆動部材２６の外表面が転がり軸受２０の内輪としての機能を担うので、駆動部材２６は熱処理後、ビッカース硬さで７００Ｈｖ以上の硬さを有することが望ましい。なお、図６に示すように、シャフト本体２４が転がり軸受の内輪としての機能を担う必要がないので、シャフト本体２４は鋳鉄等の安価な材料で造ることが可能である。つまり、カムシャフト１００の製造コストを低減することができる。

以上、本発明を上記２つの実施形態に基づいて説明したが、種々の変更が可能である。例えば、１つの駆動部材に３つ以上のカム部が備えられてもよい。そして１つの駆動部材における複数のカム部の凸面の向きはそれぞれで異なってもよい。また、例えば、カムシャフトの軽量化を図るため、図７に示すように、駆動部材２６ａの連結部３０ａを細くして、連結部３０ａの外面とカム部３２ａとの間に段差が生じるようにすることができる。また、カムシャフトの軽量化を図るため、図８に示すように、駆動部材２６ｂのカム部３２ｂの幅を狭くし、連結部３０ｂに対して所望の位置にカム部３２ｂを位置付けることも可能である。なお、図８に示すように、カム部３２ｂは連結部３０ｂの端部に位置付けられなくてもよく、連結部３０の長さを上記スリップトルクを考慮して所望の長さにすることができる。

また、１つのカムシャフトには、１つあるいは３つ以上の駆動部材が備えられてもよい。また、上記実施形態では、シャフト本体と駆動部材との組立には焼き嵌めが採用された。しかし、他の方法がその代わりにまたはそれと共に採用されてもよい。例えば、他の嵌合、溶接、接着等の種々の機械的結合方法および化学的結合方法が採用されてもよい。それ故、例えば、駆動部材の貫通孔の形状および大きさは、シャフト本体の外形および寸法に対して小さくなくてもよい。また、カムシャフトを回転自在に支持するために滑り軸受が用いられてもよい。

以上、本発明を上記２つの実施形態およびその変形例に基づいて説明した。しかし、本発明は、それら実施形態等に限定されず、他の実施形態を許容する。本発明には、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が含まれる。したがって本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１０、１００ カムシャフト
２０ 転がり軸受
２４ シャフト本体
２６ 駆動部材
３０ 連結部
３２ カム部

Claims (3)

1. シャフト本体と、
   該シャフト本体が貫通して嵌まる貫通孔を有する連結部および互いに離されて該連結部と一体化された複数のカム部を有する駆動部材と
   を備えていることを特徴とするカムシャフト。
2. 前記駆動部材は転がり軸受の転動体が接触する面を含むことを特徴とする請求項１に記載のカムシャフト。
3. 前記面は前記複数のカム部の間に定められることを特徴とする請求項２に記載のカムシャフト。

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