JP2014084871A - 複合カム及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複合カムの機能性を向上させると共に、経済的な製造方法を実現する。
【解決手段】内燃機関に組み付けられるカム軸（２）のための複合カム（１）に少なくとも２つカム側面（３，４）を設け、少なくとも１つの第１カム側面（３）をスライド係合用に形成し、少なくとも１つの第２カム側面（４）を回転係合用に形成する。これにより、混合係合の複合カム（１）を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に組み付けられるカム軸のための複合カムに関する。本発明は、このような複合カムの製造方法にも関する。

一般に、複合カムは、切り替え可能なカム従動子のために使用される。この場合、第１切替段階において、複合カムの第１カム側面が係合され、第２切替段階において、第２カム側面が係合される。通常、周知の複合カムは、回転係合又はスライド係合のために設計されており、製造が比較的複雑で高価である。

本発明の目的は、複合カムのために、特に、機能性が向上し且つ製造方法が経済的な、改善された形態を提供することである。

上記目的は、本発明によると、独立請求項の主題によって達成される。有利な形態は、従属請求項の主題である。

本発明は、周知の複合カム自体を、スライド係合も回転係合も、すなわち、混合係合が可能なように発明に基づいて形成する、という基本概念に端を発するものである。したがって、本発明に係る内燃機関に組み付けられるカム軸のための複合カムは、少なくとも２つのカム側面を有し、これら少なくとも２つのカム側面のうち、第１カム側面はスライド係合用に形成され、少なくとも１つの第２カム側面は回転係合用に形成されている。本発明の構成により、個々のカム側面をそれぞれ異なる回転又はスライドの係合のために準備することのできる混合係合が初めて実現される。

第１カム側面は、特に、ＤＬＣコーティング（ダイヤモンド状炭素）によって被覆されていてもよい。ＤＬＣコーティングは、高い硬度、比較的高い耐摩耗性、低摩擦性を有し、これにより、カム軸の領域でのスライド係合に特に適している。通常、ＤＬＣコーティングは、損耗、摩擦及び腐食を低減する優れた特性を有するカーボンコーティングである。このようなＤＬＣコーティング又は一般的に他のコーティングを本発明の複合カムにできる限り経済的に適用することができるように、複合カムを鋳造すなわち鋳込み後、まず、機械的に、例えば、切断により後処理し、続いて、マスキング用積層ユニットに入れる。なお、このマスキング用積層ユニットは、複合カムの第２カム側面をそれぞれ覆うが第１カム側面だけをそれぞれ露出させるものである。したがって、積層ユニットにより、個々の複合カムがマスキングされる。続いて、積層ユニットにおいて、各複合カムの第１カム側面を例えば同時に被覆する。このとき、積層ユニットのマスキングは、コーティングが第２カム側面上にも形成されるのを防止している。これにより、本発明の複合カムは比較的経済的に被覆され、製造される。

本発明の複合カムは、第１カム側面の領域における金属構造が第２カム側面の領域における金属構造とは異なっていてもよい。したがって、このような複合カムを鋳造する場合、例えば、急冷用鉄を、鋳型、例えば砂型に入れることができ、この鉄は、複合カムの第１カム側面に接触し、これにより、この領域における複合カムを迅速に冷却することにより硬化させる。鋳造中に起こる、第１カム側面の領域における本発明の複合カムのこの硬化により、複合カムの硬化された場所はスライド係合のために準備される。

本発明の複合カムのさらなる代替形態において、複合カムは、第２カム側面の領域にスチール側面を有している。通常は、第２カム側面の領域において回転係合が行われ、回転係合は、摩耗負荷に関しては、スライド係合よりも顕著に低く等級付けできる。複合カムは、第２カム側面の領域に設けられたスチール側面により、この領域は回転係合のために簡単に準備される。この場合、スチール側面は、複合カムと熱によって接合されていても、又は、複合カムに機械的に押し付けられていてもよく、あるいは、各スチール側面を複合カムの鋳型に入れ、複合カムに鋳込成型するということも考えられる。いずれの代替形態でも、複合カムを、特に、個々のカム側面の配列の点でも非常に高品質で製造することができる。

少なくとも２つの複合カムが、溶接接合によって互いに接合されていてもよい。したがって、個々の既成の複合カムを、カム集合体にまとめることができ、例えば、摩擦溶接により互いに接合することができる。続いて、このようなカム集合体全体を、取付対象のカム軸へ押し、例えば、押し付ける。互いに溶接する前に、個々の複合カムは、当然、その角度位置に関して相対的に整列される。

本発明の解決手段のさらなる有利な形態では、特に、回転係合を非常に滑らかにできるように、複合カムの第２カム側面の領域が研磨されていてもよい。この領域を研磨することで、連続的且つ静かなカム従動が可能となり、このことは、内燃機関の支障のない動作のためにも有利である。

本発明のさらなる重要な特徴及び利点は、従属請求項、図面、及び、図面を参照したその図面の説明により明らかである。

上記及び以下でさらに説明する特徴は、それぞれ記載の組み合わせにおいてのみならず、他の組み合わせでも、又は、単独でも本発明の範囲を超えることなく使用可能であるということが分かる。

鋳型における本発明の実施形態に係る複合カムを概略的に示す断面図である。 マスキング用積層ユニットにおける複数の複合カムを概略的に示す断面図である。 カム軸に嵌められた本発明の実施形態に係る複合カムのさらなる一実施形態を概略的に示す断面図である。 カム軸無しの図３の構成を概略的に示す断面図である。 鋳込成型されたスチール側面を有する本発明の実施形態に係る複合カムを概略的に示す断面図である。 押し付け、又は、熱によって接合されたスチール側面を有する本発明の実施形態に係る複合カムを概略的に示す断面図である。 本発明の実施形態に係る複合カムを有するカム軸を概略的に示す断面図である。 調整可能なカム軸が嵌められた図７の概略断面図である。 カム軸の軸方向に移動可能な複合カムを示す概略断面図である。

本発明の好ましい実施形態を図に示し、以下で詳しく説明する。なお、同じ、類似、又は機能的に同じ構成部材には同じ参照番号を付す。

図１によると、残りの部分は図示されていない内燃機関に組み付けられるカム軸２のための本発明の実施形態に係る複合カム１は、少なくとも２つのカム側面３，４を有している。この場合、本発明の実施形態に係る複合カム１が混合係合（スライド及び回転の係合）に適するように、第１カム側面３はスライド係合用に形成され、一方で、第２カム側面４は回転係合用に形成されている。第１カム側面３及び第２カム側面４の領域において個々の負荷に対応するために、異なるカム側面３，４を有する本発明の実施形態に係る複合カム１の経済的な製造を可能にする複数の製造方法が以下で提案される。

図１によると、複合カム１は、例えば、鋳造部品として構成され、対応する鋳型５、例えば、砂型において鋳造される。この場合に第１カム側面３を両側の第２カム側面４よりも硬く形成できるように、鋳型５における第１カム側面３の領域に、急冷用鉄６を配置する。急冷用鉄６により、複合カム１の第１カム側面３の領域を鋳造中により迅速に冷却し、硬化させることができる。こうして硬化された第１カム側面３は、複合カム１を第１カム側面３の領域において後処理しなくても、そのカーバイド含有構造によりスライド係合に長期的に対応することができる。このように鋳造される複合カム１の材料として、特に、チルド鋳鉄が考えられる。チルド鋳鉄では、組成及び鋳造技術的な措置により、硬化の際に炭素は外部領域において炭化鉄として鉄原子と結合したままにし、その一方で、それ以外では、炭素は、グラファイトとして（少なくともラメラ又は球の形態で）鉄構造中に沈殿させることができる。チルド鋳鉄材料の急冷用鉄６との直接的な接触により、グラファイトの沈殿を防止する急速な冷却が起こる。外郭構造の形成後、中心部におけるさらなる硬化の速度は、ここではグラファイト凝結が生じ得る程度まで制限される。したがって、チルド鋳鉄によって２つの全く異なる構造からなる鋳造部品が製造され、この場合、外郭構造は、硬く、耐摩耗性があり、一方、中心部は、鋳鉄の良好な加工性を有している。その間に、多少の強度を有する移行ゾーンが生じる。硬化すなわち外郭構造形成は、ここでは、第１カム側面３の領域のみならず、第２カム側面４の領域においてもより弱く生じ、ただし、第２カム側面４の領域では、冷却速度は、鋳型５、例えば、砂型により、第１カム側面３の領域における急冷用鉄６に比べて低減されている。

第２カム側面４の領域において、複合カム１を、例えば、研磨し、続いて、誘導的に硬化させることができ、これにより、マルテンサイトが生じる。これに対して、第１カム側面３の領域においては、チルド鋳鉄により、レデブライト構造が形成され、この構造は、急冷用鉄６を用いるチルド鋳鉄の迅速な冷却により、液状段階から生じる。レデブライトは、各領域を液状段階まで溶かし、この段階から続いて迅速にチルドすることにより、後から生成されることもあり得る。したがって、マルテンサイト構造とは異なり、レデブライトの形成の際は、チルドされる開始温度のみが比較的高い。したがって、複合カム１は、第１カム側面３の領域に第２カム側面４とは異なる、つまり、より硬い金属構造を有している。参照符号１から４は、この場合、図２から図９にも有効である。

一般的に、複合カム１は、１つの部品で構成されていてもよく、例えば、複合カム１を、固形材料から鋳造方法によって製造することができ、その後、複合カム１を、機械的に、特に、切断して処理する。なぜならこの場合には複合カム１は、第１カム側面３だけでなく第２カム側面４においても同じ特徴を有しているので、第１カム側面３の領域をさらに加工することができ、例えば、被覆することができ、この場合、コーティング８として、ＤＬＣコーティング又は窒化が考えられる。これを経済的に行えるように、複数の複合カム１を、マスキング用積層ユニット７（図２参照）に入れることができ、積層ユニット７は、マスクを同時に形成し、第１カム側面３のみが被覆されるように複合カム１の各第２カム側面４を露出させる。窒化は、この場合、窒素を使用する表面硬化のための周知の方法である。ＤＬＣコーティングは、比較的高い硬度と高い耐摩耗性とを有する炭素層であり、特殊な化学ガス蒸着法により製造される。化学ガス蒸着では、微小結晶又はナノ結晶の層が生じ、これらの結晶層は、著しく低い摩擦係数を有し、これにより、スライド係合に特に適している。

図３及び図４を参照すると、本発明の実施形態に係る複合カム１は、複数の個々のカム部９ａ，９ｂ，９ｃを備えていてもよい、ということが分かる。個々のカム部９ａ，９ｂ，９ｃは、互いに溶接することができ、例えば、摩擦溶接接合、又は、レーザー溶接プロセスによって互いに接合することができる。これにより、特に、非常に異なる材料を互いに組み合わせる、例えば、被覆されたカム部と被覆されていないカム部とを組み合わせる、又は、構造若しくは硬度の異なる複数のカム部を組み合わせる可能性も生じる。カム軸２との接合は、例えば、熱による接合によって、又は、圧入、つまり、カム部をカム軸２へ押し付けることによって行われる。

一般的に、複合カム１は、個々のカム部９ａ，９ｂ，９ｃを例えば互いに溶接することにより、少なくとも２つのカム部９ａ，９ｂ，９ｃにより形成されていてもよい。この場合、カム部９ａ，９ｂ，９ｃの少なくとも１つは、焼結されていてもよく、又は、焼結プロセスによって製造されていてもよい。焼結により、特に、硬度及び強度を上げることができる。

図５によると、第２カム側面４の領域にスチール側面１０を備える本発明の実施形態に係る複合カム１が示されている。この場合、スチール側面１０は、複合カム１に鋳込成型されており、したがって、複合カム１から離れないように接合されている。このようなスチール側面１０により、本発明の実施形態に係る複合カム１の第２カム側面４の領域の後加工が不要になる。図６は、本発明の実施形態に係る複合カム１の類似の実施形態を示し、この実施形態では、スチール側面１０は、複合カム１の第２カム側面４の領域に、熱により接合され、又は、押し付けられている。

この場合、本発明の実施形態に係る複合カム１を、図７に例示するように、従来のカム軸２と周知の方法で接合することができ、図８に例示するように、調節可能なカム軸２と共に使用することも考えられる。この場合、複合カム１は、ピン１１を介して、カム軸２の内側シャフト１２に固定される。本発明の実施形態に係る複合カム１の実施形態は、カム軸２上での平行移動により調節可能に搭載されたカムとしても考えられる（図９参照）。この場合、ここでは、カム従動子１３は、カム軸２に沿った複合カム１の軸方向の移動により、全体のカム側面３，４に係合することができる。図９に基づく複合カム１の製造は、この場合、図１及び図２に記載の方法と同様である。

本発明の実施形態に係る複合カム１により、耐摩耗性があり製造が経済的な複合カム１を提供することができ、この複合カム１は、カム軸２のさまざまな形態に使用可能であり、混合係合が初めて可能となっている。

１ 複合カム
２ カム軸
３ カム側面
３ 第１カム側面
４ 第２カム側面
５ 鋳型
６ 急冷用鉄
７ 積層ユニット
８ コーティング
９ａ，９ｂ，９ｃ カム部
１０ スチール側面
１１ ピン
１２ 内側シャフト
１３ カム従動子

Claims (11)

1. 内燃機関に組み付けられるカム軸（２）のための複合カム（１）であって、
   前記複合カム（１）は、少なくとも２つのカム側面（３，４）を有し、
   少なくとも１つの第１カム側面（３）は、スライド係合用に形成され、
   少なくとも１つの第２カム側面（４）は、回転係合用に形成されている
   ことを特徴とする複合カム。
2. 請求項１に係る複合カムにおいて、
   前記第１カム側面（３）は、ＤＬＣコーティング（８）を備え、又は、窒化されている
   ことを特徴とする複合カム。
3. 請求項１に係る複合カムにおいて、
   前記第１カム側面（３）の領域は、前記第２カム側面（４）の領域とは異なる金属構造を有する
   ことを特徴とする複合カム。
4. 請求項３に係る複合カムにおいて、
   前記第１カム側面（３）の領域は、硬化されている
   ことを特徴とする複合カム。
5. 請求項４に記載の複合カムにおいて、
   鋳造部品として形成され、
   前記第１カム側面（３）の領域における前記金属構造は、急冷用鉄（６）を用いて鋳造中に硬化されている
   ことを特徴とする複合カム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の複合カムにおいて、
   前記第２カム側面（４）の領域は、研磨されている
   ことを特徴とする複合カム。
7. 請求項１に記載の複合カムにおいて、
   前記第２カム側面（４）の領域に、スチール側面（１０）を有している
   ことを特徴とする複合カム。
8. 請求項７に記載の複合カムにおいて、
   前記スチール側面（１０）は、
   前記複合カム（１）に熱により接合され、若しくは、押し付けられ、又は、
   前記複合カム（１）に鋳込成型されている
   ことを特徴とする複合カム。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の複合カムにおいて、
   少なくとも２つの複合カム（１）若しくは複数のカム部（９ａ，９ｂ，９ｃ）は、溶接接合により互いに接合され、及び／又は
   少なくとも２つのカム部（９ａ，９ｂ，９ｃ）は、互いに接合されて１つの複合カム（１）なる
   ことを特徴とする複合カム。
10. 請求項９に記載の複合カムにおいて、
    前記カム部（９ａ，９ｂ，９ｃ）の少なくとも１つは、焼結されている、又は、焼結プロセスにより製造されている
    ことを特徴とする複合カム。
11. 請求項２に記載の複合カム（１）を製造する方法であって、
    複合カム（１）を鋳造し、続いて、切断して加工し、
    複数の複合カム（１）を、第２カム側面（４）を被覆して第１カム側面（３）のみを露出させるマスキング用積層ユニット（７）へ入れ、
    前記積層ユニット（７）において、前記複数の複合カム（１）の各第１カム側面（３）を被覆する
    ことを特徴とする製造方法。

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