JP2015025556A - ローラベアリング装着シャフト - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ある領域にローリングボディランニングフェース（３）として形成されたシャフト外表面を有するシャフトチューブ（２）を備えるとともに、熱的に接合された少なくとも１つの機能エレメントを備えたローラベアリング装着シャフト（１）に関するものである。【解決手段】本発明では、シャフトチューブ（２）が、溶接され、引き抜かれた管として形成され、０．４５質量％を超える炭素含有量を有していることが重要である。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに従った、ある領域がローリングボディランニングフェースとして形成されたシャフト外表面を有するシャフトチューブを備えたローラベアリング装着シャフトに関するものである。本発明は、また、そのようなローラベアリング装着シャフトをカムシャフトとして備えた内燃機関に関するものである。

組み込まれるカムシャフトのためには、今までのところ、通常、溶接引抜管が用いられ、それは、対応するスライドベアリングによって内燃機関に取り付けられる。溶接され、引き抜かれた管の使用は、ローラベアリングのローリングボディがシャフトの外表面に直接的に走るので、これまで、ローラベアリングが装着されて組み込まれるカムシャフト（roller-bearing-mounted and built camshafts）のためには用いることができず、これまでは、高炭素含有シームレス引抜管（seamlessly drawn tubes with a higher carbon content）によって必要な表面硬さの値、および耐摩耗性を達成することだけが可能であった。この場合には、ローリングボディランニングフェースを形成するシャフトの外表面は硬化させられる必要があり、０．４５質量％を超えるシャフトチューブの材料の炭素含有量が絶対的に必要であった。しかし、そのような高い炭素含有量を有する管は溶接することができなかった。

本発明は、したがって、一般的なタイプのローラベアリング装着シャフトのための改良された実施例を明示する問題に関し、それは、特に、コストエフェクティブで、同時にシャフトの高品質な製造を可能にする。

この課題は、独立請求項の主題による発明に従って解決される。有利な実施例は、従属請求項の主題を形成する。

本発明は、今や、シャフトチューブを備えたローラベアリング装着シャフトのための、溶接され、引き抜かれたシャフトチューブを用いるという概略的概念に基づき、それは、同様に、０．４５質量％を超える炭素含有量を有している。このステートメントは、もちろん、シャフトチューブの材料に関係する。新規な製造方法を用いて、高い炭素含有量のそのような溶接引抜管を作製し、それらを例えばカムシャフトに用いることが今や可能である。この溶接プロセスを可能にするために、特別な高周波誘導溶接方法が用いられる。従来のシームレス引抜管に比べて、本発明に従って溶接され、引き抜かれた管は、比較的高い炭素含有量の他に、非常に経済的で、コストエフェクティブな製造の可能性を提供する。同時に、内径および外径で達成可能な直径公差が縮小され得るので、品質も、また、増大する。これは、例えば、シャフトの内径の追加の機械加工無しに、シャフトにプラグを接合する可能性を引き起こす。同時に、内径と外径とのよりよい同心度も、また、引き起こされ、その結果、接合されたプラグのランアウトがより少なく、そして、続く機械加工のためのオーバーサイズが、より少なくしか必要とされない。ガイディングのために必要とされる内径の傾斜も、結果的により少なくされ得る。室温形成（room-temperature forming）（引き抜きプロセス）、および外径のより少ないオーバーサイズのグラウンディングが必要とされることによって、より少ないエッジのデカーボナイゼーションが行われることは、さらに特に有利である。より小さいグラインディングの許容によって、より少ない硬化浸入深さが、また、必要とされる。溶接チューブのより少ないエッジのデカーボナイゼーションは、より高い表面硬さに帰結する。

本発明に従った解法の有利な発展では、シャフトチューブは、０．０２５体積％より少ないリン含有量を有する。本発明のシャフトチューブでは、硫黄含有量も、また、０．０２５体積％より少なく制限される。硫黄含有量、およびリン含有量の両者の制限は、振動疲労強度（vibration fatigue strength）、および許容可能なヘルツィアンストレス（Hertzian stress）の増大に帰結する。

本発明に従った解法のさらに有利な実施例では、少なくともローリングボディランニングフェースの領域が焼き入れされ、特に高周波焼き入れされる。高周波焼き入れは、特に、部分的な領域すなわちシャフトチューブのシャフト外表面の限られた領域を、必要な焼き入れ温度に加熱し、そして、それらを冷却することを可能にする。さらに、断面全体は硬化（焼き入れ）されず、カムシャフトチューブのタフネスが保たれる。もし、未だ冷たいワークピースの残り、すなわち未だ冷たいシャフトの残りに熱が十分早く流れ込む場合には、冷却は、理論的には、全体に一様に分配され得る。例えばレーザ焼き入れによって行われ得る部分的な焼き入れによって、高い品質、および同時にコストエフェクティブなシャフトの焼き入れが可能である。高周波焼き入れの浸入深さは、ＡＣ電圧の周波数に依存する。電圧の周波数がより高いほど、浸入深さ、そして硬化浸入深さは浅くなる。加熱温度は、電流量、および供給される電流の継続時間によって影響され得る。しかし、サイクルタイムをできるだけ短く保ち、また、ワークピース全体の硬化を回避するためには、電流の供給期間は比較的短い。

本発明に従った解法の有利な発展では、シャフトチューブの壁厚は、２〜４ｍｍの間に、特に、３ｍｍより短くされる。薄い壁厚は、特に軽量なカムシャフトの設計を可能にする。

シャフトは、当を得て、カムシャフトとして、または調整可能なインナーシャフトを有するカムシャフト、またはバランスシャフトとして形成される。第１の場合には、そこに熱的に接合された機能エレメントは、たとえばカム、ベアリングリング、ポジショニングエイド、またはギアホイールとして形成され得る一方、第2の場合には、それらは、通常、バランスウェイトとして形成される。特に、ローラベアリング装着シャフトのカムシャフトとしての使用は、ベアリングをコストエフェクティブで、しかし非常に高い品質なように製造し得るという非常に大きな利点を提供する。

本発明のさらに重要な特徴、および利点は、従属請求項、図面、および図面を用いた図解の対応する記述に見出される。

上記の、および以下でさらに説明される特徴は、それぞれの場合に与えられる組み合わせで用いられるだけでなく、本発明の範囲を逸脱することなく、他の組み合わせ、または単独でも用いられ得ることは明らかである。

本発明の好ましい例示的実施例は、図示され、以下の記述でより詳細に説明される。

カムシャフトとして形成された本発明のローラベアリング装着シャフトの断面図である。

図１によれば、本発明のローラベアリング装着シャフト１は、いくつかの領域でローリングボディランニングフェース３として形成されたシャフト外表面を有するシャフトチューブ２を備えている。このケースでは、シャフト１は、カムシャフトとして形成され、そこに熱的に接合された複数のカム４を有している。もちろん、ベアリング、ポジショニングエイド、またはギアホイールなどの他の機能エレメントも、カム４に代えてシャフトチューブ２に熱的に接合され得る。例えば、もし、シャフト１がバランスシャフトとして形成されるなら、バランスウェイトとして形成された機能エレメントが、そこに設けられる。本発明では、シャフトチューブ２は、溶接され、引き抜かれた管として形成され、０．４５質量％を超える炭素含有量を有している。そこで、その外表面におけるシャフトチューブ２、すなわちローリングボディランニングフェース３の領域の硬化、特に高周波焼き入れが可能であり、そこで、まず第１に、シャフトチューブ２のローリングボディランニングフェース３上のローリングボディ５のウェアフリーローリング（wear-free rolling）を直接的に可能にする。このため、０．４５質量％を超える炭素含有量が必要であり、以前はそのようなチューブを溶接することは不可能だった。しかし、今や、新規な製造方法によって、０．４５質量％を超える炭素含有量を有する溶接引抜管を作製し、それを例えばカムシャフトとして用いることが可能である。そのために、高周波誘導溶接方法が用いられる。

本発明のシャフト１は、従来のシームレス引抜管を有するシャフトに比べて経済的、かつ、コストエフェクティブな製造という非常に大きな利点を提供する。さらに、シャフトチューブ２の外径および内径の両方で、よりよい直径公差が形成され得る。より低減された製造公差によって、追加加工なしに、シャフトチューブ２の内径にプラグを接合することも可能になる。さらに、シャフトチューブ２の外径に対する内径のよりよい同心度も、また、もたらされ得、接合されたプラグのより少ないランアウトがもたらされる。低減された公差、および低減されたエッジデカーボナイゼーションによって、続く機械加工のオーバーサイズ、特にグラインディングアロウアンスとして知られているものを低減することもできる。ガイディングに必要なシャフトチューブ２の内径の傾斜を小さくすることも可能になる。

概して、シャフトチューブ２は、０．０２５質量％未満のリン含有量および硫黄含有量を有している。そのような低いリンおよび硫黄含有量は、シャフトチューブの振動疲労強度、および許容可能なヘルツィアンストレスを増大させる。少なくとも、ローリングボディランニングフェース３の領域は、上記のように焼き入れ、例えば高周波焼き入れされ、５８ＨＲＣを超える表面硬さを有する。ローリングボディランニングフェース３の硬化によって、直接的に、ローリングボディ５、シャフト外表面上のローラベアリング６のウェアフリーローリングが可能であり、その結果、ローラベアリング６自体が簡素にされ得る。シャフトチューブ２の壁厚は、２〜４ｍｍの間である。

もちろん、シャフト１、特に、もしそれがカムシャフトとして形成される場合には、バランスシャフトと同様にして、モジュール中に接合され得、もちろん、また、カムシャフトが、固定されたカム４、および外シャフト、すなわち、このケースではシャフトチューブ２に、回転可能に取り付けられたカムに接合される内側の内シャフトを有することも考えられる。

１ ローラベアリング装着シャフト
２ シャフトチューブ
３ ローリングボディランニングフェース
４ カム
５ ローリングボディ
６ ローラベアリング

Claims (10)

1. ある領域にローリングボディランニングフェース（３）として形成されたシャフト外表面を有するシャフトチューブ（２）を備えるとともに、熱的に接合された少なくとも１つの機能エレメントを備えたローラベアリング装着シャフト（１）であって、
   シャフトチューブ（２）は、溶接され、引き抜かれた管として形成され、０．４５質量％を超える炭素含有量を有していることを特徴とするローラベアリング装着シャフト（１）。
2. 請求項１のローラベアリング装着シャフト（１）であって、
   上記シャフトチューブ（２）が、０．０２５質量％未満のリン含有量を有していることを特徴とするローラベアリング装着シャフト（１）。
3. 請求項１または請求項２のローラベアリング装着シャフト（１）であって、
   上記シャフトチューブ（２）が、０．０２５質量％未満の硫黄含有量を有していることを特徴とするローラベアリング装着シャフト（１）。
4. 請求項１から請求項３のうち何れか１項のローラベアリング装着シャフト（１）であって、
   少なくとも、ローリングボディランニングフェース（３）の領域が硬化、特に高周波焼き入れされていることを特徴とするローラベアリング装着シャフト（１）。
5. 請求項４のローラベアリング装着シャフト（１）であって、
   上記硬化されたローリングボディランニングフェース（３）が、５８ＨＲＣを超える表面硬さを有していることを特徴とするローラベアリング装着シャフト（１）。
6. 請求項１から請求項５のうち何れか１項のローラベアリング装着シャフト（１）であって、
   上記シャフトチューブ（２）の壁厚が、２〜４ｍｍの間、特に３ｍｍ未満であることを特徴とするローラベアリング装着シャフト（１）。
7. 請求項１から請求項６のうち何れか１項のローラベアリング装着シャフト（１）であって、
   上記シャフト（１）が、カムシャフト、特にアジャスタブルカムシャフトの外シャフトとして、またはバランスシャフトとして形成されていることを特徴とするローラベアリング装着シャフト（１）。
8. 請求項１から請求項７のうち何れか１項のローラベアリング装着シャフト（１）であって、
   上記機能エレメントが、カム（４）、ベアリングリング、ポジショニングエイド、ギアホール、またはバランシングウェイトであることを特徴とするローラベアリング装着シャフト（１）。
9. 請求項１から請求項８のうち何れか１項のローラベアリング装着シャフト（１）であって、
   上記シャフトチューブ（２）が、高周波誘導溶接で作製されていることを特徴とするローラベアリング装着シャフト（１）。
10. 請求項１から請求項９のうち何れか１項のカムシャフトとして形成されたシャフト（１）を備えた内燃機関であって、
    シャフトが、ローラベアリング（６）によって取り付けられ、
    そのローリングボディ（５）が、シャフト（１）のシャフト外表面上を直接転がることを特徴とするローラベアリング装着シャフト（１）。
    

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