JP2015137598A - カムシャフトの組み立て方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シャフトの軸方向の歪みを抑えつつ、カムピースとシャフトとを強固に固定することのできるカムシャフトの組み立て方法を提供する。
【解決手段】カム山を有したカムピース３０及び円柱形状で中空のシャフト２０にて構成されるカムシャフトの組み立て方法であって、カムピース３０に設けられた孔３１とシャフト２０とを隙間嵌めする。この隙間嵌めの後、カムピース３０が隙間嵌めされた部位のシャフト２０の内周面であってシャフト２０の軸中心を対象の中心として点対称になる２箇所を溶融し、その溶融された２箇所の溶融部Ｙが凝固するときに生じる熱歪みを利用してシャフト２０の断面を楕円形状に変形させる。そしてこの楕円化により、シャフト２０の外周面を孔３１に当接させて固定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、カムシャフトの組み立て方法に関する。

内燃機関等に使用されるカムシャフトについて、カム山を有するカムピースとシャフトとを別部材で構成して組み立てるようにしたものが知られている。
例えば特許文献１に記載のカムシャフトでは、カムピースに楕円形状の孔を設け、この楕円形状の孔に、断面が楕円形状のシャフトを挿入するようにしている。そして、カムピースの孔にシャフトが挿入された状態で、カムピース及びシャフトを相対回転させることにより、シャフト外周面の一部をカムピースに設けられた孔の一部に当接させて圧着するようにしている。

特開平４−３６５９０７号公報

ところで、円柱形状で中空のシャフトを使用すると、例えばカムシャフトの軽量化等を図ることができる。ここで、そうした中空状のシャフトを使用する場合に、上述したようなカムシャフトの組み立て方法を適用すると、カムピース及びシャフトを相対回転させるときに、シャフトがねじれて軸方向に歪みが生じるおそれがある。

本発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、シャフトの軸方向の歪みを抑えつつ、カムピースとシャフトとを強固に固定することのできるカムシャフトの組み立て方法を提供することにある。

上記課題を解決するカムシャフトの組み立て方法は、カム山を有したカムピース及び円柱形状で中空のシャフトにて構成されるカムシャフトの組み立て方法に適用される。この組み立て方法では、カムピースに設けられた孔とシャフトとが隙間嵌めされる。この隙間嵌めの後、カムピースが隙間嵌めされた部位のシャフトの内周面であってそのシャフトの軸中心を対象の中心として点対称になる２箇所を溶融し、その溶融された２箇所が凝固するときに生じる熱歪みを利用してシャフトの断面を楕円形状に変形させる。そして、こうしたシャフト断面の楕円化により、シャフトの外周面をカムピースに設けられた孔に当接させて固定するようにしている。

同方法によれば、シャフトに生じさせた熱歪みを利用して、カムピースの孔に隙間嵌めされたシャフトの断面が円形状から楕円形状へと変形する。これにより、カムピースの孔の中で、シャフトは楕円の長軸方向に広がり、シャフトの外周面とカムピースに設けられた孔とが当接して互いの部材が固定される。より詳細には、楕円形状に変形したシャフトの断面において、長軸の頂点部分がカムピースの孔に強く当接してかしめられることにより、カムピースとシャフトとは強固に固定される。

また、同組み立て方法では、シャフトの断面を円形状から楕円形状へと変形させることにより、カムピースとシャフトとを固定するようにしている。従って、そうした固定に際してシャフトを変形させる力は、同シャフトの軸方向ではなく、径方向に作用する。そのため、カムピースとシャフトとを固定するに際して、シャフトの軸方向に歪みが生じることも抑えることができる。

カムシャフトの斜視図。 カムピースに隙間嵌めされた状態のシャフトの断面図。 カムピースに隙間嵌めされた状態でシャフトの形状を変化させる場合の加工態様を示すシャフトの断面図。 図３のＫ部拡大図。 シャフトの断面図。 シャフトの変形させる場合の変更例を示す拡大断面図。 シャフトの変形例を示す斜視図。 同変形例に示したシャフトの形状を変化させる場合の加工態様を示すシャフトの断面図。 カムピースの形状についてその変形例を示す側面図。

以下、カムシャフトの組み立て方法にかかる一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
図１に示すように、カムシャフト１は、カム山を有する複数のカムピース３０と、円柱形状で中空のシャフト２０とで構成されている。シャフト２０は鉄系の材料、例えば鋳鉄や、機械構造用炭素鋼、あるいは機械構造用特殊鋼等で形成されている。カムピース３０は、シャフト２０の軸方向において所定の位置にそれぞれ固定されている。

図２に示すように、カムピース３０には、シャフト２０を挿入する孔３１が設けられている。孔３１の直径は、シャフト２０の外径よりもやや大きくされており、カムピース３０の孔３１及びシャフト２０が隙間嵌めされる。

上記カムシャフト１は、以下のようにして組み立てられる。
まず、先の図２に示したように、カムピース３０の孔３１にシャフト２０を挿入することにより、カムピース３０の孔３１及びシャフト２０が隙間嵌めされる。このように、シャフト２０に対して隙間嵌めされた状態にて、カムピース３０は、シャフト２０上の所定の部位に位置決めされる。

カムピース３０の位置決めが完了すると、次に、カムピース３０及びシャフト２０の固定が行われる。
図３に示すように、この固定工程では、まず、シャフト２０の中空部（シャフト２０の軸方向に延びる内部空間）であって、同シャフト２０の軸中心近傍に、レーザ発振器のレーザ照射部５０が挿入される。このレーザ照射部５０は、シャフト２０においてカムピース３０が隙間嵌めされた部位まで挿入される。

こうしてレーザ照射部５０の挿入が完了すると、次に、シャフト２０の内周面であって同シャフト２０の軸中心を対象の中心として点対称になる２箇所、つまりシャフト２０の軸中心を通る直線と内周面とが交わる２つの箇所が、レーザ照射部５０から照射されたレーザ光ＬＳによってそれぞれ加熱されて溶融される。

図４に示すように、レーザ光ＬＳによって溶融された２箇所の溶融部Ｙが凝固するときには、溶融していたシャフト２０の内周面が収縮する。なお、こうした内周面の収縮に伴い、同内周面の外側に位置するシャフト２０の外周面には引っ張り力が作用する。こうした内周面を収縮させる力Ｆ１や外周面を引っ張る力Ｆ２によって、シャフト２０には熱歪みが生じる。そしてこの熱歪みにより、シャフト２０にはその断面形状を円形状から楕円形状へと変形させる変形力Ｈが作用する。より詳細には、レーザ光ＬＳの照射方向に直交する方向を短軸とし、レーザ光ＬＳの照射方向を長軸とする楕円形状へと変形させる変形力Ｈが作用する。

こうした熱歪みを利用して、シャフト２０の断面を楕円化させることにより、カムピース３０の孔３１の中で、シャフト２０は楕円の長軸方向に広がり、シャフト２０の外周面とカムピース３０に設けられた孔３１とが当接して互いの部材が固定される。より詳細には、楕円形状に変形したシャフト２０の断面において、長軸の頂点部分がカムピース３０の孔３１に強く当接してかしめられることにより、カムピース３０とシャフト２０とは強固に固定される。

また、シャフト２０の断面を円形状から楕円形状に変形させても、シャフト２０の周長Ｌは変化しない。そこで、カムピース３０とシャフト２０とを固定するためにシャフト２０の断面を楕円形状に変形させる際の短軸側の変形量、あるいは長軸側の変形量は、例えば次のようにして求めることができる。

図５に示すように、楕円形状に変形したシャフト２０の断面形状において、楕円の中心から長軸の頂点までの長さを長半径ａとし、楕円の中心から短軸の頂点までの長さを短半径ｂとする。なお、長半径ａを２倍した値は長軸の長さに一致し、短半径ｂを２倍した値は短軸の長さに一致する。また、シャフト２０を変形させる前の当該シャフト２０の外周半径を外半径Ｒとする。

また、孔３１とシャフト２０の外周面との締め代を締め代Ｅとし、シャフト２０と孔３１とを隙間嵌めするために設定されている隙間を隙間Ｓとする。この場合、「長半径ａ＝外半径Ｒ＋隙間Ｓ＋締め代Ｅ」の等式が成り立つため、この等式に基づいてシャフト２０の長軸側への変形量を求めることができる。すなわち「外半径Ｒ」であったシャフト２０の半径が「隙間Ｓ＋締め代Ｅ」の分だけ長くなるように当該シャフト２０を変形させれば、「長半径ａ＝外半径Ｒ＋隙間Ｓ＋締め代Ｅ」の等式が成り立つようになるため、シャフト２０の長軸側への変形量は、片側（半径方向）について「隙間Ｓ＋締め代Ｅ」にて求められる値になる。

他方、変形前のシャフト２０の周長Ｌは、「Ｌ＝２πＲ」で表すことができる。そして、周知のように、楕円の周長は、式（１）に示す近似式などから求めることができる（ただし、ａ＞ｂ）。

ここで、上述したように、シャフト２０の断面を円形状から楕円形状に変形させても、シャフト２０の周長Ｌは変化しないため、式（１）の左辺における周長Ｌには、「２πＲ」から求められる値を代入する。また、式（１）の右辺における長半径ａには、上述した「外半径Ｒ＋隙間Ｓ＋締め代Ｅ」から求められる値を代入する。そして、式（１）において、短半径ｂの解を求めることにより当該短半径ｂの値を算出する。こうして求められた短半径ｂの値を使うことにより、シャフト２０の短軸側への変形量を求めることができる。つまりシャフト２０の短軸側への変形量は、片側（半径方向）について「外半径Ｒ−短半径ｂ」にて求められる値になる。

以上説明した本実施形態によれば、次の作用効果を得ることができる。
（１）カムピース３０が隙間嵌めされた部位でのシャフト２０の内周面であって、シャフト２０の軸中心を対象の中心として点対称になる２箇所を溶融する。そして、その溶融された２箇所が凝固するときに生じる熱歪みを利用してシャフト２０の断面を円形状から楕円形状へと変形させることにより、シャフト２０の外周面を孔３１に当接させて固定するようにしている。従って、カムピース３０とシャフト２０とを強固に固定することができる。

（２）シャフト２０の断面を円形状から楕円形状へと変形させることにより、カムピース３０とシャフト２０とを固定するようにしている。従って、そうした固定に際してシャフト２０を変形させる力は、同シャフト２０の軸方向ではなく、径方向に作用する。そのため、カムピース３０とシャフト２０とを固定するに際して、シャフト２０の軸方向に歪みが生じることも抑えることができる。

（３）シャフト２０とカムピース３０とを組み立てる方法として、圧入や焼き嵌めなども考えられる。しかし、こうした方法では、シャフト２０とカムピース３０とのクリアランス管理を厳密に行う必要があり、高い加工精度も要求される。一方、本実施形態では、シャフト２０にカムピース３０を隙間嵌めするようにしているため、厳密なクリアランス管理や高い加工精度を必要としない。そのため、シャフト２０やカムピース３０を容易に加工することができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・図６に示すように、シャフト２０の断面を楕円形状へと変形させる際、レーザ光ＬＳの光軸を増やして長軸側の溶融部Ｙを複数作るようにしてもよい。この場合には、シャフト２０の内周面の収縮量が増えるようになるため、シャフト２０の断面形状の楕円化を促進させることができる。

・上述したように、シャフト２０の内周面の収縮量を増やすことにより、シャフト２０の断面形状の楕円化を促進させることができる。しかし、この場合には、シャフト２０の外周面の引っ張り量も増えるようになる。また、溶融した金属を再凝固させると靭性が低下する場合があるため、そうした引っ張り量の増加や靭性の低下等に起因して、シャフト２０の外周面にはひび割れが発生するおそれがある。

そこで、図７に示すように、シャフト２０の形状を一部変更するとともに、図８に示すように、溶融部Ｙの位置を変更することにより、そうしたひび割れの発生を抑えることが可能である。

図７に示すように、この変形例におけるシャフト６０も、上記シャフト２０と同様に、円柱形状で中空のシャフトにて構成する。ただし、このシャフト６０の中空部には、上記シャフト２０と異なり、シャフト６０の直径方向に配設されて中空部を２分割するとともにシャフト６０の軸方向に延設された仕切り壁６１が形成されている。

図８に示すように、この変形例では、レーザ照射部５０からのレーザ光ＬＳが仕切り壁６１の中央部分に照射される。こうしたレーザ光ＬＳの照射によって、仕切り壁６１の中央部分が溶融されて溶融部Ｙとなる。なお、図８に示す変形例では、仕切り壁６１の片側の面からのみレーザ光ＬＳを照射しているが、仕切り壁６１の両側の面からそれぞれレーザ光ＬＳを照射してもよい。

レーザ光ＬＳによって溶融された溶融部Ｙが凝固するときには、溶融していた仕切り壁６１の中央部分が収縮する。こうした仕切り壁６１の中央部分の収縮によって、仕切り壁６１には収縮しようとする熱歪みが発生する。そして、この熱歪みにより、シャフト２０にはその断面形状を円形状から楕円形状へと変形させる力が作用する。より詳細には、シャフト２０の断面形状について、仕切り壁６１の収縮方向を短軸とし、仕切り壁６１の収縮方向に直交する方向を長軸とする楕円形状へと変形させる力が作用する。

こうした熱歪みを利用して、シャフト６０の断面を楕円化させることにより、カムピース３０の孔３１の中で、シャフト６０は楕円の長軸方向に広がり、シャフト６０の外周面とカムピース３０に設けられた孔３１とが当接して互いの部材が固定される。より詳細には、楕円形状に変形したシャフト６０の断面において、長軸の頂点部分がカムピース３０の孔３１に強く当接してかしめられることにより、カムピース３０とシャフト６０とは強固に固定される。

また、この変形例では、シャフト２０の周方向を構成する部材が溶融・再凝固されないため、上述したような靭性の低下は起きにくい。また、仕切り壁６１においてシャフト６０の直径方向における溶融部Ｙの長さを長くすることにより、仕切り壁６１の収縮量は増えるようになるため、シャフト２０の断面形状の楕円化を促進させることができる。従って、同変形例によれば、シャフト６０の外周面におけるひび割れの発生を抑えつつ、シャフト２０の断面形状の楕円化を促すことができる。

なお、仕切り壁６１を有するシャフト６０は、適宜の態様で製造することができる。例えば熱間押し出し加工等による形鋼の製造方法を利用して、仕切り壁６１が一体形成されたシャフト６０を製造してもよい。また、別部材として製造された平板状の仕切り壁６１を、中空のシャフト６０の内部に固定するようにしてもよい。

また、同変形例においては、仕切り壁６１の中央部分を溶融部Ｙとするのではなく、シャフト６０の内周面に近い部分を溶融部Ｙとしてもよい。
また、シャフト６０の軸方向全体に渡って仕切り壁６１を設ける必要はなく、少なくともカムピース３０が隙間嵌めされた部位のシャフト中空部にそうした仕切り壁６１を設けるようにしてもよい。

・図９に示すように、カムピース３０の孔３１において、シャフト２０の長軸側の頂点に対向する部位には、円弧状の凹部３２をそれぞれ設けるようにしてもよい。この場合には、楕円形状に変形されたシャフト２０の長軸側の凸部を、孔３１の凹部３２に圧接させることにより、カムピース３０とシャフト２０との位相ずれを抑えることができる。また、シャフト２０の長軸側の凸部と孔３１の凹部３２とを圧接させることにより、シャフト２０とカムピース３０との接合力が向上するようになるため、シャフト２０の周方向におけるカムピース３０の回り止め効果も得られるようになる。

・シャフト２０の内部を加熱して溶融するためにレーザ光を使用したが、他の方法で加熱して溶融させてもよい。例えばコイルなどを利用した高周波加熱を行ってシャフト２０の内部を溶融させてもよい。

その他、上記実施形態の変形例から把握することができる技術思想について、以下にその効果とともに記載する。
（イ）カム山を有したカムピース及び円柱形状で中空のシャフトにて構成されるカムシャフトの組み立て方法であって、前記シャフトの中空部には、前記シャフトの直径方向に配設されて前記中空部を２分割するとともに前記シャフトの軸方向に延設された仕切り壁を形成し、前記カムピースに設けられた孔と前記シャフトとを隙間嵌めした後、前記カムピースが隙間嵌めされた部位の前記中空部に位置する前記仕切り壁の一部を溶融し、その溶融された仕切り壁の部位が凝固するときに生じる熱歪みを利用して前記シャフトの断面を楕円形状に変形させることにより、前記シャフトの外周面を前記孔に当接させて固定することを特徴とするカムシャフトの組み立て方法。

同方法によれば、シャフトの中空部に設けられた仕切り壁にあって、溶融された溶融部が凝固するときには、溶融していた仕切り壁の部位が収縮する。こうした仕切り壁の収縮をもたらす熱歪みの発生により、シャフトにはその断面形状を円形状から楕円形状へと変形させる力が作用する。より詳細には、シャフトの断面形状について、仕切り壁の収縮方向を短軸とし、仕切り壁の収縮方向に直交する方向を長軸とする楕円形状へと変形させる力が作用する。こうした熱歪みを利用して、シャフトの断面を楕円化させることにより、カムピースの孔の中で、シャフトは楕円の長軸方向に広がり、シャフトの外周面とカムピースに設けられた孔とが当接して互いの部材が固定される。より詳細には、楕円形状に変形したシャフトの断面において、長軸の頂点部分がカムピースの孔に強く当接してかしめられることにより、カムピースとシャフトとを強固に固定することができる。

また、同方法では、シャフトの周方向を構成する部材が溶融・再凝固されないため、シャフト外周面の靭性低下が起きにくい。また、仕切り壁においてシャフトの直径方向における溶融部の長さを長くすることにより、仕切り壁の収縮量は増えるようになるため、シャフトの断面形状の楕円化を促進させることができる。従って、同方法によれば、シャフトの外周面におけるひび割れの発生を抑えつつ、シャフト２０の断面形状の楕円化を促すことができる。

また、同方法では、シャフトの断面を円形状から楕円形状へと変形させることにより、カムピースとシャフトとを固定するようにしている。従って、そうした固定に際してシャフトを変形させる力は、同シャフトの軸方向ではなく、径方向に作用する。そのため、カムピースとシャフトとを固定するに際して、シャフトの軸方向に歪みが生じることも抑えることができる。

１…カムシャフト、２０…シャフト、３０…カムピース、３１…孔、３２…凹部、５０…レーザ照射部、６０…シャフト、６１…仕切り壁。

Claims (1)

1. カム山を有したカムピース及び円柱形状で中空のシャフトにて構成されるカムシャフトの組み立て方法であって、
   前記カムピースに設けられた孔と前記シャフトとを隙間嵌めした後、前記カムピースが隙間嵌めされた部位の前記シャフトの内周面であって前記シャフトの軸中心を対象の中心として点対称になる２箇所を溶融し、その溶融された２箇所が凝固するときに生じる熱歪みを利用して前記シャフトの断面を楕円形状に変形させることにより、前記シャフトの外周面を前記孔に当接させて固定する
   ことを特徴とするカムシャフトの組み立て方法。