JP2019167886A - カムシャフト - Google Patents

Abstract

【課題】カムシャフトに補強部材を組み込みつつ、カムシャフトの生産性を向上させる。【解決手段】エンジンの動弁機構に用いられるカムシャフト４２であって、中空軸部５０とこれに支持されるカムロブ５１ａ〜５１ｄとを備えるシャフト本体５２と、中空軸部５０の軸方向の端部５０ｂに挿入されるリアピース５５と、を有し、リアピース５５は、中空軸部５０の内側を向く第１テーパ部６１と、中空軸部５０の外側を向く第２テーパ部６２と、を備え、第１テーパ部６１の内周面は、第２テーパ部６２から離れるにつれて内径が拡大するテーパ面６１ａである。【選択図】図３

Description

本発明は、エンジンに用いられるカムシャフトに関する。

エンジンのシリンダヘッドには、動弁機構を駆動するカムシャフトが設けられる（特許文献１および２参照）。このカムシャフトを回転させることにより、吸気バルブや排気バルブを開閉することができる。

特開昭６２−４１９０６号公報 実開昭５８−１７３７０８号公報

ところで、シリンダヘッド内で回転するカムシャフトには、軽量化や高剛性化が求められている。カムシャフトの剛性を維持しつつ質量を低減するためには、中空構造のカムシャフト内に補強部材を組み込むことが考えられる。しかしながら、補強部材によってカムシャフト内を複雑に構成することは、カムシャフトの生産性を低下させる要因であった。つまり、カムシャフトに対して切削加工を施した後には、カムシャフトを洗浄して切粉等を除去する必要があるが、補強部材の形状によってはカムシャフトの洗浄作業が困難となっていた。

本発明の目的は、カムシャフトに補強部材を組み込みつつ、カムシャフトの生産性を向上させることにある。

本発明のカムシャフトは、エンジンの動弁機構に用いられるカムシャフトであって、中空軸部とこれに支持されるカム部とを備えるシャフト本体と、前記中空軸部の軸方向の開口端部に挿入されるスリーブ部材と、を有し、前記スリーブ部材は、前記中空軸部の内側を向く第１端部と、前記中空軸部の外側を向く第２端部と、を備え、前記第１端部の内周面は、前記第２端部から離れるにつれて内径が拡大するテーパ面である。

本発明によれば、中空軸部の軸方向の開口端部に挿入されるスリーブ部材は、中空軸部の内側を向く第１端部と、中空軸部の外側を向く第２端部と、を備え、第１端部の内周面は、第２端部から離れるにつれて内径が拡大するテーパ面である。これにより、カムシャフトにスリーブ部材を組み込みつつ、カムシャフトの生産性を向上させることができる。

本発明の一実施の形態であるカムシャフトが用いられたエンジンを示す概略図である。 図１のＡ−Ａ線に沿ってヘッド本体の構造を示す図である。 （ａ）はカムシャフトを示す側面図であり、（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、カムシャフトの各製造工程におけるワークの加工状況を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、カムシャフトの各製造工程におけるワークの加工状況を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、カムシャフトの各製造工程におけるワークの加工状況を示す図である。 機械加工時のリアピースおよびその近傍を示す図である。 ワークＷ洗浄時の洗浄液流れを簡単に示した図である。 カムシャフト内のオイル流れを簡単に示した図である。 （ａ）はカムロブとリアピースとの位置関係の一例を示す図であり、（ｂ）はカムロブとリアピースとの位置関係の他の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

［エンジン構造］
図１は本発明の一実施の形態であるカムシャフトが用いられたエンジン１０を示す概略図である。図１に示すように、エンジン１０は、一方のシリンダバンクに設けられるシリンダブロック１１と、他方のシリンダバンクに設けられるシリンダブロック１２と、一対のシリンダブロック１１，１２に支持されるクランクシャフト１３と、を有している。各シリンダブロック１１，１２に形成されるシリンダボア１４にはピストン１５が収容されており、ピストン１５にはコネクティングロッド１６を介してクランクシャフト１３が連結されている。

各シリンダブロック１１，１２には、吸気ポート２０および排気ポート２１を備えたシリンダヘッド２２，２３が設けられている。また、シリンダヘッド２２，２３には、吸気ポート２０や排気ポート２１を開閉する動弁機構２４が設けられている。つまり、シリンダヘッド２２，２３には、吸気ポート２０を開閉する吸気バルブ３０が組み付けられるとともに、吸気バルブ３０を駆動する吸気側のロッカーアーム３１およびカムシャフト３２が組み付けられている。また、シリンダヘッド２２，２３には、排気ポート２１を開閉する排気バルブ４０が組み付けられるとともに、排気バルブ４０を駆動する排気側のロッカーアーム４１およびカムシャフト４２が組み付けられている。なお、シリンダヘッド２２，２３は、シリンダブロック１１，１２に組み付けられるヘッド本体２５、およびヘッド本体２５に組み付けられるロッカーカバー２６等によって構成されている。

図２は図１のＡ−Ａ線に沿ってヘッド本体２５の構造を示す図である。図２に示すように、シリンダヘッド２２のヘッド本体２５には、吸気側のカムシャフト３２を組み付けるため、半円状のボア部を備えた３つの支持壁３３が設けられている。これら支持壁３３のボア部にはカムシャフト４２のジャーナル３４ａ〜３４ｃが組み付けられており、このジャーナル３４ａ〜３４ｃを挟み込むように支持壁３３には図示しないキャップ部材が組み付けられる。同様に、シリンダヘッド２２のヘッド本体２５には、排気側のカムシャフト４２を組み付けるため、半円状のボア部を備えた３つの支持壁４３が設けられている。これら支持壁４３のボア部にはカムシャフト４２のジャーナル４４ａ〜４４ｃが組み付けられており、このジャーナル４４ａ〜４４ｃを挟み込むように支持壁４３には図示しないキャップ部材が組み付けられる。

また、カムシャフト３２，４２の端部であるフロントエンド３５，４５には、カムスプロケット３６，４６を備えた油圧アクチュエータ３７，４７が設けられている。カムスプロケット３６，４６にはタイミングチェーン４８が巻き掛けられており、このタイミングチェーン４８はクランクシャフト１３の図示しないクランクスプロケットにも巻き掛けられる。つまり、カムシャフト３２，４２とクランクシャフト１３とは、タイミングチェーン４８を介して互いに連結されている。なお、油圧アクチュエータ３７，４７は、カムシャフト３２，４２とカムスプロケット３６，４６との位相をずらすことにより、バルブタイミングを調整することが可能である。

［カムシャフト構造］
図３（ａ）はカムシャフト４２を示す側面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。以下の説明では、図３（ａ）および（ｂ）に基づき、排気側のカムシャフト４２の構造について説明するが、吸気側のカムシャフト３２の構造については、排気側と同様の構造を有することからその説明を省略する。

図３（ａ）および（ｂ）に示すように、カムシャフト４２は、中空軸部５０およびカムロブ（カム部）５１ａ〜５１ｄを備えたシャフト本体５２を有している。シャフト本体５２を構成する中空軸部５０には、内部流路５３が形成されている。また、中空軸部５０の軸方向の一方の端部５０ａには、内部流路５４を備えたフロントエンド４５が設けられている。一方、中空軸部５０の軸方向の他方の端部（開口端部）５０ｂには、筒状に形成されたリアピース（スリーブ部材）５５が挿入されている。図２に示されるように、カムシャフト４２のフロントエンド（取付部）４５には、カムスプロケット（カム回転体）４６が取り付けられている。つまり、リアピース５５が挿入される中空軸部５０の端部５０ｂとは、カムスプロケット４６が取り付けられるフロントエンド４５とは逆側に位置する端部である。なお、シャフト本体５２には、内部流路５３と内部流路５４とを互いに連通する連通路５６が形成されている。

図３（ｂ）の拡大部分に示すように、筒状に形成されるリアピース５５は、中空軸部５０の内側（矢印Ｘ１方向）を向く第１テーパ部（第１端部）６１と、中空軸部５０の外側（矢印Ｘ２方向）を向く第２テーパ部（第２端部）６２と、第１テーパ部６１と第２テーパ部６２との間に設けられる円筒部６３と、を有している。第１テーパ部６１の内周には、中空軸部５０の内側（矢印Ｘ１方向）に向けて内径が拡大するテーパ面６１ａが形成されている。つまり、第１テーパ部６１の内周面は、第２テーパ部６２から離れるにつれて内径が拡大するテーパ面６１ａである。また、第２テーパ部６２の内周には、中空軸部５０の外側（矢印Ｘ２方向）に向けて内径が拡大するテーパ面６２ａが形成されている。つまり、第２テーパ部６２の内周面は、第１テーパ部６１から離れるにつれて内径が拡大するテーパ面６２ａである。また、円筒部６３の内周には、両側のテーパ面６１ａ，６２ａに連なる円筒面６３ａが形成されている。このリアピース５５の円筒部６３にはプラグ（プラグ部材）６４が挿入されており、プラグ６４によってシャフト本体５２の端部５０ｂが閉塞されている。

図３（ａ）に示すように、カムシャフト４２には、３つのジャーナル４４ａ〜４４ｃが形成されている。つまり、フロントエンド４５とカムロブ５１ａとの間にはジャーナル４４ａが形成されており、カムロブ５１ａとカムロブ５１ｂとの間にはジャーナル４４ｂが形成されており、カムロブ５１ｃとカムロブ５１ｄとの間にはジャーナル４４ｃが形成されている。また、図３（ｂ）に示すように、ジャーナル４４ａには径方向に貫通するオイル導入孔７０が形成されており、ジャーナル４４ｂ，４４ｃには径方向に貫通するオイル供給孔７１が形成されている。さらに、カムロブ５１ａ〜５１ｄ近傍の中空軸部５０には径方向に貫通するオイル噴射孔（貫通孔）７２が形成されており、カムロブ５１ａ〜５１ｄにはオイル噴射孔７２を露出させる切り欠き７３が形成されている。

図２に示すように、ヘッド本体２５の支持壁４３にはオイルを案内する油路７４が形成されており、この油路７４にはカムシャフト４２のオイル導入孔７０が対向している。つまり、油路７４およびオイル導入孔７０を介して、ヘッド本体２５からカムシャフト４２にはオイルが供給されている。図３（ｂ）に示すように、オイル導入孔７０から内部流路５４に取り込まれたオイルは、内部流路５４から油圧アクチュエータ４７に供給されるとともに、内部流路５４から連通路５６および内部流路５３を経てオイル供給孔７１やオイル噴射孔７２に供給される。カムシャフト４２を回転させることにより、内部流路５３内のオイルはオイル噴射孔７２からロッカーアーム４１やバルブ４０に向けて飛散する。なお、吸気側のカムシャフト３２についても、排気側のカムシャフト４２と同様に、内部流路やオイル噴射孔等が形成されている。

［製造工程］
続いて、カムシャフト４２の製造工程について説明する。図４〜図６は、カムシャフト４２の各製造工程におけるワークＷの加工状況を示す図である。図４〜図６には、図３（ｂ）に示した断面と同様の断面が示されている。

図４（ａ）に示すように、中空軸部５０の材料であるパイプ材８０の外周に、カムロブ５１ａ〜５１ｄの材料であるカム材８１が位置決めされて接合される。なお、パイプ材８０とカム材８１との接合方法として、例えば拡散接合を用いることができる。また、図４（ｂ）に示すように、パイプ材８０の軸方向の一端部には、フロントエンド４５の材料であるフロントピース材８２が接合され、パイプ材８０の軸方向の他端部には、リアピース５５の材料であるリアピース材８３が挿入されて接合される。なお、パイプ材８０とフロントピース材８２との接合方法として、例えば摩擦圧接を用いることができ、パイプ材８０とリアピース材８３との接合方法として、例えばろう付けを用いることができる。このように、パイプ材８０、カム材８１、フロントピース材８２およびリアピース材８３を互いに接合することにより、カムシャフト４２を製造するためのワークＷが完成する。

図５（ａ）に示すように、ワークＷの一端面つまりフロントピース材８２の端面には、機械加工時に位置決めするためのテーパ穴８４が形成される。また、ワークＷの他端面つまりリアピース材８３の端面には、機械加工時に位置決めするためのテーパ面６２ａが形成される。その後、図５（ｂ）に示すように、ワークＷに対して切削加工や研削加工等の機械加工を施すことにより、ワークＷには、ジャーナル４４ａ〜４４ｃ、カムロブ５１ａ〜５１ｄ、オイル導入孔７０、オイル供給孔７１、オイル噴射孔７２、内部流路５４および連通路５６等が形成される。

ここで、図７は機械加工時のリアピース５５およびその近傍を示す図である。図７に示すように、機械加工時においてはリアピース５５のテーパ面６２ａに治具１００を押し付けることにより、図示しない切削装置等に対してワークＷが位置決めされる。このように、パイプ材８０に対して位置決め用のテーパ面を形成するのではなく、リアピース５５に対して位置決め用のテーパ面６２ａを形成するようにしたので、肉厚の薄いパイプ材８０を用いてカムシャフト４２を製造することができ、カムシャフト４２の軽量化を達成することができる。また、パイプ材８０にリアピース５５が挿入されることから、補強部材として機能するリアピース５５によってパイプ材８０を補強することができ、この点からも、パイプ材８０の肉厚を薄くしてカムシャフト４２の軽量化を達成することができる。

続いて、図６（ａ）に矢印αで示すように、切削加工後のワークＷから切粉等の所謂コンタミを除去するため、洗浄液がワークＷ内の内部流路５３，５４に供給される。これにより、ワークＷの内部流路５３，５４等に残存するコンタミを外部に排出することができ、ワークＷからコンタミを除去することができる。ここで、図８はワークＷ洗浄時の洗浄液流れを簡単に示した図である。図８に矢印で示すように、ワークＷ内に供給された洗浄液は、内部流路５３の内周面に沿って流される。このとき、リアピース５５にはテーパ面６１ａが形成されることから、洗浄液と共にコンタミ１０１をスムーズに押し流すことができ、コンタミ１０１をリアピース５５に引っ掛けることなく外部に排出することができる。これにより、ワークＷを簡単に洗浄することができるため、洗浄工程での工数を削減することができ、カムシャフト４２の生産性を向上させることができる。そして、洗浄工程を経てワークＷからコンタミ１０１を除去した後に、図６（ｂ）に示すように、リアピース５５の円筒部６３にプラグ６４が圧入され、カムシャフト４２が完成する。

［オイル流れ］
続いて、エンジン運転時におけるカムシャフト４２内のオイル流れについて説明する。図９はカムシャフト４２内のオイル流れを簡単に示した図である。図９に示すように、リアピース５５にはテーパ面６１ａが形成されることから、矢印βで示すように、プラグ６４に当たって径方向外方に案内されたオイルは、テーパ面６１ａに沿って向きを変えてオイル噴射孔７２に供給される。このように、リアピース５５に対してテーパ面６１ａを形成することにより、内部流路５３からオイル噴射孔７２に向けてオイルをスムーズに誘導することができ、多くのオイルをオイル噴射孔７２から噴射させることができる。これにより、ロッカーアーム４１等を十分に潤滑することができ、エンジン１０を適切に機能させることができる。

［カムロブとリアピースとの位置関係］
続いて、カムロブ５１ｄとリアピース５５との位置関係について説明する。図１０（ａ）はカムロブ５１ｄとリアピース５５との位置関係の一例を示す図であり、図１０（ｂ）はカムロブ５１ｄとリアピース５５との位置関係の他の例を示す図である。

図１０（ａ）に符号Ｌ１で示すように、リアピース５５の一部は、カムロブ５１ｄに対して中空軸部５０の径方向に重なっている。このように、リアピース５５とカムロブ５１ｄとを径方向に重ねることにより、カムロブ５１ｄを支持する中空軸部５０をリアピース５５によって補強することができる。これにより、回転するカムロブ５１ｄがロッカーアーム４１を押し込む場合であっても、中空軸部５０の変形を抑制してカムロブ５１ｄの位置精度を高めることができ、バルブ４０を精度良く開閉させることができる。また、図２に示すように、カムロブ５１ｄを備える中空軸部５０の端部５０ｂは、ヘッド本体２５によって支持されていない自由端であるが、この場合であっても、中空軸部５０にリアピース５５が組み込まれることから、中空軸部５０の変形を抑制することが可能である。なお、図１０（ａ）に示した例では、リアピース５５の一部がカムロブ５１ｄに重なっているが、これに限られることはなく、オイル噴射孔７２を塞がないように構成されていれば、カムロブ５１ｄに対してリアピース５５の全部を中空軸部５０の径方向に重ねても良い。

前述の説明では、リアピース５５の少なくとも一部がカムロブ５１ｄに対して径方向に重なっているが、これに限られることはなく、リアピース５５がカムロブ５１ｄに対して径方向に重なっていなくても良い。ここで、図１０（ｂ）に示されるカムシャフト９０は、中空軸部５０の端部５０ｂを軸方向に伸ばした実施形態のカムシャフトである。図１０（ｂ）に符号Ｌ２で示すように、カムロブ５１ｄに対してリアピース５５が軸方向に離れていても良い。この場合であっても、中空軸部５０にリアピース５５を挿入することにより、中空軸部５０を補強して変形を抑制することができる。また、リアピース５５に位置決め用のテーパ面６２ａが形成されることから、肉厚の薄いパイプ材８０を用いてカムシャフト４２を製造することができ、カムシャフト４２の軽量化を達成することができる。しかも、リアピース５５にはテーパ面６１ａが形成されることから、洗浄液と共にコンタミをスムーズに押し流すことができ、コンタミをリアピース５５に引っ掛けることなく外部に排出することができる。これにより、ワークＷを簡単に洗浄することができるため、洗浄工程での工数を削減することができ、カムシャフト９０の生産性を向上させることができる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。前述の説明では、水平対向エンジン１０に用いられるカムシャフト４２に本発明を適用しているが、これに限られることはなく、Ｖ型エンジン、直列エンジン、単気筒エンジン等に用いられるカムシャフトに本発明を適用しても良い。前述の説明では、タイミングチェーン４８を用いてカムシャフト３２，４２を連結しているが、これに限られることはなく、タイミングベルトを用いてカムシャフト３２，４２を連結しても良い。この場合には、カムシャフト３２，４２のフロントエンド３５，４５に対し、カム回転体としてのカムプーリが取り付けられる。

前述の説明では、リアピース５５にプラグ６４を挿入しているが、これに限られることはなく、中空軸部５０の内部をオイルの流路として使用しない場合には、リアピース５５からプラグ６４を外しても良い。また、前述の説明では、リアピース５５に外側のテーパ面６２ａを形成しているが、これに限られることはなく、リアピース５５から外側のテーパ面６２ａを削減しても良い。つまり、リアピース５５には、第２端部として第２テーパ部６２が設けられているが、これに限られることはなく、第２端部として円筒部を設けても良い。このように、リアピース５５に内側のテーパ面６１ａだけが形成される場合であっても、テーパ面６１ａに沿って洗浄液と共にコンタミをスムーズに押し流すことができ、コンタミをリアピース５５に引っ掛けることなく外部に排出することができる。これにより、ワークＷを簡単に洗浄することができるため、洗浄工程での工数を削減することができ、カムシャフト４２の生産性を向上させることができる。

１０ エンジン
２４ 動弁機構
３２ カムシャフト
４２ カムシャフト
４５ フロントエンド（取付部）
４６ カムスプロケット（カム回転体）
５０ 中空軸部
５０ｂ 端部（開口端部）
５１ａ〜５１ｄ カムロブ（カム部）
５２ シャフト本体
５５ リアピース（スリーブ部材）
６１ 第１テーパ部（第１端部）
６１ａ テーパ面（内周面）
６２ 第２テーパ部（第２端部）
６２ａ テーパ面（内周面）
６４ プラグ（プラグ部材）
７２ オイル噴射孔（貫通孔）
７３ 切り欠き
９０ カムシャフト

Claims (6)

1. エンジンの動弁機構に用いられるカムシャフトであって、
   中空軸部とこれに支持されるカム部とを備えるシャフト本体と、
   前記中空軸部の軸方向の開口端部に挿入されるスリーブ部材と、
   を有し、
   前記スリーブ部材は、前記中空軸部の内側を向く第１端部と、前記中空軸部の外側を向く第２端部と、を備え、
   前記第１端部の内周面は、前記第２端部から離れるにつれて内径が拡大するテーパ面である、
   カムシャフト。
2. 請求項１に記載のカムシャフトにおいて、
   前記第２端部の内周面は、前記第１端部から離れるにつれて内径が拡大するテーパ面である、
   カムシャフト。
3. 請求項１または２に記載のカムシャフトにおいて、
   前記スリーブ部材に挿入されるプラグ部材を有する、
   カムシャフト。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のカムシャフトにおいて、
   前記スリーブ部材の少なくとも一部は、前記カム部に対して前記中空軸部の径方向に重なる、
   カムシャフト。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のカムシャフトにおいて、
   前記中空軸部には径方向に貫通する貫通孔が形成されており、前記カム部には前記貫通孔を露出させる切り欠きが形成されている、
   カムシャフト。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のカムシャフトにおいて、
   前記スリーブ部材が挿入される前記開口端部は、カム回転体が取り付けられる取付部とは逆側に位置する端部である、
   カムシャフト。

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