JP2020041472A

JP2020041472A - カム構造

Info

Publication number: JP2020041472A
Application number: JP2018168989A
Authority: JP
Inventors: 俊旭家谷; Toshiaki Ietani; 明大田; Akira Ota
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2018-09-10
Filing date: 2018-09-10
Publication date: 2020-03-19

Abstract

【課題】エンジンの回転数によらず、タペットを安定して回転させることが可能なカム構造を提供する。【解決手段】エンジンの吸排気弁の端部に設けられたタペット２を該吸排気弁の軸方向に駆動するカム構造１において、前記エンジンの回転数に連動した回転数で軸周りに回転するカムシャフト３に設けられるカム４を有し、カム４は、カムシャフト３と平行に、カムノーズ６に設けられた回転軸８と、回転軸８周りに回転してタペット２に当接するローラ１０と、前記エンジンの回転数に対応して、ローラ１０を回転軸８の軸方向に変位させる変位機構１１と、を備え、変位機構１１によって、タペット２の回転中心Ｃｔに対するローラ１０の回転軸８方向の中心Ｃｒのオフセット量を可変としたことを特徴とするカム構造１を構成する。【選択図】図１

Description

この発明は、車両用エンジンの動弁系を駆動するカム構造に関する。

車両用エンジンの動弁系においては、吸排気弁をカムで直接駆動する直動式動弁系が採用されることがある。この直動式動弁系においては、吸排気弁のバルブステムエンドに有底円筒状のタペットが設けられ、カムがこのタペットを軸方向に押し込むように構成されることが多い。

この構成においては、例えば、特許文献１の図１（ａ）等に示すように、タペット中心線に対して、カム中心線が一致しないようにオフセットさせることがある。このように、カムとタペットをオフセットさせると、カムとタペットの当接に伴ってタペットがその中心線周りに回転する。これにより、カムが、常にタペットの同じ箇所に接触し続けることによる偏摩耗を防止している（同文献の段落００３４、００５４等参照）。

特開２０１４−１９０２５８号公報

特許文献１に係るカム構造においては、カムとタペットのオフセット量が固定されているため、カムからタペットに与えられる回転力は、エンジンの回転数のみによって決まる。このため、例えばエンジンの回転数が低いときに、タペットに十分な回転力を与えることができず、タペットを安定して回転させることができない虞がある。

そこで、この発明は、エンジンの回転数によらず、タペットを安定して回転可能とすることを課題とする。

上記の課題を解決するために、この発明においては、エンジンの吸排気弁の端部に設けられたタペットを該吸排気弁の軸方向に駆動するカム構造において、前記エンジンの回転数に連動した回転数で軸周りに回転するカムシャフトに設けられるカムを有し、前記カムは、前記カムシャフトと平行に、カムノーズに設けられた回転軸と、前記回転軸周りに回転して前記タペットに当接するローラと、前記エンジンの回転数に対応して、前記ローラを前記回転軸の軸方向に変位させる変位機構と、を備え、前記変位機構によって、前記タペットの回転中心に対する前記ローラの前記回転軸方向の中心のオフセット量を可変としたことを特徴とするカム構造を構成した。

前記構成においては、前記変位機構が、前記回転軸の外周面に、軸方向に螺旋状に形成された螺旋溝と、内周面に軌道溝が形成され、前記ローラとともに軸周りに回転する外輪と、前記螺旋溝と前記軌道溝の間に介在する複数のボールと、前記ローラを軸方向の所定位置に向けて付勢する付勢部材と、を有し、前記ローラの回転数の増加に伴って、前記付勢部材の付勢力に抗して、前記外輪が、前記ボールとともに前記回転軸の軸方向の一方向に変位する一方で、前記ローラの回転数の低下に伴って、前記付勢部材の付勢力によって、前記外輪が、前記ボールとともに前記軸方向の前記一方向とは反対の他方向に変位する構成とすることができる。

前記変位機構を上記のように構成した場合、前記所定位置が、前記オフセット量が最も大きくなる位置であって、前記変位機構が、前記エンジンの回転数が大きくなるほど前記オフセット量が小さくなるように前記ローラを変位させることができる。

前記変位機構を上記のように構成した場合、前記付勢部材を、スプリングワッシャ又はダイヤフラムとすることができる。

前記変位機構を上記のように構成した場合、前記螺旋溝のリード角の大きさを、前記回転軸の軸方向位置によって異ならせることができる。

この発明では、カム構造において、前記ローラを前記回転軸の軸方向に変位させる変位機構を設けたので、エンジンの回転数に対応して、タペットの回転中心に対するローラの回転軸方向中心のオフセット量を変えることができる。このため、タペットの回転が不十分となりやすいエンジンの低速回転時においても、タペットを安定して回転させることができる。

この発明に係るカム構造を示す断面図であって、（ａ）はエンジンの低速回転時、（ｂ）はエンジンの高速回転時図１に示すカム構造の分解斜視図カム構造の作用を示す模式図螺旋溝の形状の他例を示す正面図

この発明に係るカム構造１を図１（ａ）（ｂ）、図２に示す。このカム構造１は、車両用エンジンの動弁系（吸排気弁）（図示せず）に設けられた、吸排気弁の端部に設けられたタペット２を該吸排気弁の軸方向に駆動するための機構である。

このカム構造１は、エンジンの回転数に連動した回転数で軸周りに回転するカムシャフト３と、このカムシャフト３に設けられるカム４を備えている。このカム４は、カムシャフト３が挿し込まれる貫通孔が形成されたベースサークル５と、このベースサークル５から径方向外向きに突出して形成されたカムノーズ６とを有する。カムノーズ６の先端は、軸方向に二股に分岐した一対の二股片７、７となっている。一対の二股片７、７のそれぞれには、後述する回転軸８の端部が挿し込まれる貫通孔９が形成されている。

カム４は、カムシャフト３と平行となるように、カムノーズ６の二股片７に形成された貫通孔９に挿し込まれた回転軸８と、この回転軸８周りに回転してタペット２に当接するローラ１０と、エンジンの回転数に対応して、ローラ１０を回転軸８の軸方向に変位させる変位機構１１とを備えている。タペット２は、吸排気弁に設けられたバルブスプリング（図示せず）によってカム４側（図１（ａ）（ｂ）の上向き）に付勢されている。

回転軸８は、小径部１２と、この小径部１２よりも大径の大径部１３とから構成される。大径部１３の軸心には貫通孔が形成されており、この貫通孔に小径部１２が挿通されている。そして、この小径部１２の両端部が、貫通孔９に挿し込まれている。

図１（ａ）（ｂ）に示すように、タペット２の回転中心Ｃｔに対し、ローラ１０の回転軸方向中心Ｃｒはオフセット（偏心）している。図１（ａ）はオフセット量が最大（Ｄ_１）の状態、図１（ｂ）はオフセット量が最小（Ｄ_２）の状態をそれぞれ示している。このように、タペット２とローラ１０をオフセットさせることにより、ローラ１０がタペット２に当接した際の当接力によって、このタペット２を回転中心Ｃｔの周りに回転させることができる。これにより、タペット２の頂面の同一箇所にローラ１０が常に当接して、この頂面に偏摩耗が生じるのを防止することができる。

変位機構１１は、図２に示すように、回転軸８（大径部１３）の外周面に、軸方向に亘って螺旋状に形成された螺旋溝１４と、内周面に軌道溝１５が形成された、ローラ１０と一体に形成され軸周りに回転する外輪１６と、螺旋溝１４と軌道溝１５の間に介在する複数のボール１７と、ローラ１０を軸方向の所定位置に向けて付勢する付勢部材１８とを有する。この所定位置とは、図１（ａ）に示すように、タペット回転中心Ｃｔとローラの回転軸方向中心Ｃｒとの間のオフセット量が最も大きく（Ｄ_１）なる位置である。なお、この実施形態では、ローラ１０と外輪１６を一体に構成したが、両者を別部材とすることもできる。

この変位機構１１は、エンジンの回転数（カムシャフト３周りのカム４の回転数)に対応して、オフセット量をその最大値Ｄ_１と最小値Ｄ_２の範囲内で変更する機能を有する。具体的には、エンジンが低速回転のときにオフセット量を最大値Ｄ_１とし（図１（ａ）参照）、回転数の上昇に伴ってオフセット量を小さくする。そして、最大回転数のときにオフセット量を最小値Ｄ_２とする（図１（ｂ）参照）。このようにすると、エンジンの高速回転時と比較してタペット２の回転が小さくなるエンジンの低速回転時において、このタペットの回転を促進することができ、エンジンの低速回転時においてもタペットを安定して回転させることができる。

螺旋溝１４は７条からなり、大径部１３の軸方向の全長に亘って一定のリード角を有している。各螺旋溝１４内には、１個ずつボール１７が配置されている。各ボール１７は、保持器１９によって大径部１３の周方向に所定間隔で保持されている。この実施形態で採用した保持器１９は冠形保持器であり、付勢部材１８はスプリングワッシャ（以下、付勢部材１８と同じ符号を付する。）である。

上記において、螺旋溝１４の条数は例示であり、ローラ１０（外輪１６）をスムーズに回転軸方向に変位し得る限りにおいて、その条数を適宜増減することができる。また、保持器１９として、打ち抜き保持器等の他の形式の保持器１９を採用することもできる。また、付勢部材１８として、ダイヤフラム等のように、ローラ１０の回転軸方向の変位量に対応して、回転軸方向の付勢力を生じさせることが可能な他の部材を採用することもできる。また、種類の異なる付勢部材１８を併用した構成とすることもできる。

また、上記の実施形態においては、ローラ１０の回転軸方向の一方側にのみスプリングワッシャ１８を設けた構成としたが、ローラ１０の回転軸方向の両側にスプリングワッシャ１８を設けた構成とすることもできる。このようにすると、エンジンの回転数の変化に伴ってローラ１０が回転軸方向に変位する際に、ローラ１０と二股片７が直接当接するのを防止することができ、この当接に伴う摩耗等の問題を回避することができる。なお、ローラ１０の回転軸方向の両側にスプリングワッシャ１８を設ける場合、両スプリングワッシャ１８のばね定数を異ならせるのが好ましい。このようにすると、エンジンの回転数が低下したときに、ローラ１０の回転軸方向位置をスムーズに上記の所定位置に戻すことができる。

次に、このカム構造１の作用を説明する。

このカム構造１においては、図２に示すように、カムシャフト３が同図中の矢印ｒ_１の方向に回転して、カム４のローラ１０がタペット２（図１（ａ）等参照）に当接すると、このローラ１０に、同図中に示す矢印ｒ_２の方向の回転力が与えられる。外輪１６の軌道溝１５とボール１７との間の転がり摩擦は小さいが、実際には両者間に若干の転がり摩擦が生じている。このため、この転がり摩擦によって、ボール１７には、ローラ１０の回転方向と同方向（回転軸８の周方向）の回転力が与えられる。

例えば、図３中に示す白抜き矢印ｒ_２の方向にローラ１０が回転すると、ボール１７にも同方向の回転力が作用し、ボール１７は螺旋溝１４の側壁（図３中のＡ壁）に押し付けられる。すると、この側壁からボール１７に対して反力Ｆが作用する。この反力Ｆの大きさは、カムシャフト３の回転が一定の定常状態においては、その回転数Ｒ（回転速度）の２乗をローラ径ｒで割った値に比例（Ｆ∝Ｒ^２／ｒ）する。

この反力Ｆは、回転軸８の軸方向と平行な分力Ｆ_１と、ローラ１０の回転方向に沿う方向の分力Ｆ_２に分解できる。回転軸８の軸方向と平行な分力Ｆ_１は、ボール１７を螺旋溝１４に沿って移動させる力（図３中に白抜き矢印ｍで示す方向の力）となる。この力は、軌道溝１５を介して外輪１６に作用し、スプリングワッシャ１８の付勢力に抗して、外輪１６と一体に形成されたローラ１０を前記軸方向の一方向（図１（ａ）（ｂ）における左方向）に変位させる。

エンジンの回転数が大きいほど、タペット２からローラ１０（外輪１６）に与えられる回転速度（回転数）は大きく、これに伴って、前記軸方向へのローラ１０の変位量は大きくなる。この構成においては、ローラ１０の変位量が最小のときにオフセット量が最大値Ｄ_１となり、ローラ１０の変位量が最大となったときオフセット量が最小値Ｄ_２となるように設定されている。

エンジンの回転数が低下すると、ローラ１０に与えられる回転速度（回転数）が低下して、分力Ｆ_１の大きさも小さくなる。すると、スプリングワッシャ１８の付勢力によって、ローラ１０が前記一方向とは反対の他方向に押し戻され、ローラ１０の変位量は小さく（オフセット量は大きく）なる。このとき、ボール１７は、螺旋溝１４に沿って、図３中の白抜き矢印ｍとは反対の方向に移動する。

ボール１７は、図３中に示すＰ_１とＰ_２の範囲内で、螺旋溝１４に沿って移動する。Ｐ_１は、オフセット量が最大のとき（低速回転時）のボール１７の位置、Ｐ_２は、オフセット量が最小のとき（高速回転時）のボール１７の位置である。すなわち、ΔＤが、ローラ１０の軸方向への可動幅（オフセット量の最大値Ｄ_１と最小値Ｄ_２の差）に対応する。

上記において説明したカム構造１は、この発明を説明するための単なる例示に過ぎず、エンジンの回転数によらず、タペット２を安定して回転させる、というこの発明の課題を解決し得る限りにおいて、構成要素の配置、形状、数等に適宜変更を加えることができる。

例えば、上記の実施形態においては、大径部１３（回転部８）の軸方向の全体に亘って、螺旋溝１４のリード角の大きさを一定としたが、例えば、図４に示すように、このリード角の大きさを、大径部１３（回転軸８）の軸方向位置によって異ならせた構成とすることができる。このように、螺旋溝１４の一端側から他端側に向けて、リード角の大きさを徐々に変化させることにより、ボール１７が螺旋溝１４の側壁から受ける反力Ｆの大きさを徐々に変化させて、エンジンの回転数に対するローラ１０の軸方向への変位量を非線形とすることもできる。

上記のカム構造１は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の全てのレシプロエンジンに適用することができるため汎用性が高い。また、新規のエンジンだけでなく、既存のカム構造の置き換えにも適用することができる。また、変位機構１１をエンジンの油圧系統を利用した油圧式とすることもできる。

１カム構造
２タペット
３カムシャフト
４カム
５ベースサークル
６カムノーズ
７二股片
８回転軸
９貫通孔
１０ローラ
１１変位機構
１２小径部
１３大径部
１４螺旋溝
１５軌道溝
１６外輪
１７ボール
１８付勢部材（スプリングワッシャ）
１９保持器

Claims

エンジンの吸排気弁の端部に設けられたタペットを該吸排気弁の軸方向に駆動するカム構造において、
前記エンジンの回転数に連動した回転数で軸周りに回転するカムシャフトに設けられるカムを有し、
前記カムは、
前記カムシャフトと平行に、カムノーズに設けられた回転軸と、
前記回転軸周りに回転して前記タペットに当接するローラと、
前記エンジンの回転数に対応して、前記ローラを前記回転軸の軸方向に変位させる変位機構と、
を備え、前記変位機構によって、前記タペットの回転中心に対する前記ローラの前記回転軸方向の中心のオフセット量を可変としたことを特徴とするカム構造。
前記変位機構が、
前記回転軸の外周面に、軸方向に螺旋状に形成された螺旋溝と、
内周面に軌道溝が形成され、前記ローラとともに軸周りに回転する外輪と、
前記螺旋溝と前記軌道溝の間に介在する複数のボールと、
前記ローラを軸方向の所定位置に向けて付勢する付勢部材と、
を有し、前記ローラの回転数の増加に伴って、前記付勢部材の付勢力に抗して、前記外輪が、前記ボールとともに前記回転軸の軸方向の一方向に変位する一方で、前記ローラの回転数の低下に伴って、前記付勢部材の付勢力によって、前記外輪が、前記ボールとともに前記軸方向の前記一方向とは反対の他方向に変位する
請求項１に記載のカム構造。
前記所定位置が、前記オフセット量が最も大きくなる位置であって、
前記変位機構が、前記エンジンの回転数が大きくなるほど前記オフセット量が小さくなるように前記ローラを変位させる
請求項２に記載のカム構造。
前記付勢部材を、スプリングワッシャ又はダイヤフラムとした
請求項２又は３に記載のカム構造。
前記螺旋溝のリード角の大きさを、前記回転軸の軸方向位置によって異ならせた
請求項２から４のいずれか１項に記載のカム構造。