JP3551005B2

JP3551005B2 - カムシャフトの製造方法

Info

Publication number: JP3551005B2
Application number: JP03763498A
Authority: JP
Inventors: 裕一坂口; 弘幸川瀬; 弘一清水; 裕二吉原; 宏昌鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-02-19
Filing date: 1998-02-19
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2018-02-19
Also published as: JPH11229824A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カムシャフトの製造方法に関し、特にローラフォロワとスリッパフォロワとを有する可変動弁機構を備える内燃機関に採用されるカムシャフト等、相手部材との接触態様が異なる複数のカムを備えるカムシャフトに採用して好適なカムシャフトの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上記可変動弁機構としては、例えば特開平３−１３０５０９号公報に記載されているような機構が知られている。この可変動弁機構は、ロッカアームにスリッパフォロワとローラフォロワとが設けられており、それぞれ別々のカムと当接可能となっている。そして、スリッパフォロワと当接するカムはすべり接触を、ローラフォロワと当接するカムは転がり接触を受ける構成となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、こうした可変動弁機構を備える内燃機関に採用されるカムシャフトにあって、上記スリッパフォロワやローラフォロワと各々当接されるカムのうち、上記すべり接触を受けるカムにあっては、その接触面が相手部材と擦れ合わされるために、スカッフィング等の摩耗による表面損傷が生じ易くなる。したがって、こうしたカムでは、接触面の硬度を高くして耐摩耗性を高める必要がある。また、接触面間の摩擦を低減するため、潤滑油の保有性も重要となる。一方、上記転がり接触を受けるカムにあっては、その接触面が相手部材であるローラフォロワの押圧による繰り返し荷重を受けることとなり、ピッチング等の疲労破壊による損傷が生じ易くなる。こうした疲労破壊は接触面下から進展することから、カム全体のじん性等の機械的強度を強化する必要がある。
【０００４】
このように接触態様の異なるカム同士では、各々要求される機械的性質も自ずと異なってくる。しかしながら、上記機構を駆動する従来のカムシャフトにあっては、それらカムの相手部材との相性については何ら考慮されておらず、同カムシャフトとしての耐久性や信頼性を損なう要因となっている。
【０００５】
なお、上記可変動弁機構を備える内燃機関に採用されるカムシャフトに限らず、相手部材との接触態様が異なる複数のカムを備えるカムシャフトにあっては、こうした実情も概ね共通したものとなっている。
【０００６】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、相手部材との接触態様が異なる複数のカムを備える場合であれ、その耐久性や信頼性を高く維持することができるカムシャフトの製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
鋳鉄は転がり接触による表面損傷に、鋼はすべり接触による表面損傷に対する耐性に秀でている。鋳鉄製のカムに再溶融チル化処理を施すことで、接触面の硬度を更に向上でき、耐摩耗性を更に強化することができるようになる。また、鋼製のカムに焼き入れ・焼き戻し処理を施すことで、じん性等の機械的強度を更に向上でき、疲労破壊に対する耐性を更に強化することができるようになる。
【００１５】
そこで、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、カムシャフトの製造方法において、軸材に鋳鉄により形成された第１のカムと鋼により形成された第２のカムとを装着する第１の工程と、前記第１の工程の後、前記第１のカムに対して再溶融チル化処理を施す第２の工程と、前記第２の工程の後、前記第２のカムに対して焼き入れ・焼き戻し処理を施す第３の工程とを含むことをその要旨とする。
【００１６】
先述したように、鋳鉄製のカムに再溶融チル化処理を施すことで耐摩耗性を改善し、鋼製のカムに焼き入れ・焼き戻し処理を施すことで機械的強度を強化することができる。ただし、焼き入れ・焼き戻し処理の後、再溶融チル化処理を施すと、再溶融チル化処理の際に鋼製のカムも再加熱されてしまい、焼き入れ・焼き戻し処理の効果が低減されてしまう。また、上記の材質改善処理を軸材への装着前に行うと、カムの熱変型によって軸材への装着が困難となるおそれがある。したがって、上記製造方法のように、軸材への第１及び第２のカムの装着、第１のカムに対する再溶融チル化処理、第２のカムに対する焼き入れ・焼き戻し処理の順でカムシャフトの製造を行うことで、材質改善処理の効果を好適に維持しつつ、各カムの接触態様に対応した耐性を有するカムシャフトを製造することができるようになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施の形態について説明する。
本実施の形態にかかるカムシャフトは、ローラフォロワとスリッパフォロワとを有する可変動弁機構を備える内燃機関に採用されており、同カムシャフトにはすべり接触を受けるカムと転がり接触を受けるカムとの両方が設けられている。これらカムは、それぞれの接触態様に対して相性のよい材料によって形成されている。
【００１８】
図１は、本実施の形態にかかるカムシャフト１の側面構造を、また図２は、同カムシャフト１及びこれに対向して配設される可変動弁機構の斜視構造をそれぞれ示す。
【００１９】
まず図１に示すように、カムシャフト１には、１気筒毎にリフト量及び作用角の異なる３つのカム、すなわち低速用カム２，中速用カム３及び高速用カム４が装着されている。これらカムのリフト量及び作用角は、低速用２，中速用３，高速用４の順に大きくなっている。
【００２０】
また図２に示すように、このカムシャフト１の下方には、ロッカシャフト５が設けられており、１気筒毎にロッカアーム６が回動可能に装着されている。ロッカアーム６の先端にはアーム７が設けられている。このアーム７は機関バルブ８の上端と当接している。ロッカアーム６は上記カム２〜４のいずれかの押圧によって揺動し、機関バルブ８を開閉駆動する。
【００２１】
また、ロッカアーム６の上面中央には、ローラフォロワ９が回動可能に設けられている。このローラフォロワ９は、低速用カム２と当接可能となっており、カムシャフト１の回転にともない同カム２と転がり接触する。なお、このローラフォロワ９はＳ５０等の鋼によって構成されている。
【００２２】
ローラフォロワ９の両側方には断面円形状のガイド穴１２が形成されており、同穴１２内にはそれぞれ上端部にスリッパ１１が設けられた略円筒形状のスリッパフォロワ１０が摺動可能に配設されている。スリッパ１１の上端面は円弧形状となっており、上記中速用カム３あるいは高速用カム４と当接可能となっている。そしてスリッパ１１の各々は、カムシャフト１の回転にともないこれらカム３，４とすべり接触する。スリッパフォロワ１０は、図示しないスプリングによって中速あるいは高速用カム３，４に対して付勢されている。なお、スリッパ１１の各々は、焼結合金あるいは鋼合金によって形成されている。
【００２３】
また、ロッカアーム６内には、同ロッカアーム６に対する上記各スリッパフォロワ１０の摺動を許容あるいは制限するロック機構（図示しない）が設けられている。このロック機構は油圧制御に基づき作動する。そして、このロック機構によって各スリッパフォロワ１０の摺動を許容あるいは制限することで、ロッカアーム６自体を揺動するカムを選択的に切り換えることができるようになっている。例えば、両方のスリッパフォロワ１０の摺動を許容した場合、中速用及び高速用カム３，４の押圧はスリッパフォロワ１０をいわば空摺動させるだけで、ロッカアーム６自体には伝達されない。したがって、ロッカアーム６は低速用カム２によって揺動されるようになる。また、中速用カム３側のスリッパフォロワ１０の摺動だけを制限した場合、同中速用カム３の押圧もロッカアーム６に伝達可能となる。そしてロッカアーム６自体は、よりリフト量及び作用角の大きな中速用カム３によって揺動されるようになる。更に高速用カム４側のスリッパフォロワ１０の摺動も制限した場合、同高速用カム４の押圧もロッカアーム６に伝達可能となり、同ロッカアーム６はリフト量及び作用角の最も大きな高速用カム４によって揺動されるようになる。このようにロッカアーム６を揺動させるカムを切り換えることで、同ロッカアーム６によって揺動される機関バルブ８のバルブ特性を可変とすることができるようになる。
【００２４】
次に、上記各カム２〜４の材質について、詳細に説明する。
本実施の形態において、上記すべり接触を受ける中速用カム３及び高速用カム４についてはこれをＦＣＡ５等の鋳鉄によって形成するとともに、これに再溶融チル化処理を施すようにしている。先述したように、すべり接触を受けるカムは、スカッフィング等のすべり摩耗によって表面損傷を受け易い。こうしたすべり摩耗が原因の表面損傷を抑制するには、接触面の硬度を高くすることが有効である。この点、上記ＦＣＡ５等の鋳鉄は硬度が比較的高く、耐摩耗材料として適切である。そして本実施の形態にあっては、これらカムを鋳造によって形成し、表面を再加熱して溶融させ、タングステン等の添加物を浸透させた後、冷却によって再凝固することで、カムの表層に非常に硬度の高いチル層を形成している。こうした再溶融チル化処理によってカムの接触面の硬度をより一層高くしている。更に、鋳鉄は潤滑剤の保有性も高いため、上記のようなすべり接触を受けるカムの材料として非常に優れた特性を有している。
【００２５】
一方、本実施の形態において、上記転がり接触を受ける低速用カム２についてはこれをＳ５０等の鋼によって形成するとともに、これに焼き入れ・焼き戻し処理を施すようにしている。転がり接触を受けるカムの接触面は高い繰り返し荷重を受け続けることとなり、表面直下の材料が疲労破壊し、座屈することで生じるピッチングが原因の損傷が生じやすい。こうしたピッチングの発生を抑制するには、じん性等の機械的強度を向上することが有効である。そこで本実施の形態にあっては、上記のＳ５０等の鋼に焼き入れ・焼き戻し処理を施すことで、機械的強度を比較的高くし、上記のような転がり接触を受けるカムの材料として適切な性質としている。
【００２６】
このように、接触態様に応じて特化した性質のカムを用いることで、カムの耐久性を更に向上することができるようになり、ひいてはカムシャフトの信頼性をより一層高めることができるようになる。
【００２７】
次に、上記のような鋳鉄製のカムと鋼製のカムとが設けられたカムシャフトの製造方法の一例を示す。
本実施の形態にあって、上記カムシャフト１の製造に際しては、まず、軸材と鋼製の低速用カム２と鋳鉄製の中速及び高速用カム３，４とをそれぞれ別途に成形する。その後、これらカムをロウ付けによって軸材に装着し、カムシャフト１として一体化する。そして、鋳鉄製の中速及び高速用カム３，４に対する再溶融チル化処理、鋼製の低速用カム２に対する焼き入れ・焼き戻し処理の順に各カムの材質改善処理を施す。鋼製の低速用カム２に対する焼き入れ・焼き戻し処理は、高周波加熱によって行う。これらの処理の後、各カム２〜４の接触面（プロフィール面）に対する研削加工を施して、図１あるいは図２に例示したようなカムシャフト１を得る。
【００２８】
なお、上記の各材質改善処理はカムを加熱することによって行われるため、処理後のカムには熱変型が生じる。軸材への装着以前にこうした処理を施すと、軸材への装着が困難となり、場合によってはカムの再加工等の必要が生じる。したがってここで一体化後に上記の各処理を施すことで、軸材への装着作業を容易としている。
【００２９】
また、鋼製の低速用カム２に対する焼き入れ・焼き戻し処理を先に行うと、再溶融チル化処理時の加熱のため、鋼製のカム２も再加熱されてしまう。その結果、焼き入れ・焼き戻し処理による材質改善の効果が低減されるおそれがある。この点、上記製造方法では、焼き入れ・焼き戻し処理を高周波加熱によって行うことで、対象となる鋼製のカムだけを限定して加熱することを可能としている。これにより、同処理が鋳鉄製のカムに及ぼす影響は比較的小さくて済むようになる。
【００３０】
以上の順にカムシャフトの製造を行うことで、材質改善処理の効果を好適に維持しつつ、各カムの接触態様に対応した耐性を有するカムシャフトを比較的容易に製造することができるようになる。
【００３１】
以上説明したように、本実施の形態にかかるカムシャフト及びその製造方法によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）すべり接触を受けるカムを鋳鉄製とすることで、すべり摩耗に対する耐性を高めることができるようになる。また、この鋳鉄製のカムに対して再溶融チル化処理を施すことで、更に耐摩耗性能を高め、同カムの耐久性や信頼性を向上することができるようになる。
【００３２】
（２）転がり接触を受けるカムを鋼製とし、焼き入れ・焼き戻し処理を施すことで、ピッチングへの耐性を高め、同カムの耐久性や信頼性を向上することができるようになる。
【００３３】
（３）すべり接触を受けるカムと転がり接触を受けるカムとで材質を積極的に使い分けることで、各カムの接触態様に対する相性をより適切とすることができるようになり、異なった接触態様となる複数のカムが設けられたカムシャフトであれ、その耐久性や信頼性を高く維持することができるようになる。
【００３４】
（４）接触態様に応じて異なった材質のカムを使い分けることで、カムの材質の選定を容易とし、信頼性の高いカムシャフトを比較的少ない製造費用や製造工程で製造できるようになる。ちなみに、上記すべり接触を受けるカムに必要とされる機械的特性である硬さと上記転がり接触を受けるカムで必要とされるじん性とは相反する性質であり、これらの両方の性質を兼ね備えた材料の選定は困難である。また、そういった性質を兼ね備える材料があったとしても、そうした材料によって構成されるカムシャフトは一般に、製造が困難で、製造費用も高くなる傾向にある。そうした意味からも、本実施の形態にかかるカムシャフトのように接触態様に応じて材料の異なるカムを設けることの意義は大きい。
【００３５】
（５）カムの軸材への組み付け、再溶融チル化処理、焼き入れ・焼き戻し処理の順でカムシャフトの製造を行うことで、材質改善処理の効果を好適に維持しつつ、各カムの接触態様に対応した耐性を有するカムシャフトを比較的容易に製造することができるようになる。
【００３６】
なお、本発明の実施の形態は、以下のように変更してもよい。
・前記実施の形態にかかるカムシャフトは、ローラフォロワとスリッパフォロワとを備える可変動弁装置に対してだけでなく、転がり接触を受けるカムとすべり接触を受けるカムとが必要とされるカムシャフト全てについて同様に適用することができる。
【００３９】
・また、カムが押圧する相手部材の材質によって材質の異なるカムを使い分ける構成としてもよい。すなわち、すべりや転がりといった接触の物理的形態が同一であっても、カムが押圧する相手部材の材質が異なる場合、相手部材の材質に応じて異なった材質のカムを設ける構成としてもよい。こうした構成であっても、各カムの耐久性や信頼性を高く維持することができるようになる。
【００４６】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、材質改善処理の効果を好適に維持しつつ、各カムの接触態様に対応した耐性を有するカムシャフトを製造することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるカムシャフトの一実施形態の側面構造を示す側面図。
【図２】同カムシャフトと可変動弁機構との関係を示す斜視図。
【符号の説明】
１…カムシャフト、２…低速用カム、３…中速用カム、４…高速用カム、５…ロッカシャフト、６…ロッカアーム、７…アーム、８…機関バルブ、９…ローラフォロワ、１０…可動カムフォロワ、１１…スリッパ、１２…ガイド穴。

Claims

軸材に鋳鉄により形成された第１のカムと鋼により形成された第２のカムとを装着する第１の工程と、
前記第１の工程の後、前記第１のカムに対して再溶融チル化処理を施す第２の工程と、
前記第２の工程の後、前記第２のカムに対して焼き入れ・焼き戻し処理を施す第３の工程と
を含むカムシャフトの製造方法。