JP3618977B2 - カム・タペット装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、カム・タペット装置におけるタペットのクラウニング形状の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、カムの回転をタペットの往復動に変換するカム・タペット装置として、図7に示すようなローラタペット装置がある。図7において、ローラタペット1は、カム軸5のカム6に当接するローラ2と、このローラ2を支持するローラ軸3を有するタペット本体4とから構成される。カム軸5とローラ軸3とは互いに平行に配置されている。タペット本体4の上部には、プッシュロッド7が取り付けられている。そして、タペット本体4は、スプリング(図示せず)等によってプッシュロッド7を介してカム6に向かって押し付けられている。したがって、カム軸5の回転に伴うカム6の半径の変動に追従して、タペット本体1は矢印Cの方向に往復動する。
【0003】
ところで、上記ローラタペット装置においては、図8に示すように、上記ローラ2の周面2aのローラ軸3の方向への断面形状には、接触圧力の集中を避けるためにクラウニングと呼ばれるわずかな膨らみを形成するようにしている。このようなクラウニングの形状として、ルンドベルグ(Lundberg)は、接触圧力を転動体の軸方向に均一にするようなクラウニング形状を提案しており、現在ではこのクラウニング形状が最適とされている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ルンドベルグのクラウニング形状によれば、確かにローラ2の軸方向へ均一な接触圧力分布を呈する。ところが、実際にローラ2が受けるダメージを評価すると、破壊,金属疲労や塑性変形等の材料が受けるダメージの軸方向への分布は一様でないという問題がある。ところで、カム6とタペット1のローラ2とのように互いに線接触して回転を往復動に変換する2つの相互接触部材においては、両相互接触部材の接触面における最適間隔決定の問題を、図4に示すような有限幅円筒25と半無限体(以下、単に平面と言う)26との相対接近量(相対隙間)問題に置き換えることができる。図4において、X,Y,Zは無次元座標であり、X軸はx/b,Y軸はy/b,Z軸はz/bである。但し、x,y,zは座標であり、bは回転方向へのヘルツ(Hertz)の接触幅の1/2である。
【0005】
図9は、上記ルンドベルグのクラウニング形状を適用した有限幅円筒25に発生する軸方向に均一な接触圧力下での相当応力σEをヘルツの最大接触応力Phで無次元化した無次元化相当応力ΣE(=σE/Ph)の分布を示す。ここで、相当応力σEとは、金属材料の降伏条件の一種のフォン・ミーゼス(Von Mises)の降伏条件に用いられる応力成分である。図9より、上記有限幅円筒25の内部における破壊や金属疲労や塑性変形等の材料が受けるダメージを評価する無次元化相当応力ΣEは、回転軸から半径方向に有効長さの0.8倍の箇所Aに帯状に強くあらわれる。そして、特に、上記帯状箇所Aのうちの側面近傍の領域Bで降伏応力(=0.60)を越える強い値を示し、領域Bから降伏が始まることが分かる。このように、例え、接触圧力分布を軸方向に均一にしたとしても、必ずしも3次元の相当応力分布は均一とはならず、相当応力σEが集中する箇所が存在する。そのために、ローラ2に最大負荷能力を与えることができないという問題がある。
【0006】
そこで、この発明の目的は、相当応力または最大剪断応力等で表される材料が受けるダメージの集中を無くして最大負荷能力を高めることができるカム・タペット装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1に係る発明は、カムと,このカムの周面に常時線接触して一方向に往復動するタペットを有して,上記カムの回転を上記タペットの往復動に変換するカム・タペット装置において、上記カムとタペットとの接触面の間隔における上記カムの軸方向への変化が,接触圧力下での上記軸方向への相当応力分布または最大剪断応力分布等の材料が受けるダメージを評価する物理量が均一になるように設定されており、上記カムとタペットの接触面の間隔における上記軸方向への変化が、実質的に下記の式で表されることを特徴としている。
【数2】
尚、hcr(y):上記軸方向への位置yにおける2つの相互接触部材の接触面の間隔
k:加工公差に関する許容範囲
R:上記カムの回転方向への等価半径
C2:必要最大間隔の加工公差に関する許容寸法
E':等価ヤング率
Lwe:上記タペットの有効長
σEmax:材料の圧縮に関する強度
τmax:材料の最大剪断応力に関する強度
【0008】
上記構成によれば、上記カムとタペットとの接触面の間隔における上記軸方向への変化は、接触圧力下での上記軸方向への相当応力分布または最大剪断応力分布等で表される材料が受けるダメージが均一になるように設定されている。したがって、上記相当応力又は最大剪断応力等で表される材料が受けるダメージが集中する箇所が存在せず、その分だけ上記タペットの最大負荷能力が高められる。
【0009】
さらに、上記回転方向への等価半径R、等価ヤング率E'、上記タペットの有効長Lwe、材料の圧縮に関する強度σEmax、および、材料の最大剪断応力に関する強度τmaxが分かれば、接触圧力下での上記方向への相当応力分布または最大剪断応力分布が均一になるような上記カムとタペットの接触面の間隔が容易に得られる。
【0010】
また、1実施の形態では、上記カムとタペットとの接触面の間隔における上記カムの軸方向への変化が、接触圧力下での上記軸方向への相当応力分布または最大剪断応力分布が均一になるように設定されている。
【0011】
上記実施の形態によれば、上記カムとタペットとの接触面の間隔における上記軸方向への変化は、接触圧力下での上記軸方向への相当応力分布または最大剪断応力分布で表される材料が受けるダメージが均一になるように設定されている。したがって、上記相当応力または最大剪断応力で表される材料が受けるダメージが集中する箇所が存在せず、その分だけ上記タペットの最大負荷能力が高められる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。図1は、本実施の形態のカム・タペット装置としてのローラタペット装置の縦断面図である。ローラ軸13,タペット本体14,カム軸15,カム16及びプッシュロッド17は、図7に示すローラ軸3,タペット本体4,カム軸5,カム6およびプッシュロッド7と同一構成を有して、同様に動作する。ローラ12はローラ軸13に支持されて、カム16に当接している。
【0013】
上記カム16とローラ12のとの接触面の相対隙間の問題は、図4に示すような有限幅円筒25と平面26の隙間の問題に置き換えることができる。そこで、以下、カム16とローラ12との接触面の相対隙間を、図4の力学モデルを用いて説明する。
【0014】
上述したように、図4に示す有限幅円筒25と平面26との相対隙間においては、有限幅円筒25に対する接触圧力分布を有限幅円筒25の軸方向に均一にしたとしても、3次元の相当圧力分布は均一にはならない。そこで、本実施の形態においては、上述の点に着目して、有限幅円筒25の軸方向への相当応力分布または最大剪断応力分布等で表される材料が受けるダメージが均一になるように、有限幅円筒25のクラウニング形状(つまり、ローラ12の外周面のクラウニング形状)を決定するのである。
【0015】
先ず、上記有限幅円筒25に任意のクラウニング形状与えて、乾燥接触問題における基礎式を用いて接触2物体間(つまり、有限幅円筒25と平面26との間)の相対距離Hを求め、接触圧力を求める。そして、得られた接触圧力の分布を用いて3次元の内部応力分布を得、この3次元内部応力分布から次式によって相当応力を求める。
ここで、 σE:相当応力
σX:YZ面に作用する垂直応力成分
σY:XZ面に作用する垂直応力成分
σZ:XY面に作用する垂直応力成分
τXY:XY面に作用する剪断応力成分
τYZ:YZ面に作用する剪断応力成分
τZX:ZX面に作用する剪断応力成分
【0016】
そして、こうして得られた相当応力σEの分布が有限幅円筒25の軸方向に均一になるようにクラウニング形状を変更し、上述の解析を繰り返す。こうして、材料内部のダメージが軸方向に均一に分布するようにクラウニング形状を決定するのである。
【0017】
上述のようにして導出されたクラウニング形状の式は、次のような式である。
【数3】
尚、hcr(y):位置yにおけるクラウニング量
k:加工公差に関する許容範囲
(k=1.2〜15:この範囲内で同等の効果を呈する)
R:相対移動方向への等価半径
1/R=1/r1+1/r2
r1,r2:相対移動方向への物体1,2の曲率半径
C2:必要最大間隔の加工公差に関する許容寸法
(C2=0.6〜8)
E':等価ヤング率
1/E'=1/2{(1−ν1 2)/E1+(1+ν2 2)/E2}
E1,E2:物体1,2のヤング率
ν1,ν2:物体1,2のポアソン比
Lwe:有限幅円筒25の有効長
σEmax:材料の圧縮に関する強度(圧縮降伏応力または圧縮疲労限)
τmax:材料の最大剪断応力に関する強度(圧縮降伏応力または圧縮疲労限)
【0018】
図3は、上記クラウニング形状の式によって算出された有限幅円筒25のクラウニング量の一例を示す図である。また、図5は、上記クラウニング形状の式が適用された有限幅円筒25における接触圧力pをヘルツの最大接触応力Phで無次元化した無次元化接触圧力P(=p/Ph)の分布である。図5(a)はY=0におけるZX面の接触圧力分布であり、図5(b)はX=0におけるYZ面の接触圧力分布である。また、図6は、図9の場合と同じ荷重条件下での軸方向への無次元化相当応力ΣEの分布を示す。
【0019】
図5(b)から分かる様に、本実施の形態におけるクラウニング形状によれば、有限幅円筒25の軸方向の接触圧力分布は、中央部から軸方向両端のエッジ部に向かって少しずつ減少し、上記エッジ部で曲線的に低下するようになっている。
【0020】
したがって、図6に示すY軸方向への無次元化相当応力ΣEの分布から分かるように、上記ルンドベルグのクラウニング形状を適用した場合の上記エッジ部での無次元化相当応力ΣEの上昇(図9参照)が無くなり、そのまま曲線的に減少している。その結果、図9に見られるような上記帯状領域Aの側面近傍に現れる降伏応力を越える強い相当応力の集中が回避される。
【0021】
通常、上記カム16の外周面はカム軸15に平行な面である。したがって、図2に示すように、ローラ12の外周面18におけるローラ軸13の方向への断面形状を、上記式で求められるクラウニング形状に形成すればよい。ところが、カム16の外周面がカム軸15に平行な面でない場合には、ローラ12とカム16との接触面におけるカム軸15の方向への相対間隔が、上記式で求められるクラウニング形状になるようにすればよいのである。
【0022】
上述のように、本実施の形態においては、ローラタペット装置におけるローラ12とカム16との接触面の相対隙間を、カム軸15の方向への無次元化相当応力ΣEの分布を均一にするように決定している。したがって、ローラ12の軸方向両端エッジ部における無次元化相当応力ΣEの集中を防止できる。すなわち、本実施の形態によれば、無次元化相当応力ΣEの集中が無くなる分だけローラ12の静的最大負荷容量および動的最大負荷容量を高めることができるのである。
【0023】
尚、上記実施の形態ではカム16の外周面に当接しているローラ12を有するローラタペット装置を例に説明しているが、この発明はこれに限定されるものではない。ローラ12を用いないカム・タペット装置にも適用可能である。
【0024】
【発明の効果】
以上より明らかなように、請求項1に係る発明のカム・タペット装置は、上記カムとタペットとの接触面の間隔における上記カムの軸方向への変化を、実質的に下記の式で表したので、上記相当応力または最大剪断応力等で表される材料が受けるダメージが集中する箇所が存在せず、その分だけ上記タペットの静的最大負荷容量及び動的最大負荷容量を高めることができる。さらに、上記タペットの耐圧痕性や寿命の向上を図ることができる。
【0025】
さらに、回転方向への等価半径R、等価ヤング率E'、上記タペットの有効長Lwe、材料の圧縮に関する強度σEmax、及び、材料の最大剪断応力に関する強度τmaxが分かれば、接触圧力下での上記方向への相当応力分布または最大剪断応力分布が均一になるような上記カムとタペットとの接触面の間隔を容易に得ることができる。
【数4】
尚、hcr(y):上記軸方向への位置yにおける2つの相互接触部材の接触面の間隔
k:加工公差に関する許容範囲
C2:必要最大間隔の加工公差に関する許容寸法
【0026】
また、1実施の形態のカム・タペット装置は、上記カムとタペットとの間隔における上記カムの軸方向への変化を、接触圧力下での上記軸方向への相当応力分布または最大剪断応力分布が均一になるように設定しているので、上記相当応力または最大剪断応力で表される材料が受けるダメージが集中する箇所が存在せず、その分だけ上記タペットの静的最大負荷容量および動的最大負荷容量を高めることができる。さらに、上記タペットの耐圧痕性や寿命の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明のカム・タペット装置としてのローラタペット装置における縦断面図である。
【図2】図1におけるローラの断面形状を示す図である。
【図3】図1におけるローラに適用されるクラウニング量の一例を示す図である。
【図4】図1におけるローラに関する力学モデルを示す図である。
【図5】図4における有限幅円筒の接触圧力分布を示す図である。
【図6】図4における有限幅円筒の無次元化相当応力分布を示す図である。
【図7】従来のローラタペット装置の縦断面図である。
【図8】図7におけるローラの断面形状を示す図である。
【図9】ルンドベルグのクラウニング形状を適用した有限幅円筒における図6と同じ荷重条件下での無次元化相当応力分布を示す図である。
【符号の説明】
11…ローラタペット、 12…ローラ
13…ローラ軸、 14…タペット本体、
15…カム軸、 16…カム。
Claims (1)
- カムと、このカムの周面に常時線接触して一方向に往復動するタペットを有して、上記カムの回転を上記タペットの往復動に変換するカム・タペット装置において、
上記カムとタペットとの接触面の間隔における上記カムの軸方向への変化が、接触圧力下での上記軸方向への相当応力分布または最大剪断応力分布等の材料が受けるダメージを評価する物理量が均一になるように設定されており、
上記カムとタペットとの接触面の間隔における上記軸方向への変化が、実質的に下記の式で表されることを特徴とするカム・タペット装置。
k : 加工公差に関する許容範囲
R : 上記カムの回転方向への等価半径
C 2 : 必要最大間隔の加工公差に関する許容寸法
E ': 等価ヤング率
L we : 上記タペットの有効長
σ Emax : 材料の圧縮に関する強度
τ max : 材料の最大剪断応力に関する強度
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JP30309697A JP3618977B2 (ja) | 1997-11-05 | 1997-11-05 | カム・タペット装置 |
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JPH11141654A JPH11141654A (ja) | 1999-05-25 |
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1997
- 1997-11-05 JP JP30309697A patent/JP3618977B2/ja not_active Expired - Fee Related
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