JP4259105B2 - 組立式カムシャフト用カムロブの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、組立式カムシャフト用カムロブの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のトリントン方式の組立式カムシャフト用カムロブにおいては、拡管による割れを防止するため、外周部の表面硬さより内周部の硬さの方が低くなるように、熱処理することにより、内周部側の伸びを確保している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−３３９１１０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記熱処理は、例えば、高周波焼入れによって、外周部のみを硬化させるための追加の工程である。したがって、作業工数および設備費用が増加して、生産コストを上昇させる問題を有している。
【０００５】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、拡管による割れを防止することができる生産コストに優れた組立式カムシャフト用カムロブの製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、貫通孔が設けられたベースサークル部と、ベースサークル部より半径方向外方に突出するノーズとを有し、前記貫通孔に円管状シャフト材が挿入された後、前記シャフト材が拡管されることで、前記シャフト材の外周に締結されるカムロブであって、
カムロブ材料は、肌焼き鋼からなり、前記カムロブ材料を、カム形状に成形した後、表面硬化処理が施されることによって、
前記貫通孔の内周部と前記ベースサークル部の外周部との間の径方向の厚みＴ（ｍｍ）と、前記貫通孔の内周部における、５５０ＨＶ以上の硬度を示している径方向の深さＤ（ｍｍ）との関係が、
Ｄ≦０．４１６７Ｔ−１．０（但し、Ｔ≧２．４）
を満たしているカムロブを製造するためのカムロブ製造方法であって、
前記表面硬化処理の際において、複数のカムロブを密着して配置し、両端に位置するカムロブの貫通孔を覆うことを特徴とするカムロブ製造方法である。
【０００９】
【発明の効果】
上記のように構成した本発明は以下の効果を奏する。
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、カムロブ材料は、肌焼き鋼であり、表面硬化処理は、調質処理を兼ねることが可能である。したがって、表面硬化処理のための専用（追加）の工程は不要であり、生産コストの上昇は抑制される。また、表面硬化処理の際において、複数のカムロブを密着して配置し、両端に位置する貫通孔を覆うことにより、貫通孔の内周部の表面から径方向への硬度分布（有効硬化層深さ）の上記規定を満たしており、材料の脆化が防がれ、拡管による割れを回避することができる。したがって、拡管による割れを防止することができる生産コストに優れた組立式カムシャフト用カムロブの製造方法を提供することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態に係る組立式カムシャフトの正面図、図２は、本発明の実施の形態に係るカムロブの斜視図である。
【００１５】
組立式カムシャフト１０は、例えば、内燃機関用であり、クランクシャフトの回転に同期して、吸排気弁を開閉させるために使用され、円管（中空）状のシャフト材２０と、複数のカムロブ３０と、ジャーナル４０とを有する。シャフト材２０の一端には、ベルトあるいはチェーンによって回転駆動されるスプロケット５０が締結される。カムロブ３０は、クランク角に対応させた位相差をもって位置決めされ、シャフト材２０に締結される。
【００１６】
カムロブ３０は、貫通孔３２が設けられたベースサークル部３１と、ベースサークル部３１より半径方向外方に突出するノーズ３４とを有する。カムロブ３０は、貫通孔３２にシャフト材２０が挿入された後、シャフト材２０を拡管されることで、シャフト材２０の外周に締結される。
【００１７】
貫通孔３２は、例えば、丸みを有する凹状の溝部３３が軸方向に形成された内周部を有している。溝部３３は、等間隔に配置され、拡管時に、拡径されたシャフト材２０の肉が食い込むことによって、カムロブ３０とシャフト材２０の間における捩じり強度を確保する。なお、溝部３３の形状は、矩形状とすることも可能である。
【００１８】
カムロブ３０は、肌焼き鋼（低炭素鋼）からなるカムロブ材料を、例えば、冷間鍛造によってカム形状に成形した後、表面硬化処理を施し、さらに、機械加工することによって得られる。
【００１９】
カムロブ材料は、肌焼き鋼であり、表面硬化処理は、調質処理を兼ねることが可能である。したがって、表面硬化処理のための専用（追加）の工程は不要であり、生産コストの上昇は抑制される。なお、表面硬化処理は、浸炭焼入れ焼戻しや浸炭窒化などを適用することが可能である。
【００２０】
図３は、ベースサークル部肉厚と、内周有効硬化層深さとの関係を説明するためのグラフである。なお、ベースサークル部肉厚は、貫通孔３２の内周部とベースサークル部３１の外周部との間の径方向の厚みＴである。内周有効硬化層深さは、貫通孔３２の内周部における、５５０ＨＶ以上の硬度を示している径方向の深さＤである。また、符号○は、拡管によってカムロブ割れが発生しなかった場合を示し、符号×は、拡管によってカムロブ割れが発生した場合を示している。
【００２１】
図３に示されるように、ベースサークル部肉厚Ｔと内周有効硬化層深さＤとの関係においては、カムロブ割れの有無を分ける境界が存在しており、当該境界は、一次式で近似することができる。一次式の傾きおよび切片を算出すると、０．４１６７および−１．０となる。また、内周有効硬化層深さＤは正の数であるため、ベースサークル部肉厚Ｔは、２．４以上となる。
【００２２】
したがって、ベースサークル部肉厚Ｔ（ｍｍ）と内周有効硬化層深さＤ（ｍｍ）とが、関係式Ａ（Ｄ≦０．４１６７Ｔ−１．０（但し、Ｔ≧２．４））を満たす場合、カムロブ割れは、生じない。つまり、関係式Ａを満たすように、貫通孔の内周部の表面から径方向への硬度分布（有効硬化層深さ）を規定することにより、材料の脆化が防がれ、拡管による割れを回避することができる。そのため、例えば、内周表面硬度（貫通孔の内周部における表面の硬度）が７５０ＨＶ以上であっても、材料の脆化が防がれ、割れを回避することができる。
【００２３】
以上のように、肌焼き鋼からなるカムロブ材料を、カム形状に成形した後、関係式Ａを満たすように、表面硬化処理を施すことによって、拡管による割れを防止することができる生産コストに優れた組立式カムシャフト用カムロブを提供することができる。また、関係式Ａを満たせば、例えば、ベースサークル部肉厚が５ｍｍ以下という薄肉形状においても、拡管による割れの生じないカムロブを提供できる。
【００２４】
また、例えば、貫通孔の溝部に、拡径されたシャフト材の肉が食い込む際に、溝部の端の強度が足りない場合、容易に塑性変形するため、シャフト材の食い込み量が十分とならず、カムロブとシャフト材の間における捩じり強度が維持できない。したがって、内周表面硬度は、拡管による締結後に十分な捩じり強度を確実に得るためには、表面硬化処理後において、４００ＨＶ以上であることが望ましい。
【００２５】
次に、本発明の実施の形態に係るカムロブ製造方法を説明する。
【００２６】
肌焼き鋼からなるカムロブ材料を、例えば、冷間鍛造等によって、剪断、貫通孔の打ち抜き等を行い、カム形状に成形する。
【００２７】
次に、調質処理を兼ねた表面硬化処理、例えば、浸炭焼入れ焼戻しが施される。なお、表面硬化処理の際において、複数のカムロブを密着して配置し、両端に位置するカムロブの貫通孔を覆い、浸炭ガスや焼き入れ油が、カムロブの貫通孔の内周に回り込みことを制御している。
【００２８】
その結果、ベースサークル部肉厚Ｔと内周有効硬化層深さＤとの関係が、Ｄ≦０．４１６７Ｔ−１．０（但し、Ｔ≧２．４）を満たすカムロブを得ることができる。
【００２９】
図４は、本発明の実施の形態に係るカムロブ製造方法の表面硬化処理におけるカムロブの積み上げを説明するための平面図、図５は、図４の線Ｖ−Ｖに関する断面図である。
【００３０】
カムロブ３０の密着した配置は、つば部を有する円管状あるいは中実棒状の治具６０を、カムロブ３０の貫通孔３２に挿入して、カムロブ３０を積み上げることによって実施される。また、最上部（上端）に位置するカムロブ（不図示）の上には、スペーサを介しボルト状あるいはキャップ状の押え部材が配置される。
【００３１】
カムロブは、押え部材を締め付けることによって、つば部と押え部材との間で固定される。スペーサは、例えば、変形し易い銅製である。締め付けトルクは、例えば、０．１〜０．５ｋｇｆｍである。
【００３２】
また、図に示されるように、カムロブ３０は、ずらして積み上げることが望ましい。詳述すると、隣接するカムロブ３０のノーズずれ量αは、６０°以上でかつ１２０°以下であることが望ましく、特に、９０°であることがさらに望ましい。
【００３３】
この場合、内周有効硬化層深さＤとして、１．０〜１．５ｍｍが得られ、相手材と摺動する部位、すなわち仕上げ加工後におけるノーズのトップ近傍は、６５０ＨＶの表面硬度を達成することができた。
【００３４】
ノーズずれ量αは、例えば、貫通孔の周縁に形成される溝部３３を、角度αの間隔で配置し、溝部に対応する凸部を、治具に形成することで、容易に設定することができる。
【００３５】
図６は、ベースサークル部幅とクリアランスとの関係を説明するためのグラフである。なお、ベースサークル部幅は、ベースサークル部の軸方向の厚みＷである。クリアランスは、貫通孔と治具との間のクリアランスＣである。また、符号○は、拡管によってカムロブ割れが発生しなかった場合を示し、符号×は、拡管によってカムロブ割れが発生した場合を示している。
【００３６】
図６に示されるように、ベースサークル部幅ＷとクリアランスＣとの関係においては、カムロブ割れの有無を分ける境界が存在しており、当該境界は、一次式で近似することができる。一次式の傾きおよび切片を算出すると、２．４および−７．８となる。
【００３７】
したがって、ベースサークル部幅Ｗ（ｍｍ）とクリアランスＣ（ｍｍ）とが、関係式Ｂ（Ｃ≦２．４Ｗ−７．８）を満たす場合、カムロブ割れは、生じない。つまり、関係式Ｂを満たす場合、貫通孔の内周部における表面が、浸炭雰囲気に過度に曝されないため、狙いの有効硬化層深さが確実に得られる。
【００３８】
表面硬化処理が完了すると、その後、貫通孔の内周部の機械加工（例えば、旋削及びブローチ加工）が施され、シャフト部の外形に対応する精密な形状に成形される。
【００３９】
次に、所定数のカムロブが、シャフト部材に挿入され、位置決めされる。そして、例えば、マンドレルをシャフト部材の中に挿通し、シャフト部材を拡管させてカシメることによって、カムロブが中空シャフト部材に物理的に締結される。
【００４０】
拡管後、ベースサークル部およびノーズの外周は、仕上げ加工が施される。そのため、耐摩耗性を確実に確保するためには、仕上げ加工後の外周表面硬度（ベースサークル部およびノーズの外周における表面硬度）は、６５０ＨＶ以上であることが望ましい。例えば、仕上げ加工の取り代が０．３〜０．７ｍｍ程度であることから、外周有効硬化層深さが、１．０〜１．４ｍｍとなるように設定することで、上記硬度を達成することができる。
【００４１】
以上のように、コストに優れた組立式カムシャフト用カムロブの製造方法および組立式カムシャフトを提供することができる。
【００４２】
次に、本発明の実施の形態に係る実施例１〜４および比較例１〜６を説明する。なお、図７は、作成条件を説明するための図表である。
【００４３】
実施例１〜４は、ＪＩＳ−ＳＣｒ４２０Ｈ材をカムロブ材料として適用し、冷間鍛造にて成形した後、ノーズずれ量αが９０°となるように複数のカムロブを積み上げて、（調質処理を兼ねた）表面硬化処理を施したものである。表面硬化処理の温度条件は、９４０℃×６時間３０分の浸炭後、８８０℃からの油焼入れ、１７０℃×１時間の焼戻しである。また、ベースサークル部幅とクリアランスは、関係式Ｂを満たすように設定している。
【００４４】
比較例１〜３は、実施例１〜４と同様のＪＩＳ−ＳＣｒ４２０Ｈをカムロブ材料として適用し、比較例４は、ＪＩＳ−ＳＣＭ４２０Ｈをカムロブ材料として適用し、冷間鍛造にて成形した後、調質処理を施したものである。調質処理の温度条件は、上記表面硬化処理と同一である。
【００４５】
比較例５および比較例６は、実施例１〜４と同様のＪＩＳ−ＳＣｒ４２０Ｈをカムロブ材料として適用しているが、調質処理の浸炭条件が異なる。つまり、実施例１〜４および比較例１〜４における浸炭は、９４０℃×６時間３０分であるが、比較例５における浸炭は、９４０℃×４時間５０分であり、比較例６における浸炭は、９２５℃×２時間３０分である。
【００４６】
なお、カムロブが締結される円管状シャフト材の最大拡径量は、０．９％に設定している。
【００４７】
図８は、実施例１〜４および比較例１〜６の性能評価結果を説明するための図表である。図に示されるように、実施例１は、０．５ｍｍの内周有効硬化層深さＤおよび３．６ｍｍのベースサークル部肉厚Ｔを有しており、拡管による割れが発生していない。関係式Ａに、ベースサークル部肉厚Ｔを代入することで算出される有効硬化層深さの上限は、０．５ｍｍである。したがって、実施例１は、関係式Ａを満たしており、拡管による割れが発生しないことを裏付けている。
【００４８】
実施例２〜４も同様に、拡管による割れが発生しておらず、各内周有効硬化層深さＤは、関係式Ａを満たしており、拡管による割れが発生しないことを裏付けている。
【００４９】
また、実施例１〜４においては、内周表面硬度は、４００ＨＶ以上（５０５〜７７２）であり、拡管時おける十分な締結強度を達成できる。さらに、仕上げ加工後の外周表面硬度は、いずれも６５０ＨＶ以上（６８０〜７９９ＨＶ）であり、良好な耐摩耗性を確保できた。
【００５０】
一方、比較例１は、１．３ｍｍの内周有効硬化層深さＤおよび３．６ｍｍのベースサークル部肉厚Ｔを有し、拡管による割れが発生している。関係式Ａに、ベースサークル部肉厚Ｔを代入することで算出される有効硬化層深さの上限は、０．９ｍｍである。したがって、比較例１は、関係式Ａを満たしておらず、拡管による割れが発生したことを裏付けている。
【００５１】
また、比較例２〜４も同様に、拡管による割れが発生しており、各内周有効硬化層深さＤは、関係式Ａを満たしておらず、拡管による割れが発生したことを裏付けている。
【００５２】
一方、比較例５は、０．８ｍｍの内周有効硬化層深さＤおよび４．５ｍｍのベースサークル部肉厚Ｔを有し、拡管による割れが発生していない。関係式Ａに、ベースサークル部肉厚Ｔを代入することで算出される有効硬化層深さの上限は、０．９ｍｍである。したがって、比較例５は、関係式Ａを満たしており、拡管による割れが発生しないことを裏付けている。
【００５３】
しかし、外周有効硬化層深さは、０．８ｍｍであり、仕上げ加工後における外周表面硬度は、５８７ＨＶとなる。したがって、比較例５の場合、耐摩耗性および耐焼付き性が不足している。
【００５４】
比較例６は、拡管による割れが発生していない。しかし、仕上げ加工後における外周表面硬度は、３６２ＨＶであり、耐摩耗性および耐焼付き性が不足している。また、貫通孔の表面硬度が４００ＨＶを下回る３６２ＨＶであるため、拡管時おける十分な締結強度を達成できない。
【００５５】
以上にように、実施例１〜４は、比較例１〜６に対して優れており、組立式カムシャフト用カムロブとして要求される耐割れ性、耐摩耗性、締結強度を満足している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る組立式カムシャフトの正面図である。
【図２】 本発明の実施の形態に係るカムロブの斜視図である。
【図３】 ベースサークル部肉厚と、内周有効硬化層深さとの関係を説明するためのグラフである。
【図４】 本発明の実施の形態に係るカムロブ製造方法の表面硬化処理におけるカムロブの積み上げを説明するための平面図である。
【図５】 図４の線Ｖ−Ｖに関する断面図である。
【図６】 ベースサークル部幅とクリアランスとの関係を説明するためのグラフである。
【図７】 本発明の実施の形態に係る実施例１〜４および比較例１〜６の作成条件を説明するための図表である。
【図８】 実施例１〜４および比較例１〜６の性能評価結果を説明するための図表である。
【符号の説明】
１０…組立式カムシャフト、
２０…シャフト材、
３０…カムロブ、
３１…ベースサークル部、
３２…貫通孔、
３３…溝部、
３４…ノーズ、
４０…ジャーナル、
５０…スプロケット、
６０…治具、
Ｗ…ベースサークル部幅、
α…ノーズずれ量。

Claims (4)

1. 貫通孔が設けられたベースサークル部と、ベースサークル部より半径方向外方に突出するノーズとを有し、前記貫通孔に円管状シャフト材が挿入された後、前記シャフト材が拡管されることで、前記シャフト材の外周に締結されるカムロブであって、
   カムロブ材料は、肌焼き鋼からなり、前記カムロブ材料を、カム形状に成形した後、表面硬化処理が施されることによって、
   前記貫通孔の内周部と前記ベースサークル部の外周部との間の径方向の厚みＴ（ｍｍ）と、前記貫通孔の内周部における、５５０ＨＶ以上の硬度を示している径方向の深さＤ（ｍｍ）との関係が、
   Ｄ≦０．４１６７Ｔ−１．０（但し、Ｔ≧２．４）
   を満たしているカムロブを製造するためのカムロブ製造方法であって、
   前記表面硬化処理の際において、複数のカムロブを密着して配置し、両端に位置する貫通孔を覆うことを特徴とするカムロブ製造方法。
2. 円管状あるいは中実棒状の治具を、貫通孔に挿入して、カムロブを積み上げることによって、複数のカムロブを密着して配置しており、
   前記貫通孔と前記治具との間のクリアランスＣ（ｍｍ）と、ベースサークル部の軸方向の厚みＷ（ｍｍ）との関係が、
   Ｃ≦２．４Ｗ−７．８
   を満たしていることを特徴とする請求項１に記載のカムロブ製造方法。
3. 隣接するカムロブのノーズずれ量は、６０°以上かつ１２０°以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のカムロブ製造方法。
4. 隣接するカムロブのノーズずれ量は、９０°であることを特徴とする請求項３に記載のカムロブ製造方法。

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