JP4686099B2 - カムシャフト及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車の内燃機関において使用され、円筒形シャフトと、円筒形シャフトに押さえつけられて回転および移動に関して堅固に固定される少なくとも一つの中空円筒形カムとを有するカムシャフトに関する。
複数の個別の部品から組み立てられるこのタイプのカムシャフトは、キャスティングや鋳造技術によって製造されるカムシャフトに代わって、多く使用されるようになっている。
本発明は、また、このようなカムシャフトの新規の製造方法と、この方法を実施する装置にも関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、通常複数存在するカムをシャフト上に固定するための様々な方法が知られている。
第一のこのような方法の場合、シャフトはシャフトの直径を超えて突出する転動ゼロピッチスレッドを有するカムの領域に設けられ、カムの開口部または穴は切出し軸溝を備えている。カムがシャフトに押さえつけられると、連動する二つの輪郭によって、二つの部品の間に係合が生成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方法には様々な不都合な点がある。ローラを使用する研磨仕上げの間に、シャフトが伸びて、かなり屈曲してしまう。そのため、各シャフトを所望のサイズまで実質的に短くする必要があり、また屈曲も直さなければならない。シャフトの軸受部は、カムが押さえつけられた後に最終寸法に研磨されるのみである。生じる許容誤差は、少なくとも０．５ｍｍの過大寸法で考慮に入れる必要がある。
【０００４】
また、カムは押さえつけられながら変形するが、これは変化し簡単に観測することのできないいわゆるカム成長である。これは、研磨操作によって各カムを再加工する必要もある。カムの変形によっても異なるが、これによって外周から材料が不均一に剥がれてしまう。誘導手段によって予め生成された均一厚さの表面硬さ領域は、結果としてその厚さが不均一になる。通常最少厚さはこの硬さ領域に対して規定されているので、始めから大きな寸法にする必要がある。
【０００５】
また、カムが押さえつけられると、上記溝の体系によりカムはシャフト上に真っ直ぐ配置されないため、カムがわずかに傾く。そして、カムはある程度偏心移動する。更に、押さえつけられる方向における開口部の前端部は常に、カムの軸長さをわずかに縮める位相を備えており、これはカムの配列と配置にとって重要である。これらの許容誤差も、適切な過大寸法で考慮に入れた後、研削によって再び除去する必要がある。
【０００６】
また、カムが強制的に押さえつけられると、カムに亀裂が生じる恐れがあり、これはカムが不合格品となる理由になり得る。
また、カムが押さえつけられた後の多くの必要な加工過程およびかなりの程度の再加工により、製造にかなりの時間を要してしまう。
【０００７】
他の方法の場合、カムとシャフトとの間に焼嵌めが行われる。この場合、カムの開口部の直径は、シャフトの外形よりも幾分小さくなるよう選択される。そして、加熱状態でカムはシャフト上に押さえつけられ、シャフトは低温に冷却される。部品の温度を等しくした後、所望の焼嵌めが得られる。
【０００８】
しかし、これは通常、例えば車のエンジンにおいて、カムに生じるトルクに適切に耐えるものではない。従って、上記方法の場合と同様に、通常歯のシステムも必要となる。
【０００９】
更に別の方法の場合、管として形成されたシャフトは、カムが押さえつけられた後、内部に高い圧力を受け、これによって、カムのシャフトへの圧入と同様に、シャフトは拡大する。シャフトはカムの間の領域においてカムの内径を越えて拡大するため、ここでも、これらの領域に配置された軸受部を研磨作業で相当に再加工しなければならない。
【００１０】
本発明は、このような従来の技術が有する問題を解決するために提案されたものであり、始めに述べた種類の適切な強度を有して、特により迅速に低費用で製造できるカムシャフト及びその製造方法の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この目的は、本発明に従い、請求項１に定義されたカムシャフトによって達せられるものであり、上記カムシャフトにおいて、少なくとも一つのカムは、少なくとも一つの側面において管に隣接するフットストリップを備え、この少なくとも一つのフットストリップに沿って貫通してシャフトに溶接され、さらに、前記フットストリップが、前記シャフトから半径方向に離れて前記カムの面（２．４、２．５）に存在する溝状ノッチング（２．６、２．７）によって形成され、該フットストリップの端面が、前記カムの面（２．４、２．５）と同一面上に位置することを特徴とする。
【００１２】
このようなカムシャフトを製造するための対応する方法は、請求項５において規定されている。
本発明の問題の効果、および好適な改良点および展開は、それぞれ請求項に規定される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明は、図面を参照して、実施例にもとづいて以下に詳細に説述するものであり、図面は、図６以外はそれぞれ断面図である。
図１において、（ここでは）一つの管状の中空円筒形シャフトの一部を１で示し、またその軸を１．１で示す。正確な嵌め込みでシャフト１に押し付けられるのは、同様の中空円筒形カム２である。その開口部または穴２．１に隣接して、このカム２は二つの外周フットストリップ２．２および２．３を備えており、これらは二つの端面２．４および２．５を越えて水平に突出している。
【００１４】
３で示すレーザまたは電子ビームにより、カム２はシャフト１上に溶接、あるいはシャフト１へ溶接され、半径方向に対して角度αで上から斜めにフットストリップ２．３に沿って貫通して、好適にその外周に渡って正確に延びる。フットストリップ２．２および２．３の形状および構成が良く分かるように、図１では省略されているが、他方の同一のフットストリップ２．２に沿ってカム２の他方の側面でも同一の溶接が実際には行われ、好適である。これは続く図２、３および５でも行われ、溶接接合部もそれぞれ一方の側でのみ図示されている。
【００１５】
図１で明確に分かるように、フットストリップ２．２、２．３が存在することにより、実質的に最適な溶接断面３．２を有する溶接接合部（溶接錐体）３．１が生成され、その幅はフットストリップの幅にほぼ対応するので、強固且つ永久的なカム２およびシャフト１との間の非常に優れた接続が得られる。図２は、比較のために、同じ条件で、カム上の図１によるフットストリップ無しで得られるシャフト１とカム２との間の溶接接合部を示している。しかしながら、ここでは、溶接断面の幅は、フットストリップを使用して可能となる溶接断面の幅の半分とになっている。ここでは、より大きな角度αで溶接することも必要である。
【００１６】
図３は、変更された実施例を図１と比較して示しており、同一の条件で、図示されたカム２上の二つのフットストリップ２．２および２．３はその端面２．４および２．５を越えて突出していないが、それぞれこれらに溝２．６および２．７が形成されている。フットストリップ２．２および２．３の高さは、ここでは特にシャフト１あるいはカムの開口部２．１からの溝の半径距離から得られる。溝により、図１と同一の急角度αで向けられる溶接ビーム３は、溝の上端２．８を過ぎて、フットストリップ２．２および２．３に向かう。溝２．６または２．７を適切に形成することにより、図面に対して選択された２０°の角度よりも急峻な角度αが容易に得られる。例えば、図４に示すように、二つのカムの間の距離がわずかで、シャフト１上に二つのカムを配置する必要がある場合、急峻な溶接角度αが必要となることもある。３°〜４０°の間の範囲の溶接角度が全体的に好適である。
【００１７】
図５は、ａ）〜ｃ）の下にそれぞれ隣り合う本発明による三つのカムを示しており、ａ）の下に示すカムは、表面を越えて水平方向に突出するフットストリップを有する図１の構造形に相当し、ｃ）の下に示すカムは、溝によって形成され、表面を超えて水平方向に突出しないフットストリップを有する図３の構造形に相当する。中央のｂ）の下に示すカムは、二つの外形の間の過渡形状を現しており、この場合、フットストリップはカムの表面を一部越えて突出するが、溝も深く形成されていない。図５から、定められた必要条件によって異なるが、原則的に、外側に示す二つの変形の間の何れかの過渡形状を使用できることが明らかである。
フットストリップの成形に関係する限り、溶接ビームがほぼ鉛直にフットストリップに当たるように、わずかに傾斜した上側を有するフットストリップを形成するのが好適である。フットストリップの高さは、その幅とその半分の幅の間の範囲にほぼ収まるべきである。
【００１８】
図５に示す全てのカムから、その開口部または穴２．１の軸長さが、全体でその軸長さ（その面の間の距離）に少なくとも等しいか、あるいはａ）およびｂ）による実施例においては大きいことが分かる。これにより、カムはシャフトの軸方向に対して水平に正確な配列でシャフトにうまく設置される。これは、シャフトの水平面およびカムの内面が平滑で、互いに正確に適合するよう加工されている場合、より一層効果的であり、好ましい。
【００１９】
更に、図６は、本発明によるカムシャフトの製造の効果を有する使用可能な配置である。概略的であるに過ぎないが、図６に示してあるのは、押し当てられた複数のカム２を有するシャフト１と、各カム２に対する溶接ヘッド４であり、これはレーザまたは電子溶接ヘッドであっても良い。溶接ヘッド４は、その溶接ビーム３がカム２のフットストリップ２．２および２．３に当たるように、配列されている。図６は、シャフト１が、図示されていない手段によって軸方向に締め付けられ、また溶接ヘッド４が同時に作動している間、その軸１．１を中心に回転させられると理解されよう。このように、数秒の作業において、溶接技術によって全てのカム２を同時にシャフト１に固定することが可能である。
【００２０】
溶接において、シャフト１およびカム２は、比較的小さな歪を受けるので、これらは好適にその形状を維持する。管状シャフトンの場合、例えばシャフトに冷媒を流すことにより、溶接によってシャフト１およびカム２に局所的に導入された熱を更に奪うことができ、部品への起こりうる悪影響を更に減らすことになる。
【００２１】
好適に連続して溶接接合する前に、カム２を所望の位置および回転場所でシャフトに予め固定する必要もある。これは、例えば、タック溶接によって行っても良いが、焼嵌め、係合、または内部への加圧などの最初に説明した一つあるいは複数の従来の接続方法で行なっても良い。予備接続は特に確実で永久的である必要は全くないので、この場合最初に述べた既知の固定方法の不都合な点は回避できる。
【００２２】
本発明による構造設計および固定技術によって得られるシャフトおよびカムの寸法安定性の結果、すでに述べたように、シャフトおよびカムは、その所望の最終寸法または少なくとも最終寸法に近い寸法に組み立てられる前に、前もって製造される。その結果、部品の困難な再研磨はもはや必要ではなく、あるいは少なくとも非常に短い加工時間においてのみ製造される。その結果、図面においてカム２の水平面上の２．９で示される領域、またはシャフト１上の１．２で示される後の軸受部などの表面硬さ領域も同様に予め設け、従来技術で必要であったように、厚さまたは深さを著しく大きくする必要なしに正確にすることができる。硬さ領域２．９または１．２も続いて、すなわち、この場合レーザまたは電子ビーム装置４を使用してカムを溶接した後に、有利に製造することができる。その結果、予想に反して、シャフトの曲がりの例がカムの溶接中に発生するが、いずれの場合もこれらはわずかであり、再びレーザまたは電子ビーム装置４のいずれかを使用して、シャフトの局所加熱を行なうことにより、曲がりを直すことができる。
【００２３】
このようなカム２またはカム上のフットストリップ２．２および２．３は、簡素な成形技術によって有利に製造することができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明により達せられる効果は、特に以下の点において見られる。
シャフトのローラ研磨仕上げが不要となるため、シャフトの長さの増大および屈曲が生じることはなく、またカムをシャフトにはめ込んで溶接しても、カム成長が発生することはなく、シャフトおよびカムは共に、組み立てられる前にそれぞれの最終寸法、あるいは１００分の２〜３ミリメートル内の少なくとも最終寸法近くまで（ほぼ端部形状）すでに加工されることになる。研削作業による大変な再加工はもはや必要でなく、あるいは最低限にまで減少する。その結果、シャフトおよびカムは、接続する前に、必要以上に寸法を大きくする必要はない。また、表面硬さ領域の不均一な除去を回避することによっても、必要以上に寸法を大きく取る必要はなくなる。
【００２５】
カムに平滑な開口部または穴を設け、開口部の直径をシャフトの外形に正確に合わせることにより、大きな力でシャフトにカムを押し当てる必要がなくなるため、カムの傾斜とかむの亀裂の発生を回避することができる。
既知のカムシャフトと比較すると、本発明によるカムシャフトは、より短時間で、非常に効率よく、低費用で、より少ない加工作業、特にあまり再加工を行うことなく、非常に正確に、低不合格率で製造することが可能となる。
シャフトとカムの材料の選択の自由は大きく、また構造の種類の自由度も非常に高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、始めに管状シャフトの片側のみにカムを溶接し、また溶接フットストリップを備える本発明によるカムシャフトの短部を示す。
【図２】 図２は、このような溶接フットストリップを無しで得られる溶接接合部を詳細に示す。
【図３】 図３は、図示するカム上の溶接フットストリップが、カムの面を超えて突出せず、それぞれ溝によって形成される図１の代替としての構造を示す。
【図４】 図４は、それぞれ近接する二つのカムのみを示す図３と同様の図を示す。
【図５】 図５は、比較として、互いに隣り合う異なって形成されたフットストリップを有する三つのカムを示す。
【図６】は、様々なレーザまたは電子ビーム溶接ヘッドを有する、本発明によるカムシャフトを製造するための配置を正面図で概略的に示す。
【符号の説明】
１ シャフト
１．１ シャフトの軸
１．２ シャフト上の硬さ領域
２ カム
２．１ カムの開口部／穴
２．２ フットストリップ
２．３ フットストリップ
２．４ カム面
２．５ カム面
２．６ 溝
２．７ 溝
２．８ 端
２．９ カム上の硬さ領域
３ レーザまたは電子溶接ビーム
３．１ 溶接接合部
３．２ 溶接断面
４ レーザまたは電子溶接ヘッド

Claims (16)

1. 円筒形シャフト（１）および前記円筒形シャフト上に押し付けられて回転および移動に関して堅固に固定されている少なくとも一つの中空円筒形カム（２）を有し、前記カムが、少なくとも一方の側面で前記シャフトに隣接するフットストリップ（２．２、２．３）を備え、且つこの少なくとも一つのフットストリップに沿って貫通して前記円筒形シャフト（１）に溶接されているカムシャフトであって、
   前記フットストリップが、前記シャフトから半径方向に離れて前記カムの面（２．４、２．５）に存在する溝状ノッチング（２．６、２．７）によって形成され、該フットストリップの端面が、前記カムの面（２．４、２．５）と同一面上に位置することを特徴とするカムシャフト。
2. 前記溶接が、他の材料を用いることなく、レーザ又は電子ビーム溶接によって行われることを特徴とする請求項１に記載のカムシャフト。
3. 前記カムとシャフトの間の溶接断面（３．２）の幅が前記シャフト上の前記フットストリップの幅にほぼ対応するように、前記溶接が行われることを特徴とする請求項１又は２に記載のカムシャフト。
4. 前記シャフトが少なくとも二つの隣接するカムを備え、またフットストリップが、前記シャフトの半径方向に対して最大でも４０°の角度（α）で一方の前記カムを通過するレーザ又は電子溶接ビームが前記フットストリップの全周上に達するように、他方の前記カムを向いた側面上で少なくとも一つの前記カム上に形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のカムシャフト。
5. 前記シャフトが輪状断面の管であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のカムシャフト。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のカムシャフトの製造方法であって、
   少なくとも一つの中空円筒形カム（２）が、円筒形シャフト（１）から半径方向に離れて前記カムの面（２．４、２．５）に存在する溝状ノッチング（２．６、２．７）によって形成されたフットストリップ（２．２、２．３）を備え、前記フットストリップの端面が、前記カムの面（２．４、２．５）と同一面上に位置しており、また、このように形成された少なくとも一つのカムが、円筒形シャフト（１）に押し込まれ、次に、少なくとも一つのフットストリップに沿って貫通してシャフトに溶接されることを特徴とするカムシャフトの製造方法。
7. 前記溶接が、別の材料を用いることなく、レーザ又は電子ビーム溶接機器（４）を使用して行われ、前記レーザ又は電子ビームが、シャフトの半径方向から外れる角度（α）で少なくとも一つのフットストリップ上に外部から向けられ、また前記シャフトが少なくとも一つのカムと共に同時にその長手方向軸を中心に回転させられることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記シャフト及び前記カムの少なくとも一つは、組み立てられる前に最終寸法、あるいは、１００分の２〜３ミリメータ内の少なくともほぼ最終の寸法にすでに加工されていることを特徴とする請求項６又は７に記載のカムシャフトの製造方法。
9. 軸受部（１．２）とされる領域内の前記シャフト及び水平面（２．９）上の前記カムの少なくとも一つが、組み立てられる前に硬化されることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載のカムシャフトの製造方法。
10. 少なくとも一つのカムを、タック溶接，焼嵌め，管状シャフトへの内圧の印加，及び，寸法や形状に関連する局所的に制限された係合の少なくとも一つによって、溶接の前に前記シャフト上の所望の位置に予め固定することを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載のカムシャフトの製造方法。
11. 少なくとも一つのカムが両側面上にフットストリップを備え、同時に両フットストリップに沿って貫通して前記シャフトに溶接されることを特徴とする、請求項６〜１０のいずれかに記載のカムシャフトの製造方法。
12. 複数のカムが次々と前記シャフトに押し付けられ、同時に前記シャフトに溶接されることを特徴とする、請求項６〜１１のいずれかに記載のカムシャフトの製造方法。
13. 管を前記シャフトとして使用し、また、前記管が冷媒を通過することにより溶接の間に冷却されることを特徴とする請求項６〜１２のいずれかに記載のカムシャフトの製造方法。
14. 少なくとも一つのカムを溶接した後、長手方向の屈曲があれば、レーザ又は電子ビーム技術を使用する局所加熱によって前記シャフトの曲がりを直すことを特徴とする請求項６〜１３のいずれかに記載のカムシャフトの製造方法。
15. 少なくとも一つのフットストリップが、成形技術によって少なくとも一つのカム上に成形されることを特徴とする請求項６〜１４のいずれかに記載のカムシャフトの製造方法。
16. 少なくとも一のカムの開口部が、前記シャフトに押し込まれる前に、平滑な円筒形状と平滑な内面を有することを特徴とする請求項６〜１５のいずれかに記載のカムシャフトの製造方法。

Images