JP4793438B2 - カムシャフトの鋳造方法、およびカムシャフト用鋳型 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に設置されるカムシャフトの鋳造方法、カムシャフトおよびカムシャフト用鋳型に関する。特に、特定の回転角をセンサで検出するために、周方向特定位置に形成された回転角検出対象部を有するカムシャフトの鋳造方法、カムシャフトおよびカムシャフト用鋳型に関する。

エンジンの燃料噴射時期等を決定するために、エンジンの動弁カム機構におけるカムシャフトの回転角情報が用いられる。この種のエンジンでは、カムシャフトの回転角を検出する検出装置が設けられている（例えば、特許文献１参照。）。

例えば、特許文献１に開示されているカムシャフトの回転角検出装置では、カムシャフトの軸端部の周方向特定位置に回転角検出対象部（特許文献１において「検出対象突起部」と記載されている。）を一体に設け、この回転角検出対象部をピックアップコイルからなるセンサにて検出する。このときの検出信号に基づき、ＥＣＵ（電子制御ユニット）によりカムシャフトの回転角が判定される。このような回転角検出対象部は、カムシャフトと一体に鋳造されることが多い。

上記回転角検出対象部を有するカムシャフトを鋳造により製造する場合、砂型が用いられることが多い。この種の砂型は、例えば、図１２（Ａ）、（Ｂ）に示すような１対の砂型作製用金型５３Ａ，５３Ｂを用いて作製される。この砂型製作用金型５３Ａ，５３Ｂは、カムシャフトの回転角検出対象部を含む軸端部の断面形状に対応するように機械加工等により作製される。各砂型製作用金型５３Ａ，５３Ｂは、カムシャフト本体に対応したカムシャフト本体対応部５３ａと、カムシャフト本体から径方向外側に突出した回転角検出対象部に対応した回転角検出対象部対応部５３ｂと、型割面を形成するための平坦な型割面形成部５３ｃとを備えている。

砂型作製用金型５３Ａ，５３Ｂは、図１３に示すように、それぞれ木枠５５，５５内に配置され、砂型作製用金型５３Ａ，５３Ｂの型がその上に詰め込まれた砂に転写されて砂型５６Ａ，５６Ｂが作製される。

図１４に示すように、作製された１対の砂型５６Ａ，５６Ｂは組み合わされて、カムシャフトの軸端部形状に対応したキャビティ５８を形成する。このキャビティ５８内に溶湯が注入されて回転角検出対象部５９ａが一体に設けられたカムシャフト５９が鋳造される。
特開平１０−３７７８２号公報

従来は、砂型作製用金型５３Ａ，５３Ｂの回転角検出対象部対応部５３ｂ，５３ｂや、砂型５６Ａ，５６Ｂのキャビティ５９の回転角検出対象部５９ａを形成する部分（以下「回転角検出対象部形成キャビティ５８ａ」ともいう。）が２つの型によって構成されていた。このことから、回転角検出対象部形成キャビティ５８ａの周方向の幅寸法６５にばらつきが生じ易く、上記砂型５６Ａ，５６Ｂを用いて鋳造されるカムシャフト５９の回転角検出対象部５９ａの周方向の幅寸法について所定の寸法精度を確保することが困難であった。

砂型作製用金型５３Ａ，５３Ｂは、機械加工により所定の寸法精度にて作製されるが、例えば、各転角検出対象部対応部５３ｂ，５３ｂの幅寸法６１，６２をそれぞれ±０．２ｍｍの精度で仕上げる場合、２つ合わせた回転角検出対象部対応部５３ｂ，５３ｂの幅寸法の精度は、その倍の値である±０．４ｍｍとなる。

また、各砂型５６Ａ，５６Ｂの回転角検出対象部形成キャビティ５８ａ，５８ａの幅寸法６３，６４の精度をそれぞれ±１ｍｍの精度で仕上げる場合、２つ合わせた回転角検出対象部形成キャビティ５８ａ，５８ａの幅寸法の精度は、その倍の値である±２ｍｍとなる。

このようにして出来上がった砂型５６Ａ，５６Ｂを用いてカムシャフト５９を鋳造すると、回転角検出対象部５９ａの周方向の幅寸法６５には、最大で２．４ｍｍの誤差が含まれることとなる。この場合、センサによって検出されるカムシャフトの回転角検出値の値に上記誤差が含まれてしまう。このような寸法誤差を含むカムシャフトの使用を回避するためには、鋳造後のカムシャフトの寸法検査に多くの時間と労力を払わなければならない。また、寸法検査により検出された寸法誤差の大きなものに対しては修正加工、廃棄処分等を行わなければならないことがある。

本発明は、上記問題に鑑みて創案されたものであり、外周部に回転角検出対象部が一体に形成されたカムシャフトの鋳造方法において、回転角検出対象部の周方向の幅寸法の精度を向上させることを可能とするカムシャフトの鋳造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、上記鋳造方法により製造されるカムシャフトや上記鋳造方法に使用されるカムシャフト用鋳型を提供することをも目的とする。

上述の課題を解決するための手段として、本発明のカムシャフトの鋳造方法、カムシャフトおよびカムシャフト用鋳型は、以下のように構成されている。

すなわち、本発明のカムシャフトの鋳造方法は、外周部に回転角検出対象部が一体に形成されたカムシャフトを第１および第２の鋳型を用いて鋳造することを前提としており、第１の鋳型は、第２の鋳型との型割面から連続した型割連続面を有し、この型割連続面によって前記回転角検出対象部の周方向に面する一方の側面を形成する。また、第２の鋳型は、前記回転角検出対象部の前記一方の側面以外の部分を形成する回転角検出対象部形成部を有する。更に、前記第１および第２の鋳型の型割面は、前記カムシャフトの軸線を含む平面上に形成されている。

かかる構成を備えるカムシャフトの鋳造方法によれば、回転角検出対象部を形成するキャビティは、第１の鋳型の型割連続面によってその一部が形成されているものの、専ら第２の鋳型内に存在する。このため、回転角検出対象部用キャビティ内の寸法誤差は、鋳型１個分の寸法誤差で済む。故に、本発明のカムシャフトの鋳造方法によれば、回転角検出対象部の周方向の幅寸法の精度を高めることができる。

また、本発明のカムシャフトの鋳造方法は、上記構成において、前記鋳型を砂型としたものであってもよい。

かかる構成を備えるカムシャフトの鋳造方法は、仕上がり寸法がばらつき易い砂型を用いた鋳造方法に対して特に有効である。

また、本発明のカムシャフト用鋳型は、カムシャフト本体の外周部に回転角検出対象部が一体に形成されたカムシャフトを鋳造するための第１および第２の鋳型からなるものである。そして、第１の鋳型は、型割面から連続した型割連続面と、カムシャフト本体を形成するカムシャフト本体形成部と、を有し、前記型割連続面によって前記回転角検出対象部の周方向に面する一方の側面を形成するものである。一方、第２の鋳型は、前記回転角検出対象部の前記一方の側面以外の部分を形成する回転角検出対象部形成部を有するものである。また、前記第１および第２の鋳型の型割面は、前記カムシャフトの軸線を含む平面上に形成されている。

また、本発明のカムシャフト用鋳型は、上記構成において、第１および第２の鋳型を砂型としたものであってもよい。

既述の本発明のカムシャフト用鋳型を用いてカムシャフトを鋳造すれば、既述した本発明のカムシャフトの鋳造方法と同様の作用効果が得られる。

本発明によれば、外周部に回転角検出対象部を一体に形成するカムシャフトを鋳造により製造する場合に、当該回転角検出対象部の周方向の幅寸法の精度を向上させることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。まず、本発明のカムシャフトの鋳造方法等の説明に先立って、本発明のカムシャフトの鋳造方法によって鋳造されるカムシャフト（以下、本発明のカムシャフトという）がエンジン内に設置された状態について簡単に説明する。

図１は、本発明のカムシャフト１０が直列型ＤＯＨＣタイプのエンジン３０に設置された例を示している。エンジン３０の下部には、クランクシャフト３１が配置されている。このクランクシャフト３１の回転動力をもって本発明の吸気用カムシャフト１０Ａおよび本発明の排気用カムシャフト１０Ｂが回転駆動されるようになっている。クランクシャフト３１の回転動力は、カムシャフト駆動機構４０によって各カムシャフト１０Ａ，１０Ｂに伝達される。

カムシャフト駆動機構４０は、主として、クランクスプロケット４１、吸気用カムスプロケット４２、排気用カムスプロケット４３、タイミングチェーン４４等を備えて構成されている。

クランクスプロケット４１は、クランクシャフト３１の一方軸端に一体に連結されている。吸気用カムスプロケット４２は、吸気用カムシャフト１０Ａの一方軸端に一体に連結されている。排気用カムスプロケット４３は、排気用カムシャフト１０Ｂの一方軸端に一体に連結されている。タイミングチェーン４４は、クランクスプロケット４１および各カムスプロケット４２，４３に巻き掛けられ、クランクスプロケット４１の駆動回転により各カムスプロケット４２，４３を従動回転させる。

ここで、例えばクランクスプロケット４１を図１のクランクスプロケット４１の近傍の矢印で示す方向（時計回り）に回転させると、タイミングチェーン４４ならびに両カムスプロケット４２，４３がクランクスプロケット４１と同方向（時計回り）に回転駆動され、カムシャフト１０Ａ，１０Ｂもカムスプロケット４２，４３とともに回転駆動される。

タイミングチェーン４４には、その張力を調整するためのチェーンテンショナ４５と、タイミングチェーン４４をガイドするチェーンガイド４６とが付設されている。

各カムシャフト１０Ａ，１０Ｂに設けられている回転角検出対象部１１，１１は、各カムシャフト１０Ａ，１０Ｂの一端部（反カムスプロケット４２，４３側）に一体形成されている。この回転角検出対象部１１，１１は、特定位置（特定回転角）を通過する際に、カムポジションセンサ１２，１２によってそれぞれ検出されるようになっている。

カムポジションセンサ１２，１２には、例えばピックアップコイルが採用される。この場合、カムポジションセンサ１２，１２は、カムシャフト１０の回転時に、回転角検出対象部１１がその近傍を通過する毎に、磁界の変動を検出して検出信号を図示しないＥＣＵに送出する。ＥＣＵはこの検出信号に基づいてカム１３およびカムシャフト１０の回転角等を判定する。なお、図示するカムポジションセンサ１２は、カムシャフト１０の軸線Ｎ（図３参照）に平行な方向に向かって設置されており、同方向に指向性を有している。

［カムシャフトの回転角検出対象部］
以下、カムシャフト１０の回転角検出対象部１１について図２〜図４に基づいて更に詳細に説明する。

図２はカムシャフト１０の正面図、図３はカムシャフト１０の側面図（一部省略している。）、図４はカムシャフト１０の平面図（一部省略している。）である。

これらの図に示すように、複数のカム１３が一体形成されたカムシャフト１０の一端部の外周部に形成された回転角検出対象部１１は、カムシャフト１０の外周部の周方向特定位置において径方向外側へ突出した形状をしている。但し、回転角検出対象部１１の形状は、カムポジションセンサ１２がその近傍通過を検出することができるものであれば足り、径方向外側へ突出した形状以外のものであってもよい。

また、回転角検出対象部１１の周方向に面する一方の側面１１ａの遠心側縁部に軸線Ｎ方向に延在したパーティングラインＰＬ１が形成されている。このパーティングラインＰＬ１は、カムシャフト１０が後述する本発明の鋳造方法によって製造されることにより形成されるものである。

なお、カムポジションセンサ１２によって検出される信号の立ち上がりを明瞭にするため、回転角検出対象部１１には、カムポジションセンサ１２に対向する平坦なセンサ対向面１１ｂが鋳造後の機械加工等により形成され、更に、このセンサ対向面１１ｂに対して前記一方の側面１１ａが直交するように形成されている。

［カムシャフトの鋳造方法］
次に、本発明のカムシャフトの鋳造方法について説明する。本発明のカムシャフトの鋳造方法は、カムシャフト用鋳型として、第１の鋳型１４と第２の鋳型１５とを用いて既述のカムシャフト１０を鋳造するものである。第１および第２の鋳型１４，１５には、例えば、砂型、金型等が採用される。

図５は、第１および第２の鋳型１４，１５の断面図である。この断面図は、回転角検出対象部１１を形成する回転角検出対象部用キャビティ１６ａを含み且つ軸線Ｎに直交する平面で切断した図である。この図に示すように、第１の鋳型１４は、第２の鋳型１５との型割面ＰＳ１から連続した型割連続面１４ａを有しており、この型割連続面１４ａによって、回転角検出対象部１１の周方向に面する一方の側面１１ａが形成される。また、第１の鋳型１４は、カムシャフト本体１０ａの半周分を形成するカムシャフト本体形成部１４ｂをも有している。

一方、第２の鋳型１５は、回転角検出対象部１１の前記一方の側面１１ａ以外の部分を形成する回転角検出対象部形成部１５ａを有している。したがって、カムシャフト１０を形成するキャビティ１６のうち回転角検出対象部１１を形成する回転角検出対象部形成キャビティ１６ａは、専ら第２の鋳型１５内にある。

このため、第１および第２の鋳型１４，１５によって鋳造されるカムシャフト１０の回転角検出対象部１１の周方向の幅寸法１６ｂの精度は、専ら第２の鋳型１５内の回転角検出対象部形成キャビティ１６ａの寸法精度に依存する。

第２の鋳型１５は、回転角検出対象部形成部１５ａのほか、第１の鋳型１４のカムシャフト本体形成部１４ｂとともにカムシャフト本体１０ａを形成するカムシャフト本体形成部１５ｂも有している。

なお、本実施形態では、離型性を考慮して、第１および第２の鋳型１４，１５の型割面ＰＳ１，ＰＳ２は、カムシャフト１０の軸線Ｎを含む平面上に形成されている。

カムシャフト１０は、組み合わされた第１および第２の鋳型１４，１５が形成するキャビティ１６内に溶湯が流し込まれることによって鋳造されるが、この鋳造時に、キャビティ１６から型割面ＰＳ１，ＰＳ２の隙間に微量の溶湯が漏れ出し、カムシャフト１１にパーティングラインＰＬ１，ＰＬ２が形成される。一方のパーティングラインＰＬ１は、カムシャフト１１の回転角検出対象部１１の前記側面１１ａの遠心側縁部に形成される。もう一方のパーティングラインＰＬ２は、軸線Ｎを中心として前記一方のパーティングラインＰＬ１から周方向に１８０°回転した位置においてカムシャフト本体１０ａ上に形成される。

以上に説明した第１および第２の鋳型１４，１５を用いたカムシャフトの鋳造方法によれば、回転角検出対象部形成キャビティ１６ａは、第１の鋳型１４の型割連続面１４ａによってその一部が形成されているものの、専ら１つの鋳型（第２の鋳型１５）内に形成されている。

従来の鋳型では、回転角検出対象部形成キャビティが２個の鋳型に分かれて形成されていたため、回転角検出対象部用キャビティ内の寸法誤差は、２個の鋳型分の寸法誤差を足し合わせたものとなっていた。

しかし、本発明のカムシャフトの鋳造方法によれば、回転角検出対象部用キャビティ１６ａ内の寸法誤差は、１個の鋳型分の寸法誤差で済むことから、従来と比較して寸法誤差が約半分近くに減る。

ここで、上記第１および第２の鋳型１４，１５として砂型が使用される場合の回転角検出対象部の寸法誤差について説明する。例えば図１４に示すような、従来の各砂型５６Ａ，５６Ｂ内の回転角検出対象部形成キャビティ５８ａを形成する部分の周方向の幅寸法６３，６４を各±１ｍｍの精度で作製できるとした場合、２つの砂型５６Ａ，５６Ｂによって形成される回転角検出対象部形成キャビティ５８ａの周方向の幅寸法６５の精度は、２個の鋳型分の寸法誤差である±２ｍｍとなる。

しかし、図５に示すような、本発明の砂型１４，１５によれは、回転角検出対象部形成キャビティ１６ａが、専ら１つの砂型１５内にあることから、その周方向の幅寸法１６ｂの精度は１個の鋳型分の寸法誤差である±１ｍｍで済む。

したがって、本発明によれば、砂型１４，１５内の回転角検出対象部形成キャビティ１６ａの周方向の幅寸法１６ｂの精度が向上し、この砂型１４，１５を用いて鋳造されるカムシャフト１０の回転角検出対象部１１の周方向の幅寸法１１ｄの精度も向上する。

ところで、第１および第２の鋳型１４，１５として砂型を使用する場合には、砂型作成用金型の寸法精度も砂型内のキャビティの寸法精度に影響する。そこで、砂型作製用金型としては、図６に示すような第１および第２の砂型作成用金型１８，１９を使用することが望ましい。

図７に示すように、第１および第２の砂型作製用金型１８，１９は、それぞれ木枠２０，２０内に配置され、砂型作製用金型１８，１９の型がその上に詰め込まれた砂に転写されて既述の砂型１４，１５が作製される。

図６（Ａ）および図７（Ａ）に示す第１の砂型作製用金型１８は、カムシャフト本体１０ａの半周分の形状に対応したカムシャフト本体対応部１８ａと、このカムシャフト本体対応部１８ａの両側よりそれぞれ径方向外側に平坦に延在した型割面対応部１８ｃ，１８ｃと、を有している。一方、図６（Ｂ）および図７（Ｂ）に示す第２の砂型作製用金型１９は、カムシャフト本体１０ａの余周分の形状に対応したカムシャフト本体対応部１９ａと、回転角検出対象部１１の形状（既述の側面１１ａの形状を除く）に対応した回転角検出対象部対応部１９ｂと、カムシャフト本体対応部１９ａおよび回転角検出対象部対応部１９ｂからそれぞれ径方向外側に平坦に延在した型割面対応部１９ｃ，１９ｃとを備えている。

従来技術の説明で述べたように、各砂型作製用金型の回転角検出対象部対応部の周方向の幅寸法をそれぞれ±０．２ｍｍの精度で作製できるとした場合、２つの回転角検出対象部対応部を合わせた上記幅寸法の精度は、±０．４ｍｍとなる。

しかし、上記第１および第２の砂型作製用金型１８，１９によれば、回転角検出対象部対応部１９ｂが専ら１つの砂型作製用金型１９によって構成されるので、回転角検出対象部対応部１９ｂの幅寸法の精度は±０．２ｍｍとなる。これにより、上記第１および第２の砂型作製用金型１８，１９を用いて作製された砂型１４，１５の回転角検出対象部用キャビティ１６ａの周方向の幅寸法の精度は向上し、更には、その砂型１４，１５を用いて鋳造されるカムシャフト１０の回転角検出対象部１１の幅寸法の精度も向上する。

［他の実施形態１］
カムポジションセンサ１２の位置は、図８に示すように、変更することも可能である。すなわち、カムポジションセンサ１２を回転角検出対象部１１の外径側において軸線Ｎに直交する方向に向かって配置し、回転角検出対象部１１の外径側端面１１ｃがその近傍を通過する毎に、磁界の変動を検出するようにしてもよい。この場合、図示するように、回転角検出対象部１１の外径側に形成されていた既述のパーティングラインＰＬ１は機械加工等により除去することが望ましい。

［他の実施形態２］
図９〜図１０は、本発明の他の実施形態に係るカムシャフト１０’を示している。これらの図に示すように、カムシャフト１０’の外周部に、径方向外側に膨出した膨出部２１が一体に形成されている。回転角検出対象部１１は、カムシャフト１０の一端の外周部と、上記膨出部２１の軸線Ｎ方向の軸端側に面した側面２１ａとから突出しており、且つ、上記外周部および上記側面２１ａと一体に形成されている。このカムシャフト１０’も同様にこのカムシャフト１０’の形状に対応した鋳型を用いて鋳造される。

カムシャフト１０’の他の部分の構成については既述したカムシャフト１０と同様であるため、同符号を付してそれらの説明を省略する。

なお、膨出部２１は、鋳造性の向上を図るために設けられている。つまり、カムシャフト１０のように、膨出部２１を設けることなく回転角検出対象部１１をカムシャフト本体１０ａの外周部に凸設すると、径方向外側に向かって急激に肉厚が小さくなるため、その部分に鋳造不良が生じるおそれがある。これを回避するために、回転角検出対象部１１とともに上記膨出部２１が形成されることが望ましい。

本発明は、例えば、自動車のエンジンに設置されるカムシャフトにおいて、回転角をピックアップコイルにて検出するために、外周部の特定位置に回転角検出対象部としての凸部を有するものに適用可能である。

本発明の実施の形態に係るカムシャフトが設けられたエンジンの概略斜視図である。 本発明の実施の形態に係るカムシャフトの一端部を正面図として表した図である。 本発明の実施の形態に係るカムシャフトの側面図である。 本発明の実施の形態に係るカムシャフトの平面図である。 本発明の実施の形態に係る砂型（鋳型）の断面図である。 本発明の実施の形態に係る砂型作製用金型の断面図である。 砂型作製用金型の砂型への型の転写状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係るカムシャフトの側面図であって、カムポジションセンサの設置位置の変更例を示している。 本発明の他の実施の形態に係るカムシャフトの一端部を正面図として表した図である。 本発明の他の実施の形態に係るカムシャフトの側面図である。 本発明の他の実施の形態に係るカムシャフトの平面図である。 従来例に係る砂型作製用金型の断面図である。 従来例にかかる砂型作製用金型の砂型への型の転写状態を示す断面図である。 従来例に係る砂型の断面図である。

符号の説明

ＰＬ１ パーティングライン
ＰＳ１ 型割面
１０，１０’ カムシャフト
１１ 回転角検出対象部
１１ａ 周方向に面する一方の側面
１４ 第１の鋳型、第１の砂型
１４ａ 型割連続面
１５ 第２の鋳型、第２の砂型
１５ａ 回転角検出対象部形成部
１４ｂ，１５ｂ カムシャフト本体形成部

Claims (2)

1. 外周部に回転角検出対象部が一体に形成されたカムシャフトを第１および第２の鋳型を用いて鋳造するカムシャフトの鋳造方法であって、
   前記第１の鋳型は、前記第２の鋳型との型割面から連続した型割連続面を有し、この型割連続面によって前記回転角検出対象部の周方向に面する一方の側面を形成し、
   前記第２の鋳型は、前記回転角検出対象部の前記一方の側面以外の部分を形成する回転角検出対象部形成部を有し、
   前記第１および第２の鋳型の型割面は、前記カムシャフトの軸線を含む平面上に形成されており、
   前記回転角検出対象部は、前記カムシャフトの軸線に直交する方向に当該回転角検出対象部の外径側に配置されたカムポジションセンサによって、当該回転角検出対象部の外径側端面の通過による磁界の変動が検出されるものであって、
   前記回転角検出対象部の幅寸法は、外径側程大きく設定されていることを特徴とするカムシャフトの鋳造方法。
2. カムシャフト本体の外周部に回転角検出対象部が一体に形成されたカムシャフトを鋳造するためのカムシャフト用鋳型であって、
   型割面から連続した型割連続面と、カムシャフト本体を形成するカムシャフト本体形成部と、を有し、前記型割連続面によって前記回転角検出対象部の周方向に面する一方の側面を形成する第１の鋳型と、
   前記回転角検出対象部の前記一方の側面以外の部分を形成する回転角検出対象部形成部を有する第２の鋳型と、
   を備え、
   前記第１および第２の鋳型の型割面は、前記カムシャフトの軸線を含む平面上に形成されており、
   前記回転角検出対象部は、前記カムシャフトの軸線に直交する方向に当該回転角検出対象部の外径側に配置されたカムポジションセンサによって、当該回転角検出対象部の外径側端面の通過による磁界の変動が検出されるものであって、
   前記回転角検出対象部の幅寸法は、外径側程大きく設定されていることを特徴とするカムシャフト用鋳型。

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