JP4948095B2 - カムシャフト支持構造および内燃機関 - Google Patents

Description

この発明は、自動車および自動二輪車用の内燃機関、およびこれらの内燃機関に採用されるカムシャフト支持構造に関するものである。

従来の自動車および自動二輪車用内燃機関に採用されるカムシャフト支持構造が、例えば、特開２００５−９０６９６号公報（特許文献１）に記載されている。図１４を参照して、同公報に記載されているカムシャフト支持構造は、カムローブ１０１ａ、ころ軸受１０２により支持される円筒状のジャーナル部１０１ｂ、および端部大径部１０１ｃを有するカムシャフト１０１と、シリンダヘッド１０８およびキャップ１０９で構成されるハウジングと、複数のころ１０３、略半円筒状の保持体１０４，１０５、および略半円筒状のレース板１０６，１０７とを有し、カムシャフト１０１をハウジングに対して回転自在に支持するころ軸受１０２とを備える。

また、上記に示したようなカムシャフト１０１周辺の潤滑構造が、例えば、特開２０００−１１０５３３号公報（特許文献２）に記載されている。同公報に記載されている潤滑構造を図１４を参照して説明すると、カムシャフト１０１には、内部に軸方向に伸びるオイル通路（図示省略）と、オイル通路からジャーナル部１０１ｂの表面に向かって延びる複数の油孔（図示省略）とが設けられている。一方、ハウジングには、外部から潤滑油を供給する複数の給油路（図示省略）およびオイル溝（図示省略）が形成されている。そして、ハウジングに設けられた給油路から供給される潤滑油が、オイル溝、カムシャフト１０１の油孔、オイル通路を流れて各部に運ばれる。
特開２００５−９０６９６号公報 特開２０００−１１０５３３号公報

上記構成のカムシャフト支持構造において、カムシャフト１０１とレース板１０６，１０７との間には隙間が形成されているので、ハウジングの給油路からころ軸受１０２の内部に供給された潤滑油の一部がこの隙間から軸受外部に流出し、カムシャフト１０１の油孔に達する潤滑油量が減少する。その結果、オイル通路を流れて各部に分配される潤滑油量も減少するので、全体としての潤滑性も低下する。

また、カムシャフト１０１には、回転時に所定の方向に偏った荷重が作用するので、その円周方向において、相対的に大きな荷重が負荷される領域（以下、「負荷領域」という）と、相対的に小さな荷重しか負荷されない領域（以下、「非負荷領域」という）とに区分される。したがって、ハウジングの給油路から供給される潤滑油は、負荷領域に多く供給されるのが望ましい。

そこで、この発明の目的は、ころ軸受の潤滑油の保持性を向上させると共に、潤滑油を負荷領域に重点的に供給可能なカムシャフト支持構造を提供することである。また、このようなカムシャフト支持構造を採用した内燃機関を提供することを目的とする。

この発明に係るカムシャフト支持構造は、カムシャフトと、カムシャフトを収容するハウジングと、カムシャフトをハウジングに対して回転自在に支持するころ軸受とを備える。ハウジングのカムシャフトを収容する領域には、潤滑油が流れる油路の開口が設けられている。ころ軸受は、油路の開口に対面する位置に外径側から内径側に貫通する油穴、および軸方向端部から径方向内側に突出する鍔部を有する円弧形状の外輪部材を円周方向に複数連ねて形成される外輪と、外輪の内径面に沿って配置される複数のころとを備える。そして、カムシャフトは、その円周方向上に軸受使用時に大きな荷重が作用する負荷領域と、軸受使用時に相対的に小さな荷重が作用する非負荷領域とを有し、外輪部材をカムシャフトに組みこんだ時に負荷領域に位置する鍔部には、軸方向に貫通する開口部が設けられている。

上記構成のころ軸受は、外輪部材の軸方向端部に鍔部を設けることにより、保持器の軸方向への移動を規制することができると共に、外輪部材とカムシャフトとの間の隙間が小さくなるので潤滑油の保持性が向上する。また、負荷領域に位置する鍔部に開口部を設けることにより軸受内部の潤滑油は主にここから流出するので、負荷領域に重点的に潤滑油を供給することが可能となる。その結果、このようなころ軸受を採用することにより、潤滑性に優れ、信頼性の高いカムシャフト支持構造を得ることができる。

好ましくは、開口部は、カムシャフトからころ軸受に負荷される最大荷重の方向に延びる仮想線から外れた位置に配置される。ころ軸受の剛性は開口部を設けた領域である程度低下する。そこで、最大荷重が負荷される位置を避けて開口部を設けることにより、剛性低下の影響を小さくすることができる。

この発明に係る内燃機関は、ハウジングと、ハウジング内に設けられたシリンダと、シリンダに連通する吸気路および排気路を開閉する弁と、弁の開閉のタイミングを制御するカムシャフトと、カムシャフトを回転自在に支持するころ軸受とを備える。ハウジングのカムシャフトを収容する領域には、潤滑油が流れる油路の開口が設けられている。ころ軸受は、油路の開口に対面する位置に外径側から内径側に貫通する油穴、および軸方向端部から径方向内側に突出する鍔部を有する円弧形状の外輪部材を円周方向に複数連ねて形成される外輪と、外輪の内径面に沿って配置される複数のころとを備える。そして、カムシャフトは、その円周方向上に軸受使用時に大きな荷重が作用する負荷領域と、軸受使用時に相対的に小さな荷重が作用する非負荷領域とを有し、外輪部材をカムシャフトに組みこんだ時に負荷領域に位置する鍔部には、軸方向に貫通する開口部が設けられている。

上記構成のカムシャフト支持構造を採用することにより、潤滑性に優れ、信頼性の高い内燃機関を得ることができる。

この発明によれば、外輪部材に鍔部を設けることによりころ軸受の潤滑油保持性が向上する。また、負荷領域に位置する鍔部に開口部を設けることにより負荷領域に重点的に潤滑油を供給することが可能となる。その結果、ころ軸受の潤滑性および冷却性が向上する。また、このようなころ軸受をカムシャフトを支持する軸受として採用することにより、耐久性に優れ、信頼性の高いカムシャフト支持構造および内燃機関を得ることができる。

図１１〜図１３を参照して、この発明の一実施形態に係る内燃機関１１を説明する。なお、図１１はこの発明の一実施形態に係る内燃機関１１のシリンダの１つを示す断面図、図１２は内燃機関１１に使用されるクランクシャフト１５を示す図、図１３は内燃機関１１に使用されるカムシャフト１９を示す図である。

まず、図１１を参照して、内燃機関１１は、ハウジングとしてのシリンダブロック１２およびシリンダヘッド１３と、往復運動を回転運動に変換する運動変換機構と、混合気の吸気および燃焼ガスの排気を行う給排気機構と、点火装置としてのスパークプラグ２０とを備えるレシプロエンジンである。

運動変換機構は、シリンダブロック１２に収容され、シリンダブロック１２内に設けられたシリンダ１２ａの内部を往復運動するピストン１４と、フライホイール（図示省略）やクラッチ（図示省略）を介してトランスミッション（図示省略）に接続されるクランクシャフト１５と、一端がピストン１４に接続され他端がクランクシャフト１５に接続されて、ピストン１４の往復運動をクランクシャフト１５の回転運動に変換するコンロッド１６とを備える。

給排気機構は、シリンダヘッド１３に形成され、シリンダ１２ａに連通する吸気路１３ａおよび排気路１３ｂと、シリンダ１２ａおよび吸気路１３ａの間に配置される弁としての吸気バルブ１７と、シリンダ１２ａおよび排気路１３ｂの間に配置される弁としての排気バルブ１８と、吸気バルブ１７および排気バルブ１８の開閉のタイミングを制御するカムシャフト１９とを備える。

吸気バルブ１７は、バルブステム１７ａと、バルブステム１７ａの一方側端部に設けられたバルブヘッド１７ｂと、吸気バルブ１７を吸気路１３ａを閉鎖する方向に付勢するバルブスプリング１７ｃとを含み、バルブステム１７ａの他方側端部には、カムシャフト１９が接続される。なお、排気バルブ１８は、吸気バルブ１７と同様の構成であるので、説明を省略する。

図１２を参照して、内燃機関１１に使用されるクランクシャフト１５は、軸部１５ａと、クランクアーム１５ｂと、隣接するクランクアーム１５ｂの間にコンロッド１６を配置するためのクランクピン１５ｃとを有する。このクランクシャフト１５は、軸部１５ａが後述するこの発明の一実施形態に係る針状ころ軸受２１によって回転自在に支持されている。また、クランクピン１５ｃは内燃機関１１のシリンダ数と同数設けられている。

図１３を参照して、内燃機関１１に使用されるカムシャフト１９は、軸部１９ａと、複数のカム１９ｂとを含む。軸部１９ａは、後述するこの発明の一実施形態に係る針状ころ軸受２１によって回転自在に支持される。このカムシャフト１９は、クランクシャフト１５とタイミングベルト（図示省略）によって連結されて、クランクシャフト１５の回転に伴って回転する。

カム１９ｂは、吸気バルブ１７または排気バルブ１８それぞれと接続されているので、バルブ１７，１８と同数設けられる。また、カム１９ｂは、図１１に示すように、相対的に径の大きい長径部１９ｃと相対的に径の小さい短径部１９ｄとを含み、複数のカム１９ｂは、図１３に示すように、長径部１９ｃの位置を円周方向にずらして配置される。これにより、複数のカム１９ｂそれぞれに接続されるバルブ１７，１８をタイミングをずらして開閉することが可能となる。

なお、内燃機関１１は、カムシャフト１９が、シリンダヘッド１３の上側に配置され、かつ、吸気バルブ１７側と排気バルブ１８側とにそれぞれ設けられるＤＯＨＣ（Ｄｏｕｂｌｅ Ｏｖｅｒ Ｈｅａｄ Ｃａｍｓｈａｆｔ）方式のエンジンである。

次に、この内燃機関の作動原理を説明する。

まず、この内燃機関１１は、ピストン１４がシリンダ１２ａ内で最も上昇した位置（上死点）と最も降下した位置（下死点）との間を移動する工程を１工程とすると、吸気工程、圧縮工程、燃焼工程、および排気工程の４工程からなる４サイクルエンジンである。

吸気工程では、吸気バルブ１７が開いた状態、かつ、排気バルブ１８が閉じた状態で、ピストン１４が上死点から下死点まで移動する。これにより、シリンダ１２ａ内部（ピストン１４の上側の空間を指す、以下同じ）の容積が増加して内部の圧力が低下するので、混合気が吸気路１３ａからシリンダ１２ａ内部に流入する。なお、混合気とは、空気（酸素）と霧状にしたガソリンの混合物を指す。

圧縮工程では、吸気バルブ１７および排気バルブ１８が閉じた状態で、ピストン１４が下死点から上死点まで移動する。これにより、シリンダ１２ａ内部の容積が減少して内部の圧力が上昇する。

燃焼工程では、吸気バルブ１７および排気バルブ１８が閉じた状態で、スパークプラグ２０を点火する。これにより、圧縮状態の混合気が燃焼することによって急激に膨張してピストン１４を上死点から下死点まで押し下げる。この力をコンロッド１６を介してクランクシャフト１５に回転運動として伝達することによって、駆動力が発生する。

排気工程では、吸気バルブ１７が閉じた状態、かつ、排気バルブ１８が開いた状態で、ピストン１４が下死点から上死点まで移動する。これにより、シリンダ１２ａ内部の容積が減少して、燃焼ガスが排気路１３ｂに流出する。なお、この工程でピストン１４が上死点に達した後は、吸気工程に戻る。

なお、上記の各工程において、「吸気バルブ１７が開いた状態」とは、カム１９ｂの長径部１９ｃが吸気バルブ１７に当接して、吸気バルブ１７をバルブスプリング１７ｃに逆らって下方に押し下げられた状態を指し、「吸気バルブ１７が閉じた状態」とは、カム１９ｂの短径部１９ｄが吸気バルブ１７に当接して、吸気バルブ１７がバルブスプリング１７ｃの復元力によって上方に押し上げられた状態を指す。また、排気バルブ１８についても同様であるので、説明は省略する。

上記の各工程において、駆動力が発生するのは燃焼工程のみであり、その他の工程では、他のシリンダで発生した駆動力によってピストン１４が往復運動する。そのため、クランクシャフト１５の円滑な回転を維持する観点からは、複数のシリンダで燃焼行程のタイミングをずらすことが望ましい。

図１〜図８を参照して、この発明の一実施形態に係るころ軸受としての針状ころ軸受２１と、この針状ころ軸受２１を使用したカムシャフト支持構造を説明する。なお、図１、図７、および図８はこの発明の一実施形態に係るカムシャフト支持構造の組込み前後の状態を示す図、図２〜図６はこの発明の一実施形態に係る針状ころ軸受２１の各構成要素を示す図である。

まず、図１を参照して、この発明の一実施形態に係るカムシャフト支持構造は、カムシャフト１９と、カムシャフト１９を収容するハウジングとしてのシリンダヘッド１３およびベアリングキャップ１３ｃと、カムシャフト１９をハウジングに対して回転自在に支持する針状ころ軸受２１とを備える。

針状ころ軸受２１は、円弧形状の外輪部材２２ａ，２２ｂを円周方向に複数連ねて形成される外輪２２と、外輪２２の内径面に沿って配置される複数のころとしての針状ころ２３と、円周上の一箇所に軸受の軸線方向に延びる分割線を有し、複数の針状ころ２３の間隔を保持する保持器２４とを備える。

なお、カムシャフト１９を支持する軸受としては、針状ころ軸受２１が採用されるのが一般的である。針状ころ軸受２１は、針状ころ２３と軌道面とが線接触するので、軸受投影面積が小さい割に高負荷容量と高剛性が得られる利点を有している。したがって、負荷容量を維持しつつ、支持部分の径方向の厚み寸法を削減することができる点で好適である。

図２〜図４を参照して、外輪部材２２ａを説明する。なお、図２は外輪部材２２ａの側面図、図３は図２をＩＩＩ方向から見た図、図４は図２をＩＶ方向から見た図である。また、外輪部材２２ｂは外輪部材２２ａと同一の形状であるので、説明は省略する。

まず、図２を参照して、外輪部材２２ａは、中心角１８０°の半円形状であって、円周方向の一方側端部に径方向外側に折り曲げられた係合爪２２ｃと、軸方向の両端部から径方向内側に突出する鍔部２２ｄとを有する。係合爪２２ｃは、シリンダヘッド１３と係合して外輪部材２２ａがハウジングに対して回転するのを防止する。鍔部２２ｄは、保持器２４の軸方向への移動を規制すると共に、軸受の潤滑油保持性を向上させる。また、鍔部２２ｄの一部には、軸方向に貫通する開口部としての切欠き部２２ｉが設けられている。なお、この実施形態では、切欠き部２２ｉは、所定の曲率を有する円弧形状である。

そして、この２つの外輪部材２２ａ，２２ｂを円周方向に連ねて円環形状の外輪２２を形成する。また、外輪２２の内径面の軸方向中央部は、針状ころ２３の軌道面として機能する。

また、図３を参照して、外輪部材２２ａの円周方向一方側端部には、軸方向の両端部に係合爪２２ｃが２つ設けられており、２つの係合爪２２ｃの間には円周方向に凹んだ略Ｖ字型の凹部２２ｅが形成されている。なお、２つの係合爪２２ｃは、外輪部材２２ａの軌道面となる軸方向中央部を避けて両端部に、かつ、針状ころ軸受２１の回転軸線と平行な直線上に配置される。すなわち、２つの係合爪２２ｃの間の長さＬは、針状ころ２３の有効長さｌより長く設定されている。なお、本明細書中「ころの有効長さ」とは、ころ長さから両端の面取り部の長さを除いた長さを指すものとする。

また、図４を参照して、外輪部材２２ａの円周方向他方側端部には、軸方向両端部に係合爪２２ｃの軸方向幅と同一幅の２つの平坦部２２ｆと、２つの平坦部２２ｆの間に先端が円弧形状で円周方向に突出した略Ｖ字型の凸部２２ｇとが設けられている。なお、凹部２２ｅは、外輪部材２２ａ，２２ｂを円周方向に連ねたときに隣接する外輪部材の凸部２２ｇを受け入れる。このように、突合部分の形状を略Ｖ字型とすることにより、針状ころ２３がスムーズに回転可能となる。なお、外輪部材２２ａ，２２ｂの突合部分の形状は、略Ｖ字型に限らず、針状ころ２３がスムーズに回転可能な任意の形状、例えば、略Ｗ型であってもよい。

さらに、図３および図４を参照して、外輪部材２２ａには、外径側から内径側に貫通する油穴２２ｈが設けられている。この油穴２２ｈは、ハウジングに設けられた油路（図示省略）に対面する位置に設けられて、潤滑油を針状ころ軸受２１内部に供給する。なお、油穴２２ｈの大きさ、位置、個数は、ハウジングに設けられた油路の大きさ、位置、個数に依存する。

次に、図５および図６を参照して、保持器２４を説明する。なお、図５は保持器２４の側面図、図６は保持器２４の分割部分を含む部分断面図である。図５および図６を参照して、保持器２４は、円周上の一箇所に軸受の軸線方向に延びる分割線を有する略Ｃ型形状であって、針状ころ２３を収容するポケット２４ｃが円周方向の等間隔に設けられている。また、この保持器２４は、樹脂材料を射出成型して形成される。

また、分割部分の円周方向一方側の切断端面２４ａには凹部２４ｄが、他方側の切断端面２４ｂには凹部２４ｄに対応する凸部２４ｅが設けられており、凹部２４ｄおよび凸部２４ｅが係合することにより、円環形状の保持器２４を得ることができる。なお、この実施形態においては、凸部２４ｅの先端部分の幅が根元部分より大きく、凹部２４ｄは開口部分の幅が最奥部より小さく設定されている。これにより、凹部２４ｄと凸部２４ｅの係合を確実なものとしている。

上記構成のように鍔部２２ｄを設けることにより、保持器２４の軸方向の移動を規制することができると共に、軸方向端部の隙間が減少して針状ころ軸受２１の潤滑油保持性が向上する。また、鍔部２２ｄの一部に切欠き部２２ｉを設けることにより、軸受内部の潤滑油は主にこの切欠き部２２ｉから流出する。したがって、この切欠き部２２ｉをカムシャフト１９の負荷領域に配置することにより、負荷領域に潤滑油を重点的に供給することが可能となる。

次に、図１、図７、および図８を参照して、針状ころ軸受２１をカムシャフト１９に組み込む手順を説明する。

まず、保持器２４のポケット２４ｃそれぞれに針状ころ２３を組み込む。次に、保持器２４の弾性を利用して分割部分を広げ、カムシャフト１９に組み込む。さらに、凹部２４ｄと凸部２４ｅとを係合させて、保持器２４が外れないようにする。

次に、シリンダヘッド１３の上に、一方側の外輪部材２２ｂ、保持器２４を巻きつけて固定したカムシャフト１９、他方側の外輪部材２２ａ、およびベアリングキャップ１３ｃの順に組込み、シリンダヘッド１３とベアリングキャップ１３ｃとをボルト等で固定する。このとき、外輪部材２２ａの凹部２２ｅと外輪部材２２ｂの凸部２２ｇ、外輪部材２２ａの凸部２２ｇと外輪部材２２ｂの凹部２２ｅとがそれぞれ突合するように配置する。

また、外輪部材２２ａの係合爪２２ｃは、シリンダヘッド１３のベアリングキャップ１３ｃとの突合面に設けられた係合溝１３ｄと係合するように配置し、外輪部材２２ｂの係合爪２２ｃは、ベアリングキャップ１３ｃのシリンダヘッド１３との突合面に設けられた係合溝１３ｄと係合するように配置する。これにより、外輪部材２２ａ，２２ｂが、軸受回転中にハウジング内部で回転するのを防止することができる。

ここで、ハウジングとしてのシリンダヘッド１３およびベアリングキャップ１３ｃには、カムシャフト１９を収容する領域に潤滑油を供給する油路の開口１３ｅが設けられている。また、カムシャフト１９には、内部に軸方向に伸びるオイル通路１９ｅと、オイル通路１９ｅから軸部１９ａに向かって延びる油孔１９ｆとが形成されている。そこで、針状ころ軸受２１を組み込む際には、外輪部材２２ａ，２２ｂの油孔２２ｈとハウジングの開口１３ｅとが一致するように配置する。また、鍔部２２ｄに形成された切欠き部２２ｉがカムシャフト１９の負荷領域に位置するように配置する。

上記の組み込み手順とすることにより、カムシャフト１９と、外輪２２と、保持器２４と、ハウジングとが同心円状に配置され、針状ころ２３が安定して回転可能な針状ころ軸受２１を得ることができる。また、上記構成の針状ころ軸受２１は、外輪２２を２つの外輪部材２２ａ，２２ｂに分割し、保持器２４を円周方向の一箇所で分割したことにより、支持部分の径方向から組み込むことが可能となるので、カムシャフト１９を支持する軸受として採用することができる。

また、外輪部材２２ａ，２２ｂの鍔部２２ｄに切欠き部２２ｉを設けることにより、軸受内部の潤滑油の大部分は、切欠き部２２ｉから流出する。そこで、この切欠き部２２ｉを負荷領域に配置することにより、潤滑油を負荷領域に重点的に供給することができる。その結果、潤滑性に優れ、信頼性の高いカムシャフト支持構造、および内燃機関１１を得ることができる。

ただし、切欠き部２２ｉは、カムシャフト１９から針状ころ軸受２１に負荷される最大荷重の方向に延びる仮想線ｌ_１から外れた位置に配置される。具体的には、切欠き部２２ｉを外輪部材２２ａの円周方向中央部から外れた位置に配置する。一方、仮想線ｌ_１が外輪部材２２ａの円周方向中央部を通るように外輪部材２２ａを組み込む。針状ころ軸受２１の剛性は切欠き部２２ｉを設けた領域である程度低下するので、最大荷重点（仮想線ｌ_１と外輪部材２２ａとの交点を指す）を避けて切欠き部２２ｉを設けることにより、剛性低下の影響を小さくすることができる。

さらに、切欠き部２２ｉは、仮想線ｌ_１を基準としてカムシャフト１９の回転方向（図７中の矢印Ａの方向）と反対側に設けるのが望ましい。これにより、最大荷重点には針状ころ軸受２１の内側および外側から潤滑油が供給されるので、最大荷重点の冷却効果が向上する。

なお、「負荷領域」とは、カムシャフト１９から針状ころ軸受２１に負荷される最大荷重の方向（図７中の仮想線ｌ_１で示す方向）を中心として左右９０°の領域（図７中の円弧αで示す１８０°の領域）を指す。一方、「非負荷領域」とは、最大荷重の方向と反対側の１８０°の領域（図７中の円弧βで示す領域）であって、負荷領域と比較して相対的に小さな荷重しか作用しない領域である（荷重が０の場合を含む）。

また、図１１に示す内燃機関１１において、カムシャフト１９から針状ころ軸受２１に負荷される最大荷重は、バルブ１７，１８をバルブスプリング１７ｃ，１８ｃに逆らって下方に押し下げる力の反作用であり、その方向は、カムシャフト１９がバルブ１７，１８を押す方向と反対の方向（図１１中の矢印の方向）である。

上記の実施形態においては、カムシャフト１９を支持する軸受として針状ころ軸受２１を採用した例を示したが、この発明は、他のころ軸受、例えば、円筒ころ軸受や棒状ころ軸受にも適用することができる。

上記の実施形態における針状ころ軸受２１は、外輪２２と、針状ころ２３と、保持器２４とを含む例を示したが、これに限ることなく、保持器２４を省略した総ころ形式のころ軸受であってもよい。

また、上記の実施形態における外輪２２は、円周方向の二箇所で外輪部材２２ａ，２２ｂに分割した例を示したが、これに限ることなく、任意の個数に分割することが可能である。例えば、中心角１２０°の外輪部材を円周方向に３つ連ねて外輪を形成してもよい。さらには、互いに中心角の異なる複数の外輪部材を組み合わせて円環形状の外輪を形成してもよい。同様に、保持器２４についても任意の形態のものを採用することができる。

また、上記の実施形態における保持器２４は、生産効率が高く、かつ、弾性変形能の高い樹脂製保持器の例を示したが、これに限ることなく、切削加工による削り出し保持器でもよく、または、鋼板をプレス加工したプレス保持器であってもよい。

また、上記の実施形態において、円弧形状の切欠き部２２ｉを１箇所に設けた例を示したが、これに限ることなく、任意の形状、数および位置であってよい。例えば、矩形等の任意の形状であってよいし、円周方向中央部に設けてもよい。ただし、隣接する外輪部材２２ａ，２２ｂの突合部分は非負荷領域に配置されることが望ましいので、最大荷重点が外輪部材２２ａの円周方向中央部に位置する図２の状態が望ましい。さらには、一方側の鍔部２２ｄにのみ設けてもよいし、両側の鍔部２２ｄに設けてもよい。

また、上記の実施形態において、軸方向に貫通する開口部として切欠き部２２ｉを設けた例を示したが、これに限ることなく、任意の形態とすることができる。さらに、開口部は鍔部の任意の位置に設けることができる。例えば、図９を参照して、この発明の他の実施形態に係る外輪部材３２ａを説明する。ただし、基本構成は、図２〜図４に示す外輪部材２２ａと同様であるので、共通点は省略し、相違点を中心に説明する。

図９を参照して、外輪部材３２ａは、円弧形状であって、円周方向の一方側端部に係合爪３２ｃと、軸方向両端部に鍔部３２ｄと、鍔部３２ｄの円周方向中央部に開口部としての穴３２ｉとを有する。なお、この実施形態では、穴３２ｉは、鍔部３２ｄの曲率に沿う長穴である。

このように、開口部を穴３２ｉとすることにより、鍔部３２ｄの突出高さが円周方向で一定となる。これにより、保持器２４の軸方向の移動する機能が向上する。なお、穴３２ｉは、小径の穴を複数個設ける等してもよい。なお、この外輪部材３２ｃは、カムシャフト１９に組み込んだときに、最大荷重の方向に延びる仮想線ｌ_２が穴３２ｉから外れた位置を通るように、傾けて組み込む。

また、上記の実施形態における針状ころ軸受２１は、カムシャフト１９を支持する軸受としてだけではなく、図１２に示したようなクランクシャフト１５の軸部１５ａやロッカーシャフト等を支持する軸受としても広く使用することが可能である。

さらに、この発明は、単気筒の内燃機関にも適用可能であるが、図１２に示すような多気筒エンジンに採用されるクランクシャフト１５の軸部１５ａや、図１３に示すようなカムシャフト１９の軸部１９ｂのように、軸方向から針状ころ軸受２１を挿入できない箇所を支持する軸受として好適である。

次に、図１０を参照して、この発明の一実施形態に係る外輪部材２２ａの製造方法を説明する。なお、図１０は、外輪部材２２ａの製造工程の一部を示す図であって、上段は平面図、下段は断面図を示す。また、外輪部材２２ｂの製造方法は、外輪部材２２ａと同様であるので、説明は省略する。

まず、出発材料としては、炭素含有量が０．１５ｗｔ％以上、１．１ｗｔ％以下の炭素鋼を使用する。具体的には、炭素含有量が０．１５ｗｔ％以上、０．５ｗｔ％以下のＳＣＭ４１５やＳ５０Ｃ等、または、炭素含有量が０．５ｗｔ％以上、１．１ｗｔ％以下のＳＡＥ１０７０やＳＫ５等が考えられる。

なお、炭素含有量が０．１５ｗｔ％未満の炭素鋼は、焼入処理によって浸炭硬化層が形成されにくく、外輪部材２２ａに必要な硬度を得るためには、浸炭窒化処理を行う必要がある。浸炭窒化処理は、後述する各焼入処理と比較して設備費用が高額になるので、結果として、針状ころ軸受２１の製造コストが上昇する。また、炭素含有量が０．１５ｗｔ％未満の炭素鋼では浸炭窒化処理によっても十分な浸炭硬化層が得られない場合があり、軌道面に表面起点型の剥離が早期に発生する恐れがある。一方、炭素含有量が１．１ｗｔ％を超える炭素鋼はで加工性が著しく低下するので、加工精度が低下したり、加工工数の増加による製造コストの上昇が問題となる。

図１０を参照して、第１の工程としては、鋼板を打ち抜き加工して外輪部材２２ａの外形を形成する（ａ工程）。また、長手方向の一方側端部に凹部２２ｅおよび係合爪２２ｃとなる部分を形成し、他方側端部に平坦部２２ｆおよび凸部２２ｇを形成する。さらに、短手方向の両端部の中央部に切欠き部２２ｉとなる部分を形成する。

このとき、外輪部材２２ａの長手方向の長さは、カムシャフト１９の直径に基づいて決定し、短手方向の長さは、使用する針状ころ２３のころ長さに基づいて決定する。ただし、短手方向には鍔部２２ｄとなる部分が含まれているので、この工程での短手方向の長さは、外輪部材２２ａの完成品の軸方向幅寸法より長くなる。

この工程は、一度の打ち抜き加工で全ての部分を打ち抜いてもよいし、打ち抜き加工を複数回繰り返して所定の形状を得てもよい。なお、順送プレスを用いる場合には、各加工工程の加工位置を決めるためのパイロット穴２５を形成すると共に、隣接する外輪部材との間に連結部２６を設けるとよい。なお、連結部２６は、切欠き部２２ｉを形成する位置から外れた位置に設ける。

第２の工程としては、曲げ加工により外輪部材２２ａの円周方向端部を径方向外側に折り曲げて、係合爪２２ｃを形成する（ｂ工程）。係合爪２２ｃの曲げ角度は、ハウジングの係合溝１３ｃに沿う角度とする。なお、この実施形態では、係合爪２２ｃが外輪部材２２ａに対して９０°の角度となるように折り曲げている。

第３の工程としては、曲げ加工により外輪部材２２ａの外形を所定の曲率に曲げる工程と、外輪部材２２ａの軸方向両端部から径方向内側に突出する鍔部２２ｄを形成する工程とを含む（ｃ工程〜ｇ工程）。具体的には、連結部２６を含む中央部分を残して長手方向の両端部側から順に曲げていく（ｃ工程、ｄ工程）。次に、曲げ加工を施した長手方向両端部について、短手方向の両端部に曲げ加工を施して鍔部２２ｄを形成する（ｅ工程）。次に、外輪部材２２ａの外形が所定の曲率となるように、長手方向中央部についても曲げ加工を行う（ｆ工程）。最後に、連結部２６を除去して長手方向中央部に鍔部２２ｄを形成する（ｇ工程）。

上記のプレス加工工程終了後、外輪部材２２ａに必要とされる硬度等の所定の機械的性質を得るために、熱処理を行う。なお、軌道輪として機能する外輪部材２２ａの内径面の表面硬さＨｖは、６３５以上が必要となる。

外輪部材２２ａが十分な深さの硬化層を得るためには、出発材料の炭素含有量によって適切な熱処理方法を選択する必要がある。具体的には、炭素含有量が０．１５ｗｔ％以上、０．５ｗｔ％以下の材料の場合には浸炭焼入処理を、炭素含有量が０．５ｗｔ％以上、１．１ｗｔ％以下の材料の場合には光輝焼入処理または高周波焼入処理を施す。

浸炭焼入処理は、高温の鋼に炭素が固溶する現象を利用した熱処理方法であって、鋼内部は炭素量が低いまま、炭素量の多い表面層（浸炭硬化層）を得ることができる。これにより、表面は硬く、内部は軟らかく靭性の高い性質が得られる。また、浸炭窒化処理設備と比較して設備費用が安価である。

光輝焼入処理は、保護雰囲気や真空中で加熱することによって、鋼表面の酸化を防止しながら行う焼入処理を指す。また、浸炭窒化処理設備や浸炭焼入処理設備と比較して設備費用が安価である。

高周波焼入処理は、誘導加熱の原理を利用して、鋼表面を急速に加熱、急冷して焼入硬化層を作る方法である。他の焼入処理設備と比較して設備費用が大幅に安価であると共に、熱処理工程でガスを使用しないので環境に優しいというメリットがある。また、部分的な焼入処理が可能となる点でも有利である。

さらに、焼入によって生じた残留応力や内部ひずみを低減し、靭性の向上や寸法を安定化させるために、上記の焼入処理の後に焼戻を行うのが望ましい。

なお、この実施形態においては、外輪部材２２ａの外形の曲率を形成する工程と、鍔部２２ｄを形成する工程とを平行して行う例を示したが、これに限ることなく、外形の曲率を形成する工程と、鍔部２２ｄを形成する工程とを独立して行ってもよい。

また、上記の第１の工程から第３の工程は、この発明に係る外輪部材の製造方法の一例であって、各工程をさらに細分化してもよいし、必要な工程をさらに追加することもできる。また、加工工程の順番も任意に入れ替えることができるものとする。

さらに、上記の各工程（ａ工程〜ｇ工程）は、それぞれ別々の工程として単能プレスで行ってもよいが、順送プレス、または、トランスファプレスによって行うこととしてもよい。これにより、各工程を連続的に行うことができる。また、上記の各工程（ａ工程〜ｇ工程）の全部または一部に相当する加工部を有する外輪部材２２ａの製造装置を使用することにより、生産性を高めることができ、結果として針状ころ軸受２１の製品価格を抑えることができる。

なお、本明細書中で「順送プレス」とは、プレス内に複数の加工工程を持ち、材料をプレス入口のフィーダにより各工程を移動させることによって、材料を連続的に加工する方法を指すものとする。また、本明細書中で「トランスファプレス」とは、複数の加工工程を必要とする場合に、各工程を行うステージを必要数分設け、搬送装置によって工程品を移動させながら、各ステージで加工を行う方法を指すものとする。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明は、自動車用や自動二輪車用の内燃機関、およびカムシャフト支持構造に有利に利用される。

この発明の一実施形態に係るカムシャフト支持構造の組込み前の状態を示す図である。 この発明の一実施形態に係るころ軸受の外輪部材を示す図である。 図２のＩＩＩ方向から見た図である。 図２のＩＶ方向から見た図である。 この発明の一実施形態に係るころ軸受の保持器の側面図を示す図である。 図５の保持器の分割部分を含む部分断面図である。 図１のカムシャフト支持構造の組込み後の状態を軸方向から見た断面図である。 図１のカムシャフト支持構造の組込み後の状態を径方向から見た断面図である。 この発明の他の実施形態に係る外輪部材を示す図である。 この発明の一実施形態に係る外輪部材の製造工程の一部を示す図であって、上段は平面図、下段は断面図である。 この発明の一実施形態に係る内燃機関のシリンダ１つを示す断面図である。 図１１の内燃機関に採用されるクランクシャフトを示す図である。 図１１の内燃機関に採用されるカムシャフトを示す図である。 従来のカムシャフト支持構造を示す図である。

符号の説明

１１ 内燃機関、１２ シリンダブロック、１２ａ シリンダ、１３，１０８ シリンダヘッド、１３ａ 吸気路、１３ｂ 排気路、１３ｃ ベアリングキャップ、１３ｄ 係合溝、１３ｅ 開口、１４ ピストン、１５ クランクシャフト、１５ａ 軸部、１５ｂ クランクアーム、１５ｃ クランクピン、１６ コンロッド、１７，１８ バルブ、１７ａ，１８ａ バルブステム、１７ｂ，１８ｂ バルブヘッド、１７ｃ，１８ｃ バルブスプリング、１９，１０１ カムシャフト、１９ａ 軸部、１９ｂ カム、１９ｃ 長径部、１９ｄ 短径部、１９ｅ オイル通路、１９ｆ 油孔、１０１ａ カムローブ、１０１ｂ ジャーナル部、１０１ｃ 端部大径部、２０ スパークプラグ、２１ 針状ころ軸受、２２ 外輪、２２ａ，２２ｂ，３２ａ 外輪部材、２２ｃ，３２ｃ 係合爪、２２ｄ，３２ｄ 鍔部、２２ｅ，２４ｄ 凹部、２２ｆ 平坦部、２２ｇ，２４ｅ 凸部、２２ｈ 油穴、２２ｉ，３２ｉ 切欠き部、２３ 針状ころ、２４ 保持器、２４ａ，２４ｂ 切断端面、２４ｃ ポケット、１０２ ころ軸受、１０３ ころ、１０４，１０５ 保持体、１０６，１０７ レース板、１０９ キャップ。

Claims (3)

1. カムシャフトと、
   前記カムシャフトを収容するハウジングと、
   前記カムシャフトを前記ハウジングに対して回転自在に支持するころ軸受とを備えるカムシャフト支持構造であって、
   前記ハウジングの前記カムシャフトを収容する領域には、潤滑油が流れる油路の開口が設けられており、
   前記ころ軸受は、前記油路の開口に対面する位置に外径側から内径側に貫通する油穴、および軸方向端部から径方向内側に突出する鍔部を有する円弧形状の外輪部材を円周方向に複数連ねて形成される外輪と、前記外輪の内径面に沿って配置される複数のころとを備え、
   前記カムシャフトは、その円周方向上に軸受使用時に大きな荷重が作用する負荷領域と、軸受使用時に相対的に小さな荷重が作用する非負荷領域とを有し、前記外輪部材を前記カムシャフトに組み込んだ時に負荷領域に位置する前記鍔部には、軸方向に貫通する開口部が設けられている、カムシャフト支持構造。
2. 前記開口部は、前記カムシャフトから前記ころ軸受に負荷される最大荷重の方向に延びる仮想線から外れた位置に配置される、請求項１に記載のカムシャフト支持構造。
3. ハウジングと、
   前記ハウジング内に設けられたシリンダと、
   前記シリンダに連通する吸気路および排気路を開閉する弁と、
   前記弁の開閉のタイミングを制御するカムシャフトと、
   前記カムシャフトを回転自在に支持するころ軸受とを備える内燃機関であって、
   前記ハウジングの前記カムシャフトを収容する領域には、潤滑油が流れる油路の開口が設けられており、
   前記ころ軸受は、前記油路の開口に対面する位置に外径側から内径側に貫通する油穴、および軸方向端部から径方向内側に突出する鍔部を有する円弧形状の外輪部材を円周方向に複数連ねて形成される外輪と、前記外輪の内径面に沿って配置される複数のころとを備え、
   前記カムシャフトは、その円周方向上に軸受使用時に大きな荷重が作用する負荷領域と、軸受使用時に相対的に小さな荷重が作用する非負荷領域とを有し、前記外輪部材を前記カムシャフトに組み込んだ時に負荷領域に位置する前記鍔部には、軸方向に貫通する開口部が設けられている、内燃機関。

Images