JP5321325B2

JP5321325B2 - 内燃機関のカムシャフト構造

Info

Publication number: JP5321325B2
Application number: JP2009178138A
Authority: JP
Inventors: 英夫中井
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2029-07-30
Also published as: JP2011032896A

Description

本発明は、多気筒エンジンの吸気バルブ及び排気バルブを開閉するカムシャフトのジャーナル部がバルブスプリングの反力により曲げモーメントを受け偏当りするのを防止するためのエンジンのカムシャフト構造に関する。

本発明は、多気筒エンジンにおいては、クランクシャフトに連動してカムシャフトを回転させ、エンジンの吸気バルブ及び排気バルブを開閉させる。このように各バルブが開閉されることにより、エンジンの燃焼室には外気が導入され、或いは燃焼室から排気ガスが排出される。通常、各バルブの開閉タイミングや、バルブ開閉のオーバラップ量等のいわゆるバルブ開閉特性はカムの形状によって一義的に決定される。

そこで、図６に４バルブエンジン００１（１気筒に吸気バルブ２個、排気バルブ２個）の吸気側カムシャフト００２による吸気バルブ００４が開閉される構造の概略図を示す。吸気バルブ００４はエンジン００１のシリンダブロック００８の上部に固定されたシリンダヘッド００６に装着されている。図６のＣ−Ｃ矢視に表されているようにカムシャフト００２が矢印の方向に回転するとカム００３がバルブスプリング００５を圧縮しながら吸気バルブ００４を下方に移動させて吸気孔００１０を開く。吸気孔００１０はエアクリーナ（図示省略）に連結している。

ところが、吸気バルブ００４と吸気孔００１０との密閉性を良くすると共に、エンジン００１の高速回転時にバルブスプリング００５の確実な開閉動作を確保するためバルブスプリング００５の圧縮反力は大きくしてある。カムシャフト００２はカムシャフト００２のジャーナル部００９をシリンダヘッド００６にカムキャップ００１１によって回転可能に保持されている。そのため、カムシャフト００２がエンジン００１のクランクシャフトから伝達される回転力でカム００３が吸気バルブ００４を下方に押圧するとその反力でカムシャフト００２のジャーナル部００９の保持部を支点にして上方に曲げモーメントが作用して、ジャーナル部００９を回転可能に保持しているカムキャップ００１１が偏磨耗し、同偏磨耗による回転抵抗の増大が生じる。
一方特開平１０―１４１０１７号にあるような構造とすることで、偏磨耗及び、偏磨耗による回転抵抗の増大を防止することができる。

特開平１０―１４１０１７号公報

上記文献は図７に示すように吸気側カムシャフト０６を示す。
吸気側カムシャフト０６には吸気バルブ（図示略）を開閉するカム０８が１気筒あたり２個ずつ形成されている。吸気側カムシャフト０６の略中央にある２のジャーナル０６ａに挟まれた部分には、他の部分よりも径が細くなった縮径部０３０が形成されている。
また、吸気側カムシャフト０６の端部には可変バルブタイミング機構（以下ＶＶＴ機構）０２３が配設されている。ＶＶＴ機構はドリブンギア０２１に連結されている。
ドリブンギア０２１はエンジン（図示略）のクランクシャフト（図示略）の回転に同期して駆動される。ＶＶＴ機構は油圧により駆動され、エンジンの回転数、負荷等により吸気バルブ（図示略）の開閉タイミングを早めたり、遅らせたりしてエンジン出力を最適な状態にコントロールする。

吸気側カムシャフト０６には上述のＶＶＴ機構が装着されており、吸気側カムシャフト０６のドリブンギア０２１と噛合い吸気側カムシャフト０６を駆動する排気側カムシャフトのドライブギアとの噛合い周期と同期した周期的な力（噛合起振力）が外力として作用する。吸気側カムシャフト０６はＶＶＴ機構が装着されていることにより、吸気側カムシャフト０６全体の質量が排気側カムシャフトより大きいため、固有振動数が排気側カムシャフトより低くなる。
このため、噛合起振力の振動数と、吸気側振動系の固有振動数が一致して、共振現象が発生する恐れがある。その対応策として吸気側カムシャフト０６の中間部で非軸支部分の所定の場所に縮径部０３０を設けて、縮径部０３０を振動モードの節とすることにより固有振動数を高くして、噛合起振力の振動数による共振を回避させている。

ところが、吸気側カムシャフト０６の中間部で非軸支部分の所定の場所に縮径部０３０を設けたことにより、振動モードの節とすることにより固有振動数を高くしているため、
振動による曲げモーメント発生の変形は縮径部０３０だけで吸収する構造のため、当該部に高応力が発生することが予測される。
更に、カムシャフトの気筒間カム軸部にはバルブスプリングによる曲げモーメントが作用しており、カムシャフト０６のジャーナル部０６ａ或いは軸受部に偏磨耗をまねく可能性がある。

本願発明はこのような実情に鑑み、カムシャフトがバルブスプリングの反力による曲げモーメントでカムシャフトのジャーナル部或いは軸受部と偏当たして偏磨耗が生じることを防止したエンジンのカムシャフト構造を提供することを課題とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、内燃機関の機関本体に軸支され、端部で前記内燃機関のクランクシャフトの回転に連動して回転し、前記内燃機関の各気筒に配設され吸気バルブ又は排気バルブを開閉するカムを備えたカムシャフトにおいて、
前記吸気バルブ又は排気バルブを閉塞するバルブスプリングの閉塞力に抗してバルブ開放時にカムシャフトに作用する反力によって各気筒間を連結する気筒間カム軸部に生じる変形を吸収するように、前記気筒間カム軸部に複数の縮径部と拡径部とからなる蛇腹部が形成され、さらに、前記縮径部および拡径部が螺旋状に形成されると共に、螺旋の方向が気筒間カム軸部の両側に配置された前記カムの端面から前記気筒間カム軸部を見た方向において、前記バルブスプリングの反力により前記拡径部の頂部をコイルスプリング線形と仮定したときに、コイルスプリングのピッチ及び径が小さくなる状態の螺旋方向に捩じられ、気筒間カム軸部の中間部で螺旋の方向が切替えられることを特徴とする。

このような構成によって、吸気バルブ又は排気バルブを内燃機関のシリンダヘッドの吸気ポート又は、排気ポートに押圧して、該吸気ポート又は、排気ポートの機密を保持しているバルブスプリングの反力により、カムシャフトに変形が生じても、各気筒間の気筒間カム軸部に形成された複数の縮径部と拡径部とからなる蛇腹部が分担して変形量を吸収するので、カムシャフトの各部に発生する応力を分散できる。
更に、隣接する気筒間に位置する気筒間カム軸部で変形量を吸収するので、他の気筒に影響が及ばないため、カムシャフトを支軸するカム軸受とカムキャップとに偏当りして、偏摩耗の発生、偏摩耗によるカムシャフト回転のフリクション増大を防止できる。

また、本発明は、前記縮径部および拡径部が螺旋状に形成されると共に、螺旋の方向が気筒間カム軸部の両側に配置された前記カムの端面から前記気筒間カム軸部を見た方向において、前記バルブスプリングの反力により前記拡径部の頂部をコイルスプリング線形と仮定したときに、コイルスプリングのピッチ及び径が小さくなる状態の螺旋方向に捩じられ、気筒間カム軸部の中間部で螺旋の方向が切替えられる。

このような構成によって、蛇腹を螺旋状に形成して且つ、螺旋状の方向を、気筒間カム軸部の両側に配置されたカムの端面から前記気筒間カム軸部を見た方向において、前記カムの回転方向と反対方向に捩じれられて形成したので、すなわち、前記バルブスプリングの反力により前記蛇腹部の拡径部に引張力が作用するように（螺旋状の拡径部の頂部をコイルスプリング線形と仮定した時に、コイルスプリングのピッチ及び径が小さくなる状態の螺旋方向に）捩じれられて形成されるので、カムが捻れ難くなり、従って、吸気バルブ又は排気バルブの開閉タイミングもずれ難くなる。エンジンの吸気及び排気バルブの開閉タイミングが守れ、エンジン性能が維持できる効果を有する。

また、本発明において好ましくは、前記気筒間カム軸部と該気筒間カム軸部の両側に配置された前記カムの端面との接続部にはコーナＲ部を形成し、気筒間カム軸部上の前記Ｒ部末部から前記蛇腹部に滑らかに接続するよう形成するとよい。

このような構成によると、カムとカム軸との接続部には角Ｒ部を形成しているので、接続部の応力集中を緩和でき、更には、カム軸上の角Ｒ末部より滑らかに蛇腹部へ連続するよう形成したので、カムに接続する蛇腹部の応力集中も緩和できる。

また、本発明において好ましくは、前記蛇腹部の拡径部の螺旋の始点位置が前記カム頂点から前記カム回転方向へ９０度の範囲を除いた部分に形成されるとよい。

このような構成によると、カムが吸気バルブ又は排気バルブの開作用を開始してカムの最大リフト量（バルブの最大リフト量）になるまでの間はバルブスプリングの反力が最も大きくなる範囲で、カム軸に作用する曲げモーメントが大きくなる。
従って、螺旋状の始点をカム頂点からカムの回転方向へ９０度の範囲からずらすことにより螺旋始点部においての高応力の発生を防止して、カム軸の耐久性を向上させることができる。

本願のカムシャフト構造によれば、カムシャフトは内燃機関の吸気バルブ又は排気バルブを開閉する隣接した気筒間のカムとカムとの間に位置する気筒間カム軸部に複数の縮径部と拡径部とからなる蛇腹部が形成されているので、内燃機関のシリンダヘッドの吸気ポートを機密に保持しているバルブスプリングの反力により、カムシャフトに変形が生じても、各気筒間の蛇腹部が分担して変形量を吸収するので、カムシャフトの各部に発生する応力を分散できる。
更に、隣接する気筒間に位置する気筒間カム軸部で変形量を吸収するので、他の気筒に影響が及ばないため、カムシャフトを支軸するカム軸受とカムキャップとに偏当りして、偏摩耗の発生、偏摩耗によるカムシャフト回転のフリクション増大を防止できる。
更に、前記縮径部および拡径部が螺旋状に形成されると共に、螺旋の方向が気筒間カム軸部の両側に配置された前記カムの端面から前記気筒間カム軸部を見た方向において、前記バルブスプリングの反力により前記拡径部の頂部をコイルスプリング線形と仮定したときに、コイルスプリングのピッチ及び径が小さくなる状態の螺旋方向に捩じられて形成されるので、カムが捻れ難くなり、従って、吸気バルブ又は排気バルブの開閉タイミングもずれ難くなる。エンジンの吸気及び排気バルブの開閉タイミングが守れ、エンジン性能が維持できる効果を有する。

本発明に係るカムシャフトと吸気バルブとの関係を示す全体概略図である。本発明の参考例に係るカムシャフトの外観図を示し、（ａ）は全体の構成図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大説明図である。本発明の第１実施形態に係るカムシャフト外観図を示し、（ａ）は全体の構成図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ部拡大説明図である。クランク角度に対するバルブリフトタイミングの正常時とカムシャフト捻れ時との比較を示す説明図である。本発明の第２実施形態に係るカム形状とカム形状に対する螺旋始点位置の範囲を示す詳細図である。従来技術に係るカムシャフトと吸気バルブとの関係概略図を示し、（ａ）は全体構成図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ矢視図である。先行技術に係るカムシャフト外観図である。

以下、本発明によるカムシャフト構造の実施形態を図面に基づいて説明する。
ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定の記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明にすぎない。

（参考例）
図１は本発明のカムシャフトと吸気バルブとの関係を示す概略図である。
また、図１は内燃機関である多気筒（シリンダ１個=１気筒）の４バルブエンジン１（１気筒に吸気バルブ２個、排気バルブ２個）の吸気側カムシャフト５による吸気バルブ８が開閉される構造の概略図を示す。
尚、本参考例の説明では、吸気バルブ用のカムシャフトと、排気バルブ用のカムシャフトとは同じ考え方なので、吸気バルブ用のカムシャフトで説明する。
内燃機関であるエンジン１（以下エンジン１と記す）の上部は、シリンダブロック３にシリンダライナー１３が嵌入され、その上部にシリンダヘッド２が載置される。シリンダヘッド２とシリンダライナー１３とシリンダライナー１３内を上下に往復行程をするピストン１２の上面とで燃焼室１４を形成している。
シリンダヘッド２の上面にはエンジン１のクランクシャフト（図示省略）に連動して回転するカムシャフト５が配設されている。カムシャフト５は端部にクランクシャフトと連動するための装置（図示省略）例えばギヤトレイン等で連動している。

カムシャフト５は上述の通り、１気筒に対して２個の吸気バルブ８を同時に開閉動作させるため、同位相のカム６を１気筒に対して２個対で配設している。カムシャフト５のシリンダヘッド２への取付けは、２個対のカム６の間であるジャーナル部１０をシリンダヘッド２から突出したカム軸受１１と、該カム軸受１１に対向し、ジャーナル部１０を上側からカムシャフト５を回動自在に保持し、ボルト（図示省略）にてカム軸受１１に締結されるカムキャップ７とで行う。
また、図２に示すように、カムシャフト５の各気筒に対応するカム６間を連結している気筒間カム軸部８には、縮径部８１と拡径部８２（図２（ｂ））とからなる蛇腹部８３が形成されている。

カム６の下側にはシリンダヘッド２に開口し、エアクリーナ（図示省略）に連結した吸気ポート１５を開閉する傘状の開閉部を有した吸気バルブ１８が配置されている。吸気バルブ８は圧縮した状態で装着されたバルブスプリング９の反力によって吸気ポート１５を閉塞すると共に吸気バルブ１８の上端部をカム６の摺動面に押圧するようにしてある。
このバルブスプリング９はエンジン１の高速回転時に、カム６の動作に吸気バルブ１８（及び排気バルブ）を確実に追従させると共に、バルブスプリング９自体の共振を防止するため、バネ定数を高くしてある。
上述の通り、カム６は吸気バルブ１８を下方に押し下げて、吸気ポート１５を開く動作をするとバルブスプリング９の強い反力を受け、上方への曲げ力により変形する。その変形量がジャーナル部１０を支点として隣接する気筒のジャーナル部１０へレバー比状に大きく影響する。

しかし、隣接する気筒間の気筒間カム軸部８に蛇腹部８３を形状して、部分的に剛性の弱い縮径部８１を複数連続させることにより、上述の変形量を複数箇所の縮径部８１の部分で少しずつ吸収させるようにして応力の集中を防止すると共に、隣接するジャーナル部１０の偏磨耗を防止して、回転フリクションの増加を防ぐ効果を有している。
また、複数の気筒間ごとの気筒間カム軸部８に蛇腹部８３が形成されているので、カムシャフト２０全体に変形が生じても、各気筒間の蛇腹部８３が分担して変形量を吸収するので、カムシャフト２０の各部に発生する応力を気筒間ごとに分散できる。

更に、隣接する気筒間に位置する気筒間カム軸部８で変形量を吸収するので、他の気筒に影響が及ばないため、カムシャフト８を支軸するカム軸受１１とカムキャップ７とに偏当りして、偏摩耗の発生、偏摩耗によるカムシャフト２０の回転のフリクション増大を防止できる。

尚、本参考例の場合、吸気バルブ１８を下方に押し下げている気筒のジャーナル部１０は両隣のカム６と距離が少なく、同位相のカムプロフィールなので、変形作用力が同じように作用するため偏磨耗が発生し難い。
また、本参考例の場合、図２（ｂ）に示すように、カム６と気筒間カム軸部８との連結部において、カム側面１７から蛇腹部に移る部分にＲ部１９を設け、Ｒ部１９の末端部から蛇腹形状に移るようにして、断面剛性の変化を和らげ応力集中の防止を図っている。

尚、本カムシャフト５は鍛造成型した素材を機械加工したもので、中実のカムシャフトを図示している。
また、中空状のカムシャフトの場合は、バルジ加工等で成形することができる。
バルジ加工とはパイプの中側（中空部）に油圧等をかけて、外型の形状に沿わせるように成形する方法で、気筒間カム軸部８の外周部に凹部を形成すると共に、中空管に外嵌したカムを中空管に固定することも可能である。
また、蛇腹部８３はカム６間を連結している気筒間カム軸部８の全長にわたって形成されている構成について説明したが、一部であってもよいことは勿論である。

（第１実施形態）
本発明によるカムシャフト構造の第１実施形態を図３に基づいて説明する。
尚、参考例と同じ部品については同一符号を使用する。
カムシャフト２０の気筒間カム軸部２１は螺旋状の蛇腹部８５に形成されると共に、該螺旋の方向は吸気バルブ１８の開放時にバルブスプリング９の反力により、螺旋状の拡径部の頂部２１１に張力が発生するように形成される。
即ち、螺旋状の拡径部の頂部２１１に張力が発生する螺旋の方向とは、カム２２の側面２４を気筒間カム軸部２１の軸芯方向にみて（図３（ａ）（ｂ）のＸ１方向、Ｘ２方向にみて）、カム２２が吸気バルブ１８を押下げる際に、バルブスプリング９の反力で螺旋状の拡径部の頂部２１１に引張力が作用する方向（螺旋状の拡径部の頂部２１１をコイルスプリング線形と仮定した時に、コイルスプリングのピッチ及び径が小さくなる状態の螺旋方向）である。また、言い換えるとバルブスプリング９の反力で蛇腹が締まる方向に形成された螺旋である。
従って、カム２２の側面からの見る方向（Ｘ１方向、Ｘ２方向）により螺旋の方向が変わるため、カム軸２１の中間部（各気筒間の中心部分）には螺旋の方向を切替える中間帯２３が設けてある。

カム軸２１の螺旋部８５の拡径部の頂部２１１に引張力が作用する形状なのでカムシャフト２０が捻れ難く吸気バルブ１８（及び排気バルブ図示省略）の開閉タイミングがずれ難くなる。
カムシャフト５の捻れ剛性が低いと、図４に示すように、バルブスプリング９の反力により、カム６が吸気ポート１５を開く場合、即ち、吸気バルブ１８を下方へ押す時は押し戻され、吸気ポート１５を開く開始時期が遅くなる。吸気ポート１５を閉塞する時は、カム６の頂部が吸気バルブ１８から逃げていく（回転）方向なので、カム６が速く回転する方向へバルブスプリング９に押圧され吸気ポート１５の閉塞時期が早くなる。
従って、燃焼室内１４は新しい空気不足からエンジン１の十分な出力が確保できなくなる。
また、排気バルブ側も同様なタイミングとなるため、十分な排気ができなく排気ガスが燃焼室１４内に残り、燃料の不完全燃焼に近い状態になる。

しかし、本実施形態ではカムシャフトの捻れ発生を防止することにより、吸気バルブ１８及び排気バルブの開閉タイミングがずれるのを防止して、エンジン１の十分な出力が確保できることができる効果を有する。
また、本実施形態の場合、図３（ｂ）に示すように、カム２２と気筒間カム軸部２１との連結部において、カム側面２４から蛇腹の螺旋部に移る部分にＲ部２５を設け、Ｒ部２５の末端部から螺旋形状に移るようにして、断面剛性の変化を和らげ応力集中の防止を図っている。

（第２実施形態）
本発明によるカムシャフト構造の第２実施形態を図５に基づいて説明する。
カムシャフト２０のカム２２の端面２４に形成したＲ部２５から螺旋へ続く接続部である始点を、カム２２の頂点からカム２２の回転方向へ９０度の範囲には位置しないように形成し、即ち図５のθの範囲内に位置するようにした。

カムが吸気バルブ（又は排気バルブ）の開作用を開始してカムの最大リフト量（バルブの最大リフト量）になるまでの間（カム２２の頂点からカム２２の回転方向へ９０度の範囲）はバルブスプリングの反力が大きく、カム軸に作用する曲げモーメントが大きくなり、螺旋の始点部には高い応力が発生しやすい。
従って、蛇腹部８５を形成する螺旋状の始点をカム頂点からカムの回転方向へ９０度の範囲からずらすことにより螺旋始点部の高応力発生を防止して、カム軸の耐久性を向上させると共に、カムシャフト２０が捻れ難く吸気バルブ１８（及び排気バルブ、図示省略）の開閉タイミングをずれ難くする効果を有する。

本発明では、４バルブ式エンジンのカムシャフトの偏磨耗を防止し、駆動フリクションを低減することができるので、４バルブ式エンジンおよび他形式のエンジンのカムシャフトにも使用するのに適している。

１エンジン本体
２シリンダヘッド
５カムシャフト
６、２２カム
７カムキャップ
８、２１気筒間カム軸部
９バルブスプリング
１０ジャーナル部
１１カム軸受
１８吸気バルブ
２０カムシャフト
２５Ｒ部
８１縮径部
８２拡径部
８３、８５蛇腹部

Claims

内燃機関の機関本体に軸支され、端部で前記内燃機関のクランクシャフトの回転に連動して回転し、前記内燃機関の各気筒に配設され吸気バルブ又は排気バルブを開閉するカムを備えたカムシャフトにおいて、
前記吸気バルブ又は排気バルブを閉塞するバルブスプリングの閉塞力に抗してバルブ開放時にカムシャフトに作用する反力によって各気筒間を連結する気筒間カム軸部に生じる変形を吸収するように、前記気筒間カム軸部に複数の縮径部と拡径部とからなる蛇腹部が形成され、
さらに、前記縮径部および拡径部が螺旋状に形成されると共に、螺旋の方向が気筒間カム軸部の両側に配置された前記カムの端面から前記気筒間カム軸部を見た方向において、前記バルブスプリングの反力により前記拡径部の頂部をコイルスプリング線形と仮定したときに、コイルスプリングのピッチ及び径が小さくなる状態の螺旋方向に捩じられ、気筒間カム軸部の中間部で螺旋の方向が切替えられることを特徴とする内燃機関のカムシャフト構造。
前記気筒間カム軸部と該気筒間カム軸部の両側に配置された前記カムの端面との接続部にはコーナＲ部を形成し、気筒間カム軸部上の前記Ｒ部末部から前記蛇腹部に滑らかに接続するよう形成したことを特徴とする請求項１記載の内燃機関のカムシャフト構造。
前記蛇腹部の拡径部の螺旋の始点位置が前記カム頂点から前記カム回転方向へ９０度の範囲を除いた部分に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関のカムシャフト構造。