JP5499557B2

JP5499557B2 - 動弁装置

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Publication number: JP5499557B2
Application number: JP2009184811A
Authority: JP
Inventors: 禎久奥野; 国男荒瀬
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2009-08-07
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2029-08-07
Also published as: JP2011038436A

Description

本発明は、オーバーヘッド・カムシャフト式またはダブル・オーバーヘッド・カムシャフト式の内燃機関の動弁装置に関する。

エンジン（内燃機関）の動弁系を構成する動弁装置にオーバーヘッド・カムシャフト式（ＳＯＨＣ：ＳｉｎｇｌｅＯｖｅｒＨｅａｄＣａｍｓｈａｆｔ、単にＯＨＣとも言う。）およびダブル・オーバーヘッド・カムシャフト式（ＤＯＨＣ：ＤｏｕｂｌｅＯｖｅｒＨｅａｄＣａｍｓｈａｆｔ）がある。これらの動弁装置はシリンダヘッドに設けられる。動弁装置は、カムを有する吸気バルブ用カム軸または排気バルブ用カム軸と、回転するカム軸のカムによって揺動され吸気バルブまたは排気バルブを開閉（リフト）させる吸気バルブ用ロッカーアームまたは排気バルブ用ロッカーアームと、を備えたロッカーアーム方式のものが知られている。

従来のロッカーアームは、吸気バルブまたは排気バルブ（以下、いずれか一方または両方を「吸排気バルブ」と言う。）との接触面の形状に単一の半径をなす円弧形状が用いられる。このような従来のロッカーアームは、吸排気バルブとの接触点が吸排気バルブのリフト量に応じてバルブステムの長手軸に交わる方向に大きく移動する。この移動によって吸排気バルブは、バルブステムとバルブガイドとの寸法公差内で任意に傾いて倒れ込んでしまう。この吸排気バルブの倒れこみによって吸排気バルブの弁体およびシリンダヘッドの弁座は、相互に片当たりし偏摩耗を起こす虞がある。

そこで、吸排気バルブとの接触面の形状にインボリュート曲線を用いたロッカーアームが知られる（例えば、特許文献１参照）。このロッカーアームによれば、吸排気バルブとロッカーアームとの接触点は、吸排気バルブのリフト方向に直線的な軌跡を描く。これによって、吸排気バルブとロッカーアームとの接触点は、吸排気バルブのリフト量に係わらずバルブステムの長手軸中心に位置される。

特開平８−０４９５１０号公報

図１５および図１６は、単一の半径をなす円弧形状の接触面を有する従来のロッカーアームを示す概略図である。図１５は、吸排気バルブが閉じた状態を示した図である。図１６は、吸排気バルブが最大リフト位置に開いた状態を示した図である。

図１５および図１６に示すように、先ず、単一の半径をなす円弧形状の接触面を有する従来のロッカーアーム１０１は、揺動軸であるロッカーシャフト１０２に揺動自在に軸支される。ロッカーアーム１０１の揺動方向視において一方側にはカム１０３が配置され、ロッカーアーム１０１の揺動方向視において他方側には吸排気バルブ１０４が配置される。すなわち、ロッカーアーム１０１は、カム１０３およびバルブステム１０５に挟まれて配置される。ロッカーアーム１０１は、カム１０３の周面に摺接されたカム摺接部１０６と、バルブステム１０５の上部先端に設けられたシム１０７に摺接されたバルブ摺接部１０８と、を備える。

ロッカーシャフト１０２は、カム１０３のカムノーズ１０３ａの回転軌跡Ｒｃ（図１５および図１６中、二点鎖線Ｒｃ）に対しロッカーアーム１０１が干渉しない程度の距離Ｄだけ離間させて配置される。

バルブ摺接部１０８は、単一の半径Ｒ１をなす円弧形状の接触面を有する。

カム１０３が回転しカムノーズ１０３ａがロッカーアーム１０１を押し下げると、吸排気バルブ１０４は、最大リフト位置に開かれる。このとき、バルブ摺接部１０８の接触面の曲率中心Ｃは、ロッカーシャフト１０２の軸芯Ｃｒを中心とする半径Ｒｒの円弧状の軌跡Ｌｃを描く。また、ロッカーアーム１０１および吸排気バルブ１０４の接触点Ｐ、より詳しくはバルブ摺接部１０８およびシム１０７の接触点Ｐは、バルブステム１０５の長手軸方向中心Ｃｖに交わる方向に横切りつつ円弧状の軌跡Ｌｐを描く。

ここで、従来のロッカーアーム１０１の接触面は、単一の半径Ｒ１をなす円弧形状を有する。そして、この接触面は、吸排気バルブ１０４をリフトさせるとき［数１］または［数２］で表される接触応力（ヘルツ応力）を受ける。
［数１］
σ=√{[F÷(π×b)]×{E÷[2×(1-ν²)]}×(1÷R1+1÷R2)}
σ ：ヘルツ応力
Ｆ：入力荷重
π ：円周率
ｂ：接触幅
Ｅ：ヤング率
ν ：ポアソン比
Ｒ１：ロッカーアーム側の接触面の半径
Ｒ２：吸排気バルブ側の接触面（シム表面）の半径
吸排気バルブ側の接触面が平面のとき、半径Ｒ２＝∞であり［式１］は[式２]のように表せる。
［数２］
σ=√{[F÷(π×b)]×{E÷[2×(1-ν²)]}×(1÷R1)}
このヘルツ応力を低減させることによって、ロッカーアームの接触面の摩耗を低減できる。

［数１］または［数２］から、ヘルツ応力σは、入力荷重Ｆを小さくするか、接触幅ｂを大きくとるか、ロッカーアーム側の接触面の半径Ｒ１を大きくとることで低減できる。しかし、入力荷重Ｆはバルブスプリングの反力または吸排気バルブの質量（慣性力）から決定され、接触幅ｂはシリンダヘッド内のレイアウト上の制約からあまり大きくとることができない。よって、ロッカーアーム側の接触面の半径Ｒ１を可能な限り大きくしたい。

そこで、単一の半径Ｒ１をなす円弧形状の接触面を有する従来のロッカーアームの場合は、この接触面の曲率半径を大きくすればヘルツ応力を低減できる。

図１７および図１８は、単一の半径をなす円弧形状の接触面を有する従来のロッカーアームを示す概略図である。図１７は、吸排気バルブが閉じた状態を示した図である。図１８は、吸排気バルブが最大リフト位置に開いた状態を示した図である。

図１５および図１６に対し図１７および図１８に比較して示すように、ロッカーアーム１０１の接触面の半径Ｒ１を単純に大きくすると、バルブ摺接部１０８の接触面の曲率中心Ｃは、ロッカーシャフト１０２の軸芯Ｃｒから遠ざかる。これによって、バルブリフトにともなう曲率中心Ｃの軌跡Ｌｃの半径Ｒｒは大きくなる。したがって、吸排気バルブ１０４のリフトにともなう接触点Ｐのバルブステム長手軸交差方向の移動量も大きくなる。そうすると、接触点Ｐは、バルブステム１０５の外側に逸脱する虞がある。また、吸排気バルブ１０４は、バルブステム１０５の倒れこみや、バルブステム１０５とステムガイド（図示省略）とのこじれ、これにともなう摺動抵抗の増大や吸排気バルブ１０４側の接触面（シム表面）の偏磨耗を生じる虞がある。

そこで、円弧形状の接触面の曲率半径を増大させたことによる問題の解決のために、ロッカーアーム１０１の揺動軸であるロッカーシャフト１０２とバルブステム１０５とを十分に離間させることが考えられる。これによって、吸排気バルブ１０４のリフトにともなう接触点Ｐのバルブステム１０５長手軸交差方向の移動量を小さくし、接触点Ｐの描く軌跡Ｌｐをバルブステム１０５長手軸方向中心Ｃｖの付近に位置させることができる。しかし、その反面シリンダヘッドが大型化してしまいかつロッカーアーム１０１の重量が増すという問題が生じる。

よって、ヘルツ応力を低減させるためにロッカーアーム１０１の接触面の半径を単純に大きくすることは採用し難い。

図１９から図２１は、接触面の形状にインボリュート曲線を用いた形状を有するロッカーアームを示す概略図である。図１９は、吸排気バルブが閉じた状態を示した図である。図２０は、吸排気バルブが最大リフト位置に開いた状態を示した図である。図２１は、吸排気バルブのリフト量とインボリュート曲線との関係を示した図である。

図１９から図２１に示すように、接触面の形状にインボリュート曲線ｉｃを用いた形状を有するロッカーアーム１１１の場合は、吸排気バルブ１０４のリフトにともない接触面の曲率半径が大きくなるため、吸排気バルブ１０４の最大リフト（図２１中、距離ＬＩＦＴ）時にヘルツ応力を最も低減させることができる。

しかし、［数１］および［数２］の入力加重Ｆは、エンジンの高回転域において吸排気バルブ１０４の慣性力が支配的になる。この慣性力が接触面に最も大きく作用するのは、吸排気バルブ１０４のリフト開始時およびリフト終了時（すなわち、吸排気バルブ１０４が動き始める時と、動きが止まる時）である。そして、接触面の形状にインボリュート曲線ｉｃを用いた形状を有するロッカーアーム１１１は、吸排気バルブ１０４のリフト量が大きい境域における接触面の曲率半径に比べてリフト量が小さい領域における接触面の曲率半径のほうが小さくなるのでエンジンの高回転域においてヘルツ応力を低減させることが困難になる。

そして、エンジンの高回転域における接触面のヘルツ応力を低減させるために、吸排気バルブ１０４のリフト量が小さい領域で接触面の曲率半径を大きくするには、ロッカーシャフト１０２の軸芯Ｃｒをバルブステム１０５の長手軸方向へ離間させる（図２１中、距離Ｌｏを大きく取る）必要がある。このことは、シリンダヘッドの高さ寸法を拡大させるという問題を生じてしまう。

また、インボリュート曲線ｉｃを用いた接触面は、吸排気バルブ１０４のリフト量に係わらず同じ接触点Ｐで吸排気バルブ１０４に接触するので、吸排気バルブ１０４の接触面およびロッカーアーム１１１の接触面に偏磨耗が顕著となる。

本発明は、吸排気バルブの低リフト領域における接触点の曲率半径または吸排気バルブの高リフト領域における接触点の曲率半径を極力大きくしヘルツ応力を顕著に低減できるとともに、吸排気バルブとロッカーアームとの接触点の軌跡をバルブステムの長手軸中心に近づけて吸排気バルブの倒れこみを防止できる動弁装置を提供することを目的とする。

前記の課題を解決するため本発明に係る動弁装置は、燃焼室に連通された吸排気口を開閉させる吸排気弁と、前記吸排気弁を開く揺動自在なロッカーアームと、前記ロッカーアームを揺動させるカムを有するカムシャフトと、前記ロッカーアームに設けられ前記吸排気弁に摺接させた楕円弧形状の接触面を有するバルブ摺接部と、を備え、前記接触面の曲率半径は、前記吸排気弁を開くにつれて連続的に大きくなる、または前記吸排気弁を開くにつれて連続的に小さくなり、前記バルブ摺接部は、前記吸排気弁の弁中心に対し略平行な方向に長軸を指向させた縦長楕円形状の前記接触面を有し、前記吸排気口を全閉させたときの前記吸排気弁と前記接触面との接触点を楕円弧と長軸との交点に位置させたることを特徴とする。
また、前記の課題を解決するため本発明に係る動弁装置は、燃焼室に連通された吸排気口を開閉させる吸排気弁と、前記吸排気弁を開く揺動自在なロッカーアームと、前記ロッカーアームを揺動させるカムを有するカムシャフトと、前記ロッカーアームに設けられ前記吸排気弁に摺接させた楕円弧形状の接触面を有するバルブ摺接部と、を備え、前記接触面の曲率半径は、前記吸排気弁を開くにつれて連続的に大きくなる、または前記吸排気弁を開くにつれて連続的に小さくなり、前記バルブ摺接部は、前記吸排気弁の弁中心に対し略平行な方向に短軸を指向させた横長楕円形状の前記接触面を有し、前記吸排気口を全閉させたときの前記吸排気弁と前記接触面との接触点を楕円弧と短軸との交点に位置させたことを特徴とする。

本発明によれば、吸排気バルブの低リフト領域における接触点の曲率半径または吸排気バルブの高リフト領域における接触点の曲率半径を極力大きくしヘルツ応力を顕著に低減できるとともに、吸排気バルブとロッカーアームとの接触点の軌跡をバルブステムの長手軸中心に近づけて吸排気バルブの倒れこみを防止できる動弁装置を提供できる。

本発明に係る動弁装置を備えた自動二輪車の一例を示した右側面図。本発明に係る動弁装置を備えたシリンダヘッドを示した断面図。本発明に係る動弁装置を備えたシリンダヘッドを示した平面図。本発明に係る動弁装置を備えたシリンダヘッドを示した平面図。本発明に係る動弁装置を示す概略図。本発明に係る動弁装置を示す概略図。本発明に係る動弁装置のロッカーアームにおけるバルブリフト量とヘルツ応力との関係を示した図。単一の円弧形状の接触面を有する従来のロッカーアームにおけるバルブリフト量とヘルツ応力との関係を示した図。本発明に係る動弁装置の他の例を示す概略図。本発明に係る動弁装置の他の例を示す概略図。本発明に係る動弁装置を示す概略図。本発明に係る動弁装置を示す概略図。本発明に係る動弁装置のロッカーアームにおけるバルブリフト量とヘルツ応力との関係を示した図。単一の円弧形状の接触面を有する従来のロッカーアームにおけるバルブリフト量とヘルツ応力との関係を示した図。単一の半径をなす円弧形状の接触面を有する従来のロッカーアームを示す概略図。単一の半径をなす円弧形状の接触面を有する従来のロッカーアームを示す概略図。単一の半径をなす円弧形状の接触面を有する従来のロッカーアームを示す概略図。単一の半径をなす円弧形状の接触面を有する従来のロッカーアームを示す概略図。接触面の形状にインボリュート曲線を用いた形状を有するロッカーアームを示す概略図。接触面の形状にインボリュート曲線を用いた形状を有するロッカーアームを示す概略図。接触面の形状にインボリュート曲線を用いた形状を有するロッカーアームを示す概略図。

本発明に係る動弁装置の実施形態について、図１から図１４を参照して説明する。

図１は、本発明に係る動弁装置を備えた自動二輪車の一例を示した右側面図である。

図１に示すように、自動二輪車１は、車体フレーム２と、車体フレーム２の前部に設けられバーハンドル３で操向されるフロントフォーク４と、フロントフォーク４の下端部に懸架されフロントフェンダ５に覆われた前輪６と、前輪６に設けられたディスクブレーキ７と、車体フレーム２の後部に揺動自在に設けられたスイングアーム８と、スイングアーム８の情報に設けられたリアフェンダ９と、スイングアーム８に懸架された後輪１０と、を備える。車体フレーム２とスイングアーム８との間は、リアサスペンション（図示省略）が設けられる。

車体フレーム２の上部には、フューエルタンク１１が載置される。フューエルタンク１１を覆いかつリアフェンダ９の一部にかかる位置には、シート１２が延設される。

車体フレーム２の中央内部空間には、エンジン１３が搭載される。エンジン１３の斜め上前方にはラジエータ１４が配置される。

エンジン１３は、ＯＨＣ式またはＤＯＨＣ式のバルブ駆動形式を備えた内燃機関であり、クランクケース２０と、シリンダブロック２１の上方に設けられたシリンダヘッド２２と、シリンダヘッド２２を覆うヘッドカバー２３と、を備える。

図２は、本発明に係る動弁装置を備えたシリンダヘッドを示した断面図である。なお、図２は、図３のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図であり、後述のアッパハウジングを省略して示した図である。

図２に示すように、シリンダヘッド２２の下部は、シリンダブロック２１との間に形成された燃焼室２５と、２つの吸気ポート２７（図２中には、一方の吸気ポート２７のみ示される。）と、２つの排気ポート２８（図２中には、一方の排気ポート２８のみ示される。）と、を備える。吸気ポート２７は、燃焼室２５の内部と吸気通路２９とを連通させる。他方、排気ポート２８は、燃焼室２５の内部と排気通路３０とを連通させる。吸気ポート２７および排気ポート２８は、それぞれバルブシート３２、３３を備える。なお、シリンダヘッド２２は、ＤＯＨＣ式のバルブ駆動機構を備えるが、ＯＨＣ式のバルブ駆動機構を備えても良い。

シリンダヘッド２２は、その内部に動弁装置３４を備える。動弁装置３４は、２つの吸気バルブ３５と、２つの排気バルブ３６と、吸気用カム軸３７と、吸気用カム軸３７に設けられた２つの吸気用カム３８と、排気用カム軸３９と、排気用カム軸３９に設けられた２つの排気用カム４０と、吸気用ロッカーシャフト４１と、吸気用ロッカーシャフト４１に揺動自在に軸支された２つの吸気用ロッカーアーム４２と、排気用ロッカーシャフト４３と、排気用ロッカーシャフト４３に揺動自在に軸支された２つの排気用ロッカーアーム４４と、を備える。

吸気バルブ３５は、吸気ポート２７を開閉させる。吸気バルブ３５は、傘形状の弁体３５ａと、弁体３５ａから略上方に向かって延設されたバルブステム３５ｂと、を備える。バルブステム３５ｂは、シリンダヘッド２２に設けられたステムガイド４７に摺動自在に挿通される。

バルブステム３５ｂの上端部には、スプリングリテーナ４８が設けられる。ステムガイド４７には、シリンダヘッド２２に支持されたスプリングシート４９が遊嵌される。スプリングリテーナ４８とスプリングシート４９との間には、バルブスプリング５０が挟まれて配設される。バルブスプリング５０は、スプリングリテーナ４８を介して吸気バルブ３５を閉じる方に付勢させる。バルブスプリング５０の付勢力によって弁体３５ａは、バルブシート３２に押圧され吸気ポート２７を閉じる。

排気バルブ３６は、排気ポート２８を開閉させる。排気バルブ３６は、傘状の弁体３６ａと、弁体３６ａから略上方に向かって延設されたバルブステム３６ｂとを備える。バルブステム３６ｂは、シリンダヘッド２２に設けられたステムガイド５２に摺動自在に挿通される。そして、シリンダヘッド２２の側面視において、吸気バルブ３５と排気バルブ３６とは、そのバルブステム３５ｂ、３６ｂが略Ｖ字形状に配設される。

バルブステム３６ｂの上端部には、スプリングリテーナ５３が設けられる。ステムガイド５２には、シリンダヘッド２２に支持されたスプリングシート５４が遊嵌される。スプリングリテーナ５３とスプリングシート５４との間には、バルブスプリング５５が挟まれて配設される。バルブスプリング５５は、スプリングリテーナ５３を介して排気バルブ３６を閉じる方に付勢させる。バルブスプリング５５の付勢力によって弁体３６ａは、バルブシート３３に押圧され排気ポート２８を閉じる。

吸気用カム軸３７は、吸気バルブ３５の上方に位置させてシリンダヘッド２２に回転自在に軸支される。吸気用カム軸３７の軸芯は、吸気バルブ３５のバルブステム３５ｂの略延長線上に配置される。

排気用カム軸３９は、排気バルブ３６の上方に位置させてシリンダヘッド２２に回転自在に軸支される。排気用カム軸３９の軸芯は、排気バルブ３６のバルブステム３６ｂの略延長線上に配置される。

吸気用カム軸３７および排気用カム軸３９は、相互の軸芯が略平行になるよう配置される。

２つの吸気用カム３８は、それぞれの吸気バルブ３５に対応させて吸気用カム軸３７の適宜の位置に設けられる。吸気用カム３８は、吸気用カム軸３７と一体的に回転される。

２つの排気用カム４０は、それぞれの排気バルブ３６に対応させて排気用カム軸３９の適宜の位置に設けられる。排気用カム４０は、排気用カム軸３９と一体的に回転される。

吸気用ロッカーシャフト４１は、吸気用ロッカーアーム４２の揺動軸であり、吸気用カム軸３７および排気用カム軸３９に挟まれた領域Ａよりも外方に設けられる。また、吸気用ロッカーシャフト４１は、吸気用カム軸３７よりも下方に配置される。

排気用ロッカーシャフト４３は、排気用ロッカーアーム４４の揺動軸であり、領域Ａよりも外方に設けられる。また、排気用ロッカーシャフト４３は、排気用カム軸３９よりも下方に配置される。

吸気用ロッカーシャフト４１および排気用ロッカーシャフト４３は、管状に形成され、その内部にオイル通路５７を有する。

吸気用カム軸３７と、排気用カム軸３９と、吸気用ロッカーシャフト４１と、排気用ロッカーシャフト４３とは、相互の軸芯が略平行になるよう配置される。

２つの吸気用ロッカーアーム４２は、それぞれの吸気バルブ３５に対応させて吸気用ロッカーシャフト４１の適宜の位置に設けられる。吸気用ロッカーアーム４２の上部には、吸気用カム３８が配置され、吸気用ロッカーアーム４２の下部には、吸気バルブ３５が配置される。吸気用ロッカーアーム４２は、吸気用カム３８の周面に摺接されたカム摺接部５９と、バルブステム３５ｂの上部先端に設けられたシム６０に摺接されたバルブ摺接部６１と、を備える。すなわち、吸気用ロッカーアーム４２は、吸気用カム３８およびバルブステム３５ｂに挟まれて配置される。

２つの排気用ロッカーアーム４４は、それぞれの排気バルブ３６に対応させて排気用ロッカーシャフト４３の適宜の位置に設けられる。排気用ロッカーアーム４４の上部には、排気用カム４０が配置され、排気用ロッカーアーム４４の下部には、排気バルブ３６が配置される。排気用ロッカーアーム４４は、排気用カム４０の周面に摺接されたカム摺接部６４と、バルブステム３６ｂの上部先端に設けられたシム６５に摺接されたバルブ摺接部６６と、を備える。すなわち、排気用ロッカーアーム４４は、排気用カム４０およびバルブステム３６ｂに挟まれて配置される。

吸気用カム３８は、吸気用カム軸３７と一体的に回転し、吸気用ロッカーシャフト４１に軸支された吸気用ロッカーアーム４２を介して吸気バルブ３５を開かせる。他方、排気用カム４０は、排気用カム軸３９と一体的に回転し、排気用ロッカーシャフト４３に軸支された排気用ロッカーアーム４４を介して排気バルブ３６を開かせる。

なお、吸気用カム軸３７は、吸気用カム３８のカムノーズ３８ａが吸気用ロッカーアーム４２の自由端側から吸気用ロッカーシャフト４１側に向かってカム摺接部５９を摺動する方向に回転される（図２中、実線矢Ｒｉ方向）。また、排気用カム軸３９は、排気用カム４０のカムノーズ４０ａが排気用ロッカーシャフト４３側から排気用ロッカーアーム４４の自由端側に向かってカム摺接部６４を摺動する方向に回転される（図２中、実線矢Ｒｏ方向）。

図３および図４は、本発明に係る動弁装置を備えたシリンダヘッドを示した平面図である。

なお、図３は、後述のアッパハウジングと、吸気用カム軸３７と、吸気用カム３８と、排気用カム軸３９と、排気用カム４０と、を省略して示した図であり、図４は、後述のアッパハウジングを省略して示した図である。

図３および図４に示すように、シリンダヘッド２２は、吸気用ロッカーシャフト４１および排気用ロッカーシャフト４３のそれぞれの両端部が支持されたロッカーシャフト両端軸支部６１ａ、６１ｂと、吸気用ロッカーシャフト４１および排気用ロッカーシャフト４３のそれぞれの中間部分が支持されたロッカーシャフト中間軸支部６２ａ、６２ｂと、を備える。ロッカーシャフト中間軸支部６２ａは、２つの吸気用ロッカーアーム４２に挟まれた吸気用ロッカーシャフト４１の中間部分に位置される。他方、ロッカーシャフト中間軸支部６２ｂは、２つの排気用ロッカーアーム４４に挟まれた排気用ロッカーシャフト４３の中間部分に配置される。

ロッカーシャフト両端軸支部６１ａは、吸気用ロッカーシャフト４１に軸支された吸気用ロッカーアーム４２の側面まで延設される。また、ロッカーシャフト中間軸支部６２ａも、吸気用ロッカーシャフト４１に軸支された吸気用ロッカーアーム４２の側面まで延設される。なお、ロッカーシャフト両端軸支部６１ａと吸気用ロッカーアーム４２の側面との間、およびロッカーシャフト中間軸支部６２ａと吸気用ロッカーアーム４２の側面との間には、いずれも吸気用ロッカーアーム４２が揺動可能な程度の微小な隙間が形成される。

他方、ロッカーシャフト両端軸支部６１ｂは、排気用ロッカーシャフト４３に軸支された排気用ロッカーアーム４４の側面まで延設される。また、ロッカーシャフト中間軸支部６２ｂも、排気用ロッカーシャフト４３に軸支された排気用ロッカーアーム４４の側面まで延設される。なお、ロッカーシャフト両端軸支部６１ｂと排気用ロッカーアーム４４の側面との間、およびロッカーシャフト中間軸支部６２ｂと排気用ロッカーアーム４４の側面との間には、いずれも排気用ロッカーアーム４４が揺動可能な程度の微小な隙間が形成される。

すなわち、それぞれの吸気用ロッカーアーム４２は、その揺動軸である吸気用ロッカーシャフト４１をロッカーシャフト両端軸支部６１ａおよびロッカーシャフト中間軸支部６２ａによって両持ち支持される。他方、それぞれの排気用ロッカーアーム４４も、その揺動軸である排気用ロッカーシャフト４３をロッカーシャフト両端軸支部６１ｂおよびロッカーシャフト中間軸支部６２ｂによって両持ち支持される。

シリンダヘッド２２の側面のうち、吸気用ロッカーシャフト４１と、排気用ロッカーシャフト４３との長手軸方向と交差する一方の側面部２２ａは、吸気用ロッカーシャフト４１または排気用ロッカーシャフト４３の挿入口６７を有する。挿入口６７は、吸気用ロッカーシャフト４１または排気用ロッカーシャフト４３の抜止用ボルト６８で閉塞される。他方、シリンダヘッド２２の側面のうち、吸気用ロッカーシャフト４１と、排気用ロッカーシャフト４３との長手軸方向と交差する他方の側面部２２ｂは、シリンダヘッド２２の上下方向に貫通されたカムチェーントンネル６９を有する。

また、シリンダヘッド２２は、２つの吸気用ロッカーアーム４２に挟まれた部分から２つの排気用ロッカーアーム４４に挟まれた部分に亘って吸気用カム軸３７および排気用カム軸３９を軸支するカム軸支部７０を備える。カム軸支部７０は、シリンダヘッド２２に一体に形成される。カム軸支部７０およびロッカーシャフト中間軸支部６２ａは相互に連結され、カム軸支部７０およびロッカーシャフト中間軸支部６２ｂは相互に連結される。カム軸支部７０には、アッパハウジング（図示省略）が締結される。カム軸支部７０およびアッパハウジングの中央部には、点火プラグ７２が挿入されたプラグ挿入孔７３を有する。プラグ挿入孔７３は、燃焼室２５に連通される。また、プラグ挿入孔７３は、シリンダブロック２１を上下に往復動可能なシリンダ（図示省略）の中心線と略同心に配置される。

カム軸支部７０およびアッパハウジングは、吸気用カム軸３７の軸受部７４ａおよび排気用カム軸３９の軸受部７４ｂを備える。

シリンダヘッド２２は、カムチェーントンネル６９の縁部にアッパ軸受ハウジング（図示省略、アッパカムハウジング）と、ロア軸受ハウジング（図示省略、ロアカムハウジング、別体式ロアハウジング）と、を備える。アッパ軸受ハウジングおよびロア軸受ハウジングは、吸気用カム軸３７を回転自在に保持する軸受８１ａと、排気用カム軸３９を回転自在に保持する軸受８１ｂと、を備える。

なお、アッパ軸受ハウジングおよびアッパハウジングは、一体的に形成される。

吸気用カム軸３７は、軸受部７４ａおよび軸受８１ａの２ヶ所で回転自在に保持される。他方、排気用カム軸３９は、軸受部７４ｂおよび軸受８１ｂの２ヶ所で回転自在に保持される。すなわち、シリンダヘッド２２は、吸気用カム軸３７および排気用カム軸３９のカムハウジングとして、シリンダヘッド２２に一体化されたカム軸支部７０および別体化されたアッパハウジングと、別体化されたアッパ軸受ハウジングおよび別体化されたロア軸受ハウジング８０と、を備える。

吸気用カム軸３７の端部のうち、カムチェーントンネル６９側に配置された端部は、吸気カムドリブンスプロケット８５を備える。他方、排気用カム軸３９の端部のうち、カムチェーントンネル６９側に配置された端部は、排気カムドリブンスプロケット８６を備える。吸気カムドリブンスプロケット８５と、排気カムドリブンスプロケット８６と、エンジン１３のクランク軸（図示省略）とは、カムチェーン８７が巻き掛けられる。カムチェーン８７は、クランク軸の回転を吸気用カム軸３７および排気用カム軸３９に伝達させて、吸気用カム軸３７および排気用カム軸３９を回転させる。吸気用カム軸３７および排気用カム軸３９は、吸気カムドリブンスプロケット８５と、排気カムドリブンスプロケット８６と、カムチェーン８７とを介して、クランク軸の回転に連動させて、その半分の回転数で回転される。

他方、吸気用カム軸３７の端部のうち、カムチェーントンネル６９から遠い側に配置された自由端部には、吸気用カム３８の一方が配置され、排気用カム軸３９の端部のうち、カムチェーントンネル６９から遠い側に配置された自由端部には、排気用カム４０の一方が配置される。

吸気用カム３８は、吸気用ロッカーアーム４２よりも幅広く形成される。他方、排気用カム４０は、排気用ロッカーアーム４４よりも幅広く形成される。

図５および図６は、本発明に係る動弁装置を示す概略図である。図５は、吸排気バルブが閉じた状態を示した図である。図６は、吸排気バルブが最大リフト位置に開いた状態を示した図である。

なお、説明を容易にするため以下、吸気ポート２７および排気ポート２８のいずれか一方または両方を「吸排気ポート２７、２８（吸排気口）」と呼び、吸気バルブ３５および排気バルブ３６のいずれか一方または両方を「吸排気バルブ３５、３６（吸排気弁）」と呼び、吸気用カム軸３７および排気用カム軸３９のいずれか一方または両方を「カム軸３８、４０（カムシャフト）」と呼び、吸気用カム３８および排気用カム４０のいずれか一方または両方を「カム３８、４０」と呼び、吸気用ロッカーシャフト４１および排気用ロッカーシャフト４３のいずれか一方または両方を「ロッカーシャフト４１、４３」と呼び、吸気用ロッカーアーム４２および排気用ロッカーアーム４４のいずれか一方または両方を「ロッカーアーム４２、４４」と呼ぶ。また、説明を容易にするため以下、カム摺接部５９およびカム摺接部６４のいずれか一方または両方を「カム摺接部５９、６４」と呼び、バルブ摺接部６１およびバルブ摺接部６６のいずれか一方または両方を「バルブ摺接部６１、６６」と呼び、バルブステム３５ｂおよびバルブステム３６ｂのいずれか一方または両方を「バルブステム３５ｂ、３６ｂ」と呼ぶ。

図５および図６に示すように、吸排気ポート２７、２８を開閉させる動弁装置３４のロッカーアーム４２、４４は、揺動軸であるロッカーシャフト４１、４３に揺動自在に軸支される。ロッカーアーム４２、４４の揺動方向視において一方側にはカム３８、４０が配置され、他方側には吸排気バルブ３５、３６が配置される。すなわち、ロッカーアーム４２、４４は、カム３８、４０およびバルブステム３５ｂ、３６ｂに挟まれて配置される。ロッカーアーム４２、４４は、カム３８、４０の周面に摺接されたカム摺接部５９、６４と、バルブステム３５ｂ、３６ｂの上部先端に設けられたシム６０、６５に摺接されたバルブ摺接部６１、６６と、を備える。カム３８、４０は、カム軸３８、４０によって回転されロッカーアーム４２、４４を揺動させる。

バルブ摺接部６１、６６は、接触点Ｐにおいて吸排気バルブ３５、３６に摺接させた楕円形状の接触面９０を有する。接触面９０は、長軸Ａｒを吸排気バルブ３５、３６の中心線（図５および図６中、一点鎖線Ｃｖ）に対し略平行な方向に指向させて位置された縦長楕円弧形状に形成される。具体的には、バルブ摺接部６１、６６は、吸排気バルブ３５、３６が吸気ポート２７を全閉（バルブリフト量がゼロ）させたときの吸排気バルブ３５、３６と接触面９０との接触点Ｐを楕円弧と長軸Ａｒとの交点に位置させた楕円弧形状を有する。

さらに、バルブ摺接部６１、６６は、接触面９０に連続させて楕円形状に形成された余剰面９１を有する。バルブ摺接部６１、６６は、接触面９０と同じ長軸Ａｒおよび短軸Ｂｒの楕円形状に形成された余剰面９１を有する。

このように構成されたロッカーアーム４２、４４は、吸排気バルブ３５、３６が開くにつれて接触面９０の曲率半径が連続的に大きくなっていく。

ここで、単一の円弧形状の接触面を有する従来のロッカーアーム１０１と比較しつつロッカーアーム４２、４４について説明する。

図７は、本発明に係る動弁装置のロッカーアームにおけるバルブリフト量とヘルツ応力との関係を示した図である。また、図７は、縦長楕円弧形状に形成された接触面９０を有するロッカーアーム４２、４４におけるバルブリフト量とヘルツ応力との関係を示した図である。

図８は、単一の円弧形状の接触面を有する従来のロッカーアームにおけるバルブリフト量とヘルツ応力との関係を示した図である。

なお、図７および図８は、最高回転数が約６０００ｒｐｍから約８０００ｒｐｍの低回転型のエンジンにおけるロッカーアームに発生するヘルツ応力を示した図である。

図７および図８に示すように、低回転型のエンジン１３は、最高回転数におけるヘルツ応力（図７および図８中、実線Ｂ）よりもアイドリング状態におけるヘルツ応力（図７および図８中、実線Ａ）のほうが接触面に生じるヘルツ応力の最大値が大きい。そして、この最大値は、吸排気バルブが全開（バルブリフト量が最大）したときに発生する。これは、低回転型のエンジン１３における［数１］または［数２］の入力荷重Ｆについて吸排気バルブを閉じる方向に付勢させるバルブスプリングの反力が支配的であることによる。

ここで、吸排気バルブ３５、３６が全閉（バルブリフト量がゼロ）のときに、動弁装置３４のロッカーアーム４２、４４と従来のロッカーアーム１０１との接触面の曲率半径が一致する場合について説明する。この場合、ロッカーアーム４２、４４は吸排気バルブ３５、３６が開くにつれて接触面９０の曲率半径が漸増するのに対し、従来のロッカーアーム１０１はバルブリフト量によって接触面の曲率半径が変化しない。これによって、ロッカーアーム４２、４４は従来のロッカーアーム１０１よりも吸排気バルブ３５、３６のリフト量が最大に近づくほど接触面９０の曲率半径が大きくなりヘルツ応力を低減できる。また、ロッカーアーム４２、４４は、バルブリフトにともなって接触面９０の楕円形状の中心Ｃｅが円弧状の軌跡Ｌｃｅを描きつつ、接触点Ｐが接触面９０の楕円形状の中心Ｃｅに近づいていくので、接触点Ｐの軌跡Ｌｐｅが吸排気バルブ３５、３６のバルブ中心線Ｃｖから大きく離れることなく（図８）、接触点Ｐがシム６０から逸脱することもない。

他方、従来のロッカーアーム１０１における接触点Ｐの軌跡Ｌｐと同程度にロッカーアーム４２、４４の接触点Ｐの軌跡Ｌｐｅが移動することを許容すれば、ロッカーアーム４２、４４は、接触面９０のヘルツ応力をさらに大幅に低減させることができる。

図９および図１０は、本発明に係る動弁装置の他の例を示す概略図である。図９は、吸排気バルブが閉じた状態を示した図である。図１０は、吸排気バルブが最大リフト位置に開いた状態を示した図である。

図９および図１０に示すように、ロッカーアーム４２、４４は、単一の円弧形状の接触面を有する従来のロッカーアーム１０１に比べて接触点Ｐの軌跡Ｌｐｅが吸排気バルブ３５、３６のバルブ中心線Ｃｖに近づくので、従来のロッカーアーム１０１における接触点Ｐの軌跡Ｌｐと同程度にロッカーアーム４２、４４の接触点Ｐの軌跡Ｌｐｅが移動することを許容すれば、ロッカーシャフト４１、４３をバルブステム３５ｂ、３６ｂに近づけ（図９および図１０中一点鎖線から実線に距離Ｘ近づけ）、ロッカーアーム４２、４４の腕の長さを短く構成できる。これによってロッカーアーム４２、４４の小型軽量化が可能となる。

このように、ロッカーシャフト４１、４３をバルブステム３５ｂ、３６ｂに近づけ、ロッカーアーム４２、４４の腕の長さを短くすることは、接触面の形状にインボリュート曲線ｉｃを用いた形状を有するロッカーアーム１１１のようにロッカーシャフトの軸芯Ｃｒをバルブステムの長手軸方向へ十分に離間させることが必要なロッカーアーム１１１では極めて困難である。

すなわち、縦長楕円弧形状に形成されたバルブ摺接部６１、６６を有するロッカーアーム４２、４４によれば、低回転型のエンジン１３の低回転域における性能を向上させることができる。また、高回転型のエンジン１３についても、アイドリング時の動弁系の焼きつき防止に効果がある。

次に、バルブ摺接部６１、６６の楕円弧曲面の他の例について説明する。

図１１および図１２は、本発明に係る動弁装置を示す概略図である。図１１は、吸排気バルブが閉じた状態を示した図である。図１２は、吸排気バルブが最大リフト位置に開いた状態を示した図である。

図１１および図１２に示すように、バルブ摺接部６１、６６は、接触点Ｐにおいて吸排気バルブ３５、３６に摺接させた楕円形状の接触面９０Ａを有する。接触面９０Ａは、短軸Ｂｒを吸排気バルブ３５、３６の中心線（図１１および図１２中、一点鎖線Ｃｖ）に対し略平行な方向に指向させて位置された横長楕円弧形状に形成される。具体的には、バルブ摺接部６１、６６は、吸排気バルブ３５、３６が吸気ポート２７を全閉させた（バルブリフト量がゼロ）ときの吸排気バルブ３５、３６と接触面９０Ａとの接触点Ｐを楕円弧と短軸Ｂｒとの交点に位置させた楕円弧形状を有する。

さらに、バルブ摺接部６１、６６は、接触面９０Ａに連続させて楕円形状に形成された余剰面９１を有する。バルブ摺接部６１、６６は、接触面９０Ａと同じ長軸Ａｒおよび短軸Ｂｒの楕円形状に形成された余剰面９１を有する。

このように構成されたロッカーアーム４２、４４は、吸排気バルブ３５、３６が開くにつれて接触面９０Ａの曲率半径が連続的に小さくなっていく。

ここで、単一の円弧形状の接触面を有する従来のロッカーアーム１０１と比較しつつ説明する。

図１３は、本発明に係る動弁装置のロッカーアームにおけるバルブリフト量とヘルツ応力との関係を示した図である。また、図１３は、横長楕円弧形状に形成された接触面９０Ａを有するロッカーアーム４２、４４におけるバルブリフト量とヘルツ応力との関係を示した図である。

図１４は、単一の円弧形状の接触面を有する従来のロッカーアームにおけるバルブリフト量とヘルツ応力との関係を示した図である。

なお、図１３および図１４は、最高回転数が約１２０００ｒｐｍから約１６０００ｒｐｍの高回転型のエンジン１３におけるロッカーアームに発生するヘルツ応力を示した図である。

図１３および図１４に示すように、高回転型のエンジン１３は、低回転のエンジン１３と異なりアイドリング状態におけるヘルツ応力（図７および図８中、実線Ｄ）よりも最高回転数におけるヘルツ応力（図７および図８中、実線Ｃ）のほうが接触面に生じるヘルツ応力の最大値が大きい。そして、この最大値は、吸排気バルブが大きく加速または減速したときに発生する。これは、高回転型のエンジン１３における［数１］または［数２］の入力荷重Ｆについて吸排気バルブの自重（質量）による慣性力が支配的であることによる。

ここで、吸排気バルブ３５、３６が全開（バルブリフト量が最大）のときに、ロッカーアーム４２、４４と従来のロッカーアーム１０１との接触面の曲率半径が一致する場合について説明する。

この場合、ロッカーアーム４２、４４は、吸排気バルブ３５、３６が閉じるにつれて接触面９０Ａの曲率半径が漸増するのに対し従来のロッカーアーム１０１はバルブリフト量によって接触面の曲率半径が変わらない。これによって、ロッカーアーム４２、４４は従来のロッカーアーム１０１よりも吸排気バルブ３５、３６のリフト量が最小（閉じ）に近づくほど接触点Ｐの曲率半径が大きくなりヘルツ応力を低減できる。

また、ロッカーアーム４２、４４は、接触点Ｐの軌跡が吸排気バルブ３５、３６のバルブ中心線Ｃｖから大きく離れることなく（図１４）、接触点がシム６０から逸脱することもない。これは、接触面９０Ａが横長楕円弧形状の場合、短軸Ｂｒにおける曲率半径Ｒ＝Ａｒ^２／Ｂｒから吸排気バルブ３５、３６の全閉（バルブリフト量がゼロ）状態における曲率半径を考えたとき、接触面９０Ａの楕円弧形状を形成する楕円の大きさが単一の円弧形状を形成する真円に比べて極めて小さくなるためである。

他方、従来のロッカーアーム１０１における接触点Ｐの軌跡Ｌｐと同程度にロッカーアーム４２、４４の接触点Ｐの軌跡Ｌｐｅが移動することを許容すれば、ロッカーアーム４２、４４は、接触面９０Ａのヘルツ応力をさらに大幅に低減させることができる。

すなわち、横長楕円弧形状に形成されたバルブ摺接部６１、６６を有するロッカーアーム４２、４４によれば、高回転型のエンジン１３の高回転域における性能を向上させることができる。

したがって、動弁装置３４は、低回転型のエンジン１３においても高回転型のエンジン１３においても、所望のエンジン特性によってバルブ摺接部６１、６６に縦長楕円弧形状の接触面９０または横長楕円弧形状の接触面９０Ａを適宜に選択し形成して接触面９０、９０Ａのヘルツ応力を低減できる。

また、動弁装置３４のロッカーアーム４２、４４のバルブ摺接部６１、６６は、吸排気バルブのバルブ中心線Ｃｖの方向に対し長軸Ａｒまたは短軸Ｂｒを傾斜させて指向させた楕円弧形状の接触面（図示省略）を有することもできる。この場合は、吸排気バルブの全閉（バルブリフト量がゼロ）の状態および全開（バルブリフトが最大）の状態の双方について、適宜にヘルツ応力の低減効果の軽重を鑑みて高回転型のエンジン１３および低回転型のエンジン１３のいずれにも対応可能なロッカーアーム４２、４４または高回転型のエンジン１３および低回転型のエンジン１３の中間的な特性を有するエンジン１３に用いられるロッカーアーム４２、４４に適用できる。

本実施形態に係る動弁装置３４によれば、吸排気バルブの全開（バルブリフトが最大）におけるバルブ摺接部６１、６６の接触面９０、９０Ａの曲率半径を極力大きくすることができるので、エンジン１３のアイドリング状態や低回転状態におけるバルブ摺接部６１、６６の接触面９０、９０Ａのヘルツ応力を低減させることができる。

また、本実施形態に係る動弁装置３４によれば、ロッカーシャフト４１、４３をバルブステム３５ｂ、３６ｂに近づけ、ロッカーアーム４２、４４の小型化および軽量化が可能となる。

さらに、本実施形態に係る動弁装置３４によれば、吸排気バルブの全閉（バルブリフト量がゼロ）から初期リフト状態におけるバルブ摺接部６１、６６の接触面の曲率半径を極力大きくすることができるので、エンジン１３の高回転状態におけるバルブ摺接部６１、６６の接触面のヘルツ応力を低減させることができる。

さらにまた、本実施形態に係る動弁装置３４によれば、バルブ摺接部６１、６６の接触面のヘルツ応力を低減させることによって、動弁系の機械的損失の低減や、カムプロフィールの改善、エンジン１３の高回転化などが可能となりエンジン性能を向上させることができる。

したがって、本実施形態に係る動弁装置３４によれば、吸排気バルブ３５、３６の低リフト領域における接触点Ｐの曲率半径または吸排気バルブ３５、３６の高リフト領域における接触点Ｐの曲率半径を極力大きくしヘルツ応力を顕著に低減できるとともに、吸排気バルブ３５、３６とロッカーアーム４２、４４との接触点Ｐの軌跡をバルブステム３５ｂ、３６ｂの長手軸中心に近づけて吸排気バルブ３５、３６の倒れこみを防止できる。

１自動二輪車
２車体フレーム
３バーハンドル
４フロントフォーク
５フロントフェンダ
６前輪
７ディスクブレーキ
８スイングアーム
９リアフェンダ
１０後輪
１１フューエルタンク
１２シート
１３エンジン
１４ラジエータ
２０クランクケース
２１シリンダブロック
２２シリンダヘッド
２２ａ、２２ｂ側面部
２３ヘッドカバー
２５燃焼室
２７吸気ポート（吸排気口）
２８排気ポート（吸排気口）
２９吸気通路
３０排気通路
３２、３３バルブシート
３４動弁装置
３５吸気バルブ（吸排気バルブ）
３５ａ弁体
３５ｂバルブステム
３６排気バルブ（吸排気バルブ）
３６ａ弁体
３６ｂバルブステム
３７吸気用カム軸（カムシャフト）
３８吸気用カム（カム）
３８ａカムノーズ
３９排気用カム軸（カムシャフト）
４０排気用カム（カム）
４０ａカムノーズ
４１吸気用ロッカーシャフト（ロッカーシャフト）
４２吸気用ロッカーアーム（ロッカーアーム）
４３排気用ロッカーシャフト（ロッカーシャフト）
４４排気用ロッカーアーム（ロッカーアーム）
４７ステムガイド
４８スプリングリテーナ
４９スプリングシート
５０バルブスプリング
５２ステムガイド
３５ｂバルブステム
５３スプリングリテーナ
５４スプリングシート
５５バルブスプリング
５７オイル通路
５９カム摺接部
６０シム
６１バルブ摺接部
６４カム摺接部
６５シム
６６バルブ摺接部
６２ａ、６２ｂロッカーシャフト中間軸支部
６１ａ、６１ｂロッカーシャフト両端軸支部
６７挿入口
６８抜止用ボルト
６９カムチェーントンネル
７０カム軸支部
７２点火プラグ
７３プラグ挿入孔
７４ａ、７４ｂ軸受部
７９アッパ軸受ハウジング
８１ａ、８１ｂ軸受
８０ロア軸受ハウジング
８５吸気カムドリブンスプロケット
８６排気カムドリブンスプロケット
８７カムチェーン
９０、９０Ａ接触面
９１余剰面
１０１ロッカーアーム
１０２ロッカーシャフト
１０３カム
１０３ａカムノーズ
１０４吸排気バルブ
１０５バルブステム
１０６カム摺接部
１０７シム
１０８バルブ摺接部
１１１ロッカーアーム

Claims

燃焼室に連通された吸排気口を開閉させる吸排気弁と、
前記吸排気弁を開く揺動自在なロッカーアームと、
前記ロッカーアームを揺動させるカムを有するカムシャフトと、
前記ロッカーアームに設けられ前記吸排気弁に摺接させた楕円弧形状の接触面を有するバルブ摺接部と、を備え、
前記接触面の曲率半径は、前記吸排気弁を開くにつれて連続的に大きくなる、または前記吸排気弁を開くにつれて連続的に小さくなり、
前記バルブ摺接部は、前記吸排気弁の弁中心に対し略平行な方向に長軸を指向させた縦長楕円形状の前記接触面を有し、前記吸排気口を全閉させたときの前記吸排気弁と前記接触面との接触点を楕円弧と長軸との交点に位置させたことを特徴とする動弁装置。
燃焼室に連通された吸排気口を開閉させる吸排気弁と、
前記吸排気弁を開く揺動自在なロッカーアームと、
前記ロッカーアームを揺動させるカムを有するカムシャフトと、
前記ロッカーアームに設けられ前記吸排気弁に摺接させた楕円弧形状の接触面を有するバルブ摺接部と、を備え、
前記接触面の曲率半径は、前記吸排気弁を開くにつれて連続的に大きくなる、または前記吸排気弁を開くにつれて連続的に小さくなり、
前記バルブ摺接部は、前記吸排気弁の弁中心に対し略平行な方向に短軸を指向させた横長楕円形状の前記接触面を有し、前記吸排気口を全閉させたときの前記吸排気弁と前記接触面との接触点を楕円弧と短軸との交点に位置させたことを特徴とする動弁装置。
前記バルブ摺接部は、前記接触面に連続させて形成された余剰面を有することを特徴とする請求項１または２に記載の動弁装置。