JP6184492B2 - カムシャフト - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文に係るカムシャフト及びそのカムシャフト用のカムに関する。

カムシャフトは内燃機関の常設部分である。該カムシャフトは（中空の）シャフトを有し、このシャフトに少なくとも１つのカムが接合される。熱接合法がシャフトとカムの接合によく用いられる。そのとき、シャフトとカムとの接合は、カム孔に配置されたカム側接合面とシャフト側接合面とによって確保される。この接合の欠点は、カムシャフトを介して伝達可能なトルクが、カム側接合面とシャフト側接合面との間の摩擦によって制限されてしまうということである。

特許文献１には、内燃機関のバルブ制御用カムシャフトの製造方法について開示されており、その製造方法は、各々メインカムプレーンに垂直な方向に延びる円形の中心孔を有する複数の円板状のカムを、カムの中心孔が互いに軸方向に離れて互いに一直線に整列するように、一列に整列する工程と、カムに合わせた丸い外形の中空シャフトを、過冷却の中空シャフトの外径がカムの孔の内径より小さく、非過冷却の中空シャフトの外径がカムの孔の内径より大きくなるように過冷却する工程と、過冷却の中空シャフトを、整列したカムの孔に取り付ける工程と、カムシャフトを形成するために中空シャフトとカムとが永久に結合されるように、中空シャフトとカムとの間で温度を均等にする工程と、を備え、カムの孔の内周面及び／又は中空シャフトの外周面は、取付時にカムの孔によって取り囲まれる部分にレーザーによるアブレーションによって造られた凹凸パターンを有する。

独国特許出願公開第１０２００９０６０３５２号明細書

本発明は、特に低い製造費用で製造可能である、一般的なカムシャフトの改良された又は少なくとも代替可能な形態を特定する問題に関する。

この問題は、本発明によれば独立請求項の主旨によって解決される。有利な形態は従属請求項の主旨を形成している。

本発明は、構成要素とシャフトとの間の接合を改良するという一般的な概念、例えば、特に熱接合プロセスに加えて構成要素側接合面及び／又はシャフト側接合面に凹凸を設けることにより、カムとカムシャフトとの間でトルクの伝達が可能となるように接合する、という一般的な概念に基づいている。本発明によると、構成要素側接合面及び／又はシャフト側接合面は凹凸部を有し、この凹凸部はレーザーによって形成されて硬化されて、個々のレーザースポットで構成された軌跡を有する。個々のレーザースポットの中心点は互いにずれて配列され、かつ個々のレーザースポットは互いに重なるように配列されている。本発明において、レーザースポット又はレーザースポットの軌跡のみで構成要素側及び／又はシャフト側接合面に凹凸を設けることにより、凹凸部を設ける費用及びサイクルタイムを大幅に削減することができ、これにより、カムシャフトの組立を促進することができる。例えばレーザー等では、接合面全体に凹凸を設ける必要はなく、接合面の一部にだけ凹凸を設ければよく、その結果、凹凸構造形成プロセス自体が効率化されることにより、サイクルタイムが削減される。レーザースポットの境界はとげのような役割を果たし、対面側の接合面の部材にひっ掛かり又は食い込むため、レーザースポット又は個々のレーザースポットで構成される軌跡により、伝達可能なトルクを大幅に増加させることができる。凹凸部がシャフトに設けられる場合は、シャフトは低カーボン素材であるため、最初に、例えばレーザーによって炭化されかつ硬化される。その硬化は凹凸部が設けられる前又は設けられている間に行われる。

勿論、カムシャフトに接続された構成要素は、カムの代わりに、信号伝達ホイール、プラグ、ギヤホイール、駆動又は出力要素、ツールインターフェイス、設置要素、配列要素、部品補助要素、ベアリング又はブッシュとして形成されていても良い。上述した構成要素が、特にカムシャフト用には形成されていない一般のシャフトに接合されることは想像できることである。明細書中、「カムシャフト」は、毎回、「シャフト」に置き換えられるか一般化されることができる。さらに「カム」は、毎回、「構成要素」に置き換えられるか一般化されることができる。

本発明に係る解決手段を有利に発展させたものとして、凹凸部を、およそＲｚ２〜２５の粗さに予め決めたものがある。粗さを正確に設定することにより、伝達可能なトルクを設定することができる。同時に、カムを熱するホールド時間及びサイクルタイムも、この凹凸部により削減される。

レーザーの軌跡は、便宜上、カムシャフトの軸に対し平行方向、直交方向又は斜め方向に整列されている。加えて又は代わりに、構成要素側接合面とシャフト側接合面とが異なる凹凸部を有し、特に異なるレーザー出力により造られていることが想像できる。特に、凹凸部の軌跡がカムシャフトの軸に対し平行に並べられている場合、レーザービームにより凹凸部が形成されかつそれと同時に硬化された軌跡への押圧がより簡単に起きる。未加工のカムシャフトや一般的なシャフトの使用も同時に想像できる。この方法では、トルクを伝達している間は負荷の方向が変化するため、軸方向により良く接合されるにも拘わらず、カムとシャフトとの間に高いトルクが伝達される。レーザーは凹凸部の領域において比較的硬い粒子を実現することができ、それにより、特に軟らかい構成要素やシャフトをより硬い表面構造とすることができ、この表面構造は高いトルクを伝達するために設計される。上記より硬い表面構造は、さらにレーザー後の比較的早い冷却により促進される。また、構成要素側の硬い表面構造がより軟らかいシャフトに食い込むこと、これにより噛合効果が生じることも想像できる。

凹凸部とそれによる伝達可能なトルクとは、レーザー出力によって造り出される。レーザー出力の種類や威力に加えて、加工軌跡や加工領域の複合レーザーも想像でき、このことで必要な硬さを特に正確に設定することができる。チェック、ダイヤモンド、長方形パターンなどの加工パターンが上記軌跡によって造り出される。

本発明に係る解決手段を発展させたものでは、構成要素は、圧力接合及び／又は熱接合によってカムシャフトに接続されている。後者の場合はカムが加熱される。従来の熱接合では、シャフトは通常冷やされ、かつ／又はカム又は構成要素が加熱される。しかし、この場合は、構成要素のみ、特定の場合はカムのみが加熱され、対応するシャフト又はカムシャフトに押し付けられる。勿論、加熱による前処理無しに圧力接合することも考えられる。

本発明のさらに重要な特徴や有利な点は、従属項、図面、及び図面に関連した説明から得られる。

上記の特徴及び以下で説明する内容は、述べられた組み合わせで使用できるだけでなく、本発明の範囲を逸脱しない他の組み合わせや単独で使用できることは自明である。

本発明に係るカムシャフトの分解模式図である。 構造部材が端部に配置されたカムシャフトの模式図である。 レーザーによって形成されて硬化され、かつ個々のレーザースポットで構成されたトラックを有し、個々のレーザースポットは互いにずれて配列されかつ個々のレーザースポットは互いに重なって配列されている凹凸部の模式図である。 回転方向が軌跡に平行なときの図３と同様の模式図である。 図４から軌跡が途切れた形態における詳細図である。 凹凸部のレーザースポットの断面図である。

本発明の好ましい実施形態は図面に概略的に示され、以下の説明で詳細に説明される。同一の符号は同一、類似又は機能的に同一の要素と関係している。

図１によると、本発明に係る図示していない内燃機関用のカムシャフト１は、シャフト２と、これに熱的に接合された少なくとも１つの構成要素３、この場合はカム４とを有し、この構成要素３は構成要素側接合面５によりシャフト側接合面６に接続されている。本発明によると、構成要素側接合面５及び／又はシャフト側接合面６は凹凸部７を有している。この凹凸部７はレーザー１１により形成されて硬化されたもので、独立したレーザースポット２０から成り、かつ／又は個々のレーザースポット２０で構成された軌跡２１を有する。個々のレーザースポット２０の中心点２２は互いにずれて配列され、かつ個々のレーザースポット２０が互いに重なるように配列されている（例えば図３〜図５も参照）。形成された凹凸部７はＲｚ２〜Ｒｚ２５の粗さの間である。

一般的に、構成要素３は、この場合のようにカム４として構成されている。勿論、構成要素３が、信号伝達ホイール、プラグ、ベアリングリング、チェーン／ベルトホイール、ギヤホイール、駆動又は出力要素、ツールインターフェイス、設置要素、配列要素、部品補助要素、ベアリング又はブッシュとして構成されていてもよい。カム側接合面５及び／又はシャフト側接合面６は、さらに、好ましくはカム隆起部１４の領域に凹凸を有し、このカム隆起部１４の領域はカム頂点及び／又は反対側の基礎円１５である。凹凸部７は、カム隆起部１４の領域では、およそ２０°から１４０°以上、好ましくは５０°から１２０°以上の円周角度で広がっており、基礎円１５の領域では、２０°から１４０°以上、好ましくは２０°から９０°以上の円周角度で広がっている。これにより、接合面５，６の全てに凹凸を設ける必要がなくなり、一部にのみ設ければよいので、時間と費用とを抑えることができる。

カムシャフト１とカム４との接続又はシャフト２と構成要素３との接続は、一般的に単純な圧力接合又は熱接合により行われる。熱接合のとき、カム４つまり構成要素３が予め熱せられる。全てのシャフト２又はカムシャフト１については、完全に機械によって加工されるか又は全く処理されない。

軌跡２１はカムシャフト軸８に対して平行方向、直交方向又は斜め方向を向いている。また、構成要素側接合面５とシャフト側接合面６とは、特に異なるレーザー出力により造られた異なる凹凸部を有してもよい。一般的に、凹凸部７は相互摩擦部の一方又は両方つまり構成要素３とシャフト２との両方に配置されている。そこでは、同一の又は異なる凹凸部７が形成されていてもよい。

一般的に、構成要素３はカム４として構成され、さらに、内側に旋回した（internally turned）カムシートとして構成された接合面５を有し、その表面には凹凸部７がレーザー構造の形で形成されている。内側に旋回したカム内部シートは旋回軌跡（旋回経路）を有し、これは周方向を向いていて、限界内で設定された深さや幅を有している。そのような切削加工により造られた基本構造上に凹凸部７が旋回経路に対して横方向（旋回経路に対して０から９０°）に形成されているとすると、外形に多くの頂点を有するチェック、ダイヤモンド、長方形のパターンが造りだされる。旋回経路に対する角度、軌跡２１のスペースと深さとはプロセスごとに変えることができる。軌跡２１は互いに平行になっている必要はなく、例えば交差していてもよい。一般的に、そのような外形により、カムが設置された際に、より良くトルクが伝達される。実際の接触範囲は小さいため、圧力接合による表面圧は増加する。凹凸部７を点状構造にすると、対面側の接合面により良く「引っ掛ける」ことができる。

図２を見ると、構造部材１６が構成要素３に取り付けられているように見える。構成要素側接合面５′が構成要素３に配置されかつ／又は構造部材側接合面１７が構造部材１６に配置され、これらは構造部材１６が構成要素３に取り付けられたときに互いに接触する。構成要素側接合面５′及び／又は構造部材側接合面１７は凹凸部７を有する。構造部材１６と構成要素３とはネジ接続部１９を介して互いに接続されている。構成要素側接合面５，５′及び／又はシャフト側接合面６及び／又は構造部材側接合面１７はそれぞれの要素２，３，１６の端面又は周面に配置されている。

レーザーは、特に軟らかいシャフト２又は構成要素３に、より硬い表面構造を得る微小硬化を造り出す。これにより、より高いトルクを伝達することができる。より高い微細硬化は、例えば高速冷却により促進される。

一般的に、構成要素３、特にカム４は、少なくとも０．４重量％の炭素が含有された金属で形成される一方、シャフトはそれより低い炭素含有量である。特に、１００Ｃｒ６，Ｃ６０，Ｃ４５（ＤＩＮ規格）のような容易に硬化可能な鋼や、Ａ１１００，１２００，１３００，１５００のような焼結体、ＥＮ ＧＪＬ ２５０，ＥＮ ＧＪＳ ７００のような鋳造物質が、カム４や構成要素３用の材料として一般に考えられる。空気焼入れ鋼も構成要素３によく用いられる。しかし、シャフト２用としては、凹凸部７を形成する箇所に炭素を含ませなければならないＥ３３５（ＮＦ規格）やＣ６０Ｅ（ＤＩＮ規格）のような鋼が考えられる。

図３では、シャフト２の回転方向２３は軌跡２１の方向と直交している。この場合、軌跡２１の境界／角部２４が、回転のための最大可能トルクに特に影響する。しかし、図４では、シャフト２の回転方向２３は軌跡２１の方向と平行である。これにより、さらに高い滑り抵抗と、さらに大きなトルク伝達とが達成可能となる。シャフト２と構成要素３との間のトルク伝達容量、及びこれによる滑り抵抗は、レーザースポットが造られた際（図３−図６参照）に産出される境界２４が影響している。この境界２４は、通常、構成要素３又はカム４に配置され、シャフト２が構成要素３又はカム４に接合される際にシャフト２に食い込む。構成要素３の材料と比べ、シャフト２の材料は軟らかいため、このような食い込みが可能となる。

図３−図６では、凹凸部７、例えばレーザースポット２０は、常に構成要素３又はカム４に形成されている。勿論、レーザースポットがシャフト２に造られ、それにより境界２４がシャフト２に造られていてもよい。シャフト２は、レーザースポットを形成している間に硬化できるように真っ先に炭素と結合されている必要がある。炭素との結合は、シャフト２がＣ６０Ｅのようなカーボンリッチの材料で造られている場合は、省略可能である。これは、一つの構成要素、すなわちシャフト２だけを加工する必要があり、多数の構成要素３やカム４はその必要が無いという利点がある。実験では、回転のためのトルクは、レーザースポットがシャフト２側に造られた場合は、およそ１３５Ｎｍから２２５Ｎｍに増加し、レーザースポットが構成要素３に造られた場合は３２５Ｎｍにまで増加する。これは１００％以上の増加に相当する。回転のためのトルクとはシャフト２上の構成要素３が滑り始める値のことをいう。

カムシートのレーザー加工構造（シャフト側及び／又はカム側）は、カム４とシャフト２とが熱接合した場合に、回転のためのトルクを大きく増加させる見込みがある方法である。さらなる研究での焦点は、コスト効果を改良する一方で、同時に回転のためのトルクを増大させることに置かれた。回転のためのより高いトルクは、唯一カム４がレーザー１１によって加工された場合のみ到達できることが分かった。カム４では無く、シャフト２が加工された場合、従来の単純な熱接合の場合と比較して、より高いトルクに到達できるが、カム４にレーザー加工をした場合ほど高くはならない。これは対で使用されるカム／シャフト材料に起因するものである。カーボンリッチ鋼（例えばＣ６０又は１００Ｃｒ６）は、通常シャフトに使用される炭素含有量の低いＥ３３５鋼よりも炭素含有量が高い原因により容易に硬化することから、カム４の材料として使用される。レーザー加工の間、膨大なエネルギーが局所的に導入され、このエネルギーにより、産出された加工領域、特に境界２４に正確に微小硬化が確保される。これにより、カム４を加工している間に造られた境界２４（産出部）が、逆の場合よりもシャフト２に食い込む。シャフト２が硬化され、かつそれがレーザーによる加工である場合も、この効果が観測される。シャフトの硬化構造がカムの周面に食い込むのである。

さらに、独立したレーザースポット２０又は互いに部分的に重なったレーザースポット２０（図３−図６参照）は、連続的な「レーザー軌跡」と比べ、より多くのとげ構造が表面に形成され、この構造が対向の周面に食い込むため、回転のためのトルクが増加することが分かった。

Claims (10)

1. シャフト（２）と、シャフトに特に熱的に接合され、かつ構成要素側接合面（５）によりシャフト側接合面（６）に接続された少なくとも１つの構成要素（３）とを備えた内燃機関用のカムシャフト（１）であって、
   上記構成要素側接合面（５）及び／又はシャフト側接合面（６）はレーザー（１１）によって形成されて硬化された凹凸部（７）を有し、
   上記凹凸部（７）は、独立したレーザースポット（２０）で構成された軌跡（２１）を有し、その軌跡（２１）において、個々のレーザースポット（２０）の中心点（２２）は互いにずれて配列され、かつ個々のレーザースポット（２０）は互いに重なるように配列されていることを特徴とするカムシャフト。
2. 請求項１に記載のカムシャフトにおいて、
   上記構成要素（３）、特にカム（４）は、上記凹凸部（７）を炭素との結合により硬化させるために、少なくとも０．４重量％の炭素を含有するカーボンリッチ金属で形成されている一方、シャフト（２）はそれよりも炭素の含有量が低いことを特徴とするカムシャフト。
3. 請求項１又は２に記載のカムシャフトにおいて、
   上記シャフト（２）は、レーザー（１１）によって凹凸部（７）が形成される前に該凹凸部（７）を硬化させるために炭素と結合される処理が行われている金属か、又は少なくとも０．４重量％の炭素を含有するカーボンリッチ金属からなることを特徴とするカムシャフト。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載のカムシャフトにおいて、
   上記シャフトはＥ３３５鋼（ＮＦ規格）又はＣ６０Ｅ（ＤＩＮ規格）で形成され、カム（４）はＣ６０（ＤＩＮ規格）、１００Ｃｒ６鋼（ＤＩＮ規格）又は焼結材料で形成されていることを特徴とするカムシャフト。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載のカムシャフトにおいて、
   上記凹凸部（７）は、おおよそＲｚ２〜２５の粗さであることを特徴とするカムシャフト。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載のカムシャフトにおいて、
   上記構成要素（３）は、信号伝達ホイール、チェーン／ベルトホイール、プラグ、ギヤホイール、駆動又は出力要素、ツールインターフェイス、設置要素、配列要素、部品補助要素、ベアリングリング又はブッシュであることを特徴とするカムシャフト。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載のカムシャフトにおいて、
   上記軌跡（２１）はカムシャフト軸（８）に対し平行方向、直交方向、又は斜め方向を向き、かつ／又は、
   上記構成要素側接合面（５）と上記シャフト側接合面（６）とは、特に異なるレーザー出力で造られた異なる凹凸部（７）を有することを特徴とするカムシャフト。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載のカムシャフトにおいて、
   構造部材（１６）が構成要素（３）に取り付けられ、
   構成要素側接合面（５′）が構成要素（３）に、かつ／又は、構造部材側接合面（１７）が構成部材（１６）上に、構造部材（１６）が構成要素（３）に取り付けられたときに互いに接触するように配列され、
   構成要素側接合面（５′）及び／又は構造部材側接合面は凹凸部（７）を有し、
   該凹凸部（７）は、レーザー（１１）により形成されて硬化され、かつ独立したレーザースポット（２０）で構成された軌跡（２１）を有し、個々のレーザースポット（２０）の中心点（２２）は互いにずれて配列され、かつ個々のレーザースポット（２０）は互いに重なるように配列されていることを特徴とするカムシャフト。
9. 請求項８に記載のカムシャフトにおいて、
   構成要素側接合面（５，５′）及び／又はシャフト側接合面（６）及び／又は構造部材側接合面（１７）は、それぞれの要素の端面上又は周面上に配置されていることを特徴とするカムシャフト。
10. 構成要素（３），特に請求項１〜９のいずれか１つに記載のカムシャフト（１）用のカム（４）であって、
    上記構成要素側接合面（５）はレーザー（１１）によって形成されて硬化された凹凸部（７）を有し、該凹凸部（７）は独立したレーザースポット（２０）で構成された軌跡（２１）を有し、個々のレーザースポット（２０）の中心点（２２）は互いにずれて配列され、かつ独立したレーザースポット（２０）は互いに重なるように配列されていることを特徴とするカム。