JP6208999B2 - カムを製造又は仕上げ加工する方法 - Google Patents

Description

本発明は、カムシャフトのカムを製造又は仕上げ加工する方法に関するものである。

カムは、例えばエンジンの内燃機関に採用されるカムシャフトの一部を成すものである。このカムシャフトに、バルブを動作させることができるようなカムを複数個備えることができる。このため、このカムには、通常、カム山が設けられており、偏心的に構成することにより、レバー又はバルブを動作させるべく、このカムの外周部のカム面が、動作させる対象となるバルブレバーに対して摺動可能となっている。ここで、カムはシャフトによって回動されるものであって、このカムは、カムシャフトのシャフトに該カムを接合するための開口部を備えている。カムと、該カムにより動かされる、バルブやレバーに相当する被動部材との間の摩擦を低減するべく、カム、特にカム面、及び／又は被動部材に潤滑剤を塗布することができる。

さらに、例えば非晶質炭素のような減摩擦性及び耐摩耗性を有する物質、具体的にはダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）を用いてカム面を被覆することも考えられる。こうしたカムは、例えば特許文献１乃至８により公知である。

独国特許出願公開第４１２７６３９号明細書 独国特許出願公開第４４１８２４５号明細書 独国特許発明第６０３０４６５２号明細書 独国特許出願公開第１０２００５０４５２９０号明細書 欧州特許出願公開第１５０５２６６号明細書 欧州特許第１５５４４６９号明細書 欧州特許第１９６７７０３号明細書 米国特許出願公開第２００４／２３１６２２号明細書

本発明は、特に、カムと該カムにより動かされる被動部材との間の摩耗及び／又は摩擦を低減することを課題とする。

本発明によると、上記課題は、独立請求項の主題によって解決される。有利な態様は、従属項の主題を構成する。

非晶質炭素で被覆されたカム面についての研究から、驚くべきことに、非晶質炭素により、つまり、非晶質炭素からなる表面層により被覆されたカム面には、不規則な凹凸や突起があり、これによってカム、特にカム面と、レバー又はバルブに相当する被動部材（カムフォロワー）との摩擦が増大してしまうという事実が認められた。その上、そうした突起によって、例えば擦過傷という形で被動部材が損傷してしまうこともある。尚、ここで問題となっている突起とは、数マイクロメートル程度の大きさを有するものである。

したがって、本発明は、特に、上記突起を除去すべく、又は、該突起の数及び大きさの少なくとも一方を低減するべく、カム面に超仕上げ加工を少なくとも部分的に施すことによって、非晶質炭素、特にＤＬＣによって被覆されたカム面を滑らかにするという基本概念に基づく。この基本概念によって、具体的には、非晶質炭素で被覆されたカム面と被動部材との間の摩擦を低減することになり、その結果、摩耗を減少する一方で、他方では被動部材に対するカム面の摺動性を改善することができる。

ここで、「超仕上げ加工」とは、非晶質炭素の表面、又はカム面の品質を向上させるような方法を意味する。それ故、超仕上げ加工とは、その工程を通じて、カム面の突起の高さが減じられるような超仕上げ加工方法である。

超仕上げ加工においては、概して、任意の工具又は方法を採用することができる。特に、非晶質炭素で被覆されたカム面に対して、超仕上げ加工として、研削、ホーニング、研磨、又はその他の仕上げ加工を施すことができる。尚、超仕上げ加工にショットピーニングによる仕上げ加工を含めることもできる。上記仕上げ加工又は方法を組み合わせた態様も考えられる。研削を用いた方法に係る例としては、スライド研削（slide grinding）、又は、ロング研削（long-grinding）とクロス研削（cross-grinding）との組み合わせが例示される。尚、非晶質炭素で被覆されたカム面に対するホーニングには、ロングストロークホーニング（long-stroke honing）又はフラットホーニング（flat honing）が含まれる。

当然のことながら、カム面全体が非晶質炭素によって被覆されていなくてもよい。カム面が部分的に非晶質炭素で被覆されることが却って有利となることもあり、本発明によると、少なくともこうした１つ又は複数の被覆部を含む領域で、超仕上げ加工が施されることになる。

また、本発明においては、カム面に、付加構造部、特に付加微細構造部が付加される。この付加微細構造部は、該付加微細構造部の構造要素が、数マイクロメートル程度の寸法、特に深さを有し、潤滑剤又は滑剤媒体、特に潤滑油を保持可能な保持部又はリザーバを構成する凹部である。こうした構造要素は、特に、２μｍ以上２０μｍ以下の深さを有する凹部（特に溝部）とすることができる。上記付加構造部、特に付加微細構造部を有するカム面は、カム面と被動部材との間の摩擦の改善、及び／又は、被動部材に対するカム面の摺動性の改善を行うことができる。特に、潤滑油をさすことがほとんどできないような場合に、その付加構造部を有するカム面は取り分け有利となる。

さらに、本発明では、この付加構造部が、非晶質炭素で被覆されかつ超仕上げ加工が施されたカム面に設けられる。この付加構造部が、非晶質炭素で被覆されかつ超仕上げ加工されたカム面に設けられるならば、該カム面は、該付加構造部が設けられた後に再び超仕上げ加工される。ここで、必ずしもカム面全体、又は非晶質炭素で被覆されたカム面全体に亘って、上記付加構造部を設ける必要はない。上記付加構造部を設けることで、有利な領域が減じてしまうこともある。それ故、上記付加構造部、特に付加微細構造部は、潤滑媒体若しくは潤滑剤の保持が望まれる、又は必要とされる領域に設けられる。特に、こうした付加構造部を、カム面における他のバルブ駆動要素に接触する領域に設けることができる。

本発明とは異なる参考形態では、非晶質炭素でカム面を被覆する前であったとしても、カム面に上記付加構造部、特に付加微細構造部を設けることができる。

上記付加構造部に望まれる寸法及び／又は形状が確保できるならば、原理的には、この付加構造部を設けることが可能となる。それ故、本発明とは異なる参考形態において、この付加構造部を超仕上げ加工工程中に設けることが可能となる。公知の機械的方法（機械加工装置）を用いることで、この付加構造部を設けることもできる。さらなる態様では、１つ又は複数のレーザー光を発するレーサー装置によって上記付加構造部を設けることが可能であり、このレーザー光によりカム面が適切に仕上げ加工される。電子ビーム装置によって上記付加構造部を設けることも可能であり、１つ又は複数の電子ビームによりカム面が仕上げ加工される。

また、上記付加構造部には任意の形状を与えることができる。それ故、上記付加構造部を規則的に設けることが可能であり、或いは上記付加構造部に規則的な形状を与えることもできる。このため、上記付加構造部には、特に、適切でかつ規則的に配設される構造要素を備えることができる。好ましい態様においては、そうした構造要素は、直線形状を有するもの（特に直線状の溝部）とされる。ここでは、それぞれの構造要素が規則的に整列するように、又は整列しないようにカム面に設けることができる。加えて、カム面には、この構造要素が互いに接触するように、又は互いに交差するように、又は互いに離間するようにして設けることができる。上記付加構造部を構成する構造要素、又はそうした構造要素を有する付加構造部が、カム面に不規則に設けられる態様も想到することができるのは明らかである。

さらなる態様においては、上記構造要素が、個々の構造部という形態で、特に、やむなく部分的に重なってしまう場合を除き、所定の間隔で設けられた複数の凹部という形態で、カム面に設けられる。

取り分け有利な態様においては、上記構造要素が、カムの軸方向（カムのカム山の向き）に対して斜めに延びるように設けられる。特に、この構造要素は、カムの軸方向に対して６０°〜９０°の角度をなすように設けられる。カムのカム山の向きは、被動部材に対して該カムのカム面が摺動する方向、又は被動部材に対してカム面が動作する方向に対応する。したがって、そのような方向は、特にカム面の被動部材に対する移動方向である。この構成が意図するものは、特に、上述のように、カム（特にカム面）と被動部材との間の摩擦を低減し、及び／又は、カム（特にカム面）の被動部材に対する摺動性を改善すべく、潤滑剤又は潤滑油が、付加構造部（特に付加微細構造部）に保持できるようにすることにある。

カム面の自己相関長（auto-correlation length）Ｓalが、超仕上げ加工を通じて増大すれば有利となる。ここでの自己相関長Ｓalとは、特にＩＳＯ規格２５１７８−２によって定められたものである。最も好ましい態様においては、超仕上げ加工によってカム面の自己相関長Ｓalが２倍になるように、超仕上げ加工が施される。

他の好ましい態様においては、超仕上げ加工は、超仕上げ加工によりカム面における表面の突起密度（density of peaks）Ｓpdが減少するように適用される。この態様は、特に上記付加構造部が設けられたカム面に関係するものである。また、上記突起密度Ｓpdが、上記と同様にＩＳＯ規格２５１７８−２によって定められたものであることが好ましい。取り分け好ましい態様においては、仕上げ加工を通じて上記突起密度Ｓpdが少なくとも１０％減少する。

本発明の主題の一部となるよう、カムシャフトのカムが、本発明に係る方法によって製造又は加工されるものである、と理解されるべきである。

本発明における他の重要な特徴及び利点は、従属項、図面、及び図面に基づいた関連する記載によって明らかにされることになる。

上述の特徴、及び以下で説明される特徴は、それぞれの場合で用いられる組み合わせのみならず、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、他の組み合わせで、又は単独で利用可能である、と理解されるべきである。

本発明の好ましい実施形態は図面に示され、以下の記載で詳細に説明される。ここで同一の符号は、同一の、類似の、又は機能的に対応する構成要素を示している。

カムシャフトの断面構造を概略的に示す断面図である。 カムの立体構造を概略的に示す斜視図である カムの側面構造を概略的に示す側面図である。

図１は、カムシャフト１の縦断面を示す図であって、１本のシャフト２と２つのカム３とを備えたカムシャフト１が例示されている。中空軸として構成されたカムシャフト１に、各カム３が一体的に回転するように接合固定されている。このために、図２に示すように、各々のカム３には開口部４が設けられており、この開口部４にシャフト２が挿通されて位置決めされている。シャフト２とカム３の各々との間の接合は、例えば、横方向嵌合又は長手方向嵌合によって実現できる。シャフト２にカム３が接合された状態では、シャフト２の長手方向に延びる中心軸、つまり回転軸５が、各カム３に穿設された円形状の開口部４の中心を貫通しており、このカム３は、偏心するように、つまりベース円部とカム山とで構成されるように形成されている。

尚、明らかなことではあるが、図２において、カム３の外周部にはカム面６が設けられている。回転軸５周りにシャフト２を回転させることによって、カム３が回転軸５周りに回転して、カム３により動かされる被動部材（カムフォロワー）、特にレバーに対してカム面６が摺動する。カム３を偏心的に構成することにより、被動部材（特にレバー）に対してカム面６が摺動する過程で、被動部材が動作することになる。カム面６と被動部材との間の摩擦を低減するべく、カム面６は、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）に例示される様な非晶質炭素により被覆されている。また、非晶質炭素で被覆されたカム面６には超仕上げ加工が施されており、非晶質炭素層表面の凹凸状の突起を除去するか、又は、少なくとも減ずるべく、超仕上げ加工によって仕上げ加工されている。

例えば、研磨、研削、ホーニング及びショットピーニングの少なくとも１つによって、超仕上げ加工を施すことができる。

図３は、カム３を側面側から見た側面図であって、カム面６が図示されている。ここでは、カム面６に付加された付加構造部７、特に付加微細構造部８が見て取れる。付加構造部７又は付加微細構造部８は、カム面６における所定の領域９にのみ設けられるものであることが見て取れる。付加構造部７、特に付加微細構造部８は、非晶質炭素で被覆されかつ超仕上げ加工されたカム面６に設けられるため、カム面６における付加構造部７、特に付加微細構造部８が設けられた領域９には、付加構造部７又は付加微細構造部８が設けられた後に再び超仕上げ加工が施される。尚、本発明とは別の参考形態では、付加構造部７を、非晶質炭素でカム面６を被覆する前に、任意に設けることができる。

上記付加構造部は、付加微細構造部８であることが好ましい。付加構造部７には、各々２μｍ以上２０μｍ以下の深さを有する直線状の構造要素（凹部ないし溝部）が複数個備えられている。ここで、構造要素１０は、部分的に接触するように、及び／又は、互いに交差するように設けられている。付加構造部７、特に付加微細構造部８は、摩擦を低減するべく、又は、摺動性を改善すべく、カム面６と被動部材との間に配設することが可能な、潤滑剤が貯蔵保持される保持部又はリザーバを構成する。この場合、潤滑剤を蓄えることで摩擦をさらに低減し又は摺動性をさらに改善することができる。

さらに、付加構造部７、特に付加微細構造部８の構造要素１０が、カム３の軸方向（カム３のカム山の向き）１１、又は、シャフト２の回転軸５（カム３の回転軸でもある）に対して斜めに延びるように設けられていることが、図３から見て取れる。これにより、特に、付加構造部７による潤滑剤の貯蔵性能をさらに向上させることができる。

１ カムシャフト
２ シャフト
３ カム
４ 開口部
６ カム面
７ 付加構造部
１０ 構造要素

Claims (6)

1. カムシャフト（１）のカム（３）を製造又は仕上げ加工する方法であって、
   上記カム（３）は、上記カムシャフト（１）のシャフト（２）に該カム（３）を嵌合するための開口部（４）と、該カム（３）の外周部に設けられ、非晶質炭素で少なくとも部分的に被覆されたカム面（６）とを有するものであり、
   上記非晶質炭素で被覆されたカム面（６）を、超仕上げ加工によって仕上げ加工し、
   上記非晶質炭素で被覆されかつ超仕上げ加工されたカム面（６）に、付加構造部（７）を部分的に設け、
   上記付加構造部（７）を設けた後、上記カム面（６）における上記付加構造部（７）が設けられた部分を再び超仕上げ加工するものであって、
   上記超仕上げ加工は、上記カム（３）の表面の突起の高さが減じられるような加工であり、
   上記付加構造部（７）は、潤滑剤又は滑剤媒体を保持可能な凹部であることを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法において、
   上記付加構造部（７）を、機械的方法、レーザー装置及び電子ビーム装置のうちの少なくとも１つにより設けることを特徴とする方法。
3. 請求項１又は２記載の方法において、
   上記付加構造部（７）は、直線状の構造要素（１０）で構成されていることを特徴とする方法。
4. 請求項３記載の方法において、
   上記構造要素（１０）を、上記カム（３）の軸方向（１１）に対して斜めに延びるように設けることを特徴とする方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法において、
   上記超仕上げ加工が施されるカム面（６）の自己相関長（Ｓal）が、該超仕上げ加工によって増大するように超仕上げ加工を施すことを特徴とする方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の方法において、
   上記超仕上げ加工が施されるカム面（６）における表面の突起密度（Ｓpd）が、該超仕上げ加工によって減少するように超仕上げ加工を施すことを特徴とする方法。