JP6290714B2

JP6290714B2 - カムシャフトの誘導加熱装置、並びに、カムシャフトの誘導加熱方法

Info

Publication number: JP6290714B2
Application number: JP2014113197A
Authority: JP
Inventors: 潤二己之上; 英樹橋口; 裕也齋藤
Original assignee: 富士電子工業株式会社
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2034-05-30
Also published as: JP2015228313A

Description

本発明は、複数のカム部と、隣接する各カム部の間にカム部よりも回転軌跡が小さい小径部を有するカムシャフトにおいて、隣接する各カム部と、その間の小径部を同時に誘導加熱するためのカムシャフトの誘導加熱装置、並びに、カムシャフトの誘導加熱方法に関するものである。

カムシャフトのカム部分には、通常は他部材が当接している。そしてカムシャフトが回転すると、他部材はカムシャフトのカム部分に当接しながら往復移動する。すなわち、カム部分は、他部材と接するため、焼入によって強度（耐摩耗性）の向上が図られている。

カムシャフトのカム部分を高周波焼入れするための装置が、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されている誘導加熱装置は、カムシャフト上の位相の異なる複数のカムを同時に誘導加熱することができる。

特許第５３２９０５７号公報

昨今、様々な車両用及び船舶用のエンジンが開発され、対応するカムシャフトも様々な態様のものが開発されている。例えば、シリンダに吸気弁と排気弁がそれぞれ２つずつ設けられたエンジンが開発され、実用化されている。このようなエンジンに採用されるカムシャフト上には、エンジン（シリンダ）の吸気弁の開閉を司る同位相のカムが隣接して設けられており、同様に、排気弁の開閉を司る別位相のカムが隣接して設けられている。
吸気用の各カムの間には、各カムの回転軌跡よりも小さいジャーナル部が存在する。同様に、排気用の各カムの間にも、各カムの回転軌跡よりも小さいジャーナル部が存在する。昨今は、カムだけではなく、隣接するカムの間のジャーナル部の強度向上が要望されている。本発明者らは、カムシャフトにおける隣接するカムとその間のジャーナル部を同時に高周波誘導加熱することができる高周波誘導加熱装置を開発するべく創意工夫し、この要望に応えようとした。

ところが、従来の高周波誘導加熱装置では、この要求に応えるのが非常に困難であることが判明した。すなわち、特許文献１に開示されている誘導加熱装置は、位相の異なる複数のカムを同時に誘導加熱することは可能であるが、カムと共にジャーナル部を同時に誘導加熱することはできない。

一般に、加熱コイルは、ワークの全周囲に対向する環状型のコイルの方が、ワークの全周囲の半分程度にのみ対向する半開放型のコイルよりも対向範囲が広い分だけ加熱効率が高い。また、環状型のコイルの内部にワークを配置すると、コイルに流れる高周波電流によって生じる磁束がワークを通過し、ワークに高周波誘導電流が励起され易い。そのため、加熱コイルの形状は、環状であることが望ましい。

ここで、ジャーナル部を誘導加熱する加熱コイルが環状であると、この加熱コイルをジャーナル部に対向配置するためには、ジャーナル部よりも回転軌跡が大きいジャーナル部の両側のいずれかのカムが、加熱コイルの内部を通過しなければならない。

そのため、加熱コイルの内径は、ジャーナル部の外径に対して相当に大きくする必要があり、加熱コイルからジャーナル部までの距離が離れることにより、誘導効率が非常に悪いものとなってしまう。

また、カムとジャーナル部に同時に対向する単一の加熱コイルで、カムと小径のジャーナル部を誘導加熱すると、カムの回転に応じて加熱コイルを偏心回転させる必要があり、加熱コイルにおけるジャーナル部と対向する部分も無駄に偏心回転することとなる。

そこで本発明は、この様な事情に鑑み、隣接するカム同士の間に、カムよりも回転軌跡が小さい小径部を有するカムシャフトの各カムと小径部とを同時に効率よく誘導加熱することができる高周波誘導加熱装置と、高周波誘導加熱方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、複数のカム部を有し、隣接する前記カム部の間に、各カム部よりも回転軌跡が小さい小径部を有し、前記各カム部と小径部とを誘導加熱するカムシャフトの誘導加熱装置であって、隣接するカム部の周面に対向する環状又は螺旋状の第１誘導加熱コイルと、小径部の周面に対向する環状又は螺旋状の第２誘導加熱コイルとを有し、第１誘導加熱コイルと第２誘導加熱コイルは、同時に通電されてカムシャフトのカム部及び小径部を同時に誘導加熱するものであり、カムシャフトの回転と同期して第１誘導加熱コイルを偏心回転駆動する駆動手段と、第２誘導加熱コイルの中心を小径部の中心とずらした状態で固定する偏心手段とを有することを特徴とするカムシャフトの誘導加熱装置である。

請求項１に記載の発明では、隣接するカム部の周面に対向する環状又は螺旋状の第１誘導加熱コイルと、小径部の周面に対向する環状又は螺旋状の第２誘導加熱コイルとを有し、第１誘導加熱コイルと第２誘導加熱コイルは、同時に通電されてカムシャフトのカム部及び小径部を同時に誘導加熱することができる。第１誘導加熱コイル及び第２誘導加熱コイルは、環状又は螺旋状であるので、誘導効率が良好であり、カム部と小径部を良好に誘導加熱することができる。
カムシャフトの回転と同期して第１誘導加熱コイルを偏心回転駆動する駆動手段を有するので、カム部のトップ部とボトム部の誘導加熱量を調整することができる。そのため、トップ部とボトム部の焼入深さが均一化されるようにカム部の周面を誘導加熱することができる。
また、第２誘導加熱コイルの中心を小径部の中心とずらした状態で固定する偏心手段を有するので、第２誘導加熱コイルを小径部に対向配置した後、偏心手段によって第２誘導加熱コイルを偏心させ、第２誘導加熱コイルの一部を小径部に近接させることができる。そのため、小径部の誘導効率が向上し、小径部の誘導加熱環境を改善することができる。さらに、第２誘導加熱コイルは環状又は螺旋状であるため、小径部の誘導効率は高い。

請求項２に記載の発明は、複数のカム部を有し、隣接する前記カム部の間に、各カム部よりも回転軌跡が小さい小径部を有し、前記各カム部と小径部とを誘導加熱するカムシャフトの誘導加熱方法であって、隣接するカム部の周面に環状又は螺旋状の第１誘導加熱コイルを対向配置し、小径部の周面に環状又は螺旋状の第２誘導加熱コイルを対向配置し、カムシャフトを回転させると共に、第１誘導加熱コイルを、カムシャフトの回転と同期して偏心回転駆動させ、第２誘導加熱コイルの中心をカムシャフトの中心からずらした状態で固定し、第１誘導加熱コイルと第２誘導加熱コイルに高周波電流を通電することを特徴とするカムシャフトの誘導加熱方法である。

請求項２に記載の発明では、隣接するカム部の周面に環状又は螺旋状の第１誘導加熱コイルを対向配置し、小径部の周面に環状又は螺旋状の第２誘導加熱コイルを対向配置するので、カム部と小径部の誘導加熱効率は高い。
カムシャフトを回転させると共に、第１誘導加熱コイルを、カムシャフトの回転と同期して偏心回転駆動させるので、カム部のトップ部とボトム部の誘導加熱量を調整することができる。すなわち、トップ部とボトム部の焼入深さが均一化されるようにカム部を誘導加熱することができる。
また、第２誘導加熱コイルの中心をカムシャフトの中心からずらした状態で固定するので、第２誘導加熱コイルの一部が小径部に近接した状態で固定される。そのため、当該近接した部位における誘導加熱効率は高い。また、第２誘導加熱コイルは環状又は螺旋状であり、小径部は第２誘導加熱コイルの内部に配置されているので、誘導効率が高い。
さらに、第１誘導加熱コイルと第２誘導加熱コイルに高周波電流を通電するので、カム部と小径部とを同時に誘導加熱することができる。そのため、時間差をおいて各部を誘導加熱するよりも良好な焼入を実施することができる。

本発明の高周波誘導加熱装置は、カム部同士の間に、カム部よりも回転軌跡が小さい小径部があるカムシャフトにおける、当該カム部と小径部とを良好に誘導加熱することができる。
また、本発明の高周波誘導加熱方法を実施すると、カム部同士の間に、カム部よりも回転軌跡が小さい小径部があるカムシャフトにおける、当該カム部と小径部とを良好に誘導加熱することができる。

本実施形態に係る高周波誘導加熱装置の第１、第２誘導加熱コイルをカムシャフトに対向させる前の状態の斜視図であり、第１、第２誘導加熱コイルが離間している状態を示す。図１において、第１、第２誘導加熱コイルが、同心状に組み合わされた状態を示す斜視図である。図２の状態の第１、第２誘導加熱コイルを、カムシャフトの各カムとジャーナル部に対向させた状態の斜視図である。図３の状態から第２誘導加熱コイルを偏心させた状態を示す斜視図である。図３の状態における第１、第２誘導加熱コイルと、カムシャフトの断面図である。図４の状態における第１、第２誘導加熱コイルと、カムシャフトの断面図である。本実施の形態に係る高周波誘導加熱装置の構成図である。

以下、図面を参照しながら説明する。
図１に示すカムシャフト７を、図７に示す高周波誘導加熱装置１で誘導加熱する。

図１に示す様に、カムシャフト７は、軸８上に第１カム部９と第２カム部１０とが離間して配置されている。第１カム部９と第２カム部１０の位相は一致しており、第１カム部９と第２カム部１０は、例えばエンジンのシリンダの吸気側の弁の開閉を司る。第１カム部９と第２カム部１０は、同じ大きさ及び形状を有しており、位相も一致している。第１カム部９と第２カム部１０の間には、軸８の軸芯２５と同心のジャーナル部１１（小径部）が配置されている。

軸８が一回転したときに描く回転軌跡は、第１カム部９と第２カム部１０とでは同じであるが、ジャーナル部１１が描く回転軌跡は、第１カム部９及び第２カム部１０が描く回転軌跡よりも小さい。

図１では、カムシャフト７における排気側の弁の開閉を司る部位の描写を省略している。排気側の弁の開閉を司る部位は、図１に示す吸気側の弁の開閉を司る部位と各カム部の位相が相違しているだけであり、実質的には同じ構造であるため、重複する説明を省略する。

図７に示す様に、高周波誘導加熱装置１は、高周波電源２、第１誘導加熱コイル３、第２誘導加熱コイル４、駆動手段５、偏心手段６を有する。

高周波電源２は、高周波発振器や変圧器（トランス）等を有しており、電力会社から提供される商用電力を高周波発振して第１誘導加熱コイル３、第２誘導加熱コイル４に供給する。第１誘導加熱コイル３用の高周波電源と、第２誘導加熱コイル４用の高周波電源を個別に設けてもよい。

第１誘導加熱コイル３は、銅合金等の良導体からなる中空の線状の部材で構成されており、図１に示す様な螺旋構造を呈している。第１誘導加熱コイル３は、高周波電源の図示しないトランスの二次側に接続されるリード部１２、１３と、第１コイル部１４、大径迂回部１５、第２コイル部１６を有している。第１コイル部１４、大径迂回部１５、第２コイル部１６は、直列にこの順で接続されている。

第１コイル部１４と第２コイル部１６は、同じ直径で同心の螺旋構造である。すなわち、共通の中心線１７が第１コイル部１４の中心と第２コイル部１６の中心を通過している。大径迂回部１５は、第１コイル部１４及び第２コイル部１６よりも大径の螺旋構造を呈している。

第１コイル部１４と第２コイル部１６の間隔は、前述のカムシャフト７の第１カム部９と第２カム部１０の間隔と一致している。また、第１コイル部１４及び第２コイル部１６の内径は、第１カム部９及び第２カム部１０の外径よりも若干大きい。

また、第１コイル部１４にはリード部１２が接続されており、第２コイル部１６にはリード部１３が接続されている。よって、高周波電源２（図７）から供給された高周波電流は、リード部１２、１３を介して第１コイル部１４、大径迂回部１５、第２コイル部１６を流れる。

さらに、第１誘導加熱コイル３は中空であり、冷却液が第１誘導加熱コイル３の内部を通過可能である。よって、第１誘導加熱コイル３自身の昇温を抑制することができる。

第２誘導加熱コイル４は、銅合金等の良導体で形成された中空の線状の部材である。すなわち、第２誘導加熱コイル４は、第１誘導加熱コイル３と同じ素材で構成されている。
第２誘導加熱コイル４は、ワンターン型のコイルであり、高周波電源２（図７）の図示しないトランスの二次側に接続されたリード部１８、１９と、第３コイル部２０とを有している。第３コイル部２０は、環状であり、図１に示す中心線２１上に中心がある。第３コイル部２０は、１つの平面上に配置されており、当該平面と中心線２１は直交している。

高周波電源２から供給された高周波電流は、リード部１８、１９を介して第３コイル部２０を流れる。

図７に示す駆動手段５は、第１誘導加熱コイル３を偏心回転移動させる機能を有している。すなわち、駆動手段５は、所定の場所に設置されたカムシャフト７を中心に、第１誘導加熱コイル３を偏心回転させることができる。第１誘導加熱コイル３を偏心回転させる機構自体は、従来の偏心機構と同じである。

図７に示す偏心手段６は、第２誘導加熱コイル４を、中心線２１と直交する方向に移動させる機能を有している。すなわち、第２誘導加熱コイル４は、偏心手段６によって第３コイル部２０が含まれる平面内を移動することができる。また、偏心手段６は、第２誘導加熱コイル４の位置を固定する機能も有している。すなわち、偏心手段６は、所定の位置に移動させた第２誘導加熱コイル４を、その位置で固定することができる。

次に、高周波誘導加熱装置１で、カムシャフト７を誘導加熱する手順を説明する。
図１に示す様に、第１誘導加熱コイル３の第１コイル部１４及び第２コイル部１６の中心線１７と、第２誘導加熱コイル４の中心線２１とが同一線上になく、第１誘導加熱コイル３と第２誘導加熱コイル４は離間している。

カムシャフト７は、図示しない支持機構によって、両端が回転可能に支持される。この支持機構でカムシャフト７を支持する前に、第１誘導加熱コイル３と第２誘導加熱コイル４を支持機構の軸線上に配置する。すなわち、図示しない支持機構の軸線に、第１誘導加熱コイル３の中心線１７と第２誘導加熱コイル４の中心線２１を一致させるように、第１誘導加熱コイル３と第２誘導加熱コイル４を移動させる（図２）。

そして、カムシャフト７を移動させ、カムシャフト７の第１カム部９、第２カム部１０を、第１誘導加熱コイル３の第１コイル部１４、第２コイル部１６にそれぞれ対向させる。すなわち、第１コイル部１４、第２コイル部１６の内部に、第１カム部９、第２カム部１０が配置される。第１コイル部１４の内周面と、第１カム部９の外周面の間隔は、略均一である。同様に、第２コイル部１６の内周面と、第２カム部１０の外周面の間隔も略均一である。

また、小径のジャーナル部１１は、第２誘導加熱コイル４の第３コイル部２０の内部に配置される。このとき、ジャーナル部１１の外周面から第３コイル部２０の内周面までの距離は、略均一である。このときの、軸８（ジャーナル部１１）の中心である軸芯２５と、第２誘導加熱コイル４の第３コイル部２０の中心線２１は、図５に示す様な位置関係にある。すなわち、第３コイル部２０の中心線２１は、軸８の軸芯２５よりも、第１カム部９及び第２カム部１０のトップ側（図５で見て上側）に位置している。

図３に示す様に、カムシャフト７のジャーナル部１１の周囲に第２誘導加熱コイル４の第３コイル部２０が配置されると、偏心手段６（図７）は、第２誘導加熱コイル４を中心線２１と直交する方向に移動させる。その結果、図４に示す様に、第３コイル部２０の中心線２１が第１カム部９及び第２カム部１０のボトム側（図５、図６で見て下方側）に移動する。そして、図６に示す様に、第３コイル部２０がジャーナル部１１に対して、図５に示す状態よりも偏心する。すなわち、図５に示すジャーナル部１１の符号１１ａで示す部位と、第３コイル部２０の符号２０ａで示す部位との間隔よりも、図６に示すジャーナル部１１の符号１１ｂで示す部位と、第３コイル部２０の符号２０ｂで示す部位との間隔の方が狭い。

偏心手段６は、第３コイル部２０の内周面の一部が、ジャーナル部１１の外周面に近接するように、第２誘導加熱コイル４を移動させて停止させる（図４、図６）。図４に示す状態では、第２誘導加熱コイル４（第３コイル部２０）の位置は、偏心手段６によって固定されている。

カムシャフト７は、図示しない支持機構によって回転可能に支持されており、図示しない回転機構によって、カムシャフト７の回転駆動が可能である。図４、図６に示す状態でカムシャフト７を回転駆動すると共に、高周波電源２（図７）から第１誘導加熱コイル３及び第２誘導加熱コイル４に高周波電流を供給する。

その際、第１誘導加熱コイル３、第２誘導加熱コイル４の内部には、図示しない冷却機構によって冷却液が循環供給されており、第１誘導加熱コイル３、第２誘導加熱コイル４自身が過熱状態になるのが防止されている。

高周波電源２から第１誘導加熱コイル３及び第２誘導加熱コイル４に高周波電流が供給されると、第１カム部９、第２カム部１０、及びジャーナル部１１を良好に誘導加熱することができる。すなわち、高周波電源２から各コイルに高周波電流が供給されると、第１カム部９、第２カム部１０、及びジャーナル部１１の周面に高周波の誘導電流が励起され、第１カム部９、第２カム部１０、及びジャーナル部１１が良好に誘導加熱される。

以上説明したカムシャフト７の誘導加熱の手順は、図示しない制御装置が司っている。すなわち、図７に示す高周波電源２、駆動手段５、偏心手段６、及びカムシャフト７の回転駆動装置（図示せず）は、図示しない制御装置によって制御されている。

第１カム部９と第２カム部１０の全周囲に渡って、第１誘導加熱コイル３の第１コイル部１４と第２コイル部１６がそれぞれ近接対向配置されている。第１誘導加熱コイル３は、駆動手段５（図７）によって偏心回転駆動されている。第１誘導加熱コイル３の偏心回転は、カムシャフト７の回転と同期している。

図４、図６に示す様に、ジャーナル部１１の外周面の一部には、第２誘導加熱コイル４の第３コイル部２０の内周面の一部が近接対向している。すなわち、制御手段によって偏心手段６が駆動され、第３コイル部２０の中心線２１が、ジャーナル部１１の中心（軸８の軸芯２５）から離れ、ジャーナル部１１に対して第３コイル部２０が偏心する。

また、図示しない制御装置は、カムシャフト７を回転駆動する。
カムシャフト７が１回転するうちに、ジャーナル部１１の全周囲が第３コイル部２０の内周面と近接する。そのため、カムシャフト７が回転すると、ジャーナル部１１の全周囲が順に第３コイル部２０の内周面に近接する。

さらに、図示しない制御装置は、高周波電源２をＯＮ状態にする。その結果、第１誘導加熱コイル３及び第２誘導加熱コイル４には高周波電流が流れ、第１カム部９、第２カム部１０、及びジャーナル部１１の周面に高周波の誘導電流が励起され、第１カム部９、第２カム部１０、及びジャーナル部１１が誘導加熱される。ここで、第１カム部９と第２カム部１０の全周囲に渡って第１コイル部１４、第２コイル部１６が近接対向している。そのため、第１カム部９と第２カム部１０の誘導効率は非常に良好であり、第１カム部９と第２カム部１０の周面は良好に誘導加熱される。

また、ジャーナル部１１の周面の一部に、第３コイル部２０の一部が近接している。そして、カムシャフト７が１回転するうちに、ジャーナル部１１の全周囲が順に第３コイル部２０と近接し、ジャーナル部１１の全周囲が良好に誘導加熱される。また、図４、図６に示す様に、ジャーナル部１１は、環状の第３コイル部２０の内部に配置されているため、第３コイル部２０を流れる高周波電流によって生じる磁束が、ジャーナル部１１を通過するため、誘導効率は良好である。

以上の様な高周波誘導加熱装置１によると、カムシャフト７の第１カム部９及び第２カム部１０のトップ部分とボトム部分とを均一に誘導加熱することができると共に、小径のジャーナル部１１も同時に良好に誘導加熱することができる。よって、カムシャフト７の各部を誘導加熱によって焼入温度まで昇温させ、図示しない冷却液供給装置（冷却ジャケット）から冷却液を噴射供給することにより、カムシャフト７の各部を良好に焼入することができる。

本実施の形態では、第１誘導加熱コイル３が螺旋状である例を示したが、第１誘導加熱コイル３は、環状であってもよい。すなわち、第１コイル部１４、第２コイル部１６を環状構造とし、大径迂回部１５によって第１コイル部１４、第２コイル部１６を接続してもよい。同様に、第２誘導加熱コイル４は、環状構造以外に、螺旋構造を採用してもよい。

１高周波誘導加熱装置
３第１誘導加熱コイル
４第２誘導加熱コイル
５駆動手段
６偏心手段
７カムシャフト
９第１カム部
１０第２カム部
１１ジャーナル部（小径部）

Claims

複数のカム部を有し、隣接する前記カム部の間に、各カム部よりも回転軌跡が小さい小径部を有し、前記各カム部と小径部とを誘導加熱するカムシャフトの誘導加熱装置であって、
隣接するカム部の周面に対向する環状又は螺旋状の第１誘導加熱コイルと、
小径部の周面に対向する環状又は螺旋状の第２誘導加熱コイルとを有し、
第１誘導加熱コイルと第２誘導加熱コイルは、同時に通電されてカムシャフトのカム部及び小径部を同時に誘導加熱するものであり、
カムシャフトの回転と同期して第１誘導加熱コイルを偏心回転駆動する駆動手段と、
第２誘導加熱コイルの中心を小径部の中心とずらした状態で固定する偏心手段とを有することを特徴とするカムシャフトの誘導加熱装置。
複数のカム部を有し、隣接する前記カム部の間に、各カム部よりも回転軌跡が小さい小径部を有し、前記各カム部と小径部とを誘導加熱するカムシャフトの誘導加熱方法であって、
隣接するカム部の周面に環状又は螺旋状の第１誘導加熱コイルを対向配置し、
小径部の周面に環状又は螺旋状の第２誘導加熱コイルを対向配置し、
カムシャフトを回転させると共に、第１誘導加熱コイルを、カムシャフトの回転と同期して偏心回転駆動させ、第２誘導加熱コイルの中心をカムシャフトの中心からずらした状態で固定し、
第１誘導加熱コイルと第２誘導加熱コイルに高周波電流を通電することを特徴とするカムシャフトの誘導加熱方法。