JPH08144717A - カム装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目 的】 カムとローラからなるカム装置における案
内面に発生する異常摩耗を防止する装置を提供する。 【構 成】 カム１２とこのカム１２によって駆動され
るローラ１４からなるカム装置１０において、カム１２
又はローラ１４の縁部の少なくとも一方を、この縁部以
外の部分より低剛性に形成したカム装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はカムと、このカム上を転
動するローラとからなるカム装置の改良に関し、特に内
燃機関のバルブ駆動装置に適用して最も効果を発揮する
カム装置を提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の吸・排気バルブを開閉するバ
ルブ機構は機関作動の適切な時期に吸・排気バルブを開
閉して燃焼室内に吸気したり、あるいは排気ガスを排出
している。このバルブ機構としては、クランクシャフト
で駆動されるカムシャフトに設けたカムの案内面、特に
外周面にカムフオロアの機能を有するタペット、あるい
はローラタペットを接触あるいは転動させ、カムの外周
面のリフト量をプッシュロッドを介してロッカアームに
伝え、これを揺動させてこのロッカアームを介して吸・
排気バルブを作動させるようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】カムとローラタペット
からなるカム装置によって吸・排気バルブを正確に駆動
するためにはカムとローラタペットとが常時正確に接触
してカムの案内面形状に倣ってバルブを開閉することが
重要である。しかし、本発明者等の観察によると、ロー
ラタペットのローラはカムの案内面転動しながらリフト
運動するためにカムの案内面に対して正確に接触しない
場合があり、この状態になると両者の接触面の面圧がラ
ンダムに変化して面圧分布が変化する。この面圧分布の
変化に伴なって油膜の厚さが変化し、その結果、耐摩耗
性と耐ピッチング性（耐虫くい状態にカジリ現象が発生
する）が大きく変化する。

【０００４】具体的には、図５に示すようにカムシャフ
ト１に設けたカム２の案内面２ａにプッシュロッド３の
下端に設けたローラタペットを構成するローラ４を接触
させているが、これらの接触部分に異常摩耗部分２ｂが
形成される。この現象が発生すると内燃機関が設計した
通りの出力を発揮しないことが確認されている。この原
因を解明すると、図６に示すようにカム２に対して何ら
かの原因でローラ４が傾斜してエッジ４ａがカム２の案
内面に接触し、このエッジ４ａとこの部分が当たるカム
２の案内面に図５に示すように異常摩耗部分２ｂを形成
するものと考えられる。この異常摩耗部分２ｂは他の部
分に比較して摩耗量が大きく、そして荒れが見られる。

【０００５】さて、このような摩耗状態になるとカム２
の案内面２ａに対してローラ４が正確に追従しなくな
り、このローラ４は予測ないしは設計した挙動とは異な
ることになる。このような不具合が発生するカム装置
は、特に高速と低速との間で挙動が異なることが多い。
具体的には図５のようにカム２の案内面２ａにローラ４
が転動した跡が異常摩耗部分２ｂとして蛇行状態に形成
され、その結果、耐摩耗性と耐ピッチング性が低下して
早期にカム装置に作動不良を発生して内燃機関の性能を
低下させることになる。

【０００６】図８はローラ４の表面が平坦な場合のカム
２との接触状態を示しており、この場合の接触面Ｓはロ
ーラ４の全巾に相当し、理想的な状態である。しかし、
図６のようにローラ４のエッジ４ａが片当りすると、図
７のようにエッジ４ａが４ｂのように摩耗し、表面４ｃ
はカム２の案内面に接触したり、しなかったりの不安定
な状態となる。

【０００７】このローラ４が不安定となる欠点を解消す
る手段として図９に示すようにローラ４の表面を所定の
半径のＲ形状（クラウニング）に形成して曲面からなる
表面４ｄに加工することによってローラ４のカム２との
間の接触状態の変化によって図６に示すようなローラ４
のエッジ４ａの当りを防止し、もって局部的に高面圧が
発生することに伴なう強度の摩耗、あるいは摩耗が特殊
な条件で発生するピッチングの発生を防止している。

【０００８】しかしながら、図９のようにＲ加工をした
ローラ４において挙動が安定している時には、表面４ｄ
の一部が接触面Ｓ1 となり、図８の場合に比較して接触
面積が著しく小さくなり、その接触面積が低下した分だ
け耐摩耗性が低下してしまうことになる。特に、カム４
の直径が増加する「立ち上がり部分」においてはローラ
４（ローラタペット）の方向性が定まらず、図５のよう
にカム２の案内面２ａ上を蛇行して異常摩耗部分２ｂを
発生することになる。このようにローラ４の転動状態に
フラツキが発生すると、このローラタペットによって駆
動される吸・排気バルブが正確に動作しなくなり、その
結果、内燃機関の能力を最大限に引き出すことができな
いことになる。

【０００９】本発明は、前記従来のカム装置の持つ不具
合、特に図６のようにローラ４のエッジ４ａがカム２の
案内面２ａに片当りするのを防止するために図９のよう
にクラウニング加工をした場合に、その表面４ｄがカム
２に接触した際に発生する高面圧化が起因して異常摩耗
部分２ｂが発生するのを防止するこのであり、ローラタ
ペットを構成するローラの全表面にわたる接触面積の確
保と、同時にカムローラの挙動が安定した状態において
エッジ当たりのないローラカム装置を提供することを目
的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の本発明に係るカム装置は、次のように構成されてい
る。 Ａ）カムとこのカムによって駆動されるローラからなる
カム装置において、カムまたはローラの縁部の少なくと
も一方を、この縁部以外の部分より低剛性に形成したカ
ム装置。 Ｂ）ローラの側面の外周部分であって、円周方向に溝部
を形成したＡ）記載のカム装置。

【００１１】Ｃ）カムの立上がり部分の側面の外周部分
に溝部を形成したＡ）記載のカム装置。 Ｄ）カムとこのカムによって駆動されるローラからなる
カム装置において、ローラの側面の外周部分に円周方向
に溝部を形成し、更にカムの少なくとも立上がり部分の
側面の外周部分に溝部を形成したＡ）記載のカム装置。

【００１２】Ｅ）カムとこのカムによって駆動されるロ
ーラからなるカム装置において、ローラの縁部とこの縁
部以外の部分とを異なる金属で形成し、縁部はこの縁部
以外の部分より低剛性の材料によって構成したカム装
置。 Ｆ）カムとこのカムによって駆動されるローラからなる
カム装置において、少なくともローラの表面層に近い内
面層を、表面層の金属材料より低剛性の材料によって構
成したカム装置。

【００１３】本発明はローラ、即ちカムローラの端部に
弾性変形を許容する帯域を形成して構成している点に特
徴がある。弾性変形を許容する帯域は、カムに対してロ
ーラが片当りして局部的に強く押圧接触する部分、つま
りエッジ部分を意味し、この部分を他の部分より弾性変
形し易く形成することによってエッジ部分を変形を大き
くしてこの部分に局部的に面圧が発生するのを抑制する
部分を意味する。

【００１４】この帯域の第１の実施例としては、ローラ
の側面であって、外周部分（案内面）の近傍に円周方向
に溝部を形成してローラの案内面のエッジ部分を薄肉に
形成し、局部的な面圧が発生しようとする際にはこの部
分を弾性的に僅かに変形させて逃げ部分を形成し、もっ
て局部的な面圧が発生することを防止しようとするもの
である。

【００１５】ローラの側面の円周方向に形成する溝部と
しては、例えばローラの材質がＳＵＪで、その直径が２
４ｍｍである場合には、溝部の巾は２ｍｍ、深さは２ｍ
ｍ程度の範囲で決定するのが良い。この帯域の実施例と
しては、駆動源側のカムと、被駆動側のローラの双方の
案内面の近傍に溝部を形成し、これによって双方に局部
的な弾性変形を与えることによってローラが片当りして
も局部的な高面圧が発生することを抑制するものであ
る。

【００１６】この帯域の別の実施例としては、少なくと
もローラの外周面、即ち案内面の近傍に円周方向に形成
した溝部に相当する部分に弾性係数が低い部材を埋め込
んでローラの端部あるいは縁部が接触する部分を変形し
易く形成した構造である。例えばローラの材質がＳＵＪ
である場合には、埋め込む材料としては硬質ゴムを使用
し、焼付によってローラと一体化するのが良い。

【００１７】前記のようにローラやカムに明確に溝を形
成することによって案内面に弾性変形を与える方法は有
用であるが、薄肉にしてオーバーハングして弱い部分の
形成するとこの部分の耐久性に影響を与えることが配慮
される場合は、ローラやカムの中央部分を硬い材料で、
その両側部分を硬い材料より柔軟な材料でサンドイッチ
状に形成することも可能である。

【００１８】この構造は、ローラやカムの表面部分のみ
を異なる材料とするのが良く、この場合はローラやカム
のエッジを含む縁部の表面に溝を掘り、この溝の内部に
充填するようにメッキ処理やプラズマジエット処理、更
には焼嵌め処理等によってろーラやカムの本体部分より
剛性の低い材料からなる部分を設けるのが良い。

【００１９】

【作 用】カムとローラからなるカム装置において、少
なくともローラのエッジを含む縁部を、本体部分より弾
性変形し易い状態に形成していることから、ローラの軸
芯が傾いてローラがカムの案内面に対して片当りして
も、縁部が弾性変形してマイルドな当りが実現され、そ
の結果、局部的な面圧が発生して異常摩耗やピッチング
現象を発生することを防止できる。

【００２０】

【実 施 例】次に図面を参照して本発明の実施例を説
明する。図１は本発明に係るカム装置１０の要部の側断
面図、図２は同装置の側面図であって、カムシャフト１
１に支持されたカム１２と、プッシュロッド側に設けた
シャフト１３に軸受を介して回転自在に支持されて前記
カム１２の案内面上を転動するローラ１４とで構成され
たローラタペットである。

【００２１】そして図２に示すようにカム１２の立ち上
がり部分θの範囲を含んでこのカム１２の両側面の案内
面の近傍であって、案内面に沿って溝部１５を形成して
この溝部１５の外周のエッジ部分を含む縁部１６を薄肉
にしている。この実施例においては溝部１５（白地部
分）に連続して斜線で示した溝部１５ａを形成している
が、このように前記溝部１５より少し延長した溝部１５
ａとすることによって縁部１６の変形をなだらかなもの
としている。

【００２２】更にローラ１４の両側面の外周面の近傍に
同心円状の溝部１７を形成してリング状に縁部１８を薄
肉部としている。縁部１６と１８とは、ローラ１４が何
らかの理由で傾斜してエッジ部分に片当りが生ずる際に
弾性変形を許容する帯域を意味しており、片当りするエ
ッジ部分は勿論、この部分の近傍も弾性変形することに
なる。

【００２３】カム１２側の溝部１５とローラ１４側の溝
部１７の巾と深さ、縁部１６と１８の厚さは、カム１２
とカムフロアであるローラ１４の材質や大きさ、そして
ローラ１４を介して伝達される駆動力とリフト量、更に
回転速度等の諸条件を考慮して決定されるものである
が、具体的な巾と深さとは図５に示すようにローラ４の
エッジ部分４ａがカム２の案内面２ａ上を転動して異常
摩耗部分２ｂを形成しない条件を、多数の実験より決定
する必要がある。

【００２４】前記のようにカム１２に溝部１５を、ロー
ラ１４に溝部１７をそれぞれ設けることによって縁部１
６と１８を薄肉状として弾性変形し易い形状としたこと
から、例えば図１においてシャフト１３の左側が矢印Ｕ
のように上昇した状態となってローラ１４の右側の縁部
１８がカム１２の縁部１６に強く押圧された場合に両縁
部１６，１８には矢印で示すような押圧力が発生するこ
とになる。

【００２５】しかし、この縁部１６，１８には溝部１
５，１７が形成されてその断面は片持梁状になっている
ことから、この溝部１５，１７を設けていない本体部分
より変形し易い構造となっていることから、この部分を
積極的に変形させてその低剛性と、カム１２のリフトに
伴うローラ１４の伝達力をバランスさせることができ、
カム１２の案内面上に発生する面圧が局部的に上昇する
ことを防止して面圧の均等化を図ることができる。

【００２６】なお、前記実施例においてはカムとローラ
との双方に溝部を形成した例を示したが、ローラ側のみ
に溝部を形成しても充分を局部面圧の発生の抑制効果を
期待することができる。図３は第２の実施例に係るロー
ラタペットを示すもので、カム１２ａと、このカム１２
ａによってリフトされるローラ１４ａと、このローラ１
４ａを支持するタペット２２とから構成されている。

【００２７】そしてローラ１４ａは中央部分２０と側部
分２１とが鋳造ないしは圧着により積層構造になってい
る。この中央部分２０は高剛性材料、例えばＳＵＪで構
成され、側部分２１は前記高剛性材料より僅かに低い剛
性を持つ材料ＳＣで構成されている。従って、ローラ１
４ａがカム１２ａの案内面に対して片当りするような場
合には、この側部分２１が積極的に変形してローラ１４
ａの面圧を均等にする。

【００２８】側部分２１を形成する方法としては、前記
のようにローラ１４ａとカム１２ａを構成する肉厚部分
を全体的に変える方法の他、側部分２０の肉を削り、こ
の削った部分に別の金属層を形成して一体化することも
可能である。この肉盛り方法としてはメッキ処理する方
法、プラズマによって金属材料あるいはセラミックスの
ような非金属材料を溶射する方法、更にはリング状の金
属板を焼嵌めする法等があるが、これらは耐久性と処理
のし易さやコスト面等を考慮して決定するのが良い。

【００２９】図４は第３の実施例に係るローラタペット
を構成するローラ１４ｂを示すもので、このローラ１４
ｂはローラ１４ｂの本体２２の側面の周縁部に同心円状
に溝部２３を形成してローラ１４ｂの全周に薄肉状の縁
部２４を形成する。そしてこの溝部２３内に充填材２５
を設けている。この充填材２５は、例えば硬質ゴムのよ
うな本体２２より低剛性の材料を使用し、焼付によって
一体化されている。そして縁部２４が大きく変形した際
のクッション材として作用させている。

【００３０】この構造のローラ１４ｂによると、表面は
同一材料で構成されているので摩擦に対しては同一な挙
動を示す。一方、面圧に対しては縁部２４を薄肉状に形
成ししてこの薄肉状の部分を低剛性の材料で充填してい
るために、この縁部２４は他の部分より容易に変形する
ことができる。前記の本発明によれば、ローラのカムの
案内面に対する片当りを防止することによってカム装置
のローラ、あるいはカムとローラの両者の耐摩耗性を向
上することができる。

【００３１】また、接触面の高面圧が発生することを防
止できることから、カム装置をコンパクト化して慣性力
を軽減することができ、その結果、内燃機関の耐オーバ
ーラン性を向上することができる。更に、カム装置をコ
ンパクト化することによってこのカム装置を含む内燃機
関の重量を軽減し、内燃機関の低コスト化を実現すこと
ができる。

【００３２】

【発明の効果】本発明に係るカム装置は、カムとこのカ
ムによって駆動されるローラからなるカム装置におい
て、少なくともローラの縁部を、この縁部以外の部分よ
り低剛性に形成して構成されている。従って、ローラの
縁部、あるいはローラとカムの縁部が中央部分より弾性
変形し易くなっていることから、ローラがカムの案内面
に対して片当りしても縁部が他の部分より多く弾性変形
するから、カムとローラとの接触部分の面圧が局部的に
上昇することを防止できる。

【００３３】その結果、異常摩耗やピッチング現象が発
生することを防止することができ、本発明のカム装置に
よって駆動される内燃機関の吸・排気バルブを正確に作
動させることができ、内燃機関の能力を最大限に発揮す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係るカム装置の要部を
正断面図である。

【図２】図１に示したカム装置の側面図である。

【図３】本発明の第２の実施例に係るカム装置を要部を
示す正面図である。

【図４】本発明の第３の実施例に係るカム装置を構成す
るローラの要部断面図である。

【図５】従来のカム装置の案内面の摩耗状態を示す正面
図である。

【図６】ローラがカムに片当りする状態の説明図であ
る。

【図７】片当りしたローラの摩耗状態の説明図である。

【図８】カムとローラが正確に接触している状態の説明
図である。

【図９】クラウニング化工したローラとカムの接触状態
の説明図である。

【符合の説明】

１０ カム装置 １１ カムシャフト １２ カム
１３ シャフト １４ ローラ（ローラタペット） １５ 溝部 １
６ 縁部 １７ 溝部 １８ 縁部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カムとこのカムによって駆動されるロー
   ラからなるカム装置において、カムまたはローラの縁部
   の少なくとも一方を、この縁部以外の部分より低剛性に
   形成したカム装置。
2. 【請求項２】 ローラの側面の外周部分であって、円周
   方向に溝部を形成した請求項１記載のカム装置。
3. 【請求項３】 カムの立上がり部分の側面の外周部分に
   溝部を形成した請求項１記載のカム装置。
4. 【請求項４】 カムとこのカムによって駆動されるロー
   ラからなるカム装置において、ローラの側面の外周部分
   に円周方向に溝部を形成し、更にカムの少なくとも立上
   がり部分の側面の外周部分に溝部を形成した請求項１記
   載のカム装置。
5. 【請求項５】 カムとこのカムによって駆動されるロー
   ラからなるカム装置において、ローラの縁部とこの縁部
   以外の部分とを異なる金属で形成し、縁部はこの縁部以
   外の部分より低剛性の材料によって構成したカム装置。
6. 【請求項６】 カムとこのカムによって駆動されるロー
   ラからなるカム装置において、少なくともローラの表面
   層に近い内面層を、表面層の金属材料より低剛性の材料
   によって構成したカム装置。