JPH11141654A - カム・タペット装置 - Google Patents

カム・タペット装置

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JPH11141654A
JPH11141654A JP30309697A JP30309697A JPH11141654A JP H11141654 A JPH11141654 A JP H11141654A JP 30309697 A JP30309697 A JP 30309697A JP 30309697 A JP30309697 A JP 30309697A JP H11141654 A JPH11141654 A JP H11141654A
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tappet
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stress
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Shigeo Kamamoto
繁夫 鎌本
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    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/12Transmitting gear between valve drive and valve
    • F01L1/14Tappets; Push rods
    • F01L1/146Push-rods

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Gears, Cams (AREA)
  • Transmission Devices (AREA)
  • Valve-Gear Or Valve Arrangements (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 相当応力または最大剪断応力等で表される材
料が受けるダメージの集中を無くすことによってタペッ
ト(ローラ)の最大負荷能力を高める。 【解決手段】 ローラ12とカム16との接触面の間隔
におけるカム軸15の方向への変化を、上記方向への相
当応力分布または最大剪断応力分布等で表される材料が
受けるダメージが均一になるように決定する。こうし
て、ローラ12の両端のエッジ部における相当応力また
は最大剪断応力等で表される材料が受けるダメージの集
中を防止する。その結果、上記相当応力または最大剪断
応力等で表される材料が受けるダメージの集中が無くな
る分だけローラ12の静的最大負荷容量および動的最大
負荷容量を高めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、カム・タペット
装置におけるタペットのクラウニング形状の改良に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来、カムの回転をタペットの往復動に
変換するカム・タペット装置として、図7に示すような
ローラタペット装置がある。図7において、ローラタペ
ット1は、カム軸5のカム6に当接するローラ2と、こ
のローラ2を支持するローラ軸3を有するタペット本体
4とから構成される。カム軸5とローラ軸3とは互いに
平行に配置されている。タペット本体4の上部には、プ
ッシュロッド7が取り付けられている。そして、タペッ
ト本体4は、スプリング(図示せず)等によってプッシュ
ロッド7を介してカム6に向かって押し付けられてい
る。したがって、カム軸5の回転に伴うカム6の半径の
変動に追従して、タペット本体1は矢印Cの方向に往復
動する。
【0003】ところで、上記ローラタペット装置におい
ては、図8に示すように、上記ローラ2の周面2aのロ
ーラ軸3の方向への断面形状には、接触圧力の集中を避
けるためにクラウニングと呼ばれるわずかな膨らみを形
成するようにしている。このようなクラウニングの形状
として、ルンドベルグ(Lundberg)は、接触圧力を転動
体の軸方向に均一にするようなクラウニング形状を提案
しており、現在ではこのクラウニング形状が最適とされ
ている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記ル
ンドベルグのクラウニング形状によれば、確かにローラ
2の軸方向へ均一な接触圧力分布を呈する。ところが、
実際にローラ2が受けるダメージを評価すると、破壊,
金属疲労や塑性変形等の材料が受けるダメージの軸方向
への分布は一様でないという問題がある。ところで、カ
ム6とタペット1のローラ2とのように互いに線接触し
て回転を往復動に変換する2つの相互接触部材において
は、両相互接触部材の接触面における最適間隔決定の問
題を、図4に示すような有限幅円筒25と半無限体(以
下、単に平面と言う)26との相対接近量(相対隙間)問
題に置き換えることができる。図4において、X,Y,Z
は無次元座標であり、X軸はx/b,Y軸はy/b,Z軸は
z/bである。但し、x,y,zは座標であり、bは回転
方向へのヘルツ(Hertz)の接触幅の1/2である。
【0005】図9は、上記ルンドベルグのクラウニング
形状を適用した有限幅円筒25に発生する軸方向に均一
な接触圧力下での相当応力σEをヘルツの最大接触応力
hで無次元化した無次元化相当応力ΣE(=σE/Ph)の
分布を示す。ここで、相当応力σEとは、金属材料の降
伏条件の一種のフォン・ミーゼス(Von Mises)の降伏条
件に用いられる応力成分である。図9より、上記有限幅
円筒25の内部における破壊や金属疲労や塑性変形等の
材料が受けるダメージを評価する無次元化相当応力ΣE
は、回転軸から半径方向に有効長さの0.8倍の箇所A
に帯状に強くあらわれる。そして、特に、上記帯状箇所
Aのうちの側面近傍の領域Bで降伏応力(=0.60)を
越える強い値を示し、領域Bから降伏が始まることが分
かる。このように、例え、接触圧力分布を軸方向に均一
にしたとしても、必ずしも3次元の相当応力分布は均一
とはならず、相当応力σEが集中する箇所が存在する。
そのために、ローラ2に最大負荷能力を与えることがで
きないという問題がある。
【0006】そこで、この発明の目的は、相当応力また
は最大剪断応力等で表される材料が受けるダメージの集
中を無くして最大負荷能力を高めることができるカム・
タペット装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1に係る発明は、カムと,このカムの周面に
常時線接触して一方向に往復動するタペットを有して,
上記カムの回転を上記タペットの往復動に変換するカム
・タペット装置において、上記カムとタペットとの接触
面の間隔における上記カムの軸方向への変化が、接触圧
力下での上記軸方向への相当応力分布または最大剪断応
力分布等の材料が受けるダメージを評価する物理量が均
一になるように設定されていることを特徴としている。
【0008】上記構成によれば、上記カムとタペットと
の接触面の間隔における上記軸方向への変化は、接触圧
力下での上記軸方向への相当応力分布または最大剪断応
力分布等で表される材料が受けるダメージが均一になる
ように設定されている。したがって、上記相当応力又は
最大剪断応力等で表される材料が受けるダメージが集中
する箇所が存在せず、その分だけ上記タペットの最大負
荷能力が高められる。
【0009】また、請求項2に係る発明は、請求項1に
係る発明のカム・タペット装置において、上記カムとタ
ペットの接触面の間隔における上記軸方向への変化が、
実質的に下記の式で表されることを特徴としている。
【数2】
【0010】上記構成によれば、上記回転方向への等価
半径R、等価ヤング率E'、上記タペットの有効長Lwe
材料の圧縮に関する強度σEmax、および、材料の最大剪
断応力に関する強度τmaxが分かれば、接触圧力下での
上記方向への相当応力分布または最大剪断応力分布が均
一になるような上記カムとタペットの接触面の間隔が容
易に得られる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、この発明を図示の実施の形
態により詳細に説明する。図1は、本実施の形態のカム
・タペット装置としてのローラタペット装置の縦断面図
である。ローラ軸13,タペット本体14,カム軸15,
カム16及びプッシュロッド17は、図7に示すローラ
軸3,タペット本体4,カム軸5,カム6およびプッシュ
ロッド7と同一構成を有して、同様に動作する。ローラ
12はローラ軸13に支持されて、カム16に当接して
いる。
【0012】上記カム16とローラ12のとの接触面の
相対隙間の問題は、図4に示すような有限幅円筒25と
平面26の隙間の問題に置き換えることができる。そこ
で、以下、カム16とローラ12との接触面の相対隙間
を、図4の力学モデルを用いて説明する。
【0013】上述したように、図4に示す有限幅円筒2
5と平面26との相対隙間においては、有限幅円筒25
に対する接触圧力分布を有限幅円筒25の軸方向に均一
にしたとしても、3次元の相当圧力分布は均一にはなら
ない。そこで、本実施の形態においては、上述の点に着
目して、有限幅円筒25の軸方向への相当応力分布また
は最大剪断応力分布等で表される材料が受けるダメージ
が均一になるように、有限幅円筒25のクラウニング形
状(つまり、ローラ12の外周面のクラウニング形状)を
決定するのである。
【0014】先ず、上記有限幅円筒25に任意のクラウ
ニング形状与えて、乾燥接触問題における基礎式を用い
て接触2物体間(つまり、有限幅円筒25と平面26と
の間)の相対距離Hを求め、接触圧力を求める。そし
て、得られた接触圧力の分布を用いて3次元の内部応力
分布を得、この3次元内部応力分布から次式によって相
当応力を求める。 σE=[1/2{(σX−σY)2+(σY−σZ)2+(σZ−σX)2
+6τXY 2+6τYZ 2+6τZX 2}0.5] ここで、 σE:相当応力 σX:YZ面に作用する垂直応力成分 σY:XZ面に作用する垂直応力成分 σZ:XY面に作用する垂直応力成分 τXY:XY面に作用する剪断応力成分 τYZ:YZ面に作用する剪断応力成分 τZX:ZX面に作用する剪断応力成分
【0015】そして、こうして得られた相当応力σE
分布が有限幅円筒25の軸方向に均一になるようにクラ
ウニング形状を変更し、上述の解析を繰り返す。こうし
て、材料内部のダメージが軸方向に均一に分布するよう
にクラウニング形状を決定するのである。
【0016】上述のようにして導出されたクラウニング
形状の式は、次のような式である。
【数3】
【0017】図3は、上記クラウニング形状の式によっ
て算出された有限幅円筒25のクラウニング量の一例を
示す図である。また、図5は、上記クラウニング形状の
式が適用された有限幅円筒25における接触圧力pをヘ
ルツの最大接触応力Phで無次元化した無次元化接触圧
力P(=p/Ph)の分布である。図5(a)はY=0におけ
るZX面の接触圧力分布であり、図5(b)はX=0にお
けるYZ面の接触圧力分布である。また、図6は、図9
の場合と同じ荷重条件下での軸方向への無次元化相当応
力ΣEの分布を示す。
【0018】図5(b)から分かる様に、本実施の形態に
おけるクラウニング形状によれば、有限幅円筒25の軸
方向の接触圧力分布は、中央部から軸方向両端のエッジ
部に向かって少しずつ減少し、上記エッジ部で曲線的に
低下するようになっている。
【0019】したがって、図6に示すY軸方向への無次
元化相当応力ΣEの分布から分かるように、上記ルンド
ベルグのクラウニング形状を適用した場合の上記エッジ
部での無次元化相当応力ΣEの上昇(図9参照)が無くな
り、そのまま曲線的に減少している。その結果、図9に
見られるような上記帯状領域Aの側面近傍に現れる降伏
応力を越える強い相当応力の集中が回避される。
【0020】通常、上記カム16の外周面はカム軸15
に平行な面である。したがって、図2に示すように、ロ
ーラ12の外周面18におけるローラ軸13の方向への
断面形状を、上記式で求められるクラウニング形状に形
成すればよい。ところが、カム16の外周面がカム軸1
5に平行な面でない場合には、ローラ12とカム16と
の接触面におけるカム軸15の方向への相対間隔が、上
記式で求められるクラウニング形状になるようにすれば
よいのである。
【0021】上述のように、本実施の形態においては、
ローラタペット装置におけるローラ12とカム16との
接触面の相対隙間を、カム軸15の方向への無次元化相
当応力ΣEの分布を均一にするように決定している。し
たがって、ローラ12の軸方向両端エッジ部における無
次元化相当応力ΣEの集中を防止できる。すなわち、本
実施の形態によれば、無次元化相当応力ΣEの集中が無
くなる分だけローラ12の静的最大負荷容量および動的
最大負荷容量を高めることができるのである。
【0022】尚、上記実施の形態ではカム16の外周面
に当接しているローラ12を有するローラタペット装置
を例に説明しているが、この発明はこれに限定されるも
のではない。ローラ12を用いないカム・タペット装置
にも適用可能である。
【0023】
【発明の効果】以上より明らかなように、請求項1に係
る発明のカム・タペット装置では、カムと、このカムの
周面に常時線接触して一方向に往復動するタペットを有
し、上記カムとタペットとの接触面の間隔における上記
カムの軸方向への変化を、接触圧力下での上記方向への
相当応力分布または最大剪断応力分布等の材料が受ける
ダメージを評価する物理量が均一になるように設定した
ので、上記相当応力または最大剪断応力等で表される材
料が受けるダメージが集中する箇所が存在せず、その分
だけ上記タペットの静的最大負荷容量及び動的最大負荷
容量を高めることができる。さらに、上記タペットの耐
圧痕性や寿命の向上を図ることができる。
【0024】また、請求項2に係る発明のカム・タペッ
ト装置は、上記カムとタペットとの接触面の間隔におけ
る上記方向への変化を、実質的に下記の式で表したの
で、回転方向への等価半径R、等価ヤング率E'、上記
タペットの有効長Lwe、材料の圧縮に関する強度
σEmax、及び、材料の最大剪断応力に関する強度τmax
が分かれば、接触圧力下での上記方向への相当応力分布
または最大剪断応力分布が均一になるような上記カムと
タペットとの接触面の間隔を容易に得ることができる。
【数4】
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明のカム・タペット装置としてのローラ
タペット装置における縦断面図である。
【図2】図1におけるローラの断面形状を示す図であ
る。
【図3】図1におけるローラに適用されるクラウニング
量の一例を示す図である。
【図4】図1におけるローラに関する力学モデルを示す
図である。
【図5】図4における有限幅円筒の接触圧力分布を示す
図である。
【図6】図4における有限幅円筒の無次元化相当応力分
布を示す図である。
【図7】従来のローラタペット装置の縦断面図である。
【図8】図7におけるローラの断面形状を示す図であ
る。
【図9】ルンドベルグのクラウニング形状を適用した有
限幅円筒における図6と同じ荷重条件下での無次元化相
当応力分布を示す図である。
【符号の説明】
11…ローラタペット、 12…ローラ 13…ローラ軸、 14…タペット本
体、15…カム軸、 16…カム。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 カムと、このカムの周面に常時線接触し
    て一方向に往復動するタペットを有して、上記カムの回
    転を上記タペットの往復動に変換するカム・タペット装
    置において、 上記カムとタペットとの接触面の間隔における上記カム
    の軸方向への変化が、接触圧力下での上記軸方向への相
    当応力分布または最大剪断応力分布等の材料が受けるダ
    メージを評価する物理量が均一になるように設定されて
    いることを特徴とするカム・タペット装置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のカム・タペット装置に
    おいて、 上記カムとタペットとの接触面の間隔における上記軸方
    向への変化が、実質的に下記の式で表されることを特徴
    とするカム・タペット装置。 【数1】
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120018316A (ko) * 2009-05-13 2012-03-02 로베르트 보쉬 게엠베하 고압 펌프

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20120018316A (ko) * 2009-05-13 2012-03-02 로베르트 보쉬 게엠베하 고압 펌프

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