JPS62233562A - 中空カムシヤフト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、自動車用機関等の動弁機構部品として使用
される中空カムシャフトの改良に関する。

（従来の技術） カムシャ７、トは、カム面に弁機構の慣性力、弁ばね張
力、排気ガス圧力の合成力を受けるので、十分頑丈にた
わみの出ない太さを要するが、反面省燃費の点から動弁
ｍ溝部分としての性能を低下させることなく軽量化を図
るようにしたものが種々考案されている。

こうした中に、中空孔を有するカムピースと中空シャフ
トとをそれぞれ別体に形成し、これらをバルジ加工にて
固着させて中空カムシャフトを形成したものが提案され
ている（実開昭５９−１３２９４８号公報参照）。なお
、実用化されているものには、カム山部分をも含めて中
空として一体に形成した異形中空カムシャフトや、中空
パイプにカム、ジャーナル等を焼結して形成したカムシ
ャフトがある。

これを第９図〜第１３図を参照しながら説明すると、中
空孔ＩＡ、２Ａをそれぞれ形成した第９図、第１０図の
カムピース１．ジャーナルピース２と、中空孔３Ｃを有
する第１１図の直管状シャフト３とを別体で用意し、こ
れら三者を用い第１２図に示す中空カムシャフトを最終
的に構成するのであるが、これらピース１，２と中空シ
ャフト３との固着は、中空シャフト外周の固着部３Ａ、
３Ｂを前記ピース１，２の中空孔１’Ａ、２Ａに形成し
だ円弧状曲面の四部ＩＢ、２Ｂにそれぞれ張り出させる
ことにより行なわれる。

固着部３　Ａ、３　Ｂのこうした張り出し加工に採用さ
れるのがバルジ加工である。バルジ加工では、第１３図
に示すように、２つの成型用割型５，６のそれぞれに、
各部材１〜３の収装される収装孔５Ａ〜５　Ｃ，６Ａ〜
６Ｃが形成されている。その加工の過程は、まず割型５
，６を分割した状態で、底部に位置する一方の割型６に
前記ピース１，２をその中空孔Ｉ　Ａ、２　Ａが図中左
右方向を向くように収装した後、中空シャフト３をこれ
ら中空孔Ｉ　Ａ、２　Ａに挿通させ、もう一方の割型５
を上部より被覆して各部材をその収装孔に収装する。さ
らに割型５，６の両端部を栓７，８で塞ぎ、割型５゜６
を固定共で固定する。

こうした状態が第１３図に示す状態であり、このセット
状態ではピース１，２の中空孔Ｉ　Ａ、２　Ａよりくぼ
んでいる凹部ＩＢ、２Ｂと中空シャフト外周の固着部３
　Ａ、３　Ｂとの間にそれぞれ張り出し空間１０．１１
を残している。

この状態で、一方の栓７を貫通するパイプ９を介して中
空シャフト３の中空孔３Ｃ内に液（たとえば水）を満た
し、この液に衝撃的な圧力を作用させると、この圧力に
より中空シャフト３の固着部３　Ａ、３　Ｂが前記空間
部１０　、１１へと張り出し、凹部Ｉ　Ｂ、２　Ｂに圧
着される。

こうして第１２図に示す中空カムシャフトが形成され、
軽量化が図られる。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、カムシャフトには撓みの生じないことが要求
されるので、中空シャフト３はもともと相当程度の厚さ
が必要となるのであるが、バルジ加工に際しては、この
厚い中空シャフト３を張り出させるのであるから、大き
な液圧を作用させることになる。

一方、カムシャフトには作動時に大きな捩りトルクが作
用するので、ピース１，２と中空シャフト３間に、この
捩りトルクに耐えられるだけの固着強度が要求されるが
、この固着強度はバルジ加工圧を高くするほど大きくな
るので、固着強度を十分にしようとすると、作用させる
液圧はさらに高くなる。

このため、カムピース中空孔１Ａには相当大きな圧力が
作用するので、この圧力に抗するにはカムピース１の強
度が高いことが要求される。

一方、カムピース１の外周に形成されるカム面ＩＣは、
ロッカアーム７オロアあるいはタペットと高面圧、高速
度で摺動されるので、優れた耐摩耗性を有することが要
求される。

この結果、バルジ加工にて中空カムシャフトを形成する
場合には、カムピース１に対し、優れた耐摩耗性を有し
、かつ大きなバルジ加工圧に対抗することができるだけ
の高強度である材料が選択されることとなる。

しかしながら、耐摩耗性の優れた材料として採用される
高硬度材においては、硬度が高いほど脆い性質を有する
ものが多い。すなわち、高い硬度と高い強度とを併有す
る材料は少ない。こうした汎用性のない特殊な材料はと
かく高価であり、この結果、軽量化ひいては省燃費のた
め考案された中空カムシャフトが他方でコストアップを
招いてしまうのである。

この発明はこうした従来例の問題点に着目してなされた
もので、カムピースを、要求される性質に合わせて少な
くとも２層に分離し、分離した各層にそれぞれ要求され
る性質を受は持たせるようにして、全体としては要求さ
れる性質の総てを満たすようにした中空カムシャフトを
提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） この発明は、カムピースに設けた中空孔に中空シャフト
を貫通させた状態で保持し、バルジ加工により中空シャ
フトを張り出させて両者を固着しり中空カムシャフトに
おいて、前記中空カムピースを、高強度材からなる内層
と高硬度材からなる外層との少なくとも２層からなる層
状Ｗｌｔ造とした。

（作用） このように構成すると、カムピースの内層には、加工に
際して大きなバルジ加７１ユ圧が作用するのであるが、
この内層には高強度材が採用されているので、この圧力
に十分に耐え得る。このため、十分なバルジ加工圧を作
用させて中空シャフトとカムピース間の固着強度を高め
ることが可能となる。

また、カム面を有する外層は高硬度材であるため、優れ
た耐摩耗性を具備する。

すなわち、カムピース全体としては２つの性質に優れる
ことが要求されるけれども、要求される性質に応じて部
位を層状に分離し、各層にその性質に専ら優れる材料を
選択するのであれば、各層には２つの異なる性質の併有
が求められることはない。しかも、全体としては２つの
性質に優れたカムピースを得ることができる。

この結果、大きな捩りトルクに耐えると共にカム面には
耐摩耗性を有するというカムシャフトに求められる性質
を満足させつつ経済性を具備させることができるのであ
る。

以下実施例を用いて説明する。

（実施例） この発明の特徴は中空カムピースを、高強度材からなる
内層と高硬度材からなる外層との少なくとも２層からな
る層状構造とした点にある。

そこで、まず層状構造を第１図に示すと、これは２Ｍ構
造とした例である。カムピース１５の外層１６にはその
外周に所定のカム面１６Ａを有し、かつ内周には卵型の
中空孔１６Ｂが形成される。

内層１７はこの中空孔１６Ｂに沿って所定の厚さを有す
る被膜状に形成される。

同図には中空シャフト３を同時に示しているが、内層１
７と中空シャフト外周との開に張り出し空間１０が存在
するように、卵型の中空孔１７Ｂの大きさが定められる
。また、卵型であれば突起となるところがないので、中
空シャフト３の張り出しに無理がなく、したがって固着
強度を高めることができる。

次に、これら内外層１６．１７に採用する材料であるが
、これは、内層１７については高強度材を、外層１６に
ついては高硬度材（耐摩耗性材）を選択する。

ところで、どの程度の強度と硬度があれば、大きな捩り
トルクに耐えるだけの十分な固着強度を＝７− 有し、かつカム面に摩耗を招かずに済むかの基準は機関
の相違や使用環境等に依存する。そこで、本発明者は一
般的な機関と使用状態とを設定し、一応の基準を探るこ
ととした。すなわち、材質が相違する各種のカムピース
を作成し、同一の条件のもとで、固着強度と、モータリ
ング耐久試験によるカム摩耗量を測定する実験を行った
。

この実験結果を先に述べると、一般的な機関を用いる通
常の使用状態に対して、下記の値が基準として得られた
。

内層の抗折強度’、　７０　ｋｇｆ／　ｍｍ２以上（望
ましくは１００　ｋｇｆ／ｍ＋ｎ２以上） 外層の硬度；８８０４０以上（望ましくはＨ８０５０以
上） なお、外層１６は耐摩耗性鉄系焼結材を使用するが、内
層１７は溶製材、焼結材のいずれでも良ｌ／１　。

次に、実験の経過を説明すると、第４図はこの考案で採
用した６つのカムピースの実施例の材料をまとめて表に
している。すなわち、その材質。

硬度（ロックウェル硬さ）、抗折強度（ｋｇｆ　／　ｎ
＋＋ｎ２）を簡単にまとめると、下表のようになる。

ここに、これら実施例のカムピースはいずれも第１図に
示すカムピースと同一の外形寸法を有し、その内外層の
硬度と抗折強度のみが相違するのであるが、内層の抗折
強度は７０　ｋｇｆ　／　＋ａ＋ａ２以上、外層の硬度
は８８０４０以上ものを選択している。

ただ、実施例６し逼ついては３層構造としてあり、この
点で他の実施例と相違するが、外形寸法は同じである。

次に、第５図はこれら実施例との比較のために、採用し
た５つの比較例の材料をまとめて表している。すなわち
、その特徴は簡単には下表のようである。

なお、これら比較例１〜５も、第１図のカムピースと同
一の外形寸法を有する。

次に、ジャーナルピース、中空シャフトについては従来
例と同様でよい。たとえば、第２図はジャーナルピース
２の形状を示し、外周と同心円状に形成された中空孔２
Ａにはこの孔２Ａより小さな曲率半径の円弧状曲面の四
部２Ｂ〜２Ｅが９０゜の角度間隔で形成されている。材
料は機械構造用炭素＃（たとえばＪＩＳ８４０Ｃ）であ
る。

また、第１図に円形状断面を示す中空シャフト３は、機
械構造用炭素鋼管（たとえば、ＩＩＳＳＴＫＭｉ４Ａ）
やジャーナルピースと同様の機械構造用炭素鋼（たとえ
ばＪＩＳＳＣ）などが使用され、必要に応じて合金元素
を添加した機械構造用低合金鋼が採用される。

こうしてカムピース１５．ツヤ−ナルピース２゜中空シ
ャフト３の各部材を構成する材料が選択され、これらを
一体化して中空カムシャフトをバルジ加工にて形成する
。第３図は液圧を作用させて中空シャフト３がカムピー
ス１５の卵型中空孔１７Ｂやジャーナルピース２の四部
２Ｂ〜２Ｅに張り出し、これら各ピース１５，２と中空
シャフト３との固着が終了した状態を示している。

なお、カムピース１５は異なる材料にて層状に構成され
るので、これら層間の接合を行う必要があり、焼結材同
士は拡散接合により、溶製材と焼結材とはろう付は等に
より接合される。

次に、これら実施例による作用を説明する。

まず、第６図は前記６つの実施例、５つの比較例のカム
ピースを用いてほぼ同一の外形寸法に形成した中空カム
シャフトを用いて行った破壊パルジ加工圧（ｋｇｆ／ｃ
ｍ２）、固着強度捩りトルク（ｋｇｆ−ｍ）の実験デー
タであり、これを簡単にまとめたのが下表である。

ただし、この表の「破壊圧」、「捩りトルク」はそれぞ
れ第６図の「カムピース破壊バルジ加工圧」、「固着強
度捩りトルク」を略したものである。

この表から明らかなように、内層の抗折強度を７０　ｋ
ｇｆ　／　１１１１１１２以上とした実施例１〜６及び
比較例５並びに実施例と同程度の抗折強度を有する単層
の比較例１，２においては、十分高いバルジ加工圧に耐
え得る。このため、高いバルジ加工圧を作用させること
により大きな捩りトルクに耐え得る、すなわち十分な固
着強度が得られている。

ところが、内層の抗折強度がわずか足りない比較例４に
おいては（６０ｋｇｆ／　ｍｍ２）、バルジ加工圧を十
分には作用させることかで外ず、これに応じて固着強度
も不十分となっている。また、硬度は十分であるが、抗
折強度の低い単層の比較例３においては（２７ｋｇｆ／
　ｌｌ１ｍ２）、小さなバルジ加工圧にでカムピースが
破壊してしまうので、固着強度が不足する。

次に、第８図はモータリング耐久実験によるカムとロッ
カアームチップの摩耗量（μｍ）の実験データであり、
これを簡単にまとめたのが下表である。

ただし、表中の括弧書きはロッカアームチップの摩耗量
である。なお、第７図は耐久試験に用いたデータである
。

カム摩耗量を決定するのはカム面の材料硬度であり、こ
の表からは、外層の硬度がＨＲＣ４０以上の実施例１〜
６及び硬度が実施例と同程度の硬度である単層の比較例
３においては、摩耗量が少なく、耐摩耗性に優れる結果
が得られている。

ところが、硬度が実施例にわずか及ばない比較例４では
（ＨＲＣ３５）、及ばない分だけ摩耗量が大きくなって
いる。

また、抗折強度が十分であるが、硬度が小さい単層の比
較例１，２及び外層の硬度が小さい比較例５では（ＨＲ
Ｂ６０．９０）、摩耗量が大きい。

これら２つの実験データより、異なる２つの性質を同時
に満足することができるのは、結局実施例１〜６のみで
ある。

すなわち、バルジ加工にて中空カムシャフトを形成する
場合には、カムピースに対し２つの異なる性質の良好な
ることが要求されるのであり、単一の材料で２つの性質
を併有するものは少ない。

このため、カムピースが単一の材料で構成される比較例
１〜３のように、要求される性質の一方のみに合致する
材料では、要求に合致しない他方の点で劣り、十分な固
着強度が得られなかったり、カムの摩耗量を大きくして
しまう結果となるのである。また、２つの性質を備える
材料もあるにはあるが、概して高価であり、経済性の、
αで採用するのに躊躇せざるを得ない。

これに対し、この発明では、要求される性質に応じてカ
ムピースを層に分離し、分離された各層にそれぞれの要
求に応じた材料を選定するようにし、全体としては総て
の性質を満足させるようにしたのである。このため、各
Ｈに対して選定される材料は専ら一つの性質に優れるも
ので良く、シたがって汎用性のある材料を選定すること
が可能となる。

言い替えると、カムピースに要求される性質に応じて２
層構造とし、各層に高強度と耐摩耗性とを分担させ、こ
れらの結合により、カムピースに要求される総ての性質
を満足させつつ安価な材料の使用を可能として経済性を
高めることに成功したのである。

次に、１肖記各実施例間では、内層の抗折強度を高める
ほど、より大きなバルジ加工圧を作用させることが可能
となっている。

なお、ここには実験例にて説明したので、実施例に数値
の限定が行なわれているが、これらは機関や使用環境に
ても相違するので、それぞれの状況に応じて数値を限定
すればよい。

（発明の効果） 以」二説明したように、この発明ではバルジ加工にて中
空のカムピースと中空シャフトとを固着させた中空のカ
ムシャフトにおいて、このカムピースを、高強度材から
なる内層と高硬度材からなる外層との少なくとも２層か
らなる層状構造としたので、大きな捩りトルクに耐える
と共にカム面には耐摩耗性を有するというカムシャフト
に求められる性質を満足させつつ経済性を具備させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例の中空カムピースの正面
図、第２図はこの実施例のジャーナルビ−スの正面図、
第３図はこの実施例によるバルジ加工における工程途中
を説明する縦断面図である。 第４図は実施例１〜６に採用されたカムピース材料をま
とめて示す表図、Ｉｓ　５図はこれらの実施例との比較
のために実験にて用いた比較例１〜５のカムピース材料
をまとめて示す表図である。 第６図、第８図はこれらの実施例、比較例の実験データ
をまとめて示子表図、第７図はモータリング耐久試験に
用いたデータを示す表図である。 第９図は従来例の中空カムピースの正面図、第１０図は
同じくジャーナルピースの正面図、第１１図は同じく中
空シャフトの斜視図、＠１２図はけ同じく中空カムシャ
フトの斜視図、第１３図は同じくバルジ加工の工程途中
を説明する縦断面図である。 ２・・・ジャーナルピース、２Ａ・・・中空孔、２Ｂ〜
２Ｅ・・・凹部、３・・・中空シャフト、３Ｃ・・・中
空孔、５．６・・・割型、５Ａ〜５　Ｃ，６Ａ〜６Ｃ・
・・収装孔、７．８・・・栓、９・・・パイプ、１０・
・・張り出し空間、１５・・・カムピース、１６・・・
外層、１６Ａ・・・カム面、１６Ｂ・・・中空孔、１７
・・・内層、１７Ａ・・・外周、１７Ｂ・・・中空孔。 特徴出願人　目迎自動Ｍ（株式会社 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. カムピースに設けた中空孔に中空シャフトを貫通させた
   状態で保持し、バルジ加工により中空シャフトを張り出
   させて両者を固着した中空カムシャフトにおいて、前記
   中空カムピースを、高強度材からなる内層と高硬度材か
   らなる外層との少なくとも２層からなる層状構造とした
   ことを特徴とする中空カムシャフト。