JPS63309703A - カム軸駆動機構 - 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」 本発明は、４ザイクルエンジンで用いられるカム軸の駆
動機構に関する。

「従来の技術およびその問題点」 従来の、Ｓ　ＯＨＣ型あるいはＤ　ＯＩ−（Ｃ型４ザイ
クルエンジンにおいて、クランク軸の回転をカッ４、軸
に伝達する場合、チェーンを利用したもの、あるいは複
数のキヤを噛み合わせたものか一般に用いられている。

しかしながら、チェーンを利用したものでは、テンショ
ナを必要とするため重量が重くなる欠点かあり、他方、
複数のギヤを噛み合わせたものでは、前記同様重量か重
くなる他、径の大きいギヤを用いる関係上広い配置スペ
ースを必要とする等の欠点かあった。

他のカム軸駆動手段として、コネクティングロッドを用
いながら平行クランクを構成し、これによりクランク軸
の回転をカム軸に伝達する形式のしのかある。

しかしながら、この種カム軸駆動手段では、軽量化４１
シびにコンパクト化が図れる利点をかある反面、クラン
ク軸あるいはカム軸の停止位置によっては伝達トルクの
アーム基がゼロとなる死点が生し、その場合、クランク
軸の回転をカム軸側に伝達できなくなる欠点があり、あ
まり利用されていないのが実状である、。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、軽量化並び
にコンパクト化か図れると同時に、クランク軸、カム軸
の停止位置がいかなる箇所であっても常にクランク軸の
回転をカム軸側に伝達でき、しがち効率の良いＩ・ルク
伝達が行えるカム軸駆動機構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」 本発明では、係る目的を達成するために、クランク軸（
５）の回転を、コネクティングロッド（７Ａ、７Ｂ）を
用いた平行クランクを構成しながらカム軸側に伝達する
構成とするに止どまらず、前記コネクティングロッドを
それぞれが独立してクランクを構成するよう２本とし、
かつ、該コネクテインロツドのセンタ軸（１４）への連
結部分とセンタ軸中心とを結ぶ角度がセンタ軸の軸線方
向から見て１８０度以外（第４図参照）となるよう、コ
ネクティングロッドをセンタ軸（１４）に連結し、さら
に、両ロッドの合成伝達トルクのピークを、センタ軸を
回転させるのに必要なセンタ軸回転トルクのピークに合
致するように、コネクティングロッドのセンタ軸への連
結位置をカム軸のカム曲線に関連されて設定する構成と
した。

「作用　」 ２本のコネクティングロッドを適宜角ずらしてセンタ軸
に連結しているため、たとえ一本のコネタテイングロソ
トによる伝達トルクのアーム基が０となる場合でム、他
側のコネクティングロッドによるトルク伝達が行える。

したがって、トルク伝達を行うことができなくなるいわ
ゆる死点がなくなり、クランク軸、カム軸かいかなる箇
所で停＋Ｊｚしたとしても、クランク軸の回転を支障な
くカッ、軸側に伝達できる。

また、２本のコネクティングロッドによる伝達トルクの
ピークを、被駆動側であるセンタ軸が必要とするトルク
ピークに合致さ［ているため、効率のよいトルク伝達が
実現てきる。４−なわち、従来のヂエーンやヘルドを利
用したものはクランク軸の回転をそのままカム軸に伝え
るものであるが、本発明のものは、力ｌ・軸側のトルク
変動に対し、コネクティングロッドへ加わる荷重を、ピ
ークを下げて平均化することができる。このため、摩擦
損失を少なくてき、エンジンの１１１力性能の点でも〈
１不１ｊとなる。

［一実施例」 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は並列４気筒型４サイクルエンジンの縦断側面図
、第２図は第１図の■−■線に沿う断面図。第３図は第
１図の■−■矢視図である。

第１図中符号ｌはクランクケース、２は並列に並べられ
た４つのシリンダ３を備えるシリンダブロック、４はシ
リンダヘッド、５はクランク軸をそれぞれ示す。

クランク軸５のほぼ中央には、軸心Ｑから所定量偏心さ
れてなる偏心軸部６　Ａ、６　Ｂが、軸線方向にずらし
て設けられている（第２図参照）。それら両偏心軸部６
Ａ、６Ｂにはコネクティングロッド７Ａ、７Ｂの下端が
回転自在に連結されている。

その連結構造は、間に軸受メタル８を介装し、上下両側
から半割部材を突き合わせてボルト９で締め付ける構造
であって、言わばクランク軸５とピストン１０とを連結
するコネクティングロッド１１の大端部あるいは小端部
の周知の連結構造と同様な構造である。

また、このエンジンはＤ　ＯＴ−Ｉ　Ｃ型であり、シリ
ングヘット４にはクランク軸５と平行に２本のカム軸＋
３Ａ、１３Ｂが適宜間隔をあけて配置されている。これ
らカム軸＋３Ａ、１３Ｂの中心を通る線をほぼ２等分す
る位置にはセンタ軸１４が、カム軸＋３ＡＳ＋３１３と
平行に配置されている。そして、このセンタ軸１４に前
記コネクティングロッド７の上端が連結されている。コ
ネクティングロッド７とセンタ軸１４との連結構造も、
前述したコネクティングロッド７下端の連結構造と同様
であり、間に軸受メタル１５を介装し、上下両側から半
割部材を突き合わせてボルトで締め付ける構造となって
いる。ここで、」二記カム軸＋３Ａ、１３Ｂとセンタ軸
１４とを結ぶ線は、コネクテイングロツＦ７Ａ、７Ｂの
延在する方向と直交している。

センタ軸１４は、はぼ中央に前記コネクティングロッド
７の上端に連結される両偏心軸部＋６Ａ、１６Ｂが軸線
方向に若干すらして設けられている。

また、センタ軸１４は、両端がシリンダブロック２にボ
ルト止めされて上方へ延びる左右両センタ軸ポルグ１７
Ａ、＋７ＢにベアリングＩ８を介して支持されることに
より、回転自在とされている。

センタ軸ホルダ１７Ａ、１７Ｂとコネクティングロッド
７Ａ、７Ｂとは同材料あるいは同程度の膨張率を有する
材料で作るのが好ましい。エンジン内は温度変動が大き
く、温度変化がある場合でもコネクティングロッド連結
部に応力を生じさせないためである。

偏心軸部１６Ａ、１６Ｂの位相角は、前記クランク軸５
の偏心軸部６Ａ１６Ｂの位相角と同じになるように設定
され、しかも、偏心軸部＋６Ａ、１６Ｂのセンタ軸中心
からのずれ量ρ１は、偏心軸部６のクランク軸５中心か
らのずれ量ρ、と同じ値になるように設定されている（
第４図参照）。すなわち、前記両偏心軸部８Ａ（８Ｂ）
、１６Ａ（１６Ｂ）、およびコネクティングロッド７Ａ
（７Ｂ）は、個々に平行クランクを構成し、クランク軸
５の回転が１対１の割合でセンタ軸１４に伝達できるよ
うになっている。

ま−た、センタ軸■４の第２図における左端部にはギヤ
１９がセンタ軸１４と一体的に回転するように設（Ｊら
れ、該ギヤＩ９はカム軸＋３Ａ、１３Ｂにボルト止めさ
れて同カム軸と一体的に回転するギヤ２０とそれぞれ噛
合している。ギヤ２０の歯数はギヤ１９の歯数の２倍に
設定されていて、カム軸＋３Ａ、１３　Ｂがクランク申
出５およびセンタ軸１４に対し］／２の速度で回転する
ようになっている。センタ軸へのギヤＩ９の逆側端部（
第２図中右側端部）にはセンタ軸１４の回転を滑らかに
ずろためのバランスウェイト２１が設けられている。

また、第２図中２２は、センタ軸支持部分より若干下側
位置にて両センタ軸ボルダ１７　Ａ、１７Ｉ３を支持す
ることにより、同ホルダが倒れるのを防止するボルトで
あり、該ボルト２１の外周にはカラー２２ａが嵌合され
ている。また、第１図中２３は吸気バルブ２４により開
閉される吸気ボート、２５は排気バルブ２６により開閉
される排気ポートを示し、吸気バルブ２４は力１３軸１
３Ａの回転によって、また、排気バルブ２６はカム軸１
３　Ｂの回転によってそれぞれ開閉操作される。

＝８＝ 前記コネクティングロッドを２本とした理由について第
４図を参照しながら説明すると、仮に、コネクティング
ロッドが一本で該ロッドが図中ａ点に位置したときエン
ジンが停止した場合には、次にエンジンを始動させて、
クランク軸５の回転をコネクティングロッドを介してセ
ンタ軸１４に伝達しようとするとき、伝達トルクのアー
ム基Ｉ。

が０となるため、トルク伝達ができなくなる。ところが
、図示例の如くコネクティングロッドを２本とし、しか
もそれら両コネクティングロッド７Ａ（７Ｂ）のセンタ
軸１４あるいはクランク軸５への連結部分とそれら軸５
（１４）の回転中心とを結ぶ角度（２θａ）を１８０度
以外となるように、設定すれば、たとえ、一方のコネク
ティングロッドの伝達トルクアーム長が０となる場合で
も、他方のコネクティングロッドのアーム基は０となら
ず、該他方側のコネクテイング７を介して）・ルク伝達
が行なえる。ずなわぢ、少なくとも一方のコネクティン
グロッドを用いて必ずトルク伝達が行なえることとなり
、いわゆるトルク伝達か行えない死点を無くすることが
できるためである。

次に、クランク軸５の２つの偏心軸部８　Ａ、８　Ｂの
位相角２θａ（この値は、センタ軸１４の偏心軸部１６
ＡＳ１６Ｂの位相角にも等しい）の設定について詳しく
考察する。第５図（ａ）は吸排気バルブ２４．２６のリ
フト量を表したもので、縦軸にバルブリフト量、横軸に
クランク軸の回転角を採っている。図に示すようにこの
エンジンの場合（通常のエンジンでも同様）、吸気バル
ブ２４の開状態の終期と排気バルブ２６の開状態の初期
とは、吸入上死点箇所にてオーバーラツプしている。

第５図（ｂ）は排気側および吸気側のカム軸のトルク変
動を表したもので、縦軸にトルク、横軸にクランク軸の
回転角を採っている。なお、ここでは、摩擦によるトル
クは無視している。

図では４つのシリンダの内２つのシリンダにおいて吸排
気バルブ２４．２６を作動させる際、それら吸排気バル
ブからカム軸１３Ａ、１３Ｂに加イつろ負荷トルクを表
している。図中Ｍ１〜Ｍ４で示すものが、同一シリンダ
内に配された吸排気バルブから受ける負荷トルクを示し
、Ｎ、〜Ｎ３て示すものが、残る他のシリンダ内に配さ
れた吸排気バルブから受ける負荷トルクを示す。

なお、ここで表す負荷トルクは、ギヤ１９．２０の摩擦
を無視すると、そのままセンタ軸】４に加わる負荷とし
て置き替えることができる。

負荷トルクＭ１のピークＰは、バルブリフトカーブの変
曲点Ｐ１付近にあり、図示の如くバルブリフトカーブの
上り側で正のトルク（カム軸駆動側からみると負荷にな
るトルク）、下り側で負のトルク（カム軸駆動側から見
ると逆にカムによって駆動されるトルク）となる。

排気側カム軸１３Ｂの負のトルクのピークと吸入側カム
軸＋３Ａの正のトルクのピークとはバルブタイミングが
ずれている関係上若干ずれるのが普通であるが、はぼ近
い位置にある場合が多く、この２つは相殺し合い、たと
え残っても無視てきる程度である。

したがって、図中残るトルクは、一つのシリンダに関し
てはＭ、とＭ４が主である。そこで、トルＩＩ− りＭｌのピークＰの位置に、前記２本のコネクティング
ロッド７Ａ、７Ｂのトルク伝達アーム長の和の最大が合
致するよう、両コネクデイングロツトの連結位置をカム
軸のカム曲線に関連させて設定すれば、コネクティング
ロッドに加わる荷重を少なくすることができる。

第５図（Ｃ）はコネクティングロッド７Ａ、７Ｂに加わ
る荷重が一定であることを前提とし、このときのコネク
ティングロッドにより伝達されるトルクを２本のコネク
ティングロッドそれぞれについて描いたものである。ま
た、それら２木のコネクティングロッド７Ａ、７Ｂ間の
位相角を２θａとしてこの２つ伝達トルクを合成し、こ
の合成したトルクのピークを、前記トルクＭ、のピーク
Ｐに合致さ什たムのも同時に記載した。

両コネクティングロッド７Δ、７Ｂの伝達トルクは、該
ロットに加わる荷重を押し側と引き側の双方考慮ずれは
、ピークがクランク軸の回転角１８０度毎に生じる。

−・方、図示例の如くエンジンが４気筒であれば通常点
火位相角は１８０度であるから、カム軸の負荷トルクＭ
、、Ｍ４のピークは、１８０度毎に生じる。ここで、ト
ルクＭ４は負のトルクであるが、高速ではカムギヤやそ
の他の慣性力あるいは摩擦力が発生ずるため、実際には
負のトルクが発生ずることはなく、トルクＭ４は無視で
きる。したがって、Ｍ、のみ考慮すれば足り、図から明
らかなように、コネクティングロッド７Ａ、７Ｂの合成
伝達トルクのピークＴ１とカム軸側の負荷トルクのピー
クＰとを、各シリンダすべてについて合致させることが
できる。

１本のコネクティングロッド７Ａ、７Ｂによる伝達トル
クＴａは、Ｐ：ロッドに加わる荷重、Ｑ、：偏心軸部の
偏心歯、θ；変位角とするとき、Ｔ　ａ＝　Ｐ　Ｑ＋５
ｉｎＯ で表される（第４図参照）。

また、２本のコネクティングロッドによる伝達トルクＴ
ｂは Ｔ　ｂ＝　Ｐ　（！、ｓｉｎθ十Ｐ　Ｌｓｉｎ（θ＋２
θａ）で表される。

Ｊ−記位相角２０ａは、第５図（ｃ）に示す合成伝達ト
ルク］゛の最大値Ｔ１ができるたけ大きく、かつ最小値
Ｔ、が必要最小限度確保できるように決めるのが理想で
ある。これに基づき考察すれば、まオＯａが６０度より
大きくなる場合、合成伝達トルクＴの最大値′Ｉ゛、は
コネクティングロッド１本分の最大トルクを越すことが
できなくなり好ましくない。したがって、θａは６０度
以下であることが必要である。

一方、必要とされる最小伝達トルクＴ２は理論的には極
めて小さくても足りろが、部品の公差や摩擦を考慮しか
つ安全を見て、コネクティングロッド１本分の最大伝達
ｌ・ルクの７０％を確保すればよいことが実験の結果明
らかとなった。すなわち、最小伝達トルク′ｒ、は一方
のコネクティングロッドの伝達トルクか０の場合、１本
分のトルクＰＱ＋ｓｉｎ／ｌ　ａが最大値１）Ｌの７０
％あれば足り、式で表せば、 Ｐρ、５ｉｎＯａ／Ｐρ、＝０．７０ となる。

このことから、２θａ＝４４．４度が得られ、つまりθ
ａ＝２２．２度が得られる。

これがθａの小さい方の限界で、これより小さくすると
１２点のトルクが７０％以下になるので危険である。

以上の説明から、θａの範囲はほぼ２２〜６０度にする
のが好ましいことがわかる。

次に、」１記カム軸駆動機構の動きについて説明する。

車両を始動させるには、まず、図示せぬメインスイッチ
をオンとし、次いでセルスイッチを操作してセルモータ
を起動させる。セルモータの起動に伴いクランク軸５が
回転する。クランク軸５の回転は偏心軸部６Ａ、６Ｂコ
ネクティングロッド７Ａ、７Ｂを介してセンタ軸１４に
伝達され、さらにそこから、ギヤ１９．２０を介しカム
軸＋３Ａ。

１３Ｂに伝達される。このようにカム軸を回転させるこ
とにより、吸排気バルブ２４．２６を開閉作動させるこ
とができる。

なお、上記カム軸駆動機構を本実施例の如くＤ＝１５＝ ０１−Ｉ　Ｃ型に適用した場合の利点の一つとして熱膨
張（熱収縮）による影響か少ないことが挙げられる。

これについて第６図を参照しながら説明すると、熱膨張
（熱収縮）後のギヤ１９．２０の軸間距離Ｚ１は、 Ｚｏ・熱膨張前のギヤ１９．２０の軸間距離に１：熱膨
張によるセンタ軸の移動量 とするとき ｚ　１−（ｚ　ｏ２＋に＋’）’／。

で表される。

いま、上記式に具体例として一般的な値、Ｚ。

−６０ｍｍ、　ｋ、−０，５ｍｍを代入すれば、Ｚ、　
＝６０．００２ｍｍ が得られる。

すなわち、センタ軸の移動に対するギヤ１９．２０軸間
距離の変化量は、 （６０−６０，００２）１０．５＝０．００４つまり、
０．４％と非常に小さいことが分かる。

なお、上記実施例では、本発明をＤ　ＯＨＣ型エンジン
に適用した例について説明しているが、ＳＯＨＣ型に適
用することもできろ。その場合、」１記センタ軸１４を
カム軸に対し別個に設けることなく、一体に設ける構成
とすれば、より一層の軽量化並びにコンパクト化が図れ
る。

「発明の効果」 本発明によれば以下の優れた効果を奏する。

■テンンヨナ等付属部品が不要であるため、従来のもの
に比べ、軽量化、びにコスト低減が図れる。

■コネクティングロッドによるトルク伝達であるため、
従来の複数のギヤを噛み合わせたものに比べ、幅方向に
出っ張らず、コンパクト化が図れる。

■２本のコネクティングロッドを適宜角度ずらせてセン
タ軸に連結しているため、たとえ一本のコネクティング
ロッドによる伝達トルクのアーム長が０となる場合でも
、他側のコネクティングロッドによるトルク伝達が行え
る。したかって、トルク伝達を行うことができなくなる
いわゆる死点かなくなり、クランク軸、カム軸がいかな
る箇所て停止したとしても、クランク軸の回転を支障な
くカム軸側に伝達できる。

■また、２本のコネクティングロッドによる伝達トルク
のピークを、被駆動側であるセンタ軸が必要とするトル
クピークに合致させているため、効率のよいトルク伝達
が実現できる。すなわち、カム軸側の激しいトルク変動
に対し、コネクティングロッドへ加イつる荷重は、ピー
クを下げられ比較的平均化された状態で伝達されること
となる。

このため、摩擦損失を少なくでき、エンジンの出力性能
−にの点からも有利となる。

■、Ｄ　ＯＨＣ型のものにおいて、両カム軸の中間にコ
ネクティングロッドにより回転されるセンタ軸を配置す
る構成にすれば、コネクティングロッドとエンジン側の
熱膨張の差により生じるギヤのバソクラソノユ変化は、
コネクティングロッドの膨張収縮による回転軸の移動方
向がカム軸と回転軸の軸間方向に対し直交するため、極
めて少なくなる。したがって、バルブ開閉タイミングを
高精度で設定でき、特に高回転エンジンに好適となる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示し、第１図はエンジンの縦
断側面図、第２図は第１図のＩＪ　−ｎ線に沿う断面図
、第３図は第１図の■−■線に沿う断面図、第４図はコ
ネクティングロッドによるトルク伝達を示す概略図、第
５図は（ａ）〜（ｃ）は本発明のコネクティングロッド
による伝達トルク特性図、第６図は本発明に係る実施例
の作用を説明する図面である。 １・・・・クランクケース、 ２・・・・・シリンダブロック、 ３・・・・・・シリンダ、 ４　・・・・シリンダヘッド、 ５・・・・クランク軸 ６　Ａ、６　Ｂ・・・・偏心軸部、 ７　Ａ、７　Ｂ・・・・　コネクティングロッド、１４
・　　センタ軸、 １６　・・・偏心軸部、 ＋９．２０　　　ギヤ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）クランク軸（５）の回転をシリンダ（３）の上方
   に配置したカム軸（１３Ａ、１３Ｂ）に伝達するのに、
   コネクティングロッド（７Ａ、７Ｂ）を用いながら平行
   クランクを構成してクランク軸に平行な回転軸線を有す
   るセンタ軸（１４）に伝達し、該センタ軸の回転を前記
   カム軸に伝達するカム軸駆動機構において、 前記コネクティングロッドの数をそれぞれが独立して平
   行クランクを構成するよう２本とし、かつ、それら両コ
   ネクティンロッドの前記センタ軸への連結部分と該セン
   タ軸中心とを結ぶ角度（２θａ）が１８０度以外となる
   ように、コネクティングロッドをセンタ軸に連結し、 さらに、両ロッドの合成伝達トルク（Ｔ）のピーク（Ｔ
   ＿１）が、前記センタ軸を回転させるのに必要なセンタ
   軸回転トルクのピーク（Ｐ）に合致するよう、コネクテ
   ィングロッドのセンタ軸への連結位置をカム軸のカム曲
   線に関連させて設定したことを特徴とするカム軸駆動機
   構。
2. （２）前記コネクティンロッドのセンタ軸への連結部分
   とセンタ軸中心（ｌ）とを結ぶ前記角度（２θａ）を４
   ４度〜１２０度に設定したことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のカム軸駆動機構。