カムシャフトの製造方法及びカムシャフトを鋳造する鋳型の鋳型構造
【課題】基地組織の異なる低速カムと高速カムを単一鋳型によって成形可能で且つ低速カムと高速カムの隙間を鋳込み工程で形成可能なカムシャフトの製造方法及びカムシャフトを鋳造する鋳型の鋳型構造を提供すること。
【解決手段】鋳型２０内に、低速カムのノーズ部を成形する冷金２７を配置し、低速カムキャビティ２５と高速カムキャビティ２３の間の隙間溝にこれら両カムキャビティの軸心と直交状の環状の側端面２８ｄを成形する遮熱プレート２８を配置したため、低速カムのノーズ部の基地組織をチル化でき、高速カムのノーズ部のチル化を防止できる。単一の鋳型２０による鋳込み工程後、鋳型２０を型ばらしして、カムシャフトから冷金２７を除去し、カムシャフトをガラスショットブラスト処理し、カムシャフトの隙間溝から遮熱プレート２８を破壊、除去したため、隙間溝の成形性を高めることができる。
【解決手段】鋳型２０内に、低速カムのノーズ部を成形する冷金２７を配置し、低速カムキャビティ２５と高速カムキャビティ２３の間の隙間溝にこれら両カムキャビティの軸心と直交状の環状の側端面２８ｄを成形する遮熱プレート２８を配置したため、低速カムのノーズ部の基地組織をチル化でき、高速カムのノーズ部のチル化を防止できる。単一の鋳型２０による鋳込み工程後、鋳型２０を型ばらしして、カムシャフトから冷金２７を除去し、カムシャフトをガラスショットブラスト処理し、カムシャフトの隙間溝から遮熱プレート２８を破壊、除去したため、隙間溝の成形性を高めることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カムシャフトの製造方法及びカムシャフトを鋳造する鋳型の鋳型構造に関し、特に、基地組織の異なる低速カムと高速カムを単一の鋳型によって成形可能なカムシャフトの製造方法及びカムシャフトを鋳造する鋳型の鋳型構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車用エンジンでは、低速側運転状態でのトルクを高め、高速側運転状態での出力を高めるため、吸気用カムシャフトの吸気カムに、高速側運転状態と低速側運転状態で夫々吸気弁を開閉する高速カムと低速カムを設け、排気用カムシャフトの排気カムに、高速側運転状態と低速側運転状態で夫々排気弁を開閉する高速カムと低速カムを設けた構造は公知である。
【０００３】
高速側運転状態では吸気弁と排気弁のバルブリフト量を大きくして各行程における吸排気量を増すことが望ましく、高速カムのノーズ部の高さ（ノーズ高さ）は低速カムのノーズ高さよりも高く構成されている。高速カムと低速カムの組み合わせ構造については種々の構造が存在するが、例えば、高速カムの両側にこの高速カムよりもノーズ高さが低い２つの低速カムを設け、これら高速カムと低速カムを切換えるよう構成したものが提案されている。
【０００４】
エンジン運転中には、カムシャフトのカムは各弁を駆動するロッカーアームやタペットと回転摺動しているため、カムのノーズ部には高い耐磨耗性が要求されている。
それ故、このノーズ部の耐磨耗性を向上させるために、例えば、ダクタイル鋳鉄製のカムシャフトを鋳造する際に、鋳型内のノーズ部を形成するキャビティにおいて、溶湯を急速凝固させてノーズ部の表面の金属組織をチル化する目的で、熱伝導率の高い金属、例えば、鋳鉄の冷金が用いられている。
【０００５】
特許文献１のカムシャフトの製造方法は、高速側運転状態で高速用タペット分割体を押動して排気弁を開閉駆動するための高速カムと、この高速カムの両側に低速側運転状態で低速用タペット分割体を押動して排気弁を開閉駆動するための低速カムとを備えた、所謂摺動式動弁機構のカムシャフトの製造方法において、高速カムのノーズ部と低速カムのノーズ部を鋳造する鋳型のキャビティ部分に鋳鉄製冷金を組み込むように構成されている。
【０００６】
このカムシャフトの製造方法では、鋳型に溶湯を注入した後、溶湯を急速冷却すると、鋳鉄製冷金は鋳型よりも熱伝導率が高いため、ノーズ部に対応するキャビティ部分の溶湯が急速凝固してノーズ部が鋳造されると同時に基地組織がチル化されている。それ故、タペット表面と摺動する高速カムと低速カムは、ともに高い耐磨耗性を備えることができる。
【０００７】
吸排気弁を駆動する機構は、前述した摺動式動弁機構以外にカムをローラ部材と接触させて各弁を駆動させるローラ式動弁機構も知られている。このローラ式動弁機構は、ローラ部材が転動するため、摺動式動弁機構に比べてカムの摺動抵抗が低く、高速運転に適している。それ故、低速カムを摺動式動弁機構とし、高速カムをローラ式動弁機構とする併用式動弁機構も存在している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−３９１３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１のカムシャフトの製造方法は、高速カムのノーズ部と低速カムのノーズ部の両者がタペットと摺動する摺動式動弁機構を前提技術としている。つまり、両カムのノーズ部は耐摩耗性が必要であるため、両ノーズ部の基地組織を冷金を用いてチル化する構成となっている。
【００１０】
一方、ローラ式動弁機構のカムのノーズ部は、その機構上、耐摩耗性（硬度）よりも靭性が要求されており、逆に硬度が高い場合、ローラ部材がノーズ部とピッチングを起こすという虞がある。一般に、鋳鉄部材の靭性を増すためには、鋳造後、鋳鉄部材に焼入れ処理を行い、フェライトとパーライトから形成された基地組織を靭性に優れたベイナイトとパーライトから形成された基地組織に変化させることが行われている。
【００１１】
前記カムシャフトの製造方法では、高速カムと低速カムの両方が摺動式動弁機構であるため、両カムのキャビティ部分に鋳鉄製冷金を組み込む構成とし、所望のカム組織を得ることができる。しかし、高速カムをローラ式動弁機構とし、低速カムを摺動式動弁機構とした併用式動弁機構を対象したカムシャフトにおいて、低速カムのキャビティ部分に冷金を組み込む場合、熱伝導率の高い冷金が高速カムのキャビティ部分の溶湯温度を急激に低下させるため、高速カムのノーズ部の基地組織をチル化してしまうという問題がある。特に、エンジンのコンパクト化のため、高速カムと低速カムとの隙間が小さい場合、高速カムの冷却速度が増し、高速カムのノーズ部のチル化傾向は増加する。そして、チル化された高速カムを焼入れ処理した場合、焼き割れの発生を招く虞がある。
【００１２】
本発明の目的は、基地組織の異なる低速カムと高速カムを単一鋳型によって成形可能で且つ低速カムと高速カムの隙間を鋳込み工程で形成可能なカムシャフトの製造方法及びカムシャフトを鋳造する鋳型の鋳型構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１のカムシャフトの製造方法は、従動部材と摺動して低速用バルブ部材を昇降駆動するための低速カムと、ローラ部材と接触して高速用バルブ部材を昇降駆動するための高速カムを備え、前記低速カムと高速カムを隣接配置したカムシャフトの製造方法において、低速カムを成形する冷金を配置すると共に低速カムと高速カムの間にこれら両カムの軸心と直交状の環状の端面を成形する遮熱プレートを配置した鋳型を用いてカムシャフトを鋳造する第１工程と、次に、鋳型を型ばらしすると共に前記カムシャフトから前記冷金を除去する第２工程と、前記カムシャフトをショットブラスト処理し、前記カムシャフトから前記遮熱プレートを破壊、除去する第３工程と、を備えたことを特徴としている。
【００１４】
請求項１の発明では、低速カムと高速カムの間にこれら両カムの軸心と直交状の環状の端面を成形する遮熱プレートを配置した鋳型を用いてカムシャフトを鋳造したため、低速カムの鋳造時の冷却傾向を高速カムの鋳造時の冷却傾向に影響させることなく、鋳込み工程で低速カムと高速カムの隙間を形成することができる。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第２工程の後且つ第３工程の前に、第１粒径の球体を前記カムシャフトに衝突させて鋳物砂を除去するショットブラスト工程を備え、前記第３工程において、前記第１粒径よりも小さい第２粒径の球体を前記遮熱プレートに衝突させて前記カムシャフトから前記遮熱プレートを破壊、除去することを特徴としている。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記遮熱プレートは、カーボンから構成されたことを特徴としている。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項１〜３の何れか１つの発明において、前記カムシャフトは、１対の低速カムと、これら低速カムの間に配置された高速カムを備えたことを特徴としている。
【００１８】
請求項５のカムシャフトを鋳造する鋳型の鋳型構造は、従動部材と摺動して低速用バルブ部材を昇降駆動するための低速カムと、ローラ部材と接触して高速用バルブ部材を昇降駆動するための高速カムを備え、前記低速カムと高速カムを隣接配置したカムシャフトを鋳造する鋳型の鋳型構造において、低速カムを成形する冷金を配置すると共に、低速カムと高速カムの間にこれら両カムの軸心と直交状の環状の端面を成形する遮熱プレートを配置したことを特徴としている。
【００１９】
請求項５の発明では、低速カムと高速カムの間にこれら両カムの軸心と直交状の環状の端面を成形する遮熱プレートを配置した鋳型を用いてカムシャフトを鋳造したため、低速カムの鋳造時の冷却傾向を高速カムの鋳造時の冷却傾向に影響させることなく、鋳込み工程で低速カムと高速カムの隙間を形成する鋳型を得ることができる。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記カムシャフトは、１対の低速カムと、これら低速カムの間に配置された高速カムを備え、１対の冷金の間に１対の遮熱プレートを配置したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１の発明によれば、従動部材と摺動して低速用バルブ部材を昇降駆動するための低速カムと、ローラ部材と接触して高速用バルブ部材を昇降駆動するための高速カムを隣接配置したカムシャフトにおいて、基地組織の異なる低速カムと高速カムを単一の鋳型によって成形することができる。
【００２２】
つまり、低速カムの基地組織を冷金によってチル化する一方、低速カムに隣接した高速カムと冷金との間を遮熱する遮熱プレートを備えたため、高速カムをチル化させることなく、後工程による高速カムに靭性を高める焼入れ処理を行うことができる。しかも、低速カムと高速カムの隙間を鋳型に配置された遮熱プレートによって形成でき、鋳込み工程で低速カムと高速カムの隙間を成形できるため、カムシャフトの成形性を高めることができる。
【００２３】
請求項２の発明によれば、第２工程の後且つ第３工程の前でカムシャフトの鋳造品から鋳物砂を除去でき、第３工程で低速カムと高速カムの隙間から遮熱プレートを確実に除去することができる。
請求項３の発明によれば、低速カムに隣接した高速カムと冷金との間の遮熱性と遮熱プレートの破壊除去性を両立することができる。
請求項４の発明によれば、１対の低速カムをチル化でき、これら低速カムの間に配置された高速カムに対して靭性を高める後工程の焼入れ処理を行うことができる。
【００２４】
請求項５の発明によれば、従動部材と摺動して低速用バルブ部材を昇降駆動するための低速カムと、ローラ部材と接触して高速用バルブ部材を昇降駆動するための高速カムを隣接配置したカムシャフトを鋳造する鋳型において、基地組織の異なる低速カムと高速カムを成形可能な単一の鋳型を得ることができる。
請求項６の発明によれば、１対の低速カムをチル化でき、これら低速カムの間に配置された高速カムに対して靭性を高める後工程の熱処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例に係るカムシャフト付近の平面図である。
【図２】カムシャフトの外観図である。
【図３】図１のIII−III線断面図である。
【図４】図３のIV−IV線断面図である。
【図５】高速運転状態における図３相当図である。
【図６】高速運転状態における図４相当図である。
【図７】鋳型の縦断面図である。
【図８】図７における要部拡大図である。
【図９】図８のIX−IX線断面図である。
【図１０】図８のX−X線断面図である。
【図１１】冷金の斜視図である。
【図１２】遮熱プレートの斜視図である。
【図１３】カムシャフト製造方法の工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。
【実施例】
【００２７】
以下、この発明の実施例について、図１〜図１３に基づいて説明する。
【００２８】
本実施例に係る自動車用エンジンのカムシャフトは、直列多気筒、例えば、４気筒の４バルブＤＯＨＣエンジンに搭載されるものである。
図１に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２に、吸気用カムシャフト３と排気用カムシャフト４が配設され、これら２本のカムシャフト３，４の左端部には夫々タイミングプーリー５，６が設けられている。これらのタイミングプーリー５，６は、タイミングベルト７によりクランクシャフト（図示略）に連結されている。それ故、カムシャフト３，４は、タイミングベルト７によりクランクシャフトの回転がカムシャフト３，４に伝達されて回転駆動されるように構成されている。
【００２９】
２本のカムシャフト３，４は略同様の構造であるため、排気用カムシャフト４について説明する。図２に示すように、カムシャフト４には、高速側運転状態で一方の排気弁９（図３参照）を開閉駆動する為の高速カム１０と、この高速カム１０の左右両側に所定の間隔、例えば、２ｍｍの隙間溝１３を空けて位置し低速側運転状態で前記排気弁９を開閉駆動する為の２つの低速カム１１と、低速用カム１１と離間して位置し全運転状態で他方の排気弁（図示略）を開閉駆動する為の全領域カム１２が、各気筒８（図１参照）に対応するように合計４組設けられている。尚、カムシャフト４と、高速カム１０と、低速カム１１と、全領域カム１２は、共通の軸心回りに回転可能に構成されている。
【００３０】
図３、図５に示すように、高速カム１０と低速カム１１には、排気弁９を下方へ押動する為にカムシャフト４の外周側へ突出状に形成されたノーズ部１０ａ，１１ａが設けられ、高速側運転状態での排気量を大きくする為に高速カム１０のノーズ部１０ａの高さ（以下、ノーズ高さという）は低速カム１１のノーズ部１１ａのノーズ高さに比べ高く形成されている。
【００３１】
図３〜図６に示すように、カムシャフト４の上側には、排気弁９のバルブリフト量をエンジン１の運転状態に応じて変更可能なリフト量可変機構Ｍが設けられている。この可変機構Ｍは、シリンダヘッド２に対して上下揺動可能に一端側を軸支されており、エンジン１の運転状態に応じて、高速カム１０と低速カム１１の何れか一方によって他端側に連結された排気弁９を開閉駆動するように切換可能に構成されている。
【００３２】
リフト量可変機構Ｍは、機構本体１４と、可動部材１５と、ロックピン１６と、このロックピン１６を図３において右方へ駆動する油圧シリンダ（図示略）と、ロックピン１６を図３において左方へ付勢するスプリング１７等を備えている。尚、図３、図４は低速側運転状態、図５、図６は高速側運転状態における可変機構Ｍの作動状態を示している。
【００３３】
機構本体１４は、カムシャフト４の軸心と直交状の１対の側壁部１４ａと、夫々の側壁部１４ａの下部から下方に延設された側面視で略円弧状の摺動部１４ｂと、これら側壁部１４ａを所定間隔空けて連結する連結部１４ｃ等から構成されている。
夫々の摺動部１４ｂの下端面は、低速側運転状態で低速カム１１と摺動可能に構成されている。連結部１４ｃは、油圧通路１４ｄと、ロックピン１６とスプリング１７を格納可能な格納部１４ｅと、排気弁９の基端部と連結且つ押動可能な部分球面形状の凹部１４ｆから形成されている。
【００３４】
可動部材１５は、夫々対向する側壁部１４ａの間に位置し、ばね等の付勢手段（図示略）によって常時下方へ弾性付勢されて配置されている。可動部材１５は、カムシャフト４の軸心と直交状の１対の側壁部１５ａと、これら側壁部１５ａ間に架着された軸部１５ｂと、これら側壁部１５ａを所定間隔空けて連結する連結部１５ｃと、軸部１５ｂに複数のローラベアリングを介して回転可能に枢支されたローラ部材１８等から構成されている。
【００３５】
連結部１５ｃは、連結部１４ｃに対向する側に係合穴１５ｄが形成されている。係合穴１５ｄは、格納部１４ｅから油圧が排出されたとき、スプリング１７に付勢されたロックピン１６が係合可能に構成されている。この構成によって、可動部材１５と機構本体１４が一体的に連結され高速カム１０に従動するように一体動作する連結状態と、可動部材１５と機構本体１４が分離されて低速カム１１に従動する非連結状態とに切換えることができる。ローラ部材１８の外周面は、常時、高速カム１０と接触可能に構成されている。
【００３６】
リフト量可変機構Ｍにより高速用カム１０と低速用カム１１を切換える場合について説明する。図３、図４に示すように、低速側運転状態において、格納部１４ｅに油圧が供給されている。この油圧によりスプリング１７が圧縮され、ロックピン１６が右方に駆動されている。それ故、可動部材１５と機構本体１４が独立動作可能な非連結状態とされ、高速カム１０はローラ部材１８と接触し、低速カム１１は摺動部１４ｂと摺動している。そして、ロックピン１６が係合穴１５ｄへ係合していないため、高速カム１０のノーズ部１０ａの形状に沿って可動部材１５は機構本体１４に対して上下動するものの、排気弁９に開閉駆動力を伝達しない。従って、２つの低速カム１１のノーズ部１１ａにより押動される機構本体１４が排気弁９を駆動する。これにより、排気弁９のリフト及び開閉タイミングは低速カム１１のノーズ部１１ａの形状により決定される。
【００３７】
図５、図６に示すように、高速側運転状態において、エンジン１の制御ユニットからの指令により、油圧通路１４ｄを介して格納部１４ｅから油圧が排出される。これにより、ロックピン１６がスプリング１７の付勢力によって左方に駆動され、係合穴１５ｄに内嵌し、可動部材１５と機構本体１４が一体的に連結された連結状態となる。
このとき、高速カム１０のノーズ高さは低速カム１１のノーズ高さよりも高いため、高速カム１０とローラ部材１８が当接すると、２つの低速カム１１と摺動部１４ｂは接触しない。従って、高速カム１０のノーズ部１０ａにより押動される可動部材１５と連結された機構本体１４が排気弁９を駆動する。これにより、排気弁９のリフト及び開閉タイミングは高速用カム１０のノーズ部１０ａの形状により決定される。
【００３８】
以上のように、このエンジン１は、低速側運転状態において低速カム１１が機構本体１４の摺動部１４ｂと摺動する摺動式動弁機構と、高速側運転状態において高速カム１０がローラ部材１８と接触回転するローラ式動弁機構を夫々作動可能な併用式動弁機構を備えている。それ故、エンジン１の運転状態に応じて、高速用カム１０と低速用カム１１の何れか一方により排気弁９を開閉駆動するように切換えることで、低速側運転状態でのトルクを確保すると共に、高速側運転状態での出力を向上させることができる。
【００３９】
次に、カムシャフト４の鋳型について説明する。
カムシャフト４は、例えば、球状黒鉛を含有したダクタイル鋳鉄製で構成される。このカムシャフト４を鋳造する為の鋳型には、図７〜図１０に示すように、コーテッドサンドで形成された鋳型２０（シェル鋳型）が用いられる。この鋳型２０は、上側鋳型２０Ａと下側鋳型２０Ｂとを上下に接合固定して構成されている。鋳型２０の内部には、カムシャフト４を鋳造する為のカムシャフト用キャビティ２１が形成され、このキャビティ２１には、矢印で示すように、溶湯供給口２２を介して外部からダクタイル鋳鉄の溶湯が供給される。
【００４０】
カムシャフト用キャビティ２１には、高速カム１０を鋳造する高速カム用キャビティ２３と、高速カム用キャビティ２３の両側の２つの低速カム１１を鋳造する２つの低速カム用キャビティ２４と、全領域カム１２を鋳造する全領域カム用キャビティ２５と、高速カム用キャビティ２３と２つの低速カム用キャビティ２４とを連結し且つカム１０，１１の間の隙間溝１３を形成する隙間溝用キャビティ２６等を含んで構成されている。
【００４１】
上側鋳型２０Ａにより、高速カム用キャビティ２３の上端側部分に高速カム１０のノーズ部１０ａを鋳造するノーズ部用キャビティ２３ａが形成される。
鋳型２０に組み込まれた冷金２７により、低速カム用キャビティ２４の上端側部分に低速カム１１のノーズ部１１ａを鋳造するノーズ部用キャビティ２４ａが形成される。この冷金２７は、前記キャビティ２４ａ内の溶湯を急速凝固させることによりノーズ部１１ａの表面の基地組織をチル化して、ノーズ部１１ａの耐磨耗性（硬度）を確保するためのものである。
【００４２】
ノーズ部用キャビティ２３ａ，２４ａはノーズ部１０ａ，１１ａの形状に応じて上方へ突出状に形成され、高速カム１０のノーズ部１０ａを低速カム１１のノーズ部１１ａよりもノーズ高さが高くなるように鋳造するため、高速カム１０のノーズ部キャビティ２３ａは、低速カム１１のノーズ部キャビティ２４ａよりもさらに上方へ突出するように構成されている。
【００４３】
鋳型２０に組み込まれた遮熱プレート２８により、隙間溝用キャビティ２６が形成される。この遮熱プレート２８は、前記冷金２７とノーズ部用キャビティ２３ａとの間の熱伝導を遮断することで、前記キャビティ２４ａ内の溶湯の急速凝固によるチル化を防止するためのものである。この構成により、ノーズ部１０ａの基地組織のチル化を防止でき、後行程における焼入れ処理によって、ノーズ部１０ａの靭性を確保することができる。
【００４４】
次に、冷金２７の構造について説明する。
図７〜図９、図１１に示すように、鋳鉄製の冷金２７は、例えば、略鞍状の板部材から形成されている。冷金２７は、低速カム１１のノーズ部用キャビティ２４ａを形成するキャビティ形成部２７ａと、上側鋳型２０Ａの内面２０ａと当接する上側外周面２７ｂと、下側鋳型２０Ｂの内側上面２０ｂに当接して冷金２７を支持可能な下側面２７ｃと、低速カム１１の回転軸心と直交状に配置される１対の側端面２７ｄを備えている。
【００４５】
この冷金２７は、低速カム１１のノーズ部用キャビティ２４ａ毎に鋳型２０に配置されている。尚、キャビティ形成部２７ａに、キャビティ２１の軸心側から反対側まで連通したガス抜き溝を形成することも可能である。ガス抜き溝を形成することにより、低速カム１１のノーズ部用キャビティ２４ａ内のガスが上方へ抜けやすくなり、ノーズ部用キャビティ内２４ａにガスが滞留することがなく、ノーズ部１１ａに鋳造欠陥が生じることを防止できる。
【００４６】
前述した冷金２７の作用について説明する。
ノーズ部用キャビティ２４ａ内の溶湯がキャビティ形成部２７ａと接触することにより、この溶湯が急速凝固され、ノーズ部１１ａの表面の基地組織にオーステナイトとセメンタイトとの共晶、所謂レデブライトが共出する。従って、冷金２７のキャビティ形成部２７ａに接触する所定範囲がチル化され、キャビティ形成部２７ａに沿ってチル化層を所定深さに亙って形成することができ、例えば、ＨｒＣ５０以上の高硬度の基地組織を得ることができる。
【００４７】
次に、遮熱プレート２８の構造について説明する。
図７，図８，図１０、図１２に示すように、遮熱プレート２８は、例えば、外周形状が楕円状のカーボン製の板部材から形成されている。遮熱プレート２８は、隙間溝用キャビティ２６を形成するキャビティ形成部２８ａと、上側鋳型２０Ａの内面２０ａと当接する上側外周面２８ｂと、下側鋳型２０Ｂの内面２０ｃに当接して支持される下側外周面２８ｃと、カムシャフト４の軸心と直交状且つ１対の環状の側端面２８ｄを備えている。
【００４８】
キャビティ形成部２８ａの上端部から上側外周面２８ｂの上端部までの幅は、キャビティ形成部２８ａの下端部から下側外周面２８ｃの下端部までの幅に比べて大きく形成されている。この遮熱プレート２８は、隙間溝用キャビティ２６毎に鋳型２０に配置されている。
【００４９】
前述した遮熱プレート２８の作用について説明する。
高速カム１０のノーズ部１０ａのノーズ高さは低速カム１１のノーズ部１１ａのノーズ高さに比べて高く設定されているため、冷金２７を上側鋳型２０Ａに配置したとき、キャビティ形成部２７ａとノーズ部用キャビティ２３ａは隣接状に位置している。キャビティ形成部２７ａとノーズ部用キャビティ２３ａとの間に、ノーズ部用キャビティ２３ａよりも上方に高く形成された遮熱プレート２８が設置されたため、ノーズ部用キャビティ２３ａに充填された溶湯がキャビティ形成部２７ａと直接接触することがなく、ノーズ部用キャビティ２３ａの溶湯が冷金２７によって急速冷却されることがない。それ故、ノーズ部１０ａのチル化を防止することができる。しかも、高速カム１０と低速カム１１の間隔が狭い場合であっても、遮熱プレート２８を鋳型２０に設置することによって、隙間溝用キャビティ２６を鋳込み段階で成形することができる。
【００５０】
カムシャフト４の製造方法について、図１３の工程図に基づいて説明する。
尚、Ｓｉ（ｉ＝１，２…）は各ステップを示す。
まず、Ｓ１の造型工程において、鋳型２０を造型する。コーテッドサンドで形成された上側鋳型２０Ａと下側鋳型２０Ｂを準備し、夫々所定の配置位置に設置する。また、鋳鉄製の冷金２７とカーボン製の遮熱プレート２８を夫々必要数準備する。
【００５１】
Ｓ２の型込め工程において、各冷金２７の下側面２７ｃが下側鋳型２０Ｂの内側上面２０ｂに当接するように設置する。次に、各遮熱プレート２８の下側外周面２８ｃが下側鋳型２０Ｂの内面２０ｃに当接ように設置する。冷金２７と遮熱プレート２８が設置された下側鋳型２０Ｂに対して、上方から上側鋳型２０Ａを被せて型込めし、キャビティ２１を内部に形成した鋳型２０を形成する。
【００５２】
Ｓ３の鋳込み工程において、球状黒鉛を含有したダクタイル鋳鉄の溶湯を溶湯供給口２２から注湯し、キャビティ２１に溶湯を充填する。注湯完了後、溶湯が凝固するまで所定時間放置する。Ｓ４の解枠（型ばらし）工程において、鋳型２０を粉砕する。このとき、冷金２７はカムシャフト４のノーズ部１１ａから取り外され、遮熱プレート２８はカムシャフト４の隙間溝１３に嵌合した状態である。
【００５３】
カムシャフト４の冷却（Ｓ５）後、カムシャフト４に付着した鋳物砂を取り除くスチールショットブラストを行う（Ｓ６）。スチールショットの条件は、粒径１〜２ｍｍのスチール粒子を使用し、カムシャフト４に付着した鋳物砂の残量が５ｍｇ以下になるように噴射速度と噴射時間が設定されている。ここで、スチール粒子の粒径が１ｍｍ未満の場合、鋳物砂の除去に長時間を要し、スチール粒子の粒径が２ｍｍよりも大きな場合、鋳肌を傷める可能性があるため、粒径１〜２ｍｍのスチール粒子を使用している。
【００５４】
Ｓ７において、鋳仕上げ工程を行う。Ｓ７では、バリ取りやカムシャフト４等の軸心矯正等の機械加工を行う。ここで、高速カム１０のノーズ部１０ａの基地組織は、遮熱プレート２８の遮熱効果によってチル化されてないため、切削機等によって容易に軸心矯正等の切削加工を行うことができる。
【００５５】
鋳仕上げ工程後、ガラスショットブラストを行う（Ｓ８）。スチールショットブラスト工程では、隙間溝１３から突出した遮熱プレート２８を部分的には破壊、除去することができるが、隙間溝１３内部や角部等に遮熱プレート２８の残部（カーボン）が残っている。特に、隙間溝１３の幅が小さいほど、また、スチール粒子の粒径が大きいほど、溝内部に残るカーボン割合が増加する。そこで、Ｓ８では、隙間溝１３に残るカーボンを取り除くガラスショットブラストを行う。ガラスショットの条件は、隙間溝１３の幅に応じた粒径、例えば、隙間溝１３の幅が２ｍｍの場合、粒径０．５ｍｍ程のガラス粒子を使用している。隙間溝１３に残るカーボン残量が予め設定した所定量以下になるように噴射速度と噴射時間が設定されている。尚、Ｓ８の後、高速カム１０のノーズ部１０ａに対して、基地組織を靭性の高い基地組織（ベイナイトとパーライト）に変換する焼入れ工程を行う。
【００５６】
次に、本カムシャフトの製造方法の作用、効果について説明する。
本カムシャフトの製造方法は、機構本体１４の摺動部１４ｂと摺動して排気弁９を昇降駆動するための低速カム１１と、ローラ部材１８と接触して排気弁９を昇降駆動するための高速カム１０を備えたため、低速側運転状態と高速側運転状態において、バルブリフト量を変更可能なカムシャフト４を製造することができる。
【００５７】
造型及び型込め工程では、鋳型２０内に、低速カム１１のノーズ部１１ａを成形する冷金２７を配置したため、低速カム１１のノーズ部１１ａの基地組織をチル化でき、ノーズ部１１ａを摺動動作に適した高硬度の基地組織に変換することができる。更に、鋳型２０内に、低速カム１１と高速カム１０の間の隙間溝１３にこれら両カム１０，１１の軸心と直交状の環状の側端面２８ｄを成形する遮熱プレート２８を配置したため、ノーズ部用キャビティ２３ａの溶湯とキャビティ形成部２７ａとが直接接触することを防止でき、ノーズ部１０ａのチル化を防止でき、ノーズ部１０ａをローラ部材１８との接触回転動作に適した靭性を備え、ピッチングを生じない基地組織に変換することができる。
【００５８】
しかも、鋳型２０へ冷金２７と遮熱プレート２８を配置することで、高速カム１０と低速カム１１に異なる基地組織を単一の鋳型２０によって形成することができる。鋳込み工程後、鋳型２０を型ばらしして、カムシャフト４から冷金２７を除去し、カムシャフト４をガラスショットブラスト処理し、カムシャフト４の隙間溝１３から遮熱プレート２８を破壊、除去したため、隙間溝１３の成形性を高めることができる。
【００５９】
つまり、低速カム１１を冷金２７によってチル化する一方、低速カム１１に隣接した高速カム１０のキャビティ２３ａと冷金２７との間を遮熱する遮熱プレート２８を備えたため、高速カム１０のノーズ部１０ａをチル化することなく、後工程により高速カム１０に靭性を高める焼入れ処理を行うことができる。しかも、低速カム１１と高速カム１０の間の隙間溝１３を鋳型２０に配置された遮熱プレート２８によって形成でき、単一の鋳型２０による鋳込み工程で隙間溝１３を成形できるため、カムシャフト４の成形性を高めることができる。
【００６０】
型ばらし後且つガラスショットブラスト工程の前に、所定粒径のスチール粒子をカムシャフト４に衝突させて鋳物砂を除去するスチールショットブラスト工程を備え、ガラスショットブラスト工程において、スチール粒径よりも小さい粒径のガラス粒子を遮熱プレート２８に衝突させてカムシャフト４に付着する遮熱プレート２８を破壊、除去したため、カムシャフト４の鋳肌を傷つけることなく、低速カム１１と高速カム１０の間の隙間溝１３から遮熱プレートを確実に除去することができる。
【００６１】
遮熱プレート２８は、カーボンから構成されたため、低速カム１１に隣接した高速カム１０と冷金２７との遮熱性と遮熱プレート２８の破壊除去性を両立することができる。
カムシャフト４は、１対の低速カム１１と、これら低速カム１１の間に配置された高速カム１０を備えたため、１対の低速カム１１をチル化でき、これら低速カム１１の間に配置された高速カム１０に対して靭性を高める焼入れ処理を後工程で行うことができる。
【００６２】
次に、前記実施例を部分的に変更した変形例について説明する。
１〕前記実施例においては、１気筒に対して排気弁が２つ配置され、一方の排気弁にリフト量可変機構を装着した例について説明したが、両方の排気弁にリフト量可変機構を装着することも可能である。また、１対の低速カムとこのカム間に配置された高速カムの３つのカムが単独の排気弁を駆動する例について説明したが、単独の排気弁に対して高速カムと低速カムを各々１つ設けることも可能である。更に、リフト量可変機構は、吸気、排気両方のカムシャフトに装着するものでも良く、何れか一方のカムシャフトに装着するものであっても良い。
【００６３】
２〕前記実施例においては、ロッカーアーム式の動弁系構造に適用した例を説明したが、高速側運転状態において、高速カムがローラ部材と接触回転するものであれば良く、タペット式の動弁系構造に適用することも可能である。
【００６４】
３〕前記実施例においては、カーボン製の遮熱プレートの例を説明したが、ショットブラストによる崩壊性と遮熱性を満たす素材であれば良く、カーボン以外の素材による遮熱プレートも適用可能である。
【００６５】
４〕その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態も包含するものである。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、高速側運転状態と低速側運転状態でバルブリフト量を変更可能なカムシャフトの製造方法及びカムシャフトを鋳造する鋳型の鋳型構造において、単一鋳型に冷金と遮熱プレートを組み込むことよって基地組織の異なる低速カムと高速カムを鋳込み工程によって成形することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１ エンジン
４ カムシャフト
９ 排気弁
１０ 高速カム
１１ 低速カム
１３ 隙間溝
１４ 機構本体
１４ｂ 摺動部
１５ 可動部材
１８ ローラ部材
２０ 鋳型
２０Ａ 上側鋳型
２０Ｂ 下側鋳型
２７ 冷金
２７ａ キャビティ形成部
２８ 遮熱プレート
２８ｄ 側端面
Ｍ リフト量可変機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カムシャフトの製造方法及びカムシャフトを鋳造する鋳型の鋳型構造に関し、特に、基地組織の異なる低速カムと高速カムを単一の鋳型によって成形可能なカムシャフトの製造方法及びカムシャフトを鋳造する鋳型の鋳型構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車用エンジンでは、低速側運転状態でのトルクを高め、高速側運転状態での出力を高めるため、吸気用カムシャフトの吸気カムに、高速側運転状態と低速側運転状態で夫々吸気弁を開閉する高速カムと低速カムを設け、排気用カムシャフトの排気カムに、高速側運転状態と低速側運転状態で夫々排気弁を開閉する高速カムと低速カムを設けた構造は公知である。
【０００３】
高速側運転状態では吸気弁と排気弁のバルブリフト量を大きくして各行程における吸排気量を増すことが望ましく、高速カムのノーズ部の高さ（ノーズ高さ）は低速カムのノーズ高さよりも高く構成されている。高速カムと低速カムの組み合わせ構造については種々の構造が存在するが、例えば、高速カムの両側にこの高速カムよりもノーズ高さが低い２つの低速カムを設け、これら高速カムと低速カムを切換えるよう構成したものが提案されている。
【０００４】
エンジン運転中には、カムシャフトのカムは各弁を駆動するロッカーアームやタペットと回転摺動しているため、カムのノーズ部には高い耐磨耗性が要求されている。
それ故、このノーズ部の耐磨耗性を向上させるために、例えば、ダクタイル鋳鉄製のカムシャフトを鋳造する際に、鋳型内のノーズ部を形成するキャビティにおいて、溶湯を急速凝固させてノーズ部の表面の金属組織をチル化する目的で、熱伝導率の高い金属、例えば、鋳鉄の冷金が用いられている。
【０００５】
特許文献１のカムシャフトの製造方法は、高速側運転状態で高速用タペット分割体を押動して排気弁を開閉駆動するための高速カムと、この高速カムの両側に低速側運転状態で低速用タペット分割体を押動して排気弁を開閉駆動するための低速カムとを備えた、所謂摺動式動弁機構のカムシャフトの製造方法において、高速カムのノーズ部と低速カムのノーズ部を鋳造する鋳型のキャビティ部分に鋳鉄製冷金を組み込むように構成されている。
【０００６】
このカムシャフトの製造方法では、鋳型に溶湯を注入した後、溶湯を急速冷却すると、鋳鉄製冷金は鋳型よりも熱伝導率が高いため、ノーズ部に対応するキャビティ部分の溶湯が急速凝固してノーズ部が鋳造されると同時に基地組織がチル化されている。それ故、タペット表面と摺動する高速カムと低速カムは、ともに高い耐磨耗性を備えることができる。
【０００７】
吸排気弁を駆動する機構は、前述した摺動式動弁機構以外にカムをローラ部材と接触させて各弁を駆動させるローラ式動弁機構も知られている。このローラ式動弁機構は、ローラ部材が転動するため、摺動式動弁機構に比べてカムの摺動抵抗が低く、高速運転に適している。それ故、低速カムを摺動式動弁機構とし、高速カムをローラ式動弁機構とする併用式動弁機構も存在している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−３９１３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１のカムシャフトの製造方法は、高速カムのノーズ部と低速カムのノーズ部の両者がタペットと摺動する摺動式動弁機構を前提技術としている。つまり、両カムのノーズ部は耐摩耗性が必要であるため、両ノーズ部の基地組織を冷金を用いてチル化する構成となっている。
【００１０】
一方、ローラ式動弁機構のカムのノーズ部は、その機構上、耐摩耗性（硬度）よりも靭性が要求されており、逆に硬度が高い場合、ローラ部材がノーズ部とピッチングを起こすという虞がある。一般に、鋳鉄部材の靭性を増すためには、鋳造後、鋳鉄部材に焼入れ処理を行い、フェライトとパーライトから形成された基地組織を靭性に優れたベイナイトとパーライトから形成された基地組織に変化させることが行われている。
【００１１】
前記カムシャフトの製造方法では、高速カムと低速カムの両方が摺動式動弁機構であるため、両カムのキャビティ部分に鋳鉄製冷金を組み込む構成とし、所望のカム組織を得ることができる。しかし、高速カムをローラ式動弁機構とし、低速カムを摺動式動弁機構とした併用式動弁機構を対象したカムシャフトにおいて、低速カムのキャビティ部分に冷金を組み込む場合、熱伝導率の高い冷金が高速カムのキャビティ部分の溶湯温度を急激に低下させるため、高速カムのノーズ部の基地組織をチル化してしまうという問題がある。特に、エンジンのコンパクト化のため、高速カムと低速カムとの隙間が小さい場合、高速カムの冷却速度が増し、高速カムのノーズ部のチル化傾向は増加する。そして、チル化された高速カムを焼入れ処理した場合、焼き割れの発生を招く虞がある。
【００１２】
本発明の目的は、基地組織の異なる低速カムと高速カムを単一鋳型によって成形可能で且つ低速カムと高速カムの隙間を鋳込み工程で形成可能なカムシャフトの製造方法及びカムシャフトを鋳造する鋳型の鋳型構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１のカムシャフトの製造方法は、従動部材と摺動して低速用バルブ部材を昇降駆動するための低速カムと、ローラ部材と接触して高速用バルブ部材を昇降駆動するための高速カムを備え、前記低速カムと高速カムを隣接配置したカムシャフトの製造方法において、低速カムを成形する冷金を配置すると共に低速カムと高速カムの間にこれら両カムの軸心と直交状の環状の端面を成形する遮熱プレートを配置した鋳型を用いてカムシャフトを鋳造する第１工程と、次に、鋳型を型ばらしすると共に前記カムシャフトから前記冷金を除去する第２工程と、前記カムシャフトをショットブラスト処理し、前記カムシャフトから前記遮熱プレートを破壊、除去する第３工程と、を備えたことを特徴としている。
【００１４】
請求項１の発明では、低速カムと高速カムの間にこれら両カムの軸心と直交状の環状の端面を成形する遮熱プレートを配置した鋳型を用いてカムシャフトを鋳造したため、低速カムの鋳造時の冷却傾向を高速カムの鋳造時の冷却傾向に影響させることなく、鋳込み工程で低速カムと高速カムの隙間を形成することができる。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第２工程の後且つ第３工程の前に、第１粒径の球体を前記カムシャフトに衝突させて鋳物砂を除去するショットブラスト工程を備え、前記第３工程において、前記第１粒径よりも小さい第２粒径の球体を前記遮熱プレートに衝突させて前記カムシャフトから前記遮熱プレートを破壊、除去することを特徴としている。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記遮熱プレートは、カーボンから構成されたことを特徴としている。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項１〜３の何れか１つの発明において、前記カムシャフトは、１対の低速カムと、これら低速カムの間に配置された高速カムを備えたことを特徴としている。
【００１８】
請求項５のカムシャフトを鋳造する鋳型の鋳型構造は、従動部材と摺動して低速用バルブ部材を昇降駆動するための低速カムと、ローラ部材と接触して高速用バルブ部材を昇降駆動するための高速カムを備え、前記低速カムと高速カムを隣接配置したカムシャフトを鋳造する鋳型の鋳型構造において、低速カムを成形する冷金を配置すると共に、低速カムと高速カムの間にこれら両カムの軸心と直交状の環状の端面を成形する遮熱プレートを配置したことを特徴としている。
【００１９】
請求項５の発明では、低速カムと高速カムの間にこれら両カムの軸心と直交状の環状の端面を成形する遮熱プレートを配置した鋳型を用いてカムシャフトを鋳造したため、低速カムの鋳造時の冷却傾向を高速カムの鋳造時の冷却傾向に影響させることなく、鋳込み工程で低速カムと高速カムの隙間を形成する鋳型を得ることができる。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記カムシャフトは、１対の低速カムと、これら低速カムの間に配置された高速カムを備え、１対の冷金の間に１対の遮熱プレートを配置したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１の発明によれば、従動部材と摺動して低速用バルブ部材を昇降駆動するための低速カムと、ローラ部材と接触して高速用バルブ部材を昇降駆動するための高速カムを隣接配置したカムシャフトにおいて、基地組織の異なる低速カムと高速カムを単一の鋳型によって成形することができる。
【００２２】
つまり、低速カムの基地組織を冷金によってチル化する一方、低速カムに隣接した高速カムと冷金との間を遮熱する遮熱プレートを備えたため、高速カムをチル化させることなく、後工程による高速カムに靭性を高める焼入れ処理を行うことができる。しかも、低速カムと高速カムの隙間を鋳型に配置された遮熱プレートによって形成でき、鋳込み工程で低速カムと高速カムの隙間を成形できるため、カムシャフトの成形性を高めることができる。
【００２３】
請求項２の発明によれば、第２工程の後且つ第３工程の前でカムシャフトの鋳造品から鋳物砂を除去でき、第３工程で低速カムと高速カムの隙間から遮熱プレートを確実に除去することができる。
請求項３の発明によれば、低速カムに隣接した高速カムと冷金との間の遮熱性と遮熱プレートの破壊除去性を両立することができる。
請求項４の発明によれば、１対の低速カムをチル化でき、これら低速カムの間に配置された高速カムに対して靭性を高める後工程の焼入れ処理を行うことができる。
【００２４】
請求項５の発明によれば、従動部材と摺動して低速用バルブ部材を昇降駆動するための低速カムと、ローラ部材と接触して高速用バルブ部材を昇降駆動するための高速カムを隣接配置したカムシャフトを鋳造する鋳型において、基地組織の異なる低速カムと高速カムを成形可能な単一の鋳型を得ることができる。
請求項６の発明によれば、１対の低速カムをチル化でき、これら低速カムの間に配置された高速カムに対して靭性を高める後工程の熱処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例に係るカムシャフト付近の平面図である。
【図２】カムシャフトの外観図である。
【図３】図１のIII−III線断面図である。
【図４】図３のIV−IV線断面図である。
【図５】高速運転状態における図３相当図である。
【図６】高速運転状態における図４相当図である。
【図７】鋳型の縦断面図である。
【図８】図７における要部拡大図である。
【図９】図８のIX−IX線断面図である。
【図１０】図８のX−X線断面図である。
【図１１】冷金の斜視図である。
【図１２】遮熱プレートの斜視図である。
【図１３】カムシャフト製造方法の工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。
【実施例】
【００２７】
以下、この発明の実施例について、図１〜図１３に基づいて説明する。
【００２８】
本実施例に係る自動車用エンジンのカムシャフトは、直列多気筒、例えば、４気筒の４バルブＤＯＨＣエンジンに搭載されるものである。
図１に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２に、吸気用カムシャフト３と排気用カムシャフト４が配設され、これら２本のカムシャフト３，４の左端部には夫々タイミングプーリー５，６が設けられている。これらのタイミングプーリー５，６は、タイミングベルト７によりクランクシャフト（図示略）に連結されている。それ故、カムシャフト３，４は、タイミングベルト７によりクランクシャフトの回転がカムシャフト３，４に伝達されて回転駆動されるように構成されている。
【００２９】
２本のカムシャフト３，４は略同様の構造であるため、排気用カムシャフト４について説明する。図２に示すように、カムシャフト４には、高速側運転状態で一方の排気弁９（図３参照）を開閉駆動する為の高速カム１０と、この高速カム１０の左右両側に所定の間隔、例えば、２ｍｍの隙間溝１３を空けて位置し低速側運転状態で前記排気弁９を開閉駆動する為の２つの低速カム１１と、低速用カム１１と離間して位置し全運転状態で他方の排気弁（図示略）を開閉駆動する為の全領域カム１２が、各気筒８（図１参照）に対応するように合計４組設けられている。尚、カムシャフト４と、高速カム１０と、低速カム１１と、全領域カム１２は、共通の軸心回りに回転可能に構成されている。
【００３０】
図３、図５に示すように、高速カム１０と低速カム１１には、排気弁９を下方へ押動する為にカムシャフト４の外周側へ突出状に形成されたノーズ部１０ａ，１１ａが設けられ、高速側運転状態での排気量を大きくする為に高速カム１０のノーズ部１０ａの高さ（以下、ノーズ高さという）は低速カム１１のノーズ部１１ａのノーズ高さに比べ高く形成されている。
【００３１】
図３〜図６に示すように、カムシャフト４の上側には、排気弁９のバルブリフト量をエンジン１の運転状態に応じて変更可能なリフト量可変機構Ｍが設けられている。この可変機構Ｍは、シリンダヘッド２に対して上下揺動可能に一端側を軸支されており、エンジン１の運転状態に応じて、高速カム１０と低速カム１１の何れか一方によって他端側に連結された排気弁９を開閉駆動するように切換可能に構成されている。
【００３２】
リフト量可変機構Ｍは、機構本体１４と、可動部材１５と、ロックピン１６と、このロックピン１６を図３において右方へ駆動する油圧シリンダ（図示略）と、ロックピン１６を図３において左方へ付勢するスプリング１７等を備えている。尚、図３、図４は低速側運転状態、図５、図６は高速側運転状態における可変機構Ｍの作動状態を示している。
【００３３】
機構本体１４は、カムシャフト４の軸心と直交状の１対の側壁部１４ａと、夫々の側壁部１４ａの下部から下方に延設された側面視で略円弧状の摺動部１４ｂと、これら側壁部１４ａを所定間隔空けて連結する連結部１４ｃ等から構成されている。
夫々の摺動部１４ｂの下端面は、低速側運転状態で低速カム１１と摺動可能に構成されている。連結部１４ｃは、油圧通路１４ｄと、ロックピン１６とスプリング１７を格納可能な格納部１４ｅと、排気弁９の基端部と連結且つ押動可能な部分球面形状の凹部１４ｆから形成されている。
【００３４】
可動部材１５は、夫々対向する側壁部１４ａの間に位置し、ばね等の付勢手段（図示略）によって常時下方へ弾性付勢されて配置されている。可動部材１５は、カムシャフト４の軸心と直交状の１対の側壁部１５ａと、これら側壁部１５ａ間に架着された軸部１５ｂと、これら側壁部１５ａを所定間隔空けて連結する連結部１５ｃと、軸部１５ｂに複数のローラベアリングを介して回転可能に枢支されたローラ部材１８等から構成されている。
【００３５】
連結部１５ｃは、連結部１４ｃに対向する側に係合穴１５ｄが形成されている。係合穴１５ｄは、格納部１４ｅから油圧が排出されたとき、スプリング１７に付勢されたロックピン１６が係合可能に構成されている。この構成によって、可動部材１５と機構本体１４が一体的に連結され高速カム１０に従動するように一体動作する連結状態と、可動部材１５と機構本体１４が分離されて低速カム１１に従動する非連結状態とに切換えることができる。ローラ部材１８の外周面は、常時、高速カム１０と接触可能に構成されている。
【００３６】
リフト量可変機構Ｍにより高速用カム１０と低速用カム１１を切換える場合について説明する。図３、図４に示すように、低速側運転状態において、格納部１４ｅに油圧が供給されている。この油圧によりスプリング１７が圧縮され、ロックピン１６が右方に駆動されている。それ故、可動部材１５と機構本体１４が独立動作可能な非連結状態とされ、高速カム１０はローラ部材１８と接触し、低速カム１１は摺動部１４ｂと摺動している。そして、ロックピン１６が係合穴１５ｄへ係合していないため、高速カム１０のノーズ部１０ａの形状に沿って可動部材１５は機構本体１４に対して上下動するものの、排気弁９に開閉駆動力を伝達しない。従って、２つの低速カム１１のノーズ部１１ａにより押動される機構本体１４が排気弁９を駆動する。これにより、排気弁９のリフト及び開閉タイミングは低速カム１１のノーズ部１１ａの形状により決定される。
【００３７】
図５、図６に示すように、高速側運転状態において、エンジン１の制御ユニットからの指令により、油圧通路１４ｄを介して格納部１４ｅから油圧が排出される。これにより、ロックピン１６がスプリング１７の付勢力によって左方に駆動され、係合穴１５ｄに内嵌し、可動部材１５と機構本体１４が一体的に連結された連結状態となる。
このとき、高速カム１０のノーズ高さは低速カム１１のノーズ高さよりも高いため、高速カム１０とローラ部材１８が当接すると、２つの低速カム１１と摺動部１４ｂは接触しない。従って、高速カム１０のノーズ部１０ａにより押動される可動部材１５と連結された機構本体１４が排気弁９を駆動する。これにより、排気弁９のリフト及び開閉タイミングは高速用カム１０のノーズ部１０ａの形状により決定される。
【００３８】
以上のように、このエンジン１は、低速側運転状態において低速カム１１が機構本体１４の摺動部１４ｂと摺動する摺動式動弁機構と、高速側運転状態において高速カム１０がローラ部材１８と接触回転するローラ式動弁機構を夫々作動可能な併用式動弁機構を備えている。それ故、エンジン１の運転状態に応じて、高速用カム１０と低速用カム１１の何れか一方により排気弁９を開閉駆動するように切換えることで、低速側運転状態でのトルクを確保すると共に、高速側運転状態での出力を向上させることができる。
【００３９】
次に、カムシャフト４の鋳型について説明する。
カムシャフト４は、例えば、球状黒鉛を含有したダクタイル鋳鉄製で構成される。このカムシャフト４を鋳造する為の鋳型には、図７〜図１０に示すように、コーテッドサンドで形成された鋳型２０（シェル鋳型）が用いられる。この鋳型２０は、上側鋳型２０Ａと下側鋳型２０Ｂとを上下に接合固定して構成されている。鋳型２０の内部には、カムシャフト４を鋳造する為のカムシャフト用キャビティ２１が形成され、このキャビティ２１には、矢印で示すように、溶湯供給口２２を介して外部からダクタイル鋳鉄の溶湯が供給される。
【００４０】
カムシャフト用キャビティ２１には、高速カム１０を鋳造する高速カム用キャビティ２３と、高速カム用キャビティ２３の両側の２つの低速カム１１を鋳造する２つの低速カム用キャビティ２４と、全領域カム１２を鋳造する全領域カム用キャビティ２５と、高速カム用キャビティ２３と２つの低速カム用キャビティ２４とを連結し且つカム１０，１１の間の隙間溝１３を形成する隙間溝用キャビティ２６等を含んで構成されている。
【００４１】
上側鋳型２０Ａにより、高速カム用キャビティ２３の上端側部分に高速カム１０のノーズ部１０ａを鋳造するノーズ部用キャビティ２３ａが形成される。
鋳型２０に組み込まれた冷金２７により、低速カム用キャビティ２４の上端側部分に低速カム１１のノーズ部１１ａを鋳造するノーズ部用キャビティ２４ａが形成される。この冷金２７は、前記キャビティ２４ａ内の溶湯を急速凝固させることによりノーズ部１１ａの表面の基地組織をチル化して、ノーズ部１１ａの耐磨耗性（硬度）を確保するためのものである。
【００４２】
ノーズ部用キャビティ２３ａ，２４ａはノーズ部１０ａ，１１ａの形状に応じて上方へ突出状に形成され、高速カム１０のノーズ部１０ａを低速カム１１のノーズ部１１ａよりもノーズ高さが高くなるように鋳造するため、高速カム１０のノーズ部キャビティ２３ａは、低速カム１１のノーズ部キャビティ２４ａよりもさらに上方へ突出するように構成されている。
【００４３】
鋳型２０に組み込まれた遮熱プレート２８により、隙間溝用キャビティ２６が形成される。この遮熱プレート２８は、前記冷金２７とノーズ部用キャビティ２３ａとの間の熱伝導を遮断することで、前記キャビティ２４ａ内の溶湯の急速凝固によるチル化を防止するためのものである。この構成により、ノーズ部１０ａの基地組織のチル化を防止でき、後行程における焼入れ処理によって、ノーズ部１０ａの靭性を確保することができる。
【００４４】
次に、冷金２７の構造について説明する。
図７〜図９、図１１に示すように、鋳鉄製の冷金２７は、例えば、略鞍状の板部材から形成されている。冷金２７は、低速カム１１のノーズ部用キャビティ２４ａを形成するキャビティ形成部２７ａと、上側鋳型２０Ａの内面２０ａと当接する上側外周面２７ｂと、下側鋳型２０Ｂの内側上面２０ｂに当接して冷金２７を支持可能な下側面２７ｃと、低速カム１１の回転軸心と直交状に配置される１対の側端面２７ｄを備えている。
【００４５】
この冷金２７は、低速カム１１のノーズ部用キャビティ２４ａ毎に鋳型２０に配置されている。尚、キャビティ形成部２７ａに、キャビティ２１の軸心側から反対側まで連通したガス抜き溝を形成することも可能である。ガス抜き溝を形成することにより、低速カム１１のノーズ部用キャビティ２４ａ内のガスが上方へ抜けやすくなり、ノーズ部用キャビティ内２４ａにガスが滞留することがなく、ノーズ部１１ａに鋳造欠陥が生じることを防止できる。
【００４６】
前述した冷金２７の作用について説明する。
ノーズ部用キャビティ２４ａ内の溶湯がキャビティ形成部２７ａと接触することにより、この溶湯が急速凝固され、ノーズ部１１ａの表面の基地組織にオーステナイトとセメンタイトとの共晶、所謂レデブライトが共出する。従って、冷金２７のキャビティ形成部２７ａに接触する所定範囲がチル化され、キャビティ形成部２７ａに沿ってチル化層を所定深さに亙って形成することができ、例えば、ＨｒＣ５０以上の高硬度の基地組織を得ることができる。
【００４７】
次に、遮熱プレート２８の構造について説明する。
図７，図８，図１０、図１２に示すように、遮熱プレート２８は、例えば、外周形状が楕円状のカーボン製の板部材から形成されている。遮熱プレート２８は、隙間溝用キャビティ２６を形成するキャビティ形成部２８ａと、上側鋳型２０Ａの内面２０ａと当接する上側外周面２８ｂと、下側鋳型２０Ｂの内面２０ｃに当接して支持される下側外周面２８ｃと、カムシャフト４の軸心と直交状且つ１対の環状の側端面２８ｄを備えている。
【００４８】
キャビティ形成部２８ａの上端部から上側外周面２８ｂの上端部までの幅は、キャビティ形成部２８ａの下端部から下側外周面２８ｃの下端部までの幅に比べて大きく形成されている。この遮熱プレート２８は、隙間溝用キャビティ２６毎に鋳型２０に配置されている。
【００４９】
前述した遮熱プレート２８の作用について説明する。
高速カム１０のノーズ部１０ａのノーズ高さは低速カム１１のノーズ部１１ａのノーズ高さに比べて高く設定されているため、冷金２７を上側鋳型２０Ａに配置したとき、キャビティ形成部２７ａとノーズ部用キャビティ２３ａは隣接状に位置している。キャビティ形成部２７ａとノーズ部用キャビティ２３ａとの間に、ノーズ部用キャビティ２３ａよりも上方に高く形成された遮熱プレート２８が設置されたため、ノーズ部用キャビティ２３ａに充填された溶湯がキャビティ形成部２７ａと直接接触することがなく、ノーズ部用キャビティ２３ａの溶湯が冷金２７によって急速冷却されることがない。それ故、ノーズ部１０ａのチル化を防止することができる。しかも、高速カム１０と低速カム１１の間隔が狭い場合であっても、遮熱プレート２８を鋳型２０に設置することによって、隙間溝用キャビティ２６を鋳込み段階で成形することができる。
【００５０】
カムシャフト４の製造方法について、図１３の工程図に基づいて説明する。
尚、Ｓｉ（ｉ＝１，２…）は各ステップを示す。
まず、Ｓ１の造型工程において、鋳型２０を造型する。コーテッドサンドで形成された上側鋳型２０Ａと下側鋳型２０Ｂを準備し、夫々所定の配置位置に設置する。また、鋳鉄製の冷金２７とカーボン製の遮熱プレート２８を夫々必要数準備する。
【００５１】
Ｓ２の型込め工程において、各冷金２７の下側面２７ｃが下側鋳型２０Ｂの内側上面２０ｂに当接するように設置する。次に、各遮熱プレート２８の下側外周面２８ｃが下側鋳型２０Ｂの内面２０ｃに当接ように設置する。冷金２７と遮熱プレート２８が設置された下側鋳型２０Ｂに対して、上方から上側鋳型２０Ａを被せて型込めし、キャビティ２１を内部に形成した鋳型２０を形成する。
【００５２】
Ｓ３の鋳込み工程において、球状黒鉛を含有したダクタイル鋳鉄の溶湯を溶湯供給口２２から注湯し、キャビティ２１に溶湯を充填する。注湯完了後、溶湯が凝固するまで所定時間放置する。Ｓ４の解枠（型ばらし）工程において、鋳型２０を粉砕する。このとき、冷金２７はカムシャフト４のノーズ部１１ａから取り外され、遮熱プレート２８はカムシャフト４の隙間溝１３に嵌合した状態である。
【００５３】
カムシャフト４の冷却（Ｓ５）後、カムシャフト４に付着した鋳物砂を取り除くスチールショットブラストを行う（Ｓ６）。スチールショットの条件は、粒径１〜２ｍｍのスチール粒子を使用し、カムシャフト４に付着した鋳物砂の残量が５ｍｇ以下になるように噴射速度と噴射時間が設定されている。ここで、スチール粒子の粒径が１ｍｍ未満の場合、鋳物砂の除去に長時間を要し、スチール粒子の粒径が２ｍｍよりも大きな場合、鋳肌を傷める可能性があるため、粒径１〜２ｍｍのスチール粒子を使用している。
【００５４】
Ｓ７において、鋳仕上げ工程を行う。Ｓ７では、バリ取りやカムシャフト４等の軸心矯正等の機械加工を行う。ここで、高速カム１０のノーズ部１０ａの基地組織は、遮熱プレート２８の遮熱効果によってチル化されてないため、切削機等によって容易に軸心矯正等の切削加工を行うことができる。
【００５５】
鋳仕上げ工程後、ガラスショットブラストを行う（Ｓ８）。スチールショットブラスト工程では、隙間溝１３から突出した遮熱プレート２８を部分的には破壊、除去することができるが、隙間溝１３内部や角部等に遮熱プレート２８の残部（カーボン）が残っている。特に、隙間溝１３の幅が小さいほど、また、スチール粒子の粒径が大きいほど、溝内部に残るカーボン割合が増加する。そこで、Ｓ８では、隙間溝１３に残るカーボンを取り除くガラスショットブラストを行う。ガラスショットの条件は、隙間溝１３の幅に応じた粒径、例えば、隙間溝１３の幅が２ｍｍの場合、粒径０．５ｍｍ程のガラス粒子を使用している。隙間溝１３に残るカーボン残量が予め設定した所定量以下になるように噴射速度と噴射時間が設定されている。尚、Ｓ８の後、高速カム１０のノーズ部１０ａに対して、基地組織を靭性の高い基地組織（ベイナイトとパーライト）に変換する焼入れ工程を行う。
【００５６】
次に、本カムシャフトの製造方法の作用、効果について説明する。
本カムシャフトの製造方法は、機構本体１４の摺動部１４ｂと摺動して排気弁９を昇降駆動するための低速カム１１と、ローラ部材１８と接触して排気弁９を昇降駆動するための高速カム１０を備えたため、低速側運転状態と高速側運転状態において、バルブリフト量を変更可能なカムシャフト４を製造することができる。
【００５７】
造型及び型込め工程では、鋳型２０内に、低速カム１１のノーズ部１１ａを成形する冷金２７を配置したため、低速カム１１のノーズ部１１ａの基地組織をチル化でき、ノーズ部１１ａを摺動動作に適した高硬度の基地組織に変換することができる。更に、鋳型２０内に、低速カム１１と高速カム１０の間の隙間溝１３にこれら両カム１０，１１の軸心と直交状の環状の側端面２８ｄを成形する遮熱プレート２８を配置したため、ノーズ部用キャビティ２３ａの溶湯とキャビティ形成部２７ａとが直接接触することを防止でき、ノーズ部１０ａのチル化を防止でき、ノーズ部１０ａをローラ部材１８との接触回転動作に適した靭性を備え、ピッチングを生じない基地組織に変換することができる。
【００５８】
しかも、鋳型２０へ冷金２７と遮熱プレート２８を配置することで、高速カム１０と低速カム１１に異なる基地組織を単一の鋳型２０によって形成することができる。鋳込み工程後、鋳型２０を型ばらしして、カムシャフト４から冷金２７を除去し、カムシャフト４をガラスショットブラスト処理し、カムシャフト４の隙間溝１３から遮熱プレート２８を破壊、除去したため、隙間溝１３の成形性を高めることができる。
【００５９】
つまり、低速カム１１を冷金２７によってチル化する一方、低速カム１１に隣接した高速カム１０のキャビティ２３ａと冷金２７との間を遮熱する遮熱プレート２８を備えたため、高速カム１０のノーズ部１０ａをチル化することなく、後工程により高速カム１０に靭性を高める焼入れ処理を行うことができる。しかも、低速カム１１と高速カム１０の間の隙間溝１３を鋳型２０に配置された遮熱プレート２８によって形成でき、単一の鋳型２０による鋳込み工程で隙間溝１３を成形できるため、カムシャフト４の成形性を高めることができる。
【００６０】
型ばらし後且つガラスショットブラスト工程の前に、所定粒径のスチール粒子をカムシャフト４に衝突させて鋳物砂を除去するスチールショットブラスト工程を備え、ガラスショットブラスト工程において、スチール粒径よりも小さい粒径のガラス粒子を遮熱プレート２８に衝突させてカムシャフト４に付着する遮熱プレート２８を破壊、除去したため、カムシャフト４の鋳肌を傷つけることなく、低速カム１１と高速カム１０の間の隙間溝１３から遮熱プレートを確実に除去することができる。
【００６１】
遮熱プレート２８は、カーボンから構成されたため、低速カム１１に隣接した高速カム１０と冷金２７との遮熱性と遮熱プレート２８の破壊除去性を両立することができる。
カムシャフト４は、１対の低速カム１１と、これら低速カム１１の間に配置された高速カム１０を備えたため、１対の低速カム１１をチル化でき、これら低速カム１１の間に配置された高速カム１０に対して靭性を高める焼入れ処理を後工程で行うことができる。
【００６２】
次に、前記実施例を部分的に変更した変形例について説明する。
１〕前記実施例においては、１気筒に対して排気弁が２つ配置され、一方の排気弁にリフト量可変機構を装着した例について説明したが、両方の排気弁にリフト量可変機構を装着することも可能である。また、１対の低速カムとこのカム間に配置された高速カムの３つのカムが単独の排気弁を駆動する例について説明したが、単独の排気弁に対して高速カムと低速カムを各々１つ設けることも可能である。更に、リフト量可変機構は、吸気、排気両方のカムシャフトに装着するものでも良く、何れか一方のカムシャフトに装着するものであっても良い。
【００６３】
２〕前記実施例においては、ロッカーアーム式の動弁系構造に適用した例を説明したが、高速側運転状態において、高速カムがローラ部材と接触回転するものであれば良く、タペット式の動弁系構造に適用することも可能である。
【００６４】
３〕前記実施例においては、カーボン製の遮熱プレートの例を説明したが、ショットブラストによる崩壊性と遮熱性を満たす素材であれば良く、カーボン以外の素材による遮熱プレートも適用可能である。
【００６５】
４〕その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態も包含するものである。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、高速側運転状態と低速側運転状態でバルブリフト量を変更可能なカムシャフトの製造方法及びカムシャフトを鋳造する鋳型の鋳型構造において、単一鋳型に冷金と遮熱プレートを組み込むことよって基地組織の異なる低速カムと高速カムを鋳込み工程によって成形することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１ エンジン
４ カムシャフト
９ 排気弁
１０ 高速カム
１１ 低速カム
１３ 隙間溝
１４ 機構本体
１４ｂ 摺動部
１５ 可動部材
１８ ローラ部材
２０ 鋳型
２０Ａ 上側鋳型
２０Ｂ 下側鋳型
２７ 冷金
２７ａ キャビティ形成部
２８ 遮熱プレート
２８ｄ 側端面
Ｍ リフト量可変機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
従動部材と摺動して低速用バルブ部材を昇降駆動するための低速カムと、ローラ部材と接触して高速用バルブ部材を昇降駆動するための高速カムを備え、前記低速カムと高速カムを隣接配置したカムシャフトの製造方法において、
低速カムを成形する冷金を配置すると共に低速カムと高速カムの間にこれら両カムの軸心と直交状の環状の端面を成形する遮熱プレートを配置した鋳型を用いてカムシャフトを鋳造する第１工程と、
次に、鋳型を型ばらしすると共に前記カムシャフトから前記冷金を除去する第２工程と、
前記カムシャフトをショットブラスト処理し、前記カムシャフトから前記遮熱プレートを破壊、除去する第３工程と、
を備えたことを特徴とするカムシャフトの製造方法。
【請求項２】
前記第２工程の後且つ第３工程の前に、第１粒径の球体を前記カムシャフトに衝突させて鋳物砂を除去するショットブラスト工程を備え、
前記第３工程において、前記第１粒径よりも小さい第２粒径の球体を前記遮熱プレートに衝突させて前記カムシャフトから前記遮熱プレートを破壊、除去することを特徴とする請求項１に記載のカムシャフトの製造方法。
【請求項３】
前記遮熱プレートは、カーボンから構成されたことを特徴とする請求項１に記載のカムシャフトの製造方法。
【請求項４】
前記カムシャフトは、１対の低速カムと、これら低速カムの間に配置された高速カムを備えたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載のカムシャフトの製造方法。
【請求項５】
従動部材と摺動して低速用バルブ部材を昇降駆動するための低速カムと、ローラ部材と接触して高速用バルブ部材を昇降駆動するための高速カムを備え、前記低速カムと高速カムを隣接配置したカムシャフトを鋳造する鋳型の鋳型構造において、
低速カムを成形する冷金を配置すると共に、低速カムと高速カムの間にこれら両カムの軸心と直交状の環状の端面を成形する遮熱プレートを配置したことを特徴とするカムシャフトを鋳造する鋳型の鋳型構造。
【請求項６】
前記カムシャフトは、１対の低速カムと、これら低速カムの間に配置された高速カムを備え、１対の冷金の間に１対の遮熱プレートを配置したことを特徴とする請求項５に記載のカムシャフトを鋳造する鋳型の鋳型構造。
【請求項１】
従動部材と摺動して低速用バルブ部材を昇降駆動するための低速カムと、ローラ部材と接触して高速用バルブ部材を昇降駆動するための高速カムを備え、前記低速カムと高速カムを隣接配置したカムシャフトの製造方法において、
低速カムを成形する冷金を配置すると共に低速カムと高速カムの間にこれら両カムの軸心と直交状の環状の端面を成形する遮熱プレートを配置した鋳型を用いてカムシャフトを鋳造する第１工程と、
次に、鋳型を型ばらしすると共に前記カムシャフトから前記冷金を除去する第２工程と、
前記カムシャフトをショットブラスト処理し、前記カムシャフトから前記遮熱プレートを破壊、除去する第３工程と、
を備えたことを特徴とするカムシャフトの製造方法。
【請求項２】
前記第２工程の後且つ第３工程の前に、第１粒径の球体を前記カムシャフトに衝突させて鋳物砂を除去するショットブラスト工程を備え、
前記第３工程において、前記第１粒径よりも小さい第２粒径の球体を前記遮熱プレートに衝突させて前記カムシャフトから前記遮熱プレートを破壊、除去することを特徴とする請求項１に記載のカムシャフトの製造方法。
【請求項３】
前記遮熱プレートは、カーボンから構成されたことを特徴とする請求項１に記載のカムシャフトの製造方法。
【請求項４】
前記カムシャフトは、１対の低速カムと、これら低速カムの間に配置された高速カムを備えたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載のカムシャフトの製造方法。
【請求項５】
従動部材と摺動して低速用バルブ部材を昇降駆動するための低速カムと、ローラ部材と接触して高速用バルブ部材を昇降駆動するための高速カムを備え、前記低速カムと高速カムを隣接配置したカムシャフトを鋳造する鋳型の鋳型構造において、
低速カムを成形する冷金を配置すると共に、低速カムと高速カムの間にこれら両カムの軸心と直交状の環状の端面を成形する遮熱プレートを配置したことを特徴とするカムシャフトを鋳造する鋳型の鋳型構造。
【請求項６】
前記カムシャフトは、１対の低速カムと、これら低速カムの間に配置された高速カムを備え、１対の冷金の間に１対の遮熱プレートを配置したことを特徴とする請求項５に記載のカムシャフトを鋳造する鋳型の鋳型構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−２０１２７（Ｐ２０１１−２０１２７Ａ）
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６５４７３（Ｐ２００９−１６５４７３）
【出願日】平成２１年７月１４日（２００９．７．１４）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月１４日（２００９．７．１４）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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