説明

カムシャフト

【課題】 製造上の作業性が良好で、製品仕様、設計等の変更に対する調整も容易であり、コスト面も良好な、実用性の高い、制振性に優れたカムシャフトを提供する。
【解決手段】 少なくともシャフト部2とカムピース部3とを有するカムシャフト1において、前記シャフト部2が、中空の剛性管4と、この剛性管の内部空間内に配された、合口スキマ6が形成され、径方向断面が略C字形状を有する制振部材5とからなるものとする。制振部材5は、弾性復元性によって、その外周面を前記中空剛性管4の内周面に接触しており、制振性を発揮する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、内燃機関用のカムシャフトに関するものである。詳しく述べると、本発明は、制振性に優れたカムシャフトに関するものである。
【背景技術】
【0002】
内燃機関用エンジンにおいて、吸排気弁を駆動するカムシャフトとしては、従来、鋳鉄製の中実型カムシャフトが用いられていたが、内燃機関の高性能化、軽量化の要請から中空型カムシャフトが用いられるようになってきている。
【0003】
一方、内燃機関動弁系においては、低フリクションを達成させる目的で、ダイレクトタペットフォロア方式から、ローラロッカアームフォロワ方式に移行している例が多く見られる。しかし、ローラロッカアームフォロア方式とすることで、カムピースとフォロワ間に発生する接触面圧が上昇し、従来のチル鋳物製のカムシャフトでは強度的に満足することができなくなり、より高強度のFCD鋳鉄(球状黒鉛鋳鉄)に熱処理を施したもの等が採用されてきている。さらに炭素鋼やクロム鋼等をシャフトとして用い、鍛造品や焼結材等からなるカムピースを嵌め合わせた組立カムシャフトを使用したものも提唱されている。
【0004】
従来のチル鋳物製カムシャフトは、片状黒鉛鋳鉄のため、材料の防振性(減衰率)が比較的良好であったが、FCD鋳鉄製カムシャフトは制振性が低く、また、鋼製カムシャフトは高強度で軽量化にも寄与するが、FCD鋳鉄製のもの以上に制振性が低いものであった。
【0005】
このようにして、内燃機関動弁系のカムピースとフォロワ間において、運転中の打音が生じると、エンジンの静粛性に悪影響を及ぼし、内燃機関を搭載した車両の高級感を損ねてしまうこととなってしまう。
【0006】
このようなカムシャフトにおける打音の問題を解消するために、例えば、特許文献1には中空のシャフト部内にゴムあるいは発泡ウレタン等のダンピング材を充填してなるカムシャフトが提唱されている。また特許文献2には、外筒と内筒の2つの剛性管の間隙に熱可塑性液晶ポリエステル樹脂またはその組成物を充填してなるカムシャフトが、さらに特許文献3には、外筒と内筒の2つの剛性管の間隙に含油処理により膨潤した油膨潤性樹脂製管を装填してなるカムシャフトが提唱されている。
【特許文献1】特開昭58−138214号公報
【特許文献2】特開平4−287806号公報
【特許文献3】特開平7−119417号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、特許文献1〜3に示されるようなカムシャフトは、いずれも防振材となるゴムないし樹脂等の装填が難しく、その製造上で問題があるものであった。また、一般にシャフトの材質、形状等によってカムシャフトの固有振動数は変わってくるが、特許文献1〜3に示される技術においては、このような変動に応じて、発生する不快な音を低減するために装填する防振材で調整することが困難であり実用的ではなかった。
【0008】
従って、本発明は、上記した従来技術における問題点を解決してなるカムシャフトを提供することを課題とする。本発明はまた、その製造上の作業性が良好で、製品仕様、設計等の変更に対する調整も容易であり、コスト面も良好な、実用性の高い、制振性に優れたカムシャフトを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決する本発明は、少なくともシャフト部とカムピース部とを有するカムシャフトにおいて、前記シャフト部が、中空の剛性管と、この剛性管の内部空間内に配された、径方向断面が略C字形状を有する制振部材とを有し、制振部材の弾性復元性によって前記中空剛性管の内周面に前記制振部材の外周面が接触していることを特徴とするものである。
【0010】
本発明はまた、前記剛性管に挿入した状態の前記制振部材において、合口スキマの幅Wが、制振部材の外径円周長との比率の値で、5〜30%となるものである上記カムシャフトを示すものである。
【0011】
本発明はまた、前記剛性管に挿入した状態の前記制振部材において、制振部材の肉厚Tが、制振部材の外径Dとの比率の値で、10%〜50%未満となるものである上記カムシャフトを示すものである。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、上述したように、中空の剛性管の内部に配される制振部材として、その断面が略C字型のものを用いることによって、その挿入時における変形(縮径)が容易で挿入作業性が良好となり、また、この制振部材の合口スキマ幅および/または肉厚を調整することによって、シャフトの材質、形状等の変更等に応じて制振性を微調整することが可能となる。したがって、本発明によれば、制振性に優れ、かつ実用性に優れたカムシャフトを提供できるものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
以下、本発明につき、具体的実施形態に基づき詳細に説明する。
【0014】
図1は本発明に係るカムシャフトの一実施形態の構造を模式的に示す図面であり、また図2は本発明に係るカムシャフトの一実施形態の要部形状を示す図面である。
【0015】
本発明に係るカムシャフト1は、例えば、図1に示すように、シャフト部2とカムピース部3とを有するカムシャフトにおいて、前記シャフト部2が、中空の剛性管4と、この剛性管の内部空間内に配された、径方向断面が略C字形状を有する制振部材5とを有してなるものである。
【0016】
本発明において、中空の剛性管4の製法、材質等、特に限定されるものではなく、シャフト部2とカムピース部3とを鋳物として一体的に成型したものであっても、あるいは、中空の剛性管4によりシャフト部2となる管体のみを形成し、別途成型したカムピース部3をこのシャフト部に組み付ける等のいずれであっても良く、また、製法に応じて、FCD鋳鉄、チル鋳鉄、炭素鋼、クロム鋼、鉄系焼結材等各種のものとすることができる。
【0017】
また制振部材5についても、その材質としては、前記剛性管4の振動を抑制するのに十分な制振性を発揮するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、各種の樹脂およびゴム材といったエラストマー、これらのエラストマーと各種充填剤との複合体等を用いることができるが、特に、自動車エンジン等の内燃機関内部で使用される場合には、耐熱性、耐寒性、耐油性等に優れたものであることが望ましい。具体的には、例えば、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、アクリル系ゴム、含フッ素ゴム、シリコーンゴム等の各種ゴム、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリアセタール、液晶ポリエステル等の各種樹脂などが好ましく用いられる。
【0018】
このような制振部材5は、図1および2に示すように径方向断面が略C字形状であり、周面に一部切り欠き部(合口スキマ6)を有しているため、外力を加えることによって比較的容易に弾性変形し、縮径させることができる。このようにして、一端縮径させた状態で、中空の剛性管4の内部空間に挿入することができるため、その作業性は良好なものとなる。そして、最終的な製品中においては、制振部材5は、弾性復元性によって、その外周面が前記中空剛性管4の内周面に接触しており、制振性を発揮することとなる。
【0019】
また、制振部材5は、弾性復元性による中空剛性管4の内周面の接触と合わせて、制振部材5の外周面と中空剛性管4の内周面との一部を接着剤等を使用して、固着しても良い。
【0020】
このような構成を有する本発明に係るカムシャフトにおいては、この制振部材5の合口スキマ6の幅Wおよび/または制振部材5の肉厚Tを調整することにより、カムシャフトの制振性を調整することができる。
【0021】
前記剛性管4に挿入した状態の前記制振部材5において、合口スキマ6の幅Wが、制振部材5の外径円周長(D×π)との比率(合口スキマ率)の値で5〜30%、特に5〜20%となることが好ましい。
【0022】
【数1】

合口スキマ率が30%を超えた制振部材を配しても、制振性に対する効果は望めるものの、剛性管4への密着性が低下してしまい、シャフトの作動時に不具合が発生する虞れがあり、一方、5%未満のものであると、制振性の効果は良いが、その挿入作業性が悪くなるといった問題が生じる虞れがある。
【0023】
また、前記剛性管4に挿入した状態の前記制振部材5において、前記制振部材5の肉厚Tが、制振部材5の外径Dとの比率(肉厚率)の値で、10%〜50%未満、特に20〜40%となることが好ましい。
【0024】
【数2】

肉厚率が10%未満となると、剛性管4への密着性が低下してしまい制振性に対する効果が十分なものとならない虞れがあり、一方、50%(無垢状態)であると、制振性の効果は良いが、その挿入作業性が悪くなる。
【0025】
さらに本発明に係るカムシャフトにおいて、この制振部材5は、必ずしも、カムシャフトの全長にわたり、配してなくとも良く、その一部において配されていれば制振性を発揮することはできるが、望ましくは、その長さLがカムシャフトに配されているカムピースの両端の長さ、特に望ましくは、実質的に全長にわたり配されていることが望ましい。
【実施例】
【0026】
以下本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。
【0027】
<測定方法>
図3に示す測定機の構成により、各条件によるカムシャフトの自由振動を測定した。
【0028】
カムシャフトの片端部(エンドピース側)を、釣糸を使用し釣下げ、カムシャフトの反対側軸端部を略一定荷重によりインパルスハンマで叩き、カムシャフトの内径中空部長さの略中央に設置した加速度ピックアップから発信される振動をFFTアナライザに出力し、カムシャフトの自由振動を測定し、FCD鋳鉄カムシャフトとの比率を求めた。
【0029】
尚、各々の自由振動の減衰率は、FFTに入力された最初の波形の振幅H1と振幅H1から40msec後に一番近い振幅H2との比によって求めた。
【0030】
また、測定時間を40msecで行った理由として、アイドリングの回転数を720rpm(カムシャフトの回転数360rpm)と設定し、さらに、カムシャフト1本当たり8個のカムピースを配列(カムピース2個ずつ角度90°毎に位相がずれている。)したものに設定して行った。
【0031】
【数3】

【0032】
【数4】

<実施例1〜12および比較例1〜8>
鉄系焼結材(C−Ni−Mo−Fe)からなるカムピース材をスチール(S45C)の中空シャフトの所定箇所に配置してなるカムシャフトを製作した。
【0033】
次に、シャフトに制振部材が挿入された状態において、合口スキマの幅Wと、制振部材の外径円周長との比率(合口スキマ率)を表1に示すように設定した制振部材をシャフト内周に挿入して、試験用カムシャフトを製作した。
【0034】
【数5】

なお、試験用制振材の材質として、アクリルゴムおよびシリコンゴム、また、形状として、外径φ 20mm、肉厚 3mm、長さをシャフトの挿入口端面まで、のもので試験を行った。
【0035】
さらに比較対照として、FCD鋳鉄(質量%で、C:3.39%、Si:2.69%、Mn:0.35%、P:0.03%、S:0.01%、Mg:0.07%、Cu:0.25%、Ni:0.04%、残部Fe及び不可避不純物)のカムシャフト(実施例および比較例と同一形状)を製作した。
【0036】
なお、FCD鋳鉄製カムシャフトは、中実(無垢)品とし、このものにおける減衰を1として、実施例および比較例の減衰を比率として表した。
【0037】
得られた結果を表1に示す。
【0038】
【表1】

表1に示すように、本発明に係る実施例および比較例におけるものは、いずれも比較対照のFCD鋳鉄製カムシャフトと比較して高い制振性を示した。しかし合口スキマ率0%および3%のものは、制振部材のシャフトへの挿入が困難で、作業性の面から問題があった。
【0039】
したがって、合口スキマ率5〜30%のものが、優れた制振性および作業性を示すものであった。
【0040】
また、制振部材の材質における違いにおいても、制振性および作業性は同様の傾向が見られた。
【0041】
<実施例13〜24および比較例9〜14>
鉄系焼結材(C−Ni−Mo−Fe)からなるカムピース材をスチール(S45C)の中空シャフトの所定箇所に配置してなるカムシャフトを作製した。
【0042】
次に、シャフトに制振部材が挿入された状態において、肉厚Tと、制振部材の外径との比率(肉厚率)を表2に示すように設定した制振部材をシャフト内周に挿入して、試験用カムシャフトを製作した。
【0043】
【数6】

なお、試験用制振材の材質として、アクリルゴムおよびシリコンゴム、また、形状として、外径φ 20mm、合口スキマ 9.4mm、長さをシャフトの挿入口端面まで、のもので試験を行った。
【0044】
さらに比較対照として、FCD鋳鉄(質量%で、C:3.39%、Si:2.69%、Mn:0.35%、P:0.03%、S:0.01%、Mg:0.07%、Cu:0.25%、Ni:0.04%、残部Fe及び不可避不純物)のカムシャフト(実施例および比較例と同一形状)を製作した。
【0045】
なお、FCD鋳鉄製カムシャフトは、中実(無垢)品とし、このものにおける減衰を1として、実施例および比較例の減衰を比率として表した。
【0046】
得られた結果を表2に示す。
【0047】
【表2】

表2に示すように、本発明に係る実施例および比較例は、いずれも比較対照のFCD鋳鉄製カムシャフトと比較して高い制振性を示した。しかし、肉厚率50%のものは、制振部材のシャフトへの挿入が困難で作業性の面から問題があった。
【0048】
したがって、肉厚率が10%〜50%未満のものが、優れた制振性および挿入作業性を有するものであった。
【0049】
また、制振部材の材質における違いにおいても、制振性および作業性は同様の傾向が見られた。
【図面の簡単な説明】
【0050】
【図1】本発明に係るカムシャフトの一実施形態の構造を模式的に示す図面である。
【図2】本発明に係るカムシャフトの一実施形態の要部形状を示す図面である。
【図3】本発明に係るカムシャフトの測定機の構成を示す図面である。
【図4】測定データの例を示す図面である。
【符号の説明】
【0051】

1 カムシャフト
2 シャフト部
3 カムピース部
4 中空の剛性管
5 制振部材
6 合口スキマ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくともシャフト部とカムピース部とを有するカムシャフトにおいて、前記シャフト部が、中空の剛性管と、この剛性管の内部空間内に配された、径方向断面が略C字形状を有する制振部材とを有し、制振部材の弾性復元性によって前記中空剛性管の内周面に前記制振部材の外周面が接触していることを特徴とするカムシャフト。
【請求項2】
前記剛性管に挿入した状態の前記制振部材において、前記略C字形状の合口スキマの幅Wは、制振部材の外径円周長(D×π)との比率の値が5〜30%となるものである請求項1記載のカムシャフト。
【請求項3】
前記剛性管に挿入した状態の前記制振部材において、制振部材の肉厚Tは、制振部材の外径Dとの比率の値が10%〜50%未満となるものである請求項1または2に記載のカムシャフト。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2006−233824(P2006−233824A)
【公開日】平成18年9月7日(2006.9.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−47934(P2005−47934)
【出願日】平成17年2月23日(2005.2.23)
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】(390022806)日本ピストンリング株式会社 (137)
【Fターム(参考)】