(57)【特許請求の範囲】
【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おり、
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】
0003618977.tif 000009
尚、ｈcr(y):上記軸方向への位置ｙにおける２つの相互接触部材の接触面の間隔
ｋ:加工公差に関する許容範囲
Ｒ:上記カムの回転方向への等価半径
0003618977.tif 000010
Ｃ2:必要最大間隔の加工公差に関する許容寸法
Ｅ':等価ヤング率
Ｌwe:上記タペットの有効長
σEmax:材料の圧縮に関する強度
τmax:材料の最大剪断応力に関する強度
【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Ｐh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おり、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】
0003618977.tif 000002
尚、ｈcr(y):上記軸方向への位置ｙにおける２つの相互接触部材の接触面の間隔
ｋ:加工公差に関する許容範囲
Ｒ:上記カムの回転方向への等価半径
0003618977.tif 000003
Ｃ2:必要最大間隔の加工公差に関する許容寸法
Ｅ':等価ヤング率
Ｌwe:上記タペットの有効長
σEmax:材料の圧縮に関する強度
τmax:材料の最大剪断応力に関する強度
【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】
さらに、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。
【００１０】
また、１実施の形態では、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が均一になるように設定されている。
【００１１】
上記実施の形態によれば、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、上記相当応力または最大剪断応力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。
【００１２】
【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。
【００１３】
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。
【００１４】
上述したように、図４に示す有限幅円筒２５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。
【００１５】
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。
0003618977.tif 000004
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
【００１６】
そして、こうして得られた相当応力σEの分布が有限幅円筒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。
【００１７】
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】
0003618977.tif 000005
尚、ｈcr(y):位置ｙにおけるクラウニング量
ｋ:加工公差に関する許容範囲
(ｋ＝１.２〜１５：この範囲内で同等の効果を呈する)
Ｒ:相対移動方向への等価半径
１/Ｒ＝１/ｒ1＋１/ｒ2
ｒ1,ｒ2:相対移動方向への物体１,２の曲率半径
0003618977.tif 000006
Ｃ2:必要最大間隔の加工公差に関する許容寸法
(Ｃ2＝０.６〜８)
Ｅ':等価ヤング率
１/Ｅ'＝１/２{(１−ν12)/Ｅ1＋(１＋ν22)/Ｅ2}
Ｅ1,Ｅ2:物体１,２のヤング率
ν1,ν2:物体１,２のポアソン比
Ｌwe:有限幅円筒２５の有効長
σEmax:材料の圧縮に関する強度(圧縮降伏応力または圧縮疲労限)
τmax:材料の最大剪断応力に関する強度(圧縮降伏応力または圧縮疲労限)
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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１５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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
【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・タペット装置は、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、実質的に下記の式で表したので、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。
【００２５】
さらに、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】
0003618977.tif 000007
尚、ｈcr(y):上記軸方向への位置ｙにおける２つの相互接触部材の接触面の間隔
ｋ:加工公差に関する許容範囲
0003618977.tif 000008
Ｃ2:必要最大間隔の加工公差に関する許容寸法
【００２６】
また、１実施の形態のカム・タペット装置は、上記カムとタペットと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軸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に設定しているので、上記相当応力または最大剪断応力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およ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。
【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。
【図１】
0003618977.tif 000011
【図２】
0003618977.tif 000012
【図３】
0003618977.tif 000013
【図４】
0003618977.tif 000014
【図５】
0003618977.tif 000015
【図６】
0003618977.tif 000016
【図７】
0003618977.tif 000017
【図８】
0003618977.tif 000018
【図９】
0003618977.tif 000019