(57)【要約】【課題】本発明者が出願した「内燃機関の点火機構」（特願２０１２−２７６５９６）に使用することが出来るカム機構として「立ち上がりが急峻なカム機構」（特願２０１３−２８５７６）を出願したが、この性能を更に向上させたものを開発することをその課題とした。【解決手段】同じカムリフトに対してカムの回転速度を大きくすれば、回転角が大きくなり相対的に圧力角を小さくすることが出来ることになる。この関係を利用して基本カムの整数倍で回転する高速カムを用いて圧力角を小さくし、さらには「立ち上がりが急峻なカム機構」に記した対称カムと組み合わせる方法によって、より急峻な立ち上がりをすることが出来る高速カム機構を実現した。【選択図】図１
2014218905.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本となるカムを基本カムとし、該基本カムのカム曲線における主体とする部分を含む範囲内の角度に対する変位が、該範囲内の角度を整数倍した角度もしくはこの角度が０度から３６０度の範囲を超える場合にあってはその角度が０度から３６０度の範囲に収まるように該整数倍した角度から３６０度の整数倍を引いた角度に対する変位に等しくなるようにしたカム曲線に基づいて作られた該基本カムの該整数倍の回転速度で回転させる高速基本カム、もしくはこの高速基本カムと面対称の形状をした該整数倍の回転速度で逆回転させる高速対称カムの少なくともいずれか一方を備えてなるカム機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は急峻な立ち上がりが可能な高速カム機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明者は、立ち上がりが急峻なカム機構について研究を行いその結果に基づき特許出願(特願２０１３−２８５７６)を行っているが、状況によっては更に急峻な立ち上がりが要求される場合が発生することが考えられる。本発明はこのような場合に対処することを考えて開発したものである。なお、ここでは「立ち上がり」という用語を使っているが、エンジンのオーバーヘッドカムでバルブを押し下げる場合でもカムリフトという用語が用いられるように、「立ち上げ」「立ち上がり」という用語は必ずしも上向きの場合に限定したものではなく、下方向に押し下げる場合もあることに注意願いたい。
【０００３】
このカム機構はある特定の速度で回転するカムに対してその整数倍で回転するカムを使用するものである。このため任意のカム曲線に対して適用できるものではなく若干の限定条件を伴うものではあるが、この条件はそれ程厳しいものではなくＨＣＣＩエンジンの点火機構用としては問題なく使用できるものである。
このように整数倍の速度で高速に回転するカムのことを高速カムまたは高速基本カムと呼ぶものとする。この高速基本カムに対して対称（裏返した形）なカムが高速対称カムである。また、高速基本カムと高速対称カムを区別せずに単に高速カムと呼ぶこともある。
【０００４】
この限定条件とは基本カムが１回転する間に高速カムの速度倍数に応じて２度、３度と繰り返しカムフォロアの立ち上がりが発生するために、これによる影響が問題にならないようにすることが出来るかどうかという点である。カム曲線の形状によってはこれに対する対策が非常に困難になる場合が発生する場合がある。他方、使用条件によってはこの条件が問題にならない場合もある。ＨＣＣＩエンジンの点火機構では回転速度が２倍の場合は後者に当てはまり問題なく使用できるものであるが詳細については後ほど説明する。このようなケースはエンジンの点火機構以外にも多くあるものと考えられ、このカム機構は解決策が施せるケースや問題にならないケースに対し広く利用できるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特願２０１２−２７６５９６
【特許文献２】特願２０１３−２８５７６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者が出願した「内燃機関の点火機構」（特願２０１２−２７６５９６）に使用することが出来るカム機構として「立ち上がりが急峻なカム機構」（特願２０１３−２８５７６）を出願したが、この性能を更に向上させたものを開発することをその課題とした。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
カムの圧力角が大きくなると同一荷重に対して法線力が大きくなりカムの磨耗やたわみの原因となるため直動型カムフォロアでは圧力角は３０度以下とするのが良いとされている。この問題を少しでも改善するため本発明は先に「立ち上がりが急峻なカム機構」（特願２０１３−２８５７６）の特許出願を行った。ここではカムフォロアを基本カムと対称カムではさんで絞り上げるようにして押し上げようとするもので、側圧が打ち消されて大きな圧力角に対してもカムフォロアには無理な力が掛からないようにしたものである。ただ、圧力角自体は従来の機構と同じであるためその効果には限界があるものであった。
【０００８】
なお、対称カムという用語は、一般的にはカム自体が対称形をしている場合に使われているようであるが、ここでは対称カムまたは基本対称カムという用語は、特に断らない限り上記「立ち上がりが急峻なカム機構」（特願２０１３−２８５７６）において用いている意味と同様、基本カムに対して対称なカム、言い換えれば基本カムを裏返した形のカムという意味で用いているので注意願いたい。また、基本回転速度（基本速度）と言う用語はエンジンの回転速度を基準としてエンジンの４行程（吸入行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程）を１回転と考えた回転速度であり固定されたものではない。エンジンが３０００ｒｐｍで回転しているときは１５００ｒｐｍが、２０００ｒｐｍで回転しているときは１０００ｒｐｍが基本回転速度となる。基本カムの回転角についても、ここでは４行程を１回転と考えこれを３６０度として記している。
【０００９】
本発明では上記の圧力角の問題の改善を図ったもので、カムとカムフォロアとが接触するときの圧力角自体を小さくしようとするものである。
圧力角を小さくする方法として、カムの回転速度を大きくすれば同じカムリフトに対して回転角が大きくなり相対的に圧力角を小さくすることが出来るということを応用したものであり、これを課題を解決するための手段として利用しようとするものである。以下、基本カムと高速カムの関係を具体的に説明する。
【００１０】
今、図２（Ａ）に示すようなカム曲線を持ったカムを基本カムと考える。このカム及びカム曲線に対して主体とする部分を想定する。このカムの主体とする部分は１６０度から１８０度の立ち上がりの部分であり、高速カムに忠実に対応させる必要がある部分である。
変位は変えずに角度だけを２倍にしたカム曲線を書くと図２（Ｂ）のようになる。これは基本カムの２倍の速度で回転するカムのカム曲線である。図２（Ａ）に示す基本カムの９０度の位置が図２（Ｂ）に示す高速カムの１８０度の位置に、基本カムの１８０度の位置が高速カムの３６０度の位置にと、高速カムは基本カムの２倍の角度の位置に対応している。ただ、初めの部分は基本カムとは若干異なっている。その理由は基本カムの１６０度から１８０度の間にある主体とする部分（立ち上がりの部分）は高速カムでは角度が２倍されて３２０度から３６０度の位置にくることになり問題ないが、１８０度から２２０度の間にある立ち下がりの部分は高速カムでは３６０度から４４０度の位置にくることになる。この３６０度を越えた部分は高速カムの２回転目の初めに相当し、この値から３６０度を引いた０度から８０度の位置に設けることになるためである。
【００１１】
高速カムはこのように主体とする部分を含む範囲内の角度に対する基本カムの変位が、その範囲内の角度に回転速度の倍数を掛けた角度における変位に等しくなるようになってものである。もし、この範囲内の角度を整数倍した角度が０度から３６０度の範囲を超える場合には、その角度が０度から３６０度の範囲に収まるように、その整数倍した角度から３６０度を整数倍した角度を引いた角度を用いることになる。
高速カムと基本カムとを組み合わせる場合には両者の主体とする部分の開始点が揃うようにセットするようにする。このようにこの高速カムは立ち上がり部分を主体とする部分と考えこれを忠実に反映させているが、立ち下がりについては必ずしも基本カムの２倍の角度に対応している必要はなく、高速カムを基本カムと併用するときに基本カムの立ち下がりを妨げることがない限り若干ずれても問題ない。
３倍速、４倍速等、基本カムの整数倍で回転する高速カムの場合も、立ち上がり部分の変位を揃え角度を３倍、４倍等とする同様の考え方で対処することが出来る。
【００１２】
このようなカム曲線を持つ高速カムを基本カムの２倍の速度で回転させると、同じ変位に対して２倍の回転角となるため圧力角は基本カムの場合のおよそ半分になり圧力角に対する制約を緩和することが出来ることになる。但し、圧力角は小さくなってもカムフォロアに作用する速度や加速度は基本カムの場合と同じである。
この方法は２倍速であれば基本カムの半分に相当する部分の動きしか、３倍速であれば基本カムの３分の１に相当する部分の動きしか実現できないためどのような場合でも用いることが出来るわけではなく、それ以外の部分の動きを省略しても問題がないという条件を満たす場合、または、この部分の動きを基本カムで補うことが出来る場合にのみ使用できることになる。
【発明の効果】
【００１３】
このようにカムの回転速度を上げることで相対的に圧力角を小さく出来るため、これまでの方式では実現することが出来なかった立ち上がりが急峻な高速カム機構を実現することが可能となった。
この方法は高速カムを単独で使用する場合でも大きな効果があるが、この方法と「立ち上がりが急峻なカム機構」（特願２０１３−２８５７６）に記した基本カムと対称カムを組み合わせて使用する方法を併用することによりさらに効果のあるものとすることが可能になる。すなわち回転速度を整数倍にした順方向に回転するカムを基本に考えこれを高速基本カム、この高速基本カムと対称なカムを高速対称カムとして、この高速基本カムと高速対称カムを「立ち上がりが急峻なカム機構」（特願２０１３−２８５７６）における基本カムと対称カムと考えるわけである。この適用方法については種々の形式が考えられるが、その１例を〔実施の形態１〕に示した。
【００１４】
また、基本的には高速カムによって圧力角を小さくしようとする同様の考え方であるが高速で回転するカムと基本速度で回転するカムを組み合わせて構成する方法もある。この構成例を〔実施の形態２〕に示した。また高速カムの回転速度を３倍以上にあげる場合を〔実施の形態３〕に示した。
【００１５】
本カム機構の用途はＰＣＣＩの点火行程に限られるものではなく、急峻な立ち上がり或いは立下りを必要とする場合に若干の制約はあるが広く用いることが出来るものである。
なお、ここでは記していないがＨＣＣＩの最適点火時期はエンジンの回転速度やその他の条件により変化するものであり、ここに示したカム曲線の角度は必ずしも最適とはいえないものである。このため実機に適用するに当たっては、エンジンのクランクシャフトと本カム機構のカムシャフトとの間に位相差を微調整できる機構を設けることが出来れば理想的である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】高速カム機構の１例を示す模式図である。
【図２】基本カム曲線、高速カム曲線、行程とカム曲線の関係を示す図。
【図３】別の基本カム曲線、高速カム曲線、行程とカム曲線の関係を示す図。
【図４】基本カム曲線、３倍速の高速カム曲線、行程とカム曲線の関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明になる高速カム機構の一形態としてＨＣＣＩの点火用として使用する場合を取り上げ、その構造と動作について図面およびこれに付した符号を引用して説明する。なお、ここで例示したカム曲線は最適条件を示したものではなく、点火時期の進み具合や遅れ具合によって変化する点に注意願いたい。
【００１８】
〔実施の形態１〕
図１はその構造を示す模式図である。但し、カムの形状は後で述べるカム曲線に基づく輪郭曲線を正確に示したものでないことをお断りしておきたい。
この図に示すように高速基本カム１３１及びこれと対称な高速対称カム１３２を、高速基本カムのカムシャフト１３３と高速対称カムのカムシャフト１３４の回転軸の中心線が同一の直線上に乗るように向き合わせて並べ、それぞれを基本回転速度の２倍の速度で互いに反対方向に回転するようにしたものである。カムフォロア１３５は分割された３個のローラ１３６を持つローラカムフォロアである。
【００１９】
図２（Ａ）は〔課題を解決するための手段〕のところでも述べたように基本速度で回転するカムのカム曲線、図２（Ｂ）は基本速度の２倍の回転速度で回転する高速基本カムのカム曲線を示したものである。
これは図１に示すカム機構に使用する高速基本カム１３１及び高速対称カム１３２の基礎となるものであり、高速基本カム１３１はこのカム曲線に基づいて作ったもの、高速対称カム１３２はこの高速基本カム１３１と対称（高速基本カムを裏返したもの）にしたものである。なお、カム曲線からカムの輪郭曲線を求める方法については通常のカム機構と同じであり省略する。
【００２０】
前述したように、２倍速の高速基本カム１３１においては基本速度で回転するカムの０度から１８０度の部分しかカム化できないため基本速度で回転するカムの１８０度から２７０度の間にある立下りの部分は初めの部分に設けざるを得ないことになる。
図２（Ｃ）はエンジンの各行程と高速カムの変位を示したものである。この構成では基本カムは使用していないが参考としてその変位も併記した。
【００２１】
ここでは基本カムによるカムフォロアの保持機構は設けていないため、高速基本カム１３１の最初の立ち下りによりカムフォロア１３５はそのまま下がることとなる。この動きは基本カムにはない動きとなるが、図２（Ｃ）に示したようにこの部分は吸入行程であり、吸入行程で点火用ピストンが戻ることは行程上特に問題ないのでこのまま使用することが出来る。
【００２２】
高速基本カム１３１の回転が１８０度になったところで吸入行程が終わり、その後圧縮行程に入ることになる。この圧縮行程の終わり近くで高速基本カム１３１による圧縮が行われ混合気が圧縮点火される。高速基本カム１３１は２回転目に入り燃焼行程で高速基本カム１３１は立ち下がり、排気行程で圧縮行程と同様に急速に立ち上がって、吸入・圧縮・燃焼・排気の４行程を終え最初の状態に戻ることになる。排気行程では急速な立ち上がりは必要ないだけではなく圧力損失が大きくなり望ましいことではないが、ＨＣＣＩの点火用としてとして使用する副シリンダの体積が小さいためそれほど大きな損失にはならず圧縮行程との関係上やむを得ないものである。
このように基本カムの２倍の速さで回転する高速基本カム１３１と高速対称カム１３２を使用することで、先の〔特許文献２〕（「立ち上がりが急峻なカム機構」（特願２０１３−２８５７６））に比べ更に急峻な動きをするカム機構を構成することが可能となる。
本出願書類における図面では高速基本カムと高速対称カムの回転軸を同軸方式としたもののみを記しているが、〔特許文献２〕に例示しているような平行軸方式とすることも可能である。
【００２３】
〔実施の形態２〕
このようにＨＣＣＩの点火用として２倍の回転速度で使用する場合には、１回転目は圧縮行程で２回転目は排気行程でと、２回作動することになっても問題ないが、２回作動するのが嫌だという場合にはカムフォロアを基本カムで保持することによってこれを避けることも出来る。以下その方法について説明する。
【００２４】
図３（Ａ）はこの場合の基本回転速度で回転する基本カムのカム曲線を示したものである。〔実施の形態１〕と違って、この場合は回転の初めにゆるやかに立ち下がり、中頃近くで急速に立ち上った後その位置（点火用ピストンが押し込まれた状態）に保持されている状態になっている。この急速な立ち上がりによって混合気が圧縮点火されるわけである。
図３（Ｂ）はこの基本カムの２倍の速度で回転する高速基本カムのカム曲線を示したものである。
基本カムのカム曲線と比較すれば明らかなように基本カムの１８０度以降の後半の保持部分がカットされた形になっている。このように高速カムは立ち上がり部分を主体に設計したものである。高速対称カムはこのカム曲線に基づいて作られる高速基本カムを裏返しにした形のものである。
【００２５】
カムフォロアを立ち上った位置に保持する方法としては２通りの方法がある。第１の方法としては上記の高速基本カムと高速対称カムとを組み合わせた高速カム機構と、これとは別に図３（Ａ）のカム曲線を持つ基本カムによるカム機構を設け、立ち上がりは高速カムが担いその状態を基本カムが保持する方法である。この方法は、動作は確実であるが、基本カムによるカム機構（このカム機構としては基本カムと対称カムを組み合わせたものが望ましいが対称カムはなくても良い）と、高速基本カムと高速対称カムによる高速カム機構の２種類のカム機構を組み合わせることが必要になり、構造が複雑になる嫌いがある。これに対し以下に述べる方法は構造が簡単になるという利点がある。以下その方法について説明する。
【００２６】
その基本的な構造は図１に示したものと同じである。ただ、図１では高速基本カムと高速対称カムとを組み合わせて構成しているが、今の場合、高速基本カム１３１に相当するカムとして図３（Ａ）に示したカム曲線を持つ基本カムを用い、これと組み合わせる高速対称カム１３２に相当するカムとしては、図３（Ｂ）に示したカム曲線を持つ高速基本カムに面対称なカム、すなわち高速基本カムを裏返した形状の高速対称カムを用いて構成し、基本カムのほうは基本速度で回転させ高速対称カムのほうは高速（基本カムの２倍の速度）で逆方向に回転させるようにしたものである。
図３（Ｃ）はエンジンの各行程と基本カム及び高速カムの動きを対比して示したものである。２つのカムは異なる速度で回転することになるが、吸入・圧縮行程ではカムリフトは同じ高さに揃っておりカムフォロアのローラがカムから外れることはない。図３（Ｃ）に示すように、基本カムと高速対称カムは圧縮行程での立ち上がりの際に両者がそろって立ち上るようにセットされていることが大切である。高速対称カムの２度目の立ち上がりの際は、カムフォロアは基本カムによって立ち上がった位置に保持されておりカムフォロアが作動することはない。
【００２７】
基本カムと対称カムの関係を上記の方法とは逆にして、高速基本カムを高速で回転させ対称カムを基本速度で逆回転させるようにしても同様の結果が得られるのでこのようにすることも可能である。
【００２８】
〔実施の形態３〕
上記２例では高速カムの回転速度は基本カムの２倍としているが更に速度を上げることも可能である。
最初の〔実施の形態１〕では２倍速であったため余分な立ち上がりが排気行程に１回発生するだけで問題なかったが、３倍速では余分な立ち上がりが２度発生するため無駄な動きを抑える意味からも基本カムによる保持が望まれるところである。
【００２９】
３倍速になると高速カムの作動範囲は基本カムの３分の１回転、角度でいうと１２０度である。立ち上がりの終了点を圧縮行程の終了点に揃えようとすると６０度から１８０度の狭い範囲である。この範囲に立ち上がりと立ち下がりとを収めなければならないことになる。
さらに、立ち下がりが圧縮行程に掛からないように吸入行程内に終わらせようとするとその範囲は９０度までに限定される。立ち下がりの開始点は６０度から９０度の範囲に設定できるが出来るだけ緩やかにしようとすると６０度となる。
以上の条件によって立ち下がりは６０度から９０度の範囲に決定される。図４（Ａ）はこのような限定条件を満たすように考えて作った３倍速用の基本カムのカム曲線である。
【００３０】
これをもとに高速カムのカム曲線を作るのであるが、２倍速の場合は基本カムの０度から１８０度の範囲を２倍したが３倍速の場合は若干変わってくる。
最初に基本カムの主体とする部分が必ず含まれるようにカム曲線の立ち上がり終了点（１８０度）に注目し高速カムでも同じ位置（１８０度）に設定する。この位置が決定されると高速カムに収めうる範囲は基本カムの６０度から１８０度の範囲に決まり基本カムの６０度の位置が高速カムの０度に、基本カムの１８０度の位置が高速カムの３６０度の位置に対応する。
次に、基本カムの立ち上がりの区間（１６０度から１８０度の２０度分）を考える。１６０度から１８０度の範囲は３倍すると４８０度から５４０度になるが３６０度を超える場合は次の回転と考えそれぞれから３６０度を引くと１２０度から１８０度となる。これが高速カムの立ち上がり部分である。４倍速、５倍速では７２０度を超えることも考えられるが、このような場合には３６０度の整数倍を引き結果が０度から３６０度の範囲に収まるようにする。
図４（Ａ）の６０度から９０度の範囲にある立ち下がり部分は３倍すると１８０度から２７０度の範囲となる。このようにして作成した結果を図４（Ｂ）に示す。
【００３１】
高速対称カムは図４（Ｂ）に示すカム曲線を持った高速基本カムを裏返した形ものとなる。これらのカム曲線に基づいて作製した基本カムと高速対称カムを組み合わせて〔実施の形態２〕と同様に基本カムと高速対称カムの立ち上がりが揃うようにカム機構を構成し、高速対称カムを基本カムの３倍の速度で逆回転させることで３倍速の高速カム機構を構成できる。
【００３２】
図４（Ｃ）はエンジンの各行程と基本カム及び高速カムの動きを対比して示したものであるがこれを用いて３倍速の動きを説明する。
３倍速の場合には吸入行程に当たる基本カムが４０度から６０度のところで高速カムの最初の立ち上がりが存在する。しかし、ここではカムフォロアは基本カムによって立ち上がった位置に保持されており動くことはない。その後、基本カム、高速対称カム共に立ち下がるためカムフォロアは降下する。基本カムが１６０度のところで基本カム、及び高速対称カムの双方共に急速に立ち上がりカムフォロアが上昇する。基本カムは１８０度のところで最も高くなる。高速対称カムは立ち下がるが、基本カムはその状態のままその位置でカムフォロアを保持することになる。高速対称カムはこの後３度目の立ち上がりを行うが、カムフォロアは基本カムに保持されたままで動くことはない。基本カムが１回転したところでサイクルが終了し次のサイクルが開始される。
なお、ここでも〔実施の形態２〕と同様、基本カムと高速対称カムの関係を上記の方法とは逆にして高速基本カムと対称カムとしても同様の効果が得られる。
【００３３】
高速回転に対する耐久性等の条件がクリヤできれば、４倍速、５倍速等と、より高速にすることも同様の考え方で可能である。但し、その場合にＨＣＣＩ点火用として考えると、４倍速では３６０度の４分の１の回転角９０度の間に、５倍速では３６０度の５分の１の回転角７２度の間に立ち下がりと立ち上がりを完了する必要がある。これらはエンジンの１行程角に当たる９０度以下であり、圧縮行程中に立ち上がりと立ち下りを行わねばならないこととなる。
通常のＨＣＣＩ点火ではここまで高速化を図る必要はないと考えるが、どうしても高速化を図らねばならない必要性が出てきた場合には検討する価値はあるものと考える。
また、溝カムにすれば立ち下りの際にも加圧できるが、溝カムの場合には図１の中央にある高速基本カムの両面に溝を切る必要があり、溝にカムフォロアを貫通させることが出来ないためカムフォロアの構造に一工夫必要となる。
【符号の説明】
【００３４】
１３１  高速基本カム
１３２  高速対称カム
１３３  高速基本カムのカムシャフト
１３４  高速対称カムのカムシャフト
１３５  カムフォロア
１３６  ローラ
【図１】
2014218905.tif 000003
【図２】
2014218905.tif 000004
【図３】
2014218905.tif 000005
【図４】
2014218905.tif 000006