(57)【要約】【課題】軸受における摩擦抵抗を低減させて低トルク化が可能となり、転がり軸受を用いることによる振動、騒音を抑えることのできるシャフト装置を提供する。【解決手段】シャフト１と、このシャフト１を回転可能に支持する転がり軸受３とを備えている。シャフト１は中空形状とされ、このシャフト１の中空部２４にシャフト１と異なる材質からなる異種部材２５が設けられている。【選択図】      図１
2006226400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトと、このシャフトを回転可能に支持する転がり軸受と、を備えたシャフト装置において、前記シャフトは中空形状とされ、このシャフトの中空部に当該シャフトと異なる材質からなる異種部材が設けられていることを特徴とするシャフト装置。
【請求項２】
前記異種部材は、前記シャフトの前記転がり軸受が取り付けられている部分における中空部に設けられている請求項１に記載のシャフト装置。
【請求項３】
前記シャフトの外周面に、前記転がり軸受の内輪軌道溝が形成されている請求項１又は２に記載のシャフト装置。
【請求項４】
前記転がり軸受は、深溝玉軸受とされている請求項１〜３のいずれか一項に記載のシャフト装置。
【請求項５】
前記シャフトには、当該シャフトと別体とされているカムが外嵌状として取り付けられており、前記転がり軸受は、環状の一体物からなる軌道輪を有して前記シャフトに外嵌状として取り付けられている請求項１〜４のいずれか一項に記載のシャフト装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、シャフトを軸受により支持しているシャフト装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直線状のシャフトを回転可能に支持している軸受として知られるものに、滑り軸受と、転がり軸受とがある。滑り軸受は、その内周面がシャフトの外周面と油膜を介して摺接しているが、シャフトとの間の摩擦抵抗は転がり軸受の場合よりも大きくなる。
従って、シャフトとの間の摩擦抵抗を小さくして回転するシャフトの摩擦損失を低減させるのが好ましい装置において、従来では滑り軸受とされていたものを、転がり軸受とする構成が提案されている。シャフトを支持する軸受をすべて滑り軸受としているものとしては、例えば、特許文献１に示すようなカムシャフト装置があり、このようなカムシャフトを支持する軸受を転がり軸受としているものに、特許文献２に示すようなものがある。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２１８８１７号公報
【特許文献２】実開平５−６１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
回転するシャフトとこのシャフトと摺接する支持部材との間の摩擦抵抗を低減させるために、転がり軸受を採用した場合、転動体が軌道面を転動することにより、振動、騒音が、滑り軸受の場合よりも大きくなってしまうという問題点を有している。
そこで、この発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、転がり軸受を用いることによる振動、騒音を抑えることのできるシャフト装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するためのこの発明のシャフト装置は、シャフトと、このシャフトを回転可能に支持する転がり軸受とを備えたシャフト装置において、前記シャフトは中空形状とされ、このシャフトの中空部に当該シャフトと異なる材質からなる異種部材が設けられていることを特徴としている。
このような構成によれば、シャフトの中空部に異種部材が設けられていることにより、転がり軸受の転動体が軌道面を転動することによる振動を、シャフトと異種部材とにより迅速に収束、減衰させ、振動及びそれに起因する騒音を抑制することができる。
さらに、転がり軸受によりシャフトを支持することで、軸受における摩擦抵抗を小さくして回転の際の摩擦損失を低減できる。特に回転始動時、低速回転時における摩擦抵抗を小さくすることができる。
【０００６】
また、前記異種部材は、前記シャフトの前記転がり軸受が取り付けられている部分における中空部に設けられている。これによれば、シャフトにおいて転がり軸受の直下（転がり軸受の直ぐ内方）に異種部材が存在するため、より一層効果的に振動、騒音を抑制することができる。
【０００７】
また、前記シャフトの外周面に、前記転がり軸受の内輪軌道溝が形成されているのが好ましい。これにより、シャフトを転がり軸受の内輪とすることができ、部品点数の削減が可能であると共に、負荷容量を大きくさせることができる。
【０００８】
また、前記転がり軸受は、深溝玉軸受とされているのが好ましい。これによれば、シャフトがたわみ、軸受部においてたわみ角が生じても、転がり軸受の転動体である玉と、曲面とされている軌道面との間において追従性を有する。さらに、軸受においてシャフトに作用するアキシャル荷重を受けることができる。つまり、アキシャル荷重を受ける部材を別途用いることなく、シャフトの軸方向の変位、移動を規制することができる。
【０００９】
また、前記シャフトには、当該シャフトと別体とされているカムが外嵌状として取り付けられており、前記転がり軸受は、環状の一体物からなる軌道輪を有して前記シャフトに外嵌状として取り付けられている。この構成によれば、カムがシャフトと別体とされていることにより、転がり軸受をシャフトに取り付けてからその隣にカムを取り付けることができる。そして、転がり軸受け及びカムの取り付けのために、転がり軸受及びカムを、シャフトの端部からシャフトを挿入状として夫々所定位置まで移動させることができる。
従って、例えば一対のカムの間に、カムの最大外径よりも小さい内径とされた環状の一体物からなる軌道輪を有した転がり軸受を設けることができる。
そして、転がり軸受において、軌道面につなぎ目を生じさせることがない。なお、軌道輪が分割構造とされて軌道面につなぎ目が存在すると、そのつなぎ目を転がり軸受の転動体が通過する際に振動や騒音が発生し、軸受の寿命を低下させてしまう。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、シャフトの回転による摩擦抵抗を小さくして摩擦損失を低減でき、かつ、シャフトの回転の際の振動、騒音を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
直線状のシャフトが回転可能とされているシャフト装置としては、シャフトと、このシャフトを回転可能に支持している転がり軸受とを備えたものがある。転がり軸受は、シャフトに外嵌状となって、シャフトの軸方向所定位置に取り付けられている。そして、転がり軸受は、その外輪の外周面側において、例えばシャフトの収容室を構成するハウジングなどの固定側部材に固定されている。
【００１２】
このようなシャフト装置が用いられている具体的な装置としては、例えば、自動車用のエンジンの給排気弁の作動用のカムシャフト装置がある。以下において、本発明を図１に示すような、カム２を有しているシャフト１を回転可能としているカムシャフト装置として説明する。
【００１３】
図２は、図１の要部を示す断面図であり、このカムシャフト装置は、直線状のシャフト１と、このシャフト１と別体であってシャフト１に外嵌状に取り付けられている複数の卵形のカム２と、シャフト１を回転可能に支持している複数の転がり軸受３とを備えている。そして、シャフト１にカム２及び転がり軸受３が、シャフト１の軸方向の所定位置に配設されている。また、一対で１組とされているカム２の間に、１つの転がり軸受３が設けられている。
【００１４】
この装置におけるシャフト１は、図４に示す従来例のように鋳造によってシャフト本体部４４とカム部４３とが一体構造とされたカムシャフトではなく、図１と図２に示すように、シャフト１とカム２とが夫々別体として作製されてから組み立てられてカムシャフトとなる組み立て構造によるものである。つまり、シャフト１は直線状の部材であり、カム２には、シャフト１に外嵌状となるための貫通孔１０が形成されている。これにより、このカム２は、シャフト１の端部から外嵌状となってシャフト１に沿って軸方向に移動でき、シャフト１の軸方向所定の位置（カム取付部１４）に取り付けられる。
【００１５】
また、転がり軸受３は、シャフト１に外嵌状として取り付けられてシャフト１を回転可能に支持しており、深溝玉軸受とされている。この転がり軸受３は、図２と図３に示すように、シャフト１の外周面１ａに転がり軸受３の内輪軌道溝６が形成されており、シャフト１の径方向外方に外輪５が設けられている。そして、このシャフト１に形成されている軌道溝６と外輪５に形成されている軌道溝１２との間に複数の玉７からなる転動体が介在している。これら玉７は保持器１３により保持されている。
【００１６】
そして、この転がり軸受３の軌道輪は、分割構造とされたものではなくて環状の一体物（ワンピース構造）からなる。つまり、外輪５が分割構造とされたものではなく環状の一体物からなる。これにより、軌道面につなぎ目を生じさせない。
そして、カム２がシャフト１と別体とされていることにより、このような転がり軸受３を、シャフト１の途中部であって例えば一対のカム２の間に設けることができる。つまり、一対のカム２の間にこの転がり軸受３を設ける場合、１つ目のカム２をシャフト１の端部から外嵌させて所定のカム取付部１４に取り付け、２つ目のカム２をシャフト１に外嵌させて取り付ける前に、この転がり軸受３をシャフト１の端部からシャフト１を挿入状として、シャフト１に沿って軸方向に移動させ、シャフト１の軸方向所定の位置（転がり軸受取付部１５）に取り付ける。その後、２つ目のカム２をシャフト１にその端部から外嵌させて取り付ければよい。
【００１７】
シャフト１は、横断面が円環状とされた筒部材であり、中空形状とされている。そして、このシャフト１の中空部２４に異種部材２５が設けられている。異種部材２５はシャフト１と異なる材質からなる。つまり、異種部材２５は、シャフト１と異なる素材や異なる比重などによるものとされている。
異種部材２５の具体例としては、黄銅、青銅、軟鋼、アルミニウム合金などの金属製や、樹脂製、ゴム製、セラミックス製とすることができる。この場合、これら材質による棒状部材を作製し、シャフト１の中空部２４に挿入させればよい。そして、棒状部材からなる異種部材２５の外周面をシャフト１の内周面に密着するよう嵌合させている。つまり、異種部材２５が中空のシャフト１の芯部材となる。これにより、転がり軸受３において発生する振動を早期に収束、減衰させることができ、振動及びこれによる騒音を抑えることができる。
【００１８】
また、このような固体からなる棒状部材以外にも、異種部材２５としては油（オイル）などの液体や、ゲルなどの半固体化したものであってもよく、これにより振動を吸収するようにしてもよい。この場合、筒状のシャフト１に異種部材２５を充填し、シャフト１の端部を栓部材１８により密封すればよい。
なお、栓部材１８は、このような液体や半固体化したものからなる異種部材２５を採用した場合以外にも、前記棒状部材からなる異種部材２５を採用した場合であっても、シャフト１の端部を閉塞するために設けても良い。
【００１９】
図２に示している栓部材１８は、シャフト１の端部に形成しているネジ孔２７に螺合する雄ネジ部２８を有している。また、図１に示すように、その反対側の端部においては、栓部材１８がシャフト１よりも小径の軸部材２６とされており、軸部材２６が中空部２４の端部に挿入されてシャフト１の他端部を塞いでいる。なお、これら栓部材１８（軸部材２６）のシャフト１への固定は、ネジ式、圧入以外であってもよい。
この軸部材２６はシャフト１と同心状となるよう固定されており、軸部材２６には、シャフト１を回転させるためのプーリ９と、プーリ９の近傍を支持する円筒ころ軸受１１が取り付けられている。プーリ９にはラジアル方向の大きなベルト荷重が作用するが、負荷容量が大きい円筒ころ軸受１１を用いることで、軸部材２６及びシャフト１を安定して支持することができる。
【００２０】
また、この異種部材２５のシャフト１における軸方向の位置について説明すると、異種部材２５は、シャフト１のうち転がり軸受３が取り付けられている部分における中空部２４に少なくとも設けられているのが好ましい。つまり、細長い円柱状となる中空部２４のうち、シャフト１の外周面１ａにおいて転がり軸受３用の内輪軌道溝６が形成されている部分の直ぐ内径側の部分（直下の部分）に、異種部材２５が存在するよう配置されている。これにより、効果的に振動、騒音を抑制することができる。
具体的には、図１に示すように、シャフト１の両端部を除くほぼ全長にわたって１本の棒状部材からなる異種部材２５が挿入されている。つまり、シャフト１の軸方向に一端部側から他端部側まで連続して異種部材２５が設けられている。または、図示しないが、転がり軸受３が取り付けられている部分に対応する中空部２４にのみ、異種部材２５を設けても良い。つまり、シャフト１の軸方向に間欠的に異種部材２５が設けられていてもよい。
【００２１】
シャフト１の外周面１ａに転がり軸受３の内輪軌道溝６が形成されていることから、シャフト１の材質は、従来知られている軸受鋼や、軌道輪に使用されているその他材質とすることができる。
なお、異種部材２５を、シャフト１よりも比重が小さい材質とすれば、シャフト１の軽量化を図ることができると共に、シャフト１のその中心軸回りの慣性モーメントを大きくさせ、シャフト１は安定した回転を得ることができる。
【００２２】
また、シャフト１に取り付けられるカム２について説明すると、カム２は図示しないキー部材などを用いてシャフト１と一体回転するよう構成してもよいが、カム２の貫通孔１０においてシャフト１に締め代をもって嵌合して固定させるのが好ましい。従って、カム２を例えば焼きばめによりシャフト１に取り付ければよい。これにより、カム２の取り付けが簡単かつ強固なものとでき、別途固定部材が不要であり部品点数を削減できる。
【００２３】
シャフト１についてさらに説明すると、シャフト１は、カム２及び転がり軸受３を、端部側から軸方向に移動させることにより夫々を所定の位置に取り付け可能とさせる直線状として構成されている。つまり、カム２及び転がり軸受３をシャフト１の端部から夫々所定の位置まで軸方向移動させるため、カム取付部１４と転がり軸受取付部１５とが同じ外径とされて、かつ、これらの部分において最大外径となる円環断面を有するよう、シャフト１は構成されている。具体的には、図２に示すように、全てのカム取付部１４の外径Ｄ１と、全ての転がり軸受取付部１５の外径Ｄ２とが同じ値とされている。なお、転がり軸受取付部１５に軌道溝６が形成されており、転がり軸受取付部１５の外径Ｄ２は肩部における直径としている。
これにより、シャフト１のカム取付部１４及び転がり軸受取付部１５に対してセンタレス加工（センタレス研摩）が可能となり、簡単かつ低コストで、高精度なシャフト１の製造が可能となる。
【００２４】
なお、シャフト１は、全長にわたって同一の直径とされて軸方向均一な円環状の断面となる（すなわち全長にわたって外周面１ａに段差のない）直線状としてもよいが、同じ外径とされている全てのカム取付部１４と全ての転がり軸受取付部１５とを最大径とし、その他の部分においてはそれよりも僅かに小径とされた部分を有して小段付きの直線状とすることもできる。
【００２５】
また、図３に示すように、転がり軸受３の外輪５の外周面５ａには、弾性を有するリング部材８が取り付けられている。リング部材８は外輪５の外周面５ａに形成した周状の凹溝１６に取り付けられている。リング部材８は、例えば樹脂製やゴム製とすることができる。このリング部材８によれば、シャフト１を支持する転がり軸受３における振動、騒音を抑制することができる。さらには、この装置が設けられたエンジンにおいてハウジングに温度差が生じ、ハウジング側の軸受取付部１７と転がり軸受３との間に生じる径方向の膨張差による隙間又は応力を抑制することができる。また、リング部材８は軸方向に並んで２条設けられているが、１条としてもよく、又は３条以上としてもよい。
【００２６】
以上のような本実施形態によれば、シャフト１の中空部２４に異種部材２５が設けられていることにより、転がり軸受３の玉７が軌道溝６，１２を転動することによる振動を、シャフト１において迅速に収束、減衰させ、エンジンに用いられるカム２用のシャフト装置において、不快な振動、騒音を抑制することができる。
そして、シャフト１を支持する軸受の全てが転がり軸受３（深溝玉軸受及び円筒ころ軸受１１）とされていることにより、特に回転始動時、低速回転時における摩擦抵抗を小さくすることができ、シャフト装置全体において回転の際の摩擦損失を大幅に低減できる。従って、自動車のエンジンにこのシャフト装置を用いることにより、さらに、エンジンの燃費向上に貢献できる。
【００２７】
さらに、全てのカム２がシャフト１と別体とされていることにより、シャフト１に転がり軸受３を取り付けてからカム２を取り付けることができる。そして、この取り付けの際に、環状の一体物からなる外輪５をシャフト１の端部から、シャフト１を挿入状として、所定位置まで移動させ取り付けることができる。つまり、転がり軸受３の外輪５を分割構造とする必要がなく、外輪軌道溝１２につなぎ目を生じさせない。
【００２８】
なお、従来、環状の一体物からなる外輪を有する転がり軸受を、図４に示すようなカムと一体成形されているシャフトに、シャフトの端部から移動させて取り付けるためには、図示しないが、カムよりも大径とされた軸受け取り付け用のフランジ部がシャフトに必要となる。これにより、シャフトを中心とする径方向の寸法が大きくなってしまうという問題点を有していた。しかし、本発明ではこのような大径のフランジ部を不要とできるため、シャフト１を収容するエンジンのハウジングにおいて、シャフト１を中心とする径方向寸法を小さくすることができる。
【００２９】
また、カム２の近傍においてシャフト１を支持する転がり軸受３を深溝玉軸受とすることにより、次のような作用効果を奏することができる。シャフト１には複数のカム２が設けられており、エンジンの給排気用弁の動作の際にこれらカム２に負荷が作用して、シャフト１に周期的な波打ち（振動）が生じる。しかし、曲面とされる軌道面とこれに接触する玉７とにより、シャフト１の波打ちによる変位を逃がすことができる。
さらに、シャフト１に作用するアキシャル荷重を転がり軸受３によって受けることができ、シャフト１の軸方向の変位を規制することができる。従って、図４に示す従来の滑り軸受による装置では、シャフトに軸方向規制用のフランジ部４５を設け、エンジンのハウジング側に形成した内鍔部（図示せず）によりこのフランジ部４５を挟んで、シャフトの軸方向の変位を規制していたが、このフランジ部４５を不要とできる。そして、従来のこのフランジ部４５とハウジング側の内鍔部とは摺接による摩擦が生じ、回転の際に摩擦損失となっていたが、玉軸受を用いることによりこのような摩擦による損失を無くすことができる。
【００３０】
また、本発明のシャフト装置は、図示する形態に限らずこの発明の範囲内において他の形態のものであっても良く、図１と図３においてはカム２を８個とし、転がり軸受３を４個としているが、これらの配置、数量はこれに制限されず変更自在である。さらに、図１と図２に示しているシャフト装置ではシャフト１自身を内輪として、部品点数を削減し、かつ負荷容量を大きくさせている。またはこれ以外にも、図示しないが、転がり軸受３がシャフト１とは別体の内輪を有するようしてもよい。この場合、内輪は環状で一体物からなり、シャフト１に外嵌状として取り付けられている。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の一形態に係るシャフト装置を示す一部断面の側面図である。
【図２】図１の要部を示す断面図である。
【図３】シャフト装置が備えている転がり軸受の断面図である。
【図４】従来のシャフト装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  シャフト
１ａ  外周面
２  カム
３  転がり軸受
５  外輪
５ａ  外周面
６  内輪軌道溝
１０  貫通孔
２４  中空部
２５  異種部材
【図１】
2006226400.tif 000003
【図２】
2006226400.tif 000004
【図３】
2006226400.tif 000005
【図４】
2006226400.tif 000006