(57)【要約】【要約書】  複合材カムシャフトが、カム、ベアリング組立体および荷重導入部品を繊維複合材支持チューブに同時透過式レーザー溶接することによって、製造される。
2019534966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のカムおよび複数のベアリング組立体を繊維複合材支持チューブにレーザー溶接することを含む、内燃機関のためのカムシャフトを製造するための方法であって、
複数の溶接部位を有する繊維複合材支持チューブを用意すること、および、各溶接部位にレーザー溶接可能なプラスチック材料を備え付けること、
複数のカムを用意すること、各カムにレーザー溶接可能な部分を備え付けること、および、各カムの各レーザー溶接可能な部分にレーザー溶接可能なプラスチック材料を備え付けること、
複数のベアリング組立体を用意すること、各ベアリング組立体にレーザー溶接可能な部分を備え付けること、および、各ベアリング組立体の各レーザー溶接可能な部分にレーザー溶接可能なプラスチック材料を備え付けること、
各カムが溶接部位のうちの各１つのところにある状態で、カムのレーザー溶接可能なプラスチック材料が、当該カムが配置された溶接部位のレーザー溶接可能なプラスチック材料に当接する状態になるように、複数のカムを繊維複合材チューブ上に配置すること、
各ベアリング組立体が溶接部位のうちの各１つのところにある状態で、ベアリング組立体のレーザー溶接可能なプラスチック材料が、当該ベアリング組立体が配置された溶接部位のレーザー溶接可能なプラスチック材料と当接する状態になるように、複数のベアリング組立体を繊維複合材支持体チューブ上に配置すること、
各レーザー工具がカムのうちの１つまたはベアリング組立体のうちの１つと結合されている状態になるように、各カムおよび各ベアリング組立体のための分割レーザー工具であるレーザー工具を用意すること、
当該レーザー工具と結合された当該カムまたはベアリング組立体と隣接する繊維複合材支持チューブの周りにあるように、各カムまたはベアリング組立体と結合されたレーザー工具の分割工具を閉じること、および、当該レーザー工具と一緒にした当該カムまたはベアリング組立体を、繊維複合材支持チューブにある結合された溶接部位に当たるように仕向けること、
各レーザービームが吸収波長のレーザー光を有する状態で、各組のレーザービームがレーザー工具のうちの各１つと結合されている状態になるように、同時透過式赤外レーザー溶接システムのレーザー光源によって複数の組のレーザービームを発生させること、ならびに、
レーザー工具と結合されたカムまたはベアリング組立体が、吸収波長のレーザー光を溶接経路全体に同時に放射するために、繊維複合材支持チューブ体にある結合された溶接部位に溶接される溶接界面において、当該レーザー工具が、当該組のレーザービームを溶接経路に誘導する状態になるように、各組のレーザービームを当該組のレーザービームと結合されたレーザー工具に誘導すること、
を含む、方法。
【請求項２】
少なくとも１つの荷重導入部品を繊維複合材支持チューブの端部にレーバー溶接することをさらに含む、請求項１に記載の方法であって、
荷重導入部品部材にレーザー溶接可能な部分を備え付けること、および、荷重担持部材のレーザー溶接可能な部分にレーザー溶接可能なプラスチック材料を備え付けること、
繊維複合材支持チューブの端部に隣接する荷重導入部品部材を配置すること、
荷重導入部品部材と結合された荷重導入部品のためのレーザー工具に、荷重導入部品と結合された当該レーザー工具と結合された組のレーザービームのうちの少なくとも１つを供給すること、
レーザーファイバ束の繊維の端部が、外側溶接リングの周縁部の周りにあるように周縁部に間隔を空けて置かれた外側溶接リングの有孔部の中にある状態になるように、同時透過式赤外レーザー溶接システムのレーザーファイバ束を荷重導入部品と結合されたレーザー工具の中に配置すること、
荷重導入部品部材と結合されたレーザー工具のハウジングを繊維複合材支持チューブの円筒形開口部の中に配置すること、ならびに、
荷重導入部品部材と結合されたレーザー工具と結合された組のレーザービームを当該レーザー工具に誘導すること、および、当該レーザー工具と結合された荷重導入部品が、吸収波長のレーザー光を溶接経路全体に同時に放射するために、繊維複合材支持チューブ体にある結合された溶接部位に接合された溶接界面において、ファイバ束の繊維の端部から外側に向かって溶接経路に至るまでこれらのレーザービームを誘導すること、
を含む、方法。
【請求項３】
各ベアリング組立体を用意することが、ベアリングおよび当該ベアリングと結合された少なくとも１つのベアリングケージを用意することを含み、レーザー溶接可能な部分を備える各ベアリング組立体にレーザー溶接可能なプラスチック材料を用意することが、レーザー溶接可能な部分を備えるベアリングケージにレーザー溶接可能なプラスチック材料を備え付けることを含み、
各ベアリング組立体を繊維複合材支持チューブ上に配置することが、ベアリングケージがベアリングに隣接する状態になるように、各ベアリング組立体のベアリングおよびベアリングケージを繊維複合材支持チューブ上に配置することを含み、
各ベアリング組立体と結合されたレーザー工具を閉じることが、当該ベアリング組立体のベアリングケージに隣接する繊維複合材支持チューブの周りにあるように、レーザー工具を閉じること、および、当該レーザー工具と一緒にした当該ベアリングケージを、繊維複合材支持チューブにある結合された溶接部位に当たるように仕向けることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
各ベアリング組立体を用意することが、ベアリングおよび当該ベアリングと結合された１対のベアリングケージを用意することを含み、各ベアリング組立体を繊維複合材支持チューブ上に配置することが、１対のベアリングケージがベアリングの両側の面に隣接する状態になるように、各ベアリング組立体のベアリングおよびベアリングケージを繊維複合材支持チューブ上に配置することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
各カムの各レーザー溶接可能な部分にレーザー溶接可能な材料を備え付けることが、レーザービームを透過させるレーザー溶接可能なプラスチック材料を用意することを含み、各ベアリング組立体にレーザー溶接可能なプラスチック材料を備え付けることが、レーザービームを透過させるレーザー溶接可能なプラスチック材料を用意することを含み、カムおよびベアリング組立体と結合された溶接部位にレーザー溶接可能なプラスチック材料を備え付けることが、レーザービームを少なくとも部分的に吸収できるレーザー溶接可能なプラスチック材料を用意することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
レーザービームを透過させるレーザー溶接可能なプラスチック材料を用意することが、レーザービームを透過させる１つの熱硬化性および熱可塑性材料を用意することを含み、ならびに、レーザービームを部分的に吸収できるレーザー溶接可能なプラスチック材料を用意することが、レーザービームを部分的に吸収できる１つの熱硬化性および熱可塑性材料を用意することを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
溶接部位にレーザー溶接可能なプラスチック材料に備え付けることが、繊維複合材支持チューブの外層としてレーザー溶接可能なプラスチック材料を用意することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
繊維複合材支持チューブの外層としてレーザー溶接可能なプラスチック材料を用意することが、繊維複合材支持チューブの外層としてレーザービームを透過させるまたは部分的に吸収できる熱硬化性または熱可塑性材料を用意することを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
繊維複合材支持チューブの外層として熱硬化性または熱可塑性材料を用意することが、繊維複合材支持チューブの外層としてレーザービームを透過させるまたは部分的に吸収できる熱硬化性または熱可塑性材料からできた第２のチューブを用意することを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
繊維複合材支持チューブの外層の周りに界面シートを用意することをさらに含む、請求項８に記載の方法であって、界面シートが、繊維複合材支持チューブの外層の周りに、レーザービームを透過させるまたは部分的に吸収できる熱硬化性または熱可塑性材料から製造されている、方法。
【請求項１１】
溶接部位のうちの１つまたは複数において、繊維複合材支持チューブに凹みを形成すること、および、レーザービームを透過できるまたは部分的に吸収できる熱硬化性または熱可塑性材料を凹みに充填することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
複数のカムを用意することが、カムが繊維複合材支持チューブ上に配置されたときに繊維複合材支持チューブを部分的にのみ取り囲むカムを用意することを含む、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、内燃機関のための複合材カムシャフトの製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
この部は、必ずしも従来技術であるとは限らない、本開示に関連付けられた、背景情報を提供している。
【０００３】
レーザー溶接は、一般的に、プラスチック部品を一緒にして溶接するために使用されている。レーザー溶接の一種は、一般的にＴＴＩｒと呼ばれる透過型赤外レーザー溶接等の透過型レーザー溶接によるものである。ＴＴＩｒ溶接中、透過型プラスチック部品および吸収性プラスチック部品は、当接する表面どうしが溶接界面において互いに良く接触している状態であるように力を用いて、合わせて保持されている。適切な波長のレーザー放射光は、透過型部品に通され、溶接界面において、吸収性プラスチック部品に衝突し、吸収性部品による吸収によって熱に変換される。これは、融点より高く加熱されている溶接界面において、吸収性プラスチック部品を加熱する。吸収性プラスチック部品が溶融するにつれて、熱は、溶接界面を横断して、透過型部品に伝達され、溶接界面において透過型部品を溶融させ、溶接界面に溶融溶接部を形成する。レーザーが停止されたらすぐに、溶接部が固化し、溶接界面において部品どうしを共に溶接する。透過型部品は、透過性部品としても、当業界で公知であることを理解されるべきである。吸収性部品は、レーザー放射光を部分的に吸収できる部品を含むこともまた、理解されるべきである。
【０００４】
Ｂｒａｎｓｏｎ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから利用できるＴＴＩｒの一種は、本明細書においてＳＴＴＩｒと呼ばれる、同時透過式赤外線溶接（ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｅ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｗｅｌｄｉｎｇ）である。ＳＴＴＩｒにおいて、（本明細書において溶接経路と呼ばれる）完全な溶接経路または領域は、レーザーダイオード等の複数のレーザー光源の良く調整された位置合わせ等によって、レーザー放射光に同時に曝露される。ＳＴＴＩｒの一例は、「Ｌａｓｅｒ  Ｌｉｇｈｔ  Ｇｕｉｄｅ  ｆｏｒ  Ｌａｓｅｒ  Ｗｅｌｄｉｎｇ」に関する米国特許第６，５２８，７５５号明細書において記述されており、この全開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００５】
ＳＴＴＩｒにおいて、レーザー放射光は一般的に、溶接経路に沿って接合されている部品の表面の外形に一致する１つまたは複数の光学的導波路によって、１つまたは複数のレーザー源から、溶接されている部品に伝送される。図１１は、ＳＴＴＩｒレーザー溶接システム１１００の一例を示している。ＳＴＴＩｒシステム１１００は、１つまたは複数のコントローラ１１０４、インターフェース１１０９、１つまたは複数の電源１１０６および１つまたは複数のチラー１１０８を含む、レーザー支援ユニット１１０２を含む。ＳＴＴＩｒレーザー溶接システム１１００は、アクチュエータ１１１０、１つまたは複数のレーザーバンク１１１２、上側器具と導波路との組立体１１１４および支持台１１１８上に固定された下側器具１１１６をさらに含む。レーザー支援ユニット１１０２は、アクチュエータ１１１０および各レーザーバンク１１１２に連結されており、電源（または複数の電源）１１０６およびチラー（または複数のチラー）１１０８によってレーザーバンク１１１２に電力および冷却を提供し、コントローラ１１０４によってアクチュエータ１１１０およびレーザーバンク１１１２を制御する。アクチュエータ１１１０は、上側器具と導波路との組立体１１１４に連結されており、コントローラ１１０４の制御により、下側器具１１１６への上側器具と導波路との組立体１１１４の移動、および、下側器具１１１６からの上側器具と導波路との組立体１１１４の移動を行う。溶接すべき部品は、上側器具と導波路との組立体１１１４および下側器具１１１６の中に配置されている。
【０００６】
図１２に最も良く示されているように、各レーザーバンク１１１２は、１つまたは複数のチャネル１１２２を含み、各チャネル１１２２は、例示としてレーザーダイオードであってよいレーザー放射光のレーザー光源１１２４を有する。各チャネル１１２２は、ファイバ束１１２６によって上側器具と導波路との組立体１１１４の導波路１１２８に連結されている。導波路１１２８は、上側器具と導波路１１１４の上側器具１１３０の中に固定されている。各ファイバ束１１２６は、１つまたは複数の脚部１１３２に分かれており、各脚部は、導波路１２８にあるフェルール１３４を終点としている。（図１２を分かりやすくするために、図１２においては、２つのフェルール１１３４のみが、参照番号１１３４によって特定されている。）図１２を分かりやすくするために図１２には示されていないが、チャネル１１２２、ファイバ束１１２６およびフェルール１１３４を終点とする脚部１１３２と結合された十分なレーザーバンク１１１２が存在しており、そのため、溶接経路全体の周りにレーザー光を放射するのに十分であるように、導波路１１２８の周縁全体の周り等、導波路１１２８によって画定された溶接経路全体の周りにフェルール１１３４が存在するようになっていることは、理解されるべきである。各レーザーチャネル１１２２は、コントローラ１１０４によって制御される。各脚部１１３２は一般的に、ファイバ束１１２６のうちの１つの一部であるいくつかのファイバを有しており、そのため、結合されたファイバ束１１２６によって脚部が連結されたレーザーチャネル１１２２のレーザー放射光のレーザー光源１１２４から、これらの結合されたファイバ束１１２６のいくつかのファイバによって、各フェルールがレーザー光を供給されるようになっていることは、ファイバ束理解されるべきである。
【０００７】
カムシャフトは内燃機関において、空気と燃料との混合物をエンジンのシリンダーに入れ、シリンダーから排気する、バルブを機械的に開閉するために使用される。カムシャフトは、カムシャフトがカムをバルブ開放位置に回転させて、バルブを開いたときに、バルブリフターによってバルブを押す、ローブとも呼ばれるカムを有する。ばねは、カムシャフトがカムをバルブ開放位置より先に回転させたときに、バルブを閉鎖位置に戻す。
【０００８】
一般的に、カムシャフトは、機械加工された鋼部品から製造されている。図１Ａは、このようなカムシャフト１０の一例を示しており、図１Ｂは、カムシャフト１０の一部の分解組立図を示している。カムシャフト１０は、コア型シャフト１２、コア型シャフト１２と一体的に形成されたまたはコア型シャフト１２に固定された複数のカム１４（図１においては、複数のカム１４のうちのいくつかのみが、参照番号１４によって確認されている）、コア型シャフト１２に固定された複数のベアリング組立体１６６（図１においては、これらの複数のベアリング組立体１６６のうちの２つが、参照番号１６によって確認されている）、および、コア型シャフト１２と一体的に形成されたまたはコア型シャフト１２に固定された少なくとも１つの荷重導入部品１８を有する。本明細書において使用されているとき、荷重導入部品は、クランクシャフト等の別の構成要素から伝送された荷重等の荷重を担持しポンプなどの別の構成要素に荷重を伝送する、または、取付けフランジ等の荷重支持体を提供する、構成要素である。一態様において、少なくとも１つの荷重導入部品１８は、取付けフランジ２０を含む。一態様において、少なくとも１つの荷重導入部品１０８は、タイミングギヤ２２（図１Ｂ）を含む。
【０００９】
重量を軽くする努力において、カムシャフトは、繊維複合材料から製造されてきた。「Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ  Ｃａｍｓｈａｆｔ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｓａｍｅ」に関して米国特許第９，５７４，６５１号明細書（独国特許出願公開第１０２０１３１１１８３７（Ａ１）号明細書の優先権を主張している）は、複合繊維技術によって、取り付けられた個別の構成要素をカムシャフトに組み立てるための方法を開示している。
【００１０】
「Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  ａ  Ｓｈａｆｔ  ａｎｄ  ａ  Ｓｈａｆｔ  Ｐｒｏｄｕｃｅｄ  Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ  ｔｏ  ｔｈｉｓ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄ」に関して独国特許第１０２６０１１５（Ｂ４）号明細書は、カムシャフトおよび炭素繊維複合材料から管状ベースボディを製造することによってカムシャフトを製造するための方法を開示しており、金属スリーブが、カム要素の受入れおよび接合のために組み込まれている。「Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  ａ  Ｊｏｉｎｔ  ｏｎ  ａ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  Ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ  ａ  Ｆｉｂｒｅ−Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌ）に関して国際公開第２０１６／０３０１３４号パンフレットは、金属接続用の小片によって、複数の繊維複合材構造体を互いに接合することを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第６，５２８，７５５号明細書
【特許文献２】米国特許第９，５７４，６５１号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１０２０１３１１１８３７号明細書
【特許文献４】独国特許第１０２６０１１５号明細書
【特許文献５】国際公開第２０１６／０３０１３４号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この節は、本開示に関する全般的な概要を提供し、本開示の全範囲または本開示の特徴のすべてに関する包括的な開示ではない。
【００１３】
本開示の一態様によれば、内燃機関のためのカムシャフトを製造する方法は、複数のカムおよび複数のベアリング組立体を繊維複合材支持チューブにレーザー溶接することを含む。本方法は、複数の溶接部位を有する繊維複合材支持チューブを用意すること、および、各溶接部位にプラスチックレーザー溶接可能な材料を備え付けることを含む。本方法は、複数のカムを用意すること、各カムにレーザー溶接可能な部分を備え付けること、および、各カムの各レーザー溶接可能な部分にレーザー溶接可能なプラスチック材料を用意することをさらに含む。本方法は、複数のベアリング組立体を用意すること、各ベアリング組立体にレーザー溶接可能な部分を備え付けること、および、各ベアリング組立体の各レーザー溶接可能な部分にレーザー溶接可能なプラスチック材料を備え付けることをさらに含む。本方法は、各カムが溶接部位のうちの各１つのところにある状態で、カムのレーザー溶接可能なプラスチック材料が、当該カムが配置された溶接部位のレーザー溶接可能なプラスチック材料に当接する状態になるように、複数のカムを繊維複合材チューブ上に配置すること、ならびに、各ベアリング組立体が溶接部位のうちの各１つのところにある状態で、ベアリング組立体のレーザー溶接可能なプラスチック材料が、当該ベアリング組立体が配置された溶接部位のレーザー溶接可能なプラスチック材料と当接する状態になるように、複数のベアリング組立体を繊維複合材支持チューブ上に配置することをさらに含む。本方法は、各レーザー工具がカムのうちの１つまたはベアリング組立体のうちの１つと結合されている状態になるように、各カムおよび各ベアリング組立体のための分割レーザー工具であるレーザー工具を用意することをさらに含む。本方法は、レーザー工具と結合された当該カムまたはベアリング組立体に隣接する繊維複合材支持チューブの周りにあるように、各カムまたはベアリング組立体と結合されたレーザー工具の分割工具を閉じること、および、当該レーザー工具と一緒にした当該カムまたはベアリング組立体を、繊維複合材支持チューブにある結合された溶接部位に当たるように仕向けることをさらに含む。本方法は、各レーザービームが吸収波長のレーザー光を有する状態で、各組のレーザービームがレーザー工具のうちの各１つと結合されている状態になるように、同時透過式赤外レーザー溶接システムのレーザー光源によって複数の組のレーザービームを発生させることをさらに含む。本方法は、当該レーザー工具と結合されたカムまたはベアリング組立体が、吸収波長のレーザー光を溶接経路全体に同時に放射するために、繊維複合材支持チューブ体にある結合された溶接部位に溶接される溶接界面において、レーザー工具が当該組のレーザービームを溶接経路に誘導する状態になるように、各組のレーザービームを当該組のレーザービームと結合されたレーザー工具に誘導することをさらに含む。
【００１４】
一態様において、本方法は、少なくとも１つの荷重導入部品を繊維複合材支持チューブの端部にレーザー溶接することをさらに含み、荷重導入部品部材にレーザー溶接可能な部分を備え付けること、荷重担持部材のレーザー溶接可能な部分にレーザー溶接可能なプラスチック材料を備え付けること、繊維複合材支持チューブの端部に隣接する荷重導入部品部材を配置すること、荷重導入部品部材と結合された荷重導入部品のためのレーザー工具に、荷重導入部品と結合された当該レーザー工具と結合された組のレーザービームのうちの少なくとも１つを供給すること、レーザーファイバ束のファイバの端部が、外側溶接リングの周縁部の周りにあるように周縁部に間隔を空けて置かれた外側溶接リングの有孔部の中にある状態になるように、同時透過式赤外レーザー溶接システムのレーザーファイバ束を荷重導入部品と結合されたレーザー工具の中に配置すること、荷重導入部品部材と結合されたレーザー工具のハウジングを繊維複合材支持チューブの円筒形開口部の中に配置すること、ならびに、荷重導入部品部材と結合されたレーザー工具と結合された組のレーザービームを当該レーザー工具に誘導すること、および、当該レーザー工具と結合された荷重導入部品が、吸収波長のレーザー光を溶接経路全体に同時に放射するために、繊維複合材支持チューブ体にある結合された溶接部位に溶接される溶接界面において、ファイバ束のファイバの端部から外側に向かって溶接経路に至るまでこれらのレーザービームを誘導することを含む。
【００１５】
一態様において、各ベアリング組立体を用意することは、ベアリングおよび当該ベアリングと結合された少なくとも１つのベアリングケージを用意することを含み、レーザー溶接可能な部分を備える各ベアリング組立体にレーザー溶接可能なプラスチック材料を備え付けることは、レーザー溶接可能な部分を備えるベアリングケージにレーザー溶接可能なプラスチック材料を備え付けることを含み、各ベアリング組立体を繊維複合材支持チューブ上に配置することは、ベアリングケージがベアリングに隣接する状態になるように、各ベアリング組立体のベアリングおよびベアリングケージを繊維複合材支持チューブ上に配置することを含み、各ベアリング組立体と結合されたレーザー工具を閉じることが、当該ベアリング組立体のベアリングケージに隣接する繊維複合材支持チューブの周りにあるように、レーザー工具を閉じること、および、当該レーザー工具と一緒にした当該ベアリングケージを、繊維複合材支持チューブにある結合された溶接部位と当たるように仕向けることを含む。
【００１６】
一態様において、各ベアリング組立体を用意することは、ベアリングおよび当該ベアリングと結合された１対のベアリングケージを用意することを含み、各ベアリング組立体を繊維複合材支持チューブ上に配置することは、１対のベアリングケージがベアリングの両側の面に隣接する状態になるように、各ベアリング組立体のベアリングおよびベアリングケージを繊維複合材支持チューブ上に配置することを含む。
【００１７】
一態様において、各カムの各レーザー溶接可能な部分にレーザー溶接可能な材料を備え付けることは、レーザービームを透過させるレーザー溶接可能なプラスチック材料を用意することを含み、各ベアリング組立体にレーザー溶接可能なプラスチック材料を備え付けることは、レーザービームを透過させるレーザー溶接可能なプラスチック材料を用意することを含み、カムおよびベアリング組立体と結合された溶接部位にレーザー溶接可能なプラスチック材料を備え付けることは、レーザービームを少なくとも部分的に吸収できるレーザー溶接可能なプラスチック材料を用意することを含む。
【００１８】
一態様において、レーザービームを透過させるレーザー溶接可能なプラスチック材料を用意することは、レーザービームを透過させる１つの熱硬化性および熱可塑性材料を用意することを含み、レーザービームを部分的に吸収できるレーザー溶接可能なプラスチック材料は、レーザービームを部分的に吸収できる１つの熱硬化性および熱可塑性材料を用意することを含む。
【００１９】
一態様において、溶接部位にレーザー溶接可能なプラスチック材料に備え付けることは、繊維複合材支持チューブの外層としてレーザー溶接可能なプラスチック材料を用意することを含む。
【００２０】
一態様において、繊維複合材支持チューブの外層としてレーザー溶接可能なプラスチック材料を用意することは、繊維複合材支持チューブの外層としてレーザービームを透過させるまたは部分的に吸収できる熱硬化性または熱可塑性材料を用意することを含む。一態様において、繊維複合材支持チューブの外層として熱硬化性または熱可塑性材料を用意することは、繊維複合材支持チューブの外層としてレーザービームを透過させるまたは部分的に吸収できる熱硬化性または熱可塑性材料からできた第２のチューブを用意することを含む。
【００２１】
一態様において、本方法は、繊維複合材支持チューブの外層の周りに界面シートを用意することをさらに含み、界面シートが、繊維複合材支持チューブの外層の周りに、レーザービームを透過させるまたは部分的に吸収できる熱硬化性または熱可塑性材料から製造されている。
【００２２】
一態様において、本方法は、溶接部位のうちの１つまたは複数において、繊維複合材支持チューブに凹みを形成すること、および、レーザービームを透過できるまたは部分的に吸収できる熱硬化性または熱可塑性材料を凹みに充填することを含む。
【００２３】
一態様において、複数のカムを用意することは、カムが繊維複合材支持チューブ上に配置されたときに繊維複合材支持チューブを部分的にのみ取り囲むカムを用意することを含む。
【００２４】
さらなる応用可能領域は、本明細書において提供されている記述から明らかになる。この概要における記述および特定の例は、説明の目的で意図されているにすぎず、本開示の範囲を限定するように意図されていない。
【００２５】
本明細書において記述された図面は、選択された実施形態の説明を目的としたものにすぎず、すべての可能な実装形態ではなく、本開示の範囲を限定するようにも意図されていない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ】従来技術による金属カムシャフトを示している図である。
【図１Ｂ】図１Ａのカムシャフトの一部の分解組立図を示している図である。
【図２Ａ】本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムの実施形態を示し、繊維複合材支持チューブの材料の仕上げおよび強化繊維層を示している図であり、複合材支持チューブにレーザー溶接されたカムを有する複合材カムシャフトの一部の断面図である。
【図２Ｂ】本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムの実施形態を示し、繊維複合材支持チューブの材料の仕上げおよび強化繊維層を示している図であり、複合材支持チューブにレーザー溶接されたカムの複合材カムシャフトの一部の側面図である。
【図２Ｃ】本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムの実施形態を示し、繊維複合材支持チューブの材料の仕上げおよび強化繊維層を示している図であり、レーザー溶接可能な外層が上にある複合材支持チューブの一部の透視側面図である。
【図２Ｄ】本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムの実施形態を示し、繊維複合材支持チューブの材料の仕上げおよび強化繊維層を示している図であり、レーザー溶接可能な外層が上にある複合材支持チューブの一部の透視側面図である。
【図２Ｅ】本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムの実施形態を示し、繊維複合材支持チューブの材料の仕上げおよび強化繊維層を示している図であり、それから複合材支持チューブが本開示の一態様によって製造されることになる、強化繊維が埋め込まれたポリマー材料のマトリックスである。
【図３Ａ】本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムの実施形態を示し、複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムのレーザー溶接を図式的に示している図であり、複合材支持チューブの一部の側面図である。
【図３Ｂ】本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムの実施形態を示し、複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムのレーザー溶接を図式的に示している図であり、複合材支持チューブにレーザー溶接されたカムを有する複合材カムシャフトの一部の断面図である。
【図３Ｃ】本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムの実施形態を示し、複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムのレーザー溶接を図式的に示している図であり、複合材支持チューブにレーザー溶接されたカムの複合材カムシャフトの一部の側面図である。
【図３Ｄ】本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムの実施形態を示し、複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムのレーザー溶接を図式的に示している図であり、複合材支持チューブへのカムのレーザー溶接を図式的に示している、複合材カムシャフトの一部の側面図である。
【図４Ａ】本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムの一実施形態を示している図であり、複合材支持チューブにレーザー溶接されたカムを有する複合材カムシャフトの一部の断面図である。
【図４Ｂ】本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムの一実施形態を示している図であり、複合材支持チューブにレーザー溶接されたカムの複合材カムシャフトの一部の側面図である。
【図５Ａ】カムが繊維複合材支持チューブを部分的にのみ取り囲んでいる、本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムの一実施形態を示している図であり、複合材支持チューブにレーザー溶接されたカムを有する複合材カムシャフトの一部の断面図である。
【図５Ｂ】カムが繊維複合材支持チューブを部分的にのみ取り囲んでいる、本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムの一実施形態を示している図であり、複合材支持チューブにレーザー溶接されたカムの複合材カムシャフトの一部の側面図である。
【図６Ａ】界面層が繊維複合材支持チューブの周りにある、本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムの一実施形態を示している図であり、複合材支持チューブにレーザー溶接されたカムを有する複合材カムシャフトの一部の断面図である。
【図６Ｂ】界面層が繊維複合材支持チューブの周りにある、本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムの一実施形態を示している図であり、複合材支持チューブにレーザー溶接されたカムを有する複合材カムシャフトの一部の側面図である。
【図６Ｃ】界面層が繊維複合材支持チューブの周りにある、本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムの一実施形態を示している図であり、複合材支持チューブへのカムのレーザー溶接を図式的に示している、複合材カムシャフトの一部の側面図である。
【図６Ｄ】界面層が繊維複合材支持チューブの周りにある、本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムの一実施形態を示している図であり、図６Ｂの線６Ｄに沿った、複合材支持チューブの周縁の一部、および、カムの一部が複合材支持チューブにレーザー溶接されている界面層の区域である。
【図７Ａ】繊維複合材支持チューブが、レーザー溶接可能なプラスチック材料を充填された凹みを有する、本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムの一実施形態を示している図であり、複合材支持チューブにレーザー溶接されたカムを有する複合材カムシャフトの一部の断面図である。
【図７Ｂ】繊維複合材支持チューブが、レーザー溶接可能なプラスチック材料を充填された凹みを有する、本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムの一実施形態を示している図であり、凹みのうちの１つを有する複合材支持チューブの一部である。
【図７Ｃ】繊維複合材支持チューブが、レーザー溶接可能なプラスチック材料を充填された凹みを有する、本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムの一実施形態を示している図であり、レーザー溶接可能なプラスチック材料を充填された図７Ｂの凹みを示している。
【図７Ｄ】繊維複合材支持チューブが、レーザー溶接可能なプラスチック材料を充填された凹みを有する、本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムの一実施形態を示している図であり、図７Ｃの凹みにおけるレーザー溶接を概略的に示している。
【図７Ｅ】繊維複合材支持チューブが、レーザー溶接可能なプラスチック材料を充填された凹みを有する、本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブおよびカムの一実施形態を示している図であり、複合材支持チューブにレーザー溶接されたカムの複合材カムシャフトの一部の側面図である。
【図８Ａ】本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブへのカムのレーザー溶接を図式的に示している図である。
【図８Ｂ】本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブへのカムのレーザー溶接を図式的に示している図である。
【図９Ａ】本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブへのベアリング組立体のレーザー溶接を図式的に示している図である。
【図９Ｂ】本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブへのベアリング組立体のレーザー溶接を図式的に示している図である。
【図９Ｃ】本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブへのベアリング組立体のレーザー溶接を図式的に示している図である。
【図９Ｄ】本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブへのベアリング組立体のレーザー溶接を図式的に示している図である。
【図１０Ａ】本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブへの荷重導入部品のレーザー溶接を図式的に示している図である。
【図１０Ｂ】本開示の一態様による複合材カムシャフトの繊維複合材支持チューブへの荷重導入部品のレーザー溶接を図式的に示している図である。
【図１１】従来技術による同時透過式赤外レーザー溶接システムを示している図である。
【図１２】従来技術による同時透過式赤外レーザー溶接システムを示している図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
対応する参照番号は、図面のうちのいくつかの図を通して、対応する部品を指し示している。
【００２８】
次に、添付の図面を参照しながら、例示的な実施形態が、より完全に記述される。
【００２９】
例示的な実施形態は、本開示が十全なものであるように、本開示の範囲を当業者に完全に伝達するように、提供されている。特定の構成要素、装置および方法の例等、数多くの特定の詳細が、本開示の実施形態の十全な理解をもたらすために記載されている。当業者には、特定の詳細が利用される必要がないこと、例示的な実施形態が、数多くの異なる形態で具体化され得ること、および、これらのうちのいずれもが、本開示の範囲を限定するように解釈されるべきでないことが、明らかであろう。一部の例示的な実施形態において、周知の方法、周知の装置構造体および周知の技術は、詳細に記述されていない。
【００３０】
本明細書において使用されている用語は、特定の例示的な実施形態の記述を目的としたものにすぎず、限定的なものであるように意図されていない。本明細書において使用されているとき、そうではないと前後関係が明確に指し示していない限り、「一」、「１つの」および「当該」という単数形は、複数形も同様に含むように意図され得る。「備える」、「具備する」、「含む」および「有する」という用語は、包括的なものであり、したがって、記載された特徴、整数、ステップ、操作、要素および／または構成要素の存在を明示しているが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、操作、要素、構成要素および／またはこれらの群の存在または追加を排除しない。本明細書において記述された方法のステップ、プロセスおよび操作は、実施の順番として明示的に特定されていない限り、必ずしも説明または例示された特定の順番においてこれらを実施することを必然的に要求するものとして、解釈されるべきでない。さらなるまたは代替的なステップが利用され得ることもまた、理解されるべきである。
【００３１】
ある要素または層が、別の要素または層「の上に」、「にかみ合わされている」、「に接続される」または「に連結される」と言及されている場合、ある要素または層は、他の要素または層の上に直接あってもよいし、直接接続されていてもよいし、もしくは直接連結されていてもよく、または、介在する要素または層が存在してもよい。対照的に、ある要素が、別の要素または層「の上に直接」、「に直接かみ合わされている」、「に直接接続されている」または「に直接連結されている」と言及されている場合、介在する要素または層が存在しなくてもよい。要素間の関係を記述するために使用されている他の語句は、同様の方式（例えば、「の間に」と「の間に直接」との対比、「隣接する」と「直接隣接する」との対比等）によって解釈されるべきである。本明細書において使用されているとき、「および／または」という用語は、関連付けられた列記事項のうちの１つまたは複数のいずれかおよびすべての組合せを含む。
【００３２】
第１、第２、第３等の用語が、本明細書において、様々な要素、構成要素、領域、層および／または区域を記述するために使用されていることがあるが、これらの要素、構成要素、領域、層および／または区域は、これらの用語によって限定されるべきでない。これらの用語は、ある要素、構成要素、領域、層または区域を別の領域、層または区域から区別するためにのみ、使用され得る。本明細書において使用されているときの「第１」、「第２」および他の番号による用語等の用語は、そうではないと前後関係によって指し示されていない限り、連続順または順番を含意しない。したがって、下記において説明されている第１の要素、構成要素、領域、層または区域ディスクは、例示的な実施形態の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層または区域と呼称される可能性がある。
【００３３】
本明細書において、「内側」、「外側」、「真下」、「より下」、「より低い」、「より上」および「上側」等、空間的に相対的な用語は、ある要素または特徴の、図面中に示された別の要素または特徴に対する関係を記述するという目的で、記述を容易にするために使用され得る。空間的に相対的な用語は、図面中に図示された配向に加えて、使用または操作中の装置の異なる配向も包含するように意図され得る。例えば、図面中の装置がひっくり返されている場合、他の要素または特徴の「下」または「真下」だと記述されている要素は、他の要素または特徴「より上」に配向されていることになる。したがって、「より下」という例示的な用語は、より上という配向と、より下という配向との両方を包含し得る。上記の場合以外として、装置は、配向されていてもよく（９０度回転されていてもよいし、または他の配向であってもよい）、本明細書において使用されている空間的に相対的な記述語は、この配向に応じて解釈される。
【００３４】
参照番号によって明示的に特定されていない図面中の矢印は、レーザー光源から来たことが示されている場合、レーザー光の入射を指し示していること、または、Ｆと標識された矢印と一緒に示されている場合、力の方向指し示していることは、理解されるべきである。
【００３５】
図２Ａ〜図２Ｅから図７Ａ〜図７Ｂは、複合材カムシャフト１００のカム１０４および繊維複合材支持チューブ１０２の例示的な実施形態を示している。
【００３６】
繊維複合材支持チューブ１０２に固定されたカム１０４、ならびに、繊維複合材支持チューブ１０２およびカム１０４からできた構造体は、図２Ａ〜図２Ｅ、図３Ａ〜図３Ｄおよび図４Ａ〜図４Ｂにより詳細に示されている。繊維複合材支持チューブ１０２は、レーザー溶接可能な外層２０２が繊維複合材支持チューブ１０２の外面２０４に固定された、コア型繊維複合材チューブ２００を有する。レーザー溶接可能な外層２０２は、下記においてより詳細に説明されているように、レーザー溶接可能なプラスチック材料を含む。図２Ａ〜図２Ｅの例において、レーザー溶接可能な外層２０２は、例示として、熱硬化性材料の熱硬化性内層２０６および熱可塑性材料の外層２０８を有する。それから外層２０８が製造される熱可塑性材料は、レーザー溶接することができる。レーザー溶接可能な外層２０２は、図３Ａ〜図３Ｄの実施形態において示されているように、レーザー溶接可能な熱硬化性材料またはレーザー溶接可能な熱可塑性材料からできた単一の層であり得ることは、理解されるべきである。レーザー溶接可能な外層２０２は例示として、コア型繊維複合材２００が例えば、レーザー溶接可能な外層２０２のために使用される材料をコア型繊維複合材チューブ２００の周りに射出成形することによって製作された後に、コア型繊維複合材チューブ２００に適用される。それからレーザー溶接可能な外層２０２が製造されることになる材料をコア型繊維複合材チューブ２００に適用するために、射出成形以外の方法が利用され得ることは、理解されるべきである。
【００３７】
コア型繊維複合材チューブ２００は、強化繊維２１２（図２Ｅにおいて最も良く示されている）が埋め込まれ、保持されている、ポリマー材料のマトリックス２１０から製造されている。ポリマー材料のマトリックス２１０は、エポキシ、フェノール樹脂または同様の熱硬化性材料等の熱硬化性材料のマトリックス、または耐高温熱可塑性材料のマトリックスであってよい。耐高温熱可塑性材料のマトリックスのために使用され得る耐高温熱可塑性材料の一部の例は、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＩ（ポリイミド）およびＰＡ（ポリアミド）を含む。一態様において、強化繊維２１２は、限定ではなく例として１５°等、コア型繊維複合材チューブ２００の長手方向軸２１５に対して非ゼロ角度αに配向された（図２Ｄに最も良く示されている）、炭素繊維である。
【００３８】
カム１０４は、内側補強部材２１４と、内側補強部材２１４が埋め込まれ、保持された、レーザー溶接可能な外側部分２１６とを含む。一態様において、レーザー溶接可能な外側部分２１６は、レーザー溶接可能なプラスチック材料から製造されており、別の態様において、レーザー溶接可能なプラスチック材料の外層を有する。図２Ａ〜図２Ｅ、図３Ａ〜図３Ｄおよび図４Ａ〜図４Ｂに示された例において、カム１０４は、繊維複合材支持チューブ１０２を完全に取り囲んでいる。この例において、カム１０４は、その中を通るように繊維複合材チューブ１０２が延在する、内側有孔部２１８を有する。一変更形態において、カム１０４’は、図５Ａ〜図５Ｂに最も良く示されているように、繊維複合材チューブ１０２の一部のみを取り囲んでいる。図５Ａおよび図５Ｂのカム１０４’は、カム１０４’がカム１０４より少ない材料を有するため、カム１０４より軽い重量のカムである。さらに、カム１０４’の内側補強部材２１４’は、空隙５００（図５Ａ）を内部に有し、カム１０４’の材料をさらに低減している。さらに、この半分開いたカム１０４’の中心構造領域は、荷重下におけるカム１０４’のねじれを回避するために、レーザー接合技術を使用して、端部（チューブの中心線の領域）にさらに溶接されることが可能である。
【００３９】
上述のようにおよび下記においてより詳細に説明されているように、カム１０４、ベアリング組立体１０６および荷重導入部品１０８は、繊維複合材支持チューブ１０２にレーザー溶接される。繊維複合材支持チューブ１０２にレーザー溶接されるこれらの構成要素はまとめて、溶接される構成要素と呼ばれる。本明細書において溶接部位８０６（図８）と呼ばれる溶接される構成要素が溶接されるべき部位で、繊維複合材支持チューブ１０２上に、溶接される構成要素は配置されており、図８においては、これらの部位のうちの２つのみが示されている。繊維複合材支持チューブ１０２は、同時透過式レーザー溶接システムの中に配置されており、分割工具の工具は、溶接される構成要素のそれぞれに当たるようにして閉じられた状態になる。図３Ｃおよび図３Ｄを参照すると、一例として、カム１０４のうちの１つを使用したとき、レーザー工具３００（図３Ｃおよび図３Ｄにおいて概略的に示されている）は、レーザー工具３００が、カム１０４のいずれかの面上にあり、力をカム１０４に加えて、カム１０４を繊維複合材チューブ１０２に押し当てている状態で、カム１０４に当たるように閉じられている。同時透過式レーザー溶接システムのレーザー光源３０２によって発生したレーザービーム３０４（これらの両方ともが、図３Ｃおよび図３Ｄに概略的に示されている。）は、レーザー工具３００に誘導され、レーザー工具３００は、カム１０４が、吸収波長のレーザー光を溶接経路全体に同時に放射するために、繊維複合材チューブ１０２にレーザー溶接される溶接界面４０２において、レーザービームを溶接経路４００（図４Ａおよび図４Ｂ）に誘導する。レーザー光源は、例示として、レーザー光源１１２４  ＳＴＴＩｒレーザー溶接システム１１００（図１１）であってよい。図３Ａ〜図３Ｄの例において、カム１０４のレーザー溶接可能な外側部分２１６は、吸収波長において、透過型であり、繊維複合材支持チューブ１０２のレーザー溶接可能な外層２０２は、吸収波長において、部分的に吸収性である。レーザー光は、吸収波長の波長を有する。図３Ｄは、レーザービーム３０４がカム１０４のレーザー溶接可能な外側部分２１６に突き当たるときの、レーザービーム３０４の入射方向を概略的に示している。
【００４０】
カム１０４のレーザー溶接可能な外側部分２１６と、繊維複合材支持チューブ１０２のレーザー溶接可能な外層２０２は、互いにレーザー溶接されている状態で適合し合うプラスチック材料から製造されている。例えば、外側部分２１６と外層２０２はそれぞれ、同等の融点を有する同じ熱可塑性材料または熱可塑性材料であってもよい。繊維複合材支持チューブ１０２のレーザー溶接可能な外層２０２と、カム１０４のレーザー溶接可能な外側部分とのうちの一方は、レーザー溶接のために使用される吸収波長を有するレーザー光を吸収波長において部分的に吸収することが可能であり、他方は、吸収波長において、透過性である。添加剤が、部分的な吸収能をもたらすために、繊維複合材支持チューブ１０２のレーザー溶接可能な外層２０２と、カム１０４のレーザー溶接可能な外側部分２１６との界面に適用され得ることは、理解すべきである。
【００４１】
図６Ａ〜図６Ｄに示された一変更形態において、複合材繊維支持チューブ１０２のレーザー溶接可能な外層２０２は、（熱可塑性／熱硬化性熱の材料組成物から構成される、熱硬化性材料から構成される、または熱可塑性材料から構成される）第２のチューブ６００であり、または、熱可塑性／熱硬化性の材料の組合せから構成される、熱硬化性材料から構成される、または熱可塑性材料から構成される、二成分射出成形プロセスによって繊維複合材チューブ１０２上にスプレーされた層であり、カム１０４のレーザー溶接可能な外側部分２１６は、レーザー溶接可能な外層２０２と同じ材料から製造されている。
【００４２】
図７Ａ〜７Ｅに示された変更形態において、繊維複合材支持チューブ１０２は、二成分射出成形プロセス等の場合にように、レーザー透過性材料７０２を充填された溶接部位８０６のうちの１つまたは複数のところに、凹み７００を含む。このような凹み７００を有する溶接部位のそれぞれにおいて繊維複合材支持チューブ１０２に溶接される溶接構成要素は次いで、凹み７００に入ったレーザー透過性材料に、少なくとも部分的にレーザー溶接される。この点に関して、凹み７００は、図７Ｂに示されたように、繊維複合材支持チューブ１０２に形成される。次いで、凹み７００は、図７Ｃに示されたレーザー透過性材料を充填される。カム１０４（一例として使用されている）は次いで、図７Ｄに示されたように、カム１０４のレーザー溶接可能な外側部分２１６を、対応する凹み７００に入ったレーザー透過性材料に少なくとも部分的にレーザー溶接することによって、繊維複合材支持チューブ１０２にレーザー溶接される。得られた溶接済み構造体は、図７Ｅに示されている。有利なことに、構成要素の調製およびレーザー溶接に関する上記方法は、この方法によって、一体的なレーザー溶接接合部が最適化されることが可能であるため、溶接継ぎ目の高い品質を確実にする。材料溶融物が表面からある程度突出する場合、複合材支持チューブ１０２上にあるカム１０４を対象にしたさらなるすべり防止保護が、この方法を使用して達成される。
【００４３】
上述のように、同時透過式レーザー溶接は、溶接される構成要素を繊維複合材支持チューブ１０２に溶接するために使用される。図１１。図８を参照すると、複合材カムシャフト１００の溶接される構成要素を繊維複合材支持チューブ１０２に溶接するためのレーザー溶接技術および関連のレーザー器具技術が、繊維複合材支持チューブ１０２へのカム１０４のレーザー溶接に関して描かれている。上述のように、使用されるレーザー溶接技術は、同時透過式赤外レーザー溶接であり、同時透過式赤外レーザー溶接システム１１００等の同時透過式赤外レーザー溶接システムを利用するが、修正形態も、本明細書において説明されている。複数のレーザービームを発生させるための複数のレーザー光源は、それぞれレーザー光源１１２４によって示されており、これは、上述の有利なエネルギーおよび波長範囲において機能する。ファイバ束１１２６は、レーザー１１２４によって発生したレーザービームをレーザー工具８００に伝送し、レーザー工具８００は、溶接される構成要素にレーザービームを誘導し、溶接される構成要素は、図８の例において、繊維複合材支持チューブ１０２に溶接されるカム１０４である。一態様において、レーザー工具８００は、上述した導波路１１２８の線に沿って適切に構成された、導波路を含む。レーザー工具８００は、分割工具８０２を含む。カム１０４を溶接しているとき、レーザー工具８００は、右側分割工具および左側分割工具８０２を含む。各分割工具８０２は、分割工具８０２が複合材繊維支持チューブ１０２の周りで開閉可能であるように、２つの半体８０４に分割される。
【００４４】
各カム１０４は、繊維複合材支持チューブ１０２上において、当該カム１０４が繊維複合材支持チューブ１０２に溶接されることになる繊維複合材支持チューブ１０２上の溶接部位８０６のところに位置決めされる。この点に関して、各溶接済み構成要が繊維複合材支持チューブ１０２に溶接された繊維複合材支持チューブ１０２上には、溶接部位８０６が存在し、本明細書において溶接部位８０６と呼ばれる各溶接済み構成要素のための溶接部位が、当該溶接済み構成要素と結合されている。繊維複合材支持チューブ１０２が、各溶接部位８０６のところにのみ、レーザー溶接可能な外層２０２を有し得ることは、理解されるべきである。
【００４５】
各カム１０４と結合されたレーザー工具８００の右側分割工具および左側分割工具８０２の器具の半体８０４は、結合されたカム１０４の両側の面と当接する繊維複合材支持チューブ１０２の周りにあるように閉じられる。力Ｆによるレーザー工具８００分割工具の必要接触圧力は、カム１０４が繊維複合材支持チューブ１０２上に最適に押し当てられることを確実にする。器具の半体８０４の開閉は、電気的または電子的に操作される別個の機構（図示なし）によって実施される。各カム１０４と結合されたレーザー工具は、各カム１０４と結合されたレーザー工具８００の右側分割工具および左側分割工具が、各カム１０４の左側と右側との両方に配置され得るような態様で、隣接する溶接部位８０６どうしの間に余裕があるように、構成される。上記は、カム１０４に関して記述されてきたが、上記が、ベアリング組立体１０６にも等しく当てはまることは、理解されるべきである。
【００４６】
金属構成要素を繊維複合材支持チューブ１０２にレーザー溶接することは、金属構成要素は、レーザービーム３０４によって貫通されることができず、したがって、繊維複合材支持チューブ１０２に直接レーザー溶接されることができないため、難点をもたらす。一態様において、ベアリング組立体１０６のベアリングは、このような金属構成要素（図９Ｂに示されたベアリング１０６’等）であり、金属構成要素であるベアリング１０６’を複合材繊維支持チューブ１０２に取り付ける方法は、図９Ａ〜図９Ｃを参照して記述されている。ベアリング組立体１０６は、金属ベアリング１０６’および少なくとも１つのレーザー溶接可能なベアリングケージ９００を含む。金属ベアリング１０６’は、繊維複合材支持チューブ１０２上において、適切な溶接部位に配置されている。レーザー溶接可能なベアリングケージ９００は、金属ベアリング１０６’の各面に当たるように、繊維複合材支持チューブ１０２上に配置されている。一態様において、レーザー溶接可能なベアリングケージ９００は、それから繊維複合材支持チューブ１０２のレーザー溶接可能な外層２０２が製造されることになるレーザー溶接可能なプラスチック材料等、レーザー溶接可能なプラスチック材料から製造され、次いで、各レーザー溶接可能なベアリングケージ９００が、繊維複合材支持チューブ１０２のレーザー溶接可能な外層２０２に直接レーザー溶接される。レーザー工具８００（図９Ａ〜図９Ｃに図示なし）もまた、レーザー溶接可能なベアリングケージ９００を複合材繊維支持チューブ１０２にレーザー溶接するときに使用される。利用できる分割レーザ工具８０２の器具の半体８０４は、ベアリング組立体１０６の一方の面上において、レーザー溶接可能なベアリングケージ９００に当接する複合材繊維支持チューブ１０２の周りにあるように閉じられる。利用できる分割レーザ工具８０２の器具の半体は、ベアリング組立体１０６の他方の面上において、レーザー溶接可能なベアリングケージ９００に当接する複合材繊維支持チューブ１０２の周りにあるように閉じられる。レーザー溶接可能なベアリングケージ９００は、複合材繊維支持チューブ１０２にレーザー溶接される。
【００４７】
図９Ｃは、プラスチック／金属ベアリング１０６’’を含む、ベアリング組立体１０６を示している。ベアリング１０６’’は、例えばベアリング１０６’’の内側レースであってもよく、例示としてレーザー溶接可能なプラスチック材料から製造された、プラスチック部分９０８を含む。ベアリング組立体１０６を繊維複合材支持チューブ１０２にしっかりと固定するとき、ベアリング１０６’’のプラスチック部分９０８は例示として、繊維複合材支持チューブ１０２のレーザー溶接可能な外層２０２にレーザー溶接され、各レーザー溶接可能なベアリングケージ９００にレーザー溶接され、または、繊維複合材支持チューブ１０２のレーザー溶接可能な外層２０２と、各レーザー溶接可能なベアリングケージ９００との両方にレーザー溶接される。
【００４８】
プロセスの選択によっては、図９Ｄに示されたように、１回の作業操作によって複数のレーザー溶接表面（例えば、ＷＬ１およびＷＬ２〜ＷＬＸ）を溶接することもできる。
【００４９】
ギヤおよびフランジ等、繊維複合材支持チューブ１０２に接合されなければならない荷重導入部品１０８は、カムシャフトへの接合技術に関して、難点をもたらす。これらの荷重導入部品は一般に、複合材カムシャフト１００の起点または端部にあるため、次に図１０Ａおよび図１０Ｂを参照して記述されるように、レーザー等の接合技法を利用して、荷重導入部品を繊維複合材支持チューブ１０２に溶接することができる。この点に関して、繊維複合材支持チューブ１０２は、それから繊維複合材支持チューブ１０２のレーザー溶接可能な外層２０２が製造されることになるレーザー溶接可能なプラスチック材料と同じ種類のレーザー溶接可能なプラスチック材料から製造された、レーザー溶接可能な内層１０２２（図１０Ｂ）を有する。荷重担持部品１０８は、レーザー溶接可能な内層１０２２のレーザー溶接可能なプラスチック材料とレーザー溶接されることに適合する、レーザー溶接可能なプラスチック材料から製造された、対応するレーザー溶接可能な部分１０２４を有する。
【００５０】
レーザー工具１０００は、繊維複合材支持チューブ１０２の内側の円筒形開口部１００８の内径１００６に対応する外径１００４を有する、ハウジング１００２を有する。すなわち、外径１００４は、内側の円筒形開口部１００８の内径１００６と同じ（許容差未満）である。スペーサ１０１０は、ハウジング１００２の軸の外端１０１２の周りにしっかりと固定されており、繊維複合材支持チューブ１０２が荷重導入部品１０８にレーザー溶接される溶接界面１０１７に沿って溶接経路１０１６に放射するために、レーザーファイバ束１１２６の端部１０１４を内側の円筒形開口部１００８の中に正確に配置するように、スペーサ１０１０は寸法を定められている。外側溶接器具リング１０１８は、レーザーファイバ束１１２６の端部１０１４が外側溶接器具リング１０１８の周縁部１０２６の周りに間隔を空けて置かれるように周縁部に配置された、レーザーファイバ束１１２６のための有孔部１０２０を有する。有孔部１０２０は、レーザーファイバ束１１２６の端部１０１４から放出されたレーザー光が、溶接界面１０１７に沿って溶接経路１０１６全体を同時に放射するように、外側溶接器具リング１０１８の周縁部１０２６の周りに間隔を空けて置かれている。この点に関して、レーザーファイバ束の端部１０１４を出たレーザービームは、円形または楕円形の形状を有し、有孔部１０２０は例示として、隣接するレーザービームが溶接経路１０１６に沿って重なり合い、この結果、高い品質の全領域にわたる溶接接合部が製造されるように、間隔を空けて置かれている。
【００５１】
部分的に公知であるように、種々の要因が、使用されている波長においてレーザー光を透過させるプラスチック材料（熱硬化性物質および熱可塑性物質）、および、レーザー光を吸収できるまたは部分的に吸収できる材料のレーザー溶接性に影響する。繊維複合材支持チューブ１０２に関しては、繊維およびマトリックス材料、強化用連続繊維および短繊維の体積パーセント、ならびに、種類および（異なる充填剤による）色等の要因が、レーザー透明度に影響する。レーザー溶接において、接合すべき構成要素の中には、部分的に吸収性の層および透過型の層が常に必要とされる。（通常ならば良好なレーザー透過性を有する熱可塑性材料の場合でさえ、非晶性ポリマー材料と、半結晶性のポリマー材料とでは、レーザー透過性に著しい差がある。特殊な種類のエポキシ樹脂等、例えばＰＰＳまたはＰＥＥＫ等の一部の熱可塑性材料より高いレーザー透過率をある程度有する、レーザーを透過させる硬化性材料が公知である。重要な要素は、透過型部分を横断し、溶接界面において部分的に吸収性の部品によって少なくとも部分的に吸収されなければならない、レーザー溶接のために使用されているレーザー光の波長λ（ｎｍ）である。
【００５２】
等しい強度のための構造体の重量は、軽量な構造体のための重要な要素であり、これは、高い加速に晒されるモーターが駆動する質量に関して、特に興味深いものである。炭素繊維複合材は、大部分の他の材料に比べてほぼ５倍良好である、軽量構造体パラメータを有する。このような軽量の炭素繊維複合材が知られているにもかかわらず、エネルギーを散逸させる比較的重い金属カムシャフトが使用され続けている。
【００５３】
低い表面粗さパラメータが、チューブと組み立てられた構成要素との間において、必要に応じて研削または別の方法によって仕上げられた層どうしを接合している、平坦な繊維複合材チューブ支持構造体の表面は、いくらかより高価であるが有意義である。構成要素の平面平行度、真円度（平均値が１．５×１０−３ｍｍ）およびチューブ内径（繊維複合材支持チューブの外径および内径に関しては、０．１ｍｍ未満の厚さのバラつき）に関する厳しい許容誤差は、取り付けられた部品の据付けと、高い加速に晒された構成要素の不安定との理由で、必要とされる。
【００５４】
本開示の一態様によれば、熱安定な繊維複合材支持チューブ構造体は、約１５°の巻取り角度を用いる、繊維／マトリックスフィラメントの巻きプロセスによって得られ（図２Ｄを参照されたい）、例えば、熱可塑性または熱硬化性マトリックス中の炭素強化繊維は、１．７８ｇ／ｃｍ３の平均密度）において、「０」に近い線熱膨張（１０＾６＾ｍｍ＊Ｋ−１）を有する（図２Ａ〜図２Ｅを参照されたい）。同等の金属カムシャフト支持構造体は、大幅により高い線熱膨張パラメータを有する  −  アルミニウム（２．７ｇ／ｃｍ３の密度において、２３．１  １０＾６＾ｍｍ＊Ｋ−１）および鋼（７．８５ｇ／ｃｍ３の密度において、１１．８  １０＾６＾ｍｍ＊Ｋ−１）。線熱膨張または体積膨張は、比較的高い温度により、燃料式モーターにおいて、機能に著しい悪影響を与え得る応力およびカムシャフトの局所的な変形を発生させるが、このことは、これらの設計および機能パラメータに関して、繊維複合材カムシャフトの場合にも同様に言える。
【００５５】
コントローラ１１０４は、上記論理を実装するソフトウェアによってプログラムされる、デジタルプロセッサ（ＤＳＰ）、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、または、他のプログラマブルデバイスのいずれかであることまたは含むことが可能である。代替的には、コントローラ１１０４が、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、結合プログラマブル論理素子（ＣＰＬＤ）または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）等の他の論理素子である、または、他の論理素子を含むことは、理解されるべきである。コントローラ１１０４が、ある機能を実行し、または、ある機能を実行するように構成されると記載されている場合、コントローラ１１０４が、（ソフトウェア、論理素子またはこれらの組合せ等におけるような適切な論理を用いて、当該機能を実行するように構成されることは、理解されるべきである。コントローラ１１０４が、ある機能のための論理を有すると記載されている場合、このような論理が、ハードウェア、ソフトウェアまたはこれらの組合せを含み得ることは、理解されるべきである。
【００５６】
実施形態に関する上記記述は、例示および記述を目的として提供されてきた。排他的なものであること、または本開示を限定するように意図されていない。特定の実施形態に関する個別の要素または特徴は一般に、当該特定の実施形態に限定されないが、適宜、相互に変換可能であり、明示的に提示または記述されていない場合であっても、選択された実施形態において使用されることが可能である。同じことは、数多くの方法によって変更されることも可能である。このような変更形態は、本開示からの逸脱として考えられるべきでなく、すべてのこのような修正形態は、本開示の範囲に含まれるように意図されている。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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