(57)【要約】【課題】中空カムシャフトに関し、その強度を確保しつつより軽量化する。【解決手段】軸方向に延びる中空部１０を有するベース軸２１と、ベース軸２１の軸方向に沿って断続的に配置されたジャーナル部２３及びカム部２２と、軸方向一端の前記中空部の内面に形成された雌ネジ部１１とを備え、中空部１０は、雌ネジ部１１よりも他端側に一端側から他端側に向かって断面積が拡大する断面変化部１３と、断面変化部１３よりも他端側全域に雌ネジ部１１よりも断面積が大きい大断面部１６とを備える中空カムシャフト２０とした。大断面部１６は、軸方向他端に形成されたプラグ嵌込部１５と、断面変化部１３からプラグ嵌込部１５まで同一の断面で継続する断面一定部１４とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に延びる中空部と、
中空部の軸方向一端の内面に形成された雌ネジ部と、
を備え、
前記中空部は、
前記雌ネジ部よりも他端側に一端側から他端側に向かって断面積が拡大する断面変化部と、
前記断面変化部よりも他端側全域に前記雌ネジ部よりも断面積が大きい大断面部と、
を備える中空カムシャフト。
【請求項２】
前記大断面部は、
軸方向他端に形成されたプラグ嵌込部と、
前記断面変化部から前記プラグ嵌込部まで同一の断面で継続する断面一定部と、
を備える請求項１に記載の中空カムシャフト。
【請求項３】
前記断面変化部は、テーパ状に断面積が拡大する
請求項１又は２に記載の中空カムシャフト。
【請求項４】
軸方向に沿って軸心から離れる方向に突出する複数の突出部が形成され、
前記断面変化部は、軸方向に隣り合う前記突出部同士の対向する端面間に配置される
請求項１〜３の何れか１項に記載の中空カムシャフト。
【請求項５】
前記突出部は、軸方向に沿って断続的に配置されたカム部、又は、軸方向に沿って断続的に配置されたジャーナル部の軸方向両側に配置されるフランジ部である
請求項４に記載の中空カムシャフト。
【請求項６】
前記突出部の端面の裾部に、半径方向内側に向かうにつれて軸方向へ湾曲してその終端部で前記突出部の側方の円筒面に接続されるアール部を備え、
前記断面変化部は、軸方向に隣り合う前記アール部同士の前記終端部間に配置される
請求項４又は５に記載の中空カムシャフト。
【請求項７】
前記断面変化部は前記ジャーナル部と同じ軸方向範囲にある
請求項４又は５に記載の中空カムシャフト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内部に中空部を有する中空カムシャフトに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの動弁系を駆動するカムシャフトとして、重量軽減を目的として、その内部に軸方向一端から他端に至る中空部を有する中空カムシャフトが採用される場合がある。
【０００３】
この中空カムシャフトは、一般的に、中子を利用した鋳造法によって製造されている。型枠の中に砂型等からなる中子が配置され、溶湯が注入されて金属が固化した後に、中子をショットブラスト等により排除している（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１０５１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、カムシャフトの軸方向端部には、ギヤやスプロケット、プーリ等を取り付けるための雌ネジ部が形成されている。この雌ネジ部は、軸方向いずれかの側の端部において、中空部の内面に形成され、ギヤやスプロケット、プーリ等に挿通された固定用のボルトが、ねじ込まれるようになっている。
【０００６】
ここで、カムシャフトのさらなる軽量化を図るために、中空部の断面積を大きくしようとすると、それに合わせて、中空部の内面に形成される雌ネジ部のネジ径も大きくなってしまう。雌ネジ部には、回転を伝達するために大きな応力が作用するので、雌ネジ部のネジ径が大きくなると強度を確保するために、雌ネジ部周囲におけるカムシャフトの外径を大きくしなければならない。このため、中空部の断面積を大きくしても、必ずしもカムシャフトの軽量化を図ることができない。
【０００７】
そこでこの発明の課題は、中空カムシャフトに関し、その強度を確保しつつより軽量化することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、この発明は、軸方向に延びる中空部と、前記中空部の軸方向一端の内面に形成された雌ネジ部とを備え、前記中空部は、前記雌ネジ部よりも他端側に一端側から他端側に向かって断面積が拡大する断面変化部と、前記断面変化部よりも他端側全域に前記雌ネジ部よりも断面積が大きい大断面部とを備える中空カムシャフトを採用した。
【０００９】
ここで、前記大断面部は、軸方向他端に形成されたプラグ嵌込部と、前記断面変化部から前記プラグ嵌込部まで同一の断面で継続する断面一定部とを備える構成を採用することができる。
【００１０】
また、前記断面変化部は、テーパ状に断面積が拡大する構成を採用することができる。
【００１１】
これらの各態様において、軸方向に沿って軸心から離れる方向に突出する複数の突出部が形成され、前記断面変化部は、軸方向に隣り合う前記突出部同士の対向する端面間に配置される構成を採用することができる。
【００１２】
このとき、前記突出部は、軸方向に沿って断続的に配置されたカム部、又は、軸方向に沿って断続的に配置されたジャーナル部の軸方向両側に配置されるフランジ部である構成を採用することができる。
【００１３】
前記突出部の端面の裾部に、半径方向内側に向かうにつれて軸方向へ湾曲してその終端部で前記突出部の側方の円筒面に接続されるアール部を備え、前記断面変化部は、軸方向に隣り合う前記アール部同士の前記終端部間に配置される構成を採用することができる。
【００１４】
また、前記断面変化部は前記ジャーナル部と同じ軸方向範囲にある構成を採用することができる。
【発明の効果】
【００１５】
この発明は、軸方向一端から軸方向他端に至る中空部と、中空部の軸方向一端の内面に雌ネジ部が形成された中空カムシャフトにおいて、中空部を、雌ネジ部よりも他端側に一端側から他端側に向かって断面積が拡大する断面変化部と、断面変化部よりも他端側全域に雌ネジ部よりも断面積が大きい大断面部とを有する構成としたので、中空カムシャフトの強度を確保しつつより軽量化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の一実施形態を示す中空カムシャフトの縦断面図である。
【図２】図１の要部拡大図である。
【図３】（ａ）（ｂ）は、同実施形態と従来例とを比較するグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。この実施形態の中空カムシャフト２０は、軸方向に延びる中空部１０を有するベース軸２１と、ベース軸２１の軸方向に沿って断続的に配置されたジャーナル部２３及びカム部２２と、軸方向一端の中空部１０の内面に形成された雌ネジ部１１とを備えている。
【００１８】
中空部１０は、軸状部材であるベース軸２１の軸心と同心に形成され、軸方向一端と他端の端面に開口することでベース軸２１の軸方向全長に設けられている。
【００１９】
図１に示すように、ベース軸２１の外面には、軸方向に沿って断続的に５つのジャーナル部２３；２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅが形成されている。このジャーナル部２３の外面には、中空カムシャフト２０をエンジンのシリンダヘッド内に回転自在に支持するための軸受に対面する円筒面が形成されている。軸受構造としては、一般的に、すべり軸受が作用される。
【００２０】
円筒面からなるジャーナル部２３の外面に、二つ割り状態のカムベアリング４；４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅが宛がわれて各ジャーナル部２３の軸周り全周を覆い、そのカムベアリング４を介して、中空カムシャフト２０がシリンダヘッドに軸周り回転自在となる。
【００２１】
最も軸方向一端側に位置するジャーナル部２３ａの軸方向両側には、軸周り全周に亘って外径側へ突出するフランジ部２４が配置されている。それ以外のジャーナル部２３の軸方向両側には、軸周り全周に亘るカム部２２；２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが配置されている。
【００２２】
フランジ部２４やカム部２２は、いずれも、ベース軸２１の外面において、軸心から離れる方向に突出する突出部である。これらの突出部は軸方向に沿って断続的に配置され、その突出部の端面ｗは、カムベアリング４を軸方向に位置決めするためのスラストベアリングの機能も発揮している。
【００２３】
カム部２２は、エンジンの気筒数に対応して、必要な数だけ配置される。この実施形態では、図１に示すように、４気筒のエンジンに対応している。
【００２４】
中空カムシャフト２０の軸方向一端に、ボルト３を介してカムプーリ５が固定される。カムプーリ５にはタイミングベルトが巻回されて、クランクシャフトの回転が中空カムシャフト２０に伝達されるようになっている。クランクシャフトの回転に同期して中空カムシャフト２０が駆動され、中空カムシャフト２０によりロッカアーム等を介して、吸気側、排気側のバルブが開閉駆動され、エンジンの運転が行われる。
【００２５】
なお、吸気側と排気側の両方のバルブを１本の中空カムシャフト２０で動作させる場合もあるし、吸気側と排気側の両方のバルブを複数本の中空カムシャフト２０で別々に動作させる場合もある。
【００２６】
中空部１０の軸方向一端の内面には、カムプーリ５を固定するボルト３の雄ネジ部３ａがねじ込まれる雌ネジ部１１が形成されている。
【００２７】
また、中空部１０は、雌ネジ部１１の軸方向他端側に隣接して円筒状の内面を有する接続部１２、さらに軸方向他端側には、一端側から他端側に向かって断面積が拡大する断面変化部１３、さらに、断面変化部１３よりも他端側全域には、雌ネジ部１１よりも断面積が大きい大断面部１６を備えている。
【００２８】
接続部１２は断面円形であり、中空部１０の内面に雌ネジ部１１を形成する前までは、軸方向一端まで連続した状態である。軸方向一端からタップで雌ネジ部１１を形成した際に、ねじ溝が形成されることなく円筒状の内面として残った部分が、図２の接続部１２である。
【００２９】
大断面部１６は、軸方向他端に形成されたプラグ嵌込部１５と、断面変化部１３からプラグ嵌込部１５まで同一の断面で継続する断面一定部１４とを備えている。
【００３０】
プラグ嵌込部１５には、潤滑油路である中空部１０を密封するため、プラグが差し込まれるようになっている。プラグ嵌込部１５は、通常は、断面一定部１４よりも大断面に形成されるが、エンジンの仕様によっては、断面一定部１４より小断面である場合も考えられる。ただし、プラグ嵌込部１５は、雌ネジ部１１の最大径部分の内径、すなわち、雌ネジ部１１のネジ山とネジ山との間の谷の底の部分とベース軸２１の軸心からの距離（半径）を２倍した数値よりも、相対的に大きい内径（直径）を有する。これにより、プラグ嵌込部１５は、雌ネジ部１１よりも相対的に断面積が大きいものである。
【００３１】
断面一定部１４は断面円形であり、全長に亘って同一の断面で継続する。断面一定部１４の内径（直径）は、同じく、雌ネジ部１１の最大径部分の内径、すなわち、雌ネジ部１１のネジ山とネジ山との間の谷の底の部分とベース軸２１の軸心からの距離（半径）を２倍した数値よりも、相対的に大きい内径（直径）を有する。これにより、断面一定部１４は、雌ネジ部１１よりも相対的に断面積が大きいものである。
【００３２】
断面変化部１３は、軸方向一端側から軸方向他端側に向かって、テーパ状に断面積が拡大する。そのテーパの母線の軸方向に対する角度αは、応力集中を抑制する観点からより緩やかであることが好ましいが、特に、テーパの軸方向に対する角度αは、４５°以下とすることが望ましい。
【００３３】
このように、中空部１０を、雌ネジ部１１よりも他端側において、一端側から他端側に向かって断面積が拡大する断面変化部１３と、断面変化部１３よりも他端側全域に雌ネジ部１１よりも断面積が大きい大断面部１６とを有する構成としたので、雌ネジ部１１の径を拡大することなく、中空部１０全体の総容積を増大させ、中空カムシャフト２０の軽量化を実現できる。すなわち、カムプーリ５を固定するボルト３の径を増大させることがないので、雌ネジ部１１付近における中空カムシャフト２０の肉厚を増やす必要がなく、その結果、中空カムシャフト２０の強度を確保しつつより軽量化することが可能である。
【００３４】
また、断面変化部１３は、軸方向に隣り合う突出部同士の対向する端面ｗ，ｗ間に配置される。
【００３５】
この実施形態では、図２に示すように、断面変化部１３は、軸方向に隣り合うフランジ部２４の端面ｗと、カム部２２の端面ｗとの間に配置されている。すなわち、断面変化部１３は、外径側への突出部であるフランジ部２４やカム部２２が介在する軸方向範囲には、重複して配置されないようになっている。これにより、応力が集中しやすい突出部付近におけるベース軸２１の断面の変化を抑制し、その強度を高めている。
【００３６】
断面変化部１３の一端（始端と称する）と他端（終端と称する）は、軸方向へ隣り合う突出部の対向する端面ｗ，ｗよりも軸方向内側に配置されていることが望ましく、断面変化部１３の範囲は、例えば、図２に符号Ｌ１で示す範囲よりも内側であることが望ましい。
【００３７】
さらには、断面変化部１３は、軸方向に隣り合う突出部の裾部に設けられるアール部Ｒの終端部間に配置されることが望ましい。
【００３８】
アール部Ｒは、図２に示すように、突出部の端面ｗの裾部において、半径方向内側に向かうにつれて軸方向外側へ湾曲して、その終端部で、突出部の側方の円筒面に接続される形状となっている。すなわち、アール部Ｒと円筒面との接続部がアール部Ｒの終端部であり、断面変化部１３は、軸方向に隣り合うアール部Ｒの終端部間、例えば、図２に符号Ｌ２で示す範囲よりも内側に配置される。このように、断面変化部１３を、フランジ部２４やカム部２２等の突出部の端面ｗ，ｗ間、及び、その突出部の裾部のアール部Ｒが介在する軸方向範囲に重複して配置されないようにすれば、さらなる強度の確保が可能である。
【００３９】
なお、断面変化部１３の始端とその始端側の端面ｗとの距離、及び、断面変化部１３の終端とその終端側の端面ｗとの距離は、できるだけ長いことが望ましいが、断面変化部１３のテーパの軸方向に対する角度αは、前述のように、４５°以下に抑えることが望ましい。
【００４０】
また、断面変化部１３の軸方向範囲は、軸方向へ隣り合う突出部の対向する端面ｗ，ｗ間の中点を含むことが望ましく、さらには、断面変化部１３の始端とその始端側の端面ｗとの距離、及び、断面変化部１３の始端とその始端側の端面ｗとの距離は、互いに等しいことが望ましい。
【００４１】
さらに、断面変化部１３の軸方向範囲は、中空カムシャフト２０の種別を外観上で識別するための識別用突部２５の位置を避けて配置することが望ましい。あるいは、逆に、識別用突部２５は、断面変化部１３の軸方向範囲とは別の軸方向範囲に設けることが望ましい。
【００４２】
この実施形態では、断面変化部１３は、軸方向に隣り合うフランジ部２４の端面ｗと、カム部２２の端面ｗとの間に配置されるようにしたが、これ以外にも、例えば、断面変化部１３を、ジャーナル部２３と同じ軸方向範囲に設定してもよい。この場合、断面変化部１３は、軸方向に隣り合うフランジ部２４の端面ｗとフランジ部２４の端面ｗとの間に配置されることとなるか、あるいは、断面変化部１３は、軸方向に隣り合うカム部２２の端面ｗとカム部２２の端面ｗとの間に配置されることとなる。
【００４３】
また、ジャーナル部２３のフランジ部２４やカム部２２以外にも突出部が設けられている場合には、断面変化部１３は、そのフランジ部２４やカム部２２以外の突出部を避けて、軸方向に隣り合う突出部同士の端面ｗ，ｗ間に配置することが望ましい。
【００４４】
この発明の中空カムシャフト２０は、通常のカムシャフトと同じく鋳造法により製造される。鋳造の際には、中空部１０に対応する形状の中子が用いられ、型枠の中に中子が配置され、溶湯が注入されて金属が固化した後に、中子をショットブラスト等により排除して、さらに、ジャーナル部２３やカム部２２、雌ネジ部１１等の加工を施して、中空カムシャフト２０を完成させている。
【００４５】
中子は、接続部１２、断面変化部１３、大断面部１６の断面一定部１４、プラグ嵌込部１５に対応した形状とすることができるが、プラグ嵌込部１５を鋳造後の加工とすることもできる。
【００４６】
この実施形態では、断面変化部１３は、軸方向一端側から軸方向他端側に向かって、テーパ状に断面積が拡大するようにし、そのテーパの形状を直線状としたが、断面変化部１３の形状はこの実施形態に限定されない。例えば、断面変化部１３のテーパの形状を、その母線が円弧を描くような曲面状とすることも可能である。また、軸方向一端側から軸方向他端側に向かって、階段状に断面積が拡大するような形状も可能である。ただし、いずれの場合も、応力が集中するようなコーナー部、あるいは、先鋭な稜線を持つ角部を設けることは好ましくなく、断面変化部１３の全域、及び、接続部１２や大断面部１６との接続箇所において、できるだけ滑らかな面で連続していることが望ましい。
【００４７】
図３は、この発明の中空カムシャフト２０と、従来の中空カムシャフトの性能を比較するグラフ図である。図１における鎖線で示すラインが、従来の中空カムシャフト２０であり、実線で示すラインが、この発明の中空カムシャフト２０である。
【００４８】
図１中の断面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉの各箇所における断面係数の比較を、図３（ａ）に示す。図１中の断面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉの各箇所における断面二次モーメントの比較を、図３（ｂ）に示す。いずれの地点も、並列する棒グラフのうち、白抜きで示す左側の棒グラフが従来例を示し、グレーで示す右側の棒グラフがこの発明の実施形態を示すものである。
【００４９】
この発明では、中空部１０に大断面部１６を設けたことにより、従来の中空部よりも空洞の容積が大きくなっているが、いずれの地点においても、ほぼ同等の性能を発揮している。
【符号の説明】
【００５０】
３  ボルト
５  カムプーリ
１０  中空部
１１  雌ネジ部
１２  接続部
１３  断面変化部
１４  断面一定部
１５  プラグ嵌込部
１６  大断面部
２０  中空カムシャフト
２１  ベース軸
２２  カム部
２３  ジャーナル部
２４  フランジ部
２５  識別用突部
ｗ  端面
Ｒ  アール部
【図１】
2018128000.tif 000003
【図２】
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【図３】
2018128000.tif 000005