(57)【要約】【課題】加工コストの低減を実現し、シャフト部を拡管してカムロブを固定する際のカムロブの品質をも確保する。【解決手段】円管状のシャフト部４と、シャフト挿通孔３を有するカムロブ１を備え、カムロブ１のシャフト挿通孔３にシャフト部４を挿通した状態でシャフト部４を拡管することでシャフト部４にカムロブ１を固定してなるカムシャフトにおいて、焼結密度をρｇ／ｃｍ３、ベースサークル部２における径方向の肉厚をｔｍｍとした場合、ρ≧（−３／８）・ｔ＋８．９ｇ／ｃｍ３の関係式を満たし、Ｃ量が０．３質量％以上０．８質量％以下，Ｍｏ量が０．５質量％以上２．５質量％以下，残部をＦｅとした成分の鉄系焼結合金をカムロブ１の材質に用いた。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円管状のシャフト部と、シャフト挿通孔を有するカムロブを備え、カムロブのシャフト挿通孔にシャフト部を挿通した状態でシャフト部を拡管することでシャフト部にカムロブを固定してなるカムシャフトにおいて、カムロブの材質には、焼結密度をρｇ／ｃｍ３、ベースサークル部における径方向の肉厚をｔｍｍとした場合、ρ≧（−３／８）×ｔ＋８．９ｇ／ｃｍ３の関係式を満たし、Ｃ量が０．３質量％以上０．８質量％以下，Ｍｏ量が０．５質量％以上２．５質量％以下，残部をＦｅとした成分の鉄系焼結合金を用いていることを特徴とするカムシャフト。
【請求項２】
Ｃ量が０．３質量％以上０．８質量％以下，Ｎｉ量が０質量％超２．３質量％以下，Ｍｏ量が０．５質量％以上２．５質量％以下，残部をＦｅとした成分の鉄系焼結合金をカムロブの材質として用いている請求項１に記載のカムシャフト。
【請求項３】
熱処理を施すことでカムロブの外周面における表面硬度を６０ＨＲＡ以上に高めてある請求項１または２に記載のカムシャフト。
【請求項４】
カムロブの表面粗さを粗さパラメータＲｐｋで０．１μｍ以下とした請求項１ないし３のいずれかに記載のカムシャフト。
【請求項５】
カムロブの密度を７．２５ｇ／ｃｍ３以上とした請求項１ないし４のいずれかに記載のカムシャフト。
【請求項６】
カムロブの外周面に露出する空孔に樹脂が含浸してある請求項１ないし５のいずれかに記載のカムシャフト。
【請求項７】
樹脂に固体潤滑剤が分散させてある請求項６に記載のカムシャフト。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、自動車のレシプロ式エンジンにおいてインテ−クバルブやエキゾーストバルブを往復運動させるのに利用されるカムシャフトに係わり、とくに、鉄系焼結合金からなるカムロブを有するカムシャフトに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記したようなカムシャフトのカムロブに鉄系焼結合金を用いる構想は、従来からいくつかなされており、最近では、例えば、特開平９−３１６１２号公報に記載されたものがある。このように、焼結体からなるカムロブは、一般的に焼結後の成形精度が高いため、カムシャフトの加工コストにおいて大きなウエイトを占めるカムロブの研削工程を大幅に短縮することができ、カムシャフトのコスト低減化を図るうえで非常に有効である。
【０００３】
また、比較的安価な組み立て式のカムシャフトにおいて、カムロブのシャフト挿通孔にシャフト部を挿通し、この状態でマンドレル治具によってシャフト部を拡管することにより、シャフト部にカムロブを固定するトリントン方式が採用されるが、この方式では、シャフト部を拡管してカムロブを固定する際のカムロブの歪量が大きいことから、カムロブに割れが発生しないようにするために、カムロブの材料特性やカムロブおよびシャフト部の各寸法を詳細に規定する必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、カムロブに焼結体を用いてカムシャフトの加工コストの低減を図ったうえで、シャフト部にカムロブを固定する際の品質をも保証しつつトリントン方式によって組み立てるカムシャフトは、従来から現在に至るまで未だに提案されておらず、これを解決することが従来の課題となっている。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、このような従来の課題にかんがみてなされたものであって、加工コストの低減を実現することができるのは勿論のこと、シャフト部を拡管してカムロブを固定する際のカムロブの品質をも確保することが可能であるカムシャフトを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、鋭意研究を重ねてきた結果、シャフト部を拡管してカムロブを固定する際の品質を保証することが可能なカムロブ材としての鉄系焼結合金の材料仕様を見出すに至った。
【０００７】
本発明に係るカムシャフトにおいて、カムロブの材質として、焼結密度をρｇ／ｃｍ３、ベースサークル部における径方向の肉厚をｔｍｍとした場合、ρ≧（−３／８）×ｔ＋８．９ｇ／ｃｍ３の関係式を満たし、Ｃ量が０．３質量％以上０．８質量％以下，Ｍｏ量が０．５質量％以上２．５質量％以下，残部をＦｅとした成分の鉄系焼結合金を用いていることを特徴としている。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によるカムシャフトでは、上記した構成としたことにより、カムロブの研削工程を大幅に短縮することができ、その結果、加工コストの低減化を実現することが可能であり、加えて、シャフト部を拡管してカムロブを固定する際のカムロブの品質を保つことができるという著しく優れた効果がもたらされる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に係るカムシャフトにおいて、カムロブの材質、および、焼結後の密度ρｇ／ｃｍ３、カムロブのベースサークル部における径方向の肉厚ｔｍｍの関係式の規定を行っている。
【００１０】
これは、シャフト部を拡管してカムロブを固定する際に、カムロブ内の歪を詳細に計測して解析した結果、シャフト部の拡管時にカムロブが割れるか否かは、カムロブに生じる歪に対して材料の伸びが追従できるか否かにかかっていることを見出したからである。
【００１１】
材料の伸びについては、材料組成および密度の影響が大きく関与していることが解析から明確になり、これらの２つの因子を規定することで、カムロブの割れ性を大幅に改善できることが判った。
【００１２】
また、カムロブの各部位の寸法の中で、ベースサークル部における径方向の肉厚がカムロブに生じる歪に最も影響を及ぼす因子であることを見出し、全体の寸法の制約を受けて、ベースサークル部の肉厚を薄くしなければならない状況になっても、材料組成を固定して、材料密度をベースサークル部の肉厚の関係式から算出する所定値以上とすることで、割れの生じない領域が存在することを実験的に見出した。以下、規定した数値を具体的に説明する。
【００１３】
材料組成については、通常の焼結条件で所定の密度が得られる成分である必要がある。例えば、２Ｐ２Ｓ法や焼結鍛造法によれば、成分によらず、所定以上の密度が得られるものの、これらの工法ではコストが大幅に増加してしまうのでメリットが少ない。
【００１４】
この際、以下に示す成分範囲であれば、標準的な１１２０℃の焼結条件で所定の密度を得ることが可能である。すなわち、Ｃ量が０．３質量％以上０．８質量％以下，Ｍｏ量が０．５質量％以上２．５質量％以下，残部をＦｅとした成分の鉄系焼結合金をカムロブの材質として規定すれば、Ｍｏ，Ｃ，Ｎｉ，Ｃｕなどの成分を多く含む従来のカムロブ材料よりも経済的に有利な方法でかつ拡管時の割れに耐え得る伸びを確保することができる。
【００１５】
つまり、Ｃ量を０．３質量％以上とすることで、耐摩耗性を確保し、Ｃ量を０．８質量％以下とすることで、材料の脆化による耐割れ性の悪化を回避するようにしている。また、Ｍｏ量を０．５質量％以上とすることで、材料の基地強度を確保して耐割れ性を確保し、Ｍｏ量を２．５質量％以下とすることで、コスト的なメリットがなくならないようにしている。この意味で、Ｍｏ量を１．２質量％以上１．８質量％以下とすることがより好ましい。なお、Ｍｏはその効果を基地全体に及ぼすため、Ｆｅ−Ｍｏ合金粉の形態で付与することが好ましい。
【００１６】
上記材料組成において密度を規定する式として、ρ≧（−３／８）×ｔ＋８．９ｇ／ｃｍ３の関係式を規定したが、この関係式を満たす密度であれば、必要以上にコストをかけて高密度にすることなく拡管時のカムロブの割れを防ぐことができ、すなわち、品質を確保しつつ低コストのカムシャフトを提供可能となる。なお、カムロブ材の密度が６ｇ／ｃｍ３以上であると、カムシャフト円管部外径を確保しつつカムシャフト全体寸法の増大を抑えるうえで、より好ましい。
【００１７】
また、焼結温度、あるいは、金型温度を上昇させずに所定の密度が得られる手段について解析した結果、Ｎｉを添加すると、焼結が促進されて基地強度が強くなって、所定の密度が得られることを見出した。より好ましくは、１．７質量％以上である。この手法によれば、金型温度を必要以上に上げることなく、コストの上昇を抑えられ、一方、２．３質量％を越えるＮｉを添加すると、コストの増加に加えて、材料中に残留オーステナイトが分散するようになって耐摩耗性が悪化してしまうので、請求項２に係るカムシャフトにおいては、Ｃ量が０．３質量％以上０．８質量％以下、Ｎｉ量が０質量％超２．３質量％以下、Ｍｏ量が０．５質量％以上２．５質量％以下、残部をＦｅとした成分の鉄系焼結合金をカムロブの材質として用いている。なお、ＮｉはＮｉ粉末として与えてもよいが、鉄粉または鉄合金粉に部分的に拡散して結合させた部分拡散合金粉の形態で付与すると、Ｎｉの拡散が促進されて好ましい。
【００１８】
さらに、上記鉄系焼結合金からなるカムロブの外周面の表面硬度を熱処理によって６０ＨＲＡ以上とすることで、耐摩耗性が著しく向上することを見出し、請求項３では、カムロブの外周面における表面硬度の規定を行っている。
【００１９】
さらにまた、焼結材のフリクションと相関のある係数について解析した結果、従来の溶製材にはＲａが用いられてきたのに対して、焼結材の場合には、空孔を除いた接触部分中心の表面粗さパラメータＲｐｋを用いると相関が強いことが見出された。この際、表面粗さパラメータＲｐｋを０．１μｍ以下とすることで、カムロブとリフタとの間の摺動部のフリクションを低減させることが可能になることを見出した。また、表面粗さパラメータＲｐｋを用いることによって、軸にカム研磨を行う従来の手法に対して、加工費の増大を防げることから、請求項４では、表面粗さパラメータＲｐｋを０．１μｍ以下と規定している。
【００２０】
さらにまた、カムロブの密度とフリクションとの関係について解析を行った結果、材料内部の空孔が開空孔であるか閉空孔であるかによって、フリクションが大幅に変化することを見出した。すなわち、密度７．２５ｇ／ｃｍ３以上の閉空孔の場合、摺動面直下の空孔に油が保持されることで接触部の油圧が保たれて、良好な潤滑機能が保持される。一方、開空孔の場合、摺動面直下の空孔に油が保持されないため、接触部において金属接触が増加して潤滑性能が悪化する。その結果、請求項５では、閉空孔となるカムロブの密度を７．２５ｇ／ｃｍ３以上としている。
【００２１】
さらにまた、請求項６では、密度を高めることなく、著しいフリクション低減効果を得る手段について規定している。すなわち、カムロブの外周面に露出する空孔に樹脂を含浸することで、密度を７．２５ｇ／ｃｍ３以上にしなくても、潤滑油が材料内部に浸透するのを阻止して、接触部分の油圧を保持することができるのを見出したため、上記規定を行った。具体的には、アクリル樹脂、および、さらに潤滑性の高いＰＡＩなどの樹脂の含浸が有効であることを見出したため、上記規定を行った。
【００２２】
さらにまた、請求項７では、カムロブへの固体潤滑剤の適用について規定した。請求項１〜６の発明に加えて、さらにフリクション特性を向上させる手段について解析した結果、カムロブの外周面に露出する空孔に固体潤滑剤が分散させてある樹脂を含浸することで、潤滑油が材料内部に浸透するのを阻止する効果と合わせて、フリクションを大幅に低減する効果が得られることを見出した。具体的には、ＭｏＳ２，ＰＴＦＥ，グラファイトなどの固体潤滑剤の分散が有効である。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の実施例について詳細な説明をするが、本発明はこのような実施例のみに限定されないことはいうまでもない。
【００２４】
［実施例１］
この実施例では、Ｆｅ＋１．５Ｍｏ＋０．６Ｃ材を粉末および金型を１３０℃に加熱して温間成形した後、ブタン変性ガス雰囲気にて焼結温度１１２０℃で焼結を行い、９００℃の浸炭焼入れを行うのに続いて、１８０℃の焼戻し処理を行って、実体密度を７．２５ｇ／ｃｍ３としたカムロブの材質を得た。
【００２５】
また、この実施例では、熱処理を施すことでカムロブの外周面における表面硬度を７３ＨＲＡ（６０ＨＲＡ以上）にまで高めてあると共に、カムロブの表面粗さＲｐｋを０．０４８μｍ（０．１μｍ以下）としている。
【００２６】
この実施例において、図１に示すように、カムロブ１のベースサークル部２における径方向の肉厚ｔを４．５ｍｍとした場合、カムロブ１のシャフト挿通孔３に円管状のシャフト部４を挿通した状態でこのシャフト部４を拡管するに際して、カムロブ１の割れを阻止するρ≧（−３／８）×ｔ＋８．９ｇ／ｃｍ３の関係式を満たす理論密度下限は７．２１ｇ／ｃｍ３である。したがって、肉厚ｔと実体密度ρとの関係式が満たされる結果、この場合において、シャフト部４の拡管時には割れが生じなかった。
【００２７】
この場合、シャフト部４を拡管する際のカムロブ１の割れ確認試験は、図２に示すように、カムロブ１を挟持固定可能なホルダ１０を用い、このホルダ１０にセットしたシャフト部４およびカムロブ１をマンドレル１１によって拡管して、この際のカムロブ１の割れの有無を実体顕微鏡で確認するようにした。
【００２８】
また、フリクショントルク、摩耗試験は、図３に示すように、シャフト部４およびカムロブ１にバルブスプリング１２およびバルブリフタ１３を介して１３０ｋｇｆの荷重を負荷し、この状態でシャフト部４およびカムロブ１を回転数３００ｒｐｍで回転させてフリクショントルクを測定し、１時間の試験における平均値で示した。なお、試験中、カムロブ１とシム１４との接触部分には５Ｗ−３０のエンジンオイルを常時供給することとし、カムロブ１の相手材としてのシム１４には、ＳＣＭ４２０材に浸炭焼入れ焼戻し処理を施し、さらに、ガス軟窒化させたものを用いた。
【００２９】
［実施例２］
この実施例では、Ｆｅ＋２Ｎｉ＋１．５Ｍｏ＋０．６Ｃ材を粉末および金型を１００℃に加熱して温間成形した後、ブタン変性ガス雰囲気にて焼結温度１１２０℃で焼結を行い、９００℃の浸炭焼入れを行うのに続いて、１８０℃の焼戻し処理を行って、実体密度を７．３３ｇ／ｃｍ３としたカムロブの材質を得た。
【００３０】
また、この実施例においても、熱処理を施すことでカムロブの外周面における表面硬度を７５ＨＲＡ（６０ＨＲＡ以上）にまで高めてあると共に、カムロブの表面粗さＲｐｋを０．０３４μｍ（０．１μｍ以下）としている。
【００３１】
この実施例において、ベースサークル部２における径方向の肉厚ｔを４．５ｍｍとした場合、シャフト部４の拡管時におけるカムロブ１の割れを阻止するρ≧（−３／８）×ｔ＋８．９ｇ／ｃｍ３の関係式を満たす理論密度下限は７．２１ｇ／ｃｍ３であるから、この場合も前記関係式が満たされる結果、シャフト部４の拡管時には割れが生じることがなかった。加えて、この実施例では、Ｎｉを添加したことによって材料の収縮率が上がり、温間成形時の加熱温度を１００℃（実施例１では１３０℃）に下げても、到達密度に著しい低下がなく、したがって、実施例１よりもコスト面で有利である。
【００３２】
［実施例３］
この実施例において、Ｆｅ＋２Ｎｉ＋１．５Ｍｏ＋０．６Ｃ材を粉末および金型を１００℃に加熱して温間成形した後、ブタン変性ガス雰囲気にて焼結温度１１２０℃で焼結を行い、９００℃の浸炭焼入れを行うのに続いて、１８０℃の焼戻し処理を行って、実体密度を７．１７ｇ／ｃｍ３としたカムロブの材質を得た。
【００３３】
また、この実施例においても、熱処理を施すことでカムロブの外周面における表面硬度を７３ＨＲＡ（６０ＨＲＡ以上）にまで高めてあると共に、カムロブの表面粗さＲｐｋを０．０６２μｍ（０．１μｍ以下）としている。
【００３４】
この実施例において、ベースサークル部２における径方向の肉厚ｔを５．６ｍｍとすると、シャフト部４の拡管時におけるカムロブ１の割れを阻止するρ≧（−３／８）×ｔ＋８．９ｇ／ｃｍ３の関係式を満たす理論密度下限は６．８０ｇ／ｃｍ３となるので、この場合も前記関係式が満たされる結果、シャフト部４の拡管時には割れが生じることがなかった。加えて、この実施例においても、実施例２と同じくＮｉを添加したことで、温間成形時の加熱温度を１００℃に下げても、到達密度に著しい低下がなく、したがって、実施例１よりもコスト面で有利である。但し、この実施例では、実体密度を７．１７ｇ／ｃｍ３としているので、実体密度を７．２５ｇ／ｃｍ３以上としている実施例１，２に比してフリクショントルクが若干高くなっている。
【００３５】
［実施例４］
この実施例において、Ｆｅ＋２Ｎｉ＋１．５Ｍｏ＋０．６Ｃ材を粉末および金型を１００℃に加熱して温間成形した後、ブタン変性ガス雰囲気にて焼結温度１１２０℃で焼結を行い、９００℃の浸炭焼入れを行うのに続いて、１８０℃の焼戻し処理を行って、実体密度を７．３０ｇ／ｃｍ３としたカムロブの材質を得た。
【００３６】
また、この実施例においても、熱処理を施すことでカムロブの外周面における表面硬度を７５ＨＲＡ（６０ＨＲＡ以上）にまで高めてあると共に、カムロブの表面粗さＲｐｋを０．０３３μｍ（０．１μｍ以下）としており、加えて、この実施例では、カムロブの外周面に露出する空孔にアクリル樹脂（ヘンケル社製、商品名：レジノール９０Ｃ）を含浸させてある。
【００３７】
この実施例において、ベースサークル部２における径方向の肉厚ｔを５．６ｍｍとすると、シャフト部４の拡管時におけるカムロブ１の割れを阻止するρ≧（−３／８）×ｔ＋８．９ｇ／ｃｍ３の関係式を満たす理論密度下限は６．８０ｇ／ｃｍ３となるので、この場合も前記関係式が満たされる結果、シャフト部４の拡管時には割れが生じることがなかった。加えて、この実施例においても、実施例２，３と同じくＮｉを添加したことで、温間成形時の加熱温度を１００℃に下げても、到達密度に著しい低下がなく、したがって、実施例１よりもコスト面で有利であり、さらに、カムロブの空孔にアクリル樹脂を含浸させた分だけ、良好な耐摩耗性が得られることとなる。
【００３８】
［実施例５］
この実施例において、先の実施例４と異なるところは、カムロブの表面粗さＲｐｋを０．０４５μｍ（０．１μｍ以下）とした点、および、カムロブの外周面に露出する空孔に固体潤滑剤としてＭｏＳ２を４０体積％分散させたＰＡＩ（ポリアミドイミド）樹脂を含浸させた点にあり、他の構成は先の実施例４と同じである。
【００３９】
この実施例において、ベースサークル部２における径方向の肉厚ｔを５．６ｍｍとすると、シャフト部４の拡管時におけるカムロブ１の割れを阻止するρ≧（−３／８）×ｔ＋８．９ｇ／ｃｍ３の関係式を満たす理論密度下限は６．８０ｇ／ｃｍ３となるので、この場合も前記関係式が満たされる結果、シャフト部４の拡管時には割れが生じることがなかった。加えて、この実施例においても、実施例２，３，４と同じくＮｉを添加したことで、温間成形時の加熱温度を１００℃に下げても、到達密度に著しい低下がなく、したがって、実施例１よりもコスト面で有利であり、さらに、カムロブの空孔に固体潤滑剤を分散させた樹脂を含浸させてあるので、実施例１〜５および後述する比較例１〜３の中で最高のフリクション特性が得られる。
【００４０】
［比較例１］
実施例１に対して、この実施例１と同じ材料でかつ実体密度を７．０１ｇ／ｃｍ３とした比較例１のカムロブを作成した。この比較例１のカムロブのベースサークル部における径方向の肉厚ｔを４．５ｍｍとした場合、上記理論密度下限の７．２１ｇ／ｃｍ３に達していないので、前記関係式が満たされておらず、その結果、シャフト部の拡管時に割れが生じた。
【００４１】
［比較例２］
実施例２，３に対して、これらの実施例２，３と同じ材料でかつ実体密度を７．１７ｇ／ｃｍ３とした比較例２のカムロブを作成した。この比較例２のカムロブのベースサークル部における径方向の肉厚ｔを４．５ｍｍとした場合、上記理論密度下限の７．２１ｇ／ｃｍ３に達していないので、前記関係式が満たされておらず、その結果、シャフト部の拡管時に割れが生じた。
【００４２】
［比較例３］
実施例１〜３に対する比較例３として、Ｆｅ＋３Ｃｕ＋０．６Ｃ材を粉末および金型を１３０℃に加熱して温間成形した後、ブタン変性ガス雰囲気にて焼結温度１１２０℃で焼結を行い、９００℃の浸炭焼入れを行うのに続いて、１８０℃の焼戻し処理を行って、実体密度を７．０１ｇ／ｃｍ３としたカムロブの材質を得た。
【００４３】
この比較例３において、カムロブの外周面における表面硬度を６５ＨＲＡとしていると共に、カムロブの表面粗さＲｐｋを０．１１１μｍとしている。
【００４４】
実施例１〜３は、いずれも比較例３に対して良好な耐摩耗性を示し、いずれも比較例３よりもフリクショントルクが低いものとなっている。
【００４５】
実施例１〜５および比較例１〜３の各成分，含浸処理の有無，実体密度，ベースサークル部の肉厚，理論密度，表面硬度，到達粗さ，シャフト部の拡管時における割れの有無，フリクショントルクおよび摩耗試験による摩耗量を表１に示す。
【００４６】
【表１】
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【００４７】
表１から、実施例１〜５のカムロブが比較例１〜３のカムロブに対して、いずれも優れた拡管時割れ性，耐摩耗性およびフリクション特性を有していることが確認できた。
【００４８】
上記の実施例・比較例に加えて、さらに、合金成分・実体密度ρ・ベースサークル部の径方向肉厚ｔを変化させ、拡管時割れの有無との関係を調べた。その結果を図４に示す。図４より、合金成分が請求項１に合致し、かつ、直線ρ≧（−３／８）×ｔ＋８．９ｇ／ｃｍ３の関係を満足すれば、拡管時割れは発生しないことが確認された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るカムシャフトの断面説明図である。
【図２】実施例および比較例による各カムシャフトに対して行うカムロブの割れ確認試験のシャフト部拡管要領説明図である。
【図３】実施例および比較例による各カムシャフトに対して行うフリクショントルク、摩耗試験の試験要領説明図である。
【図４】合金成分・実体密度・ベースサークル部の径方向肉厚を変化させた際の実体密度・ベースサークル部の径方向肉厚と拡管時割れの有無との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１　カムロブ
２　ベースサークル部
３　シャフト挿通孔
４　シャフト部
ｔ　ベースサークル部の肉厚
【図１】
2004011788.tif 000004
【図２】
2004011788.tif 000005
【図３】
2004011788.tif 000006
【図４】
2004011788.tif 000007