(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受けに支持され、可変動弁アクチュエータを介して位相変更可能に回転駆動される組立カムシャフトであって、
動弁用カムを有するカムシャフト本体と、
前記カムシャフト本体の端部の外周面に結合された内周面と、前記軸受けに支持されるための摺接面とを有する端部部材と、
を備え、
前記組立カムシャフトは、前記軸受けから供給される作動油を前記可変動弁アクチュエータに導く油路を有し、
前記油路は、前記作動油を前記組立カムシャフトの軸方向に導く特定の油路が前記外周面と前記内周面とが当接される面に形成されるように構成されており、
前記カムシャフト本体は、中空のパイプ材を加工することによって形成されるとともに、前記可変動弁アクチュエータに締結されるための締結部を前記端部に有しており、
前記締結部は、前記パイプ材に対して塑性加工を行うことによって前記パイプ材の肉厚を増大させる塑性変形がなされている組立カムシャフト。
【請求項２】
請求項１記載の組立カムシャフトであって、
前記特定の油路は、前記外周面に形成された凹部と前記内周面とが当接される面に形成された組立カムシャフト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の運転状況に応じて、バルブの開閉タイミングを制御することができる内燃機関のカムシャフトに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の運転状況等に応じて、カム位相可変方式によって油圧でバルブの開閉タイミングを制御することができる動弁機構を有する内燃機関が普及している。このような動弁機構は、バルブの開閉タイミング（カム位相）を操作するアクチュエータを介してタイミングベルトあるいはタイミングチェーンから回転駆動力（トルク）を受ける。このアクチュエータは、カムシャフトの軸受け部分から供給された作動油によって駆動される。作動油の供給は、カムシャフトに設けられた油路によって行われる。一方、近年の多気筒化や大排気量化は、カムシャフトの強度低下の要因となる油路の拡大（あるいは耐圧性）と、カムシャフトの強度アップという相反する設計要求事項を要請していた。
【０００３】
しかし、従来は、カムシャフトの強度を維持しつつ油路を形成する方法については十分な検討がなされていなかった。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１３９３２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述の従来の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、軸受けに支持され、可変動弁アクチュエータを介して位相変更可能に回転駆動される組立カムシャフトにおいて、油路の形成と強度維持とを両立させる技術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および効果】
【０００６】
[適用例１]
軸受けに支持され、可変動弁アクチュエータを介して位相変更可能に回転駆動される組立カムシャフトであって、
動弁用カムを有するカムシャフト本体と、
前記カムシャフト本体の端部の外周面に結合された内周面と、前記軸受けに支持されるための摺接面とを有する端部部材と、
を備え、
前記組立カムシャフトは、前記軸受けから供給される作動油を前記可変動弁アクチュエータに導く油路を有し、
前記油路は、前記作動油を前記組立カムシャフトの軸方向に導く特定の油路が前記外周面と前記内周面とが当接される面に形成されるように構成されており、
前記カムシャフト本体は、中空のパイプ材を加工することによって形成されるとともに、前記可変動弁アクチュエータに締結されるための締結部を前記端部に有しており、
前記締結部は、前記パイプ材に対して塑性加工を行うことによって前記パイプ材の肉厚を増大させる塑性変形がなされている組立カムシャフト。
【０００７】
適用例１の組立カムシャフトでは、作動油を組立カムシャフトの軸方向に導く特定の油路が外周面と内周面とが当接される面に形成されるように油路が構成されているので、カムシャフト本体や端部部材の内部に油路を形成する場合のように油路の周囲に作動油の圧力に耐えるための肉厚部分を存在させる必要がない。これにより、組立カムシャフトの部品を小さくすることができる。
【０００８】
さらに、適用例１の組立カムシャフトでは、このようにして作り出された空間を利用して可変動弁アクチュエータに締結されるための締結部をカムシャフト本体に設けているので、可変動弁アクチュエータからカムシャフト本体に直接的にトルクを伝達する経路の追加を実現している。これにより、トルク伝達経路を効率化して組立カムシャフトへの伝達可能トルクの増大を実現している。
【０００９】
また適用例１の構成では、材料歩留まりの高い中空のパイプ材を利用して、材料歩留まりの高い加工方法である塑性加工を行うことによって製造可能である。これにより、資源を有効活用して環境に負担の小さな生産を実現することができる。
このように、本願発明者は、油路の構成とトルク伝達経路の設定とを有機的に組み合わせることによって、大トルクを伝達可能で、しかも後述するように生産効率までも高い組立カムシャフトの設計を可能とする技術的思想の創作に成功したのである。
【００１０】
[適用例２]
適用例１の組立カムシャフトであって、
前記特定の油路は、前記外周面に形成された凹部と前記内周面とが当接される面に形成された組立カムシャフト。
【００１１】
適用例２の構成では、外周面に形成された凹部と内周面とが当接される面に特定の油路が形成されているので、容易にアクセス可能な外周面に対して油路の構成のための機械加工を行うことができる。これにより、生産効率を高めるとともに、品質検査も容易となるので生産性と品質を高めることができる。
【００１２】
【００１３】
【００１４】
なお、本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、たとえば、組立カムシャフトを有する動弁機構、このような動弁機構を有する内燃機関、あるいは、このような内燃機関を備える自動車などの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．カム位相可変方式の動弁機構の概要：
Ｂ．従来技術におけるカム位相可変方式の動弁機構の構成と問題点：
Ｃ．実施例におけるカム位相可変方式の動弁機構の構成と利点：
Ｄ．変形例：
【００１６】
Ａ．カム位相可変方式の動弁機構の概要：
図１は、本発明の実施例におけるカム位相可変方式の動弁機構を示す説明図である。動弁機構は、図示しない内燃機関のクランクシャフトによって駆動されるタイミングベルト２２０と、タイミングベルト２２０によって回転駆動される可変バルブタイミングコントロールアクチュエータ２１０（本明細書では、アクチュエータ２１０とも呼ばれる。）と、カムシャフトタイミングギア２１０ａと、２本のカムシャフト１００、１００ａとを備えている。２本のカムシャフト１００、１００ａは、それぞれ動弁用カム３１０、３１０を有している。
【００１７】
アクチュエータ２１０およびカムシャフト１００は、吸気側のバルブ３００を所定のタイミングで開閉することができる。カムシャフトタイミングギア２１０ａおよびカムシャフト１００ａは、排気側のバルブ３００ａを所定のタイミングで開閉することができる。本実施例では、吸気側のバルブ３００の開閉タイミングは、アクチュエータ２１０の制御により運転状況に応じて操作可能である。一方、排気側のバルブ３００ａの開閉タイミングは、固定されている。
【００１８】
Ｂ．従来技術におけるカム位相可変方式の動弁機構の構成と問題点：
図２は、従来技術におけるカム位相可変方式の動弁機構の構成を示す断面図である。この動弁機構は、前述のようにアクチュエータ２１０とカムシャフト１００とを備えている。この動弁機構は、カムシャフト１００を支持する軸受け４００ｂを有するシリンダヘッド４００によって覆われている。シリンダヘッド４００には、オイルコントロールバルブ２９０が装着されている。
【００１９】
アクチュエータ２１０は、カバー２１２と、ハウジング２１３と、ベーン部２１４と、ベルト駆動部２１６とを備えている。カムシャフト１００は、カムシャフト本体１２０と、端部部材１１０とを備えている。カムシャフト本体１２０と端部部材１１０とは、焼嵌めによって結合されている。アクチュエータ２１０は、ボルト２１１によってカムシャフト１００の端部部材１１０に締結されている。カムシャフト１００は、端部部材１１０と軸受け４００ｂの間の摺動面４００ｂｓにおいて摺動することによって回転する。
【００２０】
図３は、アクチュエータ２１０の構成を示す断面図である。アクチュエータ２１０には、位相角を進めるための油室である進角油室２１５Ｌｅと、位相角を遅らせるための油室である遅角油室２１５Ｌａと、がベーン部２１４の各ベーン２１４ｂとハウジング２１３とによって形成されている。
【００２１】
図４は、従来技術における動弁機構のトルク伝達経路を示すフローチャートである。タイミングベルト２２０は、先ずアクチュエータ２１０にトルクを伝達する。アクチュエータ２１０へのトルクの伝達は、ベルト駆動部２１６において行われる。なお、本実施例では、ベルト駆動部２１６と端部部材１１０との間は、摺動面２１６ｓとなっており、ベルト駆動部２１６から端部部材１１０に直接的に回転駆動が加わらないように構成されている。
【００２２】
アクチュエータ２１０の内部におけるトルク伝達経路は以下のとおりである。
（１）ベルト駆動部２１６に伝達されたトルクは、ベルト駆動部２１６とハウジング２１３とを締結する図示しない締結部材（たとえばボルト）によってハウジング２１３に伝達される（図２）。
（２）ハウジング２１３に伝達されたトルクは、進角油室２１５Ｌｅと遅角油室２１５Ｌａの圧力差によって荷重として各ベーン２１４ｂに伝えられ、ベーン部２１４に集められてトルクとして伝達される。
【００２３】
アクチュエータ２１０のベーン部２１４に集められたトルクは、ボルト２１１と端部部材１１０の螺合と、ベーン部２１４と端部部材１１０の当接による摩擦力と、によって端部部材１１０に伝達される。このように、アクチュエータ２１０から伝達されるトルクは、すべて端部部材１１０に伝達されることになる。なお、ボルト２１１と端部部材１１０の螺合による伝達可能なトルクを大きくするためには、「螺合量Ｌｓ１を長くすること」と、「ボルト２１１の有効径を大きくすること」と、が要請される。
【００２４】
端部部材１１０に伝達されたトルクは、次にカムシャフト本体１２０に伝達される。この伝達は、端部部材１１０とカムシャフト本体１２０の螺合によって行われる（図２）。したがって、伝達可能なトルクを大きくするためには、この螺合においても「螺合量Ｌｓ２を長くすること」と、「カムシャフト本体１２０のネジ部分の有効径を大きくすること」とが要請される。
【００２５】
一方、アクチュエータ２１０の駆動のための作動油の流れは、以下のとおりである。すなわち、たとえば遅角側への位相調整は以下のようにして行われる。オイルコントロールバルブ２９０は、油孔２９０Ｌａ１（図２）を介して油路２９０Ｌａ２に作動油を供給する。油孔２９０Ｌａ１は、シリンダヘッド４００の外部から軸受け４００ｂに沿って孔開け加工で形成することができる。油路２９０Ｌａ２は、端部部材１１０の外周面に渡って形成された溝と、摺動面４００ｂｓ（軸受け４００ｂの内周面）に渡って形成された溝とを向かい合わせることによって形成された油路である。
【００２６】
作動油は、さらに油路２９０Ｌａ２から油孔２９０Ｌａ３と油孔２９０Ｌａ４と油孔２９０Ｌａ５と油孔２９０Ｌａ６とを介して油孔２９０Ｌａ７に流れる。油孔２９０Ｌａ３、油孔２９０Ｌａ５および油孔２９０Ｌａ７は、孔開け加工によって形成された孔である。油孔２９０Ｌａ４は、軸方向に形成された孔を塞ぐことによって形成された孔である。油孔２９０Ｌａ６は、油路２９０Ｌａ２と同様の構成によって形成された孔である。
【００２７】
作動油は、さらに油孔２９０Ｌａ７から遅角油室２１５Ｌａに流れ込む。遅角油室２１５Ｌａに流れ込んだ作動油は、ベーン２１４ｂを遅角側方向Ｌａに移動させる。このようにして、アクチュエータ２１０は作動油によって回転駆動され、動弁開閉の位相の操作に利用されることになる（図３）。
【００２８】
遅角側方向Ｌａに移動したベーン２１４ｂは、作動油を進角油室２１５Ｌｅから排出する。排出された作動油は、油孔２９０Ｌｅ６（図２、図３）と、油孔２９０Ｌｅ５（図２、図３）と、油孔２９０Ｌｅ４（図２）と、油孔２９０Ｌｅ３（図２）と、油孔２９０Ｌｅ２（図２）と、油孔２９０Ｌｅ１（図２）と、を順に経由してオイルコントロールバルブ２９０に戻される。一方、進角側への位相調整は、逆の経路で作動油が流れることによって実現される。
【００２９】
このような構成は、本質的な限界として以下のような問題点を内在していた。第１の問題点は、端部部材１１０における２つの螺合量Ｌｓ１、Ｌｓ２（嵌めあい長さ）の確保である。螺合量Ｌｓ１は、前述のようにベーン部２１４から端部部材１１０に回転駆動力を伝達するために十分な長さを要請される。螺合量Ｌｓ２は、前述のように端部部材１１０からカムシャフト本体１２０に回転駆動力を伝達するために十分な長さを要請される。しかしながら、２つの螺合量Ｌｓ１、Ｌｓ２は、端部部材１１０の全長によって制限を受けるという問題が生じていた。
【００３０】
第２の問題点は、カムシャフト本体１２０において発生する応力集中の問題である。カムシャフト本体１２０は、断面形状が急激に変動する部分１２０ｃを有し、応力集中の問題を抱えていた。しかしながら、螺合部分の直径は、油孔２９０Ｌａ４や油孔２９０Ｌｅ４との関係によって大きくすることができないという制限があった。
【００３１】
このように、従来の構成は、主として螺合によって回転駆動力（トルク）を伝達しているが、螺合の長さと直径の双方において制限を受けるので、近年の多気筒化や大排気量化に伴うカムシャフトのトルクの増大に対応することが困難な状況であった。本願発明者は、このような問題に対して、トルクの伝達経路や油路の設計を始めから見直すことによって、従来とは、全く相違する新規な構成の創作に成功した。
【００３２】
Ｃ．実施例におけるカム位相可変方式の動弁機構の構成と利点：
図５は、実施例におけるカム位相可変方式の動弁機構の構成を示す断面図である。実施例の動弁機構は、カムシャフト１００の代わりに本願発明者によって考案された新規なカムシャフト１００ｘに変更されている点と、ボルト２１１の代わりにカムシャフト１００ｘに対応するボルト２１１ｘに変更されている点と、において従来技術の動弁機構と相違する。カムシャフト１００ｘは、いずれも従来技術のものとは相違する端部部材１１０ｘとカムシャフト本体１２０ｘとを備えている。
【００３３】
カムシャフト本体１２０ｘの内径（肉厚）は、領域Ｚａｓにおいて連続的に変化している。この変化は、たとえばアップセット加工のような塑性加工によって形成されたものである。この肉厚変化は、ボルト２１１ｘとの螺合部分の形成を目的として設けられたもので、応力集中を生じさせないように連続的（滑らかな）変化となっている。一方、カムシャフト本体１２０ｘの外径には、変動が無くストレート形状となっている。
【００３４】
アップセット加工は、たとえば特開平８−１０８８９公報にも開示されている周知の工法なので詳細な説明は省略するが、切削加工と比較して材料歩留まりが高く生産効率が高い塑性加工による工法である。このような工法が利用できるのは、最終的にボルト２１１ｘとの螺合部分が切削されるので、塑性加工が可能な程度に形状公差を大きくすることができるという発明者の知見と創作とによるものである。さらに、このような加工による製造を実現することによって、中空のパイプ材から生産することも可能である。これにより、資源を有効活用して環境に負担の小さな生産を実現することができる。
【００３５】
図６は、カムシャフト１００ｘを抽出して軸方向の外形を示す断面図である。カムシャフト本体１２０ｘには、従来技術の端部部材１１０（図２）において油孔２９０Ｌａ４として構成されていた油路に代わるものとして、外周面に油路２９０Ｌａ４ｘ、２９０Ｌｅ４ｘを構成する凹部が形成されている。油路２９０Ｌａ４ｘ、２９０Ｌｅ４は、この凹部と端部部材１１０ｘの内周面の当接によって構成されている。この凹部は、ドリルによる穴あけ加工と相違し、外部からアクセスできる形状なので設計自由度が高く、たとえばエンドミルによって凹部の深さや幅、あるいは形状を自由に設定することができる。
【００３６】
なお、油路２９０Ｌａ４ｘ、２９０Ｌｅ４は、本実施例では、特許請求の範囲における「特定の油路」に相当する。油路２９０Ｌａ４ｘ、２９０Ｌｅ４は、本実施例では、作動油を組立カムシャフトの軸方向に直線的に導くように構成されているが、必ずしも直線状である必要は無く軸受け４００ｂからアクチュエータ２１０の位置まで作動油を導く機能を有するものであれば良い。
【００３７】
このような構成の変更に伴って、油路２９０Ｌａ４ｘ、２９０Ｌｅ４に連通する油孔２９０Ｌａ３ｘ、２９０Ｌａ５ｘ、２９０Ｌｅ３ｘ、２９０Ｌｅ５ｘも端部部材１１０ｘを貫通する貫通孔に変更されている。油孔２９０Ｌａ３ｘ、２９０Ｌａ５ｘ、２９０Ｌｅ３ｘ、２９０Ｌｅ５ｘと油路２９０Ｌａ４ｘ、２９０Ｌｅ４の位置関係は、回り止めピン１３０によって維持されている。回り止めピン１３０は、端部部材１１０ｘの内周面とカムシャフト本体１２０ｘの外周面の双方に嵌合し、相互のズレを防止している。
【００３８】
図７は、実施例の動弁機構のトルク伝達経路を示すフローチャートである。タイミングベルト２２０からアクチュエータ２１０までのトルクを伝達経路は従来技術の動弁機構におけるトルク伝達経路と同一である。ただし、アクチュエータ２１０からカムシャフト本体１２０ｘまでのトルク伝達経路は、従来技術の動弁機構におけるトルク伝達経路（図４）と以下の点で相違する。
【００３９】
アクチュエータ２１０のベーン部２１４に集められたトルクは、従来技術の動弁機構と異なり、２つの経路でカムシャフト本体１２０ｘに伝達される。第１の経路は、ボルト２１１ｘからカムシャフト本体１２０ｘに直接的に伝達する経路である。このトルクの伝達は、端部部材１１０の経由を必要としないので、端部部材１１０の構成に起因する設計上の制限を受けないことになる。第２の経路は、ベーン部２１４と端部部材１１０ｘの当接による摩擦力とによって端部部材１１０ｘに伝達され、さらに端部部材１１０ｘとカムシャフト本体１２０ｘの双方に嵌合する回り止めピン１３０や相互摩擦によって伝達される経路である。
【００４０】
このような構成は、以下に示すように第１の問題点の解決に成功している。
（１）ボルト２１１ｘとカムシャフト本体１２０ｘの螺合量Ｌｓｘの設計上の制限が事実上なくなっている（図５）。ベーン部２１４に集められたトルクがボルト２１１ｘからカムシャフト本体１２０ｘに直接的に伝達されるので、端部部材１１０とカムシャフト本体１２０との間の螺合が必要ないからである。なお、本実施例では、カムシャフト本体１２０ｘのうちボルト２１１ｘと螺合可能な部分が特許請求の範囲における「締結部」に相当する。
（２）ボルト２１１ｘの有効径の設計上の制限が事実上存在しない（図５）。カムシャフト１００ｘの軸方向に作動油を導く油路２９０Ｌａ４ｘ、２９０Ｌｅ４ｘがカムシャフト本体１２０ｘの外周面に形成された凹部と端部部材１１０ｘの内周面の当接によって構成されているからである。換言すれば、従来技術の動弁機構では、端部部材１１０の内部において所定の肉厚が周囲に存在するように油孔２９０Ｌａ４、２９０Ｌｅ４が形成されているのに対して、実施例の動弁機構では、カムシャフト本体１２０ｘと端部部材１１０ｘの当接する部分に油路が形成されているので上述の肉厚部分が不要となったからである。
【００４１】
このような構成は、さらに第２の問題点の解決に成功している。実施例の構成では、端部部材１１０ｘとカムシャフト本体１２０ｘの螺合を不要としているので、螺合部分を形成するための断面形状の急激な変動がなくなっているからである。
【００４２】
このように、実施例の動弁機構は、トルク伝達経路のボトルネックとなっている端部部材１１０を介することなく、直接的にカムシャフト本体１２０ｘにトルクを伝達する経路を付加するとともに、カムシャフト本体１２０ｘの断面形状の急激な変動をも不要として効率的なトルク伝達経路を実現しているのである。さらに、端部部材１１０についても、トルク伝達のための強度や油孔の耐圧性・加工性を考慮する必要がなくなるので、摺動面４００ｂｓ、２１６ｓの耐摩耗性や硬度に考慮して設計すれば良く、より最適な設計を実現することができる。これにより、本実施例は、近年の多気筒化や大排気量化に対して、トルク伝達や作動油供給経路、耐摩耗性といったいずれの要因に対しても十分な設計自由度を与えることができるのである。
【００４３】
Ｄ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。特に、上記各実施例における構成要素中の独立請求項に記載された要素以外の要素は、付加的な要素なので適宜省略可能である。
【００４４】
Ｄ−１．第１変形例：上述の実施例において、上述の利点や効果の各々の全てが本願発明の必須の構成要件につながるものではなく、本願発明は、上述の利点や効果の各々を簡易に実現させる設計自由度を与えるものであって、少なくとも一つの利点あるいは効果を実現させるものであれば良い。
【００４５】
Ｄ−２．第２変形例：上述の実施例において、塑性加工（アップセット加工）によってカムシャフト本体の肉厚を変化させているが、たとえば肉厚を変化させないようにしても良いし、あるいは切削加工によって変化させるようにしても良い。ただし、塑性加工によれば、上述のように生産効率を高めることができるとともに、切削加工時の切りくずの残存による不具合の発生を未然に防止することができるという利点がある。
【００４６】
Ｄ−３．第３変形例：上述の実施例において、カムシャフト本体の外周面に形成された凹部と端部部材の内周面とが当接される面に特定の油路が形成されているが、たとえば端部部材の内周面に凹部を形成するようにしてもよく、あるいは双方に凹部を形成するようにしても良い。ただし、上述の実施例のようにカムシャフト本体の外周面に凹部を形成すれば、容易にアクセス可能な外周面に対して油路の構成のための機械加工を行うことができる。これにより、生産効率を高めるとともに、品質検査も容易となるので生産性と品質を高めることができる。
【００４７】
Ｄ−４．第４変形例：上述の実施例においては、可変動弁アクチュエータ２１０と組立カムシャフト１００ｘとは、カムシャフト本体１２０ｘとボルト２１１ｘの螺合で締結されているが、これに限られず他の方法（たとえばキーとキー溝を含む締結方法）でも良い。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施例におけるカム位相可変方式の動弁機構を示す説明図。
【図２】従来技術におけるカム位相可変方式の動弁機構の構成を示す断面図。
【図３】アクチュエータ２１０の構成を示す断面図。
【図４】従来技術における動弁機構のトルク伝達経路を示すフローチャート。
【図５】実施例におけるカム位相可変方式の動弁機構の構成を示す断面図。
【図６】カムシャフト１００ｘを抽出して軸方向の外形を示す断面図。
【図７】実施例の動弁機構のトルク伝達経路を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００４９】
１００、１００ａ、１００ｘ…カムシャフト
１１０、１１０ｘ…端部部材
１２０、１２０ｘ…カムシャフト本体
１３０…ピン
２１０…可変バルブタイミングコントロールアクチュエータ
２１０ａ…カムシャフトタイミングギア
２１１、２１１ｘ…ボルト
２１２…カバー
２１３…ハウジング
２１４…ベーン部
２１４ｂ…ベーン
２１５Ｌａ…遅角油室
２１５Ｌｅ…進角油室
２１６…ベルト駆動部
２１６ｓ…摺動面
２２０…タイミングベルト
２９０…オイルコントロールバルブ
３００、３００ａ…バルブ
４００…シリンダヘッド
４００ｂ…軸受け
４００ｂｓ…摺動面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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