(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空軸に外嵌部材を外嵌させて、中空軸をバルジ加工により拡径させて該中空軸と外嵌部材を結合する中空軸構造において、
上記外嵌部材の軸線方向端面の中央部分につけ根部分が設けられ上記中空軸を覆う部分の肉厚が先端ほど小さくなるテーパ形状の外周面を有する筒状部を突設したことを特徴とする中空軸構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空軸に外嵌部材を外嵌し、バルジ加工により中空軸を拡径してこの中空軸と外嵌部材を一体化した中空軸構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
中空軸と外嵌部材を一体化した中空軸構造の一例として、内燃機関の組立て式カムシャフトがあり、このような中空軸構造を用いた場合、中空軸と外嵌部材があらかじめ、個々に製造され、その上で両部材がを組み合わせられ一体結合される。このため、両部材に夫々適した素材を選択する自由度が増し、軽量化を図れる。
たとえば、内燃機関の組立て式カムシャフトの場合、中空パイプにカムピースや端部及び中間部のジャーナルを外嵌させ、その上で、流体圧やダイス圧入によるバルジ加工等の拡径加工を行い、拡径された中空パイプの外周壁をカムピース等の内周壁に圧接して塑性変形させ、両者を一体化している。このような中空軸構造の一例が特開昭６２−１９２２１６号公報に開示されている。
【０００３】
ここでは、図５（ａ），（ｂ）に示すように、カムピース１００や端部ジャーナル１０１を中空パイプ１０２の中間部や端部に外嵌させ、これを上下金型１０３、１０４内に装着して型締めし、その上で、図５（ａ）に示すように、中空パイプ１０２に高圧流体供給機１０５より高圧流体を圧送し、中空パイプ１０２を膨出させ、両者を一体化している。この際、中空パイプ１０２に外嵌するカムピース１００や端部ジャーナル１０１等の外嵌部材側は上下金型１０３、１０４に確実に位置決めされてその変位を規制されているため、中空パイプ１０２における拡径方向の見かけ上の剛性はカムピース１００や端部ジャーナル１０１と対向する部位ａが非対向部位ｂより高くなる。このため、非対向部位ｂの拡径方向の変形は進み、対向部位ａの変形は抑えられる。しかも、中空パイプ１０２の対向部位ａはカムピース１００や端部ジャーナル１０１の内周壁の凹部形状に合わせて塑性変形して噛み合い、両者が一体化する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようなバルジ加工では、図６に示すように、中空パイプ１０２の端部ジャーナル１０１等の外嵌部材との対向部位ａより非対向部位ｂが拡径方向に大きく拡径変形することより、対向部位ａと非対向部位ｂとの境界部分ｃでの外径差が急変し、段部が生じることとなる。特に、特開昭６２−１９２２１６号公報に開示されるように、カムピース１００や端部ジャーナル１０１が上下金型１０３、１０４内に密に型締めして装着される場合、これらにより中空パイプ１０２の外嵌部材との対向部位ａの拡径方向の変形は抑えられ易く、境界部分ｃでの外径差の急変の程度は特に大きく発生しやすい。このように外径差が急変する境界部分ｃが形成された場合、中空パイプ１０２の使用時においてトルク伝達作動する際に、この境界部分ｃに応力が集中し易くなる。
【０００５】
特に、カムシャフトの場合、図示しないタイミングギアを一体的に締め付け結合する端部ジャーナル１０１の外嵌により生じる境界部分ｃには比較的大きな応力集中が生じ易い。このため、同部の耐久性を考慮して中空パイプ１０２の肉厚や材質を設定しても良いが、過度に肉厚を大きくするとバルジ加工での加工性が低下し問題があり、材質選択にもコスト増を抑えるという点で問題が生じ易い。
本発明は上述の課題を考察し、加工性低下、コスト増を招くことなく、十分の耐久性を確保できる中空軸構造を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１の発明では、中空軸に外嵌部材を外嵌させて、中空軸をバルジ加工により拡径させて該中空軸と外嵌部材を結合する中空軸構造であって、上記外嵌部材の軸線方向端面の中央部分につけ根部分が設けられ上記中空軸を覆う部分の肉厚が先端ほど小さくなるテーパ形状の外周面を有する筒状部を突設している。
ここでは、外嵌部材の軸線方向端面に突設した筒状部の肉厚が先端ほど小さく形成され、外嵌部材の拡径方向の剛性が外嵌部材の端面より筒状部先端に進むに従い徐々に小さくなる。このため、バルジ加工時において、中空軸の外嵌部材の外嵌により生じる境界部分での外径差の急変は排除され、境界部分での応力集中は緩和され、分散され、繰り返しての負荷変動を受ける回転軸として使用されても十分の耐久性を確保でき、加工性低下、コスト増を招くこともない。
好ましい態様として、中空軸はカムシャフトであり、外嵌部材は端部ジャーナルであるのが良く、この場合、組立て式カムシャフトの耐久性を十分確保できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１、図２には本発明の一実施形態例としての中空軸構造を適用した組立て式のカムシャフトＳを示した。ここで、カムシャフトＳは中空軸としての中空パイプ１に複数の外嵌部材である４気筒分のカムピース２と中央ジャーナル３及び左右の端部ジャーナル４（図１で右側の一転鎖線で示した端部ジャーナル４’は非装着）を外嵌し、これらがバルジ加工により一体結合されている。
【０００８】
中空パイプ１は金属パイプで、バルジ加工時に塑性変形可能な肉厚で、しかも、カムシャフトとして使用時に十分な耐久性を確保できる素材で形成される。カムピース２は十分な耐摩耗性を保持する素材を使用する。中央ジャーナル３及び端部ジャーナル４は耐摩耗性及び成形性を保持する素材を使用する。ここで、カムピース２、中央ジャーナル３及び端部ジャーナル４の各中央部には、図２に示すように、中空パイプ１を嵌挿する挿入穴ｈが形成される。挿入穴ｈは中空パイプ１の外径より若干大きな内径を有し，軸線方向Ｘに長い凸部を成す内周壁ｗ（図４（ａ）参照）と，複数の凹状の長溝ｄとがそれぞれに同様に形成される。
【０００９】
ここでカムピース２はベースサークルの一部が所定のリフト量相当だけ他の部位より突出すという周知のカム形状を成し、中央ジャーナル３は肉厚円板形状を成し、これらの軸線方向Ｘの左右端面は、挿入穴ｈ及び中空パイプ１の共通中心線Ｌと直交する平な壁面とが形成される。一方、端部ジャーナル４は外周壁の軸線方向Ｘの一側にジャーナル部４０１を他側に図示しないタイミングギアの取付け部４０２を形成し、しかも、軸線方向Ｘの内側の端面ｆには挿入穴ｈの開口を凹設すると共に筒状部５を突設し、外側の端面ｆにはギア取付け穴６を凹設する。筒状部５は端部ジャーナル４の本体内の挿入穴ｈを延出形成するように形成され、しかも、中空パイプ１を覆う部分の肉厚が先端ほど小さくなるテーパ形状を成す。このため、中空パイプ１の端部は端部ジャーナル４の主部及び筒状部５によりその拡径方向Ｙの見かけ上の剛性が高くなるが、端部ジャーナル４主部との対向部Ａ１と筒状部５との対向部Ａ２と非対向部Ｂとにおける各拡径方向Ｙの見かけ上の剛性は筒状部５の先端に向かうに従い徐々に低下するように形成される。このため、バルジ加工機７によって中空パイプ１が拡径変形する場合において、その拡径量が端部ジャーナル４主部との対向部Ａ１で小さく、筒状部５との対向部Ａ２で先端側に向かうほど大きくなり、非対向部Ｂで最も大きくなり、軸線方向Ｘに沿って徐々に拡径変形量が増すように成形可能となる。なお、図１で右側の端部ジャーナル４’は内側の端面ｆに挿入穴ｈの開口を凹設し、外周壁にジャーナル部４０１’を形成しており、中空パイプ１の右端部にバルジ加工後に溶接等によって固定される。
【００１０】
ここで図１のカムシャフトＳの製造に用いるバルジ加工機７を説明する。
バルジ加工機７は型締め機１５ａにより上下分割可能な上下金型８、９と、型締め機１５ｂにより左右に変位可能な左右金型１１、１２と、バルジ加工用のダイス１３を押し込み駆動するダイス押圧機１４とを備える。尚、バルジ加工機７全体は基枠７０１に支持されている。型締め機１５ａ、１５ｂは図示しない制御手段により所定の型締め、型開き駆動モードに沿って駆動制御される。上下金型８、９の内壁はカムピース２と中央ジャーナル３及び端部ジャーナル４を設定位置に位置規制して保持するための凹部がほぼ隙間の無い嵌合状態を保持できるように形成される。
【００１１】
尚、図２に示すように、端部ジャーナル１０１の筒状部５との対向部のみは所定の隙間ｔａが確保され、筒状部５の拡径変形を可能としている。一方、中空パイプ１の外周壁と直接対向し、外嵌部材と非対向の非対向部Ｂの内壁は、中空パイプ１の拡径変形を許容できるだけの所定量の隙間ｔが確保されるように形成されている。図１に示すように、左金型１１は端部ジャーナル４の外側端面と密に接して押圧する内壁を有し、右金型１２は中央にダイス８を挿通させる貫通口１２１を形成されると共に貫通口１２１の内端縁により中空パイプ１の端縁を抑えるように形成される。
【００１２】
ダイス押圧機１４は油圧シリンダ１４１と同シリンダに対して出入するピストン１４２とその先端のダイス１３とを備え、油圧シリンダ１４１の加圧作動時にダイス１３を中空パイプ１に突入させ，共通中心線Ｌに沿って押圧作動し、戻し作動時にダイス１３を中空パイプ１より引き抜き作動する。ダイス１３は軸線方向Ｘに延びる長溝を周方向に複数連続して凹凸状態で形成した凹凸周壁ｇを形成される。この凹凸周壁ｇはダイス１３が共通中心線Ｌに沿って軸線方向Ｘに加圧作動した際に、カムピース２、中央ジャーナル３及び端部ジャーナル４の各挿入穴ｈに嵌挿された際に、その挿入穴ｈの内周壁ｗを成す凸部及び凹状の長溝ｄとに中空パイプ１の略肉厚分の隙間を保って噛み合い可能に形成される。
【００１３】
次に、図１のカムシャフトＳの製造を説明する。
まず、予め、カムシャフトＳの中空軸を成す中空パイプ１に複数の外嵌部材である４気筒分のカムピース２と左端中央ジャーナル３を外嵌したカムシャフト仮組体Ｄが組立て処理され、これが組立てラインにあるバルジ加工機７に供給される。次いで、ダイス押圧機１４が上下金型６、７を型締め作動し、上下金型８、９内にカムシャフト仮組体Ｄがずれなく支持される。この後、ダイス押圧機１４が駆動してダイス１３を貫通口１２１及び中空パイプ１の一端の開口に差し込み、共通中心線Ｌに沿って中空パイプ１の内部に押し込む。この際、中空パイプ１はその非対向部Ｂにおいて、上下金型８、９の内壁面と所定の隙間ｔを保てセットされ、これにより、ダイス１３の押し込み時の無駄な抵抗を低減させている。このため、パイプ内にダイス１３の凹凸周壁ｇが押し込まれると中空パイプ１は比較的容易に拡径方向に一様に塑性変形される。
【００１４】
これに対し、カムピース２、中央ジャーナル３及び端部ジャーナル４の各挿入穴ｈと対抗する対向部Ａ、Ａ１，Ａ２ではダイス１３の凹凸周壁ｇの凸部が中空パイプ１を拡径方向に膨出変形させ、各挿入穴ｈ側の内周壁ｗを成す凸部（ダイス１３の凹部と対抗している）が中空パイプ１の拡径変形を抑えるように働く。この結果、ダイス１３が中空パイプ１に押し込まれた際に、各挿入穴ｈと対抗する対向部Ａでは周方向に凹凸する塑性変形部が形成され、図３に示すように相対的に噛み合い結合状態を保つこととなる。
【００１５】
ここで、特に、ダイス１３が中空パイプ１内に押し込まれ、端部ジャーナル４及びその先端の筒状部５との各対向部Ａ１、Ａ２に接近する場合を説明する。
【００１６】
ここで、図３に示すように、ダイス１３が筒状部５との対向部Ａ２の先端に達するまでの非対向部Ｂでは、中空パイプ１自体の拡径方向の剛性に対抗した塑性変形を行い、対向部Ａ２の先端通過後は中空パイプ１と筒状部５の肉厚により設定される拡径方向の剛性に対抗した塑性変形を行う。このため、中空パイプ１の筒状部５との対向部Ａ２においては、筒状部５の先端位置より端部ジャーナル４主部と筒状部５のつけ根部分に接近するに従い、拡径方向の剛性が徐々に強化されていることより拡径方向の変形量は徐々に小さくなり、図３、図４（ａ）に示すように、端部ジャーナル４主部との対向部Ａ１ではその変形量が最も小さくなる。ここでダイス１３が中空パイプ１より引き抜かれた後には、中空パイプ１、カムピース２、中央ジャーナル３及び端部ジャーナル４がそれぞれの拡径方向の変形量を弾性変形分だけ戻し、塑性変形量を保つ状態でバルジ加工が完了する。この後、型締め機１５ａ、１５ｂが上下金型８、９を型開き作動し、中空パイプ１とカムピース２、中央ジャーナル３及び端部ジャーナル４が一体化された状態のものとして取り出され、中空パイプ１の右端部に右側の端部ジャーナル４’が外嵌され、溶接等により固定され、カムシャフトＳが完成する。
このように、端部ジャーナル４の軸線方向端面に突設した筒状部５の肉厚が先端ほど小さく形成され、このため、端部ジャーナル４の軸線方向Ｘに沿った拡径方向の剛性が端部ジャーナル４の端面より筒状部５の先端に進むに従い徐々に小さくなり、バルジ加工時において、中空パイプ１の端部ジャーナル４の主部との対向部Ａ１と筒状部５との対向部Ａ２の境界部分での外径差の急変は排除され、この部位での中空パイプ１の拡径変形量はなだらかに変化するようになる。
【００１７】
図１のカムシャフトＳが図示しないエンジンに使用され、駆動した場合、繰り返してのトルク変動が中空パイプ１に加わった場合、最も応力集中しやすい端部ジャーナル４の対向部Ａ１と非対向部Ｂとの境界部分への応力集中は筒状部５による対向部Ａ２が形成されたことで緩和され、分散され、カムシャフトＳは十分の耐久性を確保できる。しかも、ここでは、単に端部ジャーナル４に筒状部５を突設したのみであり、加工性が低下することもなく、コストが過度に増加することも無い。
図１のカムシャフトＳにおいて、端部ジャーナル４が軸線方向端面に筒状部５を突設していたが、これに加えて、カムピース２や中央ジャーナル３にも同様の筒状部を形成しても良く、この場合も同様の作用効果を得られる。
【００１８】
上述の中空軸構造はカムシャフトＳに適用されていたが、中空軸とそれに外嵌部材を外嵌し両者をバルジ加工により一体化するという構造を採っていたが、この他の組立て式の回転軸に本発明を同様に適用でき、これらの場合も同様の作用効果を得られる。
さらに、上述の中空軸構造では外嵌部材の内周面に図４（ａ）で示す長溝ｄを設けていたが、本発明はこの形状に限られるものではなく、また、内周面を真円としてバルジ加工時のダイス１３の凹凸周壁のみによって塑性変形量を変化させて固定する様にしても同様の作用効果を得ることが出来る。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の発明では、外嵌部材の拡径方向の剛性が外嵌部材の軸線方向端面より筒状部先端に進むに従い徐々に小さくなるため、バルジ加工時において、中空軸の外嵌部材の外嵌により生じる境界部分での外径差の急変は排除され、境界部分での応力集中は緩和され、分散され、繰り返しての負荷変動を受ける回転軸として使用されても十分の耐久性を確保でき、加工性低下、コスト増を招くこともない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例としての中空軸構造を適用したカムシャフトとその製造に用いるバルジ加工機の概略側断面図である。
【図２】図１中に示した端部ジャーナル取付け部のバルジ加工前の部分拡大断面図である。
【図３】図１中に示した端部ジャーナル取付け部のバルジ加工後の部分拡大断面図である。
【図４】図１のカムシャフトの縦断面であり、（ａ）はバルジ加工前，（ｂ）はバルジ加工後を示す。
【図５】従来のカムシャフトのバルジ加工時の部分切欠断面図で、（ａ）はバルジ加工前，（ｂ）はバルジ加工後を示す。
【図６】図５（ｂ）の要部拡大断面図を示す。
【符号の説明】
１    中空パイプ
２    カムピース
４    端部ジャーナル
５    筒状部
Ｓ    カムシャフト
【図１】
0003775119.tif 000002
【図２】
0003775119.tif 000003
【図３】
0003775119.tif 000004
【図４】
0003775119.tif 000005
【図５】
0003775119.tif 000006
【図６】
0003775119.tif 000007