JPH04153505A - 内燃機関の動弁装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は内燃機関の吸・排気バルブを開閉するための動
弁装置に係り、より詳しくは揚程部と緩衝部とからなる
カムに関するものである。

［従来の技術〕 従来、この種の内燃機関の動弁装置におけるカムとして
、例えば実開昭５９−１１７８１６号公報に開示された
ものかある。第８図に示すように、このカム２１は円盤
状緩衝部２２と、同緩衝部２２から半径方向外方へ突出
する揚程部２３とから構成されている。そして、カム２
１の軸心Ｂと、同軸心Ｂから最も離間した位置（最大リ
フト点２４）とを結ぶ線を基準（角度θ＝０°）とした
場合、揚程部２３は例えばθ＝−６０〜６０°の角度範
囲に形成されている。前記緩衝部２２及び揚程部２３の
外周面は、ロンカアームのローラ２５ところかり接触す
るカム面となっている。このように構成されたカム２１
ては、耐磨耗性向上を目的として、通常、加工時にチル
処理等の硬化処理が施されている。

ところで、前述のカム２１には最大リフト点２４かロー
ラ２５と接触する際に最も大きな圧力か加わる。このこ
とから、通常カム２１は最大リフト点２４における最大
ヘルツ圧Ｐｏに耐え得るように設計されている。ここて
最大ヘルツ圧ＰＨとは、２つの半無限完全弾性体を想定
し、両弾性体の接触面積か全表面積に対して非常に小さ
い楕円形をなし、接触面か平面で、かつその接触面には
法線力だけ働いて剪断力は働かないと仮定した場合の接
触圧力である。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、前記従来技術においてはカム２１かローラ２
５に対し摺動する際に、第８図に二点鎖線で示すように
、緩衝部２２と揚程部２３との境界部分Ｃ，Ｄでクラッ
クを生じやすいという問題がある。これは次のような理
由によるものと推定される。第９図はカム２１摺動時の
圧力分布を示す図である。同図の横軸はカム２１におい
てローラ２５と接触する位置の角度θである。また、Ｐ
。１．はＥＨＬ　（摺動物体の弾性変形を考慮した潤滑
状態）理論を用いて算昌した最大圧力、τ□、１はＳａ
ｄｅｇｈｉの論文に基つき算出した最大剪断応力の最大
値である。

第９図より、角度θ−００（最大リフト点２４）前後で
は最大圧力ｐ　ｆｆｉ、１か最大ヘルツ圧Ｐ。と同一で
あるか、角度θの絶対値か太き（なるに伴い最大圧力Ｐ
７，８か最大ヘルツ圧ＰＨよりも高くなり、両者の差は
カム２１の角度θか″：６０°前後、つまり緩衝部２２
と揚程部２３の境界部分Ｃ，Ｄで最も大きくなる。

また、第１１図はカム２１がローラ２５と接触したとき
の圧力分布を示す図である。図の縦軸は圧力Ｐ、横軸は
カム２１の微小回転量Ｘを示し、Ｘ−０はヘルツ接触幅
の中央位置である。そして、第９図において最大圧力ｐ
　、、ｘか最大ヘルツ圧ＰＭよりも高くなると、第１１
図に示すように圧力スパイクＰＳＦと呼ばれる鋭い圧力
ピーク値か最大圧力ｐ　ｆｆｉ、、となる。

さらに、前記のようにカム２１の角度θ−：６０°前後
で圧力スパイクｐｓｐか生じると、最大剪断応力の最大
値τ。、□は同圧力スパイクｐｓｐの発生部位と対応す
る部分に発生する。このときの最大値τｆｆｉ、の現れ
る位置（カム２１表面からの深さ）ｙゎは圧力スパイク
ＰＳＰの大きさと関連している。つまり、圧力スパイク
Ｐｓｐか大きくなるに伴い（第９図において最大圧力Ｐ
カ１．と最大ヘルツ圧ＰＨとの差か大きくなるに伴い）
、第１０図に示すように、最大値τカ、！の現れる深さ
ｙ７は浅くなってカム２１表面に近つく。従って、この
ような理由によりカム２１表面から剥離か生し、クラッ
クが発生するのである。

なお、第１０図におけるｈ　１ｍはカム２１とローラ２
５との間の潤滑油の油膜厚さの最小値であり、前記深さ
ｙ４は同カム２１及びローラ２５間に十分量の潤滑油か
介在された状態での特性であることかわかる。

本発明は前述した事情に鑑みてなされたものであり、そ
の目的は最大剪断応力をカムの深い位置に発生させて、
クラックの発生を未然に防止することのできる内燃機関
の動弁装置を提供することにある。

し課題を解決するだめの手段］ 上記目的を達成するために本発明は、内燃機関のバルブ
を開閉するための揚程部と緩衝部とからなるカムを備え
た動弁装置において、前記カムの揚程部と緩衝部との境
界部分に、同カムの材質よりもヤング率の低い材質より
なるクラック発生防止用弾性部を設けている。

［作用コ カムの揚程部と緩衝部との境界部分に、同カムの材質よ
りもヤング率の低い材質よりなる弾性部を設けたことに
より、最大剪断応力の最大値の発生位置かカム表面から
内部へ向けて移行し、カム表面でのクラックの発生か防
止される。

［実施例： 以下、本発明を具体化した一実施例を第１〜７図に従っ
て説明する。

第１〜３図に示すように、内燃機関としてのエンノンに
はカムシャフト１か矢印入方向への回転可能に支持され
ている。このカムシャフトｌには、吸・排気バルブの数
に対応して複数のカム２か一体形成されている。カムシ
ャフト１の材質としては、ねずみ鋳鉄をチル硬化処理し
たり、軟窒化処理したりしたものや、Ｃｒ、Ｎ　ｉ、Ｍ
ｏ、Ｂ等を添加した合金鋳鉄をチル硬化したり、焼き入
れ硬化処理したりしたものか挙げられる。各カム２と吸
・排気バルブとの間にはロッカーアームか設けられてお
り、同ロッカーアームにローラ３か回転可能に支持され
ている。

各カム２はどの部位においても同一半径を有する円盤状
緩衝部４と、同緩衝部４から半径方向外方へ突出する揚
程部５とから構成されている。そして、カム２の軸心Ｂ
と、同軸心Ｂから最も離間した位置（最大リフト点８）
とを結ぶ線を基準（角度θ＝０°）とした場合、揚程部
５はθ＝６０〜６０°の角度範囲に形成されている。前
記緩衝部４及び揚程部５の外周面は、前記ローラ３に対
しころがり接触するカム面となっている。

各カム２の緩衝部４と揚程部５との２つの境界部分り、
Ｃ（θ＝−７０°〜−５０°、５０°〜７０°）には全
幅にわたって凹所６が形成されている。各凹所６には、
その形状と同一形状をなす弾性部７か埋設されており、
同弾性部７の表面は他の部分の表面と面一になっている
。この弾性部７の材質は、強度及び表面粗さを確保しつ
つ前記カム２の材質よりも柔らかいものであるという観
点から、同カム２の材質よりもヤング率（縦弾性係数）
Ｅの低いものである必要がある。このような材質として
は、例えば銅に亜鉛を添加してなる黄銅や、銅にスズ、
リン、アルミニウム等を添加してなる青銅等の銅合金を
用いることができる。

前記のように構成された動弁装置においては、カムシャ
フト１の回転に伴いローラ３に対するカム２の当接部位
か変化する。カム２の緩衝部４かローラ３に当接してい
る間は、同ローラ３にはカム２の軸心Ｂから離間する方
向への押圧力は作用しない。そして、カム２の回転によ
りローラ３との当接部位か緩衝部４から揚程部５へと移
行すると、カム２の軸心Ｂから離間させようとする押圧
力か同ローラ３に作用する。この押圧力は緩衝部４と揚
程部５との境界部分Ｃで最も小さ（、回転か進むに従い
増加し、最大リフト点８で最も大きくなる（第１図参照
〕。そして、押圧力は最大リフト点８を通過すると次第
に減少し、第３図に示すように揚程部５と緩衝部４との
境界部分りで最も小さくなる。

ところで、本実施例では揚程部５と緩衝部４との境界部
分Ｃ，Ｄに、両者５，４の材質よりもヤング率Ｅの低い
材質からなる弾性部７を埋設した。

これにより、第９図における最大圧力Ｐゎ、８と最大ヘ
ルツ圧ＰＨとの差か小さくなって圧力スパイクｐｓｐか
減少し、第１０図における最大剪断応力の最大値τ、１
８の発生位置かカム２表面から内部へ向けて移行する。

その結果、同カム２表面でのクランクの発生か防止され
るものと思われる。

第４図はカム２を角度θ＝６０°でローラ３に接触させ
た場合の弾性部７のヤング率Ｅと最大圧力ｐ　ｆｆｉ、
１　との関係を示すグラフである。この図よりヤング率
Ｅが異なっても最大圧力Ｐ、１１はあまり変化しないか
、いずれも第９図の最大リフト点（θ＝０°）における
値よりも小さい。また、第５図は同しくカム２のθ＝６
０°における弾性部７のヤング率Ｅと、最大剪断応力の
最大値τｗａｘの現れる深さｙｆｆｉとの関係を示すグ
ラフである。

この図から弾性部７のヤング率Ｅが小さくなるほど深さ
ｙ。が大きく増加し、最大値τ６ワ、の発生位置がカム
２内部へ移っていることかわかる。これは圧力スパイク
ＰＳＦか減少したことによるものと推定される。

第６図は圧力スパイクＰＳＰと最大剪断応力の最大値τ
。、８の発生深さｙ４との関係を示すグラフである。図
中、横軸「πはＰＥＰ／ＰＨ（ＰＨは最大ヘルツ圧）、
縦軸ｙ、はｙ、、／ｂ（ｂは半ヘルツ接触幅）である。

この図より圧力スパイクＰＳＰか高くなるに伴い深さｙ
ｆｆｉか減少することかわかる。

さらに、第７図（ａ）〜（ｄ）はカム２のθ＝６０°に
おける圧力分布を示している。図中（ａ）はヤング率Ｅ
が１．６　Ｘ　ｌ　Ｏ”ＭＰａ、（ｂ）はヤング率Ｅか
１．８　Ｘ　Ｉ　Ｏ”ＭＰａ、（ｃ）はヤング率Ｅか２
．　ＯＸ　］　０　”ＭＰａ、（ｄ）はヤング率Ｅか２
゜２　ｘ　］　０　”ＭＰａの場合である。また、図の
縦軸は最大ヘルツ圧ＰＨ，最大圧力Ｐ　ｔ＋ａＮ　、圧
力スパイクｐｓｐ等の圧力Ｐであり、横軸はカム２の微
小回転量Ｘである。なお、Ｘ＝０はヘルツ接触幅の中央
位置を指している。これらの図から、ヤング率Ｅか低く
なるに伴い圧力スパイクｐｓｐが減少する傾向かあるこ
とがわかる。

このように本実施例では緩衝部４と揚程部５との境界部
分Ｃ，Ｄに弾性部７を埋設したので、弾性部７以外の部
分では最大圧力ＰＲａＸ、最大ヘルツ圧ＰＨ及び最大剪
断応力の最大値τ６．８に十分耐えることができる。そ
して、弾性部７では最大剪断応力の最大値τ０．１の発
生位置かカム２表面から深くなり、従来技術に比ベクラ
ックか発生しにくくなる。これにより、カム２の品質か
長期にわたり低下することなく保持される。

また、ヤング率Ｅの低い材質からなる弾性部７がローラ
３と接触することになるので、その分、動弁装置の作動
時における騒音減少を期待できる。

さらに、潤滑油の劣化、高負荷低回転数等の悪条件か重
なって、カム２とローラ３とか金属接触を起こすおそれ
かある場合にも、埋設した弾性部７によってカム２及び
ローラ３を保護できる。

なお、本発明は前記実施例の構成に限定されるものでは
な（、例えは以下のように発明の趣旨から逸脱しない範
囲で任意に変更してもよい。

（１）前記実施例では緩衝部４と揚程部５の境界部分Ｃ
，Ｄの全幅にわたって弾性部７を設けたか、同幅の一部
、例えば中央部分や片側部分にのみ弾性部７を設けても
よい。

（２）弾性部７の厚みや形状は特に限定を受けない。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明の内燃機関の動弁装置では
、カムの揚程部と緩衝部との境界部分に、同カムの材質
よりもヤング率の低い材質よりなるクラック発生防止用
弾性部を設けたので、最大剪断応力の最大値の発生位置
をカム表面から内方へ移行させることかでき、同最大剪
断応力に基つくクラックの発生を未然に防止することか
できるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１〜７図は本発明を具体化した一実施例を示し、第１
図はカムか最大リフト点においてローラと接触した状態
を示す図、第２図はカムを第１図の下方から見た状態を
示す図、第３図はカムか緩衝部と揚程部との境界部分で
ローラと接触した状態を示す図、第４図は弾性部のヤン
グ率と最大圧力との関係を示すグラフ、第５図は弾性部
のヤング率と最大剪断応力の最大値か現れる深さとの関
係を示すグラフ、第６図は圧力スパイクと最大剪断応力
の最大値の発生深さとの関係を示すグラフ、第７図（ａ
）〜（ｄ）はカムかθ＝６０°の角度でローラに接触し
たときの圧力分布を示す図であり、第８〜１１図は従来
技術を示し、第８図はカムか最大リフト点においてロー
ラと接触した状態を示す図、第９図はカムの角度と各種
圧力との関係を示すグラフ、第】０図はカムの角度と油
膜厚さの最小値との関係、及び同角度と最大剪断応力の
最大値の現れる深さとの関係を示すグラフ、第１１図は
カムかローラに接触したときの圧力分布を示す図である
。 ２・・・カム、４・・・緩衝部、５・・・揚程部、７・
・・弾性部、Ｃ，Ｄ・・・境界部分、Ｅ・・ヤング率。 特許出願人　　　トヨタ自動車株式会社代理人　弁理士
　恩田博宣（ほか１名）第 図 ｙ ｂ ｂ 第 マ 図（ｄ） （ＭＰａ） Ｅ＝２．２ＸｉＯ１’ＭＰａ ６−γ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内燃機関のバルブを開閉するための揚程部と緩衝部
   とからなるカムを備えた動弁装置において、 前記カムの揚程部と緩衝部との境界部分に、同カムの材
   質よりもヤング率の低い材質よりなるクラック発生防止
   用弾性部を設けたことを特徴とする内燃機関の動弁装置
   。