JPH0586814A - 複合カムシヤフト及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 耐摩耗性材料からなるカムピースをアルミ合
金で鋳ぐるむことによって形成される複合カムシャフト
において、カムピースとカムノーズ部との間に間隙が生
じず、カムピースとシャフト部とが強固に結合された複
合カムシャフトないしその製造方法を提供する。 【構成】 耐摩耗性を有する複数のカムピース６と、カ
ムシャフト形状に対応する形状をなすキャビティ部を備
えた成形型とを製作し、次に各カムピース６を成形型の
キャビティ内に配置した上でキャビティ部にアルミ合金
溶湯を充填してカムピース６を鋳ぐるんだカムシャフト
を鋳造し、この後アルミ合金からなるカムノーズ部１５
に挿入部材(圧入ピン１９)を圧入することを特徴とす
る。好ましくは、鋳抜きまたは削孔によりカムノーズ部
１５に孔部１６を形成し、鋳造後上記孔部１６に、該孔
部１６より径が大きくかつ鋳造材料より剛性の高い挿入
部材(圧入ピン１９)を圧入するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複合カムシャフト及び
その製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車においては走行性能を高め
るために、エンジンの高出力化(高性能化)と軽量化とが
求められている。そして、エンジンの高出力化を図るた
め、動弁系においては、ＤＯＨＣ(ダブル・オーバーヘ
ッド・カム)機構、多弁吸排気機構、可変バルブ機構等
が多用されているが、かかる動弁系では、カムシャフト
の本数が増え、その構造が大型化・複雑化する。また、
近年エンジンの高出力化を図るために気筒数(排気量)が
増える傾向にあるが、６気筒以上では全長を短縮するた
めにＶ型エンジンが多く用いられ、この場合カムシャフ
トの本数がさらに増加し、動弁系がさらに大型化する。
このため、一般に、高出力化が図られたエンジンでは、
動弁系の重量が大きくなり、これがエンジンの軽量化の
妨げになるといった問題がある。

【０００３】これに対処するため、例えば、シャフト部
をガンドリル等を用いて軸線方向に穴あけし、シャフト
部を中空化することによって軽量化を図ったカムシャフ
ト、あるいは鋳造時に中子を用いて鋳抜きによりシャフ
ト部を中空化したカムシャフトが提案されている。ま
た、鋼製あるいは焼結合金製のカムピースを、ろう付
け、バルジかしめ、塑性結合等により鋼管(パイプシャ
フト)と結合させることによって、同様の効果を得るよ
うにしたカムシャフトが提案されている。しかしなが
ら、シャフト部の中空化により軽量化を図ったこれらの
カムシャフトでは、カムシャフト全体が鉄系材料で形成
されるため、その軽量化には限界がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこで、カム摺動面ま
わりのみ耐摩耗性の高い材料で形成し、その他の部分を
軽量のアルミ合金で形成したカムシャフト、例えば鉄系
材料で形成されたカムピースをアルミ合金で鋳ぐるんだ
複合カムシャフトが提案されている(例えば、特開昭５
８−１２１３５４号公報参照)。かかるカムシャフトに
おいては、カム部では、カム摺動面(カム外周部)まわり
のみが鉄系材料(カムピース)で形成され、これより内側
のカムノーズ部ないしシャフト部はアルミ合金で形成さ
れる。しかしながら、この場合、アルミ合金の熱膨張率
が鉄系材料の熱膨張率に比べて非常に大きいので、鋳ぐ
るみ後冷却時に熱膨張差によって、カムピースとカムノ
ーズ部との間に間隙が生じてしまい、これによってカム
ピースとシャフト部との結合強度が低くなり、カムシャ
フトの耐久性が低くなるといった問題がある。

【０００５】これを改善するため、カムピースの内周面
に凹凸部を形成し、カムピースとカムノーズ部(ないし
シャフト部)との間の結合強度を高めるようにしたカム
シャフト製造方法が提案されている(例えば、特開昭５
６−３９３５６号公報参照)。しかしながら、かかる製
造方法によっても、依然カムノーズ部の収縮量が大きい
ので、カムピースとカムノーズ部との間に間隙が生じる
のを有効に防止することができないといった問題があ
る。本発明は、上記従来の問題点を解決するためになさ
れたものであって、耐摩耗性材料からなるカムピースを
アルミ合金で鋳ぐるむことによって形成される複合カム
シャフトにおいて、カムピースとカムノーズ部との間に
間隙が生じず、カムピースとシャフト部とが強固に結合
された耐久性の高い複合カムシャフト、ないしその製造
方法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】上記の目的を達するた
め、第１の発明は、耐摩耗性材料で形成されカム外周部
となる複数のカムピースと、該カムピースを収容するこ
とができかつカムシャフト形状に対応する形状をなすキ
ャビティ部を備えた成形型とを製作し、次に各カムピー
スを成形型のキャビティ内の所定の位置に配置した上で
キャビティ部にアルミ合金溶湯を充填してカムピースを
鋳ぐるんだカムシャフトを鋳造し、この後アルミ合金か
らなるカムノーズ部に挿入部材を圧入するようにしたこ
とを特徴とする複合カムシャフトの製造方法を提供す
る。

【０００７】第２の発明は、第１の発明にかかる複合カ
ムシャフトの製造方法において、カムシャフト鋳造時
に、鋳抜きによりカムノーズ部に孔部を形成し、鋳造後
上記孔部に、該孔部より径が大きくかつ鋳造材料より剛
性の高い挿入部材を圧入するようにしたことを特徴とす
る複合カムシャフトの製造方法を提供する。

【０００８】第３の発明は、第１の発明にかかる複合カ
ムシャフトの製造方法において、カムシャフト鋳造後
に、機械加工によりカムノーズ部に孔部を形成し、この
後上記孔部に該孔部より径が大きくかつ鋳造材料より剛
性の高い挿入部材を圧入するようにしたことを特徴とす
る複合カムシャフトの製造方法を提供する。

【０００９】第４の発明は、第１の発明にかかる複合カ
ムシャフトの製造方法において、カムシャフト鋳造時
に、鋳造材料より剛性の高いくさび形挿入部材を、厚み
側の端部が突出するようにしてカムノーズ部に鋳込み、
鋳造後に挿入部材をカムノーズ部に打ち込むようにした
ことを特徴とする複合カムシャフトの製造方法を提供す
る。

【００１０】第５の発明は、耐摩耗性材料で形成されカ
ム外周部となる複数のカムピースを、アルミ合金で鋳ぐ
るむことによって形成された複合カムシャフトであっ
て、アルミ合金からなるカムノーズ部に、鋳造材料より
剛性の高い挿入部材が圧入されていることを特徴とする
複合カムシャフトを提供する。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を具体的に説明する。
本発明にかかるカムシャフト製造方法では、基本的に
は、成形型内にカムピースとジャーナルピースとを配置
した上で、成形型のキャビティ部にアルミ合金溶湯を注
湯し、カムピースとジャーナルピースとをアルミ合金で
鋳ぐるむことによって、カムシャフトを製造するように
なっている。図１に示すように、カムシャフトＳ(図４
参照)の製造に用いられる成形型ＣＢは、上側金型１と
下側金型２とからなり、両金型１,２が所定の位置関係
で組み付けられたときには、上側金型１の型面３(下面)
と下側金型２の型面４(上面)との間に、カムシャフトＳ
の形状に対応する形状をなすキャビティ部５が画成され
るようになっている。ここで、上側金型１の型面３に
は、カムピース収容部３aとジャーナルピース収容部３b
とが形成されている。また、下側金型２の型面４にも、
カムピース収容部４aとジャーナルピース収容部４bとが
形成されている。なお、下側金型２には、カムピース収
容部４aと重複する位置において、後で説明する中子ピ
ン収容部１１が設けられている。

【００１２】カムピース６は、中空部７を備えたほぼ一
様な肉厚の筒状体であって、耐摩耗性に優れた鉄系材料
を用いて、鋳造法あるいは焼結法等により製作され、カ
ムピース外周面には焼入れが施され、耐摩耗性が高めら
れている。このカムピース６は、カムシャフトＳ(図４
参照)完成時にはカム摺動部となる。なお、カムピース
６を鉄系材料ではなくセラミックで形成するようにして
もよい。また、ジャーナルピース８は、中空部９を備え
た一様な肉厚の円筒体であって、カムピース６とほぼ同
様の材料を用いて製作されている。このジャーナルピー
ス８は、カムシャフトＳ完成時にはジャーナル部とな
る。

【００１３】そして、上記成形型ＣＢとカムピース６と
ジャーナルピース８とを用いて、アルミ合金鋳造により
カムシャフトＳ(図４参照)が製造されるが、以下このカ
ムシャフトＳの製造方法を説明する。 (１)図１に状態を示しているように、下側金型２の型面
４のカムピース収容部４a内に、カムピース６のカムノ
ーズ側半部を配置するとともに、ジャーナルピース収容
部４bにジャーナルピース８の半部(方向性はない)を配
置する。なお、カムピース６とジャーナルピース８と
は、夫々、成形型ＣＢ内に複数配置されるのはもちろん
である。 (２)下側金型２の中子ピン収容部１１に円柱形の中子ピ
ン１２を配置する。この中子ピン１２は、注湯時に溶融
しないように鋳造材料であるアルミ合金より融点が高
く、かつ上記アルミ合金より熱膨張率が大きい材料、例
えば純アルミニウム等で形成されている。中子ピン１２
は、鋳造後には鋳造物(カムシャフト)から抜去されるこ
とになるが、このように熱膨張率の大きい材料で形成さ
れているので、鋳造後中子ピン１２が周囲のアルミ合金
より大きく収縮し、このため中子ピン１２の抜去が容易
となる。なお、ここで中子ピン１２の外周面に耐熱性の
高い離型剤を塗布しておけば、中子ピン１２の抜去がさ
らに容易となる。ここで、中子ピン１２は、カムピース
６の中空部７のカムノーズ側の部分、すなわち鋳造後に
おいてはカムノーズ部１５(図３参照)のほぼ中央部とな
る部分に配置される。

【００１４】(３)上側金型１の型面３のカムピース収容
部３aに、カムピース６の露出部が収容され、かつジャ
ーナルピース収容部３bにジャーナルピース８の露出部
が収容されるようにして、上側金型１と下側金型２とを
組み付ける。 (４)キャビティ部５内にアルミ合金溶湯を注湯・充填し
た後、該溶湯を空冷により凝固させる。 (５)上側金型１と下側金型２とを取り外して鋳造物(カ
ムシャフトＳ)を取り出し、該鋳造物から中子ピン１２
を抜去する。前記したとおり、中子ピン１２の熱膨張率
が大きく、かつ離型剤が塗布されているので、中子ピン
１２は鋳造物から容易に抜去される。図２と図３とに示
すように、鋳造物は、カム部まわりにおいては、鋳ぐる
まれたカムピース６と、凝固したアルミ合金からなるシ
ャフト部１４及びカムノーズ部１５とからなる。そし
て、カムノーズ部１５のほぼ中央部において、中子ピン
１２が抜去された後には、カムノーズ部１５をカムシャ
フト軸線方向(長手方向)に貫通する円柱形のピン圧入孔
１６が形成される。ここで、鋳造材料であるアルミ合金
の熱膨張率は、カムピース６の材料である鉄系材料(あ
るいはセラミック)よりも熱膨張率が大きいので、注湯
後の冷却時に、カムノーズ部１５はカムピース６よりも
収縮量が大きくなり、カムピース６の内周面とカムノー
ズ部１５の外周面との間には、２０〜５０μmの間隙１
８が生じる。なお、中子ピン収容部１１に対応する部分
には突起部１７が形成される。

【００１５】(６)図２に状態を示しているように、ピン
圧入孔１６に、先端部を面とりした略円柱形の圧入ピン
１９を矢印Ｐ方向に圧入する。この圧入ピン１９は、鋳
造材料であるアルミ合金より大幅に剛性の高い鉄系材料
で形成されている。なお、圧入ピン１９をセラミックで
形成してもよい。ここで、圧入ピン１９の直径は、ピン
圧入孔１６の内径より大きい値に設定されている。か
つ、圧入ピン１９の直径と、ピン圧入孔１６の内径との
差は、前記した間隙１８(２０〜５０μm)よりは大きい
値、例えば４０〜１００μmに設定されている。なお、
圧入ピン１９は、請求項１,２,３,５に記載された挿入
部材に相当する。図４に示すように、ピン圧入孔１６
に、これより径の大きい圧入ピン１９が圧入されると、
アルミ合金からなるカムノーズ部１５がその外周に向か
う方向すなわちカムピース６との接合面に向かう方向に
塑性変形し、これによって間隙１８が詰められ、カムピ
ース６とカムノーズ部１５とが密着する。このため、カ
ムピース６とカムノーズ部１５(シャフト部分１４)との
結合強度が高められ、カムシャフトＳの耐久性が大幅に
高められる。また、圧入ピン１９の剛性が高いので、こ
れによってカムノーズ部１５の剛性ないし強度が高めら
れ、カムシャフトＳの耐久性が一層高められる。本願発
明者らが本発明の有効性を確認するために行った実験に
よれば、上記製造方法により製造されたカムシャフトの
カム部の接合強度(結合強度)は非常に高く、カム部はカ
ム研削トルク及び運転時のねじりトルクに対して十分な
耐久性を有していた。なお、比較のため、カムピースと
カムノーズ部との間に２０〜５０μmの間隙を有するカ
ムシャフトを製作し、そのカム部の接合強度を調べたと
ころ、０.２kgf−m以下の小さなねじりトルクでもカム
部に変形が生じてしまい、実用不可であることが判明し
た。

【００１６】なお、上記実施例では、鋳造時に、中子ピ
ン１２を用いて鋳抜きによりピン圧入孔１６を形成する
ようにしているが、中子ピン１２を用いず、鋳造後にド
リル等を用いて機械加工によりカムノーズ部１５にピン
圧入孔１６を形成するようにしてもよい。また、鋳造時
に割りピン等のくさび型挿入部材を、頭部がカムノーズ
部１５外に突出するようにして、カムノーズ部１５に鋳
ぐるんでおき、鋳造後に割りピンをカムノーズ部１５に
打ち込む(カチ込む)ことによってカムノーズ部１５を塑
性変形させ、同様の効果を得るようにしてもよい。

【００１７】

【発明の作用・効果】第１の発明によれば、挿入部材の
圧入によってカムノーズ部が外周方向に向かって塑性変
形し、これによってカムピースとカムノーズ部との間の
間隙が詰められるので、カムピースとカムノーズ部の接
合強度が高められ、カムシャフトの耐久性が高められ
る。

【００１８】第２の発明によれば、基本的には第１の発
明と同様の作用・効果が得られる。さらに、鋳抜きによ
りカムノーズ部に孔部が形成され、この孔部に挿入部材
を圧入するようにしているので、圧入が容易である。ま
た、挿入部材が剛性の高い材料で形成されているので、
カムノーズ部の強度が高められ、カムシャフトの耐久性
が一層高められる。

【００１９】第３の発明によれば、基本的には第１の発
明と同様の作用・効果が得られる。さらに、機械加工に
よりカムノーズ部に孔部が形成され、この孔部に挿入部
材を圧入するようにしているので、圧入が容易である。
また、挿入部材が剛性の高い材料で形成されているの
で、カムノーズ部の強度が高められ、カムシャフトの耐
久性が一層高められる。

【００２０】第４の発明によれば、基本的には第１の発
明と同様の作用・効果が得られる。さらに、挿入部材が
予めカムノーズ部に鋳ぐるまれているので、鋳造後の加
工が容易である。また、挿入部材が剛性の高い材料で形
成されているので、カムノーズ部の強度が高められ、カ
ムシャフトの耐久性が一層高められる。

【００２１】第５の発明によれば、挿入部材によってカ
ムノーズ部が外周方向に向かって塑性変形させられてい
るので、カムピースとカムノーズ部との間の間隙が詰め
られ、カムピースとカムノーズ部の接合強度が高めら
れ、カムシャフトの耐久性が高められる。また、挿入部
材が剛性の高い材料で形成されているので、カムノーズ
部の強度が高められ、カムシャフトの耐久性が一層高め
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 カムシャフトを製造するための成形型の立面
断面説明図である。

【図２】 圧入ピン圧入前におけるカムシャフトのカム
部まわりの縦断面説明図である。

【図３】 圧入ピン圧入前におけるカムシャフトのカム
部まわりの横断面説明図である。

【図４】 圧入ピン圧入後におけるカムシャフトのカム
部まわりの横断面説明図である。

【符号の説明】

ＣＢ…成形型 Ｓ…カムシャフト ５…キャビティ部 ６…カムピース １２…中子ピン １４…シャフト部 １５…カムノーズ部 １６…ピン圧入孔 １８…間隙 １９…圧入ピン

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 耐摩耗性材料で形成されカム外周部とな
   る複数のカムピースと、該カムピースを収容することが
   できかつカムシャフト形状に対応する形状をなすキャビ
   ティ部を備えた成形型とを製作し、次に各カムピースを
   成形型のキャビティ内の所定の位置に配置した上でキャ
   ビティ部にアルミ合金溶湯を充填してカムピースを鋳ぐ
   るんだカムシャフトを鋳造し、この後アルミ合金からな
   るカムノーズ部に挿入部材を圧入するようにしたことを
   特徴とする複合カムシャフトの製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の複合カムシャフトの製造
   方法において、 カムシャフト鋳造時に、鋳抜きによりカムノーズ部に孔
   部を形成し、鋳造後上記孔部に、該孔部より径が大きく
   かつ鋳造材料より剛性の高い挿入部材を圧入するように
   したことを特徴とする複合カムシャフトの製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の複合カムシャフトの製造
   方法において、 カムシャフト鋳造後に、機械加工によりカムノーズ部に
   孔部を形成し、この後上記孔部に該孔部より径が大きく
   かつ鋳造材料より剛性の高い挿入部材を圧入するように
   したことを特徴とする複合カムシャフトの製造方法。
4. 【請求項４】 請求項１記載の複合カムシャフトの製造
   方法において、 カムシャフト鋳造時に、鋳造材料より剛性の高いくさび
   形挿入部材を、厚み側の端部が突出するようにしてカム
   ノーズ部に鋳込み、鋳造後に挿入部材をカムノーズ部に
   打ち込むようにしたことを特徴とする複合カムシャフト
   の製造方法。
5. 【請求項５】 耐摩耗性材料で形成されカム外周部とな
   る複数のカムピースを、アルミ合金で鋳ぐるむことによ
   って形成された複合カムシャフトであって、アルミ合金
   からなるカムノーズ部に、鋳造材料より剛性の高い挿入
   部材が圧入されていることを特徴とする複合カムシャフ
   ト。