JPS59176407A - 環体部品と管状部材との結合体及びその製造法 - 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】 （イ）発明の技術分野 本発明は環体部品と管状部材との結合体及びその製造法
に係り、特にレシプロエンジンのカムシャフトのように
ロッカーアームやタペットと摺接するために耐摩耗性に
優れた硬質材料がカム部に要求され、かつ曲げ剛性を高
めるためにヤング率の高い材料が軸材として要求される
ような部品等に好適な環体部品と管状部材との結合体及
びその製造法に関する。

（ロ）従来技術と問題点 一般に内ｆ［関のカムシャフトは、カム部がロッカーア
ームやタペットと衝撃的に接して摺動するので、摩耗が
多く、そのため従来は摺接面のみをチル化させた鋳鉄製
のカムシャフトが多く使用されている。

しかし乍ら、鋳鉄のヤング率は１００００〜１２０００
ｋｇ／ｍｍ２と低いため、鋳鉄製のカムシャフトは軸部
の肉厚を厚くして剛性を高めたものとならざるをえず、
重量が大きいという欠点がなる。また、前記鋳鉄製のカ
ムシャフトは、カム摺接面にチラー（冷し金）を当てて
チル化させたものであるが、品質のバラツキがある他に
苛酷な使用条件下、例えば、カーボン粒子で油が汚染さ
れるディーゼルエンジンや鉛化合物で油が汚染される有
鉛ガソリン使用のエンジンでは摩耗が多いという不具合
がある。

従来、上述した軽量化とカム部の耐摩耗性を向上させる
方法として、鋼製パイプに他部品をろう付けする方法（
特開昭５４−８６４５６号）があるが、この方法ではカ
ムシャフトを構成する部材及び耐火物で作った支持治具
を高温の雰囲気炉内に入れてろう付けするため、設備が
大きくなり、作業性並びに経済性に難があった。

一方、軽量化を目的としてエンジニアリングプラスチッ
ク、アルミニウム合金、銅合金等の軽量材料によりカム
、ギヤー、歯車等の環体部品を構成するものが知られて
いる。

しかし乍ら、この環体部品は内周面にセレーションを機
械加工や塑性加工で付けることは容易であるが、管状部
材を拡管して環体部品と接合する際に、歯先がつぶれ両
者を確実に結合することが出来得なかった。

（ハ）発明の目的 そこで、本発明は耐摩耗性にすぐれた任意の環体部品と
剛性が高く軽量化された管状部材との結合を容易にする
ことを目的とする。

（ニ）発明の構成 本発明はかかる目的を達成するために、第１の発明を、
環体部品と、内周面に少なくとも一個以上の噛合部を設
け、前記環体部品の内周面に固着される鋼製中間体と、
鋼、銅、アルミニウム合金等の延性材料からなり、前記
中間体を貫通するとともに外面が該中間体の噛合部に喰
い込んで結合される管状部材とで構成し、且つ、第２の
発明を、環体部品の内側に、内周面に少なくとも一個以
上の噛合部を設けた鋼製中間体を固着した後、鋼。

銅、アルミニウム合金等の延性材料からなる管状部材を
前記鋼製中間体に位置せしめ、管状部材内に拡管治具を
挿通させ、管状部材外面に鋼製中間体の噛合部を喰い込
ませるように構成した。

（ホ）発明の実施例 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明をカムシャフトに適用した一例を示すも
のであり、１はカムシャフト、２はカム駒、３ａ、３ｂ
はジャーナル、４はシャフトである。

カム駒２は、鋳鉄、焼結合金、セラミック、サーメット
等の硬質材料からなる環体部品に相当するものである。

この環体部品は、■内周面にセレーション等の噛合部を
設けることが塑性加工では困難であり、機械加工では刃
物の寿命が非常に短カく経済的でない。■機械加工でセ
レーション等の噛合部を設けても、管状部材の拡管時に
噛合部の谷部に応力が集中し、切欠き作用により割れを
生ずる等の問題を有する。前記硬質材料の一例を挙げる
と、高クロム鋳鉄（例えば２〜３％ｃ、１８〜３０％Ｃ
ｒ含有）、高密度高クロム鉄基焼結合金（例えば密度１
−２ｇ／ｃｃ以上、１．５〜３゜０％Ｃ２１０〜３０％
Ｃｒ含有）、快削性ガラスセラミック材等がある。

カム駒２は、第２図及び第３図に示すように孔５内に鋼
製中間体６をろう付け、拡散接合、接着剤、焼ばめ、鋳
くるみ、圧入等の任意の手段により固着している。

鋼製中間体６は、シャフト４を拡管してカム駒２を該シ
ャフト４に固着する際、ろう付け、拡散接合、接着剤、
焼ばめ、鋳ぐるみ、圧入等による接合層７とともに応力
を緩和し、カム駒２に割れを生じないようにする。この
ため、鋼製中間体６には環体部品よりも延性のある構造
用鋼が用いられる。そして、鋼製中間体６は内周面に噛
合部８が少なくとも一個所以上設けられ、シャフト４に
喰い込んで接合される。

噛合部８は結合体の要求トルクに応じて任意に設げられ
るものであり、たとえば鋼製中間体６のの内周面の軸方
向端部の一方又は両方あるいは中央部又はその近傍もし
くはこれらを組み合わせるなどにより設ける。そして、
噛合部８の形状として例えばほぼ鋸歯状の凹凸、ローレ
ット、セレーション等があり、要は材料が喰い込みやす
い形状をしておればよく、特に限定するものではない。

ジャーナル３ａ、３ｂは、たとえば第４図又は第５図に
示すように従来品と同様に内周面に任意の噛合部９が設
けである。

シャフト４は、本発明に規定する管状部材に相当するも
のであり、鋼、銅、アルミニウム合金等の延性材料で構
成されている。ここで延性とは拡管時の伸びに耐えれる
ように伸びることをいい、たとえば周方向への伸びが１
０〜２０％程度あればカムシャフト１として十分に使用
できる。また、シャフト４は外径が鋼製中間体６の内周
面に設けた噛合部９の小径よりも０．５〜１．５ｍｍ程
度小さくしである。

カムシャフト１はたとえば次の如くして製造される。第
６図及び第７図に示すように、座板１０上に治具１１を
介してジャーナル（第５図参照）３ｂをセットし、台座
１０上に４本の円柱１２を通し、治具１３ａ〜１３Ｃに
セントされたカム駒２　（第２図及び第３図に示すよう
に鋼製中間体６を有する）とジャーナル３ａをスペーサ
ーリング１４ａ〜１４Ｃを入れて高さ方向の位置決めを
行ないつつ段積みしていく。カム駒２の位相と軸合わせ
は治具板１３ａにカム位相決め板１５とピン１６にカム
駒２を固定することにより行なわれる。

次に、シャフト４を通し、所望の拡管治具１９を取り付
けた棒２０をシャフト４内に貫通させ、シャフト４．カ
ム駒２．ジャーナル３ａ、３ｂを結合する。

なお、第６図及び第７図において、１７は２分割された
圧縮板、１８はジャーナル３ａ用の２分割位置決め治具
であり、治具板１３Ｃと嵌め合うことによって軸合わせ
がなされる。

本発明は、上述したカムシャフトに限らず、たとえばギ
ヤー、平歯車等の環体部品を管状部材に結合する場合に
も適用されるものであり、その−例を第８図乃至第１１
゛図に示す。

第８図は環体部品としてセラミック製の平歯車２１を用
い、この平歯車２１を中間体２２に熱硬化性樹脂２４で
接着した例、第９図は環体部品としてサーメツト製のカ
ム駒２６を用い、このカム駒２６を中間体２７に熱硬化
性樹脂２９で接着した例、第１０図は環体部品としてプ
ラスチック製の平歯車３１を用い、この平歯車３１を沸
騰水中で膨張させた後に中間体３２を挿入（焼ばめ）し
た例、第１１図は環体部品としてアルミニウム合金製の
平歯車３４を用い、この平歯車３４を中間体３５に鋳ぐ
るみした例である。

これらは、いづれも管状部材を通した後、この管状部材
を拡管する時に中間体がその延びを吸収して環体部品に
割れが生じないように構成されている。

また、本発明に於て、中間体は外周を真円形状に限定す
るものではなく、必要な結合力を発揮するため、寸法的
制約の許容内に於て例えば六角形。

へ角形、楕円等任意形状であっても良い。

次に、本発明を実施例により詳述する。

実施例１ 第２図に示すように基準周円を３３．５０とし、最終仕
上げ寸法に対し０．２〜０．３鶴の研摩代をつけた厚さ
１８１ｍ、孔５の内径２８．５ｍｍ０形状を有する吸気
用と排気用のカム駒（２７Ｃｒ−２，５Ｃの高クロム鋳
鉄Ｍ）２を精密鋳造法で作り、内径を２９鶴に仕上げ加
工した。別途に、内周面にセレーション（大径２５ｍｍ
、小径２４．３讃鳳、山の角度９０°、刃の数９６）８
を塑性加工によりつけたＪＩＳ−３ＣＭ−４４０からな
り、外径がカム駒２の孔径よりも０．０５〜０．１５璽
讃小さい鋼製中間体６を用意した。次いで、カム′駒２
の孔５内に鋼製中間体６を嵌め合せ、その界面上部に銅
線を置いて真空炉内で１１４０℃で１５分間のろう付け
を行なって接合した。

また、第４図に示す中間ジャーナル３ａ、第５図に示す
タイミングベルト側のジャーナル３ｂを、ＪＩＳ−３４
５Ｃ材の内周面に上述したｗｉ製中間体６と同しセレー
ションを付した後、焼入、焼もどしを行なって作った。

次に、第６図及び第７図に示すように拡管装置にセント
した後、ＪＩＳ−３４５Ｃからなる外径２４＊ｘ、内径
１３．３ｍｍの鋼管（シャフト）４を通し、最大外径１
５龍の拡管治具１９を取り付けた棒２０をシャフト４内
を貫通させることによって拡管結合し、２０００ｃｃ、
４気筒デイーゼルエンジン用のカムシャフト素材を作っ
た。次に、ジャーナル部、カム部等を所定寸法に仕上げ
て実機エンジンテストによる耐久テストに供した。

耐久テストは、エンジン回転数４６０Ｏｒｐｍで２００
時間行なったが、結合部及びろう付は部に異常はなかっ
た。更に、同エンジンにて２０万回のアンプダウンテス
トを行ない、結合部、ろう付は部を調査したが異常はな
かった。また、モータリングテストにより、チル鋳物を
摺動面に張り付けたロッカーアームと組み合わせ、油温
６（１でカーボンで汚染されたディーゼル劣化油で２゜
０時間、摩耗テストを行なった結果、従来のチル鋳物製
のカムシャフトに比べてカムの摩耗量は１／１０以下で
あった。

実施例２ ２６％Ｃｒ、Ｑ、９％Ｃを含む鉄基合金粉末を７４％、
１８％Ｃｒ、０．９％Ｃを含む鉄基合金粉末を２４．５
％、黒鉛を１．５％、更にステアリン酸を０．４％配合
して混合し、焼結による縮み代を見込んだ金型中で成形
圧カフｔｏｎ／ｃＪでカム駒形状の粉体を作り、１１５
０℃で３０分間、分解アンモニアガス雰囲気の連続炉中
で一次焼結を行なった。次に、外径２９ｍｍ、高さ１８
ｍｍで内周面に実施例１と同じセレーションをつけた鋼
製中間体を一次焼結後のカム駒の内側に位置させて真空
炉内で１２５０℃、１時間焼結を行ない、密度を７．３
〜７．４ｇ／ｃｃとし、同時に鋼製中間体とカム駒を拡
散接合させた。更に、９００℃で焼入後、３５０℃で１
時間の焼もどしを行なった。

かくして得られたＨ４製中間体を有するカム駒を、実施
例工と同様にして中間ジャーナル及びタイミングベルト
側のジャーナルとともに治具で固定し、鋼管を拡管する
ことにより２０００ｃｃ用の４気筒カムシヤフトを得た
。

次に、カムシャフトを仕上げ加工後、エンジン回転数４
６０Ｏｒｐｍで２００時間の耐久テストを行なったが、
結合部及び拡散結合部に異常はなかった。

更に、同エンジンにて２０万回のアンプダウンテストを
行なったが、結合部及び拡散結合部に異常はなかった。

また、モークリングテストにより、チル鋳物を摺動面に
張り付けたロッカーアームと組み合わせて実施例１と同
様の摩耗テストを行なったが、カムの摩耗は従来のチル
鋳物製カムシャフトの摩耗に比べ１７５以下であった。

実施例３ 第８図のように、快削性ガラスセラミック材（コーニン
グ社製商品名マコール）で作った平歯車（モジュール２
．歯数３０．歯先円直径６４ｍｍ。

歯幅１４ｍｍ、孔径２９ｍｍ）２１に、両側の内周面に
歯幅２ｆｉで大径２５ｍｍ、小径２４’、３＋ｉ＋ａ、
山の角度９０°、歯数９６のセレーション２３をっけ、
中央部の内径ａが２６１としたＪＩＳ−３ＣＭ−４４０
材（硬度１（Ｒｃ４０）の中間体２２（外径２８．８５
ｍ菖、長さ３０ｍ１）をエポキシ系の熱硬化性樹脂２４
で接着させた後、外系２４ｆｉ、内径１３．３ｍ（７）
ＪＩＳ　　５４５Ｃ製鋼管２５を中に通し、実施例１と
同様の方法で最大外径１４．９ｍｍの拡管治具を通して
結合を行なったが、平歯車２１に亀裂を生じることなく
一体化できた。この部品は、イオンブレーティング装置
の絶縁を必要とする円筒形被処理物に回転を伝達する軸
である。

かくして得られた軸を、０．０５ｋｇ−ｍのトルク負荷
で回転数３Ｏｒｐｍでピストンリングのイオンブレーテ
ィング装置に取り付け、累積５００時間の運転後、結合
部を調査したところ、問題はなかった。

実施例４ 第９図のように、チタンカーバイドを５５％、残部が５
ＫＤ−１１組成の鉄合金基地からなるサーメット（中外
電気工業製フェロチック０Ｍ−５５材）の焼鈍材で硬度
ＨＲＣ４８のものを加工して基礎円半径３０鮪、最大揚
程３１１１のカム形状を外周側に設けた内径４８鶴、厚
さ１０ｆｌのカム駒２６を作り、外径４７．９５＋ｎ、
長さ２０薦富で両側の内周面に歯幅２ｆｉで大径２５龍
、小径２４類。

山の角度９０°、歯車９６のセレーション２８をつけ、
中央部の内径を２６１ｍとしたＪ　Ｉ　Ｓ−３ＣＭ５−
３Ｃ材（硬度ＨＲＣ４０）の中間体２７を作り、前記カ
ム駒２６にエポキシ系の熱硬化性樹脂２９で中間体２７
を接着した後、実施例３と同様のＪ　Ｉ　Ｓ　−Ｓ　４
．５　Ｃ鋼管３０を通して、最大外径１４．９ｍｔ■の
拡管治具を通して結合を行なった。

カム駒２６に割れが生じることなく一体化できた。

この部品を、最大負荷トルク０．１ｋｇ−ｍの間歇的使
用条件下で１０５回（り返し使用したが、結合部の異常
は認められなかった。

実施例５ 第１０図のように、ポリアミド樹脂製丸棒（米国のザ・
ポリマー社製ＭＣ９０１材）より機械加工にて歯数６０
．モジュール１．５．ピッチ円直径９０１．歯幅１６ｍ
ｍで中央に穴径２８．９０ｍｍの軸穴をあけた形状の平
歯車（圧力角２０°）３１を作った。別に中間体３２と
して外径２９．０ｍｍ、高さ１６ｍｍで内周面にセレー
ション（大径２５ｍｍ、小径２４．３ｍｍ、山の角度９
０°、歯数９６）を塑性加工により付けたＪＩＳ−３４
５Ｃ材（硬度ＨＲＣ３８）のものを作った。次いで、上
述のポリアミ１゛樹脂製歯車３１を沸騰水中に１５分浸
漬して膨張させた後、引き上げ、中間体３２を挿入（焼
ばめ）した。

次に、外径２４ｍｍ、内径１３．３ｍｍのＪＩＳ−３４
５Ｃ製パイプ３３を中間体３２の中に通し、実施例４と
同じ拡管治具（径１４．９ｍｍ）を貫通させて、拡管を
行ない、歯車と管状部材とを結合した。結合時に割れを
生じることはなく、また、得られた部品を伝達トルク２
　Ｋｇ−ｍの条件下で２００時間運転し、運転後に結合
部の状況を調査したが全く界雷はなかった。

実施例６ 第１１図のように、外接円３２ｍｍの正八角形の外周形
状を有し、高さ１７ｍｍで内周面にセレーション（大径
２５ｍｍ、小径２４．３ｍｍ、山の角度９０°、歯数９
６）を塑性加工によって付けたＪＩＳ−３ＣＭ−４製の
焼入、焼戻材（硬度ＨＲＣ４９）から成る中間体３５を
金型中にセ・ノドし、内径９５ｍｍの金型キャビィティ
内にＪ　Ｉ　５−ＡＣ−８Ａ材を重力鋳造によって鋳ぐ
るんだアルミニウム合金鋳造体を得た。この鋳造体を機
械加工により歯数６０．モジュール１．５．　　ピンチ
円直径９０ｍｍ、歯先直径９３ｍｍ、歯幅１６開の平歯
車３４を作った。

これを実施例５と同じ寸法のＪＩＳ−３４５Ｃ製パイプ
３６を中間体の中を通し、拡管治具（径１４．９ｍｍ）
を貫通させて拡管を行ない、結合させた。結合時に割れ
は生じなかった。また、得られた部品を鋼製歯車を相手
とし伝達トルクＩ　Ｋｇ−ｍの条件下で２００時間運転
した後、結合部を調査したが全（異常はなかった。

（へ）発明の効果 上述の如く、本発明は、噛合部を設けた中間体を環体部
品の内側に接合したので、管状部材を拡げて噛合部に喰
い込ませる時にかかる応力を緩和して環体部品に割れが
入らないようにできる。また、セレーション等の噛合部
を塑性加工や機械加工でつけることの困難な硬質材をパ
イプに結合させることができるため、任意の耐摩耗性に
優れた環体部品を管状部材と結合させた部品とすること
ができるとともに、穴加工や環体部品の加工代を低減で
きる。また、アルミニウム合金、銅合金。

プラスチック等のように機械加工や塑性加工でセレーシ
ョンを付けることができるが、拡管時に歯先がつぶれて
管状部材と結合できない軟質材をパイプに結合させるこ
とができるため、例えば無潤滑下で低騒音で運転可能な
ポリアミド製の歯車を管状部材に結合できたり、或いは
軽量化のためアルミニウム合金製の歯車を管状部材に結
合することができる。更に、高温での処理は環体部品と
中間体とのたとえばろう付けや拡管接合時などだけであ
るから、カムシャフトのような長尺で熱容量の大きいも
のを炉内に入れてろう付けや拡散接合するものに比べて
簡便である。また、拡管に要する力も少ないため、大き
な設備を必要としない等の利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るカムシャフトの側面図、
第２図はそのカム駒の平面図、第３図はそのＩ−１線に
沿う断面図、第４図及び第５図は同ジャーナルの側断面
図、第６図は本発明の製造法に用いた装置の一例を示す
平面図、第７図はそのｎ−ｎ線に沿う断面図、第８図乃
至第１１図は別の実施例に係る結合体の断面図である。 １・・・カムシャフト、２・・・カム駒、３ａ。 ３ｂ・・・ジャーナル、６・・・中間体、７・・・接合
層、８・・・噛合部。 特　許　出　願　人　　株式会社　リ　ケ　ン第５図 第６図 ■ 第７図 第１（）図 第１１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ＋１１　　環体部品と、内周面に少なくとも一個以上の
   噛合部を設け、前記環体部品の内周側に固着される鋼製
   中間体と、鋼、銅、アルミニウム合金等の延性材料から
   なり、前記中間体を貫通するとともに外面が該中間体の
   噛合部に喰い込んで結合される管状部材とで構成された
   ことを特徴とする環体部品と管状部材との結合体。 （２）噛合部は、鋼製中間体の内周面の軸方向両端に設
   けである特許請求の範囲第１項記載の環体部品と管状部
   材との結合体。 （３）噛合部は、鋼製中間体の内周面の軸方向一端に設
   けである特許請求の範囲第１項記載の環体部品と管状部
   材との結合体。 （４）噛合部は、鋼製中間体の内周面の中央部又はその
   近傍に設けである特許請求の範囲第１項記載の環体部品
   と管状部材との結合体。 （５）　　噛合部は、はぼ鋸歯状の凹凸、ローレット。 セレーション等である特許請求の範囲第１項記載の環体
   部品と管状部材との結合体。 （６）　　環体部品が鋳鉄、焼結合金、セラミ７り、サ
   ーメット等の硬質材料である特許請求の範囲第１項記載
   の環体部品と管状部材との結合体。 （７）　　環体部品がアルミニウム合金、銅合金、プラ
   スチック等の軟質材料である特許請求の範囲第１項記載
   の環体部品と管状部材との結合体。 （８）環体部品がカム、ギヤー、平歯車等である特許請
   求の範囲第１項記載の環体部品と管状部材との結合体。 （９）環体部品の内側に、内周面に少なくとも一個以上
   の噛合部を設けた鋼製中間体を固着した後、鋼、銅、ア
   ルミニウム合金等の延性材料からなる管状部材を前記鋼
   製中間体内に位置せしめ、管状部材内に拡管冶具を挿通
   させ、管状部材外面に鋼製中間体の噛合部を喰い込ませ
   ることを特徴とする環体部品と管状部材との結合体の製
   造法。