JP2011032897A - 内燃機関のカムシャフト構造 - Google Patents

Abstract

【課題】カムシャフトがバルブスプリングの反力による曲げモーメントでカムシャフトのジャーナル部或いは軸受部と偏当たして偏磨耗が生じることを防止したエンジンのカムシャフト構造を提供する。
【解決手段】内燃機関の機関本体に軸支され、端部で内燃機関のクランクシャフトの回転に連動して回転し、内燃機関の各気筒に配設され吸気バルブ又は排気バルブ１８を開閉するカムを備えたカムシャフト５において、吸気バルブ又は排気バルブ１８を閉塞するバルブスプリング９の閉塞力に抗してバルブ開放時にカムシャフト５に作用する反力によって各気筒間を連結する気筒間カム軸部８に生じる変形を吸収するように、気筒間カム軸部８に貫通孔（凹部）１６を形成したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、多気筒エンジンの吸気バルブ及び排気バルブを開閉するカムシャフトのジャーナル部がバルブスプリングの反力により曲げモーメントを受け偏当りするのを防止するためのエンジンのカムシャフト構造に関する。

本発明は、多気筒エンジンにおいては、クランクシャフトに連動してカムシャフトを回転させ、エンジンの吸気バルブ及び排気バルブを開閉させる。このように各バルブが開閉されることにより、エンジンの燃焼室には外気が導入され、或いは燃焼室から排気ガスが排出される。通常、各バルブの開閉タイミングや、バルブ開閉のオーバラップ量等のいわゆるバルブ開閉特性はカムの形状によって一義的に決定される。

そこで、図５に４バルブエンジン００１（１気筒に吸気バルブ２個、排気バルブ２個）の吸気側カムシャフト００２による吸気バルブ００４が開閉される構造の概略図を示す。各吸気バルブ００４はエンジン００１のシリンダブロック００８の上部に固定されたシリンダヘッド００６に装着されている。図５のＥ−Ｅ矢視に表されているようにカムシャフト００２が矢印の方向に回転するとカム００３がバルブスプリング００５を圧縮しながら吸気バルブ００４を下方に移動させて吸気孔００１０を開く。吸気孔００１０はエアクリーナ（図示省略）に連結している。

ところが、吸気バルブ００４と吸気孔００１０との密閉性を良くすると共に、エンジン００１の高速回転時にバルブスプリング００５の確実な開閉動作を確保するためバルブスプリング００５の圧縮反力は大きくしてある。カムシャフト００２はカムシャフト００２のジャーナル部００９をシリンダヘッド００６にカムキャップ００１１によって回転可能に保持されている。そのため、カムシャフト００２がエンジン００１のクランクシャフトから伝達される回転力でカム００３が吸気バルブ００４を下方に押圧するとその反力でカムシャフト００２のジャーナル部００９の保持部を支点にして上方へ曲げモーメントが作用して、ジャーナル部００９を回転可能に保持しているカムキャップ００１１が偏磨耗し、同偏磨耗による回転抵抗の増大が生じる。
一方特開平１０―１４１０１７号にあるような構造とすることで、偏磨耗及び、偏磨耗による回転抵抗の増大を防止することができる。

特開平１０―１４１０１７号公報

上記文献は図６に示すように吸気側カムシャフト０６を示す。
吸気側カムシャフト０６には吸気バルブ（図示略）を開閉するカム０８が１気筒あたり２個ずつ形成されている。吸気側カムシャフト０６の略中央にある２のジャーナル０６ａに挟まれた部分には、他の部分よりも径が細くなった縮径部０３０が形成されている。
また、吸気側カムシャフト０６の端部には可変バルブタイミング機構（以下ＶＶＴ機構）０２３が配設されている。ＶＶＴ機構はドリブンギア０２１に連結されている。
ドリブンギア０２１はエンジン（図示略）のクランクシャフト（図示略）の回転に同期して駆動される。ＶＶＴ機構は油圧により駆動され、エンジンの回転数、負荷等により吸気バルブ（図示略）の開閉タイミングを早めたり、遅らせたりしてエンジン出力を最適な状態にコントロールする。

吸気側カムシャフト０６には上述のＶＶＴ機構が装着されており、吸気側カムシャフト０６のドリブンギア０２１と噛合い吸気側カムシャフト０６を駆動する排気側カムシャフトのドライブギアとの噛合い周期と同期した周期的な力（噛合起振力）が外力として作用する。吸気側カムシャフト０６はＶＶＴ機構が装着されていることにより、吸気側カムシャフト０６全体の質量が排気側カムシャフトより大きいため、固有振動数が排気側カムシャフトより低くなる。
このため、噛合起振力の振動数と、吸気側振動系の固有振動数が一致して、共振現象が発生する恐れがある。その対応策として吸気側カムシャフト０６の中間部で非軸支部分の所定の場所に縮径部０３０を設けて、縮径部０３０を振動モードの節とすることにより固有振動数を高くして、噛合起振力の振動数による共振を回避させている。

ところが、吸気側カムシャフト０６の中間部で非軸支部分の所定の場所に縮径部０３０を設けたことにより、振動モードの節とすることにより固有振動数を高くしているため、
振動による曲げモーメント発生の変形は縮径部０３０だけで吸収する構造のため、当該部に高応力が発生することが予測される。
更に、カムシャフトの気筒間のカム軸部にはバルブスプリングによる曲げモーメントが作用しており、カムシャフト０６のジャーナル部０６ａ或いは軸受部に偏磨耗をまねく問題がある。

本願発明はこのような実情に鑑み、カムシャフトがバルブスプリングの反力による曲げモーメントでカムシャフトのジャーナル部或いは軸受部と偏当たして偏磨耗が生じることを防止したエンジンのカムシャフト構造を提供することを課題とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、内燃機関の機関本体に軸支され、端部で前記内燃機関のクランクシャフトの回転に連動して回転し、前記内燃機関の各気筒に配設され吸気バルブ又は排気バルブを開閉するカムを備えたカムシャフトにおいて、前記吸気バルブ又は排気バルブを閉塞するバルブスプリングの閉塞力に抗してバルブ開放時にカムシャフトに作用する反力によって各気筒間を連結する気筒間カム軸部に生じる変形を吸収するように、前記気筒間カム軸部に凹部を形成したことを特徴とする。

このような構成によって、吸気バルブ又は排気バルブを内燃機関のシリンダヘッドの吸気ポート又は、排気ポートに押圧して、該吸気ポート又は、排気ポートの機密を保持しているバルブスプリングの反力により、気筒間カム軸部に変形が生じても、該カム軸部に凹部を形成して、該凹部で曲げ剛性を低減させて変形を吸収させることにより、隣接のカム軸受部への影響を排除させて、カム軸受部の偏当りによる偏摩耗、偏摩耗による回転フリクション増加を防止することができる。

また、本発明において好ましくは、前記気筒間カム軸部と該気筒間カム軸部の両側に配置されたカムの端面との接続部にはコーナＲ部を形成し、前記カム軸部上の前記Ｒ部末部から前記凹部に滑らかに接続するよう形成するとよい。

このような構成によると、カムとカム軸との接続部には角Ｒ部を形成し、更に、曲げ剛性を低減させた凹部を形成しているので、接続部の応力集中を緩和できる。

また、本発明において好ましくは、前記気筒間カム軸部と該気筒間カム軸部の両側に配置されたカムの端面との接続部にはコーナＲ部を形成し、前記凹部は前記Ｒ部にかからない位置に配設するとよい。

このような構成によると、応力軽減用Ｒ部を避けた位置に曲げ変形を吸収する凹部を配設したので、Ｒ部への応力集中発生を防止し、カムシャフトとしての耐久性が確保できる。

また、本発明において好ましくは、前記凹部は前記カムの頂点と前記カム軸の軸心とを結ぶ線と同じ方向に中心線を有するように配設するとよい。

バルブスプリングの反力が一番強く作用する方向に凹部を配設することにより、カム軸の変形吸収が多くなり、隣接のカム軸受部への影響を少なくできる。

また、本発明において好ましくは、前記凹部は前記カム軸の軸心に対し対称位置に配設するとよく、このような構成によると、バルブスプリング反力による変形の吸収量が更に多くなる。

また、本発明において好ましくは、前記凹部は貫通孔であることが望ましく、このような構成によると、加工が容易で、加工の際に生成される切子が残り、内燃機関に悪影響を与える確立が少なくなりすることができる。

本願のカムシャフト構造によれば、内燃機関の各気筒に配設された吸気バルブ又は排気バルブを開閉するカム備えたカムシャフトは、各気筒のカム間を連結する気筒間カム軸部にバルブスプリングによるカム軸の断面剛性を軽減する凹部を形成したので、発生する曲げ変形を吸収できる。
従って、変形量を隣接する気筒間のカム軸で吸収するので、他の気筒に影響が及ばないので、カムシャフトを支軸するジャーナル部のカム軸とカムキャップとが偏当りして、カムシャフト回転のフリクション増大や、偏摩耗の発生を防止できる。

発明の実施形態に係るカムシャフトと吸気バルブとの関係を示す全体概略図である。 本発明の第１実施形態に係るカムシャフト外観図を示し、（ａ）は全体の構成図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大説明図であり、（ｃ）は（ｂ）の側面図である。 本発明の第２実施形態に係る他の凹部形状拡大説明図である。 本発明の第３実施形態で、（ａ）は他の凹部形状であり、（ｂ）はＣ−Ｃ矢視の説明図である。 従来技術に係るカムシャフトと吸気バルブとの関係概略図を示し、（ａ）は全体構成図であり、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ矢視図である。 先行技術に係るカムシャフト外観図である。

以下、本発明によるカムシャフト構造の実施形態を図面に基づいて説明する。
ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定の記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明にすぎない。

（第１実施形態）
図１は発明の実施形態に係るカムシャフトと吸気バルブとの関係を示す全体概略図である。
また、図１は多気筒（シリンダ１個=１気筒）の４バルブエンジン１（１気筒に吸気バルブ２個、排気バルブ２個）の吸気側カムシャフト５による吸気バルブ１８が開閉される構造の概略図を示す。
尚、本実施形態の説明では、吸気バルブ用のカムシャフトと、排気バルブ用のカムシャフトとは同じ考え方なので、吸気バルブ用のカムシャフトで説明する。
内燃機関であるエンジン１（以下エンジン１と記す）の上部は、シリンダブロック３にシリンダライナー１３が嵌入され、その上部にシリンダヘッド２が載置され。シリンダヘッド２とシリンダライナー１３とシリンダライナー１３内を上下に往復行程をするピストン１２の上面とで燃焼室１４を形成している。
シリンダヘッド２の上面にはエンジン１のクランクシャフト（図示省略）に連動して回転するカムシャフト５が配設されている。カムシャフト５は端部にクランクシャフトと連動するための装置（図示省略）例えばギヤトレイン等で連動している。
また、本カムシャフト５は鍛造成型した素材を機械加工したものを図示している。

カムシャフト５は上述の通り、１気筒に対して２個の吸気バルブ１８を同時に開閉動作させるため、同位相のカム６を１気筒に対して２個対で配設している。カムシャフト５のシリンダヘッド２への取付けは、２個対のカム６の間であるジャーナル部１０をシリンダヘッド２から突出したカム軸受１１と、該カム軸受１１に対向し、ジャーナル部１０を上側から回動自在に保持し、ボルト（図示省略）にてカム軸受１１に締結されるカムキャップ７とで行う。

また、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、カム６の側面１７と気筒間カム軸部８との連結部には断面剛性変化が大きすぎるために応力集中が発生しやすいので、応力緩和処置としてＲ部１９が設けてある。該Ｒ部１９を避けた（離れた）位置には断面剛性低減部となる凹部である貫通孔１６が設けられている。貫通孔１６はカム６の頂点と気筒間カム軸部８の中心とを結ぶ線と略同じ方向に中心線を有している。該中心線は必ずしも、カム６の頂点と気筒間カム軸部８の中心とを結ぶ線と略同じ方向にする必要はなく、カム６のプロフィールにより若干の傾斜を有してもよい。

カム６の下側にはシリンダヘッド２に開口し、エアクリーナ（図示省略）に連結した吸気ポート１５を開閉する傘状の開閉部を有した吸気バルブ１８が配置されている。吸気バルブ１８は圧縮した状態で装着されているバルブスプリング９の反力によって吸気ポート１５を閉塞すると共に吸気バルブ１８の上端部をカム６の摺動面に押圧するようにしてある。このバルブスプリング９はエンジン１の高速回転時に、カム６の動作に吸気バルブ１８（及び排気バルブ）を確実に追従させると共に、バルブスプリング９自体の共振を防止するため、バネ定数を高くしてある。
上述の通り、カム６は吸気バルブ１８を下方に押し下げて、吸気ポート１５を開く動作をするとバルブスプリング９の強い反力（バネ定数を高くしてある）を受け、上方への曲げ力になって変形する。その変形量がジャーナル部１０を支点として隣接する気筒のジャーナル部１０にレバー比状に大きく影響する。

しかし、隣接する気筒間の気筒間カム軸部８の部分に、部分的に剛性の弱い凹部を１〜複数個配設することにより、上述の変形量を１〜複数個所で吸収または少しずつ吸収させるようにして応力の集中を防止すると共に、隣接するジャーナル部１０の偏磨耗を防止して、回転フリクションの増加を防ぐ効果を有している。
尚、本実施形態の場合、吸気バルブ１８を下方に押し下げている気筒のジャーナル部１０は両隣のカム６と距離が少なく、同位相のカムプロフィールなので、バルブスプリング９による反力が同じように作用するため偏磨耗が発生しがたい。

また、凹部である貫通孔１６は各カム６の近傍に夫々１個記載してあるが、貫通孔１６の径及び、数についてはエンジン１の仕様等により適宜調整することでよい。
更に、貫通孔１６の位置は各気筒間中心部とカム６のＲ形状部１９の末端部を含まない部分から各気筒間中心部までの間とするとよい。
これは、貫通孔１６の位置がカム６の側面から離れるとその分、ジャーナル部１０を支点としてレバー比的に変形量が大きくなり、吸収量が大きくなる。
従って、貫通孔１６の位置はカム６の側面のＲ部１９を避けた、カム６の側面に近い方が効果的である。

（第２実施形態）
本発明によるカムシャフト構造の第２実施形態を図３に基づいて説明する。
図３はカムシャフト２０のカム２１と凹部である孔２３の部分拡大図を示し、中実状のカムシャフト２０のカム軸部２２にカム２１の側面からカム軸部２２に連結するＲ部２５から少し離れた位置（Ｒ部を避けた位置またはＲ部にかからない位置）には孔２３が配設されている。
また、本カムシャフト２０は鍛造成型した素材を機械加工したものを図示している。
孔２３はカム２１の頂点とカム軸２２の中心とを結ぶ線と略同じ方向に中心線を有している。しかし、孔２３はカムシャフト２０の中途までの円筒状の孔で、カム軸２２の中心に対し対象に設けられ、軸線方向でずれた構造としてある。
更に、孔２３の位置は各気筒間中心部とカム２１のＲ部２５の末端部を含まない部分から各気筒間中心部までの間とし、図３では上下２個だが必要に応じて増減するとよい。

孔２３（凹部）をカム軸２２の中心に対し対象に設けられ、軸線方向でずれた構造としたので、カムシャフト２０の断面剛性低減部が長くなり、変形の吸収量が大きくなり応力集中の防止がさらに図りやすくなる。
更に、隣接するジャーナル部２４の偏磨耗を防止して、回転フリクションの増加を防ぐ効果を有している。

（第３実施形態）
本発明によるカムシャフト構造の第３実施形態を図４に基づいて説明する。
図４の（ａ）は他の凹部形状であり、（ｂ）はＣ−Ｃ矢視の説明図である。
カムシャフト３０のカム２７と溝（凹部）２８の部分拡大図を示し、中空状のカムシャフト３０をバルジ加工等で成形する場合の形状を示す。
バルジ加工とはパイプの中側（中空部）に油圧等をかけて、外型の形状に沿わせるように成形する方法で、気筒間カム軸部２６の外周部に弦方向に形成された切欠部または溝２８を形成すると共に、中空管に外嵌したカム２７を中空管に固定する方法である。

溝２８はカム２７の側面からラジアル方向に拡大した気筒間カム軸部２６に連続するＲ部３１から少し離れた位置（Ｒ部３１を避けた位置）に配設されている。
図４の（ｂ）にＣ−Ｃ矢視で示すように、溝２８は気筒間カム軸部２６のカム２７の頂点側位置と、気筒間カム軸部２６の軸心を中心としたカム２７の頂点と反対側の底辺側位置に、カム２７の頂点と気筒間カム軸部２６の中心とを結ぶ線と気筒間カム軸部２６の軸心を含む面に対し略直角の方向に溝２８が設けられている。

本実施形態では溝２８が設けられている位置を、カム２７の側面からの距離を同一位置にしたが、どちらかを気筒間カム軸部２６の軸線方向にずらすことも可能である。
また、溝２８の位置は各気筒間中心部とカム２７のＲ部３０の末端部を含まない部分から各気筒間中心部までの間とし、図４では上下２個だが必要に応じて増減するとよい。

本実施形態によれば、中空状のカムシャフト３０をバルジ加工で成形するため、カム２７にカムシャフト３０を結合すると同時に、溝２８を形成することができるため、簡単に溝２８を有したカムシャフト３０を形成できる。
しかも、溝２８を気筒間カム軸部２６の外周部で、カム２７の頂点と気筒間カム軸部２６の中心とを結ぶ線と気筒間カム軸部２６の軸心を含む面に対し略直角の方向に、気筒間カム軸部２６の軸心を中心としたカム２７の頂点と反対側の底辺側位置に設けたので、カムシャフト２５の断面剛性低減部の変形がより容易となり、変形の吸収量が大きくなり応力集中の防止がさらに図りやすくなる。
更に、隣接するジャーナル部２９の偏磨耗を防止して、回転フリクションの増加を防ぐ効果については、実施形態１、２と同様に有している。

本発明では、４バルブ式エンジンのカムシャフトの偏磨耗を防止し、駆動フリクションを低減することができるので、４バルブ式エンジンおよび他形式のエンジンのカムシャフトにも使用するのに適している。

１ エンジン本体（内燃機関）
２ シリンダヘッド
５、２０、３０ カムシャフト
６、２１、２７ カム
７ カムキャップ
８、２２、２６ 気筒間カム軸部
９ バルブスプリング
１０ ジャーナル部
１１ カム軸受
１４ 燃焼室
１５ 吸気ポート
１６ 貫通穴（凹部）
２３ 孔（凹部）
２８ 溝（凹部）
１８ 吸気バルブ
１９、２５、３１ Ｒ部
２４、２９ ジャーナル部

Claims (6)

1. 内燃機関の機関本体に軸支され、端部で前記内燃機関のクランクシャフトの回転に連動して回転し、前記内燃機関の各気筒に配設され吸気バルブ又は排気バルブを開閉するカムを備えたカムシャフトにおいて、
   前記吸気バルブ又は排気バルブを閉塞するバルブスプリングの閉塞力に抗してバルブ開放時にカムシャフトに作用する反力によって各気筒間を連結する気筒間カム軸部に生じる変形を吸収するように、前記気筒間カム軸部に凹部を形成したことを特徴とする内燃機関のカムシャフト構造。
2. 前記気筒間カム軸部と該気筒間カム軸部の両側に配置されたカムの端面との接続部にはコーナＲ部を形成し、前記カム軸部上の前記Ｒ部末部から前記凹部に滑らかに接続したことを特徴とする請求項１記載の内燃機関のカムシャフト構造。
3. 前記気筒間カム軸部と該気筒間カム軸部の両側に配置されたカムの端面との接続部にはコーナＲ部を形成し、前記凹部は前記Ｒ部にかからない位置に配設したことを特徴とする請求項１記載の内燃機関のカムシャフト構造。
4. 前記凹部は前記カムの頂点と前記カム軸の軸心とを結ぶ線と同じ方向に中心線を有するように配設したことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のカムシャフト構造。
5. 前記凹部は前記カム軸の軸心に対し対称位置に配設されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の内燃機関のカムシャフト構造。
6. 前記凹部は貫通孔であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の内燃関のカムシャフト構造。

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