JP4627121B2

JP4627121B2 - 三次元カムおよび三次元カム用研削装置

Info

Publication number: JP4627121B2
Application number: JP2001176881A
Authority: JP
Inventors: 雄二西城; 直樹土田; 光生土屋
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 2001-06-12
Filing date: 2001-06-12
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2021-06-12
Also published as: EP1270878A3; JP2002372126A; US20020187734A1; US6834629B2; EP1270878A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カム面が変位する方向に対してカムフォロアを斜めに押圧する三次元カムおよびこの三次元カムのカム面を研削する三次元カム用研削装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
カム面が変位する方向に対してカムフォロアを斜めに押圧する三次元カムとしては、例えば特開２０００−１７０８８１号公報に開示されているように、吸・排気弁を放射状に配設したエンジンの動弁カムがある。この公報に示された動弁カム（三次元カム）は、カム面がロッカーアームのスリッパに傾いた状態で摺接するものであり、研削砥石を前記スリッパと同方向に傾斜させてカム面が研削されている。
【０００３】
詳述すると、研削砥石の軸線を三次元カムの軸線に対して傾斜させ、この研削砥石をカムプロフィールに沿ってカムの径方向に移動させるとともに三次元カムを低速で自転させることによってカム面が研削されている。前記研削砥石は、曲率半径がスリッパと同等の円板状のものを使用しており、この研削砥石の円筒面からなる外周面をカム面の軸線方向の全域に線接触になるように接触させながら研削を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように形成した従来の三次元カムは、研削に用いる砥石径がスリッパと同径、あるいはより小径でなければ”カムとスリッパの接触線”と”カムとスリッパの接触線”が互いに交わることが起こりうるため、研削後に形成されるカム面とスリッパ円周との間に隙間が生じて接触面圧が大きくなり、磨耗や潤滑不良を起こすという問題があった。
また、研削時に研削砥石の軸線をカム軸の軸線に対して傾斜させているから、カム軸と研削装置との干渉を避けるために、研削盤に装着できるカム軸の長さに限界があった。従来の研削装置では単気筒エンジン用の三次元カムしか研削することができなかった。
【０００５】
本発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、潤滑不良を起こすことがない三次元カムを提供することを第１の目的とし、三次元カムを有する多気筒エンジン用のカム軸を製造できる三次元カム用研削装置を提供することを第２の目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明に係る三次元カムは、カム面を研削砥石で研削することによってカム面に形成される微細な凹部からなる研削痕がカムの回転方向と軸線方向とにそれぞれ規則的に並ぶ状態で多数形成されているものである。
本発明によれば、複数の研削痕によって形成される微細な溝部の高さを油圧高さより低くすることが可能になり、その結果カム荷重を接触幅の全幅で支えることができる。
【０００７】
請求項２に記載した発明に係る三次元カム用研削装置は、カム面の凹曲部分より曲率半径が小さい凸曲面からなる研削面を有する研削砥石と、この研削砥石を回転させる砥石駆動手段と、目標カムプロフィールおよびカムの所定回転角毎に定めた目標カム面形状とに基づいて研削砥石でカム面を研削する研削手段とを備え、前記研削手段は、研削砥石の研削部分での法線ベクトルと、目標カム面形状の法線ベクトルとを一致させながら研削点をカムの回転方向と軸線方向とに移動させて研削する構成としたものである。
この発明によれば、研削砥石の軸線をカム軸の軸線と平行にすることができ、より一般的な研削盤で加工することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る三次元カムおよび三次元カム用研削装置の一実施の形態を図１ないし図６によって詳細に説明する。
図１は本発明に係る三次元カムを使用したエンジンの動弁装置を示す斜視図、図２は三次元カムとロッカーアームを拡大して示す断面図、図３は本発明に係る三次元カム用研削装置の構成を示すブロック図、図４は研削部分を拡大して示す断面図である。図５はスリッパの中心軌跡を示す図、図６はロッカーレイアウトを示す図である。
【０００９】
これらの図において、符号１で示すものは、この実施の形態によるエンジン用動弁装置である。この動弁装置１は、１気筒当たり２本ずつの吸気弁２と排気弁３とを放射状に配置し、吸気カム軸４と排気カム軸５とによって駆動するＤＯＨＣ型のものである。吸気カム軸４と排気カム軸５には、吸・排気弁２，３毎に三次元カム６を設けている。
【００１０】
また、この動弁装置１は、前記三次元カム６と吸・排気弁２，３との間にロッカーアーム７を介装している。ロッカーアーム７は、図２に示すように、シリンダヘッド（図示せず）に固着したロッカーピン８と、このロッカーピン８に回動自在に支持させたアーム本体９と、このアーム本体９の揺動端部に設けたスリッパ１０などによって構成している。このロッカーアーム７が本発明に係るカムフォロアを構成している。
【００１１】
前記ロッカーピン８の軸線と、吸排気カム軸４，５の軸線とは、いわゆる捻れの位置関係にあり、放射状に配置した吸・排気弁２，３に対応させてカム軸４，５に対して傾斜させている。なお、この動弁装置１は、特開２０００−１７０８８１号公報に開示されたものと同等のものである。
前記三次元カム６は、図３および図４に示すように、軸線方向の一端部（図３においては左側の端部）から他端部へ向かうにしたがって径が次第に小さくなるようにカム面１１が傾斜している。このカム面１１は、径方向の内側に向って凹むような凹曲面である。
【００１２】
このカム面１１は、この実施の形態では、円板状の研削砥石１２で研削することによって所定形状に形成している。この研削砥石１２の研削面１３は、カム面１１の凹曲部分の曲率半径Ｒ（図４参照）より曲率半径が小さい凸曲面になっている。研削砥石１２の研削面１３の曲率半径を図４中にｒで示す。
【００１３】
この研削砥石１２を有する研削装置は、研削砥石１２を高速で回転させる砥石駆動手段２１と、研削砥石１２を径方向と軸線方向とに移動させる砥石移動手段２２と、研削砥石１２の研削点を周方向に移動させるためにカム軸４，５を低速で回転させるカム軸回転手段２３とを備えている。前記砥石移動手段２２およびカム軸回転手段２３が請求項２に記載した発明に係る研削手段を構成している。
この研削手段を図３中に符号２４で示す。
【００１４】
前記研削手段２４は、三次元カム６の目標カムプロフィールおよび三次元カム６の所定回転角毎に定めた目標カム面形状とに基づいて研削砥石１２でカム面１１を研削する構成を採っている。この研削は、具体的には、図４に示すように、研削面１３における研削部分での法線ベクトルＶ１と、目標カム面形状の法線ベクトルＶ２とを一致させながら研削点を三次元カム６の回転方向と軸線方向とに移動させて研削する。このように研削することによって、カム面１１に形成される微細な凹部からなる研削痕が三次元カム６の回転方向と軸線方向とにそれぞれ規則的に並ぶようになる。
ここで、目標カム面１１形状を求める手法について図５および図６を用いて説明する。
【００１５】
１）考え方について
三次元カム６を固定し、スリッパ１０およびロッカーアーム７の全体がカム軸の周囲を回転する座標系で考える。カム回転角度のスリッパ円筒に対する包絡面がカム面１１になる。各カム回転角でのスリッパ中心線位置を次々に求めると、その軌跡は曲面になる。中心線は直線であるので、軌跡面の速度ベクトル、法線ベクトルは一般的な自由曲面と比較して計算し易い特徴がある。その中心線の軌跡からなる曲面を以下においてはスリッパ中心線軌跡面という。このスリッパ中心線軌跡面は、直線を掃引した軌跡面であるから、線識（ルールド）面の特徴を有する。
【００１６】
スリッパ円筒に対する包絡面を求めることは、スリッパ形状は円筒であるのでスリッパ中心線軌跡面をスリッパ半径分オフセットすることであるオフセット面の速度ベクトル、法線ベクトルは、オフセット面を直接計算できなくても元面の速度ベクトル、法線ベクトルなどの性質を継承するので容易に計算することができる。すなわち、各カム回転角に対するスリッパ中心線の速度ベクトルと、カムスラスト位置が確定することにより、スリッパ１０と三次元カム６との接触点が一意的に計算することができる。
【００１７】
２）スリッパ中心線軌跡面について
カム回転角φにおけるスリッパ中心点をＰ（φ）とし、スリッパ中心軸方向単位ベクトルをＡ（φ）とする。スリッパ中心線軌跡面Ｓ（φ，ξ）の式は下記のように定義される。（図５参照）
Ｓ（φ，ξ）＝Ｐ（φ）＋ξＡ（φ）……（１）
ここで、ξはスリッパ中心軸方向移動量である。これにより曲面の接ベクトルＳφ、Ｓξは次式で与えられる。
【００１８】
Ｓφ≡ｄＳ／ｄφ＝ｄＰ／ｄφ＋ξ（ｄＡ／ｄφ）＝Ｐφ＋ξＡφ
Ｓξ≡ｄＳ／ｄξ＝Ａ……（２）
また、Ｐφは、カム軸周りに等速度運動をしているロッカーアーム７の速度と、ロッカ軸周りに回転運動するスリッパ１０の中心速度の合成としてロッカ中心線単位ベクトルＺ’とロッカ中心点Ｏ’を用いて次式で与えられる。（ロッカレイアウトを示す図６参照）
【００１９】
図６は、カム軸の軸線方向から見た状態で描いてあり、Ｚ軸はＯ上に存在する。Ｚ’軸方向はＡベクトルと一致している。図６において、カム軸を基準とし、ロッカー軸、スリッパ１０軸がＸ軸まわり右ねじ方向にδ°傾いている場合には、
Ｚ：カム軸方向単位ベクトル（０，０，１）
Ｏ：カム中心軸方向（０，０，０）
Ｏ’：ロッカー中心点Ｚ’：ロッカー軸方向単位ベクトル（０，−sinδ，cosδ）
Ｐ：スリッパ中心点Ｚ’：スリッパ軸方向単位ベクトル（０，−sinδ，cosδ）となる。
【００２０】
Ｐφ≡ｄＰ／ｄφ＝Ｚ×Ｐ＋（ｄβ／ｄφ）Ｚ’×（Ｐ−Ｏ’）‥‥（３）
Ａφ≡ｄＡ／ｄφ＝Ｚ×Ａここで、×は外積を示す。
法線方向は、曲面の速度ベクトルの外積で与えられるので、単位法線ベクトルは下記となる。
Ｎ（φ，ξ）＝Ｓφ×Ｓξ／│Ｓφ×Ｓξ│
【００２１】
３）オフセット面について
三次元カム６面は、スリッパ中心線軌跡面をスリッパ１０半径ｒ分オフセットした形状である。カム面１１Ｃ（φ，ξ）は、スリッパ中心線軌跡面Ｓ（φ，ξ）と法線ベクトルＮ（φ，ξ）を利用して以下の式（４）で与えられる。カム面１１（オフセット面）の位置、速度ベクトル、二階微分ベクトルは、元面（スリッパ中心線軌跡面）の位置、速度ベクトルと法線ベクトルによりすべて決定できる。
【００２２】
Ｃ（φ，ξ）＝Ｓ（φ，ξ）＋ｒＮ（φ，ξ）
Ｃφ≡ｄＣ／ｄφ＝ｄＳ／ｄφ＋ｒ（ｄＮ／ｄφ）
Ｃξ≡ｄＣ／ｄξ＝ｄｓ／ｄξ＋ｒ（ｄＮ／ｄξ）
Ｃφφ≡ｄ²Ｃ／ｄφ²＋ｒ（ｄ²Ｎ／ｄφ²）‥‥（４）
Ｃφξ≡ｄ²Ｃ／ｄφｄξ＝ｄ²Ｓ／ｄφｄξ＋ｒ（ｄ²Ｎ／ｄφｄξ）
ＣξξＮ≡ｄ²Ｃ／ｄξ²＝ｄ²Ｓ／ｄξ²＋ｒ（ｄ²Ｎ／ｄξ²）
【００２３】
ここで、Ｎφ，Ｎξ，Ｎφφ，Ｎφξ，Ｎξξは、曲面の第１基本量Ｅ，Ｆ，Ｇと第２基本量ｌ，ｍ，ｎを利用して下記のように計算できる。第２基本量は、一般的には大文字で記述するが法線ベクトルＮと区別するために小文字で記述する。単位法線ベクトルの偏微分が接ベクトルの一時結合で表されることは、Weingartenの式と呼ばれている。元面単位法線ベクトルの微分値が０でないときには、オフセット面の接ベクトルは元面の接ベクトルとは異なる。これは、今回の三次元カム６ではＺ軸とＺ’軸とが平行ではないからである。
Ｅ≡ＳφＳφ，Ｆ≡ＳφＳξ，Ｇ≡ＳξＳξ
ｌ≡ＳφφＮ，ｍ≡ＳφξＮ，ｎ≡ＳξξＮ
Ｎφ≡ｄＮ／ｄφ＝｛ｍＦ−ｌＧ）／（ＥＧ−Ｆ²｝Ｓφ＋｛ｌＦ−ｍＥ）／（ＥＧ−Ｆ²｝Ｓξ‥‥（５）
Ｎξ≡ｄＮ／ｄξ＝｛ｎＦ−ｍＧ）／（ＥＧ−Ｆ²｝Ｓφ＋｛ｍＦ−ｎＥ）／（ＥＧ−Ｆ²｝Ｓξ
【００２４】
オフセット面の性質は元面の性質を引き継ぐが、オフセット面の位置計算には元面の位置と接ベクトル、オフセット面の接ベクトル計算には元面の位置、接ベクトル、二階微分ベクトルと一段階高い元面の情報が必要である。
砥石との接触点を計算するためには、上記の性質を利用して次々に位置、接ベクトル、二階微分ベクトルを算出することによって行うことができる。しかし、カム面１１を直接生成できると設計検討、検査データとの照合に都合がよい。そこで今回は、角度１度毎・スラスト方向１度毎のカム曲面上点を計算し、曲率連続な双３次曲面３６枚（１０度で１曲面）とした。利用した曲面補間は、通過点指示の自由フィッチングである。元面を利用して指示点でのベクトルを算出できるが、隣合う構成点での接ベクトル比を合わせないと補間での折れが発生する。
後処理の特殊処理を不要にするために接ベクトル比を合わせた通過点指示の自由フィッチングとした。曲率変化が不連続になる立上り部では誤差が生じるが、検査データ作成時に精度確認を行ったところ０．１μｍ以下であったので問題が生じることはない。
【００２５】
４）砥石、測定子の接触位置について
中間的にカム曲面をおくことにより位置計算、法線計算をカム曲面より直接行うことができ、砥石位置、測定子位置を計算する際にバルブレイアウトやロッカーアーム７の位置を考慮することなく接触点計算とレイアウトとを分離して考えることができる。放射カムにおいても、平面カムと同様に指定角度毎での位置は、カム形状と砥石・測定子の接触問題として解くことができる。放射カムにおいては、スラスト方向で変化があるため１周だけの研削・測定データを作成すればよい平面カムとは異なる。
【００２６】
５）三次元カム６の研削手法について
この実施の形態で用いる研削砥石１２は、いわゆるドーナッツ型のものである。具体的には、Ｚ軸よりｒ０オフセットした場所での半径ｒの円をＺ軸周りに回転させてなる形状である。Ｅ_zはＺ軸周りの回転行列、ｅ_iは各軸方向単位ベクトルとすると、研削砥石１２の形状は下記のように記述することができる。
Ｔ（θ，ω）＝Ｅ_z ⁱω｛ｒ（ｅ_xcosθ＋ｅ_zsinθ）＋ｒ０ｅ_x｝
すなわち、指定されたスラスト位置、カム中心軸よりの指定角度での三次元カム６と研削砥石１２とが接触する位置を計算することである。
Ｔ（θ，ω）│_z＝指定スラスト位置
ＡＴＡＮ２｛Ｔ（θ，ω）│_y，Ｔ（θ，ω）│_x｝＝指定角度
との制限のもとの
Ｌ＝｛Ｔ（θ，ω）│_x ^**２＋Ｔ（θ，ω）│_y ^**２｝１／２乗
実際の計算では、カム形状とドーナッツ形状の接触点を求める必要はなく、カム形状と先端球形状の接触位置を算出すればよく、ドーナッツ形状の中心を求めたいときには二次元的な計算で容易に算出することができる。
【００２７】
したがって、上述した研削方法によって形成した三次元カム６は、カム面１１に形成される微細な凹部からなる研削痕がカムの回転方向と軸線方向とにそれぞれ規則的に並ぶ状態で多数形成されているから、複数の研削痕によって形成される微細な溝部の高さを油圧高さより低くすることが可能になり、その結果カム荷重を接触幅の全幅で支えることができる。この結果、三次元カム６とスリッパ１０との間に潤滑油の油膜が途切れることなく形成されるから、潤滑不良を起こすことがない三次元カムを形成することができる。
【００２８】
また、この実施の形態による三次元カム用研削装置は、研削砥石１２の研削部分での法線ベクトルと、目標カム面１１形状の法線ベクトルとを一致させながら研削点をカムの回転方向と軸線方向とに移動させて研削するから、研削砥石１２の軸線をカム軸の軸線と平行にすることができ、より一般的な研削盤で加工することができる。このため、カム軸の軸線方向の長さが研削装置との干渉によって制約を受けることがなく、多気筒エンジン用のカム軸を形成することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、複数の研削痕によって形成される微細な溝部の高さを油圧高さより低くすることが可能になり、その結果カム荷重を接触幅の全幅で支えることができるから、潤滑不良を起こすことがない三次元カムを提供することができる。
【００３０】
請求項２記載の発明によれば、研削砥石の軸線をカム軸の軸線と平行にすることができ、より一般的な研削盤で加工することができるから、カム軸の軸線方向の長さが研削装置との干渉によって制約を受けることがない。この結果、三次元カムを有する多気筒エンジン用のカム軸を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る三次元カムを使用したエンジンの動弁装置を示す斜視図である。
【図２】三次元カムとロッカーアームを拡大して示す断面図である。
【図３】本発明に係る三次元カム用研削装置の構成を示すブロック図である。
【図４】研削部分を拡大して示す断面図である。
【図５】スリッパの中心軌跡を示す図である。
【図６】ロッカーレイアウトを示す図である。
【符号の説明】
６…三次元カム、１０…スリッパ、１１…カム面、１２…研削砥石、２１…砥石駆動手段、２４…研削手段。

Claims

カム面が変位する方向に対してカムフォロアを斜めに押圧する三次元カムにおいて、カム面を研削砥石で研削することによってカム面に形成される微細な凹部からなる研削痕がカムの回転方向と軸線方向とにそれぞれ規則的に並ぶ状態で多数形成されている三次元カム。
カム面の凹曲部分より曲率半径が小さい凸曲面からなる研削面を有する研削砥石と、この研削砥石を回転させる砥石駆動手段と、目標カムプロフィールおよびカムの所定回転角毎に定めた目標カム面形状とに基づいて研削砥石でカム面を研削する研削手段とを備え、前記研削手段は、研削砥石の研削部分での法線ベクトルと、目標カム面形状の法線ベクトルとを一致させながら研削点をカムの回転方向と軸線方向とに移動させて研削する構成とした三次元カム用研削装置。