JP3408644B2 - 部品圧入カムシャフト - Google Patents
部品圧入カムシャフトInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、エンジンのカム軸に複
数の部品を圧入しながら周方向にかみ合い歯を創製し、
該部品より軸に必要なトルクを伝えるに十分な結合力を
付与できるように材料の硬度範囲を選定したカムシャフ
トに関するものである。 【０００２】 【従来の技術】カム軸に、別体のカムピース、あるいは
歯車を嵌合して製造されるカムシャフトについては、従
来よりカム軸の一部を太くし軸線方向に単数または複数
のキー溝を設け、カムピースあるいは歯車の嵌合孔内面
に単数または複数のキー突条を形成し、これらのキー溝
とキー突条をかみ合わせて圧入またはロウ剤充填により
固定する方法が公知である。 【０００３】しかしこのような製造方法では、カム軸と
カムピース及び歯車の嵌合部や組合わせ位置決めに高い
寸法精度が要求されるため、これらの部品の製造に多く
の手間がかかり、生産性が低下し、コスト高の要因にな
っていた。これらの問題に対し、カム軸にカムピースを
圧入しながら軸の周方向にかみ合い歯を創製する方法
が、特開平２−１５０５４４号に紹介されているので、
これについて図６〜図８に基づいて説明する。 【０００４】図中符号１は中空金属製シャフトで、この
シャフト１の各カム固定箇所１Ａには、焼結合金製カム
２（１つのみ図示）が互いに離間して所定角度で固定さ
れている。前記カム固定箇所１Ａには、図８に示すよう
に、カムピース固定に先立って多数の溝３が螺旋状また
は同心円状に周方向に転造され、これにより溝３同士の
中間部が盛り上がり、突条４となっている。これら突条
４の外径Ｄ２は、シャフト本体部１Ｂの外径Ｄ１の１０
１〜１１０％程度とされることが望ましい。この範囲よ
り小さいと十分なカムピースの固定強度が得られず、ま
たこれより大きいと円滑な圧入が困難になりカム位置精
度が低下する。 【０００５】一方、カムピース２には、シャフト本体部
１Ｂの外径Ｄ１よりも大きく、突条４の外径Ｄ２より小
さい内径Ｄ３を有する円柱形のシャフト孔５が軸線方向
に形成されている。このシャフト孔５の内面には、軸線
方向に延びるキー突条６が周方向等間隔に（図６の場合
は８つ）形成され、各キー突条６の断面はエッジを有す
る矩形状とされている。これらのキー突条６の突出量
は、その頂点面６Ａでの内径Ｄ４が次式の関係を満たす
ようになっている。 Ｄ１≦Ｄ４＜Ｄ３＜Ｄ２ 一方、円周方向の突条４の幅や断面形状は、カムピース
２をシャフト１に圧入する際に、該突条４がキー状の突
条６により良好に切削されるように考慮すべきである。 【０００６】カムピース２をシャフト１に固定するに
は、シャフト１の一端側のカム固定部１Ａから順に、溝
３及び突条４の転造と、キー突条を有するカム２の圧入
とを交互に繰り返していく。すると、図８に示すよう
に、各キー突条６が先端エッジ６Ａで円周方向の突条４
を順に切り欠いてキー溝７を形成すると同時に、キー突
条６を除くシャフト孔５の前端エッジ５Ａが各突条４の
頭頂部を全長に亙って僅かに切り欠いていく。 【０００７】したがって圧入後は、キー突条６は自ら形
成したキー溝７に隙間なく嵌合するうえ、各突条４の頭
頂部がシャフト孔５の内面に圧着され、カムピースが強
固に固定される。なお、圧入が完了したままの状態でも
このカムシャフトは使用可能であるが、強度および信頼
性をさらに高めるために、カムピース２とシャフト１と
の空隙にロウ剤を充填したり、カムピース２とシャフト
１をスポット溶接してもよい。 【０００８】上記構成からなるカムシャフトでは、シャ
フト１にカムピース２を圧入するだけでカム２を任意の
角度位置に固定できるため、組み立て作業が極めて容易
で手間がかからず生産性を高め、その分製造コスト低下
が図れる。また、カムピース２のキー突条６は自らが切
り開いたキー溝７に密着状態で嵌合するから、固定力が
極めて大きい上がたつきが全くなく、高い位置精度が容
易に実現できる。さらに圧入後のカムピース２には、従
来の圧入型シャフトほどの大応力が加わらないため、低
コストで寸法精度の高い焼結体製のカムピース２を使用
することができ、この点からも低コスト化および高精度
化が図られる。 【０００９】 【発明が解決しようとする課題】従来の技術では組立後
の結合強度に対する部品の仕様（部品サイズに対応する
材質、シャフト転造部とこれに結合するカムピース内径
部スプラインの硬度等）が示されてないため、カムピー
スの材質は必要以上の高級材料（超硬合金等）が使用さ
れていた。また、従来例においては、カムピースがシャ
フトに圧入されるとき、カムピース内径部スプラインが
シャフト転造部の膨出部を剪断して嵌合するため、結合
部に歪みに対応する弾性が殆ど残らず、繰り返し荷重が
懸かるとシャフト側が直ぐにへたり、隙間が生じる可能
性がある。 【００１０】これの防止策として、さらにカムピース２
とシャフト１との空隙に金属ロウ剤を充填したり、カム
ピース２とシャフト１をスポット溶接で結合を高めた
り、カムピース内径部スプラインに僅かなテーパーを設
けたりする手法が必要であった。低コスト化のために一
般焼結材（ＪＩＳ ＳＭＦ５種あるいは８種等）でも、
ロウ剤やスポット溶接等の補助手段を使用せずに、高い
結合強度が得られる材質のスペックが課題であった。 【００１１】本発明の目的は、台形溝を転造したカム軸
に、内筒面に軸方向のスプラインを設けたカムピース及
び歯車を圧入結合して製造されるカムシャフトにおい
て、各部品の仕様（カム軸製造部とこれに結合するカム
ピース及び歯車の内径部スプライン硬度等）を限定する
ことにより通常入手可能でじん性があり取扱容易なＳ４
５Ｃ材の使用を可能とすると共に、歯車及びカムピース
に焼結合金材料をも使用可能とし加工工数の減少を実現
でき生産性が高く製造コストも低く、しかも耐久性の大
きい部品圧入カムシャフトを提供するにある。 【００１２】 【課題を解決するための手段】本発明の部品圧入カムシ
ャフトは、カムピース及び歯車の取付け位置に圧入幅に
亙って多数の円周方向の台形溝を転造した鋼材製のカム
軸に、内筒面に軸方向のスプラインを設けた前記カムピ
ース及び歯車を圧入結合して製造されるカムシャフトに
おいて、転造部硬度（Ｈｓ）がＨＲＣ11〜20の鋼材製カ
ム軸と、これに圧入される前記カムピース及び歯車は焼
結合金材料とし、 前記圧入されるカムピース及び歯車を
高周波焼入若しくは浸炭焼き入れにより表面硬化を行
い、表面硬化させた内周面表面硬度（Ｈｋ）がカム軸の
材料の硬度よりＨＲＣ10〜40大きい範囲の〔Ｈｋ＝Ｈｓ
＋ＨＲＣ（10〜40）〕とし、前記カムピース及び歯車の
前記スプラインに施された面取り部側からのカム軸への
圧入結合により、前記カムピース及び歯車のスプライン
端がカム軸の転造膨出部を塑性変形及び剪断せしめてか
み合い歯を創製するように構成されたことを特徴とす
る。特に本発明は転造部硬度（Ｈｓ）がＨＲＣ11〜20の
鋼材製カム軸圧入されるカムピース及び歯車を焼結合金
材料とすることにより課題の加工工数減少がより一層図
られる。 【００１３】 【作用】上記のように、転造部硬度（Ｈｓ）がＨＲＣ11
〜20以下の鋼材製カム軸に、同カム軸の材料の硬度より
ＨＲＣ10〜40大きい範囲の〔Ｈｋ＝Ｈｓ＋ＨＲＣ（10〜
40）〕内周面硬度（Ｈｋ）を有するカムピース及び歯車
を、スプラインの面取り側よりカム軸に圧入すれば、カ
ムピース及び歯車のスプライン端がカム軸の転造膨出部
を塑性変形及び剪断しながらかみ合い歯を創製し圧入結
合される。各スプラインの歯の結合部全部に塑性変形に
伴う弾性歪みと応力が残り、これがシャフトとカムピー
ス及び歯車のスプライン部の結合を強固とし、シャフト
に対する繰り返しトルク荷重を分散して受け持つことが
できる。 【００１４】 【実施例】以下図１〜５を参照し本発明の一実施例につ
いて説明する。本発明は、産業用エンジンにおけるギヤ
駆動方式のカムシャフトに適用した第１実施例である。
図１〜図４は、カム軸の所定位置に、転造により元径よ
り膨出した多数の環状部を形成し、これにカム部品を圧
入しながら軸の周方向にかみ合い歯を創製する方法によ
り製造された、歯車付きカムシャフト１０の側面図（図
１）、正面図（図３）及びかみ合い歯創製部の詳細図
（図２、図４）を示す。鋼材カム軸１１の転造部硬度
（Ｈｓ）をＨＲＣ11〜20とし、これに圧入される前記カ
ムピース１２，１３及び歯車１４は、その内周面硬度
（Ｈｋ）がカム軸１１の材料の硬度よりＨＲＣ10〜40
（硬度バランスΔＨと称す。）大きい範囲の〔Ｈｋ＝Ｈ
ｓ＋ＨＲＣ（10〜40）〕材料とする。 【００１５】カム軸１１のカムピース１２，１３及び歯
車１４の固定箇所には、図１に示すように、これらの部
品の圧入固定に先立って、多数の溝が螺旋状または同心
円状に周方向に転造される。上記の硬度の鋼材であれ
ば、この転造加工は容易である。この転造加工により、
溝同士の間が盛り上がり、台形の突出部１１ａとなる。
この突出部１１ａの外径は当然カム軸１１の外径より大
きくなる。 【００１６】一方、カムピース１２，１３及び歯車１４
には、カム軸１１の外径Ｄ1 よりも大きく、突出部１１
ａの外径Ｄ2 より小さい内径を有する軸孔が明けられ、
この軸孔には、軸線方向のスプライン１２ａが形成され
ている。この軸孔のスプライン１２ａの溝底径Ｄ3 は、
カム軸の転造突出部１１ａの径Ｄ4 より大きく形成され
ている。（このカム軸１１の径Ｄ1 、カム軸の転造突出
部１１ａの径Ｄ2 、スプライン１２ａの溝底径Ｄ3 及び
内径Ｄ4 の関係は、従来例において説明した関係寸法、
Ｄ１≦Ｄ４＜Ｄ３＜Ｄ２と同様である。） 【００１７】カムピース１２，１３及び歯車１４のスプ
ライン部は、図２で示したように、片側に面取り部１２
ｂが形成されている。カムピース１２，１３及び歯車１
４を、スプラインの面取り１２ｂ側よりカム軸１１の転
造突出部１１ａに圧入すれば、カムピース及び歯車のス
プライン端の面取り部１２ｂが、カム軸の転造突出部１
１ａを塑性変形及び剪断しながら、かみ合い歯を創製し
（図２及び図４のように）、圧入結合される。上記で示
したカムピース１２，１３及び歯車１４の鋼材硬度であ
れば、カム軸１１材料との硬度差が十分であり、この圧
入かみ合い歯創製の工程において、スプライン１２ａが
変形したり、欠けたりする虞れは無い。 【００１８】そして上記の鋼材を使用し、指定された範
囲の硬度差に処理されてあれば、各スプラインの歯の結
合部全体に塑性変形に伴う弾性歪みと応力が残り、カム
シャフト１０に対してトルク荷重がかかっても、スプラ
イン１２ａの各かも合い歯がこの荷重を分散して受け持
ち、カム軸１１とカムピース１２，１３及び歯車１４の
スプライン部に空隙を生じることを防止し、カムシャフ
ト１０に対する繰り返しトルク荷重に対して、がたつき
のない結合を維持することができる。そしてこのカムシ
ャフト１０は、圧入を完了したままの状態で使用可能で
ある（ロー接着やスポット溶接は不要）。 【００１９】カムピース１２，１３及び歯車１４をカム
軸１１に固定する工程順は、カム軸１１の一端側から順
に、歯車１４の圧入位置の転造突出部１１ａの転造と、
歯車１４の圧入、カムピース１３の位置の転造、カムピ
ース１３の圧入、カムピース１２の位置の転造、カムピ
ース１２の圧入の順に作業を交互に繰り返し、図１に示
すようなカムシャフト１０が完成する。 【００２０】上記構成からなるカムシャフト１０では、
カム軸１１にカムピース１２，１３及び歯車１４を圧入
するだけで、カム軸１１の任意の角度位置に固定できる
ため、組み立て作業が極めて容易で手間がかからず、生
産性を高め、製造コストも低下し、高い位置精度が容易
に実現できる。さらに、上述のようにトルク荷重を分散
して受け持つので、従来の圧入型カムシャフトほどに円
周方向の締付応力が加わらないため、低コストで寸法精
度の高い焼結合金製のカムピースを使用することがで
き、この点からも低コスト化および高精度化が図られ
る。 【００２１】上述の如く、カムピース、ギヤ共に、焼結
成形部品の内径スプラインの硬度（Ｈｋ）とシャフト転
造部の硬度（Ｈｓ）との差（硬度パランスΔＨ）により
結合強度は左右され、この硬度バランスの最適値は、Ｈ
ｋ＝Ｈｓ＋ＨＲＣ（10〜40）であり、参考に以下本発明
において指定した材料硬度のテストピースによる圧入繰
り返し荷重試験の成績を述べる。 【００２２】テストピースの材質、熱処理、硬度、軸径
等、及び組合せ （１）カム軸：Ｓ４５Ｃ 標準熱処理 硬度：ＨＲＢ
90〜98（ＨＲＣ11〜20） 軸径：１５ｍｍ 歯車：ＪＩＳ ＳＭＦ５種高周波焼
入 硬度：ＨＲＣ39〜42 結合部幅：８ｍｍ 歯
車内径とカム軸転造部外形の差（圧入代）：０．３４〜
０．４２ （２）カム軸：Ｓ４５Ｃ 標準熱処理 硬度：ＨＲＢ
90〜98（ＨＲＣ11〜20） 軸径：１５ｍｍ カムピース：ＪＩＳ ＳＭＦ８種浸
炭 硬度：ＨＲＣ41〜46 結合部幅：８ｍｍ カ
ムピースとカム軸転造部外形の差（圧入代）：０．３４
〜０．４２ 【００２３】テストピース（１）の組合わせにおいて、
繰り返しトルク荷重１０ｋｇ−ｍを負荷し、繰り返し回
数１×１０7 の疲労試験を行った結果は、疲労試験を行
ったテストピースと疲労試験を行わなかった同じテスト
ピースとの比較において、歯車をカム軸から抜き取る抜
出荷重の差がなく、上記の圧入組合わせカムシャフトは
緩みを生じない堅固な結合をしているものと判定され
た。テストピース（２）の組合わせにおいては、圧入組
合わせの結合強度は（１）の場合と同等であるが、カム
形状には比較的薄肉の環状部があるので、焼結合金製の
部品としては、圧入のときにカムピースの環状部に働く
張力による破断が気になるところである。 【００２４】しかし上記のようにカムピースと歯車の材
料の硬度はＨＲＣ45付近に抑えてあるので、伸びに余裕
があり、エンジンの実機耐久テストの結果からも十分に
張力に耐える余裕のあることが検証できた。図５に疲労
試験の結果を示す。図より硬度バランスΔＨがΔＨ＝Ｈ
ＲＣ10〜40の範囲では限界繰り返し数１０7 の繰り返し
荷重テストでも損傷がないのがわかる。 【００２５】 【発明の効果】カム軸にカム部品を圧入しながら軸の周
方向にかみ合い歯を創製する従来工法と、上記に示した
材質の熱処理硬度の適用によりＪＩＳ ＳＭＦ５種ある
いは８種の焼結材料使用が可能となり、圧入の結合強度
は十分であり、カムピースとカム軸との空隙に金属ロウ
剤を充填したり、カムピースとカム軸とをスポット溶接
で結合を高めたり、カムピース内径部スプラインに僅か
なテーパーを設けたりする手法は必要なく、さらにカム
及びギヤを高精度の焼結成形体とすることにより、組立
後の機械加工を省けるため大幅にコストを低減できるカ
ムシャフトの製作が可能となる。 【００２６】又カム軸の材料として、通常入手可能でじ
ん性がよくしかも取扱容易な機械構造用炭素鋼ＪＩＳ
Ｇ ４０５１のＳ４５Ｃ材も使用可能でありさらにコス
トの低減をはかることができる。
数の部品を圧入しながら周方向にかみ合い歯を創製し、
該部品より軸に必要なトルクを伝えるに十分な結合力を
付与できるように材料の硬度範囲を選定したカムシャフ
トに関するものである。 【０００２】 【従来の技術】カム軸に、別体のカムピース、あるいは
歯車を嵌合して製造されるカムシャフトについては、従
来よりカム軸の一部を太くし軸線方向に単数または複数
のキー溝を設け、カムピースあるいは歯車の嵌合孔内面
に単数または複数のキー突条を形成し、これらのキー溝
とキー突条をかみ合わせて圧入またはロウ剤充填により
固定する方法が公知である。 【０００３】しかしこのような製造方法では、カム軸と
カムピース及び歯車の嵌合部や組合わせ位置決めに高い
寸法精度が要求されるため、これらの部品の製造に多く
の手間がかかり、生産性が低下し、コスト高の要因にな
っていた。これらの問題に対し、カム軸にカムピースを
圧入しながら軸の周方向にかみ合い歯を創製する方法
が、特開平２−１５０５４４号に紹介されているので、
これについて図６〜図８に基づいて説明する。 【０００４】図中符号１は中空金属製シャフトで、この
シャフト１の各カム固定箇所１Ａには、焼結合金製カム
２（１つのみ図示）が互いに離間して所定角度で固定さ
れている。前記カム固定箇所１Ａには、図８に示すよう
に、カムピース固定に先立って多数の溝３が螺旋状また
は同心円状に周方向に転造され、これにより溝３同士の
中間部が盛り上がり、突条４となっている。これら突条
４の外径Ｄ２は、シャフト本体部１Ｂの外径Ｄ１の１０
１〜１１０％程度とされることが望ましい。この範囲よ
り小さいと十分なカムピースの固定強度が得られず、ま
たこれより大きいと円滑な圧入が困難になりカム位置精
度が低下する。 【０００５】一方、カムピース２には、シャフト本体部
１Ｂの外径Ｄ１よりも大きく、突条４の外径Ｄ２より小
さい内径Ｄ３を有する円柱形のシャフト孔５が軸線方向
に形成されている。このシャフト孔５の内面には、軸線
方向に延びるキー突条６が周方向等間隔に（図６の場合
は８つ）形成され、各キー突条６の断面はエッジを有す
る矩形状とされている。これらのキー突条６の突出量
は、その頂点面６Ａでの内径Ｄ４が次式の関係を満たす
ようになっている。 Ｄ１≦Ｄ４＜Ｄ３＜Ｄ２ 一方、円周方向の突条４の幅や断面形状は、カムピース
２をシャフト１に圧入する際に、該突条４がキー状の突
条６により良好に切削されるように考慮すべきである。 【０００６】カムピース２をシャフト１に固定するに
は、シャフト１の一端側のカム固定部１Ａから順に、溝
３及び突条４の転造と、キー突条を有するカム２の圧入
とを交互に繰り返していく。すると、図８に示すよう
に、各キー突条６が先端エッジ６Ａで円周方向の突条４
を順に切り欠いてキー溝７を形成すると同時に、キー突
条６を除くシャフト孔５の前端エッジ５Ａが各突条４の
頭頂部を全長に亙って僅かに切り欠いていく。 【０００７】したがって圧入後は、キー突条６は自ら形
成したキー溝７に隙間なく嵌合するうえ、各突条４の頭
頂部がシャフト孔５の内面に圧着され、カムピースが強
固に固定される。なお、圧入が完了したままの状態でも
このカムシャフトは使用可能であるが、強度および信頼
性をさらに高めるために、カムピース２とシャフト１と
の空隙にロウ剤を充填したり、カムピース２とシャフト
１をスポット溶接してもよい。 【０００８】上記構成からなるカムシャフトでは、シャ
フト１にカムピース２を圧入するだけでカム２を任意の
角度位置に固定できるため、組み立て作業が極めて容易
で手間がかからず生産性を高め、その分製造コスト低下
が図れる。また、カムピース２のキー突条６は自らが切
り開いたキー溝７に密着状態で嵌合するから、固定力が
極めて大きい上がたつきが全くなく、高い位置精度が容
易に実現できる。さらに圧入後のカムピース２には、従
来の圧入型シャフトほどの大応力が加わらないため、低
コストで寸法精度の高い焼結体製のカムピース２を使用
することができ、この点からも低コスト化および高精度
化が図られる。 【０００９】 【発明が解決しようとする課題】従来の技術では組立後
の結合強度に対する部品の仕様（部品サイズに対応する
材質、シャフト転造部とこれに結合するカムピース内径
部スプラインの硬度等）が示されてないため、カムピー
スの材質は必要以上の高級材料（超硬合金等）が使用さ
れていた。また、従来例においては、カムピースがシャ
フトに圧入されるとき、カムピース内径部スプラインが
シャフト転造部の膨出部を剪断して嵌合するため、結合
部に歪みに対応する弾性が殆ど残らず、繰り返し荷重が
懸かるとシャフト側が直ぐにへたり、隙間が生じる可能
性がある。 【００１０】これの防止策として、さらにカムピース２
とシャフト１との空隙に金属ロウ剤を充填したり、カム
ピース２とシャフト１をスポット溶接で結合を高めた
り、カムピース内径部スプラインに僅かなテーパーを設
けたりする手法が必要であった。低コスト化のために一
般焼結材（ＪＩＳ ＳＭＦ５種あるいは８種等）でも、
ロウ剤やスポット溶接等の補助手段を使用せずに、高い
結合強度が得られる材質のスペックが課題であった。 【００１１】本発明の目的は、台形溝を転造したカム軸
に、内筒面に軸方向のスプラインを設けたカムピース及
び歯車を圧入結合して製造されるカムシャフトにおい
て、各部品の仕様（カム軸製造部とこれに結合するカム
ピース及び歯車の内径部スプライン硬度等）を限定する
ことにより通常入手可能でじん性があり取扱容易なＳ４
５Ｃ材の使用を可能とすると共に、歯車及びカムピース
に焼結合金材料をも使用可能とし加工工数の減少を実現
でき生産性が高く製造コストも低く、しかも耐久性の大
きい部品圧入カムシャフトを提供するにある。 【００１２】 【課題を解決するための手段】本発明の部品圧入カムシ
ャフトは、カムピース及び歯車の取付け位置に圧入幅に
亙って多数の円周方向の台形溝を転造した鋼材製のカム
軸に、内筒面に軸方向のスプラインを設けた前記カムピ
ース及び歯車を圧入結合して製造されるカムシャフトに
おいて、転造部硬度（Ｈｓ）がＨＲＣ11〜20の鋼材製カ
ム軸と、これに圧入される前記カムピース及び歯車は焼
結合金材料とし、 前記圧入されるカムピース及び歯車を
高周波焼入若しくは浸炭焼き入れにより表面硬化を行
い、表面硬化させた内周面表面硬度（Ｈｋ）がカム軸の
材料の硬度よりＨＲＣ10〜40大きい範囲の〔Ｈｋ＝Ｈｓ
＋ＨＲＣ（10〜40）〕とし、前記カムピース及び歯車の
前記スプラインに施された面取り部側からのカム軸への
圧入結合により、前記カムピース及び歯車のスプライン
端がカム軸の転造膨出部を塑性変形及び剪断せしめてか
み合い歯を創製するように構成されたことを特徴とす
る。特に本発明は転造部硬度（Ｈｓ）がＨＲＣ11〜20の
鋼材製カム軸圧入されるカムピース及び歯車を焼結合金
材料とすることにより課題の加工工数減少がより一層図
られる。 【００１３】 【作用】上記のように、転造部硬度（Ｈｓ）がＨＲＣ11
〜20以下の鋼材製カム軸に、同カム軸の材料の硬度より
ＨＲＣ10〜40大きい範囲の〔Ｈｋ＝Ｈｓ＋ＨＲＣ（10〜
40）〕内周面硬度（Ｈｋ）を有するカムピース及び歯車
を、スプラインの面取り側よりカム軸に圧入すれば、カ
ムピース及び歯車のスプライン端がカム軸の転造膨出部
を塑性変形及び剪断しながらかみ合い歯を創製し圧入結
合される。各スプラインの歯の結合部全部に塑性変形に
伴う弾性歪みと応力が残り、これがシャフトとカムピー
ス及び歯車のスプライン部の結合を強固とし、シャフト
に対する繰り返しトルク荷重を分散して受け持つことが
できる。 【００１４】 【実施例】以下図１〜５を参照し本発明の一実施例につ
いて説明する。本発明は、産業用エンジンにおけるギヤ
駆動方式のカムシャフトに適用した第１実施例である。
図１〜図４は、カム軸の所定位置に、転造により元径よ
り膨出した多数の環状部を形成し、これにカム部品を圧
入しながら軸の周方向にかみ合い歯を創製する方法によ
り製造された、歯車付きカムシャフト１０の側面図（図
１）、正面図（図３）及びかみ合い歯創製部の詳細図
（図２、図４）を示す。鋼材カム軸１１の転造部硬度
（Ｈｓ）をＨＲＣ11〜20とし、これに圧入される前記カ
ムピース１２，１３及び歯車１４は、その内周面硬度
（Ｈｋ）がカム軸１１の材料の硬度よりＨＲＣ10〜40
（硬度バランスΔＨと称す。）大きい範囲の〔Ｈｋ＝Ｈ
ｓ＋ＨＲＣ（10〜40）〕材料とする。 【００１５】カム軸１１のカムピース１２，１３及び歯
車１４の固定箇所には、図１に示すように、これらの部
品の圧入固定に先立って、多数の溝が螺旋状または同心
円状に周方向に転造される。上記の硬度の鋼材であれ
ば、この転造加工は容易である。この転造加工により、
溝同士の間が盛り上がり、台形の突出部１１ａとなる。
この突出部１１ａの外径は当然カム軸１１の外径より大
きくなる。 【００１６】一方、カムピース１２，１３及び歯車１４
には、カム軸１１の外径Ｄ1 よりも大きく、突出部１１
ａの外径Ｄ2 より小さい内径を有する軸孔が明けられ、
この軸孔には、軸線方向のスプライン１２ａが形成され
ている。この軸孔のスプライン１２ａの溝底径Ｄ3 は、
カム軸の転造突出部１１ａの径Ｄ4 より大きく形成され
ている。（このカム軸１１の径Ｄ1 、カム軸の転造突出
部１１ａの径Ｄ2 、スプライン１２ａの溝底径Ｄ3 及び
内径Ｄ4 の関係は、従来例において説明した関係寸法、
Ｄ１≦Ｄ４＜Ｄ３＜Ｄ２と同様である。） 【００１７】カムピース１２，１３及び歯車１４のスプ
ライン部は、図２で示したように、片側に面取り部１２
ｂが形成されている。カムピース１２，１３及び歯車１
４を、スプラインの面取り１２ｂ側よりカム軸１１の転
造突出部１１ａに圧入すれば、カムピース及び歯車のス
プライン端の面取り部１２ｂが、カム軸の転造突出部１
１ａを塑性変形及び剪断しながら、かみ合い歯を創製し
（図２及び図４のように）、圧入結合される。上記で示
したカムピース１２，１３及び歯車１４の鋼材硬度であ
れば、カム軸１１材料との硬度差が十分であり、この圧
入かみ合い歯創製の工程において、スプライン１２ａが
変形したり、欠けたりする虞れは無い。 【００１８】そして上記の鋼材を使用し、指定された範
囲の硬度差に処理されてあれば、各スプラインの歯の結
合部全体に塑性変形に伴う弾性歪みと応力が残り、カム
シャフト１０に対してトルク荷重がかかっても、スプラ
イン１２ａの各かも合い歯がこの荷重を分散して受け持
ち、カム軸１１とカムピース１２，１３及び歯車１４の
スプライン部に空隙を生じることを防止し、カムシャフ
ト１０に対する繰り返しトルク荷重に対して、がたつき
のない結合を維持することができる。そしてこのカムシ
ャフト１０は、圧入を完了したままの状態で使用可能で
ある（ロー接着やスポット溶接は不要）。 【００１９】カムピース１２，１３及び歯車１４をカム
軸１１に固定する工程順は、カム軸１１の一端側から順
に、歯車１４の圧入位置の転造突出部１１ａの転造と、
歯車１４の圧入、カムピース１３の位置の転造、カムピ
ース１３の圧入、カムピース１２の位置の転造、カムピ
ース１２の圧入の順に作業を交互に繰り返し、図１に示
すようなカムシャフト１０が完成する。 【００２０】上記構成からなるカムシャフト１０では、
カム軸１１にカムピース１２，１３及び歯車１４を圧入
するだけで、カム軸１１の任意の角度位置に固定できる
ため、組み立て作業が極めて容易で手間がかからず、生
産性を高め、製造コストも低下し、高い位置精度が容易
に実現できる。さらに、上述のようにトルク荷重を分散
して受け持つので、従来の圧入型カムシャフトほどに円
周方向の締付応力が加わらないため、低コストで寸法精
度の高い焼結合金製のカムピースを使用することがで
き、この点からも低コスト化および高精度化が図られ
る。 【００２１】上述の如く、カムピース、ギヤ共に、焼結
成形部品の内径スプラインの硬度（Ｈｋ）とシャフト転
造部の硬度（Ｈｓ）との差（硬度パランスΔＨ）により
結合強度は左右され、この硬度バランスの最適値は、Ｈ
ｋ＝Ｈｓ＋ＨＲＣ（10〜40）であり、参考に以下本発明
において指定した材料硬度のテストピースによる圧入繰
り返し荷重試験の成績を述べる。 【００２２】テストピースの材質、熱処理、硬度、軸径
等、及び組合せ （１）カム軸：Ｓ４５Ｃ 標準熱処理 硬度：ＨＲＢ
90〜98（ＨＲＣ11〜20） 軸径：１５ｍｍ 歯車：ＪＩＳ ＳＭＦ５種高周波焼
入 硬度：ＨＲＣ39〜42 結合部幅：８ｍｍ 歯
車内径とカム軸転造部外形の差（圧入代）：０．３４〜
０．４２ （２）カム軸：Ｓ４５Ｃ 標準熱処理 硬度：ＨＲＢ
90〜98（ＨＲＣ11〜20） 軸径：１５ｍｍ カムピース：ＪＩＳ ＳＭＦ８種浸
炭 硬度：ＨＲＣ41〜46 結合部幅：８ｍｍ カ
ムピースとカム軸転造部外形の差（圧入代）：０．３４
〜０．４２ 【００２３】テストピース（１）の組合わせにおいて、
繰り返しトルク荷重１０ｋｇ−ｍを負荷し、繰り返し回
数１×１０7 の疲労試験を行った結果は、疲労試験を行
ったテストピースと疲労試験を行わなかった同じテスト
ピースとの比較において、歯車をカム軸から抜き取る抜
出荷重の差がなく、上記の圧入組合わせカムシャフトは
緩みを生じない堅固な結合をしているものと判定され
た。テストピース（２）の組合わせにおいては、圧入組
合わせの結合強度は（１）の場合と同等であるが、カム
形状には比較的薄肉の環状部があるので、焼結合金製の
部品としては、圧入のときにカムピースの環状部に働く
張力による破断が気になるところである。 【００２４】しかし上記のようにカムピースと歯車の材
料の硬度はＨＲＣ45付近に抑えてあるので、伸びに余裕
があり、エンジンの実機耐久テストの結果からも十分に
張力に耐える余裕のあることが検証できた。図５に疲労
試験の結果を示す。図より硬度バランスΔＨがΔＨ＝Ｈ
ＲＣ10〜40の範囲では限界繰り返し数１０7 の繰り返し
荷重テストでも損傷がないのがわかる。 【００２５】 【発明の効果】カム軸にカム部品を圧入しながら軸の周
方向にかみ合い歯を創製する従来工法と、上記に示した
材質の熱処理硬度の適用によりＪＩＳ ＳＭＦ５種ある
いは８種の焼結材料使用が可能となり、圧入の結合強度
は十分であり、カムピースとカム軸との空隙に金属ロウ
剤を充填したり、カムピースとカム軸とをスポット溶接
で結合を高めたり、カムピース内径部スプラインに僅か
なテーパーを設けたりする手法は必要なく、さらにカム
及びギヤを高精度の焼結成形体とすることにより、組立
後の機械加工を省けるため大幅にコストを低減できるカ
ムシャフトの製作が可能となる。 【００２６】又カム軸の材料として、通常入手可能でじ
ん性がよくしかも取扱容易な機械構造用炭素鋼ＪＩＳ
Ｇ ４０５１のＳ４５Ｃ材も使用可能でありさらにコス
トの低減をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のカムシャフトの側面断面図
【図２】図１のＡ部詳細図
【図３】図１のカムシャフトを右側から見た図
【図４】図３のＢ部詳細図
【図５】疲労試験の結果を示すグラフ。
【図６】従来のカムシャフトを示す断面図
【図７】図６のII−II断面図
【図８】従来のカムシャフトの製造工程を示す図２応当
図 【符号の説明】 １０…カムシャフト、１１…カム軸、１１ａ…転造突出
部、１２，１３…カムピース、１２ａ…スプライン、１
２ｂ…面取り部、１４…歯車。
図 【符号の説明】 １０…カムシャフト、１１…カム軸、１１ａ…転造突出
部、１２，１３…カムピース、１２ａ…スプライン、１
２ｂ…面取り部、１４…歯車。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 中村 彰吾
愛知県名古屋市中村区岩塚町字高道１番
地 三菱重工業株式会社名古屋機器製作
所内
(56)参考文献 特開 平６−264990（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−187520（ＪＰ，Ａ)
特開 昭51−34318（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−150544（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−308305（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
F01L 1/04
F16H 53/02
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 カムピース及び歯車の取付け位置に圧入
幅に亙って多数の円周方向の台形溝を転造した鋼材製の
カム軸に、内筒面に軸方向のスプラインを設けた前記カ
ムピース及び歯車を圧入結合して製造されるカムシャフ
トにおいて、転造部硬度（Ｈｓ）がＨＲＣ11〜20の鋼材製カム軸と、
これに圧入される前記カムピース及び歯車は焼結合金材
料とし、 前記圧入されるカムピース及び歯車を高周波焼入若しく
は浸炭焼き入れにより表面硬化を行い、表面硬化させた
内周面表面硬度（Ｈｋ）が カム軸の材料の硬度よりＨＲ
Ｃ10〜40大きい範囲の〔Ｈｋ＝Ｈｓ＋ＨＲＣ（10〜4
0）〕とし、前記カムピース及び歯車の前記スプライン
に施された面取り部側からのカム軸への圧入結合によ
り、前記カムピース及び歯車のスプライン端がカム軸の
転造膨出部を塑性変形及び剪断せしめてかみ合い歯を創
製するように構成されたことを特徴とする部品圧入カム
シャフト。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP27032494A JP3408644B2 (ja) | 1994-10-07 | 1994-10-07 | 部品圧入カムシャフト |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27032494A JP3408644B2 (ja) | 1994-10-07 | 1994-10-07 | 部品圧入カムシャフト |
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Family
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Family Applications (1)
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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| DE102004009074B3 (de) * | 2004-02-23 | 2005-07-07 | Thyssenkrupp Automotive Ag | Gebauter Mehrfachnocken |
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| KR100682999B1 (ko) * | 2005-07-08 | 2007-02-15 | 주식회사 에스 피 지 | 기어와 스핀들의 결합 구조 및 그 결합 방법 |
| DE102009057633B3 (de) * | 2009-12-09 | 2011-03-31 | Thyssenkrupp Presta Teccenter Ag | Verfahren zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle, Nockenwellengrundkörper und gebaute Nockenwelle |
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| DE102014106924A1 (de) | 2014-05-16 | 2015-11-19 | Thyssenkrupp Presta Teccenter Ag | Verfahren zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle |
| CN108442990B (zh) * | 2018-06-14 | 2024-02-13 | 成都金顶精密铸造有限公司 | 一种组合式凸轮轴 |
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- 1994-10-07 JP JP27032494A patent/JP3408644B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH08105307A (ja) | 1996-04-23 |
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