- 科目
- 機構学
- 章
- カムと間欠運動
- 図番
- 08 / 12
- 内容
- シミュレータ・例題3問
ずらした円板1枚で、回転が上下の動きになるカムと従動節
偏心した円板カムの揚程は偏心量の2倍で、偏心量 10 mm なら 20 mm。平らな面で受けると従動節は y = e(1 − cos θ) の単弦運動をし、4ストロークのエンジンではクランク2回転でカムが1回転する。

まず触ってみる
数字を動かして、何が起きるかを見てから読み進めてください。課題つきの盤は、本文の「動かしてみよう」にあります。
このページの内容
この単元のポイント
- 偏心した円板カムの揚程(持ち上がる高さ)は、偏心量の2倍。偏心量 10 mm なら、揚程は 20 mm。円板の大きさは関係ない。
- 平らな面で受けると、従動節は の、なめらかな往復(単弦運動)をする。
- 4ストロークのエンジンでは、クランク2回転でカム1回転。カムはクランクの半分の速さで回る。
エンジンのバルブは、何 mm 持ち上がる?
自動車のエンジンには、空気と燃料を吸い込む穴と、燃えたガスを吐き出す穴があります。穴にはふた(バルブ)が付いていて、ちょうどよいときだけ開きます。
バルブを開けるのがカムです。カムは、回る軸に付いた、形のくふうされた板です。カムが回ると、カムに乗った部品が押されて上下に動きます。この、押されて動く部品を従動節といいます。
本物のエンジンのカムは卵形です。この単元では、いちばん簡単なカムで考えます。丸い円板の、中心からずれた位置に穴をあけ、そこに軸を通したものです。これを偏心円板カムといい、円板の中心と軸のずれを偏心量 といいます。
円板の半径は 40 mm、偏心量は 10 mm です。円板の上に、平らな面の従動節を乗せます。カムを1回転させると、従動節は、いちばん下からいちばん上まで何 mm 持ち上がるでしょうか。
予想してから読む半径 40 mm の円板の、中心から 10 mm ずれた所に軸を通して回します。上に乗った平らな従動節は、何 mm 持ち上がる?
公式はこれ
| 記号 | 意味 | この単元のカムでは |
|---|---|---|
| 従動節の変位(いちばん下から測った高さ)[mm] | 0 〜 20 mm | |
| 偏心量(円板の中心と、軸のずれ)[mm] | 10 mm | |
| カムが回った角度。従動節がいちばん下の姿から測る [°] | 0 〜 360° | |
| 揚程(いちばん下からいちばん上までの高さ)[mm] | 20 mm |
答えは 20 mm です。円板の半径 40 mm は、式のどこにも出てきません。
揚程は偏心量の2倍
円板の中心は、長さ e のクランクの先と同じ
この科目で使ってきた道具を思い出します。長さの決まった棒は、相手のピンのまわりに円を描くことしかできません(コンパスと同じです)。
円板の中心 C と軸 O の距離は、いつも = 10 mm です。だから、カムが回ると、円板の中心 C は、軸 O のまわりに半径 10 mm の円を描きます。O と C を結ぶ線は、長さ 10 mm の見えないクランクです。
平らな面は、円のいちばん上に乗る
平らな面の従動節は、円板のいちばん高い点に乗っています。円のいちばん高い点は、いつも中心の真上、半径 だけ上です。だから、
半径 は、いつも同じだけ足されます。面の動きは、中心 C の上下の動きと、まったく同じです。
中心 C の高さを、角度で書く
従動節がいちばん下の姿(C が O の真下)から、カムが 回ったとします。半径 の円の上の点の高さは、O から測って です。いちばん下は なので、そこから測った高さが変位です。
= 180° で なので、いちばん上は です。中心 C が、軸の真下 から、真上 まで移る。だから、揚程は偏心量の2倍です。この、持ち上がる高さを揚程(リフト)といいます。
数で確かめる
使う式を先に置いて、この単元のカム( = 10 mm)の数を入れます。
90° 回ると半分の 10 mm、180° 回ると 20 mm です。そこから先は、同じ道を下りてきます。
円の影の動き(単弦運動)
は、円を一定の速さで回る点を、真横から見た影の動きと同じです。この動きを単弦運動(単振動)といいます。ピストンクランク機構 でも、連接棒がとても長いときの動きとして出てきました。機械力学の 1自由度の自由振動(ばねと質量) で、ばねにつるしたおもりが同じ動きをしました。
影の動きは、なめらかです。いちばん下といちばん上では、いったん止まります。速さがいちばん大きいのは、真ん中( = 90° と 270°)です。
カムを一定の回転数で回すと、1秒に回る角度(角速度) が決まります。速さと加速度は、円を回る点と同じです。
数で確かめる
カムを 30 min⁻¹(1分に30回転)で回します。1回転は rad なので、
回転数を2倍の 60 min⁻¹ にすると、揚程は 20 mm のままです。速さは2倍の 62.8 mm/s、加速度は 2² = 4倍の 0.395 m/s² になります。
公式を、2つのかたまりに分けて読む
- 見えないクランクの長さ 動きの大きさを決めます。円板の半径は入りません。
- なめらかな山 0 から始まって、180° で 2、360° で 0 に戻ります。どの偏心円板カムでも同じ形です。
接点は、横にずれる
平らな面と円板の接点は、いつも従動節の真ん中にあるわけではありません。接点は、円板の中心 C の真上です。だから、C が横にずれた分だけ、接点も横にずれます。
いちばん大きいのは = 90° と 270° のときで、左右に 10 mm ずつです。平らな面は、幅を 2 × 10 = 20 mm より広くしておかないと、カムが面の端から外れます。
この「横のずれ」は、変位 の傾き(1 rad あたり何 mm 上がるか)と同じ数になります。式の導き方の中で確かめます。
4ストロークのエンジンでは、クランク2回転でカム1回転
自動車のエンジンの多くは4ストロークです。ピストンが下がって空気と燃料を吸う、上がって押し縮める、燃えて押し下げられる、上がって燃えたガスを押し出す。この4つの行程(ストローク)で、ひと回りです。ピストンの上下はクランクの回転とつながっていて(ピストンクランク機構)、1回転でピストンは1往復、つまり2行程です。4行程では、クランクは2回転します。
吸い込むためのバルブは、4行程のうち「吸う」ときに1回だけ開きます。カムは1回転に1回、バルブを押します。だから、クランクが2回転する間に、カムは1回転すればよいのです。カムの軸(カムシャフト)は、ベルトや鎖でクランクとつながれ、クランクの半分の速さで回ります。
はカムの回転数、 はクランクの回転数です。
たとえば、エンジンのクランクが 3,000 min⁻¹ で回っているとき、カムは 1,500 min⁻¹ で回ります。
どの数字がいちばん効く?
それぞれの数字を1割(10%)だけ変えたとき、揚程・最高の速さ・最大の加速度がどう変わるかを並べます。
| 変えるもの | 揚程 | 最高の速さ | 最大の加速度 |
|---|---|---|---|
| 偏心量 を10%大きく | +10% | +10% | +10% |
| 回転数 を10%大きく | 0% | +10% | +21% |
| 円板の半径 を10%大きく | 0% | 0% | 0% |
加速度には、回転数が2乗で効きます(1.1² = 1.21)。同じカムでも、速く回すと、従動節を急に動かすことになります。
エンジンのバルブに戻る
エンジンの速さで、数を確かめてみます。数は仮に決めたものです。クランクが 3,000 min⁻¹ で回るとき、カムは 1,500 min⁻¹ です。偏心量 5 mm(揚程 10 mm)の偏心円板カムで押すとします。
重力加速度(9.81 m/s²)の約13倍です。1秒に25回、バルブはこれほど急に押されたり戻されたりしています。従動節がカムから浮かないよう、強いばね(バルブばね)が、従動節をカムへ押し付けています。
本物のカムが卵形なのは、バルブを「閉じたまま」の時間を長くとるためです。偏心円板カムは、いつも上がるか下がるかしていて、止まっている時間がありません。卵形のカムは、丸い部分(基礎円)に乗っている間、バルブを閉じたままにします。上がり方の形は、次の 変位線図(等速・単弦・サイクロイド) で、線図として選びます。
つまり、ものを作るときは
どれだけ持ち上げるか(揚程)は、偏心量で決めます。円板を大きくしても、揚程は増えません。円板の大きさは、軸を通す強さや、面を押す力を受ける広さで決めます。
速く回すほど、加速度は回転数の2乗で増えます。従動節を押し付けるばねは、いちばん速い回転数のときの加速度で決めます。
動かしてみよう
偏心量 を変えると、朱の線(見えないクランク)の長さが変わり、従動節の上下の幅が変わります。円板の中心が描く点線の円も、大きくなります。
円板の半径 を変えると、円板は大きくも小さくもなりますが、従動節の上下の幅は変わりません。
回転数 を変えると、波形の山の間隔が変わります。山の高さ(揚程)は変わりません。
「いまの図を残して比べる」を押してから数字を変えると、残した図の波形が薄く重なり、比べられます。
試してみよう0 / 3
- 偏心量 e を2倍の 20 mm にする。図の揚程の寸法と、答えの欄の揚程を見る。そのあと円板の半径 R も変えてみる(まだ)
- e を 10 mm に、R を 40 mm に戻し、回転数 N を2倍の 60 min⁻¹ にする。波形の形と、最高の速さ・最大の加速度を見る(まだ)
- N を 120 min⁻¹ にする(R 40・e 10 mm)。答えの欄の「クランクの回転数」を見る(まだ)
いまの式(数字を入れた形)
- 揚程(持ち上がる高さ)
- 従動節の最高の速さ
- 従動節の最大の加速度
- 4ストロークのエンジンなら、クランクの回転数
途中の計算(導出)を見る
揚程(いちばん下からいちばん上まで。円板の中心が e だけ下から、e だけ上へ移る)
カムの角速度(回転数を、1秒に回る角度に直す)
従動節の最高の速さ(θ = 90° と 270° のとき)
従動節の最大の加速度(θ = 0° と 180° のとき)
4ストロークのエンジンなら、クランクはカムの2倍の速さで回る
よくある勘違い
「大きな円板ほど、高く持ち上がる」
持ち上がる高さは、円板の大きさではなく、中心のずれで決まります。
| 言葉 | 意味 | この単元のカムでは |
|---|---|---|
| 円板の半径 | 円板そのものの大きさ。面の高さに、いつも同じだけ足される | 40 mm |
| 偏心量 | 円板の中心と軸のずれ。見えないクランクの長さ | 10 mm |
| 揚程 | いちばん下からいちばん上まで。偏心量の2倍 | 20 mm |
「揚程は偏心量と同じ」
揚程 = 10 mm ではありません。円板の中心は、軸の下 10 mm から、軸の上 10 mm まで動きます。上下を合わせて 20 mm です。クランク半径の2倍がピストンの行程になるのと、同じ理由です。
「カムは、エンジンのクランクと同じ速さで回る」
4ストロークのエンジンでは、カムはクランクの半分の速さです。バルブが開くのは、クランク2回転に1回だからです。
この公式が使える条件
- カムは一定の速さで回り、円板は真円。軸は円板の中心から ずれている
- 従動節は平らな面で、面はカムの軸の真上を、まっすぐ上下に動く(面は動く向きに直角)
- 従動節はいつもカムに接している(ばねで押し付けている)。速く回しすぎて浮くと、この式どおりには動かない
- 部品の伸び縮みや、すき間は考えない
式の導き方(くわしく知りたい人へ)
位置:軸 O を原点に、上向きを正にとります。従動節がいちばん下の姿で、円板の中心 C は O の真下 です。カムが反時計回りに 回ると、C は
円の上でいちばん高い点は、C の真上 の所です。平らな面はそこに接するので、面の高さは 。いちばん下()から測ると、 です。
速さと加速度: として、時間で微分します。
速さは (90°)で最大 、加速度は (0° と 180°)で最大 です。
接点の横のずれ:接点は C の真上なので、横の位置は です。これは と同じです。平らな面の従動節では、いつも「接点の横のずれ = 変位の角度による傾き」になります。
別の方法で確かめる:このサイトのテストでは、円板の輪郭の上に点を 7,200 個とり、カムといっしょに回して、いちばん高い点の高さを測りました。どの角度でも、 と一致します。
例題
例題1 からくりのおもちゃ
木のおもちゃで、ハンドルの軸に偏心量 15 mm の円板カムを付け、上に乗せた平らな板の人形を上下させます。ハンドルは 20 min⁻¹ で回します。
(1) 人形は何 mm 持ち上がりますか。(2) いちばん下の姿から、カムが 60° 回ったとき、人形は何 mm 上がっていますか。(3) 人形の最高の速さはいくらですか。
ヒント 1 / 2
揚程は 、途中の高さは です。
ヒント 2 / 2
速さは 。まず を出します。
答えと解き方を見る
揚程(いちばん下からいちばん上まで。円板の中心が e だけ下から、e だけ上へ移る)
カムの角速度(回転数を、1秒に回る角度に直す)
従動節の最高の速さ(θ = 90° と 270° のとき)
従動節の最大の加速度(θ = 0° と 180° のとき)
4ストロークのエンジンなら、クランクはカムの2倍の速さで回る
(2) cos 60° = 0.5 なので、60° 回ると、揚程 30 mm の4分の1の 7.5 mm です。
(3) 角速度は 2π × 20 ÷ 60 = 2.09 rad/s で、15 × 2.09 ≒ 31.4 mm/s です。
例題2 揚程 12 mm のカムを作る
平らな面の従動節を、12 mm 持ち上げる偏心円板カムを作ります。円板の半径は 25 mm です。
(1) 偏心量はいくらにしますか。(2) 平らな面の高さ(軸の中心から測る)は、いちばん低いときと高いときで、それぞれ何 mm ですか。(3) 接点が平らな面から外れないために、面の幅は少なくとも何 mm 要りますか。
ヒント 1 / 2
揚程 を、 について解きます。
ヒント 2 / 2
面の高さは です。 と を入れます。
答えと解き方を見る
揚程(いちばん下からいちばん上まで。円板の中心が e だけ下から、e だけ上へ移る)
(2) 面は円板のいちばん上に乗るので、高さは「中心の高さ + 半径 25 mm」。中心は軸の下 6 mm から上 6 mm まで動きます。差は 12 mm で、揚程と同じです。
(3) 接点は、円板の中心の真上にあり、左右に e = 6 mm ずつずれます。
例題3 エンジンを速く回すと
4ストロークのエンジンで、偏心量 4 mm の偏心円板カムがバルブを押しているとします(数は仮に決めたもの)。
(1) クランクが 2,400 min⁻¹ で回るとき、カムの回転数はいくらですか。(2) そのときの従動節の最大の加速度はいくらですか。(3) クランクを 3,600 min⁻¹ にすると、最大の加速度は何倍になりますか。
ヒント 1 / 2
カムの回転数は、クランクの半分です。加速度は 。
ヒント 2 / 2
カムの角速度は rad/s です。
答えと解き方を見る
揚程(いちばん下からいちばん上まで。円板の中心が e だけ下から、e だけ上へ移る)
カムの角速度(回転数を、1秒に回る角度に直す)
従動節の最高の速さ(θ = 90° と 270° のとき)
従動節の最大の加速度(θ = 0° と 180° のとき)
4ストロークのエンジンなら、クランクはカムの2倍の速さで回る
(1) クランク2回転でカム1回転なので、カムはクランクの半分の速さです。
(2) ω = 2π × 1200 ÷ 60 = 126 rad/s。0.004 × 126² ≒ 63.2 m/s² で、重力加速度の約6倍です。
(3) 加速度は回転数の2乗で効くので、1.5倍速く回すと 2.25倍です。