JP3146696B2 - エンジンの動弁機構用カムフォロア装置の外輪 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明に係るエンジンの動弁機
構用カムフォロア装置の外輪は、例えば自動車用エンジ
ンの動弁機構中に組み込んだ状態で使用する。

【０００２】

【従来の技術】自動車用エンジンには各種の構造のもの
があるが、往復ピストン型エンジンの場合は、一部の２
サイクルエンジンを除き、総てクランクシャフトの回転
と同期して開閉する吸気弁及び排気弁を設けている。

【０００３】これら吸気弁及び排気弁を駆動する為の動
弁機構としては各種の構造のものが存在するが、例えば
図３に示したＳＯＨＣ型のものに就いて説明すると、ク
ランクシャフト１４の１／２の速度で回転する（４サイ
クルエンジンの場合）１本のカムシャフト１５により、
ロッカーアーム１６、１６を介して吸気弁１７及び排気
弁１８を往復駆動する様にしている。クランクシャフト
１４と同期して回転するカムシャフト１５に固設したカ
ム１９、１９は、ロッカーアーム１６、１６の端部と摺
接しつつ吸気弁１７及び排気弁１８を往復駆動する。

【０００４】ところで、近年、エンジン運転時に於ける
カム１９、１９の周面とロッカーアーム１６、１６等の
相手側部材の対向部分との摩擦力を低減し、エンジン運
転時に於ける燃料消費率の低減を図る為、上記対向部分
に、カム１９、１９の回転に伴なって回転するカムフォ
ロア装置を設ける事が行なわれる様になった。

【０００５】即ち、図４〜図６に示す様に、カム１９と
対向するロッカーアーム１６の端部に互いに間隔をあけ
て設けた１対の支持壁部２０、２０に、軸２１の両端部
を支持固定し、この軸２１の周囲に、ころ２２、２２を
介するか又は軸２１に直接接触する短円筒状の外輪２３
を設け、この外輪２３の外径面とカム１９の外径面とを
互いに当接させて、カム１９の回転に伴ない外輪２３
が、軸２１を中心として回転する様にしている。

【０００６】この様な外輪２３を設け、カム１９とこれ
に対向する部材との間の摩擦を、滑り摩擦から転がり摩
擦に変える事で、燃料消費率が減少する。

【０００７】ところで、上述の様なカムフォロア装置を
エンジンの動弁機構中に組み込んだ場合、そのままで
は、外輪２３の外径面によりカム１９の外径面に加えら
れる変動荷重に起因して、上記カム１９の外径面にピッ
チング等の損傷が生じ易い。

【０００８】この為、雑誌『自動車工学』１９８９年７
月号の特集記事「ローラロッカーアームとフリクション
低減効果」の第３９頁にも記載されている様に、カム１
９を含むカムシャフト１５を、耐ピッチング性に優れ
た、焼き入れ鋳鉄、チル鋳鉄、焼き入れ鋼、或は焼結合
金の様な、高強度・高硬度の金属材料により造る事が行
なわれている。

【０００９】一方、特公平１−３０００８号公報には、
転動面の表面にＲ_max が０．３〜１．５μｍでランダム
方向の擦傷を形成すると共に、表層部に５０kgf/mm² 以
上の残留応力層を形成した軸受転動体に関する発明が記
載されている。

【００１０】又、特開平３−１１７７２３〜５号公報に
は、バレル加工により表面に多数の凹みをランダムに形
成し、表層部の硬度を内部の硬度に比べて高くすると共
に、表層部に圧縮残留応力を生じさせる発明が記載され
ている。

【００１１】又、特開平３−１９９７１６号公報には、
相手部材と接触する表面に表面硬化処理層を設けると共
に、圧縮残留応力のピーク値の深さと、剪断応力分布の
ピーク値の深さとを一致させた軸受が記載されている。

【００１２】又、特開平４−５４３１２号公報には、シ
ョット・ピーニング加工により、圧縮残留応力を表面部
分で１００kgf/mm² 以上とし、表面下３００μｍの部分
で４０kgf/mm² 以上とした軸受部品に関する発明が記載
されている。

【００１３】更に、特公平２−１７６０７号公報には、
金属成品の表面に、成品硬度と同等以上の硬度を有す
る、４０〜２００μｍのショットを、噴射速度１００m/
sec 以上で噴射し、表面付近の温度をＡ₃ 変態点以上に
上昇させる、表面加工処理法に関する発明が記載されて
いる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記雑誌
『自動車工学』に記載されている様に、単にカム１９を
含むカムシャフト１５を、焼き入れ鋳鉄の様な、高強度
・高硬度の金属材料により造った場合、今度は上記カム
１９の外径面と接触する外輪２３の外径面にピーリング
が発生し易い。

【００１５】即ち、焼き入れ鋳鉄等の固い金属材料によ
り造られたカム１９の外径面の仕上加工は、通常の鋳鉄
の仕上加工に比べて難しく、工業的な表面加工方法によ
った場合は、上記カム１９の外径面には図８に示す様
に、多数の微小突起が形成され、上記外径面の表面粗さ
が０．４μｍRa〜０．８μｍRa程度と、比較的粗くなっ
てしまう。一方、外輪２３は、カム１９よりも更に硬い
軸受鋼により造られているが、形状がカム１９を設けた
カムシャフト１５に比べて単純である為、表面の超仕上
加工が容易であり、従って外輪２３の外径面は、図７〜
８に示す様に、表面粗さが０．０５μｍRa前後と、滑ら
かに仕上げられる。この為、外輪２３の外径面に保持さ
れる潤滑油２４の量は限られたものになる。

【００１６】この様に、潤滑油２４の量が限られると、
カムフォロア装置を構成し、エンジンの運転時にカムの
外径面と滑りながら転がり接触する外輪の場合、ピーリ
ングの発生により寿命が短くなる場合がある。即ち、Ｓ
ＯＨＣ型、ＤＯＨＣ型エンジンの様に、動弁機構がエン
ジン上部に存在する場合、この動弁機構への潤滑油の供
給が必ずしも十分に行なわれず、運転時に於ける潤滑条
件が厳しくなる。この様な条件の下で、上記外輪２３の
外径面とカム１９の外径面とが、滑りながら転がり接触
した場合、外輪２３の外径面に、深さが２〜１０μｍの
ピーリングが発生し、外輪２３の外径面の寿命が短くな
ってしまう。

【００１７】この場合に、特開平４−５４３１２号公報
に記載された軸受部品に関する発明を、外輪２３に適用
しても、潤滑条件が厳しいと、摩擦条件を問わず、耐ピ
ーリング性が不十分となる。又、特開平３−１９９７１
６号公報に記載されたものは、摩擦条件が転がり摩擦だ
けの場合には特に問題がないが、滑り摩擦が生じた場合
には耐ピーリング性が不良となる。又、特公平１−３０
００８号公報、特開平３−１１７７２３〜５号公報に記
載されたものも、潤滑条件が厳しく、接触部の荷重が大
きい等、使用条件が厳しくなると、やはり耐ピーリング
性が不十分となる。又、特公平２−１７６０７号公報に
記載されたものも、そのままではやはり十分な耐ピーリ
ング性を得る事は出来ない。

【００１８】更に、前記各公報の他に、特開昭５２−１
７５２５号公報、同５６−１５０６２２号公報、特公昭
６３−４４５０５号公報には、微小粒径のショットを高
速で被加工面に噴射する加工法、若しくは加工物に関す
る発明が記載されている。但し、これら各公報の何れに
も、十分な耐ピーリング性を有する外輪を得られる技術
は記載されていない。

【００１９】この様な事情に鑑みて本発明者は先に、表
面からの深さが０〜５０μｍの範囲を表層部とした場合
に、この表層部の最大圧縮残留応力が５０〜１１０kgf/
mm²、硬度がHv８３０〜Hv９６０であり、表面粗さの平
均波長が２５μｍ以下であり、表層部の在留オーステナ
イトの割合が７容量％を越える、転がり摺動部品に関す
る発明（特願平４−１１３１９６号）を行なった。

【００２０】この先発明に係る転がり摺動部品を上記カ
ムフォロア装置を構成する外輪として使用すれば、深さ
が２〜１０μｍのピーリングが発生するのを防止して、
外輪の外径面の寿命を増大させる事が出来る一方、新た
に次に述べる様な、解決すべき問題が発生する。

【００２１】即ち、外径面がカム１９と接触し、内径面
が軸２１又はころ２２と接触する外輪の表面全体を、上
記先発明の様な性状とした場合、カム１９の外径面並び
に外輪の外径面部分でのピーリング発生防止を図れる
が、バレル加工又は超仕上加工により表面を平滑にされ
た、上記ころ２２の転動面部分で、ピーリングが発生し
易くなったり、超仕上加工によりやはり表面を平滑にさ
れた軸２１の外径面が摩耗し易くなる。

【００２２】本発明のエンジンの動弁機構用カムフォロ
ア装置の外輪は、上述の様な事情に鑑みて発明されたも
のである。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明のエンジンの動弁
機構用カムフォロア装置の外輪は、エンジンのクランク
シャフトと同期して回転するカムシャフトに固定された
金属製のカムと、このカムに対向して設けられ、このカ
ムの動きを受ける部材に間隔をあけて形成した１対の支
持壁部と、この１対の支持壁部の間に掛け渡す状態で固
定された軸と、この軸の周囲に回転自在に支承された外
輪とから成るエンジンの動弁機構用カムフォロア装置を
構成する。

【００２４】特に、本発明によるエンジンの動弁機構用
カムフォロア装置の外輪は、外径面からの深さが０〜５
０μｍの範囲を表層部とした場合に、この表層部の最大
圧縮残留応力が５０〜１１０kgf/mm² であり、同じく表
層部の硬度がHv８３０〜Hv９６０であり、表面粗さの平
均波長が２５μｍ以下であり、上記表層部の残留オース
テナイトの割合が７容量％を越え、且つ、内径面は超仕
上加工を施されている事を特徴としている。

【００２５】

【作用】本発明による外輪の場合、その外径面に、深さ
が２〜１０μｍ程度のピーリングが発生する事を有効に
防止して、耐久性を向上させる事が出来る。

【００２６】更に詳しく説明すると、厳しい潤滑条件の
下で使用した場合、外輪の外径面は、その表面に形成さ
れた微小突起の先端部のみで、油膜を介する事なく、相
手部品の表面と直接接触（金属接触）する。この際に、
外輪の外径面に加わる荷重の殆どは、相手部品の表面と
接触した、少数の微小突起により支える事になり、各微
小突起には大きな応力が集中すると共に接線力が加わ
る。

【００２７】そして、この応力集中と接線力とに基づい
て、上記外輪の外径面に微小なクラックが発生し、この
クラックが進展してピーリングとなる。単に摩耗を防止
する為には、部品表面の硬度を高くすれば良いが、徒に
硬度を高くすると、応力集中に基づいて、ピーリングに
結び付くクラックが発生し易くなる。

【００２８】本発明の場合、表層部の硬度をHv８３０〜
Hv９６０の範囲に規制したので、摩耗を抑えつつ、ピー
リングに結び付くクラックの発生を防止出来る。上記硬
度がHv８３０未満の場合、クラックが発生しない代わり
に摩耗が著しくなり、反対に硬度がHv９６０を越えた場
合には、摩耗が抑えられる代わりにクラックが発生し易
くなって、何れにしても寿命の低下を来す。

【００２９】又、最大圧縮残留応力を大きくする事は、
発生したクラックがそれ以上進展するのを防止し、クラ
ックがピーリングに結び付かない様にする為に重要であ
る。但し、外輪の表面に、最大圧縮残留応力が１１０kg
f/mm² を越える様な加工を施した場合には、この表面の
硬度がHv９６０を越えてしまう為、最大圧縮残留応力の
最大値を１１０kgf/mm² とした。反対に、最大圧縮残留
応力が５０kgf/mm² 未満の場合は、クラックの進展を防
止する効果が小さ過ぎる為、最大圧縮残留応力の最小値
を５０kgf/mm² とした。

【００３０】又、表面粗さは、外輪表面と相手部品表面
との間の油膜形成能力に影響し、粗さのピッチ（波長）
が細かい程この油膜形成能力が良く、特にこの波長が２
５μｍ以下の場合に油膜形成能力が著しく向上する事
が、本発明者が行なった実験により確認された。そこ
で、粗さの平均波長を２５μｍ以下に規制した。尚、本
明細書に於ける、表面粗さの平均波長λ_a とは、λ_a ＝
２π・Ｒ_a ／θ_a で表わされる。但し、Ｒ_a は表面の平
均粗さ、θ_a は表面に存在する微小突起の傾斜角度の絶
対値の平均である。

【００３１】この様に表面粗さの平均波長λ_a を短くす
る結果、表面に存在する多数の微小突起の間に潤滑油を
保持する能力が向上し、上記外輪表面と相手部品表面と
の間の油膜形成能力が向上して、ピーリングに結び付く
様なクラックが発生しにくくなる。

【００３２】更に、延性を有するオーステナイトが多く
残留していた場合には、クラックの発生防止効果を期待
出来るが、残留率が７容量％以下の場合には、クラック
発生防止の効果をあまり期待出来ない。又、上記最大圧
縮残留応力及び硬度の値を、それぞれ前記した範囲に納
める為にも、オーステナイトの残留率を７容量％を越え
る値とする事が必要である。

【００３３】即ち、表層部の最大圧縮残留応力と硬度と
が、それぞれ上限値、即ち１１０kgf/mm² 、Hv９６０を
越えない様にする為の十分条件として、加工に伴なうオ
ーステナイトの分解率（加工に伴なってオーステナイト
が減少する割合）を３０％以下に抑える事がある。一
方、表面加工前に於いて、SUJ2等の軸受鋼中に含まれる
オーステナイトの割合は、１１容量％程度である。従っ
て、最大圧縮残留応力と硬度とが上限値を越えない様に
する為には、加工後に於けるオーステナイトの割合が７
容量％を越える事が必要である。尚、ショット・ピーニ
ングによる加工が弱過ぎた場合、最大圧縮残留応力と硬
度とが、それぞれ下限値、即ち、５０kgf/mm² 、Hv８３
０に達しない。

【００３４】一方、超仕上加工を施された外輪の内径面
と、やはりバレル加工又は超仕上加工を施されたころ又
は軸の外径面との間の油膜パラメータΛ（＝ｈ／σ、但
しｈ：ＥＨＬ油膜厚さ、σ：合成粗さ）は十分に大きく
なる。この結果、外輪の内径面と、ころ又は軸の外径面
との間の潤滑を十分に行なって、上記ころの転動面にピ
ーリングが発生したり、或は軸の外径面が摩耗するのを
防止出来る。この結果、外輪を組み込んだカムフォロア
装置全体の耐久性向上を図れる。

【００３５】

【実施例】次に、本発明の外輪を造る為に、外径面を所
定の性状に加工する方法の１例と、本発明の効果を確認
する為に本発明者が行なった実験とに就いて説明する。

【００３６】実験を行なうに関して、下表に示す様に、
４種類の本発明品と８種類の比較品との、合計１２種類
の試験片を用意した。試験片の素材は何れも軸受鋼（SU
J2）であり、表面に所望の処理を施すのに先立って、通
常行なうのと同様の焼き入れ処理（８００〜８５０℃で
加熱後、油冷）、焼き戻し処理（１５０〜２００℃）を
施した。試験片の大きさは、外径が２０mm、内径が１３
mm、厚さ（幅）が８mmの短円筒状とした。

【００３７】

【表１】

【００３８】比較品の内で試験片１のものは、表面を研
磨用のクロスで研磨する事で磨いたのみので、表面を硬
化させる為のショット・ピーニング加工を施していな
い。又、比較品と本発明品とに属する、試験片２〜１２
の１１種類の試験片に就いては何れも、特開平４−５４
３１２号公報に記載されている発明の場合と同様に、図
１に示す様な装置を用いてショット・ピーニング加工を
施す事で、表面を硬化させ、表層部に大きな圧縮残留応
力を発生させた。

【００３９】図１に示したショット・ピーニング装置の
構造と作用とに就いて簡単に説明すると、ホッパ１から
加圧タンク２内に投入された微細なショット粒３は、給
気管４からこの加圧タンク２内に送り込まれる圧縮空気
に押されてミキサ５内に押し込まれる。そして、分岐管
６を通じてこのミキサ５に送られる圧縮空気に押されて
ノズル７に送られ、このノズル７から被加工面に向けて
勢い良く吹き付けられる。この結果、被加工面が硬化
し、この被加工面に圧縮残留応力が生じると共に、この
被加工面に微小な凹凸が形成される。

【００４０】尚、ショット粒３としては、試験片２〜１
２の何れに就いても、平均粒径が０．０３〜０．７mm、
平均硬度がH_RC ６１の鋼球を使用した。又、ショット粒
３の投射速度（ノズル７から噴出するショット粒３の初
速度）は、３２〜１２０m/sec （平均投射速度＝８０m/
sec ）とした。この投射速度の調整は、上記分岐管６の
途中に設けた調整弁８の開度を調整する事で行ない、こ
の投射速度の調整に基づき、各試験片２〜１２の表面に
生じる圧縮残留応力の調整を行なった。

【００４１】又、試験片１及び試験片９〜１２の内径面
には、上記ショット・ピーニング加工後、超仕上加工を
施している。試験片２〜８の内径面には、ショット・ピ
ーニング加工を施したのみである。尚、ショット・ピー
ニング加工は、一度に８個ずつ行ない、表層部の硬度、
表層部の残留応力、表層部の残留オーステナイト量、粗
さの平均波長の総てに就いて、ほぼ同じ試験片を８個ず
つ作成した。

【００４２】この様にして得られた１２種類８個ずつ、
合計９６個の試験片１〜１２の総てに就いて、図２に示
す様な試験装置による耐久試験を行なった。

【００４３】モータにより回転駆動される回転軸９の外
径面２個所位置には、互いに間隔をあけて２個の相手リ
ング１０、１０を固定している。この相手リング１０、
１０の間隔に合わせて押圧片１１の片面に設けた、１対
の支持片１２、１２には、それぞれ１個ずつの試験片１
３、１３を、それぞれ複数本のころにより回転自在に支
承し、各試験片１３、１３の外径面と上記相手リング１
０、１０の外径面とを接触させている。この結果、上記
回転軸９の回転に伴なって、上記ころを転動させつつ、
各試験片１３、１３が回転する。従って、図２に示した
試験装置では、同時に２個の試験片１３、１３の耐久試
験を行なう。

【００４４】上記回転軸９の回転速度は、各試験片１
３、１３の回転速度が５１００r.p.mとなる様に調整し
た。又、上記押圧片１１は回転軸９に向けて、３５６kg
f の力で押圧した。従って、各試験片１３、１３の外径
面と各相手リング１０、１０の外径面との接触部には、
それぞれ１７８kgf のラジアル荷重が加わる。又、各相
手リング１０、１０の外径面の性状は、試験開始前に於
いて、表面硬度がH_RC ６０〜６１、表面の平均粗さR_aが
０．３８〜０．４５であった。更に、上記接触部の潤滑
は、１０Ｗ−３０の鉱物油をはねかける事で行なった。

【００４５】試験は４００時間打ち切りで行ない、途中
で複数回（試験開始後２０時間、５０時間、１００時
間、以下５０時間毎）中断して各試験片１３、１３の外
径面並びにころの外径面（転動面）を観察し、ピーリン
グ発生の有無を検査した。ピーリングの発生が観察され
た場合には、その時点で当該試験片１３、１３に関する
耐久試験を終了した。

【００４６】この結果、８個の試験片総てに就いて４０
０時間経過する迄、外輪の外径面にピーリングが発生し
なかったものを◎とし、１〜３個にピーリングが発生し
たものを○とし、４〜７個にピーリングが発生したもの
を△とし、８個全部にピーリングが発生したものを×と
して、それぞれ前記表の外径部評価の欄に記載した。こ
ろは、一本でもピーリングが発生したら、ころピーリン
グ発生軸受として×とし、４００時間経過する迄、１本
もピーリングが発生しなかったものを◎として、それぞ
れころ転動面評価の欄に記載した。

【００４７】上記耐久試験の結果を表わす前記表の記載
から明らかな通り、本発明の外輪の外径面は、潤滑条件
が厳しい場合にも、十分な耐ピーリング性を得られる。
又、本発明の外輪の内径面と接触する、ころの転動面の
耐ピーリング性、或は軸の外径面の耐摩耗性も十分に確
保出来る。尚、前記表で各数値の後ろに記載した符号の
内、○は当該数値が本発明の限定範囲に含まれている事
を、×（評価の欄を除く）は当該数値が本発明の限定範
囲から外れている事を、それぞれ表わしている。又、表
層部の最大残留応力の内、＋は引っ張り残留応力である
事を、−は圧縮残留応力である事を、それぞれ表わして
いる。

【００４８】

【発明の効果】本発明のエンジンの動弁機構用カムフォ
ロア装置の外輪は、以上に述べた通り構成されるが、外
輪の外径面が強化されると共に油膜形成能力の優れた粗
さ形状を形成する為、外輪の外径面にピーリングが発生
する事を防止して、この外輪の耐久性を向上させる事が
出来る。又、内径面は超仕上加工の為、粗さが小さく、
やはりバレル加工又は超仕上加工により平滑にされたこ
ろの転動面、又は軸の外径面との間の油膜パラメータが
大きくなる為、これらころ又は軸の寿命延長が期待出来
る。従って外輪を組み込んだカムフォロア装置全体とし
ての耐久性向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ショット・ピーニング装置の略縦断面図。

【図２】耐久試験装置の半部縦断面図。

【図３】エンジンの動弁機構の１例を示す斜視図。

【図４】図３に示した動弁機構に組込んだカムフォロア
装置の側面図。

【図５】図４のＡ−Ａ断面図（転がり軸受の場合）。

【図６】図４のＡ−Ａ断面図（すべり軸受の場合）。

【図７】従来の外輪の外径面に形成された加工痕を示す
模式図。

【図８】図７の部分拡大断面図。

【符号の説明】

１ ホッパ ２ 加圧タンク ３ ショット粒 ４ 給気管 ５ ミキサ ６ 分岐管 ７ ノズル ８ 調整弁 ９ 回転軸 １０ 相手リング １１ 押圧片 １２ 支持片 １３ 試験片 １４ クランクシャフト １５ カムシャフト １６ ロッカーアーム １７ 吸気弁 １８ 排気弁 １９ カム ２０ 支持壁部 ２１ 軸 ２２ ころ ２３ 外輪 ２４ 潤滑油

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16C 33/34 F01L 1/18

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジンのクランクシャフトと同期して
   回転するカムシャフトに固定された金属製のカムと、こ
   のカムに対向して設けられ、このカムの動きを受ける部
   材に間隔をあけて形成した１対の支持壁部と、この１対
   の支持壁部の間に掛け渡す状態で固定された軸と、この
   軸の周囲に回転自在に支承された外輪とから成るエンジ
   ンの動弁機構用カムフォロア装置を構成する上記外輪で
   あって、外径面の表面からの深さが０〜５０μｍの範囲
   を表層部とした場合に、この表層部の最大圧縮残留応力
   が５０〜１１０kgf/mm² であり、同じく表層部の硬度
   が、Hv８３０〜Hv９６０であり、表面粗さの平均波長が
   ２５μｍ以下であり、上記表層部の残留オーステナイト
   の割合が７容量％を越え、且つ、内径面は超仕上加工を
   施されている事を特徴とするエンジンの動弁機構用カム
   フォロア装置の外輪。