JP4755067B2 - バルブリフタ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の直打式の動弁機構に用いられるバルブリフタに関するものである。

一般的なバルブリフタは、端壁と周壁とからなる倒立カップ状に形成され、端壁の上にシム（アウターシム）が装着されないものと、装着されるものとがある。従って、カムが摺接する「頂面」は、端壁の上面である場合と、シムの上面である場合とがある。頂面は、カムとの間の摩擦損失（摩擦ロス）を減らすために表面粗さを向上させる必要があり、また、耐久性を上げるために耐摩耗性を向上させる必要がある。そこで従来は、頂面を１０点平均表面粗さＲｚが０．８〜３．２μｍ（例えば１．６μｍ）となるよう研磨した後、耐摩耗性向上のためにリン酸塩皮膜処理していた。

同処理を改良したものとして、本出願人は先に、シムの表面にリン酸塩皮膜を形成し、該リン酸塩皮膜の表面に二硫化モリブデン潤滑層を形成し、該シムをバレル仕上げして、二硫化モリブデン潤滑層１２の厚さを均一にするとともに、その表面粗さを改善した後、シムを加熱処理して二硫化モリブデン潤滑層を硬化させることを開示している（特許文献１）。また、シムをバレル研磨してその表面粗さを１０点平均粗さＲｚで加工前の１．６前後から０．４前後にまで向上させた後、シムにリン酸塩皮膜を形成することも開示している（特許文献２）。

ところが、従来のリン酸塩皮膜処理では、内燃機関を長期間運転しなかった後に急に高速回転させたり、高速回転を長時間続けたりするなどの過酷な使用状況によっては、頂面にスカッフィング（固相凝着による表面損傷）が発生して、耐久性が失われることがあり、スカッフィング対策を検討する必要が生じていた。

なお、近年は、さらなる摩擦低減の目的で、頂面の下地粗さを向上させた後、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＤＬＣ（ダイヤモンド状炭素）等をコーティング処理したものが出されているが、コストが非常に高くなる。また、本出願人は、頂面を、精密ショットピーニングにより表面粗さ０．８μｍＲｚ未満で且つ粗さ性状が微小ディンプル状である平滑面に仕上げることを開示しているが（特許文献３）、生産性の点で上記のバレル研磨にはかなわない。
実開平３−１０４１０６号公報 特開平６−２４８９１５号公報 特開２００２−２６６９８３号公報

そこで、本発明の課題は、低コストで、頂面におけるスカッフィングの発生を防止し、バルブリフタの耐久性を向上させることにある。

本発明のバルブリフタは、カムが摺接する頂面が次の条件（ア）（イ）（ウ）及び（エ）を満たすものである。
（ア）バレル研磨により圧縮残留応力が付与されている。
（イ）前記バレル研磨により１０点平均粗さＲｚが０．８〜１．６μｍである。
（ウ）前記バレル研磨により振幅分布曲線でカットレベルのピークが１０〜２０％の間にある。
（エ）前記バレル研磨により最大高さ粗さＲｍａｘが１．８〜５μｍ（より好ましくは１．８〜３μｍ）である。

ここで、「頂面」は、端壁の上にシム（アウターシム）が装着されないものは端壁の上面であり、端壁の上にシムが装着されるものはシムの上面である。

端壁又はシムの材料としては、浸炭焼入れ鋼、窒化鋼、合金鋼等の鋼材が一般的であるが、それ以外にも、耐摩耗性に優れかつリン酸塩皮膜処理が可能な材料であれば採用可能である。

頂面の耐摩耗性をさらに向上させるためには、前記バレル研磨後の頂面にリン酸塩皮膜が形成されていることが好ましい。そのためのリン酸塩皮膜処理としては、マンガン系リン酸塩、亜鉛系リン酸塩、亜鉛カルシウム系リン酸塩、スズ系リン酸塩、鉛系リン酸塩等の皮膜処理を例示することができる。

頂面の周縁角部は、その打こん対策のために、半径０．１〜０．５ｍｍのＲ（曲率）となっていることが好ましい。そのためには、後述するメディアの研削性を上げればよい。

バレル研磨の態様について例示する。
１．バレル研磨の方式は、湿式バレルでも、乾式バレルでもよいが、生産性の点で湿式バレルの方が好ましい。
２．バレル研磨の種類は、回転式バレル、振動式バレル、遠心式バレル、ジャイロ式バレル等を例示できるが、生産性の点で回転式バレル、遠心式バレルが好ましい。
３．バレル研磨に使用するメディア（研磨材（研磨石））としては、特に限定されないが、アルミナボール等のセラミックボール等を好ましく例示できる。
４．バレル研磨に使用するコンパウンド（研磨助剤）としては、特に限定されないが、アルミナ粉末、炭化珪素粉末等のセラミック粉末等を好ましく例示できる。
５．バレル研磨の条件としては、特に限定されないが、例えば回転式バレル研磨の場合には、コンパウンドを混合したメディアにより５〜１５分間ほどバレル研磨した後、メディアのみにより５〜１５分間ほど仕上げバレル研磨することを好ましく例示できる。

（作用）
頂面部は、条件（ア）のように、バレル研磨により圧縮残留応力が付与されていることにより、耐摩耗性が向上する。
頂面部は、条件（イ）のように、バレル研磨により１０点平均粗さＲｚが０．８〜１．６μｍであることにより、摩擦が低減する。Ｒｚが０．８μｍ未満では油だまり効果が小さく、１．６μｍを超えると摩擦が増える。
頂面部は、条件（ウ）のように、バレル研磨により振幅分布曲線でカットレベルのピークが１０〜２０％の間にあることにより、図１（ｃ）に粗さ曲線の一部を拡大して概略的に示すように、最大山頂から極浅く下がったところで凹凸の低い大部分の山谷が終了し、谷底の深い一部の谷が相互に繋がらないで点在する状態が生じる。前者の凹凸の低い大部分の山谷により摩擦が低減する。また、後者の谷底の深い一部の谷は、条件（エ）のように、バレル研磨により最大高さ粗さＲｍａｘが１．８〜５μｍであることにより、潤滑油を溜める油だまり５として作用し、潤滑を良くして頂面のスカッフィング（固相凝着による表面損傷）の発生を防止する。このため、内燃機関を長期間運転しなかった後に急に高速回転させるなどの過酷な使用状況においても、頂面のスカッフィングが起こりにくい。カットレベルのピークが１０％未満では油だまり効果が小さく、２０％を超えると摩擦が増え、油だまりも相対的に浅くなる。

本発明によれば、低コストで、頂面におけるスカッフィングの発生を防止し、バルブリフタの耐久性を向上させることができる。

カムが摺接する頂面が次の条件（ア）（イ）（ウ）及び（エ）を満たすバルブリフタである。
（ア）バレル研磨により圧縮残留応力が付与されている。
（イ）前記バレル研磨により１０点平均粗さＲｚが０．８〜１．６μｍである。
（ウ）前記バレル研磨により振幅分布曲線でカットレベルのピークが１０〜２０％の間にある。
（エ）前記バレル研磨により最大高さ粗さＲｍａｘが１．８〜５μｍである。
また、前記バレル研磨後の頂面にリン酸塩皮膜が形成されている。
また、前記頂面の周縁角部が半径０．１〜０．５ｍｍの曲率となっている。

本発明を具体化した実施例のバルブリフタ１は、図１に示すように、鋼材（本例ではＪＩＳ ＳＣＭ４１５）により円板状の端壁２及び円筒状の側壁３からなる倒立カップ状に形成されている。

カム７が摺接する頂面４である端壁３の上面は、次の条件（ア）（イ）（ウ）及び（エ）を満たしている。
（ア）バレル研磨により圧縮残留応力が付与されている。
（イ）前記バレル研磨後の１０点平均粗さＲｚが０．８〜１．６μｍである。
（ウ）前記バレル研磨後の振幅分布曲線でカットレベルのピークが１０〜２０％の間にある。
（エ）前記バレル研磨により最大高さ粗さＲｍａｘが１．８〜５μｍである。

また、頂面４の周縁角部４ａは、その打こん対策のために、半径０．１〜０．５ｍｍのＲ（曲率）となっている。このＲ（曲率）は、次に述べるメディアにより研削されたことによるものである。

上記バレル研磨は次のように行った。まず、メディアとしてのアルミナボールを１００質量部に対し、コンパウンドとしてのアルミナ粉末を３質量部混合し、これらとともに上記バルブリフタを回転式バレル研磨機に入れ、回転数１４０ｒｐｍにて１０分間バレル研磨した。その後、仕上げバレルとしてアルミナボールのみを用いて、同様に１０分間バレル研磨した。

また、比較例として、上記バレル研磨に代えて、頂面に超仕上げ研磨を施したバルブリフタも作成した。超仕上げ研磨は、粒度１７０の砥石を用い、１．５分間研磨した。

上記バレル研磨が終了した実施例のバルブリフタと、上記超仕上げ研磨が終了した比較例のバルブリフタを、それぞれ脱脂・洗浄した。そして、図１（ｂ）に示すように、それぞれの頂面４の表面粗さを、頂面周縁から３ｍｍだけ内側の測定箇所ａと、頂面中心の測定箇所ｂの２箇所について、次の条件で測定した。
評価長さ ：４．０００ｍｍ
測定速度 ：０．３ｍｍ／秒
カットオフ値：０．８ｍｍ
フィルタ種別：ガウシアン
測定レンジ ：±４０．０ｍｍ
傾斜補正 ：直線
カットオフ比：１００

［実施例の頂面の測定個所ａにおける表面粗さの測定結果］
粗さ曲線 図２実施例（ａ）のとおり
算術平均粗さ Ｒａ ＝０．１６１μｍ
１０点平均粗さ Ｒｚ ＝１．０９５μｍ
最大高さ粗さ Ｒｍａｘ＝２．３１９μｍ
負荷曲線 図３（ａ１）のとおり
振幅分布曲線 図３（ａ２）のとおり
振幅分布曲線におけるカットレベルのピークは１２％である。

［実施例の頂面の測定個所ｂにおける表面粗さの測定結果］
粗さ曲線 図２実施例（ｂ）のとおり
算術平均粗さ Ｒａ ＝０．１５３μｍ
１０点平均粗さ Ｒｚ ＝０．９８１μｍ
最大高さ粗さ Ｒｍａｘ＝１．８７０μｍ
負荷曲線 図４（ｂ１）のとおり
振幅分布曲線 図４（ｂ２）のとおり
振幅分布曲線におけるカットレベルのピークは１３％である。

［比較例の頂面の測定個所ａにおける表面粗さの測定結果］
粗さ曲線 図２比較例（ａ）のとおり
算術平均粗さ Ｒａ ＝０．０４１μｍ
１０点平均粗さ Ｒｚ ＝０．２２５μｍ
最大高さ粗さ Ｒｍａｘ＝０．５７４μｍ
負荷曲線 図５（ａ１）のとおり
振幅分布曲線 図５（ａ２）のとおり
振幅分布曲線におけるカットレベルのピークは５３％である。

［比較例の頂面の測定個所ｂにおける表面粗さの測定結果］
粗さ曲線 図２比較例（ｂ）のとおり
算術平均粗さ Ｒａ ＝０．０２８μｍ
１０点平均粗さ Ｒｚ ＝０．１３７μｍ
最大高さ粗さ Ｒｍａｘ＝０．４０５μｍ
負荷曲線 図６（ｂ１）のとおり
振幅分布曲線 図６（ｂ２）のとおり
振幅分布曲線におけるカットレベルのピークは２６％である。

上記表面粗さ測定後の実施例のバルブリフタについて、耐久試験を行った。耐久試験は、実施例のバルブリフタを内燃機関の動弁機構の吸気側と排気側にそれぞれ組み込み、図１（ａ）に示すように頂面４にはカム７が摺接し、端壁２の下面中心部にはバルブステム８がバルブスプリング９の弾性力により当接するようにして、最初の５０時間はカム７を低速の７５０回転／分で回転させ、次の５０時間はカム７を高速の４０００回転／分で回転させて行い、２５時間経過する毎に止めて、頂面４の摩耗量を測定した。その結果を図７に示す。

また、上記表面粗さ測定後の比較例のバルブリフタにリン酸塩皮膜を形成したもの（具体的には、第一リン酸塩が水に可溶性であって、第二・第三リン酸塩が不溶性である第一リン酸マンガン溶液（例えば日本パーカライジング社の商品名リュブライト）に端壁を浸漬し、頂面に不溶性の第三リン酸マンガンを析出させてリン酸塩皮膜を形成した。）についても、同様に耐久試験を行い、その結果を図７に併記した。

図７に明らかなように、比較例のバルブリフタは、低速回転でも高速回転でも摩耗速度が速く、高速回転を続けた後の１００時間経過時の摩耗量の上限は８μｍを超えた。これに対し、実施例のバルブリフタの頂面は、低速回転でも高速回転でも摩耗速度が遅く、高速回転を続けた後の１００時間経過時の摩耗量の上限は約４μｍにとどまった。このように、実施例によれば、前記作用により、頂面の耐摩耗性が向上するとともに、スカッフィングも防止することができる。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、例えば以下のように、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することもできる。
（１）端壁の上にシム（アウターシム）が装着されるバルブリフタとし、カムが摺接する頂面であるシムの上面を前記条件（ア）（イ）（ウ）及び（エ）を満たすものとすること。
（２）前記バレル研磨後の頂面にリン酸塩皮膜を形成して、さらに耐摩耗性を向上させること。

本発明の実施例のバルブリフタを示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は頂面付近の拡大概略断面図である。 実施例及び比較例のバルブリフタの頂面の粗さ曲線である。 実施例の測定個所ａにおける（ａ１）は負荷曲線、（ａ２）は振幅分布曲線である。 実施例の測定個所ｂにおける（ｂ１）は負荷曲線、（ｂ２）は振幅分布曲線である。 比較例の測定個所ａにおける（ａ１）は負荷曲線、（ａ２）は振幅分布曲線である。 比較例の測定個所ｂにおける（ｂ１）は負荷曲線、（ｂ２）は振幅分布曲線である。 実施例及び比較例の耐久試験の結果を示すグラフである。

符号の説明

１ バルブリフタ
２ 端壁
３ 側壁
４ 頂面
５ 油だまり
７ カム
８ バルブステム
９ バルブスプリング

Claims (3)

1. カムが摺接する頂面が次の条件（ア）（イ）（ウ）及び（エ）を満たすバルブリフタ。
   （ア）バレル研磨により圧縮残留応力が付与されている。
   （イ）前記バレル研磨により１０点平均粗さＲｚが０．８〜１．６μｍである。
   （ウ）前記バレル研磨により振幅分布曲線でカットレベルのピークが１０〜２０％の間にある。
   （エ）前記バレル研磨により最大高さ粗さＲｍａｘが１．８〜５μｍである。
2. 前記バレル研磨後の頂面にリン酸塩皮膜が形成されている請求項１記載のバルブリフタ。
3. 前記頂面の周縁角部が半径０．１〜０．５ｍｍの曲率となっている請求項１又は２記載のバルブリフタ。

Images