CN103189604A - 驱动凸轮及发动机的配气机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供滑动面的耐磨性得到改善，耐久性提高的驱动凸轮；以及包含该驱动凸轮的发动机的配气机构。本发明的驱动凸轮（13a）由氮化钢构成，在滑动面上具有利用氮碳共渗处理形成的硬化层，所述硬化层存在于所述滑动面的表面。与该驱动凸轮组合使用的从动机构（33）优选的是在与驱动凸轮之间的滑动面上具有镀铬层和在所述镀铬层上的类金刚石碳膜。

Description

驱动凸轮及发动机的配气机构

技术领域

本发明涉及发动机的配气机构中使用的驱动凸轮及包含凸轮的发动机的配气机构。

背景技术

在发动机的配气机构中形成为与曲轴的旋转联动的结构的驱动凸轮要求具有高耐磨性，以与相对于其滑动的从动机构（例如摇臂和挺柱）之间的滑动面不发生磨耗。因此，驱动凸轮用耐磨性好的冷硬铸铁构成，为了进一步提高耐磨性，对冷硬铸铁实施各种表面硬化处理，这些都是公知的。例如，在专利文献1中公开了由冷硬铸铁构成凸轮等滑动部件，并对其表面实施PVD（Physical Vapor Deposition：物理气相沉积）处理而形成硬化被覆膜，以此提高耐磨性的技术。又，作为这样的表面硬化处理的一种，实施利用冷硬铸铁形成驱动凸轮后，通过实施氮碳共渗（nitrocarburizing）处理，使氮向其表面扩散渗透，形成化合物层及硬化层（扩散层），以此提高耐磨性的处理。

在专利文献2中，公开了在发动机的配气机构中对相对于上述驱动凸轮滑动的摇臂的滑动面实施镀铬处理后，实施两个阶段的研磨处理，以此提高摇臂的耐磨性的技术。

另一方面，在例如专利文献3中，公开了将利用摇动凸轮机构将驱动凸轮的旋转运动变换为气门的往复运动，同时改变揺动凸轮机构的揺动角度范围，以此实现与发动机的转速相对应的气门正时控制的控制装置导入的可变气门正时式的配气机构。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004－204762号公报；

专利文献2：日本特开2010－156247号公报；

专利文献3：日本特开2009－103083号公报。

发明内容

发明要解决的问题

伴随近年来发动机的高输出化，混合气流量增大而气门的升程量变大，随之作用于滑动面的压力有变大的倾向。特别是可变气门正时式的配气机构，为了使气门往复运动，驱动凸轮产生的按压力变大。因此，在驱动凸轮的滑动面上产生的滑动摩擦力变大，存在驱动凸轮的滑动面极其容易磨耗的问题。

作用于驱动凸轮的滑动面上的压力变大时，就要求进一步提高利用已有的表面处理方法实现的耐磨性。特别是在对冷硬铸铁表面实施氮碳共渗处理形成化合物层及硬化层而构成的驱动凸轮中，凸轮表面的化合物层硬而且脆，因此一旦受到较大的面压力，滑动面表面的化合物层就容易剥离。化合物层即使是剥离少量，全面剥离也容易发展。一旦化合物层的剥离进一步发展，就露出硬化层，但是冷硬铸铁的硬化层耐磨性低，因此就发生驱动凸轮耐磨性大幅度降低的问题。

因此本发明的目的在于，提供滑动面的耐磨性得到改善，耐用性提高的驱动凸轮；以及包含该驱动凸轮的发动机的配气机构。

解决问题的手段

本发明是鉴于上述情况而作出的，本发明的驱动凸轮是在发动机的配气机构中与曲轴的旋转联动的具有滑动面的驱动凸轮，所述驱动凸轮由氮化钢构成，所述滑动面具有利用氮碳共渗处理形成的硬化层，所述硬化层存在于所述滑动面的表面。

根据上述结构，驱动凸轮的滑动面表面由所述硬化层构成，不具备利用氮碳共渗处理方法形成的化合物层，因此能够避免由于驱动凸轮的滑动造成化合物层剥离的问题。在本发明的驱动凸轮的滑动面表面上，露出通过氮碳共渗处理形成的硬化层，但是该硬化层不是以往的对冷硬铸铁，而是对氮化钢实施氮碳共渗处理而形成的硬化层，因此具有充分的硬度和厚度，耐磨性极高。结果，根据上述结构的本发明的驱动凸轮，与对冷硬铸铁实施氮碳共渗处理而在表面具有化合物层的以往的驱动凸轮相比，耐磨性大幅改善。

本发明的驱动凸轮优选的是采用通过对所述滑动面实施所述氮碳共渗处理而形成所述硬化层及所述化合物层后，去除所述化合物层的方法制造。根据该方法，能够简便地生产本发明的驱动凸轮。

所述硬化层优选为维氏硬度在550HV100gf以上的硬化层，且厚度为100～300μm。借助于此，在驱动凸轮的滑动面表面露出的硬化层具有充分的硬度和厚度，因此本发明的驱动凸轮能够实现更优异的耐磨性。

所述氮化钢优选为形成有贝氏体结构的氮化钢。对这样的氮化钢实施氮碳共渗处理时，能够形成具有充分的硬度和厚度的硬化层，因此本发明的驱动凸轮能够实现更优异的耐磨性。

本发明又涉及含有所述驱动凸轮、以及利用与所述驱动凸轮之间的滑动驱动且具有与所述驱动凸轮的所述滑动面接触的滑动面的从动机构的发动机的配气机构。该配气机构由于使用本发明的驱动凸轮，而驱动凸轮的滑动面的耐磨性优异，因此即使在发动机的运行条件严苛而对驱动凸轮的滑动摩擦力较大的情况下，也能够发挥良好的耐久性。

优选的是在所述配气机构中的所述从动机构的所述滑动面上，形成有镀铬层、以及在所述镀铬层上的类金刚石碳膜。通过在从动机构的滑动面上设置镀铬层，能够提高耐磨性。此外，通过在镀铬层表面设置类金刚石碳层，能够改善在严苛的运行条件下可能成问题的耐咬合性，同时能够进一步提高耐磨性。

所述镀铬层优选为经研磨处理以使其表面粗度Rz在0.5μm以下，而且0.1μm以上的凹凸的周期为50μm以上的镀铬层。借助于此，能够减小从动机构与驱动凸轮之间的摩擦，因此能够抑制双方的滑动面的磨耗。

类金刚石碳膜优选为含有金属的类金刚石碳膜。借助于此，能够确实地改善耐咬合性，以及提高耐磨性。

在本发明的第一实施形态中，所述从动机构是具有与所述驱动凸轮的所述滑动面接触的滑动面、以及与挺柱接触的滑动面的机构。在本实施形态的配气机构中，驱动凸轮和从动机构（例如摇臂）具有相对的滑动面，同时该从动机构与挺柱具有相对的滑动面。在该实施形态中，能够实现本发明的效果。

在该第一实施形态中，优选的是所述配气机构为可变气门正时式的配气机构。在这里，所谓可变气门正时式的配气机构，是具有与发动机的曲轴的旋转联动的驱动凸轮、与所述驱动凸轮接触的从动构件、安装于所述从动构件上且将所述从动构件的运动传递至挺柱的揺动构件、以及改变所述从动构件与所述揺动构件之间的相对位置的相对位置变更机构的配气机构。在这样的可变气门正时式的配气机构中，对驱动凸轮的滑动面的面压力有较大的变动，因此驱动凸轮的滑动面容易磨耗，但是根据本发明，即使在可变气门正时式的配气机构中，驱动凸轮的滑动面也不容易发生磨耗，因此是理想的。

在本发明的第二实施形态中，所述从动机构包含具有与所述驱动凸轮的所述滑动面直接接触的滑动面的挺柱。在本实施形态的配气机构中，挺柱直接接触驱动凸轮的滑动面，该挺柱相当于所述从动机构。在该实施形态中也能够达到本发明的效果。

发明效果

借助于本发明，能够在发动机的配气机构中改善驱动凸轮的滑动面的耐磨性，提高耐久性。特别是对于运行条件严苛而以往的驱动凸轮的滑动面容易磨耗的可变气门正时式的配气机构，也能够改善耐磨性，提高耐久性。

附图说明

图1是表示第一实施形态的可变气门正时式的配气机构及其周边的剖视图；

图2是示意性示出经过氮碳共渗处理的氮化钢的表面附近的截面放大图；

图3是示意性示出根据本发明的驱动凸轮的滑动面的表面附近的截面放大图；

图4是将第二实施形态的发动机的配气机构的主要部件取出而示出的剖视图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的优选的实施形态进行说明。

（第一实施形态）

图1是示出第一实施形态的发动机的配气机构11A、11B及其周边的剖视图。如图1所示，该发动机是双顶置凸轮轴式（DOHC式）发动机。在该发动机的汽缸盖12上设置有与燃烧室14相连的进气道12A及排气道12B。在汽缸盖12的上方配置有进气侧的驱动凸轮轴13和排气侧的驱动凸轮轴15，在其上方覆盖有汽缸盖罩16。驱动凸轮轴13、15通过链条等旋转传递机构（未图示）连接于该发动机的曲轴（未图示），与曲轴（未图示）联动旋转。在汽缸盖12上设置有使燃烧室14对进气道12A开放／封闭的进气门机构17A、以及使燃烧室14对排气道12B开放／封闭的排气门机构17B。进气门机构17A利用进气侧的配气机构11A进行开闭动作，排气门机构17B利用排气侧的配气机构11B进行开闭动作。配气机构11A、11B是可变气门正时式的配气机构。在进气侧和排气侧，气门机构17A、17B及配气机构11A、11B具有大致相同的结构，因此下面以进气侧为代表进行说明。

进气门机构17A具备具有开闭进气道12A的法兰部20a和从法兰部20a向上方延伸的气门杆部20b的气门主体20。在气门杆部20b的上端部形成槽，销21夹入该槽中，在销21上安装有弹簧保持器23。而且在汽缸盖12的上表面安装有弹簧座24，在弹簧座24与弹簧保持器23之间安装有气门用弹簧22。因此，利用气门用弹簧22气门主体20向上方施力，封闭进气道12A。又，在销21的上表面安装有挺柱31。

配气机构11A具备与该发动机的曲轴旋转联动的驱动凸轮轴13、固定于驱动凸轮轴13上的驱动凸轮13a、与驱动凸轮13a接触而将驱动凸轮13a的运动传递至进气门机构17A的挺柱31的揺动凸轮机构32。揺动凸轮机构32具有与驱动凸轮13a接触的从动构件33、安装于从动构件33上且按压进气门机构17A的挺柱31的揺动构件34、以及使从动构件33与摇动构件34之间的相对位置改变的相对位置变更机构。相对位置变更机构具有摇动自如地支持揺动构件34的控制轴35、使从动构件33相对于揺动构件34自如产生角位移地连接的连接销36、在控制轴35的一部分上旋转自如地设置且抵抗来自驱动凸轮13a的力而支持从动构件33的辊子37、以及对从动构件33向驱动凸轮13a施力的从动用弹簧（未图示）。利用马达（未图示）使控制轴35角位移，以此揺动构件34与从动构件33的绕着控制轴35的周方向的相对位置关系改变，使气门主体20的气门开放时间及升程量改变。

驱动凸轮13a与揺动凸轮机构32中的从动构件33接触。在本发明中，驱动凸轮13a是氮化钢成型加工为规定的形状的构件。氮化钢是向来公知的材料，是以实施氮化处理为目的，为了能够容易地得到硬表层部而使铝（Al）、铬（Cr）等成为合金，再适当添加锰（Mn）、钼（Mo）、钒（V）等而制成的特殊钢。在本发明中，作为氮化钢可以采用各种不同的氮化钢，但是在其中，优选为由于能够迅速进行氮碳共渗，容易得到较深的硬化层，因而具有贝氏体结构的氮化钢。

构成驱动凸轮13a的氮化钢，是至少在与从动构件33的滑动面上实施了氮碳共渗处理的氮化钢。作为氮碳共渗处理，已知有气体氮碳共渗、等离子氮碳共渗、离子氮碳共渗、扩散渗氮（tufftride）、硫氮碳共渗（nitrosulphurizing）等，作为其实施条件没有特别限定，但是为了抑制高温下进行热处理引起的凸轮的形变，优选为在520℃以下进行处理。在本实施形态中，采用气体氮碳共渗处理。

通过氮碳共渗处理，使氮向氮化钢表面扩散渗透，以此提高表面附近的氮含量，在最表层形成由氮化物构成的化合物层，而且在化合物层下部形成有氮扩散而形成的硬化层。其层结构示于图2。图2中，在氮未扩散渗透的未氮化层53上形成氮扩散渗透的硬化层52，在硬化层52上形成由氮化物构成的化合物层51。化合物层51构成最表层。

化合物层51是在经过氮碳共渗处理的氮化钢的最表层形成的大约数微米～数十微米的化合物层。在组成上是由铁和铬等的复合氮化物构成的层。另一方面，硬化层52也被称为扩散层，是在化合物层51的正下方形成的层。硬化层52是未形成铁的氮化物，而只是氮固溶的层，或者是铝和铬等添加元素的氮化物分散在氮固溶的母相中而形成复合层。

通过氮碳共渗处理形成的化合物层硬而且脆，容易开裂。因此，如果用最表面有化合物层的氮化钢形成驱动凸轮，就有在运行时的面压力的作用下化合物层容易剥离而耐久性差的问题。

因此，在本发明中形成通过对构成驱动凸轮13a的氮化钢的表面实施氮碳共渗处理形成化合物层及硬化层后，只去除化合物层，使硬化层在最表面露出的结构。通过对氮化钢实施氮碳共渗处理形成的硬化层具有充分的硬度和厚度，耐磨性极高。通过在驱动凸轮的滑动面的最表面存在这样的硬化层，驱动凸轮的耐磨性得到大幅度改善。根据本发明的驱动凸轮的滑动面的表面附近的层结构示于图3。在图3中，在氮未扩散渗透的未氮化层53上，形成氮扩散渗透的硬化层52，但是不同于图2，硬化层52在最表面露出，硬化层52上没有形成化合物层51。

在根据本发明的驱动凸轮的滑动面的最表面上形成的硬化层优选为维氏硬度显示为550HV100gf以上的硬化层。又，显示出这样的硬度的硬化层的厚度优选为100～300μm。硬化层兼具这样的硬度和厚度，以此能够发挥更优异的耐磨性。另外，未氮化层维氏硬度远远低于550，例如为300左右，硬度较差。

本发明的驱动凸轮通过依序经过下述工序制造：

（1）将由氮化钢构成的驱动凸轮进行成型的工序；

（2）成型的驱动凸轮的表面中，至少对滑动面实施氮碳共渗处理，以此形成硬化层及化合物层的工序；

（3）从上述滑动面去除上述化合物层，使上述硬化层在上述滑动面的最表面露出的工序。

在工序（3）中，从滑动面去除化合物层的方法没有特别限定，可以采用通过通常的机械研磨处理等进行去除的方法。又，为了对利用去除处理去除化合物层的情况进行确认，可使用在滑动面的截面上测定硬度分布的方法、和利用电子显微镜观察滑动面的截面构造的方法等。

本发明的发明人们分别制造出四种具有通过实施氮碳共渗处理形成硬化层及化合物层的滑动面的驱动凸轮、以及具有在氮碳共渗处理后去除化合物层而使硬化层在最表面露出的滑动面的驱动凸轮，将其在特定条件下付诸旋转滑动试验后，在驱动凸轮的滑动面表面的特定的5个地方测定磨耗量。其结果是，任意一个驱动凸轮，在任意一个滑动面表面的测定处，都是去除了化合物层的驱动凸轮的磨耗量显著减少。平均结果是，通过去除化合物层，磨耗量减少到一半以下。根据以上所述，由实验确认，通过去除滑动面表面的化合物层，驱动凸轮的滑动面的耐磨性显著提高。

又，也确认了在未去除化合物层的情况下，不管该化合物层的厚度如何，耐磨性都较差。即，准备具有最表面的化合物层厚度为3μm的滑动面的驱动凸轮以及具有该厚度为16μm的滑动面的驱动凸轮，并如上所述测定磨耗量，任意一个驱动凸轮上都发生相当程度的磨耗。根据这一结果，确认了即使是减小化合物层的厚度也不能够提高耐磨性。如上所述，为了提高驱动凸轮的滑动面的耐磨性，有必要去除化合物层，使硬化层露出。

下面对与驱动凸轮13a接触的从动构件33进行说明。作为这种从动构件，可采用对由钢材构成的成型体的滑动面（与驱动凸轮之间的滑动面）表面实施镀铬处理而形成的构件。该镀铬处理的目的是提高耐磨性。

但是，本发明的发明人们发现了这样的情况，用实施了该镀铬处理的从动构件和如上所述去除了化合物层而露出硬化层的驱动凸轮，在面压力变动激烈的可变气门正时式的配气机构中进行运行时，容易发生咬合，发生耐咬合性（耐粘着性）低的问题。具体地说，发生驱动凸轮表面的材料被剥掉，且该材料粘着在从动构件表面的问题。这被认为是由于驱动凸轮表面的硬化层与从动构件表面之间发生的金属间结合引起的。在最表面具有化合物层的已有的驱动凸轮中，化合物层是一种陶瓷，因此被认为起着防止发生金属间结合的保护膜的作用，耐咬合性不成问题。在本发明中可以认为，由于去除驱动凸轮表面的化合物层，因此没有了保护膜，在可变气门正时式的配气机构的严苛的运行条件下，驱动凸轮材料粘着于从动构件表面。

为了避免该耐咬合性的问题，本发明的发明人探讨对实施了镀铬处理的从动构件的滑动面（与驱动凸轮之间的滑动面）进一步实施各种表面处理。但是，在作为表面处理实施镀锡、凯真（kanigen（注册商标））镀（无电解镀镍）、凯氟（kanifron（注册商标））镀等的情况下，该镀层本身剥离，在从动构件的滑动面发生磨耗，因此达不到改善耐咬合性的目的。

但是，如果再用类金刚石碳膜被覆经过镀铬处理的从动构件的滑动面，与采用只实施镀铬处理的从动构件的情况相比，可以确认耐咬合性有显著改善。

在这里，耐咬合性的评价根据发生咬合时的负荷（以下称为“咬合负荷”）进行。作为只有镀铬层的从动构件的5个试样，咬合负荷分布在10～70kgf范围内，不均匀而不稳定，除此之外，其中3个点负荷在30kg以下时，耐咬合性不够好。另一方面，在镀铬层上形成类金刚石碳膜的3个试样，咬合负荷都在40～50kgf范围内，显示出优异的耐咬合性，同时耐咬合性稳定在高水平上。这样，类金刚石碳膜的形成使耐咬合性得到显著改善的情况得以确认。

在以上说明的耐咬合性得到改善的同时，确认了驱动凸轮表面的耐磨性也得到进一步提高。即，采用再以类金刚石碳膜被覆在镀铬层上的从动构件时，与采用只有镀铬层的从动构件的情况相比，硬化层在最表面露出的驱动凸轮表面的磨耗量大约减少到一半左右。

根据以上所述，在从动构件的滑动面（与驱动凸轮接触的滑动面），在镀铬层上形成类金刚石碳膜，从耐咬合性（耐粘着性）及耐磨性考虑是合适的。从而，在本实施形态中，作为从动构件33采用具有这样的结构的从动构件。

从动构件上的类金刚石碳膜，只要是类金刚石碳构成的薄膜，就不特别限定。所谓类金刚石碳，是主要由碳构成的非晶态的硬质膜，在本发明中，可使用向来公知的各种类金刚石碳。而且，从韧性、与镀铬层的紧贴性、以及耐咬合性考虑，含有金属的类金刚石碳是优选的。在本实施形态中，采用含钨的类金刚石碳。

类金刚石碳膜的厚度可以为约1～4μm左右。

在类金刚石碳膜下面形成的镀铬层具有提高类金刚石碳膜的粘着性，从而使该膜不容易从从动构件上剥离的作用。而且，在严苛的运行条件下万一类金刚石碳膜剥离时，也可以期望其发挥某种程度的耐咬合性。

镀铬层优选的是在与驱动凸轮之间的滑动面上预先实施与专利文献2（日本特开2010－156247号公报）公开的处理相同的研磨处理。利用这样的研磨处理进行调整，以使镀铬层表面的表面粗度Rz在0.5μm以下，而且0.1μm以上的凹凸的周期为50μm以上。借助于此，使从动构件与驱动凸轮之间的摩擦减小，其结果是，能够抑制驱动凸轮的滑动面的磨耗。类金刚石碳膜由于表面硬度极高，因此优选的是预先调整形成类金刚石碳膜之前的镀铬层表面的表面粗度，避免类金刚石碳膜造成的驱动凸轮滑动面的磨耗。

如上述那样对镀铬层进行研磨处理后，形成类金刚石碳膜。类金刚石碳膜的形成可采用已有的方法。

（第二实施形态）

图4是取出第二实施形态的发动机的配气机构的主要部件的剖视图。该实施形态是从第一实施形态去除揺动凸轮机构32的实施形态，驱动凸轮13a与挺柱31直接接触。

挺柱31在由钢材构成的成型体的滑动面（与驱动凸轮之间的滑动面）的表面上具有镀铬层，而且在其上具有类金刚石碳膜。借助于此，与第一实施形态的从动构件33一样，能够改善耐咬合性，进一步提高驱动凸轮的耐磨性。镀铬层与类金刚石碳膜的详细情况与第一实施形态的情况相同。

第二实施形态不具备揺动凸轮机构32，挺柱31的滑动件表面具有镀铬层及类金刚石碳膜，除此以外与第一实施形态相同，对与第一实施形态的相同点省略其说明。

工业应用性 

如上所述，根据本发明的驱动凸轮及发动机的配气机构可以抑制在驱动凸轮的滑动面上由于磨耗而造成的劣化，可以广泛应用于摩托车等车辆的发动机中。

符号说明

11A、11B　可变气门正时式配气机构；

12　       汽缸盖；

13　       进气侧的驱动凸轮轴；

14       　燃烧室；

15　       排气侧的驱动凸轮轴；

17A　     进气门机构；

17B　     排气门机构；

20　      气门主体；

31　      挺柱；

32　      揺动凸轮机构；

33　      从动构件；

34　      揺动构件；

35　      控制轴；

36　      连接销；

37      　辊子；

51　      化合物层；

52　      硬化层；

53　      未氮化层。

Claims (10)

1.一种驱动凸轮，是在发动机的配气机构中与曲轴的旋转联动的具有滑动面的驱动凸轮，其特征在于，

所述驱动凸轮由氮化钢构成，所述滑动面具有利用氮碳共渗处理方法形成的硬化层，所述硬化层存在于所述滑动面的表面。

2.根据权利要求1所述的驱动凸轮，其特征在于，

所述驱动凸轮采用通过对所述滑动面实施所述氮碳共渗处理而形成所述硬化层及所述化合物层后，去除所述化合物层的方法制造。

3.根据权利要求1所述的驱动凸轮，其特征在于，所述硬化层是维氏硬度为550HV100gf以上的硬化层，且厚度为100～300μm。

4.根据权利要求1所述的驱动凸轮，其特征在于，

所述氮化钢是形成有贝氏体结构的氮化钢。

5.一种发动机的配气机构，其特征在于，包含：

权利要求1～4中的任一项所述的驱动凸轮；以及

利用与所述驱动凸轮之间的滑动驱动、且具有与所述驱动凸轮的所述滑动面接触的滑动面的从动机构。

6.根据权利要求5所述的配气机构，其特征在于，

在所述从动机构的所述滑动面上，形成镀铬层、以及在所述镀铬层上的类金刚石碳膜。

7.根据权利要求6所述的配气机构，其特征在于，

所述镀铬层是经过研磨处理以使其表面粗度Rz为0.5μm以下，而且0.1μm以上的凹凸的周期为50μm以上的镀铬层。

8.根据权利要求6所述的配气机构，其特征在于，

所述类金刚石碳膜是含有金属的类金刚石碳膜。

9.根据权利要求5所述的配气机构，其特征在于，

所述从动机构是具有与所述驱动凸轮的所述滑动面接触的滑动面、以及与挺柱接触的滑动面的机构。

10.根据权利要求9所述的配气机构，其特征在于，

所述配气机构，除了所述驱动凸轮外，还具有与所述驱动凸轮接触的从动构件、安装于所述从动构件上且将所述从动构件的运动传递至挺柱的揺动构件、以及改变所述从动构件与所述揺动构件之间的相对位置的相对位置变更机构。

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