JP2000186579A

JP2000186579A - 排気ブレーキ装置とその製造方法

Info

Publication number: JP2000186579A
Application number: JP10363892A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Murata; 義幸村田; Haruhiko Meguro; 治彦目黒
Original assignee: Bosch Braking Systems Co Ltd; Bosch Braking Systems Corp
Current assignee: Bosch Corp; Bosch Braking Systems Corp
Priority date: 1998-12-22
Filing date: 1998-12-22
Publication date: 2000-07-04

Abstract

(57)【要約】【課題】排気ブレーキ装置の弁軸と、軸受との耐食性
と耐摩耗性の向上を図るとともに、該弁軸と軸受との間
の摩擦を低減させる。【解決手段】エンジンの排気管中に設けられ、その排
気ガス通路２の一部を形成するバルブ本体３と、該バル
ブ本体３の内部に配設され、前記排気ガス通路２を開閉
する弁体４を取り付けた弁軸５と、該弁軸５を回動自在
に支持するため、前記バルブ本体３に設けられた軸受
６，７とを備える排気ブレーキ装置１であり、前記弁軸
５の表面全体と、前記軸受６，７の軸受け穴の内面を含
む表面全体とに、高温塩浴拡散処理法による、Ｃｒ，
Ｂ，Ｖ，Ｎｂなどの元素を拡散浸透させ、それらの炭化
物、ほう化物、酸化物などの無機質からなる硬化層を形
成させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車を含む車両
などのエンジンから排出される排気ガスの排気流路中に
配置される排気ブレーキ装置とその製造方法に関し、特
に、その弁軸および軸受の耐摩耗性、耐食性、耐熱性を
向上させる装置とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】排気ブレーキ装置は主としてトラックや
バスなどに装備され、エンジンの排気管の途中に配設さ
れた排気バルブを閉弁して排気ガス圧を上昇させ、長い
降坂路などにおいて、車両に効果的な制動を行うように
したものである。

【０００３】従来、この種の排気ブレーキ装置は、前記
エンジンの排気管中に設けられ、その排気ガス通路の一
部を形成するバルブ本体と、該バルブ本体の内部に配設
され、前記排気ガス通路を開閉する弁体を取り付けた弁
軸と、該弁軸を回動自在に支持するため、前記バルブ本
体に設けられた軸受とを備え、該弁軸の一方の端に固着
されたレバーを回動して、前記弁体を開閉させるもので
ある。

【０００４】なお、前記排気ブレーキ装置は、排気ブレ
ーキ作動時、すなわち前記弁体の閉弁時、該弁体にて前
記排気ガス通路を完全に閉塞してしまうと、排気ガス圧
が過大な負荷としてエンジンに作用して、エンジンスト
ップを招来する。従って、該排気ガス通路を完全に閉塞
状態にすることなく、前記弁体と排気ガス通路の周面と
の間に僅かな隙間を設けたり、または該弁体に穴をあけ
たりしている。

【０００５】ところで、排気ブレーキ装置は、前記排気
ガス通路を高温の排気ガスが通過するため、前記弁体、
弁軸、軸受が高温（通常で約６５０℃、最高温度約８１
０℃）に曝される。そのため、該弁体および弁軸には、
耐熱性材料、例えばオーステナイト系ステンレス鋼（SU
S304）などが用いられる。また、前記軸受には、アルミ
青銅系合金材が用いられていたが、この材料は高温下で
の硬さの低下が顕著であり、耐摩耗性に問題があるなど
の点から、最近では、例えば耐熱鋼のマルテンサイト系
ステンレス鋼（SUH3）などが用いられている。

【０００６】これは、また、エンジンの停止期間中に生
じる結露などにより、前記弁軸および軸受の表面に赤錆
が生じ、腐食が進行して、該弁軸と軸受との隙間に赤錆
が詰まり、前記弁体が円滑に回動され難くなるという問
題点があったため、前記耐食性の高い各種のステンレス
鋼が採用されていた。しかし、前記弁軸と軸受とを同系
のステンレス鋼にすると、それらが互いに摺動する際、
その摺動面の微小突起および金属摩耗粉による金属凝着
が発生し、両者の間において凝着摩擦が発生することが
多かった。

【０００７】そのひとつの対策として、実開平6ー40327
号公報に開示されているように、弁軸の外周面に塩浴窒
化処理による硬化層を形成することにより、弁軸、軸受
間の凝着摩耗の発生を防止するようしていた。しかし、
この技術は、処理浴に、シアン系の浴材が使用されるた
め、安全面から取扱いに慎重を要した。本出願人は、さ
らに対策として特願平9ー306687号を提供した。この技術
は、前記弁軸と軸受のいずれか一方、若しくはその両者
の表面全体に、ガス軟窒化処理により硬化層を形成する
ことにより、前記凝着摩耗の発生を防止してきた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、表面に
ガス軟窒化処理により形成された硬化層で、被覆された
前記弁軸および軸受は、その処理前に比べて耐食性が著
しく低下し、塩水噴霧試験（日本工業規格JIS Z 2371に
よる試験方法）にて、３０時間以下で赤錆が顕著に発生
してしまうという問題点があった。これに対し、処理前
のものは、約２００時間においても、赤錆の発生は認め
られなかった。

【０００９】同時に、前記ガス軟窒化処理により形成さ
れる硬化層は、高温域（例えば５００℃以上）で酸化劣
化が著しく、その硬さが、数時間で基材と同程度の硬さ
まで低下するという問題点があった。そのため、その状
態で前記弁軸と軸受とが互いに摺動すると、摺動面の微
小突起および金属摩耗粉による金属凝着が発生し、両者
の間において凝着摩擦が発生する。このような状態で
は、前記弁軸と軸受との摺動面に焼き付けが生じたり、
かじりなどが発生し、前記弁体が円滑に回動し難くなる
のはもとより、回動不能に陥る場合もあり得た。

【００１０】本発明はかかる点に鑑みなされたもので、
その目的は前記問題点を解消し、前記弁軸と、前記軸受
の耐食性と耐摩耗性の向上を図るとともに、該弁軸と該
軸受との間の摩擦を低減させる排気ブレーキ装置を提供
することにある。

【００１１】本発明の他の目的は、前記弁軸と前記軸受
を、従来のステンレス鋼に代わる、より安価な材料によ
り形成し、コスト的に優れる排気ブレーキ装置を提供す
ることにある。

【００１２】本発明のさらに他の目的は、前記弁軸と前
記軸受との耐食性と耐摩耗性の向上を図るとともに、該
弁軸と該軸受との間の摩擦を低減させる排気ブレーキ装
置の製造方法を提案することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の本発明の構成は、エンジンの排気管中に設けられ、そ
の排気ガス通路の一部を形成するバルブ本体と、該バル
ブ本体の内部に配設され、前記排気ガス通路を開閉する
弁体を取り付けた弁軸と、該弁軸を回動自在に支持する
ため、前記バルブ本体に設けられた軸受とを備える排気
ブレーキ装置において、次の通りである。

【００１４】前記弁軸の表面全体と、前記軸受の軸受け
穴の内面を含む表面全体とに、無機質からなる硬化層を
形成させるものである。

【００１５】前記無機質からなる硬化層は、５〜４０μ
ｍの厚さを有し、その硬さが、Ｈｖ１０００（ビッカー
ス硬さ１０００）以上であるものである。

【００１６】さらに、前記無機質からなる硬化層には、
クロム（Ｃｒ）、ほう素（Ｂ）、バナジウム（Ｖ）、ニ
オブ（Ｎｂ）のうち、一種以上の元素が含まれるもので
ある。

【００１７】また、エンジンの排気管中に設けられ、そ
の排気ガス通路の一部を形成するバルブ本体の内部に配
設され、該排気ガス通路を開閉する弁体を取り付けた弁
軸と、該弁軸を回動自在に支持するため、前記バルブ本
体に設けられた軸受とを備える排気ブレーキ装置の製造
方法において、前記弁軸と前記軸受とを、硼砂を主成分
とし、クロム（Ｃｒ）、ほう素（Ｂ）、バナジウム
（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）のそれぞれの元素を含む高温塩
浴中に浸漬し、前記各元素を、前記弁軸の表面と、前記
軸受の軸受け穴の内面を含む表面とに拡散浸透させ、前
記それぞれの元素を含む無機質硬化層を形成させてい
る。

【００１８】本発明は以上のように構成されているの
で、前記弁軸および軸受の軸受け穴の内面を含むそれぞ
れの表面全体に、耐高温酸化性に優れる無機質からなる
硬化層を形成させることにより、両者が互いに摺動する
際、高温時にその硬さの低下が起きず、その摺動面の微
小突起および金属摩耗粉などにより金属凝着が発生し
て、両者の間において凝着摩擦の発生が防止される。そ
の結果、該摺動面の耐焼き付け性、耐摩耗性が向上す
る。

【００１９】すなわち、前記弁軸および軸受の軸受け穴
の内面を含むそれぞれの表面全体に、高温塩浴拡散処理
法による、Ｃｒ，Ｂ，Ｖ，Ｎｂなどの元素を拡散浸透さ
せ、それらの炭化物、ほう化物、酸化物などの無機質か
らなる硬化層を形成させて、耐摩耗性、耐熱性、耐食性
を向上させている。

【００２０】また、前記弁軸および軸受の軸受け穴の内
面を含むそれぞれの表面全体に、無機質からなる硬化層
を形成させることにより、該弁軸と該軸受間や、表面に
赤錆が生じないため、前記弁体が円滑に回動する。

【００２１】本方法の発明は、ステンレス鋼に限らず、
各種炭素鋼（S-C材）に処理が可能なため、ステンレス
鋼よりも安価な炭素鋼、例えばS48C材などへの転換が可
能となり、前記弁軸および軸受を、鍛造工程にて形成す
ることができるので、製造コストの低減につながる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の好
適な実施の形態を詳しく説明する。図１〜図４は、本発
明の排気ブレーキ装置の一実施の形態を示すもので、図
１は、その一部断面図、図２はその弁軸を示す側面図、
図３および図４は、該弁軸を支持する一方および他方の
軸受部材のそれぞれの側断面図である。

【００２３】（第１実施例）図１において、排気ブレ
ーキ装置１は、車両のエンジンの排気ガス通路２の一部
を形成するほぼ円筒形状のバルブ本体３と、このバルブ
本体３のほぼ円形状の内部通路３ａを開閉する円板状の
弁体４を取り付けた弁軸５と、該弁軸５を回動自在に支
持するため、前記バルブ本体３に設けられた筒状の軸受
部材６，７とを備えている。前記バルブ本体３には、そ
の内部通路３ａに連通、かつ該内部通路３ａを横断する
ように両側に同心軸状に形成された一対の貫通穴３ｂ，
３ｃが形成され、これら貫通穴３ｂ，３ｃの内部には、
外周面に単数または複数（本実施例では１箇所）の段部
を有する前記軸受部材６，７が、締まりばめにより、圧
入嵌合されている。

【００２４】前記弁体４をねじ部材により支持、固着し
た前記弁軸５は、前記軸受部材６，７と、その一部にパ
ッキング（シールリングまたはラビリンスシール）８と
を介して、前記バルブ本体３に回動自在に取り付けられ
ている。また、前記一方の貫通穴３ｂを塞ぐように前記
バルブ本体３の外側に、前記弁軸５の一方の端部５ａが
貫通された取付板１０ａが固着されるとともに、前記他
方の貫通穴３ｃを塞ぐように前記バルブ本体３の外側に
端板１０ｂが固着される。そして、アクチュエータ１１
の駆動軸の軸心位置で、該弁軸５の一方の端部５ａに固
着されたレバー９に、前記アクチュエータ１１から回転
駆動力が伝達されて、前記弁軸５が回動され、前記排気
ガス通路２を前記弁体４により開閉するようになってい
る。なお、図１は開弁状態を示す。

【００２５】図２に示す前記弁軸５は、その材質がオー
ステナイト系ステンレス鋼（SUS304）からなり、前記軸
受部材６，７と接する部分５ｂを含め、表面全体（二点
鎖線にて示す）に無機質からなる硬化層が形成されてい
る。また、図３および図４に示す前記軸受部材６，７
は、その材質がマルテンサイト系ステンレス鋼（SUH3）
からなり、前記弁軸５と接する部分６ａ，７ａを含め、
表面全体（二点鎖線にて示す）に無機質からなる硬化層
が形成されている。

【００２６】前記それぞれの硬化層は、その厚さが５μ
ｍ未満であると、前記弁軸５と軸受部材６，７との摺動
による摩耗から、該硬化層が摩滅する。また、その厚さ
が４０μｍを超えると、前記弁軸５と軸受部材６，７と
のステンレス鋼の熱膨張係数の差から、該硬化層の剥
離、割れが発生する。さらに、前記固化層を、その厚さ
が４０μｍを超えて形成させることは、処理時間などを
長くする必要があり、処理コストの高騰につながる。そ
のため、前記硬化層の厚さは、５〜４０μｍであり、特
に、１０〜２０μｍが最適である。

【００２７】前記硬化層の成分は、耐熱性（耐高温酸化
性）、耐摩耗性および耐食性に優れる無機物として、ク
ロム（Ｃｒ）、ほう素（Ｂ）、バナジウム（Ｖ）、ニオ
ブ（Ｎｂ）の元素で、その一種以上を含む、例えばＣｒ
Ｃ，ＶＣなどの炭化物、或いはＦｅＢなどのほう化物、
Ｃｒ₂Ｏ₃などの酸化物で形成されている。該硬化層の硬
さは、ビッカース硬さが１０００未満だと、摩耗により
硬化層が摩滅するため、耐摩耗性を考慮して、ビッカー
ス硬さが１０００以上でなければならない。

【００２８】前記弁軸５と前記軸受部材６，７からなる
被処理品を、硼砂を主成分とし、Ｃｒ、Ｂ、Ｖ、Ｎｂの
それぞれの元素を含む高温塩浴中に浸漬し、前記各元素
を、前記弁軸５と、前記軸受部材６，７の表面とに拡散
浸透させ、前記それぞれの無機質硬化層を形成させてい
る。

【００２９】（第２実施例）硼砂を主成分とし、Ｃｒ
₂Ｏ₃を含んだ約９００℃塩浴中に、材質が炭素鋼(S48C)
からなる前記弁軸５と、材質がマルテンサイト系耐熱ス
テンレス鋼（SUH3）からなる前記軸受部材６，７との被
処理品を、数時間浸漬することにより、Ｃｒを表面に拡
散させ、厚さ１０μｍのＣｒＣ系の固化層を形成させ
る。焼き入れ、焼き戻しにより基材の組織および硬さ調
整を行い、最後にラップ仕上げを行った。この方法によ
り、前記弁軸５と前記軸受部材６，７は、図２〜図４の
二点鎖線に示す表面全体が、前記硬化層にて被覆されて
いる。

【００３０】図５は、本実施例に示す処理を施したもの
と、従来のガス軟窒化処理を施したものとを、それぞれ
ピン・オン・ディスク摩耗試験を行った結果を示すもの
で、ピン側の摩耗量を表している。図６は、同様にその
摩擦係数を表している。なお、試験条件は、試験環境温
度：６００℃、ピンとディスクの押しつけ荷重（面
圧）：９０kgf（１０７kgf／cm²）、ピンとディスクの
相対回転速度：３．７ｍ／min、摩擦半径：３．５ｃ
ｍ、試験時間：１８０分に設定した。また、試験サンプ
ルと、ピンとディスクとの組み合わせは、表１に示すと
おりである。

【００３１】

【表１】

【００３２】図５および図６に示すように、ＣｒＣ系硬
化層を施した本実施例によるものは、従来の処理を施し
たものと比較して、摩耗量が少なく、摩擦係数も、約
０．７から約０．４まで低下していることから、なじみ
性が向上し、凝着摩耗が抑制されていることが分かる。
また、ほう素（Ｂ）を拡散させたものは、特に、摩擦係
数の低下が顕著であった（摩擦係数が約０．２まで低
下）。

【００３３】図７は、本実施例に示す処理を施した前記
弁軸５および前記軸受部材６，７と、従来のガス軟窒化
処理を施した弁軸５および軸受部材６，７とについて、
回動試験を行った結果を示すもので、弁軸５については
外径変化量、軸受部材６，７については内径変化量を示
している。なお、時化条件（試験条件）は、試験環境温
度：６００℃、弁軸と軸受部材との押しつけ荷重：５０
kgf、弁軸と軸受部材との相対回転速度：３．０ｍ／mi
n、試験時間：５０時間に設定した。

【００３４】図７に示すように、ＣｒＣ系硬化層を施し
た本実施例によるものは、従来の処理を施したものと比
較して、弁軸５および軸受部材６，７の寸法変化量が小
さく、摩耗量が小さくなっていることから、ピン・オン
・ディスク摩耗試験の結果と同様、なじみ性が向上し、
凝着摩耗が抑制されていることが分かる。

【００３５】図８は、本実施例に示す処理を施したもの
と、従来のガス軟窒化処理を施したものとについて、塩
水噴霧試験（日本工業規格JIS Z 2371による試験方法）
を実施し、１０００時間経過後の錆の厚さを示す。な
お、錆の厚さは、その断面をみるため切断し、その表面
を研磨して金属顕微鏡で観察後、測定した。試験サンプ
ルは表２に示す。

【００３６】

【表２】

【００３７】図８に示すように、ＣｒＣ系硬化層を施し
た本実施例によるものは、従来のガス軟窒化処理を施し
たものと比較して、錆の発生厚さが小さく、従来の処理
による硬化層よりも、数倍、耐食性が向上していること
が分かる。

【００３８】図９は、本実施例に示す処理を施したもの
と、従来のガス軟窒化処理を施したものとについて、大
気中６００℃環境下に、６００時間放置後の表面層の硬
さを示す。なお、試験サンプルは表３に示す。

【００３９】

【表３】

【００４０】図９に示すように、ＣｒＣ系硬化層を施し
た本実施例によるものは、従来のガス軟窒化処理を施し
たものと比較して、硬さの低下幅が小さく、従来の処理
による硬化層よりも、耐熱性が向上していることが分か
る。

【００４１】前記第１、第２実施例の排気ブレーキ装置
によれば、前述のほか、下記の効果があった。（１）５００℃以上の環境下においても、弁軸５に取
り付けられた弁体４の開閉障害が防止され、円滑に動作
させることができる。（２）車両（自動車）の３年で、６万ｋｍの走行相当
においても、錆の発生はなく、バルブまわりの部品交換
を必要としなくなる。（３）摩擦係数が小さくなったことにより、小型のア
クチュエータを用いることができる。（４）この製造方法（処理方法）により、現行材より
も安価な材質の基材に改良できる。同時に、本実施例の
ものは、硬化層形成に炭化物などを採用しているため、
安全管理面で有利である。

【００４２】なお、本発明の技術は前記実施の形態にお
ける技術に限定されるものではなく、同様な機能を果た
す他の態様の手段によってもよく、また本発明の技術は
前記構成の範囲内において種々の変更、付加が可能であ
る。

【００４３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明の
排気ブレーキ装置によれば、その弁軸の表面全体と、そ
の軸受の軸受け穴の内面を含む表面全体とに、炭化物な
どの無機質からなる硬化層を形成させるので、高温下で
も該硬化層の硬さが低下せずに、前記弁軸と前記軸受と
が互いに摺動するときも、凝着摩耗が抑制され、その結
果、前記両者間の摺動面の耐焼き付け性、耐摩耗性が向
上する効果を奏する。また、従来のガス軟窒化処理によ
り形成された硬化層に比べて、耐食性が向上し、前記弁
軸および前記ブッシュの表面に赤錆が生じないため、弁
体が円滑に回動し、常時、低い摩擦が得られることによ
り、前記弁軸を回動させる駆動装置の小型化が図られ
る。

【００４４】また、本発明の排気ブレーキ装置の製造方
法によれば、弁軸とその軸受とを、硼砂を主成分とし、
クロム（Ｃｒ）、ほう素（Ｂ）、バナジウム（Ｖ）、ニ
オブ（Ｎｂ）のそれぞれを含む高温塩浴中に浸漬し、前
記各元素を、前記弁軸と、前記軸受の表面とに拡散浸透
させ、前記それぞれの無機質硬化層を形成させるので、
前記排気ブレーキ装置と同様な、優れた効果を奏する。

【００４５】さらに、前記弁軸の材質を、オーステナイ
ト系ステンレス鋼（SUS304）から、材料費および加工費
がともに安価な炭素鋼（S48C）に変更が可能なため、製
造コストを低減させ、その生産性を改良させる効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の排気ブレーキ装置の一実施の形態を示
す一部断面図である。

【図２】図１のなかの弁軸を示す側面図である。

【図３】図１のなかの一方の軸受部材を示す側断面図で
ある。

【図４】図１のなかの他方の軸受部材を示す側断面図で
ある。

【図５】本実施例に示す処理を施したものと、従来のガ
ス軟窒化処理を施したものとのピン・オン・ディスク摩
耗試験結果を示す図で、ピン側の摩耗量を表す。

【図６】図５と同様な、ピン・オン・ディスク摩耗試験
結果を示す図で、ピン側の摩擦係数を表す。

【図７】本実施例に示す処理を施した弁軸および軸受部
材と、従来のガス軟窒化処理を施した弁軸および軸受部
材との回動試験結果を示す図である。

【図８】本実施例に示す処理を施したものと、従来のガ
ス軟窒化処理を施したものとの塩水噴霧試験の１０００
時間経過後の発生した錆の厚さを示す図である。

【図９】本実施例に示す処理を施したものと、従来のガ
ス軟窒化処理を施したものとの大気中６００℃環境下に
おける、６００時間放置後の表面層の硬さを示す図であ
る。

【符号の説明】１排気ブレーキ装置２排気ガス通路３バルブ本体３ａ内部通路４弁体５弁軸５ａ，６ａ，７ａ摺動部分６，７軸受部材１０ａ取付板１１アクチュエータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エンジンの排気管中に設けられ、その排
気ガス通路の一部を形成するバルブ本体と、該バルブ本
体の内部に配設され、前記排気ガス通路を開閉する弁体
を取り付けた弁軸と、該弁軸を回動自在に支持するた
め、前記バルブ本体に設けられた軸受とを備える排気ブ
レーキ装置において、前記弁軸の表面全体と、前記軸受の軸受け穴の内面を含
む表面全体とに、無機質からなる硬化層を形成させるこ
とを特徴とする排気ブレーキ装置。
【請求項２】前記無機質からなる硬化層は、５〜４０
μｍの厚さを有し、その硬さが、Ｈｖ１０００（ビッカ
ース硬さ１０００）以上であることを特徴とする請求項
１に記載の排気ブレーキ装置。
【請求項３】前記無機質からなる硬化層には、クロム
（Ｃｒ）、ほう素（Ｂ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ
（Ｎｂ）のうち、一種以上の元素が含まれることを特徴
とする請求項１または２に記載の排気ブレーキ装置。
【請求項４】エンジンの排気管中に設けられ、その排
気ガス通路の一部を形成するバルブ本体の内部に配設さ
れ、該排気ガス通路を開閉する弁体を取り付けた弁軸
と、該弁軸を回動自在に支持するため、前記バルブ本体
に設けられた軸受とを備える排気ブレーキ装置の製造方
法において、前記弁軸と前記軸受とを、硼砂を主成分とし、クロム
（Ｃｒ）、ほう素（Ｂ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ
（Ｎｂ）のそれぞれの元素を含む高温塩浴中に浸漬し、
前記各元素を、前記弁軸の表面と、前記軸受の軸受け穴
の内面を含む表面とに拡散浸透させ、前記それぞれの元
素を含む無機質硬化層を形成させることを特徴とする排
気ブレーキ装置の製造方法。