JP2003056315A - ローラ付きカムフォロア - Google Patents

ローラ付きカムフォロア

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JP2003056315A
JP2003056315A JP2001251103A JP2001251103A JP2003056315A JP 2003056315 A JP2003056315 A JP 2003056315A JP 2001251103 A JP2001251103 A JP 2001251103A JP 2001251103 A JP2001251103 A JP 2001251103A JP 2003056315 A JP2003056315 A JP 2003056315A
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弘樹 土山
Koji Kametaka
晃司 亀高
Tadahisa Suzuki
忠寿 鈴木
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 優れた耐久性および疲労寿命を有するローラ
付きカムフォロアを提供する。 【解決手段】 本発明のローラ付きカムフォロアは、ロ
ーラ支持部１４を一体に有するカムフォロワ本体１と、
ローラ支持部１４に両端部が固定されたローラ支持軸２
と、ローラ支持軸２に複数の針状ころ３を介して回転自
在に支持されたローラ４とを備えている。支持軸２およ
び針状ころ３の少なくとも一方がその表面に窒化層を有
し、表面硬さがＨＶ６５０以上で、かつ残留オーステナ
イト量が２５体積％以上５０体積％以下である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ローラ付きカムフ
ォロアに関し、具体的には、車両の内燃機関の動弁機構
に組込まれるローラ付きカムフォロアに関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】ＶＴＥＣ（Variable Valve Timing & Li
ft Electronic Control System）のような可変バルブタ
イミング機構を有する内燃エンジンが一般的に知られて
いる。このような内燃エンジンでは、高速時には２つの
駆動ロッカーアームとそれらを連結する連結用ロッカー
アームとが一体的に作動し、低速時には２つの駆動ロッ
カーアームが別々に作動するよう動弁機構が構成されて
いる。
【０００３】この駆動ロッカーアームおよび連結用ロッ
カーアームの各々においては、カムに接するローラがニ
ードル軸受により支持されている。現在、ローラを支持
する軸の材質として、駆動ロッカーアームにおいてはＳ
ＵＪ２が使用されており、連結用ロッカーアームにおい
ては浸炭鋼が使用されている。このような材質が用いら
れる理由は以下のとおりである。
【０００４】エンジン回転数が低いときには、切換ピン
の作動がないため、ローラを支持するニードル軸受にか
かる荷重は小さい。このため、駆動ロッカーアームに関
しては、ＳＵＪ２材が使用されることになる。
【０００５】しかし、エンジン回転数が高いときには切
換ピンの作動が生じ、駆動ロッカーアームと連結用ロッ
カーアームとの軸が一体となるため、連結用ロッカーア
ームにおいてローラを支持するニードル軸受には過大な
荷重が加わる。よって、寿命を確保するために軸受幅を
大きくする必要がある。
【０００６】また、エンジン回転数が高いときには、切
換ピンの作動により駆動ロッカーアームと連結用ロッカ
ーアームとを一体として作動させるため、軸内径を起点
とする軸の折れに対して対策する必要がある。そのた
め、連結用ロッカーアームにおけるローラの支持軸に対
しては、軸受幅を大きくするとともに、靭性を持った浸
炭材を使用することにより対応がなされている。
【０００７】なお、ＳＵＪ２材を用いる場合には、この
ＳＵＪ２材に焼入れ、焼戻しが施されて、針状ころの転
動面の硬さがＨＲＣ６０〜６２になるように調整されて
いる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ロッカーアームに支持
されたローラは、カムと直接接触する部分であり、内燃
機関を構成する部品の中でも潤滑的に厳しく、カムとロ
ーラとの接触面は境界潤滑領域といわれている。このよ
うな厳しい潤滑条件下では、ローラを支持する針状ころ
と軸とは基本的に転がり接触をするが、カム荷重が急激
に変動するときには針状ころと軸とに微小な滑りが発生
する。このときに、針状ころ軸受は潤滑不良状態とな
り、摩耗などが発生して十分な耐久性が得られない。ま
た、カム荷重が大きくなると、針状ころと軸との接触面
圧が高くなり、十分な疲労寿命が得られなくなる。
【０００９】それゆえ、本発明の目的は、優れた耐久性
および疲労寿命を有するローラ付きカムフォロアを提供
することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明のローラ付きカム
フォロアは、ローラ支持部を一体に有するカムフォロア
本体と、ローラ支持部に両端部が固定された支持軸と、
この支持軸に複数の針状ころを介して回転自在に支持さ
れたローラとを備えたローラ付きカムフォロアにおい
て、支持軸および針状ころの少なくとも一方が、その表
面に窒化層を有し、表面硬さがＨＶ６５０以上で、かつ
残留オーステナイト量が２５体積％以上５０体積％以下
である。
【００１１】本発明のローラ付きカムフォロアによれ
ば、窒化を伴う処理を施すことにより表面硬さをＨＶ６
５０以上と高くできるとともに、残留オーステナイト量
を２５体積％以上５０体積％以下と増大させることがで
きる。これにより、支持軸と針状ころとの間に発生する
摩耗を減少させ、かつ疲労強度が向上することにより、
優れた耐久性および転がり疲労寿命を発揮することがで
きる。
【００１２】また窒化を伴う処理を施すため、支持軸お
よび針状ころの少なくとも一方の表面に窒化層が形成さ
れる。
【００１３】なお、残留オーステナイト量が２５体積％
未満では、カムフォロアの転がり疲労寿命向上の効果が
得られない。また残留オーステナイト量が５０体積％よ
り多くなると、表面硬さが低下して耐摩耗性が低下す
る。このため、残留オーステナイト量は２５体積％以上
５０体積％以下である必要がある。
【００１４】また、表面硬さがＨＶ６５０未満では、針
状ころの転動の際に支持軸が摩耗変形する。このため、
表面硬さはＨＶ６５０以上である必要がある。
【００１５】上記のローラ付きカムフォロアにおいて好
ましくは、支持軸が浸炭鋼からなり、浸炭窒化処理後に
焼戻し処理された構成を有している。
【００１６】本発明のように高温域で使用されるローラ
付きカムフォロアの支持軸は使用環境下での寸法を安定
させるために、環境温度以上の温度で焼戻し処理が施さ
れる。
【００１７】上記のローラ付きカムフォロアにおいて好
ましくは、支持軸の両端部がローラ支持部にかしめ固定
されている。
【００１８】上記のかしめ固定は支持軸の端面のみを打
刻するだけで行なうことができるため、ローラ支持部に
衝撃は加わらず、したがって組立の際にカムフォロアが
変形するおそれはない。
【００１９】上記のローラ付きカムフォロアにおいて好
ましくは、支持軸の両端面は未焼入れによりＨＶ２００
以上２８０以下の表面硬さを有している。
【００２０】これにより、カムフォロアに組立てる際に
支持軸の端面を打刻して端縁部を拡張することができ、
そのようなかしめ固定の際においても端部に亀裂が生じ
ることはなく、カムフォロア本体に支持軸を容易かつ堅
固に固定することができる。
【００２１】上記のローラ付きカムフォロアにおいて好
ましくは、支持軸が軸受鋼からなり、浸炭窒化処理後に
焼戻し処理された構成を有している。
【００２２】本発明のように高温域で使用されるローラ
付きカムフォロアの支持軸は使用環境下での寸法を安定
させるために、環境温度以上の温度で焼戻し処理が施さ
れる。
【００２３】上記のローラ付きカムフォロアにおいて好
ましくは、支持軸が中空軸からなり、ローラ支持部に固
定されている。
【００２４】支持軸が中空軸であるため、中空部に切換
ピンを配置することで、ＶＴＥＣなどの可変バルブタイ
ミング機構を簡易な構成で実現することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図に基づいて説明する。
【００２６】図１は本発明の一実施形態におけるローラ
付きカムフォロアを示す概略正面図であり、図２は図１
のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面に対応する図である。図１お
よび図２を参照して、カムフォロア本体１は、中央部に
おいて軸受メタルなどを介してカムフォロア軸５に回転
自在に支持されている。
【００２７】このカムフォロア本体１の一方端部には、
アジャストねじ７が螺挿されている。このアジャストね
じ７はロックナット８により固定され、その下端におい
て内燃機関の給気弁もしくは排気弁の突起棹９の上端と
当接している。この突起棹９はばね１０の段発力で付勢
されている。
【００２８】カムフォロア本体１は、その他方端部に二
股状に形成されたローラ支持部１４を一体に有してい
る。この二股状のローラ支持部１４に、ローラ軸２の両
端が圧入もしくは止め輪により固定されている。このロ
ーラ軸２の外周面中央部には、針状ころ３を介して回転
自在にローラ４が支持されている。このローラ４の外周
面は、ばね１０の付勢力によりカム６のカム面に圧接さ
れている。
【００２９】ローラ軸２および針状ころ３の少なくとも
一方は、窒化を伴う処理を施されることにより、その表
面に窒化層を有し、表面硬さはＨＶ６５０以上で、かつ
表層部の残留オーステナイト量が２５体積％以上５０体
積％以下である。
【００３０】またローラ軸２は、たとえば軸受鋼からな
り、浸炭窒化処理後に焼戻し処理された構成を有してい
る。またこのローラ軸２は、たとえば中空軸からなり、
中空部内に切換ピンなどを配置できるよう構成されてい
る。
【００３１】このような構成により、カム６が回転する
ことにより、ローラ４を介してカムフォロア本体１がカ
ムフォロア軸５を中心として回転し、突起棹９の先端に
取付けられた給気弁もしくは排気弁を開閉動作する。
【００３２】次に、図１および図２に示すローラ付きカ
ムフォロアをＶＴＥＣの動弁機構に用いた構成について
説明する。
【００３３】図３は、図１のローラ付きカムフォロアを
ＶＴＥＣの動弁機構に適用した構成を、図１のＩＩ−Ｉ
Ｉ線に沿う断面に対応させて示す図である。図３を参照
して、通常、ＶＴＥＣの動弁機構では、図１および図２
に示すような突起棹９に当接するローラ付きカムフォロ
アが駆動ロッカーアームＲＡ１、ＲＡ２として両側に１
つずつ配置されている。そして、２つの駆動ロッカーア
ームＲＡ１、ＲＡ２の間には、図１および図２において
突起棹９に当接しないローラ付きカムフォロアが連結用
ロッカーアームＲＡ３として配置されている。
【００３４】この連結用ロッカーアームＲＡ３は、エン
ジン回転数の高いときに両側の駆動ロッカーアームＲＡ
１とＲＡ２とを連結して一体的に作動させ、エンジン回
転数の低いときには両側の駆動ロッカーアームＲＡ１と
ＲＡ２と別個に作動させるものである。
【００３５】これら３つのロッカーアームＲＡ１〜ＲＡ
３の各ローラ４、４ａを支持するローラ軸２、２ａの各
々は中空形状を有しており、その中空部内に２つの切換
ピン１１ａ、１１ｂが並んで配置されている。切換ピン
１１ａの一方端面と切換ピン１１ｂの一方端面とは当接
しており、切換ピン１１ｂの他方端面はばね１２によっ
て切換ピン１１ａ側へ付勢されている。また切換ピン１
１ａの他方端面側には、ローラ軸２の中空部内に接続す
るように油圧回路１３が設けられている。
【００３６】このような構成において、油圧回路１３に
よって切換ピン１１ａの他方端面側の油圧を高くするこ
とにより、切換ピン１１ａ、１１ｂはばね１２の付勢力
に反して図中右側に移動する。これにより、各ロッカー
アームＲＡ１〜ＲＡ３は連結され、一体的に作動する。
【００３７】一方、油圧回路１３によって切換ピン１１
ａの他方端面側の油圧を低くすることにより、切換ピン
１１ａ、１１ｂはばね１２の付勢力により図中左側へ移
動する。これにより、切換ピン１１ａと切換ピン１１ｂ
との当接面がロッカーアームＲＡ１とＲＡ３との境界に
位置するとともに、切換ピン１１ｂの他方端面がロッカ
ーアームＲＡ３とＲＡ２との境界に位置する。これによ
り、３つのロッカーアームＲＡ１〜ＲＡ３の各々の連結
状態は解除され、ロッカーアームＲＡ１〜ＲＡ３の各々
は別個に作動する。
【００３８】このようにして３つのロッカーアームＲＡ
１〜ＲＡ３を、高回転領域では一体的に作動させ、低回
転領域では別個に作動させることができ、それにより可
変バルブタイミングを実現することが可能となる。
【００３９】上記のＶＴＥＣにおける動弁機構において
は、ロッカーアームＲＡ１〜ＲＡ３の各ローラ軸２、２
ａおよび各針状ころ３、３ａの少なくとも一方に窒化処
理が施され、それにより表面に窒化層が形成されてい
る。またこのローラ軸２、２ａおよび針状ころ３、３ａ
の少なくとも一方の表面硬さがＨＶ６５０以上で、かつ
表層における残留オーステナイト量が２５体積％以上５
０体積％以下である。
【００４０】なおローラ軸２は中空形状でなくてもよ
く、たとえば図４に示すように密実な構成を有し、かつ
その両端部がローラ支持部１４にかしめ固定されていて
もよい。このかしめ固定は、二股のローラ支持部１４に
設けられた軸孔１５にローラ軸２を嵌入した後に、ロー
ラ軸２の端面１６にかしめ溝１７を形成するように打刻
することで行なわれる。かしめ溝１７が形成されること
により、ローラ軸２の端縁部が拡大して、軸孔１５の内
面を弾性付勢するため、ローラ軸２は軸孔１５に強固に
固定されることになる。
【００４１】図５は、図４に示すローラ軸の縦断面図
（ａ）および硬度分布線図（ｂ）である。図５（ａ）、
（ｂ）を参照して、ローラ軸２の中央部２ｃは高周波焼
入れにより硬化された部分であり、両側の端部２ｄは焼
入れの施されていない未焼入れ部分である。なお中央部
２ｃの一部または全部の外周面は針状ころ３が転動す
る、いわゆる転走面となる部分である。
【００４２】図５（ｂ）を参照して、このローラ軸２の
表面の硬度分布において、中央部２ｃはビッカース硬度
ＨＶ６５０以上であり、両端部２ｄの軟化層はビッカー
ス硬度ＨＶ２００以上２８０以下である。これにより、
中央部２ｃは針状ころ３の転走面としては十分な硬度で
あり、軟化部２ｄはかしめ加工するに十分に軟質であ
る。
【００４３】なお、上記のローラ軸２は、浸炭鋼からな
り、浸炭窒化処理後に焼戻し処理された構成を有してい
る。
【００４４】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。
【００４５】図６に示す試験機を用いて浸炭軸と浸炭窒
化軸との寿命試験を行なった。図６を参照して、試験機
として、軸５２と外輪５４との間に複数個の針状ころ５
３を転動可能に配置した構成のものを用い、この外輪５
４を部材５５によりラジアル荷重をかけながら所定の速
度で回転させることにより寿命試験を行なった。
【００４６】このときの試験条件を表１に示す。
【００４７】
【表１】
【００４８】上記試験機において、軸５２として、浸炭
処理を施した鋼（浸炭鋼）よりなる軸を用いた場合と、
浸炭窒化処理を施した鋼よりなる軸とを用いた場合とで
行なった。その寿命試験の結果を表２に示す。
【００４９】
【表２】
【００５０】表２の結果より、窒化処理を施さない浸炭
軸の場合には、２０時間〜３５時間程度で軸が破損して
しまうのに対し、窒化処理を施した浸炭窒化軸では、２
５０時間や４８０時間を経過しても軸が破損しなかっ
た。
【００５１】また浸炭軸は、表面硬さがＨＶ６５０以上
であるものの、残留オーステナイト量は１０体積％であ
った。また浸炭窒化軸は、表面に窒化層を有しており、
表面硬さがＨＶ６５０以上で、かつ残留オーステナイト
量が２５体積％以上５０体積％以下であった。
【００５２】このことより、表面硬さだけを高めるなら
ば浸炭焼入れだけでもよいが、残留オーステナイト量を
２５体積％以上５０体積％以下とするには窒化処理が必
要であり、残留オーステナイト量が２５体積％以上５０
体積％以下であることにより、寿命が飛躍的に向上する
ことが判明した。
【００５３】なお上記の試験においては、浸炭軸と浸炭
窒化軸との比較について説明したが、ＳＵＪ２に窒化処
理を施した材質よりなる軸を用いた場合においても、表
面に窒化層が形成されており、表面硬さがＨＶ６５０以
上で、かつ残留オーステナイト量が２５体積％以上５０
体積％以下となり、寿命が飛躍的に向上した。このこと
より、窒化処理を施した軸受鋼よりなる軸においても、
上記の浸炭窒化軸と同様の効果が得られることが分かっ
た。
【００５４】また、上記においては図６の軸５２につい
て調べたが、針状ころ５３として、上記と同様の浸炭鋼
または軸受鋼に窒化処理を施して、表面硬さがＨＶ６５
０以上で、かつ残留オーステナイト量が２５体積％以上
５０体積％以下の材質のものを用いることで、上記と同
様、寿命が飛躍的に向上した。
【００５５】今回開示された実施の形態および実施例は
すべての点で例示であって制限的なものではないと考え
られるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではな
くて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と
均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれるこ
とが意図される。
【００５６】
【発明の効果】本発明のローラ付きカムフォロアによれ
ば、窒化を伴う処理を施すことにより表面硬さをＨＶ６
５０以上と高くできるとともに、残留オーステナイト量
を２５体積％以上５０体積％以下と増大させることがで
きる。これにより、支持軸と針状ころとの間に発生する
摩耗を減少させ、かつ疲労強度が向上することにより、
優れた耐久性および転がり疲労寿命を発揮することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態におけるローラ付きカム
フォロアの構成を示す概略正面図である。
【図２】 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略断面図であ
る。
【図３】 図１のローラ付きカムフォロアをＶＴＥＣの
動弁機構に用いた場合の構成を示す図１のＩＩ−ＩＩ線
に沿う概略断面図である。
【図４】 ローラ軸を密実の構成とし、かつかしめ固定
する場合の構成を示す概略断面図である。
【図５】 図４に示すローラ軸の縦断面図（ａ）と、硬
度分布線図（ｂ）である。
【図６】 寿命試験を行なう試験機の構成を概略的に示
す断面図である。
【符号の説明】
１ カムフォロア本体、２ ローラ軸、３ 針状ころ、
４ ローラ、５ カムフォロア軸、６ カム、７ アジ
ャストねじ、８ ロックナット、９ 突起棹、１０ ば
ね、１４ 支持部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｂ２１Ｄ 53/84 Ｂ２１Ｄ 53/84 Ｚ (72)発明者 鈴木 忠寿 静岡県磐田市東貝塚1578番地 エヌティエ ヌ株式会社内 Ｆターム(参考） 3G016 AA06 AA19 BA03 BA49 BA50 BB09 BB13 BB19 BB22 CA21 CA31 DA08 DA22 EA03 EA24 FA17 FA18 FA20 GA02 3G018 AB04 AB16 BA14 CA19 CB02 CB05 CB06 DA12 DA14 DA18 DA28 DA30 DA68 DA81 DA82 FA03 FA06 FA07 GA23 GA27 3J101 AA14 AA24 AA34 AA42 AA52 AA63 AA72 BA10 DA02 EA03 FA31 GA21

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ローラ支持部を一体に有するカムフォロ
    ア本体と、前記ローラ支持部に両端部が固定された支持
    軸と、前記支持軸に複数の針状ころを介して回転自在に
    支持されたローラとを備えたローラ付きカムフォロアに
    おいて、 前記支持軸および前記針状ころの少なくとも一方が、表
    面に窒化層を有し、表面硬さがＨＶ６５０以上で、かつ
    残留オーステナイト量が２５体積％以上５０体積％以下
    であることを特徴とする、ローラ付きカムフォロア。
  2. 【請求項２】 前記支持軸が浸炭鋼からなり、浸炭窒化
    処理後に焼戻し処理された構成を有する、請求項１に記
    載のローラ付きカムフォロア。
  3. 【請求項３】 前記支持軸の両端部が、前記ローラ支持
    部にかしめ固定されている、請求項１または２に記載の
    ローラ付きカムフォロア。
  4. 【請求項４】 前記支持軸の両端面は未焼入れによりＨ
    Ｖ２００以上２８０以下の表面硬さを有している、請求
    項１〜３のいずれかに記載のローラ付きカムフォロア。
  5. 【請求項５】 前記支持軸が軸受鋼からなり、浸炭窒化
    処理後に焼戻し処理された構成を有する、請求項１に記
    載のローラ付きカムフォロア。
  6. 【請求項６】 前記支持軸が中空軸からなり、前記ロー
    ラ支持部に圧入されている、請求項５に記載のローラ付
    きカムフォロア。
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