JP2005023827A

JP2005023827A - 耐摩摺動部品

Info

Publication number: JP2005023827A
Application number: JP2003189680A
Authority: JP
Inventors: Takehisa Yamamoto; 剛久山本; Kenjiro Higaki; 賢次郎桧垣; Yasushi Chikugi; 保志筑木
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2003-07-01
Filing date: 2003-07-01
Publication date: 2005-01-27
Also published as: EP1640566A1; CA2496667A1; KR20060024319A; JP2005023830A; AU2004254486A1; US20060000432A1; WO2005003522A1; JP2005023828A

Abstract

【課題】互いに接触して関連して運動する２つの部品、例えば、ディーゼルエンジンの動弁系のバルブブリッジとロッカーアームなどの接触部の摩耗を減少させて、その部品の寿命を延ばす。
【解決手段】２つの部品（図はバルブブリッジ１とロッカーアーム２）の接触部に耐摩部材３を介在する。その耐摩部材３の底面の外周コーナ部にコーナのエッジを除去する面取り部５を施しておき、この耐摩部材３をバルブブリッジ１に設けた凹部４にその凹部からの脱落が防止される状態にして凹部内での回転と底面に平行な方向の移動が許容される状態に挿入し、この耐摩部材３の上面にロッカーアーム２を接触させる構造にした。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明属する技術分野】
この発明は、ディーゼルエンジンの動弁系部品などとして使用する耐摩摺動部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ディーゼルエンジンのＮＯｘ性能向上のためのＥＧＲの採用、エンジン性能の向上などのために同エンジンのバルブブリッジとロッカーアームなどには、一層の耐摩耗性改善が要求されている。
【０００３】
この要求に応えるために、互いに関連して動く２つの部品の一方、例えばバルブブリッジのロッカーアーム当接部に凹部を設けてその凹部に耐摩部材を嵌め、この耐摩部材に他方の部品（ロッカーアーム）を接触させて部品接触部（摺動面）の摩耗を減少させることが考えられており、下記特許文献１等にその耐摩部材を採用した耐摩摺動部品が示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２９６３２４１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許文献１が示している耐摩摺動部品は、耐摩耗性の改善を耐摩部材の特性のみに依存して行なっており、耐摩部材の能力を超えた摩耗抑制効果は期待できない。この特許文献１の耐摩摺動部品は、凹部に一体成形した弾性部材を凹部に嵌めた耐摩部材の胴部に圧接させて耐摩部材を凹部の中に固定しているが、これはセラミックス製の耐摩部材をチッピングや残留応力による耐久性の悪化等を生じさせずに簡単に、外れないように取り付けるための工夫であって、接触面の耐摩耗性をさらに高める効果はない。
【０００６】
バルブブリッジとロッカーアームなどは、互いに関連して運動するときの接触摺動範囲が限られており、耐摩部材としてセラミックス等を使用しても局所摩耗が発生し、部品の寿命が短くなる。
【０００７】
この発明は、互いに接触しながら関連して運動する部品の寿命を延ばすために、上述した局所摩耗を効果的に抑制できるようにすることを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、この発明においては、互いに関連して動く２つの部品と、両部品の接触部に介在する耐摩部材とを有し、前記耐摩部材の底面の外周コーナ部にコーナのエッジを除去する面取り部を形成し、この耐摩部材を一方の部品に設けた凹部にその凹部からの脱落が防止される状態にして凹部内での回転と底面と平行な方向の移動が許容される状態に挿入し、この耐摩部材の上面に他方の部品を接触させて前記２つの部品を運動させるようにした。
【０００９】
なお、耐摩部材の底面の外周コーナ部に設ける面取り部の面取り量は、面取りの効果を発揮させるために、Ｃ面取り、Ｒ面取りのどちらについても、面取りの幅を０．０５ｍｍ以上、好ましくは０．２ｍｍ以上、特に好ましくは０．４ｍｍ以上とするのがよい。
【００１０】
この面取りの上限は、耐摩部材の直径の２０％以下が好ましく、この好ましい上限を超えない範囲で耐摩部材の底面の外周コーナの面取り量を凹部の隅Ｒまたは隅Ｃ寸法よりも大きくしておくのがよい。
【００１１】
耐摩部材の上部外周にも外周コーナのエッジを除去する面取り部を形成しておくことができ、これも部品の寿命向上の効果をもたらす。
【００１２】
また、耐摩部材の外径と凹部の内径の差は、０．０３ｍｍ以上、さらに、好ましくは０．１ｍｍ以上確保しておくのがよい。
【００１３】
このほか、耐摩部材の素材は、Ｆｅ−Ｃｒ系焼結合金、超硬合金、セラミックスなどが挙げられるが、その中でも、特に軽量で耐摩耗性に優れるセラミックスが好ましい。セラミックスは、軽量で耐摩耗性に優れる窒化珪素が好ましく、さらに、その窒化珪素は、曲げ強度８００ＭＰａ以上、ビッカース硬度１４００以上あるものが好ましい。
【００１４】
なお、この発明を適用する部品は、ディーゼルエンジンの動弁系のバルブブリッジとロッカーアームに限定されない。２つの部品が間に介在した耐摩部材との接触状態を保って運動し、その運動によって接触部に摺動摩擦が生じる部品であればこの発明の効果が発揮される。
【００１５】
【作用】
耐摩部材を凹部内での回転と径方向移動が許容されるようにしておくと、２つの部品が運動するときに一方の部品から接触面に加わる力でこの耐摩部材が底面に平行な方向に移動し、或いは回転するので、２つの部品に対する耐摩部材の接触点が常に変動し、そのために、局所摩耗が回避されて接触面の摩耗が減少する。
【００１６】
特に、この発明では、耐摩部材の底面の外周コーナ部のエッジを面取りして除去したので、凹部の底面に対するエッジの引っ掛かりが防止され、耐摩部材が凹部内でスムーズに移動、回転する。そのため、接触点の変動がスムーズに確実に起こり、局所摩耗の防止効果が確実に引き出される。
【００１７】
また、耐摩部材の上部外周のコーナに面取りを施すと、上部外周のコーナのエッジが接触することによる凹部内周面の傷つきが防止される。
【００１８】
その他の作用・効果や、面取り量の好ましい範囲を規定した理由などは次項において説明する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を、図１乃至図５に基づいて説明する。図１はマルチバルブエンジン用の動弁系部品を例に挙げている。図中１はバルブブリッジ、２はロッカーアーム、３は耐摩部材である。
【００２０】
バルブブリッジ１は、シリンダヘッド１０上に立設されたガイドピン１１に案内されて上下に往復運動する。ロッカーアーム２は、ロッカーシャフト１２によって定位置揺動自在に支持されており、このロッカーアーム２の一端がプッシュロッド１３によって突き上げられる。その突き上げと、突き上げの解除がカムシャフト１４の回転に伴って繰り返され、ロッカーアーム２が揺動する。
【００２１】
そのロッカーアーム２の揺動により、ロッカーアーム２の他端に接触したバルブブリッジ１が押し下げられ、バルブブリッジ１にステムを接触させた２つのバルブ１５が同時に開弁する。また、２つのバルブ１５は、ロッカーアーム２による押し下げが解除されるときに閉弁用スプリング１６の力で押し上げられて同時に閉弁し、これに伴いバルブブリッジ１も元の位置に押し戻される。このように、バルブブリッジ１とロッカーアーム２は、エンジンの燃焼のタイミングに合わせて２つのバルブ１５の開閉を行うための部品である。
【００２２】
耐摩部材３は、上部の外径を下部の外径よりも小さくした平面視円形のピースであり、この耐摩部材３を図２、図３に示すように、バルブブリッジ１の上部中央部に形成した凹部４の中に沈み込ませてバルブブリッジ１に取り付けている。
【００２３】
凹部４は、図３に示す内径Ｄ０を耐摩部材３の外径Ｄ１よりも大きくしている。また、この凹部４の開口に抜止め部材６を取り付けるなどして凹部４に挿入した耐摩部材３の脱落を防止している。また、抜け止め部材６に代えて凹部４の開口の全周を変形させて抜け止め部としてもよい。開口の全周を内側に突出するように変形させた抜け止め部は、耐摩部材３との干渉が起こらず、耐摩部材３のスムーズな回転、移動が阻害されない。
【００２４】
例示の耐摩部材３は、窒化珪素の焼結体（セラミックス）で形成されており、この耐摩部材３の底面の外周コーナ部に、コーナのエッジを除去する面取り部５を形成している。図４にそのコーナの面取り部５を拡大して示す。この面取り部５は、図４（ａ）に示すＣ面取り、図４（ｂ）に示すＲ面取りのどちらであってもよい。また、この面取り部５の幅は、Ｃ（Ｒ）＝０．０５ｍｍ以上、好ましくは０．２ｍｍ以上、特に好ましくは０．４ｍｍ以上とするのがよい。この面取り部５を設けると、凹部４の底面に耐摩部材３が引っ掛かることがなくなり、耐摩部材３が凹部４内でスムーズに移動或いは回転する。
【００２５】
面取り量の上限は、耐摩部材３の直径の２０％以下が好ましく、この範囲内での面取りであれば、耐摩部材３の支持安定性（すわり）が悪化する心配がない。
【００２６】
なお、凹部４の隅角部（底部コーナ）が加工上、或いは応力集中回避の観点から完全な直角にならず、隅角部にＲ面やＣ面が生じるときには、耐摩部材３の底面の外周コーナ部の面取り量を、凹部４の隅Ｒ寸法または隅Ｃ寸法よりも大きくして耐摩部材３が凹部４の隅Ｒ面や隅Ｃ面に乗り上げないようにしておくのがよい。
【００２７】
耐摩部材３の外周コーナの面取りは、上部外周のコーナにも施しておくことができる。耐摩部材３を、外周に段差のある図５のような形状にする場合には特に、外周コーナ７の部分のエッジが図３、図４に示す形状の場合よりも鋭くなり、このエッジが凹部４の内径面に接触してその内径面が傷つくことが考えられるが、コーナ７にエッジを除去する面取り部８を形成しておけばその不具合が発生しない。
【００２８】
耐摩部材３の外径Ｄ１と凹部４の内径Ｄ０の差（Ｓ＝Ｄ０−Ｄ１）は、０．０３ｍｍ以上、できれば０．１ｍｍ以上確保しておくのがよい。径差Ｓが０．０３ｍｍ未満では耐摩部材３の移動量が少なく、発明の効果が発現しない。また、径差Ｓが０．０３ｍｍ未満では凹部４に対する耐摩部材３の装填がし難くなり、加工管理も面倒になってコスト高の要因となる。なお、径差Ｓの上限は特にないが、耐摩部材３の外径Ｄ１の１０％程度に抑えると耐摩部材３が必要以上に大きくならなくてよい。
【００２９】
耐摩部材３は、曲げ強度８００ＭＰａ以上、ビッカース硬度１４００以上の窒化珪素焼結体を用いている。曲げ強度が８００ＭＰａ未満の窒化珪素焼結体は使用時に割れ、欠けが発生する可能性が高くなる。また、ビッカース硬度が１４００未満では耐摩耗性に劣り、摩耗が進行する可能性が高くなる。
【００３０】
この窒化珪素焼結体は、例えば、平均粒径５μｍ以下、かつ、α結晶化率５０％以上の窒化珪素粉末と、平均粒径５μｍ以下のＡｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｔｉの酸化物又はそれらの複合酸化物の少なくとも１種からなる焼結助剤粉末５〜１５重量％とを混合し、この原料混合粉末を相対密度が４５％以上となるように成形して１０００℃以下の大気雰囲気下で前処理し、続いて前処理した成形体を不活性雰囲気中で相対密度が９９％以上となるまで焼結する方法で製造される。
【００３１】
−実施例−
図１に示す４バルブディーゼルエンジンのバルブブリッジ１に、凹部４を設けてその凹部４に窒化珪素焼結体の耐摩部材３を挿入し、その耐摩部材３の上面にロッカーアーム２を接触させた。耐摩部材３は、底部の外周コーナに図４（ａ）のＣ面取りを施したものと、面取りを施していないもの（比較例）を用いた。面取りのサイズは表１に示す３種とした。耐摩部材３はその外径を８．０ｍｍとし、この耐摩部材３を、内径８．１５ｍｍ、隅Ｒ０．１ｍｍの凹部４に挿入し、抜止め部材６で耐摩部材３の脱落を防止した。耐摩部材３は、凹部４内での回転が許容され、また、凹部４の内径面との間に生じた融通の範囲内での径方向移動も許容される状態になっている。
【００３２】
このように構成したバルブブリッジ１とロッカーアーム２を組合わせてディーゼルエンジンの動弁機構を再現したモータリングにより４８０時間稼働させ、この段階でロッカーアーム２、耐摩部材３、凹部４の接触摺動面の摩耗深さを測定した。その摩耗の合計深さ（摩耗量）を表１に併せて示す。なお、ロッカーアーム２は試験前後の形状変化量を摩耗深さとし、耐摩部材３はロッカーアーム２との接触面、凹部４の底面との接触面の形状を粗さ計で計って２つの接触面の形状変化量の和を摩耗深さとした。また、凹部４の底面の摩耗量は、底面の形状変化量を粗さ計で計って求めた。
【００３３】
【表１】

【００３４】
この試験結果から分かるように、凹部４との間に融通を生じさせて耐摩部材に回転と移動の自由度を与えても、耐摩部材の底面の外周コーナ部にエッジが残されているものは接触面の摩耗が大きくなるが、耐摩部材の底面の外周コーナのエッジを除去したものは接触面の摩耗が小さく抑えられる。これは、耐摩部材が凹部の底面に引っ掛らずにスムーズに移動、回転した結果、接触点が変動したことによる。
【００３５】
なお、ここでの説明は、ディーゼルエンジンの動弁系のバルブブリッジとロッカーアームを例に挙げて行ったが、２つの部品が耐摩部材と接触しながら運動し、その運動によって耐摩部材との接触部に摺動摩擦が生じる部品であれば、動弁系部品でなくてもこの発明の効果が発揮される。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明の耐摩摺動部品は、耐摩部材の底面の外周コーナ部にコーナのエッジを除去する面取りを施し、この耐摩部材を一方の部品に設けた凹部にその凹部からの脱落が防止される状態にして凹部内での回転と底面に平行な方向の移動が許容される状態に挿入し、この耐摩部材の上面に他方の部品を接触させて関連して動く２つの部品を運動させるようにしたので、耐摩部材が凹部内でスムーズに移動、回転して接触点の変動が確実に起こり、そのために、接触面の摩耗が減少して部品の寿命が延びる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明を適用した４バルブディーゼルエンジンのバルブブリッジ摺動部を示す図
【図２】図１のバルブブリッジとロッカーアームの接触部の断面図
【図３】耐摩部材の取り付け部を拡大して示す断面図
【図４】（ａ）耐摩部材の底面の外周コーナに設ける面取り部の一例を示す図
（ｂ）耐摩部材の底面の外周コーナに設ける面取り部の他の例を示す図
【図５】上部の外周コーナに面取り部を設けた耐摩部材の断面図
【符号の説明】
１バルブブリッジ
２ロッカーアーム
３耐摩部材
４凹部
５、８面取り部
６抜止め部材
７上部の外周コーナ
１０シリンダヘッド
１１ガイドピン
１２ロッカーシャフト
１３プッシュロッド
１４カムシャフト
１５バルブ
１６スプリング
Ｓ凹部内径と耐摩部材外径の径差

Claims

互いに関連して動く２つの部品と、両部品の接触部に介在する耐摩部材とを有し、前記耐摩部材の底面の外周コーナ部にコーナのエッジを除去する面取り部を形成し、この耐摩部材を一方の部品に設けた凹部にその凹部からの脱落が防止される状態にして凹部内での回転と底面に平行な方向の移動が許容される状態に挿入し、この耐摩部材の上面に他方の部品を接触させて前記２つの部品を運動させるようにした耐摩摺動部品。
前記耐摩部材の底面の外周コーナの面取り量を、前記凹部の隅Ｒまたは隅Ｃ寸法よりも大きくした請求項１に記載の耐摩摺動部品。
前記耐摩部材の上部外周にも外周コーナのエッジを除去する面取り部を形成した請求項１又は２に記載の耐摩摺動部品。
前記耐摩部材の外径と前記凹部の内径の差を０．０３ｍｍ以上とした請求項１乃至３のいずれかに記載の耐摩摺動部品。
前記耐摩部材を窒化珪素セラミックスで形成した請求項１乃至４のいずれかに記載の耐摩摺動部品。
互いに関連して動く２つの部品がディーゼルエンジンの動弁系のバルブブリッジとロッカーアームであり、バルブブリッジの上部に設けた凹部に前記耐摩部材が挿入され、その耐摩部材の頂部にロッカーアームを接触させるように構成された請求項１乃至５のいずれかに記載の耐摩摺動部品。