JP2007009817A

JP2007009817A - タペットローラ軸受

Info

Publication number: JP2007009817A
Application number: JP2005192166A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Takeo; 則之竹尾; Hiroki Komata; 弘樹小俣
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2007-01-18

Abstract

【課題】耐久性に優れたタペットローラ軸受を提供する。
【解決手段】ローラの母層Ｂ上に多孔質層２２を有する窒素化合物層２０を形成し、化合物層２０の緻密層２１の厚さを６〜２０μｍ、好ましくは８〜１５μｍにする。
【選択図】図３

Description

本発明は、エンジンの動弁機構に組み込まれるタペットローラ軸受に関する。

エンジンの動弁機構は、一般に、クランクシャフトと同期して回転するカムシャフトと、このカムシャフトに形成された鋼製のカムと、このカムの回転運動を揺動運動に変換して弁棒に伝えるロッカーアームとを備えており、カムとロッカーアームとの間には、両者間の摩擦を低減するために、タペットローラ軸受が組み込まれている。

タペットローラ軸受はカムに当接するローラと、このローラをロッカーアームに対して回転自在に支持する支持軸とからなり、ローラや支持軸は所要の強度を確保する目的で軸受鋼などの鉄鋼材料から形成されている。このため、カムの回転運動に伴ってローラが回転するとカムとローラ及びローラと支持軸との間に摩擦熱が発生するため、従来ではカムとローラ及びローラと支持軸との間にエンジンオイルを供給して摩擦熱の発生を抑制している。しかし、エンジンオイルの供給量が十分でない場合には、ローラや支持軸の表面などに良好な潤滑油膜が形成され難くなり、異常摩耗や焼付きなどが発生するおそれがある。

このような問題を解消する方策として、下記の特許文献１には、ローラの表面に軟窒化処理、酸化処理などの表面処理を施したものが開示されている。また、特許文献２には、互いに対向するローラの内周面と支持軸の外周面のうち少なくとも一方に、摩擦低減用の表面処理層を形成したものが開示され、特許文献３には、摺動部材に窒化処理を施し、母材上に拡散層および所定深さの化合物層を設け、最外層部の脆い層をバフ研磨による除去を行ったものが開示されている。
特開昭５９−１８３００７号公報特開平８−７４５２６号公報特開２００２−９７５６３号公報

一般的に鋼からなる素材に窒化処理を施した場合、母材中の窒素濃度は母材の表層部が最も高く、母材の芯部に近づくほど低くなる。また、窒化処理により生成される化合物層の組成も窒素濃度によって異なり、窒素濃度が低くなるに従って化合物層が、ε相（Ｆｅ_２Ｎ＋Ｆｅ_３Ｎ）、ε＋γ’、γ’相（Ｆｅ_４Ｎ）となる。
ここで、ε相は非常に脆い層として知られている。また、化合物層の厚さが厚くなると、多孔質層と呼ばれる多数の空孔を含む層が母材の表層部に形成される。この多孔質層は非常に脆い層であるため、通常、有害であると考えられている。

カム外周面とローラ外周面およびローラ内周面と支持軸外周面との摺接部における摩擦抵抗を表面処理層によって低減するためには、製造コストの面から考えると、窒化処理あるいは軟窒化処理を用いることが好ましい。しかしながら、窒化処理により母材の表層部に生成される化合物層はその硬度が非常に高いため、窒化処理が施された部品自身は優れた耐摩耗性を有するものの、相手側の部品を早期に摩耗させてしまうことが懸念される。
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、耐久性に優れたタペットローラ軸受を提供することを目的とするものである。

潤滑性や耐摩耗性を向上させる目的でタペットローラ軸受のローラに窒化処理を施すと、ローラの表面に形成される化合物層は非常に高い硬度を有しているため、窒化処理を施されたローラ自身は優れた耐摩耗性を有するものの、カムや支持軸などの相手部材が早期に摩耗してしまう。
本発明者は鋭意検討した結果、化合物層の最表面に空孔率１０〜６０％の多孔質層が形成されるように窒化処理をローラに施すことで、タペットローラ軸受の耐久性向上を図ることができることを後述する実験結果から見出した。

そこで、請求項１の発明は、シングルローラもしくはダブルローラのタペットローラ軸受であって、前記ローラの表面に形成された化合物層が緻密層と該緻密層の上に多孔質層とを有し、前記緻密層の厚さが６〜２０μｍであることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１記載のタペットローラ軸受において、前記ローラの少なくとも内径側は３〜１５度のテーパ面であることを特徴とする。
なお、ここで言う「化合物層」とは鉄系基体と一体化している化合物層を意味し、「緻密層」とは化合物層の中で鉄系基体側に位置する層を意味する。また、「多孔質層」とは化合物層の中で鉄系基体と側に位置し、１０〜６０％の空孔率を有する層を意味する。

請求項１の発明に係るタペットローラ軸受では、ローラ内周面及び支持軸外周面の摩耗量が低減するので、耐久性に優れたタペットローラ軸受を得ることができる。
請求項２の発明に係るタペットローラ軸受では、化合物層の盛り上がりがローラ内径側に発生し難くなるので、上述した効果に加え、ローラや支持軸に局部的な異常摩耗が発生することを抑制できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるタペットローラ軸受の断面図である。同図において符号１１はクランクシャフト（図示せず）に同期して回転するカムシャフト、１２はカムシャフト１１に形成されたカム、１３はカム１２の回転運動を揺動運動に変換して弁棒に伝えるためのロッカーアームであり、カム１２とロッカーアーム１３との間には、タペットローラ軸受１５が組み込まれている。なお、カムシャフト１１及びカム１２は鋳鉄または軸受鋼から形成されている。

ロッカーアーム１３は相対向する二つの支持壁部１３ａを有しており、各支持壁部１３ａに穿設された貫通孔１４には、後述する支持軸１７の端部が挿入されている。この支持軸１７は高炭素クロム軸受鋼から形成されており、支持軸１７の両端部は外径側に加締められてロッカーアーム１３に固定されている。
タペットローラ軸受１５はカム１２に当接するローラ１６と、このローラ１６をロッカーアーム１３に対して回転自在に支持する支持軸１７とからなり、ローラ１６は外径側に位置するアウターローラ１６１と内径側に位置するインナーローラ１６２とから構成されている。

アウターローラ１６１はＳＵＪ２などの高炭素クロム軸受鋼から形成されており、このアウターローラ１６１の母材には、ずぶ焼入が母材の芯部にまで施されている。
インナーローラ１６２はアウターローラ１６１と同様に高炭素クロム軸受鋼から形成されており、図２に示すように、インナーローラ１６２の外周面１６２ａには、アウターローラ１６１の内周面に対して３〜１５°の開き角θ_１を持つテーパ面１８が軸方向の両端部に０．８〜１．５ｍｍの軸方向長さｌ_１で形成されている。また、インナーローラ１６２の内周面１６２ｂには、支持軸１７の外周面に対して３〜１５°の開き角θ_２を持つテーパ面１９が軸方向の両端部に０．８〜１．５ｍｍの軸方向長さｌ_２で形成されている。

図３はインナーローラ表層部の断面図であり、同図に示すように、インナーローラ１６２の表面には、化合物層２０がインナーローラ１６２の母材（高炭素クロム軸受鋼）にガス軟窒化処理を施すことによって形成されている。この化合物層２０は鉄系基体である母層Ｂの表面側に位置する緻密層２１と、この緻密層２１の表面上に形成された空孔率１０〜６０％の多孔質層２２とを有し、緻密層２１の厚さは６〜２０μｍ、好ましくは８〜１５μｍとなっている。

本発明に係るタペットローラ軸受の効果を確認するために、本発明者は試験軸受として、ローラ外径：３０ｍｍ、ローラ内径：１０．０５ｍｍ、支持軸外径：１０ｍｍ、ローラ及び支持軸材質：ＳＵＪ２、高周波焼入れ及び焼戻し後の支持軸表面硬さ：ＨＲＣ６１〜６４のタペットローラ軸受を用い、図４に示す試験機によりタペットローラ軸受の耐久性試験を実施した。具体的には、タペットローラ軸受のローラ１６に６６ｋｇのラジアル荷重を負荷し、この状態で試験機のモータ２５、プーリ２６，２７、ベルト２８及びジョイント２９からなる回転機構により支持軸１７を３０００ｍｉｎ^−１の回転速度で約３００時間回転させた後、ローラ内周面と支持軸外周面の摩耗量を計測した。その計測結果を表１に示す。

表１において、実施例１〜９及び比較例１〜５はローラ１６の母材にガス軟窒化処理を加熱温度：５５０〜５９０℃、加熱時間：０．２〜１０Ｈｒの条件で施し、ローラ１６の表層部に化合物層を形成したタペットローラ軸受を示し、比較例６はローラ１６の表層部に化合物層を形成しなかったタペットローラ軸受を示している。なお、比較例１〜３はローラ１６の母材にガス軟窒化処理を施した後、ローラ表面をバフ研磨して多孔質層を除去したものを示している。

実施例１〜９と比較例６とを比較すると、実施例１〜９のタペットローラ軸受は比較例６のものと比較して、ローラ及び支持軸の合計摩耗量が著しく少ないことがわかる。これは、比較例６のものはローラ表面に化合物層が形成されていないのに対し、実施例１〜９のものはローラ表面に化合物層が形成されているためである。
次に、実施例１〜９と比較例１〜３とを比較すると、実施例１〜９のタペットローラ軸受は比較例１〜３のものと比較して、ローラ及び支持軸の合計摩耗量が著しく少ないことがわかる。これは、比較例１〜３のものはローラ表面に形成された化合物層が多孔質層を有していないのに対し、実施例１〜９のものはローラ表面に形成された化合物層が多孔質層を有しているためである。

次に、実施例１〜９と比較例４及び５とを比較すると、実施例１〜９のタペットローラ軸受は比較例４及び５のものと比較して、ローラ及び支持軸の合計摩耗量が少ないことがわかる。これは、比較例４及び５のものはローラ表面に形成された化合物層の緻密層厚さが２２〜２８μｍであるのに対し、実施例１〜９のものはローラ表面に形成された化合物層の緻密層厚さが６〜２０μｍであるためである。

実施例１，３，７，８と実施例２，４，５，９とを比較すると、実施例２，４，５，９のタペットローラ軸受は実施例１，３，７，８のものと比較して、ローラ及び支持軸の合計摩耗量が少ないことがわかる。これは、実施例１，３，７，８のものは化合物層の緻密層厚さが７μｍ以下１６μｍ以上であるのに対し、実施例２，４，５，９のものは化合物層の緻密層厚さが８〜１５μｍであるためである。

図３は表１に示した化合物層の緻密厚さとローラ及び支持軸の合計摩耗量との関係を示す図であり、同図からも明らかなように、化合物層の緻密層厚さを６〜２０μｍにすることで、ローラ及び支持軸の摩耗を抑制できることがわかる。
以上のことから、ローラの母材に窒化処理を施して表層部に多孔質層を有する化合物層をローラ表面に形成し、化合物層の緻密層厚さを６〜２０μｍ、好ましくは８〜１５μｍにすることで、ローラ内周面及び支持軸外周面の摩耗量が低減するので、タペットローラ軸受の耐久性を高めることができる。

また、図２に示したように、アウターローラ１６１の内周面に対して３〜１５度の開き角θ_１を有するテーパ面１８をインナーローラ外周面１６２ａの両端部に形成すると共に、支持軸１７の外周面に対して３〜１５度の開き角θ_２を有するテーパ面１９をインナーローラ内周面１６２ｂの両端部に形成すると、インナーローラ表面に形成された窒素化合物層の盛り上がりがインナーローラ外周面１６２ａ及びインナーローラ内周面１６２ｂの両端部に発生し難くなるので、窒素化合物層の盛り上がり部によってアウターローラ外周面や支持軸外周面に局部的な異常摩耗が発生することを抑制できる。この場合、テーパ面１８，１９の軸方向長さを０．８〜１．５ｍｍにすることで、アウターローラ外周面や支持軸外周面に局部的な異常摩耗が発生することを効果的に抑制できる。
上述した実施の形態では、ローラ１６がダブルローラである場合のタペットローラ軸受を例示したが、これに限定されるものではなく、ローラ１６がシングルローラのタペットローラ軸受についても本発明を適用することができる。

本発明の一実施形態に係るタペットローラ軸受の断面図である。図１に示すインナーローラの断面図である。図１に示すインナーローラの表面に形成された化合物層の断面図である。タペットローラ軸受の耐久性試験に用いた試験機の概略図である。ローラ表層部に形成された化合物層厚さとローラ及び支持軸の合計摩耗量との関係を示す図である。

符号の説明

１１カムシャフト
１２カム
１３ロッカーアーム
１５タペットローラ軸受
１６ローラ
１６１アウターローラ
１６２インナーローラ
１６２ａインナーローラ外周面
１６２ｂインナーローラ内周面
１７支持軸
１８，１９テーパ面
２０化合物層
２１緻密層
２２多孔質層

Claims

シングルローラもしくはダブルローラのタペットローラ軸受であって、前記ローラの表面に形成された化合物層が緻密層と該緻密層の上に多孔質層とを有し、前記緻密層の厚さが６〜２０μｍであることを特徴とするタペットローラ軸受。
請求項１記載のタペットローラ軸受において、前記ローラの少なくとも内径側は３〜１５度のテーパ面であることを特徴とするタペットローラ軸受。