JP2009281217A - ロッカーアーム用カムフォロアおよびカムフォロア装置 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な潤滑油を軸受内部に供給することができるカムフォロアを提供する。
【解決手段】外周面がカムに当接する円筒形状のローラ１１と、一対の脚部７の間に架設されたローラの支持軸６と、これら支持軸６およびローラ１１間の環状領域に配置される複数のころ１２とを備える。そして、ころ１２の全長をローラ１１の軸長よりも長くする。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の可動弁機構に使用されるカムフォロアに関する。

エンジンのロッカーアームは、カムの回転運動を受けて揺動し、吸気弁および排気弁を開閉する。かかる動作中のフリクションロスを低減するため、ロッカーアームに、総ころ形式の転がり軸受を設け、ロッカーアームとカムとを転がり接触させる技術が従来、知られている。

総ころ形式の転がり軸受は、高荷重用途で使用することができる一方で、ころ同士の接触による油膜切れや、ころのスキューを原因とする、ピーリング、スミアリング、表面起点型剥離が生じる。総ころ形式の転がり軸受の場合、計算上は大きな負荷容量を有するにもかかわらず、その大きな負荷容量を充分に活用することができなかった。

そこで、転がり軸受の内部に潤滑油を滞り無く供給することを目的として、実開昭６３−４２８０４号公報（特許文献１）に記載のものが知られている。

特許文献１に記載のカムフォロア装置は、ヨークの両足部間に架設された軸と、この軸の全周を取り囲む外輪と、外輪および軸との間に配置された複数のころと、軸に嵌装されて外輪の端面と向かい合っている案内板とを備える。そして両足部は、外縁部から軸に向かう油溝を有する。さらに案内板は、その内周面が、周方向複数箇所に、軸方向に貫通した切り欠き部を有するというものである。
実開昭６３−４２８０４号公報

しかし、上記従来のようなカムフォロア装置にあっては、なおも以下に説明するような問題を生ずる。つまり、案内板が外輪の端面と接触すると、潤滑油の粘性によって案内板と外輪の端面とが隙間無く密着するため、油溝および切り欠き部のみでは外部から転がり軸受の内部に十分な潤滑油を供給することができなかった。また、案内板の有しない形式であっても、ころおよび外輪が軸方向一方へ寄ってしまう場合がある。この場合にも、ヨークの足部と外輪の端面とが隙間無く接触するため、転がり軸受の内部に十分な潤滑油を供給することができず、耐久性能において改善の余地があった。

本発明の目的は、上述の実情に鑑み、一層多くの潤滑油を軸受内部に供給することができるロッカーアーム用カムフォロアおよびカムフォロア装置を提供するものである。

この目的のため本発明によるロッカーアーム用カムフォロアは、外周面がカムに当接する円筒形状のローラと、一対の脚部の間に架設されたローラの支持軸と、全長がローラの軸長よりも長く、支持軸およびローラ間の環状領域に配置される複数のころとを備える。

かかる本発明によれば、ころの全長がローラの軸長よりも長いことから、ころの端面がローラの端面よりも突出する。したがって、ローラの径方向外側から、ころの端部に十分な潤滑油を供給することが可能となり、潤滑性能および耐久性能が向上する。

本発明は１実施形態に限定されるものではないが、好ましい実施形態として、ころの全長とローラの軸長との差が２ｍｍ以下である。これにより、ローラの軸方向の変位量を少なくして、騒音および振動を防止することができる。

好ましい実施形態として、ローラの軸長は、前記ころの直線長以上である。これにより、ローラの軸方向の変位量を少なくして、騒音および振動を防止することができる。

好ましい実施形態になるカムフォロアは、支持軸の外周に取り付けられて、ローラの端面およびころの端面と向き合う側板をさらに備える。これにより、ローラおよびころの端面が隣接部材、例えば支持軸の両側と結合する１対の脚部、に当接することを防止できる。

好ましい実施形態として、ころの転動面およびころが転走するローラの内周面のうち、少なくとも一方がクラウニング部を有する。これにより、ころ端部に不所望なエッジロードが作用することを回避することができる。

好ましい実施形態として、ローラ、支持軸、およびころの全てが窒素富化層を有し、支持軸およびころの少なくとも一方の部材における窒素富化層のオーステナイト結晶粒が、粒度番号の１０番を超えて微細化され、かつ、支持軸およびころの窒素富化層の少なくとも一方の残留オーステナイト量が１１体積％以上２５体積％以下であり、かつ、支持軸およびころの窒素富化層の少なくとも一方の窒素含有量が０．１質量％以上０．７質量％以下である。これにより、カムフォロアの耐久性能を向上させることができる。

また、本発明によるカムフォロア装置は、１対の脚部を有する揺動部材と、一対の脚部間に架設される支持軸と、支持軸に回転自在に支持され、外周面がカムに当接する円筒形状のローラと、全長がローラの軸長よりも長く、これら支持軸およびローラ間の環状領域に配置される複数のころとを備える。

かかる本発明によれば、ころの全長がローラの軸長よりも長いことから、ころの端面がローラの端面よりも突出する。したがって、ローラの径方向外側から、ころの端部に十分な潤滑油を供給することが可能となり、カムフォロアの耐久性能が向上する。

好ましい実施形態として、脚部と、ローラの端面およびころの端面との間に側板をさらに備える。これにより、ローラおよびころによる脚部の摩耗を防止することが可能になり、揺動部材を軽金属製にして可動弁機構の軽量化を図ることができる。

好ましい実施形態として、ローラ、支持軸、およびころの全てが窒素富化層を有し、支持軸およびころの少なくとも一方の部材における前記窒素富化層のオーステナイト結晶粒が、粒度番号の１０番を超えて微細化され、かつ、前記部材における前記窒素富化層の残留オーステナイト量が１１体積％以上２５体積％以下であり、かつ、前記部材における前記窒素富化層の窒素含有量が０．１質量％以上０．７質量％以下である。これにより、ローラ、支持軸、およびころの強度を大きくして、カムフォロア装置の耐久性能を向上させることができる。

本発明によれば、ころの全長がローラの軸長よりも長いことから、ころの端面がローラの端面よりも突出する。したがって、ロッカーアーム用カムフォロアの径方向外側から、ころの端部に十分な潤滑油を供給することが可能となり、ロッカーアーム用カムフォロアの潤滑性能および耐久性能が向上する。

以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明のカムフォロアを組み込んだ可動弁機構を示す正面図である。可動弁機構１は、自動車のエンジン部品であって、軸５に揺動可能に支持されたロッカーアーム２と、ロッカーアーム２の一端に配置され、ロッカーアーム２の揺動によってエンジン燃焼室の吸排気を行う弁３と、ロッカーアーム２の他端に配置される支持軸６と、支持軸６の外周に回転自在に軸支されるローラ１１と、カムシャフト（図示省略）に固定され偏心部４ａを有するカム４とを備える。

上記構成の可動弁機構１は、エンジンのクランクシャフト（図示省略）の回転がタイミングベルト（図示省略）を経由してカムシャフト（図示省略）に伝達され、カム４を回転させる。そして、カム４の偏心部４ａがローラ１１の外周面に当接したときに、ロッカーアーム２が軸５を中心として揺動して弁３を押し下げる。これにより、エンジンの吸排気を行う。このとき、ローラ１１はカム４の回転に伴って回転するので、ローラ１１とカム４との当接部分のフリクションロスを低減することが可能となる。

図２は、ローラ１１を軸支するカムフォロアを拡大して示す断面図である。支持軸６は、ロッカーアーム２の端から突出して互いに向かい合う１対の脚部７の間に架設されている。互いに向かい合う脚部７，７の平坦な壁面同士の間の領域には、中空円筒形状のローラ１１と、支持軸６を内輪としローラ１１を外輪とするころ１２を配設する。ころ１２は、中空円筒形状のローラ１１の内周面と、支持軸６の外周面との間の環状領域に複数配置され、これら内外周面を転走する。図２に示すように、ころ１２の軸方向の全長Ｌｋは、ローラ１１の軸長Ｌｔよりも長い。なお、ころの全長とローラの軸長との差Ｌｋ−Ｌｔを２ｍｍ以下とする。これにより、ローラ１１が支持軸６上を動く変位量を少なくする。

ころ１２の端面と転動面との境界部には面取り１６を設ける。面取り１６は、端面と転動面とを直に接続するテーパ状であってもよく、あるいは端面と転動面とを滑らかに接続する丸みを帯びた球帯であってもよい。面取り１６を含まない転動面の軸方向長さになるころ１２の直線長Ｌｕは、ローラ１１の軸長Ｌｔよりも短い。つまり、Ｌｕ＜Ｌｔ＜Ｌｋの関係が成立する。

脚部７とローラ１１およびころ１２の端面との間には側板１３を配置する。側板１３は、中心孔１３ｈを備えた円盤形状であり、支持軸６が中心孔１３ｈを貫通する。側板１３は、各脚部７，７にそれぞれ配置されて、ローラ１１およびころ１２の端面が脚部７と接触することを防止する。

図２に示すようにローラ１１およびころ１２が軸方向中央にある場合、ローラ１１の端面と側板１３との間には隙間１４が生じる。したがって、隙間１４を経由してころ１２の端面に潤滑油を供給することが可能になる。

図３は、本実施例のローラが、軸方向の一方側に片寄った場合を示す断面図である。ローラ１１およびころ１２の端面が図３の左側へ片寄ると、図３の右側に位置するローラ１１と側板１３との間の隙間１４が拡幅する。また脚部７と側板１３との間の隙間１５が拡幅する。このようにローラ１１またはころ１２が軸方向に片寄った場合にも、隙間１４が残るので、隙間１４を経由してころ１２の端面に十分な潤滑油を供給することが可能になる。

本実施例によれば、外周面がカム４に当接する円筒形状のローラ１１と、一対の脚部７，７の間に架設されたローラの支持軸６と、全長Ｌｋがローラ１１の軸長Ｌｔよりも長く、これら支持軸６およびローラ１１間の環状領域に配置される複数のころ１２とを備える。このように、ころ１２の全長Ｌｋがローラ１１の軸長Ｌｔよりも長いことから、ころ１２の端面がローラ１１の端面よりも突出する。したがって、カムフォロアの径方向外側から、ころ１２の端部に十分な潤滑油を供給することが可能となり、カムフォロアの潤滑性能および耐久性能が向上する。特に、ころ１２の端面のローラ１１の端面からの突出長Ｌｋ−Ｌｔは、両側の合計で２ｍｍ以下とする。ころ１２の方が長いと、ローラ１１が軸方向に動くため、その変位量が大きくなって振動および騒音が顕著になることを防止することができる。

また本実施例によれば、ころ１２の端面と転動面との境界部分に面取り１６を備えることから、ころ１２の端面がローラ１１の端面よりも突出していても、ころ１２の転動面の両端における摩耗を回避することができる。

また本実施例によれば、ローラ１１の軸長Ｌｔは、前記ころの直線長Ｌｕ以上であることから、突出長Ｌｋ−Ｌｔを短くすることが可能になる。

また本実施例によれば、支持軸６の外周に取り付けられて、ローラ１１の端面およびころ１２の端面と向き合う側板１３をさらに備える。これにより、ローラ１１およびころ１２による脚部７の摩耗を防止することが可能になる。したがって、一対の脚部７，７を含むロッカーアーム２を軽金属製にして軽量化を図るころができる。

本実施例では、ローラ１１の軸長Ｌｔがころ１２の軸長Ｌｋよりも短いため、ローラ１１の内径面ところ１２の転動面との接触長さが従来よりも短くなってしまう。そこで、ローラ１１に浸炭窒化の熱処理を施し、支持軸６およびころ１２に浸炭窒化および低温２次焼き入れの熱処理を施す。そして、これらローラ１１、支持軸６、およびころ１２の表層部に窒素富化層を形成する。支持軸６およびころ１２の少なくとも一方の部材における窒素富化層は、そのオーステナイト結晶粒が、粒度番号の１０番を超えて微細化される。さらに、この窒素富化層の残留オーステナイト量が１１体積％以上２５体積％以下である。さらに、この窒素富化層の窒素含有量が０．１質量％以上０．７質量％以下である。

本実施例のカムフォロアと従来からある総ころ形式のカムフォロアとにつき、外輪回転型寿命試験機を用いて比較試験を行った。試験条件は、外力を与えながら回転する駆動ロールに、試験体であるローラが接触するようにカムフォロアを設置し、ローラに３０００［Ｎ］の外力を与えながら、ローラを毎分７０００回転させ、１００℃のエンジンオイルで毎分２０［ｍｌ］でローラを潤滑した。

比較品１の形状は、図６の断面図に示すもので、ころＫの軸長およびローラＴの軸長が等しい。他の部分の形状は、図２に示す発明品と同様である。また比較品２の形状は、図２に示す発明品とすべて同様である。

比較品１および比較品２には、表１に示すように、ローラと、ころと、支持軸とに標準熱処理を施した。具体的には、ＲＸガス雰囲気中で、加熱温度８４０℃、保持時間２０分で加熱後、焼入れを行い、次に１８０℃で９０分間焼戻しを行う標準熱処理を施した。

発明品には、表１に示すように、ローラに浸炭窒化の熱処理を施し、ころおよび支持軸に、以下に述べる熱処理を施した。具体的には、ＲＸガスとアンモニアガスとの混合ガス雰囲気中で、浸炭窒化処理温度８５０℃、保持時間１５０分で加熱後、８５０℃から一次焼入れを行い、次に浸炭窒化処理温度よりも低い８００℃で２０分間加熱して二次焼入れを行い、１８０℃で９０分間焼戻しを行う浸炭窒化＋低温二次の熱処理を施した。

なお発明品のローラには、ＲＸガスとアンモニアガスとの混合ガス雰囲気中で、加熱温度８５０℃、保持時間１５０分で加熱後、８５０℃から焼入れを行い、次に１８０℃で９０分間焼戻しを行う浸炭窒化の熱処理を施した。

表２は、上述した標準熱処理と、浸炭窒化の熱処理と、浸炭窒化＋低温二次の熱処理による組成を示す。浸炭窒化＋低温二次の熱処理によれば、オーステナイト結晶粒度（JIS G0551）は１２番であり、粒度番号の１０番を超えている。また、残留オーステナイト量（％）は体積比で２１％であり、１１体積％以上２５体積％以下である。また、窒素含有量（％）は質量比で０．３０％であり、０．１質量％以上０．７質量％以下である。

比較試験の結果は、表１に示すように、比較品１の寿命比を１とすると、比較品２の寿命比が０．８であり、発明品の寿命比が２．９であった。

比較品１よりも比較品２の寿命が短いのは、比較品２にあってはころがローラよりも突出しているにもかかわらず、比較品１と同様の標準熱処理が施されているためと考えられる。

この試験結果によれば、発明品の寿命比が２．９であり、優れた耐久性能を有することがわかる。これは、発明品には、図２および図３に示す隙間１４から潤滑油が十分に供給されるためと、浸炭窒化＋低温二次の熱処理によるためと考えられる。

図４は、本発明の変形実施例を示す断面図である。この変形実施例の基本構成は、上述した図１〜図３に示す実施例と共通するため、共通する基本構成については説明を省略する。そして、異なる構成について以下に説明する。

この変形実施例では、ころ１２の端面を、丸みを帯びた球面状として、端面の中央部１７ａを端面および転動面の境界部分１７ｂよりも突出させる。これにより、ころ１２の境界部分１７ｂが側板１３と当接することを回避して、隙間１４から潤滑油を十分供給させるとともに、境界部分１７ｂの摩耗を回避することができる。

図５は、本発明の変形実施例を示す断面図である。この変形実施例の基本構成は、上述した図１〜図３に示す実施例と共通するため、共通する基本構成については説明を省略する。そして、異なる構成について以下に説明する。

この変形実施例では、ローラ１１の内径面がクラウニング部１８を有する。図２に示す実施例で突出長Ｌｋ−Ｌｔを２ｍｍ以下とする場合であっても、ころ１２の転動面がローラ１１の内周面よりも軸方向に突出する場合があり、突出したころ１２の軸方向端部では、曲げ応力など不所望なエッジロードが作用する場合がある。

図５に示す変形実施例では、ローラ１１の内周面がクラウニング部１８を有することから、ころ１２の軸方向中央部の直径が、ころ１２の境界部分の直径よりもわずかに大きくなる。これにより、ころ１２の端部がローラ１１と接触し難くなり、エッジロードを緩和することが可能になる。したがって、カムフォロアの耐久性能が益々向上する。

なお、図には示さなかったが、ローラ１１の内周面に代えて、ころ１２の転動面がクラウニング部を有してもよい。

以上、図面を参照して本発明の実施形態を説明したが、本発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、本発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

本発明は、エンジンの可動弁機構等に採用されるロッカーアーム用カムフォロアに有利に利用される。

本発明の１実施例になるカムフォロアを組み込んだ可動弁機構を示す正面図である。 ローラを軸支する軸受を拡大して示す断面図である。 図２の軸受が、軸方向の一方側に片寄った場合を示す断面図である。 本発明の変形実施例を示す断面図である。 本発明の変形実施例を示す断面図である。 従来からある比較品を示す断面図である。

符号の説明

１ 可動弁機構、２ ロッカーアーム、３ 弁、４ カム、４ａ 偏心部、５ 軸、６ 支持軸、７ 脚部 １１ ローラ、１２ ころ、１３ 側板、１４，１５ 隙間、１６ ころ面取り部、１８ クラウニング部。

Claims (9)

1. 外周面がカムに当接する円筒形状のローラと、
   前記ローラの支持軸と、
   全長が前記ローラの軸長よりも長く、これら支持軸およびローラ間の環状領域に配置される複数のころとを備える、ロッカーアーム用カムフォロア。
2. 前記ころの全長と前記ローラの軸長との差が２ｍｍ以下である、請求項１に記載のロッカーアーム用カムフォロア。
3. 前記ローラの軸長は、前記ころの直線長以上である、請求項１または２に記載のロッカーアーム用カムフォロア。
4. 前記支持軸の外周に取り付けられて、前記ローラの端面および前記ころの端面と向き合う側板をさらに備える、請求項１〜３のいずれかに記載のロッカーアーム用カムフォロア。
5. 前記ころの転動面および前記ころが転走する前記ローラの内周面のうち、少なくとも一方がクラウニング部を有する、請求項１〜４のいずれかに記載のロッカーアーム用カムフォロア。
6. 前記ローラ、前記支持軸、および前記ころの全てが窒素富化層を有し、
   支持軸およびころの少なくとも一方の部材における前記窒素富化層のオーステナイト結晶粒が、粒度番号の１０番を超えて微細化され、かつ、前記部材における前記窒素富化層の残留オーステナイト量が１１体積％以上２５体積％以下であり、かつ、前記部材における前記窒素富化層の窒素含有量が０．１質量％以上０．７質量％以下である、請求項１〜５のいずれかに記載のロッカーアーム用カムフォロア。
7. １対の脚部を有する揺動部材と、
   前記一対の脚部間に架設される支持軸と、
   前記支持軸に回転自在に支持され、外周面がカムに当接する円筒形状のローラと、
   全長が前記ローラの軸長よりも長く、これら支持軸およびローラ間の環状領域に配置される複数のころとを備える、カムフォロア装置。
8. 前記脚部と、前記ローラの端面および前記ころの端面との間に側板をさらに備える、請求項７に記載のカムフォロア装置。
9. 前記ローラ、前記支持軸、および前記ころの全てが窒素富化層を有し、
   支持軸およびころの少なくとも一方の部材における前記窒素富化層のオーステナイト結晶粒が、粒度番号の１０番を超えて微細化され、かつ、前記部材における前記窒素富化層の残留オーステナイト量が１１体積％以上２５体積％以下であり、かつ、前記部材における前記窒素富化層の窒素含有量が０．１質量％以上０．７質量％以下である、請求項７または８に記載のカムフォロア装置。
   

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