JP2009293391A - 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】潤滑油を軸受内部に容易に供給することができるロッカアーム用カムフォロアを提供する。
【解決手段】ロッカーアーム用カムフォロアは、支持軸６と、この支持軸６に回転自在に軸支されるローラ１１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。ローラ１１は外周面、内周面、および端面１６を有する。ローラの外周面はカム４に当接する。そして、ローラ端面１６の径方向外側端１６ｏと内側端１６ｉとの間の領域が、径方向外側端１６ｏよりも軸方向に突出した部分１６ｍを含む。
【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ロッカーアーム用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、実公平６−２５６０６号公報（特許文献１）に記載のごときものが知られている。

特許文献１に記載の転がり軸受は、軽金属製のロッカーアーム本体に打ち込まれたピンと、このピンを軸とする中空円筒形状のローラと、ローラおよびピンとの間に配置された複数のころと、ピンに回動自在に装着されてローラの端面およびロッカーアーム本体と向かい合っているプレートとを備える。
実公平６−２５６０６号公報

しかし、上記従来のようなローラであっても、なおも以下に説明するような問題を生ずる。つまり、プレートがローラの端面と接触すると、潤滑油の粘性によってプレートとローラが隙間無く密着するため、僅かな隙間からローラの内部に潤滑油を供給しなければならず、転がり軸受の内部に潤滑油が到達しにくい場合があった。また、プレートを有しない形式であっても、ころおよびローラが軸方向一方へ寄ってしまう場合がある。この場合にも、ロッカーアーム本体とローラ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、潤滑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、潤滑油を軸受内部に容易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、内周面、および端面を有するものであって、外周面はカムに当接し、端面は、該端面の径方向外側端と内側端との間の領域が径方向外側端よりも軸方向に突出した部分を含む円筒形状のローラと、ローラの支持軸と、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、ローラの端面のうち、径方向外側端と内側端との間の領域が径方向外側端よりも軸方向に突出した部分を含むことから、かかるローラ端面の突出した部分がローラ端面と向き合う部材、例えばロッカーアームの1対の脚部あるいは側板、と接触しても、ローラ端面の径方向外側端はこの部材と接触することがなく、隙間が生じる。したがって、ローラの径方向外方から、この隙間に潤滑油を流し込むことが可能となる。

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、ローラの端面は、軸線を含む平面における断面形状が円弧である。これにより、ローラ端面の径方向外側端と、ローラ端面が向き合う部材との間に、隙間が生じる。

好ましい実施形態として、ローラ端面の断面形状は、かかる端面の径方向内側端の軸方向位置が、端面の径方向外側端の軸方向位置に等しく、これら径方向内側端と外側端との中央で軸方向に最も突出した形状である。

より好ましくは、ローラ端面の断面円弧形状の曲率半径をｒ、ローラの径方向厚みをＴとすると、０．５Ｔ＜ｒ＜２００Ｔを満たす。これにより、ローラ端面の密着を、好適に防止することができる。

好ましい実施形態として、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円盤形状の側板をさらに備え、ローラの外周面の半径をＲｔ、ローラの径方向厚みをＴ、側板の半径をＲｓとすると、Ｒｔ−Ｔ＜Ｒｓ＜Ｒｔを満足する。これにより、側板の外径を、ローラの外周面よりも小さく、ローラの内周面よりも大きくすることができる。

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、カムフォロアの長寿命化が可能で、かかる軸受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、内周面、および端面を有し、外周面はカムに当接し、端面の径方向外側端と内側端との間の領域が端面の径方向外側端より軸方向に突出した部分を含む円筒形状のローラと、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、ローラの端面のうち、径方向外側端と内側端との間の領域が軸方向に突出した部分を含むことから、ローラの端面がローラ端面と向き合う対向部材、例えばロッカーアームの1対の脚部あるいは側板、と接触しても、ローラ端面の径方向外側端はこの対向部材と接触することがなく、隙間が生じる。したがって、潤滑油の粘性によりローラの端面全体が対向部材に密着することを回避して、ローラの径方向外方から、この隙間に潤滑油を流し込むことが可能となる。

好ましくは、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少なくとも一方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％以下であり、かつ、支持軸およびころの少なくとも一方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。これにより、ローラ、支持軸、およびころの長寿命化が可能で、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、ローラの端面のうち、径方向外側端と内側端との間の領域が径方向外側端よりも突出した部分を含むことから、ローラ端面の径方向外側端と、この端面に向き合う対向部材との間に、必ず隙間が生じる。したがって、ローラの径方向外方から、この隙間に潤滑油を流し込むことが可能となり、カムフォロアの潤滑性能および耐久性能が向上する。

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。ロッカーアーム２は、その端から突出する脚部７を含めて例えば軽金属製であり、可動弁機構１の軽量化と、燃料消費率の向上が図られている。

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。互いに平行な脚部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。ローラ１１は、上述した外周面および内周面の他、端面１６を有する。ローラ端面１６のうち、径方向外側端１６ｏと内側端１６ｉとの中央１６ｍは、径方向外側端１６ｏよりも軸方向に突出している。

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を備えた平坦な円盤形状であり、支持軸６が中心孔１３ｈを貫通する。側板１３は、各脚部７，７の壁面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と接触することを回避する。これにより、軽金属製の脚部７が摩耗することを防止する。ローラ１１およびころ１２が軸方向に片寄らない場合、図２に示すように側板１３と脚部７の間には隙間１５が生じる。

本実施例では、ローラ端面１６の中央１６ｍが径方向外側端１６ｏより突出していることから、端面１６と、端面１６に向き合う脚部７および側板１３との間に隙間１４が生じる。

ローラ端面１６は、外側端１６ｏと内側端１６ｉとのちょうど中間にある中央１６ｍが軸方向に突出している場合の他、中央１６ｍを含む中央部が径方向外側端１６ｏより突出していればよい。なお本実施例のように中央部が最も突出している他、図には示さないが中央部を含む外側端１６ｏと内側端１６ｉとの間の領域が径方向外側端１６ｏよりも軸方向に突出する部分を含んでいればよい。端面１６の好ましい形状として、外径端１６ｏから最も突出した部分１６ｍまでは内径側に向かうにつれて、軸方向突出量が徐々に大きくなり、最も突出した部分１６ｍから内径端１６ｉまでは内径側に向かうにつれて、軸方向突出量が徐々に小さくなる。

この突出部分は、周方向全周で等しく突出して、周方向３６０°で連なる稜線を形成してもよい他、周方向で断続的に突出して、周方向に連なる稜線を形成しないものであってもよい。また、この突出部分は、外側端１６ｏと内側端１６ｉとの間の領域であれば、いずれの径方向位置にあってもよく、中央部に限定されない。

図３は、本実施例の軸線を含む平面における断面形状を示す断面図である。好ましくは、図３に示すように、ローラ端面１６の断面形状が、円弧である。より好ましくは、ローラ端面１６の断面形状は、径方向内側端１６ｉの軸方向位置が、径方向外側端１６ｏの軸方向位置に等しく、これら径方向内側端１６ｉと外側端１６ｏとの中央１６ｍで軸方向に最も突出した形状である。

これにより、ローラ端面１６の径方向外側端１６ｏと、ローラ端面が向き合う脚部７との間に、隙間１４が生じる。

ローラ端面１６の断面円弧形状の曲率半径をｒ、ローラ１１の径方向厚みをＴとすると、曲率半径ｒが大きすぎる場合にはローラ端面１６が平面に略等しくなってしまい、側板１３に密着し易くなる。これに対し曲率半径ｒが小さすぎる場合には、ローラ１１ところ１２との接触長さが過度に減少してしまい、軸受の負荷容量が不足する。そこで、０．５Ｔ＜ｒ＜２００Ｔを満たすようにローラ端面１６を形成する。

ローラ１１の外周面の半径をＲｔ、ローラ１１の径方向厚みをＴ、側板１３の外径を半径Ｒｓとすると、側板半径Ｒｓが小さすぎる場合には、ローラ端面１６が脚部７に当接してしまう。これに対し側板半径Ｒｓが大きすぎる場合には、カム４が側板１３に当接してしまう。そこで、Ｒｔ−Ｔ＜Ｒｓ＜Ｒｔを満たすように側板を形成する。

ここで付言すると、図４に示すように側板半径Ｒｓが、ローラ１１の内周面の半径Ｒｔ−Ｔよりも大きく、ローラ１１の厚み方向中央の半径Ｒｔ−Ｔ／２よりも小さい場合、側板１３の外縁１３ｇが端面１６に当接してしまう。そこで好ましくは、Ｒｔ−Ｔ／２＜Ｒｓ＜Ｒｔを満たすように側板１３を形成し、側板外縁１３ｇがローラ端面１６に当接することを回避する。そして、側板外縁１３ｇとローラ端面１６との間に必ず隙間１４が生じるようにする。

本実施例によれば、径方向外方から隙間１４に潤滑油を流し込むことが可能となる。したがって、カムフォロアの潤滑性能および耐久性能が向上する。

本実施例では、ローラ端面１６の中央１６ｍを径方向内側端１６ｉよりも軸方向に突出させたため、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小さくなってしまう。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にな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の断面図に示すように、ころＫの端面ＫｔおよびローラＧの端面Ｇｔが共に平坦であって、両者Ｋ，Ｇの軸方向長さが等しいものである。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１１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１．２であり、発明品の寿命比が４．３であった。

比較品１よりも比較品２の寿命が長いのは、比較品２にあってはローラ端面の中央１６ｍが外側端１６ｏよりも軸方向に突出していることから、潤滑性能が向上したためと考えられる。

この試験結果によれば、発明品の寿命比が４．３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から潤滑油が流し込まれるためと、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。ローラ端面１６の中央１６ｍが径方向内側端１６ｉよりも突出しているため、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、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の軸受の寸法を説明するための図である。 側板の寸法を説明するための図である。 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、１３ｇ 側板外縁、１４，１５ 隙間、１６ ローラ端面、１６ｉ ローラ端面の径方向内側端、１６ｏ ローラ端面の径方向外側端、１６ｍ ローラ端面の径方向中央、１８ クラウニング部。

Claims (9)

1. 外周面、内周面、および端面を有し、前記外周面はカムに当接し、前記端面の径方向外側端と内側端との間の領域が前記径方向外側端よりも軸方向に突出した部分を含む円筒形状のローラと、
   前記ローラの支持軸と、
   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. 前記ローラの端面は、軸線を含む平面における断面形状が円弧である、請求項１に記載のロッカーアーム用カムフォロア。
3. 前記ローラ端面の断面形状は、該端面の径方向内側端の軸方向位置が、該端面の径方向外側端の軸方向位置に等しく、これら径方向内側端と外側端との中央で軸方向に最も突出した形状である、請求項２に記載のロッカーアーム用カムフォロア。
4. 前記ローラ端面の断面円弧形状の曲率半径をｒ、前記ローラの径方向厚みをＴとすると、
   ０．５Ｔ＜ｒ＜２００Ｔを満たす、請求項３に記載のロッカーアーム用カムフォロア。
5. 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円盤形状の側板をさらに備え、
   前記ローラの外周面の半径をＲｔ、前記ローラの径方向厚みをＴ、前記側板の半径をＲｓとすると、
   Ｒｔ−Ｔ＜Ｒｓ＜Ｒｔを満たす、請求項３または４に記載のロッカーアーム用カムフォロア。
6. 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１〜５のいずれかに記載のロッカーアーム用カムフォロア。
7. 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１〜６のいずれかに記載のロッカーアーム用カムフォロア。
8. 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、内周面、および端面を有し、前記外周面はカムに当接し、前記端面の径方向外側端と内側端との間の領域が前記径方向外側端よりも軸方向に突出した部分を含む円筒形状のローラと、
   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。
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８に記載のカムフォロア装置。

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