JP3149104B2 - 伝動装置 - Google Patents

伝動装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は伝動装置に関し、内燃機
関の動弁機構に使用されるカムとロッカアームとの組合
せからなる伝動装置に関する。
【0002】
【従来技術】従来から、カムシャフトにはカムノーズ部
表面をチルさせた鋳鉄製のものが使用され、カムに摺接
して揺動又は往復動する従節部材としてのロッカアーム
又はタペットには摺接面をチルさせた鋳鉄製又は高クロ
ム鋳鉄製のものが使用されている。
【0003】近年の内燃機関の小型化と高速化に伴な
い、動弁機構に使用されるカムシャフトは、カムの個数
が減少し、或いは回転数が高くなり、カムとロッカアー
ム又はタペットとの摺動条件が苛酷になってきている。
即ち、両者の間の摺動速度が高くなり、その上ロッカア
ーム又はタペットがカムを押圧する圧力が高くなるばか
りではなく、ロッカアーム又はタペットは高速回転する
カムのカムノーズ部に叩かれるようになり、摺動と衝撃
とが複合した極めて苛酷な条件下で使用されるようにな
ってきている。その結果、摩耗が速く進行してこれらの
部材の耐久性に問題が生じてきている。
【0004】図4は内燃機関の主要部の関係の一例を示
す要部斜視図である。カムシャフト1の回転によってカ
ム2と摺接するロッカアーム3が揺動し、この揺動によ
ってロッカアーム3に連結されたバルブ21が往復動し
て吸排気がなされる。コイルばね22によってバルブ2
1が閉状態に向けて付勢されると共にロッカアーム3の
先端部がカム2に押圧されるようになっている。バルブ
21の先端部は図示しないシリンダヘッド内に位置して
いる。バルブ21が往復動(開閉)して吸気爆発、排気
がなされ、図示しないシリンダ中でピストン23が往復
動し、この往復動によってコネクティングロッド24を
介してピストン23に連結するクランクシャフト25が
回転し、動力を発生する。
【0005】バルブ21の開閉とピストン23の往復動
とのタイミングは、カムシャフト1とクランクシャフト
25とに掛け渡されたチェーン(又はタイミングベル
ト)26によってとられる。このような機構から、カム
シャフト1の回転数が高くなると、或いはロッカアーム
3のカム2への押圧力が高くなると、カム2とロッカア
ーム3との摺動は極めて苛酷な状態の下でなされること
が理解できよう。
【0006】前述のような摩耗の問題を解決するため
に、カムのノーズ部又はロッカアーム若しくはタペット
の摺接部に耐摩耗性に優れる焼結合金を使用する試みが
なされている。ところが、最近の内燃機関の一層の高速
化に伴ない、耐摩耗焼結合金の部材は、それ自体の摩耗
は少ないのであるが、相手のチルド鋳鉄等の部材の表面
を摩耗させる傾向が顕著になり、またスカッフィングを
起し易くなる傾向がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の事情
に鑑みてなされたものであって、苛酷な条件下で使用し
ても耐久性に優れる、カムとロッカアームからなる伝動
装置を提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、カムを原節と
し、前記カムとこのカムに摺接する従節部材であるロッ
カアーム又はタペットからなる伝動装置に於いて、前記
従節部材が摺接する前記カムの摺接面と前記カムに摺接
する前記従節部材のうち少なくとも該従節部材の摺接面
に、厚さ1〜200μmの下記(1)〜(2)の表面層
が形成されていることを特徴とする伝動装置に係る。 (1)窒化クロムの表面層 (2)窒化クロムと金属クロムの超微細混合組織をもつ
表面層
【0009】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。金属窒化
物の表面層を有するカムシャフトや従節部材としてのロ
ッカアームの素材には、鋳造又は鋳造で造られた鋳鉄又
は鋼の素材が使用できる。上記金属窒化物又は金属炭化
物の表面層と摺接するロッカアーム若しくはタペット又
はカムシャフトには、チルド鋳鉄及び耐摩耗性焼結合金
の摺動部分を有するものが使用できる。
【0010】金属窒化物の表面層は、反応性イオンプレ
ーティングによって形成させる。特に、反応性イオンプ
レーティングによって形成されたロッカアーム又はタペ
ット(以下「ロッカアーム」と総称する)との摺動面層
と、カムノーズ部表面をチルさせた鋳鉄製カムシャフト
又はカムノーズ部表面に耐摩耗性焼結合金の摺動部分を
設けたカムシャフトとの組合せが好ましい。カムシャフ
トのカム部に反応性イオンプレーティングで金属窒化物
の表面層を形成させることは、装置が複雑化、大形化
し、操業も煩雑になる。然し、多数のカム駒(個々のカ
ム部材)を別途製造しておいて、これらカム駒のカムノ
ーズ部に金属窒化物又は金属炭化物の表面層を形成し、
これらカム駒をシャフトに固定してカムシャフトとする
ようにすれば、カムシャフト側に上記の金属窒化物の表
面層を設けることが容易にできる。この場合、カムノー
ズ部表面と後述する金属蒸発源との距離が一定になるよ
うに、例えばカム機構を応用して移動する治具にカム駒
を取付けるようにするのが良い。また、上記表面層はカ
ム、従節部材の双方に設け、表面層同士が摺接するよう
にしても良い。
【0011】反応性イオンプレーティングによって形成
する表面層の種類として代表的なものとしては、クロム
の窒化物が挙げられる。クロムの窒化物としてはCr2
N,CrN等が考えられCrNはCr2 Nよりも硬度が
高く耐摩耗性は優れているが皮膜の柔軟性が劣り密着性
が比較的劣る傾向があるが実用的には問題がない(特願
昭62−315751号、同62−316965号)。
過酷な条件において更に密着性を上げる必要がある場合
には素材表面に先ず金属クロムの層を形成した次にCr
2 N、次いでCrNの皮膜を形成する方法が取られ密着
性が良くしかも耐摩耗性が優れた皮膜とすることができ
る。あるいは金属クロム、Cr2 N,CrNの超微細な
混合組織とすることもできる(特願昭61−27772
号、同59−207986号)。
【0012】表面層を構成する必須成分をクロムとその
窒化物との積層構造とする理由は、反応性イオンプレー
ティングにより素材金属表面に形成されるクロム相が素
材金属との密着性が良好であり、又その熱膨張係数が前
記素材金属の熱膨張係数に近く、従って使用中に表面層
が前記金属素材から剥離することが防止できるためであ
る。また、表面層の構成成分としてクロムを採用する理
由は、イオンプレーティングによる金属クロムの蒸着速
度が他の金属のそれよりも大であり生産性の点から極め
て有利であるためである。
【0013】他に、金属クロムと窒化クロムからなる複
合皮膜(特願昭61−27773号)が考えられる。窒
化チタンは窒化クロムより柔軟性が劣るために剥離の発
生が窒化クロムより起こり易いので、本発明では使用し
ない。
【0014】表面層の厚さを1〜200μmに限定した
理由は、1μm未満では初期なじみで摩耗して表面層が
消失し耐摩耗性が失われ、200μmを超える場合は表
面層に欠けや亀裂が発生する等の不具合が起り、またコ
ストアップになるからである。
【0015】表面層形成に使用したイオンプレーティン
グ装置の概要を図3に示す。ロッカアーム素材11を素
材保持具12で保持し、ヒータ13で素材11を所定の
温度に加熱する。素材11の下方には、蒸発源の金属ク
ロム14A、及び金属チタン14Bを収容する水冷銅坩
堝15が回転可能に設置されている金属クロム14Aと
金属チタン14Bの位置を入れ替えることができるよう
にしてある。真空容器16の側壁には窒素ガス供給口1
7とHCD(hollow cathode dis-charge)型電子銃1
8が取付けてあり、電子銃18にはプラズマ用アルゴン
ガスの導入管19が設けてある。電子銃18から射出さ
れた電子ビームは、収束コイル20で収束されて水冷坩
堝15中の蒸発源の金属クロム14Aを照射する。真空
容器16内は図示しない真空ポンプにより減圧されるよ
うになっている。
【0016】真空容器16内にアルゴンガスを導入し、
1×10-2torr程度に減圧して電子ビームでのボンバー
ド(bombard )により素材11の表面のクリーニングを
行う。次に3×10-2torr程度に減圧した後窒素ガスを
徐々に導入する。次いでHCD型電子銃18により蒸発
源の金属クロム14Aを加熱し蒸発させる。蒸発した金
属クロムは容器内の窒素と反応して素材11に窒化クロ
ムの表面層が形成される。
【0017】材料に機械構造用炭素鋼S45Cを使用
し、冷間鍛造でロッカアーム形状に成形し、次いで機械
加工で所定の形状に仕上げ、このロッカアーム素材のカ
ムとの摺動面に窒化クロム表面層(CrN,Cr2 Nと
CrNとの混合微細組織)を以下の条件で反応性イオン
プレーティング法により20μmの厚さに形成した。 素材温度: 400℃ ビーム出力: 30V−300A 収束電流: 150A 窒素ガス分圧: 0〜3×10-2torr 蒸発源: 金属クロム又はチタン 処理時間: 60分
【0018】各供試体をバフ仕上げした後、モータリン
グテストに供した。これらロッカアームと組合せて使用
するカムシャフトは、次の2種類とした。その一つは、
3.3重量%(以下、「重量%」を単に「%」で表わ
す。)C、2.3%Si、0.76%Mn、0.36%
Cr、0.24%Mo、0.39%Ni、0.05%
P、0.02%S、残部Feの鋳鉄製であって、カムノ
ーズ部表面をチルさせたものである。他の一つは、上記
組成の鋳鉄製カムシャフトのカムノーズ表面部に、1.
9%C、0.95%Si、0.11%Mn、0.1%N
i、17.3%Cr、0.66%P、0.01%S、残
部Feの組成の焼結合金の薄片を一体に設けたものであ
る。
【0019】上記ロッカアームとカムシャフトとの組合
せは、下記表に示す通りである。
【表1】
【0020】図1は、カムシャフトとロッカアームとの
摺動を図解的に示す概略正面図で、カムシャフト1のカ
ム2のカムノーズ部2aにロッカアーム3の表面層4の
摺動面5が接触している状態を示し、カムシャフト1の
回転(矢印a)によってロッカアーム3は矢印bのよう
に揺動する。
【0021】モータリングテストは排気量1800cc
のガソリンエンジンを用いて以下の条件で行った。 試験条件 機関回転数:2000rpm(カム回転:1000rp
m200時間) 油温 :60℃ 使用オイル:10W30
【0022】エンジン運転後、ロッカーアームとカムシ
ャフトをエンジンから取外し、これらの摩耗量を測定し
た。ロッカアームの摩耗量はその表面層の摩耗による窪
みの深さを測定し、カムシャフトの摩耗量はカムノーズ
頂部の摩耗深さを測定し、最も摩耗した部分の元の曲面
に対する摩耗深さで表わした。測定結果は図2に示す通
りである。
【0023】図2には、比較のために、3.55%C、
1.62%Si、0.52%Mn、0.48%Ni、1
7.5%Cr、0.09%P、0.02%S、残部Fe
の高クロム鋳鉄製でチル組織となっているロッカアーム
と前記実施例1、2で使用した同じ製造ロットのカムシ
ャフトとの組合せ(比較例1)及び2.9%C、0.2
%Si、12.0%Cr、2.2%Mo、0.66%
P、残部Feの組成を有しかつ液相焼結されてなる高ク
ロム鉄基焼結合金製ロッカアームと前記実施例1、2で
使用した同じ製造ロットのカムシャフトとの組合せ(比
較例2)について同様のテストを行った結果が併記して
ある。図2から、比較例1、2に対し、実施例はいずれ
もロッカアームの摩耗、カムノーズ部の摩耗共に著しく
減少しており、耐摩耗性が大幅に改善され、従って耐久
性が大幅に向上していることが解る。
【0024】上記の実施例のほか、カムの形状は、図
1、図2のような卵形のほか、他の適宜の形状であって
良い。また、従節部材には、ロッカアーム、タペットの
ほか、先端にコロを備えた従節部材その他の従節部材が
使用できる。
【0025】
【発明の効果】本発明に基く伝動装置は、カムの摺接面
とこのカムに摺接する従節部材のうち少なくとも従節部
材に金属窒化物の表面層を形成しているので、この表面
層を構成する金属窒化物の優れた耐摩耗性の故に、苛酷
な使用条件下でも摩耗が少なく、耐久性が大幅に改善さ
れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 カムシャフトとロッカアームとの摺接状態を
示す概略正図面である。
【図2】 モータリングテストの結果を示すグラフであ
る。
【図3】 反応性イオンプレーティング装置の内部概略
正図面である。
【図4】 内燃機関の主要部の関係の一例を示す要部斜
視図である。
【符号の説明】
1 カムシャフト 2 カム 2a カムノーズ部 3 ロッカアーム 4 表面層 11 ロッカアームの素材 13 ヒータ 14A,14B 蒸発源金属 15 水冷銅坩堝 17 反応ガス導入口 18 電子銃 19 アルゴンガス導入口 20 収束コイル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI F01L 1/18 F01L 1/18 M F16H 53/02 F16H 53/02 B (72)発明者 滝口 勝美 新潟県柏崎市北斗町1−37 株式会社リ ケン柏崎事業所内 (56)参考文献 特開 昭57−57868(JP,A) 特開 昭62−188857(JP,A) 特開 昭62−283258(JP,A) 特開 昭62−120471(JP,A) 特開 昭58−77556(JP,A) 特開 昭58−144473(JP,A) 実開 昭59−126159(JP,U) 実開 昭60−157904(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F16H 53/02 F01L 1/14 F01L 1/18

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 チル面を摺接面とする鋳鉄又は耐摩耗性
    焼結材からなるカムを原節とし、前記カムとこのカムに
    摺接する従節部材であるロッカアーム又はタペットとか
    らなる伝動装置に於いて、前記従節部材の摺接面に、厚
    さ1〜200μmの窒化クロムからなる反応性イオンプ
    レーティング表面層が形成されていることを特徴とする
    伝動装置。
  2. 【請求項2】 チル面を摺接面とする鋳鉄又は耐摩耗性
    焼結材からなるカムを原節とし、前記カムとこのカムに
    摺接する従節部材であるロッカアーム又はタペットとか
    らなる伝動装置に於いて、前記従節部材の摺接面に、窒
    化クロムと金属クロムからなり、超微細混合組織をもつ
    厚さ1〜200μmの反応性イオンプレーティング表面
    が形成されていることを特徴とする伝動装置。
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