JP3252565B2 - 摺動部材およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はカムに接触してバルブ等
に動きを伝達するシム等の摺動部材およびその製造方法
に係わり、特に接触面の鏡面化に要する時間を短縮する
ことの可能な摺動部材およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の吸気弁あるいは排気弁は、内
燃機関によって駆動されるカム軸に設置されているカム
の形状に応じて変位するシムによって駆動される。従っ
てカムとシムとの間の接触抵抗は内燃機関の損失となる
ため、カムおよびシムの接触面の表面粗さをカムとシム
との接触部に供給される潤滑油によって形成される油膜
の厚さと同程度にまで減少することが必要である。

【０００３】しかしながら油膜の厚さは０．１μｍ程度
であるのに対し、カムの接触面の表面粗さは周知の加工
技術によれば高々１．６〜３．２μｍＲｚｍであり十分
に接触抵抗を低減することができなかった。そこで本出
願人は、予め鏡面化したシムの接触面に適当な表面粗さ
となるように例えば窒化チタンであるコーティング層を
設け、初期摺り合わせ運転中にカムのシムとの接触面を
鏡面化するカム接触部構造をすでに提案している（特開
平５−１６３９０９公報参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら摺り合わ
せ作用は、シムの摺動面が鏡面化されるほど弱くなるた
め、カムの鏡面化が完了するまで、接触抵抗低減の効果
が十分に発揮されないという課題を生じる。本発明は上
記課題に鑑みなされたものであって、接触面の鏡面化に
要する時間を短縮することの可能な摺動部材およびその
製造方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】第１の発明にかかる摺動
部材は、カムと摺動する摺動部材であって、摺動部材の
接触面をカムの接触面より滑らかに仕上げるとともに滑
らかに仕上げられた接触面にＨｖ硬度１，０００以上の
材料の微細な凹凸を有するコーティング層を設け、摺動
部材の接触面の面積に対する基材表面から高さ０．５μ
ｍで微細な凹凸を切断した場合の切断面積の割合を０．
７〜５．２％とする。

【０００６】第２の発明にかかる摺動部材の製造方法
は、カムと摺動する摺動部材の製造方法であって、摺動
部材の接触面を０．３μｍＲｚ以下に仕上げるとともに
その接触面にＨｖ硬度１，０００以上の材料を１平方セ
ンチメートル当たり６０〜９０ＭＡ（メガアンペア）の
電流密度でアーク式イオンプレーティング法によってコ
ーティングする。

【０００７】

【作用】本発明にあっては、摺り合わせ運転中に微細な
凹凸によってカム接触面が鏡面化されるとともに、カム
によって摺動部材表面の微細な凹凸が折り取られて摺動
部材表面も鏡面化され、所定値以下の磨耗量で短時間に
カム接触面が鏡面化される。

【０００８】

【０００９】

【００１０】

【実施例】図１は本発明が適用される直接駆動式動弁装
置を有する内燃機関の部分断面図である。即ちシリンダ
ヘッド１０上部には２本のカム軸１２および１４が設け
られ、一方のカム軸１２はタイミングプーリおよびタイ
ミングベルト（共に図示せず）を介してクランク軸（図
示せず）によって駆動される。

【００１１】カム軸１２に配設される吸気カム１６は吸
気バルブリフタ１８を介して吸気バルブスプリング２０
に抗して吸気バルブ２１を駆動する。カム軸１２に配設
された歯車２２は他の一方のカム軸１４に配設された歯
車２４と嵌合し、他の一方のカム軸１４を駆動する。カ
ム軸１４に配設された排気カム２５は排気バルブリフタ
２６を介して排気バルブスプリング２８に抗して排気バ
ルブ３０を駆動する。

【００１２】吸気バルブリフタ１８の吸気カム１６との
接触面および排気バルブリフタ２６の排気カム２５との
接触面にはそれぞれアジャスティングシム（以下シムと
記す）３４および３６が設置されている。そしてシム３
４および３６には本発明にかかる摺動部材が使用され
る。図２はシム３４および３６の側断面図であって、例
えばクロムモリブデン鋼である基材５０の上下面は表面
粗さが０．３μｍＲｚ以下にまで仕上げられる。

【００１３】そして基材５０の表面には周知のアーク式
イオンプレーティング法によってＨｖ硬度１，０００以
上の材料によってコーティング層５１が形成される。な
お本実施例においてはコーティング材料としてチタン、
雰囲気ガスとして圧力１０ミリトリチェリの窒素ガスを
使用し、バイアス電圧は５０Ｖとしている。なお処理時
間は９０分である。

【００１４】図３はコーティング後の表面粗さの測定結
果である。この図から理解できるように、処理中に発生
するアークスポットによって金属塊５２のまま飛散し基
材５０に付着したチタン上に窒化チタンがコーティング
されることにより形成されるドロップレットによって、
基材５０の表面には微小の突起が存在する。

【００１５】図４はドロップレットを説明するための模
式図であって、（Ａ）は側断面を、（Ｂ）はＸ−Ｘ切断
面図を示す。ドロップレットは基材５０上にランダムに
発生し、大きさ、高さあるいは発生位置を制御すること
はできないが、発生密度は電流密度によってある程度制
御することが可能である。

【００１６】単位面積当たりのドロップレットの数が少
ない場合は摺り合わせ運転中にカム接触面を十分に鏡面
化することができず、逆に数が多い場合はカム接触面に
過度の磨耗を生じる。従って短時間の摺り合わせ運転で
カム接触面の鏡面化が完了するとともに、シム表面自体
の鏡面化も完了するためには単位面積当たりのドロップ
レットの数を適当な範囲とする必要がある。

【００１７】しかしながら前述のようにドロップレット
の大きさあるいは高さは制御することはできないため、
大きいドロップレットが少数存在するシムを使用した場
合にもカム接触面は過度に磨耗するおそれがある。従っ
て単位面積当たりのドロップレットの数ではなく、基材
５０の面積に対する一定の高さでドロップレットを切断
した時のドロップレットの断面積（図３（Ｂ）の斜線部
の合計面積）を適当な範囲とすることが必要である。

【００１８】本発明においては基材５０の表面上０．５
μｍにおいて切断したときの基材５０の面積に対するド
ロップレットの断面積（以下ドロップレット面積比と記
す）をもって単位面積当たりのドロップレットの数を規
定するものとする。最適なドロップレット比を決定する
ためにドロップレット比の異なる５種類のシム（ドロッ
プレット比＝０．７、３．０、５．２、７．２、８．０
％）を製作し、鏡面化に要する時間および接触抵抗低減
効果の試験を実施した。

【００１９】図５はドロップレット比とアーク式イオン
プレーティングの電流密度との関係を表すグラフであっ
て、縦軸にドロップレット比を、横軸に電流密度をと
る。即ち電流密度を大とする程ドロップレット比も増加
する。このグラフで黒丸で示す５種類およびドロップレ
ット比が０％（表面粗さ０．０１〜０．３０μｍＲｚ）
の合計６種類のシムについて下記の試験を実施した。

【００２０】図６はドロップレットを有する３種類のシ
ムを適用した場合のカム接触面の磨耗量を表すグラフで
あって、横軸にドロップレット比を、縦軸にカム磨耗量
をとる。即ちドロップレット比が大である程カム磨耗量
も大となるが、カム磨耗量が過大となると所定のバルブ
変位を得ることができず吸排気損失が大となるためカム
磨耗量には上限値が存在する。

【００２１】従ってカム磨耗量を所定の上限値以下とす
るためにはドロップレット比を５．２％以下とすること
が必要である。図７は６種類のシムを適用した場合の接
触抵抗低減率を表すグラフであって、横軸にドロップレ
ット比を、縦軸に接触抵抗低減率をとる。このグラフに
示されるようにドロップレット比が０．７％以下である
場合には接触抵抗低減率はドロップレット比の増加に応
じて増加し、０．７％以上となると接触抵抗低減率は約
３０％で飽和する。

【００２２】従って表面粗さ０．２μｍＲｚ以下にまで
鏡面化するためにはドロップレット比を０．７％以上と
することが必要となる。即ちドロップレット比は０．７
〜５．２％とすることがよい。従って図４からドロップ
レット比を０．７％とする電流密度は１平方センチメー
トル当たり６０ＭＡであり、ドロップレット比を５．２
％とする電流密度は１平方センチメートル当たり９０Ｍ
Ａとなる。

【００２３】即ちアーク式イオンプレーティング法によ
って０．７〜５．２％のドロップレット比を有するシム
を製作するためには１平方センチメートル当たりの電流
密度を６０〜９０ＭＡとする必要がある。図８は１００
０ｒｐｍ摺り合わせにおいてドロップレットによってカ
ム接触面を鏡面化するのに要する時間を表すグラフであ
って、縦軸に接触抵抗（Ｎ・ｍ）を、横軸に時間をと
る。

【００２４】破線はドロップレット比０％のシムの接触
抵抗の経時変化であり、実線はドロップレット０．７％
のシムの接触抵抗の経時変化である。このグラフに示さ
れるようにドロップレット比０．７％のシムによれば約
１０時間の摺り合わせ時間によって接触抵抗は最低値
（約１．５Ｎ・ｍ）で飽和し、ドロップレット比０％の
シムの接触抵抗に比較して３０％程度改善される。

【００２５】即ちドロップレット比０．７％のシムであ
れば短時間の摺り合わせ時間で接触抵抗を低減すること
が可能となる。図９は摺り合わせの効果を表すグラフで
あって、縦軸にカム接触面の表面粗さを、横軸にシム表
面粗さをとる。即ち白丸で示されるようにドロップレッ
ト比０％（表面粗さ０．０１〜０．３０μｍＲｚ）のシ
ムを使用した場合には、摺り合わせによってカム接触面
の表面粗さは２．８μｍＲｚから０．８μｍＲｚに鏡面
化されるものの、２００時間以上の摺り合わせ時間を要
する。

【００２６】これに対し黒丸で示されるようにドロップ
レット比０．７％（表面粗さ約１．５μｍＲｚ）のシム
を使用した場合には、摺り合わせによってカム接触面の
表面粗さは２．８μｍＲｚから０．２μｍＲｚ以下に約
１０時間の摺り合わせ時間で鏡面化される。同時にシム
の表面粗さも約１．５μｍＲｚからコーティング下地粗
さと同レベルの０．０１〜０．３０μｍＲｚに鏡面化さ
れる。

【００２７】

【発明の効果】第１の発明にかかる摺動部材によれば、
表面に形成されたドロップレットによってカム接触面を
鏡面化すること、及び摺動部材表面もドロップレットが
折り取られて鏡面化し接触抵抗を低減することが可能と
なるだけでなく、鏡面化するための摺り合わせ時間を短
縮することが可能となる。

【００２８】第２の発明にかかる摺動部材の製造方法に
よれば、基材表面にドロップレットを有するコーティン
グ層を形成することが可能となるだけでなく、コーティ
ングする際に摺り合わせ時間を短縮することが可能とな
る適当なドロップレット比を有する摺動部材を製造する
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は直接駆動式動弁装置を有する内燃機関の
部分断面図である。

【図２】図２はシムの側断面図である。

【図３】図３はコーティング後の表面粗さの測定結果で
ある。

【図４】図４はドロップレットを説明するための模式図
である。

【図５】図５はドロップレット比とアーク式イオンプレ
ーティングの電流密度との関係を表すグラフである。

【図６】図６はドロップレットを有する３種類のシムを
適用した場合のカム接触面の磨耗量を表すグラフであ
る。

【図７】図７は４種類のシムを適用した場合の接触抵抗
低減率を表すグラフである。

【図８】図８はドロップレットによってカム接触面を鏡
面化するのに要する時間を表すグラフである。

【図９】図９は摺り合わせの効果を表すグラフである。

【符号の説明】 ５０…基材 ５１…窒化チタン ５２…チタン塊

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小沢 仁 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−163909（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−211269（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−121404（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58 F01L 1/14 - 1/20

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カムと摺動する摺動部材であって、 前記摺動部材の接触面をカムの接触面より滑らかに仕上
   げるとともに、滑らかに仕上げられた接触面にＨｖ硬度
   １，０００以上の材料の微細な凹凸を有するコーティン
   グ層を設け、 前記摺動部材の接触面の面積に対する基材表面から高さ
   ０．５μｍで微細な凹凸を切断した場合の切断面積の割
   合が０．７〜５．２％である摺動部材。
2. 【請求項２】 カムと摺動する摺動部材の製造方法であ
   って、 前記摺動部材の接触面を０．３μｍＲｚ以下に仕上げる
   とともに、その接触面にＨｖ硬度１，０００以上の材料
   を１平方センチメートル当たり６０〜９０ＭＡ（メガア
   ンペア）の電流密度でアーク式イオンプレーティング法
   によってコーティングする摺動部材の製造方法。