JP3817590B2

JP3817590B2 - 機械部品

Info

Publication number: JP3817590B2
Application number: JP51959297A
Authority: JP
Inventors: 隆佐田
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 1995-11-21
Filing date: 1996-11-20
Publication date: 2006-09-06
Anticipated expiration: 2016-11-20
Also published as: EP0805291A4; EP0805291A1; DE69614366D1; WO1997019279A1; US5885690A; DE69614366T2; EP0805291B1

Description

＜技術分野＞
本発明は、対向する他の部品に対して転がり接触および滑り接触の少なくとも一方の状態となる接触面を有する機械部品に関する。
＜背景技術＞
主に転がり接触する（すなわち、転がり接触のみするか或いはすべりを伴って転がり接触する）接触面を有する機械部品として、転がり軸受の軌道輪や転動体の他、カムフォロワ用のローラがある。上記の転動体としては、機械の回転軸に組み込まれて当該回転軸と直接接触するギアインナー軸受の転動体がある。
一方、すべり接触のみする接触面を有する機械部品として、例えば、ころの端面に押圧されつつすべり接触するスラストワッシャがある。
上記のカムフォロワとして、自動車のエンジン等の動弁機構に使用されるものがある。この動弁機構は、エンジンのクランク軸の回転にともなって回転するカム軸と、このカム軸の回転を上下動に変換してポペット弁に伝達する機構とで構成されており、伝達機構の違いによってロッカーアーム型、スイングアーム型、ダイレクト型等の種類がある。
上記動弁機構においては、従来、カム軸のカムと、当該カムの外周面にすべり接触させたカムフォロワとによって、カム軸の回転を上下動に変換していたが、近年、カム軸の回転負荷軽減のために、上記カムフォロワにローラ（カムフォロワ用ローラ）を回転自在に取付け、このカムフォロワ用ローラの外輪を、カム軸のカムの外周面に転がり接触させた構造のものが多くなりつつある。
ところが、たとえばＯＨＣ型やＤＯＨＣ型のエンジンにおいては、カム軸がエンジンケーシングの上方に位置するため、潤滑油の供給が不十分になる傾向があり、且つ、カムの外周面が、たとえば転がり軸受の軌道輪の軌道面や転動体の外周面のようにきれいに表面仕上げされておらず、表面粗さが大きいために、カムフォロワ用ローラの外周面に十分な潤滑油膜が形成されない。
このため、カムフォロワ用ローラの、カムに対する転がり接触面に、いわゆるピーリングと呼ばれる損傷が発生して、当該外輪の寿命を著しく縮めるという問題がある。
これに対して転がり接触面に、微小なくぼみを形成してこれらを油溜まりとして、この油溜まりからの油供給によって転がり接触面に油膜を形成することが提案されており（例えば、特開平３−１７２６０８号公報参照。）、この技術をカムフォロワ用ローラ等の機械部品に転用することが考えられる。
しかしながら、微小くぼみの形成態様によっては、十分な耐久性が得られない場合があった。
この発明の目的は、転がり接触またはすべり接触する接触面に微小くぼみを形成したものにおいて、安定した油膜形成能力を有する、長寿命の機械部品を提供することにある。
＜発明の開示＞
上記目的を達成するため、本発明の一態様では、対向する他の部品に対して転がり接触状態となる転がり接触面を有する機械部品において、上記転がり接触面に互いに独立した多数の微小くぼみが形成され、上記転がり接触面に垂直な平面で上記転がり接触面を切断して得られる粗さ曲線から、基準長さだけ抜き取られた部分における最大高Ｒｙさが１〜３μｍであり、上記抜き取られた部分に関する負荷曲線に基づいて得られる減衰山高さＲpkが、上記最大高さＲｙとの間に、Ｒpk／Ｒｙ≦０．１の関係を満たし、上記最大高さＲｙは、上記抜き取られた部分の最高山頂を通り且つ上記抜き取られた部分の平均線に平行な直線と、上記抜き取られた部分の最低谷底を通り且つ上記平均線に平行な直線との間の距離で定義され、上記負荷曲線は、上記抜き取られた部分の平均線に平行な所定のレベルの直線で粗さ曲線を切断した場合に、その切り取る線分の長さの総和と上記基準長さとの比で定義される負荷長さ率を横軸とし、上記直線の切断レベルを縦軸として表され、上記減衰山高さＲpkは、第１及び第２の点を結ぶ線分を底辺とし縦軸上に頂点を有する直角三角形の高さで表され、上記第１の点は、上記負荷曲線上で横軸方向にそって４０％の間隔を持つ第３及び第４の点を、両者のレベル差が最小となるように設定した場合に、上記第３の点と第４の点とを結ぶ直線が縦軸と交わる点であり、上記第２の点は、上記第１の点を通り且つ横軸に平行な直線が上記負荷曲線と交わる点であり、上記直角三角形の面積は、上記第１及び第２の点を結ぶ上記線分、負荷曲線並びに縦軸で囲まれる部分の面積に等しい面積を持ち、上記転がり接触面の全面積に対して、上記微小くぼみの開口面積が占める割合は、５〜２０％であることを特徴とする機械部品が提供される。
ただし、上記基準長さは、上記粗さパラメータを求める場合に必要となる測定長さで、粗さの範囲ごとに定められた数値で定義される長さである（ＪＩＳＢ０６０１）。また、上記平均線は、粗さ曲線（または断面曲線）までの偏差の自乗和が最小となるように設定した直線である。
本態様では下記の作用を奏する。すなわち、一定量（１〜３μｍ）の最大高さＲｙを有し且つＲ_PK／Ｒｙ≦０．１という条件を満たす接触面は、分布は少ないが深い微小くぼみを有していて表面近くは比較的平滑であることになる。したがって、上記滑らかな表面部分によって、十分な広さの接触面積が確保され、且つ分布は少ないが深い微小くぼみによって十分な量の油溜まりを形成することができる。またＲ_PK／Ｒｙは０．０５以下であることが好ましい。
また、最大高さＲｙおよびＲpk／Ｒｙの値に関する上記の条件は、転がり接触面の転がり方向に沿って抽出された粗さ曲線がこの条件を満たしていれば好ましい。
上記転がり接触面の全面積に対して、上記微小くぼみの開口面積が占める面積比率を、５〜２０％としたのは下記の理由による。即ち、上記面積比率が５％未満では、微小くぼみが少ないため、潤滑油膜の形成能力が低下してしまう。逆に、上記面積比率が２０％を超えた場合には、微小くぼみが拡大しやすく、それに伴って亀裂が発生したり、あるいは転がり時の振動や音を増大させたり、相手物体に損傷を及ぼしたりするおそれがある。
本発明の好ましい態様では、浸炭窒化処理された高炭素鋼系材料からなり、上記接触面に表面処理が施されている。高炭素鋼系材料としては、例えば軸受鋼がある。上記表面処理は、接触面を粗くするためのショットブラストと、ショットブラスト処理により粗くされた接触面の粗さを整えるバレル仕上げとを含んでいれば好ましい。
【図面の簡単な説明】
図１Ａは本発明の機械部品の一実施形態としてのカムフォロワ用ローラの外輪の転がり接触面の粗さ曲線を示すグラフ図であり、図１Ｂは粗さ曲線から得られる負荷曲線を表すグラフ図である。
図２は図１Ａの要部拡大図である。
図３はカムフォロワ用ローラの斜視図である。
図４はカムフォロワ用ローラが組み込まれた、エンジンの動弁機構を示す部分切り欠き正面図である。
図５は耐久性試験の装置の主要部分の概略図である。
＜発明を実施するための最良の形態＞
以下に、本発明の機械部品の一実施形態を、エンジンの動弁機構に組み込まれるカムフォロワ用ローラの外輪に則して説明する。
図３に示すように、本カムフォロワ用ローラ１は、外輪１１および軸１２と、上記両者の間に転動可能に配置された複数のころ１３とからなる。
上記外輪１１、軸１２およびころ１３は、いずれも軸受鋼ＳＵＪ２（ＪＩＳ−Ｇ４８０５、高炭素クロム鋼鋼材）等の高炭素鋼系材料にて形成されており、そのうち外輪１１の外周面である転がり接触面１１ａには、多数の互いに独立した微小くぼみが形成されている。
図１Ａ，図１Ｂおよび図２を参照して、転がり接触面１１ａから抽出された粗さ曲線Ｒの最大高さＲｙが１〜３μｍであり、減衰山高さＲ_PKと最大高さＲｙの比Ｒ_PK／Ｒｙが０．１以下となるように、より好ましくは０．０５以下となるように設定されている。また、転がり接触面１１ａの全面積に対して上記微小くぼみの開口面積が占める割合、すなわち面積比率は、５〜２０％になるように、好ましくは５〜１０％になるように設定されている。後述するように、本願発明者は、粗さ曲線Ｒにおいて最大高さＲｙが１〜３μｍであり、減衰山高さＲ_PKと最大高さＲｙとに関して、Ｒ_PK／Ｒｙ≦０．１の関係が成立する場合に、ピーリング等の発生を抑えて耐久性を確実に向上することができるという知見を得た。
ここで、上記の最大高さＲｙは、転がり接触面１１ａに垂直な平面で上記接触面１１ａを切断して得られる粗さ曲線Ｒから基準長さＬだけ抜き取られた部分において、最低の谷底Ｖから最高の山頂Ｔまでの高さである。
また、図１Ｂは上記粗さ曲線Ｒにおける全ての切断レベルＰと、その切断レベルＰにおける負荷長さ率ｔ_pとの関係をグラフ化した負荷曲線Ｍを表している。上記負荷長さ率ｔ_pは、平均線Ｃに平行で、且つ最高山頂Ｔから切断レベルＰだけ下側にある直線Ｋで切断される表面の切断部分の長さｄ１，ｄ２，…の総和を、全長Ｌに対して百分率表示したものである。
換言すると、負荷曲線Ｍは、上記抜き取られた部分の平均線Ｃに平行な所定のレベルの直線で粗さ曲線Ｒを切断した場合に、その切り取る線分の長さｄ１，ｄ２，…の総和と上記基準長さＬとの比で定義される負荷長さ率ｔ_pを横軸とし、上記直線の切断レベルＰを縦軸として表される。なお、平均線Ｃは、粗さ曲線Ｒ（または断面曲線）までの偏差の自乗和が最小になるように設定した直線である。
次いで、減衰山高さＲ_PKについて説明する。図１Ｂの負荷曲線Ｍ上で負荷長さ率ｔ_p値の方向に４０％の幅をとり、この両端の高さの差が最小となる位置を探し、その２点を通る直線である最小傾斜線Ｓと、ｔ_p＝０％の限界線（すなわち縦軸）との交点ａを求める。
次いで、図２を参照して、この交点ａを通る水平線Ｊと負荷曲線Ｍとの交点をｃとする。そして、０％限界線と辺ａｃと負荷曲線Ｍとで囲まれる部分の面積Ｈに等しい、この辺ａｃを一辺とする直角三角形をなすようなｔ_p＝０％の限界線（縦軸）上の高さが減衰山高さＲ_PKである。
転がり接触面１１ａが上記の特性を有するカムフォロワ用ローラ１の外輪１１は、たとえば軸受鋼等の高炭素鋼系材料からなる未処理の外輪を浸炭窒化処理し、ついでその転がり接触面１１ａをショットブラストによって粗化した後、バレル仕上げすることで製造される。そして上記外輪１１が、同じく高炭素鋼系材料からなる軸１２と、複数のころ１３と組み合わされて、カムフォロワ用ローラ１が製造される。
上記外輪１１の製造工程のうち、浸炭窒化処理としては、気相による浸炭窒化法と、液相による浸炭窒化法の何れを採用してもよい。前者の、気相による浸炭窒化法は、高炭素鋼系材料からなる未処理の外輪を、材料の変態点以上の温度に保持しつつ、ＮＨ₃を導入したガス浸炭雰囲気にさらして処理するものである。一方、後者の液相による浸炭窒化法は、未処理の外輪を、青化物の溶融浴中に浸漬して処理するものである。
上記浸炭窒化処理を施した後の外輪１１は、その転がり接触面１１ａを、研磨処理した後、ショットブラストによって粗化し、さらにバレル仕上げすることで、製品として完成する。ショットブラストおよびバレル仕上げの条件等は、転がり接触面１１ａの表面粗さおよび微小くぼみの面積比率が前述した範囲となるように、適宜設定すればよい。上記の面積比率は公知の画像処理手法により測定できる。
本カムフォロワ用ローラ１は、たとえば第３図に示すように、自動車のエンジン等において、ポペット弁２を駆動するための動弁機構に組み込まれて使用される。
図の動弁機構はいわゆるスイングアーム型のもので、上記ポペット弁２と、ムフォロワ用ローラ１が組み込まれた、カムフォロワとしてのスイングアーム３と、カム４を備えたカム軸５と、復元ばね６とで構成されている。
上記のうちスイングアーム３は、その一端部に、図示しないアジャスタ支点が嵌合される凹部３１を有し、かつ他端部が、ポペット弁２を押圧する押圧部３２になっている。またスイングアーム３の、上記両端部の中間には、カムフォロワ用ローラ１の外輪１１の回転を妨げずに、当該カムフォロワ用ローラ１を組み込むための凹部３３が形成されている。そして、上記凹部３３内に軸１２を固定することで、カムフォロワ用ローラ１がスイングアーム３に組み込まれている。
カム軸５のカム４は、その外周面が、上記スイングアーム３に組み込まれたカムフォロワ用ローラ１の外輪１１の外周面である、前記転がり接触面１１ａに転がり接触するカム面７となっている。
上記各部は、復元ばね６の、図中黒矢印で示す上方への押圧力によって、ポペット弁２の上端部がスイングアーム３の押圧部３２に圧接され、かつカムフォロワ用ローラ１の外輪１１の転がり接触面１１ａが、カム４のカム面７と転がり接触した状態が維持されている。
上記各部からなる動弁機構においては、図中細線の矢印で示すようにカム軸５を回転させると、カム４のカム面７のうち、図中右下の突出部が、カムフォロワ用ローラ１を下方へ押圧し、それによってスイングアーム３が、凹部３１に嵌合されるアジャスタ支点を中心として下方へ回動して、押圧部３２が、図中白矢印で示すように、ポペット弁２を開方向へ押圧して、ポペット弁２が開かれる。
また、上記カム面７の突出部がカムフォロワ用ローラ１を通過した後は、復元ばね６の、前述した上方への押圧力によって、スイングアーム３が、前記アジャスタ支点を中心として上方へ回動するとともに、ポペット弁２が閉方向へ押し戻されて閉じられる。
以上の繰り返しにより、カム軸５の回転にともなって、所定のタイミングでポペット弁２が開閉される。
なお、以上で説明したカムフォロワ用ローラ１は、第２図に示したスイングアーム型の動弁機構に組み込んで使用されていたが、このカムフォロワ用ローラは、前述したロッカーアーム型やダイレクト型等の、種々の動弁機構に組み込んで使用することができる。また、このカムフォロワ用ローラは、上記動弁機構以外の、種々の機構におけるカムフォロワに組み込んで使用することもできる。
また、本発明は、カムフォロワ用ローラの他、種々の転がり軸受の内輪、外輪および転動体に適用することができる。例えば、円筒ころ軸受、円すいころ軸受および針状ころ軸受等のころ軸受の内輪、外輪およびころに適用することができる。特に、機械の回転軸に組み込まれて当該回転軸と直接接触するギアインナー軸受の転動体に好適に使用できる。
さらに、ギアやローラの端面とすべり接触する各種のスラストワッシャの他、ローラフォロワやカムフォロワのスラスト方向の位置決めをするためのフランジ面を有する部材等に適用することができる。また、スラスト軸受の軌道輪や転動体に適用できる。特に、スラストころ軸受の円筒ころや円すいころ等に好適に適用できる。
その他、対向する他の部品に対して転がり接触および滑り接触の少なくとも一方の状態となる接触面を有する、あらゆる機械部品に適用することができる。
実施例１〜３
外周に幅１０ｍｍの転がり接触面５１を有する直径６０ｍｍφの試験円筒５０（図５参照）を、軸受鋼ＳＵＪ２から施削、形成し、この試験円筒を、ＮＨ₃を導入したガス浸炭雰囲気中で、８２５℃で５時間、焼入れし、さらに１６０℃で２時間、焼き戻ししてガス浸炭窒化処理した後、転がり接触面を研磨した。
次に、上記試験円筒の転がり接触面を、下記の条件にてショットブラスト処理した後、バレル仕上げして、実施例１〜３の試験円筒を製造した。
（ショットブラスト処理条件）
使用装置：エアーブラスト装置
加圧タンク圧力：４ｋｇｆ／ｃｍ²（０．４ＭＰａ）
投射材：アルミナ（粒径６３〜１０５μｍ）
処理時間：５分間
（バレル仕上げ条件）
使用装置：遠心バレル研磨機
回転数：１７０ｒ．ｐ．ｍ
メディア：セラミック球（直径φ５ｍｍ）
コンパウンド：粉末（水添加）
処理時間：３０分間
次いで、各実施例１〜３の試験円筒の転がり接触面の表面粗さを測定し、最大高さＲｙを求めるとともに、減衰山高さＲ_PKと最大高さＲｙとの比Ｒ_PK／Ｒｙを求めたところ、下記の表１に示すようであった。

顕微鏡観察により得た画像を画像解析して、上記転がり接触面において、微小くぼみの開口が占める面積の比率を測定したところ、何れも５〜２０％の範囲にあった。
比較例１〜４
比較例１は、各実施例の製造方法のショットブラスト処理及びバレル仕上げに代えて、ラップ仕上げとして製造した試験円筒であり、従来品と同等の耐久性を有する。
比較例２は、研磨の後、ショットブラスト処理を行わずにバレル仕上げして製造した試験円筒であり、研磨時に形成された周方向に延びる微小溝が残っている。
比較例３と４は、上記の実施例のものと同様の製造方法であるが、ショットブラスト処理及びバレル仕上げの条件を変更して製造した。
これら比較例１〜４について、表面粗さを測定し、最大高さＲｙを求めるとともに、減衰山高さＲ_PKと最大高さＲｙとの比Ｒ_PK／Ｒｙを求めたところ、表１に示すようであった。
また、顕微鏡観察により得た画像を画像解析して、上記転がり接触面における、微小くぼみの開口の面積比率を測定したところ、比較例１と２は微小くぼみが存在せず、微小くぼみが存在する比較例３での微小くぼみの面積比率は２０％、また、比較例４での微小くぼみの面積比率は３０％であった。
耐久性試験
図５を参照して、転がり接触面６１が、周方向と直交する方向に半径３０ｍｍのＲ形状になっていること以外は、試験円筒と同様の寸法、形状を有すると共に、当該転がり接触面６１が周方向に研削仕上げ（最大高さＲｙ＝３μｍ）された、軸受鋼ＳＵＪ２製の駆動輪６０を用意した。外輪に相当する試験円筒５０と、カムに相当する駆動輪６０を用いた模擬的な耐久性試験とした。
次に、この駆動輪６０と、実施例、比較例の試験円筒５０とを、それぞれの転がり接触面５１，６１同士が接触応力Ｐ_max＝２３００ＭＰａで接触するようにセットし、潤滑油（タービン油ＩＳＯ−ＶＧ３２）を３ｃｃ／分の速度で滴下しつつ、回転速度１０００ｒ．ｐ．ｍ、すべり率０（純転がり）の条件で、１２×１０⁵回、連続回転させた。なお、試験は試験円筒と駆動輪の回転による自然昇温を許容しつつ、室温下で行った。
そして、試験の終了後、試験円筒５０及び駆動輪６０の転がり接触面５１，６１を顕微鏡にて観察したところ、表１に示す結果を得た。即ち、
Ｒｙが１〜３μｍで、且つＲ_PK／Ｒｙ≦０．１という条件（以下、条件Ａという）を満たす実施例１〜３では、試験円筒及び駆動輪の転がり接触面とも、損傷が見られず、本願発明の効果が立証された。
これに対して、Ｒｙ及びＲ_PK／Ｒｙの双方の値とも条件Ａから外れる比較例１（従来品）では、試験円筒の転がり接触面にピーリングが発生し、また、駆動輪の転がり接触面にはピーリングに類似した微小剥離が発生した。
また、軸方向では条件Ａを満たしているが、周方向では条件Ａから外れる比較例２においても、試験円筒の転がり接触面にピーリングが発生し、また、駆動輪の転がり接触面にはピーリングに類似した微小剥離が発生した。これは、比較例２では、研磨時に形成された周方向に延びる微小溝が残っており、このような微小溝は、溜めた油を周方向（回転方向）に流してしまうので、油膜形成能力が低くなるものと推察される。したがって、条件Ａは、方向を特定せずに満たされていることが好ましいことが判った。
また、Ｒｙの値に関する条件は満たすがＲ_PK／Ｒｙの値に関する条件が満たされていない比較例３においては、試験円筒の転がり接触面に損傷は認められなかったが、駆動輪の転がり接触面の摩耗が顕著であった。したがって、Ｒ_PK／Ｒｙの値に関する条件を満たしているか否かのみが異なる、実施例１とこの比較例３との比較において、Ｒ_PK／Ｒｙの値に関する条件の重要性が確認された。
また、Ｒ_PK／Ｒｙの値に関する条件は満たしているが、Ｒｙの値に関する条件が大きく外れる比較例４では、試験円筒の転がり接触面で微小くぼみの拡大がみられ、また、相手方の駆動輪の摩耗が激しかった。

Claims

対向する他の部品に対して転がり接触状態となる転がり接触面を有する機械部品において、
上記転がり接触面に互いに独立した多数の微小くぼみが形成され、
上記転がり接触面に垂直な平面で上記転がり接触面を切断して得られる粗さ曲線から、基準長さだけ抜き取られた部分における最大高Ｒｙさが１〜３μｍであり、
上記抜き取られた部分に関する負荷曲線に基づいて得られる減衰山高さＲpkが、上記最大高さＲｙとの間に、Ｒpk／Ｒｙ≦０．１の関係を満たし、
上記最大高さＲｙは、上記抜き取られた部分の最高山頂を通り且つ上記抜き取られた部分の平均線に平行な直線と、上記抜き取られた部分の最低谷底を通り且つ上記平均線に平行な直線との間の距離で定義され、
上記負荷曲線は、上記抜き取られた部分の平均線に平行な所定のレベルの直線で粗さ曲線を切断した場合に、その切り取る線分の長さの総和と上記基準長さとの比で定義される負荷長さ率を横軸とし、上記直線の切断レベルを縦軸として表され、
上記減衰山高さＲpkは、第１及び第２の点を結ぶ線分を底辺とし縦軸上に頂点を有する直角三角形の高さで表され、
上記第１の点は、上記負荷曲線上で横軸方向にそって４０％の間隔を持つ第３及び第４の点を、両者のレベル差が最小となるように設定した場合に、上記第３の点と第４の点とを結ぶ直線が縦軸と交わる点であり、
上記第２の点は、上記第１の点を通り且つ横軸に平行な直線が上記負荷曲線と交わる点であり、
上記直角三角形の面積は、上記第１及び第２の点を結ぶ上記線分、負荷曲線並びに縦軸で囲まれる部分の面積に等しい面積を持ち、
上記転がり接触面の全面積に対して、上記微小くぼみの開口面積が占める割合は、５〜２０％であることを特徴とする機械部品。
ただし、上記基準長さは、上記粗さパラメータを求める場合に必要となる測定長さで、粗さの範囲ごとに定められた数値で定義される長さである（ＪＩＳＢ０６０１）。また、上記平均線は、粗さ曲線（または断面曲線）までの偏差の自乗和が最小となるように設定した直線である。
上記粗さ曲線は上記転がり接触面の転がり方向に沿って抽出されたものであることを特徴とする請求の範囲第１項記載の機械部品。
浸炭窒化処理された高炭素鋼系材料からなり、上記転がり接触面に表面処理が施されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の機械部品。
上記表面処理は、転がり接触面を粗くするためのショットブラストと、ショットブラスト処理により粗くされた転がり接触面の粗さを整えるバレル仕上げとを含むことを特徴とする請求の範囲第３項記載の機械部品。