JP4220401B2

JP4220401B2 - 内燃機関の動弁装置

Info

Publication number: JP4220401B2
Application number: JP2004014981A
Authority: JP
Inventors: 浩行高村
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2004-01-22
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2024-01-22
Also published as: JP2005201226A

Description

本発明は、ローラタイプのカムフォロア（ローラフォロア）を備える内燃機関用動弁装置に関し、特に、ローラフォロアのローラと回転接触するカムロブの耐摩耗性、耐スカッフィング性及び、耐ピッチング性に優れる動弁装置に関する。

内燃機関において、カムシャフトやロッカーアーム等の部品は運転中、高速で摺動、回転接触をすることから、耐摩耗性、耐スカッフィング性、耐ピッチング性等の摺動特性が要求される。このため、従来からこれらの摺動特性を向上させることを目的として、様々な方法が提案されている。例えば、鋳造時にカムノーズの部分を冷やし金を用いて急速凝固させ、カムノーズ表面に硬い白鋳鉄組織を形成したチルカムシャフトが用いられている。しかしながら、チルカムシャフトは外周表面に硬いチル組織を有するため、優れた耐摩耗性を示すが、耐ピッチング性に劣り、高負荷のエンジンには使用が難しい。

特許文献１には、カムシャフトのカム面にロッカーアームのローラが転動摺接するローラタイプの動弁装置において、基地組織が残留オーステナイト組織３５〜５０容量％とベントナイト組織との混在組織からなる球状黒鉛鋳鉄であるカムを用いることが記載されている。このカムは、ローラの接触圧力により残留オーステナイト組織から加工誘起マルテンサイトが生成し、転動疲労強度が向上する。

特許文献１には、残留オーステナイトを適度な割合で含む球状黒鉛鋳鉄のカムを作製するために、重量比で、２．０〜４．０％Ｃ、１．５〜３．５％Ｓｉ、０．１〜１．０％Ｍｎ、０．００５〜０．０８％Ｍｇ、０．１５％以下Ｐ、０．１５％以下Ｓ、０．３〜１．０％Ｃｕ、０．０３〜０．０９％Ｍｏ、及び残部Ｆｅからなる鉄系材料を鋳造後、いずれも加熱を伴うフェライト化焼鈍、非酸化性雰囲気下での加熱、及びオーステンパー処理の各工程を順次行うことが記載されている。

また、特許文献２には、基地組織がマルテンサイト、ベーナイト及び残留オーステナイトの混在組織からなる、耐スカッフィング性及び耐ピッチング性に優れた焼結カムシャフト用カムロブが記載されている。

特許文献２には、滑りタイプの焼結カムロブを考慮し、スカッフの発生要因となる残留オーステナイト量を調節するために、Ｃ：１．５〜３．０重量％、Ｃｒ：２．０〜１２．０重量％、Ｍｏ：０．５〜３．０重量％、Ｎｉ：１．４重量％以下、Ｓｉ：０．２〜１．０重量％、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる組成となるように焼結用粉末を調製し、焼結を行うことが記載されている。

特公平５−７９７４２号公報特開２０００−１４４３４１号公報

本発明は、内燃機関に使用されるローラタイプの動弁装置において、ローラフォロアと
組み合わされる鉄系焼結カムロブの耐ピッチング性を向上させることを目的とする。

本発明により提供される内燃機関の動弁装置は、カムシャフトに固定されたカムロブ及び当該カムロブと回転接触するローラを設けたローラフォロアを備え、前記カムロブが、Ｎｉ：０．３〜５．０重量％、Ｍｏ：０．１〜２．５重量％、Ｃ：０．５〜１．２重量％、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる組成を有し、基地が、残留オーステナイト組織２１〜３０容量％と焼入れマルテンサイト組織との混在組織のみからなり、密度７．３ｇ／ｃｍ^３以上、及び、カム外周硬さＨＲＣ５０〜５５の鉄系焼結材であることを特徴とする。

本発明の動弁装置に使用される鉄系焼結カムロブは、ローラフォロアのローラとカムロブの接触面圧によって、基地組織中の残留オーステナイトが加工誘起マルテンサイト変態を起こすことで、優れた繰り返し接触疲労強度を有するものであり、耐摩耗性、耐スカッフィング性と共に、特に耐ピッチング性に優れている。

本発明の動弁装置は、エンジンのクランクシャフトと同期して回転するカムシャフトに固定されたカムロブと、当該カムロブと回転接触するローラを設けたローラフォロアを備える。ローラフォロアは、カムロブとの当接部に、カムロブと回転接触するローラを設け、カムシャフトの回転運動をバルブの往復運動に変換する部材であり、動弁装置の構造に応じて適した形態とすることができる。ローラフォロアとしては、例えば、カムロブとの当接部にローラを設けたタペット（ローラタペット）又はロッカーアーム（ローラロッカーアーム）、バルブの基部側先端にカムロブと回転接触するローラを直接設けたものなどがある。

図１に、本発明に係る動弁装置に用いるカムフォロア装置の一態様を示す。カムフォロア装置１０１は、カムシャフト１に固定されたカムロブ２と、このカムロブと回転接触するローラ４を設けたローラタペット３とで構成される。図２はカムロブ２の形状の一例を示す正面図（２Ａ）及び側面図（２Ｂ）である。また図３は、ローラタペット３のカムロブ２に対する当接部の一例を拡大して示す正面図（３Ａ）及び側面図（３Ｂ）である。

ローラタペット３は、ローラタペット本体５のカムロブ２と当接する側の端部に、軸受孔５ｂを各々有する一対の支持壁部５ａを間隔を開けて形成し、一対の支持壁部の間に軸受孔４ａを有するローラ４を配置し、軸６を支持壁部の一方の軸受孔５ｂ、ローラ４の軸受孔４ａ、及び支持壁部のもう一方の軸受孔５ｂに貫通させることにより、ローラ４を回転自在に支持する。また、軸６と軸受孔４ａとの間には、フリクションロスを軽減するためにベアリングを介在させることが好ましい。ローラ４の材質は特に限定されず、例えば、軸受鋼等が好ましい。

本発明においては、カムシャフトのカムロブ２は、Ｎｉ：０．３〜５．０重量％、Ｍｏ：０．１〜２．５重量％、Ｃ：０．５〜１．２重量％、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる組成を有し、基地が、残留オーステナイト組織１５〜３０容量％と焼入れマルテンサイト組織との混在組織からなり、密度７．３ｇ／ｃｍ³以上、及び、カム外周硬さＨＲＣ４５以上の鉄系焼結材で形成されている。

この鉄系焼結カムロブは、ローラフォロアのローラと回転接触する時の耐摩耗性、耐スカッフィング性及び耐ピッチング性に優れているので、ローラタイプの動弁装置に適している。

ローラタペットやローラロッカーアームのようなローラフォロアとカムロブの回転接触においては、耐ピッチング特性に代表される繰返し接触疲労強度が重要であり、特に耐ピッチング特性が重要である。カムロブの回転接触部を構成する組織に、残留オーステナイト組織が存在すると、カムロブとローラの接触圧力によって、残留オーステナイトは加工誘起マルテンサイト変態を起こし、マルテンサイトが生成する。マルテンサイト変態は体積膨張を伴うため、表面に圧縮残留応力が生じ、その結果、耐ピッチング性等の繰返し接触疲労強度が向上するとともに、マルテンサイト状態による硬さ上昇のために耐摩耗性が向上する。

基地組織中の残留オーステナイト量は、優れた耐ピッチング性を得るために１５〜３０容量％とし、好ましくは１５〜２５容量％とする。残留オーステナイト量が１５容量％以上の場合、加工誘起マルテンサイト変態による耐ピッチング性向上の十分な効果を得ることができる。一方、加工誘起マルテンサイト変態を起こさない安定なオーステナイトの量を制限し、優れた耐ピッチング性を得るために、残留オーステナイト量は、３０容量％以下とする。

ローラフォロアのローラと回転接触をするカムロブの強度を上げて耐ピッチング性を向上させるために、カムロブの密度は７．３ｇ／ｃｍ³以上とし、好ましくは７．４〜７．６ｇ／ｃｍ³とする。

また、優れた耐摩耗性を得るために、カム外周硬さを、ＨＲＣ４５以上とし、好ましくは５０〜５５とする。

本発明においては、鉄系焼結カムロブの成分組成を上記範囲とすることによって、ローラタイプに適した耐摩耗性、耐スカッフィング性及び耐ピッチング性を有し、特に、加工誘起マルテンサイト変態により耐ピッチング性を向上させるのに適した量の残留オーステナイトを含有する鉄系焼結カムが得られる。以下に、Ｎｉ、Ｃ及びＭｏの配合目的を説明する。

Ｎｉは、強度及び靭性を高める効果がある。さらに、焼入れ焼き戻し処理後に加工誘起変態が可能な残留オーステナイトを生じさせるため、耐ピッチング性を向上させる効果がある。カムロブ材のＮｉ含有量は、０．３〜５．０重量％とし、好ましくは２〜３重量％とする。Ｎｉが０．３重量％未満では、十分な強度及び靭性を得ることができず、残留オーステナイト量も少ない。一方、Ｎｉが５．０重量％を超える場合、オーステナイトが安定化し、加工誘起変態を起こさないため、逆に耐ピッチング性が低下してしまう。

Ｃは、耐摩耗性が得られる外周硬さを得るために必要である。カムロブ材のＣ含有量は、０．５〜１．２重量％とし、好ましくは０．８〜１．０重量％とする。Ｃの含有量が０．５重量％未満の場合、焼入れ焼き戻し後に所望のカム外周硬さが得られにくく、耐摩耗性に劣ってしまう。一方、１．２重量％を超える場合、圧縮性が著しく低下し、密度が上がらない。

また、Ｍｏは、焼入れ性を高めると同時に、基地に固溶して硬度を高め、耐摩耗性を向上させる効果がある。カムロブ材のＭｏ含有量は、０．１〜２．５重量％、好ましくは０．５〜１．５重量％とする。Ｍｏが０．１重量％未満では、十分に硬化せず、一方、Ｍｏが２．５重量％を超えるとＣと同様に圧縮性が著しく低下し、密度が上がらない。

本発明で使用されるカムロブ材は、焼結用粉末を焼結後に上記組成となるように調製し、プレス成形及び焼結することにより得られる。焼結用粉末には、成形時の型抜け性をよくするために、例えば、ステアリン酸亜鉛等の潤滑剤を添加してもよい。プレス成形及び焼結のいずれか又は両方を、２回プレス・２回焼結（２Ｐ２Ｓ）のように２回以上行ってもよい。焼結後に、通常は焼入れ焼戻し処理を行うことで、基地組織を調節する。焼入れ焼戻し処理の後に、さらに研削研磨、ショットブラスト等の後加工を行っても良い。

以下、実施例、比較例、及び参考例によって、本発明をさらに具体的に説明する。

（実施例４〜１１、比較例２〜７、及び参考例１〜３）
二次焼結後に表１に示す成分組成となるように、焼結用粉末を調製し、さらに、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を加えて混合した。

次に、調製した焼結用粉末を用いて面圧５〜７ｔｏｎ／ｃｍ^２で１回目のプレス成形（１次成形）を行い、圧粉体を形成した後、真空焼結炉内で、６００〜９００℃で仮焼結（１次焼結）をし、仮焼結体を得た。次いで、この仮焼結体を面圧７〜１２ｔｏｎ／ｃｍ^２で２回目のプレス成形（２次成形）を行い、その２次成形体を真空焼結炉中、１１００〜１２００℃で本焼結（２次焼結）を行い、２次焼結体を得た。この２次焼結体に焼入れ焼戻し処理（温度等の条件：９００℃×１００分加熱、その後油冷、１５０℃×６０分加熱、その後空冷）を行い、実施例４〜１１、比較例２〜７、及び参考例１〜３の焼結カムロブ材を得た。

（比較例１）
最終の成分組成が、表１に示す成分組成（Ｔ．Ｃ：３．４重量％、Ｓｉ：２．０重量％、Ｍｎ：０．７重量％、Ｃｒ：０．８重量％、Ｍｏ：２．０重量％、Ｎｉ＋Ｃｕ：２．０重量％）となるように各元素を溶かして、冷やし金を有する鋳型に流し込み、急冷凝固してチル鋳鉄を得た。得られたチル鋳鉄を研磨し、比較例１のカムロブ材を得た。

＜試験条件＞
（１）密度
各実施例、比較例、及び参考例で得られたカムロブ材の試験片をパラフィンで封孔処理し、アルキメデス法によって密度を測定した。測定結果を表２に示す。

（２）カム外周硬さ
ロックウエル硬度計により、Ｃスケールにて、各実施例、比較例、及び参考例で得られた試験片のカムノーズの外周を５点計測し、その平均値を算出した。測定結果を表２に示す。

（３）耐ピッチング試験及び摩耗試験
図４に示す二円筒接触試験機により、各試験片のピッチング発生に至る回数を測定した。一定速度に回転するカムロブ材の各試験片７と相手材円筒試験片８の回転面を接触させ、両試験片の接触面に潤滑油９を滴下しながら所定の荷重１０をかけて回転させ、ピッチングが発生するまでの回転数を計測した。また、同様に各試験片７を回転させ、一定回転数（１×１０^５回）当りの摩耗沈み量（μｍ）を計測し摩耗量とした。

（測定条件）
測定装置：二円筒接触試験機
回転数：１５００ｒｐｍ
潤滑油：エンジンオイル１０Ｗ３０
油温：１００℃
油量：２×１０^−４ｍ^３／ｍｉｎ
荷重：２０００Ｎ（耐ピッチング試験）、２５００Ｎ（耐ピッチング試験）、３０００Ｎ（耐ピッチング試験・摩耗試験）
スベリ率：０％
相手材：ＳＵＪ２
判定方法：ＡＥ（アコースティックエミッション）にて、ピッチング発生の亀裂を検知し、そのときの接触回数をピッチング発生に至る回数としてＳ−Ｎ曲線を作成し、各試験片と比較した。

耐ピッチング試験結果を図５に示す。また、摩耗量を表２に示す。

（４）オーステナイト量の測定
各試験片の基地中のオーステナイト量を耐ピッチング試験の前後で測定した。
（測定条件）
試験装置：Ｘ線応力測定装置（（株）リガク製）
試験箇所：試験片外周部
測定結果を表２及び図６（耐ピッチング試験前）、図７（試験後）に示す。

（試験結果）
耐ピッチング性については、実施例４〜１１でのピッチング発生に至る回数が、９．６０×１０ ^５〜３．７０×１０^６回であり、比較例１〜７でのピッチング発生に至る回数が、１．０５×１０^５〜３．８０×１０^５回であり、参考例１〜３（旧実施例１〜３）でのピッチング発生に至る回数が、６．５０×１０ ^５〜１．７０×１０ ^６回である。本発明の実施例４〜１１は、比較例の中でピッチング発生に至る回数が最も多い比較例４（３．８０×１０^５回）より約２．５〜９．７倍も耐ピッチング性が優れている。

摩耗量については、実施例４〜１１での摩耗量が０．１８〜０．２８μｍであり、比較例１〜７での摩耗量が０．３３〜１．０１μｍであり、参考例１〜３（旧実施例１〜３）での摩耗量が０．２２〜０．３０μｍである。本発明の実施例４〜１１、及び参考例１〜３は、比較例１〜７より耐摩耗性が優れている。

実施例４〜１１は、焼結後の残量オーステナイト量が２１．０〜２８．０体積％であり、比較例１〜７の残量オーステナイト量が１．２〜３５．０体積％であり、参考例１〜３（旧実施例１〜３）の残量オーステナイト量が８．５〜３０．０体積％である。耐ピッチング性試験前後のオーステナイト量変化としては、チル鋳鉄である比較例１、及び、鉄系焼結材であるがＮｉを含有しない比較例２並びにＮｉを含有するが少量すぎる比較例３は、Ｎｉを含有する実施例４〜１１に比べて、焼結後の残留オーステナイト量が少ない。また、比較例１〜３は、耐ピッチング性試験前後でオーステナイト量がほぼ変化しないのに対し、実施例４〜１１はオーステナイト量が減少した。

よって、本発明の実施例４〜１１は、比較例１〜７より耐ピッチング性及び耐摩耗性が優れていることがわかる。試験結果を、以下に詳細に説明する。

チル鋳鉄である比較例１、鉄系焼結材であるがＮｉを含有しない比較例２、及び鉄系焼結材であるがＮｉの含有量が少量過ぎる比較例３は、試験前の残留オーステナイト量が少なく、カムロブとローラの接触圧力によって生じる残留オーステナイトの加工誘起マルテンサイト変態による硬さの上昇、耐ピッチング性の向上が期待できない。その結果、比較例１、２及び３でのピッチング発生に至る回数は、参考例１（旧実施例１）の約１／３〜及び１／４と低めである。また、比較例１及び比較例２での耐摩耗性は、参考例１（旧実施例１）の約３．２〜３．３倍も摩耗量が多く、比較例３での耐摩耗性は、参考例１（旧実施例１）の約１．７倍も摩耗量が多い。

また、Ｎｉが過量である比較例４は、試験前の残留オーステナイト量が３５％と多すぎるため、試験後も残留オーステナイト量が１８．９％と多く存在し、カムロブとローラの接触圧力によって生じる残留オーステナイトの加工誘起マルテンサイト変態による硬さの上昇、耐ピッチング性及び耐摩耗性の向上が期待できない。その結果、比較例４でのピッチング発生に至る回数は、Ｎｉが適量である参考例３（旧実施例３）の約１／５と低めである。また、比較例４での耐摩耗性は、Ｎｉが適量である参考例３（旧実施例３）の約１．９倍も摩耗量が多い。

Ｃが少量すぎる比較例５は、耐ピッチング試験前後のオーステナイト量の変化量が少なく、Ｃが適量である実施例８に対し、オーステナイト量の変化量が約１／２であり、ピッチング発生に至る回数は、実施例８の約１／１０と極めて低い。また、Ｃが少量すぎる比較例５は、焼入れ焼き戻し後にカム外周硬さが得られにくく、耐摩耗性に劣り、Ｃが適量である実施例８に対し、約２．１倍も摩耗量が多い。

Ｃが過量である比較例６は、圧縮性が著しく低下し、密度が上がらない為、耐ピッチング性及び耐摩耗性は向上しない。その結果、比較例５より更に耐ピッチング試験前後のオーステナイト量の変化量が少なく、Ｃが適量である参考例２（旧実施例２）に対し、オーステナイト量の変化量が約１／５と極めて少ない。ピッチング発生に至る回数は、参考例２（旧実施例２）の約１／１３と極めて低く、さらにＣが少量すぎる比較例５よりも低い。また、比較例６は、Ｃが適量である参考例２（旧実施例２）に対し、約２．１倍も摩耗量が多い。

Ｍｏが過量である比較例７は、圧縮性が著しく低下し、密度が上がらない為、耐ピッチング性及び耐摩耗性は向上しない。その結果、耐ピッチング試験前後のオーステナイト量の変化量が少なく、Ｍｏが適量である実施例８に対し、オーステナイト量の変化量が約１／２であり、ピッチング発生に至る回数は、実施例８の約１／４と低めである。また、Ｍｏが適量である実施例８に対し、約１．４倍も摩耗量が多い。

以上より、本発明の動弁装置に使用するカムロブ材は、優れた耐ピッチング性及び耐摩耗性を有することが確認された。

従って、本発明の動弁装置は、運転開始後の一定期間中にカムロブとローラフォロアの回転接触により、加工誘起マルテンサイト変態により耐久性が向上するので、ローラタイプの動弁装置として内燃機関に好適に使用される。

本発明に係る動弁装置に用いるカムフォロア装置の一構成例を示す図である。カムロブの一例を示す図である。ローラフォロアの一例を示す図である。実施例に用いた二円筒接触試験機の概略図である。耐ピッチング試験の結果をまとめたグラフである。耐ピッチング試験前のオーステナイト量の測定結果をまとめたグラフである。耐ピッチング試験後のオーステナイト量の測定結果をまとめたグラフである。

符号の説明

１０１カムフォロア装置
１カムシャフト
２カムロブ
３ローラタペット
４ローラ
５ローラタペット本体
６軸
７試験片
８相手材
９潤滑油
１０荷重

Claims

カムシャフトに固定されたカムロブ及び当該カムロブと回転接触するローラを設けたローラフォロアを備える内燃機関の動弁装置であって、前記カムロブが、Ｎｉ：０．３〜５．０重量％、Ｍｏ：０．１〜２．５重量％、Ｃ：０．５〜１．２重量％、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる組成を有し、基地が、残留オーステナイト組織２１〜３０容量％と焼入れマルテンサイト組織との混在組織のみからなり、密度７．３ｇ／ｃｍ^３以上、及び、カム外周硬さＨＲＣ５０〜５５の鉄系焼結材である、動弁装置。