JP4284778B2

JP4284778B2 - タペットローラ

Info

Publication number: JP4284778B2
Application number: JP26214599A
Authority: JP
Inventors: 淳太郎佐原; 伸一棗田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 1999-09-16
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2019-09-16
Also published as: US6311660B1; DE10045773A1; DE10045773C2; JP2001082114A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の燃料噴射装置や給排気弁等の被駆動部品として使用されるタペットローラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、タペットローラには、軸受鋼、工具鋼等の鉄系合金や、窒化珪素などのセラミックス等が使用されているが、カムとの当接面の平行度の相違や燃料噴射装置や給排気弁の軸の撓み等により、タペットローラ端部でカムが片当たりを生じ、タペットローラとカムとの間の面圧が上昇して、回転が不安定になったり、当接面の焼付き、摩耗、ピッチングや剥離が生じたりするという問題がある。
【０００３】
そこで、タペットローラの当接面にクラウニングを施すことにより、前記平行度の相違や軸の撓みによる片当たりを緩和して、面圧の上昇を抑制し、安定した回転を得ることが提案されている。クラウニングの母線形状は、所謂フルクラウニングや台形型のクラウニング、円弧を組み合わせたクラウニングなどがある。例えば実開平５−３６００５号公報では、台形型のクラウニングやフルクラウニングの問題点を克服するために、当接面の中央部に曲率半径の大きな円弧クラウニング、端部には曲率半径の小さな円弧クラウニングを施すことが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、今日のタペットローラでは、カムの回転を正確に燃料噴射装置等に伝達して、制御をより一層高精度化するために、カムとの間の面圧が高くなっており、加えて排ガス規制対策として燃料噴射が高圧化しているため、カムとの当接面は極めて高い接触圧力を受けるようになっている。そのため、前述のようなクラウニングでは、回転の伝達を行うことができても、組付け時のミスアライメント、即ち傾きによって端部に過大な面圧、即ちエッジロードが生じ、摩耗を促進し、回転の伝達にバラツキが生じ、内燃機関の性能を低下させ、更に当接面の剥離により、タペットローラの転がり寿命が低下するという問題がある。
【０００５】
図９には、一般的なタペットローラの円弧クラウニングを示す。この例では、有効接触長さの半分Ｌ_eが８ｍｍであり、中央部には曲率半径２０００ミリの円弧クラウニングを施し、これに連続するように、母線方向中央を原点とする軸方向の位置ｘ＝５ｍｍから端部までの３ｍｍの区間に曲率半径８００ｍｍの円弧クラウニングを施し、有効接触長さの端点でのクラウニング落ち量が０．０２４ｍｍになるようにしている。このクラウニング形状のタペットローラとカムとが５／１０００の傾きで接したときの面圧分布を図１０に示す。図中の横軸は、前記母線方向中央を原点とする軸方向の位置ｘの有効接触長さの半分Ｌ_eに対する比を、縦軸は面圧ＰのHertz の最大面圧Ｐ_Hに対する比を示している。但し、Hertz の最大面圧は円筒同士をミスアライメントなし、エッジロードなしの理想条件で接触させたときの接触面中央に生じる最大接触面圧と定義する。そして、同図から明らかなように極端なエッジロードが発生してしまう。
【０００６】
本発明は前記諸問題を解決すべく開発されたものであり、具体的な円弧組合せのクラウニング形状の数値や、パーシャルクラウニング形状の数値を明確化して面圧の増加を抑制し、摩耗や剥離を抑制防止すると共に、内燃機関の性能を確保することができるタペットローラを提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
而して、本発明に係るタペットローラは、カム軸のカムに当接し、回転自在に軸支されたタペットローラにおいて、前記カムとの当接面にクラウニングを施し、その当接面の母線方向の有効接触長さの半分をＬ_eとしたとき、当該クラウニング母線形状は、二つの対数クラウニングプロファイルの間に設定され、当該当接面の中央を原点とする軸方向への位置ｘでのクラウニング落ち量δが、以下の式を満足することを特徴とするものである。
【０００８】
【数３】

【０００９】
但し、
１／Ｅ’＝（１−ν₁ ²）／Ｅ₁＋（１−ν₂ ²）／Ｅ₂
Ｅ₁：タペットローラ当接面材料の縦弾性係数（ＭＰａ）
Ｅ₂：カム当接面材料の縦弾性係数（ＭＰａ）
ν₁：タペットローラ当接面材料のポアソン比
ν₂：カム当接面材料のポアソン比
ｒ₁：タペットローラ外径の半径（ｍｍ）
ｒ₂：カム外径凸部の曲率半径の最小値（ｍｍ）
ｌｎ：自然対数関数
である。
【００１０】
この発明は、面圧解析の結果、５／１０００程度の傾きが生じても、片当たりによる過大な面圧の増大、所謂エッジロードが生じない、周知の対数クラウニング（P.M.Johns とR.Gohar の論文“Roller bearings under radial and eccentric loads”TRIBOLOGY International, vol.14, 1981 年, 131 〜136 頁）を求めた。しかしながら、対数クラウニングは理論的にも長寿命を示すが、製作が困難なことから、例えば円弧クラウニングにおいても、対数クラウニングに近い形状であれば長寿命になることに着目し、ローラ当接面の中央から±Ｌ_e、即ち当接面両端点までのクラウニング落ち量を、二つの対数クラウニングプロファイルの間に設定した。
【００１１】
また、カム軸のカムに当接し、回転自在に軸支されたタペットローラにおいて、前記カムとの当接面にクラウニングを施し、その当接面の母線方向の有効接触長さの半分をＬ_eとしたとき、当該クラウニングの母線形状を、当該当接面の母線方向中央を原点とする軸方向への位置ｘでのクラウニング落ち量δが、以下の式を満足するようにしてもよい。
【００１２】
【数４】

【００１３】
なお、前記２−１式及び２−２式は、前記１式における当接面の母線方向中央を原点とする軸方向への位置ｘに０．８５Ｌ_e及び１．０Ｌ_eを代入したものである。そして、この当接面の母線方向中央を原点とする軸方向への位置ｘを０．８５Ｌ_e及び１．０Ｌ_eに特化した理由は以下の通りである。即ち、タペットローラ当接面の中央の辺りではなく、端部に近い方ほどエッジロードが生じ易い性質から、複数の円弧を結ぶ曲線において、当接面の母線上の２点の落ち量を規定すると、クラウニングプロファイルは大まかに定義される。解析の結果、当接面の母線上で中央からの位置ｘが０．８５Ｌ_eと１．０Ｌ_eの位置で良好な対数クラウニング形状の範囲を通るときに寿命が長くなることが判明した。なお、円弧をつないだ曲線において、端部近くの２点にゲート位置を設けると対数曲線に近づくことは明らかである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いながら説明する。
図１は、本発明のタペットローラの一実施形態を示すものであり、内燃機関の給排気弁を構成するカムとロッカーアーム及びバルブの状態を示している。図示されないクランクシャフトと同期して回転されるカムシャフト２には、幾つかのカム１が形成されており、このカム１のカム面のプロファイルに沿ってロッカーアーム５が揺動し、それがバルブ６のステムを押して当該バルブ６を開閉する。そして、ロッカーアーム５がカム１のカム面に当接する部位には、ローラ軸４によって回転自在に軸支されたタペットローラ３が取付けられており、このタペットローラ３の外周面がカム１のカム面に当接する。
【００１５】
図２は、前記タペットローラ３の外周面（当接面）の母線形状、つまりクラウニングの形状を示している。このタペットローラは、軸受鋼からなり、寸法は、外径が直径４０ｍｍ、内径が直径２０ｍｍ、有効接触長さは１６ｍｍである。従って、前述した有効接触長さの半分Ｌ_eは８ｍｍである。一方、カム１の材料も軸受鋼であり、外径の曲率半径の最小値は２５ｍｍである。また、タペットローラ３の母線方向のうち、中央を原点とする軸方向の位置をｘとし、その位置ｘにおけるクラウニング落ち量をδとする。また、軸方向への位置ｘが前記有効接触長さの半分であるＬ_eのとき、即ち有効接触長さの端点であるときのクラウニング落ち量δをδ_endと表している。一般的には、端部ほどクラウニング落ち量が大きい。
【００１６】
図３には、前述のように定義した位置ｘとクラウニング落ち量δとの関係に、前記１式の上限を破線で、下限を点線で示した。また、各図に示す実線は、各実施例として、母線方向の中央を原点とし、そこから有効接触長さ１ｍｍ毎のクラウニング落ち量δと、前記端点でのクラウニング落ち量δ_endとを決めて、滑らかな母線形状が得られるように加工したものである。実施例１に相当する図３ａでは、クラウニング形状を下限近傍に設定した。また、この大きさで０．００１ｍｍ以下の値はクラウニング落ち量としては誤差の範囲であるから、前記母線方向中央を原点とする軸方向の位置ｘ＝１ｍｍと、ｘ＝２ｍｍのときのクラウニング落ち量δは、下限値０，上限値０．００１ｍｍとしてよいことになる。また、実施例２に相当する図３ｂでは、クラウニング形状を上限と下限とのほぼ中間に設定した。また、同様に、前記軸方向の位置ｘ＝１ｍｍのときのクラウニング落ち量δは０以上０．００１ｍｍ以下でよい。
【００１７】
これらの実施例について、タペットローラとカムとの傾きが５／１０００であるときの面圧分布を解析した。各解析結果を図４に示す。図４ａは図３ａの実施例１に、図４ｂは図３ｂの実施例２に対応している。また、各図の横軸は、前記母線方向中央を原点とする軸方向の位置ｘの有効接触長さの半分Ｌ_eに対する比を、縦軸は、面圧ＰのHertz の最大面圧Ｐ_Hに対する比を示す。実施例１に相当する図４ａでは、やや面圧分布の傾きが大きいものの、前記従来のクラウニング形状に見られる図１０のようなエッジロードが見られない。また、実施例２に相当する図４ｂでは、更に面圧分布の傾きが緩やかで、勿論、エッジロードは見られない。この結果、二つの実施例は、何れも、摩耗、焼付き、剥離などの損傷を起こすことなく、内燃機関の安定した回転を継続することができた。
【００１８】
次に、本発明の実施例３として、図５に示すような円弧クラウニングの組合せでタペットローラにクラウニングを施した。このタペットローラ並びにカムの諸元は、前記実施例１及び実施例２のそれらと同様であり、両者とも軸受鋼で構成されている。このタペットローラのクラウニングは、母線方向中央を原点とする軸方向の位置ｘ＝２から外側に円弧クラウニングを施す、所謂パーシャルクラウニングであり、そこからの円弧クラウニングの曲率半径は５２８ｍｍ、更にその外側に曲率半径２０ｍｍの円弧クラウニングを施し、有効接触線長さの端点でのクラウニング落ち量δ_end（図ではδ₂）が０．０９ｍｍになるように設定した。その結果、母線方向中央を原点とする軸方向の位置ｘが前記有効接触長さの半分Ｌ_eの０．８５倍となるｘ＝６．８ｍｍでのクラウニング落ち量δ（図ではδ₁）は０．０４ｍｍとなった。また、前記曲率半径５２８ｍｍの円弧クラウニングと直線部との連結部位には、曲率半径１５０ｍｍの円弧を用いて両者を滑らかに接続した。このタペットローラ及びカムの組合せでは、前記２−１式におけるｘ＝０．８５Ｌ_e（＝６．８ｍｍ）のクラウニング落ち量δは０．００９ｍｍ以上０．０４５ｍｍ以下であり、同様に２−２式におけるｘ＝１．０Ｌ_e（＝８ｍｍ）のクラウニング落ち量δは０．０２８以上０．１１９以下であり、本実施例のクラウニングプロファイルは、二点の条件を満足している。
【００１９】
この実施例３について、タペットローラとカムとの傾きが５／１０００であるときの面圧分布を解析した。各解析結果を図６に示す。図の横軸は、前記母線方向中央を原点とする軸方向の位置ｘの有効接触長さの半分Ｌ_eに対する比を、縦軸は、面圧ＰのHertz の最大面圧Ｐ_Hに対する比を示す。同図から明らかなように、面圧の増加は小さく、エッジロードは見られない。この結果、この実施例３は、摩耗、焼付き、剥離などの損傷を起こすことなく、内燃機関の安定した回転を継続することができた。
【００２０】
次に、本発明の実施例４として、図７に示すような円弧クラウニングの組合せでタペットローラにクラウニングを施した。このタペットローラ並びにカムは、両者とも軸受鋼で構成され、タペットローラは、外径が直径４０ｍｍ、内径が直径２０ｍｍ、有効接触長さは１４ｍｍであり、有効接触長さの半分Ｌ_eは７ｍｍである。一方、カム１の外径の曲率半径の最小値は２５ｍｍである。このタペットローラのクラウニングも、母線方向中央を原点とする軸方向の位置ｘ＝２から外側に円弧クラウニングを施す、所謂パーシャルクラウニングであり、そこからの円弧クラウニングの曲率半径は４４８ｍｍ、更にその外側に曲率半径２６ｍｍの円弧クラウニングを施し、有効接触線長さの端点でのクラウニング落ち量δ_end（図ではδ₂）が０．０７ｍｍになるように設定した。その結果、母線方向中央を原点とする軸方向の位置ｘが前記有効接触長さの半分Ｌ_eの０．８５倍となるｘ＝５．９５ｍｍでのクラウニング落ち量δ（図ではδ₁）は０．０３５ｍｍとなった。また、前記曲率半径４４８ｍｍの円弧クラウニングと直線部との連結部位には、曲率半径１５０ｍｍの円弧を用いて両者を滑らかに接続した。このタペットローラ及びカムの組合せでは、前記２−１式におけるｘ＝０．８５Ｌ_e（＝５．９５ｍｍ）のクラウニング落ち量δは０．００９ｍｍ以上０．０４４ｍｍ以下であり、同様に２−２式におけるｘ＝１．０Ｌ_e（＝７ｍｍ）のクラウニング落ち量δは０．０２７以上０．１１５以下であり、本実施例のクラウニングプロファイルは、二点の条件を満足している。
【００２１】
この実施例４について、タペットローラとカムとの傾きが５／１０００であるときの面圧分布を解析した。各解析結果を図８に示す。図の横軸は、前記母線方向中央を原点とする軸方向の位置ｘの有効接触長さの半分Ｌ_eに対する比を、縦軸は、面圧ＰのHertz の最大面圧Ｐ_Hに対する比を示す。同図から明らかなように、面圧の増加は小さく、エッジロードは見られない。この結果、この実施例３は、摩耗、焼付き、剥離などの損傷を起こすことなく、内燃機関の安定した回転を継続することができた。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のタペットローラによれば、有効接触長さにおけるクラウニングプロファイル又はその一部を規定することにより、カムとの間に傾きが生じても、面圧の増加を抑制して、摩耗、焼付き、剥離などの損傷を抑制防止し、内燃機関の性能を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のタペットローラの一実施形態を示すカム、ロッカーアーム、バルブの説明図である。
【図２】タペットローラのクラウニングプロファイルの詳細を示す説明図である。
【図３】実施例１及び実施例２のタペットローラのクラウニングプロファイルの説明図である。
【図４】図３のタペットローラの面圧分布の説明図である。
【図５】実施例３のタペットローラのクラウニングプロファイルの説明図である。
【図６】図５のタペットローラの面圧分布の説明図である。
【図７】実施例４のタペットローラのクラウニングプロファイルの説明図である。
【図８】図７のタペットローラの面圧分布の説明図である。
【図９】従来のタペットローラの一例を示すクラウニングプロファイルの説明図である。
【図１０】図９のタペットローラの面圧分布の説明図である。
【符号の説明】
１はカム
２はカムシャフト
３はタペットローラ
４はローラ軸
５はロッカーアーム
６はバルブ

Claims

カム軸のカムに当接し、回転自在に軸支されたタペットローラにおいて、前記カムとの当接面にクラウニングを施し、その当接面の母線方向の有効接触長さの半分をＬ_eとしたとき、当該クラウニング母線形状は、当該当接面の中央を原点とする軸方向への位置ｘでのクラウニング落ち量δが、以下の式を満足することを特徴とするタペットローラ。

但し、
１／Ｅ’＝（１−ν₁ ²）／Ｅ₁＋（１−ν₂ ²）／Ｅ₂
Ｅ₁：タペットローラ当接面材料の縦弾性係数（ＭＰａ）
Ｅ₂：カム当接面材料の縦弾性係数（ＭＰａ）
ν₁：タペットローラ当接面材料のポアソン比
ν₂：カム当接面材料のポアソン比
ｒ₁：タペットローラ外径の半径
ｒ₂：カム外径凸部の曲率半径の最小値
ｌｎ：自然対数関数