JP4332977B2 - バルブリフタ用シムおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レシプロエンジンの動弁機構において、吸排気バルブの端部に取付けられたバルブリフタとカムシャフトのカムとの間に介在して、バルブリフタの摩耗を防止するのに用いられるバルブリフタ用シムに係わり、とくにカムとの間の摩擦を低減するのに有効な表面微細形状を備えたシム、およびこのようなシムの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レシプロエンジンの動弁機構におけるカムとカムフォロアとの間の摩擦低減技術として、例えば、特開平４−３２１７０６号公報には、所定の形状に研削加工したカムシャフトのカム表面にクロスハッチ状の加工条痕を残すように仕上げ加工することが記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載されたカムシャフトにおいては、加工条痕がクロスハッチ状、すなわち連続した溝形状となっていることから、突起部のミクロ的な凝着摩耗が避けられないことと、オイルが接触部から排出され易いことによって、摩擦係数の大幅な低減には限界があるという問題点があり、このような問題点の解決がカム周辺部の摩擦低減技術における従来の課題となっていた。
【０００４】
【発明の目的】
本発明は、従来のカムあるいはカムフォロアにおける上記課題に着目してなされたものであって、カムとの間の摩擦を大幅に低減することができ、カムおよびシム自体の耐久性を大幅に向上させることができるバルブリフタ用シム、およびこのようなシムの製造方法を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係わるバルブリフタ用シムは、超仕上研磨により平滑化された平面部と、該平面部に互いに独立した状態に分散して形成された微細な凹部を摺動表面に備え、上記凹部は、開口面積が１０〜１００平方μｍ、最大深さが０．１〜１μｍ、摺動表面に対する合計面積率が５〜３０％の範囲である構成としたことを特徴とし、バルブリフタ用シムにおけるこのような構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【０００６】
本発明に係わるバルブリフタ用シム実施の一形態として請求項２に係わるシムにおいては、ＳＦ＝（周囲長）２／（４π×開口面積）と定義される凹部の形状係数ＳＦが１．５未満である構成、同じく実施形態として請求項３に係わるシムにおいては、摺動表面における平面部の表面粗さがＲａ０．１μｍ以下である構成、請求項４に係わるシムにおいては、表面硬度がＨＲＣ５０以上の浸炭鋼もしくは調質鋼からなる構成としたことを特徴としている。また、請求項５に係わるシムにおいては、摺動表面に固体潤滑剤がコーティングしてある構成とし、さらに請求項６に係わるシムにおいては、前記固体潤滑剤が二硫化モリブデン，ＰＴＦＥおよびグラファイトのうちの少なくとも１種を含んでいる構成とし、さらに請求項７に係わるシムにおいては、摺動表面に硬質炭素被膜がコーティングしてあり、該炭素被膜に凹部が形成されている構成としたことを特徴としている。
【０００７】
本発明の請求項８に係わるバルブリフタ用シムの製造方法においては、超仕上研磨した平滑な摺動表面に、レーザ光により凹部を形成する構成とし、当該バルブリフタ用シムの製造方法の実施形態として請求項９に係わるシムの製造方法においては、レーザ光による凹部の形成に際して凹部周辺に生じる環状の微小凸部を超仕上研磨して除去する構成とし、バルブリフタ用シムの製造方法におけるこのような構成を前述した従来の課題を解決するための手段としたことを特徴としている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明に係わるバルブリフタ用シムにおいては、摺動表面に、例えばラッピングテープなどによる超仕上研磨が施された平滑な平面部と、微細な凹部が分散して形成されており、微細凹部がオイル溜りとして機能すると共に、これら微細凹部が互いに独立しているので摺動表面からオイルが排出されにくく、摩擦係数が大幅に低減することになる。
【０００９】
本発明において、摺動表面の平面部に形成する凹部のサイズとしては、その開口部の面積を１０〜１００平方μｍの範囲とする。すなわち、開口面積が１００平方μｍを超えたときには、カムとの摺動時に発生するヘルツ接触面圧に十分耐えることができずに、凹部を起点とした微細クラックの形成によるピッチングと、これに伴うスカッフィングを生じることにより、摺動表面の粗さが悪化する結果、摩擦低減効果が減少することによる。一方、開口面積が１０平方μｍに満たないときには、オイル溜りとしての機能が得られず、摩擦低減効果が少なくなる。
【００１０】
また、凹部のサイズとして、その最大深さを０．１〜１μｍの範囲とする。これは、凹部の最大深さが１μｍを超えると、カムとの摺動時に発生するヘルツ接触面圧の繰り返し負荷による疲労に十分に耐えることができずに、凹部を起点とした微細クラックの形成からピッチングを生じることがあり、最大深さが０．１μｍを下まわると、十分なオイルを保持できなくなるので、十分な摩擦低減効果が得られなくなることによる。
【００１１】
さらに、本発明に係わるバルブリフタ用シムの摺動表面における上記凹部の分布について、独立したそれぞれの凹部の開口面積の合計が、摺動表面の面積に対して５〜３０％の範囲とする。すなわち凹部の合計面積率が５％に満たない場合には、オイル溜りとして実質的に機能せず、摩擦低減効果が十分に得られなくなり、合計面積率が３０％を超えた場合には、カムとの摺動時に発生するヘルツ接触面圧に十分耐えることができずに、スカッフィングを生じることにより摺動表面の粗さが悪化する結果、これに伴って摩擦が急増する。
【００１２】
本発明において、前記凹部のサイズとしては、請求項２に記載しているように、ＳＦ＝（周囲長） ^２ ／（４π×開口面積）と定義される凹部の形状係数ＳＦが１．５未満であることが望ましい。つまり、この形状係数ＳＦは、凹部の開口形状が真円形から離れるほど大きくなり、１．５以上になると凹部の開口縁部にシャープなエッジが形成されることになり、上記同様にカムとの摺動時に発生するヘルツ接触面圧による疲労に十分に耐えることができず、凹部を起点とした微細クラックからピッチングを生じることがあることによる。
【００１３】
一方、本発明に係わるシムの摺動表面における平面部については、請求項３に記載しているように、その表面粗さを中心線平均粗さＲａで０．１μｍ以下とすることが望ましい。すなわち、表面粗さＲａが０．１μｍを超えると、カムとの摺動時に発生するヘルツ接触面圧に十分に耐えきれなくなって、スカッフィングが生じ、摺動表面の粗さが悪化することによって、同様に摩擦が急増してしまう傾向がある。
【００１４】
本発明に係わるバルブリフタ用シムの材料としては、請求項４に記載しているように、表面硬度がＨＲＣ５０以上の浸炭鋼もしくは調質鋼を用いることができ、これによって十分な耐摩耗性が確保されることになる。
【００１５】
また、摩擦の低減を図るために、請求項５に記載しているように、摺動表面に固体潤滑剤、例えば、請求項６に記載されているような二硫化モリブデン，ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン），グラファイトなどをコーティングしてもよい。
【００１６】
さらに、請求項７に記載しているように、摺動表面に硬質炭素被膜をコーティングし、該硬質炭素からなるコーティング被膜に凹部を形成することもできる。すなわち、硬質炭素被膜においては、微細硬質粒子を用いたショットピーニングやレーザによって凹部を形成するに際して凹部の周縁部に生じる微小な凸部（隆起）が、素材鋼に凹部を直接形成する場合に較べて生成されにくく、しかも硬質炭素被膜による平面部の耐摩耗性と摩擦特性が向上することから、摩擦がより一層低減することになる。
【００１７】
そして、本発明に係わるこのようなバルブリフタ用シムは、請求項８に記載しているように、細く絞ったレーザ光を超仕上研磨した平滑な摺動表面に照射して凹部を形成することによって製造することができる。また、このとき、凹部の周縁部に、環状の微小凸部が生じるので、請求項９に記載しているように、この微小凸部を超仕上研磨して除去するようになすことにより、さらなる摩擦の低減と耐久性の向上を図ることができる。なお、本発明に係わるバルブリフタ用シムにおける微小凹部は、レーザ光のみならず、上記のように微細硬質粒子を用いたショットピーニングによっても形成することが可能である。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係わるバルブリフタ用シムは、その摺動表面に、超仕上研磨による平面部と、互いに独立した微小な凹部とを備え、その開口面積を１０〜１００平方μｍの範囲、その最大深さを０．１〜１μｍの範囲、摺動表面に対するこれら凹部の合計面積率を５〜３０％の範囲としたものであるから、微細凹部がオイル溜りとして機能し、しかもオイルが摺動表面から容易に排出されないので、カムとの間の摩擦を大幅に低減することができ、カムおよび当該シムの耐久性を向上させることができるという極めて優れた効果をもたらすものである。
【００１９】
本発明の請求項２に係わるバルブリフタ用シムにおいては、上記凹部の形状係数ＳＦを１．５未満としたものであるから、カムとの摺動時に発生するヘルツ接触面圧に十分に耐え、凹部を起点とするクラックやこれによるピッチングも生じることがなく、凹部による摩擦低減効果を確実なものとすることができる。
【００２０】
本発明の請求項３に係わるバルブリフタ用シムにおいては、平面部の表面粗さをＲａ０．１μｍ以下としたものであるから、摺動時に発生するヘルツ接触面圧に十分に耐えることができ、スカッフィングによる表面粗さの劣化を防止して、摩擦係数を低く保持することができ、請求項４に係わるバルブリフタ用シムにおいては、素材鋼としてＨＲＣ５０以上の浸炭鋼や調質鋼を用いているので、シムとしての硬さ、剛性を保持して耐摩耗性を確保することができる。
【００２１】
さらに、請求項５に係わるバルブリフタ用シムにおいては、摺動表面に、例えば請求項６に記載しているような二硫化モリブデン，ＰＴＦＥ，グラファイトなど固体潤滑材がコーティングされているので、さらなる摩擦低減を図ることができ、請求項７に係わるバルブリフタ用シムにおいては、摺動表面に硬質炭素被膜がコーティングされており、この硬質炭素被膜層に微小凹部が形成されているので、炭素被膜自体の特性によって摩擦特性が改善されると同時に、凹部の形成に際して、凹部の周縁部に環状の微小凸部が形成されないことから、より一層の摩擦低減が可能になるというさらに優れた効果がもたらされる。
【００２２】
そして、本発明の請求項８に係わるバルブリフタ用シムの製造方法においては、超仕上研磨した摺動表面にレーザ光を照射して凹部を形成するようにしているので、本発明に係わる上記バルブリフタ用シムを容易に得ることができ、請求項９に係わるバルブリフタ用シムの製造方法においては、レーザ光による凹部形成に際して凹部の周縁部に生じる環状の微小凸部を超仕上研磨によって除去するようにしているので、さらに優れた摩擦特性と耐久性を備えたシムを得ることができる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて、本発明をさらに具体的に説明する。
【００２４】
実施例１〜６
まず、クロムモリブデン鋼ＳＣＭ４２０（ＪＩＳ Ｇ ４１０５該当）に浸炭焼入れ・焼戻しを施し、通常の研磨を施すことによって製造された量産品のシム（硬さ：ＨＲＣ６０，表面粗さＲａ：０．３μｍ）の摺動表面に、ラッピングテープを用いた超仕上研磨を施すことによって、非常に微細な研磨溝が交差状に形成されたＲａ：０．０８μｍ前後という極めて平滑な平面部を得た。
【００２５】
次に、この平面部に、エキシマレーザを用いて、ビーム径，出力密度，照射時間，照射回数および照射位置を各々変化させてパルス状のレーザ光線を照射し、表１に示すようなサイズおよび密度（面積率）の凹部を備えたバルブリフタ用シムを作成した。
【００２６】
このようにして形成されたシムにおける摺動表面の凹部ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察結果の一例を図１ないし図３に示す。なお、形成された凹部のディンプル形状については、図４に示す要領により、凹部Ｄの開口面積Ａ，最大深さｄ，凹部周縁の環状微小凸部Ｐの高さｈなどを測定した。また、凹部Ｄの合計面積率については、５００倍のＳＥＭ像を用いた画像解析により求めた。
【００２７】
このようなシムを仕様ごとにそれぞれ１６個ずつ用意して、後述するエンジンモータリング試験を実施し、摩擦特性を評価した。
【００２８】
実施例７〜８
上記実施例５と同様に作成したシムの摺動表面に、二硫化モリブデンとＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を主体とする固体潤滑剤をそれぞれコーティングし、同様のエンジンモータリング試験に供した。
【００２９】
実施例９
上記実施例５と同様に作成したシムの摺動表面にガイヤモンドバフ研磨を施すことによって、レーザ照射により凹部を形成させた際に凹部の周囲に生じた環状の微小凸部を除去して、同様にエンジンモータリング試験に供した。この場合の摺動表面のＳＥＭ観察結果を図５および図６に示す。
【００３０】
なお、この環状微小凸部を除去するための研磨方法としては、凹部の外周縁を削り落さない限り、他の種々のラッピング方法を適用することができる。
【００３１】
実施例１０
上記ＳＣＭ４２０鋼からなる量産品シムの摺動表面に超仕上研磨を施したのち、ＣＶＤコーティングにより、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）被膜を３μｍの厚さに形成したうえで、レーザ照射を行い、摺動表面に形成された硬質炭素被膜に表１に示すようなサイズおよび密度の凹部を備えたバルブリフタ用シムを作成し、同様のエンジンモータリング試験に供した。なお、このバルブリフタ用シムの摺動表面のＳＥＭ観察結果を図７ないし図９に示す。
【００３２】
実施例１１
上記実施例１０と同様に作成したシムの摺動表面に、さらにＰＴＦＥを主体とする固体潤滑剤をコーティングして、潤滑剤被膜を形成し、同様のエンジンモータリング試験を実施した。
【００３３】
比較例１〜６
上記ＳＣＭ４２０鋼からなる量産品シムの摺動表面に上記実施例および比較例８と同様の超仕上研磨を加えて得られた平面部に、ビーム径，出力密度，照射時間，照射回数および照射位置を変化させたパルス状のエキシマレーザ光線を照射して、表１に示すようなサイズおよび密度の異なる凹部をそれぞれ形成し、同様のエンジンモータリング試験に供した。
【００３４】
比較例７
上記ＳＣＭ４２０鋼からなる量産品シムを通常研磨のまま、しかも凹部を形成することなく、そのままバルブリフタ用シムとして、同様のエンジンモータリング試験に供した。
【００３５】
比較例８
上記ＳＣＭ４２０鋼からなる量産品シムの摺動表面に、上記各実施例と同様の超仕上研磨を施したのち、凹部を形成することなく、同様のエンジンモータリング試験に供した。
【００３６】
比較例９
上記ＳＣＭ４２０鋼からなる量産品シムにおける通常研磨のままの摺動表面に、エキシマレーザ光線を照射し、表１に示す形状の凹部を形成して、同様のエンジンモータリング試験を実施した。
【００３７】
【表１】

【００３８】
［エンジンモータリング試験要領］
上記実施例および比較例のバルブリフタ用シムを使用ごとに１６個用意し、エンジンに組み込み、下記条件による試験を実施し、試験終了時（１時間経過後）の摩擦トルクの低減率、試験後のカムおよびシムの摺動表面の粗さを調査すると共に、シム摺動表面の摩耗状況を走査型電子顕微鏡によって観察した。
【００３９】
これらの結果を表２に示す。なお、摩擦トルク低減率については、比較例２に係わるシムを組み込んだ場合の摩擦トルクを１００としたときの低減率（％）で示した。
【００４０】
使用エンジン：１．６Ｌ ＤＯＨＣガソリンエンジン
駆動方式：外部モータ駆動
エンジンオイル：５Ｗ−３０ＳＧ
オイル温度：８０℃
エンジン回転数：６００ｒｐｍ
試験時間：１時間
カムシャフト：チルド鋳鉄製、表面粗さＲａ：０．１μｍ（超仕上研磨）
【００４１】
【表２】

【００４２】
表２から明らかなように、実施例１〜１１においては、後述する比較例８に比べて、１０％以上の摩擦低減効果が得られると共に、試験終了後のシムおよびカムの摺動面は非常に平滑であり、ＳＥＭ観察でもシム表面にマイクロクラックやピットの形成もほとんど認めらないことから、耐久性も充分であると判断された。特に、固体潤滑剤被膜をコーティングした実施例７および実施例８、凹部形成時に生ずる凹部周囲の微小環状凸部を研磨して除去した実施例９、硬質炭素被膜をコーティングしたシムに凹部を形成した実施例１０、さらにこれに固体潤滑剤被膜を付与した実施例１１においては、さらに優れた摩擦低減効果が得られることが確認された。
【００４３】
なお、実施例６においては、凹部の形状係数ＳＦ値が１．５を超えており、凹部の外周形状に多少の凹凸が生じていることから、凹部の外周に微細なクラックがＳＥＭ像に認められ、耐久性の観点からは必ずしも万全ではないものの、かなりの摩擦トルク低減効果が認められた。
【００４４】
これら実施例に対し、凹部の開口面積Ａが小さい比較例１においては、摩擦トルクの低減効果がわずかしか認められず、逆に開口面積Ａが大きい比較例２においては、若干の摩擦トルク低減効果が認められたものの、試験終了後のＳＥＭ観察により、凹部の縁を起点とした微細なピットと、その周辺に深いスカッフィング痕が形成されていることが判明した。
【００４５】
比較例３においては、凹部の深さｄが浅いことから、摩擦トルク低減効果がほとんど認められず、逆に凹部の深さｄが１μｍを超える比較例４においては、若干の摩擦トルク低減効果が得られるものの、試験終了後のＳＥＭ観察の結果、凹部の縁を起点とした微細なクラックと、その周辺に深いスカッフィング痕が形成されていることが確認された。
【００４６】
さらに、比較例５においては、凹部の合計面積率が大きいことから、摩擦トルクの低減にわずかな効果が認められるものの、シム自身および相手カムの摺動面に深いスカッフィング痕を多数形成していた。逆に凹部の合計面積率が小さい実施例６においては、スカッフィング痕はさほど生じないものの、摩擦低減効果がほとんど得られないことが確認された。
【００４７】
そして、通常研磨のみを施した量産品をそのまま使用した比較例７の場合には、表面粗さが大きいことから、摺動面に深いスカッフィング痕が形成されると共に、超仕上研磨を施した比較例８に比べて、高い摩擦トルクを示した。
【００４８】
比較例８においては、超仕上研磨を施したことにより、試験後の摺動面に浅いスカッフィング痕が形成される程度であるものの、上記実施例に比べて高い摩擦トルクを示した。
【００４９】
さらに、通常研磨のみを施した量産品に凹部を形成した比較例９においては、平面部の粗さが大きいままなので、摺動方向に深いスカッフィング痕が形成され、凹部を形成しても顕著な摩擦低減効果が得られないことが確認された。
【００５０】
以上説明したように、本発明は、極めて厳しい潤滑状態にある環境下で摺動するエンジンカムフォロワーにおいて、トライボロジー的な取り組みを鋭意行ってきた結果、エンジンの燃費向上に直結する大きな効果が得られる技術を見出だしたものであって、工業的に極めて有益なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係わるバルブリフタ用シムにおける摺動表面のＳＥＭ観察結果の一例を示す凹凸像（５００倍）である。
【図２】 図１に示した凹部の４０００倍の凹凸像である。
【図３】 図２に示した凹部の４０００倍の二次電子像である。
【図４】 本発明に係わるバルブリフタ用シムの摺動表面に形成された凹部形状の測定要領を示す概略図である。
【図５】 本発明の実施例８に係わるバルブリフタ用シムにおける摺動表面のＳＥＭ観察結果を示す凹凸像（５００倍）である。
【図６】 図５に示した凹部の４０００倍の凹凸像である。
【図７】 本発明の実施例９に係わるバルブリフタ用シムにおける摺動表面のＳＥＭ観察結果を示す凹凸像（５００倍）である。
【図８】 図７に示した凹部の４０００倍の凹凸像である。
【図９】 図８に示した凹部の４０００倍の二次電子像である。
【符号の説明】
Ｄ 凹部
Ａ 凹部の開口面積
ｄ 凹部の最大深さ
Ｐ 微小凸部

Claims (9)

1. 超仕上研磨により平滑化された平面部と、該平面部に互いに独立した状態に分散して形成された微細な凹部を摺動表面に備え、上記凹部は、開口面積が１０〜１００平方μｍ、最大深さが０．１〜１μｍ、摺動表面に対する合計面積率が５〜３０％の範囲であることを特徴とするバルブリフタ用シム。
2. ＳＦ＝（周囲長）^２／（４π×開口面積）と定義される凹部の形状係数ＳＦが１．５未満であることを特徴とする請求項１記載のバルブリフタ用シム。
3. 摺動表面における平面部の表面粗さがＲａ０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のバルブリフタ用シム。
4. 表面硬度がＨＲＣ５０以上の浸炭鋼もしくは調質鋼からなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のバルブリフタ用シム。
5. 摺動表面に固体潤滑剤がコーティングしてあることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のバルブリフタ用シム。
6. 固体潤滑剤が二硫化モリブデン，ＰＴＦＥおよびグラファイトのうちの少なくとも１種を含んでいることを特徴とする請求項５記載のバルブリフタ用シム。
7. 摺動表面に硬質炭素被膜がコーティングしてあり、該炭素被膜に凹部が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のバルブリフタ用シム。
8. 超仕上研磨した平滑な摺動表面に、レーザ光により凹部を形成することを特徴とする請求項１ないし請求項６記載のバルブリフタ用シムの製造方法。
9. レーザ光による凹部の形成に際して凹部周辺に生じる環状の微小凸部を超仕上研磨して除去することを特徴とする請求項８記載のバルブリフタ用シムの製造方法。

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