JP4537320B2

JP4537320B2 - 燃料噴射ポンプ

Info

Publication number: JP4537320B2
Application number: JP2006002887A
Authority: JP
Inventors: 昭彦片山
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2006-01-10
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2026-01-10
Also published as: JP2007182860A

Description

この発明は、燃料噴射ポンプに関する。

従来から、ディーゼルエンジン等の燃料噴射ポンプとして、偏心軸とカムリングとを用いるもの（特許文献１）と、カムシャフトとタペットローラとを用いたもの（特許文献２）等がある。

すなわち、偏心軸とカムリングとを用いたものでは、往復動により燃料を加圧するプランジャと、偏心軸との間にカムリングを設け、エンジンにより駆動される駆動軸の回転運動が、偏心軸とカムリングとでプランジャの往復動に変換される。これにより、プランジャがシリンダの内部で往復動される。

また、カムシャフトとタペットローラとを用いたものでは、往復動により燃料を加圧するプランジャと、カムシャフトとの間にタペットローラを設け、エンジンにより駆動されるカムシャフトの回転運動が、タペットローラを介してプランジャの往復動に変換される。

そして、前記特許文献１における駆動軸及び特許文献２におけるカムシャフトは、ハウジングに滑り軸受を介して支持（枢支）されている。なお、この滑り軸受の潤滑は燃料を用いている。
特開２００３−４９７４５号公報特開２００１−２６３１９８号公報

近年、燃料の高圧化に伴いポンプにかかる負荷が増大している。しかしながら、従来では、前記駆動軸等の滑り軸受と接触する表面において、潤滑性向上のための特別な表面処理を行っていない。このため、滑り軸受部分に異常摩耗や焼付きが発生するおそれがあった。

本発明の課題は、滑り軸受側の摩耗や焼付きを防止でき、特にディーゼルエンジン用の燃料である粘度の低い潤滑油であっても、駆動軸の滑り軸受との接触部において、油膜形成が可能となって優れた潤滑性を奏することができる燃料噴射ポンプを提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明の燃料噴射ポンプは、往復動により燃料を加圧するプランジャと、このプランジャを往復動させるための駆動軸と、前記駆動軸を支持する滑り軸受とを備えた燃料噴射ポンプにおいて、前記滑り軸受と滑り接触する前記駆動軸の接触部に、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け、前記くぼみの平均面積が３０μｍ ² ≦平均面積≦１００μｍ ² の範囲内であるとともに、くぼみの面積率が５％≦面積率≦２０％の範囲であり、さらに、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙniが０．４μｍ≦Ｒｙni≦１．０μｍの範囲内であるとともに、Ｒｙmaxが０．４μｍ≦Ｒｙmax≦１．０μｍの範囲内であり、かつ、Ｓｋ値が−１．６以下である。

パラメータＲｙniとは、基準長毎最大高さの平均値すなわち、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の山頂線と谷底線との間隔を粗さ曲線の縦倍率の方向に測定した値である（ISO 4287:1997）。

また、パラメータＳｋとは、粗さ曲線の歪み度（スキューネス）を指し（ISO 4287:1997）、凹凸分布の非対称性を知る目安の統計量である。ガウス分布のような対称な分布ではＳｋ値は０に近くなり、凹凸の凸部を削除した場合は負、逆の場合は正の値をとることになる。

すなわち、本発明では、微小凹形状のくぼみの平均面積と、くぼみの面積率、くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙni、及びくぼみを設けた面の面粗さＲｙmaxを規定している。

くぼみを設けた面（接触部）の面粗さパラメータＲｙniを０．４μｍ以上、１．０μｍ以下の範囲内に規定することで、希薄潤滑下でも油膜切れを防ぐことが可能となり、極端に油膜厚さが薄い条件下でも長寿命を得ることができる。

また、滑り接触部のＳｋ値を幅方向、円周方向とも−１．６以下とすることにより、微小凹形状のくぼみが油溜りとなり、圧縮されても滑り方向、直角方向への油のリークは少なく、油膜形成に優れ、表面損傷を極力抑える効果が発揮される。

滑り接触部のくぼみの平均面積を３０μｍ ² ≦平均面積≦１００μｍ ² の範囲内に規定するとともに、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙmaxを０．４μｍ≦Ｒｙmax≦１．０μｍの範囲内に設定することで、油膜形成能力を向上させることができるため、希薄潤滑下で極端に油膜厚さが薄い条件下でも長寿命を得ることができる。

くぼみの面積率が５％≦面積率≦２０％の範囲であり、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙmaxを０．４μｍ≦Ｒｙmax≦１．０μｍの範囲内に設定することで、油膜形成能力を向上させることができるため、希薄潤滑下で極端に油膜厚さが薄い条件下でも長寿命を得ることができる。

以上のように、本発明によると、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設けることによって、滑り接触部が微小凹面となって油膜が形成しやすくなる。しかもこのくぼみが油溜まりとなるため、すべり面の油膜形成が確実に行える。すなわち、滑り接触部に形成された微小凹形状のくぼみが油膜を保持することで、滑り軸受の摩耗や焼付けを防止できる。特にディーゼルエンジン用の燃料である粘度の低い潤滑油であっても、駆動軸の滑り軸受との接触部において、油膜形成が可能となって優れた潤滑性を奏することができる。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は第１実施形態の燃料噴射ポンプの要部断面図を示し、この燃料噴射ポンプは、シリンダの内部で往復動して燃料を加圧するプランジャ２と、エンジンにより駆動される駆動軸（主軸）１とを備える。主軸１は、同一軸線上に配設される第１軸部１ａ及び第２軸部１ｂと、第１軸部１ａと第２軸部１ｂとの間に配設される偏心軸部１ｃとを有する。

第１軸部１ａは、ハウジング３の一方の側板４の支持孔５に円筒状の滑り軸受６を介して回転自在に支持されている。また、第２軸部１ｂは、ハウジング３の一方の側板７の支持孔８に円筒状の滑り軸受９を介して回転自在に支持されている。

偏心軸部１ｃには、円筒状の滑り軸受２０が外嵌され、この滑り軸受２０にカムリング２１が外嵌されている。そして、カムリング２１の外周側に前記プランジャ２が配置されている。また、プランジャ２にはコイルスプラインリング等からなる弾発部材２２が付設されている。

主軸１がエンジンによって、駆動されて回転すれば、この回転運動が偏心軸部１ｃ及びカムリング２１を介して、プランジャ２の往復運動（軸方向の往復動）に変換される。すなわち、カムリング２１のノーズ部がプランジャ２に対応するように回転していけば、プランジャ２が矢印Ｘ方向に押圧され、カムリング２１のベースサークル部がプランジャ２に対応するように回転していけば、弾発部材２２にてプランジャ２が矢印Ｙ方向に押圧される。これの繰り返しによってプランジャ２が往復運動する。

主軸１が回転駆動することによって、滑り軸受６、９、２０と、主軸１の滑り接触部２５、２６、２７とが滑り接触することになる。そこで、滑り接触部２５、２６、２７に、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙniが０．４μｍ≦Ｒｙni≦１．０μｍの範囲内であり、かつ、Ｓｋ値が−１．６以下に設定する。

また、前記くぼみの平均面積が３０μｍ^２≦平均面積≦１００μｍ^２の範囲内で、かつ、Ｒｙmaxが０．４μｍ≦Ｒｙmax≦１．０μｍの範囲内とする。

さらに、前記くぼみを設けた面におけるくぼみの面積率が５％≦面積率≦２０％の範囲内であり、かつ、前記くぼみを設けた面の面粗さのパラメータＲｙmaxが０．４μｍ≦Ｒｙmax≦１．０μｍの範囲内とする。

なお、前記のような微小凹面を得るための表面加工処理としては、特殊なバレル研磨によると所望の仕上げ面を得ることができるが、これに限らず、例えばショット等を用いてもよい。

上記のように、本発明では、くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙniを０．４μｍ≦Ｒｙni≦１．０μｍの範囲内に規定することで、希薄潤滑下でも油膜切れを防ぐことが可能となり、極端に油膜厚さが薄い条件下でも長寿命を得ることができる。また、接触部のＳｋ値を幅方向、円周方向とも−１．６以下とすることにより、微小凹形状のくぼみが油溜りとなり、圧縮されても滑り方向、直角方向への油のリークは少なく、油膜形成に優れ、表面損傷を極力抑える効果が発揮される。

また、滑り接触部２５、２６、２７のくぼみの平均面積を３０μｍ^２≦平均面積≦１００μｍ^２の範囲内に規定するとともに、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙmaxを０．４μｍ≦Ｒｙmax≦１．０μｍの範囲内に設定することで、油膜形成能力を向上させることができるため、希薄潤滑下で極端に油膜厚さが薄い条件下でも長寿命を得ることができる。

さらに、滑り接触部２５、２６、２７のくぼみを設けた面におけるくぼみの面積率を５％≦面積率≦２０％の範囲内に規定するとともに、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙmaxを０．４μｍ≦Ｒｙmax≦１．０μｍの範囲内に設定することで、油膜形成能力を向上させることができるため、希薄潤滑下で極端に油膜厚さが薄い条件下でも長寿命を得ることができる。

従って、本発明の燃料噴射ポンプは、滑り接触部２５、２６、２７に形成された微小凹形状のくぼみが油膜を保持することで、滑り軸受６、９、２０の摩耗や焼付けを防止できる。特にディーゼルエンジン用の燃料である粘度の低い潤滑油であっても、駆動軸の滑り軸受との接触部２５、２６、２７において、油膜形成が可能となって優れた潤滑性を奏することができる。

次に、図２は第２実施形態を示し、この場合、主軸１の回転運動からプランジャ２の往復運動への変換にタペットローラ４０を使用している。すなわち、プランジャ２の端部ブロック４１に、タペットローラ４０が嵌合する凹部４２を設け、ローラ軸部４３を端部ブロック４１に支持させている。そして、主軸１は、同一軸線上に配設される第１軸部１ａ及び第２軸部１ｂと、第１軸部１ａと第２軸部１ｂとの間に配設されるカム部４４ａ、４４ｂとを有する。そして、タペットローラ４０、４０がそれぞれ対応するカム部４４ａ、４４ｂに、弾発部材２２、２２の付勢力で当接している。

このため、主軸１がエンジンによって、駆動されて回転すれば、この回転運動がカム部４４ａ、４４ｂ及びタペットローラ４０，４０を介して、プランジャ２の往復運動（軸方向の往復動）に変換される。

この場合、主軸１が回転駆動することによって、滑り軸受６、９と、主軸１の滑り接触部２５、２６とが滑り接触することになる。そこで、この滑り接触部２５、２６を前記第１実施形態と同様、本発明に係る表面性状を満たすように表面処理を施した。このため、この第２実施形態の燃料噴射ポンプも、前記第１実施形態の燃料噴射ポンプと同様の作用効果を奏する。

本発明の有用性を示すために、まず、転がり軸受の寿命評価と、歯車の寿命評価を行なった。転がり軸受の転動体（ころ）は軌道面と滑りを伴う接触をし、歯車の歯面は相手側の歯面と転がり接触及び滑り接触をし、その接触は主軸と滑り軸受の接触状態に準じた形態となる。従って主軸と滑り軸受の評価は、転がり軸受と歯車の評価で可能であると考えられる。以下に、パラメータＲｙni、Ｒｙmax、Ｓｋ、Ｒｑniの測定方法、条件の一例を示す。これらのパラメータで表される表面性状を、一ヶ所の測定値でも代表値として信頼できるが、たとえば直径方向に対向する二ヶ所を測定するとよい。
パラメータ算出規格：JIS B 0601:1994（サーフコム JIS 1994）
カットオフ種別：ガウシアン
測定長さ：５λ
カットオフ波長：０．２５ｍｍ
測定倍率：×１００００
測定速度：０．３０ｍｍ／ｓ
測定箇所：対象物中央部
測定数：２
測定装置：面粗さ測定器サーフコム１４００Ａ（東京精密株式会社）

また、くぼみの定量的測定を行うには、対象物表面を拡大し、その画像から市販されている画像解析システムにより定量化できる。さらには、特開２００１−１８３１２４に開示されている表面性状検査方法及び表面性状検査装置を用いれば、安定して精度良く測定することができる。この方法は、曲率を有する検査表面に光を照射して検査表面をカメラで撮影し、このカメラで撮影された検査表面の画像の輝度を測定して、この測定された輝度の明部と暗部のコントラストで形成される明暗パターンにより、検査表面の表面性状を検査する表面性状検査方法であって、光をカメラの光軸方向に合致させて照射し、測定される画像の輝度分布がピーク値を示す位置を、カメラの光軸上に一致させるように、検査表面を位置決めすることにより、検査表面の曲率に起因するシェーディング（輝度分布）を抑制するものである。また、光をカメラの光軸方向に合致させて照射し、測定される画像の輝度分布について、この輝度分布がピーク値を示す位置に相当する検査表面の部位を原点とし、曲率の対称軸を一つの軸とする直交二次元座標で、直交する各座標軸に沿う一次元の輝度分布をそれぞれ近似関数で近似し、これらの近似関数を用いて、画像の輝度分布を除去するように、輝度分布のピーク値を基準値として、座標各位置に相当する測定された画像の輝度を補正し、この補正された輝度の明暗パターンにより検査表面の表面性状を検査することにより、シェーディングのない明暗パターンで表面性状を検査することができる。測定条件はたとえば次のとおりである。また、くぼみの面積率、平均面積を測定する場合、上記のパラメータと同様に、一ヶ所の測定値でも代表値として信頼できるが、二ヶ所を測定するとよい。
面積率：観察視野範囲で２値化閾値（（明部の輝度＋暗部の輝度）／２）よりも小さい画素（黒）の占める割合
平均面積：黒の面積の合計／総数
観察視野：８２６μｍ×６２０μｍ
測定箇所：対象物中央部
測定数：２

図３は供試転がり軸受の一例を示しており、この転がり軸受１０は転動体として針状ころ１２を外輪１３に組み込んだ針状ころ軸受であり、針状ころ１２で相手軸１４を支持するようになっている。針状ころ表面に、仕上面の異なる表面処理を施した複数種類の針状ころ軸受を製作し、寿命試験を行なった結果について説明する。寿命試験に用いた針状ころ軸受は、図４に示すように、外径Ｄｒ＝３３ｍｍ、内径ｄｒ＝２５ｍｍ、針状ころ１２の直径Ｄ１＝４ｍｍ、長さＬ＝２５．８ｍｍで、１５本の針状ころを用いた保持器１５付きの軸受である。試験軸受として針状ころの表面粗さ仕上の異なる３種類を製作した。すなわち、研削後スーパーフィニッシュを施した軸受Ａ（比較例）と、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に形成した軸受Ｂ（比較例）、軸受Ｃ（参考例）、軸受Ｄ（参考例）とである。各試験軸受の針状ころにおける仕上面状況を図５〜図７に示す。具体的には、図５は軸受Ａの表面粗さ、図６は軸受Ｂの表面粗さ、図７は軸受Ｃ及び軸受Ｄの表面粗さをそれぞれ示す。また、各試験軸受の表面仕上面の特性値パラメータ一覧を表１に示す。なお、軸方向面粗さＲｑni（Ｌ）と同方向面粗さＲｑni（Ｃ）の比Ｒｑni（Ｌ／Ｃ）については、軸受Ｂ、Ｃ及びＤは１．５以下であり、軸受Ａは１．０前後の値である。また、結晶粒度の測定は、ＪＩＳＧ０５５１の鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法に基づいて行なった。

使用した試験装置は図８に概略図で示したようなラジアル荷重試験機１６で、回転軸１７の両側に試験軸受１０を取り付け、回転と荷重を与えて試験を行なうものである。試験に用いたインナレース（相手軸）の仕上は研磨仕上のＲa０．１０〜０．１６μｍである。アウタレース（外輪）も共通である。試験条件は以下のとおりである。
軸受ラジアル荷重：２０００ｋｇｆ
回転数：４０００ｒｐｍ
潤滑剤：クリセクオイルＨ８（試験条件で２ｃｓｔ）

図９に油膜パラメータΛ＝０．１３の下での寿命試験結果を示す。同図の縦軸が寿命時間（ｈ）を表している。同図に示すように、軸受Ａが７８ｈ、軸受Ｂが８２ｈであったのに対して軸受Ｃは１０５ｈ、軸受Ｄは１２１ｈであった。このデータから明らかなように、針状ころ表面が本発明に係る表面形状を満たすように表面処理された軸受Ｃ及びＤは、油膜パラメータΛ＝０．１３という低粘度、希薄の非常に過酷な潤滑条件下でも長寿命効果を得ることができる。従って、燃料噴射ポンプの主軸１の滑り接触部２５、２６、２７を上記数値範囲に設定した本発明に係る燃料噴射ポンプは、高い長寿命効果を得ることができる。

次に、図１０に示す平歯車疲労試験機を使用して歯車のピッチング試験を実施し、ピッチング強度を評価した。図１０において、ドライブ側歯車３１（歯数２９枚）とドリブン側歯車３２（歯数３０枚）は各々の回転軸３３、３４の片側に取付けられており、ドライブ側の軸３３が図示しないモータにより駆動されている。また、ドライブ側の軸３３に取付けてある負荷レバー３５及び重錘３６によりトルクを負荷する構造となっている。ドライブ側歯車３１は、本発明に係る表面処理の有無で２種類を用意した。試験条件等の詳細は、表２のとおりである。

歯車ピッチング試験のデータを表３、表４及び表５に示す。表３はドライブ側及びドリブン側の何れの歯車にも表面処理を施していない場合（ａ）の結果（比較例）を示し、表４はドライブ側歯車の歯面に、本発明に係る表面性状を満たすように表面処理を施したものを使用した場合（ｂ）の結果（実施例）を示し、表５はドライブ側歯車及びドリブン側歯車の歯面に、本発明に係る表面性状を満たすように表面処理を施したものを使用した場合（ｃ）の結果（実施例）をそれぞれ示す。これらより、ピッチング寿命が、（ａ）の場合に比べ、（ｂ）の場合では２倍以上向上し、（ｃ）の場合では３倍以上向上していることが確認できる。

本発明の第１実施形態を示す燃料噴射ポンプの要部断面図である。本発明の第２実施形態を示す燃料噴射ポンプの要部断面図である。針状ころ軸受の断面図である。寿命試験に用いた針状ころ軸受の断面図である。試験軸受Ａにおける仕上げ面状況を示す粗さ曲線図である。試験軸受Ｂにおける仕上げ面状況を示す粗さ曲線図である。試験軸受Ｃ及びＤにおける仕上げ面状況を示す粗さ曲線図である。試験装置の部分断面図である。寿命試験結果を示すグラフである。平歯車試験機の部分斜視図である。

符号の説明

１駆動軸（主軸）
２プランジャ
６、９、２１滑り軸受
２５、２６、２７滑り接触部

Claims

往復動により燃料を加圧するプランジャと、このプランジャを往復動させるための駆動軸と、前記駆動軸を支持する滑り軸受とを備えた燃料噴射ポンプにおいて、
前記滑り軸受と滑り接触する前記駆動軸の接触部に、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け、前記くぼみの平均面積が３０μｍ ² ≦平均面積≦１００μｍ ² の範囲内であるとともに、くぼみの面積率が５％≦面積率≦２０％の範囲であり、さらに、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙniが０．４μｍ≦Ｒｙni≦１．０μｍの範囲内であるとともに、Ｒｙmaxが０．４μｍ≦Ｒｙmax≦１．０μｍの範囲内であり、かつ、Ｓｋ値が−１．６以下であることを特徴とする燃料噴射ポンプ。