JP4652312B2 - タペットローラ軸受構造 - Google Patents

Description

この発明は、タペットローラ軸受構造、特に内燃機関の可動弁機構に使用されるタペットローラ軸受構造に関するものである。

近年のエンジンにおいて、カムに当接するタペット部に動弁系のフリクションロス低減を目的としたタペットローラ軸受が使用されている。タペットローラ軸受の形式としては、軸受を用いないスリッパタイプ、針状ころを用いた転がり軸受タイプ、および針状ころを使用しないすべり軸受タイプがある。

軸受の起動トルクの観点からは、針状ころを用いた転がり軸受タイプが有利である。しかし、ディーゼルエンジンの動弁機構として使用する場合には、燃焼時に発生する“すす”（不溶解成分）がエンジンオイルへ混入し、摩耗が促進され易く、特に転がり軸受タイプに摩耗が顕著に出やすい。このためディーゼルエンジンの動弁機構には、すべり軸受タイプのタペットローラ軸受が採用されることが多い。

すべり軸受タイプのタペットローラ軸受は、１つのローラで構成されるシングルローラタイプと、２つのローラで構成されるダブルローラタイプに大別される。シングルローラタイプの場合は、軸の負荷域とローラとが常に接触回転しており接触部分の摩耗が促進されやすい。一方、ダブルローラタイプの場合は、軸と内径側ローラの接触回数がシングルローラタイプの場合と比較して少なく、軸の摩耗量を抑制することができる。

また、特開２００４−２１１７７５号公報（特許文献１）には、ダブルローラタイプのタペットローラ軸受の理想的な回転として、内径側ローラが外径側ローラの２分の１程度の回転数であることが望ましいと記載されている。そして、同公報には、外径側ローラの軸方向端面の表面粗さを内径側ローラの軸方向端面の表面粗さより平滑にすることで、上記の理想的な回転を実現することができると記載されている。
特開２００４−２１１７７５号公報

しかし、同公報に記載されているタペットローラ軸受には、ラジアル方向に大きな荷重が負荷され、アキシアル方向にはあまり荷重が負荷されない。したがって、内径側ローラと外径側ローラとの理想的な回転の観点からは、軸方向端面の表面粗さを規定しても効果が薄い。

その結果、外径側ローラのみが回転した場合には、軸の外周面と内径間側ローラの内周面との接触部分にフレッティング摩耗を生じたり、内径側ローラの外周面と外径側ローラの内周面との接触部分に異常摩耗を生じたりする。

そこで、この発明の目的は、ダブルローラタイプのタペットローラ軸受において、２つのローラの回転を理想的な状態に近づけることにより、接触部分の摩耗を抑制したタペットローラ軸受構造を提供することである。

この発明に係るタペットローラ軸受構造は、軸と、軸の外周面に嵌合する円筒形状の内径側ローラと、内径側ローラの外周面に嵌合する円筒形状の外径側ローラとを備える。そして、軸の外周面の表面粗さと内径側ローラの内周面の表面粗さとの和をＲａ_１、内径側ローラの外周面の表面粗さと外径側ローラの内周面の表面粗さとの和をＲａ_２とすると、Ｒａ _２ とＲａ _１ との差が０．１８μｍ以上０．３１μｍ以下であり、Ｒａ _１ が０．１２μｍよりも大きく、Ｒａ_１＜Ｒａ_２を満たす。

上記構成とすることにより、内径側ローラと外径側ローラとの間に生じる回転抵抗が、軸と内径側ローラとの間と比較して大きくなるので、外径側ローラのみが回転するのを有効に防止することができる。具体的には、Ｒａ _２ とＲａ _１ との差を０．１８μｍ以上０．３１μｍ以下とし、Ｒａ _１ を０．１２μｍよりも大きくし、Ｒａ _１ ＜Ｒａ _２ を満たせば、外径側ローラのみが回転し、内径側ローラが回転しないという状態や、内径側ローラと外径側ローラとが一体回転する状態を回避することができる。その結果、内径側ローラおよび外径側ローラの回転が理想的な状態に近づき、軸と内径側ローラおよび内径側ローラと外径側ローラとの接触部分に生じる摩耗を抑制することができる。

好ましくは、Ｒａ_１およびＲａ_２は、それぞれ０．１２μｍ〜０．４０μｍの範囲に設定される。タペットローラ軸受を量産する場合において、軸の外周面、内径側ローラの内周面と外周面、および外径側ローラの内周面それぞれの表面粗さを０．０６μｍ以下とするのは加工性の観点から困難である。一方、軸と内径側ローラおよび内径側ローラと外径側ローラとの間の焼き付きを防止する観点からは、相対する面の表面粗さの和Ｒａ_１，Ｒａ_２を０．４０μｍ以下とするのが望ましい。

なお、本明細書中「表面粗さＲａ」とは、算術平均粗さであって、粗さ曲線から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平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計し平均した値とする。

好ましくは、軸と、内径側ローラと、外径側ローラとは、鋼によって形成されている。上記の各構成部品を製造する鋼としては、例えば、ＳＵＪ２等が挙げられる。

この発明によれば、軸と内径側ローラとの相対する面、および内径側ローラと外径側ローラとの相対する面の表面粗さを規定することにより、２つのローラの回転を理想的な状態に近づけることができる。その結果、接触部分の異常摩耗を抑制したタペットローラ軸受を得ることができる。

図１および図２を参照して、この発明の一実施形態に係るタペットローラ軸受構造を説明する。なお、図１はタペットローラ軸受構造の断面図、図２はタペットローラ軸受１１を組み込んだ可動弁機構１を示す図である。

まず、図２を参照して、自動車の内燃機関等の可動弁機構１は、軸５に揺動可能に支持されたロッカーアーム２と、ロッカーアーム２の一端に連結され、エンジン内部の吸排気を行う弁３と、ロッカーアーム２の他端の左右一対の支持壁２ａ，２ｂの間に配置される支持軸６と、支持軸６に嵌合するタペットローラ軸受１１と、カムシャフト（図示省略）に固定され偏心部４ａを有するカム４とを備える。

上記構成の可動弁機構１は、内燃機関のクランクシャフト（図示省略）の回転がタイミングベルト（図示省略）を経由してカムシャフト（図示省略）に伝達され、カム４を回転させる。そして、カム４の偏心部４ａがタペットローラ軸受１１に当接したときに、ロッカーアーム２が軸５を中心として揺動して弁３を押し下げる。これにより、内燃機関内の給排気を行うことができる。このとき、タペットローラ軸受１１はカム４の回転に伴って回転するので、タペットローラ軸受１１とカム４との当接部分のフリクションロスを低減することが可能となる。

次に、図１を参照して、上記構成の可動弁機構１に採用されるタペットローラ軸受構造は、支持壁２ａ，２ｂに固定された支持軸６と、支持軸６に嵌合する円筒形状の内径側ローラ１２、および内径側ローラ１２に嵌合する円筒形状の外径側ローラ１３を備えるダブルローラタイプのタペットローラ軸受１１とを備える。なお、支持軸６と内径側ローラ１２の内周面との間、および内径側ローラ１２の外周面と外径側ローラ１３の内周面との間には所定のラジアル隙間が設けられており、相互に回転可能となっている。また、外径側ローラ１３の外周面はカム（図示省略）に当接している。さらに、支持軸６、内径側ローラ１２、および外径側ローラ１３の材料は特に限定されないが、例えばＳＵＪ２等の鋼を用いることができる。

ここで、支持軸６の外周面の表面粗さと内径側ローラ１２の内周面の表面粗さとの和をＲａ_１、内径側ローラ１２の外周面の表面粗さと外径側ローラ１３の内周面の表面粗さとの和をＲａ_２とすると、Ｒａ_１＜Ｒａ_２を満たすように各表面粗さを設定する。これにより、支持軸６と内径側ローラ１２との間に生じる摩擦力が内径側ローラ１２と外径側ローラ１３との間に生じる摩擦力より小さくなる。

上記構成のタペットローラ軸受１１は、内径側ローラ１２と外径側ローラ１３とが完全に一体として回転したり、外径側ローラ１３のみが回転したりするのを防止し、内径側ローラ１２および外径側ローラ１３の回転を理想的な状態に近づけることができる。その結果、各接触部分の摩耗を抑制したタペットローラ軸受構造を得ることができる。

具体的には、外径側ローラ１３は、外周面に当接するカム４の回転に伴って回転する。また、外径側ローラ１３の回転力は内径側ローラ１２に伝達される。ここで、外径側ローラ１３から内径側ローラ１２に伝達される回転力はＲａ_２が大きい程大きくなる。一方、内径側ローラ１２の回転抵抗はＲａ_１が小さい程小さくなる。すなわち、Ｒａ_２とＲａ_１の差が大きい程、内径側ローラ１２は回転しやすくなる。

ただし、Ｒａ_２とＲａ_１の差が大きすぎると、内径側ローラ１２と外径側ローラ１３とが一体回転してしまうおそれがある。したがって、内径側ローラ１２が、外径側ローラ１３の回転数に対して一定の割合（例えば、外径側ローラ１３の回転数：内径側ローラ１２の回転数＝２：１）で回転するようにＲａ_１およびＲａ_２を決定するのが望ましい。

なお、上記の実施形態においては、内径側ローラ１２および外径側ローラ１３の回転を理想的な状態とする観点から表面粗さを規定したが、加工性の観点および当接部分に生じる焼き付きを防止する観点からは、表面粗さを以下のようにするのが望ましい。

すなわち、タペットローラ軸受１１を量産する場合において、支持軸６の外周面、内径側ローラ１２の内周面と外周面、および外径側ローラ１３の内周面それぞれの表面粗さを０．０６μｍ以下とするのは加工性の観点から困難である。すなわち、相対する面の表面粗さの和Ｒａ_１およびＲａ_２を０．１２μｍ以下とするのは困難である。一方、支持軸６と内径側ローラ１２および内径側ローラ１２と外径側ローラ１３との間の焼き付きを防止する観点からは、相対する面の表面粗さの和Ｒａ_１およびＲａ_２を０．４０μｍ以下とするのが望ましい。したがって、Ｒａ_１およびＲａ_２は、それぞれ０．１２μｍ〜０．４０μｍの範囲に設定する。

また、上記の実施形態においては、相対する面の表面粗さの和Ｒａ_１，Ｒａ_２の範囲を規定することによって、内径側ローラ１２および外径側ローラ１３の回転を理想的な状態とする方法を説明したが、これに加えて、ラジアル隙間を規定してもよい。具体的には、内径側ローラ１２と外径側ローラ１３との間のラジアル隙間が小さい程、外径側ローラ１３の回転力が内径側ローラ１２に伝達されやすい。一方、支持軸６と内径側ローラ１２との間のラジアル隙間が大きい程、内径側ローラ１２の回転抵抗は小さくなる。

次に、図１に示すようなこの発明の一実施形態に係るタペットローラ軸受１１と、従来のダブルローラタイプのタペットローラ軸受とを用いて、この発明の効果を確認するための試験を行った。この効果確認試験の内容について、図３および表１を参照して説明する。なお、図３は効果確認試験の試験装置の概略図、表１は効果確認試験に使用したタペットローラ軸受の表面粗さおよび試験結果を示す表である。

まず、図３を参照して、この効果確認試験の実験装置は、支持軸２４と、支持軸２４を固定する固定冶具２５と、支持軸２４に嵌合し、内径側ローラ２２および外径側ローラ２３とを含むタペットローラ軸受２１と、外径側ローラ２３の外周面に当接する駆動ロール２６と、内径側ローラ２２および外径側ローラ２３の回転を検出する回転センサ２７，２８とを備える。

なお、試験に使用するタペットローラ軸受２１の構成は、図１に示すタペットローラ軸受１１と同様であって、内径側ローラ２２、外径側ローラ２３、および支持軸２４は、ＳＵＪ２を出発材料とし、支持軸２４の外径寸法を１２．６３ｍｍ、内径側ローラ２２の内径寸法を１２．６９ｍｍ、内径側ローラ２２の外径寸法を１８．７０ｍｍ、外径側ローラの内径寸法を１８．７４ｍｍ、および内径側ローラ２２と外径側ローラ２３との幅寸法をそれぞれ１７．６ｍｍとした。

さらに、内径側ローラ２２、外径側ローラ２３、および支持軸２４に所定の機械的性質を付与すると共に、所定の表面粗さを得るために熱処理および研削加工を施した。そして、表１に示すＮｏ．１〜Ｎｏ．８のように、支持軸２４の外周面、内径側ローラ２２の内周面と外周面、および外径側ローラ２３の内周面の表面粗さ（Ｒａ）を規定した。また、内径側ローラ２２および外径側ローラ２３の軸方向端面の表面粗さは、それぞれ０．２５μｍ（Ｒａ）とした。

試験条件としては、駆動ロール２６の回転速度を５００ｒｐｍ、実機カムでの間歇荷重を想定して駆動ロール２６からタペットローラ軸受２１に負荷される間歇荷重を０〜５０００Ｎ，１６Ｈｚとし、タペットローラ軸受２１への潤滑油（油温９０℃）の供給方法は跳ね掛け式とした。

表１を参照して、Ｎｏ．２およびＮｏ．５のタペットローラ軸受２１は、外径側ローラ２３の回転に伴って内径側ローラ２２が僅かに回転した。一方、その他のタペットローラ軸受２１は、外径側ローラ２３のみが回転し、内径側ローラ２２は回転しなかった。

そして、外径側ローラのみが回転したタペットローラ軸受２１（Ｎｏ．１，３，４，６，７，８）においては、負荷領域における支持軸２４と内径側ローラ２２との接触面にフレッティングを生じた。ここで、タペットローラ軸受２１の回転によって生じる微振動によって、支持軸２４の外周面と内径側ローラ２２の内周面との間に油膜切れを生じる。これが、支持軸２４と内径側ローラ２２との接触面にフレッティングを生じる原因の一つであると考えられる。さらには、内径側ローラ２２の外径面と外径側ローラ２３の内径面との間で異常摩耗を生じる可能性もある。

一方、Ｎｏ．２およびＮｏ．５のタペットローラ軸受２１においては、外径側ローラ２３の回転に伴って内径側ローラ２２が僅かに回転するので、内径側ローラ２２の負荷領域に位置する部分が入れ替わってフレッティングや異常摩耗が抑制されると考えられる。これにより、Ｒａ_１＜Ｒａ_２とすることによって、内径側ローラ２２および外径側ローラ２３の回転を理想的な状態に近づけることができると確認された。

また、Ｎｏ．２のタペットローラ軸受２１におけるＲａ_２とＲａ_１との差は、０．３１μｍであり、Ｎｏ．５のタペットローラ軸受２１におけるＲａ_２とＲａ_１との差は、０．１８μｍである。すなわち、Ｒａ_２とＲａ_１との差が０．１８μｍ〜０．３１μｍの範囲内であれば、内径側ローラ２２および外径側ローラ２３の回転を理想的な状態に近づけることができると確認された。

具体的には、Ｒａ_２とＲａ_１との差が０．１８μｍ以上であれば、外径側ローラ２３のみが回転し、内径側ローラ２２が回転しないという状態を回避することができる。一方、Ｒａ_２とＲａ_１との差が０．３１μｍ以下であれば、内径側ローラ２２と外径側ローラ２３とが一体回転する状態を回避することができる。

なお、この効果確認試験は比較的短時間の回転試験であったため、Ｒａ_１およびＲａ_２を０．４０μｍ以上としても焼き付きの問題は発生しなかった。しかし、上述したとおり、接触部分に生じる焼き付きの防止や軸受寿命の延伸の観点からは、Ｒａ_１およびＲａ_２を０．４０μｍ以下とするのが望ましい。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明は、内燃機関の可動弁機構等に採用されるタペットローラ軸受に有利に利用される。

この発明の一実施形態に係るタペットローラ軸受構造の断面図である。 自動車用内燃機関の可動弁機構を示す図である。 この発明の効果を確認するために実施した試験装置の概略図である。

符号の説明

１ 可動弁機構、２ ロッカーアーム、２ａ，２ｂ 支持壁、３ 弁、４ カム、４ａ 偏心部、５ 軸、６，２４ 支持軸、１１，２１ タペットローラ軸受、１２，２２ 内径側ローラ、１３，２３ 外径側ローラ、２５ 固定冶具、２６ 駆動ロール、２７，２８ 回転センサ。

Claims (3)

1. 軸と、
   前記軸の外周面に嵌合する円筒形状の内径側ローラと、
   前記内径側ローラの外周面に嵌合する円筒形状の外径側ローラとを備え、
   前記軸の外周面の表面粗さと前記内径側ローラの内周面の表面粗さとの和をＲａ_１、
   前記内径側ローラの外周面の表面粗さと前記外径側ローラの内周面の表面粗さとの和をＲａ_２とすると、
   Ｒａ _２ とＲａ _１ との差が０．１８μｍ以上０．３１μｍ以下であり、
   Ｒａ _１ が０．１２μｍよりも大きく、
   Ｒａ_１＜Ｒａ_２を満たす、タペットローラ軸受構造。
2. 前記Ｒａ_１および前記Ｒａ_２は、それぞれ０．１２μｍ〜０．４０μｍの範囲に設定される、請求項１に記載のタペットローラ軸受構造。
3. 前記軸と、前記内径側ローラと、前記外径側ローラとは、鋼によって形成されている、請求項１または２に記載のタペットローラ軸受構造。
   

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