JP5307477B2 - ロッカーアーム用カムフォロアおよびカムフォロア装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の可動弁機構に使用されるロッカーアーム用カムフォロアに関する。

エンジンのロッカーアームは、カムの回転運動を受けて揺動し、吸気弁および排気弁を開閉する。かかる動作中のフリクションロスを低減するため、ロッカーアームの１対の脚部の間の外輪を、総ころ形式の転がり軸受で回転自在に支持し、ロッカーアームとカムとを転がり接触させる技術が従来、知られている。

総ころ形式の転がり軸受は、高荷重用途で使用することができる一方で、外輪端面およびころ端面がロッカーアームの脚部に接触しカジリを生じることがある。特にロッカーアームが軽金属製の場合には、ロッカーアームの摩耗が大きくなってしまう。さらに摩耗により生じる金属粉によって転がり軸受が損傷してしまう。

そこで、ロッカーアームの摩耗を解消することを目的として、実用新案登録第２５０８５６１号公報（特許文献１）、実用新案登録第２５０８５６２号公報（特許文献２）実公平６−２５６０６号公報（特許文献３）に記載のごときものが知られている。

これら特許文献１〜３に記載の転がり軸受は、ロッカーアームところ端面との間にプレートを配置し、ロッカーアームの摩耗を防止するというものである。
実用新案登録第２５０８５６１号公報 実用新案登録第２５０８５６２号公報 実公平６−２５６０６号公報

しかし、上記従来のような外輪にあっては、なおも以下に説明するような問題を生ずる。つまり、プレートが外輪の端面と接触すると、潤滑油の粘性によってプレートと外輪が隙間無く密着するため、転がり軸受の内部に潤滑油を滞り無く供給することができず、転がり軸受が短寿命になってしまう。

本発明の目的は、上述の実情に鑑み、潤滑油を軸受内部に容易に供給することができるロッカーアーム用カムフォロアおよびカムフォロア装置を提供するものである。

この目的のため本発明によるロッカーアーム用カムフォロアは、外周面がカムに当接する円筒形状の外輪と、外輪を支持する支持軸と、これら支持軸および外輪間の環状領域に配置される複数のころと、支持軸が貫通する平坦なリング形状の円盤であってころの端面と向き合い、外径が外輪の内径よりも小さい側板とを備える。そして、側板はころの両端にそれぞれ配置され、ころの軸長をＬｋ、外輪の軸長をＬｒ、側板の厚みをｔとすると、Ｌｋ＜Ｌｒ＜Ｌｋ＋２ｔを満たし、側板の外径は外輪の内径よりも小さく、これら側板の外縁と外輪の内周面との間に外方から潤滑油を受け入れる環状隙間を確保する。

かかる本発明によれば、支持軸が貫通するリング形状の円盤であってころの端面と向き合い、外径が外輪の内径よりも小さい側板を備えることから、ころ端面のカジリによるロッカーアームの摩耗を防止することが可能になる。また、側板の外径と外輪の内径との間に径方向に開いた環状隙間を確保して、この環状隙間からころに潤滑油を流し込むことが可能になる。そして、側板が外輪とロッカーアームとの間で軸方向に開いた隙間を確保して、この隙間から効率よく潤滑油を流し込むことが可能になる。

本発明は１実施形態に限定されるものではないが、好ましい実施形態として、ころのピッチ円径をＰＣＤとし、側板の外径をＤｓとすると、ＰＣＤ＜Ｄｓを満たす。これにより、ころ端面のカジリを確実に防止することできる。

また本発明によれば、ころの軸長Ｌｋおよび外輪の軸長Ｌｒが、Ｌｋ＜Ｌｒを満たすことにより、外輪内周面ところとの接触長さを大きくして外輪の軸受荷重を十分に確保することが可能になる。

また本発明によれば、側板は、表面硬度がビッカース硬度でＨｖ５５０以上である。これにより、側板ところが接触するときの側板の摩耗を防止することが可能になる。

また本発明によれば、側板は、表面粗さが算術平均粗さＲａ０．８μｍ以下である、これにより、側板と軽金属製のロッカーアームが接触したときにロッカーアームが摩耗することを防止することが可能になる。

好ましくは、外輪、支持軸、およびころの全てが窒素富化層を有し、支持軸およびころの少なくとも一方の部材における窒素富化層のオーステナイト結晶粒が、粒度番号の１０番を超えて微細化され、かつ、この部材における窒素富化層の残留オーステナイト量が１１体積％以上２５体積％以下であり、かつ、この部材における窒素富化層の窒素含有量が０．１質量％以上０．７質量％以下である。これにより、カムフォロアの長寿命化を図ることが可能になる。

好ましくは、ころの転動面およびころが転走する外輪の内周面のうち、少なくとも一方がクラウニング部を有する。これにより、外輪が軸方向一方に片寄るとともにころの他方端が外輪の内周面から他方へ突出した場合に、エッジロードが作用して損傷することを防止することができる。

また、本発明によるカムフォロア装置は、１対の脚部を有する揺動部材と、一対の脚部間に架設される支持軸と、支持軸に回転自在に支持され、外周面、内周面、および端面を有し、外周面はカムに当接する円筒形状の外輪と、これら支持軸および外輪間の環状領域に配置される複数のころと、支持軸が貫通する平坦なリング形状の円盤であって外径が前記外輪の内径よりも小さく、ころの端面と脚部との間に配置される側板とを備える。そして、側板は、表面硬度がＨｖ５５０以上であり、表面粗さが算術平均粗さＲａ０．８μｍ以下であり、ころの両端にそれぞれ配置され、ころの軸長をＬｋ、外輪の軸長をＬｒ、側板の厚みをｔとすると、Ｌｋ＜Ｌｒ＜Ｌｋ＋２ｔを満たし、側板の外径は外輪の内径よりも小さく、これら側板の外縁と外輪の内周面との間に外方から潤滑油を受け入れる環状隙間を確保する。

かかる本発明によれば、支持軸が貫通するリング形状の円盤であってころの端面と向き合い、外径が外輪の内径よりも小さい側板を備えることから、ころ端面のカジリによるロッカーアームの摩耗を防止することが可能になる。また、側板の外径と外輪の内径との間に径方向に開いた隙間を確保して、この隙間からころに潤滑油を流し込むことが可能になる。そして、側板が外輪とロッカーアームとの間で軸方向に開いた隙間を確保して、この隙間から効率よく潤滑油を流し込むことが可能になる。

本発明によれば、支持軸が貫通するリング形状の円盤であってころの端面と向き合い、外径が外輪の内径よりも小さい側板を備えることから、ころ端面のカジリによるロッカーアームの摩耗を防止するとともに、側板の外径と外輪の内径との間に径方向に開いた隙間を確保して、この隙間からころに潤滑油を流し込むことが可能になる。そして、ころの軸長Ｌｋ、外輪の軸長Ｌｒ、側板の厚みｔが、Ｌｒ＜Ｌｋ＋２ｔを満たすことから、側板が外輪とロッカーアームとの間で軸方向に開いた隙間を確保して、この隙間から効率よく潤滑油を流し込むことが可能になる。したがって、カムフォロアの軸受寿命が向上する。また、カムフォロアの軸受トルクを低減して内燃機関の運転効率の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施例になるカムフォロアを組み込んだ可動弁機構を示す正面図である。可動弁機構１は、自動車のエンジン部品であって、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の一端に配置され、ロッカーアーム２の揺動によってエンジン燃焼室の吸排気を行う弁３と、ロッカーアーム２の他端に配置される支持軸６と、支持軸６の外周に回転自在に軸支される外輪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、エンジン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が外輪１１の外周面に当接したときに、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、エンジンの吸排気を行う。このとき、外輪１１はカム４の回転に伴って回転するので、外輪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。ロッカーアーム２は、その端から突出する脚部７を含めて軽金属製であり、可動弁機構１の軽量化と、燃料消費率の向上が図られている。

図２は、外輪１１を軸支するカムフォロアを拡大して示す断面図である。支持軸６は、ロッカーアーム２の端から突出して互いに向かい合う１対の脚部７の間に架設されている。互いに平行な脚部７，７の平坦な壁面８，８同士の間の領域には、中空円筒形状の外輪１１と、支持軸６を内輪とし外輪１１を外輪とするころ１２を配設する。ころ１２は、中空円筒形状の外輪１１の内周面１３と、支持軸６の外周面との間の環状領域に複数配置され、これら内外周面を転走する。外輪１１は、上述した外周面および内周面１３の他、端面１４を有する。

両端面１４，１４間の距離になる外輪１１の軸長は、ころ１２の両端面１５、１５間の距離になるころ１２の軸長と同じであってもよい他、後述する第２実施例のように異なってもよい。

脚部７ところ１２の端面１５との間には側板１６を配置する。側板１６は、中心孔１７を備えた平坦なリング形状の円盤であり、支持軸６が中心孔１７を貫通する。側板１６は、各脚部７の壁面８と向き合うとともに、ころ端面１５と向き合って、ころが脚部７と接触することを回避する。これにより、軽金属製の脚部７が摩耗することを防止する。

図２に示すように、側板１６の外径Ｄｓは外輪１１の内径Ｄｒよりも小さい。したがって、側板１６の外径と外輪１１の内周面１３との間には環状隙間が生じる。

好ましくは、側板１６の外径Ｄｓは、ころ１２のピッチ円の径ＰＣＤよりも大きい。これにより、側板１６の内外径差が大きくなり容易に成形することができる。そして壁面８に対するころ端面１５のカジリを確実に防止することできる。

本実施例によれば、可動弁機構１のカムフォロアが、ころ１２の端面１５と向き合い外径Ｄｓが外輪１１の内径Ｄｒよりも小さい側板１６を備えることから、側板１６と外輪１１との間に環状隙間を確保して、外方からこの環状隙間に潤滑油を流し込むことが可能となる。したがって、ころ１２、内周面１３、および支持軸６の外周面を滞りなく潤滑することが可能になり、カムフォロアの軸受寿命が向上する。

好ましくは、側板１６の表面硬度がビッカース硬度でＨｖ５５０以上である。これにより、側板１６ところ１２が接触するときの側板１６の摩耗を防止することが可能になる。

また好ましくは、側板１６の表面粗さが算術平均粗さＲａ０．８μｍ以下である。これにより、軽金属製のロッカーアーム２の脚部７と側板１６とが接触したときに脚部７が摩耗することを防止することが可能になる。

好ましくは、外輪１１、支持軸６、およびころ１２の全てが窒素富化層を有し、支持軸６およびころ１２の少なくとも一方の部材における窒素富化層のオーステナイト結晶粒が、粒度番号の１０番を超えて微細化され、かつ、この部材における窒素富化層の残留オーステナイト量が１１体積％以上２５体積％以下であり、かつ、この部材における窒素富化層の窒素含有量が０．１質量％以上０．７質量％以下である。

本実施例のカムフォロアと従来からあるカムフォロアとにつき、外輪回転型寿命試験機を用いて比較試験を行った。試験条件は、外力を与えながら回転する駆動ロールに試験体になる外輪が接触するようにカムフォロアを設置し、外輪に３０００［Ｎ］の外力を与えながら、外輪を毎分７０００回転させ、１００℃のエンジンオイルで毎分２０［ｍｌ］で外輪を潤滑した。

従来例になる比較品１の形状は、図５の断面図に示すように、外輪Ｇの内径側端面Ｇｔが外径側端面Ｇｓよりも窪んで形成され、ころＫの端面Ｋｔおよび内径側端面Ｇｔが共に平坦であって、ころ両端面Ｋｔ、Ｋｔ間の軸長が外輪内径側における両端面Ｇｔ、Ｇｔ間の軸長と等しいものである。側板Ｓの外径は、外輪Ｇの内径よりも大きく、ころ１２が軸方向に片寄らない場合に側板Ｓが外輪内径側端面Ｇｔおよびころ端面Ｋｔと接触する。また比較品２の形状は、図２に示す発明品とすべて同様である。

比較品１および比較品２には、表１に示すように、外輪と、ころと、支持軸とに標準熱処理を施した。具体的には、ＲＸガス雰囲気中で、加熱温度８４０℃、保持時間２０分で加熱後、焼入れを行い、次に１８０℃で９０分間焼戻しを行う標準熱処理を施した。

発明品には、表１に示すように、外輪に浸炭窒化の熱処理を施し、ころおよび支持軸に、以下に述べる熱処理を施した。具体的には、ＲＸガスとアンモニアガスとの混合ガス雰囲気中で、浸炭窒化処理温度８５０℃、保持時間１５０分で加熱後、８５０℃から一次焼入れを行い、次に浸炭窒化処理温度よりも低い８００℃で２０分間加熱して二次焼入れを行い、１８０℃で９０分間焼戻しを行う浸炭窒化＋低温二次の熱処理を施した。

なお発明品の外輪には、ＲＸガスとアンモニアガスとの混合ガス雰囲気中で、加熱温度８５０℃、保持時間１５０分で加熱後、８５０℃から焼入れを行い、次に１８０℃で９０分間焼戻しを行う浸炭窒化の熱処理を施した。

表２は、上述した標準熱処理と、浸炭窒化の熱処理と、浸炭窒化＋低温二次の熱処理による組成を示す。浸炭窒化＋低温二次の熱処理によれば、オーステナイト結晶粒度（JIS G0551）は１２番であり、粒度番号の１０番を超えている。また、残留オーステナイト量（％）は体積比で２１％であり、１１体積％以上２５体積％以下である。また、窒素含有量（％）は質量比で０．３０％であり、０．１質量％以上０．７質量％以下である。

比較試験の結果は、表１に示すように、比較品１の寿命比を１とすると、比較品２の寿命比が１．３であり、発明品の寿命比が４．７であった。

比較品１よりも比較品２の寿命が長いのは、比較品２にあっては支持軸６が中心孔１７を貫通するリング形状の円盤であってころ１２の端面１５と向き合い、外径Ｄｓが外輪１１の内径Ｄｒよりも小さい側板１６を備えることから、外方からころ１２へ潤滑油が流れ込むことが可能になって、潤滑性能が向上したためと考えられる。

この試験結果によれば、上述した窒素富化層の組成でカムフォロアを形成する本実施例で、発明品の寿命比が４．７であり、優れた耐久性能を有することがわかる。これは、発明品には、外方からころ１２へ潤滑油が流し込まれるためと、浸炭窒化＋低温二次の熱処理によるためと考えられる。

次に本発明の第２実施例になるカムフォロアについて説明する。図３は、第２実施例になるカムフォロアを拡大して示す縦断面図である。この実施例の基本構成および作用は、上述した図１および図２に示す実施例と共通するため、同一部材については、共通する符号を付して説明を省略し、異なる構成について説明する。

図３に示すように、側板１６はころ１２の両端と壁面８との間にそれぞれ配置され、ころ１２端部と壁面８に接触することはない。さらに、ころ１２の軸長をＬｋ、外輪１１の軸長をＬｒ、側板１６の厚みをｔとすると、Ｌｒ＜Ｌｋ＋２ｔを満たす。これにより、向かい合う１対の壁面８，８間で、外輪軸長Ｌｒがころ軸長Ｌｋおよび２枚の側板厚み２ｔの和よりも短くなり、壁面８と外輪端面１４との間で軸方向に開いた隙間を確保する。したがって、外方からこの軸方向隙間を経て潤滑油を外輪１１の内径側へ効率よく流し込むことが可能になる。したがって、ころ１２、内周面１３、および支持軸６の外周面を一層滞りなく潤滑することが可能になり、カムフォロアの軸受寿命が一層向上する。

好ましくは、Ｌｋ＜Ｌｒを満たす。これにより、外輪軸長Ｌｒがころ軸長Ｌｋよりも長くなり、外輪内周面１３ところ１２との接触長さを大きくして外輪１１の軸受荷重を十分に確保することが可能になる。

次に本発明の第３実施例になるカムフォロアについて説明する。図４は、第３実施例になるカムフォロアを拡大して示す縦断面図である。この実施例の基本構成および作用は、上述した図１および図３に示す実施例と共通するため、同一部材については、共通する符号を付して説明を省略し、異なる構成について説明する。

本実施例では図４に示すように、ころ１２が転走する外輪１１の内周面１３がクラウニング部を有する。つまり、内周面１３が軸方向中央で内径側へ突出し、端部へ向かうにつれて徐々に内径が大きくなる。

本実施例では、両端面１４，１４間の距離になる外輪１１の軸長が、両端面１５、１５間の距離になるころ１２の軸長よりも長いため、内周面１３の軸方向端部に軸受荷重が作用しない。特に、ころ１２の転動面が外輪１１の内周面１３よりも軸方向に突出する場合があり、突出したころ１２の軸方向端部では曲げ応力など不所望なエッジロードが作用する場合がある。

本実施例では、クラウニング部を有することから、外輪１１が軸方向一方に片寄るとともにころ１２の他方端が外輪の内周面から他方へ突出した場合に、外輪１１およびころ１２の軸方向端部に応力が集中することを回避することが可能になる。したがって両者１１，１２間でエッジロードが作用することがなく、外輪１１またはころ１２が損傷することを防止することができる。

なお図には示さなかったが、外輪１１の内周面１３に代えてころ１２の転動面がクラウニング部を有してもよく、あるいはころ１２および内周面１３の双方がクラウニング部を有してもよい。外輪１１の軸長がころ１２の軸長よりも長い本実施例の他、これら１１，１２の軸長が同じであってもよい。

以上、図面を参照して本発明の実施形態を説明したが、本発明は、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、本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。

本発明は、エンジンの可動弁機構等に採用されるロッカーアーム用カムフォロアに有利に利用される。

本発明の実施例になるカムフォロアを組み込んだ可動弁機構を示す正面図である。 本発明の第１実施例を示す断面図である。 本発明の第２実施例を示す断面図である。 本発明の第３実施例を示す断面図である。 従来からある比較品を示す断面図である。

符号の説明

１ 可動弁機構、２ ロッカーアーム、３ 弁、４ カム、４ａ 偏心部、５ 軸、６ 支持軸、７ 脚部、８ 壁面、１１ 外輪、１２ ころ、１３ 外輪内周面、１４ 外輪端面，１５ ころ端面、１６ 側板、１７ 中心孔。

Claims (5)

1. 外周面がカムに当接する円筒形状の外輪と、前記外輪を支持する支持軸と、これら支持軸および外輪間の環状領域に配置される複数のころと、前記支持軸が貫通する平坦なリング形状の円盤であって前記ころの端面と向き合い、外径が前記外輪の内径よりも小さい側板とを備え、
   前記側板は、表面硬度がＨｖ５５０以上であり、表面粗さが算術平均粗さＲａ０．８μｍ以下であり、前記ころの両端にそれぞれ配置され、前記ころの軸長をＬｋ、前記外輪の軸長をＬｒ、前記側板の厚みをｔとすると、Ｌｋ＜Ｌｒ＜Ｌｋ＋２ｔを満たし、
   前記側板の外径は前記外輪の内径よりも小さく、これら側板の外縁と外輪の内周面との間に外方から潤滑油を流し込む環状隙間を確保する、ロッカーアーム用カムフォロア。
2. 前記ころのピッチ円径をＰＣＤとし、前記側板の外径をＤｓとすると、ＰＣＤ＜Ｄｓを満たす、請求項１に記載のロッカーアーム用カムフォロア。
3. 前記外輪、前記支持軸、および前記ころの全てが窒素富化層を有し、
   支持軸およびころの少なくとも一方の部材における前記窒素富化層のオーステナイト結晶粒が、粒度番号の１０番を超えて微細化され、かつ、前記部材における前記窒素富化層の残留オーステナイト量が１１体積％以上２５体積％以下であり、かつ、前記部材における前記窒素富化層の窒素含有量が０．１質量％以上０．７質量％以下である、請求項１または２に記載のロッカーアーム用カムフォロア。
4. 前記ころの転動面および前記ころが転走する前記外輪の内周面のうち、少なくとも一方がクラウニング部を有する、請求項１〜３のいずれかに記載のロッカーアーム用カムフォロア。
5. １対の脚部を有する揺動部材と、
   前記一対の脚部間に架設される支持軸と、
   前記支持軸に回転自在に支持され、外周面、内周面、および端面を有し、前記外周面はカムに当接する円筒形状の外輪と、
   これら支持軸および外輪間の環状領域に配置される複数のころと、
   前記支持軸が貫通する平坦なリング形状の円盤であって外径が前記外輪の内径よりも小さく、前記ころの端面と前記脚部との間に配置される側板とを備え、
   前記側板は、表面硬度がＨｖ５５０以上であり、表面粗さが算術平均粗さＲａ０．８μｍ以下であり、前記ころの両端にそれぞれ配置され、前記ころの軸長をＬｋ、前記外輪の軸長をＬｒ、前記側板の厚みをｔとすると、Ｌｋ＜Ｌｒ＜Ｌｋ＋２ｔを満たし、
   前記側板の外径は前記外輪の内径よりも小さく、これら側板の外縁と外輪の内周面との間に外方から潤滑油を受け入れる環状隙間を確保する、カムフォロア装置。

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