JP5495958B2 - バルブリフタ - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの動弁系の構成用品であるバルブリフタに関する。

内燃機関（以後「エンジン」とも呼ぶ）の効率を高め、燃費を向上させるためには、エンジン内部で動く部材が引き起こす損失、いわゆるメカロスを低減する必要がある。なかでも、動弁系に関しては、さまざまな改善が行われてきた。例えば、燃焼室内に吸気を送り、また燃焼後のガスを排気するバルブは、長いプッシュロッドを有するＯＨＶ方式から、カムシャフトを燃焼室の上部に配置したＯＨＣ方式へと進化してきた。ＯＨＣ方式は、カムシャフトをクランク軸からのチェーンによる回転運動で駆動させるので、質量のあるプッシュロッドを線運動させる場合より損失低減させやすい。

ＯＨＣ方式でも、カムがバルブを直接に駆動する方式（ダイレクト方式）では、カムやバルブを軽量化でき、エンジンの高回転、低損失を実現しやすい。一方、カムとカムからの動力をバルブに伝達するバルブリフタとの間の摺動摩擦（フリクション）が、メカロスの原因となる。従来は、このバルブリフタの頂面を鏡面に仕上げるといった方法でフリクションの低減を行っていた。

ところで、近年、摩擦と摩耗と潤滑を一括してあつかうトライボロジーが盛んに研究され、実用的な局面に応用されている例も多い。エンジンにおける摺動部分への応用も見受けられる。特許文献１は、弁リフタ（バルブリフタ）とカムの摺動面における摩擦低減の技術が開示されている。

ここでは、弁リフタのカム摺動部に中心から放射状の条痕を切削加工によって形成する。この条痕による摩耗低減の理由は以下のように説明されている。まず、合金鋳鉄等の金属からなる部品同士の摩擦は、両者間に形成される最小油膜厚さに比例し、その最小油膜厚さは、摺動面に形成される微小な凹部の摺動方向における長さと幅の比ｒに依存する。そして、ｒが小さい方が最小油膜厚さは厚くなり、部品間の潤滑には有利になる。つまり、カムの摺動方向に対して直角に交わる、幅の狭い溝を形成する事で、最小油膜厚さは厚くなり摩擦が低減する。

そこで、弁リフタのカム摺動部に中心から放射状に条痕を形成すれば、たとえ弁リフタが弁軸の周りに回転したとしても、カムと摺動する機会の多い中央部に、常にカムの摺動方向を横断する方向の多数の条痕が存在し、それによって摩擦が低減できる。

特開平０６−２８０５０９号

しかし、特許文献１で紹介されている技術では、バルブリフタの中央部ではカムの摺動方向を横断する方向に多数の条痕が存在できるが、バルブリフタの周縁部ではカムの摺動方向に平行な条痕ばかりになり摩擦低減の効果が小さくなるという課題があった。

本発明は上記の課題に鑑み想到されたものであり、バルブリフタの周縁部であっても、カムとバルブリフタの摩擦を低減できるバルブリフタを提供することを目的とする。

具体的には、本発明は、
内燃機関の吸気バルブ又は排気バルブとバルブ駆動カムとの間に配置され、頂面に溝が形成されたバルブリフタであって、
前記溝は、前記頂面の中心から周縁に向かって直線的に延設された部分と、湾曲若しくは屈曲して周縁と平行若しくは周縁に沿って周縁に向かう方向に延設された部分を有することを特徴とするバルブリフタを提供する。

本発明のバルブリフタの頂面に形成された溝は、頂面の中心近くでは放射形状を有するので、カムの摺動方向を横切る方向に溝が多数存在する。またこの溝は、頂面の周縁近くでは、周縁と平行若しくは周縁に沿って周縁に向かう方向に形成されるので、この部分でもカムの摺動方向を横切る方向に溝が存在する。従って、バルブリフタの中央部でも周縁部でも摩擦の低減が可能となる。

動弁部分の概略を示す図である。 本発明のバルブリフタの頂面の溝のパターンを例示する図である。 本発明のバルブリフタの頂面の溝のパターンを例示する図である。 バルブの回転と摺動軌跡の関係を説明する図である。 溝による動圧およびレイリーステップ効果によって摩擦が低減する様子を説明する図である。

図１には、バルブ機構の概略を示す。バルブ機構は、内燃機関の吸気もしくは排気口に配置され、吸気もしくは排気を燃焼室から出し入れする際に作動する。皿状のバルブ１００は棒状のバルブステム１０２に連結されている。バルブステム１０２の他方の端はバルブリフタ１にシム１０４を介して当接されている。また、バルブステム１０２とシム１０４の間にはバルブスプリングリテーナ１０６が配置されている。バルブスプリング１０８は、バルブステム１０２に挿入され、シリンダヘッド内の所定壁面１１０とバルブスプリングリテーナ１０６との間に配置される。そして、バルブスプリングリテーナ１０６を上方向（バルブが閉じる方向）に付勢する。

バルブリフタ１は、一方が開口した円筒形をしており、バルブスプリング１０８とバルブステム１０２を内部に入れるように冠着される。バルブリフタ１の頂面４の上部にはカム２が配置されており、カム２がバルブリフタ１を押し下げることによりバルブがバルブスプリング１０８の付勢力に打ち勝って開く。

カム２のベースサークル内にはオイル供給用の油孔が設けられており（図示せず）、カム２とバルブリフタ１の頂面４との間に潤滑油を供給する。

図２（ａ）には、本発明のバルブリフタ１の頂面４を示す。本発明のバルブリフタ１の頂面４には、中心から周縁に向かって溝６が形成されている。頂面の中心部８では、溝は中心から周縁に向かって直線的に形成されており、溝全体では放射状を呈している。

一方、周縁部１０においては、それぞれの溝は、頂面の中心から所定の距離だけ離れた地点で形成方向を湾曲させ、周縁に沿いながら周縁に漸近するように形成される。このように溝の形成方向を頂面の半径方向から円周方向に変えることで、周縁部１０でのカムとの摺動方向を横切る方向に溝が形成される。

溝を湾曲させる回数は１回である必要はない。図２（ｂ）には、溝形成方向を中心から周縁に向けて２回湾曲（符号１２、１４）させた溝形状を示す。形成方向の変更を複数回行うことで、周縁部でのカムとの摺動方向を横切る溝の数は増加する。この場合は、全ての溝について同じように溝を形成する必要がある。曲がり方の異なる溝があると、溝を密集して形成した際に溝同士が交錯するからである。なお、ここでは湾曲させた場合を示したが、直線的に屈曲させてもよい。

図２（ｃ）には、図２（ｂ）における１本の溝６を示す。中心から周縁に向かって直線的に延設された部分は符号５で示す。湾曲若しくは屈曲して周縁に沿って周縁に向かう方向に延設された部分は符号７で示す。湾曲若しくは屈曲する回数が複数回であってもよいのは、上述の通りである。図２（ｃ）で示すように、周縁に沿って周縁に向かう方向に延設された部分７は、直線的に延設された部分５から湾曲若しくは屈曲して頂面の周縁に漸近的に接近する方向に形成された溝である。

図３（ａ）には、本発明の他の溝形状を示す。溝は基本的に頂面の中心から放射状に形成される。従って、中心に近い部分では、溝の密度は高いが、周縁部では溝の密度は低くなる。隣接する溝間の距離が広がると言ってもよい。そこで、図３（ａ）で示す頂面の溝構造は、頂面の周縁で溝６に枝部１６を形成させる。図３（ｂ）に１本の溝６を示す。図示したのは、枝部が２本（１６ａ、１６ｂ）形成された場合を示したが、もちろんこの例に限定されるものではない。

また、溝は周縁部では、周縁に平行に形成され、枝部を有して居てもよい。図３（ｃ）に具体例を示す。溝６は中心から周縁まで直線状に延設され、溝を形成する領域の端で周縁に平行に屈曲する。屈曲する方向は隣接する溝と交錯しなければ、左右ともに屈曲してもよい。結果、溝は周縁部分でＴ字状となってもよい。溝の周縁と平行な部分は、実際には大変短く形成されるので、正確な円弧でない直線で形成されていても、周縁に平行と言って構わない。

また、溝には複数の枝部が形成されていてもよい。枝部も隣接する溝の枝部と交錯しなければ、長さに制限はない。枝部が形成されることで、周縁部でカムの摺動方向を横切る溝の数を多くすることができる。

図３（ｄ）には、１本の溝６を示す。溝を形成する領域の端で周縁に平行に屈曲した溝１８が形成され、溝６から溝１８に至るまでに、枝２０が形成される。図３（ｄ）では、左右の枝（２０ａ、２０ｂ）は互い違いに形成させた例を示す。隣接する枝同士が交錯しないためである。

溝の形状は特に限定されるものではないが、数から数十μｍ程度の幅であれば好ましい。バルブリフタは数ｃｍ程度の直径の部材なので、頂面に多くの溝を形成するにはちょうど良い幅であるからである。また、バルブリフタの頂面に形成する密度については、特に限定されないが、溝の部分は荷重の支持に関しては溝がない部分と比較して強度が低下する。カムとバルブリフタはメタルコンタクトする部分もあり、溝を多く形成すればよいわけでもない。さらに、バルブリフタとカムとの摺動は、エンジンの仕様によっても変わるため、適宜設計で決定される。

上記のような溝は研削加工によっても得る事が出来るが、スパッタ法によるドライエッチングや薬品を用いたウエットエッチ、レーザー加工や放電加工などでも得る事が出来る。

以上のように本発明のバルブリフタは、頂面に中心から周縁に向かう直線的に延設された部分と、湾曲若しくは屈曲して周縁と平行若しくは周縁に沿って周縁に向う方向に形成された部分を有する溝が形成される。

次に本発明のバルブリフタ１の効果について説明する。図４は、カム２とバルブリフタ１の接触を概説する図である。図４（ｅ）は頂面上での摺動軌跡を示したものである。図４（ａ）を参照して、カム２のベース位置では、カム２とバルブリフタ１は接触していない。図４（ｂ）を参照して、カム２が回転すると頂面上のある位置でカム２がバルブリフタ１に接触する（図４（ｅ）符号２４）。その後カム２の回転が進むと接触する部分はバルブリフタ１の周縁に向かう（図４（ｅ）符号２５）。

そして、図４（ｃ）を参照して、カム山の先端が接触した後は、接触部分はバルブリフタの中心に向かう（図４（ｅ）符号２６）。図４（ｄ）頂面の中心をすぎてからカム山の先端が頂面から離れた後は、接触部は頂面の中心に向かって移動し（図４（ｅ）符号２７）、そして再びカムは離れる。

図５は本発明のバルブリフタの頂面に上記のカムとの摺動軌跡３０を重ねたものである。カムは上述したように、バルブリフタの中央部から周縁部に向かって摺動部分が移動し、周縁部の所定箇所で折り返し、中央部を通過して他方の周縁部で再び折り返す。

本発明のバルブリフタの頂面に形成された溝は、頂面の中心近くでは放射形状を有するので、カムの摺動方向を横切る方向に溝が多数存在する。またこの溝は、頂面の周縁近くでは、周縁と平行若しくは周縁に沿って周縁に向かう方向に形成されるので、この部分でもカムの摺動方向を横切る方向に溝が存在する。

図５（ｂ）には、溝６と直角な断面を示す。符号４２はカムの摺動方向を示す。カムが溝６を乗り越える前後において、圧力の上昇および低下が生じるが、潤滑油がオイルなどの非圧縮性溶液では、圧力は液体の蒸気圧より低くはならず、液体中に溶解した気体の飽和気圧より低くならない。そのため、溝を乗り越えた部分で圧力が低下すると、潤滑油中に溶解した気体によって気泡４６が形成され、結果、付加された荷重を支える力が生じる。これがレイリーステップ効果と呼ばれる効果である。

つまり、頂面４の中央部分３４では、放射状に形成された溝によってカムを横切る溝が多数存在するため、レイリーステップ効果によってカム２からの荷重を支える圧力が生じ摩擦が低減する。また、頂面４の、周縁部分３６では、溝の湾曲若しくは屈曲部で形成された溝によって発生するレイリーステップ効果によって摩擦を低減させることができる。

なお、上記の説明から理解できるように、レイリーステップ効果は溝毎に発生するので、カムの摺動方向を横切る溝が密集していた方が効果を得やすい。すなわち、周縁部分においてもカムの摺動方向と直角な方向に多くの溝を形成できる図３（ａ）や図３（ｃ）のような溝の構成は、好ましい実施形態と言える。

また、溝はバルブリフタ頂面の縁まで到達していない方が好ましい。溝がバルブリフタ頂面の縁まで形成されていると、オイルがバルブリフタ側面にこぼれ落ちやすくなるからである。言い換えると、溝がバルブリフタ頂面の縁まで達していなければ、オイルはバルブリフタ側面にこぼれ落ちにくい。

以上のように本発明のバルブリフタは、カムと摺動する頂面に中心から周縁に向かって直線的に形成された部分と、そこから湾曲・屈曲して周縁に沿って周縁に漸近する若しくは周縁と平行な部分を有するので、中心部では、動圧による摩擦の低減効果が得られ、周縁部ではレイリーステップ効果による摩擦の低減効果を得る事が出来る。

本発明のバルブリフタは、ＯＨＣのダイレクト方式を採用するエンジンの吸排気バルブに好適に利用することができる。

１ バルブリフタ
２ カム
４ バルブリフタの頂面
５ 溝の直線的に延設された部分
６ 溝
７ 湾曲して周縁に沿って周縁に向かう方向に延設された部分
８ 中心部
１０ 周縁部
１２ 第１の湾曲部
１４ 第２の湾曲部
１６ 枝部
１６ａ、１６ｂ 枝部
１８ 周縁に平行な溝
２０ 枝部
２０ａ、２０ｂ 枝部
２４〜２７ 摺動軌跡
３０ 摺動軌跡
３４ 中央部分
３６ 周縁部分
４２ カムの摺動方向
４６ 気泡
４７ 圧力

Claims (1)

1. 内燃機関の吸気バルブ又は排気バルブとバルブ駆動カムとの間に配置され頂面に溝が形成されたバルブリフタであって、
   前記溝は、前記頂面の中心から周縁に向かって直線的に延設された部分と、湾曲若しくは屈曲して周縁と平行若しくは周縁に沿って周縁に向かう方向に延設された部分を有することを特徴とするバルブリフタ。