JP5898092B2 - DRIVE CAM, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND ENGINE VALVE DEVICE - Google Patents
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Description
本発明は、エンジンの動弁装置において使用される駆動カム、及びそれを含むエンジンの動弁装置に関する。 The present invention relates to a drive cam used in an engine valve operating apparatus, and an engine valve operating apparatus including the drive cam.
エンジンの動弁装置においてクランク軸の回転に連動するよう構成された駆動カムは、これと摺動する従動機構(例えば、ロッカーアームやタペット)との摺動面が摩耗しないよう、高度の耐摩耗性が要求される。そのため、駆動カムは、耐摩耗性の高いチル鋳鉄で構成され、さらに耐摩耗性を向上させるため、チル鋳鉄に対し種々の表面硬化処理が施されることが知られている。例えば、特許文献1では、カム等の摺動部品をチル鋳鉄により構成し、その表面にPVD処理を行ない硬化被膜を形成することで、耐摩耗性を向上する技術が開示されている。また、そのような表面硬化処理の1つとして、駆動カムをチル鋳鉄で成形した後、軟窒化処理を施すことで、その表面に窒素を拡散浸透させ、化合物層及び硬化層(拡散層)を形成することによって、耐摩耗性を向上させることが行なわれている。 Drive cams configured to interlock with the rotation of the crankshaft in the valve gear of the engine have a high degree of wear resistance so that the sliding surface with the driven mechanism (for example, rocker arm or tappet) that slides on the cam is not worn. Sex is required. Therefore, it is known that the drive cam is made of chill cast iron having high wear resistance, and various surface hardening treatments are performed on the chill cast iron in order to further improve wear resistance. For example, Patent Document 1 discloses a technique for improving wear resistance by forming a sliding part such as a cam with chill cast iron and performing a PVD treatment on the surface thereof to form a hardened film. In addition, as one of such surface hardening treatments, the driving cam is formed of chill cast iron and then subjected to soft nitriding treatment, so that nitrogen is diffused and penetrated into the surface, and the compound layer and the hardening layer (diffusion layer) are formed. By forming it, the wear resistance is improved.
特許文献2では、エンジンの動弁装置において前記駆動カムと摺動するロッカーアームの摺動面にクロムメッキを施した後、2段階の研磨処理を施すことで、ロッカーアームの耐摩耗性を向上させる技術が開示されている。 In Patent Document 2, the wear resistance of the rocker arm is improved by performing chrome plating on the sliding surface of the rocker arm that slides with the drive cam in the valve gear of the engine, and then performing a two-step polishing process. Techniques for making them disclosed are disclosed.
一方、例えば特許文献3では、駆動カムの回転運動を揺動カム機構によりバルブの往復運動に変換すると共に、揺動カム機構の揺動角範囲を変更することで、エンジンの回転数に応じたバルブタイミング制御を実現する制御装置を導入した可変バルブタイミング式の動弁装置が開示されている。 On the other hand, in Patent Document 3, for example, the rotational motion of the drive cam is converted into the reciprocating motion of the valve by the swing cam mechanism, and the swing angle range of the swing cam mechanism is changed, so that the rotation speed of the drive cam is changed. There has been disclosed a variable valve timing type valve operating apparatus in which a control device for realizing valve timing control is introduced.
近年のエンジンの高出力化に伴い、混合気流量が増大してバルブのリフト量が大きくなり、それに伴って、摺動面に作用する圧力が大きくなる傾向にある。特に可変バルブタイミング式の動弁装置では、バルブを往復運動させるために、駆動カムによる押圧力が大きくなる。そのため、駆動カムの摺動面に発生する摺動摩擦力が大きくなり、駆動カムの摺動面が極めて摩耗しやすいという問題があった。 With the recent increase in engine output, the air-fuel mixture flow rate increases and the lift amount of the valve increases, and accordingly, the pressure acting on the sliding surface tends to increase. In particular, in a variable valve timing type valve gear, the pressing force by the drive cam is increased in order to reciprocate the valve. For this reason, there is a problem that the sliding frictional force generated on the sliding surface of the driving cam is increased, and the sliding surface of the driving cam is very easily worn.
駆動カムの摺動面に作用する圧力が大きくなると、従来の表面処理方法により達成されていた耐摩耗性をさらに向上することが求められる。特に、チル鋳鉄表面に軟窒化処理を施して化合物層及び硬化層を形成してなる駆動カムにおいては、カム表面の化合物層が硬くてもろいものであるため、大きな面圧が印加されると摺動面表面の化合物層が剥離しやすくなる。化合物層がわずかでも剥離すると、全面的な剥離が容易に進行しやすい。化合物層の剥離が進行すると硬化層が露出することになるが、チル鋳鉄の硬化層は耐摩耗性が低いため、駆動カムの耐摩耗性が大幅に低下してしまうという問題があった。 As the pressure acting on the sliding surface of the drive cam increases, it is required to further improve the wear resistance achieved by the conventional surface treatment method. In particular, in a drive cam in which a compound layer and a hardened layer are formed by soft nitriding the chill cast iron surface, the compound layer on the cam surface is hard and brittle. The compound layer on the moving surface becomes easy to peel off. When the compound layer is slightly peeled off, peeling of the entire surface easily proceeds. When the peeling of the compound layer proceeds, the hardened layer is exposed. However, the hardened layer of chilled cast iron has a low wear resistance, so that there is a problem that the wear resistance of the drive cam is greatly reduced.
そこで本発明は、摺動面の耐摩耗性が改善され、耐久性が向上した駆動カム、及びそれを含むエンジンの動弁装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a drive cam having improved wear resistance of a sliding surface and improved durability, and a valve gear for an engine including the drive cam.
本発明は上述のような事情に鑑みてなされたものであり、本発明の駆動カムは、エンジンの動弁装置においてクランク軸の回転に連動する、摺動面を有する駆動カムであって、窒化鋼からなり、前記摺動面に、軟窒化処理により形成された硬化層を有し、前記硬化層が前記摺動面の表面に存在することを特徴とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and the drive cam of the present invention is a drive cam having a sliding surface that is interlocked with the rotation of a crankshaft in an engine valve gear, and is nitrided. It is made of steel, and has a hardened layer formed by soft nitriding on the sliding surface, and the hardened layer exists on the surface of the sliding surface.
上記構成によれば、駆動カムの摺動面表面が、前記硬化層からなり、軟窒化処理により形成された化合物層を有しないので、駆動カムの摺動により化合物層が剥離するという問題を回避することができる。本発明の駆動カムの摺動面表面には、軟窒化処理により形成された硬化層が露出していることになるが、当該硬化層は、従来のチル鋳鉄ではなく、窒化鋼に対して軟窒化処理を施して形成された硬化層であるので、十分な硬度と厚みを持っており、耐摩耗性が極めて高い。結果、上記構成による本発明の駆動カムは、チル鋳鉄に対し軟窒化処理を施し表面に化合物層を持つ従来の駆動カムと比較して、耐摩耗性が大幅に改善されている。 According to the above configuration, since the sliding surface of the drive cam is made of the hardened layer and does not have the compound layer formed by soft nitriding, the problem that the compound layer is peeled off by sliding of the drive cam is avoided. can do. The hardened layer formed by soft nitriding is exposed on the surface of the sliding surface of the drive cam of the present invention. The hardened layer is softer than nitrided steel instead of conventional chill cast iron. Since it is a hardened layer formed by nitriding, it has sufficient hardness and thickness, and extremely high wear resistance. As a result, the drive cam of the present invention having the above-described configuration has greatly improved wear resistance as compared with a conventional drive cam that has been subjected to soft nitriding treatment on chill cast iron and has a compound layer on the surface.
本発明の駆動カムは、前記摺動面に、前記軟窒化処理を施すことで前記硬化層及び前記化合物層を形成した後、前記化合物層を除去することで製造されることが好ましい。この方法によると、本発明の駆動カムを簡便に生産することができる。 The drive cam of the present invention is preferably manufactured by removing the compound layer after forming the hardened layer and the compound layer by performing the soft nitriding treatment on the sliding surface. According to this method, the drive cam of the present invention can be easily produced.
前記硬化層は、ビッカース硬さが550HV100gf以上の層であり、厚みが100〜300μmであることが好ましい。これにより、駆動カムの摺動面表面に露出している硬化層が十分な硬さ及び厚みを有することになるので、本発明の駆動カムはより優れた耐摩耗性を達成することができる。 The hardened layer is a layer having a Vickers hardness of 550HV100 gf or more, and preferably has a thickness of 100 to 300 μm. Thereby, since the hardened layer exposed on the surface of the sliding surface of the drive cam has sufficient hardness and thickness, the drive cam of the present invention can achieve more excellent wear resistance.
前記窒化鋼は、ベイナイト組織が形成されたものであることが好ましい。このような窒化鋼に対し軟窒化処理を施すと十分な硬度と厚みを有する硬化層を形成できるので、本発明の駆動カムはより優れた耐摩耗性を達成することができる。 The nitrided steel is preferably formed with a bainite structure. When such a nitrided steel is subjected to soft nitriding treatment, a hardened layer having sufficient hardness and thickness can be formed, so that the drive cam of the present invention can achieve more excellent wear resistance.
本発明はまた、前記駆動カムと、前記駆動カムとの摺動により駆動される、前記駆動カムの前記摺動面に接触する摺動面を有する従動機構と、を含む、エンジンの動弁装置にも関する。当該動弁装置は本発明の駆動カムを使用しているので、駆動カムの摺動面の耐摩耗性が優れているので、エンジンの運転条件が厳しく駆動カムに対する摺動摩擦力が大きい場合においても良好な耐久性を発揮することができる。 The present invention also includes an engine valve operating system including the drive cam and a driven mechanism that is driven by sliding with the drive cam and has a sliding surface that contacts the sliding surface of the drive cam. Also related. Since the valve drive apparatus uses the drive cam of the present invention, the sliding surface of the drive cam is excellent in wear resistance. Therefore, even when the operating conditions of the engine are severe and the sliding friction force against the drive cam is large. Good durability can be exhibited.
前記動弁装置における前記従動機構の前記摺動面において、クロムめっき層と、前記クロムめっき層の上にダイヤモンドライクカーボン膜とが形成されていることが好ましい。従動機構の摺動面にクロムめっき層を設けることで、耐摩耗性を向上させることができる。さらに、クロムめっき層表面にダイヤモンドライクカーボン層を設けることで、厳しい運転条件下で問題となり得る耐焼付き性を改善することができ、しかも同時に、耐摩耗性をさらに向上させることができる。 It is preferable that a chrome plating layer and a diamond-like carbon film are formed on the chrome plating layer on the sliding surface of the driven mechanism in the valve operating device. Abrasion resistance can be improved by providing a chromium plating layer on the sliding surface of the driven mechanism. Furthermore, by providing a diamond-like carbon layer on the surface of the chromium plating layer, it is possible to improve the seizure resistance that can be a problem under severe operating conditions, and at the same time, further improve the wear resistance.
前記クロムめっき層は、面粗度Rzが0.5μm以下であり、かつ0.1μm以上の凹凸の周期が50μm以上であるように研磨処理されたものであることが好ましい。これにより、従動機構と駆動カムとの間の摩擦が低減されるので、双方の摺動面の摩耗を抑制することが可能になる。 The chrome plating layer is preferably polished so that the surface roughness Rz is 0.5 μm or less and the period of irregularities of 0.1 μm or more is 50 μm or more. Thereby, since the friction between a driven mechanism and a drive cam is reduced, it becomes possible to suppress wear of both sliding surfaces.
ダイヤモンドライクカーボン膜は、金属含有ダイヤモンドライクカーボン膜であることが好ましい。これにより、耐焼付き性の改善、及び耐摩耗性の向上を確実に達成することができる。 The diamond-like carbon film is preferably a metal-containing diamond-like carbon film. Thereby, improvement of seizure resistance and improvement of wear resistance can be reliably achieved.
本発明の第一実施形態では、前記従動機構が、前記駆動カムの前記摺動面に接触する摺動面と、タペットに接触する摺動面とを有する機構である。本形態の動弁装置では、駆動カムと従動機構(例えばロッカーアーム)が互いに対する摺動面を有すると共に、当該従動機構とタペットが互いに対する摺動面を有する。この形態において、本発明の効果を達成することが可能である。 In the first embodiment of the present invention, the driven mechanism is a mechanism having a sliding surface that contacts the sliding surface of the drive cam and a sliding surface that contacts the tappet. In the valve gear of this embodiment, the drive cam and the driven mechanism (for example, rocker arm) have sliding surfaces with respect to each other, and the driven mechanism and the tappet have sliding surfaces with respect to each other. In this form, it is possible to achieve the effects of the present invention.
当該第一実施形態において、前記動弁装置が、可変バルブタイミング式のものであることが好ましい。ここで、可変バルブタイミング式の動弁装置とは、エンジンのクランク軸の回転に連動する駆動カムと、前記駆動カムに接触する従動部材と、前記従動部材に取り付けられて前記従動部材の動きをタペットに伝達する揺動部材と、前記従動部材と前記揺動部材との間の相対位置を変更させる相対位置変更機構とを有するものである。このような可変バルブタイミング式の動弁装置では駆動カムの摺動面に対する面圧が大きく変動するため、駆動カムの摺動面が摩耗しやすくなるが、本発明によると可変バルブタイミング式の動弁装置においても駆動カムの摺動面が摩耗しにくいため好ましい。 In the first embodiment, it is preferable that the valve gear is of a variable valve timing type. Here, the variable valve timing type valve operating device includes a drive cam interlocking with the rotation of the crankshaft of the engine, a driven member that contacts the drive cam, and a movement of the driven member attached to the driven member. A swinging member that transmits to the tappet and a relative position changing mechanism that changes the relative position between the driven member and the swinging member are provided. In such a variable valve timing type valve operating device, the surface pressure with respect to the sliding surface of the drive cam fluctuates greatly, and the sliding surface of the driving cam is likely to be worn. The valve device is also preferable because the sliding surface of the drive cam hardly wears.
本発明の第二実施形態では、前記従動機構が、前記駆動カムの前記摺動面に直接接触する摺動面を有するタペットを含む。本形態の動弁装置では、駆動カムの摺動面に対しタペットが直接接触しており、当該タペットが前記従動機構に相当する。この形態においても、本発明の効果を達成することが可能である。 In a second embodiment of the present invention, the driven mechanism includes a tappet having a sliding surface that directly contacts the sliding surface of the drive cam. In the valve gear of this embodiment, the tappet is in direct contact with the sliding surface of the drive cam, and the tappet corresponds to the driven mechanism. Even in this form, it is possible to achieve the effects of the present invention.
本発明によって、エンジンの動弁装置において駆動カムの摺動面の耐摩耗性を改善し、耐久性を向上させることが可能となる。特に運転条件が厳しく従来駆動カムの摺動面が摩耗しやすかった可変バルブタイミング式の動弁装置においても、耐摩耗性を改善し、耐久性を向上させることができる。 According to the present invention, the wear resistance of the sliding surface of the drive cam can be improved and the durability can be improved in the valve gear of the engine. In particular, even in variable valve timing type valve gears in which the operating conditions are severe and the sliding surface of the conventional drive cam is easily worn, the wear resistance can be improved and the durability can be improved.
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第一実施形態)
図1は第一実施形態におけるエンジンの動弁装置11A,11B及びその周辺を示した断面図である。図1に示すように、当該エンジンは、ダブル・オーバーヘッド・カムシャフト式(DOHC式)のエンジンである。当該エンジンのシリンダヘッド12には、燃焼室14に連なる吸気ポート12A及び排気ポート12Bが設けられている。シリンダヘッド12の上方には吸気側の駆動カム軸13と排気側の駆動カム軸15とが配置され、その上方にはシリンダヘッドカバー16が被せられている。駆動カム軸13,15は、当該エンジンのクランク軸(図示せず)にチェーン等の回転伝達機構(図示せず)を介して接続されており、クランク軸(図示せず)に連動して回転する。シリンダヘッド12には、燃焼室14を吸気ポート12Aに対して開放/閉塞させる吸気バルブ機構17Aと、燃焼室14を排気ポート12Bに対して開放/閉塞させる排気バルブ機構17Bとが設けられている。吸気バルブ機構17Aは吸気側の動弁装置11Aにより開閉動作し、排気バルブ機構17Bは排気側の動弁装置11Bにより開閉動作する。動弁装置11A,11Bは、可変バルブタイミング式である。吸気側と排気側とでバルブ機構17A,17B及び動弁装置11A,11Bは略同一構造であるため、以下は吸気側について代表して説明する。(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing
吸気バルブ機構17Aは、吸気ポート12Aを開閉するフランジ部20aと、フランジ部20aから上方に延びるステム部20bとを有するバルブ本体20を備えている。ステム部20bの上端部には溝が形成され、その溝にコッター21が挟み込まれ、コッター21にスプリングリテーナ23が取り付けられている。そして、シリンダヘッド12の上面には、スプリングシート24が取り付けられており、スプリングシート24とスプリングリテーナ23との間にバルブ用スプリング22が介装されている。よって、バルブ用スプリング22によりバルブ本体20が上方に向けて付勢され、吸気ポート12Aが閉塞される。また、コッター21の上面にはタペット31が取り付けられている。
The
動弁装置11Aは、当該エンジンのクランク軸の回転に連動する駆動カム軸13と、駆動カム軸13に固定された駆動カム13aと、駆動カム13aに接触して駆動カム13aの動きを吸気バルブ機構17Aのタペット31に伝達する揺動カム機構32とを備えている。揺動カム機構32は、駆動カム13aと接触する従動部材33と、従動部材33に取り付けられて吸気バルブ機構17Aのタペット31を押圧する揺動部材34と、従動部材33と揺動部材34との間の相対位置を変更させる相対位置変更機構とを有している。相対位置変更機構は、揺動部材34を揺動自在に支持する制御軸35と、従動部材33を揺動部材34に対して角変位自在に接続する連結ピン36と、制御軸35の一部に回転自在に設けられて従動部材33を駆動カム13aからの力に抗して支持するローラ37と、従動部材33を駆動カム13aに向けて付勢する従動用スプリング(図示せず)とを有している。制御軸35をモータ(図示せず)により角変位させることによって、揺動部材34と従動部材33との制御軸35回りの周方向の相対位置関係が変化し、バルブ本体20の弁開放時間及びリフト量を変化させることが可能となる。
The
駆動カム13aは、揺動カム機構32中の従動部材33と接触している。本発明において、駆動カム13aは窒化鋼が所定の形状に成形加工されたものである。窒化鋼とは従来公知のものであり、窒化処理を施すことを目的に、硬い表層部が容易に得られるようアルミニウム(Al)やクロム(Cr)を合金させ、さらにマンガン(Mn)、モリブデン(Mo)やバナジウム(V)等を適宜添加した特殊鋼である。本発明において窒化鋼としては種々のものを使用することができるが、中でも、軟窒化が迅速に行なわれ、深い硬化層を得やすいことから、ベイナイト組織を有する窒化鋼が好ましい。
The
駆動カム13aを構成する窒化鋼は、少なくとも従動部材33との摺動面において、軟窒化処理が施されたものである。軟窒化処理としてはガス軟窒化、プラズマ軟窒化、イオン軟窒化、タフトライド、浸硫酸窒化等が知られており、その実施条件としては特に限定されないが、高温での熱処理に起因するカムの歪みを抑制するため520℃以下で処理することが好ましい。本実施形態では、ガス軟窒化処理を用いた。
The nitrided steel constituting the
軟窒化処理により、窒化鋼の表面に窒素が拡散浸透することで、表面近傍の窒素量が高まり、窒化物からなる化合物層が最表層に形成され、及び、化合物層の下部には、窒素が拡散して形成された硬化層が形成される。この層構造を図2に示す。図2では、窒素が拡散浸透していない未窒化層53の上に、窒素が拡散浸透している硬化層52が形成され、硬化層52の上に、窒化物からなる化合物層51が形成されている。化合物層51が最表層を構成している。
By soft nitriding, nitrogen diffuses and permeates into the surface of the nitrided steel, increasing the amount of nitrogen near the surface, forming a compound layer made of nitride on the outermost layer, and nitrogen below the compound layer. A hardened layer formed by diffusion is formed. This layer structure is shown in FIG. In FIG. 2, a
化合物層51は、軟窒化処理を施された窒化鋼の最表層に形成されたおよそ数μm〜数十μm程度の層である。組成的には、鉄やクロム等の複合窒化物からなる層である。一方、硬化層52は、拡散層とも呼ばれ、化合物層51の直下に形成される層である。鉄の窒化物は形成されておらず、単に窒素が固溶しただけの層であるか、あるいは、窒素が固溶した母相に、アルミニウムやクロム等の添加元素の窒化物が分散してなる複合層である。
The
軟窒化処理により形成された化合物層は硬くてもろく、割れやいものである。そのため、化合物層を最表面に有する窒化鋼を用いて駆動カムを形成すると、運転時の面圧によって化合物層は剥離しやすく、耐久性に問題が生じる。 The compound layer formed by the soft nitriding treatment is hard and brittle and is easily broken. Therefore, when the driving cam is formed using the nitrided steel having the compound layer on the outermost surface, the compound layer easily peels off due to the surface pressure during operation, which causes a problem in durability.
そのため、本発明では、駆動カム13aを構成する窒化鋼の表面に軟窒化処理を施すことで化合物層及び硬化層を形成した後、化合物層のみを除去し、硬化層を最表面に露出させるように構成した。窒化鋼に対し軟窒化処理を施すことで形成された硬化層は、十分な硬度と厚みを持っており、耐摩耗性が極めて高い。このような硬化層が駆動カムの摺動面の最表面に存在することで、駆動カムの耐摩耗性が大幅に改善される。本発明に係る駆動カムの摺動面の表面近傍における層構造を図3に示す。図3では、窒素が拡散浸透していない未窒化層53の上に、窒素が拡散浸透している硬化層52が形成されているが、図2とは異なり、硬化層52は最表面で露出しており、硬化層52の上には化合物層51は形成されていない。
Therefore, in the present invention, after the compound layer and the hardened layer are formed by soft nitriding the surface of the nitrided steel constituting the
本発明に係る駆動カムの摺動面の最表面に形成された硬化層は、ビッカース硬さが550HV100gf以上を示す層であることが好ましい。また、このような硬さを示す硬化層の厚みは100〜300μmであることが好ましい。硬化層がこのような硬さ及び厚みを兼ね備えることで、より優れた耐摩耗性を発揮することが可能となる。なお、未窒化層では、ビッカース硬さが550を大きく下回り、例えば300程度であり、硬さに乏しい。 The hardened layer formed on the outermost surface of the sliding surface of the drive cam according to the present invention is preferably a layer having a Vickers hardness of 550HV100 gf or more. Moreover, it is preferable that the thickness of the hardened layer which shows such hardness is 100-300 micrometers. When the hardened layer has such hardness and thickness, it is possible to exhibit more excellent wear resistance. In the non-nitrided layer, the Vickers hardness is significantly lower than 550, for example, about 300, and the hardness is poor.
本発明の駆動カムは以下の工程を順次経ることにより製造することができる。
(1)窒化鋼からなる駆動カムを成形する工程。
(2)成形された駆動カムの表面のうち少なくとも摺動面に軟窒化処理を施すことで硬化層及び化合物層を形成する工程。
(3)前記化合物層を前記摺動面から除去し、前記硬化層を前記摺動面の最表面に露出させる工程。The drive cam of the present invention can be manufactured by sequentially performing the following steps.
(1) A step of forming a drive cam made of nitrided steel.
(2) A step of forming a hardened layer and a compound layer by performing a soft nitriding treatment on at least the sliding surface of the surface of the formed drive cam.
(3) A step of removing the compound layer from the sliding surface and exposing the hardened layer to the outermost surface of the sliding surface.
工程(3)において、化合物層を摺動面から除去する方法は特に限定されず、通常の機械的な研磨処理等により除去する方法を用いることができる。また、除去処理により化合物層が除去されたことを確認するには、摺動面の断面で硬さ分布を測定する方法や、摺動面の断面組織を電子顕微鏡で観察する方法を適用することができる。 In the step (3), the method of removing the compound layer from the sliding surface is not particularly limited, and a method of removing by a normal mechanical polishing treatment or the like can be used. In order to confirm that the compound layer has been removed by the removal treatment, a method of measuring the hardness distribution in the cross section of the sliding surface or a method of observing the cross sectional structure of the sliding surface with an electron microscope is applied. Can do.
本発明者らは、軟窒化処理を施すことで硬化層及び化合物層が形成されている摺動面を持つ駆動カムと、軟窒化処理後に化合物層を除去し硬化層が最表面に露出している摺動面を持つ駆動カムとをそれぞれ4種類作成し、それらを特定条件下で回転摺動試験に付した後、駆動カムの摺動面表面の特定5箇所で摩耗量を測定した。その結果、いずれの駆動カムでも、いずれの摺動面表面の測定箇所においても、化合物層を除去した駆動カムで摩耗量が顕著に減少していた。平均すると、化合物層を除去することで摩耗量が半分以下に減少するという結果が得られた。以上により、摺動面表面の化合物層を除去することで、駆動カムの摺動面の耐摩耗性が著しく向上することが実験的に確認された。 The inventors have a drive cam having a sliding surface on which a hardened layer and a compound layer are formed by performing a soft nitriding treatment, and the hardened layer is exposed on the outermost surface by removing the compound layer after the soft nitriding treatment. Four types of drive cams each having a sliding surface were prepared, subjected to a rotational sliding test under specific conditions, and the amount of wear was measured at five specific locations on the surface of the driving cam. As a result, in any drive cam, the amount of wear was significantly reduced by the drive cam from which the compound layer was removed at any measurement location on the sliding surface. On average, the result was that the amount of wear decreased to less than half by removing the compound layer. From the above, it has been experimentally confirmed that the wear resistance of the sliding surface of the driving cam is remarkably improved by removing the compound layer on the sliding surface.
また、化合物層を除去していない場合には、その化合物層の厚みにかかわらず、耐摩耗性に劣ることも確認された。すなわち、最表面の化合物層の厚みが3μmである摺動面を持つ駆動カムと、当該厚みが16μmである摺動面を持つ駆動カムとを準備し、上述のように摩耗量を測定したところ、いずれの駆動カムにおいても、相当量の摩耗が発生した。この結果から、化合物層の厚みを薄くしても耐摩耗性を向上させることはできないことが確認された。上述のとおり、駆動カムの摺動面の耐摩耗性を向上させるには、化合物層を除去し、硬化層を露出させる必要がある。 Moreover, when the compound layer was not removed, it was also confirmed that it was inferior in abrasion resistance irrespective of the thickness of the compound layer. That is, when a driving cam having a sliding surface with a thickness of the outermost compound layer of 3 μm and a driving cam having a sliding surface with a thickness of 16 μm were prepared, the amount of wear was measured as described above. A considerable amount of wear occurred in any of the drive cams. From this result, it was confirmed that the wear resistance could not be improved even if the thickness of the compound layer was reduced. As described above, in order to improve the wear resistance of the sliding surface of the drive cam, it is necessary to remove the compound layer and expose the hardened layer.
次に、駆動カム13aと接触している従動部材33について説明する。この従動部材としては、鋼材から構成された成形体の摺動面(駆動カムとの摺動面)表面にクロムめっき処理を施してなるものを用いることができる。このクロムめっきは耐摩耗性の向上を目的としたものである。
Next, the driven
しかし、本発明者らは、このクロムめっき処理が施された従動部材と、上述のように化合物層が除去され硬化層が露出した駆動カムとを用い、面圧の変動が激しい可変バルブタイミング式の動弁装置において運転を行なうと、焼付きが発生しやすくなり、耐焼付き性(耐凝着性)が低下するという問題が発生することを見出した。具体的には、駆動カム表面の材質がむしりとられ、その材質が従動部材の表面に凝着するという問題が発生した。これは、駆動カム表面の硬化層と従動部材表面とのあいだで生じた金属間結合に由来するものと推定される。化合物層を最表面に有する従来の駆動カムでは、化合物層が一種のセラミックスであることから、金属間結合を防止する保護膜の役割を果たしており、耐焼付き性が問題にならなかったと考えられる。本発明では駆動カム表面の化合物層が除去されているため、保護膜がなくなったことになり、可変バルブタイミング式の動弁装置における厳しい運転条件下では、駆動カム材質が従動部材表面に凝着するようになったと考えられる。 However, the present inventors use a variable valve timing type in which the fluctuation of the surface pressure is severe using the driven member subjected to the chromium plating treatment and the driving cam in which the compound layer is removed and the hardened layer is exposed as described above. It has been found that when the valve operating apparatus is operated, seizure is likely to occur and seizure resistance (adhesion resistance) decreases. Specifically, the material of the surface of the drive cam is peeled off, and the problem arises that the material adheres to the surface of the driven member. This is presumed to be due to the intermetallic bond that occurs between the hardened layer on the surface of the drive cam and the surface of the driven member. In the conventional driving cam having the compound layer on the outermost surface, since the compound layer is a kind of ceramic, it plays the role of a protective film for preventing the intermetallic bond, and it is considered that the seizure resistance has not been a problem. In the present invention, since the compound layer on the surface of the drive cam is removed, the protective film is eliminated, and the drive cam material adheres to the surface of the driven member under severe operating conditions in the variable valve timing type valve gear. It is thought that it came to do.
この耐焼付き性の問題を回避するため、本発明者は、クロムめっき処理が施された従動部材の摺動面(駆動カムとの摺動面)に対し、さらに各種表面処理を行なうことを検討した。しかし、表面処理としてスズめっき、カニゼンめっき(無電解ニッケルめっき)、又はカニフロンめっき等を施した場合には、そのめっき層自体が剥離して、従動部材の摺動面において摩耗が発生したため、耐焼付き性の改善に至らなかった。 In order to avoid the problem of seizure resistance, the present inventor has considered performing various surface treatments on the sliding surface (sliding surface with the drive cam) of the driven member that has been subjected to chrome plating. did. However, when tin plating, Kanigen plating (electroless nickel plating), or Kaniflon plating is applied as the surface treatment, the plating layer itself peels off and wear occurs on the sliding surface of the driven member. There was no improvement in adherence.
しかしながら、クロムめっき処理が施された従動部材の摺動面を、さらにダイヤモンドライクカーボン膜で被覆すると、クロムめっき処理のみが施された従動部材を用いた場合と比較して、耐焼付き性が顕著に改善することが確認された。 However, when the sliding surface of the driven member subjected to the chrome plating is further covered with a diamond-like carbon film, the seizure resistance is remarkable as compared with the case where the driven member subjected only to the chrome plating is used. It was confirmed that it improved.
ここで耐焼付き性の評価は、焼付きが発生した時の荷重(以下「焼付き荷重」)に基づいて行なった。クロムメッキ層のみを持つ従動部材である5個のサンプルでは、焼付き荷重が10〜70kgfの範囲で分散しており、ばらつきがあり不安定であったことに加え、うち3点は荷重が30kg以下と、耐焼付き性が不十分なものであった。一方、クロムメッキ層の上にダイヤモンドライクカーボン膜を形成した3個のサンプルでは、焼付き荷重がいずれも40〜50kgfの範囲にあり、優れた耐焼付き性が示されると共に、しかも耐焼付き性が高レベルで安定していた。このように、ダイヤモンドライクカーボン膜形成による耐焼付き性の顕著な改善が確認された。 Here, the evaluation of seizure resistance was performed based on the load when seizure occurred (hereinafter referred to as “seizure load”). In the five samples, which are driven members having only a chrome plating layer, the seizure load was dispersed in the range of 10 to 70 kgf, and was uneven and unstable. The seizure resistance was insufficient with the following. On the other hand, in the three samples in which the diamond-like carbon film is formed on the chrome plating layer, the seizure load is in the range of 40 to 50 kgf, showing excellent seizure resistance and seizure resistance. It was stable at a high level. Thus, a remarkable improvement in seizure resistance due to the formation of the diamond-like carbon film was confirmed.
以上説明した耐焼付き性の改善と共に、駆動カム表面の耐摩耗性についてもさらに向上することが確認された。すなわち、クロムめっき層の上を、さらにダイヤモンドライクカーボン膜で被覆した従動部材を用いると、クロムめっき層のみを持つ従動部材を用いた場合と比較して、硬化層が最表面で露出している駆動カム表面の摩耗量が約半分程度に減少した。 It has been confirmed that the wear resistance of the drive cam surface is further improved together with the improvement of the seizure resistance described above. That is, when a driven member covered with a diamond-like carbon film is further coated on the chromium plating layer, the hardened layer is exposed on the outermost surface as compared with the case where a driven member having only the chromium plating layer is used. The amount of wear on the drive cam surface was reduced to about half.
以上から、従動部材の摺動面(駆動カムと接触する摺動面)では、クロムめっき層の上に、ダイヤモンドライクカーボン膜が形成されていることが耐焼付き性(耐凝着性)及び耐摩耗性の観点から好適である。従って、本実施形態では、従動部材33として、このような構成を持つ従動部材を用いる。
From the above, on the sliding surface of the driven member (sliding surface in contact with the drive cam), the diamond-like carbon film is formed on the chrome plating layer, and the seizure resistance (adhesion resistance) and the anti-seizure resistance. This is preferable from the viewpoint of wear. Therefore, in this embodiment, a driven member having such a configuration is used as the driven
従動部材におけるダイヤモンドライクカーボン膜は、ダイヤモンドライクカーボンから構成される薄膜であれば特に限定されない。ダイヤモンドライクカーボンとは、主として炭素から構成されるアモルファス状の硬質膜であり、本発明では従来公知の種々のものを使用できる。しかし、靱性、クロムめっき層との密着性、及び耐焼付き性といった観点から、金属含有ダイヤモンドライクカーボンが好ましい。本実施形態では、タングステン含有ダイヤモンドライクカーボンを用いた。 The diamond-like carbon film in the driven member is not particularly limited as long as it is a thin film made of diamond-like carbon. Diamond-like carbon is an amorphous hard film mainly composed of carbon, and various conventionally known ones can be used in the present invention. However, metal-containing diamond-like carbon is preferable from the viewpoints of toughness, adhesion to the chromium plating layer, and seizure resistance. In this embodiment, tungsten-containing diamond-like carbon is used.
ダイヤモンドライクカーボン膜の厚みはおよそ1〜4μm程度であってよい。 The thickness of the diamond-like carbon film may be about 1 to 4 μm.
ダイヤモンドライクカーボン膜の下に形成されるクロムめっき層は、ダイヤモンドライクカーボン膜の密着性を向上させ、当該膜を従動部材から剥離しにくくする作用を有する。さらに、厳しい運転条件下において万一ダイヤモンドライクカーボン膜が剥離した場合において、ある程度の耐焼付き性を発揮することも期待される。 The chromium plating layer formed under the diamond-like carbon film has an effect of improving the adhesion of the diamond-like carbon film and making it difficult to peel the film from the driven member. Furthermore, in the unlikely event that the diamond-like carbon film peels off under severe operating conditions, it is also expected to exhibit a certain degree of seizure resistance.
クロムメッキ層は、駆動カムとの摺動面において、特許文献2(特開2010−156247号公報)の開示と同様の研磨処理が予め施されていることが好ましい。このような研磨処理により、クロムメッキ層表面は、面粗度Rzが0.5μm以下であり、かつ0.1μm以上の凹凸の周期が50μm以上であるように調整される。これにより、従動部材と駆動カムとの間の摩擦が低減される結果、駆動カムの摺動面における摩耗を抑えることができる。ダイヤモンドライクカーボン膜は極めて表面硬度が高いので、ダイヤモンドライクカーボン膜を形成する前のクロムメッキ層表面の面粗度を予め調整して、ダイヤモンドライクカーボン膜による駆動カム摺動面の摩耗を回避することが好ましい。 The chrome plating layer is preferably subjected to a polishing process similar to that disclosed in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2010-156247) in advance on the sliding surface with the drive cam. By such polishing treatment, the surface of the chrome plating layer is adjusted so that the surface roughness Rz is 0.5 μm or less and the period of unevenness of 0.1 μm or more is 50 μm or more. As a result, the friction between the driven member and the drive cam is reduced, so that wear on the sliding surface of the drive cam can be suppressed. Since the surface hardness of the diamond-like carbon film is extremely high, the surface roughness of the chromium plating layer surface before forming the diamond-like carbon film is adjusted in advance to avoid wear of the driving cam sliding surface by the diamond-like carbon film. It is preferable.
以上のようにクロムめっき層の研磨処理を行なった後、ダイヤモンドライクカーボン膜を形成する。ダイヤモンドライクカーボン膜の形成は従来の手法によることができる。 After the chromium plating layer is polished as described above, a diamond-like carbon film is formed. The diamond-like carbon film can be formed by a conventional method.
(第二実施形態)
図4は第二実施形態におけるエンジンの動弁装置の要部を取り出して示した断面図である。この実施形態は、第一実施形態から揺動カム機構32を除外したものであり、駆動カム13aはタペット31に直接接触している。(Second embodiment)
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a main part of a valve operating apparatus for an engine in the second embodiment. In this embodiment, the
タペット31は、鋼材から構成された成形体の摺動面(駆動カムとの摺動面)表面に、クロムめっき層を有し、さらにその上にダイヤモンドライクカーボン膜を有している。これによって、実施形態1における従動部材33と同様、耐焼付き性が改善され、駆動カムの耐摩耗性をさらに向上させることができる。クロムめっき層とダイヤモンドライクカーボン膜の詳細は実施形態1の場合と同様である。
The
実施形態2は、揺動カム機構32を持たず、タペット31の摺動品表面がクロムめっき層及びダイヤモンドライクカーボン膜を有していること以外は、実施形態1と同様であり、第一実施形態と同じ点については説明を省略する。
The second embodiment is the same as the first embodiment except that the
以上のように、本発明に係る駆動カム、及びエンジンの動弁装置は、駆動カムの摺動面において摩耗による劣化を抑制することができ、自動二輪車等の乗り物のエンジンに広く適用することが可能である。 As described above, the drive cam and the engine valve gear according to the present invention can suppress deterioration due to wear on the sliding surface of the drive cam, and can be widely applied to a vehicle engine such as a motorcycle. Is possible.
11A,11B 可変バルブタイミング式動弁装置
12 シリンダヘッド
13 吸気側の駆動カム軸
14 燃焼室
15 排気側の駆動カム軸
17A 吸気バルブ機構
17B 排気バルブ機構
20 バルブ本体
31 タペット
32 揺動カム機構
33 従動部材
34 揺動部材
35 制御軸
36 連結ピン
37 ローラ
51 化合物層
52 硬化層
53 未窒化層11A, 11B Variable valve timing
Claims (10)
ベイナイト組織を有する窒化鋼からなる駆動カムの摺動面に、軟窒化処理を施すことで、硬化層及び化合物層を形成した後、
前記化合物層を除去することで、前記硬化層が前記摺動面の表面に存在する駆動カムを製造する、製造方法。 A method of manufacturing a drive cam having a sliding surface that is linked to rotation of a crankshaft in a valve gear of an engine ,
After forming a hardened layer and a compound layer by performing soft nitriding treatment on the sliding surface of the drive cam made of nitrided steel having a bainite structure,
The manufacturing method of manufacturing the drive cam in which the said hardened layer exists in the surface of the said sliding surface by removing the said compound layer.
ベイナイト組織を有する窒化鋼からなり、
前記摺動面に、厚み100〜300μmの硬化層を有し、前記硬化層が前記摺動面の表面に存在し、前記硬化層は、窒素が固溶した層であるか、又は、窒素が固溶した母相に添加元素の窒化物が分散してなる複合層である、駆動カム。 A drive cam having a sliding surface that interlocks with rotation of a crankshaft in a valve gear of an engine,
Made of nitrided steel with a bainite structure ,
The sliding surface has a cured layer having a thickness of 100 to 300 μm , the cured layer is present on the surface of the sliding surface, and the cured layer is a layer in which nitrogen is dissolved, or nitrogen is A driving cam, which is a composite layer in which a nitride of an additive element is dispersed in a solid solution matrix .
前記駆動カムとの摺動により駆動される、前記駆動カムの前記摺動面に接触する摺動面を有する従動機構と、
を含む、エンジンの動弁装置。 A drive cam according to claim 4 ;
A driven mechanism having a sliding surface that is driven by sliding with the driving cam and that contacts the sliding surface of the driving cam;
A valve operating system for an engine, including:
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