JP6841658B2 - ローラー式ロッカーアーム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のロッカーアーム式動弁機構に関し、特に、フリクション性能を向上させたすべり式ローラーロッカーアームの構造に関する。

４ストローク内燃機関の動弁機構において、吸排気バルブを開閉させるためのカムシャフトのリフト動作を、タペットを使用して伝達するものを直打式、ロッカーアームを使用して伝達するものをロッカーアーム式として分類している。タペット、ロッカーアーム共に、両者はカムシャフトと吸排気バルブの間に設置され、バルブ開時は、バルブスプリング反力に打ち勝ちながらリフトし、閉時はバルブスプリングによって押し戻されながら運動し、これと動弁系の慣性力を合成した荷重が常時生じている。

近年は、燃費向上を目的として、ロッカーアームにローラーを設けたものが多く採用されている。このローラー式は、ボディと称される本体、カムシャフトと摺動する外輪ローラー、外輪ローラーを支持する軸、軸と外輪ローラーとの間にコロと称する小径の実軸あるいは内輪と称する中空のローラーの合計四部品で構成される。前者のコロを用いた方式をころがり式、後者の内輪ローラーを用いた方式をすべり式と分類されている。

図１（Ａ）にすべり式のロッカーアームの概略斜視図を示し、図１（Ｂ）にころがり式のロッカーアームの概略斜視図を示す。但し、ここにはロッカーアームのボディが省略されている。すべり式のロッカーアーム１０は、ローラー軸１２と、ローラー軸１２の回転可能に取付けられた内輪ローラー１４と、内輪ローラー１４の外周上に回転可能に取付けられた外輪ローラー１６とを有する。ころがり式のロッカーアーム２０は、ローラー軸２２と、ローラー軸２２の外周に回転可能に取付けられた複数のニードルコロ２４と、ニードルコロ２４の外周上を回転可能に取付けられたローラー２６とを有する。

図２は、カムシャフトのカムと吸排気バルブのバルブステムとの間に設置されたころがり式のロッカーアームの一例を示す図である。ロッカーアームは、図１（Ｂ）に示すようなローラー２６を回転可能に保持したボディ３０を含み、ボディ３０の一方の端部３２がピボット部３４によって支持され、他方の端部３６が吸排気バルブのバルブステム３７のキャップ３８に当接され、キャップ３８の下方には、ロッカーアームの端部３６を付勢するバルブスプリング３９が取付けられる。こうして、ローラー２６はカム４０に当接され、カム４０の回転運動がボディ３０に伝達され、カム４０の回転に応じて他方の端部３６が吸排気バルブを上下動させる。すべり式のロッカーアームもまたこれと同様に用いられる。図２Ａは、ロッカーアームが油圧式のラッシュアジャスタによって支持された他の例を示している。同図に示すように、ロッカーアームの一方の端部３２が、頂部が半球状になっているプランジャ５２に当接され、プランジャ５２がラッシュアジャスタ５０によって支持される。ラッシュアジャスタ５０は、プランジャ５２を軸方向に摺動可能に支持する。このようなラッシュアジャスタ式のロッカーアームは、特許文献１、２に開示され、ラッシュアジャスタを介して潤滑油をローラー軸の潤滑油孔に容易に供給することを可能にする。

ころがり式は、エンジン運転時にコロが転がる状態で使用されるため、すべり式と比較してフリクション性能は良好となる。しかし、コロは、軸あるいは外輪と線接触に近い摺動状態となる。特にコロと軸は、コロの外径が小さく軸と凸Ｒ同士の接触となるため、ヘルツの接触理論より面圧が高くなる。

一方、すべり式は、カムシャフトのリフト荷重を外輪ローラーの内周と内輪ローラーの外周、内輪ローラーの内周とローラー軸の外周の面で支持する。最も面圧が高くなる内輪ローラーとローラー軸は、コロと比較して内輪ローラーの内径が大きく、ローラー軸に対し凹Ｒと凸Ｒの接触となるため、ころがり式よりも面圧が低い状態で使用される。各摺動面には、クリアランスが存在し、すべりながら相対運動をするため、特に低回転域では境界潤滑状態となってフリクション性能は悪化する。

燃費向上のためには、これら摺動部のフリクションを減ずることが必要である。また、長期にわたって円滑にリフト動作を伝達する機能を確保するためには、これらの摺動部は磨耗しないことや焼付かないことが必要である。このような従来のロッカーアームにおいて、磨耗を抑制したり(特許文献３)、潤滑油を効率的に供給したり(特許文献４、５)する技術が開示されている。また、内輪ローラーの周面に潤滑性皮膜を加工することにより、損傷や焼付を防止する技術が開示されている(特許文献６)。

特開２０１１−１９０６号公報 特開２０１２−１５４２２６号公報 特開２００８−２５５８８３号公報 特開２００７−２３８１７号公報 特開２００７−２６３０２３号公報 特開２０００−３４９０７号公報

すべり式ロッカーアームは、外輪ローラーの内周と内輪ローラーの外周、内輪ローラーの内周とローラー軸の外周がそれぞれ摺動面として機能し、これらの部分にクリアランスを設けてある。従来は、この摺動面の製作は、研磨で形状を作成した後、バレルにて面粗度の調整を行った加工仕上げとなっている。

運動時、この摺動面への潤滑は、シリンダーヘッド内部の雰囲気中に存在する飛沫状態の潤滑油を利用した飛沫給油を行っているため、元々潤滑油の供給量が少ない。故に、摺動面のフリクションが懸念されるところであった。特に、従来のすべり式ロッカーアームは、低回転域（主にアイドリング時などの１０００ｒｐｍ以下の低回転）においては、境界潤滑状態となってころがり式ロッカーアームよりもフリクションが大きいという課題があった。

本発明は、上記の課題を解決するため、エンジンの低回転域から高回転域までフリクションの低減を図るローラー式ロッカーアームを提供することを目的とする。

本発明に係るローラー式ロッカーアームは、カムの回転動作を吸排気バルブに伝達する機能を備えたものであって、ローラー軸と、前記ローラー軸の外周面上に摺動可能に取付けられた内輪ローラーと、前記内輪ローラーの外周面上に摺動可能に取付けられた外輪ローラーとを有し、前記内輪ローラーは、樹脂材料から構成される。

好ましくは前記樹脂材料は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ボリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリイミド（ＰＩ）またはポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂である。好ましくは前記樹脂材料は、炭素繊維、ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）、ＣＮＣ（カーボンナノコイル）、またはガラス繊維で強化した強化繊維を含む。好ましくは前記強化繊維は、前記内輪ローラーの摺動方向に対して略平行に配置される。好ましくは前記内輪ローラーの外周面および内周面と摺動する相手方の部材の少なくとも一方には、非晶質硬質炭素被膜が形成される。

本発明によれば、内輪ローラーを樹脂材料により構成することで、従来のころがり式ローラーロッカーアームよりも、エンジンの低回転域から高回転域まで摺動によるフリクションを低減させることができる。

図１（Ａ）は、従来のローラー式ロッカーアーム（すべりタイプ）を示した概要斜視図、図１（Ｂ）は、従来のローラー式ロッカーアーム（ころがりタイプ）を示した概略斜視図である。 ロッカーアームがカムによって動作される一例を示す模式図である。 ロッカーアームが内燃機関に適用された他の例を示す模式図である。 本発明の実施例に係るローラー式ロッカーアームの模式的な外観斜視図である。 図３に示すロッカーアームのボディの一部を除去したときの模式図である。 本発明の実施例に係るロッカーアームの各部構成部品を示した図であり、図５（Ａ）はローラー軸の斜視図、図５（Ｂ）は内輪ローラーの斜視図、図５（Ｃ）は外輪ローラーの斜視図である。 本発明の実施例に係るローラー式ロッカーアームの断面図である。

次に、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面は、分かり易くするために各部を強調して示してあり、実際のスケールとは異なることに留意すべきである。

図３は、本発明の実施例に係るロッカーアームの全体を示した斜視図、図４は、図３に示すロッカーアームのボディの一部を除去した図、図５は、各部品の斜視図、図６は、ロッカーアームの概略断面図である。本発明の実施例に係るロッカーアームは、４ストローク内燃機関のロッカーアーム式動弁機構を構成する部品の一つであり、総すべりしながら摺動するロッカーアームに関する。

本実施例に係るロッカーアーム１００は、図３および図４に示すように、ボディ１１０と、ボディ１１０内に固定されるローラー軸１２０と、ローラー軸１２０の外周上に回転可能に取付けられた内輪ローラー１３０と、内輪ローラー１３０の外周上に回転可能に取付けられた外輪ローラー１４０とを含んで構成される。

ボディ１１０は、ローラー軸１２０、内輪ローラー１３０および外輪ローラー１４０を支持する金属部材であり、一方の端部１１２にはピボット部３４（図２を参照）を支持するための開口１１２Ａが形成され、他方の端部１１４が吸排気バルブのバルブステムのキャップ３８に当接される。ボディ１１０の一方の端部１１２と他方の端部１１４との間には、離間された一対の側壁１１６Ａ、１１６Ｂが形成され、一対の側壁１１６Ａ、１１６Ｂには、円形状の貫通孔１１８がそれぞれ形成される。一対の側壁１１６Ａ、１１６Ｂの貫通孔１１８内には、ローラー軸１２０が取付けられる。

ローラー軸１２０は、図５（Ａ）に示すように、一様な直径Ｄ１を有する円筒状の金属部材であり、上記したように一対の側壁１１６Ａ、１１６Ｂの各貫通孔１１８内に挿入される。好ましくは、ローラー軸１２０の直径Ｄ１は、貫通孔１１８の直径とほぼ等しいかそれよりも幾分大きく形成され、ローラー軸１２０が貫通孔１１８内にカシメなどにより締結される。

内輪ローラー１３０は、一対の側壁１１６Ａ、１１６Ｂ間で、ローラー軸１２０の外周を覆うように取付けられる環状の部材であり、樹脂材料から構成される。内輪ローラー１３０は、図５（Ｂ）に示すように、内径Ｄ２の内周面１３２と外径Ｄ３の外周面１３４とを有する。内径Ｄ２は、ローラー軸１２０の直径Ｄ１よりも幾分大きく、つまりＤ２＞Ｄ１となるように一定のクリアランスを持つように形成される。その結果、内輪ローラー１３０の内周面１３２は、ローラー軸１２０の外周面１２２上を摺動可能である。

外輪ローラー１４０は、一対の側壁１１６Ａ、１１６Ｂ間で、内輪ローラー１３０の外周を覆うように取付けられる環状の金属部材である。外輪ローラー１４０は、図５（Ｃ）に示すように、内径Ｄ４の内周面１４２と外周面１４４を有する。外輪ローラー１４０の内径Ｄ４は、内輪ローラー１３０の外径Ｄ３よりも幾分大きく、つまりＤ４＞Ｄ３となるように一定のクリアランスを持つように形成される。その結果、外輪ローラー１４０の内周面１４２は、内輪ローラー１３０の外周面１３４上を摺動可能である。

本実施例のロッカーアームの特徴的な点は、上記したように内輪ローラー１３０が樹脂材料から構成される点にある。樹脂材料は、好ましくは、金属材料との摺動特性に優れ、耐磨耗性があり、かつ潤滑油と親和性があるようなもの、例えば、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＰＢＩ（ボリベンゾイミダゾール）、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）等である。このような樹脂材料を成型することにより内輪ローラー１３０が形成される。

さらに好ましくは、樹脂材料の機械的強度や耐摩耗性等を強化するため、樹脂材料に強化部材を混在させる。強化部材は、例えば、炭素繊維、ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）、ＣＮＣ（カーボンナノコイル）、ガラス繊維などの強化繊維である。なお、前記強化繊維とともに、黒鉛や二硫化モリブデンなどの潤滑性材料、金属やセラミックなどの耐摩耗微粒子を混在させてもよい。さらに、このような強化繊維を樹脂材料に含ませる場合には、強化繊維は、内輪ローラー１３０の摺動方向（円周方向）に対して、略平行となるように配置され、これによりフリクションをさらに低減させる。

表１は、本実施例のロッカーアームと他の構成のロッカーアームとの評価実験を行ったときのフリクショントルクを対比したものである。比較例１は、ころがり式ローラーロッカーアーム（図１（Ｂ）参照）、比較例２は、従来の金属材からなるすべり式ローラーロッカーアーム（図１（Ａ）参照）である。数値は、比較例１の各カム回転におけるフリクショントルクを１としたときの対比データである。

評価実験からは、従来のすべり式ロッカーアーム（比較例２）のフリクショントルクは、高回転域ではころがり式ロッカーアーム（比較例１）よりも低くなるが、低回転域では高くなる。これに対し、本実施例のロッカーアームでは、ころがり式ロッカーアーム（比較例１）よりも低回転域でもフリクションが低く、高回転域も従来のすべり式ロッカーアーム（比較例２）よりも低くなることがわかる。このように、本実施例によれば、内輪ローラー１３０を樹脂材料により構成することで、エンジンの低回転域から高回転域において、従来のすべり式ロッカーアームよりもフリクションを低減させることができる。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。第２の実施例では、樹脂製の内輪ローラー１３０と摺動する相手方の部材の摺動面、すなわち、外輪ローラー１４０の内周面およびローラー軸１２０の外周面の少なくとも一方に、非晶質硬質炭素被膜（以下、ＤＬＣ（Diamond like carbon）被膜という）が形成される。このようなＤＬＣ被膜は、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、ＰＡＣＶＤ法などによって形成することができる。例えばＰＶＤ法、特にアークイオンプレーティング法により形成された水素含有量が０.５原子％以下であるものが硬度及び耐摩耗性の観点で好ましい。ＤＬＣ被膜の膜厚は、例えば、ＰＶＤ法であれば、０．３〜１．５μmであり、好ましくは１．０μm以下である。ＣＶＤ法であれば、２０μｍ程度の膜厚を有することができる。

樹脂製の内輪ローラー１３０と摺動するローラー軸１２０の摺動面および外輪ローラー１４０の摺動面にＤＬＣ被膜を形成することで、内輪ローラー１３０とローラー軸１２０および／または外輪ローラー１４０間のフリクションを軽減させることができる。

なお、上記実施例では、内輪ローラー１３０と摺動する相手方の部材の摺動面にＤＬＣ被膜を形成する例を示したが、上記の構成以外にも、フリクションの軽減の効果を得ることができるのであれば、内輪ローラー１３０の外周面や内周面にＤＬＣ被膜を形成してもよく、外輪ローラー１４０の内周面と内輪ローラー１３０の外周面、ローラー軸１２０の外周面と内輪ローラー１３０の内周面のそれぞれにＤＬＣ被膜を形成してもよい。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、特許請求の範囲に基づき本発明の要旨を逸脱しない範囲で変形、変更が可能である。

１００：ロッカーアーム
１１０：ボディ
１２０：ローラー軸
１２２：外周面
１３０：内輪ローラー
１３２：内周面
１３４：外周面
１４０：外輪ローラー
１４２：内周面
１４４：外周面

Claims (4)

1. カムの回転動作を吸排気バルブに伝達する機能を備えたローラー式ロッカーアームであって、
   当該一対の側壁を含むボディと、
   前記一対の側壁に両端部が固定され、かつ直径Ｄ１の回転しない金属製のローラー軸と、
   前記一対の側壁の間に設けられ、かつ前記ローラー軸の外周面上に摺動可能に取付けられ、かつ直径Ｄ１よりも大きい内径Ｄ２の一様な内周面および外径Ｄ３の一様な外周面を有する内輪ローラーと、
   前記一対の側壁の間に設けられ、かつ前記内輪ローラーの外周面上に摺動可能に取付けられ、かつ外径Ｄ３よりも大きい内径Ｄ４の一様な内周面および外径Ｄ５の一様な外周面を有し、かつ当該外周面にカムが当接し、かつ金属製の外輪ローラーとを有し、
   前記内輪ローラーの内周面と前記ローラー軸の外周面との間にクリアランスが形成され、前記内輪ローラーの外周面と前記外輪ローラーの内周面との間にクリアランスが形成され、
   前記内輪ローラーは、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ボリベンゾイミダゾール樹脂、ポリイミド樹脂またはポリアミドイミド樹脂のいずれかの樹脂材料によって成型されかつ金属材料を含まず、
   前記内輪ローラーの内周面と前記ローラー軸の外周面との間に樹脂と金属とのすべり面が形成され、前記内輪ローラーの外周面と前記外輪ローラーの内周面との間に樹脂と金属とのすべり面が形成される、ローラー式ロッカーアーム。
2. 前記樹脂材料は、炭素繊維、ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）、
   ＣＮＣ（カーボンナノコイル）、またはガラス繊維で強化した強化繊維を含む、請求項１に記載のローラー式ロッカーアーム。
3. 前記強化繊維は、前記内輪ローラーの摺動方向に対して略平行に配置される、請求項２に記載のローラー式ロッカーアーム。
4. 前記内輪ローラーの外周面および内周面と摺動する相手方の部材の少なくとも一方には、非晶質硬質炭素被膜が形成される、請求項１ないし３いずれか１つに記載のローラー式ロッカーアーム。

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