JPH0361711A - 焼結セラミックのボール・ソケット型ジョイント組立体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えば内燃機関に使用されるようなボール・
ソケット型のジヨイント組立体に係り。

特に、燃料の噴射バルブの駆動機構及びエンジンシリン
ダバルブの駆動機構に見られるボールとソケットのジヨ
イント組立体に関する。

［従来の技術］ 内燃機関のインジェクタやバルブの駆動機構において、
ボールとソケットのコンポーネント（要素）か使用され
ることは従前より周知である。このような駆動機構は普
通、管状のシャフト（ブツシュロッド）を含み、このシ
ャフトの端部に硬化材料により構成されたピボット接触
部材かはめ込まれるようになっている。しかし、このよ
うなエンジンの駆動機構におけるブツシュロッドのボー
ルとソケットの要素の間には高い圧縮荷重か作用し、こ
れによってボール及び／又はソケットの表面が摩耗しく
例えば２０，０００〜：ｌＯ，０００マイルの範囲以内
で）、これにより両者間に好まし・くない大きな遊びが
生じ、燃料噴射機構やバルブ機構に対して良くない影響
が生ずる。このような現象は、ボールとソケットの接触
表面か硬化金属材料により形成されている場合でも生ず
る。このような摩耗は、潤滑オイルの質が、乞い場合の
みならず、潤滑オイルの質が良い場合でも、耐摩耗添加
剤かなくなったり、エンジンの使用の過程でオイルが汚
染されることによりその普通の機能か奏しえなくなった
場合によく生ずることである。このような摩耗が生ずる
と、エンジンの大幅な点検修理が必要となり、このエン
ジンを組み込む車両を数日間使用できなくなる。

ディーゼルエンジンのような内燃機関に使用されるボー
ル・ソケット型ジヨイントは近年のエンジンに対する要
望を満足させるため種々の性能を発揮しなければならな
い０例えば、このようなボール・ソケット型ジヨイント
は、優れた耐摩耗特性を発揮しなければならず、高い強
度を有しなければならず、熱衝撃や腐食環境に耐えなけ
ればならず、更に最も重要な点として、上記特性を、内
燃ａｌ！関の作動中に通常生ずる高温時においても錐持
しなければならない、一般に、このようなボール・ソケ
ット型ジヨイントは、工具鋼のような金属で形成される
。しかし、上記種々の性能が要求されるにも拘らず、金
属ジヨイントは高温時において強度が大幅に減少すると
いう問題かある。

ここで、セラミックの要素を使用することにより、摩耗
を大幅に減少させ得ることか知られている。例えば、金
属製のソケットとセラミック製のボールの組み合せにお
いてさえ、容認できないような摩耗か生ずるまでのジヨ
イントの寿命は５００゜０００マイルまで伸びることが
期待される。これは、従来の金属と金属によるボール・
ソケット型ジヨイントの寿命より２０倍増加している。

このように、ブツシュロットなどのピボット挿入プラク
機構に耐摩耗性のセラミ・・７り材料を使用すれば確実
な効果がある。

ボール・ソケット型ジヨイントにに＃摩耗性のセラミッ
ク材料を使用することは、Ｈｅｉｍｋｅに与えられた米
国特許第４，１８４，２１３に見られ、ここでは、軸受
表面が酸化アルミニウムのセラミックで被覆され、固定
側部材（ａｎｃｈｏｒｉｎｇ　ｅｌｅｓｅｎｔ　）か窒
化珪素により構成された、ボールとソケットの組立体が
記載されている。この特許においてセラミックにより製
造される摩擦要素を使用する目的は、内蔵式人工臓器と
して人工的なボール・ソケット型ジヨイント、組立体か
ら成るｒ：Ａ節を作るに談し、この関節表面における摩
耗現象を防止することである。しかし、この特許は、デ
ィーゼルタイプの内燃機関のように接触応力か２５０゜
０００ｐｓｉまで達するような高い負荷の機械的な適合
面における摩耗を減少させるようにした構成要素につい
はなにも記載かない、またこの特許は、ジヨイント部の
潤滑剤を使用することや、焼結添加剤を使用して焼結さ
れたセラミックを使用することについて記載するもので
もない。

Ｋａｗａｍｕｒａに対して１９８２年１月２３日に発行
された日本特許公報５７−１３２０４　（Ａ）には、ブ
ツシュロッドの各端部に形成されるジヨイントにおいて
セラミックを使用することが記載されている。しかしこ
の日本特許公報には。

セラくツクと金属のジヨイントの接触面を使用するよう
なことは示唆されていない。

Ｂａｒｄｈａｎ等に付与された米国特許第４゜７１９．
１８７には、酸化イッテルビウム、希土類金属、もしく
は酸化アルミニウムの添加によってＢ密にされた窒化珪
素の焼結セラミック体の製造について記載されている。

ここでセラミック体は優れた機械的強度を発揮する。し
かしこの特許では、これらのセラミック体を、ジヨイン
ト潤滑剤を含むボールとソケットの機構に適用すること
については記載されていない。

Ｗｏｌｆｓに付与された米国特許第４，６２９．７０７
には、高強度、低重量の窒化珪素をベースとした製品か
記載され、潤滑材料を使用することにより、ベアリング
の代替手段として自己潤滑式の材料を形成することか記
載されている。しかし、この特許のセラミックの構成は
、比較的多孔性（１０〜３７％）であり、よってディー
ゼルエンジンのボール・ソケット型ジヨイントのような
過酷な条件で使用され得る程度の充分な強度を持たない
と考えられる。

Ｒｉ　ｃｈｏｎ等に付与された米国特許ｔＪＳ４．６１
５．９９０は、高密度で高硬度の窒化珪素を得るための
詳しい構造に関するものである。

これら従来技術のいずれもは、接触応力が２５０゜００
０ｐｓｉまで達するようなディーゼルエンジンの高負荷
の機械的な接触表面における摩耗を減少させることはで
きない。

［発明か解決しようとする課題］ 本発明は、このような従来技術に鑑みなされたもので、
ボールとソケットから成るジヨイント組立体において、
一方を金属とし、これに適合する他方を高強度、高密度
のセラミックにより形成することにより、ジヨイント組
立体の摩耗を減少させることを目的とする。

本発明の他の目的は、ボールとソケットのうち一方を金
属としてこれに適合する他方を焼結された窒化珪素とし
、ここで窒化珪素から成るものかその構造を維持すると
ともに金属側の接触面を溶着したり傷つけたりその他損
傷を与えないようにしたものを提供することである。

本発明のさらに他の目的は、接触応力が２５０．Ｇ。

０ｐｓｉに達し得る高負荷で摺動接触する一対の互いに
接触する構成要素を含んだジヨイント組立体を提供し、
ここで、一方の構成要素がセラミックにより形成され、
他方か金属材料により形成され。

これにより、ディーゼル潤滑剤で潤滑される時、ジヨイ
ント組立体の摩耗か減少するようにすることである。

本発明のさらに他の目的は、内燃機関に使用されるボー
ル・ソケット型ジヨイントであって、−方か窒化珪素か
ら戒り、他方か金属材料から戒る組み合せにより、接触
応力か２０，０ＯＯｐｓｉ以上、特に、このタイプのボ
ール・ソケット型ジヨイントにおい通常の範囲である８
０，０００ｐｓｉと１２０，０００ｐｓｉの範囲の接触
応力においてもジヨイントの摩耗の確実な減少を達成す
ることかできるものを提供することである。。

［課題を解決するための手段］ 上記および他の目的は、本発明に係るジヨイント組立体
によって達成することができる。ジヨイント組立体は、
接触応力か２５０．０００ｐｓｉまで達し得る高負荷で
摺動接触を威す一対の互いに接触する要素を含む。好ま
しくは、一対の要素はボール部材とこれに相補する形状
の適合し得るソケット部材を含み、かつジヨイント組立
体は８０，０００ｐｓｉから１２０，０００ｐｓｉの範
囲の接触応力にさらされるディーゼル内燃機関に使用さ
れる。一方の要素は、少なくとも３．１８ｇ／ｃｍ３の
密度を有するセラミック材料から成り、他方の要素は金
属材料から成る。

好ましくは、セラミックの密度は、　３．１８ｇ／ａ１
から３．２５ｇ／ｃｍ３の範囲である。この構造により
、両要素を潤滑する潤滑剤の使用と合いよって、ジヨイ
ント組立体の摩耗を減少させることかできる。

より具体的には、金属材料は鉄を基本成分とした材料で
あり、セラミック材料は焼結された窒化珪素である。セ
ラミック材料は酸化イッテルビュウムなどの希土類金属
で焼結され得る０代わりに、セラミック材料は酸化アル
ミニウムを使用して焼結させてもよい。

［実施例］ 以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。

第１図及び第２図に図式的に示されるようなタイプの駆
動機構において、セラくツクのボール−ソケット型ジヨ
イントが該ジヨイントの受ける圧縮荷重を増大させ得る
とともに、摩耗を減少させ得ることが知られている。第
１図は、エンジンのシリンダヘットのバルブ駆動機構を
示しており、ここでボール・ソケット型ジヨイントｌｌ
ａ及び１１ｂが、カム１５並びに枢支カムフォロア１６
の移動をロッカーアーム１７に伝えるブツシュロット１
６の両端部にそれぞれ設けられている。ロッカーアーム
１７はクロスヘツド２３を介し、バルブ１９を弁座イン
サート部材２１に対して着座または離脱させる。

第２図は、４つのボール・ソケット型ジヨイント２５ａ
、２６ｂ、２５ｃ、２５ｄを有するフュエルインジェク
タの駆動機構を示している。第１の対のジヨイント２５
ａ及び２５ｂは、第１図に示したブツシュロッド１３と
同様な形態で、ブツシュロッド２７の両端に配置される
。カム１８並びに枢支カムフォロア２０の動きが、フッ
シュロッド２７．ロッカーアーム２９及び改変されたブ
ツシュロット３３を介して噴射用プランジャ３１に伝達
される。ブツシュロッド３３の両端は一対のボール・ソ
ケット型ジヨイント２５ｃ及び２５ｄのボール側の部材
を威す。

本発明は、例えば２５０，０００ｐｓｉまで高い荷重か
作用するような第１及び第２図に示されたような形式の
駆ｉ機構に対して特に有効である。ボール・ソケット型
ジヨイントを点検修理するのは高価で時間を要し、且つ
どの程度頻繁にこのような点検修理か必要とされるかは
車両用エンジンやその他の機器を選択する際に重要な要
素となる０本発明のジヨイント組立体はこれと同様な要
求か威される数多くの池の状況に対して有効に利用され
得る。更に、前記ブツシュロッド１３．２７はその一端
にボール側部分、他端にソケット側部分を有するが、こ
れはその適用条件によって決めらることであり、例えば
、第２図にブツシュロット３３て示すように、両端にと
もにボール側部分、またはソケット側部分を有するもの
でもよく、もしくは一端のみに単一のボールもしくはソ
ケット側部分を有するものでもよい。

第１及び第２図に示すように、ジヨイント組立体１１及
び２５はボール・ソケット型ジヨイントである。実質的
に球状を威すボール部分はこれと相補する形状で適合し
得るソケット部分に設置される。ボールとソケットは高
負荷で摺動接触の状態におかれ、そのバルブやフュエル
インジェクタの駆動機構における応力は、８０，０００
ｐｓｉ〜１２０．０００ｐｓｉの範囲である。本発明に
よれば、ボール部分もしくはソケット部材のいずれかが
、３．１８ｇ／ａｍ’から３．２５ｇ／ｃｍ３の高い密
度まで焼結されるセラミック材料により形成され、他方
は鋼などの鉄を基本成分とした金属材料から形成される
。セラミック材料は、好ましくは焼結された窒化珪素で
あることが良く、これは酸化アルミニウム、もしくは酸
化イッテルビュウムなどの希土類金属の酸化物で焼結さ
れる。これらの材料かボール・ソケット型ジヨイント組
立体に上記のような状態で使用されると、これら要素を
潤滑するヘビー・デユープイーディーゼル潤滑剤の使用
と合まってこの組立体の摩耗を減少させる。潤滑剤は、
極端な圧力および限界潤滑条件において摩耗を緩和する
ＥＰ添加剤を含んでいてもよい。このように、ボール・
ソケット型ジヨイント組立体のセラくツク対金属の軸受
面は、−船釣なディーゼルエンジンの潤滑油を使用する
ディーゼルエンジンにおいて高負荷におかれても、同様
な形状の従前の金属対金属の接触面よりも摩耗が少ない
、セラミック材料は２５０．０００ｐｓｉの接触応力下
におかれても、金属接触面を溶着したり、傷を付けたり
、その他損傷を与えることなくその形状を維持する。

第３．４．５、図は、本発明の教示するところを組入れ
て、第１．２図に示されたシステムに使用し得るソケッ
ト部分とボール部分を図示している。第３図は、ロッカ
ーアーム２９及びローラータイプのカムシャフト７オロ
アのレバーに嵌着される一般的なソケット部分３５を示
している。ソケット部分３５は、セラミックもしくは金
属のいずれか一方により形成され、これとは逆の材料と
形成されるボール部分に適合する。第４図は異なった形
式のソケット部分３７を示し、これはブツシュロット１
３．２７のような長い中空のチューブに嵌着され得る縮
径された下方部分３７ａを有する。ソケット部分３７は
また、セラミックと金属のいずれか一方により形成され
、逆の材料により形成されるボール部分と適合する。第
５図はボール部分３つを示し、これはセラミックと金属
のいずれか一方の材料で形成されるとともに、ブツシュ
ロット１３．２７のようなチューブに取付けられ得る縮
径された下方部分３９ａを有する。代りに、ソケット部
分３５及び３７．ボール部分３９は適切なセラミックま
たは金属の端部に１つの一体部材として機械加工される
ようにしてもよい。

このセラミック対金属のボール・ソケットのバルブ組立
体は、該ジヨイント組立体のボール・ソケット要素間に
作用する高圧縮荷重に耐えることができる。ソケット部
分３５または３７に対してボール部分３９を使用し、一
方が焼結されたセラミックで、他方が鉄を基礎成分とす
るものとする場合、しばしば２０，０００から：ｌＯ，
０００マイル毎に従前の駆動機構で生じていた、ボール
部分または−ソケット部分の表面の摩耗をなくすことが
できる。即ち、このような摩耗によって引き起こされる
多量の遊びか生ずるのを防止し、この組立体により構成
されるインジェクタやバルブの機能か前記遊びによって
低下するのを防止することかできる６本発明のこのよう
な利点は、質の悪い潤滑オイルを使用する場合のみなら
ず、質の良い潤滑オイルを使用する場合て＃摩耗添加剤
かなくなった場合においても有効である。このように、
この種のジヨイント組立体を組み込んだ車両を大幅に修
理点検いなければならなくなること、およびこれに付随
して車両が使用できなくなることか防止できる。

ボール部分３９をソケット部分３５もしくは３７の一方
と対とすることによってジヨイント組立体とするととも
に、これら部分に上述のようなセラくツク及び金属材料
を使用することにより、このジヨイント組立体は優れた
耐摩耗特性を発揮し、高い強度を有し、熱衝撃や腐食環
境に耐えることができ、更には内燃機関の作動中に通常
生じ得る高温度においてもこれら特性を維持することが
できる９本発明によるジヨイント組立体は、あらゆる種
類の車両のエンジンに採用することができ。

且つ許容できない大きな摩耗が生ずるまで点検を不要と
する期間を、車両の積算走行距離でｓｏｏ、ｏ。

Ｏマイルもしくはそれ以上とし得ることが期待できる。

このような寿命の増大は同様な状況で使用される金属対
金属のボール・ソケット型ジヨイント組立体よりも２０
倍の寿命増大となる。

本発明の種々の特徴、利点並びに実施例が添付図面を参
照しながら前述のように詳しく記述されてきた。しかし
、これら記述は例示であり、本発明は図示された実施例
のみに限定されるものではない０ｗｉ々の変更並びに改
良か当業者により本発明の範囲並びに思想から逸脱する
ことなしに加えることかできる。

本発明は、ディーゼルエンジンのようなエンジンにおけ
るシリンダヘットバルブおよびフュエルインジェクタの
駆動機構の構成要素に利用することができる。また本発
明は、ボール・ソケット組立体のようなジヨイント組立
体を必要とするいかなる高接触応力の環境下に対しても
適応することかでき、且つ従前より使用された金属より
も高価なセラミック材料を使用しても、このセラミック
材料の使用による摩耗のない大幅な寿命の増大が材料コ
ストの増大を越えた価値を提供するような状況に対して
も適応できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るジヨイント組立体を組み込んだシ
リンダへッドハルブの模式図、第２図は本発明に係るジ
ヨイント組立体を組み込んたフュエルインジェクタの駆
動機構の模式第３図は本発明に係るジヨイント組立体の
ソケット部分を示す断面図、 第４図は本発明に係るジヨイント組立体のソケット部分
の変形例を示す断面図、 第５図は本発明に係るジヨイント組立体のボール部分を
示す側面図である。 １１ａ、ｌｌｂ・・・ジヨイント。 ２５ａ〜２５ｄ・・・ジヨイント。 ３５．３７・・・ソケット部分。 ３９・・・ボール部分。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）一対の互いに接触する要素を備えたジョイント組
   立体において、該一対の要素が、接触応力が２５０，０
   ００ｐｓｉに達する高負荷で摺動接触を成し、該一対の
   要素のうち第１の要素が少なくとも３．１８ｇ／ｃｍ＾
   ３の密度を有するセラミック材料から形成され、第２の
   要素が金属材料から形成され、これにより該ジョイント
   組立体の摩耗を減少させることを特徴とするジョイント
   組立体。 （２）前記要素の一方がボール部材であり、他方が該ボ
   ール部材と相補する形状で互いに適合するソケット部材
   である請求項１記載のジョイント組立体。 （３）前記セラミック材料の密度が、３．１８ｇ／ｃｍ
   ＾３から３．２５ｇ／ｃｍ＾３の範囲である請求項１記
   載のジョイント組立体。 （４）内燃機関に使用されるジョイント組立体であって
   、実質的に球状のボール部材とこれに相補する形状の適
   合し得るソケット部材とを含み、前記ボール部材とソケ
   ット部材は、接触応力が８０，０００ｐｓｉと１２０，
   ０００ｐｓｉの間の範囲となる高負荷で摺動接触する状
   態で互いに連結され、該ボール部材とソケット部材の一
   方は、密度が少なくとも３．１８ｇ／ｃｍ＾３となるよ
   うに焼結されたセラミック材料から形成され、他方は金
   属材料から形成され、このセラミックと金属の接触面が
   、該接触面を溶着したり傷を付けたりもしくは他の損傷
   を与えることなく該ジョイント組立体の摩耗を減少する
   ようにしたジョイント組立体。 （５）前記セラミック材料の密度は、３．１８ｇ／ｃｍ
   ＾３から３．２５ｇ／ｃｍ＾３の範囲である請求項４記
   載のジョイント組立体。 （６）前記セラミック材料は、希土類金属の酸化物で焼
   結された窒化珪素を含む請求項５記載のジョイント組立
   体。 （７）前記希土類金属は、酸化イッテルビウムを含む請
   求項６記載のジョイント組立体。（８）前記セラミック
   材料は、酸化アルミニウムで焼結された窒化珪素を含む
   請求項５記載のジョイント組立体。 （９）前記金属材料は、鉄を基礎成分としている請求項
   ５記載のジョイント組立体。 （１０）ジョイント組立体の摩耗は、前記ボール部材と
   ソケット部材を潤滑する潤滑剤の使用に伴なって減少さ
   れる請求項９記載のジョイント組立体。