JPH05195723A - バルブアジャスティングシムとカムの組合せ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ダイレクト式動弁系の摩擦損失の少ないバル
ブアジャスティングシムとカムの組合せ。 【構成】 バルブアジャスティングシムは、少なくとも
カムと摺動する表面近傍の残留オーステナイト量が３０
〜６０％の合金鋼製としたので、柔らかいため運転初期
において相手材の攻撃により速やかに摺動表面が鏡面化
した後応力誘起変態によりマルテンサイト化して硬くな
り耐摩耗性を増す。カムは表面をチル硬化しさらにリン
酸塩皮膜処理を施した鋳鉄製としたので、運転初期の焼
付きが防止されると共に、リン酸塩皮膜処理液のエッチ
ング作用により露出したセメンタイトが相手攻撃性によ
り相手材であるバルブアジャスティングシムを削って平
滑化した後、自身も脆いため壊れて平滑化する。そのた
め、本発明の組合せは、運転初期の焼付きが防止される
と共に、運転開始後速やかに摺動面の鏡面化が進み、摩
擦損失を低減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動車等のエンジンの動
弁系部品であるバルブアジャスティングシムとカムの組
合せに関する。

【０００２】

【従来の技術】図９（ａ）および（ｂ）はダイレクト式
動弁系の横断面図である。バルブ１０はバルブガイド１
２に挿通され、バルブ１０のステムエンド１０ａの上方
に、バルブリフタ１４が位置付けられている。シリンダ
ヘッド１６とバルブリフタ１４の間にはバルブスプリン
グ１８がコッター１９、バルブスプリングリテーナ２１
を用い、位置決めされ、バルブ１０を閉の方向へ付勢す
る。バルブリフタ１４に嵌め込まれたバルブアジャステ
ィングシム２０とカム２２の間は０．２〜０．４ｍｍの
隙間を持つよう、シムの厚さで調整されている。一方の
カムシャフト２４は図示しないクランクシャフトの動力
によりタイミングベルトを介して駆動されるが、このカ
ムシャフトに固定したギヤ２６によりもう一方のカムシ
ャフトが駆動される。これらカムシャフト２４が回転す
ることによりカム２２がバルブアジャスティングシム２
０と接触し、バルブ１０を往復運動させる。

【０００３】このダイレクト式動弁系のカム材料は、合
金鋳鉄の冷し金チルまたはＴＩＧ再溶融チルして用いら
れ、表面粗さは１．６Ｚまたは３．２Ｚに研磨されてい
る。また、アジャスティングシムは、合金鋼の浸炭焼入
れ材料が用いられ、表面粗さは１．６Ｚまたは３．２Ｚ
に研磨され、その後リン酸マンガン塩皮膜処理を施して
運転初期の焼付きを防止している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このダイレ
クト式動弁系の摩擦損失の大半は、カムとバルブアジャ
スティングシム間の摩擦損失に起因する。この摩擦損失
が大きい原因はカムとバルブアジャスティングシム間の
油膜厚さ（計算値）が０．１μｍと非常に薄いのに比
べ、カムとバルブアジャスティングシムの加工表面粗さ
が前記のごとく、１．６Ｚまたは３．２Ｚと粗く、固体
接触が避けられないからである。

【０００５】図２はドーソン・ヒギンソンの式に基づ
き、カムとバルブアジャスティングシムの油膜厚さの計
算結果を示す線図である。図２に示したように、カムノ
ーズの油膜厚さは、Ｎｅ（エンジン回転数）＝５００ｒ
ｐｍにおいて０．０３μｍ、Ｎｅ＝１０００ｒｐｍにお
いて０．０６μｍ、Ｎｅ＝１５００ｒｐｍにおいて０．
０８μｍ、Ｎｅ＝３０００ｒｐｍにおいて０．１４μｍ
と自動車エンジンの常用域において、０．１μｍ程度の
油膜厚さであることがわかる。

【０００６】摩擦損失の低減を図るには、カムおよびバ
ルブアジャスティングシムの表面粗さをすみやかに細か
くして、カムとバルブアジャスティングシムの合成粗さ
を油膜厚さに近づけることにより、流体潤滑の占める割
合が増大し、大幅な低減が可能となる。しかし、カムお
よびバルブアジャスティングシムの表面を０．１μｍの
油膜厚さ程度に仕上げることは、かなり困難でもあり、
経済的でない。

【０００７】本発明は従来のダイレクト式動弁系におい
てカムとバルブアジャスティングシムとの間の摩擦損失
が大きいという問題点を解決するためになされたもので
あって、特別な表面加工なくして摩擦損失の少ないカム
とバルブアジャスティングシムとの組合せを提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで、発明者等はカム
とバルブアジャスティングシムとの組合せにおいて、運
転初期の焼付きを防止すると共に、運転開始後速やかに
相互の摺動により表面あらさを平滑にし鏡面化させるこ
とに着眼し、そのための手法について鋭意研究を重ね
た。

【０００９】その結果、バルブアジャスティングシムに
ついては、摺動表面に残留オーステナイトを増やしてや
ると、マルテンサイトに比較して柔らかいため運転初期
において摺動表面が鏡面化し易く、かつ運転開始後は摺
動面にかかる５０〜７０ｋｇｆ／ｍｍ²程度の応力によ
り、オーステナイトが応力誘起変態を起こしマルテンサ
イト化して耐摩耗性を増すことを新たに知見した。

【００１０】一方、カム側については、リン酸塩皮膜処
理液のエッチング作用を利用することを考えた。鋳鉄を
チルド組織としリン酸塩皮膜処理することにより、運転
初期の焼付きが防止されると共に、リン酸塩皮膜処理液
のエッチング作用によりフェライトのみが溶出されセメ
ンタイトが露出する。このカムをバルブアジャスティン
グシムと組合わせると、カム側の露出したセメンタイト
が相手攻撃性により相手材であるバルブアジャスティン
グシムを削って平滑化した後、自身も脆いため壊れて平
滑化することを知見した。

【００１１】本発明は前記の知見に基づき完成されたも
のであって、本発明は少なくともカムと摺動する表面近
傍の残留オーステナイト量が３０〜６０％の合金鋼製の
バルブアジャスティングシムと、表面をチル硬化しさら
にリン酸塩皮膜処理を施した鋳鉄製のカムを組合せたこ
とを要旨とする。

【００１２】本発明のバルブアジャスティングシム用の
合金鋼には、浸炭焼入れが可能なＣｒ鋼、Ｃｒ−Ｍｏ鋼
またはＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼等の肌焼鋼が用いられるが、
浸炭焼入れ後の残留オーステナイト量が３０〜６０％の
範囲になるものであれば、特にその材質は問わない。

【００１３】バルブアジャスティングシムの通常の浸炭
焼入れによって表面の残留オーステナイト量は１１％程
度となるが、この残留オーステナイトを３０〜６０％に
するには、浸炭加熱後の拡散保持時に、窒素を過飽和に
固溶させることによって達成される。あるいは、合金元
素を調整することにより、通常の浸炭工程で製作したも
のでも、同様に残留オーステナイト量を増加させること
が可能である。

【００１４】また、カム用の鋳鉄にはＦＣ２０またはＦ
Ｃ３０相当のねずみ鋳鉄あるいは合金鋳鉄を用い、冷や
し金等で表面をチル硬化する。図１２は表面をチル硬化
したカムの金属組織を表す２０００倍の顕微鏡写真であ
る。図１２の写真に示したように、チルカムの組織とし
ては初晶のセメンタイトの周囲にセメンタイトとフェラ
イトの層状組織であるパーライトが析出したものであ
る。

【００１５】リン酸塩皮膜処理はリン酸塩の水溶液中に
金属を浸漬して化学反応を起こし、金属表面に不溶性の
リン酸塩を作る方法で、リン酸塩としてはリン酸マンガ
ン塩、リン酸亜鉛塩、リン酸鉄塩等があるが、本発明に
おいては、リン酸マンガン塩が望ましい。

【００１６】

【作用】本発明のバルブアジャスティングシムは少なく
ともその摺動表面の残留オーステナイトを３０〜６０％
としたので、マルテンサイトに比較して柔らかいため運
転初期において相手材の攻撃により速やかに摺動表面が
鏡面化する。その上、運転開始後は摺動面にかかる５０
〜７０ｋｇｆ／ｍｍ²程度の応力により、オーステナイ
トが応力誘起変態を起こしマルテンサイト化して硬くな
り耐摩耗性を増す。

【００１７】一方、カム側については、鋳鉄をチルド組
織としたので、初晶のセメンタイトの周囲にセメンタイ
トとフェライトの層状組織であるパーライトが析出して
いる。この鋳鉄のチルド組織をリン酸塩皮膜処理するこ
とにより、運転初期の焼付きが防止されると共に、リン
酸塩皮膜処理液のエッチング作用によりフェライトのみ
が溶出されセメンタイトが露出する。このカムをバルブ
アジャスティングシムと組合わせると、カム側の露出し
たセメンタイトが相手攻撃性により相手材であるバルブ
アジャスティングシムを削って平滑化した後、自身も脆
いため壊れて平滑化する。

【００１８】そのため、本発明のバルブアジャスティン
グシムとカムの組合せは、運転初期の焼付きが防止され
ると共に、運転開始後速やかに摺動面の鏡面化が進み、
摩擦損失を低減することができる。

【００１９】本発明においてバルブアジャスティングシ
ムの摺動表面近傍の残留オーステナイト量を３０〜６０
％としたのは、残留オーステナイト量が３０％未満であ
ると、運転開始後に摺動面が鏡面化するのに長時間を要
するようになるからであり、残留オーステナイト量が６
０％を越えると、軟らかくなり過ぎて焼付くおそれがあ
るからである。また、残留オーステナイト量を６０％以
上とすることは生産技術上困難でもある。残留オーステ
ナイト量の好ましい範囲は３０〜４０％である。

【００２０】

【実施例】本発明の実施例を従来例および比較例と対比
しつつ説明し、本発明の効果を明らかにする。ＳＣＭ４
１５合金鋼を用い、バルブアジャスティングシムを製造
し、図３に示す浸炭処理条件にて、浸炭焼入れを施し
た。なお、本発明の実施例および従来例として、浸炭加
熱（９５０℃加熱）の際の雰囲気はカーボンポテンシャ
ル０．８〜０．９の通常の浸炭雰囲気であり、拡散保持
（９００℃加熱）の際の雰囲気を表１の通りとした。本
発明の実施例では雰囲気にＮＨ₄ガスを添加することに
より表層近傍にＣだけでなく、Ｎも過飽和に固溶させて
いる。

【００２１】

【表１】

【００２２】これらバルブアジャスティングシムの表面
からの硬度分布および残留オーステナイト分布を測定し
たところ、図４および図５に示すような結果を得た。図
４および図５に示したように、従来例１は残留オーステ
ナイト量（γ_Rと表示）が１１％と少なく、これに対応
して硬度もＨｖ７００以上であった。これに対して実施
例２および実施例３はＣおよびＮが過飽和となったため
残留オーステナイト量がそれぞれ３０％および４０％と
増加し、それに対応して表面近傍の硬度もＨｖ６００お
よびＨｖ５７０程度となって、摩耗し易く鏡面化し易い
ことが予想された。

【００２３】続いて、合金鋳鉄を冷し金でチルして摺動
面をチル組織としたカムを製造し、この摺動面にリン酸
マンガン塩皮膜処理を施した。このカムと前記で得られ
た実施例２および実施例３のバルブアジャスティングシ
ムとを組合せて、２２００ｃｃ、４気筒エンジンの動弁
系に装着し、下記の条件で摩耗試験を行い、所定の運転
時間経過毎のバルブアジャスティングシムの表面あらさ
を測定した。なお、比較のために従来例１のバルブアジ
ャスティングシムにはリン酸マンガン塩皮膜処理を施
し、合金鋳鉄をチル組織としたカムと組合せ、比較例４
は実施例３のバルブアジャスティングシムと、合金鋳鉄
をチル組織とし、リン酸マンガン塩皮膜処理を施してい
ないカムと組合せて、同様に摩耗試験を行い表面あらさ
を測定した。得られた結果は図６に併せて示した。 エンジン回転数 １０００ｒｐｍ 駆動方式 モータリング エンジンオイル ５Ｗ ３０ 油温 ８０℃

【００２４】図６に示したように、従来例１は運転３０
時間で当初のあらさ４μＲＺが２μＲＺまで小さくな
り、それ以後のあらさの変化がなかった。また、比較例
４は当初のあらさ３μＲＺが運転開始３０時間後に１μ
ＲＺまで細かくなり、それ以後あらさの変化がなかっ
た。これに対して実施例２および実施例３は、当初のあ
らさ３μＲＺが運転開始後わずか７〜８時間で０．２μ
ＲＺになり、それ以後のあらさの変化のないことが判明
し、本発明の実施例のバルブアジャスティングシムとカ
ムの組合せは、運転開始後速やかに摩耗が進行し鏡面化
することが確認された。

【００２５】次に、摩耗試験終了後の従来例１および実
施例３のバルブアジャスティングシム表面の残留オース
テナイトおよび硬さ分布を調べ、結果を図７および図８
に示した。図７に示したように、従来例１の残留オース
テナイト量の変化は殆どなかったのに対し、実施例３で
は残留オーステナイト量が摩耗試験前の４０％から２０
％に減少しており、残留オーステナイトが応力誘起変態
によりマルテンサイト化していることが裏付けられた。

【００２６】また、図８に示したように、従来例１は硬
さはＨｖ７００程度で、摩耗試験前と変化が殆どないの
に対し、実施例３は硬度がＨｖで１００〜１５０上昇
し、Ｈｖ７２０程度で従来例１よりも硬くなっており、
本発明の実施例は従来例と同等かそれ以上の耐摩耗性を
有することが判明した。

【００２７】次に、前記の従来例１、実施例２、実施例
３および比較例４のバルブアジャスティングシムとカム
の組合せについて、図１０に示す初期焼付きパターンに
より、焼付き発生率を測定した。得られた結果は図１１
に示す。図１１に示したように、比較例４はリン酸塩皮
膜処理が施されていなかったので、焼付き発生率が３１
％であったが、実施例２および実施例３の焼付き発生率
は、共にリン酸塩皮膜処理により、従来例１の焼付き発
生率と同等の０％であることが判明した。

【００２８】続いて、従来例１のバルブアジャスティン
グシムにリン酸マンガン塩皮膜処理を施したものと合金
鋳鉄をチル組織としたカムとの組合せ、および実施例３
のバルブアジャスティングシムと合金鋳鉄を冷し金でチ
ル化してチル組織とし摺動面にリン酸マンガン塩皮膜処
理を施したカムとの組合せについて、下記の測定条件で
動弁系の摩擦損失を測定した。得られた結果は図１に示
した。 エンジン ２．２ｌ、Ｌ４、４弁 エンジンオイル ５Ｗ−３０ 油温 ８０±１℃ ならし運転 ８時間

【００２９】図１に示したように、従来例１の組合せに
おいては、バルブアジャスティングシムはリン酸塩皮膜
処理の際に、下地は処理液のエッチング作用を受け、凹
凸が生じており、２０００時間程度の長時間の運転によ
っても、その凹凸が残るため、動弁系摩擦損失は高かっ
た。

【００３０】図１３（ａ）（ｂ）（ｃ）は従来例１のバ
ルブアジャスティングシムの金属組織を表す１０００倍
の顕微鏡写真であるが、運転前においては図１３（ａ）
に示すようにリン酸塩粒子で覆われているが、運転後に
おいては図１３（ｂ）に示すようにリン酸塩皮膜が脱落
し表面の凹凸があらわれ、２０００ｒｐｍで２０００時
間運転後でも図１３（ｃ）に示すようにまだ凹凸が残留
している。

【００３１】これに対して、実施例３のバルブアジャス
ティングシムとカムの組合せは、残留オーステナイト量
が４０％と多く柔らかく摩耗し易いためと、リン酸塩皮
膜処理液のエッチング作用によりフェライトのみが溶出
され、露出したセメンタイトが相手攻撃性により相手材
であるバルブアジャスティングシムを削って平滑化した
後、自身も脆いため壊れて平滑化し、相互に摺動面の鏡
面化が促進されたため、動弁系摩擦損失は従来例１のバ
ルブアジャスティングシムとカムの組合せのそれに比べ
て約３５％低減され、本発明の効果が確認された。

【００３２】

【発明の効果】本発明のバルブアジャスティングシムと
カムの組合せは以上説明したように、少なくともカムと
摺動する表面近傍の残留オーステナイト量が３０〜６０
％の合金鋼製のバルブアジャスティングシムと、表面を
チル硬化しさらにリン酸塩皮膜処理を施した鋳鉄製のカ
ムとの組合せであって、バルブアジャスティングシム側
は、柔らかいため運転初期において相手材の攻撃により
速やかに摺動表面が鏡面化した後応力誘起変態によりマ
ルテンサイト化して硬くなり耐摩耗性を増す。一方、カ
ム側については、リン酸塩皮膜処理液のエッチング作用
によりフェライトのみが溶出されセメンタイトが露出す
るので、運転初期の焼付きが防止されると共に、カム側
の露出したセメンタイトが相手攻撃性により相手材であ
るバルブアジャスティングシムを削って平滑化した後、
自身も脆いため壊れて平滑化する。そのため、本発明の
バルブアジャスティングシムとカムの組合せは、運転初
期の焼付きが防止されると共に、運転開始後速やかに摺
動面の鏡面化が進み、摩擦損失を低減することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例と従来例のエンジン回転数と動
弁系摩擦損失の関係を示す線図である。

【図２】ドーソン・ヒギンソンの式に基づき、カムとバ
ルブアジャスティングシムの油膜厚さの計算結果を示す
線図である。

【図３】浸炭焼入れ処理の加熱条件を示す温度と時間の
関係線図である。

【図４】本発明の実施例と従来例のバルブアジャスティ
ングシムの表面からの硬さ分布を示す線図である。

【図５】本発明の実施例と従来例のバルブアジャスティ
ングシムの表面の残留オーステナイト量の分布を示す線
図である。

【図６】本発明の実施例と従来例のバルブアジャスティ
ングシムの摩耗試験における表面あらさの変化を示す線
図である。

【図７】本発明の実施例と従来例のバルブアジャスティ
ングシムの摩耗試験後の表面の残留オーステナイト量の
分布を示す線図である。

【図８】本発明の実施例と従来例のバルブアジャスティ
ングシムの摩耗試験後の表面の硬さ分布を示す線図であ
る。

【図９】ダイレクト式動弁系の構造を示す断面図であ
る。

【図１０】初期焼付き試験パターンを示す回転数と時間
の関係線図である。

【図１１】初期焼付き試験結果を示す線図である。

【図１２】本発明のチル硬化されたカムの金属組織を表
す２０００倍の顕微鏡写真である。

【図１３】（ａ）（ｂ）（ｃ）従来例のバルブアジャス
ティングシムの金属組織を表す１０００倍の顕微鏡写真
である。

【符号の説明】

１０ バルブ １０ａ ステムエ
ンド １４ バルブリフタ １８ バルブスプ
リング ２０ バルブアジャスティングシム ２２ カム

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくともカムと摺動する表面近傍の残
   留オーステナイト量が３０〜６０％の合金鋼製のバルブ
   アジャスティングシムと、表面をチル硬化しさらにリン
   酸塩皮膜処理を施した鋳鉄製のカムとの組合せ。