JPH06212914A - 低摩擦の動弁装置 - Google Patents

低摩擦の動弁装置

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JPH06212914A
JPH06212914A JP5267434A JP26743493A JPH06212914A JP H06212914 A JPH06212914 A JP H06212914A JP 5267434 A JP5267434 A JP 5267434A JP 26743493 A JP26743493 A JP 26743493A JP H06212914 A JPH06212914 A JP H06212914A
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JP
Japan
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valve
cam
tappet
thin film
impregnated
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Application number
JP5267434A
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English (en)
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V Durga Nageswar Rao
ナガスウォー ラオ ブイ．ダーガ
Daniel Michael Kabat
マイクル カバット ダニエル
Harry Arthur Cikanek
アーサー シカネック ハリー
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Ford Motor Co
Original Assignee
Ford Motor Co
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高速内燃エンジンに用いるための軽量で低摩
擦の動弁装置を提供することにある。 【構成】 動弁装置（１２）は、好ましくはアルミニウ
ムあるいはマグネシウム合金のような軽量金属でできた
タペット（３９）を有し、タペットの外面に薄膜状固体
潤滑材（５０）が含浸され、作動中の摩擦を減少させ
る。動弁装置はさらに、カム（２８）を有するカムシャ
フト（２６）を備え、カムの摩耗／軸受表面には薄膜状
固体潤滑材が含浸され、作動中の摩耗をさらに減少させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般的には内燃エンジン
に係り、特に、内燃エンジンのための低摩擦動弁装置に
関する。
【０００２】内燃エンジンのようなエンジンにおける弁
を開閉するためのバルブトレインすなわち動弁装置（va
lve train ）を構成することが知られている。そのよう
な動弁装置は、オーバーヘッドカム型の内燃エンジンの
ための、直接作動の油圧式のバケット型タペット弁の動
弁装置であってもよい。一般的には、前記動弁装置は、
カムシャフトの回転運動を弁の軸線方向運動に転換させ
るために用いられるカムシャフト上でカムと接触するタ
ペットを有する。弁は、該弁を閉位置に偏倚させている
弁ばねによって閉じられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】前記動弁装置は、弁座
の摩耗だけではなく、温度変化によって生じる熱膨脹に
よっても生じる弁の長さの変化を補償する油圧式のラッ
シ調節機構を有する。このタイプの動弁装置は高圧装置
であり、これは、潤滑装置によって発生される油圧力を
介して、弁リフターをカムと適切に接触するように維持
し、弁の開放／閉止機能を実行する。カムによって誘起
される力に加えて、カムとの適切な接触を維持するため
に弁に連続的に加えられる一定の油圧力が、結果とし
て、動弁装置に対する摩擦損失と重要な摩耗とを増加さ
せることになる。
【０００４】しかしながら、この油圧力は、カムのジャ
ーナルとカムシャフトの軸受表面との間、またタペット
の表面とカムの表面との間に、流体力学的な潤滑膜を提
供することが期待されている。装置の負荷が高いので、
動弁装置は境界／混合潤滑を主とする状況の中、特に７
５０〜２０００というエンジン速度領域に中で作動す
る。この速度領域は乗用車運転サイクルの８０％以上を
占める。動弁装置の作動が主として境界／混合潤滑の状
況の中で行われるので、接触要素乃至部品は、エンジン
の寿命期間中に、カムのところで３０ないし１５０ミク
ロンという大きな摩耗を受けることになる。
【０００５】さらに、エンジンの速度は、動弁装置の往
復運動質量による“弁のトス”現象によって制限され
る。動弁装置の質量を減少させることによって、慣性力
による力を減らし、結果として、より高いエンジン作動
速度を許し、さらに、より大きなエンジン出力を得る結
果となる。さらに、動いている構成部品間の摩擦を減少
させることにより、摩耗が大きく減少し、重くて複雑で
高価な油圧装置の必要性がなくなり、エンジンは通常の
油圧力で作動することができ、摩擦損失もなく、標準的
な油圧装置の中における摩耗もなくなる。摩擦が減少す
ると、さらに、燃料経済を改良することになり、また摩
耗が減少すると、構成部品の耐久性が改良され、従っ
て、エンジンの寿命も改良される。従って、当業界にお
いては、動弁装置の質量を減少させ、動弁装置の動的要
素の間の摩擦を減少させる必要がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】従って、本発明は、内燃
エンジンのようなエンジンのための、独特の軽量で摩擦
の低い動弁装置を提供する。一般的にいうと、前記動弁
装置は少なくとも１つのカムを有するカムシャフトを備
え、その外面は開放孔を有するように処理されている。
薄膜状の固体潤滑材が前記処理された表面に含浸され
る。前記動弁装置は、さらに、開放孔を有するように処
理された外周面を有する軽量のタペットを備える。この
処理された表面も固体状の薄膜になった潤滑材が含浸さ
れる。前記タペットはカムと接触する挿入物を有する。
前記タペットの挿入物は耐摩耗性のある接触面を有す
る。さらに、弁ガイドが、開放孔を形成するように処理
され、かつ固体状の薄膜になった潤滑材が含浸された内
面を有し、弁と弁ガイドとの境界における摩耗を減少さ
せる。この弁ガイドが動弁装置の中へ組入れられてもよ
い。前記固体状の薄膜になった潤滑材は油との親和性を
有し、構成体間の摩擦を減少させるために安定な油膜の
急速形成を促進させる。
【０００７】本発明の１つの利点は、内燃エンジンのた
めに低摩擦の動弁装置が提供されることにある。本発明
の他の利点は、動弁装置の接触表面に固体状の薄膜にな
った潤滑材が適用され、それによって接触圧力を減少さ
せ、対応的に摩擦と摩耗とを減少させる点にある。本発
明のさらに他の利点は、動弁装置が、カムに対するタペ
ットの油圧負荷の結果として生じる摩擦損失を避けるた
めに、固体状の薄膜になった潤滑材を組入れている点に
ある。本発明のさらに他の利点は、動弁装置の構成体に
固体状の薄膜になった潤滑材を適用した結果、摩擦損失
と、それに対応する摩耗とが大きく減少し、それによっ
て重い、複雑で高価な油圧装置の必要性をなくしている
という点にある。さらに、そのような低摩擦動弁装置は
冷間起動時のような油が欠乏している状況の間の摩耗を
減少あるいはなくし、従って、構成体の寿命、エンジン
の寿命を大きく増加させるであろう。
【０００８】本発明の他の目的、特徴、および利点は、
以下添付図面を参照しながら説明を読むことによってよ
りよく理解できることが容易にわかるであろう。
【０００９】
【実施例】添付図面、特に図１を参照すると、本発明に
よる動弁装置（バルブトレイン）１２が、全体的に１４
で示された、内燃エンジンのようなエンジンに対して作
動関係になって示されている。エンジン１４は、内部に
少なくとも１つの、好ましくは複数の中空シリンダー１
６を有したシリンダーブロックあるいはエンジンブロッ
ク１５を含む。エンジン１４はまた締具（図示せず）の
ような適当な装置によってシリンダーブロック１５に固
定されたシリンダーヘッドあるいはエンジンヘッド１８
を含む。前記シリンダーヘッド１８はシリンダー１６と
連通した吸気路２０と排気路２２とを有する。
【００１０】前記動弁装置１２は吸気路２０と排気路２
２とを開閉するための、全体的に２４で示された少なく
とも１つの、好ましくは複数個の弁組立体を含む。好ま
しくは、吸気路２０と排気路２２とのために、分離的な
弁組立体２４が用いられる。動弁装置１２はまた弁組立
体２４を開閉するための、少なくとも１つ、好ましくは
複数個のカムシャフト２６を有する。前記カムシャフト
２６は、当業界で知られているように、シリダーヘッド
１８の中で回転可能的に支持されたシャフト部材２７を
有する。前記カムシャフト２６は、弁組立体２４と接触
し、かつそれを動かす、少なくとも１つの、好ましくは
複数個のカム２８を有する。カム２８はベースの円形部
３０と、突出部３２とを有する。
【００１１】各々の弁組立体２４は、ヘッド部分３５と
弁ガイド３７の中で滑動可能的に配置されたステム部分
３６とを有する弁３４を備える。前記弁ガイド３７は、
当業界で知られているように、シリンダーヘッド１８の
開口３８の中に位置している。弁組立体２４はまたタペ
ット組立体３９を有し、これは弁３４のステム部分３５
の一端と接触し、カムシャフト２６のカム２８と係合す
る。前記タペット組立体３９は、当業界で知られている
ように、シリンダーヘッド１８のタペットガイド開口４
０の中で、滑動可能的に配置されている。弁組立体２４
は、さらに、弁３４のステム部分３５の周りに配置され
た弁ばね４１を含み、その一端はシリンダーヘッド１８
と接触し、その端部はステム部分３５の周りに配置され
た弁ばねリテーナ４２と接触している。前記弁ばね４１
は弁３４のヘッド部分を弁座４３と係合させ、対応的な
吸気路２０あるいは排気路２２を閉じる。前記弁座４３
は、シリンダー１６に近い方の吸気路２０あるいは排気
路２２の端部において、シリンダーヘッド１８の凹所４
４に配置されている。
【００１２】図２を参照すると、本発明によるタペット
組立体３９が示されている。前記タペット組立体３９
は、全体的に円筒形状をしていて、弁３４のステム部分
３５を受留めるために中空内部４７を有しているタペッ
ト本体４６を含む。好ましくは、タペット本体４６は、
ダイキャストの高強度アルミニウムあるいはマグネシウ
ム合金のような金属材料でできている。タペット本体４
６の外周部あるいは表面は強く陽極酸化されている。こ
の陽極酸化処理の結果、顕微鏡でも見えないほど小さい
孔、例えば約３〜１０ミクロンの寸法の小孔を有する被
覆が得られ、固体状の薄膜になった潤滑材５０は、仕上
げ研削の前にタペット本体４６の中へ浸み込むことがで
きる。ベアリング荷重を支持するために適した陽極酸化
層の深さが約３０〜４０ミクロンであるということが重
要である。また、この陽極酸化処理は十分な深さと強度
を有した適当な陽極酸化層を作り出し、これは疲労荷重
の下でも崩壊しない。薄膜状の固体潤滑材５０は予想さ
れる摩耗量よりも少なくとも数ミクロン多い深さにまで
浸み込まなければならず、例えば、もし予想される摩耗
量が約３０ミクロンであれば、固体薄膜潤滑材５０の浸
み込み深さは約３５〜４０ミクロンが適当である。
【００１３】ここで用いられているような前記固体状の
薄膜になった潤滑材５０は、６００゜Ｆ（３１５℃）に
おいて０．０２〜０．１の摩擦係数を有する固体潤滑材
である。前記固体状の薄膜になった潤滑材５０は、好ま
しくは、４０体積％のグラファイトと、２０体積％の二
硫化モリブデン（ＭｏＳ2 ）と、残部の熱的に安定な
（３７５℃あるいは７００゜Ｆまでは分解しない）ポリ
マーからなる複合物ないし合成物であり、前記ポリマー
はポリアリールスルホン（polyarylsufone）のようなポ
リマー、あるいはジシアンジアミドと結合されたビニル
ブトリルやビスフェノールＡのような高温エポキシであ
る。ここで説明した固体状の薄膜になった潤滑材５０
は、従来型の潤滑油との親和性によって、安定な油膜の
形成を急速に進める。前記固体状の薄膜になった潤滑材
５０はまた約４０％がグラファイトで、残部がアルミニ
ウムあるいは鋳鉄から成る金属マトリックスないし金属
母材の合成物（複合物）であってもよい。そのような金
属母材の合成物は、断続的あるいは補足的な潤滑目的の
ために、グラファイトを露出させることのできる多孔質
材料を提供するために、粉末冶金あるいは他の適当な手
段によって形成してもよい。グラファイトは、１３％ま
では窒化ホウ素と置換えてもよい。前記固体潤滑材はま
た、ＭｏＳ2 の代わりとして、１０％までの銅と、Ｌｉ
Ｆ、ＮａＦ、ＣａＦの内の１つとを含んでもよい。固体
状の薄膜になった潤滑材５０として適当な他の複合物な
いし合成物もまた用いることができる。
【００１４】図２から図５までに示したように、タペッ
ト組立体３９はまた上端にキャビティー５１を有する。
前記キャビティー５１は全体的に円筒形状になってい
る。タペット組立体３９はまた耐摩耗性の挿入物５２を
有し、これはカム２８あるいはカムシャフト２６と接触
する接触面５４を有している。好ましくは、前記挿入物
５２はセラミック材料でできているが、高強度鋼、強化
アルミナ、あるいは焼結窒化シリコンで造ってもよい。
挿入物５２はタペット本体４６のキャビティー５１の中
に収まるように機械加工される。挿入物５２とキャビテ
ィー５１とは円滑嵌合するように合致している。好まし
くは、挿入物５２とキャビティー５１とは補充的にそれ
ぞれ逆テーパ５７，５８がついており、挿入物５２をキ
ャビティー５１の中にロックしている。挿入物５２はキ
ャビティー５１の中で焼き嵌めないし縮み嵌め（shrink
-fit）によって固定される。この焼き嵌め処理は、タペ
ット本体４６をエンジン作動温度（約３１０゜Ｆ（１５
５℃））よりも約１００゜Ｆ（５５．６℃）だけ高い温
度までに加熱し、挿入物５２を最低周囲温度（約−５０
゜Ｆ（−４６℃））以下にまで冷却し、その後で挿入物
５２をキャビティー５１の中へ位置させることによって
行われる。タペット組立体３９が室温に戻ると、タペッ
ト本体４６の熱膨脹係数の方が挿入物５２のそれより十
分大きいので、タペット本体４６は挿入物５２の周りで
収縮する。この処理によって、挿入物５２は、エンジン
の全作動温度範囲において、確実に、圧縮状態で保持さ
れることになる。挿入物５２はまた、挿入物５２とタペ
ット本体４６のそれぞれに形成された対応的な環状溝５
９ａ，５９ｂと係合しているロックリング５９を用いる
ことにより、タペット本体４６に固定してもよいことが
わかるはずである。
【００１５】図６を参照すると、カムシャフト２６のカ
ム２８が示されている。カム２８のベースの円形部分３
０は、軟／低炭素鋼の金属材料でできた内部６０を有
し、カムシャフト２６の回転中に生じる応力を最小にす
る。前記内部６０はシャフト２７の溝部あるいは粗削り
部分６２に対して機械的に固定されている。カム２８の
突出部３２とベースの円形部分３０の残りの部分とは多
孔質の中／高炭素Ｎｉ−Ｃｒ合金鋼のような金属材料で
できている。ベースの円形部分３０と突出部分３２との
外周あるいは表面は、いずれか１つの既知の処理方法、
例えば炭窒化処理（carlo mitrating ）を用いて、カム
表面に関する普通仕様の硬度（普通はＲｃ５５）にまで
硬化されている。一般的には、多孔質部分１．０ｍｍ以
下の深さにまでしか延在していない。この多孔質部分は
カム２８の表面を固体状の薄膜になった潤滑材５０で含
浸させることを可能にする。固体状の薄膜になった潤滑
材５０で含浸の深さは、前述した予想摩耗度よりも少な
くとも数ミクロン大きくなければならない。
【００１６】図７を参照すると、弁ガイド３７が示され
ている。前記弁ガイド３７は固体状の薄膜になった潤滑
材５０で含浸された内面６６を有し、弁３４のステム部
分３５と弁ガイド３７との間の摩擦を減少させる。好ま
しくは、弁ガイド３７の内面６６は適当な手段によって
形成された耐摩耗性のある多孔質の層を有し、前述した
ように固体状の薄膜になった潤滑材５０の含浸を用意に
している。
【００１７】図８を参照すると、弁座４３が示されてい
る。弁座４３は、これもまた固体状の薄膜になった潤滑
材５０が含浸された外面６８を有し、ヘッド部分３５と
弁座４３との間の摩擦とそれに対応して生じる摩耗とを
減少させる。あるいは、弁３４のヘッド部分３５の外面
は固体状の薄膜になった潤滑材５０を含浸させても良
く、前記ヘッド部分３５は、その下端において、耐摩耗
性のある挿入物を挿入するために中空状になっていても
よい。弁座４３は、前述したように、耐摩耗性の多孔質
層を形成するように処理されていることがわかるはずで
ある。
【００１８】図９を参照すると、慣らし運転の前におけ
る、タペット本体４６のような対応的な弁列構成体上に
おける固体状の薄膜になった潤滑材５０が示されてい
る。固体状の薄膜になった潤滑材５０は実質的な摩耗深
さにまで含浸されており、外面層を有している。エンジ
ンの慣らし運転の後は、固体状の薄膜になった潤滑材５
０の層が図１０に示したような安定な低摩擦の耐摩耗性
の膜を形成する。
【００１９】エンジン作動の間において、固体状の薄膜
になった潤滑材５０は安定な潤滑膜の形成を進める。こ
の安定な潤滑膜は油圧式の潤滑が主体になっている高速
作動時に生じる摩擦を減少させる。潤滑膜の急速形成に
よって、エンジンの低速作動時における摩擦を減少させ
ることにより、カムの摩耗が大きく減少される。
【００２０】このように、弁列１２における固体状の薄
膜になった潤滑材５０は、油圧の負荷がなくなることに
よって、摩擦損失や接触力を減少させ、往復運動する質
量が大きく減少することによって慣性力を減少させる。
結果として、動弁装置１２はエンジンの作動速度を極め
て大きくすることを許し、摩擦と摩耗とを減少させて、
エンジンの寿命を延ばす。摩耗が大きく減少するので、
動弁装置１２はエンジンの寿命中の調節を必要とせず、
また油圧的なラッシ調節や付随する正確な機械加工、油
圧式の潤滑も必要としない。普通の潤滑によって満足の
いく作動が得られ、カムに対するタペットの油圧式の負
荷による油圧層に生じる摩擦損失を防ぐので、高圧の油
圧層は必要でない。
【００２１】本発明は例示的な方法で記述してきた。用
いてきた専門用語は限定用語というよりもむしろ説明用
語であることは理解できるはずである。
【００２２】本発明の多くの修正、変更は上述の教示の
範囲内で可能である。従って、添付した特許請求の範囲
の中で、特定的に記述した以外の方法で実行することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】エンジンに対する作動関係にあるところを説明
した、本発明による動弁装置の部分的な断片図。
【図２】図１の動弁装置のためのタペット組立体の拡大
図。
【図３】図２のタペット組立体の一部の分解図。
【図４】組立てられた図３のタペット組立体の一部の拡
大図。
【図５】図４の円５内の一部分の拡大図。
【図６】図１の動弁装置のためのカムの拡大図。
【図７】図１の動弁装置のための弁と弁ガイドとの拡大
図。
【図８】図１の動弁装置のための弁と弁座との拡大図。
【図９】慣らし運転の前の図１の動弁装置の一部分の拡
大図。
【図１０】慣らし運転の後の図９と同様な図。
【符号の説明】
１２ 動弁装置（バルブ・トレイン） ２４ 弁 ２６ カムシャフト ２８ カム ３０ ベース部分 ３２ 突出部 ３５ ヘッド部分 ３７ 弁ガイド ３９ タペット ４３ 弁座 ５０ 固体状の薄膜になった潤滑材（薄膜状固体潤滑
材） ５２ 挿入物
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０１Ｌ 1/20 Ａ 6965−3Ｇ 3/02 Ｈ 8206−3Ｇ 3/08 Ａ 8206−3Ｇ (72)発明者 ハリー アーサー シカネック アメリカ合衆国ミシガン州ノースビル，モ ーガン サー．462

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内燃エンジンの少なくとも１つの弁を作
    動させるための低摩擦の動弁装置において、 少なくとも１つのカムを有するカムシャフトと、 前記カムと弁とに接触するタペットとを有し、 前記カム及びタペットは薄膜状の固体潤滑材が含浸され
    た外面を有し、前記潤滑材が油との親和性を有し、安定
    な油膜を急速形成し、カムとタペットとの間の摩擦を減
    少させるように構成された低摩擦の動弁装置。
  2. 【請求項２】 内燃エンジンの少なくとも１つの弁を作
    動させるための低摩擦の動弁装置において、 ベース部分と突出部分とを備えた少なくとも１つのカム
    を有し、前記ベース部分と突出部分とが開放開口を備え
    るように処理された外面を有するカムシャフトと、 開放開口を備えるように処理された外面を有するタペッ
    トとからなり、 前記タペットが、さらに、前記タペットに固定されかつ
    前記カムと接触した耐摩耗性のある挿入物を有する低摩
    擦の動弁装置。
  3. 【請求項３】 低摩擦の動弁装置において、 往復運動のために弁ガイド内に滑動可能に取付けられて
    おり弁座と係合するヘッド部分を有する弁であって、前
    記弁ガイドが薄膜状の固体潤滑材を含浸した内面を有
    し、前記弁座に薄膜状の固体潤滑材が含浸されているも
    のと、 薄膜状の固体潤滑材が含浸された外面を備えた少なくと
    も１つのカムを有するカムシャフトと、 一端において前記カムと、また他端において前記弁と接
    触しており薄膜状の固体潤滑材が含浸された外面を有す
    るタペットであって、さらに、前記カムと接触する表面
    に固定された耐摩耗性のある挿入物を有しているものと
    からなる低摩擦の動弁装置。
JP5267434A 1992-11-12 1993-10-26 低摩擦の動弁装置 Pending JPH06212914A (ja)

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