JPH062511A

JPH062511A - 動弁機構のカム接触部構造

Info

Publication number: JPH062511A
Application number: JP16136892A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nakakohara; 武中小原; Yoshio Fuwa; 良雄不破
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-06-19
Filing date: 1992-06-19
Publication date: 1994-01-11

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明はカム接触部を耐摩耗材で構成した内
燃機関の動弁機構のカム接触部構造にに関し、カム接触
部の研磨作用により摺動時にカムの面粗度を改善させて
摩擦損失を低減させることを目的とする。【構成】吸排気バルブ３、５の、給排気ポート２、４
を開閉する弁体と反対側の端部にバルブリフタ１０、１
１を設ける。バルブリフタ１０、１１の、カム１４、１
５と対向する面にシム１２、１３を設ける。シム１２、
１３を、密度が３．０ｇ／ｃｍ³以上のＳｉ₃Ｎ₄で構
成し、その表面粗さを０．２μＲｚ〜０．７μＲｚとす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は動弁機構のカム接触部構
造に係り、特にカムと摺動するカム接触部を耐摩耗材で
構成した動弁機構のカム接触部構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の動弁機構のカム接触部は、摺
動と衝撃が複合した極めて過酷な条件で使用されるた
め、動弁機構のカム接触部には高い耐久性が要求されて
いる。このような要求を満たすカム接触部構造として、
従来、摺動面にセラミック材からなる耐摩耗材を用いた
ものが提案されており、そのセラミック材として、例え
ば窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を用いた物が知られている
（実開昭５９−１０７００５号公報）。

【０００３】このカム接触部を用いた動弁機構のカム接
触部構造によれば、カム接触部は高い耐熱性及び耐摩耗
性を有し、摩耗や焼き付きといった問題に対するカム接
触部の耐久性が著しく向上する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、内燃機関の動
弁機構においては、カムとカム接触部は高い面圧で接触
し、特にカムノーズ付近がカム接触部に接触する時には
接触面圧が高く、潤滑油の油膜が形成されにくくなり、
理論上その厚さは０．１μｍ程度となる。

【０００５】一方、従来よりカム及びカム接触部の表面
は１．６ｚまたは３．２ｚ程度に処理されるのが一般的
であるため、上記のような場合にはカム及びカム接触部
の固体接触が避けられなかった。このため、従来の動弁
機構ではカムとカム接触部が摺動する際に大きな摩擦損
失を発生する。

【０００６】また、動弁機構における摩擦損失は、その
ほとんどが、この摺動摩擦に起因している。このため、
カム及びカム接触部の摺動面を高精度に表面処理して、
固体接触のない状態にすれば、動弁機構における摩擦損
失が低減され、内燃機関の燃費を向上させることができ
る。

【０００７】しかし、カム及びカム接触部の合成粗さを
０．１μｍの油膜厚程度に仕上げるには高価な設備と長
い加工時間を要し、動弁機構の大幅なコスト上昇を引き
起こすことになる。

【０００８】本発明は上述の点に鑑みてなされたもので
あり、カム接触部の摺動面の表面粗さを適正化して、そ
の研磨作用により摺動時にカムの面粗度を改善させて摩
擦損失を低減させる動弁機構のカム接触部構造を提供す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、カムと摺
動するカム接触部の摺動面を、窒化珪素で構成してなる
動弁機構のカム接触部構造において、前記摺動面の表面
粗さを０．２μＲｚ乃至０．７μＲｚとすることで解決
される。

【００１０】

【作用】上記の構成によれば、前記カム接触部の摺動面
を構成する窒化珪素は、カム接触部の耐摩耗性を向上さ
せるとともに、前記カムと摺動する際にこのカム側の摺
動面を研磨するように作用する。このため、前記カム側
の摺動面は面粗度が改善されて、予め高精度な表面処理
を施さなくても、カム及びカム接触部における摩擦損失
が低減される。

【００１１】一方、前記被服層の表面粗さが０．７μＲ
ｚより大きい（面が粗い）場合は、摺動により前記カム
が表面疲労を伴う摩耗によりその表面が一層荒くなり、
前記被服層の表面粗さが０．２μＲｚより小さい（面が
平滑）場合は、カム側の摺動面に表面粗さの改善効果が
認められない。

【００１２】

【実施例】図１は、本発明に係る動弁機構のカム接触部
構造の一実施例の構成断面図を示す。同図において符号
１は、ダイレクト式動弁機構を有する内燃機関本体で、
吸気ポート２には吸気バルブ３を、排気ポート４には排
気バルブ５をそれぞれ備えている。

【００１３】給排気バルブ３、５の外周にはバルブスプ
リング６、７が配置され、更に、給排気ポート２、４を
開閉する弁体と反対側の端部には、これらのバルブスプ
リング６、７を留めるためのリテーナ８、９が取付けら
れている。このため、給排気バルブ３、５はバルブスプ
リング６、７により常時上向きに付勢され、これに対す
る抗力がない時は給排気ポートは閉じられた状態とな
る。

【００１４】給排気バルブ３、５のリテーナを有する端
部には、給排気バルブ３、５にこの抗力を伝えるための
バルブリフタ１０、１１が配置されている。バルブリフ
タ１０、１１は内燃機関本体１の所定位置に組み込ま
れ、シム１２、１３を介してカム１４、１５と接してい
る。

【００１５】従って、カム１４、１５がシム１２、１３
上を摺動しながら回転すると、カム１４、１５の作用に
よりバルブリフタが下方向に押圧され、バルブスプリン
グ６、７の付勢力に抗って給排気バルブ３、５が開弁す
る。

【００１６】上記の動弁機構においてシム１２、１３は
本発明に係るカム接触部を構成する本実施例の要部で、
密度３．００ｇ／ｃｍ³以上の窒化硅素で構成され、カ
ム１４、１５との摺動面の表面粗さは０．２以上０．７
μＲｚ以下とされている。

【００１７】シム１２、１３は、バルブリフタ１０、１
１にはめ込まれてカム接触部として作用する他、カム１
４、１５と給排気バルブ３、５の高さ方向の位置関係を
調整するための部材でもある。つまり、シム１２、１３
の厚さを調整することによりカム１４、１５やバルブリ
フタ１０、１１の加工精度等による誤差を相殺すること
ができ、給排気バルブ３、５はこれにより開閉弁動作を
精度良く行うことができる。

【００１８】尚、本実施例においては、カム材料として
タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）再溶融チル処理を施
した合金鋳鉄を使用している。カム１４、１５を構成す
る合金鋳鉄は、その硬度が低すぎるとカムの表面粗さが
早く改善される反面、摩耗量が多くなりすぎ、また、硬
度が高すぎると表面粗さの改善が進みにくくなる。

【００１９】このため、カムを構成する合金鋳鉄の硬度
は、Ｈｖ４５０〜７００程度が適しており、特にＨｖ５
００〜６５０程度が耐摩耗性及び研磨性の両方に優れて
いる。本実施例においては、上記の硬度の合金鋳鉄でカ
ム１４、１５を構成して、その摺動面の初期表面粗さを
１．０〜１．４μＲｚになるように処理している。

【００２０】吸気バルブ３を駆動するカム１４はカムシ
ャフト１６に固定されており、カムシャフト１６と共に
回転する。カムシャフト１６には図示されないクランク
シャフトの回転がタイミングベルトを介して伝えられ
る。

【００２１】また、カムシャフト１６、１７にはそれぞ
れギヤ１８、１９が固定されており、排気バルブ５を駆
動するカムシャフト１７は、これらのギヤ１８、１９を
介してカムシャフト１６に連動して回転する。

【００２２】ところで、図２は本実施例に使用するカム
とシムとの間に形成される潤滑油の油膜の厚さについて
のシミュレーション結果を表す図を示す。

【００２３】この図は、次式に示すＤｏｗｓｏｎＨｉ
ｇｇｉｎｓｏｎの式に基づいて算出した値で、機関回転
数に対するカムアングルと油膜の厚さの関係を表してい
る。

【００２４】Ｈｍｉｎ／ｒ＝２．６５・（（αＥ）^0.54・（η₀Ｖ／（Ｅ・ｒ））^0.7 ／（（Ｐｎ／ｂ）／（Ｅ・ｒ））^0.13 但し、式中の各代数の意味は下記に示す通りとする。

【００２５】Ｈｍｉｎ；最小油膜厚さｒ；等価曲率半径（１／ｒ＝１／ｒ₁＋１／ｒ₂）ｒ₁；カム曲率、ｒ₂；シム曲率 α ；潤滑油の圧力係数Ｅ；カム及びシムの等価弾性率 η₀；潤滑油粘度Ｖ；平均速度（（Ｖ₁＋Ｖ₂）／２）Ｖ₁；カムの接点移動速度、Ｖ₂；シムの接点移動速度Ｐｎ；接触荷重ｂ；カム幅尚、図３は本実施例のカム１４、１５及びシム１２、１
３における接点移動速度Ｖ₁、Ｖ₂（同図（Ａ））及び
それらの平均速度である有効ころがり速度（同図
（Ｂ））とカムアングルの関係を示す。同図に示すよう
に、本実施例のカム及びシムは、カムアングル±４０°
近傍において、有効ころがり速度が０ｍｍ／ｄｅｇとな
る特性を有している。

【００２６】図２に示すようにカムアングル０°（カム
ノーズがシムに接触するカムアングル）における油膜の
厚さは、例えば、機関回転数（Ｎｅ）＝１５００ｒｐｍ
では０．０８μｍ、Ｎｅ＝３０００ｒｐｍでは０．１４
μｍである。このように、この油膜の厚さは自動車用内
燃機関の常用回転数域においては０．１μｍ前後とな
り、Ｎｅが高いほど厚くなる。

【００２７】従って、シム１２、１３とカム１４、１５
との押圧力が最大になるカムアングル０°において、こ
れらが固体接触しないためには、双方の合成表面粗さを
０．１μＲｚ以下にする必要がある。しかし、この条件
を満たすためにはシム１２、１３及びカム１４、１５を
高精度に研磨しなければならず、著しいコスト上昇を引
き起こす。

【００２８】このため、本実施例においてはシム１２、
１３の摺動面の表面粗さを所定の粗さにして、カム１
４、１５側の摺動面は、シム１２、１３が摺動時に研磨
する構成としている。従って、カム１４、１５を加工段
階において高精度に研磨する必要がなく、コスト上昇を
抑制することができる。

【００２９】図４及び図５は、カムの研磨作用に優れた
シムの表面粗さの適正範囲を説明するための図を示す。
以下、各図に基づいてシムの表面粗さの適正範囲につい
て説明する。

【００３０】図４はカムとシムを所定条件で摺動させた
場合のカムノーズの摩耗量とシムの初期表面粗さとの関
係を示す。同図において○をプロットした点は所定の摺
動条件でカムとシムを摺動させて実験的に求めた点であ
る。尚、カムとシムの摺動条件は、以下に示す通りとす
る。

【００３１】内燃機関の形式；直列４気筒、１６００
ｃｃ、ダブルオーバーヘッドカムシャフト（ＤＯＨＣ）機関回転数；１０００ｒｐｍ使用潤滑オイル；５Ｗ−３０オイル温度；８０℃ 摺動時間；２００ｈ同図に示すように、シムの初期表面粗さが粗いほど、カ
ムノーズの摩耗量が増える。また、カムノーズは給排気
バルブを開閉するために、ある程度の高さが要求される
部位で、従来よりカムノーズの摺動による摩耗量は５０
μｍ以下であることが要求されている。このため、同図
からシムの初期表面粗さの適正範囲を求めると、０．９
μＲｚ以下となる。

【００３２】図５は、上記の条件で摺動させた場合のカ
ムノーズの表面粗さとシムの初期表面粗さとの関係を示
す。同図に示すように、シムの初期表面粗さが０．２μ
Ｒｚ未満の領域では摺動によりカムの表面粗さが改善さ
れない。逆に０．７μＲｚを超える領域ではカムが表面
疲労を伴う多量の摩耗により一層その表面が粗れる。

【００３３】これらの結果から、シムの摺動面をＳｉ₃
Ｎ₄で構成する場合その表面粗さの適正範囲は０．２〜
０．７μＲｚとなり、この範囲である場合には、カムノ
ーズは過摩耗することなく、その表面粗さがほぼ０．４
μＲｚ以下となるように研磨される。

【００３４】次に、本実施例のシム１２、１３を構成す
るＳｉ₃Ｎ₄の密度について説明する。図６は、カムシ
ャフトを回転させてシムが破壊する機関回転数をプロッ
ト（同図中●点）したグラフで、シムを構成するＳｉ₃
Ｎ₄の密度とシムの耐久性との関係を表す。尚、同図中
○でプロットした点は７０００ｒｐｍで未破壊であった
点を示す。

【００３５】この回転破壊試験は、上記図４に示す摩耗
試験に用いた内燃機関のクランクシャフトをモータリン
グ装置で回転させることにより行う。モータリング装置
は、内燃機関の最高出力回転数である６０００ｒｐｍで
５時間運転後、２分間に２００ｒｐｍの割りで回転数を
上げて、シムが破壊するか、回転数が７０００ｒｐｍに
達するまで運転する。

【００３６】同図に示す結果から、Ｓｉ₃Ｎ₄の密度が
高くなるとシムが破壊する機関回転数が高くなることが
判る。すなわちＳｉ₃Ｎ₄の密度が３．０ｇ／ｃｍ³以
上であれば、内燃機関のフューエルカット回転数（６６
００ｒｐｍ）より低い機関回転数でシムが破壊すること
がない。このため、上記したようにシム１２、１３は、
密度３．００ｇ／ｃｍ³以上の窒化硅素で構成されてい
る。

【００３７】図７、図８は本実施例のカム接触部構造を
有するシムと上記図４の摩耗試験と同一の条件でカムと
を摺動させた場合の、カムノーズ表面粗さ及びシム表面
粗さと、これらを摺動させる時間との関係を表す図を示
す。

【００３８】各図において○は本実施例の構造を有する
シムを使用した場合を示し、●は合金鋳鉄の浸炭焼入れ
材料を使用した従来のシムを使用した場合を示す。尚、
本実施例の構造を有するシムの表面粗さ及び密度はそれ
ぞれ、０．４μＲｚ、３．２ｇ／ｃｍ³である。また、
この試験に用いたカムの初期表面粗さは１．２５μＲ
ｚ、従来のシムの初期表面粗さは１．６μＲｚである。

【００３９】Ｓｉ₃Ｎ₄と合金鋳鉄とでは、Ｓｉ₃Ｎ₄
の方が耐摩耗性に優れているため、カムを研磨する作用
も大きい。更に、本実施例構造のシムの表面粗さはカム
を効率よく研磨するように設定されている。

【００４０】このため、図７に示すように、従来の合金
鋳鉄製のシムの表面粗さの方が粗いにもかかわらず、カ
ムノーズの表面粗さの改善は、本実施例構造のシムを使
用する方が、従来のシムを使用するより早く進む。

【００４１】また、図８に示すように、シムの表面粗さ
については本実施例のシムに比べて従来のシムの方が早
く改善される。しかし、従来のシムの表面粗さが本実施
例のシムの表面粗さより平滑な状態に改善されることは
ない。このように、本実施例構造のシムを用いた場合、
シムとカムとの合成表面粗さが従来より小さくなる。従
って、それらが摺動する際の固体接触が減少して、動弁
系の摩擦損失が低減される。

【００４２】図９は、それぞれ本実施例構造のシム及び
従来の合金鋳鉄製のシムを用いて、機関回転数と動弁系
における摩擦損失との関係を測定した結果を示す。尚、
同図中、破線は本実施例のシムを用いた場合を示し、実
線は従来のシムを用いた場合を示す。また、本試験にお
いては、カムシャフトをトルク計を介してモータで回転
させたときにトルク計が検出するトルクを動弁系の摩擦
損失としている。

【００４３】同図に示すように、動弁系の摩擦損失は機
関回転数が高くなるにつれて減少し、本実施例構造のシ
ムを用いた場合には、その全域において従来のシムを用
いた場合に比べて２０〜３０％の摩擦損失が低減され
る。

【００４４】このため、本実施例の構成によれば内燃機
関の燃費を向上させることが可能となる。また、同時に
カムとシムの摺動面における摩擦熱の発生及び摩耗が抑
制され、動弁機構の精度維持及び耐久性の向上を図るこ
とができる。

【００４５】

【発明の効果】上述の如く、本発明によれば、カム接触
部の摺動面が、表面粗さが０．２〜０．７μＲｚのＳｉ
₃Ｎ₄であることから、カムの表面粗さが摺動により改
善される。このため、動弁機構における摩擦損失が大幅
に低減され、内燃機関の燃費が向上する。また、本発明
に係る構造のカム接触部とカムとの摺動においては、摩
耗及び摩擦熱が抑制されることから、カム接触部の耐久
性の向上と、開閉弁タイミング精度の長期間維持を図る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る動弁機構のカム接触部構造の一実
施例の構成断面図である。

【図２】本実施例に使用するシムとカムとの間に形成さ
れる油膜の厚さのシミュレーション結果を表す図であ
る。

【図３】本実施例に使用するシムとカムとの接点移動速
度とカムアングルの関係を表す図である。

【図４】本実施例の構造のシムの初期表面粗さとカムノ
ーズ摩耗量との関係を表す図である。

【図５】本実施例の構造のシムの初期表面粗さとカムノ
ーズの表面粗さとの関係を表す図である。

【図６】本実施例の構造のシムを構成するＳｉ₃Ｎ₄の
密度と耐久性の関係を表す図である。

【図７】本実施例の構造のシムとカムの摺動時間と、カ
ムノーズの表面粗さの関係を表す図である。

【図８】本実施例の構造のシムとカムの摺動時間と、カ
ム接触部の表面粗さの関係を表す図である。

【図９】本実施例の構造のシムとカムとの動弁系摩擦損
失と機関回転数との関係を表す図である。

【符号の説明】

３吸気バルブ５排気バルブ１０、１１バルブリフタ１２、１３シム１４、１５カム１６、１７カムシャフト

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カムと摺動するカム接触部の摺動面を、
窒化珪素で構成してなる動弁機構のカム接触部構造にお
いて、前記摺動面の表面粗さを０．２μＲｚ乃至０．７μＲｚ
としたことを特徴とする動弁機構のカム接触部構造。