JPH09195724A

JPH09195724A - タペットローラ軸受

Info

Publication number: JPH09195724A
Application number: JP685396A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kadokawa; 聡角川; Masaru Konno; 大金野
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1996-01-18
Filing date: 1996-01-18
Publication date: 1997-07-29
Anticipated expiration: 2016-01-18
Also published as: JP3414100B2

Abstract

(57)【要約】【目的】エンジンの運転開始直後、無潤滑状態で表面
損傷が発生する事を防止する。【構成】互いに対向する軸５の外周面５ａとローラ６
の内周面６ａとの間の隙間８を、軸５の外径の０．０４
〜１．０％の範囲に規制する。更に、上記両周面５ａ、
６ａうちの何れかに、摩擦低減用の表面処理層を形成す
る。これらにより、エンジンの運転開始直後、未だエン
ジンオイルが供給されない間に、上記両周面５ａ、６ａ
に表面損傷が発生する事を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明に係るタペットローラ軸
受は、エンジンの動弁機構中に組み込み、動弁機構部分
の摩擦を少なくして、エンジン運転時に於ける燃料消費
率の低減を図るものである。

【０００２】

【従来の技術】エンジン内部での摩擦低減を図り、燃焼
消費率を低減する事を目的として、クランクシャフトと
同期したカムシャフトの回転を給気弁及び排気弁の往復
運動に変換する部分に、タペットローラ軸受を組み込む
事が一般的に行なわれている。図１〜２は、実開平３−
１０８８０６号公報に記載されたタペットローラ軸受を
示している。

【０００３】エンジンのクランクシャフトと同期して回
転するカムシャフト１に固定された（一般的には一体に
形成された）カム２に対向して、このカム２の動きを受
けるロッカーアーム３が設けられている。このロッカー
アーム３の端部（図１〜２の左端部）には１対の支持壁
部４、４が、互いに間隔をあけて設けられている。この
１対の支持壁部４、４の間には、鋼製で中空又は中実の
軸５を掛け渡している。この軸５の両端は焼き入れする
事なく、生のままとしており、軸５を固定する際には、
この未焼き入れ部分を、上記１対の支持壁部４、４に形
成した通孔７、７の内周面に向けてかしめ付ける。上述
の様にして、１対の支持壁部４、４の間に掛け渡された
軸５の周囲にはローラ６を、回転自在に支承しており、
このローラ６の外周面を、上記カム２の外周面に当接さ
せている。

【０００４】上述の様に構成されるタペットローラ軸受
によれば、ロッカーアーム３とカム２との間に働く摩擦
力を低減し、エンジン運転時に於ける燃料消費率の低減
を図れる。この様なタペットローラ軸受の設置部分には
エンジン運転時に、エンジンオイルが供給される。そし
て、このエンジンオイルによって、カム２の外周面とロ
ーラ６の外周面との間、及び軸５の外周面５ａとローラ
６の内周面６ａとの間が潤滑される。

【０００５】尚、タペットローラ軸受の構成各部材の材
質としては、カム２を含むカムシャフト１は鋳鉄若しく
は軸受鋼により、ローラ６及び軸５は高炭素クロム軸受
鋼により、それぞれ造る事が、必要な強度を確保しつつ
材料費、加工費を抑える面から、一般的に行なわれてい
る。そして、各部材の周面の表面粗さを工夫する事によ
り、エンジン運転時に於ける各部材同士の摺接部の潤滑
性を確保する様にしている。この様な潤滑性確保をより
確実に行なう為、軸５を燐青銅により、ローラ６を高炭
素クロム軸受鋼により、それぞれ造る事も、一部で行な
われている。又、ロッカーアーム３及び軸５にエンジン
オイル供給用の給油孔を開設する事も、例えば実開平４
−３２２１０号公報に記載されている様に、従来から提
案されている。更に、ローラ６を窒化珪素等のセラミッ
クにより造る事も、例えば特開平４−１５２９６号公
報、実開昭６２−２０３９１１号公報、実開平３−１０
８８０６号公報等に記載されている様に、従来から提案
されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の様な
従来から知られたタペットローラ軸受の場合には、次に
述べる様な解決すべき点がある。軸５及びローラ６を高
炭素クロム軸受鋼により造った場合には、運転条件によ
っては、軸５の外周面５ａとローラ６の内周面６ａとの
双方に、スミアと呼ばれる表面損傷が発生する。この様
な表面損傷は、組立作業に伴って、上記両部材５、６の
周面５ａ、６ａ同士の接触部が無潤滑状態となる事に起
因して発生する。即ち、これら両部材５、６の表面に
は、軸受加工時に付着する切削油等の加工用の油、更に
は搬送の間に腐食するのを防止する為の防錆油が付着し
ている。これらの油がそのまま残っていれば、エンジン
の運転開始直後から上記両周面５ａ、６ａ同士の潤滑が
或る程度図られる。ところが、近年に於けるエンジンの
組立工程では、これらの油は、軸受とロッカーアーム３
との組み立て工程で発生する切粉等が付着し、運転時に
異物として悪影響を及ぼす事を防止する為、洗浄作業に
より必要最小限のオイルを残し、洗い流している。この
為、組立直後のエンジンでは、上記両周面５ａ、６ａ同
士の接触部は無潤滑に近い状態となる。この状態からエ
ンジンを始動すると、エンジンオイルが供給されるまで
の短時間の間、上記両周面５ａ、６ａ同士が、一時的に
無潤滑状態のまま強く擦れ合う。この結果これら両周面
５ａ、６ａに、上記表面損傷が発生する。

【０００７】この様にして発生する表面損傷が著しい場
合には、カム２の外周面とローラ６の外周面との接触部
が焼き付く可能性がある。又、表面損傷が軽微である場
合にも、上記両周面５ａ、６ａに微小な突起が形成さ
れ、この突起により、エンジンオイルの供給が行なわれ
る様になった後でも、これら各周面５ａ、６ａ同士の摺
動部の潤滑状態が完全な流体潤滑になりにくくなる。こ
の結果、経時的に各周面５ａ、６ａ部分の表面疲労が増
加した場合や、エンジンの急加減速時等、急激な速度変
動に油膜形成が追従できない場合に、局部的に著しい表
面損傷が発生する可能性がある。又、両部材５、６の各
周面５ａ、６ａの表面粗さを工夫する事自体、供給され
たエンジンオイルの有効利用を意図したもので、無潤滑
状態での表面損傷防止には役立たない。

【０００８】又、燐青銅製の軸５の外周面５ａと高炭素
クロム軸受鋼製のローラ６の内周面６ａとを接触させれ
ば、異種金属同士の接触になる為、接触部の摩擦が或る
程度低減するが、無潤滑状態での表面損傷防止効果は不
十分である。

【０００９】更に、ローラ６を窒化珪素等のセラミック
により造ると、ローラ６の材料費及び加工費が嵩む。
又、セラミック製のローラ６は金属製のものに比べて割
れ易いだけでなく、金属製のカム２に対する攻撃性が強
く、このカム２の外周面を著しく摩耗させ易い。更に、
セラミック製のローラ６は金属製の軸５に比べて熱膨張
量が少ない為、エンジンの運転、停止に伴う、軸５の外
周面５ａとローラ６の内周面６ａとの間の隙間寸法変化
が大きくなる。この為、エンジンの温度が低い場合に、
ローラ６の支持部で振動が発生する等の問題を発生し易
い。

【００１０】軸５の外周面５ａとローラ６の内周面６ａ
との間にニードルを設ければ、組立後のエンジンを始動
してからタペットローラ軸受部分にエンジンオイルが供
給されるまでの短時間の間に焼き付き等の損傷が発生す
る事を防止する事は可能である。但し、ニードルを組み
込んだ転がり軸受の場合、経時的なエンジンオイルの劣
化に伴う清浄剤の減少によりスラッジが増加すると、ニ
ードルを構成する金属表面の摩耗が進み、上記タペット
ローラ軸受部分の耐久性が損なわれる。

【００１１】この為、軸５の周囲に転がり軸受を使用す
る事なく（滑り軸受により）ローラ６を回転自在に支承
する構造で、上記短時間の間に焼き付き等の損傷の発生
を防止できる構造の実現が望まれている。本発明のタペ
ットローラ軸受は、この様な事情に鑑みて発明したもの
である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のタペットローラ
軸受は、前述した従来のタペットローラ軸受と同様、例
えば図１〜２に示す様に、エンジンのクランクシャフト
と同期して回転するカムシャフト１に固定されたカム２
と、このカム２に対向して設けられ、このカム２の動き
を受ける部材（ロッカーアーム３）に間隔をあけて形成
した１対の支持壁部４、４と、この１対の支持壁部４、
４の間に掛け渡された軸５と、この軸５の周囲に回転自
在に支承されたローラ６とから成る。

【００１３】特に、本発明のタペットローラ軸受に於い
ては、上記軸５の外周面５ａと上記ローラ６の内周面６
ａとの間に、この軸５の外径に対する割合が０．０４〜
１．０％である隙間８を介在させる事により、上記ロー
ラ６を上記軸５の周囲に、上記外周面５ａと上記内周面
６ａとの滑り接触に基づく回転自在に支持している。
尚、上記隙間８の大きさを上述の様に限定する理由は、
次の(1) 〜(2) の通りである。 (1) それぞれがＳＵＪ２等の鋼により造られた軸５とロ
ーラ６とを組み合わせる場合。上記両周面５ａ、６ａの表面損傷を防止すべく、次述す
る様な表面処理層を形成する為、並びにオイルスターブ
ド（潤滑油枯渇状態）になっても上記両周面５ａ、６ａ
にスミアを起こしにくい接触状態を保つ為に限定する。 (2) 黄銅或は燐青銅の様な銅系合金製の軸５とＳＵＪ２
等の鋼製のローラ６とを組み合わせる場合。軸５とローラ６との材料の相違に基づいて、初期（常温
時）の隙間量に比べて稼働時（温度上昇時）の隙間量が
変化（減少）する。そこで、稼働時に隙間量を確保して
かじり等の損傷を防止する為に限定する。

【００１４】更に、上記ローラ６の内周面６ａと軸５の
外周面５ａとのうちの少なくとも一方の周面５ａ（又は
６ａ）に、摩擦を低減する表面処理層を形成する。そし
て、この表面処理層の厚さを、上記隙間８の５〜９５％
とする。尚、この様な摩擦を低減する表面処理層として
は、例えば次の〜に属するものが使用可能である。硫黄と鉄との化合物の反応層。窒素を含有した、硫黄と鉄との化合物の反応層。燐と鉄との燐酸塩化合物の反応層。二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂ ）とポリ四弗化エチレ
ン（ＰＴＦＥ）との単体若しくは混合物を熱硬化性合成
樹脂と共に焼成する事により得られる処理層。上記〜の何れかの反応層の表面に、ＭｏＳ₂ と
ＰＴＦＥとの単体若しくは混合物を熱硬化性合成樹脂と
共に焼成する事により得られる処理層を重ねたもの。

【００１５】

【作用】上述の様に構成される本発明のタペットローラ
軸受の場合には、軸５の外周面５ａとローラ６の内周面
６ａとの間の隙間８を規制する事により、これら両周面
５ａ、６ａ同士の接触部分に加わる面圧を適正値にでき
る。この為、エンジンの運転開始直後、タペットローラ
軸受部分にエンジンオイルが行き渡るまでの間の短時
間、無潤滑に近い状態で運転されても、上記両周面５
ａ、６ａが重大な損傷を受ける事がなくなり、耐焼き付
き性及び耐久性が向上する。

【００１６】更に、上記両周面５ａ、６ａの一方又は双
方に摩擦を低減する表面処理層を形成している為、この
表面処理層により、上記両周面５ａ、６ａ同士の間の潤
滑を確保できる。この為、これら両周面５ａ、６ａに表
面損傷が発生する事をより有効に防止できる。この結
果、これら両周面５ａ、６ａに有害な凹凸が形成される
事がなく、上記軸５の外周面５ａ及びローラ６の内周面
６ａの潤滑状態を良好にできて、これら軸５及びローラ
６の耐久性向上を図れる。

【００１７】

【実施例】本発明の効果を確認する為に行なった実験に
就いて説明する。実験は、実際の使用条件を想定した台
上表面損傷再現試験として、図３に示す様な表面損傷試
験機を使用して行なった。プーリ９により回転駆動され
るシャフト１０の中間部にはリング１１を圧入してい
る。このリング１１がカム２（図１〜２）に相当する。
このリング１１の外周面に押圧するローラ６を、軸５の
周囲に回転自在に支承した。ローラ６としては、内径が
８．００２〜８．１６０mmの範囲ものを６種類、２０．
００４〜２０．４００mmのものを６種類、合計１２種類
用意した。又、内径が８．００２〜８．１６０mmである
ローラ６に対応する軸５として、外径が８．０００mmの
ものを、内径が２０．００４〜２０．４００mmのローラ
６に対応する軸５として、外径が２０．０００mmのもの
を、それぞれ用意した。この様な軸５とローラ６とを組
み合わせて、軸５の外周面５ａとローラ６の内周面６ａ
との間の隙間８（図１〜２）が軸５の外径に占める割合
を、それぞれ０．０２％、０．０４％、０．５％、１．
０％、１．２％、２．０％の６段階に変化させた。これ
ら寸法及び割合（％）は、何れも常温での値である。
尚、ローラ６の材質はＳＵＪ２で表面硬度はＨＲｃ６１
とし、軸５の材質としては、ＳＵＪ２で表面硬度がＨＲ
ｃ６１のものと、燐青銅との２種類を使用した。

【００１８】試験時には、上記ローラ６を２７５０r.p.
m で回転させつつ上記ローラ６を、負荷用レバー１２に
より上記リング１１の外周面に、鋼球１３を介して、１
２５kgf の荷重で押圧した。又、ローラ６の内周面６ａ
と軸５の外周面５ａとの間に潤滑油（エンジンオイル）
を供給し、ローラ６の外周面５ａに潤滑油を滴下した状
態で上記シャフト１０を起動させ、回転が定常状態に達
した状態で潤滑油の供給を停止して、上記シャフト１０
の運転を継続した。そして、上記シャフト１０を駆動す
る為の電動モータの電流値が過電流値になるまでの時間
を耐久時間として求めた。その結果を次の表１、２及び
図４に示す。尚、表１及び図４の○印は、軸５及びロー
ラ６の両方をＳＵＪ２により造った場合の実験結果を、
表２及び図４の△印は、ローラ６をＳＵＪ２により造
り、軸５を燐青銅により造った場合の実験結果を、それ
ぞれ表している。

【００１９】

【表１】

【表２】

【００２０】これら表１、２及び図４から明らかな通
り、軸５の内周面５ａとローラ６の内周面６ａとの間の
隙間８の寸法は、これら両周面５ａ、６ａにより構成さ
れる滑り軸受部分の耐久性に大きな影響を及ぼす。即
ち、これら両周面５ａ、６ａ同士の摺接面には潤滑油の
膜が形成されてこれら両周面５ａ、６ａ同士の接触部分
で金属接触が発生する事を防止しているが、潤滑油が極
端に不足した場合には、上記隙間８の寸法は上記耐久性
に大きな影響を及ぼす。

【００２１】先ず、上記隙間８の寸法が軸５の外径の
０．０４％未満の場合には、上記両周面５ａ、６ａ同士
の接触面積が大きくなり過ぎて、これら両周面５ａ、６
ａの接触部分に潤滑油の油膜が保持されにくくなり、こ
の接触部分で金属接触が発生し易くなって、上記耐久性
が低下する。逆に、上記隙間８の寸法が軸５の外径の
１．０％を越えた場合には、上記接触面積が小さくなり
過ぎて、上記接触部分の面圧が過大となり、やはり上記
耐久性が低下する。更に、上記軸５の材質とローラ６の
材質とが異なった場合には、運転に伴う温度上昇により
上記隙間８の寸法が変化する為、常温時に於けるこの隙
間８の寸法が、上記耐久性に影響を及ぼすものと考えら
れる。これに対して、表１、２の比較及び図４の○印と
△印との比較から明らかな通り、軸５の材質とローラ６
の材質とが同じ場合でも異なった場合でも、上記隙間８
の寸法と耐久性との関係には、ほぼ同様の傾向が見られ
た。即ち、上記軸５の外周面５ａと上記ローラ６の内周
面６ａとの間の隙間８の寸法を、この軸５の外径の０．
０４〜１．０％の範囲に規制すれば、軸５によるローラ
６の滑り支持部の耐久性を確保できる。尚、上記ローラ
６の内径を５〜３０mmの範囲で変えて同様の実験を行な
ったが、この傾向は同じであった。

【００２２】次に、この滑り支持部の耐久性をより一層
向上させるべく、上記外周面５ａ又は内周面６ａに摩擦
を低減する表面処理層を形成する事の効果を確認する為
に行なった実験に就いて説明する。即ち、前述した通り
エンジンの運転開始初期には、上記外周面５ａと内周面
６ａとが、殆ど潤滑油を介在させない状態で摺接する。
そこで、この運転開始初期にこれら両周面５ａ、６ａに
損傷が発生するのを防止する為には、これら両周面５
ａ、６ａの一方又は双方に上記表面処理層を形成する事
が有効である。以下に述べる実験は、この表面処理層の
有効性を確認する為に行なったものである。

【００２３】この実験は、上述した隙間８の寸法を規制
する事の有効性を確認する為に行なった実験と同様に、
図３に示す様な表面損傷試験機を使用して行なった。ロ
ーラ６及び軸５の材質は何れもＳＵＪ２、表面硬度はＨ
Ｒｃ６２とした。又、摩擦低減用の表面処理層は、ロー
ラ６の内周面６ａに形成した。このローラ６の内径は
８．８２mm、外径は２０mm、幅は８mmである。又、軸５
の外周面５ａとローラ６の内周面６ａとの間の隙間８の
寸法は０．０２０mm（２０μｍ）にした。この隙間８の
寸法は、上記軸５の外径８．８０mmの０．２３％に相当
する。尚、同様の実験を、燐青銅製の軸５を用い、隙間
８の寸法を０．０５０mm（５０μｍ）又は０．１６０mm
（１６０μｍ）にし、この寸法を軸５の外径の０．５８
％としたものでも行なった。

【００２４】上記表面処理層は、前記に対応するもの
を形成した。即ち、先ず上記ローラ６の内周面６ａに燐
酸亜鉛処理による下地を形成した後、更にこの下地の表
面に低摩擦材層を形成した。この低摩擦材層を形成する
為に、ＭｏＳ₂ とＰＴＦＥと熱硬化性合成樹脂とを有機
溶剤に分散させて皮膜液を調整した。そして、この皮膜
液を上記内周面６ａに塗布した後、上記ローラ６を加熱
炉中で１８０℃で６０分間加熱して、上記低摩擦材層を
焼成した。表面処理層の膜厚制御は、上記下地と低摩擦
材層との両方で行なった。下地の膜厚調整は、燐酸及び
亜鉛の濃度を調整する事により、０．３〜５μｍの範囲
で行なった。又、上記低摩擦材層の膜厚調整は、上記皮
膜液の粘度を調整する事により行なった。

【００２５】尚、上記皮膜液を上記内周面６ａに塗布す
る方法としては、(1) スプレーによる噴霧方式、(2) 皮
膜液中にローラ６を浸漬する浸漬方式、(3) ローラ６を
動かしながら塗装する、所謂ガラ塗装方式等を、ローラ
６の形状及び大きさ、形成すべき表面処理層の厚さ等に
応じて選択採用する。例えば、軸５の外径が小さく、こ
の軸５の外周面５ａとローラ６の内周面６ａとの間の隙
間８の寸法が小さくなる場合には、上記表面処理層の厚
さを必要最小限に抑える必要がある。この様な場合に
は、上記(3) の方法が有効である。これに対して、軸５
の外径が１０mm以上と大きく、上記隙間８の寸法が大き
い為、上記表面処理層の厚さを大きくできる場合には、
上記(1) の方法が有効である。何れにしても、表面処理
層の膜厚の制御は、予め厚めに形成した表面処理膜の表
面に、＃１２００のエメリー紙によるラッピング処理を
施し、更にヘキサン中で超音波洗浄を行なって、次述す
る表３に示す比率を有する膜厚に調整した。

【００２６】上述の様にして得られた複数の試料の耐久
性を測定する試験時には、ローラ６を３０００r.p.m で
回転させつつ上記ローラ６を、負荷用レバー１２により
上記リング１１の外周面に、鋼球１３を介して、１００
kgf の荷重で押圧した。又、ローラ６の内周面６ａと軸
５の外周面５ａとの間は無潤滑とし、ローラ６の外周面
とリング１１の外周面との間は、これら両外周面同士が
焼き付かない程度の最小限（０．１cc/min）の潤滑油
（劣化したエンジンオイル）を滴下した。そして、上記
シャフト１０を駆動する為の電動モータの電流値が過電
流値になるまでの時間を耐久時間として求めた。尚、同
様の試験を、隙間が８μｍの場合と１６０μｍの場合と
に就いても、一部実施した。その結果を次の表３、４及
び図５に示す。尚、表３、４中で「−」を付した欄に就
いては、対応する組み合わせによる実験を行なわなかっ
た。

【００２７】

【表３】

【表４】

【００２８】これら表３、４及び図５から明らかな通
り、隙間８に対する表面処理層の膜厚比が５％未満の場
合には、この表面処理層による潤滑作用を十分に得られ
ない為に十分な耐久性を得られない。反対に、上記膜厚
比が９５％を越えると、表面処理層と軸５の外周面５ａ
との間に潤滑油が入りづらくなって、やはり十分な耐久
性を得られなくなる。上記表面処理層をローラ６の内周
面６ａに代えて軸５の外周面５ａに形成した場合でも、
当然に同様の結果を得られる。これらにより、軸５の外
周面５ａとローラ６の内周面６ａとの一方又は双方に摩
擦を低減する表面処理層を、上記隙間８に対して５〜９
５％の膜厚比で形成すれば、上記両周面５ａ、６ａ同士
の間の潤滑性を確保できる事が分る。特に、上記膜厚比
を１０〜５０％の範囲に規制すれば、上記潤滑性がより
良好になる。尚、上記ローラ６の内径を５〜３０mmの範
囲で変えて同様の実験を行なったが、この傾向は同じで
あった。

【００２９】

【発明の効果】本発明のタペットローラ軸受は、以上に
述べた通り構成され作用するので、エンジンの運転開始
初期状態での表面損傷を防止して、焼き付き防止を図る
だけでなく、その後の潤滑状態を良好にして、十分な耐
久性確保を図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】タペットローラ軸受の部分切断平面図。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図。

【図３】表面損傷試験機の縦断側面図。

【図４】隙間の大きさが耐久性に及ぼす影響を示す線
図。

【図５】表面処理層の隙間に対する膜厚比が耐久性に及
ぼす影響を示す線図。

【符号の説明】

１カムシャフト２カム３ロッカーアーム４支持壁部５軸５ａ外周面６ローラ６ａ内周面７通孔８隙間９プーリ１０シャフト１１リング１２負荷用レバー１３鋼球

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エンジンのクランクシャフトと同期して
回転するカムシャフトに固定されたカムと、このカムに
対向して設けられ、このカムの動きを受ける部材に間隔
をあけて形成した１対の支持壁部と、この１対の支持壁
部の間に掛け渡された軸と、この軸の周囲に回転自在に
支承されたローラとから成るタペットローラ軸受に於い
て、上記軸の外周面と上記ローラの内周面との間に、こ
の軸の外径に対する割合が０．０４〜１．０％である隙
間を介在させ、更に上記軸の外周面と上記ローラの内周
面との少なくとも一方の周面に摩擦を低減する表面処理
層を形成する事により、上記ローラを上記軸の周囲に、
上記外周面と上記内周面との滑り接触に基づく回転自在
に支持した事を特徴とするタペットローラ軸受。