JPH09264107A

JPH09264107A - タペット

Info

Publication number: JPH09264107A
Application number: JP9900396A
Authority: JP
Inventors: Manabu Okinaka; 学沖中; Osamu Suzuki; 治鈴木; Masahito Taniguchi; 雅人谷口
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1996-03-27
Filing date: 1996-03-27
Publication date: 1997-10-07
Anticipated expiration: 2016-03-27
Also published as: JP3431392B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】カム当り面をなすセラミックチップがロー付
けされてなるキノコ形のタペットであって、ロー付け時
の熱収縮の差によりクラウニングを形成してなるもの
で、耐久性を高める。【解決手段】タペットボディ１ａの大径部３の先端面
４にカム当り面をなすセラミックチップ２１が接合され
たタペット１で、大径部３の外周面５であって先端面４
の近傍に、断面Ｕ字形状の凹溝６を周設した。凹溝６を
設けたことでタペットボディ１の先端面４の外周寄り部
位の厚さが小さくなり、その分、同部位は局所的に剛性
が小さくなる。セラミックチップ２１をロー付けした
際、同チップが熱収縮の差により受ける圧縮力が凹溝が
ない場合に比べて外周寄り部位２３で小さくなるので破
損しにくくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主にエンジンに使
用されるタペットに関し、詳しくは、所定の外径の軸部
と該軸部の先端に同軸状でその外径より大径の外径の大
径部を備えた金属製のタペットボディの該大径部の先端
面にカム当り面をなすセラミックチップがロー付けされ
てなる、いわゆるキノコ形タペットに関する。

【０００２】

【従来の技術】タペットのカム当り面（摺動面）は、中
央部を外周部付近に対して数μｍ〜数十μｍ高くし、緩
勾配の山形とするいわゆるクラウン形状（小さな曲率の
球面）となっている。これは、カムの摺動面に緩やかな
テーパを施して、両者をタペットの中心から偏心した位
置で接触させて、カムの回転による運動に伴って適当な
トルクを発生させ、タペットを軸線回りに回転させるこ
とにより、摩擦抵抗の低減、油膜切れの回避、片当りに
よる偏摩耗の防止を図るためである。

【０００３】一方、近時は、タペットの摺動部の耐摩耗
性を向上させる目的で、タペットボティ（本体）を従来
同様の金属製とし、摺動部（カムの当り面）のみを、窒
化けい素、炭化けい素若しくはサイアロン等からなるセ
ラミックチップ（部材）をロー付けなどにより接合した
タペットが実用化されている。

【０００４】しかし、セラミックは極めて加工性が悪
く、タペットのカム摺動面に小さな曲率のクラウン形状
をいかにコストをかけないで製作するかが実用化のポイ
ントとされている。クラウン形状をセラミックチップな
どの耐摩耗性部材の表面に形成する方法のうち、焼結後
の耐摩耗性部材を研磨する方法では、クラウン形状が三
次曲面であることから多大のコストを要する。一方、セ
ラミック未焼結体に予めクラウン形状を形成しておき、
焼成して焼き放し面のまま用いる方法では、焼成時の変
形収縮によって寸法精度が低いものとなってしまう。

【０００５】こうした諸問題を解決した技術として、特
公平６−７４８１１号公報記載の技術がある。この技術
は、摺動面に金属部材よりも熱膨張率の小さい耐摩耗性
部材を加熱接合すると同時に、接合部の冷却収縮により
該耐摩耗性部材の接合面の反対面をクラウン形状とする
というものである。この技術によれば、タペットボディ
などの金属軸と耐摩耗性部材をなすセラミックチップと
の間にロー材を介在させ、その状態の下で高温加熱し、
しかる後、冷却することで金属軸とセラミックチップと
をロー付け接合すると同時にクラウン形状が形成され
る。

【０００６】すなわち、この接合においては、セラミッ
クの熱膨張率（熱収縮）が金属軸のそれより著しく小さ
いから、冷却時の金属軸（セラミックチップとの接合
面）の径方向の収縮量がセラミックチップのそれより大
きくなるので、セラミックチップ（自体）の接合面の近
傍に半径方向に圧縮応力が加わり、接合面と反対面の中
央が膨らむように変形し、クラウン形状が形成される。
しかして、この技術によれば、金属軸にタペットボディ
を用い、平面研磨されたセラミックチップをカム当り面
にロー付けすることにより、その接合と同時にクラウニ
ングが形成されることから、焼結後のセラミックチップ
を曲面研磨する必要もないし、寸法精度の低下を招くこ
ともないといったメリットがある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記公報記
載の技術は、金属（タペットボディ）とセラミックとの
熱収縮差を利用してクラウニングを付加、形成するもの
であるが、この形成は、両者の熱膨張率の差のみによる
ものでなく、タペットボディ（以下、単にボディともい
う）の形状や構造に基づく剛性による影響を受ける。図
４は、いわゆるキノコ形のタペット１００の一例であ
り、そのボディ１０１は所定の外径の軸部１０２と、そ
の軸部１０２の先端に同軸状でその外径より大径の外径
の大径部１０３を備えており、その先端面１０４にカム
当り面をなすセラミックチップ２０１がロー付けされて
いる。

【０００８】このタペットボディ１０１においては、そ
の形状に基づき、大径部１０３の外周寄り部位の剛性が
比較的低く、したがって、その先端面１０４が半径方向
に変形し易いために、比較的大きなクラウニングを付
加、形成でき、クラウニング量もコントロールしやす
い。なお、図４では、セラミックチップ２０１を先端面
１０４にロー付けした際に形成されるクラウニングＣを
誇張して表示している。

【０００９】しかし、このようなキノコ形タペット１０
０の実際の使用によるセラミックチップ２０１の破壊
（剥離など）の状態を分析してみると、その外周部位２
０２において多く発生することが知れた。明確な原因は
不明であるが、セラミックチップ２０１をロー付けする
ことによりクラウニングＣがつくということは、先端面
１０４が凸となるように球面状に変形することになる
が、金属とセラミックとの熱膨張係数の違いにより、接
合後はボディ１０１の先端面１０４には引っ張り応力が
作用し、セラミック側の接合面２０３には圧縮応力が作
用し、その接合界面（ロー材層３０１）には剪断応力が
作用することになる。セラミックチップ２０１の剥離
は、このような残留応力が大きな要因と考えられる一
方、剥離はセラミックチップ２０１の外周部位２０２で
発生しがちであることことから、このような残留応力を
外周部位２０２において適度に小さくすれば、剥離は緩
和ないし防止されると考えられる。

【００１０】本発明はかかる知見及び分析に基づいてな
されたもので、その目的とするところは、カム当り面を
なすセラミックチップがタペットボディにロー付けされ
てなるタペットであって、ロー付け時の熱収縮の差によ
りクラウニングを形成してなるものにおいて、そのセラ
ミックチップの損傷を有効に防止し、耐久性の高いタペ
ットとなすことにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、所定の外径の軸部と該軸部の先端に同軸
状でその外径より大径の外径の大径部を備えた金属製の
タペットボディの該大径部の先端面にカム当り面をなす
セラミックチップがロー付けされてなるタペットにおい
て、前記タペットボディの該大径部の外周であって前記
先端面の近傍に、所定の断面形状の凹溝を周設したこと
にある。

【００１２】本発明においては、タペットボディの大径
部の外周であって先端面（カム当り面をなすセラミック
チップの接合面）の近傍に、所定の断面形状の凹溝を周
設していることにより、先端面の外周寄り部位の厚さ
（凹溝と先端面との間の大径部の外周面における肉厚）
は小さくなり、その分、外周寄り部位は局所的に剛性が
小さくなる。したがって、先端面にセラミックチップを
ロー付けにより接合して冷却する過程において熱膨張係
数の相違によりセラミックチップがタペットボディ（金
属）によって与えられる半径方向の圧縮力は、凹溝がな
い場合に比べて外周寄り部位で局所的に小さくなる。

【００１３】つまりタペットボディについては、その大
径部の外周寄り部位における先端面と凹溝との間の部位
の剛性が小さくなることから、その分縮みが小さくな
る。したがって接合界面をなすロー材層における剪断応
力が外周部位において小さくなり、セラミックチップの
接合強度が増すことから剥離しにくくなる。かくして、
本発明に係るタペットによれば、セラミックチップを接
合して熱収縮の差によりクラウニングを形成してなるも
のでも、セラミックチップの剥離などその損傷防止に有
効な耐久性の高いタペットとなすことができる。

【００１４】なお上記手段におけるタペットボディの凹
溝は、先端面に近いほど、またその凹溝が深いほど、セ
ラミックに与えられるその外周寄り部位の圧縮応力は小
さくなる。しかし、凹溝が先端面に近いほど、タペット
ボディの大径部の外周の先端面の近傍の肉厚が小さくな
ってしまい、タペットボディは剛性や強度の低下を招く
ことになる。また、凹溝が深いほど、くびれが大きくな
ることからタペットボディの剛性や強度の低下を招く。
したがって、凹溝と先端面との間の大径部の外周面にお
ける肉厚や凹溝の深さは、こうした点や大径部の外径
等、タペットボディの各部の寸法及びセラミックチップ
の材質や厚さ等を考慮して設計すればよい。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について、図
１，図２を参照して説明する。図中、１は、本例のタペ
ットであり、そのボディ１ａは所定の外径Ｄａ（１８〜
２３ｍｍ）を持つ円柱状の軸部２と、軸部２の先端に同
軸状でその外径より大径の外径Ｄｂ（３１〜３８ｍｍ）
をもつ底面視円形の大径部３を備えたキノコ形に仕上げ
られており、大径部３の先端面４は平坦に形成されてお
り、カム当り面をなすセラミックチップ２１がロー付け
により接合されている。なお、本例のボディ１ａの軸部
２と大径部３とはテーパ部３ａを介して接続されてい
る。また大径部３の外周面５における高さ（肉厚）Ｈａ
は２．５〜４ｍｍである。そして、大径部３の外周面５
であって先端面（セラミックチップ接合面）４の近傍
に、所定の断面形状の凹溝６が周設されている。なお、
後述するように、この凹溝６の深さＭｄは２〜４ｍｍ、
凹溝６と先端面４との間の大径部３の外周面５における
肉厚Ｍｔは１〜２ｍｍとするのが適切である。

【００１６】また、凹溝６の断面形状は、略Ｕ字形、略
Ｖ字形、若しくは円弧状、又はこれらに類似する形状と
するのが適切である。そして、凹溝６の幅や溝底の曲率
半径Ｒの大きさは、凹溝６の断面形状にもよるが、大径
部３の外周面５であって先端面４の近傍の剛性や強度を
考慮し、かつタペットボディごとに要求されるクラウニ
ングの大きさが確保されるように設計すればよい。なお
凹溝６の溝幅は、Ｕ字溝では１〜２ｍｍ程度が加工のし
易さの点から適切である。また、セラミックチップ２１
は、その外径をボディ１ａの外径と同じとし、厚さは
１．５〜２ｍｍ程度とするのが好ましい。なお、材質
は、窒化けい素、炭化けい素、若しくはサイアロンを主
成分とする焼結体が好ましい。タペットボディ１ａを構
成する金属に比べて熱膨張率が小さいため、クラウニン
グがつきやすいからである。

【００１７】さて、図１、図２に示したタペット１にお
いて、大径部３の凹溝６の深さＭｄが１〜５ｍｍ、凹溝
６と先端面４との間の大径部３の外周面５における肉厚
Ｍｔが０．５〜２．５ｍｍとしたタペットボディ１ａの
各サンプルを作り、これに後述するようにしてセラミッ
クチップ２１を、クラウニングが設計値で３５μｍ±１
５μｍとなるようにしてロー付けしてなるタペットを各
１個づつ製造し、そのクラウニングＣの大きさを測定す
ると共に、所定の耐久試験を行い、セラミックチップ２
１の破壊状況等、その耐久性を確認した。

【００１８】ただし、ボディ１ａ等の各部の寸法等は次
の通りである。大径部３の外径Ｄ；φ３１ｍｍ、大径部
３の外周の厚さＨａ；３．５ｍｍ、凹溝６は断面略Ｕ字
状としかつ溝底の曲率半径Ｒが０．５ｍｍ（溝幅１ｍ
ｍ）、軸部外径Ｄａ；φ１８ｍｍ、軸部２と大径部３の
テーパ部３ａの厚さＨｂ；７ｍｍ、軸部長さＬ；５９ｍ
ｍ。なお、材質はＪＩＳＳＮＣＭ６３０（Ｎｉ−Ｃｒ
−Ｍｏ鋼，熱膨張率；１２×１０^-6１／℃）よりなり、
冷間鍛造後、機械加工されたものである。また、セラミ
ックチップ２１は、Ｓｉ3 Ｎ4 ９０重量％粉末にＹ2 Ｏ
3 −Ａｌ2 Ｏ3 系焼結助材と成形バインダを加えて混合
し、金型プレスにて円板形に成形した後、Ｎ2 ガス雰囲
気中で焼成し、その後、両円形面２２，２２を研削（研
磨）して円板（直径Ｄがφ３１ｍｍ、厚さＴが１．５ｍ
ｍ）に形成したものである。なお、この熱膨張率は、
３．２×１０^-6１／℃である。

【００１９】しかして、セラミックチップ２１の円形面
２２と、タペットボディ１の先端面４との間に、直径φ
３１ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍの箔状に形成された、Ｔｉ
−Ｉｎ−Ｃｕ−Ａｇ系活性ロー材（Ｔｉ；１．５％，Ｉ
ｎ；１２．５％、Ｃｕ；２７％、Ａｇ；６０％）を所定
の圧力下で挟み、真空で８２０℃の下、３０分保持後、
Ｎ2 ガス置換冷却炉で２００℃まで３０分かけて冷却
し、セラミックチップ２１の接合されたタペットを得
た。なお、セラミックチップ２１接合後のロー材層３１
の厚さは、５〜３０μｍの範囲が適切である。

【００２０】耐久試験（モータリング試験）の内容は、
次のようである。タペットクリアランス；標準の２倍
（０．６ｍｍ）、回転数；Ｅｎｇ．ｍａｘ回転数×１
５０％、耐久回数；目標値２×１０⁷サイクル。

【００２１】試験結果は、図３に示した通りである。図
３において、縦軸は、凹溝の深さＭｄを示し、横軸は、
凹溝６と先端面４との間の大径部３の外周面５における
肉厚（以下、単に肉厚ともいう）Ｍｔを示している。そ
して、〇印は、「耐久性良」を、□印は、「耐久性良・
カムに偏摩耗発生有り」を、◇印は、「目標値２×１０
⁷サイクル未満でセラミックチップ破損」を、それぞれ
示す。なお、各印内の数字は、耐久試験前のクラウニン
グＣの大きさ（μｍ）を示している。

【００２２】この図からも明らかなように、セラミック
チップ２１の上記の接合手法によりクラウニングはいず
れにおいても設計値内にある。そして、凹溝６の深さＭ
ｄが２〜４ｍｍであり、肉厚Ｍｔが１〜２ｍｍの範囲に
ある場合には、セラミックチップ２１の損傷もカムの偏
摩耗もなかった。この結果から、この範囲で大径部３の
先端面４における外周寄り部位２３の剛性が局所的に適
度に小さくなり、ロー付け時の熱膨張係数の差によるセ
ラミックチップ２１がうける径方向の圧縮力が有効に低
減されたものと考えられる。また、カムの偏摩耗もなか
ったことから、クラウニングはその量（高さ）だけでな
く、付き方にも影響がないことが分かる。

【００２３】一方、凹溝６の深さＭｄが１ｍｍの場合
（凹溝６が浅い）場合には、セラミックチップ２１は外
周寄り部位２３において剥離を生じた。これは、凹溝６
が浅すぎるため、大径部３の先端面４の外周寄り部位の
剛性の低減に十分寄与できないためと考えられる。

【００２４】逆に、凹溝６の深さＭｄが５ｍｍの場合
（凹溝６が深い）場合には、セラミックチップ２１は外
周部位２３において剥離を生じた。これは、凹溝６が深
すぎるため、タペットボディの剛性ないし強度が小さく
なりすぎて、カムの衝突による衝撃により破損に至った
ものと考えられる。

【００２５】また、肉厚Ｍｔが０．７５ｍｍの場合（凹
溝６が先端面４から近い場合）には、セラミックチップ
２１はその外周部位での破損を生じなかったが、凹溝６
の深さＭｄにかかわらず、相手のカムに偏摩耗が発生し
た。これは、先端面４の外周寄り部位の厚さＭｔが薄く
なり過ぎたため、クラウニングの全体の高さは問題なか
ったものの外周寄り部位で局所的な変形を起こしていた
ためである。

【００２６】逆に、肉厚Ｍｔが２．５ｍｍの場合（凹溝
６が先端面４から遠い場合）には、凹溝６の深さＭｄに
かかわらず、セラミックチップ２１はその外周寄り部位
２３で破損した。これは、凹溝６がタペットボディ１の
先端面４から遠くなると、大径部３の先端面４の外周寄
り部位２３の厚さＭｔが厚いためにその部位の剛性が十
分小さくならず、セラミックチップ２１がうける径方向
の圧縮力が有効に低減されないためと考えられる。

【００２７】これらのことからすると、この凹溝６の深
さＭｄは、２〜４ｍｍ、肉厚Ｍｔは、０．７５〜２ｍｍ
とするのが適切であり、より好ましくは、Ｍｄは２〜４
ｍｍ、肉厚Ｍｔは１〜２ｍｍの範囲である。

【００２８】

【発明の効果】本発明に係るキノコ形のタペットによれ
ば、セラミックチップを接合して熱収縮の差によりクラ
ウニングを形成してなるものでも、セラミックチップの
剥離などの損傷防止に有効な耐久性の高いタペットとな
すことができる。また凹溝を設けた分、軽量化も図られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るタペットの実施形態例を示す一部
破断正面図。

【図２】図１の要部拡大断面図。

【図３】本発明に係るタペットボディの実施例の耐久試
験結果を示すグラフ。

【図４】従来のキノコ形のタペットボディを説明する一
部破断正面図。

【符号の説明】

１タペット１ａタペットボディ２軸部３大径部４先端面（カム当り面をなすセラミックチップが接合
される接合面）５大径部の外周面６凹溝２１セラミックチップ２３セラミックチップの外周寄り部位Ｄｂタペットボディの大径部の外径Ｈａ大径部の外周の厚さＭｔ凹溝と先端面との間の大径部の外周面における肉
厚Ｍｄ凹溝の深さ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の外径の軸部と該軸部の先端に同軸
状でその外径より大径の外径の大径部を備えた金属製の
タペットボディの該大径部の先端面にカム当り面をなす
セラミックチップがロー付けされてなるタペットにおい
て、前記タペットボディの該大径部の外周であって前記
先端面の近傍に、所定の断面形状の凹溝を周設したこと
を特徴とするタペット。
【請求項２】凹溝の深さが２〜４ｍｍであり、凹溝と
先端面との間の大径部の外周面における肉厚が１〜２ｍ
ｍであることを特徴とする請求項１記載のタペット。