KR0148245B1

KR0148245B1 - 조정심과 캠의 조합

Info

Publication number: KR0148245B1
Application number: KR1019940027599A
Authority: KR
Inventors: 히로무 이즈미다; 카오루 무라베; 타카오 니시오카; 아키라 야마카와; 켄지 마쯔누마
Original assignee: 쿠라우지 노리타카; 스미도모덴기고오교오 가부시기가이샤
Priority date: 1993-10-29
Filing date: 1994-10-27
Publication date: 1998-08-17
Also published as: DE69402028D1; JPH07127402A; KR950011878A; EP0651140A1; DE69402028T2; CA2134164C; US5647313A; EP0651140B1; CA2134164A1

Abstract

본 발명은 캠(1)과의 슬라이드면의 표면조도를 십점평균조도Rz로 0.1μm이하로 한 60체적%이상의 질화규소 또는 사이알론을 포함하는 세라믹스로 이루어진 조정심(2)과, 표면을 칠경화한 후 인산염피막을 형성한 주철로 이루어진 캠으로 구성되는 자동차용 내연기관의 밸브구동장치에 사용하는 조정심과 캠의 조합에 관한 것이다.

본 발명의 목적은, 캠에 초정밀사상가공을 행하지 않아도 부품의 브레이크인에 의해 캠의 슬라이드면이 평활화되고, 또한 눌어붙음이나 이상마모를 방지할수 있고, 게다가 캠과 심의 슬라이드면의 평활화상태가 장기간 안정되는 동시에 마찰계수의 저감에 의해 양호한 슬라이드 특성이 얻어지는 조성심과 캠의 조합을 제공하는데 있다.

Description

조정심과 캠의 조합

제1도는 실시예에서 사용된 자동차용 내연기관의 직동식밸브구동장치를 사용한 캠샤프크구동토크측정시험기의 개략단면도.

제2도는 실시예3에 있어서의 캠마모량의 측정방법을 설명하기 위한 캠의 개략평면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1:캠 2:조정심

3:밸브리프터 4:밸브스피링

5:밸브시트 6:흡배기밸브

7:캠샤프트 8:구동모터

9:토크모터

본 발명은, 자동차용 내연기관의 밸브구동장치에 사용되는 캠과 조정심(adjustin shim)의 조합에 관한 것이다.

최근, 자동차엔진의 효율화에 의한 연비의 향상이 요망되어, 그의 유효한 대책의 하나로서 내연기관의 마찰손실을 저감시키는 것이 연구되고 있다.

특히, 자동차의 엔진과 같은 내연기관 중에도, 슬라이드속도가 낮고 또한 고부하로 인해 가장 가혹한 조건하에서 사용되는 슬라이드부품의 하나인 밸브구동장치에 있어서의 캠과 조정심 사이의 마모를 저감시키는 것이 극히 유효한 것으로 되어 있다.

또한, 조정심은 밸브틈새를 조정하기 위한 것이며, 종래부터 캠과 마찬가지로 금속으로 제작되고 있다.

일반적으로, 마주보는 슬라이드부품간의 최소틈새 또는 최소유막두께와, 슬라이드부품의 슬라이드면의 속성이 슬라이드특성에 큰 영향을 주는 것으로 되어 있다.

예를 들면,「유압과 공기압」제18권, 제4호, 1987년의 제247~258페이지, 또는 자동차기술회편「학술강연회전쇄집 924」1992년의 제85~88페이지에 기재되어 있는 바와 같이, 윤활의 척도를 표시하는 값으로서, 하기식 1에의해 정의되는 유막파라미터∧가 상용되고 있다.

[식 1]

∧=hmin/o=hmin(R_rms1²+R_rms2 ²)^1/2

여기서, hmin은 마주보는 슬라이드부품간의최소틈새 또는 최소유막두께,σ는 마주보는 슬라이드부품의 합성면조도

R_rms1은 한쪽의 슬라이드부품표면의 자승평균조도

R_rms2는 다른 족의 슬라이드부품표면의 자승평균조도를 표시한다.

이 유막파라미터∧의 값이 3이상의 경우는 유체윤활상태, 1이하의 경우는 경계윤활상태, 및1~3경우는 유체윤활과 경계윤활이 혼재한 혼합윤활상태로 되며, ∧의 값이 클수록 슬라이드면간의 접촉이 완화되어, 슬라이드특성이 양호하게 된다고 하고 있다.

따라서, 동일 슬라이드조건하에서는 최소틈새 또는 최소유막두께 hmin는 일정하기 때문에, 2개의 슬라이드면의 표면조도를 작게하는 것이 마찰계수의 저감에 유효하다.

그래서, 슬라이드부품의 슬라이드면에 고정밀도의 초정밀사상가공을 실시해서 표면조도를 가능한한 저감시키는 것이 행해지고 있지만, 밸브구동장치부품의 캠과 같이 곡면등의 복잡한 형상의 표면에 대해서는, 고정밀도의 초정밀도사상가공은 곤란하며, 또 많은 시간과 노력을 요하기 때문에 가공코스트도 극히 높게되므로, 통상의 연삭가공에 의한 표면사상가공이 주류가 되어 있으며, 캠과 심간의 마찰계수의 저감이 뜻대로 되지 않는 현상이다.

한편, 캠이나 조정심에 고정밀도의 초정밀도가동을 실시하지 않고, 캠과 조정심과의 슬라이드에 의한 거친 표면을 평활하게 함으로써, 마찰손실을 저감하는 방법이 제안되고 있다.

즉, 일본국 특허공개공보 제5-195723호에 의하면, 조정심의 슬라이드 표면에 잔류오스테나이트를 증가시키고, 한쪽의 캠에는 칠(chill)경화한 주철의 표면에 인산염피막을 실시함으로써, 캠이 조정심을 연마해서 평활하는 동시에, 캠표면도 취화되어 있으므로 부서져서 평활화하기 때문에, 슬라이드면의 평활화가 진행해서 마찰손실을 저감할 수 있는 것으로 되어 있다.

본 발명의 발명자들도, 조정심의 재질에 세라믹스를 채용하고, 그 슬라이드면을 십점 평균조도 Rz로 2.0μm이하로 함으로써 조정심과 캠의 원활한 슬라이드를 얻는 것(일본국 특허출원 제5-195723호 참조), 및 세라믹스로 이루어진 조정심의 슬라이드면을 에칭처리로 취화하고, 취화표면으로부터 떨어진 미세입자가 캠표면을 연마함으로써, 운전초기에 슬라이드면의 평활화를 도모하는 기술(일본국 특허출원 제5-54962호 참조)을 제안하고 있다.

그러나, 전술한 캠과 조정심과 의 슬라이드에 따라서 슬라이드면을 평활화 하는 기술에서는, 모두 캠 또는 조정심의 취화또는 마모에 의해 떨어진 미세입자만에 의해 슬라이드면을 연마하기 때문에 슬라이드면의 평활화에 한계가 있으며, 특히 마찰손실의 저감에 효과가 있다고 생각되는 조정심의 표면조도를 장시간 충분하게 안정된 경면상태(예를들면, 십점평균조도Rz로 0.1μm이하)로 유지할 수가 없었다.

본 발명은, 이와 같은 종래의 사정을 감안해서, 복잡한 형상의 캠에곤란하고 고코스트의 특별한 초정밀사상가공을 행하지 않아도 초기의 엔진의 브레이크인(break-in)에 의해 캠의 슬라이드면이 평활화되고, 또한 금속끼리의 슬라이드에 있어서 문제가 되는 눌어붙음이나 이상마모를 방지할수 있으며, 게다가 슬라이드면의 평활화상태가 장기간 안정되게 얻어지는 동시에 마찰계수의 저감에 의해 양호한 슬라이드특성을 얻을 수 있는, 자동차용 내연기관의 밸브구동장치의 사용하는 조정심과 캠의 조합은 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기위해, 본 발명이 제공하는 자동차의 내연기관의 밸브구동장치에 사용하는 조정심과 캠의 조합은, 조정심이 캠과의 슬라이드면의 표면조도를 십점평균조도 Rz로 0.1μm이하로 한 60체적% 이상의 질화규소 또는 사이알론을 포함하는 세라믹스로 이루어지고, 캠의 표면을 칠경화한 후 인산염피막을 형성한 주철로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 명세서에 사용되는 십점평균조도Rz는 JIS(일본공업규격)B0601에 규정되어 있다.

본 발명에 의하면, 본 발명의 조정시에 사용하는 세라믹스는, 질화규소(Si3N4)또는 사이알론을 60체적%이상을 포함하는 것이면, 모노리식세라믹스 소결체이어도, 섬유, 위스커 또는 분산입자중의 하나로 매트릭스를 복합강화한 세라믹스복합재료이어도 된다.

또한, 세라믹스복합재료로서는Si₃N₄또는 사이알론을 탄소섬유 탄화규소섬유, 알루미나섬유등으로 강화한 섬유강화 복합재료, Si₃N₄또는 사이알론을 탄화규소위스커등으로 강화한 위스커 강화복합재료, Si₃N₄또는 사이알론을 나노미터급의 탄화규소모노입자나 질화치탄입자 등으로 입자분산강화복합재료를 열거할 수 있다.

조정심은 저 토오크이고 안정되고 긴수명의 슬라이드상태를 유지하기위해서, 뛰어난 내마모성과 강도, 높은 경도와 내구성등이 필요하게된다.

그를 위해서는, 조정심을 구성하는 세라믹스의 이론밀도비가 95%이상이며, 매트릭스의 평균입자직경이 10μm이하인 것이 바람직하며, 세라믹스복합재료에 있어서는 75~90체적%의 범위가 바람직하다.

한편, 조정심과 조합되는 캠은, 캠의 재질로서 일반적인 주철의 표면을 칠경화환 것이며, 본 발명에 있어서는 다시 표면에 인산염피막을 형성한 것이다.

인산염피막에는, 인산아연염피막, 인산아연철피막, 인산연칼슘염피막, 인산망간염피막등 다양한 형식의 피막이 존재하지만, 내마모성이나 경도등을 고려하여 인산망간염피막이 바람직하다.

인산염피막의 형성방법으로서는, 적당한 농도의 금속이온과 인산으로 이루어진 화성액중에 캠을 담그어서, 표면에 인산염 피막을 형성하는 방법등이 있다.

윤활제중에서 금속이 상대부재인 캠과 슬라이드하는 슬라이드부재인 세라믹스의 조정심에 있어서는, 상기 식 1의 유막파라미터∧의 값이 3미만이 되면, 슬라이드면상의 돌기의 선단에서 슬라이드부재와 상대부재의 접촉이 시작되고, 접촉부분은 윤체윤활이 깨져서 경계윤활이 되며, 전체의 윤활상태는 유체윤활과 경계윤활이 혼재한 혼합윤활상태가 된다.

이 경계윤활부분의 증가와 동시에 캠과 조정심 간의 마찰계수는 급격히 증대한다.

본 발명에서는, 캠의 표면에 실시한 인산염피막이 가진 성질과, 조정심이 십점평균조도 Rz로 0.1μm이하로 극히 평활한 표면의 세라믹스와의 상승효과에 의해 뛰어난 내마모성 및 눌어붙음의 방지효과가 얻어지는 동시에, 하기하는 바와같이 슬라이드면의 평활화상태가 달성되므로써 경계윤활부분이 감소하고, 캠과 심간의 마찰손실을 종래이상으로 저감해서, 양호한 슬라이드특성을 장기간 안정되게 얻을 수 있다.

특히, 조정심의 경우에는 캠과의 접촉면압이 높고, 슬라이드할 때의 조정심 표면의 요철에 의한 캠표면에의 공격성(캠의 이상마모등으로서 나탄난다)을 고려하면, 운전당초보다 조정심의 표면조도가 십점평균조도 Rz로 0.1μm이하인 것이 필요하며, 또한 이 표면조도가 장기간 안정되게 유지될 필요가 있다.

본 발명의 세라믹스로 이루어진 조정심은, 경면사상가공에 의해 십점평균조도 Rz로 0.1μm이하의 표면조도로 한것이며, 세라믹스의 높은 경도 및 내마모성에 의해 상기 범위의 표면조도를 장기간 유지할수 있다.

이 조정심의 표면조도는 작을수록 좋지만, Rz로 0.1μm이하로 하는 것은 실제로는 의미가 있는 것은 아니며, 공업적인 코스트면으로 보아도 곤란하다.

또, 조정심과 같은 가혹한 슬라이드조건하에서는, 높은 경도를 가진 세라믹스라 해도 Rz로 0.1μm이하의 표면조도를 계속해서 유지하는 것은 곤란하다고 할수 있다.

또, 유막파라미터∧의 값이 작은 윤활영역에 있어서는, 슬라이드부재의 재질로부터결정되는 무윤활슬라이드에서의 마찰계수치가 전체의 마찰손실에 있어서 지배적이지만, 본발명의 조정심에서는 세라믹스를 사용함으로써 마찰계수의 대폭적인 저감을 도모하고 있다.

또한, 세라믹스의 사용에 의해, 세라믹스가 가진 높은 경도에 의한 내마모성, 낮은 표면활성도에 의한 눌어붙음현상의 방지등의 효과가 얻어지는 외에, 강등과 비교해서 비교적 경량이기 때문에, 밸브구동장치 전체의 경량화도 달성할수 있는 것이다.

또한, 본 발명의 조정심과 캠의 조합에 있어서는, 캠에 실시된 인산염피막이 슬라이드에 의해 벗겨져서 탈락한다.

탈락한 인산염의 입자는 캠과 심의 슬라이드면 간에 개재하지만, 이 인산염의 입자는 경도가 낮은 캠을 선택적으로 연마해서 표면조도를 향상시킨다.

따라서, 캠은 정밀한 사상가공을 행하지 않아도, 조정심과의 브레이크인 중 또는 슬라이드초기에 자연적으로 표면이 연마되어 표면조도가 향상하고, 마찰계수의 저감을 가능하게 한다.

이와 같이 해서, 조정심의 세락믹스가 가진 내마모성이나 눌어붙음 방지성에 의해 양호한 경면상태를 계속유지하는 한편으로, 브레이크중 또는 캠과 심과의 슬라이드초기에 캠의 슬라이드면이 연마되어 평활하게 되어 가면, 혼합윤활상태에 있어서의 유체윤활의 부분이 증가하기 때문에, 그 이상의 이상마모나 편마모의 진행이 정지하고, 캠과 조정심의 면정밀도가 안정되게 유지되는 동시에, 양호한 윤활상태를 장기간에 걸쳐서 계속유지할수 있다.

[실시예1]

제1도에 표시한 바와 같이, 배기량 1800cc의 아우터심타입직동식 밸브구동장치를 가지는 4기통 16밸브의 시판차용 엔진의 밸브구동장치에, 캠샤프트(7)를 구동하는 구동모터(8), 오일공급용의 펌프, 및 캠샤프트(7)의 구동토크를 측정하는 토크미터(9)를 장착해서, 캠샤프트구동측정시험기를 제작했다.

또한, 밸브구동장치로는, 캠(1)과 밸브스프링(4)의 작용에 의해 밸브리프터(3)를 구동해서 흡배기밸브(6)를 개폐한다.

제1도에 있어서, (2)가 조정심이며,(5)가 밸브시트이다.

상기 밸브구동장치의 캠(1) 및 조정심(2)으로서, 표1에 각 캠과 심을 조합해서 사용했다.

본 발명의 캠(표1에 「피막부」라 표시)은 보통주철의 표면을 칠러(chiller)등으로 칠경화하고, 또 그 표면에 루브라이트처리에 의해 인산망간염 피막을 형성한 것을 사용했다. 종래품의 캠(표1에 「종래품」이라 표시)은, 보통주철의 표면을 칠경화한 캠을 사용했다.

한편, 조정심(2)으로서는, 조성이 80체적%의 Si₃N₄또는 사이알론과 잔부의 유리성분을 주로 하는 입계상으로 이루어진 소결체(표1에 「Si₃N₄소결체1」또는 「사이알론소결체1」로 표시), 조성이 50체적%의 Si₃N₄와 잔부의 유리성분을 주로 하는 입계상으로 이루어진 소결체(표1에 「Si₃N₄소결체2」라 표시), 조성이 80체적%Si₃N₄-5체적%SIC로 잔부가 유리성분을 주로하는 입계상인 복합재(표1에 「복합1재」로 표시), 또는 조성이 50체적%Si₃N₄-30체적%SIC로 잔부가 유리성분을 주로 하는 입계상인 복합재(표1에「복합재」로 표시)중의 어느 하나로 이루어지며, 표면조도(십점평균조도Rz)를 변화시킨 것을 사용했다.

또한, 종래품의 조정심으로서 상기 시판차용 엔진의 순정품과 동등한 표면조도를 가진Cr-Mo강으로 이루어진 조정심(표1에「종래품」로 표시), 및 질화규소로 이루어지고 표면을 알칼리에칭처리한 조정심(표1에「종래품2」로 표시)을 사용했다.

이들 캠과 조정심을, 브레이크인을 행하고 있지않은 신품의 상태로, 상기 캠샤프트 구동토크측정시험기에 장착하고, 클랭크샤프트회전수 환산에 의해 1500rpm에서 실제로 운전하고, 운전개시로 부터 1시간후에 100시간후에 있어서의 캠축구동토크를 측정해서, 그 결과를 표1에 표시했다.

또, 시험전과 100시간 운전후의 조정심의 슬라이드면에 있어서의 십점편균조도 Rz를 측정해서, 그 결과를 표1에 함께 표시했다.

표1의 결과로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 캠과 조정심과의 조합(시료1-1,1-2,1-6)에 있어서는, 100시간의 브레이크인후에 캠샤프트의 구동토크는 다른비교예에 비해서 상당히 낮은 레벨까지 저하하는 것을 알 수 있다.

특히, 조정심의 표면조도가 십점평균조도 Rz로 0.1μm이하일 때 구동토크의 저감효과가 크며, Rz로 0.1μm보다 클 경우에 는 다른 조건이 본 발명의 시료와 같아도, 구동토크의 저감이 적다.

[실시예2]

상기 실시예의 캠샤프구동토크시험 후, 그 각시료를 같은 캠샤프트구동축토크측정시험기를 사용해서 실시예1과 동일조건에서 다시 100시간의 운전을 행하고, 장시간운정에 의한 캠샤프트구동토크의 변동 및 조정심의 표면조도의 상태를 조사했다.

즉, 실시예1의 시험의 운전개시로부터 101시간후와 200시간 후에 있어서의 캠축구동토크를 측정하는 동시에, 실시예1의 시험으로부터 통산해서 100시간운전후(실시예2의 시험개시전)과 200시간후의 조정심의 슬라이드면에 있어서의 십점평균조도 Rz를 측정하고, 그 결과를 표2에 함께 표시했다.

상기 표2의 결과로부터, 본 발명에 의한 캠과 조정심의 조합(시료2-1,2-2,2-6)에 있어서는, 캠샤프트구동토크의 대폭적인 저감효과가 장시간에 결쳐서 유지되는 것을 알 수 있다.

또, 본 발명의 조합에 있어서의 조정심의 표면조도도, 장시간에 걸쳐 초기의 경면상태를 유지하는 것을 알 수 있다.

[실시예3]

상기 실시예2의 캠샤프트구동토크시험을 종료한 각시료에 대하여, 실시예1 및 2를 통해서 통산 200시간의 운전을 행한 후의 캠의 슬라이드면의 십점평균조도Rz를 측정하는 동시에, 제2도에 표시한 캠노즈길이 L을 측정하고, 운전개시전의 캠노즈길이와의 차로부터 캠마모량을 구했다.

이들의 결과를 실시예1이 시험개시전에 있어서의 캠슬라이드면의 십점평균조도Rz와 함께 표3에 표시했다.

상기의 결과로부터, 루브라이트처리를 실시한 캠의 표면은 인산염피막에 의해 종래품의 캠의 표면보다도 거칠게되지만, 조정심과의 슬라이드에 의해 인산염피막이 탈락해서 캠이 연마되기 때문에, 시험후에는 캠의 표면은 종래품보다도 표면조도가 작게되는 것을 알 수 있다.

또, 조정심의 표면조도 Rz를 0.1μm이하로 함으로써, 상대부재인 캠의 마모량을 현저히 감소시킬 수 있는 것을 알 수 있다.

본 발명의 조정심과 캠의 조합에 의하면, 부품의 브레이크인 중 또는 운전초기에 캠의 표면조도를 향상시켜서 경게윤활이 되는 부분의 마찰저항을 낮출 수가 있으며, 캠과 심간의 슬라이드특성을 개선해서 캠샤프트구동토크를 종래보다도 대폭적으로 저감시킬수 있다.

또, 브레이크인 중 또는 운전초기에 캠의 표면조도를 향상시킬 수 있기 때문에, 복합한 형상의 캠의 표면에 특별한 초정밀사상가공을 행하기 않아도 마찰손실을 저감시키는 것이 가능해서, 경제적으로도 극히 유리하다.

Claims

자동차용 내연기관의 밸브구동장치에 사용하는 조정심과 캠의 조합에 있어서, 상기 조정심이 상기 캠과의 슬라이드면의 표면조도를 심점평균조도Rz로 0.1μm이하로 한 60체적%이상의 질화규소 또는 사이알론을 함유하는 세라믹스로 이루어지고, 상기 캠이 표면을 칠경화한 후 인산염피막을 형성한 주철로 이루어진 것을 특징으로 하는 조정심과 캠의 조합.
제1항에 있어서, 상기 조정심을 구성하는 상기 세라믹스가 모노리식세라믹스, 또는 섬유, 위스커 또는 분산입자로 강화한 세라믹스복합재로 이루어진 것을 특징으로 하는 조정심과 캠의 조합.
제1항에 있어서, 상기 조정심을 구성하는 상기 세라믹스의 이론밀도가 95%이상이며, 매트릭스의 평균입자직경이 10μm이하인 것을 특징으로 하는 조정심과 캠의 조합.
제2항에 있어서, 상기 조정심을 구성하는 상기 세라믹스의 이론밀도비가 95%이상이며, 매트릭스의 평균입자직경이 10μm이하인 것을 특징으로 하는 조정심과 캠의 조합.
제1항에 있어서, 상기 캠의표면에 형성된 상기 인산염피막이 인산망강염피막인 것을 특징으로 하는 조정심과 캠의 조합.
제2항에 있어서, 상기 캠의 표면에 형성된 상기 인산염피막이 인산망간염 피막인 것을 특징으로 하는 조정심과 캠의 조합.
제3항에 있어서, 상기 캠의 표면에 형성된 상기 인산염피막이 인산망간염 피막인 것을 특징으로 하는 조정심과 캠의 조합.
제4항에 있어서, 상기 캠의 표면에 형성된 상기 인산염피막이 인산망간염 피막인 것을 특징으로 하는 조정심과 캠의 조합.