JP2006300053A - バルブリフタ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】バルブリフタ20は、動弁カム13が摺動する摺動面21a1が形成された天井部21aを有する。摺動面21a1は、最大凹み量dが20μm≦d<0μmの凹曲面C1、最大突出量hが0μm<h≦10μmの凸曲面C3、または天井部21aの中心軸線Lに直交する平面C2からなる。摺動面21a1の表面硬度は500〜750Hmvである。
【選択図】 図1
Description
請求項2記載の発明は、請求項1記載のバルブリフタにおいて、前記摺動面は、最大突出量hが0μm<h≦10μmの凸曲面または平面からなり、表面硬度は650〜750Hmvであり、表面硬度の上限値は、前記摺動面が平面であるときの750Hmvから最大突出量hが10μmのときの650Hmvまで、増加する最大突出量hに比例して減少するものである。
請求項3記載の発明は、請求項1記載のバルブリフタにおいて、前記摺動面は最大凹み量dが0μm<d≦20μmの凹曲面からなり、表面硬度が750Hmv以下であるものである。
請求項4記載の発明は、請求項1記載のバルブリフタにおいて、前記凹曲面からなる前記摺動面は、前記天井部の鉛直方向での上面により構成されるものである。
請求項5記載の発明は、請求項1〜4のいずれか1項記載のバルブリフタにおいて、前記天井部はチタン合金により形成されるものである。
請求項6記載の発明は、請求項3記載のバルブリフタの製造方法であって、前記天井部の素材を、前記摺動面となる摺動面形成面が鉛直方向で上方を向くように設置した後、前記素材に熱処理を施し、前記熱処理中に前記素材の自重により前記摺動面形成面を凹曲面に形成するバルブリフタの製造方法である。
請求項7記載の発明は、請求項6記載のバルブリフタの製造方法において、前記素材は、前記天井部の下面となる下面形成面の中心部に、内燃機関の機関バルブを直接またはインナーシムを介して押圧する突出部となる突出部形成部を有するものである。
請求項8記載の発明は、請求項6又は7記載のバルブリフタの製造方法において、前記熱処理を施す前の前記摺動面形成面を凸状に形成したものである。
請求項9記載の発明は、請求項6〜8のいずれか1項記載のバルブリフタの製造方法において、前記天井部はチタン合金により形成され、前記熱処理は素材の表面を酸化する酸化処理であるものである。
請求項2記載の事項によれば、摺動面の表面硬度の上限値が増加する最大突出量に比例して減少することにより、表面硬度の上限値が高くなるほど最大突出量が小さくなるので、摺動面の表面硬度が高い領域で、摺動面の所要の耐ピッチング性を確保できる。
請求項3記載の事項によれば、表面硬度が500Hmv以上750Hmv以下でカムのエッジによる摺動面の偏磨耗の発生が抑制されるので、表面硬度が500Hmv以上750Hmv以下の全領域に渡って偏磨耗に対する耐磨耗性に優れた摺動面を有するバルブリフタが得られる。
請求項4記載の事項によれば、鉛直方向で上方を指向する摺動面が天井部に一体に形成されるので、摺動面に潤滑油を滞留保持させてカムとの潤滑性を向上させることができ、また、別体とされる特別の構造部品が必要でないので、バルブリフタの構造が単純化され、バルブリフタの軽量化及び製造コストの削減を図ることができる。
請求項5記載の事項によれば、天井部がチタン合金製であるから、硬質金属よりなるバルブリフタに比べて、ヤング率が低い特徴を活かしてカムのエッジ当たりを抑制して、偏磨耗を低減することができる。
チタンはスチールと比べてヤング率が低いので、カムとの摺動面の面圧が上がると弾性変形し、カムとの接触面が増加するので、荷重を広い面で受けることになり、結果として面圧の上昇が抑制され、チタン合金製リフタの凹状摺動面はリフタの回転の安定化と潤滑油の摺動面への確保を図り、また、該摺動面外周部の磨耗に対する強度が保持される。
請求項6記載の発明によれば、素材において、完成品としてのバルブリフタの天井部となる天井部形成部の熱処理中に、天井部形成部は重力の作用下でその自重により、その中央部がやや落ち込みむように下垂して自ら凹曲面を形成する。よって、摺動面は、特別な加工を施すことなく、単に天井部形成部の自重を利用して容易に形成できるので、その製造工数と製造コストを低減することができる。
請求項7記載の事項によれば、天井部に形成されて機関バルブを押圧する突出部を利用して、突出部形成部により素材の中心位置が最も重くなることから、摺動面の凹曲面の中心位置を天井部の中心位置に略一致させることができ、成形精度が向上する。さらに、突出部形成部の形状を変えることで、摺動面の凹曲面の形状を変化させて、形状の調整を図ることができる。また、運転時の摺動面の剛性を調整することができる。
請求項8記載の事項によれば、前記熱処理を施す前の摺動面形成面を凸状に形成することで、凸状の突出量を調整することにより、熱処理を施した後の摺動面形成面の凹曲面の最大凹み量を調整することができる。
請求項9記載の事項によれば、チタン合金からなる素材の、高温下での酸化処理中に、天井部形成部の自重を利用することにより、摺動面形成面を凹曲面に形成することができることから、該凹曲面を形成するための単独の工程を別途設ける必要がなく、製造工数および製造コストの低減に寄与する。
図1を参照すると、本発明が適用されたバルブリフタ20は、機械としての内燃機関の動弁装置に備えられる。動弁装置は、内燃機関のクランク軸により回転駆動されるカム軸に設けられた動弁カム13と、該動弁カム13により押圧駆動されるバルブリフタ20とを備える。動弁カム13は、バルブリフタ20を介してバルブとしての機関バルブである吸気バルブまたは排気バルブを開弁駆動する。
上端が閉鎖された円筒状の筒状部材であるバルブリフタ20は、内燃機関のシリンダヘッドに摺動可能に案内される円筒状の筒状部22と、該筒状部22の上端を閉鎖する天井部21とを備え、筒状部22および天井部21がチタン合金により一体成形された部材である。天井部21の上面21aは、動弁カム13が摺動する摺動面21a1を構成することから、該摺動面21a1はバルブリフタ20に一体に形成される。
なお、明細書または特許請求の範囲において、バルブリフタ20に関する上下方向は、特に断らない限り、図1に示されるバルブリフタ20の位置での上下方向、すなわちバルブリフタ20の中心軸線Lに平行な方向であるとする。
表面硬度が500Hmv未満では摺動面21a1の磨耗が許容値を越えて大きくなり、表面硬度を表面処理により750Hmvを越える硬度に上げると、天井部21や筒状部22に変形が発生することがある。
また、摺動面21a1の最大凹み量dが20μmを越えて大きくなると、動弁カム13のエッジ13aによる偏磨耗が発生し、摺動面21a1の最大突出量hが10μmを越えて大きくなると、耐ピッチング性が許容値を越えて低下する。
そして、摺動面21a1が凸曲面C3により構成される場合の耐ピッチング性に関して、最大突出量hが本発明の範囲から外れているために耐ピッチング性が本発明に比べて劣る比較例1〜4がプロットされた図2を参照すると、表面硬度が500〜650Hmvのときは、最大突出量hと表面硬度のうちで、最大突出量hが主に耐ピッチング性を支配する要素であり、表面硬度の大きさに関わらず最大突出量hが10μm以下であることが必要である。また、表面硬度が650〜750Hmvのときは、最大突出量hおよび表面硬度の両者が耐ピッチング性を支配する要素となるため、表面硬度の増加につれて最大突出量hを小さくする必要がある。
これに基づいて、摺動面31a1が凸曲面から構成されるとき、表面硬度が500〜650Hmvのとき、最大突出量hは0μm<h≦10μmであり、表面硬度が650〜750Hmvのとき、最大突出量hは、表面硬度が650Hmvのときの10μmから、表面硬度が750Hmvのときの0(すなわち、摺動面31a1が平面から構成されるときである。)近傍まで、増加する表面硬度に比例して最大突出量hが小さくされる。
また、筒状部22の外周面により構成される摺動面22a1に耐摩耗性を付与するため、摺動面22a1の表面硬度も500〜750Hmvである。
ここで、最大凹み量dおよび最大突出量hは、それぞれ、図1(A),(B)に示されるように、摺動面21a1の外周部からの凹み量の最大値および突出量の最大値である。
図1(A)に示されるように、摺動面21a1が凹曲面C1により構成されるバルブリフタ20においては、素材の天井部形成部(素材において、完成品としてのバルブリフタ20の天井部21となる部分)を、前記摺動面形成面が鉛直方向で上方を向くように設置した後、該素材に熱処理である前記酸化処理を施し、該酸化処理中に前記天井部形成部の自重により前記摺動面形成面を凹曲面C1に形成する。さらに、好ましくは、素材には、下面形成面(素材において、完成品としてのバルブリフタ20の天井部21の下面21bとなる部分)の中心部に、内燃機関の機関バルブを直接またはインナーシムを介して押圧する突出部21b1となる突出部形成部を有する。これにより、前記天井部形成部の自重を利用して、凹曲面C1からなる摺動面21a1を容易に形成でき、さらに、機関バルブを押圧する突出部21bを利用することにより、前記天井部形成部の中心位置が最も重くなることから、摺動面21a1の凹曲面C1の中心位置を天井部21の中心位置に略一致させることができる。
また、前記酸化処理を施す前の前記摺動面形成面を凸曲面からなる凸状に形成することにより、凸状の突出量を調整することにより、摺動面21a1の凹曲面C1の最大凹み量dを調整することができる。
図3には、本発明のバルブリフタ20が使用される動弁装置を備える、DOHC型内燃機関Eのシリンダヘッド1の周辺構造が図示されている。
シリンダヘッド1は、シリンダブロック2の上部に接続固定され、さらにシリンダブロック2はその下部において図示されないクランクケース上部に接続固定され、これら3者が互いにボルトで締め付けられることで一体化され、さらにシリンダヘッド1の上部開放部がヘッドカバー3により覆われることで内燃機関Eの主要部が形成される。
そして、バルブリフタ20の筒状部22は、その外径に対して長さのやや短い、しかも筒状部22の肉厚は略一定であり、天井部21の肉厚に比して薄めに形成されている。
なお、以下の説明において、「P部形成部」または「P面形成面」(ここで、「P」は、完成品としてのバルブリフタ20の特定の部分または部位を意味する。)とは、バルブリフタ20の素材において、製造後に、完成品としてのバルブリフタ20のP部またはP面となる部分を意味する。
図5(a)に示すように、先ず、バルブリフタ20の形成材として、チタン合金の棒材、例えば、0.96wt%Fe、0.28wt%Oおよび不可避不純物を含む残部Tiよりなるチタン合金の丸棒が用意され、該丸棒から円盤型のビレット201を切出し、次いで該ビレット201に潤滑処理を施す。
ビレット201を鍛造温度Tfに加熱し、次いで、そのビレット201に温間鍛造を施して、図5(b)に示すリフタ用一次素材202、例えば、外径が26mm、高さが21mmの一次素材202を製作する。
この一次素材202は、シリンダヘッド1のリフタガイド孔1c内に挿入される筒部として形成された筒状部形成部222と、該筒状部形成部222の一端を閉鎖して動弁カム13と対向する端部壁を形成する天井部形成部212を持つ一端閉鎖の略円筒形状をなす。そして、該天井部形成部212の下面(下面形成面)212bの中央部には突出部形成部212b1が形成される。
一次素材202の筒状部形成部222の外周面、端部壁として形成された天井部形成部212の摺動面形成面212aおよび筒状部形成部222の摺動面形成面222aに機械加工を施して、図5(c)に図示される所定寸法に仕上げられたリフタ用二次素材203を製作する。二次素材203の製作は、該二次素材203の摺動面形成面212aが、後述される酸化処理中の重力下垂現象で最大凹み量d(図1(A)参照)が20μm以下の凹曲面となるように行われる。
次いで、その二次素材203に洗浄処理を施す。
二次素材203を大気雰囲気下の加熱炉内に設置して、二次素材203に、大気中にて加熱温度T1を、T1≧600°Cに設定した酸化処理を施し、図6(d)に示すように、二次素材203の全表面形成面203Aに酸化処理後の酸素拡散層204Bが形成された中間体であるリフタ用三次素材204を得る。
酸化処理終了後の三次素材204は、図6(f)に図示されるように、天井部形成部214が断面形状で凹状に彎曲する。
酸化処理後の三次素材204は、その後、冷却され、適宜必要とされる表面仕上げや必要とされる個所における研磨機等の機械による加工処理が施され、完成品としてのバルブリフタ20とされる。
摺動面21a1は、最大凹み量dが20μm≦d<0μmの凹曲面C1、最大突出量hが0μm<h≦10μmの凸曲面C3、または天井部21の中心軸線Lに直交する平面からなり、摺動面21a1の表面硬度は500〜750Hmvであることにより、摺動面21a1の表面硬度が500Hmv以上750Hmv以下であるので、二次素材203の全表面形成面203Aに施される酸化処理に起因して天井部21や筒状部22に変形が発生することなく摺動面21a1の磨耗が許容値内に収まり、しかも摺動面21a1の最大凹み量dが20μm以下であるので、動弁カム13のエッジによる摺動面21a1の偏磨耗の発生が抑制されるので、耐磨耗性に優れた摺動面21a1を有するバルブリフタ20が得られる。また、摺動面21a1の最大突出量hが10μm以下であるので、耐ピッチング性に優れた摺動面21a1を有するバルブリフタ20が得られる。
換言すれば、摺動面31a1が凸曲面C3から構成されるとき、表面硬度が500〜650Hmvのとき、最大突出量hは0μm<h≦10μmであり、表面硬度が650〜750Hmvのとき、最大突出量hは、表面硬度が650Hmvのときの10μmから、表面硬度が750Hmvのときの0(すなわち、摺動面31a1が平面から構成されるときである。)近傍まで、増加する表面硬度に比例して最大突出量hが小さくされることにより、摺動面21a1の所要の耐ピッチング性が確保される。
熱処理は三次素材204の表面形成面204A1,204A2を酸化する酸化処理であることにより、チタン合金からなる三次素材204の、高温下での酸化処理中に、天井部形成部214の自重を利用することにより、摺動面形成面214a1を凹曲面に形成することができることから、該凹曲面を形成するための単独の工程を別途設ける必要がなく、製造工数および製造コストの低減に寄与する。
以下、前述した実施形態の一部の構成を変更した実施形態について、変更した構成に関して説明する。
天井部と、該天井部とは別個の部材である筒状部とが一体に結合されて構成されてもよい。この場合、天井部のみがチタン合金により形成されてもよい。
バルブリフタは、チタン合金以外の金属から形成されてもよい。また、熱処理は、酸化処理である必要はなく、酸化処理以外の熱処理であってもよい。
凹曲面および凸曲面は、ほぼ球面から構成されたが、球面以外の曲面により構成されてもよい。
Claims (9)
- カムが摺動する摺動面が形成された天井部を有するバルブリフタにおいて、
前記摺動面は、最大凹み量dが20μm≦d<0μmの凹曲面、最大突出量hが0μm<h≦10μmの凸曲面、または前記天井部の中心軸線に直交する平面からなり、前記摺動面の表面硬度は500〜750Hmvであることを特徴とするバルブリフタ。 - 前記摺動面は、最大突出量hが0μm<h≦10μmの凸曲面または平面からなり、表面硬度は650〜750Hmvであり、表面硬度の上限値は、前記摺動面が平面であるときの750Hmvから最大突出量hが10μmのときの650Hmvまで、増加する最大突出量hに比例して減少することを特徴とする請求項1記載のバルブリフタ。
- 前記摺動面は最大凹み量dが0μm<d≦20μmの凹曲面からなり、表面硬度が750Hmv以下であることを特徴とする請求項1記載のバルブリフタ。
- 前記凹曲面からなる前記摺動面は、前記天井部の鉛直方向での上面により構成されることを特徴とする請求項1記載のバルブリフタ。
- 前記天井部はチタン合金により形成されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項記載のバルブリフタ。
- 請求項3記載のバルブリフタの製造方法であって、
前記天井部の素材を、前記摺動面となる摺動面形成面が鉛直方向で上方を向くように設置した後、前記素材に熱処理を施し、前記熱処理中に前記素材の自重により前記摺動面形成面を凹曲面に形成することを特徴とするバルブリフタの製造方法。 - 前記素材は、前記天井部の下面となる下面形成面の中心部に、内燃機関の機関バルブを直接またはインナーシムを介して押圧する突出部となる突出部形成部を有することを特徴とする請求項6記載のバルブリフタの製造方法。
- 前記熱処理を施す前の前記摺動面形成面を凸状に形成したことを特徴とする請求項6又は7記載のバルブリフタの製造方法。
- 前記天井部はチタン合金により形成され、前記熱処理は素材の表面を酸化する酸化処理であることを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項記載のバルブリフタの製造方法。
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