JP3659963B2 - 自動車エンジン用タイミングチェーン - Google Patents
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Description
本発明は、自動車用エンジンのカム軸伝動機構に用いられるタイミングチェーンに関する。
近年、自動車用エンジンのカム軸伝動機構等に用いられる動力伝達媒体には、高荷重、高速化及びメンテナンスフリー化の要請から、従来、多用されていた歯付ベルトに代わり、耐久性に優れた金属製ローラチェーンの採用が増加している。
一般に金属製ローラチェーンは、円筒状のブシュの両端部が各々一対の内プレートのブシュ孔に圧入され、前記ブシュ内に遊貫されたピンの両端が、前記一対の内プレートの両外側に配置された一対の外プレートのピン孔に圧入され、且つ、前記ブシュにローラを外挿した構成をしている。
このような構成をした従来の金属製ローラチェーンにおいては、強度向上、摩耗伸び性能向上を狙って、ピンに焼入・焼戻処理や浸炭・窒化処理等の熱処理加工を施したり、ピン表面に炭化クロム層を設けたり、焼結合金等の合金鋼で形成したブシュに浸炭処理や窒化処理を施したりしていた（例えば、特許文献１参照）。
実開平１−１４９０４８号公報
ところが、上述した金属製ローラチェーンにおいては、ピンやブシュへの熱処理加工やピン表面への炭化クロム層の形成にもかかわらず、自動車用エンジンのタイミングチェーンに使用した際に、期待した耐久性を発揮せずに異常摩耗伸びを生じるローラチェーンが、ごくわずかであるが存在することが報告された。自動車用エンジンでは、通常は、テンショナにより自動車エンジン用タイミングチェーンの伸びを吸収することができるが、その限界を超えた場合には騒音が発生したり、スプロケットの歯飛びが発生して、エンジンの静粛性・耐久性を損なうことが懸念されている。そのため、自動車エンジン用タイミングチェーンの異常摩耗伸びを克服し、エンジンの性能と信頼性を一層向上させることが、急務の課題であった。
本発明者らが、上記の課題解決のために鋭意研究を重ねたところ、定期的な潤滑油交換等の適切なメンテナンスを行っている自動車を通常の走行条件で走行させている場合には、上述したようなローラチェーンの異常摩耗伸びは発生しないが、潤滑油交換等を怠り、エンジンルーム内の潤滑油が著しく劣化し、潤滑油の酸化が、ｐＨ＜４．５にまで進行した際に発生することが判明した。そのメカニズムは、ブシュ表面が酸化度の高い潤滑油により腐食され、さらに、高負荷下におけるブシュとピンの摺接により、摺接面の摩耗が促進されるものと推察される。
さらに、摩耗により生じた摩耗粉がピンとブシュの間に夾雑物として存在することにより、摩耗が一層促進する、いわゆるアブレシブ摩耗が、ピン及びブシュの摺接面の異常摩耗の原因となっていることも明らかになった。しかも、ピンとブシュが親和性の高い材質、例えば、同種素材で構成されている場合には、両者が凝着しやすく、自動車エンジン用タイミングチェーンの円滑な屈曲摺動を阻害する原因となっていることも明らかになった。
そこで、本発明の目的は、前述したような従来の自動車エンジン用タイミングチェーンが抱えていた問題点を解消し、エンジンルーム内の極端に劣化した酸化度の高い潤滑油と共に使用された場合に酸化や腐食の影響を受けにくく、ピンとブシュとの凝着に起因する摩耗を抑制することができ、長期に亘って円滑に屈曲摺動する自動車エンジン用タイミングチェーンを提供することにある。
請求項１に記載の自動車エンジン用タイミングチェーンは、ブシュの両端がそれぞれ一対の内プレートのブシュ孔に圧入され、前記ブシュ内に遊貫されたピンの両端が前記一対の内プレートの両外側に配置された一対の外プレートのピン孔に圧入され、且つ、前記ブシュにローラが外挿されている自動車エンジン用タイミングチェーンにおいて、前記ブシュの材質を浸炭処理を施したステンレス鋼とし、前記ピンの表面に、炭化バナジウム層を形成することにより、上記の課題を解決するものである。
請求項２に記載の自動車エンジン用タイミングチェーンは、請求項１に記載の自動車エンジン用タイミングチェーンの構成に加えて、前記ステンレス鋼を、熱処理のできるマルテンサイト系ステンレス鋼としたことにより、上記課題の更なる解決を図るものである。
請求項１に係る自動車エンジン用タイミングチェーンは、ブシュの材質を浸炭処理を施したスンレス鋼とし、ピン表面に炭化バナジウム層を形成しているので、ブシュの材質として採用した浸炭処理を施したステンレス鋼の不動態化作用によりブシュ表面に安定な不動態膜が形成され、エンジンルーム内の極端に劣化した酸化度の高い潤滑油中で使用した場合においても、酸化や腐食の影響を受けにくくなる。
また、ピン表面に形成した炭化バナジウム層による被覆作用により、ブシュとピンとの凝着に起因する摩耗が抑制される。
これらの作用の相乗効果により、エンジンルーム内の酸化雰囲気中における耐酸性、耐腐食性が向上する。
また、ピン表面に形成した炭化バナジウム層による被覆作用により、ブシュとピンとの凝着に起因する摩耗が抑制される。
これらの作用の相乗効果により、エンジンルーム内の酸化雰囲気中における耐酸性、耐腐食性が向上する。
さらに、請求項２に係る自動車エンジン用タイミングチェーンは、請求項１に係る自動車エンジン用タイミングチェーンが奏する効果に加えて、前記ステンレス鋼としてマルテンサイト系ステンレス鋼を用いることにより、焼入れ硬化が可能になり、ブシュの高強度化が図られる。
これらの効果により、静粛性・耐久性・信頼性に優れ、長期に亘って円滑に屈曲摺動する自動車エンジン用タイミングチェーンが提供される。しかも、自動車エンジン用タイミングチェーンと共に使用する潤滑油の耐用期間の長期化も図られ、環境負荷低減にも寄与する。
本発明の実施の形態を実施例に基づき、図１を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施例である自動車エンジン用タイミングチェーンの一部を示す斜視図である。この図１では、自動車エンジン用タイミングチェーンの内部構造が分かるように、その一部を切り欠いた状態で図示している。
自動車エンジン用タイミングチェーン１０は、ブシュ１２の両端がそれぞれ一対の内プレート１１のブシュ孔１１ａに圧入され、前記ブシュ１２内に遊貫されたピン１５の両端が前記一対の内プレート１１の両外側に配置された一対の外プレート１４のピン孔１４ａに圧入されている。そして、前記ブシュ１２にローラ１３を回転自在に外挿している。
このような本発明のローラチェーンからなる自動車エンジン用タイミングチェーン１０は、ブシュ１２が浸炭処理を施したステンレス鋼により構成されていると共に、ピン１５の表面１５ａに、厚さ６〜２０μｍの炭化バナジウム層が形成されている。この炭化バナジウム層は、次のような方法により形成される。
まず、０．１〜０．４重量％の炭素を含有し、マンガン、ケイ素、クロム、モリブデン等の少なくとも１種以上の添加成分を含有し、残余は、鉄および不純物からなる鋼材でできたピンに浸炭処理を施し、その表面に炭素量０．７〜１．０重量％の高炭素表面層を形成する。次に、このピン周辺にバナジウム粉末又はバナジウム合金粉末を充填して、９００〜１１００℃の高温下で５〜２５時間加熱処理する“粉末浸透法”により、ピンの表面に炭化バナジウム層を形成する。
なお、上述した実施例では、製造コスト等の観点から“粉末浸透法”により、ピンの表面に炭化バナジウム層を形成しているが、この方法以外にも、溶融塩中で処理する“溶融浸透法”や気相化学反応によってピン表面に炭化バナジウムの薄膜を形成する“化学蒸着法”、あるいは、高温加熱・スパッタリング・アーク放電などの物理的方法でバナジウムを蒸発させ、ピン表面に凝縮させることにより、ピン表面に炭化バナジウム層を形成する“物理蒸着法”など、ピン表面に確実に炭化バナジウム層を形成することができる方法であれば、その形成方法については、特に限定されるものではない。
さらに、ブシュ１２に使用するステンレス鋼を、マルテンサイト系ステンレス鋼とすることにより、焼入れ硬化が可能となり、ブシュの高強度化が図られる。このマルテンサイト系ステンレス鋼は、ステンレス鋼をＡｃｍ変態点以上の温度に加熱、保存し、一様なオーステナイト組織とし、油中（あるいは、水中）で急冷することにより、得ることができる。ここでＡｃｍ変態とは、過共析鋼のみに存在する変態であって、その変態点は炭素量が増加するにつれて上昇する。具体的には、炭素含有量が０．８５％の時には、７２６℃であり、２．１％の時には、１１４５℃である。
図２乃至図４は、上記実施例の自動車エンジン用タイミングチェーンの耐摩耗性を評価するために行ったチェーン伸び試験の結果を従来品の結果とともに示している。図２は、酸化劣化潤滑油中での試験結果を、図３は、新品潤滑油中での試験結果を、図４は、スーツ（ｓｏｏｔ：煤）、すなわち、アブレシブ摩耗の原因ともなるカーボンを主成分とする煤を含有した潤滑油中での試験結果を示している。なお、従来品は、従来の合金鋼に浸炭処理したブシュと炭化クロム層を形成したピンとの組み合わせからなる自動車エンジン用タイミングチェーンを用いている。
図３に示すように、本発明の自動車エンジン用タイミングチェーンは、新品潤滑油中では、伸び特性の改善は従来品に比べて２〜３％程度であり、顕著な効果は、みられない。
しかしながら、図２に示すように、酸化劣化潤滑油中においては、従来品よりも伸び率が５０時間後において、８０％以上低減することが確認された。また、図４が示すように、スーツ入り潤滑油中においては、従来品と比較して伸び率が、２０％程度低減されることが確認された。
これらの試験結果から、本発明の自動車エンジン用タイミングチェーンは、ブシュ材のステンレス鋼が合金鋼に比較して、酸化雰囲気における耐食性に優れているため、エンジンルーム内の酸化劣化潤滑油中において、耐摩耗特性が大きく改善することが結論づけられた。さらに、浸炭熱処理だけを施したものや、炭化クロム層を形成したものに比べて、ピンの表面に炭化バナジウム層を形成したものは、硬質であるため、スーツ入り潤滑油中での耐摩耗特性が向上する。
炭化バナジウム層の形成による表面処理は、これまで、浸炭熱処理や炭化クロム層形成等の他の表面処理と比べて、それほど有利な表面処理とは認識されていなかったが、上述した実験結果が示すように、酸化劣化潤滑油中やスーツ入り潤滑油中という過酷な条件下で使用されることのある自動車エンジン用タイミングチェーンのピンの被覆材料としては、きわめて優れた材料であることが確認された。
さらに、ステンレス鋼は酸に対して有利というのは、認識されていたが、高負荷・高回転の領域で使用される自動車エンジン用タイミングチェーンのブシュ材としては、硬さ等の観点から不向きであるとされていたが、浸炭処理を施すことにより、この問題が解決され、エンジンルーム内の酸化雰囲気で高負荷・高回転という過酷な環境下で使用される自動車エンジン用タイミングチェーンのブシュ材として、きわめて優れた特性を有していることが確認された。
さらに、ステンレス鋼は酸に対して有利というのは、認識されていたが、高負荷・高回転の領域で使用される自動車エンジン用タイミングチェーンのブシュ材としては、硬さ等の観点から不向きであるとされていたが、浸炭処理を施すことにより、この問題が解決され、エンジンルーム内の酸化雰囲気で高負荷・高回転という過酷な環境下で使用される自動車エンジン用タイミングチェーンのブシュ材として、きわめて優れた特性を有していることが確認された。
特に、ブシュ材にステンレス鋼を使用する場合、ピン表面に形成した炭化バナジウム層により、ピンとブシュの凝着が抑制されるため、ステンレス鋼表面に形成される不動態膜の作用と相まって、チェーンの耐摩耗性・耐久性の向上が図られる。
本発明は、自動車エンジン用タイミングチェーンの異常摩耗伸びが潤滑油の酸化劣化に起因することを解明し、その異常摩耗伸びのメカニズムを踏まえて、ブシュの材質及びピン素材表面の被覆材料の最適化を図ったことにより、特殊な製造設備や高価な材料を用いることなく、きわめて再現性良く異常摩耗伸びの発生を回避することができる点で、産業上の利用可能性は、きわめて大きい。
１０ ・・・ 自動車エンジン用タイミングチェーン
１１ ・・・ 内プレート
１１ａ ・・・ ブシュ孔
Ｉ２ ・・・ ブシュ
１３ ・・・ ローラ
１４ ・・・ 外プレート
１４ａ ・・・ ピン孔
１５ ・・・ ピン
１５ａ ・・・ ピンの表面
１１ ・・・ 内プレート
１１ａ ・・・ ブシュ孔
Ｉ２ ・・・ ブシュ
１３ ・・・ ローラ
１４ ・・・ 外プレート
１４ａ ・・・ ピン孔
１５ ・・・ ピン
１５ａ ・・・ ピンの表面
Claims (2)
- ブシュの両端がそれぞれ一対の内プレートのブシュ孔に圧入され、前記ブシュ内に遊貫されたピンの両端が前記一対の内プレートの両外側に配置された一対の外プレートのピン孔に圧入され、且つ、前記ブシュにローラが外挿されている自動車エンジン用タイミングチェーンにおいて、
前記ブシュの材質を浸炭処理を施したステンレス鋼とするとともに、前記ピンの表面に炭化バナジウム層を形成したことを特徴とする自動車エンジン用タイミングチェーン。 - 前記ステンレス鋼を、マルテンサイト系ステンレス鋼としたことを特徴とする請求項１に記載の自動車エンジン用タイミングチェーン。
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