JPH0893418A - ローラーロッカーアーム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 構造が簡単であって、小型化及び軽量化が可
能であり、しかも摩擦損失が少なく、耐久性に優れるロ
ーラーロッカーアームを提供する。 【構成】 カム７と当接するローラーが金属内軸に回転
自在に直接挿着された窒化ケイ素系のラミックス滑りロ
ーラー６であって、該セラミックス滑りローラー６のカ
ム７との摺動部である外周面及び金属内軸４との摺動部
である内周面の表面粗さが、十点平均粗さで０.５μｍ
以下であるローラーロッカーアーム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関の動弁機構に
おいて、カムとバルブの間に揺動可能に介在するロッカ
ーアーム、特にカムに当接する部分がローラからなるロ
ーラロッカーアームに関する。

【０００２】

【従来の技術】エンジンの吸気弁と排気弁を駆動させる
動弁系装置には各種の方式が存在し、スイング式のロッ
カーアームもその一つである。このロッカーアームはエ
ンジンブロックに軸によって支持され、一端がエンジン
に同期して回転するカムに当接し且つ他端がバルブに作
用するように、カムとバルブの間に揺動可能に設けられ
ている。

【０００３】かかるスイング式のロッカーアームは、カ
ムに当接する部分の違いによりスリッパ式とローラー式
の２種類に大別される。スリッパ式のロッカーアームは
従来から通常使用されている方式であって、図２に示す
ように、カムとの当接部分に超硬合金製チップ２を具
え、カムから伝達される動力を滑り摺動によって受ける
ものであり、構造が簡単なためコストが安く且つ軽量で
あるというメリットがある。しかし、滑り摩擦によって
生じる摩擦損失が大きく、また摺動部の面圧が高いこと
から耐久性を向上させるためには摺動部の面積を大きく
する必要があるので、小型化することが非常に困難であ
る等の欠点を有する。

【０００４】一方、ローラー式は、図３又は図４に示す
ように、カムとの当接部分にローラー３を具え、カムか
らの動力をローラー３が転動しながらバルブに伝達する
方式であり、スリッパ式に比べて摩擦損失が小さく、耐
久性にも優れている。従来のローラー式は、ローラー３
と金属内軸４との摩擦係数を低減させるために、ローラ
ー３がニードルベアリング５を介して金属内軸４に回転
可能に支持されているニードルローラー方式（図３参
照）が主流である。しかし、ニードルローラー方式は、
摩擦損失の低減や耐久性の向上には有効であるが、構造
が複雑となるためコスト高となるほか、ロッカーアーム
の小型化及び軽量化には不適であった。

【０００５】又、ローラー式のロッカーアームには、ニ
ードルベアリングを介在させない滑りローラー方式（図
４参照）も存在する。しかしながら、滑りローラー方式
ではローラー３と金属内軸４との間の摩擦損失が高くな
るので、ローラー３と金属内軸４との局所的な凝着によ
る摩耗や焼き付きが発生しやすい欠点があった。そのた
め、従来の滑りローラー方式においては、金属内軸４に
潤滑油供給用の細管（図示せず）を設けたり、ローラー
３と金属内軸４の間に摩耗係数の低いブッシュ（図示せ
ず）を介在させる等の対策が不可欠であった。従って、
従来は滑りローラー方式といっても構造が複雑であり、
コスト高となることが免れなかった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】近年、自動車の排気ガ
ス規制等の環境問題からエンジンの燃費の改善が要求さ
れ、エンジンの摩擦損失の低減が必須となっている。特
にディーゼルエンジンに限って言えば、排気ガス規制の
対象となるＮＯ_Xとトレードオフの関係にあるＰ／Ｍ
（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）による摩耗
の問題が深刻になっており、エンジン内全ての摺動部の
耐摩耗性向上が必要になってきている。又、エンジンの
高出力化への要望も高まっており、そのための高回転化
には動弁系の小型化及び軽量化が不可欠である。

【０００７】本発明は、かかる従来の事情に鑑み、構造
が簡単であって、小型化及び軽量化が可能であり、しか
も摩擦損失が少なく、耐久性に優れるローラーロッカー
アームを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明が提供するローラーロッカーアームは、カム
と当接するローラーが金属内軸に回転自在に直接挿着さ
れた窒化ケイ素系セラミックスの滑りローラーであっ
て、該セラミックス滑りローラーのカムとの摺動部であ
る外周面及び金属内軸との摺動部である内周面の表面粗
さが、十点平均粗さで０.５μｍ以下であることを特徴
とする。

【０００９】

【作用】本発明のローラーロッカーアームにおいては、
カムと当接する部分がローラーのローラー式であって、
且つローラーがニードルベアリング等を介さずに金属内
軸に直接支持されている滑りローラー方式である。本
来、滑りローラー方式では金属内軸とローラーとの摺動
部の摩擦損失が大きいことや、局部的な凝着による摩耗
や焼き付きの問題があったが、本発明ではローラーの材
質を摩擦係数がが小さく、耐摩耗性に優れ且つ表面活性
度が低い窒化ケイ素系セラミックスとすることで、金属
内軸との摩擦及び摩耗の程度を少なくすることができ、
滑りローラー方式の採用が可能となったものである。

【００１０】滑りローラー方式によれば、ローラーがカ
ムと当接することによって生じる摩擦損失が主に転がり
摩擦による損失となるため、カムとの当接部分が滑り摺
動となるスリッパ方式よりも摩擦損失が少なく、摺動に
よる摩耗の程度も少ない。しかも、滑りローラー方式は
ニードルローラー方式よりも構造が簡単であるから、小
型化及び軽量化が容易であり、高回転型エンジンの使用
にも適しているうえ、使用部品も少なくて済むためコス
トの低減を図ることができる。

【００１１】前記のごとく、本発明のローラーロッカー
アームでは、セラミックス滑りローラーは窒化ケイ素系
セラミックスで構成される。ローラーには高い面圧がか
かるから、窒化ケイ素系セラミックスは高強度であるこ
とが必要であり、具体的には曲げ強度がＪＩＳ Ｒ１６
０１に準拠する３点曲げ強度の平均で１００ｋｇ／ｍｍ
²以上であることが好ましい。３点曲げ強度の平均が１
００ｋｇ／ｍｍ²未満では、摺動時にかかる面圧により
セラミックス滑りローラーが破損する危険があるからで
ある。

【００１２】かかる高強度の窒化ケイ素系セラミックス
としては、結晶相にα−Ｓｉ₃Ｎ₄とβ’−サイアロンと
を含み、焼結体密度が９８％以上であるＳｉ₃Ｎ₄系焼結
体が望ましい。特に、前記の高い強度を安定して得るた
めには、Ｓｉ₃Ｎ₄系焼結体中のα−Ｓｉ₃Ｎ₄とβ’−サ
イアロンの各結晶相のＸ線回折におけるピーク強度が、
両者のピーク強度の和を１００％としたとき、０＜α−
Ｓｉ₃Ｎ₄≦３０％及び７０％≦β’−サイアロン＜１０
０％の関係にあることが好ましい。

【００１３】更に、本発明のローラーロッカーアームに
おいては、セラミッスク滑りローラーのカムとの摺動部
である外周面及び金属内軸との摺動部である内周面の表
面粗さを、十点平均粗さＲ_Zで０.５μｍ以下、更に好ま
しくは０.１μｍ以下とする必要がある。その理由は、
面粗さを小さく抑えることにより、ローラーの摺動部分
に安定した油膜を形成して摩擦抵抗を減少させると共
に、摺動による摩耗の低減を図ることができるからであ
る。

【００１４】即ち、エンジン部品の中でも動弁系の摺動
条件は過酷であり、その潤滑形態は主に流体潤滑と境界
潤滑とが混在する混合潤滑状態であるから、ローラーと
カム及びローラーと金属内軸との間の潤滑も混合潤滑の
形態を持ち、各部の摺動によって発生する摩擦損失は主
に境界潤滑部による損失が支配的である。そこで、これ
らの摺動部に安定した油膜の形成を促進し、境界潤滑部
を減少させることが必要であり、そのためには摺動部の
表面粗さを小さく抑えることが効果的であるからであ
る。

【００１５】又、セラミックス滑りローラーの内周面及
び外周面の表面粗さを小さく抑えることは、組み立てが
簡単で且つ潤滑性が良好なローラーロッカーアームの作
製にも効果的である。即ち、Ｓｉ₃Ｎ₄系セラミックスの
熱膨張係数は金属のそれよりも小さいから、セラミック
ス滑りローラーと金属内軸とのクリアランスの設定値を
適切な値とすることにより、ロッカーアーム組み立て時
には両者のクリアランスが大きく組み立てが容易であっ
て、エンジン運転時には熱膨張により両者のクリアラン
スが強固な潤滑油膜が形成されるクリアランスにまで縮
まり、良好な潤滑性を得ることが可能である。そのため
には、セラミックス滑りローラーの摺動面の表面粗さを
小さくし、ローラーと金属内軸との摺動面の局所的凸部
の接触を少なくしてやることが有効だからである。

【００１６】かかる構成を持つ本発明のローラーロッカ
ーアームでは、滑りローラー方式であるにも拘らず、従
来の滑りローラー方式のごとくセラミックス滑りローラ
ーを直接支持する金属内軸に潤滑油供給用の細管を設け
たり、或は金属内軸の回りにブッシュを備える必要がな
い。これは、Ｓｉ₃Ｎ₄系セラミックスが界面活性度が低
いため、セラミックス滑りローラーと金属内軸との間に
局部的な凝着による摩耗や焼き付きの恐れがないこと、
セラミックス滑りローラーと金属内軸との低い摩擦係数
により摩擦損失が小さいことによるものである。

【００１７】更に、セラミックス滑りローラーを直接支
持する金属内軸の摺動面には、ダイヤモンド状炭素膜を
被覆することが好ましい。金属内軸の摺動面にダイヤモ
ンド状炭素被膜を設けることにより、セラミックス滑り
ローラーからの攻撃に対して耐摩耗性を向上させること
ができ、摩擦損失を低減させる効果もある。尚、金属内
軸へのダイヤモンド状炭素被膜の形成はＣＶＤ法等の公
知の方法を用いて行うことができる。

【００１８】同様に、セラミックス滑りローラーによる
カムへの攻撃を低減させるため、セラミックス滑りロー
ラーのカムとの摺動部である外周面にクラウニングを施
すことが好ましい。エンジン運転時にローラーには大き
な応力が負荷され、それによってローラーは変形する
が、この時ローラー端部がカムに大きな面圧で押し付け
られ、カム表面に局部的な偏摩耗が生じる恐れがある。
これを避けるために、セラミックス滑りローラーの外周
面に、ローラーの回転方向と直角な方向に曲率を与える
こと、即ちクラウニングを施すことが好ましい。

【００１９】

【実施例】実施例１ ローラーロッカーアームのローラーとして、結晶相にα
−Ｓｉ₃Ｎ₄とβ’−サイアロンとを含み、α−Ｓｉ₃Ｎ₄
とβ’−サイアロンの各結晶相のＸ線回折におけるピー
ク強度の比率がα−Ｓｉ₃Ｎ₄が８.４％及びβ’−サイ
アロンが９１.６％であり、密度が９８％以上であるＳ
ｉ₃Ｎ₄系焼結体からなるセラミックス滑りローラーを用
意した。尚、このＳｉ₃Ｎ₄系焼結体のＪＩＳ Ｒ１６０
１に準拠した３点曲げ強度は１５２ｋｇ／ｍｍ²であっ
た。

【００２０】次に、図１に示すように、このセラミック
ス滑りローラー６のカム７との摺動部である外周面、及
び金属内軸４との摺動部である内周面の表面粗さをそれ
ぞれ変化させ、上記外周面及び内周面の表面粗さが十点
平均粗さＲ_Zで約０.５μｍ、約０.１μｍ、及び比較例
として約１.０μｍの３種類とした。

【００２１】得られた各セラミックス滑りローラー６を
スイング式のロッカーアーム１の金属内軸４に直接挿着
し、市販の排気量２０００ｃｃの４気筒１６バルブエン
ジンに取り付けた。又、他のロッカーアームとして、高
炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）のローラーをニードルベ
アリングを介して金属内軸に支持したニードルローラー
方式のロッカーアーム（図３参照）、並びにカムとの当
接部が超硬合金製チップからなるスリッパ式のロッカー
アーム（図２参照）も用意し、同様に市販のエンジンに
取り付けた。

【００２２】この動弁系に、カム軸８を駆動するモータ
ー、潤滑油供給用のポンプ、及びカム軸駆動トルク測定
用のトルクメーターを取り付け、カム軸駆動トルク測定
試験機を構成した。尚、図１中の１０は弁バネ及び１１
はバルブガイドである。この試験機を用いて、潤滑油温
度は実車搭載時を想定して８０℃、潤滑油圧は０.５ｋ
ｇｆ／ｍｍ²以上とし、クランクシャフト回転数換算に
て２０００ｒｐｍでカム軸８を回転させることにより、
各ロッカーアーム試料ごとにカム軸駆動トルクを測定し
た。得られた結果を表１に示した。

【００２３】

【表１】 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。

【００２４】表１の結果から分かるように、本発明の摺
動面が十点平均粗さＲ_Zで０.５μｍ以下の表面粗さのＳ
ｉ₃Ｎ₄系セラミックス滑りローラーを備えたローラーロ
ッカーアーム（試料１−１、２）においては、従来のス
リッパ式ロッカーアーム（試料１−４）に比べカム軸駆
動トルクが約１５％低減され、又従来のニードルローラ
ー方式のロッカーアーム（試料１−５）とほぼ同等のカ
ム軸駆動トルクの低減を図ることができる。特にセラミ
ックス滑りローラーの摺動面の表面粗さＲ_Zが０.１μｍ
以下の場合（試料１−２）には、カム軸駆動トルクの低
減が大きく、従来のスリッパ式ロッカーアームに比べて
約２０％低減させることができる。

【００２５】実施例２ 実施例１の各試料のロッカーアームを用いて、実施例１
と同一条件で１００時間運転した後、１００時間後のカ
ム摩耗量を調べた。摩耗量の測定は、カム長さ（カムの
最長部の長さ）、及びロッカーアームの摺動部、即ちロ
ーラーの摺動面間の厚さ（半径方向の厚さ）又は超硬合
金製チップの厚さを測定し、試験開始前後の差を摩耗量
とした。結果を表２に示した。

【００２６】

【表２】 表面粗さ 摩耗量(μｍ) 試 料 ロッカーアーム Ｒ_Z(μｍ) カム 摺動部 1−1 セラミックス滑りローラー 0.48 8 測定限界以下 1−2 セラミックス滑りローラー 0.09 3 測定限界以下 1−3＊ セラミックス滑りローラー 0.98 67 測定限界以下 1−4＊ スリッハ゜式 0.56 131 53 1−5＊ ニート゛ルローラー式 1.07 34 76 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。

【００２７】表２の結果から明らかなように、Ｓｉ₃Ｎ₄
系セラミックス滑りローラーは、高い硬度を持つため１
００時間後の摺動部摩耗が殆どなく、なかでも本発明の
摺動面の表面粗さが０.５μｍ以下のセラミックス滑り
ローラー（試料１−１、２）については、相手材である
カムへの攻撃性も他の比較例と比べて極めて小さいもの
であることが分かる。

【００２８】実施例３ 実施例１の試料１−２の３点曲げ強度が１５２ｋｇ／ｍ
ｍ²であるＳｉ₃Ｎ₄系焼結体からなるセラミックス滑り
ローラーを備えたローラーロッカーアームと、同じα−
Ｓｉ₃Ｎ₄とβ’−サイアロンを含むＳｉ₃Ｎ₄系であるが
３点曲げ強度が異なるセラミックス滑りローラーみを備
えたローラーロッカーアームを用意し、実施例１と同様
に摺動面の表面粗さＲ_Zを約０.１μｍとした。

【００２９】得られた各ローラーロッカーアームを、実
施例１と同様に市販の排気量２０００ｃｃの４気筒１６
バルブエンジンに取り付け、潤滑油温度は実車搭載時を
想定して８０℃、潤滑油圧は１.０ｋｇｆ／ｍｍ²以上と
し、クランクシャフト回転数換算にて６０００ｒｐｍで
カム軸を１時間回転させた。この６０００ｒｐｍという
回転数は、エンジンのエッドゾーンである。表３に、各
試料につき１６個の試験を行った結果、運転終了後にお
ける各１６個のローラーの何個が破損したか破損状況を
示した。

【００３０】

【表３】 ３点曲げ強度 ローラー破損状況試 料 ロッカーアーム (kg／mm²) (破損個数/16個) 1−2 セラミックス滑りローラー 152 破損なし(0/16) 3−1 セラミックス滑りローラー 124 破損なし(0/16) 3−2 セラミックス滑りローラー 105 破損なし(0/16) 3−3 セラミックス滑り ローラー 85 全数破損(16/16)

【００３１】表３の結果から分かるように、Ｓｉ₃Ｎ₄系
セラミックス滑りローラーの３点曲げ強度が１００ｋｇ
／ｍｍ²以上である場合に十分な信頼性を持ち、カム軸
トルクの低減と同時に、ローラーロッカーアームの軽量
化や小型化に有効であることが分かる。

【００３２】実施例４ 実施例１の試料１−２のＳｉ₃Ｎ₄系焼結体からなるセラ
ミックス滑りローラーを備えたローラーロッカーアーム
と、同じα−Ｓｉ₃Ｎ₄とβ’−サイアロンを含むＳｉ₃
Ｎ₄系であるがα−Ｓｉ₃Ｎ₄の含有率が異なるセラミッ
クス滑りローラーみを備えたローラーロッカーアームを
用意し、実施例１と同様に摺動面の表面粗さＲ_Zを約０.
１μｍとした。

【００３３】得られた各ローラーロッカーアームを、実
施例１と同様に市販の排気量２０００ｃｃの４気筒１６
バルブエンジンに取り付け、潤滑油温度は実車搭載時を
想定して８０℃、潤滑油圧は１.０ｋｇｆ／ｍｍ²以上と
し、クランクシャフト回転数換算にて６０００ｒｐｍで
カム軸を１時間回転させた。この６０００ｒｐｍという
回転数は、エンジンのエッドゾーンである。表４に、各
試料につき１６個の試験を行った結果、運転終了後にお
ける各１６個のローラーの何個が破損したか破損状況を
示した。

【００３４】

【表４】 α−Si₃N₄ ローラー破損状況試 料 ロッカーアーム (体積％) (破損個数/16個) 1−2 セラミックス滑りローラー 8.4 破損なし(0/16) 4−1 セラミックス滑りローラー 20.2 破損なし(0/16) 4−2 セラミックス滑りローラー 29.6 破損なし(0/16) 4−3 セラミックス滑り ローラー 36.1 一部破損(2/16) 4−2 セラミックス滑りローラー 41.0 一部破損(10/16) 4−3 セラミックス滑り ローラー 48.6 全数破損(16/16)

【００３５】表４の結果から分かるように、０＜α−Ｓ
ｉ₃Ｎ₄含有率≦３０体積％の条件を満たすＳｉ₃Ｎ₄系セ
ラミックス滑りローラーを用いることによって十分な信
頼性を持ち、カム軸トルクの低減と同時に、ローラーロ
ッカーアームの軽量化や小型化に有効であることが分か
る。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、従来のスリッパ式ロッ
カーアームよりもカムとの間の摩擦損失を大幅に低減さ
せることができ、又ニードルローラー式のような複雑な
構造によらなくてもカムとの摩擦損失をニードルローラ
ー式と同等程度にまで低減させることができる。

【００３７】又、窒化ケイ素系セラミックスの滑りロー
ラーを採用したことで、カムとの摺動による摩耗も低減
されるので、エンジンの高回転、高出力化への対応や、
特にディーゼルエンジンに予想されるＰ／Ｍ問題など、
益々過酷になる摩耗問題に対する有効な解決手段とな
る。

【００３８】更に、本発明のローラーロッカーアームは
構造が極めて簡単であるから、エンジン動弁系の小型化
及び軽量化に有効である。これは、ローラーへのセラミ
ックス材料の採用による軽量化の効果を含めて、これか
らの自動車エンジンの高回転及び高出力化への要望に答
え得るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミックス滑りローラーを備えたロ
ーラーロッカーアームを取り付けたエンジン動弁系を示
す概略の一部切欠側面図である。

【図２】スリッパ式ロッカーアームを示す概略の側面図
である。

【図３】ニードルローラー方式のローラーロッカーアー
ムを示す概略の側面図である。

【図４】滑りローラー方式のローラーロッカーアームを
示す概略の側面図である。

【符号の説明】

１ ロッカーアーム ２ 超硬合金製チップ ３ ローラー ４ 金属内軸 ５ ニードルベアリング ６ セラミックス滑りローラー ７ カム ８ カム軸 ９ バルブ １０ 弁バネ １１ バネガイド

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カムとバルブの間に揺動可能に介在する
   ローラーロッカーアームにおいて、カムと当接するロー
   ラーが金属内軸に回転自在に直接挿着された窒化ケイ素
   系セラミックスの滑りローラーであって、該セラミック
   ス滑りローラーのカムとの摺動部である外周面及び金属
   内軸との摺動部である内周面の表面粗さが、十点平均粗
   さで０.５μｍ以下であることを特徴とするローラーロ
   ッカーアーム。
2. 【請求項２】 セラミックス滑りローラーを構成する窒
   化ケイ素系焼結体が、その結晶相にα−Ｓｉ₃Ｎ₄とβ’
   −サイアロンとを含み、焼結体密度が９８％以上である
   ことを特徴とする、請求項１に記載のローラーロッカー
   アーム。
3. 【請求項３】 窒化ケイ素系焼結体中のα−Ｓｉ₃Ｎ₄と
   β’−サイアロンの各結晶相のＸ線回折におけるピーク
   強度が、両者のピーク強度の和を１００％としたとき、
   ０＜α−Ｓｉ₃Ｎ₄≦３０％及び７０％≦β’−サイアロ
   ン＜１００％の関係にあることを特徴とする、請求項２
   に記載のローラーロッカーアーム。
4. 【請求項４】 窒化ケイ素系焼結体の曲げ強度が、ＪＩ
   Ｓ Ｒ１６０１に準拠する３点曲げ強度の平均で１００
   ｋｇ／ｍｍ²以上であることを特徴とする、請求項１〜
   ３のいずれかに記載のローラーロッカーアーム。
5. 【請求項５】 セラミッスク滑りローラーのカムとの摺
   動部である外周面及び金属内軸との摺動部である内周面
   の表面粗さが、十点平均粗さで０.１μｍ以下であるこ
   とを特徴とする、請求項１に記載のローラーロッカーア
   ーム。
6. 【請求項６】 セラミックス滑りローラーを直接支持す
   る金属内軸が、潤滑油供給用の細管又はブッシュを備え
   ないことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載
   のローラーロッカーアーム。
7. 【請求項７】 セラミックス滑りローラーを直接支持す
   る金属内軸の摺動面が、ダイヤモンド状炭素膜で被覆さ
   れていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに
   記載のローラーロッカーアーム。