JPH01303376A - 伝動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 イ、産業上の利用分野 本発明は、伝動装置に関し、例えば、内燃機関の動弁機
構に使用されるカムとロッカアーム又はタペットとの組
合せからなる伝動装置に関する。

口、従来技術 従来から、カムシャフトにはカムノーズ部表面をチルさ
せた鋳鉄製のものが使用され、カムに摺接して揺動又は
往復動する従節部材としてのロッカアーム又はタペット
には摺接面をチルさせた鋳鉄製又は高クロム鋳鉄製のも
のが使用されている。

近年の内燃機関の小型化と高速化に伴ない、動弁機構に
使用されるカムシャフトは、カムの個数が減少し、或い
は回転数が高くなり、カムとロッカアーム又はタペット
との摺動条件が苛酷になってきている。即ち、両者の間
の摺動速度が高くなり、その上口ツカアーム又はタペッ
トがカムを押圧する圧力が高くなるばかりではなく、ロ
ッカアーム又はタペットは高速回転するカムのカムノー
ズ部に叩かれるようになり、摺動と衝撃とが複合した極
めて苛酷な条件下で使用されるようになってきている。

その結果、摩耗が速く進行してこれらの部材の耐久性に
問題が生じてきている。

第５図は内燃機関の主要部の関係の一例を示す要部斜視
図である。カムシャフト１の回転によってカム２と摺接
するロッカアーム３が揺動し、こフ１１が往復動して吸
排気がなされる。コイルばね２２によってバルブ２１が
閉状態に向けて付勢されると共にロッカアーム３の先端
部がカム２に押圧されるようになっている。バルブ２１
の先端部は図示しないシリンダヘッド内に位置している
。

バルブ２１が往復動（開閉）して吸気爆発、排気がなさ
れ、図示しないシリンダ中でピストン２３が往復動し、
この往復動によってコネクティングロッド２４を介して
ピストン２３に連結するクランクシャフト２５が回転し
、動力を発生する。バルブ２１の開閉とピストン２３の
往復動とのタイミングは、カムシャフト１とクランクシ
ャフト２５とに掛は渡されたチェーン（又はタイミング
ベルト）２６によってとられる。このような機構から、
カムシャフト１の回転数が高くなると、或いはロッカア
ーム３のカム２への押圧力が高くなると、カム２とロッ
カアーム３との摺動は極めて苛酷な状態の下でなされる
ことが理解できよう。

前述のような摩耗の問題を解決するために、カムのノー
ズ部又はロッカアーム若しくはタペットの摺接部に耐摩
耗性に優れる焼結合金を使用する試みがなされている。

ところが、最近の内燃機関の一層の高速化に伴ない、耐
摩耗焼結合金の部材は、それ自体の摩耗は少ないのであ
るが、相手のチルド鋳鉄等の部材の表面を摩耗させる傾
向が顕著になり、またスカッフィングを起し易くなる傾
向がある。

ハ０発明の目的 本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、
苛酷な条件下で使用しても耐久性に優れる伝動装置を提
供することを目的としている。

二１発明の構成 本発明は、カムを反部とし、前記カムとこのカムに摺接
する従節部材とからなる伝動装置に於いて、前記カムの
前記従節部材が摺接する摺接面と前記従節部材の前記カ
ムに摺接する摺接面との少なくとも一方に、厚さ１〜２
００　（ｔ　ｍの金属窒化物又は金属炭化物の表面層が
形成されていることを特徴とする伝動装置に係る。

ホ、実施例 以下、本発明の詳細な説明する。

金属窒化物又は金属炭化物の表面層を有するカムシャフ
トや従節部材としてのロッカアーム又はタペットの素材
には、鋳造又は鍛造で造られた鋳鉄又は鋼の素材が使用
できる。上記金属窒化物又は金属炭化物の表面層と摺接
するロッカアーム若しくはタペット又はカムシャフトに
は、チルド鋳鉄及び耐摩耗性焼結合金の摺動部分を有す
るものが使用できる。

金属窒化物又は金属炭化物の表面層は、反応性イオンブ
レーティングによって形成させる。特に、反応性イオン
ブレーティングによって形成されたロッカアーム又はタ
ペットの摺動面層と、カムノーズ部表面をチルさせた鋳
鉄製カムシャフト又はカムノーズ部表面に耐摩耗性焼結
合金の摺動部分を設けたカムシャフトとの組合せが好ま
しい。カムシャフトのカム部にのみ反応性イオンブレー
ティングで金属窒化物又は金属炭化物の表面層を形成さ
せることは、装置が複雑化、大形化し、操業も煩雑にな
る。然し、多数のカム駒（個々のカム部材）を別途製造
しておいて、これらカム駒のカムノーズ部に金属窒化物
又は金属炭化物の表面層を形成し、これらカム駒をシャ
フトに固定してカムシャフトとするようにすれば、カム
シャフト側に上記の金属窒化物又は金属炭化物の表面層
を設けることが容易にできる。この場合、カムノーズ部
表面と後述する金属蒸発源との距離が一定になるように
、例えばカム機構を応用して移動する治具にカム駒を取
付けるようにするのが良い。また、上記表面層はカム、
従節部材の双方に設け、表面層同士が摺接するようにし
ても良い。

反応性イオンブレーティングによって形成する表面層の
種類として代表的なものとしては、クロムの窒化物が挙
げられる。クロムの窒化物としてはＣｒｚ　Ｎ５ＣｒＮ
等が考えられＣｒＮはＣｒ２Ｎよりも硬度が高く耐摩耗
性は優れているが皮膜の柔軟性が劣り密着性が比較的劣
る傾向があるが実用的には問題がない（特願昭６２−３
１５７５１号、同６２−３１６９６５号）。過酷な条件
において更に密着性を４形成する方法が取られ密着性が
良くしかも耐摩耗性が優れた皮膜とすることができる。

あるいは金属クロム、Ｃｒｚ　Ｎ、ＣｒＨの超微細な混
合組織とすることもできる（特願昭６１−２７７７２号
、同５９−２０７９８６号）。

表面層を構成する成分をクロムとその窒化物との積層構
造とする理由は、反応性イオンブレーティングにより素
材金属表面に形成されるクロム相が素材金属との密着性
が良好であり、又その熱膨張係数が前記素材金属の熱膨
張係数に近（、従って使用中に表面層が前記金属素材か
ら剥離することが防止できるためである。また、表面層
の構成成分としてクロムを採用する理由は〜イオンプレ
　−一ティングによる金属クロムの蒸着速度が他の金属
のそれよりも大であり生産性の点から極めて有利である
ためである。

他に、窒化クロムと窒化チタンからなる複合皮膜（特願
昭６１−２７７７３号）、金属クロムと窒化クロムから
なる下地層と下地層の上に窒化チタンの耐摩耗層からな
る複合皮膜（特願昭６１−１２４６６９号）、炭化チタ
ンと窒化チタンの固溶体でなる表面層（特願昭６０−１
２０５６３号）等が考えられる。窒化チタンは窒化クロ
ムよりも硬度が高く耐摩耗性が優れているが柔軟性が劣
るため剥離の発生が窒化クロムよりも起こり易いが窒化
チタン単独でも実用的には問題がない。

表面層の厚さを１〜２００μｍに限定した理由は、１μ
ｍ未満では初期なじみで摩耗して表面層が消失し耐摩耗
性が失われ、２００μｍを超える場合は表面層に欠けや
亀裂が発生する等の不具合が起り、またコストアップに
なるからである。

表面層形成に使用したイオンブレーティング装ヒータ１
３で素材１１を所定の温度に加熱する。

素材１１の下方には、蒸発源の金属クロム１４Ａ、及び
金属チタン１４Ｂを収容する水冷銅坩堝１５が回転可能
に設置されていて金属クロム１４Ａと金属チタン１４日
の位置を入れ替えることができるようにしである。真空
容器１６の側壁には窒素ガス供給口１７とＨＣＤ　（ｈ
ｏｌｌｏｗ　ｃａｔｈｏｄｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）型
電子銃１８が取付けてあり、電子銃１８にはプラズマ用
アルゴンガスの導入管１９が設けである。

電子銃１８から射出された電子ビームは、収束コイル２
０で収束されて水冷坩堝１５中の蒸発源の金属クロム１
４Ａを照射する。真空容器１６内は図示しない真空ポン
プにより減圧されるようになっている。

真空容器１６内にアルゴンガスを導入し、１×１Ｏ−２
ｔｏｒｒ程度に減圧して電子ビームでのボンバード（ｂ
ｏｍｂａｒｄ）により素材１１の表面のクリーニングを
行う。次に３Ｘ１０−’程度に減圧した後窒素ガスを徐
々に導入する。次いでＨＣＤ型電子銃１８により蒸発源
の金属クロム１４Ａを加熱し蒸発させる。蒸発した金属
クロムは容器内の窒素と反応して素材１１に窒化クロム
の表面層が形成される。

窒化チタンの表面層を形成する場合は坩堝１５を１８０
度回転しておいて上記と同様にして金属チタン１４Ｂを
蒸発させる。

炭化物の皮膜を形成する場合は窒素ガスの替わりにＣｚ
Ｈｚガスを導入し、炭化クロムの表面層を形成する場合
は金属クロム１４Ａを、炭化チタンの皮膜を形成する場
合は前記と同様にして金属チタン１４日を蒸発させる。

材料に機械構造用炭素鋼３４５Ｃを使用し、冷間鍛造で
ロッカアーム形状に成形し、次いで機械加性イオンブレ
ーティング法により２０μｍの厚さに形成した。また、
同様にして厚さ５μｍの窒化チタンの表面層を形成し、
１種類の供試体とした。

素材温度：４００°Ｃ ビーム出カニ　　　　３ＱＶ−３００Ａ収束電流：　　
　　　１５０Ａ 窒素ガス分圧：　　０〜３Ｘ１０−’ 蒸発源二　　　　　金属クロム又はチタン処理時間：６
０分 各供試体をパフ仕上げした後、モータリングテストに供
した。

これらロッカアームと組合せて使用するカムシャフトは
、次の２種類とした。その一つは、３．３重量％（以下
、「重量％」を単に「％」で表わす。）Ｃ１２，３％Ｓ
　ｉ、　０．７６％Ｍｎ、０．３６％Ｃｒ、０．２４％
Ｍｏ。

０．３９％Ｎ　ｔ、０．０５％Ｐ、０．０２％Ｓ１残部
Ｆｅの鋳鉄製であって、カムノーズ部表面をチルさせた
ものである。他の一つは、上記組成の鋳鉄製カムシャフ
トのカムノーズ表面部に、１．９％Ｃ１０，９５％Ｓｉ
。

０．１１％Ｍｎ、０，１％Ｎ　ｉ　、１７．３％Ｃｒ、
０．６６％Ｐ、０、旧％Ｓ、残部Ｆｅの組成の焼結合金
の薄片を一体に設けたものである。

上記ロッカアームとカムシャフトとの組合せは、下記表
に示す通りである。

表 第１図は、カムシャフトとロッカアームとの摺接を図解
的に示す概略正面図で、カムシャフト１のカム２のカム
ノーズ部２ａにロッカアーム３０表面層４の摺動面５が
接触している状態を示し、カムシャフト１の回転（矢印
ａ）によってロッカアーム３は矢印すのように揺動する
。

モータリングテストは排気量１８００ｃｃのガソリンエ
ンジンを用いて以下の条件で行った。

試験条件 機関回転数：　２００Ｏｒｐｍ（カム回転：１１０００
ｒｐ　２００時間）油温　　　：６０°Ｃ 使用オイル：　１ＯＷ３０ エンジン運転後、タペット及びカムシャフトをの深さを
測定し、カムシャフトの摩耗量はカムノーズ頂部の摩耗
深さを測定し、最も摩耗した部分の元の曲面に対する摩
耗深さで表わした。測定結果は第３図に示す通りである
。

第３図には、比較のために、３．５５％Ｃ，１，６２％
Ｓｉ、０．５２％Ｍｎ５０．４８％Ｎ　ｉ　、　１７．
５％Ｃｒ、０．０９％Ｐ＼０．０２％Ｓ、残部Ｆｅの高
クロム鋳鉄製でチル組織となっているロッカアームと前
記実施例１．２で使用した同じ製造ロフトのカムシャフ
トとの組合せ（比較例１）及び２．９％Ｃ１０，２％Ｓ
ｉ、１２．０％Ｃｒ２．２％Ｍｏ、０．６６％Ｐ、残部
Ｆｅの組成を有しかつ液相焼結されてなる高クロム鉄基
焼結合金製ロッカアームと前記実施例１．２で使用した
同じ製造ロットのカムシャフトとの組合せ（比較例２）
について同様のテストを行った結果が併記しである。

第３図から、比較例１．２に対し、実施例はいずれもロ
ッカアームの摩耗、カムノーズ部の摩耗共に著しく減少
しており、耐摩耗性が大幅に改善され、従って耐久性が
大幅に向上していることが解る。

上記の例は、従節部材にロッカアームを使用した例であ
るが、従節部材にタペットを使用した同様のテストでも
第３図と略同様の結果が得られた。

第２図は、カムシャフトとタペットとの摺接を図解的に
示す概略断面図で、カムシャフト６のカム７のカムノー
ズ部７ａにタペット８０表面層９の摺動面１０が接触し
ている状態を示し、カムシャフト６の回転（矢印Ｃ）に
よってタペット８は上記の実施例のほか、本発明の技術
思想に基いて種々の変形が可能である。例えば、表面層
を構成する金属窒化物又は金属炭化物は、クロム、チタ
ンの窒化物、炭化物のほか、他の硬質な金属窒化物又は
金属炭化物であって良い。また、カムの形状は、第１図
、第２図のような卵形のほか、他の適宜の形状であって
良い。また、従節部材には、ロッカアーム、タペットの
ほか、先端にコロを備えた従節部材その他の従節部材が
使用できる。

へ１発明の効果 本発明に基く伝動装置は、カムの摺接面とこのカムに摺
接する従節部材の摺接面との少なくとも一方に金属窒化
物又は金属炭化物の表面層を形成しているので、この表
面層を構成する金属窒化物又は金属炭化物の優れた耐摩
耗性の故に、苛酷な使用条件下でも摩耗が少なく、耐久
性が大幅に改善される。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明の実施例を示すものであって、 第１図はカムシャフトとロッカアームとの摺接状態を示
す概略正面図、 第２図はカムシャフトとタペットとの摺接状態を示す概
略断面図、 第３図はモータリングテストの結果を示すグラフ 第４図は反ｄきオンブレーティング装置の内部概略正面
図 である。 第５図は内燃機関の主要部の関係の一例を示す要部斜視
図である。 なお、図面に示された符号に於いて、 １．６・・・・・・・・・カムシャフト２．７・・・・
・・・・・カム ２ａ、７ａ・・・・・・・・・カムノーズ部３・・・・
・・・・・ロッカアーム ４．９・・・・・・・・・表面層 ５．１０・・・・・・・・・表面層の摺動面１３・・・
・・・・・・ヒータ １４Ａ、１４Ｅ３・・・・・・・・・蒸発源金属１５・
・・・・・・・・水冷銅坩堝 １７・・・・・・・・・反応ガス導入口１８・・・・・
・・・・電子銃 １９・・・・・・・・・アルゴンガス導入口２０・・・
・・・・・・収束コイル である。 代理人　　　弁理士　　通販　宏 第１図　　　　第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、カムを原節とし、前記カムとこのカムに摺接する従
   節部材とからなる伝動装置に於いて、前記カムの前記従
   節部材が摺接する摺接面と前記従節部材の前記カムに摺
   接する摺接面との少なくとも一方に、厚さ１〜２００μ
   ｍの金属窒化物又は金属炭化物の表面層が形成されてい
   ることを特徴とする伝動装置。