JP2001254808A - バルブリフタ用シムおよびその製造方法 - Google Patents
バルブリフタ用シムおよびその製造方法Info
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Abstract
き、カムおよびシム自体の耐久性を大幅に向上させるこ
とができるバルブリフタ用シム、およびこのようなシム
の製造方法を提供する。 【解決手段】 摺動表面に、超仕上研磨を施して極めて
平滑な平面部を形成し、この平面部に、例えば細く絞っ
たレーザ光を照射することにより、微小な凹部を互いに
独立した状態に分散させて形成する。
Description
の動弁機構において、吸排気バルブの端部に取付けられ
たバルブリフタとカムシャフトのカムとの間に介在し
て、バルブリフタの摩耗を防止するのに用いられるバル
ブリフタ用シムに係わり、とくにカムとの間の摩擦を低
減するのに有効な表面微細形状を備えたシム、およびこ
のようなシムの製造方法に関するものである。
ムとカムフォロアとの間の摩擦低減技術として、例え
ば、特開平4−321706号公報には、所定の形状に
研削加工したカムシャフトのカム表面にクロスハッチ状
の加工条痕を残すように仕上げ加工することが記載され
ている。
報に記載されたカムシャフトにおいては、加工条痕がク
ロスハッチ状、すなわち連続した溝形状となっているこ
とから、突起部のミクロ的な凝着摩耗が避けられないこ
とと、オイルが接触部から排出され易いことによって、
摩擦係数の大幅な低減には限界があるという問題点があ
り、このような問題点の解決がカム周辺部の摩擦低減技
術における従来の課題となっていた。
ロアにおける上記課題に着目してなされたものであっ
て、カムとの間の摩擦を大幅に低減することができ、カ
ムおよびシム自体の耐久性を大幅に向上させることがで
きるバルブリフタ用シム、およびこのようなシムの製造
方法を提供することを目的としている。
るバルブリフタ用シムは、超仕上研磨により平滑化され
た平面部と、該平面部に互いに独立した状態に分散して
形成された微細な凹部を摺動表面に備えている構成とし
たことを特徴とし、バルブリフタ用シムにおけるこのよ
うな構成を前述した従来の課題を解決するための手段と
している。
一形態として請求項2に係わるシムにおいては、凹部の
開口面積が10〜100平方μmの範囲である構成、同
じく実施形態として請求項3に係わるシムにおいては、
凹部の最大深さが0.1〜1μmの範囲である構成、請
求項4に係わるシムにおいてはSF=(周囲長)2/
(4π×開口面積)と定義される凹部の形状係数SFが
1.5未満である構成、請求項5に係わるシムにおいて
は、摺動表面に対する凹部の合計面積率が5〜30%の
範囲である構成、請求項6に係わるシムにおいては、摺
動表面における平面部の表面粗さがRa0.1μm以下
である構成、請求項7に係わるシムにおいては、表面硬
度がHRC50以上の浸炭鋼もしくは調質鋼からなる構
成としたことを特徴としている。また、請求項8に係わ
るシムにおいては、摺動表面に固体潤滑剤がコーティン
グしてある構成とし、さらに請求項9に係わるシムにお
いては、前記固体潤滑剤が二硫化モリブデン,PTFE
およびグラファイトのうちの少なくとも1種を含んでい
る構成とし、さらに請求項10に係わるシムにおいて
は、摺動表面に硬質炭素被膜がコーティングしてあり、
該炭素被膜に凹部が形成されている構成としたことを特
徴としている。
用シムの製造方法においては、超仕上研磨した平滑な摺
動表面に、レーザ光により凹部を形成する構成とし、当
該バルブリフタ用シムの製造方法の実施形態として請求
項12に係わるシムの製造方法においては、レーザ光に
よる凹部の形成に際して凹部周辺に生じる環状の微小凸
部を超仕上研磨して除去する構成とし、バルブリフタ用
シムの製造方法におけるこのような構成を前述した従来
の課題を解決するための手段としたことを特徴としてい
る。
ムにおいては、摺動表面に、例えばラッピングテープな
どによる超仕上研磨が施された平滑な平面部と、微細な
凹部が分散して形成されており、微細凹部がオイル溜り
として機能すると共に、これら微細凹部が互いに独立し
ているので摺動表面からオイルが排出されにくく、摩擦
係数が大幅に低減することになる。
する凹部のサイズとしては、請求項2に記載しているよ
うに、その開口部の面積を10〜100平方μmの範囲
とすることが望ましい。すなわち、開口面積が100平
方μmを超えたときには、カムとの摺動時に発生するヘ
ルツ接触面圧に十分耐えることができずに、凹部を起点
とした微細クラックの形成によるピッチングと、これに
伴うスカッフィングを生じることにより、摺動表面の粗
さが悪化する結果、摩擦低減効果が減少する可能性があ
ることによる。一方、開口面積が10平方μmに満たな
いときには、オイル溜りとしての機能が得られず、摩擦
低減効果が少なくなる。
載しているように、その最大深さを0.1〜1μmの範
囲とすることができる。これは、凹部の最大深さが1μ
mを超えると、カムとの摺動時に発生するヘルツ接触面
圧の繰り返し負荷による疲労に十分に耐えることができ
ずに、凹部を起点とした微細クラックの形成からピッチ
ングを生じることがあり、最大深さが0.1μmを下ま
わると、十分なオイルを保持できなくなるので、十分な
摩擦低減効果が得られなくなることによる。
求項4に記載しているように、SF=(周囲長)2/
(4π×開口面積)と定義される凹部の形状係数SFが
1.5未満であることが望ましい。つまり、この形状係
数SFは、凹部の開口形状が真円形から離れるほど大き
くなり、1.5以上になると凹部の開口縁部にシャープ
なエッジが形成されることになり、上記同様にカムとの
摺動時に発生するヘルツ接触面圧による疲労に十分に耐
えることができず、凹部を起点とした微細クラックから
ピッチングを生じることがあることによる。
表面における上記凹部の分布については、請求項5に記
載しているように、独立したそれぞれの凹部の開口面積
の合計が、摺動表面の面積に対して5〜30%の範囲と
することができる。すなわち凹部の合計面積率が5%に
満たない場合には、オイル溜りとして実質的に機能せ
ず、摩擦低減効果が十分に得られなくなり、合計面積率
が30%を超えた場合には、カムとの摺動時に発生する
ヘルツ接触面圧に十分耐えることができずに、スカッフ
ィングを生じることにより摺動表面の粗さが悪化する結
果、これに伴って摩擦が急増する可能性がある。
ける平面部については、請求項6に記載しているよう
に、その表面粗さを中心線平均粗さRaで0.1μm以
下とすることが望ましい。すなわち、表面粗さRaが
0.1μmを超えると、カムとの摺動時に発生するヘル
ツ接触面圧に十分に耐えきれなくなって、スカッフィン
グが生じ、摺動表面の粗さが悪化することによって、同
様に摩擦が急増してしまう傾向がある。
としては、請求項7に記載しているように、表面硬度が
HRC50以上の浸炭鋼もしくは調質鋼を用いることが
でき、これによって十分な耐摩耗性が確保されることに
なる。
に記載しているように、摺動表面に固体潤滑剤、例え
ば、請求項9に記載されているような二硫化モリブデ
ン,PTFE(ポリテトラフルオロエチレン),グラフ
ァイトなどをコーティングしてもよい。
に、摺動表面に硬質炭素被膜をコーティングし、該硬質
炭素からなるコーティング被膜に凹部を形成することも
できる。すなわち、硬質炭素被膜においては、微細硬質
粒子を用いたショットピーニングやレーザによって凹部
を形成するに際して凹部の周縁部に生じる微小な凸部
(隆起)が、素材鋼に凹部を直接形成する場合に較べて
生成されにくく、しかも硬質炭素被膜による平面部の耐
摩耗性と摩擦特性が向上することから、摩擦がより一層
低減することになる。
リフタ用シムは、請求項11に記載しているように、細
く絞ったレーザ光を超仕上研磨した平滑な摺動表面に照
射して凹部を形成することによって製造することができ
る。また、このとき、凹部の周縁部に、環状の微小凸部
が生じるので、請求項12に記載しているように、この
微小凸部を超仕上研磨して除去するようになすことによ
り、さらなる摩擦の低減と耐久性の向上を図ることがで
きる。なお、本発明に係わるバルブリフタ用シムにおけ
る微小凹部は、レーザ光のみならず、上記のように微細
硬質粒子を用いたショットピーニングによっても形成す
ることが可能である。
用シムは、その摺動表面に、超仕上研磨による平面部
と、互いに独立した微小な凹部とを備えたものであるか
ら、微細凹部がオイル溜りとして機能し、しかもオイル
が摺動表面から容易に排出されないので、カムとの間の
摩擦を大幅に低減することができ、カムおよび当該シム
の耐久性を向上させることができるという極めて優れた
効果をもたらすものである。
シムにおいては、上記凹部の開口面積を10〜100平
方μmの範囲とし、請求項3に係わるバルブリフタ用シ
ムにおいては、上記凹部の最大深さを0.1〜1μmの
範囲とし、請求項4に係わるバルブリフタ用シムにおい
ては、凹部の形状係数SFを1.5未満とし、請求項5
に係わるバルブリフタ用シムにおいては、摺動表面に対
する凹部の合計面積率を5〜30%の範囲としたもので
あるから、カムとの摺動時に発生するヘルツ接触面圧に
十分に耐え、凹部を起点とするクラックやこれによるピ
ッチングも生じることがなく、凹部による摩擦低減効果
を確実なものとすることができる。
シムにおいては、平面部の表面粗さをRa0.1μm以
下としたものであるから、摺動時に発生するヘルツ接触
面圧に十分に耐えることができ、スカッフィングによる
表面粗さの劣化を防止して、摩擦係数を低く保持するこ
とができ、請求項7に係わるバルブリフタ用シムにおい
ては、素材鋼としてHRC50以上の浸炭鋼や調質鋼を
用いているので、シムとしての硬さ、剛性を保持して耐
摩耗性を確保することができる。
シムにおいては、摺動表面に、例えば請求項9に記載し
ているような二硫化モリブデン,PTFE,グラファイ
トなど固体潤滑材がコーティングされているので、さら
なる摩擦低減を図ることができ、請求項10に係わるバ
ルブリフタ用シムにおいては、摺動表面に硬質炭素被膜
がコーティングされており、この硬質炭素被膜層に微小
凹部が形成されているので、炭素被膜自体の特性によっ
て摩擦特性が改善されると同時に、凹部の形成に際し
て、凹部の周縁部に環状の微小凸部が形成されないこと
から、より一層の摩擦低減が可能になるというさらに優
れた効果がもたらされる。
ブリフタ用シムの製造方法においては、超仕上研磨した
摺動表面にレーザ光を照射して凹部を形成するようにし
ているので、本発明に係わる上記バルブリフタ用シムを
容易に得ることができ、請求項12に係わるバルブリフ
タ用シムの製造方法においては、レーザ光による凹部形
成に際して凹部の周縁部に生じる環状の微小凸部を超仕
上研磨によって除去するようにしているので、さらに優
れた摩擦特性と耐久性を備えたシムを得ることができ
る。
さらに具体的に説明する。
4105該当)に浸炭焼入れ・焼戻しを施し、通常の研
磨を施すことによって製造された量産品のシム(硬さ:
HRC60,表面粗さRa:0.3μm)の摺動表面
に、ラッピングテープを用いた超仕上研磨を施すことに
よって、非常に微細な研磨溝が交差状に形成されたR
a:0.08μm前後という極めて平滑な平面部を得
た。
いて、ビーム径,出力密度,照射時間,照射回数および
照射位置を各々変化させてパルス状のレーザ光線を照射
し、表1に示すようなサイズおよび密度(面積率)の凹
部を備えたバルブリフタ用シムを作成した。
動表面の凹部SEM(走査型電子顕微鏡)観察結果の一
例を図1ないし図3に示す。なお、形成された凹部のデ
ィンプル形状については、図4に示す要領により、凹部
Dの開口面積A,最大深さd,凹部周縁の環状微小凸部
Pの際剤高さhなどを測定した。また、凹部Dの合計面
積率については、500倍のSEM像を用いた画像解析
により求めた。
個ずつ用意して、後述するエンジンモータリング試験を
実施し、摩擦特性を評価した。
化モリブデンとPTFE(ポリテトラフルオロエチレ
ン)を主体とする固体潤滑剤をそれぞれコーティング
し、同様のエンジンモータリング試験に供した。
モンドバフ研磨を施すことによって、レーザ照射により
凹部を形成させた際に凹部の周囲に生じた環状の微小凸
部を除去して、同様にエンジンモータリング試験に供し
た。この場合の摺動表面のSEM観察結果を図5および
図6に示す。
研磨方法としては、凹部の外周縁を削り落さない限り、
他の種々のラッピング方法を適用することができる。
仕上研磨を施したのち、CVDコーティングにより、D
LC(ダイヤモンドライクカーボン)被膜を3μmの厚
さに形成したうえで、レーザ照射を行い、摺動表面に形
成された硬質炭素被膜に表1に示すようなサイズおよび
密度の凹部を備えたバルブリフタ用シムを作成し、同様
のエンジンモータリング試験に供した。なお、このバル
ブリフタ用シムの摺動表面のSEM観察結果を図7ない
し図9に示す。
にPTFEを主体とする固体潤滑剤をコーティングし
て、潤滑剤被膜を形成し、同様のエンジンモータリング
試験を実施した。
記実施例および比較例2と同様の超仕上研磨を加えて得
られた平面部に、ビーム径,出力密度,照射時間,照射
回数および照射位置を変化させたパルス状のエキシマレ
ーザ光線を照射して、表1に示すようなサイズおよび密
度の異なる凹部をそれぞれ形成し、同様のエンジンモー
タリング試験に供した。
ま、しかも凹部を形成することなく、そのままバルブリ
フタ用シムとして、同様のエンジンモータリング試験に
供した。
上記各実施例と同様の超仕上研磨を施したのち、凹部を
形成することなく、同様のエンジンモータリング試験に
供した。
磨のままの摺動表面に、エキシマレーザ光線を照射し、
表1に示す形状の凹部を形成して、同様のエンジンモー
タリング試験を実施した。
施例および比較例のバルブリフタ用シムを使用ごとに1
6個用意し、エンジンに組み込み、下記条件による試験
を実施し、試験終了時(1時間経過後)の摩擦トルクの
低減率、試験後のカムおよびシムの摺動表面の粗さを調
査すると共に、シム摺動表面の摩耗状況を走査型電子顕
微鏡によって観察した。
ルク低減率については、比較例2に係わるシムを組み込
んだ場合の摩擦トルクを100としたときの低減率
(%)で示した。
m(超仕上研磨)
においては、後述する比較例2に比べて、10%以上の
摩擦低減効果が得られると共に、試験終了後のシムおよ
びカムの摺動面は非常に平滑であり、SEM観察でもシ
ム表面にマイクロクラックやピットの形成も認めらない
ことから、耐久性も充分であると判断された。特に、固
体潤滑剤被膜をコーティングした実施例6および実施例
7、凹部形成時に生ずる凹部周囲の微小環状凸部を研磨
して除去した実施例8、硬質炭素被膜をコーティングし
たシムに凹部を形成した実施例9、さらにこれに固体潤
滑剤被膜を付与した実施例10においては、さらに優れ
た摩擦低減効果が得られることが確認された。
施例11においては、摩擦トルクの低減効果がわずかに
認められ、逆に開口面積Aが比較的大きい実施例12に
おいては、試験終了後のSEM観察により、凹部の縁を
起点とした微細なピットと、その周辺に深いスカッフィ
ング痕が形成されていることが判明したものの、ある程
度の摩擦トルク低減効果が認められた。
較的浅いことから、若干の摩擦トルク低減効果が認めら
れ、逆に凹部の深さdが1μmを超える実施例14にお
いては、試験終了後のSEM観察の結果、凹部の縁を起
点とした微細なクラックと、その周辺に深いスカッフィ
ング痕が形成されていることが判明したものの、ある程
度の摩擦トルク低減効果が得られることが確認された。
F値が1.5を超えており、凹部の外周形状に多少の凹
凸が生じていることから、凹部の外周に微細なクラック
がSEM像に認められ、耐久性の観点からは必ずしも万
全ではないものの、かなりの摩擦トルク低減効果が認め
られた。
計面積率が大きいことから、シム自身および相手カムの
摺動面に深いスカッフィング痕を多数形成しているもの
の、摩擦トルクの低減に若干の効果が認められ、逆に凹
部の合計面積率が小さい実施例17においては、摩擦低
減効果は多少減少するものの、スカッフィング痕はさほ
ど生じないことが確認された。
た量産品をそのまま使用した比較例1の場合には、表面
粗さが大きいことから、摺動面に深いスカッフィング痕
が形成されると共に、超仕上研磨を施した比較例2に比
べて、高い摩擦トルクを示した。
ことにより、試験後の摺動面に浅いスカッフィング痕が
形成される程度であるものの、上記実施例に比べて高い
摩擦トルクを示した。
部を形成した比較例3においては、平面部の粗さが大き
いままなので、摺動方向に深いスカッフィング痕が形成
され、凹部を形成しても顕著な摩擦低減効果が得られな
いことが確認された。
しい潤滑状態にある環境下で摺動するエンジンカムフォ
ロワーにおいて、トライボロジー的な取り組みを鋭意行
ってきた結果、エンジンの燃費向上に直結する大きな効
果が得られる技術を見出だしたものであって、工業的に
極めて有益なものである。
動表面のSEM観察結果の一例を示す凹凸像(500
倍)である。
る。
ある。
に形成された凹部形状の測定要領を示す概略図である。
における摺動表面のSEM観察結果を示す凹凸像(50
0倍)である。
る。
における摺動表面のSEM観察結果を示す凹凸像(50
0倍)である。
る。
ある。
Claims (12)
- 【請求項1】 超仕上研磨により平滑化された平面部
と、該平面部に互いに独立した状態に分散して形成され
た微細な凹部を摺動表面に備えていることを特徴とする
バルブリフタ用シム。 - 【請求項2】 凹部の開口面積が10〜100平方μm
の範囲であることを特徴とする請求項1記載のバルブリ
フタ用シム。 - 【請求項3】 凹部の最大深さが0.1〜1μmの範囲
であることを特徴とする請求項1または請求項2記載の
バルブリフタ用シム。 - 【請求項4】 SF=(周囲長)2/(4π×開口面
積)と定義される凹部の形状係数SFが1.5未満であ
ることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか
に記載のバルブリフタ用シム。 - 【請求項5】 摺動表面に対する凹部の合計面積率が5
〜30%の範囲であることを特徴とする請求項1ないし
請求項4のいずれかに記載のバルブリフタ用シム。 - 【請求項6】 摺動表面における平面部の表面粗さがR
a0.1μm以下であることを特徴とする請求項1ない
し請求項5のいずれかに記載のバルブリフタ用シム。 - 【請求項7】 表面硬度がHRC50以上の浸炭鋼もし
くは調質鋼からなることを特徴とする請求項1ないし請
求項6のいずれかに記載のバルブリフタ用シム。 - 【請求項8】 摺動表面に固体潤滑剤がコーティングし
てあることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいず
れかに記載のバルブリフタ用シム。 - 【請求項9】 固体潤滑剤が二硫化モリブデン,PTF
Eおよびグラファイトのうちの少なくとも1種を含んで
いることを特徴とする請求項8記載のバルブリフタ用シ
ム。 - 【請求項10】 摺動表面に硬質炭素被膜がコーティン
グしてあり、該炭素被膜に凹部が形成されていることを
特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれかに記載の
バルブリフタ用シム。 - 【請求項11】 超仕上研磨した平滑な摺動表面に、レ
ーザ光により凹部を形成することを特徴とする請求項1
ないし請求項9記載のバルブリフタ用シムの製造方法。 - 【請求項12】 レーザ光による凹部の形成に際して凹
部周辺に生じる環状の微小凸部を超仕上研磨して除去す
ることを特徴とする請求項11記載のバルブリフタ用シ
ムの製造方法。
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