(57)【要約】【課題】信頼性の高い、軽量かつ応答性の良い弁開閉時期制御装置を提供すること。【解決手段】ハウジング３０を球状のＳｉ粒子が含有され、含有されるＳｉ粒子量の９０％が０．５μｍ以上３μｍ未満の大きさを有すると共に、残りの１０％のＳｉ粒子が３μｍ以上１０μｍ以下の大きさを有するアルミニウム合金から構成し、ロータ２０をハウジング３０を構成するアルミニウム合金の約１．５倍の１５〜１９％のＳｉ粒子が含有され、含有されるＳｉ粒子の形状が３μｍ以下の球状をしたアルミニウム合金から構成したこと。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のクランク軸又はカム軸の一方と共に回転するロータと、
該ロータに相対回転可能に外装され前記クランク軸又は前記カム軸の他方と共に回転するハウジングと、
前記ロータと前記ハウジングとの間に形成される流体圧室と、
該流体圧室を進角室と遅角室とに区画するベーンと、
前記進角室と前記遅角室への流体の給排を制御する油圧回路と、を備えた弁開閉時期制御装置において、
前記ハウジングを球状のＳｉ粒子が含有され、含有されるＳｉ粒子量の９０％が０．５μｍ以上３μｍ未満の大きさを有すると共に、残りの１０％のＳｉ粒子が３μｍ以上１０μｍ以下の大きさを有するアルミニウム合金から構成し、前記ロータを前記ハウジングを構成するアルミニウム合金の約１．５倍の１５〜１９％のＳｉ粒子が含有され、含有されるＳｉ粒子の形状が３μｍ以下の球状をしたアルミニウム合金から構成したことを特徴とする弁開閉時期制御装置。
【請求項２】
前記ベーンは、オーステナイト系ステンレス又は高Ｍｎ鋼を軟窒化処理した材料からなることを特徴とする請求項１に記載の弁開閉時期制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の吸気弁又は排気弁を制御するために使用される弁開閉時期制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の弁開閉時期制御装置としては、特開２０００−２９７６１４号や特開平１０−８９０２０号に記載されたものがある。これらの弁開閉時期制御装置は、エンジンのクランクシャフトと同期回転するチェーンスプロケット等の動力伝達部材によりカムシャフトを駆動し、動力伝達部材とカムシャフトの位相差を油圧等を用いて可変に制御することで、吸気弁及び排気弁の少なくともいずれか一方の開閉時期を調整するベーン方式のものである。また、これらベーン方式の弁開閉時期制御装置においては、ハウジングとチェーンスプロケットが一体でカムシャフトに対し相対回転が可能な状態で装着され、ハウジング内側に形成された油圧室内に回動が可能な状態で収容されたベーンロータとカムシャフトの端部が一体回転可能な状態に固定されている。したがって、ベーンロータが油圧制御に基づきハウジングに対して相対回動することによってカムシャフトの相対回転位相が変更され、弁開閉時期が可変とされるようになっている。
【０００３】
また、弁開閉時期制御装置の軽量化を図るためベーンロータやハウジングの材質をアルミニウムやアルミニウム合金などのアルミ系材料が使用される。この場合、ベーンロータとハウジングを共にアルミ系の金属にするとベーンロータとハウジングが摺動する際に凝着が発生し摩耗が進行する恐れがある。そのため、ベーンロータは側面側摺動面に錫メッキを行なったり、難凝着性の薄板を入れることで凝着の発生を防止することが必要である。また、ベーンロータ先端の摺動部には、シール材を組み付けて凝着の防止とオイルリークの防止を行なっている。但し、このシール材は有機系であるため、線膨張係数がベーンロータやハウジングに使用されるアルミニウム等金属系に比べ大きく、低温時のリーク量が増大する問題がある。
【０００４】
また、特開平１１−１３４３２に示されるような弁開閉時期制御装置においては、ハウジングとロータの接触部分が軸受け機構を兼ねた構造になっているため、過酷な摺動性能が要求され単純に鉄系焼結材料からアルミニウムやアルミニウム合金焼結材料に材料置換するだけでは、摺動抵抗が高く凝着摩耗が発生、強度面も劣るため製品として成立しない。その上、ロータ、ハウジング及びベーンの線膨張係数は同じでなければ、温度低下に伴う寸法変化によりオイルリーク量が増大し、本来の機能に支障をきたすため、これらは類似した線膨張係数を持つ材料にしなければ製品として成立しない。また、凝着摩耗のみならず製造工程や車両の使用時に不可避な状況でエンジンオイルに進入し分離不可能な浮遊する０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ以下のＳｉＯ２等の硬質粒子によるアブレッシブな摩耗に対する改善は鑑みられていないのが実状である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は上記課題を解決するため、信頼性の高い、軽量かつ応答性の良い弁開閉時期制御装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するために講じた請求項１に記載の発明は、内燃機関のクランク軸又はカム軸の一方と共に回転するロータと、該ロータに相対回転可能に外装され前記クランク軸又は前記カム軸の他方と共に回転するハウジングと、前記ロータと前記ハウジングとの間に形成される流体圧室と、該流体圧室を進角室と遅角室とに区画するベーンと、前記進角室と前記遅角室への流体の給排を制御する油圧回路と、を備えた弁開閉時期制御装置において、前記ハウジングを球状のＳｉ粒子が含有され、含有されるＳｉ粒子量の９０％が０．５μｍ以上３μｍ未満の大きさを有すると共に、残りの１０％のＳｉ粒子が３μｍ以上１０μｍ以下の大きさを有するアルミニウム合金から構成し、前記ロータを前記ハウジングを構成するアルミニウム合金の約１．５倍の１５〜１９％のＳｉ粒子が含有され、含有されるＳｉ粒子の形状が３μｍ以下の球状をしたアルミニウム合金から構成したことを特徴とする弁開閉時期制御装置である。
【０００７】
この手段によれば、組織内に含有されるＳｉ形状を球状（０．５μｍ〜３μｍ）とすることができる。これにより、クランク軸の回転駆動力を伝達するチェーンのローラーと摺動し、従動されるハウジングと一体に形成されたスプロケットの摺動面に表出した角形または板状のＳｉがチェーンローラーの摺動面を荒す相手攻撃性や、摺動により荒れたローラーがスプロケットのＳｉ粒子のない軟質部を削る異常摩耗の発生を防ぐ事ができる。また、ロータとハウジングの摺動部においては、従来のアルミ材同士の摺動では実現し得なかった良好な摺動状態を確保でき、凝着摩耗を主とした異常摩耗の防止、従来のアルミ系材料や鉄焼結材料からなる摺動部材より優れた耐焼付き性・耐摩耗性・摩擦係数の性能が確保できる。
【０００８】
上記技術的課題を解決するために講じた請求項２に記載の発明は、前記ベーンは、オーステナイト系ステンレス又は高Ｍｎ鋼を軟窒化処理した材料からなることを特徴とする請求項１に記載の弁開閉時期制御装置である。
【０００９】
この手段によれば、ハウジング、ロータ及びベーンは、ほぼ等しい線膨張係数を得ることができる。これにより、オイルリーク量を少なくすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態（実施例）を図面に基づいて説明する。図１及び図２に示した本発明による弁開閉時期制御装置１００は、内燃機関のシリンダヘッド（図示せず）に回転自在に支持されたカム軸１０の先端部に締結ボルト１１及びスリーブ１２を介して固定されたロータ２０と、カム軸１０及びロータ２０に所定範囲で相対回転可能に外装されたハウジング３０、フロントプレート４０、リアプレート５０からなる回転伝達部材と、ロータ２０に組付けた４枚のベーン７０と、ハウジング３０に組付けたロックピン８０等によって構成されている。
【００１１】
ロータ２０は、カムシャフト１０に一体的に固着されていて、４枚の各ベーン７０をそれぞれ径方向に取付けるためのベーン溝２１を有するとともに、図１に示した状態、すなわちカムシャフト１０及びロータ２０とハウジング３０の相対位相が所定の位相（最遅角位置）で同期したときロックピン８０が所定量嵌入される受容孔２２と、この受容孔２２に進角通路（図示せず）から作動油を給排する通路２３と、各ベーン７０によって区画された進角室Ｒ１に進角通路（図示せず）から作動油を給排する通路２４と、各ベーン７０によって区画された遅角室Ｒ２に遅角通路１２から作動油を給排する通路２５を有している。
【００１２】
各ベーン７０は、ベーン溝２１の底部に収容したスプリング７１によって径外方に付勢されている。
【００１３】
ハウジング３０は、その内周にてロータ２０の外周面に所定の隙間（作動油が介在する極少隙間）で相対回転可能に組付けられていている。ハウジング３０には、各ベーン７０を収容し各ベーン７０によって進角室Ｒ１と遅角室Ｒ２とに二分される作動油室Ｒ０をロータ２０とによって形成する凹所３２が形成されるとともに、ロックピン８０とこれをロータ２０に向けて付勢するスプリング９１を収容する退避孔３３がハウジング３０の径方向に形成されている。また、内燃機関のクランク軸（図示せず）より回転動力を伝達するチェーン（図示せず）が摺動するスプロケット３１がハウジング３０の外周部に形成されている。
【００１４】
ここで、ハウジング３０はクランク軸（図示せず）の回転動力を伝達するため、チェーン（図示せず）により従動される。このときスプロケットにはチェーンとの摺動に耐えうる強度と耐摩耗性が要求されるため強度の高いＪＩＳＨ５２０２のＡＣ８Ｃ相当のアルミ合金材料が使用される。ところで、ＡＣ８Ｃは組織改質しない場合Ｓｉ形状は１０μｍ以上の大きさの角形又は板状結晶である。また、Ｓｉ粒子の硬度はチェーンのローラー（図示せず）の硬度より高いため、摺動面（図示せず）に表出した場合ローラーの面を荒し、次に荒れたローラーは反対にスプロケットを削り異常摩耗に至る。これを防止するため組織改質を行ないＳｉ形状を３μｍ以下の球形にする。これによりローラーは面荒れを起こさず異常摩耗の発生を防ぐことができる。
【００１５】
ロータ２０は、高温となるエンジンオイル中でカムシャフト１０に直接固定されスプロケットを介してチェーンの張力や変動荷重を受ける。従って、高温での強度と高い摩耗性及びカムシャフト１０に締結される締め付けトルクに対抗できるアルミニウムより高い剛性が求められ、ロータ２０には、Ｓｉ結晶の形態及び合金中の析出物を微細に制御することで高強度化した材料を使用する。
【００１６】
このため、アルミニウム−珪素−鉄からなるアルミニウム合金の急冷凝固粉末を静水圧下で熱間又は冷間で固めビュレットを作製し、このビュレットを熱間で押出した棒材を使用する。この工程で作られた棒材は、Ｓｉ粒子形状を精密に制御でき、相当量のＦｅを添加しても針状結晶を作ることなく、微細に分布したＦｅ−Ａｌ金属間化合物により高温強度だけを向上させた材料を得ることができるので、高温のエンジンオイル中で使用することができる。
【００１７】
また、Ｓｉの添加量において、過共晶点を超えた添加を行なっても粗大なＳｉ結晶を生じないので相手攻撃性を発現することなく硬度と耐摩耗性及び剛性等を向上できる。また、生産工程においては同量のＳｉを添加された溶製材に比べ相手攻撃性が少ないため切削工具の摩耗が少なくなり仕上りの面粗度も良好となる等の利点もある。
【００１８】
また、カムシャフト１０に固定されたロータ２０の外周面Ｃとハウジング３０の内周面Ｂは、回動する軸受け構造を構成しているためチェーン張力を支える荷重が面圧として加わる。従って、この圧縮応力に耐えうる強度と耐摩耗性が要求される。また、この部分はアルミニウム合金同士の摺動であるため、凝着が発生しやすく、耐凝着性が要求される。
【００１９】
ここで、Ｓｉ粒径を０．５μｍ〜３μｍに組織改質した場合、これらの粒子が表層に現れた時の面性状を図３を基に説明する。
【００２０】
Ｓｉ粒径は、０．５μｍ〜３μｍであるので、摺動により粒子脱落の起きない安定状態が得られる高さｂは、
φａ＝１μｍ〜３μｍであれば、
ｂ＝１μｍ〜３μｍ／６
＝０．１６〜０．５μｍである。
【００２１】
この場合の流体潤滑を得るために必要となる最小油膜厚さｈｍｉｎは、潤滑ハンドブックＰ６２１，（７．３．１９）式より
ｈｍｉｎ／（Ｒｊｍａｘ＋Ｒｂｍａｘ）＝１
∴ｈｍｉｎ＝（Ｒｊｍａｘ＋Ｒｂｍａｘ）
ここで
ｈｍｉｎ＝流体潤滑になるために必要な最小油膜厚さ
Ｒｊｍａｘ＝ロータ２０の外周面Ｃの面粗度
Ｒｂｍａｘ＝ハウジング３０の内周面Ｂの面粗度
安定的に摺動面が得られれば双方の面粗度は、ほぼ等しくなるため、
Ｒｊｍａｘ≒Ｒｂｍａｘと近似される
∴ｈｍｉｎ＝２Ｒｊｍａｘ
改質材の必要油膜厚さは、
改質材：ｈｍｉｎ（Ｋ）
ｈｍｉｎ（Ｋ）＝２Ｒｊｍａｘ
ここでＲｊｍａｘ＝ｂであるので、
＝２×０．５＝１μｍ
となる。
【００２２】
ここで、面圧が高くなっても油膜が切れない条件は、潤滑油の油膜厚さが剪断厚さ以下にならなくてはならないが、エンジンオイルの場合一般的に剪断厚さが１．６μｍ程度であるので、
改質材は　ｈｍｉｎ（Ｓ）＝２Ｒｊｍａｘ
＝２×０．５＝１μｍ≦１．６μｍ
となり、流体潤滑の条件を満たす。
【００２３】
一方、同様に非改質材を見ると
φａ＝８．０μｍ〜１４．０μｍであるので、
ｂ＝８．０μｍ〜１４．０μｍ／６
＝１．３３〜２．３３μｍである
したがって、
ｈｍｉｎ（Ｎ）＝２Ｒｊｍａｘ
＝２×２．３３＝４．６６μｍ≧１．６μｍ
で、境界潤滑領域で摺動することになり、Ｓｉ粒径を含め組織制御することは流体潤滑状態を得るために非常に有効である。
【００２４】
また、この部分では構造上軸受け部の空隙には、アブレッシブ摩耗で問題となるようなエンジンオイル中に進入し浮遊する０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下のＳｉＯ２等硬質粒子の進入はないため、構成する部品から脱落するＳｉ粒径が上記のサイズに制御されていればアブレッシブ摩耗は発生しない。
【００２５】
つまり、ロータ２０は上記した通りＳｉ粒子が相手攻撃を行なわず、かつ粒子脱落が起こりにくい大きさであること等を考慮すると、Ｓｉ粒子は２μｍ以下でなくてはならない。更に、好ましくは０．５μｍ以下であると良い。
【００２６】
また、ロータ２０とハウジング３０の回動に伴いベーン７０とハウジング３０の摺動面には、ベーン７０に加わる遠心力で高いヘルツ応力が加わる。更に、ベーン７０の先端Ｄはハウジング３０の内周面に沿うようにＲ形状になっているため、エンジンオイル中に浮遊する０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下のＳｉＯ２等硬質粒子が多くなると、ベーン７０とハウジング３０の摺動面に入り込み、アブレッシブ摩耗を主要因とした異常摩耗発生の恐れがある。
【００２７】
この問題を解決するために薄板のベーン７０にＳＵＳ材又は高Ｍｎ鋼を用いる。ＳＵＳの比重は、７．９３ｇ／ｃｍ３であるため、従来技術のローターベーンの構造であると重量が非常に重くなる。このため、薄板ベーン構造とすることにより、ベーン７０を小さくできると共に軽量化することができる。
【００２８】
また、ＳＵＳ材料又は鋼Ｍｎ鋼は、軟窒化処理することで表面から２０〜４０μｍ程度の深さにおいて、ビッカース硬度で１１００〜１２００Ｈｖの非常に硬質な表面層を作ることができる。この表面層の硬度は、ほぼＳｉＯ２の硬度に匹敵する硬さであり、摺動するハウジング３０のベーン摺動部Ａとの硬度差が大きいため、摩耗等により面荒れを起こすことなくエンジンオイル中に浮遊する０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下のＳｉＯ２等の硬質粒子を排出、又は軟質なアルミニウム合金で作られたハウジング３０のベーン摺動部Ａに埋収させることが可能となり、アブレッシブ摩耗を主要因とした異常摩耗発生を防ぐことができる。
【００２９】
また、アルミニウム合金で作られたロータ２０とハウジング３０と鋼製部品であるベーン７０とは線膨張係数の違いにより、ベーン７０の先端Ｄとベーン７０の摺動部Ａとの間のオイルリークの恐れがある。
【００３０】
この問題を解決するためにロータ２０にはＳｉ含有量１２％のアルミニウム合金を使用すると共にベーン７０に通常の鋼製部品に比べ線膨張係数の大きな材料を選定し熱処理により耐摩耗性を確保し問題を回避することができる。
【００３１】
すなわち、表１に示した線膨張係数の実測値からわかる様に、ベーン７０の材料ＳＵＳ４３０又は高Ｍｎ鋼とロータ２０の材料Ｓｉ含有量１７％のアルミニウム合金は、ほぼ等しい線膨張係数を得ることができる。これにより、オイルリーク量を極めて少なくできる。
【００３２】
【表１】
2004060571.tif 000003
以上のように上記した材料をロータ２０、ハウジング３０、ベーン７０に用いることで、従来技術の鉄系焼結材製の弁開閉時期制御装置に比べ軽量で、かつ内燃機関内部の潤滑油内に浮遊する０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下の硬質粒子に起因するアブレッシブ摩耗又はアルミニウム部品同士の摺動における凝着摩耗に対する耐摩耗性に優れた弁開閉時期制御装置を達成できる。
【００３３】
次に、上記したロータ２０、ハウジング３０、ベーン７０の特性を発現させるために必要となる、それぞれの部材について説明する。
【００３４】
（実施例１）
ハウジング３０の材料に相当する表２に示す組成のアルミニウム合金から直径φ２３５ｍｍ×長さ４００ｍｍの円筒形ビュレットを製作し、これを押出し装置によりφ９０の押出し丸棒を作る。この丸棒を４０ｍｍの長さに切断した材料をプレス装置を用いて２５ｍｍの厚さに加圧変形する。更に、この２５ｍｍの厚さになった粗材のマトリックス中のＳｉ粒子を球状化処理した後にＴ６処理して硬度をＨｖ１６０〜１８０に調整したものを図４及び図５に示す形状に切削加工を行ない、摩擦・摩耗試験に使用するテストピースを製作する。
【００３５】
【表２】
2004060571.tif 000004
また、ロータ２０の材料に相当する表３に示す組成のアルミニウム合金の急冷凝固粉末を静水圧下で熱間又は冷間で固めビュレットを作製し、このビュレットを熱間でφ５５に押出した丸棒を適当な長さに切断後Ｔ６処理を行ない、硬度をＨｖ１６０〜１９０に調整したものをそれぞれ、図４〜図７に示す形状に切削加工を行ない、摩擦・摩耗試験に使用するテストピースを製作する。なお、ロータ２０の材料には住友電工（株）製のスミアルタフ＃２１７を用いても良い。
【００３６】
【表３】
2004060571.tif 000005
更に、ベーン７０の材料に相当するＪＩＳＧ４２０２に規定されるＳＵＳ３０４の丸棒又は、ＪＩＳＧ４１０６に規定される１３高Ｍｎ鋼を切削加工により図６及び７に示す形状に加工し５８０℃×２Ｈｒ軟窒化処理して化合物層厚さを２５〜３０μｍ生成させる。
【００３７】
この時、これらのテストピースの表面硬さはマイクロビッカース硬度で７００Ｈｖ以上にする。この様にして作ったテストピースを図８又は図９に示した方法で摩擦・摩耗評価を行なった。
【００３８】
（実施例２）
ハウジング３０の材料に相当する表２に示す組成のアルミニウム合金から直径φ２３５ｍｍ×長さ４００ｍｍの円筒形ビュレットを製作し、これを押出し装置によりφ１１０の押出し丸棒を作る。この丸棒を４０ｍｍの長さに切断し、球状化処理した後に切削加工又はプレス装置を用いて２５ｍｍの厚さになるまで加圧変形する。更に、この２５ｍｍの厚さになった粗材をＴ６処理して硬度をＨｖ１６０〜１９０に調整したもので図１０に示す形状のテストピースをつくる。
【００３９】
一方、ロータ２０の材料に相当する住友電工（株）製のスミアルタフ＃２１７の丸棒を適当な長さに切断後Ｔ６処理を行ない、硬度をＨｖ１６０〜１９０に調整したものを図１１に示す形状に切削加工を行ないテストピースを製作する。
【００４０】
更に、ベーン７０に相当する材料である表５に示すＳＵＳ３０４の丸棒又は、１３高Ｍｎ鋼を切削加工により図１２に示す形状に加工し、５８０℃×２Ｈｒ軟窒化処理して表４に示す特性の表面処理を行なう。
【００４１】
【表４】
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【表５】
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上記実施例１のテストピースによる本発明の材料組合せの評価において、一般的なアルミニウム合金の溶製材に比べ優れた耐摩耗特性を示している。まや、参考としたＪＩＳＺ２５５０及びＰ２０５４に相当する一般焼結材料に比べても遜色のない耐摩耗性を示している。
【００４２】
また、実施例２においても表６に示す通り、優れた耐摩耗性及び耐リーク性を示している。
【００４３】
これにより、弁開閉時期制御装置の軽量化が可能となり、内燃機関の低燃費化が可能となる。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の発明によれば、組織内に含有されるＳｉ形状を角形または針状結晶（１０μｍ以上）から球状（粒子径１μｍ〜３μｍ）とすることができる。これにより、クランク軸の回転駆動力を伝達するチェーンのローラーと摺動し、従動されるハウジングと一体に形成されたスプロケットのチェーンローラーの摺動面を荒す相手攻撃性や、荒れたローラーがスプロケットのＳｉ粒子のない軟質部を削る異常摩耗の発生を防ぐ事ができる。また、ロータとハウジングの摺動部においては、従来のアルミ材同士の摺動では実現し得なかった良好な摺動状態を確保でき、凝着摩耗を主とした異常摩耗の防止、従来のアルミ材や鉄焼結材からなる摺動部材より優れた耐焼付き性・耐摩耗性・摩擦係数の性能が確保できる。
【００４５】
また、請求項２の発明によれば、ハウジング、ロータ及びベーンは、ほぼ等しい線膨張係数を得ることができる。これにより、オイルリーク量を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による弁開閉時期制御装置のハウジングとロータおよびその関連部材の正面図。
【図２】本発明による弁開閉時期制御装置のハウジングとロータおよびその関連部材のＡ−Ａ線縦断面図。
【図３】本発明における摺動状態における表出したＳｉの模式図。
【図４】実施例１の評価法１のテストピースＡの概略図。
【図５】実施例１の評価法２のテストピースＢの概略図。
【図６】実施例１の評価法１のテストピースＣの概略図。
【図７】実施例１の評価法２のテストピースＤの概略図。
【図８】実施例１の評価法１の試験状態の説明図。
【図９】実施例１の評価法２の試験状態の説明図。
【図１０】実施例２の試験のハウジングの概略図。
【図１１】実施例２の試験のロータの概略図。
【図１２】実施例２の試験のベーンの概略図。
【符号の説明】
１０・・・カム軸
２０・・・ロータ
３０・・・ハウジング
７０・・・ベーン
１００・・・弁開閉時期制御装置
Ｒ１・・・進角室
Ｒ１・・・遅角室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004060571.tif 000014
【図８】
2004060571.tif 000015
【図９】
2004060571.tif 000016
【図１０】
2004060571.tif 000017
【図１１】
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【図１２】
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