資料

板金製ロッカアームユニットの開発
本橋信綱

荻野清

Development of Stamped Steel Rocker Arm Unit
N. MOTOHASHI

K. OGINO

For automotive engine valve trains, stamped steel rocker arms have been developed and produced in thereplacement of casting or forging ones due to their good performance.
This report presents the results of design analysis and performance tests of them.

1．はじめに
2．ロッカアームの種類
3．板金製ロッカアームの設計検討
3.1
3.2

軸受寿命の検討
外輪外径面接触面圧の検討

3.3

外輪強度の検討

3.4
3.5

軸強度の検討
板金製ボデーの検討

5．今後の技術動向
5.1
5.2

耐ピーリング性の向上
外輪セラミックロッカアーム

6．おわりに4．板金製ロッカアームの評価結果
4.1

軸受部耐久試験

4.2

耐荷重試験

4.3
4.4

疲労強度試験
実機エンジン・モータリング
耐久試験

1．はじめに
近年，環境・資源問題に対応して，電気自動車

2．ロッカアームの種類
ＯＨＣ（オーバーヘッドカムシャフト）
エンジンなどの非内燃機関の自動車が一般化してきたが，動弁系の構造とロッカアームの種類を図1，図2

ガソリンエンジンを中心とした内燃機関は，燃費に示す．

向上や排出ガスのクリーン化など改良が進められている．この内燃機関の部品としてロッカアームやバルブリフタなどの動弁系部品がある．動弁系
カム

部品はエンジンシリンダ内への混合気の吸入，燃焼ガスの排出などエンジン性能に直接関わる部品

バルブをカムが直接押し下げる。

であり非常に重要度が高い．
当社では，従来，鋳造や鍛造で生産することが多いロッカアームボデーを板金製法で生産する板金製ロッカアームの開発に取り組んできたが，ここでは，その設計検討内容や評価結果について紹介する．

図1 ダイレクト式ＯＨＣ
Direct type OHC

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

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資−板金製ロッカアーム・ユニットの開発−

料

ロッカアームロッカシャフトカムシャットロッカアームカムラッシュアジャスタ

aセンタピボット式ロッカアーム

sスイングアーム式ロッカアーム

ロッカシャフトを支点とし，ロッカアームのラッシュアジャスタを支点とし，ロッカアー

一端をカムが押すことで，もう一端に接したムの中間点をカムが押し下げることで，もうバルブを押し下げる．

一端に接したバルブを押し下げる．

図2 ロッカアーム式ＯＨＣ
Rocker arm type OHC
今回，図2の（2）に示すスイングアーム式ロッカアームボデーの板金化に取組んだ．
（従来品は鋳10n）× 16667

Lh＝ CPm（3｛ ∫1031Pm＝ θ P 3dθ 10θ造）
ロッカアームの機能としてはカムの動きに合わ0｝

NLn＝ ×2 π×D

せてバルブを正確に開閉させることが要求される．

Lh ：軸受寿命（h）

具体的には以下の点が挙げられる．

C①高剛性・高強度を有すること．

Pm ：軸受等価荷重（N）②耐久性を有しかつ軽量であること．

n：軸受回転速度（min ）③安価であること．

θ：カム回転角（rad）

P：軸受荷重（N）

N：エンジン回転速度（min ）

L：カム外周長（mm）

D：外輪外径（mm）

42.7g

40.5g

従来品
（鋳物）

開発品
（板金製）

図3 従来品と開発品
Conventional and developed rocker arm model

3.2：動定格荷重（N）−１−１

外輪外径面接触面圧の検討

外輪外径面はカムと転がり接触するため，ラジアル荷重やミスアライメントによるエッジロードの発生を防止し最適な接触状態とする必要がある．このため，外輪外径面にはクラウニングが施

3．板金製ロッカアームの設計検討
3.1

軸受寿命の検討されている．
開発品の接触面圧分布を図4に示す．接触面圧は，1 765MPa以下とすることが望ましい．

軸受寿命の検討はカムのプロフィールが一様でなく，また，荷重や回転数も変動するため平均化して計算を行う．

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資料

ミスアライメント：0rad
ミスアライメント：0.003rad

1 600
接触面圧，MPa−板金製ロッカアーム・ユニットの開発−

1 200

σ：曲げ応力（MPa）

M：曲げモーメント（N･mm）

Z：断面係数（mm3）

Pmax ：ラジアル荷重
（N）

800

400

L：支点間距離（mm）

d1：軸内径寸法（mm）

d2：軸外径寸法（mm）
Pmax

0−6−4−202
外輪幅方向位置，mm

46,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,

図4 外輪外径とカムの接触面圧分布
Contact stress between outer ring and cam

3.3

外輪強度の検討

外輪強度の検討は図5のように外輪一点に集中
生応力は196MPa以下にすることが望ましい．

（∫V）

L/2

L, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,, , ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,図6 軸強度検討モデル
Examination model of shaft strength

荷重をかけ外輪内径面の発生応力を検討する．発NM1η1
V＝ ＋･ 1＋ ･A A･R
k R−η11
η
k＝−dη
A R＋η

L/2

3.5

板金製ボデーの検討η2

スイングアーム式ロッカアームはラッシュアジ

η1：外輪内径応力（MPa）

Pmax ：ラジアル荷重（N）
N：軸力（N）

Ｍ：曲げモーメント（N･mm）

A：外輪断面積（mm ）k：曲がりはり断面係数
（mm3）

2

ャスタと摺接するロッカアームのピボット部を支点とし，軸受をカムが押し下げバルブを開閉する（図7）．
ロッカアームボデーの設計では，カムの動きに対しバルブが追随するよう，高剛性・高強度を有し，且つ軽量な構造とする必要がある．
開発品のＦＥＭ解析結果を図8，表1に示す．
また，外輪とカム間同様，バルブステム案内面

η 2とバルブステム間も，ラジアル荷重やミスアライ
NPmaxη

メントによるエッジロードの発生を防止し最適なM接触状態とする必要がある．このため，案内面にR

η 1は適切なクラウニングが施されている（図7）．

,, ,,,, ,, ,, ,,,, ,, ,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,開発品の接触面圧分布代表例を図9に示す．

図5 外輪強度検討モデル
Examination model of outer ring strength

クラウニン
グ
Ｒ

カム

3.4

揺動中心

軸強度の検討

軸強度の検討は図6のように両端固定での中央集中荷重として曲げ応力を求め，147MPa以下にすることが望ましい．

M Pmax･L
σ＝ ＝Z8･Z

M＝2･Pmax･ L2

揺動

2･ L22（ ）（ ）＝ Pmax･L3L

8

ラッシュアジャスタ

バルブステム案内面

バルブステム

図7 ロッカアーム機構
Mechanism of rocker arm

π d24−d14Z＝ ･32d2

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−板金製ロッカアーム・ユニットの開発−

資料

負荷位置
最大主応力
発生位置

試料軸受部

図8 ＦＥＭ解析結果
Result of FEM analysis

表1 ＦＥＭ解析結果
Result of FEM analysis

荷重負荷用バネ

負荷荷重

980N

負荷位置

軸外径部

最大主応力

144MPa

負荷方向変位

0.009mm

発生位置

姿勢制御用アーム

軸受支持治具

試料軸
受動作
半径

バルブステム案内面

試料軸受部
カム軸

接触面圧，MPa

3 000

ミスアライメント：0rad
ミスアライメント：0.008rad

図10 ローラフォロア単体試験機
Tester of rollered follower bearing

2 000

1.E+101 000−1−0.5

00.5

11.52

軸方向位置，mm

図9 バルブステム案内面接触面圧分布
Contact stress of valve stem surface

外輪総回転数1.E+090−1.5

1.E+08
結果
1.E+07

理論値
実験値

4．板金製ロッカアームの評価結果

1.E+06024681012C/Pm

前項の設計にもとづく板金製ロッカアームを評価するために，以下の評価試験を実施した．ここ

図11 軸受寿命とC/Pmの関係
Relation between bearing life and C/Pm

では，評価試験の内容とその結果について紹介する．

図11より，C／Pm＞６で実験値は理論値より

4.1

軸受部耐久試験

図10に示すローラフォロア単体試験機を使用し，軸受部（軸，ころ，外輪）の耐久寿命評価およも大きくなる．一般に使用域は６以上であること
より，理論値により軸受部の寿命を保証できるといえる．

びカム接触部（外輪外径面，カム表面）の評価を行った．
耐久試験の結果を図11に，また耐久試験終了
後のカムおよび外輪の状態を図12に示す．

54

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資料−板金製ロッカアーム・ユニットの開発−

4.3

疲労強度試験

ボデーならびに外輪などの疲労強度を確認するために，油圧パルス疲労試験機で疲労強度を測定した．結果を図15に示すが，７kN以下の荷重で，１×10 7サイクル以上をクリアし，実荷重に対し十分な強度を有している．

図１2 耐久試験終了後のカムと外輪の状態
Appearance of tested cam and outer ring

4.2

耐荷重試験

試験荷重，kN1086

板金製ロッカアームの静剛性や静強度を調査するために，図13に示す方法で測定を行った．
この結果，板厚３mm強の品物で，静強度20kN

41.0E+04以上，静剛性60kN/mm以上を示している．また，

1.0E+05

静強度を測定した際の損傷箇所は図14のように

1.0E+06

1.0E+07

1.0E+08

繰返し数，サイクルバルブステム接触部の破損であり，図8のＦＥＭ

図15 疲労強度試験結果
Result of metal fatigue test

解析結果と一致している．
荷重4.4

実機エンジン・モータリング耐久試験

試作した板金製ロッカアームの実機での性能を確認するために，実機エンジンを用い，モータリング試験を行った．試験機の概要を図16に示す．
この試験機を用いて耐久試験を行った結果，軸出力付ダイヤルゲージ

受部分，バルブステム接触部，ピボット部などに損傷は認められず，良好な状態であった．図17に試験終了後のロッカアーム外観を示す．

実機エンジンカムシャフト
試料ロッカアーム

ポンプ駆動モータ
プーリ

図13 静強度および静剛性の測定方法
Measuring method of static intensity and stiffness

オイルヒータ

図16 モータリング試験機概要
Schematic diagram of motoring test machine

図14 静強度試験後のロッカアーム
Appearance of tested rocker arm

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)55

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資料

6．おわりに以上，板金製ロッカアームの設計検討内容や評価結果について紹介した．
開発品は，静剛性60kN以上，静強度20kN以上を有し，実機エンジンモータリング試験結果も良好であった．
ロッカアームは自動車の心臓部であるエンジンの一構成部品であるため，さらなる信頼性の向上を図るとともに，今後も顧客ニーズにマッチした製品を提案する予定である．

図17

試験終了後のロッカアーム外観
Appearance of tested parts

参考文献
１）トヨタ自動車株式会社：自動車の構造（1987）．

5．今後の技術動向
5.1

耐ピーリング性の向上

２）三菱自動車工業株式会社：整備解説書．
３）浅 井 康 夫 ， 本 橋 信 綱 ， 榊斉亮：Koyo

Engineering Journal no. 156（1999）
20.

外輪外径やカム面の表面状態や回転変動などの要因で，外輪外径面にピーリングが発生することがある．ピーリング対策としてはすでに種々の対応がなされているが，潤滑油などの状況の変化すべてに対応するにはコストなどを考慮すると難しい側面もある．
３）すでに発表した ，外輪を特殊なりん酸マンガン被膜処理をするのも耐ピーリング技術の方策のひとつである．

(a)無処理品 (b)りん酸マンガン被膜処理品
図18 試験品の試験後の外観
Appearance of specimens after testing

筆 者
5.2

外輪セラミックロッカアーム

さらなる軽量化のため，外輪をセラミック化する方策があり，技術的には完成域に至っているが実用化にはコストの課題があり，継続的に今後も検討が必要である．

本橋信綱*
N. MOTOHASHI*

軸受事業本部

荻野 清*
K. OGINO
軸受技術センター

自動車軸受技術部

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