ロッカーアーム

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シーソー式ロッカーアームとロッカーシャフト

ロッカーアーム(rocker arm)とは、レシプロエンジンにおける動弁系部品の一つで、カムの力を受けてバルブを作動させる役割を果たすものである。

概要[編集]

レシプロエンジンの中でも、OHVや、SOHCDOHCといった動弁形式に用いられている。一般的には、シリンダーヘッド内に取り付けられている。カムシャフトのカム山の外周輪郭に沿って並進運動を生み出し、それをバルブに伝えることでバルブを開ける。バルブを閉じるにはスプリングを利用するが、特殊な例としてはデスモドロミック式エンジンのように、バルブを閉じる役割もロッカーアームで行なう場合がある。

カムからロッカーアームへの伝達は、SOHCのようにカムから直接伝えられる場合と、OHVのようにプッシュロッドを介して伝えられる場合がある。ロッカーアームからバルブへの伝達は、直押しとすることが一般的である。ただしタペットアジャストスクリュータペットシムあるいはラッシュアジャスター(オイルタペット)といった、バルブクリアランスを適正にするための機構がこれらの伝達経路の途中に挿入される。

ロッカーアームは硬く靭性の大きな鍛造品で造られる場合が多い。更にカムやバルブとの接触面には、耐摩耗性に優れた特殊合金が接合されたり、窒化クロム等の硬質のめっき処理が施されるなど、耐摩耗性向上や摺動抵抗低減を図られることが多い。中には、更なる耐摩耗性向上や摺動抵抗低減を狙って、接触面にころ軸受などの軸受を採用するものもある。

利点と欠点[編集]

シリンダーヘッドに固定される部分が支点、カムからの入力を受ける部分が力点、バルブを押し付ける部分が作用点となり、てこの原理で作動する。これら3つの位置の設定によりてこ比を変更し、カム山高さに倍率をかけて、バルブのリフト量を大きくできるところがロッカーアームの最大の利点である。このてこ比は一般的にロッカーアームレシオと呼ばれ、支点から接点までの距離を1として、1.4レシオ、1.6レシオなどと言った形で表記される。

その他の利点としては、作用点が二股となったロッカーアームを用いることで、1つのカムで2つのバルブを作動させたり、斜めあるいはクランク状のロッカーアームを用いることで、カムとバルブの位置関係をオフセットさせたりもできる。また、バルブスプリングの反力をカムが直接受ける直打式と違い、ロッカーアームによるてこを介した方が、カムシャフトの回転抵抗が少なくなるという利点もある。

欠点としては、ロッカーアームの慣性質量により、高回転域でのカムへの追従性が悪くなると言われている。実際には、てこの原理で直打式より小さな力でバルブを動かせるロッカーアーム式の方が動弁系を軽くできる場合もあり、この点では必ずしも直打式のほうが優れているとは言えない。また、ロッカーアームは硬い金属製とはいえ、バルブが叩く際の衝撃でわずかにたわむために、高回転域ではこのたわみが問題になる場合もあると言われる。しかしこれも、OHVのプッシュロッドのたわみに比べれば小さく、相対的には大きな問題ではない。

その他の欠点としては、ロッカーアームの長さを確保するためにバルブ挟み角が大きくなりやすく、結果として燃焼室や吸排気ポートの形状に制約が掛かり、エンジンの高出力化がしにくいという面がある。また、カムの潤滑は直打式よりも不利とされる。

方式の違い[編集]

ロッカーアームはその形状により「シーソー式」と「スイングアーム式」の二種類に大別できる。

シーソー式[編集]

支点が中間にあり、その両端に力点と作用点があるものを「シーソー式」と呼ぶ。基本原理は第1種てこであり、カムから入力された力は、支点に対してほぼ点対称の方向へ出力される。この方式ではてこ比を大きく設定しやすいために、バルブリフト量の増加の効果が高いのも利点であるが、後述するスイングアーム式よりも全長が長くなることが多いので、たわみが発生しやすい。[1]この方式は、OHVのほぼすべてとSOHCの多くで採用され、通常ロッカーアームといえばこちらを指すことが多い。

OHCの場合にはシーソーのカムシャフト側にカム山との接触面(スリッパー)が設けられ、バルブ側に調整タペットが設置される場合が多い。OHVの場合にはプッシュロッドがカム山との接触と調整タペットの両方の機能を持つ為、シーソーのプッシュロッド側にはロッドを受け止める凹面が設けられ、バルブ側にスリッパーのみが設けられる場合が多い。

スイングアーム式[編集]

支点が一方の端にあり、力点が中間に、もう一方の端が作用点となるものを「スイングアーム式」と呼ぶ。基本原理は第2種てこあるいは第3種てこであり、カムから入力された力はほぼ同じ方向へ出力される。この方式はてこ比をシーソー式ほど大きく設定しにくいために、バルブリフト量の増加の効果は低いが、そのぶんロッカーアームのたわみ量も少なくできる。スイングアーム式ロッカーアームは、SOHCの一部と、DOHCの一部[2]で採用される。

摩擦抵抗[編集]

ロッカーアームはその機械要素上、接触面や支点に大きな摩擦抵抗が発生しやすい。これを解決する為に通常は各接触面にエンジンオイルを供給するオイル経路が設けられる事が多いが、更なる抵抗軽減策としてローラーロッカー(en:Roller rocker)構造が採用される。

ローラーロッカー[編集]

ローラーロッカーは、力点にニードルローラーベアリングを内蔵したローラーを備えたもので、機械要素としてのカムフォロア(en:Cam follower)の概念を導入したものである。ローラーがカムとロッカーアームの間で回転することで摩擦抵抗を低減し、よりスムーズな動作を実現する。ローラーロッカーアームに対して、通常のロッカーアームはスリッパー式と呼称されることが多い。シーソー式、スイングアーム式の双方にこの方式が存在する。

カムシャフトを回転させるための損失は、バルブスプリングが硬くなる程大きくなる。高回転エンジンになるほど、カムへの追従性を上げるためにバルブスプリングに硬めの物を選択せざるを得なくなるので、このような形式の物が登場した。OHCの場合にはアームのカムシャフト側接触面にのみローラーを備えるが、OHVの場合にはプッシュロッドのカムシャフト側先端にローラーを設けた上で、ロッカーアームのバルブ側接触面にもローラーを設けた構成を採用する場合も多い。両者とも高性能なものになると、ロッカーアームの支点にもベアリングを内蔵している物もある。

メリットとしては直打式やスリッパー式が滑り摩擦なのに対して、ローラー式では転がり摩擦が主体となるためフリクションや摩耗を低減する事ができる。 特に境界摩擦が支配的となる低回転域ではその恩恵は大きい。近年では低粘度な省燃費オイルの使用が多くなってきているが、低粘度なほど境界摩擦は増えるためローラー式のメリットはさらに大きくなっている。 現段階では低粘度オイルの規格上のHTHS粘度は2.6cP以上となっているがこれを下回ると滑り摩擦条件下では摩擦と摩耗が増大するとされている。今後さらにオイルが低粘度化された場合、ローラーロッカーアームはさらに重要になってくるものと思われる。

欠点としては、ローラーが付加される分、アームの慣性重量がスリッパー式よりも増大しがちな点や、ローラーのベアリングが摩耗するためスリッパー式よりも耐久性に劣る点などが挙げられる。ローラーの材質によってはカム山への攻撃性も高まる[3]場合がある。また、ローラーを採用する事でカム山との接触面の曲率がスリッパー式から変化する事が多い為、同じバルブタイミングでも異なる形状のカム山が必要となる[4]場合も多い。このような理由から、ローラーロッカーアームを採用する場合、ローラーカムと呼ばれる専用のカムシャフトと組み合わせることが一般的[5]である。

現在では省燃費・高回転を謳うエンジンの多くに採用されている技術だが、海外ではフォードV8ハーレーダビッドソンミニクーパーなどのOHVエンジン向けのアフターパーツとして販売されていることも多い。アフターパーツのローラーロッカーアームは、アーム重量を少しでも減らすためにアルミ合金などの軽量な材質を使用していることもあり、OHVエンジンを高回転・高出力型にチューニングする際には欠かせないパーツの一つともなっている。

以前までの国産車では小排気量車が多くコスト等の制約があったこともありローラーフォロワーを採用する車両は海外に比べあまり多くはなかったが、現在では多く車両で採用され主流に近いものとなっている。同じエンジン型式であっても途中から燃費向上などの為に直打式やスリッパー式からローラー式に変更されたケースもある。

ロッカーアームレシオ[編集]

ホンダD15A型4気筒SOHC12Vエンジンのシリンダーヘッド。このようなクロスフロー配置の場合、単純にレシオのみ変化させるとバルブオーバーラップに悪影響を及ぼす。

ロッカーアームレシオ(以下、レシオ)とは、ロッカーアームの支点・力点・作用点間の長さの比率で、ロッカーアーム比とも呼ばれる。「1:1.4」などの数値で表され、ごく一般的には1:1.5や1:1.6などに比率が大きくなるほど、同じ大きさのカム山でのバルブリフトが増大する。

しかし、レシオの数値算出方法は比率の基準となる1の数値をアームのどの場所の長さとするかによって、同じ数値のレシオでもアームの形状が大きく変化する。大きく分けてロッカーアームのカム山側を基準とする場合と、バルブ側を基準とする場合があり、それによってレシオを増大させた場合のバルブトレーンの動作の変化に違いが生じる。

レシオの1の基準をカム山側としている場合には、レシオが大きくなるほどバルブ側の腕の長さが長くなっていく。このタイプの場合にはレシオをいくら変更してもカム山側の腕の長さが変わらないため、アーム変更に伴いカムシャフトを交換する必要がないメリットがあるが、バルブとタペットの直接の位置関係がずれてしまうために、ヘッドの加工やバルブステムの長さ変更なしに極端に大きなレシオの変更は行えない。設計段階からレシオの極端な増大を前提とする場合にはバルブ挟み角の増大が不可避となる場合もある。

レシオの1の基準をバルブ側としている場合には、レシオが大きくなるほどカム山側の腕の長さが短くなっていく。カムシャフトとの同時交換かバルブタイミングの微調整のみでヘッド側を大きく変更することなくアーム比をある程度自在に変更することができる為、現在のエンジンの設計変更においてはこの手法が主であるが、カムシャフトはそのままで単純にアームのみを高レシオのものに交換した場合には、バルブリフトは増大するが、バルブタイミングがそのカム全体で一定の角度ずれる傾向を示すことにもなる。

このバルブタイミングのずれはカムシャフトの回転方向とバルブの位置関係により相対的に変化する。例えば、時計回りに回転するカムシャフトの右側に吸気バルブ、左側に排気バルブが配置されるクロスフロー燃焼室のSOHCの場合、レシオのみを大きくすることでカムシャフトに対して右側の吸気バルブは早く開いて早く閉じ、左側の排気バルブは遅く開いて遅く閉じる傾向を示す。つまり、バルブオーバーラップが減少することになる。

トヨタ3A-U型エンジン。ロッカーアームが全て左側に寄っているため、レシオを変更してもバルブオーバーラップ自体には影響が出ない。

吸排気両方のロッカーアームがカムシャフトに対して左右片側に集中して配置されることの多いターンフロー燃焼室のOHVやSOHCの場合には、吸排気両方のバルブタイミングが一定量早まるか遅まるのみで済むため、ダイヤルゲージでの測定に基づく調整式カムスプロケットでの再調整のみで対応が可能であり、ロッカーアーム式DOHCの場合も吸排気のバルブタイミングを独立調整できるために、カムシャフトを変更することなく対応することが可能であるが、クロスフロー燃焼室のOHV(クライスラー・ヘミエンジンなど)やSOHCの場合にはバルブタイミングとバルブオーバーラップをアーム変更前に合わせるためには、原則としてハイカムを始めとする高レシオアームに対応したカムプロフィールを持つカムシャフトへの交換が必須となる。

脚注[編集]

  1. ^ ただしこれはスイングアーム式と単純比較した場合の一般論であり、実際には材質や形状を工夫することでたわみを最小限に抑えている場合がほとんどである。
  2. ^ DOHCは構造上の理由から直打式が多く、ロッカーアームそのものを採用することが多くなかったが、省燃費性向上の為に直打式からローラーロッカーアームへの変更が近年増えている。
  3. ^ スリッパー式のアームの場合、カムへの負担を軽減する目的で擦動面を大型化する場合が多いが、慣性重量の関係でローラー式ではこのような改良が行いにくい。
  4. ^ Understanding Camshaft Fundamentals
  5. ^ 同形式のエンジンでローラー式とスリッパー式の両方が設定されている場合、ローラー式の方が支点と力点との距離が短い場合が多い。これは慣性重量を減らすための工夫の一つで、カム山を少し高くすることでスリッパー式と同様のバルブリフト量を確保している。このような手法を採っているエンジンでローラー式アームをスリッパー式ヘッドに流用する場合、カムシャフトもローラー式の物に同時に交換しないとロッカーアーム比が変化してバルブリフト量やバルブオーバーラップが減少してしまい、性能低下に繋がる。

関連項目[編集]