JP2002089213A - エンジンバルブ及びその製造方法 - Google Patents

エンジンバルブ及びその製造方法

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JP2002089213A
JP2002089213A JP2000282877A JP2000282877A JP2002089213A JP 2002089213 A JP2002089213 A JP 2002089213A JP 2000282877 A JP2000282877 A JP 2000282877A JP 2000282877 A JP2000282877 A JP 2000282877A JP 2002089213 A JP2002089213 A JP 2002089213A
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umbrella
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Akiyoshi Mori
彰良 毛利
Haruki Kobayashi
治樹 小林
Tatsuo Kanzaki
辰雄 神崎
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Fuji Oozx Inc
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 傘部と軸端部とを必要最小限の金属材とし、
他の部分をプラスチック材とすることにより、軽量なエ
ンジンバルブを得る。 【解決手段】 高強度プラスチック又は繊維強化プラス
チックにより形成され、かつ軸部１ａの一端に傘部１ｂ
を備えるバルブ基材１における傘部１ｂと軸端部とに、
それぞれ、金属製のヘッド部材２と、外周面にコッタ止
着用の環状溝３ａを有する金属製の覆筒３を嵌着する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、プラスチックと金
属材料とを組合わせて形成した軽量なエンジンバルブ、
及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】軸部の一端に傘部が連設された通常のエ
ンジンバルブは、従来、耐熱鋼により形成されているの
が殆どであった。そのため、動弁系の慣性質量が大き
く、エンジンの許容回転数を高めたり、燃費や出力等、
エンジン性能をより向上させたりするうえで障害となっ
ている。
【０００３】このような問題点を解決した従来の軽量エ
ンジンバルブとしては、例えば、実開昭５９−７００１
１号公報に開示されているもののように、傘部を金属材
とし、これにプラスチックよりなる軸部を結合したもの
や、実開昭５９−７００１２号公報、実開昭６０−６３
０１２号公報等に開示されているもののように、傘部と
軸端部を金属材とし、軸部の中間部をプラスチックによ
り形成したもの、あるいは、実開昭６０−１３３１０６
号公報に開示されているもののように、金属製の傘部と
軸端部とを、同じく金属製の小径の軸芯により連結し、
軸芯の外周面をプラスチックにより被覆したものなどが
知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来のエンジ
ンバルブは、いずれも、比較的大きなウエイト割合を占
める傘部が、中実状の金属材により形成されているた
め、重量の低減効果は小さく、特に、軸端部や軸芯にも
中実の金属材を用いているものにおいては、それ程の軽
量化は期待できない。また、金属製の傘部及び軸端部
と、プラスチックよりなる軸部とを、ねじによる機械的
な結合手段を用いて結合しているため、結合部の強度が
小さく、耐久性、信頼性に欠ける問題もある。
【０００５】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
ので、傘部と軸端部とを必要最小限の金属材料とし、他
の部分をプラスチック材とすることにより、大きな軽量
化が図れ、かつ金属材とプラスチックとの結合強度を大
として、耐久性及び信頼性を高めうるようにしたエンジ
ンバルブ、及びその製造方法を提供することを目的とし
ている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明のエンジンバルブ
によると、上記課題は、次のようにして解決される。 (１) 高強度プラスチック又は繊維強化プラスチックに
より形成され、かつ軸部の一端に傘部を備えるバルブ基
材における傘部と軸端部とに、それぞれ、金属製のヘッ
ド部材と、外周面にコッタ止着用の環状溝を有する金属
製の覆筒を嵌着する。
【０００７】(２) 上記(１)項において、バルブ基材内
に、多数の強化長繊維を、軸方向に整列させて埋設す
る。
【０００８】(３) 上記(１)または(２)項において、バ
ルブ基材における傘部の端面から軸端部までの中心部
に、中空孔を形成する。また、本発明のエンジンバルブ
の製造方法によると、上記課題は、次のようにして解決
される。
【０００９】(４) 上記(１)項のエンジンバルブの製造
方法において、軸線と直交する方向に２分割可能な金型
に、製造しようとするエンジンバルブと補形をなす成形
室を形成し、この成形室における傘部成形部と軸端部成
形部とに、それぞれ、軸部側が開口する中空金属製の傘
状のヘッド部材と、外周面に環状溝を有する傘部側が開
口する中空金属製の覆筒とを、互いの開口部を対向させ
て挿入し、金型を密閉したのち、高強度プラスチック原
料又は繊維強化プラスチック原料を成形室内に充填し、
この原料を固化させてから脱型する。
【００１０】(５) 上記(２)項のエンジンバルブの製造
方法において、軸線と直交する方向に２分割可能な金型
に、製造しようとするエンジンバルブと補形をなす成形
室を形成し、この成形室における傘部成形部と軸端部成
形部とに、それぞれ、軸部側が開口する中空金属製の傘
状のヘッド部材と、外周面に環状溝を有する傘部側が開
口する中空金属製の覆筒とを、互いの開口部を対向させ
て挿入するとともに、前記ヘッド部材と覆筒の中空孔内
に、多数の強化長繊維の両端部を挿入して保持し、金型
を密閉したのち、高強度プラスチック原料又は繊維強化
プラスチック原料を成形室内に充填し、この原料を固化
させてから脱型する。
【００１１】(６) 上記(５)項において、多数の強化長
繊維を、プラスチックを含浸させて棒状に束ねたのち、
その両端部をヘッド部材と覆筒とに挿入する。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を、図面
に基づいて説明する。図１は、本発明のエンジンバルブ
の第１の実施形態を示すもので、軸部(1a)の下端にラッ
パ状に拡径する傘部(1b)が連設されたバルブ基材(１)
は、ポリアミド、ポリイミド、ポリアセタール、ポリカ
ーボネート等のエンジニアリングプラスチック、不飽和
ポリエステル樹脂、耐熱フェノール樹脂、エポキシ樹
脂、超高分子量ポリエチレン等の高強度プラスチック、
又はこれらのプラスチックに、ガラス繊維、カーボン繊
維、アラミッド（ケブラー）繊維、セラミックスウィス
カ等の強化短繊維のいずれか１種又は複数種よりなる複
合繊維を混合させた繊維強化プラスチックにより形成さ
れている
【００１３】バルブ基材(１)における傘部(1b)の外周面
には、下部外周面にテーパ状の弁フェース部(2a)を有す
る有底中空ラッパ状の金属製のヘッド部材(２)が、その
上端部外周面と軸部(1a)の下部外周面とが同径をなして
連続するように適正に嵌着されている。
【００１４】上記ヘッド部材(２)は、排気用のエンジン
バルブとして用いる際は、耐熱鋼やチタン合金等によ
り、また熱負荷の小さい吸気用のエンジンバルブとして
用いる際には、アルミニウム合金等により、それぞれ形
成するのがよい。
【００１５】軸部(1a)の上端部には、その外径と等外径
の上面が閉塞された覆筒(３)が、その外周面を軸部(1a)
の端部外周面に形成された環状凹溝(1c)に向かって凹入
させることにより、抜け止めして嵌着されている。覆筒
(３)の外周面の上記縮径した凹入部は、図示しないコッ
タ止着用の環状溝(3a)として共用してもよい。
【００１６】覆筒(３)は、炭素鋼や工具鋼、チタン合
金、アルミニウム合金等により形成されている。
【００１７】図２〜図４は、上記エンジンバルブの製造
要領を示している。図２は、軸線を中心として２分割可
能な固定金型(4a)と可動金型(4b)とからなる射出成形用
の金型(４)で、それらの対向面には、上記エンジンバル
ブと補形をなす成形室(５)が、左右の金型(4a)(4b)の突
合わせ面を中心として線対称的に形成されている。
【００１８】左方の固定金型(4a)の上下の端部には、そ
れぞれ射出成形機の樹脂注入ノズル（図示略）に接続さ
れる注入孔(６)と気抜孔(７)とが、成形室(５)内の上下
の端部と連通するようにして形成されている。
【００１９】このような金型(４)を用いて、まず図３に
示すように、可動金型(4b)を右方に移動させた状態で、
深絞り加工等により予め成形しておいた上記と同形のヘ
ッド部材(２)と、外周面にコッタ溝(3a)が形成された覆
筒(３)とを、固定金型(4a)側の成形室(５)内の上下の端
部に挿入したのち、可動金型(4b)を左方に移動させて成
形室(５)を密閉する。
【００２０】この際、ヘッド部材(２)と覆筒(３)とを、
それらの外周面に予め穿設しておいた通孔(８)が、それ
ぞれ注入孔(６)及び気抜孔(７)の内方の開口端と整合す
るように位置決めして、成形室(５)内に挿入する。
【００２１】ついで、図４に示すように、射出成形機に
より溶融又は流動可能とした上記プラスチック原料(９)
を、注入孔(６)より成形室(５)内に充填する。この充填
時において、成形室(５)内の空気は、気抜孔(７)より外
部に排出される。
【００２２】ついで、充填されたプラスチック原料(９)
が熱可塑性の際には、金型(４)を冷却することにより、
また同じく熱硬化性の際には、金型(４)を適度に保温す
ることにより、原料(９)を固化させる。
【００２３】最後に、可動金型(4b)を右方に移動させて
型開きを行い、固化した原料(９)を脱型すれば、図１に
示すようなエンジンバルブが得られる。
【００２４】このような方法で、図１に示すようなエン
ジンバルブを形成すると、プラスチック原料(９)の充填
工程において、その原料(９)は、成形室(５)内に予め挿
入しておいたヘッド部材(２)と覆筒(３)との中空孔内に
流入し、それが固化されると同時に、プラスチック製の
バルブ基材(１)とヘッド部材(２)と覆筒(３)とが一体化
されるので、それら同士の結合に特別な手段は必要な
く、極めて容易かつ強固に結合され、特にバルブ基材
(１)に対するヘッド部材(２)と覆筒(３)の抜け止め強度
は著しく高まる。
【００２５】すなわち、例えば、バルブ基材(１)を成形
してから、その傘部(1b)と軸部(1a)の端部にヘッド部材
(２)及び覆筒(３)を機械的に固定しようとすると、専用
の絞り加工装置やプレス装置等が必要となるとともに、
工数が増加して製造コストが増大し、かつ寸法精度にも
誤差が生じ易くなる。
【００２６】図５は、本発明のエンジンバルブの第２の
実施形態を示す。上記第１の実施形態と異なる点は、バ
ルブ基材(１)内の中心部に、ガラス繊維、カーボン繊
維、アラミッド(ケブラー)繊維のいずれか１種又は複数
種の複合繊維を束ねたものよりなる長繊維束(10)を、全
長に亘って埋設したことにある。
【００２７】長繊維束(10)の各単繊維の太さは、引張強
さと重量を考慮すると、0.1〜0.3mm程度が好ましく、ま
たその本数は、バルブ基材(１)の軸部(1a)の直径と長繊
維束(10)の直径との比率が、概ね1.5〜2.0の範囲となる
ような数量とするのがよい。このような長繊維束(10)を
埋設すると、バルブ基材(１)の機械的強度、特に、引張
強度と座屈強度が著しく高まる。
【００２８】図６及び図７は、上記第２の実施形態のエ
ンジンバルブの製造要領を示す。まず図６に示すよう
に、上述したと同様の要領により、金型(４)における成
形室(５)の上下の端部に、ヘッド部材(２)と覆筒(３)と
を、それらの中空孔内に上記長繊維束(10)の上下の端部
を挿入した状態で収容する。この際、長繊維束(10)の上
端部を、覆筒(３)における環状溝(3a)部の縮径部により
保持するのがよい。
【００２９】長繊維束(10)を、バルブ基材(１)と同材質
のプラスチックを含浸させて、予め可撓性を有する１本
の棒状に固化させておいてもよく、このようにすると、
ヘッド部材(２)及び覆筒(３)内への挿入が容易となると
ともに、長繊維束(10)が成形室(５)内において心ずれす
る恐れがなくなる。
【００３０】ついで、図７に示すように、溶融又は流動
可能としたプラスチック原料(９)を、注入孔(６)より成
形室(５)内に充填する。充填された原料(９)は、長繊維
束(10)の各繊維間に隙間なく浸透する。
【００３１】長繊維束(10)が、熱可塑性プラスチックの
含浸により固化されている際には、含浸材は、プラスチ
ック原料(９)の充填直後に再溶融される。従って、原料
(９)の充填中に長繊維束(10)が位置ずれしたり、各単繊
維がばらけたりすることはない。
【００３２】ついで、プラスチック原料(９)が固化する
のを待ってから脱型すれば、図５に示すのと同様のエン
ジンバルブが得られる。このようにして、バルブ基材
(１)の中心部に長繊維束(10)が埋設された高強度のエン
ジンバルブを、容易に製造することができる。
【００３３】図８は、本発明のエンジンバルブの第３の
実施形態を示すもので、上記第２の実施形態のエンジン
バルブにおける傘部(1b)の下端から軸端部までの中心部
に、長繊維束(10)の外径よりも小径の中空孔(11)を穿設
してある。
【００３４】すなわち、上記の方法でエンジンバルブを
成形したのち、ヘッド部材(２)の下端側よりガンドリル
等を挿入して中空孔(11)を形成し、ヘッド部材(２)の開
口部は閉塞板(12)により密封してある。このような中空
孔(11)を形成すると、エンジンバルブをより軽量化する
ことができる。
【００３５】また、埋設された長繊維束(10)が中空孔(1
1)の周囲に残されているので、中空孔(11)を形成して
も、エンジンバルブの強度はそれ程低下することはな
い。
【００３６】以上説明したように、上記各実施形態のエ
ンジンバルブにおいては、いずれも、バルブ基材(１)を
プラスチック製とし、耐熱性や強度及び耐摩耗性等が特
に要求される部分、すなわち傘部(1b)とコッタ止着部を
含む軸端部のみに、中空状の金属製のヘッド部材(２)と
覆筒(３)を固着してあるため、傘部や軸端部が金属製の
中実材により形成されている従来のエンジンバルブに比
して、著しい軽量化が図れる。
【００３７】また、ヘッド部材(２)と覆筒(３)は、バル
ブ基材(１)を型成形するのと同時に一体化されるので、
バルブ基材(１)に対して大きな結合強度が得られ、耐久
性、信頼性を高めうる。
【００３８】なお、上記実施形態では、射出成形により
エンジンバルブを製造しているが、注型法(キャスティ
ング)により成形することも可能である。また、プラス
チック原料に熱硬化性のものを用いる際には、圧縮成形
法、すなわち原料粉末又はチップを成形室(５)に充填し
て加熱し、流動化させるのと同時に加圧して成形するこ
とも可能である。
【００３９】軸部(1a)の強度があまり要求されないとき
には、図８のような中空孔(11)を、長繊維束(10)が埋設
されていない図１に示すようなエンジンバルブにも形成
することもある。
【００４０】排気バルブとして用いる際は、ヘッド部材
(２)の上端を、シリンダヘッドに装着されるバルブガイ
ド(図示略)の下端付近まで延長し、プラスチックよりな
る軸部(1a)が高温の排気ガスに直接さらされないように
してもよい。
【００４１】上記実施形態では、多数の単繊維を１本に
束ねて長繊維束(10)とし、これをバルブ基材(１)に埋設
しているが、単繊維を束ねないで埋設することもある。
【００４２】プラスチック原料の充填位置は、上記成形
室(５)の上端とは限らず、中間部又は下端部としてもよ
い。この際には、気抜孔を上下２個所に設けたり、上端
に設けるなどすればよい。
【００４３】金型(４)を水平として成形することもあ
る。
【００４４】
【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、バルブ基
材をプラスチック製とし、耐熱性や強度及び耐摩耗性等
が要求される傘部と軸端部とに、金属製のヘッド部材と
覆筒を嵌着しているため、傘部や軸端部を金属製の中実
材により形成した従来のエンジンバルブに比して著しい
軽量化が図れる。
【００４５】請求項２記載の発明によれば、上記の効果
に加え、バルブ基材の引張強度や座屈強度等が高まる。
【００４６】請求項３記載の発明によれば、エンジンバ
ルブをより軽量化することができる。
【００４７】請求項４記載の発明によれば、請求項１の
エンジンバルブを容易に製造しうるとともに、ヘッド部
材と覆筒とを、バルブ基材に簡単かつ強固に固着するこ
とができ、耐久性、信頼性の高いエンジンバルブが得ら
れる。
【００４８】請求項５記載の発明によれば、請求項２記
載のエンジンバルブを容易に製造しうる。
【００４９】請求項６記載の発明によれば、強化長繊維
のヘッド部材及び覆筒への挿入が容易となるとともに、
成形室内において心ずれする恐れは小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエンジンバルブの第１の実施形態を示
す中央縦断正面図である。
【図２】同じく、図１のエンジンバルブの製造に用いる
金型の縦断正面図である。
【図３】同じく、図１のエンジンバルブの製造要領を示
し、金型の成形室にヘッド部材と覆筒とを挿入した状態
の縦断正面図である。
【図４】同じく、成形室内にプラスチック原料を充填し
た状態の縦断正面図である。
【図５】本発明のエンジンバルブの第２の実施形態を示
す中央縦断正面図である。
【図６】同じく、図５のエンジンバルブの製造要領を示
し、金型の成形室にヘッド部材と覆筒と長繊維束を挿入
した状態の縦断正面図である。
【図７】同じく、成形室内にプラスチック原料を充填し
た状態の縦断正面図である。
【図８】本発明のエンジンバルブの第３の実施形態を示
す中央縦断正面図である。
【符号の説明】
(１)バルブ基材 (1a)軸部 (1b)傘部 (1c)環状凹溝 (２)ヘッド部材 (2a)弁フェース部 (３)覆筒 (3a)環状溝 (４)金型 (4a)固定金型 (4b)可動金型 (５)成形室 (６)注入孔 (７)気抜孔 (８)通孔 (９)プラスチック原料 (10)長繊維束 (11)中空孔 (12)閉塞板
フロントページの続き (72)発明者 神崎 辰雄 神奈川県藤沢市円行一丁目22番地の１ フ ジオーゼックス株式会社内 Ｆターム(参考） 4F206 AA28 AA29 AA41 AB25 AD03 AD35 AH13 AH16 JA07 JB20 JF02 JF05 JL02 JN25

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高強度プラスチック又は繊維強化プラス
    チックにより形成され、かつ軸部の一端に傘部を備える
    バルブ基材における傘部と軸端部とに、それぞれ、金属
    製のヘッド部材と、外周面にコッタ止着用の環状溝を有
    する金属製の覆筒を嵌着したことを特徴とするエンジン
    バルブ。
  2. 【請求項２】 バルブ基材内に、多数の強化長繊維を、
    軸方向に整列させて埋設した請求項１記載のエンジンバ
    ルブ。
  3. 【請求項３】 バルブ基材における傘部の端面から軸端
    部までの中心部に、中空孔を形成した請求項１または２
    記載のエンジンバルブ。
  4. 【請求項４】 請求項１記載のエンジンバルブの製造方
    法であって、軸線と直交する方向に２分割可能な金型
    に、製造しようとするエンジンバルブと補形をなす成形
    室を形成し、この成形室における傘部成形部と軸端部成
    形部とに、それぞれ、軸部側が開口する中空金属製の傘
    状のヘッド部材と、外周面に環状溝を有する傘部側が開
    口する中空金属製の覆筒とを、互いの開口部を対向させ
    て挿入し、金型を密閉したのち、高強度プラスチック原
    料又は繊維強化プラスチック原料を成形室内に充填し、
    この原料を固化させてから脱型することを特徴とするエ
    ンジンバルブの製造方法。
  5. 【請求項５】 請求項２記載のエンジンバルブの製造方
    法であって、軸線と直交する方向に２分割可能な金型
    に、製造しようとするエンジンバルブと補形をなす成形
    室を形成し、この成形室における傘部成形部と軸端部成
    形部とに、それぞれ、軸部側が開口する中空金属製の傘
    状のヘッド部材と、外周面に環状溝を有する傘部側が開
    口する中空金属製の覆筒とを、互いの開口部を対向させ
    て挿入するとともに、前記ヘッド部材と覆筒の中空孔内
    に、多数の強化長繊維の両端部を挿入して保持し、金型
    を密閉したのち、高強度プラスチック原料又は繊維強化
    プラスチック原料を成形室内に充填し、この原料を固化
    させてから脱型することを特徴とするエンジンバルブの
    製造方法。
  6. 【請求項６】 多数の強化長繊維を、プラスチックを含
    浸させて棒状に束ねたのち、その両端部をヘッド部材と
    覆筒とに挿入することを特徴とする請求項５記載のエン
    ジンバルブの製造方法。
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US09/860,899 US20020033465A1 (en) 2000-09-19 2001-05-18 Poppet valve and a method of manufacturing the same
EP01304729A EP1188975A3 (en) 2000-09-19 2001-05-29 Poppet valve and a method of manufacturing the same
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