JP2006097693A

JP2006097693A - 内燃機関用排気バイパス弁機構

Info

Publication number: JP2006097693A
Application number: JP2005341346A
Authority: JP
Inventors: Shogo Sawada; 昇吾沢田; Kazuo Kojima; 和夫小島; Koji Harada; 幸治原田; Toshiyuki Katsuno; 敏行勝野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-11-28
Filing date: 2005-11-28
Publication date: 2006-04-13

Abstract

【課題】従来技術下では、板状部材貫通孔の軸状部材加締め変形側の角部が比較的鋭角に構成されており、板状部材貫通孔に対向する軸状部材に径方向の接合力が得られず、高温環境下での使用等においては緩み等の問題が発生していた。
【解決手段】板状部材の貫通孔に挿入された軸状部材の両側を加圧し、軸状部材の一端に加締め変形を与えることによって、板状部材の両面の第一，第三接合面間に発生する挟着力と軸状部材の周囲に形成される第二，第四の接合面において、軸状部材の外径側への膨らみ変形によって発生する緊迫力とで接合力を得る。この為、上記貫通孔の軸状部材加締め側角部に第四の接合面としての緩やかな傾斜面（面取り形状）を構成させる。
【効果】第一接合面と第三接合面間に発生する挟着力に、第二，第四接合面に発生する緊迫力が加算され、より高く安定した接合力を得ることが可能である。
【選択図】図８

Description

本発明は、比較的薄肉の板状部材と板状部材に配設された貫通孔に挿入される軸状部材とを、前記軸状部材の先端に一体化する加締め接合技術に関する。

本発明の接合技術は、例えば内燃機関に用いられるターボ式過給機のタービンに併設される排気バイパス機構の弁体として用いることができる。

特開平８−２９０２２９号には、電磁クラッチアーマチャと板ばねの加締め接合として、前記アーマチャにテーパ孔を設け、両板部材を貫通するリベットの脚部先端を加締め、前記テーパ孔内に前記リベットの脚部を充填し、圧着することにより前記両板部材を一体に接合する技術が記載されている。

また、従来から知られている内燃機関の過給機用タービンハウジングを含めた排気ガス通路内に構成される排気バイパス弁機構では、板状の弁体を開閉制御するためのステー部材に弁体を係止支持するため、ステー部材と板状の弁体を貫通する軸状ロッド部材が加締めによって板状の弁体に加締め接合されている。具体的には生産性及びコストを考えて、プレス加工によって打ち抜きされた板状部材としての弁体に設けた貫通孔に軸状ロッド部材の一端を挿入させ、その端面を加締め変形させ接合している。

特開平８−２９０２２９号公報

上記従来技術では、それぞれ板状部材と軸状部材、若しくは板状バルブ部材と軸状ロッド部材の接合力が不十分で加締め接合部に緩みが発生する問題があった。

特に、後者の排気バイパス弁機構では高温環境下に晒され、ヒートサイクルが繰り返されることによって加締め部の金属組成が変化し、接合力が経年的に低下する問題があった。

本発明の目的は、板状部材と軸状部材との加締め部の接合力が長い期間維持できる加締め接合構造を提供することにある。

具体的には、排気バイパス弁のような高温環境下で使用されヒートサイクルが繰り返される場合でも、接合力が低下しない、優れた加締め接合構造を提供することを目的としている。

本発明は上記目的を達成するため、内燃機関の排気ガス通路を構成する部材に設けられた排気ガスバイパス穴を開閉制御する板状弁部材、当該板状弁部材に開閉動作を付与するためのステー部材、当該ステー部材と前記板状弁部材とに形成された貫通孔に挿入され前記弁部材に加締め接合される軸状ロッド部材よりなる過給機付き内燃機関用排気バイパス弁機構において、前記板状弁部材と前記軸状ロッド部材の接合面が前記板状弁部材の貫通孔内における前記軸状ロッド部材の外周面に形成した。

より好適には、前記軸状ロッド部材の外周の接合面に放射方向の緊迫結合力が作用している。

また、前記軸状ロッド部材の金属組成を解析した際、前記接合面に向かって当該軸状ロッド部材の素材の塑性流動痕跡が認められる。

本発明は、加締め変形により得られる２部材の接合力について、ロッド部材の軸方向に発生する挟着力とロッド部材の径方向に発生する２部材間の緊迫力とが加算される如く構成したので、強固な接合力が得られた。

具体的には、排気バイパス弁機構に適用した場合、高温環境下の使用に対しても接合力の低下のない安定した締結力を有する接合構造の供給が可能である。

以下、本発明が実施された排気バイパス弁機構の実施例について、その構成及び上記課題が解消できる理由を具体的に説明する。

図１に、本発明が適用される内燃機関用過給機の断面構造を示す。

内燃機関の各気筒より排出された排気ガスは、内燃機関側に配設される排気管によって集合され、タービンハウジング１に導入される。タービンハウジング１の中央部には軸部材２と一体接合されたタービン翼３が配設されており、軸部材２の他端には、カラー部材４を介してコンプレッサ翼５が、ロックナット６によって一体締結されている。

タービンハウジング１に導入された排気ガスの圧力，温度エネルギーによってタービン翼３が高速回転されると、タービン翼３と一体化された軸部材２，カラー部材４，コンプレッサ翼５は同様に高速回転され、コンプレッサ翼５の外周部に配設されたプレート部材７，コンプレッサハウジング８によって構成されたスクロール通路９との間に圧縮空気を発生させ、内燃機関の吸気通路内へと圧送する。

タービン翼３，コンプレッサ翼５の両翼と一体化された軸部材２，カラー部材４の近傍には、軸部材２の１０００００ｒ／min 以上の安定した回転を保持するためのラジアル軸受１０，スラスト軸受１１が構成されている。

各々２個のラジアル軸受１０及びスラスト軸受１１には、軸受箱１２に構成された給油通路１３より分岐されたオイル通路１３ａ，１３ｂ，１３ｃが連通しており、内燃機関より分岐されたエンジンオイルが供給され、軸受部の潤滑・冷却が行われている。

図１に示した過給機の断面構造では図象を省略したが、排気タービン式過給機には、タービン翼３を迂回し、タービンハウジング１の排気ガス入口側と排気ガス出口側１ａを連通させる排気バイパス機構が設けられている。

図２に、本発明が適用される内燃機関用過給機の排気バイパス機構の全体図を示す。過給機自身の過給圧力を利用した圧力応動型のアクチュエータ(図示せず)の作動を伝達するためのロッド部材２０にはリンク部材２１が連結され、リンク部材２１の他端には回転動作可能なステー部材２２の軸部２２ｂが締結されている。ステー部材２２にはバイパス弁体２３が取付けられているが、ステー部材２２と弁部材３１は後述する構成によって回転方向にはフリーで、軸方向には制限された範囲内で移動可能に構成されている。アクチュエータに連結されたロッド部材２０の直線運動をリンク部材２１，軸部２２ｂによって、ステー部材２２の回転運動に変換し、弁部材３１がバイパス孔２４を開閉制御する。

排気ガス流量の増加に伴いタービン翼３の回転速度が増大すると、軸部材２を介して一体化されたコンプレッサ翼５の回転も増大し、エンジンに圧送される過給圧力も増加する。一般に、過給機の最大過給圧力は、エンジンの強度上から決定されることが多く、目標過給圧力以上においては、上記ロッド部材２０の動作によってバイパス弁体２３がバイパス孔２４を開口し、排気ガスをバイパスさせる制御がなされている。従って、バイパス弁体２３を含めた排気バイパス構造の使用環境は高温の排気ガス中である。

図３に示すバイパス弁体２３の構成を、図４乃至図６により詳細に説明する。

実施例のバイパス弁機構は、弁部材３１，軸状のロッド部材３２及びステー部材２２の３部材で構成される。ステー部材２２，弁部材３１にはそれぞれ貫通孔２２ａ，３１ａが形成されている。ロッド部材３２は大径の頭部３２ｃと、この頭部３２ｃより小径でステー部材２２の貫通孔２２ａに遊嵌されるステー保持部３２ｂと、弁部材３１の貫通孔31ａに挿通される最も径の小さい小径部３２ｄとを有する。

軸状のロッド部材３２の頭部３２ｃはステー部材２２の貫通孔２２ａより径が大きい。また軸状のロッド部材３２のステー保持部３２ｂの径は弁部材３１の貫通孔３１ａの径より大きい。

従って、軸状のロッド部材３２をステー部材２２の貫通孔２２ａ，弁部材３１の貫通孔３１ａに挿通すると、軸状のロッド部材３２のステー保持部３２ｂの仮面は弁部材３１の上面に対面する。このとき軸状のロッド部材３２のステー保持部３２ｂに軸方向寸法はステー部材２２の厚みより大きく形成してあるのでステー部材２２はステー保持部３２ｂの周りで可動できる。

ここで、頭部３２ｃの頂面３２Ｔを治具で保持した状態でロッド部材３２の下端３２ｇを加圧すると図３，図６に示すようにロッド部材３２の下端部が塑性変形して弁部材３１の貫通孔３１ａより径の大きな環状部３２ｉが形成され、弁部材３１の下端面と面３２Ｍで接合される。弁部材３１の貫通孔は径が一様ではなく上端側と下端側にそれぞれＲ面部３１Ｒ，傾斜部つまりテーパ孔部３１ｃが設けられている。これらはロッド部材３１が加締められたとき弁部材３１や、ロッド部材３２に局部的な応力の集中が発生するのを緩和する。

ロッド部材３２と弁部材３１との加締め力はその大半が図６において矢印で示す部分に作用する軸方向の挟みつけ力である。

ここで、テーパ孔部３１ｃの傾きを変えるとロッド部の塑性変形がコントロールできることがわかった。傾きを大きく、即ち緩やかな傾きにすると弁部材３１のテーパ孔部31ｃの範囲内において、ロッド部材３２の塑性変形がロッド部材３２の上部まで進み、ロッド部材３２の小径部３２ｄの径が塑性変形によって加締め前の径より大きくすることができることがわかった。

本実施例ではこの現象を積極的に利用し、ロッド部材３２の外径方向への組成変形を積極的に発生させるために弁部材のテーパ孔の傾きを種々変化させ、どの程度緩やかな傾きにすればどの程度の緊迫力が得られるのかを検討した。

また、その際、各箇所での局部応力の大きさを確かめた。

その結果、局部的な応力の発生なしに、弁部材３１の貫通孔３１ａの壁面とロッド部材３２の外周面とが必要な緊迫力をもって接合するために必要なテーパ孔の傾きをはじめとする物理的な加締め部の形状の条件を見出すことができた（詳細は後述する）。

本実施例では、ロッド部材３２の先端部３２ｇの加締め力と、ロッド部材３２の小径部３２ｄの膨らみによる弁部材３１の貫通孔３１ａとの緊迫力を利用した接合構造としている。

図７，図８に示す本発明の実施例において、弁部材３１の貫通穴３１ａは、同貫通孔
３１ａに挿入されるロッド部材３２の加締め変形側から加工される（図７中の下方向から打ち抜き加工）とともに、積極的に面取り加工部７１を大きく成形している。従って、貫通孔３１ａの構成は、打ち抜き方向よりだれ加工部７２，面取り加工部７１，ストレート孔３１ｂ，破断面であるテーパ孔部３１ｃの如くとなる。

ここで、ストレート孔３１ｂの内径ｄ₁ と面取り加工部７１の延長線と弁部材３１の下面３１ｄとの交点で決まる径寸法ｄ₂ との関係をｄ₂ ＞１.５ｄ₁に設定しており、プレス打ち抜き時のだれ加工部７２の径寸法ｄ₃ については、ｄ₃ ＞２.０ｄ₁になる如く大きな面取り形状に、また、板厚Ｔに対する面取り加工部７１の深さ寸法Ｌについては、Ｌ＝
０.５Ｔ程度に設定している。

図８に示す本発明の実施例については、上記貫通孔３１ａの各部寸法関係をｄ₂＝１.７ｄ₁，ｄ₃＝２.２ｄ₁の如くとした。図８に示す加締め接合後において、ロッド部材３２の小径先端部３２ｇのつぶし作業による力は小径部３２ｄ全体に伝達され、弁部材３１，貫通孔３１ａの面取り加工部７１及びストレート孔３１ｂに対向するロッド部材３２の小径部３２ｄには、外径側に向かって膨らみ側の変形が発生し、各両部材との間に、お互いを接合しようとする緊迫力が作用する。また、ロッド部材３２の段差面３２ｅとロッド小径部３２ｄの先端部３２ｇ側の環状部３２ｉとの間には、弁部材３１を挟着する力が発生している。（実際には、面取り加工部７１の傾斜面に作用する軸方向分力も発揮されている。）従って、従来技術下の接合力が、段差面３２ｅと環状部３２ｉとの挟着力と僅かに形成されたテーパ孔部３１ｃに対するロッド小径部３２ｄの圧着力によってのみ依存していたのに対して、本発明の接合力は、従来技術下の挟着力，圧着力（図６，図８に矢印Ａで示す力）に加えロッド部材３２，小径部３２ｄ変形後の外周面と、弁部材３１，貫通孔
３１ａのストレート孔３１ｂ，面取り加工部７１内周壁との緊迫力（図８における矢印Ｂ，Ｃで示す力）が加算されより強固な接合力が得られる。

なお、図８に示す如く本実施例の接合部の断面を切断してみると、弁部材３１のストレート孔部３１ｂにおいて、ロッド部材３２の小径部３２ｄが塑性変形した結果、小径部
３２ｄの外径が弁部材３１のストレート孔部３１ｂの内径より大きくなり、ロッド部材
３２が弁部材３１に喰い込んでいることが確認された。

この喰い込み部３２Ｐでは図８の矢印Ｃで示す如く緊迫力が複数の方向から作用し、接合力が高まっていると考えられる。

なお、この結果から弁部材３１の材料としてはロッド部材の硬度と同じかそれより高度の柔らかい材料を用いることが好ましいことが解った。

本実施例では両方の材料にＪＩＳ規格のＳＵＳ３１０Ｓを使用した。

また、加締め後のロッド部材のＳＥＭ解析を見ると、図８において矢印３２Ｑで示す位置に塑性流動の痕跡が見られた。

この痕跡は面取り加工部７１(緩やかな傾斜面部)の部位から喰い込み部３２Ｐの部位に向かって塑性流動が生じたことを示していた。

図９に、従来技術下の接合力と本発明の実施例における接合力を比較する。本特性では、ロッド部材の小径部３２ｄのつぶし代に対する接合力の代用特性として、加締め後の弁部材３１，ロッド部材３２間の廻しトルクを最大値１００とした相対評価で示している。従来技術下の接合力特性９１，本発明の実施例における接合力特性９２ともに、つぶし代の増加に伴い、廻しトルクは増加する傾向にあるが、所要のつぶし代を越えると廻しトルクの増加代は鈍化し、やがて所要のレベルに飽和する傾向にある。

各々の接合局特性９１，９２は、ロッド部材３２の形状を同一とし、弁部材の前記ロッド部材貫通孔３１ａ形状のみを変更し、比較したものである。従来技術下の接合力特性
９１に対して、本発明の実施例における接合力特性９２は、最大値比較で２５％から３０％の上昇が見られている。

図１０に、本発明の実施例における他の接合力特性として、ロッド部材３２にオーステナイト系ステンレス材を採用した場合の事例を示す。本特性は、ロッド部材３２のつぶし代を同一条件とし、ロッド部材３２の材料硬度を変化させた場合の弁部材３１，ロッド部材３２間の廻しトルクを図９の特性と同様最大値１００とした相対評価で示している。接合力特性１０１は、ロッド部材の材料硬度上昇に伴い、廻しトルクは増加する傾向にあるが、材料硬度がロックウエル硬度Ｂスケールで９０付近よりトルクの増加代は鈍化し、やがて所要のレベルに飽和する傾向にある。

従って、加締め部材として採用のロッド材については、所要の材料硬度を確保することが重要であり、加締め作業の容易さのみを要求し、材料硬度を軟化させると適正な接合力が得られない結果となる。しかし、ロッド材の必要以上の硬化については、ロッド部材の製作及び加締め工程に対して作業性の悪化を誘発するため得策ではない。図１１に、加締め作業性及び接合強度（廻り始めトルク）に着目した比較表を示す。加締め作業性と接合強度は、相反する傾向にあるがロックウエル硬度Ｂスケールで７０〜１００程度の範囲であれば、加締め作業性を悪化させることなく高い接合強度が得られる。

以上の結果より、内燃機関の排気ガス等高温環境下の使用においても加締め接合部に緩み発生のない弁体構造の提供が可能となる。

従来技術では、板状バルブ部材の貫通孔加工を軸状ロッド部材の挿入側より、プレス打ち抜き加工しているため、破断面によって形成されるテーパ孔の大きさには限度があり、加締め強度を上げるためにロッド部材加締め側の貫通孔に、より積極的な面取り形状を形成することが考えられるが、プレス打ち抜き後の機械加工が必要となり、加工工数が増加するという問題が発生していたが、本実施例ではこれが解消された。

また、破断面によってのみ形成されたテーパ孔での加締め接合においては、加締め変形による力の軸状ロッド部材小径部への伝達が不十分であり、ロッド小径部の膨らみによる弁部材ストレート貫通孔との接合力が得られず、排気バイパス弁のような高温環境下で使用される部品の接合部には適さないという問題も有していたが、本実施例ではこの問題点も解消できた。

具体的実施例の説明に際しては、過給機に一体化された排気バイパス弁構造について説明したが、過給機のタービンハウジング上流側のエンジン排気管等に配設される排気切り替え構造の弁体に採用しても、本実施例と同様の効果が得られる。

また、弁部材の貫通孔成形については、プレス打ち抜き加工による実施例を記載したが、焼結体による弁部材構成についても同様の効果が得られる。

また、本発明の基礎となる請求の範囲を以下に示す。

板状部材に設けた貫通孔に挿入された軸状部材の両側を加圧することにより、軸状部材の一端を加締め変形させ、板状部材と軸状部材との間に接合力を与える加締め接合構造であって、軸方向の加圧力にほぼ直角な第一接合面、前記第一接合面に対してほぼ直角な貫通孔に沿って形成される第二接合面、軸状部材の加締め変形側にあって、軸方向の加圧力を受けるもうひとつの接合面としての第三接合面を有し、当該第三接合面と前記第二接合面との間に緩やかな傾斜面からなる第四接合面を設け、前記第二接合面と第四接合面とに亘って緊迫力による接合面が形成されていることを特徴とする加締め接合構造。

請求項１に記載の板状部材の貫通孔成形手段として、軸状部材の加締め変形側からのプレス打ち抜き成形により、緩やかな傾斜面である第四接合面を形成したことを特徴とする加締め接合構造。

請求項１に記載の板状部材の貫通孔成形手段として、軸状部材の挿入側からのプレス打ち抜き成形後、機械加工により緩やかな傾斜面である第四接合面を形成したことを特徴とする加締め接合構造。

請求項１に記載の加締め接合構造において、加締め変形を発生させる軸状部材の素材硬度をロックウエル硬度Ｂスケール７０以上としたことを特徴とする加締め接合構造。

内燃機関の排気ガス通路を構成する部材に設けられた排気ガスバイパス穴を開閉制御する板状弁部材、当該板状弁部材に開閉動作を付与するためのステー部材、当該ステー部材と前記板状弁部材とに形成された貫通孔に挿入され前記弁部材に加締め接合される軸状ロッド部材よりなる過給機付き内燃機関用排気バイパス弁機構において、前記板状弁部材と前記軸状ロッド部材の接合面が前記板状弁部材の貫通孔内における前記軸状ロッド部材の外周面に形成されていることを特徴とする過給機付き内燃機関用排気バイパス弁機構。

請求項５に記載のものにおいて、前記軸状ロッド部材の外周の接合面に放射方向の緊迫結合力が作用していることを特徴とする過給機付き内燃機関用排気バイパス弁機構。

請求項５に記載のものにおいて、前記軸状ロッド部材の金属組成を解析した際、前記接合面に向かって当該軸状ロッド部材の素材の塑性流動痕跡が認められることを特徴とする過給機付き内燃機関用排気バイパス弁機構。

貫通孔を有する板状部材の加工方法であって、片側面からのプレス打ち抜き成形に加え、他側からのプレス成形を施すと共に、他側からのプレス成形により前記貫通孔の端部に向かって緩やかな傾斜面を形成することを特徴とする貫通孔を有する板状部材の加工方法。

貫通孔を有する板状部材の加工方法であって、片側面からのプレス打ち抜き成形に加え、他側からの機械加工を施すと共に、他側からの機械加工により前記貫通孔の端部に向かって緩やかな傾斜面を形成することを特徴とする貫通孔を有する板状部材の加工方法。

本発明の一実施例が採用される内燃機関用過給機の断面構造。本発明の一実施例を示す内燃機関用過給機の排気バイパス機構の断面構造。本発明の一実施例を示す過給機用排気バイパス弁体部の断面構造。従来技術下及び本発明の一実施例に適用されるロッド部材の加締め変形前形状。従来技術下における弁部材の加締め変形前断面構造。従来技術下における加締め変形後断面構造。本発明の一実施例に適用される弁部材の加締め変形前断面構造。本発明の一実施例を示す加締め変形後断面構造。従来技術と本発明の一実施例とを比較するための接合力特性。本発明の一実施例による接合力特性（材料硬度依存性）。ロッド部材材料硬度別の効果比較表。

符号の説明

１…タービンハウジング、２２…ステー部材、２２ａ…貫通孔、２３…バイパス弁体、２４…バイパス孔、３１…弁部材、３１ａ…貫通孔、３２…ロッド部材、３２ｄ…小径部、３２ｅ…段差面、７１…面取り加工部。

Claims

内燃機関の排気ガス通路を構成する部材に設けられた排気ガスバイパス穴を開閉制御する板状弁部材、当該板状弁部材に開閉動作を付与するためのステー部材、当該ステー部材と前記板状弁部材とに形成された貫通孔に挿入され前記弁部材に加締め接合される軸状ロッド部材よりなる過給機付き内燃機関用排気バイパス弁機構において、前記板状弁部材と前記軸状ロッド部材の接合面が前記板状弁部材の貫通孔内における前記軸状ロッド部材の外周面に形成されていることを特徴とする過給機付き内燃機関用排気バイパス弁機構。
請求項１に記載のものにおいて、前記軸状ロッド部材の外周の接合面に放射方向の緊迫結合力が作用していることを特徴とする過給機付き内燃機関用排気バイパス弁機構。
請求項１に記載のものにおいて、前記軸状ロッド部材の金属組成を解析した際、前記接合面に向かって当該軸状ロッド部材の素材の塑性流動痕跡が認められることを特徴とする過給機付き内燃機関用排気バイパス弁機構。