JP4518275B2 - 軽量バルブ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段による特に内燃機関用の軽量バルブと、請求項１７による軽量バルブの製造方法とに関する。

ここに言及する種類の軽量バルブは既に知られている（特許文献１）。この軽量バルブは、特に、内燃機関用の吸気バルブ及び排気バルブとして用いられ、漏斗／ラッパ形状のバルブコーンに隣接するバルブステムを含んでいる。重量低減のため、バルブコーンは中空になっており、薄い壁厚のみを有している。バルブコーンの直径が大きい方の端部はバルブディスクで閉止される。さらに、バルブステムは、バルブディスクに面する端部に中空空間を有しており、それによって軽量バルブの重量がさらに低下している。

バルブコーンの内部が中空であるために、バルブディスクが大きな面積上に支持されず、さらにバルブコーンが薄い壁厚しか有していないので、バルブディスクは、運転中、内燃機関の燃焼室内の燃焼圧力によって変形する可能性があり、これは軽量バルブの早すぎる摩耗の原因になる。さらに、薄い壁厚のバルブコーンも変形する可能性がある。これを防止するために、特許文献１は、バルブステムの長さを延ばして、バルブステムを、バルブディスクの燃焼室とは反対側の平坦な面に当接させることを提案している。これによって、ディスクは支持される。この場合、中空であるか又は中実材料製のバルブステムとバルブディスクとは、その接触範囲において一体化溶接することができる。代案として、バルブステム及びバルブディスクを単一体として、すなわち１個の部品として製造することが提案されている。別の代案では、バルブディスクが、バルブコーン上に単一体として構成される中間体、又は、バルブステム及びバルブディスク間に固定される別個のスリーブを介して、バルブステムによって支持される。この既知の軽量バルブは、関係する構造によって規定されるその個々の部品の幾何学的形状のために、場合によっては、その個々の部品をコストが掛かる方法でしか製造し得ないという点、及び、組み込み工程の前に個々の部品を互いに対して正確に心合わせするには高いコストを掛ける必要があるという点で不利である。

独国特許出願公開第１９８ ０４ ０５３ Ａ１号明細書

本発明の目的は、上記に述べた種類の軽量バルブに対する別の選択肢を提供することにある。又、本発明の別の目的は軽量バルブの製造方法を提示することにある。

この目的を達成するため、請求項１の特徴を有する軽量バルブを提案する。この軽量バルブは、バルブディスク上に設けられる力伝達要素であって中空のバルブコーンを通ってステムの中空空間の中に延びる少なくとも１つの力伝達要素を有することを特徴としている。バルブディスク上に形成又は構成されるか、あるいはバルブディスクに固定されるこの力伝達要素によって、軽量バルブの運転中にバルブディスクに作用するガス力をバルブステムに的確に伝達することが可能になり、しかもその際、バルブディスク及びバルブコーンの許容し難いほどの大きな変形がこの結合部に生じることはないのである。本発明による軽量バルブの構成によって、軽量バルブの運転中バルブコーンには実質的に力が掛からないこと、すなわち、バルブディスクを介して、バルブコーンにはたとえ生じてもごく僅かな力しか伝達されないことを保証することができる。従って、バルブコーンを非常に薄い壁厚で構成することが可能になり、これは、バルブコーンの製造に有利であると共に軽量バルブの重量低減に寄与する。

有利な実施例において、力伝達要素を備えたバルブディスクを金属間相のチタンアルミナイド（ＴｉＡｌ）又はＴｉＡｌ合金から鋳造によって製造する。このバルブディスクはごく軽量であり、さらに優れた耐摩耗性を有している。別の実施形態によれば、バルブディスク及び力伝達要素を鋼製、特に工具鋼製とし、鍛造によって製造する。第３の実施形態においては、バルブディスクと、バルブディスクと共に単一体として構成される少なくとも１つの力伝達要素とを、特に耐摩耗性に優れた工具鋼から粉末冶金製造法によって製造する。上記のすべての実施形態について、力伝達要素をバルブディスクと共に単一体として構成している点、従ってコスト的に有利に製造し得る点が共通している。

バルブステムと、力伝達要素を備えたバルブディスクとに使用し得る材料に関する限り、独国特許発明第１００ ２９ ２９９ Ｃ２号明細書をも参照する。使用材料に関するこの特許文献の内容は本出願明細書の対象である。

力伝達要素が、バルブディスクのバルブコーン側の平坦な面上にドーム状に突き出ている軽量バルブの実施例も好ましい。この場合は、力伝達要素は、その全長にわたって一定の断面を有することができるピンとして最も簡単な実施形態に構成され、好ましくはバルブディスクの中心に配置される。力伝達要素のこの実施形態は、鋳造によっても、又鍛造あるいは焼結によっても、簡単かつコスト的に有利に製造することができる。

さらに有利な軽量バルブの実施例を、本明細書及び従属請求項に述べる特徴を組み合わせることによって得ることができる。

本発明の主題は、請求項１７の特徴を備えた軽量バルブの製造方法にも関する。この方法は、第１ステップにおいて、バルブディスク及び力伝達要素を形成する単一体の第１の構成部品を一次成形又は変形成形によって製造することを提案している。バルブステム及びバルブコーンを形成する単一体の第２の構成部品を第２ステップにおいて製造する。第１の実施形態によれば、バルブコーンを、口広げ加工、すなわち中空のステムの端部を拡張加工することによってバルブステム上に成形する。第２の実施形態では、バルブコーン及びバルブステムは別個の構成部品であり、それを接着、摩擦接合及び／又は確実連結法によって相互結合し、第２の構成部品を形成する。最後に第３のステップにおいて、力伝達要素をバルブステムの中に嵌入して第１及び第２構成部品を一体に組み込み、続いて、接着、摩擦接合及び／又は確実連結法で強固に相互結合する。

力伝達要素が、同時に、バルブディスクをバルブコーンに対して心合わせする手段としても構成される軽量バルブの実施形態においては、軽量バルブの個々の構成部品を一体化する組み込みが特に容易になる。

この方法のさらに有利な実施形態を、本明細書及び従属請求項に述べる特徴を組み合わせることによって得ることができる。

次に本発明を、図面を参照してさらに詳細に説明する。

図１は、多部品構成の内燃機関用軽量バルブ１の第１の実施例を示している。これは、熱負荷の比較的小さい吸気バルブとして、あるいは、熱負荷がさらに高い排気バルブとして用いることができるが、個々の部品の材料は軽量バルブ１の用途に応じて選定される。

図１の軽量バルブ１は、ステムの中空空間５を有するバルブステム３を含んでいる。この実施例においては、ステムの中空空間５は、バルブステム３の縦の中心軸と同心に延びる貫通開口によって形成される。バルブステム３は、鋼製の、例えばＸ４５の、精密引き抜き管から形成することができ、図示されていないその端部において、バルブステムの端部部品／フット部品によって閉止される。バルブステム３は、図１に表現される端部側にバルブコーン７を有しており、このバルブコーン７は、バルブステム端部の直径を拡張することによって形成されている。従って、バルブステム３及びバルブコーン７は互いと共に単一体として構成される。図１に見られるように、バルブコーン７は壁厚が非常に薄く、バルブステム３よりも薄い壁厚を有している。バルブステム端部の拡張とバルブコーンの特殊な形状とによって、ステムの中空空間５からバルブコーン７に向かう円錐状の移行部分が生じている。

軽量バルブ１は、又、バルブディスク９を有しており、それによって中空のバルブコーン７が閉鎖される。バルブディスク９は、バルブコーン７側のその平坦な面上に、バルブディスクの外周表面１１から半径方向の距離を置いて配置される全周構造の窪み１３を有しており、バルブコーン７の大きい方の直径の端部が、その窪み１３の中に突き出ている。この場合、窪み１３は、バルブディスク９とバルブコーン７との結合領域における両者間の移行部分が連続的になるように形成される。

窪み１３は、その端部領域において全周の端部の段部１４を有するが、この段部１４は、バルブコーン７用の支持部又は支持肩部として機能する。軽量バルブ１を組み立てた状態においては、窪み１３に係合するバルブコーン７の大きい方の直径の端部の端面が、端部の段部１４に支持される形で当接する。窪み１３、あるいは端部の段部１４はバルブコーン７用の心合わせ座及び支持座を形成する。

バルブディスク９は円板形状構成のものであって、一定断面の第１の円筒状縦部分１５と、これに隣接して、円錐状つまり円錐台状の第２の縦部分１７とを有している。第２の縦部分１７の円錐の角度は、バルブコーン９の大きい方の直径の端部の円錐角と同じであり、これによって、これら部品間の結合領域に連続的な移行部分が形成される。縦部分１７の側表面が、通常、軽量バルブ１のシール面を形成する。

バルブディスク９は、バルブコーン７又はバルブステム３側のその平坦な面上に、力伝達要素１９を有している。この力伝達要素１９は、バルブディスク９の中心に配置され、図示の実施例においては、バルブディスク９と共に単一体として構成されている。又、この力伝達要素１９は、基本的に全長にわたって一定の円形断面を有している。図１に見られるように、力伝達要素１９は、中空のバルブコーン７を貫通してステムの中空空間の中にまで延びる長さを有するように構成される。力伝達要素１９の端面２１は、バルブステム３の中心縦軸に直角の方向に広がっており、この箇所で、ステムの中空空間５に設けられる軸方向ストッパ２５と当接するストッパ面２３を形成する。ステム側のストッパ２５は、全周の環状の肩部によって構成され、その肩部によって、力伝達要素１９のストッパ面２３が支持される。軸方向ストッパ２５は、ステムの中空空間５における直径の不連続、すなわち、ステムの中空空間５の小さい方の直径の縦部分に大きい方の直径の縦部分を隣接させることによって形成される。軸方向ストッパ２５は、例えば、ステムの中空空間５の拡張によって、あるいは機械加工（ドリル穿孔、フライス切削、掘下げ加工）によって、あるいは粉末冶金法による製造の場合の当初の型の適切な設計によって形成することができる。

ステムの中空空間５の内部の軸方向ストッパ２５の配置位置は、力伝達要素１９の端面２１が軸方向ストッパ２５に当接する位置にきた時に、バルブコーン７の大きい方の直径の端部領域がバルブディスク９の窪み１３に正確に係合するように選定する。

好ましい実施形態においては、力伝達要素１９の外径は、ステムの中空空間５の直径と同じか、あるいはそれよりも僅かに大きい。その結果、力伝達要素１９がステムの中空空間５に挿入された時に、これらの部品間に摩擦接合が形成され、これは、バルブディスク９のバルブステム３への予備固定に役立つ。バルブディスク９及びバルブステム３を上記の方法で一体に組み込んだ後、バルブステム３及び力伝達要素１９、並びに、バルブディスク９及びバルブコーン７は接着によって相互結合される。バルブディスク９及びバルブコーン７は、窪み１３の領域に位置するその結合領域において、例えばレーザ光線によって互いに溶接される。図１に示す実施例においては、特にはんだ付けが、力伝達要素１９及びバルブステム３を結合する接合法として適している。力伝達要素１９とバルブステム３との間、又、バルブディスク９とバルブコーン７との間の堅固な、分離不可能な結合用として、他の接合形態も当然使用することができる。

図１に示す軽量バルブ１の実施例は、個々の部品、特にバルブコーン９の壁厚が薄く、従って少ない重量しか有していないという特徴を備えている。さらに、個々の部品を差し込んで一体化することによって簡単に組み込むことが可能であり、この場合、バルブディスクと、バルブステムと、かつ又バルブコーンとの相対的な心合わせが、力伝達要素１９によって同時に行われるという点でも有利である。軽量バルブ１の運転中にバルブディスク９に作用するガス力は、中心に配置されかつバルブステム３に設けられた軸方向ストッパ２５によって支持される力伝達要素１９を介して、バルブステム３に好適に伝達される。軽量バルブ１の上記に述べた構造によって、バルブディスク９に作用するガス力は、非常に薄い壁厚のバルブコーン７には、全く及ばないかあるいは害のない程度にしか及ばない。従って、バルブコーン７の変形を確実に排除することができる。

ステムの中空空間５は、その一方の端部がバルブの端部部品によってシールして閉止され、他方の端部が力伝達要素１９によって閉鎖されるが、このステムの中空空間５には、例えばナトリウムのような冷却媒体を充満させることができる。バルブディスク９からの熱の散逸を改善するため、図１に示す実施例においては、力伝達要素１９の端面２１にメクラ孔２７が設けられており、この孔は、バルブディスク９の円板形状の基体近くまで延びている。メクラ孔２７はステムの中空空間５と同心に配置されており、従って、同様に冷却媒体を充満させることができる。

図示されていない実施例においては、バルブディスク９と、バルブコーン７と、力伝達要素１９との間に形成される中空空間２９にも、少なくとも部分的に冷却媒体を充満させる。中空空間２９は第１チャンバを形成し、ステムの中空空間５はメクラ孔２７と共に第２チャンバを形成する。これらのチャンバは、力伝達要素１９に設けられる少なくとも１つのバイパス開口によって相互に連絡される。このバイパス開口が、冷却媒体の加熱が生じた際の圧力補償のために中空空間２９をメクラ孔２７に連結する。従って、ステムの中空空間５とバルブコーン７の中空空間２９との間で冷却媒体の交換が生じ得る。

図２は、軽量バルブ１の別の実施例の詳細を示す。同じ部品には同じ参照符号を付しているので、同じ参照符号については図１の説明が参考になる。この軽量バルブ１は、特に、バルブディスク９の上に構成される力伝達要素１９が、その自由端の方向にテーパ形状になっている点で、図１に示す実施例と異なっている。力伝達要素１９の自由端は円錐形状を有しており、その円錐の外側面が全周構造の支持表面３１を形成し、その支持表面３１が、バルブディスク９及びバルブステム３が一体に組み込まれた状態において、ステムの中空空間５に設けられた対応する形状の対向表面３３に面支持される。対向表面３３は、ステムの中空空間５を、バルブコーン７に面するその端部の方向に、適切な円錐形状に拡幅加工することによって形成される。バルブステム３が鋼製の場合は、対向表面３３を、例えば、ステムの中空空間５を拡張加工することによって形成することができる。

図２に示す軽量バルブ１の実施例は、力伝達要素１９が傾斜した円錐形状の自由端を有しているので、バルブディスク９及びバルブステム３を摩擦溶接による接合法で相互結合するのに特に適している。この実施例においても同様に、力伝達要素１９のバルブステム３への結合位置は、バルブディスク９及びバルブステム３を一体に組み込んだ後に、すなわち力伝達要素１９をステムの中空空間５の所定の位置に差し込んだ後に、バルブコーン７の大きい方の直径の端部が、バルブディスク９の上側に設けられる窪み１３に少なくともほとんど力が掛かることなく係合するかあるいはその窪み１３の中に突き出るように選定する。バルブディスク９をバルブステム３に摩擦溶接によって結合するのと同時に、バルブコーン７及びバルブディスク９をも摩擦溶接によって相互結合することが考えられる。又、代替方式として、バルブコーン７を、別の溶接加工で、窪み１３の領域においてバルブディスク９に結合することも可能である。

図３は、軽量バルブ１の第３の実施例を示す。これは、特に、ステムの中空空間５の内壁に形成されかつステムの端部の方向に円錐状に拡大する対向表面３３に、力伝達要素１９とバルブステム５との間の確実連結を形成する機能を有する窪み３５が設けられるという点で、図２に関連して説明した軽量バルブ１と異なっている。窪み３５は、環状の全周溝として形成される。力伝達要素１９を窪み３５の領域において表面溶融させることによって、力伝達要素１９の溶融材料が窪み３５の中に流れ込むが、これは、例えばコンデンサ放電溶接によって行うことができる。追加的又は代替的に、力伝達要素１９をバルブステム３と一体化はんだ付けすることができる。

図３の実施例においては、バルブディスク９に成形された若干数の補強リブ３７、好ましくは３個の補強リブ３７が窪み１３の中に設けられる。図３の表現ではこの補強リブ３７の内の１つだけを見ることができる。バルブディスク９のバルブステム３側の平坦な面を上から見て、補強リブ３７は、軽量バルブ１の縦に中心軸に対して放射状に延びており、互いに１２０°の間隔を置いて配置される。補強リブ３７は窪み１３の端部領域を起点としてバルブディスクの中心の方向に延びるが、補強リブ３７の長さは、バルブディスク９の半径のほぼ半分に相当する。図３に見られるように、この実施例においては、補強リブ３７は直線の帯状部材として構成され、その高さはバルブディスクの中心の方向に増大している。

補強リブ３７は、バルブコーン７の内壁を補足する形状に構成されるので、バルブコーン７は、軽量バルブ１を一体に組み込んだ状態において、その内壁が補強リブ３７の上部の狭い面３９に面的に当接する形となり、その結果、補強リブ３７によって支持されることになる。バルブコーン７及び補強リブ３７は、その支持接触領域において一体化溶接するか、あるいははんだ付けすることができる。

このため、補強リブ３７は、軽量バルブ１の運転中の薄壁のバルブコーン７の変形を防止する。この変形は、バルブコーン７の外側面に作用するガス力の結果として生じる可能性があるものである。補強リブのさらに別の機能として、バルブステム３及びバルブディスク９を一体に組み込む際に、バルブステム３及びバルブディスク９の心合わせが、ステムの中空空間５に係合する力伝達要素１９によって十分精密に行われない場合に、バルブステム３及びバルブディスク９を互いに対して正確に心合わせする機能がある。

補強リブの代わりに、全周構造の支持部分を設けることも可能である。この支持部分は、その断面が上記の補強リブと同一であるように構成することができる。

図１〜３に関連して説明した軽量バルブ１の実施例について、次の２点が共通している。すなわち、力伝達要素１９とバルブステム３との間の結合は、運転中にバルブディスク９に作用する力がほぼ完全に力伝達要素１９によってバルブステム３に伝達されるように構成され、バルブディスク９とバルブコーン７との間の結合は、バルブディスク９からバルブコーン７への力の伝達が、たとえあるとしてもごく僅かしか生じないように構成されている。

バルブステム３及びバルブディスク９は、同じ材料からでも、あるいは異なる材料からでも製造し得ることをさらに述べておく必要がある。図１〜３に関連して説明した軽量バルブのすべての実施例において同様に、バルブディスク９とバルブステム３との間の結合は、特に、摩擦溶接、ビーム溶接、溶融溶接、又はコンデンサ放電溶接によって効果的に行うことができる。バルブディスク９と、壁厚がきわめて薄いバルブコーン７との結合は、ビーム溶接、溶融溶接、又はレーザ溶接によって実施することが望ましい。

要約すると、本発明に基づく軽量バルブ１は、軽量であることに加えて、いくつかの少数の簡単な接合加工によって相互に結合し得る僅かな数の個別部品しか有していないので、全体としてコスト的に有利に製造し得るという特徴を備えていると言うことができる。

力伝達要素の利点を、バルブコーンがバルブステムと共に単一体として構成される軽量バルブに関する例によってのみ述べてきたが、このような力伝達要素は、当然、バルブコーンが別個の構成部品であるような軽量バルブにも用いることができる。この別個の構成部品としてのバルブコーンは、大きい方の直径の端部がバルブディスクに固定され、小さい方の直径の端部が、バルブステム及び／又はバルブステムに係合する力伝達要素に固定される。

内燃機関用の軽量バルブの実施例の詳細を、破断透視図として示す。 内燃機関用の軽量バルブの別の実施例を破断透視図として示す。 内燃機関用の軽量バルブのさらに別の実施例を破断透視図として示す。

Claims (4)

1. バルブステム（３）と、中空のバルブコーン（７）と、前記バルブコーン（７）を閉止する円板形状のバルブディスク（９）とを有し、
   バルブステム（３）とバルブコーン（７）は単一体として構成され、バルブコーン（７）はバルブステム端部の直径を拡張することによって形成され、該バルブコーン（７）はバルブステム（３）およびバルブディスク（９）よりも薄い壁厚を有し、
   バルブステム（３）には、該バルブステム（３）の縦の中心軸と同心に延びる貫通開口によって形成される中空の空間（５）が設けられ、
   バルブディスク（９）は、バルブディスク（９）のバルブコーン（７）側の端部領域に全周にわたって段部（１４）を有し、バルブコーン（７）の端面が該段部（１４）に支持される形で当接して、該バルブディスクにバルブコーン（７）が係合し、
   バルブディスク（９）の外周表面には、円筒状の第１の縦部分（１５）と、これに隣接する円錐台状の第２の縦部分（１７）とを有し、第２の縦部分（１７）の円錐の角度は、バルブコーン（９）端部の円錐角と同じであり、バルブディスクとバルブコーンの結合領域に連続的な移行部分が形成されており、
   バルブディスク（９）は、バルブディスク（９）の中心に配置され、バルブコーン（７）側の面上にドーム状に突き出る中実な力伝達要素（１９）を有し、該力伝達要素は、バルブディスク（９）と共に単一体として構成され、中空のバルブコーン（７）を貫通してバルブステムの中空空間（５）の中に延び、
   力伝達要素（１９）の中空空間（５）の中に延びる自由端が円錐形状を有し、その円錐形状の外側面が支持表面（３１）を形成し、その支持表面（３１）が、バルブステムの中空空間（５）の内壁及び前記中空のバルブコーン（７）の内壁に設けられる対応する形状の対向表面（３３）に面支持される、
   ことを特徴とする軽量バルブ。
2. 前記対向表面（３３）に、前記力伝達要素（１９）と前記バルブステム（３）との間の確実連結を形成するための、少なくとも１つの窪み（３５）が設けられることを特徴とする請求項１に記載の軽量バルブ。
3. 前記バルブディスク（９）のバルブステム側の面上に補強リブ（３７）が成形され、前記バルブコーン（７）の内壁が補強リブ（３７）に部分的に面支持されることを特徴とする請求項１に記載の軽量バルブ。
4. 前記バルブコーン（７）及び前記バルブディスク（９）を、ビーム溶接法又は溶融溶接法によって一体化溶接して形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の軽量バルブ。

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