JP5199298B2 - 吸気用バルブ装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車のごとき車両に搭載される内燃機関（以下エンジンという）の吸気用バルブ装置、特に、エンジンへの吸気量を制御等するためのバルブが、樹脂製のハウジングに対して、軸受を介して回動自在に支持される型式の吸気用バルブ装置に関する。

(従来の技術）
自動車のごとき車両に搭載されるエンジンの吸気用バルブ装置としては、種々な構成のものが従来より知られているが、その代表例であるスロットルバルブ装置の場合、図１に示すように吸気通路に配置され、図6に示すごとき基本的構造を有しているのが一般的である。

図１および図6に基づき概説すれば、エンジン１の燃焼室１ａへ燃焼用吸気を導く吸気通路２に、この吸気通路２の開閉あるいは通路面積の可変を行なう吸気用バルブ装置３が配設されている。このバルブ装置３は、基本的に弁体３１と、この弁体３１を回動操作するシャフト３２と、弁体３１およびシャフト３２を収納するハウジング３３とからなり、エンジン１の運転条件に応じて弁体３１が回動操作されて、矢印Ａのごとき流れる吸気の流量を制御するものである。
そして、弁体３１を、ハウジング３３に対して回動自在に取付けるために、シャフト３２の両端部３２ａ、３２ｂとハウジング３３との間に軸受３４を介在させている。また、この軸受３４の取付けにあたっては、ハウジング３３のダクト部３５の外周面に突設した一対の円筒状のボス部３６、３７に軸受３４を圧入により担持させるのが通例である。
ところで近年、車両に搭載する各種部品・装置に対し、コスト低減や軽量化等の諸要求が一段と厳しくなってきており、この種の吸気用バルブ装置においても、少なくともハウジング３３を、金属製のものから樹脂による射出成形品に変更した所謂樹脂製バルブ装置が多用されるようになってきた。

（従来技術の問題点）
ところが、ハウジング３３を樹脂製にした場合、ダクト部３５から突出するボス部３６、３７も必然的に樹脂により一体形成されるため、この樹脂製のボス部３６、３７に軸受３４を圧入することになるが、この圧入に際し、円筒状に形成されているボス部３６、３７に往々にしてひび割れが生じるという問題が発生した。
その主因は、軸受３４やボス部３６、３７の製作誤差や組付公差、さらには両者の材質の違いに基づくものであるが、つぶさに精査したところ、ボス部３６、３７には、特に、ダクト部３５の外周面に外径方向に向けて膨出形成される形状上の特質から、射出成形時にウエルドが発生し易く、このウエルドのところで亀裂が生じることも判明した。なお、「ウエルド」とは、射出成形に際し、各ゲートから注入した溶融樹脂が、成形型内にて合流し、この合流部にて完全に融合しないまま固化して発生する“樹脂溶着面のムラ”をいう。

上記のごときひび割れ現象を防ぐ方法を探究すべく、種々調査した結果、樹脂製の筒状部品に金属部品を圧入により取付けるにあたり、筒状部品自体の形状を、金属部品が圧入される部分に予めスリットを形成しておくという提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。
かかる提案は、製作誤差等をスリットの拡開により吸収し、かつこのスリットの配設位置によってウエルドの発生を抑制しようとするものである。

しかしながら、このような構造を上述のバルブ装置に適用すると、次のようなバルブ装置特有の問題が新たに発生することになり、実用に供することができない。
つまり、ボス部にスリットを形成した場合、このスリットによる欠落分だけ強度が低下し、軸受のズレや極端な場合には軸受の脱落を招くという問題をはじめ、車両という過酷な使用環境下ではスリット側に大きな荷重が働き、ボス部自体が破損してしまうという問題、さらには、上記スリットを介して吸気通路が外界と連通し、所謂気密漏洩現象が生じるという致命的な危惧さえもある。

以上、吸気用バルブ装置の代表例であるスロットルバルブ装置の事例について詳述したが、最近のエンジンには、図１において、吸気管４の各分岐管４１から各気筒の吸気ポート１ｂへの吸気流を、より好適な流れに変更するためのタンブルバルブ装置やスワールバルブ装置が設置されるものがある。これらのバルブ装置にも、当然のことながら、ハウジングの樹脂化要請が強くなってきているが、このハウジングを樹脂製にする場合においても、バルブシャフトを支持する軸受の圧入については全く同様の問題を抱えているのが実情である。

特開２００５−８４５５４号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ハウジング自体が樹脂製であるがゆえの弾性を有するという特質を巧みに活用して、ボス部に軸受を弾性的に支持させることにより、軸受圧入時にボス部が破損等することなく、過酷な使用環境下でも常に良好な軸受機能を発揮し、吸気流量を制御することができる吸気用バルブ装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明によれば、樹脂製のハウジングに形成されたボス部において、軸受が圧入される部分は、軸受の外径寸法より大径の大径穴と、この大径穴の内周面において内径側に膨出して形成され、軸受の外周面と大径穴の内周面との接触を回避して軸受を圧入支持する凸部とから構成されており、この凸部は、大径穴の内周面において周方向に離れて少なくとも３箇所に配設されている。
よって、軸受を、凸部の弾性変形と少なくとも３点支持による調芯作用により、製作誤差等を吸収し、かつ圧入荷重を分散（低減）して、ボス部に安定して圧入保持させることができるため、ボス部の破損を招くことがない。
しかも、ボス部の大径穴に対する凸部の配置は、複数のうちの1つの凸部が、吸気通路における吸気の流れ方向の下流側に配置されるようにしているため、エンジンの通常運転時に、弁体、したがってシャフトに常時加わる負荷を凸部で受け止めることができ、ボス部の応力を緩和することができる。

請求項２に記載の発明によれば、ボス部の大径穴に対する凸部の配置は、複数の全ての凸部が、樹脂成形時にボス部に形成されるウエルドを避けて配置されている。
このような構成にすることにより、強度上ネックとなるウエルド部分の負担を軽減することができる。
また、請求項３に記載の発明によれば、凸部は、軸受の軸方向長以上の軸方向長を有しているため、軸受の外周面を軸方向長の全域にわたって凸部で確実に保持することができる。

請求項４に記載の発明によれば、ボス部の外周面には、外径側に膨出して形成され、大径穴の拡開を抑制する補強用リブが設けられている。よって、ボス部を補強することができる。

請求項５に記載の発明によれば、ボス部の外周面に対する補強用リブの配置を、少なくとも補強用リブの一部が、吸気通路における吸気の流れ方向の下流側に配置された凸部と重畳するようにしている。このような構成にすることにより、エンジンの通常運転時に常時加わる負荷に対し、ボス部の強度を強化することができる。
請求項６に記載の発明によれば、補強用リブは、軸受の圧入時にボス部に生じるストレス方向にあわせて設けられている。よって、軸受圧入時におけるボス部を補強することができる。

請求項７に記載の発明によれば、ボス部の内周面と軸受の全面とによって形成される内部空間を吸気通路に連通させている。よって、特に弁体の全閉時において吸気通路に急激な流れの変化が生じた場合に、内部空間を吸気通路の迂回路として活用することができる。

本発明の吸気用バルブ装置を適用するためのエンジンとして、吸気装置および排気装置を備えた一般的なエンジンを一部縦断面にして示す模式図である。 本発明の実施例の吸気用バルブ装置を示す縦断面図である。 （ａ）図２におけるボス部の模式的正面図、（ｂ）軸受圧入前のボス部の状態を示す模式的正面図である。 （ａ）ボス部の一変形例として、軸受圧入前の状態を示す模式的正面図、（ｂ）ボス部の他の変形例として、軸受圧入前の状態を示す模式的正面図、（ｃ）ボス部における凸部の機能説明に供する要部拡大図である。 （ａ）ボス部に形成する補強用リブの一例を示すボス部の模式的正面図、（ｂ）補強用リブの他の例を示すボス部の模式的正面図である。 従来周知の吸気用バルブ装置の主要構造を示す部分縦断面図である。

本発明を実施するための最良の形態は、樹脂製ハウジングのボス部が軸受圧入時に破損しないようにし、かつ過酷な使用環境下でも良好に吸気流量制御機能を発揮するという課題を、樹脂製のハウジングのボス部において軸受が圧入される部分に、弾性変形により軸受を保持する少なくとも３個の凸部を形成し、うち１個の凸部を、特に吸気流の下流側に位置させて、吸気流の下流側に向けて発生する常態時の荷重に対処し得る構成にすることで実現した。

図１ないし図３は、本発明の実施例を説明するためのもので、まず、図１に基づいて吸気用バルブ装置がスロットルバルブ装置として適用されている一般的なエンジンを概説したのち、図２および図３に基づいて本発明の吸気用バルブ装置の実施例について詳説する。

（適用エンジン１の説明）
図１において、エンジン１は、自動車のごとき車両に搭載されるものであり、エンジン１の燃焼室１ａへ燃焼用吸気を導く吸気通路２には、スロットルバルブ装置として機能する吸気用バルブ装置３が設けられている。このバルブ装置３は、吸気通路２の開閉あるいは通路面積の可変を行なうもので、基本的に弁体３１と、この弁体３１を回動操作するシャフト３２と、弁体３１およびシャフト３２を収納するハウジング３３とからなり、弁体３１がエンジン１の運転条件に応じて回動操作されて、矢印Ａのごとき流れる吸気流量を制御するものであり、具体的な詳細構造については後述する。

エンジン１は、通常多気筒で構成されており、各気筒の燃焼室１ａが吸気ポート１ｂを介して吸気管４の各分岐管４１に接続されている。この吸気管４の空気取入口４２にはエアフィルタ５が備えられていて、このエアフィルタ５で清浄にされた空気が矢印Ａのごとく流れ、燃焼室１ａに導かれる。この吸気管４の空気取入口４２から吸気ポート１ｂに至る通路が前述の吸気通路２をなしている。
吸気管４の各分岐管４１には燃料噴射弁６が設けられていて、この燃料噴射弁６から噴射される燃料と前述の空気との混合気が吸気バルブ１ｃを介して燃焼室１ａに導入されるわけで、点火プラグ１ｄにより点火されて燃焼したガスは排気バルブ１ｅを介して排気ポート１ｆから排気管７へと排出される。

（バルブ装置３の説明）
バルブ装置３は、吸気通路２を形成する吸気管４の途中に配設され、弁体３１、シャフト３２およびハウジング３３からなる前述の基本構成に加え、図２に示すごとく、ハウジング３３とシャフト３２の間に介在されて、ハウジング３３に対してシャフト３２を回動自在に支持する一対の軸受３４を中枢部品として備えている。

まず、図２を参照して、バルブ装置３の全体構成を説明する。なお、説明の便宜上、図示上側の部分を吸気の流れ方向の上流側、図示下側の部分を吸気の流れ方向の下流側と呼称する。
外筐をなすハウジング３３は、所要の耐熱性、機械的強度および弾性力を有する熱硬化樹脂（例えばＰＰＳ樹脂）による射出成形によって形成されており、上下の両端で吸気管４に取付けられ、吸気通路２の一部を形成する円筒状のダクト部３５と、このダクト部３５の外周面において外径方向に膨出形成された一対のボス部３６、３７とを具備している。
この一対のボス部３６、３７は、ダクト部３５（吸気通路２）の軸線と直交する軸線を持つ貫通穴３６ａ、３７ａを有する円筒状を呈している。

弁体３１は、上記ハウジング３３と同様な樹脂（例えばＰＰＳ樹脂）からなるもので、全体として円盤状を呈しており、ハウジング３３のダクト部３５の内部に配置されて、吸気通路２の開閉等を司る。なお、弁体３１は、その外周縁がハウジング３３のダクト部３５の内壁に接する全閉状態において、弁体３１が吸気通路２を斜めに横断して閉塞する傾斜状態を呈し、回動操作されることにより、吸気通路２を徐々に開いていき（開弁する）、図２のごとき実線位置で最大の開弁（全開）状態となる。

一方、弁体３１を支持し、この弁体３１と一体に回動するシャフト３２は、樹脂製でも良いが、本実施例では金属製のものを用いている。この樹脂製の弁体３１と金属製のシャフト３２とは、シャフト３２の両端部３２ａ、３２ｂを弁体３１より露出させて、周知の手段（例えばインサート成形技術）により容易に一体的に製作することができる。
また、この一体化された弁体３１およびシャフト３２は、ハウジング３３を製作する過程であらかじめハウジング３３に組み付けられるもので、例えばハウジング３３の射出成形時において、インサート成形技術により、一対のボス部３６、３７の貫通穴３６ａ、３７ａにシャフト３２の両端部３２ａ、３２ｂを遊嵌状態になるようにして、組み付けられる。

しかして、一対の軸受３４は、シャフト３２の両端部３２ａ、３２ｂを、ハウジング３３に対して回動自在に支持するもので、円環状を呈した所謂平メタル製であり、ハウジング３３の一対のボス部３６、３７に圧入により取付けられている。軸受３４の外周面がボス部３６、３７の貫通穴３６ａ、３７ａに圧入されているわけで、この圧入構造の詳細については後述する。

軸受３４により支持されるシャフト３２の両端部３２ａ、３２ｂは、その一端部３２ａが一方のボス部３６に収納されており、他端部３２ｂが他方のボス部３７より露出し、図示しないシャフト回動操作機構に連結されている。このシャフト回動操作機構は、周知の例えば減速式モータ機構であり、エンジン１の運転条件によって回動指示を受け、シャフト３２を所望の位置まで回動操作する。
一方のボス部３６には、軸受３４の外側において開口側を気密的に密閉するためのキャップ８が組み付けられている。他方のボス部３７には、前述のごとく、その開口側からシャフト３２の他端部３２ｂが露出しており、シャフト回動操作機構との関係で液密的に密閉するためのオイルシール９が組み付けられている。

一対のボス部３６、３７と、この各ボス部３６、３７に圧入される軸受３４との関係は、本発明の要であり、図３も参照しながら、さらに補足説明する。
円筒状を呈する各ボス部３６、３７は、軸受３４が圧入される貫通穴３６ａ、３７ａの部分が、軸受３４の外径寸法より大径の大径穴３８と、この大径穴３８の内周面において内径側に膨出して形成された凸部をなす座部３９を具備している。
この座部３９は、軸受３４の圧入前の状態では図３（ｂ）に示すように、その先端面をなす円弧状座面３９ａが、軸受３４の外形寸法より若干（所望の圧入代分）小径の仮想円を形成するように、大径穴３８の内周面において周方向に等間隔（１２０度間隔）離れて３箇所に配設されており、座部３９自体の弾性変形により、図３（ａ）に示すように、軸受３４の外周面と大径穴３８の内周面との接触を回避して軸受３４を圧入支持することができる。

また、座部３９は、大径穴３８の内周面を軸方向に沿って延びる筋状を呈しており、軸受３４の軸方向長と同等以上の軸方向長に選定されている。これにより、軸受３４の外周面を、軸方向長の全域にわたって座面３９ａに確実に圧着させることができる。
特に、大径穴３８に対する座部３９の配置は、３つのうちの1つが、吸気通路２における吸気の流れ方向の下流側（図３の下側位置Ｄ）に一致して配置されている。
さらに、３つの座部３９は、いずれも、射出成形時にボス部３６、３７に形成されるウエルドＷを避けて配設されている。

なお、図２において、各ボス部３６、３７の貫通穴３６ａ、３７ａは、ダクト部３５の内周面に開口する部分の一部が、シャフト３２が遊嵌する小径穴３６ｂ、３７ｂになっていて、この小径穴３６ｂ、３７ｂと大径穴３８との段差部分が、軸受３４の圧入ストッパとして機能するようになっている。
さらに、各ボス部３６、３７の貫通穴３６ａ、３７ａの内周面と、シャフト３２の外周面および軸受３４の端面との間、さらには、図３（ａ）に拡大して示す大径穴３８の内周面と座部３９の軸方向側面３９ｂと軸受３４の外周面との間に形成される内部空間Ｇは、吸気通路２と連通しており、弁体３１の全閉状態のときにも、吸気通路２の上流側と下流側とを、僅かなクリアランスに相当する通路面積で連通する迂回路の役目を担っている。

（実施例の組付け上の背景）
上述のように、ハウジング３３とシャフト３２とを回動自在に結合する軸受３４をボス部３６、３７に取付ける場合において、関係する各部品の製作誤差や部品間の組付け公差などにより、ボス部３６、３７の内周面とシャフト３２の両端部３２ａ、３２ｂの外周面との間に軸受３４を圧入していくと、ボス部３６、３７に異常な拡開力が加わったり、逆に、緩く嵌ってしまうことがある。このような事態を避けるために、各部品をきわめて高精度に作製しなければならず、実用的ではない。

（実施例の特徴）
上記の不具合を解決するために、本実施例のバルブ装置３では、次の技術を採用している。
一対のボス部３６、３７には、軸受３４が圧入される部分において、座部３９が設けられている。この座部３９は、軸受３４の圧入前の状態ではその先端面をなす円弧状座面３９ａが、軸受３４の外形寸法より若干（所望の圧入代分）小径の仮想円を形成するように、大径穴３８の内周面において周方向に等間隔に離れた３箇所に配設されている。
したがって、座部３９は、軸受３４を調芯しながら３点で支持しつつ、座部３９自体が弾性変形していくため、円滑に圧入することができ、かつ座部３９の弾性力により、軸受３４を適度な力で担持することができる。
また、座部３９は、ボス部３６、３７に形成されるウエルドＷを避けて配設されているため、座部３９の受圧力が直接ウエルドＷに及ぶことがなく、ウエルドＷの応力を軽減することができる。

なお、ボス部３６、３７の変形例として、図４（ａ）はウエルドＷが２箇所発生した場合の例であり、図４（ｂ）は座部数を増やして、９０度間隔で４箇所に座部３９を配置した例であるが、座部３９の数をさらに多くしても良い。いずれにしても、座部３９の弾性変形力は、座部３９自体の緒元、つまり図４（ｃ）に示す円周方向の長さ（角度α）、膨出高さＨや軸方向の長さにより、容易にかつ任意に設定することができる。

（実施例の使用環境下での特徴）
次に、バルブ装置３の使用環境について説明する。
まず、状態時におけるエンジン１の通常運転時において、バルブ装置３は、運転条件によって弁体３１の開度が異なるものの、図１の矢印Ａのごとく吸気が流れることにより、弁体３１には下流側へ向けての力が常時加わり、シャフト３２を介して軸受３４からボス部３６、３７に対し、図３（ａ）の矢印Ｆのごとき力が負荷される。
このような場合においても、図３（ａ）の矢印Ｆの負荷を座部３９で受けることができ、ボス部３６、３７の応力、特にウエルドＷにおける応力を緩和できる。

一方、エンジン１には、運転条件によってはバックファイアが生じる。このバックファイアは、吸気バルブ１ｃの開閉タイミングのズレや、点火プラグ１ｄによる点火時期のズレなどにより、不完全燃焼ガスが爆発燃焼する現象で、高温高圧の燃焼ガスが、吸気通路２を逆流（図２の矢印Ｂ方向）し、エアフィルタ５付近まで到達することさえある。
この場合において、バルブ装置３の弁体３１が全閉もしくはそれに近い状態にあると、弁体３１全体が高温高圧の燃焼ガスをまともに受けることになり、弁体３１に過大な圧力が加わり、極端な場合には弁体３１の破損を招く恐れがある。
上述のごとき場合には、内部空間Ｇが有効に機能する。つまり、この内部空間Ｇによって、弁体３１が全閉状態の場合でも、吸気通路２の下流側から上流側へのバイパス流路（迂回路）が形成されるため、下流側から逆流してくる燃焼ガスを速やかに上流側へと逃がすことができる。かくして、弁体３１に過大な圧力が加わるのを防ぐことができる。

なお、上記実施例において、ハウジング３３のボス部３６、３７を補強する例を図５に示す。
図５（ａ）において、ボス部３６、３７の外周面には、外径側に膨出して形成され、大径穴３８の拡開を抑制する補強用リブ１０が設けられている。この補強用リブ１０は、座部３９の数と同数の３箇所において、全ての座部３９と重畳するように、放射状に設けられている。
この例では、全ての座部３９と重畳するように補強用リブ１０を設けているが、ボス部３６、３７の外周面に対する補強用リブ１０の配置は、常時負荷がかかる部分を補強するという観点から、少なくとも補強用リブ１０の一部が、吸気通路２における吸気の流れ方向の下流側に配置されたＤ位置の座部３９と重畳するように設けることが肝要である。
図５（ｂ）において、ボス部３６、３７の外周面には、接線方向に膨出させた補強用リブ１１が４箇所に設けられている。
この補強用リブ１１は、軸受圧入時にボス部３６、３７に生じるストレス方向にあわせて設けられており、特にウエルドＷを引き剥がす方向Ｓに発生するストレスに対し、方向Ｓへの変形を抑える役目を果たすものであって、ウエルドＷを挟むように配置された図示上側の一対の補強用リブ１１が要であり、図示下側の一対の補強用リブ１１は補助的に設けられている。

以上、スロットルバルブ装置への適用例について詳述したが、図１において、吸気管４の各分岐管４１から各気筒の吸気ポート１ｂへの吸気流を、より好適な流れに変更するために設置されるタンブルバルブ装置やスワールバルブ装置にも本発明を適用できることは勿論であり、弁体３１の構造も、シャフト３２を中央に備えるバタフライ形式のものに限られるものではなく、シャフトを片側に備えて団扇のごとく開閉させる団扇形式のものにも適用できる。

１ エンジン（内燃機関）
１ａ 燃焼室
２ 吸気通路
３ バルブ装置（吸気用バルブ装置）
４ 吸気管
１０ 補強用リブ
１１ 補強用リブ
３１ 弁体
３２ シャフト
３３ ハウジング
３４ 軸受
３５ ダクト部
３６ ボス部
３７ ボス部
３８ 大径穴
３９ 凸部をなす座部
Ｇ 内部空間
Ｗ ウエルド

Claims (7)

1. 内燃機関の燃焼室に導入される吸気が通過可能な吸気通路を形成する樹脂製のハウジングと、
   前記吸気通路内で回動することで前記吸気通路の開閉あるいは通路面積の可変を行なう弁体と、
   この弁体と一体に回動するシャフトと、
   前記ハウジングと前記シャフトの間に介在されて、前記ハウジングに対して前記シャフトを回動自在に支持する軸受とを具備し、
   前記ハウジングに形成された筒状のボス部の内周面に前記軸受の外周面が圧入されてなる吸気用バルブ装置において、
   前記ボス部において前記軸受が圧入される部分は、
   前記軸受の外径寸法より大径の大径穴と、
   この大径穴の内周面において内径側に膨出して形成され、前記軸受の外周面と前記大径穴の内周面との接触を回避して前記軸受を圧入支持するものであり、前記大径穴の内周面において周方向に離れて少なくとも3箇所に配設される凸部とを具備し、
   前記大径穴に対する前記凸部の配置は、
   複数のうちの1つの凸部が、前記吸気通路における吸気の流れ方向の下流側に一致して配置されていることを特徴とする吸気用バルブ装置。
2. 請求項１に記載の吸気用バルブ装置において、
   前記大径穴に対する前記凸部の配置は、
   複数の全ての凸部が、樹脂成形時に前記ボス部に形成されるウエルドを避けて配置されていることを特徴とする吸気用バルブ装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の吸気用バルブ装置において、
   前記凸部は、前記軸受の軸方向長以上の軸方向長を有することを特徴とする吸気用バルブ装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の吸気用バルブ装置において、
   前記ボス部の外周面には、外径側に膨出して形成され、前記大径穴の拡開を抑制する補強用リブが設けられていることを特徴とする吸気用バルブ装置。
5. 請求項４に記載の吸気用バルブ装置において、
   前記ボス部の外周面に対する前記補強用リブの配置は、少なくとも前記補強用リブの一部が、前記吸気通路における吸気の流れ方向の下流側に配置された前記凸部と重畳するように設けられていることを特徴とする吸気用バルブ装置。
6. 請求項４に記載の吸気用バルブ装置において、
   前記補強用リブは、前記軸受の圧入時に前記ボス部に生じるストレス方向にあわせて設けられていることを特徴とする吸気用バルブ装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の吸気用バルブ装置において、
   前記ボス部の内周面と前記軸受の全面とによって形成される内部空間を有しており、この内部空間が、前記吸気通路に連通していることを特徴とする吸気用バルブ装置。
   

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