JP5828303B2 - バルブ装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸排気系統を構成する流路を開閉するためのバルブ装置に関するものであり、例えば、内燃機関の排気ガスを吸気側に還流するＥＧＲ装置等に好適に利用することができる。

従来から、例えば、ＥＧＲ装置に利用されるバルブ装置では、弁体の回転軸の支持構造に関し、流路を挟まずに流路の片側のみで回転自在に支持する片持ち構造を採用するものが公知である（例えば、特許文献１参照）。すなわち、特許文献１のバルブ装置によれば、回転軸の軸受手段は、回転軸の軸方向片側にのみ配置され、流路に近い側から遠い側に向かいメタル軸受およびボール軸受の順に配置されている。また、メタル軸受とボール軸受との間にオイルシールが配置されている。
ところで、バルブ装置に対するコスト削減の要求は高まる一方であり、片持ち構造の軸受手段に関しても、より安価に構成できるようにコストダウンが要求されている。

特開２００９−００２３２５号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、内燃機関の吸排気系統を構成する流路を開閉するための片持ち構造のバルブ装置において、軸受手段に関しコストダウンを達成することにある。

本発明のバルブ装置は、内燃機関の吸排気系統を構成する流路を開閉する弁体と、流路を挟まずに流路の片側のみで弁体の回転軸を回転自在に支持する複数の転がり軸受と、複数の転がり軸受を回転軸の軸方向に直列に収容する軸受孔とを備える。そして、複数の転がり軸受は、回転軸に対して軸方向に直列に隙間なく配置されている。また、複数の転がり軸受は、それぞれの内輪が回転軸に締まり嵌めされて回転軸に一体化した状態で回転軸とともに軸受孔に収容される。そして、複数の転がり軸受の内、流路に最も近い最流路側の転がり軸受は、外輪が締まり嵌めされて軸受孔に収容され、最流路側の転がり軸受以外の転がり軸受は、外輪が止まり嵌めまたは隙間嵌めされて軸受孔に収容されている。

まず、従来のように軸受手段としてメタル軸受を使用する場合、近年の高性能化の要求に応じて高精度のものを使用しなければならず、高コストになってしまう。そこで、メタル軸受に替え、より安価に流通している転がり軸受を使用し、軸受手段の軸受を全て転がり軸受とすることで軸受手段のコストダウンを達成することができる。
また、複数の転がり軸受の内、最流路側の転がり軸受の外輪を締まり嵌めにより収容し、最流路側の転がり軸受以外の転がり軸受の外輪を止まり嵌めまたは隙間嵌めにより収容することで、軸受手段の機能損傷を抑制することができる。

すなわち、最流路側以外の転がり軸受の外輪を締まり嵌めにより軸受孔に収容する場合、孔壁をこじって軸受としての機能を損なう虞がある。
つまり、転がり軸受の寸法公差により、最流路側以外の転がり軸受の外径が最流路側の転がり軸受の外径よりも大きくなる虞がある。このため、最流路側の転がり軸受を支障なく締まり嵌めすることができても、最流路側以外の転がり軸受を締まり嵌めする際に、最流路側以外の転がり軸受により孔壁をこじる虞がある。

そして、孔壁のこじりを生じながら最流路側以外の転がり軸受を締まり嵌めすることで、最流路側以外の転がり軸受の外輪に過大な荷重が加わって軸受としての機能を損なう虞がある。
そこで、最流路側の転がり軸受の外輪を締まり嵌めにより収容し、最流路側以外の転がり軸受の外輪を止まり嵌めまたは隙間嵌めにより収容することで、軸受手段の機能損傷を抑制することができる。

以上により、内燃機関の吸排気系統を構成する流路を開閉するための片持ち構造のバルブ装置において、軸受手段に関し、従来品と同等以上の性能を確保してコストダウンを達成することができる。

バルブ装置の断面図である（実施例）。 バルブ装置の内部構成図である（実施例）。 （ａ）は流路側の転がり軸受の内輪を回転軸に締まり嵌めする工程を示す説明図であり、（ｂ）は反流路側の転がり軸受の内輪を回転軸に締まり嵌めする工程を示す説明図であり、（ｃ）は２つの転がり軸受の外輪を軸受孔に収容する工程を示す説明図である（実施例）。

実施形態のバルブ装置１を実施例に基づき説明する。

〔実施例の構成〕
実施例のバルブ装置１の構成を、図１〜図３を用いて説明する。
バルブ装置１は、内燃機関（図示せず。）の吸排気系統を構成する流路を開閉するものであり、例えば、排気ガスを吸気側に還流するＥＧＲ装置に利用され、排気ガスの環流路（以下、ＥＧＲ流路と呼ぶ。）２を開閉するために利用される。そして、バルブ装置１は、ＥＧＲ流路２を開閉する弁体３と、弁体３の回転軸４を回転自在に支持する軸受手段５と、軸受手段５を収容する軸受孔６とを備える。
以下、弁体３、軸受手段５および軸受孔６の構成を詳述する。

弁体３は、例えば、厚みを有する円板状のバタフライ弁であり、回転することによりＥＧＲ流路２を開閉する。また、弁体３の周縁には、ＥＧＲ流路２の閉鎖時に弁体３の周縁とＥＧＲ流路２の流路壁７との間を封鎖するシールリング８が装着されている。

ここで、シールリング８は、例えば、Ｃ字状の円環として設けられて合口（図示せず。）を形成するものであり、弁体３の周縁に設けられた嵌合溝９に嵌まって弁体３とともに回転する。そして、シールリング８は、ＥＧＲ流路２を閉鎖するときに、流路壁７に環状に摺接して弁体３の周縁と流路壁７との間を封鎖する。このとき、シールリング８は、合口を狭めるように弾性変形した状態で流路壁７に摺接する。

また、弁体３は、バルブ装置１のハウジング１０に圧入された円筒状のノズル１１に回転自在に収容されている。ここで、ノズル１１は円筒状に設けられ、ノズル１１の内周面はシールリング８の摺接を受ける流路壁７をなす。また、弁体３およびノズル１１は耐熱性、耐腐食性等の点から、例えば、ステンレス鋼を素材として設けられ、ハウジング１０は軽量化等の点から、例えば、アルミニウム合金を素材として設けられている。

そして、弁体３は、回転軸４に対して傾斜するように回転軸４の先端に溶接等されて一体化し、回転軸４と鋭角を形成している。そして、回転軸４は、軸受孔６に収容された軸受手段５により回転自在に支持されている。

軸受手段５は、回転軸４の支持構造に関して片持ち構造を採用するものであり、ＥＧＲ流路２を挟まずにＥＧＲ流路２の片側のみで回転軸４を支持し、回転軸４の軸方向片側にのみ配置されている。また、軸受手段５は、軸方向に直列に並ぶ２つの転がり軸受１３からなる。

ここで、それぞれの転がり軸受１３は、内、外輪１５、１６間に形成される環状の空隙１７に転動体１８を収容するとともに、空隙１７において転動体１８をリテーナ（図示せず。）により周方向に等間隔に保持する周知構造を有するものである。

なお、転動体１８には、球体（ボール）や円柱体等が採用される。また、空隙１７にはグリースが充填されており、空隙１７の軸方向の両側は周知の鋼板製シール材により封止されている。さらに、２つの転がり軸受１３のＥＧＲ流路２の側にオイルシール２０が配置されている（以下、２つの転がり軸受１３の内、ＥＧＲ流路２に近い転がり軸受１３を流路側の転がり軸受１３と呼び、ＥＧＲ流路２から遠い転がり軸受１３を反流路側の転がり軸受１３と呼ぶ。）。

軸受孔６は、２つの転がり軸受１３を回転軸４の軸方向に直列に収容するものであり、ハウジング１０に設けられている。ここで、軸受孔６は、段付き形状に設けられており（図３（ｃ）参照。）、流路側の転がり軸受１３の外輪１６が孔壁に対して締まり嵌めされ、反流路側の転がり軸受１３の外輪１６が孔壁に対して止まり嵌めまたは隙間嵌めされる。すなわち、軸受孔６の内、流路側の転がり軸受１３が収容されてオイルシール２０に隣接する流路側領域２２と、反流路側の転がり軸受１３が収容される反流路側領域２３とは同軸であり、流路側領域２２は、反流路側領域２３よりもわずかに孔径が小さい。

また、２つの転がり軸受１３は、それぞれの内輪１５が回転軸４に締まり嵌めされて回転軸４に一体化した状態で回転軸４とともに軸受孔６に収容される。すなわち、２つの転がり軸受１３の内輪１５を、順次、回転軸４に締まり嵌めして回転軸４と２つの転がり軸受１３との一体物であるシャフトアッシー２４を設け、シャフトアッシー２４を軸受孔６に装着する。

これにより、流路側の転がり軸受１３は、外輪１６が締まり嵌めされて軸受孔６に収容され、反流路側の転がり軸受１３は、外輪１６が止まり嵌めまたは隙間嵌めされて軸受孔６に収容される。そして、反流路側の転がり軸受１３の外輪１６は、例えば、ハウジング１０にステーキングかしめにより固定されて回り止めされる。
なお、軸受孔６のＥＧＲ流路２の反対側（反流路側領域２３のＥＧＲ流路２の反対側）は、後記するギヤ室２５に開口するように設けられている。

また、バルブ装置１は、弁体３、軸受手段５および軸受孔６とともに、以下に説明する回転角センサ２６、アクチュエータ２７、付勢手段２８、オープナ２９およびストッパ３０を備える。

回転角センサ２６は、例えば、回転軸４とともに回転する永久磁石３２、および、永久磁石３２が発生する磁束に応じたホール電圧を発生するホールＩＣ３３を有し、弁体３および回転軸４（以下、弁体３等と呼ぶことがある。）の回転角に応じた信号を発生して出力する。回転角センサ２６の出力信号は、例えば、内燃機関を制御するためのＥＣＵ（図示せず。）に出力され、ＥＣＵは、回転角センサ２６の出力信号に基づき弁体３等の回転角を把握するとともに、把握した回転角に基づきアクチュエータ２７に指令を与えて弁体３の動作を制御する。

アクチュエータ２７は、弁体３等を回転させるトルクを発生する電動機３５、および電動機３５が発生するトルクを増幅して弁体３等に伝達する減速機３６を有する。
電動機３５は、ＥＣＵからの指令に応じて正転または逆転することができるものであり、ＥＣＵは、把握した回転角に基づき電動機３５に指令を与えて弁体３等を開側または閉側のいずれかの方向に回転させる。

減速機３６は、電動機３５の出力軸に装着されたモータギヤ３７と、回転軸４に装着されて弁体３等とともに回転するバルブギヤ３８と、モータギヤ３７と噛み合う大径歯車３９およびバルブギヤ３８と噛み合う小径歯車４０を同軸的に有する中間ギヤ４１とからなる。

付勢手段２８は、Ｕ字状のフック４３により２つの捩りバネ４４、４５を結合したものであり、捩りバネ４４、４５は、互いに異なる方向に捩られて回転軸４と同軸にセットされている。捩りバネ４４は、一端４４ａがハウジング１０に引っ掛かって固定され、他端がフック４３に結合されている。また、捩りバネ４５は、他端４５ｂがバルブギヤ３８に引っ掛かってバルブギヤ３８とともに回転し、一端がフック４３に結合されている。

そして、以下に説明するオープナ２９の機能により、捩りバネ４４は、所定の基準角よりも開側の回転角において弁体３等を閉側に回転付勢し、捩りバネ４５は、基準角よりも閉側の回転角において弁体３等を開側に回転付勢する。なお、基準角は、例えば、ノズル１１における流路軸と弁体３の面方向とが直交するときの回転角（シールリング８の合口が最も狭いときの回転角）として設定されている。

オープナ２９は、回転角が基準角よりも閉側であるときに、捩りバネ４４による弁体３に対する回転付勢を解除するものであり、ハウジング１０に捩じ込まれたスクリュー４６により構成されている。スクリュー４６は、減速機３６が収容されるギヤ室２５に先端４６ａが露出するようにハウジング１０に捩じ込まれている。そして、スクリュー４６は、弁体３が基準角よりも開側の回転角から閉側に向かって回転してきたときに基準角において先端４６ａによりフック４３を係止することができるように捩じ込み量が調節されている。

これにより、捩りバネ４４、４５による弁体３等に対する回転付勢の状態は、基準角を境にして以下のように変化する。
すなわち、回転角が基準角よりも開側であるとき、フック４３は、バルブギヤ３８に設けられたフックレバー４８に係止され、弁体３等とともに回転する。このため、捩りバネ４４は、一端４４ａがハウジング１０に固定され、他端（フック４３）がバルブギヤ３８とともに回転するので、フック４３とフックレバー４８との係止を介して弁体３等に付勢力を伝達し、弁体３等を閉側に回転付勢する。このとき、捩りバネ４５は、両端ともにバルブギヤ３８に保持されて実質的に機能していない。

また、回転角が基準角よりも閉側の回転角にあるとき、フック４３は、先端４６ａに係止されて弁体３等に対し相対的に静止する。このため、捩りバネ４４は、両端ともにハウジング１０に保持されて実質的に機能せず、弁体３等に対する回転付勢が解除される。このとき、捩りバネ４５は、一端（フック４３）がスクリュー４６を介してハウジング１０に固定され、他端４５ｂがバルブギヤ３８とともに回転するので、他端４５ｂとバルブギヤ３８との係止を介して弁体３等に付勢力を伝達し、弁体３等を開側に回転付勢する。

ストッパ３０は、基準角よりも閉側に設定された規制角において、弁体３等の過剰な閉側への回転を機械的に規制するものであり、ハウジング１０に捩じ込まれるスクリュー４９により構成されている。スクリュー４９は、スクリュー４６と同様にギヤ室２５に先端４９ａが露出するようにハウジング１０に捩じ込まれている。

そして、スクリュー４９は、弁体３等が規制角よりも開側の回転角から閉側に向かって回転してきたときに規制角において先端４９ａによりバルブギヤ３８を係止することができるように捩じ込み量が調節されている。ここで、バルブギヤ３８は、径方向外側に突出する突起３８ａを有し、スクリュー４９は、規制角において突起３８ａを係止することでバルブギヤ３８の回転を規制する。
なお、規制角を基準角よりも閉側に設定することで、弁体３は、基準角からさらに閉側に回転することができ、例えば、シールリング８や流路壁７に付着したデポジットを掻き落すことができる。

〔実施例の効果〕
実施例のバルブ装置１によれば、軸受手段５は、回転軸４を軸方向片側のみで支持する片持ち構造であり、回転軸４の軸方向片側で軸方向に直列に並ぶ２つの転がり軸受１３からなる。また、回転軸４と２つの転がり軸受１３とは、回転軸４に内輪１５が締まり嵌めされて一体化され、シャフトアッシー２４として軸受孔６に収容される。そして、流路側の転がり軸受１３は、外輪１６が締まり嵌めされて軸受孔６に収容され、反流路側の転がり軸受１３は、外輪１６が止まり嵌めまたは隙間嵌めされて軸受孔６に収容される。

これにより、軸受手段５において高精度のメタル軸受の使用を取り止め、汎用的な転がり軸受１３のみで軸受手段５を構成することで、軸受手段５のコストダウンを達成することができる。また、流路側の転がり軸受１３の外輪１６を締まり嵌めにより収容し、反流路側の転がり軸受１３の外輪１６を止まり嵌めまたは隙間嵌めにより収容することで、軸受手段５の機能損傷を抑制することができる。

すなわち、反流路側の転がり軸受１３の外輪１６を締まり嵌めにより軸受孔６に収容する場合、孔壁をこじって軸受としての機能を損なう虞がある。
つまり、転がり軸受１３の寸法公差により、反流路側の転がり軸受１３の外径が流路側の転がり軸受１３の外径よりも大きくなる虞がある。このため、流路側の転がり軸受１３を支障なく締まり嵌めすることができても、反流路側の転がり軸受１３を締まり嵌めする際に、反流路側の転がり軸受１３により孔壁をこじる虞がある。

そして、孔壁のこじりを生じながら反流路側の転がり軸受１３を締まり嵌めすることで、反流路側の転がり軸受１３の外輪１６に過大な荷重が加わって軸受手段５としての機能を損なう虞がある。
そこで、流路側の転がり軸受１３の外輪１６を締まり嵌めにより収容し、反流路側の転がり軸受１３の外輪１６を止まり嵌めまたは隙間嵌めにより収容することで、軸受手段５の機能損傷を抑制することができる。
以上により、ＥＧＲ流路２を開閉するための片持ち構造のバルブ装置１において、軸受手段５に関し、従来品と同等以上の性能を確保してコストダウンを達成することができる。

また、反流路側の転がり軸受１３の外輪１６は、ハウジング１０にステーキングかしめにより固定されて回り止めされる。
これにより、反流路側の転がり軸受１３の外輪１６の回り止めを、簡易かつ低コストに設けることができる。

〔変形例〕
バルブ装置１の態様は、実施例に限定されず種々の変形例を考えることができる。
例えば、実施例のバルブ装置１によれば、軸受手段５は、２つの転がり軸受１３により構成されていたが、３つ以上の転がり軸受１３を軸方向に直列に配置して構成してもよい。この場合、ＥＧＲ流路２に最も近い最流路側の転がり軸受１３のみ、外輪１６が締まり嵌めされて軸受孔６に収容され、最流路側の転がり軸受１３以外の転がり軸受１３は、外輪１６が止まり嵌めまたは隙間嵌めされて軸受孔６に収容される。

また、実施例のバルブ装置１によれば、軸受孔６は段付き形状に設けられていたが、軸受孔６を、例えば、ＥＧＲ流路２に近いほど小径となるテーパ状に設け、流路側の転がり軸受１３の先端部のみを締まり嵌めしてもよい。
さらに、実施例のバルブ装置１は、ＥＧＲ装置に利用されていたが、内燃機関への吸入空気の流量を増減するスロットル装置にバルブ装置１を利用してもよい。

１ バルブ装置 ２ ＥＧＲ流路（流路） ３ 弁体 ４ 回転軸 ６ 軸受孔 １３ 転がり軸受 １５ 内輪 １６ 外輪

Claims (2)

1. 内燃機関の吸排気系統を構成する流路（２）を開閉する弁体（３）と、
   前記流路（２）を挟まずに前記流路（２）の片側のみで前記弁体（３）の回転軸（４）を回転自在に支持する複数の転がり軸受（１３）と、
   この複数の転がり軸受（１３）を前記回転軸（４）の軸方向に直列に収容する軸受孔（６）とを備え、
   前記複数の転がり軸受（１３）は、前記回転軸（４）に対して軸方向に直列に隙間なく配置されており、
   前記複数の転がり軸受（１３）は、それぞれの内輪（１５）が前記回転軸（４）に締まり嵌めされて前記回転軸（４）に一体化した状態で前記回転軸（４）とともに前記軸受孔（６）に収容され、
   前記複数の転がり軸受（１３）の内、前記流路（２）に最も近い最流路側の転がり軸受（１３）は、外輪（１６）が締まり嵌めされて前記軸受孔（６）に収容され、
   前記最流路側の転がり軸受（１３）以外の転がり軸受（１３）は、外輪（１６）が止まり嵌めまたは隙間嵌めされて前記軸受孔（６）に収容されていることを特徴とするバルブ装置（１）。
   
   
2. 請求項１に記載のバルブ装置（１）において、
   前記流路（２）から最も遠い転がり軸受（１３）の外輪（１６）は、前記軸受孔（６）を形成するハウジング（１０）にかしめ固定されていることを特徴とするバルブ装置（１）。

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