JP6703740B2 - バルブステムシール - Google Patents

Description

本発明は、バルブステムシールに関する。

従来から、内燃機関において、カム側とシリンダ側との間を往復運動する吸排気バルブのバルブステムとバルブガイドとの間の空間の密封を図るために、バルブステムシールが用いられている。バルブステムシールは、内燃機関作動中において油漏れ量（バルブステムとバルブガイドとの間への潤滑油供給量）が少ないことに起因する、バルブガイド及びバルブステムの損傷を抑制する一方で、油漏れ量が大きいことによる白煙発生等の不具合を防止するために、油漏れ量を調整して、バルブガイドとバルブステムとの間にバルブステムの往復運動を円滑に行わせるための潤滑油を供給しつつ、この潤滑油のポートやシリンダ（燃焼室）への流入の防止を図っている。
図５は、従来のバルブステムシール１００をバルブガイド１０１に取り付けた状態をバルブステム１０２とともに示す断面図である。バルブステムシール１００は、金属製の補強環１０３と、この補強環１０３に一体的に設けられ、ゴム等の弾性体からなる弾性体部１０４と、この弾性体部１０４を軸線ｘに向かう方向に付勢するスプリング１０５とを備えている。スプリング１０５は、弾性体部１０４を外側から締め付けることにより、弾性体部１０４のシールリップ１０６によるバルブステム１０２を押圧する力を高め、シール性を向上させている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１０８８２７号公報

近年、内燃機関のさらなる燃費向上を目的として、車種に合わせてバルブステム１０２に対するバルブステムシール１００の締め付け力を下げたいという要望（低トルク化）が高まってきている。
このような要望に対して、弾性体部１０４を薄肉化することが考えられる。
しかし、このような構成を採用すると、弾性体部１０４の剛性が低下し、バルブステム１０２の往復運動により弾性体部１０４が破損するおそれがある。さらに、弾性体部１０４によるバルブステム１０２の締め付け力が許容できない程度にまで低下してしまうことがあるため、シールリップ１０６に、ポート圧に基づくシリンダ側からの圧力（背圧）がかかった際にシールリップ１０６がバルブステム１０２から離れてしまうおそれがある。また、弾性体部１０４のバルブステム１０２の締め付け力は、スプリング１０５に大きく依存しており、車種にあわせてスプリング１０５による弾性体部１０４の締め付け力を調整することも困難である。

そこで、本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、バルブステムの締め付け力を低減して燃費の向上を図りつつ、バルブステムとバルブガイドとの間の潤滑を確保することができるバルブステムシールを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明は、シリンダとポートとの間を連通及び遮断するバルブのバルブステムと、このバルブステムが往復運動自在に挿入されるバルブガイドとの密封を図り、前記バルブガイドに設けられるバルブステムシールであって、軸線を中心とする環状の補強環と、前記軸線を中心として前記補強環に取り付けられた弾性体部と、を備え、前記弾性体部は、前記補強環と前記バルブガイドの間で押圧される嵌合部と、径方向内側で前記バルブステムに当接し、前記軸線を中心とする環状のシール部と、を有し、前記シール部は、径方向外側に突出する複数の突出部を有することを特徴とする。

前記複数の突出部は、互いに周方向に等間隔に設けられていることが好ましい。

各突出部は、径方向に沿った肉厚が等しいことが好ましい。

各複数の突出部の外周に沿った長さが等しいことが好ましい。

前記突出部は、径方向内側から径方向外側に向かって周方向に拡幅していることが好ましい。

前記シール部の外周面は、前記シリンダ側から前記カム側に向かうにつれて前記軸線に向かって近づくように傾斜していることが好ましい。

本発明によれば、バルブステムの締め付け力を低減して燃費の向上を図りつつ、バルブステムとバルブガイドとの間の潤滑を確保することができる。

本発明の実施の形態に係るバルブステムシールの平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線における、バルブステムシールの軸線に沿った断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線における、バルブステムシールの軸線に沿った断面図である。 バルブステムシールを用いた密封構造の縦断面図である。 従来のバルブステムシールを用いた密封構造の縦断面図である。

本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す実施の形態は一つの例示であり、本発明の範囲において、種々の形態をとりうる。

＜バルブステムシール＞
図１は、バルブステムシール１の平面図である。図２は、図１に示すＩＩ−ＩＩ線における軸線ｘに沿う断面図である。図３は、図１に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線における軸線ｘに沿う断面図である。図４は、内燃機関において使用されている状態における、バルブステムシール１を用いた密封構造の概略構造を示すための軸線ｘに沿う断面図である。

バルブステムシール１は、内燃機関の動弁系において、バルブガイド４とバルブステム５との間の密封を図るものである。すなわち、シリンダとポートとの間を連通及び遮断するためのバルブのバルブステム５と、このバルブステム５が挿通される一端がカム側に臨み他端がシリンダ側に臨むバルブガイド４との間の空間の密封を図るものである。バルブステムシール１は、図４に示すように、バルブガイド４のカム側を臨む一端に被せられるように嵌め込まれ、取り付けられている。
ここで、「密封を図る」とは、燃焼室からの背圧がシリンダ側からカム側に伝わらないよう、バルブガイド４におけるカム側の一端において、バルブガイド４とバルブステム５との間の空間をシールするとともに、バルブガイド４とバルブステム５との摺動面の潤滑のために、潤滑油が燃焼室内に浸入しない程度に潤滑油の量を調整しつつ、潤滑油をバルブガイド４とバルブステム５との摺動面に供給することをいう。

バルブステムシール１は、図２及び図３に示すように、軸線ｘを中心とする金属製の環状の補強環２と、補強環２と同じく軸線ｘを中心とし、補強環２に取り付けられ、弾性体から形成された環状の弾性体部３とを備えている。
補強環２は、例えば、プレス加工や鍛造によって製造されている。弾性体部３は、例えば、フッ素ゴム等のゴム材からなり、成形型を用いて架橋（加硫）成形によって成形される。この架橋成形の際に、補強環２は成形型の中に配置されており、弾性体部３が架橋接着により補強環２に接着され、補強環２と一体的に形成される。

［補強環］
補強環２は、軸線ｘに沿う断面の形状（以下、断面形状ともいう）が、略Ｌ字状の形状を呈しており、軸線ｘ方向に延びる円筒状の円筒部２１と、円筒部２１の上側の端部から軸線ｘに向かって延びる中空円盤状のフランジ部２２とを有している。

［弾性体部］
弾性体部３は、補強環２とバルブガイド４との間で押圧される嵌合部３１と、弾性体部３の内周側でバルブステム５に当接する、軸線ｘを中心とする環状のシール部３２とを有している。また、弾性体部３は、補強環２のフランジ部２２を覆うカバー部３３を備え、カバー部３３は、弾性体部３において、嵌合部３１とシール部３２とを接続している。嵌合部３１、シール部３２及びカバー部３３は、同一の弾性体によって一体に形成されている。

（嵌合部）
嵌合部３１は、バルブステムシール１がバルブガイド４に嵌着されて固定されるために機能する部分であり、バルブステムシール１の径方向外側において軸線ｘに沿って延在して、補強環２の円筒部２１を径方向内側から覆っている。嵌合部３１の径方向の厚さは、バルブガイド４に嵌着された場合に所定の嵌着力が発生するように所定の厚さに設定されている。嵌合部３１は、軸線ｘ方向の一部の範囲において周面が上記の所定の厚さに設定されていてもよく、また、嵌合部３１は、軸線ｘ方向の全ての範囲において周面が上記の所定の厚さに設定されていてもよい。

（シール部）
シール部３２は、バルブステムシール１の取り付け状態において、バルブステム５に対する締め付け力を形成する部分であり、断面形状が中空の略円錐台状であり、かつ図１に示すように、平面視して周方向において壁厚が不均一になっている。シール部３２は、軸線ｘを中心とする環状部３４と、複数の突出部３５と、シールリップ３６とを有している。環状部３４、突出部３５及びシールリップ３６は一体に形成されている。

環状部３４は、突出部３５が設けられていない部分、つまり、隣接する突出部３５、３５の間に外周面３４ａを有する。環状部３４の外周面３４ａは、図２に示すように、軸線ｘ方向で下側の下端縁３４ｃから上側の上端縁３４ｂに向かうにつれて軸線ｘに向かって近づくように傾斜している。したがって、シール部３２は、突出部３５の分だけ径方向の肉厚が厚い厚肉部と、環状部３４だけの肉厚の薄肉部とを有している。

突出部３５は、図１に示すように、環状部３４から径方向外側に突出している部分（厚肉部）であり、シール部３２の壁厚を厚くして、周方向において壁厚を不均一にしている部分である。図１においては、４つの突出部３５が備えられており、一対の突出部３５が直径上で相対するように設けられている。
突出部３５は、環状部３４の外周から径方向外側に突出しており、隣接する突出部３５はそれぞれ互いに等間隔に設けられている。突出部３５の外周面３５ａは、図２に示すように、軸線ｘ方向で下側の下端縁３５ｃから上側の上端縁３５ｂに向かうにつれて軸線ｘに向かって近づくように傾斜している。

環状部３４の上端縁３４ｂ及び突出部３５の上端縁３５ｂは、軸線ｘ方向において同じ高さ位置にあり、環状部３４及び突出部３５の上側の端面は互いに面一をなしている。また、環状部３４の下端縁３５ｃ及び突出部３５の下端縁３５ｃも、軸線ｘ方向において同じ高さ位置にある。
突出部３５の上端縁３５ｂは、環状部３４の上端縁３４ｂよりも径方向外側に位置し、突出部３５の下端縁３５ｃは、環状部３４の下端縁３４ｃよりも径方向外側に位置しており、また、突出部３５の外周面３５ａと環状部３４の外周面３４ａは、軸線ｘに対して互いに同じ傾斜角を有している。つまり、各突出部３５は、環状部３４の突出部３５が設けられていない部分（薄肉部）の外周面３４ａから、軸線ｘに沿ういずれの高さ位置においても、環状部３４から均一に径方向外側に同じ厚さだけ突出している。
また、各突出部３５の外周面３５ａはそれぞれ、図１に示すように、周方向に沿って同じ長さだけ延在している。より具体的には、各突出部３５の外周面３５ａは、軸線ｘ方向における同じ高さ位置において周方向に同じ周長を有している。
さらに、突出部３５は、径方向内側から径方向外側に向かって周方向に拡幅して突出している。突出部３５の周方向における幅は、環状部３４に接続している部分から、径方向外側に下端縁３５ｃに向かって漸次拡幅しており、突出部３５は平面視略扇形状をなしている。

シールリップ３６は、図２及び図３に示すように、環状部３４の内周面に、軸線ｘを中心として環状に形成されている。シールリップ３６の先端部は、軸線ｘに向かって突出しており、断面形状が内周側に向かって凸状の楔形を有している。シールリップ３６は、環状部３４の径方向内側において、後述するように挿入されるバルブステム５に当接する。

（カバー部）
カバー部３３は、図２及び図３に示すように、補強環２のフランジ部２２の上側を覆う上側カバー部３３ａと、フランジ部２２の下側を覆う下側カバー部３３ｂとを有している。下側カバー部３３ｂは、バルブステムシール１がバルブガイド４に嵌着された際に、下側カバー部３３ｂの下側を臨む面が、バルブガイド４の上側を臨む端面に当接し、バルブガイド４に対するバルブステムシール１の位置決めがなされるように、少なくとも一部において軸線ｘ方向の厚さが設定されていてもよい。

＜密封構造＞
以下に、図４を用いて、バルブステム５と、バルブガイド４との間の密封を図る密封構造１０について説明する。

密封構造１０は、図４に示すように、上記のバルブステムシール１と、バルブガイド４とを備えていて、バルブステムシール１が、バルブガイド４のカム側の一端に嵌着されている。
バルブガイド４は、円筒状に形成されている。バルブガイド４は、バルブのバルブステム５が軸線ｘ方向において往復運動自在に挿入される、軸線ｘ方向に沿って延びる貫通孔であるガイド孔４１が形成されている。ガイド孔４１は、バルブガイド４のカム側の一端と、バルブガイド４のシリンダ側の他端との間に延びており、ガイド孔４１の内径はバルブステム５の外径よりも若干大きくなっている。

密封構造１０が構成されている状態において、バルブのバルブステム５がシリンダ側からバルブガイド４のガイド孔４１に挿入され、バルブステムシール１に挿入されている。バルブステム５は、図示しないカムによって軸線ｘ方向に往復運動する。バルブステムシール１において、シールリップ３６の先端部は、バルブステム５の外周面５１にバルブステム５が摺動自在に当接している。
また、バルブガイド４のガイド孔４１とバルブステム５の外周面５１との間には、環状の空間ｇが形成されており、バルブステム５がバルブガイド４のガイド孔４１内を往復運動可能となっている。
バルブガイド４の一端が、補強環２の円筒部２１及び弾性体部３の嵌合部３１の内側に圧入されると、嵌合部３１は、補強環２の円筒部２１とバルブガイド４の外周面との間で圧縮されて径方向の力である嵌合力を所定の大きさ発生する。この嵌合力により、バルブステムシール１がバルブガイド４に嵌着されて固定される。嵌合部３１の径方向の厚さは、この所定の嵌合力が発生するように所定の厚さに設定されている。

シールリップ３６は、その先端部がバルブステム５の外周面５１に当接して、潤滑油が供給されるカム側から空間ｇの密封を図るが、シールリップ３６の先端部は、所定量の潤滑油がシールリップ３６の先端部から漏れ出て、この漏れ出た潤滑油が空間ｇに供給されるようになっている。この潤滑油の所定の漏れ量は、空間ｇに油膜が形成され、バルブステム５がバルブガイド４のガイド孔４１に対して円滑に往復運動可能になるような量である。
シール部３２の、特に突出部３５はこのような適量の潤滑油が、シールリップ３６の先端部とバルブステム５の外周面５１との間から漏れ出して空間ｇに供給されるように、バルブステム５に対して所定の大きさの締め付け力を発生する。環状部３４の外周には、複数の突出部３５が等間隔で設けられており、シール部３２に周方向において厚肉部及び薄肉部が交互に配設されている。
図１に示すように、４つの突出部３５が互いに周方向に等間隔をおいて設けられており、バルブステム５を直径方向両側から挟み込むので、バルブステムシール１によるバルブステム５の安定的な締め付けが可能になる。また、シール部３２は全体として、突出部３５によるバルブステム５に対する所定の締め付け力を発生させつつ、突出部３５が設けられていない部分において収縮性を発生させ、バルブステム５の往復運動に対する追随性を発揮する。
締め付け力は、バルブステムシール１を使用する車種に応じて、環状部３４からの突出部３５の径方向外側での突出量、突出部３５の周方向での周長及び突出部３５同士の周方向での間隔の少なくとも１つによって決定される。

＜作用、効果＞
以上のような構成を有するバルブステムシール１によれば、シール部３２には突出部３５、つまり径方向外側に突出することで壁厚を厚くした剛性の高い厚肉部、及びそれ以外の壁厚は薄いが追随性に優れた薄肉部が設けられることになり、例えば、図５に示す従来のバルブステムシール１００のように弾性体部１０２に取り付けられるスプリング１０３を用いなくても、弾性体部３自体がバルブステム５を所定の締め付け力で締め付けることができる。また、突出部３５の数を増やしたり、各突出部３５を大きくしたりすることで、バルブステムシール１による締め付け力を簡単に調整することができる。これにより、背圧によるシールリップ３６のバルブステム５からの解離を抑制しつつ、カム側からの適量の潤滑油の供給が可能になる。
また、複数の突出部３５は互いに周方向に等間隔に設けられているので、バルブステムシール１の取り付けの際、バルブガイド４及びバルブステム５に対して、バルブステムシール１の周方向での取り付け角度を考慮する必要がなく、取り付け作業の手間を軽減することができる。また、バルブステムシール１によるバルブステム５に対する締め付け力も、バルブステム５の外周面５１に亘って均等に提供されるので、バルブステム５が偏心して往復運動した場合であっても、バルブステム５に対するシールリップ３６の柔軟な追随性を獲得することができ、また、シールリップ３６の所定の箇所における過度な応力集中を抑制することができるので、シールリップ３６における偏った摩耗を抑制することができる。
また、複数の突出部３５はそれぞれ、シール部３２の突出部３５を備えていない部分の外周面から径方向に同じ距離だけ突出していて、また、複数の突出部３５の外周面３５ａはそれぞれ、周方向において同じ長さだけ延在しているので、バルブステムシール１の各突出部３５におけるバルブステム５に対する締め付け力はより均等になり、応力集中の発生をさらに抑制することができる。さらに、バルブステムシール１が取り付けられる車種に応じて、締り付け力の調整も容易になる。

＜その他＞
なお、本発明は上記の実施形態に限られるものではない。例えば、突出部３５は、複数備えられていればよく、その数量、大きさ、形状は特に限定されない。また、所定の締め付け力を確保することができれば、環状部３４の外周面３４ａ及び突出部３５の外周面３５ａは傾斜していなくてもよく、軸線ｘに対して平行に延びていてもよい。また、突出部３５の周方向における幅は、径方向内側から外側に亘って一定であってもよい。

１ バルブステムシール
２ 補強環
３ 弾性体部
４ バルブガイド
５ バルブステム
１０ 密封構造
３１ 嵌合部
３２ シール部
３４ 環状部
３４ａ 外周面
３５ 突出部
３５ａ 外周面
３６ シールリップ
ｘ 軸線

Claims (6)

1. シリンダとポートとの間を連通及び遮断するバルブのバルブステムと、このバルブステムが往復運動自在に挿入されるバルブガイドとの密封を図り、前記バルブガイドに設けられるバルブステムシールであって、
   軸線を中心とする環状の補強環と、
   前記軸線を中心として前記補強環に取り付けられた弾性体部と、を備え、
   前記弾性体部は、前記補強環と前記バルブガイドの間で押圧される嵌合部と、径方向内で前記バルブステムに当接し、前記軸線を中心とする環状のシール部と、を有し、
   前記シール部は、径方向外側に突出して径方向の肉厚が厚い厚肉部を形成する突出部を複数有することを特徴とするバルブステムシール。
2. 前記複数の突出部の各々は、前記シール部の外周面に沿って前記軸線に沿った方向に延びていることを特徴とする請求項１に記載のバルブステムシール。
3. 前記複数の突出部は、互いに周方向に等間隔に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のバルブステムシール。
4. 前記複数の突出部の各々は、径方向の肉厚が前記軸線方向に亘って等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載のバルブステムシール。
5. 前記複数の突出部の外周に沿った長さが夫々等しいことを特徴とする請求項１から４までのいずれか一項に記載のバルブステムシール。
6. 前記複数の突出部の各々は、径方向内側から径方向外側に向かって周方向に拡幅していることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載のバルブステムシール。

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