JP6948218B2 - 排気バルブ - Google Patents

Description

本発明は、排気バルブに関し、特に熱機関の排気系に用いられるバタフライ型の排気バルブに関する。

特許文献１には、自動車のエンジンの排気通路に用いられる排気バルブとしてバタフライバルブが開示されている。この排気バルブは、排気通路を形成する筒状のバルブボディ、排気通路を開閉する円盤状のディスク、排気通路を横断するようにしてバルブボディに貫通して挿入され、バルブボディに対しディスクを回転可能に支持するシャフトを備えている。

バルブボディは、シャフトが挿通されるシャフト挿通孔、シャフト挿通孔に位置するシャフトの一端軸部を回転可能に支持する軸受部、及び、シャフトの他端軸部を回転可能に支持するスラスト受部を備え、シャフトの他端軸部は、スプリングによってスラスト受部に向けてスラスト方向に弾性的に付勢されている。

上記軸受部は、一端軸部の外周面に取り付けられる軸受、この軸受が収容されると共に一端軸部が軸受を介して回転可能に挿入されるスリーブ、及び、スリーブの外側開口を塞ぐカバー等を備えている。一方、スラスト受部は、他端軸部の外周面に取り付けられる軸受、この軸受が収容されると共に他端軸部が軸受を介して回転可能に挿入されるスリーブ、スリーブの外側開口を塞ぐカバー、及び、スリーブとカバーとの間にてスプリングによって付勢された他端軸部のスラスト荷重を受けるスラスト受部材等を備えている。

特表２０１５−５２３４８６号公報

上述した排気バルブにおいては、軸受部及びスラスト受部を構成する部品点数が多く、これらの多数の部品を溶接により接合しているため、排気バルブの生産性が低く改善が望まれている。
また、シャフト挿通孔、軸受部、及びスラスト受部に対するシャフトの芯出しには、各部品の高い寸法精度が要求され、また、各部品の溶接を伴う高い組み付け精度が要求される。そのため、排気バルブの生産性の問題に加え、これらの寸法精度及び組み付け精度が低下すると排気バルブの品質も低下するという問題もある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、生産性を向上しつつ高品質の排気バルブを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の排気バルブは、熱機関の排気系に用いられるバタフライ型の排気バルブであって、排気系の排気通路を形成する筒状のバルブボディと、排気通路を開閉する円盤状のディスクと、排気通路を横断するようにしてバルブボディに形成されたシャフト挿通穴に挿入され、バルブボディに対しディスクを回転可能に支持するシャフトと、前記シャフト挿通孔に位置する前記シャフトの一端軸部を回転可能に支持すると共に、シャフト挿通孔に挿入することにより固定される軸受機構とを有し、軸受機構は、一端軸部の外周面に取り付けられる第１軸受と、第１軸受が収容されると共に一端軸部が第１軸受を介して回転可能に挿入され、シャフト挿通孔に挿入することにより固定されるプラグとのみから構成され、シャフト挿通孔は、バルブボディから一体に突出したボスに開口され、プラグをシャフト挿通孔に挿入した状態でボスの外周壁をカシメることにより、シャフト挿通孔に対してプラグ及び軸受機構が固定されて形成される。

好ましくは、軸受機構は、一端軸部の外周面に取り付けられる第１軸受と、第１軸受が収容されると共に一端軸部が第１軸受を介して回転可能に挿入され、シャフト挿通孔に挿入して固定されるプラグとからなる。
好ましくは、プラグは、一端軸部が挿入され、シャフトの回転に伴い一端軸部の外周面が全周に亘って摺動可能な孔径を有する挿入孔と、一端軸部が当接可能な底壁と、シャフト挿通孔に挿入してカシメにより圧入固定される外周壁とを有して一体成形されてなる。

好ましくは、シャフトの他端軸部の外周面に取り付けられる第２軸受と、バルブボディと一体に形成されると共にバルブボディの外側に向けて袋状に突出され、第２軸受が収容されると共に他端軸部が第２軸受を介して回転可能に挿入されるスラスト受部と、他端軸部をスラスト受部に向けてシャフトのスラスト方向に弾性的に付勢するスプリングとを備え、他端軸部は一端軸部よりも小径であり、シャフトは、他端軸部と一端軸部との間に、スプリングの付勢により第２軸受に当接される連続面を有する

好ましくは、連続面は、第２軸受の角部と線接触されるテーパ面である。
好ましくは、スラスト受部は、第２軸受を収容可能に排気通路側に開口された収容室と、収容室の開口から第２軸受を介してバルブボディの外側に他端軸部を突出させる貫通孔とを有し、収容室の開口はシャフト挿通孔よりも小径であり、貫通孔は収容室の開口よりも小径である。

好ましくは、バルブボディは、鋳造及び切削加工により成形される。
好ましくは、バルブボディは、ステンレス材からなる。

本発明によれば、生産性を向上しつつ高品質の排気バルブを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る排気バルブの斜視図である。 図１に示す排気バルブの縦断面図である。 図２に示す軸受機構の拡大図である。 図２に示すスラスト受部の拡大図である。 図２に示すバルブボディの縦断面図である。

以下、図面に基づき本発明の一実施形態に係る排気バルブについて説明する。なお、各図の説明に際し記載する方向は、各図に示した排気バルブの一例となる姿勢を基準として記載したものあり、排気バルブの実施形態における方向性を限定するものではない。
図１は、本発明の一実施形態に係る排気バルブ１の斜視図を示す。排気バルブ１は、例えば、図示しない自動車のエンジン（熱機関）の排気系に用いられるバタフライバルブであり、ＥＧＲシステム（排気還流システム）に用いられ、７５０℃程度の高温の排気に曝される。

排気バルブ１は、バルブボディ２、ディスク４、シャフト６を備え、これらの排気に曝される部品はステンレス材から鋳造及び切削加工によって成形されている。
バルブボディ２は、筒状の外形をなし、その内側にはディスク４の作動空間であるボアがＥＧＲシステムの排気通路８として形成されている。ディスク４は、円盤状の弁体であって、シャフト６を中心として回動することにより排気通路８を開閉する。

シャフト６は、排気通路８を横断するようにしてバルブボディ２を貫通して挿入され、バルブボディ２に対しディスク４を回転可能に支持する。ディスク４の径方向中央には、ディスク４をその径方向に沿って交互に膨出した３つの支持部４ａが形成されている。各支持部４ａにシャフト６を挿入して固定することにより、ディスク４はシャフト６と一体に回動可能である。

バルブボディ２は、シャフト挿通孔１０、軸受機構１２、スラスト受部１４、及び、スプリング１６を備えている。シャフト挿通孔１０は、バルブボディ２の下面２ａから突出した円筒状のボス１８に開口され、シャフト６はシャフト挿通孔１０から排気通路８に挿通され、各支持部４ａにおいてディスク４に固定される。

図２は、ディスク４を図１の状態から９０°回動した状態の排気バルブ１の縦断面図を示す。なお、説明のため図示されたディスク４及びシャフト６は断面とはしていない。シャフト６は、図２で見たとき、下端側に形成された大径軸部（一端軸部）６ａと、上端側に形成されて大径軸部６ａよりも小径となる小径軸部（他端軸部）６ｂを有する。軸受機構１２は、シャフト挿通孔１０に位置する大径軸部６ａを回転可能に支持している。一方、スラスト受部１４は、小径軸部６ｂを回転可能に支持している。

スプリング１６は、コイルスプリングであって、小径軸部６ｂをスラスト受部１４に向けてシャフト６のスラスト方向Ｄｔに弾性的に付勢すると共に、小径軸部６ｂに回転トルクを付与している。小径軸部６ｂは平板状のレバー２０に嵌合され、スプリング１６はレバー２０とバルブボディ２の上面２ｂとの間に圧縮状態で配置されている。これにより、シャフト６がバルブボディ２と共にスラスト方向Ｄｔにスプリング１６の弾性力に基づくスラスト荷重で引き上げられ、小径軸部６ｂがスラスト受部１４に向けて付勢される。また、シャフト６がスプリング１６の回転トルクに基づいて回転し、ディスク４が初期の回動位置、例えば図１に示した閉弁位置に回動される。

上述したスラスト荷重及び回転トルクの発生により、排気通路８を流れる排気の圧力によって意図せずにディスク４が回動することを規制可能である。そして、レバー２０の突片２０ａに連結された図示しないアクチュエータが作動することによりレバー２０が回動し、シャフト６と共にディスク４が回動することにより排気通路８が開閉される。

ここで、軸受機構１２は、バルブボディ２とは別体として形成され、シャフト挿通孔１０に挿入されて固定されている。
詳しくは、図３に示す軸受機構１２の拡大図を参照すると、軸受機構１２は、大径軸部６ａの外周面６ａ１に取り付けられる第１軸受２２と、第１軸受２２が収容されるプラグ２４とから構成されている。第１軸受２２は環状の軸受であり、シャフト６を大径軸部６ａにて回転可能に支持する。プラグ２４には、大径軸部６ａが第１軸受２２を介して回転可能に挿入されている。

プラグ２４は、上壁２４ａ、底壁２４ｂ、及び外周壁２４ｃを有する有底筒状をなし、例えば膨張黒鉛材等の金属材料から一体成形されている。上壁２４ａには、大径軸部６ａが挿入される挿入孔２４ｄが形成されている。挿入孔２４ｄは、シャフト６の回転に伴い大径軸部６ａの外周面６ａ１が全周に亘って摺動可能な孔径ｄ１を有している。

底壁２４ｂには大径軸部６ａが当接されている。プラグ２４は外周壁２４ｃにおいてシャフト挿通孔１０に挿入されて固定され、シャフト挿通孔１０を塞ぐ排気通路８の封止栓として機能している。例えば、プラグ２４をシャフト挿通孔１０に挿入した状態でボス１８の外周壁１８ａを工具等でカシメることによりシャフト挿通孔１０に対しプラグ２４が固定される。なお、大径軸部６ａは底壁２４ｂに当接可能であれば良く、離間していても良い。

図４のスラスト受部１４の拡大図を参照すると、小径軸部６ｂの外周面６ｂ１には第２軸受２６が取り付けられている。スラスト受部１４は、バルブボディ２と一体に形成されると共に、バルブボディ２の上面２ｂからバルブボディ２の外側に向けて袋状に突出された収容室１４ａを備えている。収容室１４ａには、第２軸受２６が収容されると共に小径軸部６ｂが第２軸受２６を介して回転可能に挿入されている。

収容室１４ａには、第２軸受２６が収容可能に排気通路８側に開口された開口１４ｂと、開口１４ｂから第２軸受２６を介してバルブボディ２の外側に小径軸部６ｂを突出させる貫通孔１４ｃとが形成されている。開口１４ｂはシャフト挿通孔１０よりも小径であり、貫通孔１４ｃは開口１４ｂよりも小径である。シャフト６には、小径軸部６ｂの外周面６ｂ１と大径軸部６ａの外周面６ａ１との間に、スプリング１６の付勢により第２軸受２６に当接される環状の連続面２８が形成されている。

連続面２８は、小径軸部６ｂの外周面６ｂ１から徐々に拡径されて大径軸部６ａの外周面６ａ１に至るまで連続して形成されたテーパ面２８ａであって、テーパ面２８ａは、スプリング１６の付勢により、第２軸受２６の小径軸部６ｂ側の下端に形成された環状の角部２６ａと線接触される。

以下、図５のバルブボディ２の縦断面図を参照して、バルブボディ２の形成手順について説明する。先ず、ステンレス材から鋳造によりバルブボディ２の本体３０を成形し、次に、図示しない旋盤を用いた穴開け切削加工により本体３０にシャフト挿入孔１０、開口１４ｂ、貫通孔１４ｃを順に形成する。

詳しくは、本体３０をワークとして旋盤に固定し、旋盤のチャックにドリルやバイト等の治具３２を把持させ、治具３２をシャフト挿入孔１０の中心線Ｌに沿ってシャフト挿入孔１０の形成予定位置となるボス１８に対して突き当て、バルブボディ２の下面２ａ側から進行させていくことでシャフト挿入孔１０が切削加工される。

上述したように、収容室１４ａの開口１４ｂはシャフト挿通孔１０よりも小径であり、貫通孔１４ｃは開口１４ｂよりも小径であるため、シャフト挿通孔１０、開口１４ｂ、貫通孔１４ｃのそれぞれの孔径ｄ１、ｄ２、ｄ３には、ｄ１＞ｄ２＞ｄ３の関係が成立している。従って、旋盤によって固定された本体３０を回転又は移動させ、バルブボディ２の下面２ａ側から上面２ｂ側に向けた、中心線Ｌに沿う矢印で示す一方向に治具３２を進行させるだけで、バルブボディ２に孔径の大きな順に、シャフト挿入孔１０、開口１４ｂ、貫通孔１４ｃが順に形成される。

このように、本実施形態では、治具３２の交換及び進行方向の変更を伴わない、いわゆるワンチャックの作業工程により、バルブボディ２にシャフト挿入孔１０、開口１４ｂ、貫通孔１４ｃが形成される。
また、ステンレス材から形成されたバルブボディ２の切削加工時に治具３２の交換や進行方向の変更を行うと、加工面にバリを顕著に生じる。しかし、本実施形態では、バルブボディ２の切削加工をワンチャックの作業工程で行うことにより、バルブボディ２におけるバリの発生が極力抑制される。

以上のように、本実施形態の排気バルブ１は、シャフト挿通孔１０に軸受機構１２を挿入し、ボス１８の外周壁１８ａをカシメて固定することにより組み付ける。また、シャフト６の芯出しも、軸受機構１２に相当する軸受部をバルブボディ２に多数の部品を溶接して形成する従来の場合に比して、各部品の高い寸法精度及び各部品の溶接を伴う高い組み付け精度が要求されない。しかも、溶接しないことにより、溶接歪みの排除も可能である。従って、排気バルブ１の生産性及び品質を向上させることができる。

詳しくは、軸受機構１２は、第１軸受２２及びプラグ２４という２つの部材のみから構成されている。更に、プラグ２４は、挿入孔２４ｄが形成された上壁２４ａ、大径軸部６ａが当接可能な底壁２４ｂ、及び、シャフト挿通孔１０に固定される外周壁２４ｃを含む簡素な形状であるため、高精度の軸受機構１２を容易に形成可能である。従って、排気バルブ１の生産性及び品質を容易に向上させることができる。

また、プラグ２４の外周壁２４ｃがシャフト挿通孔１０に圧入固定されると共に、挿入孔２４ｄに大径軸部６ａの外周面６ａ１がシャフト６の回転に伴い全周に亘って摺動する。これにより、挿入孔２４ｄと大径軸部６ａの外周面６ａ１との隙間を極力低減可能となるため、プラグ２４内への排ガスの浸入を抑制することができる。従って、軸受装置１２における隙間を低減可能となり、排気通路８におけるシール性が向上し、排気バルブ１の全閉時における排気のリーク量低減を図ることができる。従って、信頼性の高い高品質の排気バルブ１を実現することができる。

一方、スラスト受部１４では、スプリング１６の付勢によりシャフト６の連続面２８と第２軸受２６が当接することにより、収容室１４ａ内への排ガスの浸入を抑制することができる。従って、スラスト受部１４における隙間を低減可能となり、排気通路８におけるシール性が更に向上し、排気バルブ１の全閉時における排気のリーク量の更なる低減を図ることができ、より一層信頼性の高い高品質の排気バルブを実現することができる。

特に、連続面２８をテーパ面２８ａから形成したことにより、テーパ面２８ａを第２軸受２６の角部２６ａに線接触させることができるため、より一層確実に、排気バルブ１のシール性向上及び排気のリーク量低減を図ることが可能である。なお、連続面２８は、テーパ面２８ａから形成しなくとも良く、スプリング１６の付勢により第２軸受２６に当接されるだけでも、上述したシール性向上及びリーク量低減を図ることが可能である。

また、収容室１４ａの開口１４ｂはシャフト挿通孔１０よりも小径であり、貫通孔１４ｃは収容室１４ａの開口１４ｂよりも小径である。これにより、治具３２の交換及び進行方向の変更を伴わないワンチャックの作業工程により、バルブボディ２にシャフト挿入孔１０、開口１４ｂ、貫通孔１４ｃを順に形成することができる。従って、排気バルブ１の生産性を向上させることができる。

また、軸受機構１２をプラグ２４に集約して形成し、バルブボディ２の切削加工をワンチャックの作業工程で行うことにより、バルブボディ２におけるバリの発生を極力抑制することができるため、高品質のバルブボディ２及び排気バルブ１を製造することができる。

また、排気バルブ１のバルブボディ２は、車両の種類に応じてエンジンの排気系に要求されるボア径やボア数が異なり、形状は多岐に亘る。しかし、バルブボディ２の切削加工を治具３２の交換及び進行方向の変更を伴わないワンチャックの作業工程で行うことにより、少なくとも１種類のバルブボディ２を効率的に大量生産可能となるため、全体として排気バルブ１の生産性を向上することができる。

また、バルブボディ２を鋳造と切削加工によって成形することにより、各部品の高い寸法精度及び各部品の溶接を伴う高い組み付け精度が要求されない。また、溶接しないことにより溶接歪みが生じない。加えて、ＥＧＲシステムに排気バルブ１を使用する場合、高温の排気がクーラーで冷却され、排気の硫黄成分等が凝縮した水滴がバルブボディ２、ディスク４、シャフト６等の排気に接触する部品に付着し、これら部品の腐食を促進する。しかし、これらの部品、特にバルブボディ２を溶接の不要な鋳造によって、しかも、耐食性の高いステンレス材から形成することにより、排気バルブ１の耐食性及び品質を確保することができる。

以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態の排気バルブ１は、自動車のＥＧＲシステムに用いられるが、これに限らず、車両全般のエンジンの排気系、或いは車両以外の熱機関の排気系に広く適用可能である。

また、バルブボディ２を含む上述した排気に接触する部品はステンレス材以外から形成しても良い。また、バルブボディ２の切削加工をワンチャックの作業工程で行わなくとも良い。これらの場合であっても、上述したように、シャフト挿通孔１０に軸受機構１２を挿入して固定し、軸受機構１２及びスラスト受部１４のシール性を向上させることができるため少なくとも排気バルブ１の生産性及び品質を向上させることは可能である。

また、ゴムや金属ワッシャ等の付勢手段を有する弾性体をプラグ２４との間に配置してボス１８の外周壁１８ａをカシメても良い。この場合には、シャフト挿通孔１０からの軸受機構１２の抜け止めを行いながら、軸受機構１２におけるシール性を更に高めることができる。また、軸受機構１２がシャフト挿通孔１０に対してシールされた状態で固定されるのであれば、カシメ以外の固定手段を用いても良い。また、シャフト挿通孔１０に対する軸受機構１２の固定のみを溶接により行っても良い。

１ 排気バルブ
２ バルブボディ
４ ディスク
６ シャフト
６ａ 大径軸部（一端軸部）
６ａ１ 外周面
６ｂ 小径軸部（他端軸部）
６ｂ１ 外周面
８ 排気通路
１０ シャフト挿通孔
１２ 軸受機構
１４ スラスト受部
１４ａ 収容室
１４ｂ 開口
１４ｃ 貫通孔
１６ スプリング
２２ 第１軸受
２４ プラグ
２４ｂ 底壁
２４ｃ 外周壁
２４ｄ 挿入孔
２６ 第２軸受
２８ 連続面
２８ａ テーパ面

Claims (7)

1. 熱機関の排気系に用いられるバタフライ型の排気バルブであって、
   前記排気系の排気通路を形成する筒状のバルブボディと、
   前記排気通路を開閉する円盤状のディスクと、
   前記排気通路を横断するようにして前記バルブボディに形成されたシャフト挿通孔に挿入され、前記バルブボディに対し前記ディスクを回転可能に支持するシャフトと、
   前記シャフト挿通孔に位置する前記シャフトの一端軸部を回転可能に支持すると共に、前記シャフト挿通孔に挿入することにより固定される軸受機構と
   を有し、
   前記軸受機構は、
   前記一端軸部の外周面に取り付けられる第１軸受と、
   前記第１軸受が収容されると共に前記一端軸部が前記第１軸受を介して回転可能に挿入され、前記シャフト挿通孔に挿入することにより固定されるプラグと
   のみから構成され、
   前記シャフト挿通孔は、前記バルブボディから一体に突出したボスに開口され、
   前記プラグを前記シャフト挿通孔に挿入した状態で前記ボスの外周壁をカシメることにより、前記シャフト挿通孔に対して前記プラグ及び前記軸受機構が固定されて形成される、排気バルブ。
2. 前記プラグは、
   前記一端軸部が挿入され、前記シャフトの回転に伴い前記一端軸部の外周面が全周に亘って摺動可能な孔径を有する挿入孔と、
   前記一端軸部が当接可能な底壁と、
   前記シャフト挿通孔に挿入して前記ボスのカシメにより圧入固定される外周壁と
   を有して一体成形されてなる、請求項１に記載の排気バルブ。
3. 前記シャフトの他端軸部の外周面に取り付けられる第２軸受と、
   前記バルブボディと一体に形成されると共に前記バルブボディの外側に向けて袋状に突出され、前記第２軸受が収容されると共に前記他端軸部が前記第２軸受を介して回転可能に挿入されるスラスト受部と、
   前記他端軸部を前記スラスト受部に向けて前記シャフトのスラスト方向に弾性的に付勢するスプリングと
   を備え、
   前記他端軸部は前記一端軸部よりも小径であり、
   前記シャフトは、前記他端軸部と前記一端軸部との間に、前記スプリングの付勢により前記第２軸受に当接される連続面を有する、請求項２に記載の排気バルブ。
4. 前記連続面は、前記第２軸受の角部と線接触されるテーパ面である、請求項３に記載の排気バルブ。
5. 前記スラスト受部は、
   前記第２軸受が収容可能に前記排気通路側に開口された収容室と、
   前記収容室の開口から前記第２軸受を介して前記バルブボディの外側に前記他端軸部を突出させる貫通孔と
   を有し、
   前記収容室の開口は前記シャフト挿通孔よりも小径であり、前記貫通孔は前記収容室の開口よりも小径である、請求項３又は４に記載の排気バルブ。
6. 前記バルブボディは、鋳造及び切削加工により成形される、請求項１から５の何れか一項に記載の排気バルブ。
7. 前記バルブボディは、ステンレス材からなる、請求項１から６の何れか一項に記載の排気バルブ。

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