JP7213111B2

JP7213111B2 - シリンダヘッドのバルブシート検査装置

Info

Publication number: JP7213111B2
Application number: JP2019050693A
Authority: JP
Inventors: 泰明大下
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2023-01-26
Anticipated expiration: 2039-03-19
Also published as: JP2020153725A

Description

本願発明は、内燃機関を構成するシリンダヘッドに圧入されているバルブシートの検査装置に関するものである。

自動車用等の内燃機関は、吸気バルブと排気バルブとを備えており、吸気ポートの出口部と排気ポートの入口部とには、バルブの傘部が燃焼室の側から当たるバルブシートを圧入している。

バルブシートは耐磨耗に優れた硬い金属素材で作られているが、長時間に亙って使用していると磨耗することがある。従って、実際に使用された内燃機関において、バルブシートがどの程度の運転期間でどの程度に磨耗するのかを把握することは、バルブシートを設計する上で重要である。特に、バルブの傘部には必ずしも均一な外力が作用する訳ではないため、実際にバルブシートがどのような状態に磨耗しているのかを知ることは、内燃機関を改良する上で重要なことである。

この点、特許文献１には、内燃機関の出荷前のバルブシートのプロフィールを検査するための装置として、シリンダヘッドを裏返しの姿勢で治具に固定して、バルブシートの表面にスリット光を照射し、照射された部分を撮影し画像処理してプロフィールを計測する光学式（非接触式）の検査装置が開示されており、この検査装置を使用すると、磨耗の度合いも計測できるといえる。

特開２００１－１２４５３３号公報

特許文献１の装置は、バルブシートがシリンダヘッドに取付けられた状態で検査されるため、バルブシートの変形のような問題はなくて、プロフィールを正確に検査できる。しかし、価格が非常に高価であるという問題がある。

このため、使用頻度が少ない場合は検査を試験業者やバルブシートメーカーなどに委託せざるを得ないが、この場合は、結果が出るまでに長い時間を要するのみならず、委託費用が嵩む問題や、梱包や配送の費用や手間がかかるという問題がある。特に、メーカーに検査を委託する場合、吸気バルブ用バルブシートと排気バルブ用バルブシートとの仕入れメーカーが相違していると、シリンダヘッドを２つに縦割りして個別に配送しなければならないため、費用と手間とが倍増することになる。

本願発明はこのような現状を背景にして成されたものであり、バルブシートのプロフィールを正確かつ簡単に計測・測定できる検査装置を、低コストで製造できるようにしようとするものである。

本願発明の検査装置は接触式であり、請求項１のとおり、
「バルブシートを上向きにした姿勢でシリンダヘッドを保持する支持台と、前記上向き姿勢にされたバルブシートのプロフィールを測定する検査機とを備えており、
前記支持台は、固定ベースとこれに水平旋回自在に保持された回転台、及び、前記回転台にその回転軸心と同心に立設されたメインロッドを備えていて、前記メインロッドに、前記シリンダヘッドが、検査対象のバルブシートを同心にした姿勢で固定可能である一方、
前記検査機は、前記バルブシートに上から当てた状態を保持しつつ水平移動できるプローブを有しており、前記プローブの水平移動距離と下降寸法とに基づいて前記バルブシートのプロフィールが測定される」
という構成になっている。

本願発明は様々に展開できるが、その例として請求項２の発明は、請求項１において、
「前記回転台に、シリンダヘッドのうち計測対象であるバルブシートとは異なるバルブシートの箇所を支持するサブロッドが立設されている」
という構成になっている。

プローブ（探触子）を検査対象物に接触させてその動きを読み取る接触式の検査装置は、例えば粗さの測定などに広く使用されているが、接触式の検査機は構造が単純であるため、画像処理する光学式のものに比べて価格は格段に安価である。また、近年、接触式の検査装置と雖も検査精度は格段に向上しており、バルブシートのプロフィールを検査するのに十分な精度を有している。

そして、本願発明は安価な接触式の検査機を使用するため、光学的の装置に比べて製造コストを格段に低減できる。また、回転台を回転させることにより、バルブシートを例えば８箇所や１２か所といった複数箇所において検査することも、ごく簡単に行える。この面でも、バルブシートを高い精度で検査できる。このように、本願発明では、検査精度に優れた検査装置でありながら安価に得ることができる。

さて、シリンダヘッドの支持手段がメインロッドのみであると、シリンダヘッドの端部のバルブシートを検査する場合に、シリンダヘッドが片持ち梁の状態で支持されて、メインロッドに大きな負担がかかったり、シリンダヘッドの安定性が低下したりするおそれが有り得る。この場合は、シリンダヘッドを切断して軽量化することで安定性を確保する必要があるが、かくすると、切断のためのコストや手間がかかってしまう。

この点、請求項２の構成を採用すると、シリンダヘッドは２点支持のように複数箇所で支持されるため、シリンダヘッドを切断しなくても、シリンダヘッドの安定性を高めて検査精度の向上を確実化できる。

この請求項２の場合、実施形態のようにサブロッドの取付け位置を複数形成して、バルブシート同士の間隔の違いに対応できるようにしておくと、シリンダヘッドの支持態様を変更して大きなモーメントの発生を防止できたり、大きさが異なる複数種類のシリンダヘッドに対応できたりするため、特に好適である。

支持台の斜視図である。シリンダヘッドの平面図である。シリンダヘッドの底面図である。シリンダヘッドの一部と支持台との分離平面図である。使用状態を図４の V-V視方向から見た断面図である。図５の要部拡大図である。（Ａ）は検査状態を示す断面図、（Ｂ）は測定位置を示す平面図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下では、シリンダヘッドについて方向を特定するため前後と左右の文言を使用するが、前後方向はカム軸の長手方向であり、左右方向はカム軸と直交した方向である。図２，３，４に方向を明示している。

(1).構造の説明
図２，３でシリンダヘッド１の外観を示している。本実施形態のシリンダヘッド１は３気筒用であり、中心線に沿って３つの点火プラグ配置穴２が空いており、各点火プラグ配置穴２を挟んだ左右両側に、前後一対ずつの吸気バルブ配置穴３と前後一対ずつの排気バルブ配置穴４とが振り分けて形成されている。

図５に示すように、シリンダヘッド１には吸気ポート５と排気ポート６とが形成されており、吸気ポート５の出口には吸気用バルブシート７が圧入されており、排気ポート６の入口には排気用バルブシート８が圧入されている。また、シリンダヘッド１には、吸気バルブ配置穴３と同心の吸気バルブステムガイド筒９が装着されていると共に、吸気バルブ配置穴４と同心の吸気バルブステムガイド筒１０が装着されている。バルブステムガイド筒９，１０の上端は、バルブ配置穴３，４に突出している。

検査装置は、図１に外観を示す支持台１１を備えている。支持台１１は、平面視四角形の固定台１２と、固体台１２に装着した平面視四角形の可動台１３と、可動台１３に水平回転自在に装着した回転台１４とを有している。

可動台１３は、固定台１２に対して、直交したＸ方向とＹ方向とに移動自在に取付けられており、Ｘ方向とＹ方向との移動は、それぞれねじ式のハンドル１５ａ，１５ｂの回転によって行える。また、Ｘ方向の移動は、摘み１６によって微調整できる。回転台１４は角度を１度単位で設定できるインデックス（割り出し盤）１７を備えており、ロック摘み１８によって任意の回転角度に固定できる。

回転台１４には３つ爪式のチャック１９を設けており、このチャック１９に、回転台１４の回転軸心と同心のメインロッド２０が固定されている。本実施形態のように、チャック１９でメインロッド２０を固定すると、外径が異なる複数種類のメインロッド２０を、回転台１４の回転軸心と同心の姿勢に簡単かつ確実に保持できる利点がある。また、メインロッド２０の掴み長さを長くできるため、回転台１４の回転軸心との同心性も確保できる（倒れを防止できる。）。

メインロッド２０の上部は、シリンダヘッド１に形成したバルブ配置穴３，４にきっちり嵌まる外径に形成されており、かつ、図５，６に示すように、メインロッド２０の上端面に、バルブステムガイド筒９にきっちり嵌まる位置決め穴２１が形成されて、位置決め穴２１の底面に、メインロッド２０と同心にタップ穴２２を形成している。

図５，６に示すように、シリンダヘッド１は、バルブシート７，８を上向きにした姿勢で、バルブ配置穴３，４をメインロッド２０に上から嵌め入れてから、ビス２３をバルブステムガイド筒９に挿入してメインロッド２０のタップ穴２２にねじ込むことにより、シリンダヘッド１はメインロッド２０に固定される。図６のとおり、メインロッド２０の上端はシリンダヘッド１のばね受け面２４に当接しているため、バルブシート７，８はメインロッド２０と同心に保持される。

回転台１４は、Ｘ方向とＹ方向とのうちＸ方向に（前後方向に）長い涙滴形になっており、長手中心線に沿って、第１取付穴２５，第２取付穴２６，第３取付穴２７が形成されている。そして、任意の取付穴２５～２７に、メインロッド２０と同じ外径・高さのサブロッド２８を取付けできるようになっている。

取付穴２５～２７はタップ穴でもよいし、通し穴であってもよい。取付穴２５～２７がタップ穴である場合は、サブロッド２６の基端面に雄ねじを形成して、この雄ねじを任意のタップ穴２５～２７にねじ込んだらよい。取付穴２５～２７が通し穴である場合は、下方から挿通したボルトを、サブロッド２８の下端面に形成されたタップ穴にねじ込んだらよい。図示は省略するが、サブロッド２８の上端面には、メインロッド２０と同様に、位置決め穴２１とタップ穴２２とが形成されている。

図３に表示するように、一対のバルブシート７，８の間の間隔寸法をＬ１、隣り合った気筒間部分を挟んで隣り合ったバルブシート７，８の間の間隔寸法をＬ２とすると、メインロッド２０と第１取付穴２５との間隔Ｌ３はＬ１＋Ｌ２の寸法であり、メインロッド２０と第２取付穴２６との間隔Ｌ４は２Ｌ１＋Ｌ２の寸法であり、メインロッド２０と第３取付穴２７との間隔Ｌ５は２Ｌ１＋２Ｌ２の寸法になっている。

図５に示すように、検査装置は検査機３０も備えている。検査機３０は、テーブルや定盤などの作業台に固定的に設けた本体３１と、本体３１に昇降自在に装着された昇降体３２と、昇降体３２から横向きに延出したアーム３３と、アーム３３の先端に設けた下向きのプローブ３４とを有している。アーム３３は、ばね（図示せず）で下向きに付勢されており、昇降体３２に対する下向き移動量は、０．１μｍ単位で正確に計測できる。

(2).まとめ
支持台１１と検査機３０とは、テーブルや定盤のような安定した作業台に固定されており、可動台１３が原点位置にある状態で、プローブ３４がメインロッド２０の軸心の延長線を通過して移動するように設定されている。また、プローブ３４を水平方向にどれだけ移動させたらメインロッド２０の軸心に至るかも、予め設定されている。

そして、バルブシート７，８のプロフィールを検査するには、まず、裏返したシリンダヘッド１を、図５，６に示すようにメインロッド２０及びサブロッド２８に固定し、次いで、検査機３０のアーム３３を前進させてから下降させて、図７（Ａ）に示すように、プローブ３４をバルブシート７，８の外周縁の上面に当てて、次いで、プローブ３４をばねによってバルブシート７，８の表面に当接した状態を保持しつつ、プローブ３４をバルブシート７，８の中心方向に移動させて、下降量を自動計測していく。

バルブシート７，８の外周縁の上面（内燃機関として使用されている状態では下面）にはバルブは当たらないため、製造時の状態が残っている。そこで、この外周縁の上面を基準面（原点）とすることにより、磨耗状態を正確に把握できる。

つまり、プローブ３４を水平移動させつつ下降量をプロットしていくことにより、実際のプローブ３４のプロフィールを計測できるが、この計測結果と製造時のプロフィールとして記録されている基準プロフィールとを比較することにより、磨耗状態を判定することができる。なお、計測結果の出力方法としては、水平方向の単位移動距離ごとに下降量を測定してデジタル表示してもよいし、プロフィールの形状を図形としてアナログ表示してもよい。

バルブシート７，８の磨耗量測定を周方向に８等分した部位で行う場合は、１か所の測定を終えたら回転台１４を４５°回転させて次の計測を行う、というようにして、８か所の計測を順次行う（測定箇所は、必要に応じて任意に設定できる。）。１つのバルブシート７，８の計測を終えたら、プローブ３４をいったん上昇（及び後退）させてから、次のバルブシート７，８の計測を行う。

本実施形態の計測対象は３気筒のシリンダヘッド１であるので、前後方向に６個ずつのバルブシート７，８が並んでいるが、以下のとおり、固定台１２の位置は変更することなく、シリンダヘッド１の付け替えと可動台１３の移動とを併用することにより、６個ずつのバルブシート７，８を順次測定できる。

さて、図３において、アーム３３は紙面の右側から進退動するようになっており、まず、吸気用バルブシート７が測定される。そして、個々の吸気用バルブシート７を特定する手段として、紙面の上から順にａ～ｆを添え字を付して、第１吸気用バルブシート７ａ、第２吸気用バルブシート７ｂと言った呼び方をすることとする。

本実施形態のようにＬ３＝Ｌ１＋Ｌ２に設定した場合は、まず、シリンダヘッド１を前後方向（カム軸方向）にずらして付け替えながら、第１～第４番までの吸気用バルブシート７ａ～７ｄの計測を行い、次いで、可動台１３を移動させて第５，６番の吸気用バルブシート７ｅ，７ｆの測定を行う、という手順を採用できる。

或いは、第１吸気用バルブシート７ａの測定を行ってから可動台１３を移動させて第２吸気用バルブシート７ｂの計測を行い、次いで、シリンダヘッド１をずらして付け替えてから第４吸気用バルブシート７ｄの計測を行い、次いで、可動台１３を移動させて、第３～６吸気用バルブシート７ｃ～７ｆの計測を行う、といったことも可能である。

結局、本実施形態では、可動台１３の可動ストロークを考慮して、シリンダヘッド１の取付け位置と可動台１３の移動とを組み合わせることにより、様々な計測手順を選択できる。排気用バルブシート８の計測は、シリンダヘッド１を１８０°姿勢変更して付け替えることによって行われる。

実施形態のようにサブロッド２８を設けるとシリンダヘッド１の支持安定性に優れているが、サブロッド２８の取付位置を変更できるように構成すると、シリンダヘッド１の支持スパンを変更できるため、計測手順のバリエーションを増やすことができる。また、一対のバルブシート７，８のピッチや気筒間の距離は排気量等によって異なるが、それらの相違に対応してサブロッド２８の位置を付け替えできるように設定しておくことも可能である。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、実施形態ではメインロッド２０をチャック１９で可動台１３に固定したが、ねじ込みなどで固定してもよい。シリンダヘッド１が例えば６気筒用である場合のように、可動台のストロークに対してシリンダヘッドの長さが非常に長くなっている場合は、例えば、３気筒分ずつに２つに切断してから計測したらよい。

可動台の移動方式はねじ機構である必要はないのであり、例えば、可動台をリニアガイドによって移動自在な構成として、個々のバルブシートに対応した部位に位置決めできるようにしてもよい。また、本実施形態の検査装置は、磨耗状態の計測のみでなく、バルブシートが正確に取付けられているか否かの検査などにも使用できる。

本願発明は、バルブシートの検査装置に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１シリンダヘッド
３，４バルブ配置穴
７，８バルブシート
９，１０バルブステムガイド筒
１１支持台
１２固定台
１３可動台
１４回転台１４
１７インデックス
２０メインロッド
２１位置決め穴
２３シリンダヘッド固定用のビス
３０検査機
３１本体
３２昇降体
３３アーム
３４プローブ

Claims

バルブシートを上向きにした姿勢でシリンダヘッドを保持する支持台と、前記上向き姿勢にされたバルブシートのプロフィールを測定する検査機とを備えており、
前記支持台は、固定ベースとこれに水平旋回自在に保持された回転台、及び、前記回転台にその回転軸心と同心に立設されたメインロッドを備えていて、前記メインロッドに、前記シリンダヘッドが、検査対象のバルブシートを同心にした姿勢で固定可能である一方、
前記検査機は、前記バルブシートに上から当てた状態を保持しつつ水平移動できるプローブを有しており、前記プローブの水平移動距離と下降寸法とに基づいて前記バルブシートのプロフィールが測定される、
シリンダヘッドのバルブシート検査装置。
前記回転台に、シリンダヘッドのうち計測対象であるバルブシートとは異なるバルブシートの箇所を支持する補助ロッドが立設されている、
請求項１に記載したシリンダヘッドのバルブシート検査装置。