JPH0313842A

JPH0313842A - セラミックス製バルブの強度試験法

Info

Publication number: JPH0313842A
Application number: JP14874389A
Authority: JP
Inventors: Hiroyoshi Takano; 高野　裕喜; Kagehisa Hamazaki; 浜崎　景久; Yasunobu Kawakami; 川上　泰伸
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1989-06-12
Filing date: 1989-06-12
Publication date: 1991-01-22
Anticipated expiration: 2013-07-30
Also published as: JP2780243B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、セラミックスからなるエンジン用バルブの強
度試験方法に関する。

〔従来の技術〕

自動車等のエンジンに用いられるバルブは、高温のガス
にさらされるとともに、カムによる連続的な開閉操作の
ために、エンジンのバルブシートにより繰り返し衝撃を
受ける′。このため、バルブは耐熱性、高温強度及び高
温耐腐食性に優れているとともに、耐衝撃性にも優れた
ものでなければならない。

このような理由により、従来からバルブには耐熱性合金
が用いられてきたが、最近は、金属よりも軽量で、耐熱
性、耐酸化性、耐腐食性に優れた窒化珪素、炭化珪素、
サイアロン等のセラミックスが開発され、これらのセラ
ミックスによりバルブを形成することが試みられている
。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、セラミックスは、金属材料と異なって靭
性が低く、また表面の微小な欠陥でも破壊の原因となり
やすい。従って、セラミックス製バルブでは、形状や表
面の加工状態（研削状態）により強度が大幅に変化する
傾向を示す。そのために、セラミックス製バルブは、使
用前に各々について所定の強度を有するか否か試験する
必要がある。その強度試験としては、それぞれバルブの
ステム部及びヘッド部の根本に対する曲げ試験（主とし
て表面の傷や面細さ等の欠陥状態を知ることができる）
、及びステム部に対する引張試験（ステム部内の状態を
知ることができる）がある。

従って、本発明の目的は、セラミックス製バルブの表面
及び内部の状態に依存する曲げ強度及び引張り強度を試
験する方法を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者は、上記目的を達成すべく種々検討を重ねた結
果、バルブのヘッド部及びバルブのステム部全体に対し
て曲げ応力がかかるような曲げ試験をそれぞれ行えば、
バルブの表面研削状態が十分な強度を与えるレベルに達
しているか否か知ることができ、またバルブの軸線方向
への引張り試験を行えばバルブ本来の強度を知ることが
できることを発見し、本発明を完成させた。

すなわち、一方の端部にコッタ用溝を有するステム部と
、前記ステム部のもう一方の端部に連続する傘状のヘッ
ド部とからなるエンジン用セラミックス製バルブの強度
を試験する本発明の方法は、前記ヘッド部を前記ステム
部と同軸的に回転するチャックで保持するとともに、前
記ステム部の端部を回転自在に保持し、前記ステム部の
軸線を中心として前記バルブを回転させながら前記ステ
ム部の端部において前言己ステム部にほぼ垂直に荷重を
加えることにより、前記バルブに曲げモーメントを与え
、前記ヘッド部のつけ根における強度を試験することを
特徴とする。

また上記形状のセラミックス製バルブの強度を試験する
本発明のもう１つの方法は、前記バルブのヘッド部及び
コッタ用溝を有するステム部端部をそれぞれ前記ステム
部と同軸的に回転可能な保持部を有する治具で保持し、
前記バルブを前記ステム部の軸線を中心として回転しつ
つ、前記両治具に荷重をかけて、前記バルブの４点曲げ
試験を行い、前記ステム部の強度を試験することを特徴
とする。

さらに上記形状のセラミックス製バルブの強度を試験す
る本発明のもう１つの方法は、前記コッタ用溝を有する
ステム部の端部にコツタ及びリテ−すを装着し、前記ヘ
ッド部及び前記リテーナをそれぞれチャックで保持して
、前記バルブの中心軸方向に引張り強度試験を行うこと
を特徴とする。

〔実施例及び作用〕

以下本発明を図面を参照して詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例によるセラミックス製バルブ
の曲げ試験を示す概略断面図である。

まずバルブ１は傘状のヘッド部２とステム部３とからな
り、ステム部３の端部にはコッタ取付は用の溝３ａが形
成されている。ここでバルブ１はそのヘッド部２及びス
テム部３の端部において、それぞれ治具４及び５により
保持する。

治具４は、回転部材４１とこれを保持する筒状部材４２
とを有する。回転部材４１は円柱状部４１ａと、円柱状
部４１ａと一体的に接合し、外周におねじ部を有する円
板状部４１ｂと、内周にめねじ部を有するリング部材４
１ｃとからなり、リング部材４１ｃは一端に内方フラン
ジ部４１ｄを有する。円板状部４１ｂとリング部材４１
ｃは、螺合することによりチャック部を構成する。また
円柱状部４１ａは複数のボールベアリング４３を介して
筒状部材４２に回転自在に保持されている。チャック部
の円板状部４１ｂの端面にヘッド部２の端面を当接して
リング部材４１Ｃを締着することによりバルブ１を円柱
状部４１ａと同軸的に固定する。

一方治具５は筒状部材５１と複数のボールベアリング５
２とからなり、ステム部３の端部を回転自在に保持する
。

このようにバルブ１を２つの治具４及び５でその軸線を
中心に回転自在に保持し、バルブ１を治具４の回転部材
４１とともに回転させながら、治具５にバルブ１の軸線
に対してほぼ垂直に荷重をかける。このとき、バルブｌ
にかかる曲げモーメントは、第１図に合わせて示すよう
に、ヘッド部２に近づくにつれて大きくなる。ヘッド部
２は径が拡大しているので、曲げ応力に対しては十分な
強度を有するので、結局第１図に示す方法によれば、主
としてヘッド部２のつけ根付近の強度を試験することに
なる。

なお、このような曲げ試験の結果は、一般的に試験体の
表面の状態が試験体に十分な強度を与えるレベルに達し
ているかどうかを示す。というのは、試験体に曲げの力
を加えるときに最も大きな応力が発生するのはその表面
であり、かつ表面の加工（研削）状態により強度が著し
く変動するからである。従って上記した曲げ試験では、
ヘッド部のつけ根付近の表面研削状態が十分な強度を与
えるレベルに達しているか否を知ることになる。

なおこの方法において、筒状部材５に荷重を負荷しなが
らバルブｌを治具４の回転部４１とともに少なくとも１
回転させれば、つけ根付近の表面状態を全周にわたって
試験することができる。

次に４点曲げ試験を用いたステム部３の強度を試験する
方法について説明する。

第２図は本発明の一実施例によるセラミックス製バルブ
の４点曲げ試験を示す概略断面図であり、第３図は第２
図に示す試験法におけるバルブのステム部端部と治具７
との係合状態を拡大して示す部分概略断面図である。こ
こで、バルブ１はそのヘッド部２及びステム部３の端部
においてそれぞれ治具６及び７により保持されている。

治具６は回転部材６１とこれを保持する筒状部材６２と
を有する。回転部材６１は円柱状部６１ａと、円筒状部
６１ａと一体的に接合し、外周におねじ部を有する円板
状部６１ｂと、内周にめねじ部を有するリング部材６１
ｃとからなり、リング部材６１ｃは一端に内方フランジ
部６１ｄを有する。円板状部６１ｂとリング部６１ｃは
、螺合することによりチャック部を構成する。また円柱
状部６１ａは複数のボールベアリング６３を介して筒状
部材６２に回転自在に保持されている。チャック部の円
板状部６１ｂの端面にヘッド部２の端面を当接してリン
グ部６１ｃを締着することによりバルブ１を円柱状部６
１ａと同軸的に固定する。

一方、治具７は、回転部材７１とこれを保持する筒状部
材７２とを有し、回転部材７１は複数のボールベアリン
グ７３を介して筒状部材７２に回転自在に保持されてい
る。

回転部材７１の端部には、第３図に詳しく示すようにバ
ルブ１のステム部端部を挿入する穴が設けられている。

この穴はステム部のコッタ用溝部が十分に中に入る深さ
を有している。また穴の径は、ステム部端部の外径より
わずかに大きくなっている。

このようにバルブ１をその両側から治具６及び治具７と
で保持し、４点曲げ試験を行う。このとき、支点８．８
及び２つの内部荷重点をともに治具６及び７に位置する
ように設定し、バルブ１を２つの内部荷重点間に位置さ
せる。第２図に示す鉛直下方を向く２つの矢印の点を内
部荷重点として、これに同一の荷重を矢印方向にかける
と、図に合わせて示すように、内部荷重点間にかかる曲
げモーメントはバルブの中心軸に沿って均一の大きさと
なる。従って、この方法によればステム部材全体の強度
試験を一度にすることができる。

なお、この方法でも、前述の曲げ試験と同様に荷重を負
荷しながら、バルブ１をその両側を保持している回転部
材６１及び回転部材７１とともに少なくとも１回転させ
、ステム部の全表面において、バルブ強度を低下させる
ような欠陥があるか否かを試験する。

ところで、ステム部３の端部に形成されたコッタ用溝部
は加工による欠陥が残りやすい部位であるとともに、実
際の使用時には大きな応力がかかる部分であるので、こ
の部分における強度試験も行う必要がある。

そこで本発明の方法では、ステム部端部と治具７の回転
部材７１とを第３図に示すように、係合させてコツタ用
溝部の強度試験を合わせて行う。前述したようにステム
部３と回転部材７１との間には、わずかなすきまが存在
するが、治具７に荷重がかかると両者は部分的に接触す
る。例えば第３図で上方向から鉛直下方に荷重がかかる
とすると、穴の内壁面のうち図の７１ａ及び７１ｂの部
分がステム３と接触する。このときバルブ１のステム部
端部の表面に発生する応力の大きさは第３図の下部に示
すグラフのようになる。従って第３図に示すようなステ
ム部端部の保持方法をとれば、コッタ用溝部にも十分に
大きな応力をかけることができるので、この部分の強度
試験もステム部全体の強度試験と同時に行うことができ
る。

なふコツタ用溝部に発生する応力の大きさＳは回転部材
７１に形成される穴の深さＬとステム端面からコツタ用
溝までの距離１との比（β／Ｌ）を変えることにより任
意に調節する、ことができる。

以上に説明した二つの曲げ試験を行えば、バルブの表面
全体においてその研削状態が十分な強度を与えるレベル
に達しているか否かを知ることができるが、これらの曲
げ試験ではバルブの内部中央付近に存在する欠陥の有無
については正確に知ることはできない。従ってバルブ内
部における欠陥の有無を調べるためにステム部軸方向へ
の引張り試験を行うのが良い。

第４図は本発明の一実施例によるセラミックス製バルブ
の引張り試験を示す概略断面図である。

まずバルブ１はそのステム部３の端部においてコツタ１
０及びリテーナ１１を装着している。この装着は、実際
にバルブ１がエンジンに装備される時と同様に行われる
が、ステム部３に設けられたコッタ用溝に嵌合する凸部
を有するくさび状のコツタ１０が、内壁面がテーパ状と
なっている円筒状のりテーナ１１とステム部３との間に
嵌入するように装着されている。

コッタ及びリテーナを装着したバルブ１は第４図に示す
ようにヘッド部２及びリテーナ１１においてそれぞれ２
つのチャック１２及び１３により保持される。なおこの
ときのチャック１２．１３によるバルブ１の保持の方法
は、前述した第１図及び第２図に示す方法と同様の方法
で行うことができる。またチャック１２及び１３にはそ
れぞれ自在継手１４．１４が連続しており、引張り時の
ガの方向が必ずバルブ１の中心軸の方向に一致するよう
に工夫されている。

このようにバルブ１をチャック１２及び１３で保持し、
図の矢印の方向に引張りの力をバルブ１に加えると、バ
ルブ１の中心軸に垂直な断面においてはどの部分をとっ
ても等しい応力がかかることになる。従ってこの方法に
よると、表面部のみならず、バルブ内部において強度を
低下させる欠陥が存在するか否かを知ることができる。

またこの方法ではコッタ及びリテーナを実際にステム部
に装着した上でヘッド部及びリテーナを保持して引張り
試験を行っているので、バルブが実際に使用される状態
に近い条件で試験をすることができ、より信頼性のある
強度試験となる。

なお上記した三つの試験はすべて常温で実行することが
できる。このときは、あらかじめバルブの材質となるセ
ラミックスの高温及び常温における強度を実験的に求め
ておき、その結果から較正をしてやればよい。一般的に
は高温での強度は常温における強度より小さいので、常
温で行う強度試験においてかける荷重を多少大きめに設
定するとよい。

以上本発明を添付図面を参照して説明したが、本発明は
これに限定されることなく、本発明の思想を逸脱しない
限り種々の変更を施すことができる。例えばバルブ１の
ヘッド部２を治具により保持する方法は図示したチャッ
クによる方法の外に種々変更することができるし、コッ
タ及びリテーナをステム部に装着する方法も接着、焼き
ばめ、機械的装着等適宜変更できる。

さらに本発明の方法はセラミックス製バルブに限らず、
セラミックス棒状部品に対しても応用することができる
。

なおこの三つの試験法を用いてセラミックス製バルブの
強度試験を行えば、信頼性のある強度保証をすることが
できる。またバルブのヘッド部の形状によっては上述し
た４点曲げ試験と引張り試験の組合せのみで強度保証を
することも可能であり、より信頼性のある強度保証が必
要なときには、さらにアコースティックエミッション信
号計測法を加えるのがよい。

〔発明の効果〕

本発明の曲げ試験法を用いれば、バルブのヘッド部のつ
け根及びバルブのステム部の表面全体における研削状態
の良、不良を知ることができる。

またステム部の中心軸方向の引張り試験によりバルブ内
部における欠陥の有無を知ることができる。

従って、本発明の二つの曲げ試験法と引張り試験とを組
み合わせれば、セラミックス製バルブに対する信頼性の
ある強度保証を行うことができる。

特に本発明の方法においては、コッタ用溝部やヘッド部
のつけ根等の大きな応力のかかる部位をも含めた試験と
なっているので、本発明の方法による強度保証の信頼性
はより高いものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるバルブの曲げ試験法を
示す概略断面図であり、この試験により発生する曲げモ
ーメントの大きさを示すグラフを併載しており、第２図は本発明のもう一つの実施例による４点曲げ試験
を示す概略断面図であり、この試験により発生する曲げ
モーメントの大きさを示すグラフを併載しており、第３図は、第２図に示す試験法においてステム部端部を
治具により保持する状態を示す部分概略断面図であり、
ステム部端部の表面に発生する応力の大きさを示すグラ
フを併載しており、第４図は本発明のさらにもう−っの
実施例によるバルブの引張り試験法を示す概略断面図で
ある。１・　・セラミックス製バルブ２・　　・ヘッド部３・　・ステム部３ａ・　・コッタ用溝４．５．６．７　　　・治具８・・・支持用コマ１０・・・コツタ１１・・・リテーナ１２、１３　　　・・チャック１４・　・自在継手４１、６１．７１・・・回転部材４２、６２．７２・　・筒状部材

Claims

【特許請求の範囲】

（１）一方の端部にコッタ用溝を有するステム部と、前
記ステム部のもう一方の端部に連続する傘状のヘッド部
とからなるエンジン用セラミックス製バルブの強度試験
法において、前記ヘッド部を前記ステム部と同軸的に回
転するチャックで保持するとともに、前記ステム部の端
部を回転自在に保持し、前記ステム部の軸線を中心とし
て前記バルブを回転させながら前記ステム部の端部にお
いて前記ステム部にほぼ垂直に荷重を加えることにより
、前記バルブに曲げモーメントを与え、前記ヘッド部の
つけ根における強度を試験することを特徴とする方法。
（２）一方の端部にコッタ用溝を有するステム部と、前
記ステム部のもう一方の端部に連続する傘状のヘッド部
とからなるエンジン用セラミックス製バルブの強度試験
法において、前記バルブのヘッド部及びコッタ用溝を有
するステム部端部をそれぞれ前記ステム部と同軸的に回
転可能な保持部を有する治具で保持し、前記バルブを前
記ステム部の軸線を中心として回転しつつ、前記両治具
に荷重をかけて、前記バルブの４点曲げ試験を行い、前
記ステム部の強度を試験することを特徴とする方法。
（３）請求項２に記載の方法において、前記ヘッド部を
保持する第一治具は、円柱状部と前記バルブのヘッド部
を保持するチャック部とからなる第一回転部材と、前記
円柱状部を回転自在に保持する第一筒状部材とからなり
、一方前記コッタ用溝を有するステム部端部を保持する
第二治具は、先端に前記ステム部の端部を挿入する穴を
有する第二回転部材と前記第二回転部材を回転自在に保
持する第二筒状部材とからなり、もって前記バルブを軸
線を中心に回転自在に保持し、４点曲げ試験を行うこと
を特徴とする方法。
（４）請求項３に記載の方法において、前記第二回転部
材に形成された穴は、前記ステム部のコッタ用溝が十分
に中に入る深さを有しており、また前記穴の径は、前記
ステム部端部の外径より僅かに大きいことを特徴とする
方法。
（５）一方の端部にコッタ用溝を有するステム部と、前
記ステム部のもう一方の端部に連続する傘状のヘッド部
とからなるエンジン用セラミックス製バルブの強度試験
法において、前記コッタ用溝を有するステム部の端部に
コッタ及びリテーナを装着し、前記ヘッド部及び前記リ
テーナをそれぞれチャックで保持して、前記バルブの中
心軸方向に引張り強度試験を行うことを特徴とする方法
。