JPH1142518A

JPH1142518A - アルミニウム製外部材と鉄製内部材の結合方法

Info

Publication number: JPH1142518A
Application number: JP9215738A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Hirai; 佳樹平井; Koichiro Hayashi; 幸一郎林; Hiroshi Ishii; 啓石井; Hideaki Kawada; 英昭河田; Kunio Maki; 邦雄眞木; Atsushi Ehira; 淳江平; Maki Chokai; 真樹鳥海
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Resonac Corp
Priority date: 1997-07-25
Filing date: 1997-07-25
Publication date: 1999-02-16

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の締まりばめ結合を応用して、鉄合金製
弁座の容積を低減することにより、軽量で放熱性の良好
なシリンダーヘッドを得る方法を提供する。【解決手段】アルミニウム製外部材の内孔に鉄製内部
材１を圧入固定する方法において、鉄製内部材１の外周
面２に、軸心に対して平行なまたは傾斜した複数の凸条
３を設けることを特徴とする外部材と内部材１の結合方
法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム合金
製のハウジングに鉄製部材を強固に圧入固定する方法に
関するものであり、内燃機関の弁座部等に利用すること
ができる。

【０００２】

【従来の技術】自動車エンジンの技術分野では、高速化
および軽量化の一環として、シリンダーヘッドがアルミ
ニウム合金鋳物材であって、吸気弁および排気弁のバル
ブシート（弁座）が鉄系焼結合金製のリングで構成され
たものが用いられている。弁座は、高温耐摩耗性を有す
る炭化物や金属間化合物を分散させた合金を用いて製作
され、外径寸法が３０〜４５ｍｍ程度の大きさであり、
リングの高さは５〜９ｍｍ程度である。切削や研磨によ
りリング形状に寸法調整しておき、シリンダーヘッドを
加熱してバルブポートの装着孔径が拡張した状態で、あ
るいは弁座を冷却した状態で装着する。シリンダーヘッ
ドの装着孔と弁座とは、弁座の外径寸法によっても異な
るが、直径差が４０μｍ前後の締まりばめ状態で固定さ
れる。一方、弁座は鉄合金製であるため、熱伝導および
放熱性の向上が課題である。また、多バルブ化により吸
気ポートと排気ポートが接近して設けられているので、
弁座の圧入時にシリンダーヘッドに割れを生じる懸念が
増大する。これらの課題に対して、弁座部を小さく形成
する技術が検討され、バルブポートの周縁に耐摩耗性材
料を溶射する方法、鉄系焼結合金の弁座を肉薄にすると
ともに、弁座の表面に金属被覆を施した後、アルミニウ
ム合金鋳物材のシリンダーヘッドのバルブポート装着孔
に電気抵抗熱溶接法で結合する方法等が提案されてい
る。しかし、これらの技法を採用すると、新規の設備導
入のための投資が大きく、割高になる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来技術と同様に、締
まりばめ結合により容積の小さい弁座を装着することが
できれば上記の課題を解決することができるが、弁座の
高さを小さくすると嵌め合いの面積が減小して結合力を
確保することが困難になる。そこで、この発明において
は、従来技術の締まりばめ結合を応用し、焼結合金製弁
座の容積を従来より低減することができる手段を用い
て、放熱性がよいシリンダーヘッドを提供することを課
題とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、この発明の結合方法においては、アルミニウム製外
部材（孔部材）の内孔に鉄製内部材（軸部材）を圧入固
定する場合に、外周面に軸心に対して平行なまたは傾斜
した複数の凸条を設けた内部材を用いることを特徴とす
る。この凸条は、断面形状が三角状、台状、半円状、歯
形状等や、内部材の外周面を多角柱形にしたときに形成
される稜角部などであり、凸条の高さは７〜２００μｍ
である。

【０００５】内部材の外周面が軸心と平行なものは、外
周面に形成した複数の凸条は軸心に対して平行か、ある
いは３０゜以下の角度で傾斜しており、凸条の数が２０
〜１８０であることを特徴とする。また、内部材の外周
面を軸心と平行な角柱形とした場合には、３６〜１８０
面の多角柱形であることを特徴とする。

【０００６】更に、内部材の外周面が、圧入方向に仮想
頂点を有し、頂角が３５゜以下の角錐台形であり、その
角錐台形の外周面の複数の凸条の傾斜角は３０゜以下で
ある。ここで、「傾斜角」とは、軸心を通る平面と外周
面とが交わる線と前記凸条がなす角度をいう。なお、角
錐台の頂角が２５゜未満の場合においては、角錐台の外
周面が２９〜１８０面の多角錐台状であり、多角錐台の
稜線からなる前記凸条の傾斜角は３０゜以下である。ま
た、角錐台の頂角が２５〜３５゜の場合には、角錐台の
外周面が２０〜２８面の多角錐台状であり、多角錐台の
稜線からなる凸条の傾斜角は１０〜３０゜である。

【０００７】内部材の外周面が角柱状または角錐台状で
あって、外周面の稜線が周方向に傾斜しているものにお
いては、内部材の圧入方向と反対側端面または内部材の
内孔に凸部または凹部を備えていることを特徴とする。
また、これらの方法は、アルミニウム製外部材の内孔
に、鉄製内部材の凸条の稜線に沿って鉄製内部材を圧入
することを特徴とするものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明における鉄製内部材として
は、溶製鉄鋼材料を切削加工したり鍛造したもの、ある
いは粉末冶金法による焼結合金製のものであって、柱状
または円筒状に成形したものが用いられる。外部材の孔
は、通常は円形であり、切削加工により形成する。内部
材の外周面の凸条が周方向へ傾きを有するものは、粉末
冶金法によるヘリカル歯車の成形と同様に、成形ダイま
たはパンチが回転可能な成形金型を用いることにより容
易に製作することができる。

【０００９】本発明の方法においては、外周面に複数の
凸条を備えた内部材（軸部材）を外部材の孔に圧入す
る。圧入は常温で、あるいは必要な部分を加熱または冷
却して行う。また、圧入の際には、内部材を凸条の稜線
に沿って装着孔に押し込む。すなわち、稜線が軸心と並
行な形状のものは軸心方向に押し込み、稜線が斜歯（は
すば）歯車状に傾斜したものでは、例えばボルトを孔に
ねじ込む場合と同様に、内部材を回転させながら押し込
み、凸条は外部材の装着孔の内壁に強く食い込んだ状態
になる。

【００１０】凸条には、断面形状が三角状、台状、半円
状、歯形状等のものや、内部材の外周面を多角柱形にし
たときに形成される稜線部などがあり、多角柱形の場合
は、稜線が明瞭な角状のもの、円弧状に面取りしたも
の、圧入方向の前方側を面取りしたものなどのいずれも
適用することができる。また、凸条は上下方向に同じ幅
と高さに形成されるが、圧入の前方側の幅または高さを
小さく、後方側の幅または高さを大きくした形状のもの
にすることもできる。内部材は、外部材の装着孔にセッ
トし易いように、圧入方向の前方側外径を小さくするこ
とが望ましい。

【００１１】外部材の装着孔は、通常、内部材の凸条の
稜線と並行な側面を有する形状にするが、下方に向かっ
て大径になる逆テーパ状、あるいはその反対のテーパ状
に形成しておいて、軸方向上下の締まりばめ量（圧入
量）を変えることも可能である。外周面の凸条部が軸心
と平行な内部材を外部材の円筒状装着孔に圧入すると、
内部材の凸条部（多角柱形の場合は稜線の角部）は装着
孔内壁に強く接触する。内壁のその部分は、他の部分よ
り高い面圧で滑入されて、内壁部が塑性変形し高い緊迫
力が得られる。また、外部材がアルミニウム合金製であ
ると、接触表面においてアルミニウム合金表層の酸化膜
が破壊されて内部材と金属凝着が起こり、固着力が増大
する。このような作用と効果によって、内外部材の結合
部の長さを従来のものより小さくしても、結合力は同等
以上のものとなり、使用中に離脱することなく、部材を
薄く小さくすることができる。

【００１２】内部材の外周面の凸条の高さは、７〜２０
０μｍの範囲である。７μｍより低いものは顕著な効果
が認められない。一方、２００μｍより高い場合は外部
材への食い込み量が多いため、かじりを生じ易く、外部
材の歪みを大きくするので好ましくない。外周面が多角
柱形で稜線が軸心と平行な内部材においては、一般的な
大きさの構造部材の場合に、外周面の角数は３６〜１８
０の範囲で前記の効果が得られる。多角柱形の場合の外
周面の平面部から軸心までの垂直距離と、外周稜線（凸
条角部）から軸心までの距離との差（以下「半径方向高
さの差」という）は、例えば内部材の外径寸法が３０ｍ
ｍ程度で３６角の場合に約５７μｍであり、外径寸法が
９０ｍｍ程度で１８０角の場合に約７μｍである。上記
半径方向高さの差が８０μｍを越えるものでは、外部材
の内孔への内部材の稜線角部の食い込みを大きくするこ
とができる反面、材料の歪が大きくなり、外部材の肉厚
が薄い場合にはクラックを生じる懸念が増大し、更に内
部材外周面の平面部が外部材の内孔面に接しない場合が
あるため好ましくない。

【００１３】内部材外周面の角数が少ない場合（半径方
向高さの差が大きい場合）には、外部材の装着孔半径寸
法を、内部材の多角柱形外周面の平面部から垂直に軸心
までの距離より数μｍ大きく設定しておき、内部材の圧
入により、外部材内孔部の塑性変形によって、内部材と
外部材との隙間を封鎖する方法、あるいは、外部材装着
孔の半径寸法を上記距離より数μｍ小さく設定してお
き、圧入による緊迫を強くする方法があるが、内部材の
大きさ、厚さおよび外部材の材質によって適宜選択す
る。

【００１４】また、内部材外周面の角数が多い場合（半
径方向高さの差が小さい場合）には、外部材装着孔の半
径寸法を、内部材の多角柱形外周面の平面部から垂直に
軸心までの距離よりも数μｍ小さく設定する。例えば１
８０角の内部材の場合には、外部材内径の半径寸法を、
内部材の多角柱形外周面の平面部から垂直に軸心までの
距離よりも４０〜５０μｍ小さくする。一方、結合部の
径が小さく凸条が多くなると、成形金型の製作が困難に
なるほか、多角柱形で１８０角を越えるような場合に
は、前記の半径方向高さの差が小さいため限りなく円に
近い状態になり、従来の円筒状の場合と同じ効果しか得
られない。凸条の数を多くする場合は、ローレットのよ
うな形状が望ましい。凸条の数を少なくする場合は、凸
条の幅を狭く、高さを大きめに設定することが望まし
い。

【００１５】また、前記と同様に外周面に凸条を有する
内部材において、凸条を斜歯歯車のように周方向に傾斜
させると、ねじ込み形態にすることができ、装着孔から
の離脱が一層起こり難くなり、結合部の長さをより小さ
くすることができる。凸条の傾斜は、軸心に対して３０
゜以下にする必要があり、それ以上の角度では装着孔へ
のねじ込みが困難になる。内部材のねじ込みを行うため
に、内部材が柱状の場合には内部材の端面またははめ合
いしない外径部に、円筒状の場合には内周または端面の
少なくとも一方に、凸部または凹部を設け、この凹凸に
適合する形状のレンチ工具を係合させて回転押し込みを
行う。凹凸は端面においてはラチェット歯車のような形
状が、内径面では多角形状が好ましい。

【００１６】次に、結合部分の長さを小さく（外部材ま
たは内部材を薄く）するためには、内部材の外周面を圧
入方向側に頂点をもつ円錐台形（テーパ状）にすること
が有効である。この場合、外周円錐台形面の凸条は、斜
歯歯車のように、周方向に傾いていることが必要であ
る。いわば、装着孔にねじ込む状態にすることにより、
装着孔から離脱し難くなる。内部材が円筒状の場合は、
その内周面を外周面の円錐頂角とできるだけ等しい頂角
のテーパ状にすることにより、内部材の体積をより小さ
くすることができる。

【００１７】前述の内部材の外周面が角錐台形の場合に
おいて、角錐頂角が数度以下の極く僅かなときは、外周
面が多角柱形の場合と同様であって、角数は３６〜１８
０の範囲を適用することができる。凸条の周方向の傾き
は、軸心に対して角度１０゜以下で十分である。

【００１８】頂角が２４゜の角錐台形の場合において
は、一般的な大きさのものでは、角数は２９〜３０が好
ましい。外径寸法が３０〜４０ｍｍ程度の場合には、半
径方向高さの差は９０〜１１０μｍである。多角錐台の
形稜線の周方向の傾きは角度１０〜３０゜に設定する。
このように、角錐台形の頂角が２５゜より少ない緩やか
な傾きのテーパ状である場合には、２９〜１８０面の多
角錐台とし、頂角が小さいほど角数を多くして半径方向
高さの差を小さく設定し、多角錐台稜線の周方向の傾き
を軸心に対して角度３０゜以下とするが、頂角が大きく
なるとともに多角錐台稜線の周方向の傾きを大きくする
方が好ましい。

【００１９】円錐台形の頂角は、最大３５゜である。そ
れ以上の角度では内部材の凸条が外部材に圧入されて
も、食い込み量が少なくなるため、離脱し易い。頂角が
２５〜３５゜の角錐台形の場合においては、角錐は２０
〜２８面が好ましい状態である。より好ましくは２４面
である。内部材の外径寸法が３０〜４０ｍｍ程度の場合
には、２４面においては、半径方向高さの差は１３０〜
１７０μｍである。この場合、多角錐台稜線の周方向の
傾きは軸心に対して角度１０〜３０゜の範囲になる。円
錐台形の外部材の装着孔は、通常は内部材外周面の円錐
頂角と同じ角度のテーパ面とする。互いの角度を適度に
変えることができる。

【００２０】内部材を凸条の傾きに沿って回転しながら
押し込むと、装着孔のテーパ面に多面体の内部材の凸条
部が食い込むように押し込まれ、一体となって固定され
る。これらの内部材を外部材の装着孔にねじ込むために
は、ねじ込み治具と係合する凹凸を端面等に備えること
は前述と同様である。

【００２１】以上に述べた内部材の凸条は、一端から他
端にわたって連続していてもよく、また凸条の中間で１
箇所以上分断された状態であってもよい。外部材または
内部材の結合する面に、両部材の接合を強化するような
皮膜を設けておいてもよい。圧入する際に、部材に繰り
返し振動を与えながら押し込む方法を付加することがで
きる。

【００２２】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明を説明する。図
１は本発明に用いる内部材の平面図である。図１（ａ）
は、内部材１が多角柱状の場合を示し、多角柱形の角部
稜線は軸方向に凸条３を形成している。凸条３の図示の
都合上、２４の平面からなる外周面２を有する例を示
す。内部材１の最小半径と稜線を通る半径との差が凸条
３の高さであり、凸条の断面形状は頂角が大きい三角形
状である。例えば、外周面２が３６面の場合の凸条３の
高さは、外径寸法が３０ｍｍの場合には６０μｍ、４０
ｍｍの場合には８０μｍである。角数が多くなると凸条
３の高さは小さくなる。また、角数が少ない場合におい
ても、角部を面取りして凸条３の高さを小さくすること
ができる。図１（ｂ）は、円柱面の外周面２に、頂角が
比較的小さい断面三角形状の凸条３を軸方向に設けた場
合を示す。

【００２３】図２は、外周面２が軸心と平行な（プレー
ンな外形）内部材１の側面図であり、図２（ａ）は凸条
３が軸心と平行なもの、図２（ｂ）は凸条３が軸心に対
して同一方向に角度２０゜で傾斜しているものを示す。
このような形状は、粉末冶金法によれば圧粉成形金型を
用いて容易に成形することができる。この際に、多角柱
形の角数が多い場合、あるいは凸条３の高さが比較的小
さい場合には、圧粉成形金型のパンチをダイ孔形状と相
似形でなく、円筒形状にして成形することができる。内
部材１の下端面側には、アルミニウムハウジングの装着
孔に正しい姿勢でセットし易いように、小径部５が設け
られている。６は凸条相互間の平面である。図２（ｂ）
のように、凸条３が軸心に対して傾斜している場合に
は、圧入の際に内部材１に回転を付与するために、上端
面または内孔の一部に回転治具と係合する凹凸を設け
る。傾斜の角度が少ない場合は、凹凸を設けず、治具に
ボールベアリングなどの回転手段を設けておけば、凸条
３に沿って回転させながら圧入することができる。

【００２４】図３は、外周面２が円錐台形（テーパ状）
の内部材１の側面図であり、頂角が３０゜の例を示す。
凸状３は軸心に対して角度２０゜で傾斜している。この
凸条３の稜線は、傘歯車におけるすぐ歯傘歯車に近似し
たもの、斜歯傘歯車や曲がり歯傘歯車のようなものな
ど、頂角の大きさに応じて適宜選定することができる。
ハウジングに対して凸条３をねじ込みながら押し込む形
態、あるいは、凸条３をハウジングのテーパ面に押し込
む形態のいずれか、または両方の組合せによって部材を
結合する。

【００２５】図４は、図３に示した内部材１をハウジン
グ９に圧入する状態の部分縦断面図である。ハウジング
９には、内部材１の外周面２に対応したテーパ面および
端面当接部が切削加工により形成されている。内部材１
の内孔の一部には、回転押込み治具８の多角柱部７ａと
嵌合する多角柱受面７が設けられている。内部材１を回
転押込み治具８に装着し、ハウジング９の装着孔に回転
しながら圧入する。この実施例によれば、内部材の高さ
が従来品に比べて１０％以上小さいものであっても、十
分に高い抜去荷重を得ることができる。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、この発明の部材の結合方
法は、外周面に複数の凸条を設けた内部材を用いるの
で、外部材のアルミニウム製ハウジングに凝着状態で圧
入されて強い結合が得られるため、部材の高さや容積を
小さくすることが可能であり、軽量化、放熱性の向上な
どを実現することができる。また、外部材および内部材
の製作や圧入手段が従来とほぼ同様であるから、容易に
適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）および（ｂ）は、円筒状内部材の例
の平面図である。

【図２】図２（ａ）および（ｂ）は、円筒状内部材の例
の側面図である。

【図３】外周面が円錐台形の内部材の例の側面図であ
る。

【図４】図３に示す内部材をハウジングに圧入する状態
の部分縦断面図である。

【符号の説明】

１内部材２外周面３凸条５小径部６平面７多角柱受面７ａ多角柱部８回転押込み治具９ハウジング

フロントページの続き (72)発明者河田英昭千葉県千葉市花見川区幕張本郷７−19−９ (72)発明者眞木邦雄神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者江平淳神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者鳥海真樹神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム製外部材の内孔に鉄製内部
材を圧入固定する方法において、鉄製内部材の外周面
に、軸心に対して平行なまたは傾斜した複数の凸条を設
けることを特徴とするアルミニウム製外部材と鉄製内部
材の結合方法。
【請求項２】前記凸条の高さが７〜２００μｍである
ことを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム製外部
材と鉄製内部材の結合方法。
【請求項３】鉄製内部材の外周面が軸心と平行であ
り、外周面に設けた複数の凸条が軸心に対して平行であ
りまたは角度３０゜以下で傾斜しており、かつ凸条の数
が２０〜１８０であることを特徴とする請求項１または
２に記載のアルミニウム製外部材と鉄製内部材の結合方
法。
【請求項４】鉄製内部材の外周面が軸心と平行な３６
〜１８０面の多角柱形であり、多角柱形の稜線部からな
る凸条が軸心に対して平行でありまたは角度３０゜以下
で傾斜していることを特徴とする請求項１または２に記
載のアルミニウム製外部材と鉄製内部材の結合方法。
【請求項５】アルミニウム製外部材の内孔に鉄製内部
材を圧入固定する方法において、鉄製内部材の外周面
が、圧入方向に仮想頂点を有し、頂角が３５゜以下の円
錐台形であり、円錐台形の外周面に設けた複数の凸条が
軸心に対して角度３０゜以下で周方向に傾斜しているこ
とを特徴とするアルミニウム製外部材と鉄製内部材の結
合方法。
【請求項６】前記頂角が２５゜未満であり、円錐台形
の外周面が２９〜１８０面の多角錐台形であり、多角錐
台形の稜線からなる凸条の傾きが軸心に対して周方向へ
角度３０゜以下であることを特徴とする請求項５に記載
のアルミニウム製外部材と鉄製内部材の結合方法。
【請求項７】前記頂角が２５〜３５゜であり、円錐台
形の外周面が２０〜２８面の多角錐台形であり、多角錐
台形の稜線からなる凸条の傾きが軸心に対して周方向へ
角度１０〜３０゜であることを特徴とする請求項５に記
載のアルミニウム製外部材と鉄製内部材の結合方法。
【請求項８】前記鉄製内部材の圧入方向と反対側端面
または鉄製内部材の内孔に凸部または凹部を設けること
を特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のアルミ
ニウム製外部材と鉄製内部材の結合方法。
【請求項９】前記アルミニウム製外部材の内孔に、前
記鉄製内部材の凸条の稜線に沿って鉄製内部材を圧入す
ることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の
アルミニウム製外部材と鉄製内部材の結合方法。
【請求項１０】前記アルミニウム製外部材がアルミニ
ウム合金製のシリンダーヘッドであり、前記鉄製内部材
が鉄系焼結合金の弁座である請求項１から９のいずれか
に記載のアルミニウム製外部材と鉄製内部材の結合方
法。