JPH1164199A - 弁の強度試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 傘表から傘裏側にかけての応力及びその分布
を知る弁の強度試験装置を提供する。 【解決手段】 弁軸１２の一端部にコッタ溝１６を他端
部に弁傘部１４を有する吸気弁、排気弁等の弁端部に荷
重を加えて応力を検査する弁の強度試験装置において、
前記弁傘部１４外周面を支持する支持手段（支持台２
１）と、前記弁傘部１４の傘表１５中央に押し付ける圧
子、好ましくは鋼球２４と、該圧子を前記弁軸１２の軸
線方向に付勢させて前記傘表（触火面）１５中央に押し
付ける押圧手段２５とを備えたことを特徴とし、押圧力
と、鋼球（圧子）２４と傘表１５との接触面積との関係
から傘裏側の作用する応力と分布を知る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、吸気弁、排気弁等
の弁の生産に際し生産後の製品品質の強度を検証するた
めの吸気弁、排気弁等の弁の強度試験装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、エンジンの吸気・排気を行う吸
気弁、排気弁等の弁（以下、単に弁という）は、弁座着
座時の衝撃力、燃焼ガスに対する高温強度等に対して充
分な強度、耐摩耗性を有し、曲げ等の強度試験を経て製
品として出荷される。図６は従来の弁の曲げ試験装置の
模式図を示している。図６に示すように、この曲げ試験
装置は、弁１１に曲げ荷重を負荷する負荷棒１８と、弁
軸１２を両端支持する支持台１９とから構成され、この
支持台１９に両端支持した弁棒１２の軸方向中央部に荷
重を加えて破断させ、破断荷重が所定値以上のときは
合、所定値よりも低いときは否と判断している。

【０００３】しかし、係る曲げ試験装置の構造では、荷
重の作用位置が上記支持台１２の一対の支持部１９Ａ、
１９Ｂ間に制限され、前記負荷棒１８による負荷点の作
用範囲が両支持部１９Ａ、１９Ｂ間に制限され、エンジ
ン燃焼室のガス圧（筒内圧力）により応力が高くなる弁
傘部１３や、曲げ応力が集中して作用するコッタ溝部１
６に対して荷重試験を実施できないという問題がある。

【０００４】そこで特開平３−１３８４２号公報に弁傘
部１３の曲げ応力を測定するための試験装置と、コッタ
溝部１６の曲げ応力を測定するため試験装置とが提案さ
れている。図７に弁全体の曲げ応力を試験するための第
一試験装置の構造を、図８にコッタ溝部の曲げ応力を試
験するための第二試験装置の構造を示す。

【０００５】図７に示すように、第一試験装置は、弁１
１の弁傘部１４を回転チャック４０で把持する一方、弁
軸端部１７を軸受４１で回転支持し、軸受４１を介して
弁軸端部１７に軸芯方向と直角方向の荷重を加えて弁１
１の曲げ応力を測定する構成となっている。従って係る
第一試験装置では弁１１の回転位置を適宜変更しながら
弁軸端部１７に曲げ荷重を負荷すると円周方向における
弁１１の曲げ応力の測定が可能となる。

【０００６】一方、図８に示すように、第二試験装置
は、上記第一試験装置において、特に、弁軸１２の弁軸
端部１７に嵌挿する筒状支持体４２長さをコッタ溝部１
６をも収容するように設定し、筒状支持体４２の内径を
弁軸端部１７に対して筒状支持体４２が所定角度傾くよ
う設定したものである。従って、上記筒状支持体４２に
曲げ応力を負荷すれば、上記コッタ溝部１６に筒状支持
対の傾きに応じた曲げ荷重を負荷することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記特開平３
−１３８４２号公報に開示された提案には下記の不具合
がある。 （１）弁軸軸芯方向と直交する断面は弁軸よりも弁傘部
の方が大きく、曲げ荷重を大きくすると弁傘部根本付近
で塑性変形乃至は破断が生じてしまうため、前記第一試
験装置によっても弁傘部の最大応力を検出できない。従
って、伸びが特に少ないセラミック製の弁では顕著な問
題となる。 （２）一方、第二試験装置は筒状支持体と弁軸端部との
間隙の程度によりコッタ溝部に対する曲げ応力を検出す
る構造とすると、コッタ溝部の最大応力を測定するため
には、筒状支持体の遊嵌代を大きくとる必要があるが、
このようにすると筒状支持体に対する曲げ荷重の作用点
がずれ、これにより測定値に誤差分が含まれ、測定値の
信頼性が損われてしまう問題がある。

【０００８】この発明の第一の目的は、弁傘部の応力を
検証し得るエンジンン弁の強度試験装置を提供すること
にある。

【０００９】この発明の第二の目的は、コッタ溝部の応
力を検出し得るエンジンン弁の強度試験装置を提供する
ことにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の第一の目的を達
成するための弁の強度試験装置は、弁軸の一端部にコッ
タ溝を他端部に弁傘部を有する吸気弁、排気弁等の弁端
部に荷重を加えて応力を検査する弁の強度試験装置にお
いて、前記弁傘部外周面を支持する支持手段と、前記弁
傘部の傘表中央に押し付ける圧子、好ましくは鋼球と、
該圧子を前記弁軸の軸線方向に付勢させて前記傘表中央
に押し付ける押圧手段とを備えたことを特徴とする。こ
の場合、圧子とは上記傘表に押し付けられときその押し
付け力に応じた窪みを形成するためもので、傘表との接
触面積と押し付け力との関係から応力を求めるものであ
る。この圧子としては、円錐等の断面Ｕ字、Ｖ字形のも
の用いることも可能であるが、好ましくは、弁傘表中央
には球面状凹部が形成されているため、この球面凹部に
係合する鋼球を圧子として用いると、特別な調心を必要
とせずに弁軸軸線方向に傘表中央部を付勢して応力を生
じさせることができる。従って、前記押圧手段により傘
表中央部に圧子を押し付け、この押し付け力と圧子との
接触面積との関係より弁傘部に作用する応力とを求める
ことでき、傘表から傘裏側へかけての応力分布及び最大
応力とその位置とを正確に知ることができる。

【００１１】また、この発明の第二の目的を達成する弁
の強度検査装置は、弁軸の一端側にコッタ溝を他端に弁
傘部を有する吸気弁、排気弁等の弁端部に荷重を加えて
応力を検査する弁の強度試験装置において、前記弁軸の
軸端より前記コッタ溝部手前を片持支持、好ましくは弁
軸端を回転支持する軸受を介して片持ち支持する支持手
段と、前記弁軸の他端部に曲げ荷重を負荷し、前記コッ
タ溝部に曲げ応力を発生させる荷重負荷手段とを備えた
ことを特徴とする。かかる構造とすると、断面係数の最
も小さいコッタ部に曲げ荷重を作用させることができ、
その破断荷重から最大応力を正確に知ることができる。
また、上記軸受を介して弁軸端部を片持ち支持し、軸受
に対して弁軸の回転角を変えながら、上記荷重負荷手段
により弁軸の他端部側に荷重を負荷すると、コッタ溝周
りの曲げ応力を把握することができ、より信頼性の高い
試験とすることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施
形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、そ
の相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、こ
の発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説
明例にすぎない。

【００１３】（実施形態１）図１は弁傘部に対し実機の
燃焼ガス圧（筒内圧）と同じ応力分布が生じるように構
成した吸気弁、排気弁等のエンジン弁、（以下、単に弁
という）の強度試験装置の構成図を示している。

【００１４】図１に示すように、この弁の強度試験装置
１Ａは、耐摩耗性金属、またはセラミック製の弁１１を
支持する支持台２１と、この支持台２１に支持する弁１
１の傘表（触火面）１５を押圧するための鋼球（圧子）
２４と、この鋼球２４を傘表中央部に押し付ける押圧手
段２５とから構成され、その支持台２１の軸芯部を貫通
する弁軸挿入孔２６に弁１１の弁軸部１２を挿入し、そ
の弁軸挿入孔２６の入口部に形成された弁座２２に弁傘
部１４外周面の弁座面１４Ａを着座させることにより、
支持台２１に弁１１を支持するようになっている。そし
て、弁座２２に弁座面１４Ａをセットした後は、押圧手
段２５を作動して弁１１の傘表１５中央部に圧子たる鋼
球２４を押し当て、弁表１５に押し付け力に応じた窪み
を形成する構成となっている。

【００１５】一方、前記押圧手段２５として、例えば、
押圧力の調節が可能な油圧式アクチュエータが用いら
れ、このアクチュエータの油圧回路には上記鋼球２４に
作用する油圧力の変化に応じて弁傘部１４の傘裏側に作
用する荷重を表示する計測器（不図示）が備えられる。
勿論この場合、前記油圧力の変化と、前記鋼球（圧子）
の接触面積とから直接応力値を表示する計測値を備える
ことも可能である。

【００１６】従って、前記押圧手段２５により傘表１５
の中央部に鋼球２４を押し付け、傘表１５に押圧力に応
じた窪みを形成することができ、このため、押し付け力
（荷重）と鋼球２４の接触面積の関係から弁傘部１４に
作用した応力を求めることできる。

【００１７】図２は、縦軸を応力／最大応力、横軸を傘
表１５より傘裏側への鋼球２４の食込み深さとして、傘
裏側の応力分布を示している。図２中、符号３１は従来
の弁の曲げ試験装置（図６参照）による曲げ応力分布、
符号３２は本実施形態に係る弁の試験装置１Ａによる弁
１１の傘裏側の圧力分布を示している。なお、圧子とし
てはφ１０ｍｍ程度の鋼球２４を用い、弁１１として傘
表１５の直径がφ３０〜３５ｍｍのものを用いた。図２
から明らかなように従来の曲げ試験装置（図６）に係る
負荷応力３１では、傘表１５からほぼ３０ｍｍ以上離れ
た弁軸中央部側しか検出することができないが、本実施
形態の試験装置１Ａでは傘裏部側の負荷応力３２を検出
することができ、しかも弁傘裏側の応力が高くなること
が理解できる。従って、本実施形態に係る試験装置１Ａ
は、弁傘部１４の応力測定に適している。

【００１８】図３は、弁１１の傘表１５に実際のガス圧
（筒内圧）を作用させて測定した傘裏側の負荷応力４１
と、本実施形態に係る試験装置１Ａによって傘表１５の
中央部（傘表中央部）に集中荷重を負荷したときの負荷
応力４２（図２の応力分布に対応する）とを比較した比
較図である。この図３によれば、両者は傘表１５から傘
裏側への鋼球２４の凹み量に対してほぼ同様な応力の変
化を示すことが確認される。従って、本実施形態に係る
試験装置１Ａによれば、実際にガス圧（筒内圧）が作用
した場合とほぼ同じ試験結果を得られ本試験装置１Ａの
有効性を確認できた。もちろん本試験装置１Ａの使用に
際して動的（衝撃的）な条件、ひずみ速度等を考慮すれ
ば、実際とより近似する結果が得られる。

【００１９】以上のように、本発明の実施形態に係る試
験装置１Ａによれば従来は困難であった弁１１の傘裏側
の負荷応力の検出ができ、しかも実際に傘表１５にガス
圧が作用した場合と違いのない負荷応力の検出が可能と
なる。従って、より信頼性の高い弁１１の提供が可能と
なる。

【００２０】なお、上記試験装置１Ａでは支持台２１の
弁座２２に弁１１の弁座面１４Ａが係合して着座するよ
うにして、弁１１の自重により弁軸挿入孔２６の軸芯線
と弁軸１２の軸芯線とが自動的に一致するようになって
いるが、調節のために支持台２１の下部を開口して上記
軸挿入孔弁２６と連通する弁装着確認窓２３を設ける
と、この弁装着確認窓２３から弁軸１２の姿勢位置を確
認することができ、弁軸１１が正しく設置されていない
場合は、この窓２３を通じて軸挿入孔２６にロッド等を
挿入してこのロッドにより弁軸１２を正しく修正すれ
ば、より正確な負荷応力の試験結果を得ることができ
る。

【００２１】（実施形態２）図４に示すように、この実
施形態に係る弁の強度試験装置１Ｂは、前記コッタ溝部
１６との境界よりステムエンド側を片端固定してその反
対側、好ましくは弁軸１２と弁傘部１４との境界、すな
わち弁傘部１４の付け根寄り部位に曲げ応力を負荷する
ことによりコッタ溝部１６に曲げ応力を発生させるよう
構成されている。

【００２２】すなわち、図４に示すように、弁１１はそ
の弁軸端部１７がチャック等の押え具５１により回転軸
５２に固定され、この回転軸５２が回転軸受５３を介し
て軸受箱５４に回転支持されている。そして回転軸受５
３は固定台５５を介して床等の固定系に固定される。一
方、回転軸５２の他端には回転歯車５６が一体的に装着
され、この回転歯車５６を、例えば、ウォームギヤ５７
で回転駆動することにより回転軸５２、押え具５１、弁
１１を一体で回転するよう構成されている。そして上記
弁軸１２の固定側と反対側には、負荷手段として弁軸１
２の軸方向に沿って移動し得る負荷ベアリング５０１が
遊嵌状に取付けられ、この負荷ベアリング５０１に、シ
ャックル、受け皿等から成る負荷治具５０２を介して弁
軸１２の弁傘部１４側に所定重量の分銅５０３が吊り下
げられ、コッタ溝１６に集中的に曲げ応力を作用させる
ように構成されている。

【００２３】従って負荷治具５０２に負荷用の分銅５０
３を載せて弁１１のコッタ溝部１６に曲げ荷重を作用さ
せれば簡単にコッタ溝部１６の曲げ応力を測定すること
ができ、また、上記ウォームギア５７により上記回転軸
５２を所定角度回転させて、弁１１の回転位置を変更す
ると、コッタ溝部１６近傍の曲げ応力を全周にわたって
検出することができ、信頼性の高い曲げ変位、撓みを測
定することができる。従って係る変位、撓み、荷重、曲
げモーメント等により応力を求めることができる。

【００２４】図５は曲げ応力の試験結果で、縦軸を応力
／最大応力、横軸を傘表１５より傘裏側への距離として
弁１１の曲げ応力の変化を表している。同図において、
実線は本第２実施形態に係る試験装置１Ｂによる負荷応
力６１を、点線は従来の曲げ試験装置（図６参照）によ
る負荷応力６２を示す。なお、試験ではコッタ溝部１６
は１〜２ｍｍ程度のＲ形状（１Ｒから２Ｒ）として応力
が集中するようにした。この図５の結果によると、従来
の曲げ試験装置によれば傘表１５から約９５ｍｍ程度以
上離れた弁軸端部で応力が低下（６２）するが、本第２
実施形態に係る試験装置１Ｂでは負荷応力は約９５ｍｍ
程度以上離れたコッタ溝部１６近傍で大きく（６１）な
るとの効果が見られる。従って、従来では困難であった
コッタ溝部１６近傍への所定の応力負荷が可能となっ
た。よって、本実施形態１及び実施形態２に記載した弁
の試験装置１Ａ、１Ｂで夫々弁１１の弁傘部１４とコッ
タ嵌合溝１６の応力を試験して合格したものを製品とす
ると、より信頼性の高い弁１１を提供することができ
る。

【００２５】

【発明の効果】以上記載のごとく、本発明によれば次の
様な優れた効果を発揮する。

【００２６】請求項１記載の発明において、弁軸の一端
部にコッタ溝を他端部に弁傘部を有する吸気弁、排気弁
等の弁端部に荷重を加えて応力を検査する弁の強度試験
装置において、前記弁傘部外周面を支持する支持手段
と、前記弁傘部の傘表中央に押し付ける圧子、好ましく
は鋼球と、該圧子を前記弁軸の軸線方向に付勢させて前
記傘表中央に押し付ける押圧手段とを備えたので、傘表
から傘裏側にかけての応力及びその分布を正確に知るこ
とができ、これにより信頼性の高い弁を提供することが
できる。

【００２７】請求項２記載の発明において、弁軸の一端
側にコッタ溝を他端に弁傘部を有する吸気弁、排気弁等
の弁端部に荷重を加えて応力を検査する弁の強度試験装
置において、前記弁軸の軸端より前記コッタ溝部手前を
片持支持、好ましくは弁軸端を回転支持する軸受を介し
て片持ち支持する支持手段と、前記弁軸の他端部に曲げ
荷重を負荷し、前記コッタ溝部に曲げ応力を発生させる
荷重負荷手段とを備えたので、コッタ溝部の曲げ応力を
正確に知ることができ、これにより信頼性の高い弁を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明の一実施形態に係る弁の強
度試験装置の構成図である。

【図２】弁傘裏側に作用する応力の分布図である。

【図３】ガス圧応力と傘表中央集中荷重応力との比較図
である。

【図４】請求項２記載の発明の一実施形態に係る弁の強
度試験装置の構成図である。

【図５】弁のコッタ溝部に作用する応力の分布図であ
る。

【図６】従来の弁の曲げ強度試験装置の構成図である。

【図７】従来の弁全体の曲げ応力を試験する曲げ強度試
験装置の構成図である。

【図８】従来の弁の曲げ強度試験装置の構成図であり、
特にコッタ溝部の曲げ応力を試験する装置の構成図であ
る。

【符号の説明】

１１ 弁（吸気弁、排気弁等のエンジン弁） １２ 弁軸 １４ 弁傘部 １４Ａ 弁座面 １５ 傘表 １６ コッタ溝部 １７ 弁軸端部 ２１ 支持台 ２２ 弁座 ２４ 鋼球（圧子） ２５ 押圧手段 ５０１ 負荷軸受（負荷手段） ５０２ 負荷治具（負荷手段） ５０３ 分銅（負荷手段）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弁軸の一端部にコッタ溝を他端部に弁傘
   部を有する吸気弁、排気弁等の弁端部に荷重を加えて応
   力を検査する弁の強度試験装置において、 前記弁傘部外周面を支持する支持手段と、 前記弁傘部の傘表中央に押し付ける圧子、好ましくは鋼
   球と、 該圧子を前記弁軸の軸線方向に付勢させて前記傘表中央
   に押し付ける押圧手段とを備えたことを特徴とする弁の
   強度試験装置。
2. 【請求項２】 弁軸の一端側にコッタ溝を他端に弁傘部
   を有する吸気弁、排気弁等の弁端部に荷重を加えて応力
   を検査する弁の強度試験装置において、 前記弁軸の軸端より前記コッタ溝部手前を片持支持、好
   ましくは弁軸端を回転支持する軸受を介して片持ち支持
   する支持手段と、 前記弁軸の他端部に曲げ荷重を負荷し、前記コッタ溝部
   に曲げ応力を発生させる荷重負荷手段とを備えたことを
   特徴とする弁の強度試験装置。