JPH06299816A - 超軽量のポペットバルブおよびその製造方法 - Google Patents

超軽量のポペットバルブおよびその製造方法

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JPH06299816A
JPH06299816A JP6065066A JP6506694A JPH06299816A JP H06299816 A JPH06299816 A JP H06299816A JP 6065066 A JP6065066 A JP 6065066A JP 6506694 A JP6506694 A JP 6506694A JP H06299816 A JPH06299816 A JP H06299816A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高い強度対重量特性を維持し、かつ、軽量化
した超軽量のポペットバルブを提供する。 【構成】 ポペットバルブ１０は、チップ１８とフィレ
ット領域１６が一体構造となったステム要素１２にバル
ブの強度と剛性を高めるに最適な形状のキャップ１４が
溶接されたものである。ステム要素１２は、バルブのフ
ィレット領域１６を限定しているフレア形の開いた端
と、チップ１８を限定している１つの閉じた端を有する
カップの形をなしていて、チップ１８に至るまでずっと
中空になっている。また、ステム要素１２は、深絞りプ
ロセスによって成形されていて、その成形の結果、フィ
レット領域１６およびチップ１８においては、実質上最
初の素材の厚さとなっており、ステムの長さ全体に渡っ
てはそれらの厚さより薄いものとなっている。また、キ
ーパー溝２６がチップ１８の近くに形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的には内燃機関用
のポペットバルブに関し、特に、高い強度対重量特性を
維持し、かつ、軽量化したポペットバルブおよびその製
造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関のポペットバルブは、最も普通
には、機械加工、鍛造、または押出しによって、高強度
で耐熱性の中実の素材を作り、その素材に、仕上げ機械
加工や研削の加工を施す、ということで製造されてい
る。
【０００３】幾つかの利用分野では、要求される性能に
応えるため、製造プロセスの間にナトリウムのような冷
却剤を中に入れ得るようにステムを中空にしたポペット
バルブが用いられている。従来技術においては、このよ
うな中空のステムは、ステムのドリリング加工のような
方法によってか、またはステムを、マンドレルつまり着
脱可能のコアを用いて押出しつまり鍛造することによっ
て形成されている。
【０００４】米国特許第 5,054,195号明細書にはポペッ
トバルブの製造プロセスが開示されている。そのポペッ
トバルブは、管状の素材を冷間成形によって所望のステ
ム部直径にし、ステム直径と素材直径の間の遷移領域を
ニーディングプロセスまたは類似の方法で円弧状に成形
することによってバルブのフィレット部分を限定し、フ
ィレット部分の外側直径またはその付近で素材を切り落
し、バルブのヘッド部を限定するキャップを取り付け、
キャビティを閉じるべく追加の部品をバルブのチップ端
に取り付ける、ということにより製造されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来技術による中実の
ポペットバルブにおいては、ポペットバルブの構造上重
量の軽減は難しい。また、上記公知の製造プロセスで製
造された中空のポペットバルブにおいては、従来技術に
よる中実のポペットバルブよりもかなり軽量ではあるも
のの、内燃機関における性能、燃費、および排気ガス制
御の標準が益々厳格になったために、さらなる重量の軽
減が必要であり、それは、従来技術によるプロセスでは
経済的に達成され得ないと考えられる。さらに、目下進
行中の、バルブが電気的または流体圧的アクチュエータ
によって直接的に開閉されるという方式のカムレスのバ
ルブ作動の開発では、従来技術でならばポペットバルブ
の質量によって要求されるはずの過度な作動用エネルギ
ーを避けるためにポペットバルブの質量に制限を課して
おり、さらなるポペットバルブの重量の軽減が要求され
ている。
【０００６】本発明の目的は、高い強度対重量特性を維
持し、かつ、軽量化した超軽量のポペットバルブおよび
その製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明のポペットバルブ
は、内燃機関のための超軽量のポペットバルブであっ
て、ステム部分と、キャップ部分と、チップ部分と、前
記ステム部分と前記キャップ部分の間の遷移領域を限定
するフレア形のフィレット部分とを含んで成っていて、
前記ステム部分、チップ部分、およびフィレット部分
は、フィレット端では開いてチップ端では閉じている一
体物で薄肉の円筒形の部材とされ、前記キャップ部分
は、前記フィレット部分に取り付けられたディスク形の
キャップ部材とされていることを特徴とする。
【０００８】この場合、フィレット部分は第１の最大壁
厚さを有し、ステム部分は前記第１の最大壁厚さよりも
薄い第２の最大壁厚さを有し、チップ部分は前記第２の
最大壁厚さよりも厚い第３の壁厚さを有するものとして
もよい。
【０００９】さらに、第１の壁厚さがほぼ一様であり、
第１の最大壁厚さと第３の壁厚さがほぼ相等しいものと
してもよい。
【００１０】さらに、ステム部分とチップ部分が交わる
場所において形成されたベベル形の面を含んでいてもよ
い。
【００１１】さらに、ベベル形の面が40±10°の角度で
形成されていてもよい。
【００１２】さらに、ステム部分において形成された一
つまたはより多くの溝を含んでいてもよい。
【００１３】さらに、キャップ部材の頂面は、内燃機関
で発生される燃焼圧力にさらされる燃焼側の面とされ、
該燃焼側の面は、ステム部分の長さ方向軸線に垂直な線
に対して第１の角度をなすように形成された回転面であ
り、前記燃焼側の面の反対側の面は、前記ステム部分の
長さ方向軸線に垂直な前記の線に対して第２の角度をな
すように形成されていてもよい。
【００１４】この場合、第１の角度が０°であり、第２
の角度も０°であるように成形されてもよい。
【００１５】さらに、第１と第２の角度が、どちらも０
°より大きく、そして相等しいように形成されてもよ
い。
【００１６】さらに、第１の角度が第２の角度よりも大
きく成形されてもよい。
【００１７】さらに、第１の角度が第２の角度よりも小
さく成形されてもよい。
【００１８】さらに、キャップ部材が、自身の上に形成
された一つまたはより多くの、半径方向に配置されたリ
ブを有していてもよい。
【００１９】この場合、円筒形の部材が、平らな金属の
素材に複数の冷間成形のステップ、すなわち、順次に直
径は小さく長さは大きくなっている複数のマンドレルを
前記素材に順次に係合させるという複数の冷間成形のス
テップを施すことによって形成されていてもよい。
【００２０】さらに、バルブが、キャップ部材上に形成
されたバルブシート係合面を含んでいてもよい。
【００２１】さらに、バルブが、フィレット部分の上に
形成されたバルブシート係合面を含んでいてもよい。
【００２２】さらに、バルブの中に収容された蒸発性液
体の冷却剤を含んでいてもよい。
【００２３】さらに、バルブの排除容積の、キャビティ
容積に対する比が3.25よりも小さく設定されていてもよ
い。
【００２４】さらに、バルブステムの外側直径の、バル
ブステムの内側直径に対する比が1.25よりも小さく設定
されていてもよい。
【００２５】また、本発明のポペットバルブは、内燃機
関のための超軽量のポペットバルブであって、ステム部
分と、キャップ部分と、チップ部分と、前記ステム部分
と前記キャップ部分の間の遷移領域を限定するフレア形
のフィレット部分とを含んで成っていて、前記ステム部
分が、中空であって、前記内燃機関によって発生される
燃焼圧力に起因する前記バルブ内の最大応力の点が前記
バルブの長さ方向中心線から実質的に離れて位置するこ
ととなるために十分なだけ薄い壁断面を有していること
を特徴とする。
【００２６】この場合、最大応力の点が、中心線からバ
ルブの外側エッジに至る半径方向距離の少なくとも70%
の点に位置していてもよい。
【００２７】さらに、ステム部分、チップ部分、および
フィレット部分が、フィレット端では開いてチップ端で
は閉じている一体物の円筒形の部材とされており、前記
キャップ部分は、前記フィレット部分に取り付けられた
ディスク形のキャップ部材とされていてもよい。
【００２８】本発明のポペットバルブの製造方法は、内
燃機関のための超軽量のポペットバルブを製造する方法
であって、平らな金属の素材を準備し、前記素材に、複
数の冷間成形のステップ、すなわち、順次に直径は小さ
く長さは大きくなっている複数のマンドレルを前記素材
に順次に係合させ、それにより、前記素材を絞って、ほ
ぼ平らな閉じた端とフレア形の開いた端を有する一方に
長い円筒にするという冷間成形のステップを施し、次い
で、前記のフレア形の端に、実質上ディスクの形のキャ
ップ部材を溶接する、というステップを含んで成ること
を特徴とする。
【００２９】この場合、円筒に環状の溝を、前記円筒の
壁を内方へと変位させることによって形成する、という
ステップを含んでいてもよい。
【００３０】さらに、工具要素の一方のものは自身の上
に形成された斜面形の突起を有していることとして、相
互に平行な二つの工具要素の両表面間で円筒を把持し、
前記工具要素を、相互に逆方向で前記表面に平行に動か
す、ということによって前記の壁の変位を起させてもよ
い。
【００３１】さらに、他方の工具要素が、自身の上に形
成された、前記円筒に係合し得る摩擦面を有していても
よい。
【００３２】さらに、溶接のステップの前に、バルブの
内部に冷却剤を入れるというステップを含んでいてもよ
い。
【００３３】さらに、金属の素材に複数の冷間成形のス
テップを施すことによって、その素材を絞り、一つの閉
じた端とフレア形の開いた端を有する一方に長い円筒に
し、次いで、前記のフレア形の端に、実質上ディスクの
形のキャップ部材を溶接する、というステップを含んで
成っており、前記内燃機関によって発生される燃焼圧力
に起因する前記バルブ内の最大応力の点が前記バルブの
長さ方向中心線から実質的に離れて位置することになる
ような厚さまで前記円筒の壁厚さを減らすために十分な
回数の前記の冷間成形ステップを前記素材に施してもよ
い。
【００３４】この場合、最大応力の点が、中心線からバ
ルブの外側エッジに至る半径方向距離の少なくとも70%
の点に位置していてもよい。
【００３５】
【作用】最小の重量という目的を達成するために、本発
明は、ポペットバルブのチップ部とフィレット部を一体
構造として含むステム要素と、ステム要素に望ましくは
溶接されているキャップを含んで成るポペットバルブを
提供している。望ましい実施態様においては、ポペット
バルブのシート面はキャップ要素上に形成されている
が、代案の実施態様では、シート面は、フィレットとス
テム要素の間の溶接継手の一部として、またはステム要
素上に形成されている。
【００３６】本発明によれば、ステム要素は、ポペット
バルブのフィレット領域を限定しているフレア形の開い
た端とチップを限定している一つの閉じた端を有するカ
ップの形をなしていて、チップに至るまでずっと中空に
なっている。
【００３７】また、本発明によれば、ステム要素の壁断
面は、フィレット領域において比較的に厚く、次第に薄
くなって残りのステムの長さ部分のほぼ一様な厚さへと
続いており、チップ端においては再び比較的に厚くなっ
ている。
【００３８】本発明においては、ステム要素は、深絞り
プロセスによって製造され、そこにおいては、板状のデ
ィスクの形での最初の素材に複数の冷間絞りステップを
施すことにより、一方に長くてフレア形になったカップ
が作られており、そのカップのフレア形の端の外側エッ
ジ部とチップ端は、ほぼ、最初の素材の厚さになってい
る。本発明の一つの局面によれば、絞りプロセスへの追
加のステップとして、１本またはより多くのキーパー(k
eeper)溝が、中空のステムに、ロール押し込みで作られ
ている。
【００３９】本発明によって用いられている深絞りプロ
セスは、今までは、エンジンのバルブ、特には排気バル
ブを製造するためには実用的でないと考えられていた。
何故ならば、深絞りされるに十分な延性を有する材料は
エンジンのバルブで用いられるに十分な高温強度特性を
有するとは考えられなかったからである。しかし、本発
明は、絞られたステム要素を、冷却や、強度を高める特
徴的設計と組み合わせて利用しているので、この分野の
ための高延性の材料の使用が実用的になっている。
【００４０】本発明の他の局面によれば、キャップ要素
が、バルブの強度と剛性を高めるに最適の形になってお
り、なお、キャップは、最適の応力／温度関係が存在す
る領域においてステムに溶接されており、また、別の実
施態様によれば、キャップは、バルブの燃焼側の面の剛
性を高めると共に燃焼側の面と内部の冷却剤の間の熱伝
達を改善する働きをする複数のリブを含んでいる。
【００４１】本発明の超軽量のポペットバルブは、チッ
プ部とフィレット部が一体構造となったステム要素にバ
ルブの強度と剛性を高めるに最適な形状のキャップが溶
接されているので、深絞りされるに十分な延性を有する
材料をステム要素に用いてもバルブの強度対重量特性を
損なうことはない。しかも、ステム要素は、ポペットバ
ルブのフィレット領域を限定しているフレア形の開いた
端と、チップを限定している１つの閉じた端を有するカ
ップの形をなしていて、チップに至るまでずっと中空に
なっているので、高い強度対重量特性を維持し、かつ軽
量化したポペットバルブを形成することが可能となる。
【００４２】また、本発明のポペットバルブにおいて
は、ステム要素の極めて薄い壁断面と、バルブの強度と
剛性を高めるに最適な形状のキャップとの組み合せによ
って、ポペットバルブに加わる最大応力の区域をバルブ
の中心から温度が比較的に低いレベルにあるバルブの外
側エッジの方へと移動することができるので、最大応力
の区域を最高温度の区域から離すことができ、これによ
り、よりフレキシブルなポペットバルブの材料の選択が
可能となる。
【００４３】さらに、本発明のポペットバルブでは、そ
のシート面はキャップとステム要素とを組み合せて溶接
され、その溶接は最適の応力／温度関係が存在する領域
において行なわれるるので、より硬いシート面を提供す
ることが可能となる。
【００４４】また、本発明の冷却剤を充填したポペット
バルブでは、ポペットバルブのステム要素の壁は極端に
薄いものとなっているので、ポペットバルブのステム要
素の壁が内部の冷却剤から外部のシリンダヘッドのバル
ブガイドに至る熱伝達の障壁として働く障壁効果を大き
く軽減することが可能となる。
【００４５】
【実施例】本発明のその他の局面や利点は、添付の図面
と関係づけて以降の説明を熟考することから明らかにな
って来るであろう。
【００４６】図１を参照して詳細に説明する。図１には
ポペットバルブ１０が示されており、そのポペットバル
ブは、ステム要素１２と、そのステム要素に溶接または
他の方法で結合されたキャップ部材１４を含んで成って
いる。
【００４７】望ましい実施例においては、吸気バルブの
ためのステム要素は、SAE 1008鋼のような延性金属の板
製品を用いて製造され得るが、排気バルブのためのステ
ム要素は、UNS 305のようなステンレス鋼またはIncoloy
800を用いて製造され得る。そして、どちらの場合も、
キャップは、ステンレス鋼または他の耐性ある材料で形
成される。個々の場合の材料がエンジンの利用分野に依
存して変わるということは理解されることである。
【００４８】より詳しくは後述するが、ステム要素１２
は、深絞りプロセスによって成形されていて、その成形
の結果、フィレット領域１６においては第１の壁厚さは
ｔ1となっている。それはフィレット領域の最も外側に
おいて最大であり、ステムの長さ全体に渡ってはｔ1 よ
りも小さなほぼ一様な第２の厚さｔ2 となっており、チ
ップ１８においてはｔ1 とほぼ同じ厚さである第３の厚
さｔ3 となっている。
【００４９】図１ａは、代案のチップの設計を示してい
て、そこでは、チップ１８ａは、バルブのチップ端の剛
性を増大させるためのベベル形部分１９を含んでいる。
図示の例では、そのベベル形部分が40±10°の角度で形
成されているのが望ましい。
【００５０】図２ａ〜２ｃには、形状の異なるキャップ
部材が示されている。図２ａを見るに、キャップ部材１
４はディスクであって、そのディスクは、凸形の燃焼側
の面２２と凹形の内側面２３を有するように形成されて
いるのが望ましい。シート面２０が、機械加工、肉盛り
機械加工、または他の公知の方法によって形成され得
る。望ましい実施例においては、ディスクの強度対重量
の比が、角度ｂが角度ａより大きくなるように外側から
壁にテーパをつけることによって、最大にされている。
望ましい実施例においては、角度ａは、ステムの長手方
向軸線に垂直な線に対して約 5°であり、角度ｂは、そ
のような線に対して約10°である。望ましい実施例の場
合には上記のとおりであるが、図２ｂに示されているよ
うに角度ａが角度ｂと等しいとか、図２ｃに示されてい
るように角度ａが角度ｂよりも大きいといった形状も用
いられ得る。
【００５１】望ましい実施例においては、キャップがス
テム要素１２に溶接部２４において溶接されており、な
お、キーパー溝２６が、バルブのチップ端の近くのステ
ムの壁にロール押し込みによって形成されている。溶接
部２４は、レーザ溶接、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、ＥＢ
溶接、および抵抗溶接の技術などの種々の公知のプロセ
スによって行われ得るが、その溶接は、フィレット１６
の外側エッジとシート面の近くのキャップ上に形成され
た面２５の間の境界部に位置していて、その場所は、後
述するように、隣接区域よりも比較的に温度が低く、し
たがって材料の強度特性が高い区域になっている。バル
ブが流体圧的または電気的アクチュエータによって直接
的に開閉されるという利用分野においては、キーパー溝
を含める必要はないであろう。
【００５２】本発明によれば、ステム要素は、深絞りと
して知られている冷間成形プロセスによって形成されて
いて、そのプロセスは、典型的には、いわゆるトランス
ファプレスによって遂行される。このプロセスにおいて
は、一連の絞りステップが加工片に施されるが、その一
連の絞りステップは、平らな板状ディスクから出発し、
一つの絞り工具のセットから次の絞り工具のセットへと
段階的に移行される。単一のトランスファマシンの中で
複数のステップが遂行されるが、各々のステップは、別
々のカム作動で行われる。
【００５３】このプロセスの結果として、平らなディス
クは、ディスクの直径に近く、一方に長い真直な形のカ
ップ形の部材へと変形される。図示するようなこのプロ
セスでは、格別に薄肉で、しかしながら、比較的に強度
が高い部品を冷間加工の絞りプロセスで製造することが
可能である。
【００５４】図３ａ〜３ｄには、トランスファプロセス
における幾つかの典型的ステップが略図的に示されてい
る。それらステップは、図３ａの板状ディスク１２
（ａ）で出発し、図３ｂ，３ｃで図示されているよう
な、最終のバルブの長さに依存する幾つかの中間ステッ
プを経て進行し、各ステップ間においては、加工片はそ
れぞれ異なる保持具２８ｂ〜２８ｄの中で保持され、カ
ムで作動させられるプランジャつまりそれぞれ異なるマ
ンドレル３０ｂ〜３０ｄが加工片にかん合されるので、
加工片は絞られて所望の形になる。
【００５５】絞りプロセスの中で、または絞りプロセス
の完了後に、開いたフレア形の端を切り落とすとか、フ
ィレット部分の半径を合わせるとか、ステム部分の直径
を最終値にするとかの追加的なステップが行われてよ
い。バルブのチップが所望の最終の形（図示の実施例で
は平ら）になることを確実にするために、さらなるプレ
ス作業が行われてもよい。
【００５６】次に、図４および図５を参照して、本発明
をさらに詳細に説明する。本発明は、キーパー溝２６が
冷間成形プロセスの一部として形成されるという一つの
ステップを含んでいてよい。このステップにおいては、
ほぼ完成の形状になった加工片がトランスファプレスの
中の一つのステーションに移送され、そこで加工片は、
図５の矢印で示されているように相互に反対の方向に動
くように歯車または他の方法で相互に連結された二つの
ダイ３２と３４の間に収容され、加工片は、それらダイ
の間でロールされる。
【００５７】ダイ３２は、溝２６を形成できるように、
加工片を把持するために自身の上に形成されたローレッ
ト面または他の高摩擦の面３３を有しており、一方ダイ
３４は、加工片の材料を変位させてキーパー溝を形成す
るための、斜面の形をして自身の上にある突起３５を有
している。
【００５８】溝を形成するためには他の方法も用いられ
得るのであり、それら方法の中には、半径方向に動き得
る複数の円形ダイを加工片を包囲する位置関係で用いる
という方法がある。材料が変位するのであるから、チッ
プ端の形を確実にするためとか、ステム部分の最終の寸
法を得るのための最終のステップは、溝のロール成形の
ステップの後に行われる。ここでは単一の溝を示した
が、もし、特別なエンジンの設計のためとか、または、
追加的な剛性を付与するために必要ならば、種々の形の
複数の溝が形成され得る、ということは理解され得るこ
とである。
【００５９】上記のプロセスから結果としてできる最終
のステム要素１２は、チップ端が一体物であることと、
フィレットとチップの区域での厚さ（それぞれｔ1 とｔ
3 ）は実質上最初の金属板（図３ａの１２ａ）の厚さで
あるものの、ステムの真直の部分の長さ全体を通して壁
が極めて薄くなっていることを特徴としている。
【００６０】この壁厚さの関係とキャップ１４の設計の
意義は、図６、および７を見れば理解されよう。それら
の図は、同様の形に作られた二つの、中空で 50%までナ
トリウム・カリウム冷却材が充填された排気バルブの、
温度、応力、および強度のプロフィルを比較して示して
いる。
【００６１】図６ａ〜６ｃは、400シリーズのマルテン
サイト系ステンレス鋼または21-2nステンレス鋼から製
造された、ドリリングされた従来技術によるバルブに関
し、実験データや有限要素解析で得られた結果を含めて
いる。図７ａ〜７ｃは、本発明によるバルブに関し、経
験上や有限要素解析によって得られた結果を含めてい
る。
【００６２】図６ｂ，および６ｃに示すように、最大の
応力も最高の温度も中心線とシート面間であるフィレッ
トの区域内のほぼ中間点で起こることと、この点におけ
る温度の曲線の顕著なピークが材料強度の曲線において
対応する凹みを生じさせていることが知られる。
【００６３】図７ｂ、および７ｃは、本発明のバルブに
おいて得られると期待される特性を表しており、そこで
は、極めて薄い壁構造の結果として、熱伝達特性が改善
され、応力プロフィルも改善されている。最高の温度が
従来技術によるバルブと同じ区域で起こっているものの
温度曲線はほぼ平らである、ということが知られる。
【００６４】本発明のバルブにおいては、ステム部分の
極めて薄い壁断面と、ステムのフレア形になったフィレ
ット部分を橋渡ししているキャップの設計とが組み合わ
されて、最大応力の区域をバルブの中心線から外方に、
つまり、温度が比較的に低いレベルにあるバルブの外側
エッジの方へと移行させる働きをする。
【００６５】この、最大応力の区域を最高温度の区域か
ら離すことにより、用いられ得る材料の選択が、よりフ
レキシブルになる。何故ならば、材料の強度特性は、一
般に温度が低くなると高くなるからである。強度曲線が
比較的に平らであることも、材料の選択がよりフレキシ
ブルになることに寄与する。さらにあるこの構造の利点
は、ステム部分とキャップの間の溶接継手もが比較的に
低い温度の区域に位置し得ることにある。
【００６６】再び図２ａを見るに、最大応力の位置とレ
ベルは、かなりの程度にキャップ１４の設計によって影
響されるのであって、そこで後述の図８および図９に示
されている望ましい実施例は、最高にされた強度／剛性
と最小にされた重量の最適の組み合わせを実現してい
る。
【００６７】図８および図９には本発明の代案の実施例
が示されていて、その実施例においては、キャップ１４
ｂが平らな燃焼側の面２２ａを有しており、なお、複数
のリブ２９が、図８において実線で示されているように
内側面上に、または破線で示されているように，燃焼側
の面上（２９′）に形成されている。それらリブは、キ
ャップのためのスチフナとして働き、実質上、図１の実
施例の角度付きの形と同様の機能を果たす。なお、それ
らリブは、燃焼側の面の剛性を高めることができるとと
もに、キャップの表面積を増大させ、それにより、熱伝
達を改善する。
【００６８】図１０には一つの代案の実施例が示されて
おり、その実施例においては、キャップ１４ｄが、シー
ト面の区域の中でギャップを残すような寸法にされてい
る。このギャップは、ステライトのようなシート用ハー
ドフェーシング材料、または他の公知のハードフェーシ
ング材料で充填され、それから、最終のシート面の形状
になるように仕上げられ、それにより、硬化されたシー
ト面２０ａが限定されると共に、キャップがステム要素
１２ａに取り付けられる。
【００６９】このような構造は、航空エンジンにおける
ような、極端に硬いシート面が要求される利用分野にお
いて用いられていて、キャップをステム要素に取り付け
ることと、硬いシート面を形成することを組み合わせて
一つの作業にしている。
【００７０】図１１に示された実施例においては、シー
ト面２０ｂがステム要素の上に形成されるようにステム
要素１２ｂが形成されており、キャップ１４ｂはステム
要素の内側に嵌め込まれ、ステム要素に３８において溶
接されている。図示の実施例においては、キャップは平
らな燃焼側の面を有するように形成されているが、キャ
ップは、ここで説明されているものを含み、なお、上述
したリブ付きの形を含んでもよい種々の個々の形に形成
され得る、ということは理解され得ることである。
【００７１】図１２は、一つの実施例を図示していて、
その実施例においては、シート面２０ｃがステム要素上
に形成されていて、キャップ１４ｃはステム要素に３９
において突合せ溶接されている。ここにおいても、キャ
ップの個々の形は、図１１について説明したように、種
々に変えられる。
【００７２】本発明のバルブ１０は、特には吸気バルブ
として、それの極端な軽量さが利用されるように、冷却
剤の付加なしで用いられ得るが、排気バルブとして利用
されるためには、冷却をよりよくするように、キャップ
１４をステム１２に溶接するよりも前に、図１において
参照番号４２をつけて破線で示してある選定されたレベ
ルまで、ナトリウム・カリウム(NaK)または水のような
冷却剤が付加されることが期待される。
【００７３】そのような冷却剤を付加することは、この
技術分野ではよく知られたことであるが、本発明のバル
ブの極端に薄い壁断面は、図１３ｂと図１３ｃの対比で
示されているように、冷却剤のために利用され得る容積
をかなり増大させており、また、冷却剤にさらされてい
る伝熱面を増大させている。
【００７４】また、冷却剤を充填したバルブにおいて
は、バルブのステムの壁が、内部の冷却剤から外部のシ
リンダヘッドのバルブガイドに至る熱伝達の障壁として
働くので、本発明のバルブの極端に薄い壁断面は、この
障壁効果を最小にしている。
【００７５】排気バルブに内部冷却剤を付加することは
よく知られているが、そのような冷却剤を吸気バルブに
付加すると、ある種の利用分野においては、フィレット
領域に沿っての沈着物がかなり減る、ということが示さ
れている。本発明によるバルブにおける増大した冷却効
果によって、そのような沈着物がさらに減る、というこ
とが期待される。
【００７６】図１３ａ、図１３ｂおよび図１３ｃは、ス
テムおよびヘッドの直径が同じ、そして長さも同じであ
るが、相異なる構造を用いている３種のエンジンバルブ
を示している。
【００７７】図１３ａは従来技術による中実のバルブを
示しており、図１３ｂは、ドリリングされたステムを有
する従来技術によるバルブを示しており、図１３ｃは本
発明によるバルブを示している。下記の表１は、典型的
な乗用車のエンジンバルブのための仕様を比較してお
り、そこでは、排除容積（すなわち、バルブの外側包囲
面で決まる全容積）と、同様な材料の使用を用いた場合
の重量のための計算された値を用いている。
【００７８】
【表１】 表１に示すように、本発明によるバルブは、同じ寸法の
中実のバルブよりも59%軽く、空状態のドリリングされ
たバルブよりも47%軽い。また、冷却剤、特には50%充填
のNaKがバルブに付加された場合であっても、本発明に
よれば、依然としてかなりの重量上の利点がある。
【００７９】図１３ｃには、本発明による典型的なバル
ブを示しているが、そこでは、0.50mmという最小の壁厚
さは、図示のバルブだけでの最小であって、絶対的な最
小ではないことを示したつもりである。もっと薄い壁断
面も、もしバルブの運転温度において蒸発する冷却剤が
付加されるのであれば達成され得る。何故ならば、アル
ミ缶が炭酸飲料を充填されたときに剛性になるのと全く
同様に、冷却剤が蒸発した結果としての増大した内部圧
力が、バルブの構造に剛性を付加することになるからで
ある。
【００８０】表２は、図１３ｂの形の、従来技術による
一連の実際の吸気／排気バルブの設計と、図１３ｃに示
された形の本発明のよる実際の設計についての、内側と
外側のステム直径と、全容積つまり排除容積と、キャビ
ティ容積を比較している。
【００８１】
【表２】
【００８２】
【発明の効果】本発明は以上説明したように構成されて
いるので、以下に記載するような効果を奏する。
【００８３】請求項１に記載のものにおいては、チップ
部とフィレット部とが一体構造となった中空のステム要
素にキャップが溶接されるので、高い強度対重量特性を
維持し、かつ、軽量化したバルブを提供することができ
るという効果がある。
【００８４】さらに、深絞りされるに十分な延性を有す
る材料をもステム要素に用いることができるので、使用
するバルブの材料の選定範囲を広いものとすることがで
きる効果がある。
【００８５】請求項２から請求項６に記載のものにおい
ては、上記各効果に加えて軽量とし、さらに、冷却効果
に優れたバルブを実現できるという効果がある。
【００８６】上記各効果を奏する本発明のバルブは、請
求項７から請求項１２に記載したように様々な形態とす
ることができる。このなかで、請求項１０から請求項１
２に記載したものにおいては、上記各効果に加え、より
一層熱伝達効率を向上したバルブを実現でき、請求項１
２に記載したものに、さらに、燃焼側の面の剛性を高め
ることができるという効果がある。
【００８７】請求項１４および請求項１５に記載のもの
においては、そのシート面はキャップとステム要素とを
組み合せて溶接されるので、より硬いシート面を提供す
ることが可能となる効果がある。
【００８８】請求項１６ないし請求項１８に記載のもの
においては、バルブのステム要素の壁は極端に薄いもの
となっているので、バルブのステム要素の壁が内部の冷
却剤から外部のシリンダヘッドのバルブガイドに至る熱
伝達の障壁として働く障壁効果を大きく軽減することが
可能となるという効果がある。
【００８９】請求項１９から請求項２１に記載のものに
おいては、上記効果に加え、最大応力の区域を最高温度
の区域から離すことができ、これにより、よりフレキシ
ブルなバルブの材料の選択が可能となるという効果があ
る。
【００９０】請求項２２から請求項２７に記載のものに
おいては、高い強度対重量特性を維持し、かつ、軽量化
したバルブを製造できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の一つの形態のバルブの断面
図、（ｂ）は、（ａ）のバルブのチップ部の一つの形態
を示す部分的断面図である。
【図２】（ａ）は、図１に示されたバルブのキャップ部
分の拡大された断面図、（ｂ）〜（ｃ）のそれぞれは、
（ａ）に示されたキャップ部分の構成例を示す断面図で
ある。
【図３】（ａ）〜（ｄ）のそれぞれは、図１に示された
バルブのステム部分の製造工程を段階的に示す断面図で
ある。
【図４】ステム部分においてキーパー溝を成形するため
の方法を示す部分的断面図である。
【図５】図４の５−５矢視の断面図である。
【図６】（ａ）は従来の排気バルブの構造を示す段面
図、（ｂ），（ｃ）のそれぞれは、従来の排気バルブの
表面における応力と温度の分布を示す図である。
【図７】（ａ）は本発明の排気バルブの構造を示す段面
図、（ｂ），（ｃ）のそれぞれは、従来の排気バルブの
表面における応力と温度の分布を示す図である。
【図８】本発明の変形例の部分的な断面図である。
【図９】本発明の変形例の上面図である。
【図１０】本発明の他の変形例の実施例の部分的な断面
図である。
【図１１】本発明の他の変形例の実施例の部分的な断面
図である。
【図１２】本発明の他の変形例の実施例の部分的な断面
図である。
【図１３】（ａ）は、従来技術による中実のバルブの断
面図、（ｂ）は、従来技術による中空のバルブの断面
図、（ｃ）は、（ａ）および（ｂ）とほぼ同じ尺度で示
された本発明のバルブの断面図である。
【符号の説明】
１０ ポペットバルブ（全体） １２ ステム要素 １４ キャップ部材 １６ フィレット領域 １８ チップ １９ ベベル形の部分 ２０ シート面 ２２ 燃焼側の面 ２３ 内側面 ２４ 溶接部 ２５ キャップの接続部の面 ２６ キーパー 溝 ２８ 保持具 ２９，２９’ リブ ３０ マンドレル ３２，３４ ダイ ３３ 高摩擦の面（ダイ３２の） ３５ 突起（ダイ３４の） ３８，３９ 溶接部 ４２ 冷却剤のレベル

Claims (28)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内燃機関のための超軽量のポペットバル
    ブ（１０）であって、 ステム部分（１２）と、 キャップ部分（１４）と、 チップ部分（１８）と、 前記ステム部分と前記キャップ部分の間の遷移領域を限
    定するフレア形のフィレット部分（１６）とを含んで成
    っていて、 前記ステム部分、チップ部分、およびフィレット部分
    は、フィレット端では開いてチップ端では閉じている一
    体物で薄肉の円筒形の部材とされ、前記キャップ部分
    は、前記フィレット部分に取り付けられたディスク形の
    キャップ部材とされていることを特徴とする超軽量のポ
    ペットバルブ（１０）。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の超軽量のポペットバル
    ブにおいて、 フィレット部分は第１の最大壁厚さ（ｔ1 ）を有し、ス
    テム部分は前記第１の最大壁厚さよりも薄い第２の最大
    壁厚さ（ｔ2 ）を有し、チップ部分は前記第２の最大壁
    厚さよりも厚い第３の壁厚さ（ｔ3 ）を有していること
    を特徴とする超軽量のポペットバルブ。
  3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の超軽量
    のポペットバルブにおいて、 第２の壁厚さがほぼ一様であり、第１の最大壁厚さと第
    ３の壁厚さがほぼ相等しいことを特徴とする超軽量のポ
    ペットバルブ。
  4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３のいずれか１項
    に記載の超軽量のポペットバルブにおいて、 ステム部分とチップ部分が交わる場所において形成され
    たベベル形の面（１９）を含んでいることを特徴とする
    超軽量のポペットバルブ。
  5. 【請求項５】 請求項１ないし請求項４のいずれか１項
    に記載の超軽量のポペットバルブにおいて、 ベベル形の面が40±10°の角度で形成されていることを
    特徴とする超軽量のポペットバルブ。
  6. 【請求項６】 請求項１ないし請求項５のいずれか１項
    に記載の超軽量のポペットバルブにおいて、 ステム部分において形成された一つまたはより多くの溝
    （２６）を含んでいることを特徴とする超軽量のポペッ
    トバルブ。
  7. 【請求項７】 請求項１ないし請求項６のいずれか１項
    に記載の超軽量のポペットバルブにおいて、 キャップ部材の頂面は、内燃機関で発生される燃焼圧力
    にさらされる燃焼側の面（２２）とされ、該燃焼側の面
    は、ステム部分の長さ方向軸線に垂直な線に対して第１
    の角度（ａ）をなすように形成された回転面であり、前
    記燃焼側の面の反対側の面は、前記ステム部分の長さ方
    向軸線に垂直な前記の線に対して第２の角度（ｂ）をな
    すように形成されていることを特徴とする超軽量のポペ
    ットバルブ。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載の超軽量のポペットバル
    ブにおいて、 第１の角度が０°であり、第２の角度も０°であること
    を特徴とする超軽量のポペットバルブ。
  9. 【請求項９】 請求項７または請求項８に記載の超軽量
    のポペットバルブにおいて、 第１と第２の角度が、どちらも０°より大きく、そして
    相等しいことを特徴とする超軽量のポペットバルブ。
  10. 【請求項１０】 請求項７ないし請求項９のいずれか１
    項に記載の超軽量のポペットバルブにおいて、 第１の角度が第２の角度よりも大きいことを特徴とする
    超軽量のポペットバルブ。
  11. 【請求項１１】 請求項７ないし請求項１０のいずれか
    １項に記載の超軽量のポペットバルブにおいて、 第１の角度が第２の角度よりも小さいことを特徴とする
    超軽量のポペットバルブ。
  12. 【請求項１２】 請求項１ないし請求項１１のいずれか
    １項に記載の超軽量のポペットバルブにおいて、 キャップ部材が、自身の上に形成された一つまたはより
    多くの、半径方向に配置されたリブ（２９）を有してい
    ることを特徴とする超軽量のポペットバルブ。
  13. 【請求項１３】 請求項１ないし請求項１２のいずれか
    １項に記載の超軽量のポペットバルブにおいて、 円筒形の部材が、平らな金属の素材（１２ａ）に複数の
    冷間成形のステップ、すなわち、順次に直径は小さく長
    さは大きくなっている複数のマンドレル（３０ｂ，３０
    ｃ，３０ｄ）を前記素材に順次に係合させるという複数
    の冷間成形のステップを施すことによって形成されてい
    ることを特徴とする超軽量のポペットバルブ。
  14. 【請求項１４】 請求項１ないし請求項１３のいずれか
    １項に記載の超軽量のポペットバルブにおいて、 バルブが、キャップ部材上に形成されたバルブシート係
    合面（２０）を含んでいることを特徴とする超軽量のポ
    ペットバルブ。
  15. 【請求項１５】 請求項１ないし請求項１４のいずれか
    １項に記載の超軽量のポペットバルブにおいて、 バルブが、フィレット部分の上に形成されたバルブシー
    ト係合面（２０ｂ，２０ｃ）を含んでいることを特徴と
    する超軽量のポペットバルブ。
  16. 【請求項１６】 請求項１ないし請求項１５のいずれか
    １項に記載の超軽量のポペットバルブにおいて、 バルブの中に収容された蒸発性液体の冷却剤を含んでい
    ることを特徴とする超軽量のポペットバルブ。
  17. 【請求項１７】 請求項１ないし請求項１６のいずれか
    １項に記載の超軽量のポペットバルブにおいて、 バルブの排除容積の、キャビティ容積に対する比が3.25
    よりも小さいことを特徴とする超軽量のポペットバル
    ブ。
  18. 【請求項１８】 請求項１ないし請求項１７のいずれか
    １項に記載の超軽量のポペットバルブにおいて、 バルブステムの外側直径の、バルブステムの内側直径に
    対する比が1.25よりも小さいことを特徴とする超軽量の
    ポペットバルブ。
  19. 【請求項１９】 内燃機関のための超軽量のポペットバ
    ルブであって、 ステム部分と、 キャップ部分と、 チップ部分と、 前記ステム部分と前記キャップ部分の間の遷移領域を限
    定するフレア形のフィレット部分とを含んで成ってい
    て、 前記ステム部分が、中空であって、前記内燃機関によっ
    て発生される燃焼圧力に起因する前記バルブ内の最大応
    力の点が前記バルブの長さ方向中心線から実質的に離れ
    て位置することとなるために十分なだけ薄い壁断面を有
    していることを特徴とする超軽量のポペットバルブ。
  20. 【請求項２０】 請求項１９に記載の超軽量のポペット
    バルブにおいて、 最大応力の点が、中心線からバルブの外側エッジに至る
    半径方向距離の少なくとも70%の点に位置していること
    を特徴とする超軽量のポペットバルブ。。
  21. 【請求項２１】 請求項１９または請求項２０に記載の
    超軽量のポペットバルブにおいて、 ステム部分、チップ部分、およびフィレット部分が、フ
    ィレット端では開いてチップ端では閉じている一体物の
    円筒形の部材とされており、前記キャップ部分は、前記
    フィレット部分に取り付けられたディスク形のキャップ
    部材とされていることを特徴とする超軽量のポペットバ
    ルブ。
  22. 【請求項２２】 内燃機関のための超軽量のポペットバ
    ルブ（１０）を製造する方法であって、 平らな金属の素材（１２ａ）を準備し、前記素材に、複
    数の冷間成形のステップ、すなわち、順次に直径は小さ
    く長さは大きくなっている複数のマンドレル（３０ｂ，
    ３０ｃ，３０ｄ）を前記素材に順次に係合させ、それに
    より、前記素材を絞って、ほぼ平らな閉じた端とフレア
    形の開いた端を有する一方に長い円筒（１２，１６，１
    ８）にするという冷間成形のステップを施し、次いで、
    前記のフレア形の端に、実質上ディスクの形のキャップ
    部材（１４）を溶接する、というステップを含んで成る
    超軽量のポペットバルブ（１０）の製造方法。
  23. 【請求項２３】 請求項２２に記載の超軽量のポペット
    バルブの製造方法において、 円筒に環状の溝を、前記円筒の壁を内方へと変位させる
    ことによって形成する、というステップを含むことを特
    徴とする超軽量のポペットバルブの製造方法。
  24. 【請求項２４】 請求項２２または請求項２３に記載の
    超軽量のポペットバルブの製造方法において、 工具要素の一方のものは自身の上に形成された斜面形の
    突起（３５）を有していることとして、相互に平行な二
    つの工具要素（３２，３４）の両表面間で円筒を把持
    し、前記工具要素を、相互に逆方向で前記表面に平行に
    動かす、ということによって前記の壁の変位を起させる
    ことを特徴とする超軽量のポペットバルブの製造方法。
  25. 【請求項２５】 請求項２２ないし請求項２４のいずれ
    か１項に記載の超軽量のポペットバルブの製造方法にお
    いて、 他方の工具要素が、自身の上に形成された、前記円筒に
    係合し得る摩擦面（３３）を有していることを特徴とす
    る超軽量のポペットバルブの製造方法。
  26. 【請求項２６】 請求項２２ないし請求項２５のいずれ
    か１項に記載の超軽量のポペットバルブの製造方法にお
    いて、 溶接のステップの前に、バルブの内部に冷却剤を入れる
    というステップを含むことを特徴とする超軽量のポペッ
    トバルブの製造方法。
  27. 【請求項２７】 内燃機関のための超軽量のポペットバ
    ルブを製造する方法であって、 金属の素材に複数の冷間成形のステップを施すことによ
    って、その素材を絞り、一つの閉じた端とフレア形の開
    いた端を有する一方に長い円筒にし、次いで、前記のフ
    レア形の端に、実質上ディスクの形のキャップ部材を溶
    接する、というステップを含んで成っており、前記内燃
    機関によって発生される燃焼圧力に起因する前記バルブ
    内の最大応力の点が前記バルブの長さ方向中心線から実
    質的に離れて位置することになるような厚さまで前記円
    筒の壁厚さを減らすために十分な回数の前記の冷間成形
    ステップを前記素材に施すことを特徴とする超軽量のポ
    ペットバルブの製造方法。
  28. 【請求項２８】 請求項２７に記載の超軽量のポペット
    バルブの製造方法において、 最大応力の点が、中心線からバルブの外側エッジに至る
    半径方向距離の少なくとも70%の点に位置していること
    を特徴とする超軽量のポペットバルブの製造方法。
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