JPH09195731A - 内燃機関用弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関用の吸気弁又は排気弁としてそなえ
られてポペット弁により構成された内燃機関用弁に関
し、バルブ軸部におけるコッタとの接触部分のフレッテ
ィング磨耗等を低減できるようにして吸気弁や排気弁の
疲労強度を向上させることができるようにする。 【解決手段】 内燃機関における吸気弁又は排気弁とし
てそなえられ、バルブスプリングリテーナ取付用のコッ
タ２６を外嵌されるバルブ軸部１６を有するポペット弁
により構成された内燃機関用弁において、バルブ軸部１
６外周のコッタ２６との嵌合面１６Ａに、ローラによる
バニッシュ仕上げ２８を施すように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関用の吸気
弁又は排気弁としてそなえられてポペット弁により構成
された内燃機関用弁に関し、特に、弁とこの弁の軸部に
外嵌されるコッタとを互いにヤング率の異なる材料で形
成されたものに用いて好適の、内燃機関用弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関（以下、エンジンという）の性
能向上のためにエンジンの高速回転化が図られている
が、このようなエンジンの高速回転化に対応するために
は、動弁系の慣性質量の低減が重要である。特に、動弁
系の中でも大きな質量を占める吸気弁や排気弁等の弁本
体の軽量化は、エンジンの高速回転化に極めて効果が大
きい。

【０００３】そこで、例えば低含有率のアルミニウムを
含有したチタン合金を材料としたβ型チタン合金製の吸
気弁などの内燃機関用弁が開発されている。このような
内燃機関の動弁系は、例えば図５（エンジンのシリンダ
ヘッド部分の横断面図）に示すように構成される。図５
において、１０はシリンダヘッドであり、下部に燃焼室
１１の上面部１１Ａが形成され、この燃焼室上面部１１
Ａに通じるように吸気ポート１２及び排気ポート１３が
形成されている。そして、吸気ポート１２の燃焼室側開
口１１Ｂに吸気弁１４が、排気ポート１３の燃焼室側開
口１１Ｃに排気弁１５がそれぞれそなえられている。

【０００４】これらの吸気弁１４及び排気弁１５は、バ
ルブ軸部１６の一端（図中、下端）に、開口１１Ｂ，１
１Ｃを開閉する弁体としてのバルブ傘部１７をそなえた
ポペット弁（きのこ型弁）で構成され、シリンダヘッド
１０にそなえられたバルブガイド１８に摺動自在に嵌挿
されている。また、開口１１Ｂ，１１Ｃにはバルブ傘部
１７の整合するバルブシート１９がそなえられる。

【０００５】ここでは、これらの吸気弁１４及び排気弁
１５のうち、よりバルブ傘部の直径が大きく軽量化を要
求される吸気弁１４についてはチタン合金製に、また、
比較的バルブ傘部の直径が小さく軽量化の要求度の低い
排気弁１５については耐熱鋼等のスチール製になってい
る。このような吸気弁１４及び排気弁１５の動弁系は、
図示しないクランクシャフトに連動してクランクシャフ
トの二分の一の回転速度で回転するカムシャフト２０
Ａ，２０Ｂと、これらのカムシャフト２０Ａ，２０Ｂに
設けられたカム２１Ａ，２１Ｂ及びバルブ軸部１６の他
端（図中、上端）にそれぞれ当接しながらカム２１Ａ，
２１Ｂの形状に応じて揺動するロッカアーム２２Ａ，２
２Ｂと、吸気弁１４，排気弁１５を閉方向（図中、上
方）へ付勢するバルブスプリング２３Ａ，２３Ｂとをそ
なえている。

【０００６】このうちバルブスプリング２３Ａ，２３Ｂ
は、シリンダヘッド１０側の座面２４Ａ，２４Ｂとバル
ブ軸部１６の上端部との間に圧縮状態で介装されてい
る。特に、バルブスプリング２３Ａ，２３Ｂの上端は、
バルブスプリングリテーナ２５及びコッタ（リテーナロ
ック）２６を介してバルブ軸部１６の上端部に係止され
ている。

【０００７】コッタ２６は、図６に示すように、その内
周面２６Ａに形成された環状嵌合凸部２６Ｂを、バルブ
軸部１６の上端部外周におけるコッタ２６との嵌合面１
６Ａに形成された環状嵌合溝部１６Ｂ内に嵌合させるこ
とにより、軸方向へ抜けることなくバルブ軸部１６の外
周に嵌着される。このコッタ２６の外周面２６Ｃは、下
方のバルブ傘部１７へ向けて次第に縮径したテーパ面状
に形成され、バルブスプリングリテーナ２５の内周面２
５Ａは、このコッタ２６の外周面２６Ｃと整合するよう
に下方のバルブ傘部１７へ向けて次第に縮径したテーパ
面状に形成されている。そして、バルブスプリングリテ
ーナ２５は、その内周面２５Ａをコッタ２６の外周面２
６Ｃに当接させるようにして装備され、バルブスプリン
グ２３Ａ，２３Ｂを圧縮状態に保持している。

【０００８】なお、エンジンを構成する部品の疲労強度
を向上させるべく様々の提案がなされているが、例え
ば、特開平７−３４１３４にはクランクシャフトの疲労
強度の向上を図るべくロールバニッシュ仕上げを施し、
表面の塑性加工を行なう技術が開示されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、エンジンの
高回転時においては、吸気弁１４及び排気弁１５におけ
るバルブ傘部１７がバルブシート１９に衝突することに
より、吸気弁１４及び排気弁１５のバルブ軸部１６，バ
ルブ傘部１７に大きな応力が生じ、吸気弁１４及び排気
弁１５の破損や折損が生じ易い。この場合、バルブ傘部
１７については形状を補強することにより対処すること
が考えられるが、バルブ軸部１６についてはその形状の
補強がコッタ２６，バルブスプリングリテーナ２５等の
形状の変更を伴うため形状の補強による対処は容易では
ない。

【００１０】また、上述の内燃機関の動弁系では、吸気
弁１４はβ型チタン合金で形成されるが、コッタ２６等
の他の部品は耐熱鋼等のスチール材で形成される。この
ような異種材料間で接触するためか、チタン合金製の吸
気弁１４とスチール材製のコッタ２６との接触部には、
フレッティングが発生する。これは、チタン合金とスチ
ール材とはヤング率が異なるため、応力変化や機関温度
変化等に伴ってチタン合金製の吸気弁１４とスチール材
製のコッタ２６との接触部で微小な滑りの繰り返しが生
じるようになり、フレッティング磨耗と称される表面損
傷が発生するものと考えられる。

【００１１】このフレッティング磨耗は、微小な滑りの
サイクルの繰り返しにより、接合面に酸化金属の粉末を
発生させ、この進行により接合面が損傷し、磨耗状況を
呈するようになるものと推定できる。β型チタン合金製
の吸気弁１４とスチール材製のコッタ２６との間におけ
るフレッティング磨耗は、互いの接触部、即ち吸気弁１
４のバルブ軸部１６の外周面（嵌合面）１６Ａと、コッ
タ２６の内周面２６Ａとの間の摩擦で発生するが、特
に、図６に示すように、吸気弁１４のバルブ軸部１６の
外周面に発生するフレッティング磨耗によるクラック２
７が発生したりして、チタン合金製のバルブ強度の低下
を招き、更には破断や折損に至るなどのおそれもある。

【００１２】図６中に符号２７で示すように、バルブ軸
部１６では、バルブ軸部１６外周のコッタ２６との嵌合
面１６Ａにおけるバルブ傘部側（図６中下方側）端部近
傍にフレッティング磨耗によるクラック２７が生じる。
これは、楔状断面を有するコッタ２６の先端（即ち、図
６中の下端）側により大きな摩擦が生じるためと考えら
れるが、このように、バルブ軸部１６外周の一部に集中
的にフレッティング磨耗によるクラック２７が生じる
と、バルブ強度を大きく低下させてしまうことになる。

【００１３】本発明は、上述の課題に鑑み創案されたも
ので、バルブ軸部の形状を補強することなしに、バルブ
軸部におけるコッタとの接触部分のフレッティング磨耗
を低減できるようにして、一般的なスチール材とは異な
るチタン合金等の材料で形成された吸気弁や排気弁の疲
労強度を向上させることができるようにした、内燃機関
用弁を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１記載
の本発明の内燃機関用弁は、内燃機関における吸気弁又
は排気弁としてそなえられて、バルブスプリングリテー
ナ取付用のコッタを外嵌されるバルブ軸部を有するポペ
ット弁により構成された内燃機関用弁において、該バル
ブ軸部外周の該コッタとの嵌合面に、ローラによるバニ
ッシュ仕上げが施されていることを特徴としている。

【００１５】請求項２記載の本発明の内燃機関用弁は、
請求項１記載の内燃機関用弁において、該ローラによる
バニッシュ仕上げが、該バルブ軸部外周の該コッタとの
嵌合面におけるバルブ傘部側端部近傍について施されて
いることを特徴としている。請求項３記載の本発明の内
燃機関用弁は、請求項１又は２記載の内燃機関用弁にお
いて、β型チタン合金を材料として形成されていること
を特徴としている。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面により、本発明の実施
の形態について説明する。図１〜図４は本発明の一実施
形態としての内燃機関用弁を説明するためのもので、図
１はその要部側面図である。この実施形態の内燃機関用
弁は、図５を参照して従来技術として既に説明したよう
に、内燃機関（エンジン）における吸気弁１４，排気弁
１５の両方又は一方に用いられるものである。このよう
な弁の材料としては、低含有率のアルミニウムを含有し
たβ型チタン合金が用いられている。

【００１７】図５に示すように、吸気弁１４又は排気弁
１５の動弁系は、図示しないクランクシャフトの二分の
一の回転速度で回転するカムシャフト２０Ａ，２０Ｂ
と、これらのカムシャフト２０Ａ，２０Ｂのカム２１
Ａ，２１Ｂ及びバルブ軸部１６の他端（図中、上端）に
それぞれ当接しながらカム２１Ａ，２１Ｂの形状に応じ
て揺動するロッカアーム２２Ａ，２２Ｂと、吸気弁１
４，排気弁１５を閉方向（図中、上方）へ付勢するバル
ブスプリング２３Ａ，２３Ｂとをそなえている。

【００１８】そして、バルブスプリング２３Ａ，２３Ｂ
の上端は、バルブスプリングリテーナ２５及びコッタ
（リテーナロック）２６を介してバルブ軸部１６の上端
部に係止されているが、コッタ２６は、図１に示すよう
に、その内周面２６Ａに形成された環状嵌合凸部２６Ｂ
を、バルブ軸部１６の上端部外周におけるコッタ２６と
の嵌合面１６Ａに形成された環状嵌合溝部１６Ｂ内に嵌
合させることにより、軸方向へ抜けることなくバルブ軸
部１６の外周に嵌着される。

【００１９】また、コッタ２６の外周面２６Ｃは、下方
のバルブ傘部１７へ向けて次第に縮径したテーパ面状に
形成され、バルブスプリングリテーナ２５の内周面２５
Ａは、このコッタ２６の外周面２６Ｃと整合するように
下方のバルブ傘部１７へ向けて次第に縮径したテーパ面
状に形成されており、バルブスプリングリテーナ２５
は、その内周面２５Ａをコッタ２６の外周面２６Ｃに当
接させるようにして装備され、バルブスプリング２３
Ａ，２３Ｂを圧縮状態に保持している。

【００２０】さらに、弁１４又は１５がβ型チタン合金
製であるのに対して、この周囲にそなえられるコッタ２
６等の他部材は、耐熱鋼等のスチール材で形成されてい
る。そして、本内燃機関用弁では、図１に符号２８で示
すように、コッタ２６を外嵌されるバルブ軸部１６の外
周のコッタとの嵌合面１６Ａに、ローラによるバニッシ
ュ仕上げが施されている。本実施形態では、バルブ軸部
１６の外周における嵌合面１６Ａよりも上方及び下方ま
での例えば２０ｍｍ長に亘って、嵌合面１６Ａを包含す
るようにローラによるバニッシュ仕上げが施されてい
る。したがって、嵌合面１６Ａのみならずその周縁部ま
で、ローラによるバニッシュにより加工硬化が施され
て、耐磨耗性を向上させるようになっている。

【００２１】なお、現状のローラによるバニッシュ加工
技術では、ごく短い長さのみに加工を施すよりもある程
度の長さに亘って加工を施すほうが容易であるため、本
実施形態のように嵌合面１６Ａのみならずその周縁部ま
でローラによるバニッシュ仕上げが施すことがが考えら
れるが、ローラによるバニッシュの加工技術上に問題が
なければ、嵌合面１６Ａのみにローラによるバニッシュ
仕上げを施したり、嵌合面１６Ａの中でもフレッティン
グ磨耗によるクラック等の損傷を招きやすい箇所、例え
ば嵌合面１６Ａにおけるバルブ傘部１７側端部近傍の従
来クラックがしばしば発生した箇所２７及びこの周囲の
みにローラによるバニッシュ仕上げを施すようにしても
よい。

【００２２】つぎに、このローラによるバニッシュ仕上
げについて、図２に基づいて説明する。図２（Ａ）はロ
ーラによるバニッシュ仕上げの加工状態を示す縦断面図
であり、図２（Ｂ）はローラによるバニッシュ仕上げの
加工状態を示す横断面図である。ローラによるバニッシ
ュ仕上げでは、バルブ軸部１６がローラの軸が固定され
ている固定ローラ３０，３１の上に双方に接するように
載せられバルブ軸部１６を回転させながら、上下方向
（矢印の方向）にローラの軸が動く可動ローラ２９が回
転しながら加圧することによって、バルブ軸部１６の嵌
合面１６Ａに塑性変形を生じさせて加工硬化させる。即
ち、バルブ軸１６が回転しながら加圧されるため、固定
ローラ３０，３１も回転し、均等な圧力がバルブ軸部１
６の嵌合面１６Ａに加えられて均等な塑性変形を生じさ
せて加工硬化させる。なお、このローラによるバニッシ
ュ仕上げは加熱下でなく常温で行なわれる（冷間加
工）。

【００２３】また、可動ローラ２９は、表面状態をより
滑らかにすべく、図３に示すように可動ローラ２９の端
部を曲面状に形成することも考えられる。なお、ローラ
によるバニッシュ仕上げによって生じる変形は、実際に
は極めて微小であるが、図３では、説明の便宜上、変形
を拡大して示している。

【００２４】本発明の一実施形態としての内燃機関用弁
は、上述のように構成されているので、フレッティング
磨耗によるクラック等の損傷を招きやすい箇所２７（図
１参照）及びこの周囲が、ローラによるバニッシュによ
る加工硬化によって耐磨耗性を向上させるようになり、
フレッティング磨耗を大幅に低減することができるよう
になり、β型チタン合金製の内燃機関用弁の疲労強度を
大きく向上させうる効果がある。具体的には、従来のβ
型チタン合金製の内燃機関用弁よりも疲労強度を約１０
％向上させることも期待できる。

【００２５】また、ローラによるバニッシュ仕上げによ
れば、例えば、ショットピーニング仕上げのようにスチ
ールビーズを打ちつけるという処理を行なわないため表
面を滑らかな状態にできることから、バルブ強度の低下
を防ぐことができる。ここで、β型チタン合金の表面の
粗さと疲労強度の関係について、図４に基づいて説明す
る。図４示すグラフでは、縦軸は表面係数（強度を示す
係数）ｍを、横軸は表面粗度Ｈｍａｘを示している。こ
こでは、表面係数ｍが１．０の場合に疲労強度が最大で
あることを示している。また、表面粗度Ｈｍａｘは表面
の粗さ、即ち、表面の凹凸の高さを示しており、表面粗
度Ｈｍａｘが１の場合は表面が滑らかな状態を示してお
り、１００は表面が粗い状態を示している。なお、表面
粗度の単位はマイクロメータである。

【００２６】この図４では、β型チタン合金の場合、そ
の特性に所定の幅があり、表面が粗い程疲労強度が下が
ることを示している。このような特性から、ローラによ
るバニッシュ仕上げによれば、表面粗度が少なくて済む
ため、即ち、表面を滑らかな状態に加工することができ
るためバルブ強度の低下を防ぐことができるという利点
もある。

【００２７】なお、本実施形態では、弁の材質をβ型チ
タン合金としたが、本内燃機関用弁のようにローラによ
るバニッシュ仕上げを施す技術は、チタン合金に限ら
ず、種々の材料の弁に適用しうるものである。

【００２８】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１記載の本
発明の内燃機関用弁によれば、内燃機関における吸気弁
又は排気弁としてそなえられて、バルブスプリングリテ
ーナ取付用のコッタを外嵌されるバルブ軸部を有するポ
ペット弁により構成された内燃機関用弁において、該バ
ルブ軸部外周の該コッタとの嵌合面に、ローラによるバ
ニッシュ仕上げが施されるという構成により、バルブ軸
部外周におけるフレッティング磨耗が抑制されるように
なり、一般的なスチール材とは異なるβ型チタン合金等
の材料で形成された吸気弁や排気弁の疲労強度を向上さ
せることができるようになる。また、表面を滑らかな状
態に加工することができるためバルブ強度の低下を防ぐ
ことができるという利点もある。

【００２９】請求項２記載の本発明の内燃機関用弁によ
れば、請求項１記載の内燃機関用弁において、該ローラ
によるバニッシュ仕上げが、該バルブ軸部外周の該コッ
タとの嵌合面におけるバルブ傘部側端部近傍について施
されるという構成により、特に、フレッティング磨耗に
よるクラックの生じやすいバルブ軸部外周の要部におけ
るフレッティング磨耗が抑制されるようになり、吸気弁
や排気弁の疲労強度を効果的に向上させることができる
ようになる。

【００３０】請求項３記載の本発明の内燃機関用弁によ
れば、請求項１又は２記載の内燃機関用弁において、β
型チタン合金を材料として形成されるという構成によ
り、一般的なスチール材とは異なるβ型チタン合金製の
吸気弁や排気弁においておおきな課題となる疲労強度を
確実に向上させることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態としての内燃機関用弁の要
部を示す側面図である。

【図２】本発明の一実施形態におけるローラによるバニ
ッシュ仕上げを説明するための図であって、（Ａ）はロ
ーラによるバニッシュ仕上げの加工状態を示す縦断面図
であり、（Ｂ）はローラによるバニッシュ仕上げの加工
状態を示す横断面図である。

【図３】本発明の一実施形態におけるローラの形状例を
説明するための図である。

【図４】本発明の効果を説明する図であって、表面係数
と表面粗度との関係を示すグラフである。

【図５】従来の内燃機関の動弁系を示す断面図である。

【図６】本発明の課題を説明する従来の内燃機関用弁の
要部側面図である。

【符号の説明】

１０ シリンダヘッド １１ 燃焼室 １１Ａ 燃焼室１１の上面部 １１Ｂ，１１Ｃ 燃焼室側開口 １２ 吸気ポート １３ 排気ポート １４ 吸気弁（内燃機関用弁） １５ 排気弁（内燃機関用弁） １６ バルブ軸部 １６Ａ バルブ軸部１６の嵌合面 １６Ｂ バルブ軸部１６の環状嵌合溝部 １７ バルブ傘部 １８ バルブガイド １９ バルブシート ２０Ａ，２０Ｂ カムシャフト ２１Ａ，２１Ｂ カム ２２Ａ，２２Ｂ ロッカアーム ２３Ａ，２３Ｂ バルブスプリング ２４Ａ，２４Ｂ シリンダヘッド１０側の座面 ２５ バルブスプリングリテーナ ２５Ａ バルブスプリングリテーナ２５の内周面 ２６ コッタ（リテーナロック） ２６Ａ コッタ２６の内周面 ２６Ｂ コッタ２６の環状嵌合凸部 ２６Ｃ コッタ２６の外周面 ２７ クラック（クラック発生箇所） ２８ ローラによるバニッシュ仕上げ箇所 ２９，３２ 可動ローラ ３０，３１ 固定ローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 天野 正之 東京都大田区下丸子四丁目21番１号 三菱 自動車エンジニアリング株式会社内 (72)発明者 野瀬 孝治 東京都大田区下丸子四丁目21番１号 三菱 自動車エンジニアリング株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関における吸気弁又は排気弁とし
   てそなえられて、バルブスプリングリテーナ取付用のコ
   ッタを外嵌されるバルブ軸部を有するポペット弁により
   構成された内燃機関用弁において、 該バルブ軸部外周の該コッタとの嵌合面に、ローラによ
   るバニッシュ仕上げが施されていることを特徴とする、
   内燃機関用弁。
2. 【請求項２】 該ローラによるバニッシュ仕上げが、該
   バルブ軸部外周の該コッタとの嵌合面におけるバルブ傘
   部側端部近傍について施されていることを特徴とする、
   請求項１記載の内燃機関用弁。
3. 【請求項３】 β型チタン合金を材料として形成されて
   いることを特徴とする、請求項１又は２記載の内燃機関
   用弁。