JP2010038021A

JP2010038021A - スプリング・リテーナ及びスプリング・システム

Info

Publication number: JP2010038021A
Application number: JP2008201071A
Authority: JP
Inventors: Hiroo Imaizumi; 浩夫今泉; Noritoshi Takamura; 典利高村
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2008-08-04
Filing date: 2008-08-04
Publication date: 2010-02-18
Anticipated expiration: 2028-08-04
Also published as: US8297603B2; US20110140327A1; JP5311918B2; WO2010016227A1

Abstract

【課題】スプリング・リテーナを鉄系材料で製造して強度及び耐摩耗性を向上させながら、薄肉軽量化を可能とする。
【解決手段】バルブ・ステム側に支持されるテーパー状の支持孔２９を有したリテーナ本体２５とリテーナ本体２５の一側２５ｃ外周部に形成されバルブ・スプリングを当接支持させる鍔状のスプリング座部２７とを備えたスプリング・リテーナ３であって、リテーナ本体２５及びスプリング座部２７を、ばね鋼により一体に形成し、リテーナ本体２５からスプリング座部２７に渡って連続する鍛流線Ｌを形成したことを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、バルブ・スプリング等のコイルばねの支持に供されるスプリング・リテーナ及びコイル・スプリングを組み合わせたスプリング・システムに関する。

近年、自動車用エンジンの高出力化、低燃費化のため、動弁系の軽量化を行なっている。この対策のため、スプリング・リテーナであるスプリング・リテーナをアルミ合金やチタン合金により製造し、慣性重量の軽減、これに伴うばね荷重の低減等を図るものがあった。

しかし、アルミ合金やチタン合金のスプリング・リテーナは、高価であるばかりか、鉄系材料に比較して強度向上、薄肉化等に限界があった。

このため、バルブ・スプリングの押し付け力により、スプリング座部の付け根部に応力集中を受け、疲労破壊を起こす恐れがあった。

また、スプリング・リテーナは、テーパー状の支持孔においてコッタを介しバルブ・ステムに支持され、バルブ・ステムに強い衝撃力が加わると、支持孔に大きな力が入力されて割れなどの破壊を招く恐れがあった。

さらに、ばね鋼のバルブ・スプリングをアルミ合金やチタン合金のスプリング・リテーナで受ける構造であるため、耐摩耗性向上にも限界があった。

これに対し、軽合金製のスプリング・リテーナの表層に耐摩耗性を有する粒子を埋設する構造、テーパー状の支持孔に鉄系スリーブをライニングする構造などが提案されている。

しかし、何れの場合も材料点数や部品点数が多くなり、製造、部品管理が煩雑になるという問題がある。

特開平７−６３０２０号公報特開２０００−１６１０２９号公報特開平６−３０７２１２号公報

解決しようとする問題点は、軽合金製のスプリング・リテーナでは、強度向上、薄肉化、耐摩耗性に限界があり、軽合金製のスプリング・リテーナの表層に耐摩耗性を有する粒子を埋設する構造、テーパー状の支持孔に鉄系スリーブをライニングする構造などでは、材料点数や部品点数が多くなり、製造、部品管理が煩雑になる点である。

本発明は、スプリング・リテーナを鉄系材料で製造して強度及び耐摩耗性を向上させながら、薄肉軽量化を可能とするため、軸部側に支持される支持孔を有したリテーナ本体と該リテーナ本体の軸方向一側外周部に形成されコイル・スプリングを当接支持させる鍔状のスプリング座部とを備えたスプリング・リテーナであって、前記リテーナ本体及びスプリング座部を、弾性金属により一体に形成し、前記リテーナ本体からスプリング座部に渡って連続する鍛流線を形成したことを最も主要な特徴とする。

本発明のスプリング・リテーナは、軸部側に支持される支持孔を有したリテーナ本体と該リテーナ本体の一側外周部に形成されコイル・スプリングを当接支持させる鍔状のスプリング座部とを備えたスプリング・リテーナであって、前記リテーナ本体及びスプリング座部を、鉄系材料により一体に形成し、前記リテーナ本体からスプリング座部に渡って連続する鍛流線を形成した。

このため、鉄系材料によりスプリング・リテーナを製造して強度及び耐摩耗性を向上させることができる。また、コイル・スプリングの押し付け力により、スプリング座部の付け根部に応力集中を受けても、鍛流線の連続により疲労破壊を起こし難くすることができる。結果的にスプリング・リテーナ全体の薄肉軽量化も可能にすることができる。

コスプリング・リテーナを鉄系材料で製造して強度及び耐摩耗性を向上させながら、薄肉軽量化を可能とするという目的を、鍛流線により実現した。

［スプリング・システム］
図１は、スプリング・システムを自動車用エンジンにおける動弁系に適用した状態を示す断面図、図２は、同要部の断面図、図３は、同要部の拡大断面図である。

図１〜図３のように、スプリング・システム１は、スプリング・リテーナ３を備え、軸部側である鉄系のバルブ・ステム５の軸端部にコレット７を介して支持されている。

バルブ・ステム５の先端部には、シム９を介してタペット１１が装着され、カム・シャフト１３のカム１５に当接する。スプリング・リテーナ３には、コイル・スプリングであるバルブ・スプリング１７の一端が当接し、バルブ・スプリング１７の他端は、スプリング・シート１９を介してエンジン側に当接支持されている。

従って、スプリング・リテーナ３及びスプリング・シート１９間でのバルブ・スプリング１７の弾発力によりバルブ・ステム５の先端部側がカム１５に押し付けられ、バルブ・スプリング１７の弾溌力によってバルブ・ステム５がカム１５に追従し、バルブ２１のバルブ・シート２３に対する開閉が行われる。
［スプリング・リテーナ］
図４は、スプリング・リテーナの形状を詳細に示した断面図である。

図４のように、スプリング・リテーナ３は、鉄系材料、例えば、ばね鋼、ダイス鋼、ベアリング鋼、工具鋼の何れかで一体形成されている。このスプリング・リテーナ３は、周回形状のリテーナ本体２５及びスプリング座２７とを備えている。

リテーナ本体２５には、テーパー状の支持孔２９が形成され、この支持孔２９において前記のようにバルブ・ステム５の軸端部にコレット７を介して支持される。このリテーナ本体２５は、他側端部２５ａの肉厚ｔ１を該端部２５ａ及びスプリング座部２７間の中間部２５ｂの肉厚ｔ２よりも相対的に厚く形成している（ｔ１＞ｔ２）。

スプリング座２７は、リテーナ本体２５の軸方向一側２５ｃ外周部に形成され前記バルブ・スプリング１７を当接支持させる鍔状を呈している。このスプリング座２７は、径方向に沿った周回状の座面３１及び軸方向に沿った周回状の内接面３３を備えている。

スプリング座部２７の座面３１及び内接面３３間に、コイル・スプリング１７の内径側の当たりを逃げる凹部３５が形成されている。凹部３５の詳細は後述する。

スプリング座部２７の表面３７は、支持孔２９の軸方向を上下とした場合、外周側へ漸次下降傾斜して形成され、外周に面取り部３９が形成されている。表面３７の内周側は、円弧状の肩部４１を介し円弧状の第１の括れ部４３を介してリテーナ本体２５の一側２５ｃ端部に連続している。前記内接面３３を有した内接部４５は、前記第１の括れ部４３に対し径方向で位置的に対応する円弧状の第２の括れ部４７を介してリテーナ本体２５の中間部２５ｂに連続している。

その他、全ての角部にアールを形成している。

図５は、凹部の詳細を示す拡大断面図である。

図５のように、凹部３５は、座面３１及び内接面３３間に凹状の円弧により形成され、座面３１及び内接面３３からの深さｄを有している。凹部３５と座面３１及び内接面３３との間は、Ｒをもって連続している。
［鍛流線］
図６は、スプリング・リテーナの鍛流線を示す要部断面図、図７（ａ）は、材料ブロックを示す正面図、（ｂ）は、熱間鍛造による鍛流線の形成を示す説明図である。

図６のように、スプリング・リテーナ３には、リテーナ本体２１からスプリング座部２３に渡って連続する鍛流線Ｌが形成されている。

この鍛流線Ｌの形成は、一例としてスプリング・リテーナ３を、鉄系材料である、ばね鋼、ダイス鋼、ベアリング鋼、工具鋼の何れかを用い、熱間鍛造により製造することで行った。

図７のように、材料ブロック４９を熱間鍛造すると、鍛流線Ｌが成型品５１の内外周全体に渡って途切れず連続する。スプリング・リテーナ３を熱間鍛造で製造することで図６のような連続した鍛流線Ｌを形成することができる。
［硬さ等］
本実施例では、スプリング・リテーナ３成形後の焼き入れ、焼き戻しにより、前記リテーナ本体２１及びスプリング座部２３の表面硬さを、Ｈｖ６５０〜１０００とし、内部硬さを、Ｈｖ４５０〜７００に設定した。この場合、内部とは、極表面以外、例えば深さ０．１〜０．６ｍｍを意味する。

図８は、表面硬さ及び内部硬さの深さによる変化を示したグラフである。この図８では、実施例のグラフに対し、比較例１〜３を併記している。実施例は、上記鍛流線が連続するスプリング・リテーナの硬さ変化を示し、比較例１は、表面高価処理を施したチタン合金製のスプリング・リテーナ、比較例２は、酸化処理を施したチタン合金製のスプリング・リテーナ、比較例３は、ＳＣＭ４３５製のスプリング・リテーナの硬さ変化を示す。

図８のように、実施例では、表面硬さをＨｖ６５０以上としてバルブ・スプリング１７の硬さＨｖ６００を上回るように設定することができた。従って、座面３１及び内接面３３のバルブ・スプリング１７に対する耐摩耗性が向上させることができる。

リテーナ本体２１及びスプリング座部２３の内部硬さは、Ｈｖ５９０に設定した。

図９は、本願発明実施例のような鍛流線が連続する場合（鍛流線有）としない場合（鍛流線無）とで曲げ疲労強度を比較したグラフである。

図９のように、鍛流線がない場合は、Ｈｖ４５０近辺をピークに疲労強度が下がるのに対し、本願発明実施例のように、鍛流線が連続する場合は、Ｈｖ４００近辺を変曲点としてＨｖ７００まで疲労強度が高まり、Ｈｖ４５０〜７００の範囲で曲げ疲労強度向上を図ることができた。

図１０〜図１２は、曲げ疲労強度を示すグラフであり、図１０は、ＳＮＭＣ４２０Ｈで製造し、真空浸炭、普通浸炭したスプリング・リテーナの曲げ疲労強度を示し、図１１は、チタン合金で製造したスプリング・リテーナの曲げ疲労強度を示し、図１２は、本発明実施例のスプリング・リテーナの曲げ疲労強度を示す。

図１０のように、ＳＮＭＣ４２０Ｈで製造し、真空浸炭、普通浸炭したスプリング・リテーナ、チタン合金で製造したスプリング・リテーナの疲労強度（９００ＭＰａ前後）に比較して、図１２のように、本発明実施例のスプリング・リテーナの曲げ疲労強度（１６００ＭＰａ）は、遙かに高くすることができた。

さらに、ショット・ピーニングなどにより、前記リテーナ本体２１及びスプリング座部２３の表面に、−２００〜−２０００ＭＰａの圧縮残留応力を設定し、耐久性を向上させた。
［軽量化］
図１３（ａ）は、チタン合金で製造された軽量のスプリング・リテーナの要部断面図、（ｂ）は、本願発明実施例のばね鋼で製造され鍛流線が連続する同一性能のスプリング・リテーナの要部断面図である。

図１３（ａ）（ｂ）のように、本願発明実施例のスプリング・リテーナ３は、チタン合金で製造された軽量のスプリング・リテーナ３Ａに比較して、曲げ疲労強度、耐摩耗性を維持しながら、無駄な肉を極限まで削ぎ落とすことができ、軽量化を図ることができた。
［実施例の効果］
本発明実施例のスプリング・リテーナ３は、バルブ・ステム５側に支持されるテーパー状の支持孔２９を有したリテーナ本体２５と該リテーナ本体２５の一側２５ｃ外周部に形成されバルブ・スプリング１７を当接支持させる鍔状のスプリング座部２７とを備えたスプリング・リテーナ３であって、前記リテーナ本体２５及びスプリング座部２７を、ばね鋼、ダイス鋼、ベアリング鋼、工具鋼の何れかにより一体に形成し、前記リテーナ本体２５からスプリング座部２７に渡って連続する鍛流線Ｌを形成した。

このため、ばね鋼、ダイス鋼、ベアリング鋼、工具鋼の何れかでの製造によりスプリング・リテーナ３の強度及び耐摩耗性を向上させることができる。また、バルブ・スプリング１７の押し付け力により、スプリング座部２７の付け根部に応力集中を受けても、鍛流線の連続により疲労破壊を起こし難くすることができる。結果的にスプリング・リテーナ３全体の薄肉軽量化も可能にすることができる。

前記リテーナ本体２５及びスプリング座部２７の内部硬さを、Ｈｖ４５０〜７００に設定し、この範囲で曲げ疲労強度を向上させることができた。

前記リテーナ本体２５及びスプリング座部２７の表面硬さを、前記バルブ・スプリング１７の硬さを上回るように設定した。

このため、ばね鋼のバルブ・スプリング１７に対しスプリング・リテーナ３の耐摩耗性を向上させることができる。

前記リテーナ本体２５及びスプリング座部２７の表面に、−２００〜−２０００ＭＰａの圧縮残留応力を設定した。

このため、スプリング・リテーナの耐久性を向上させることができる。

前記スプリング座部２７に、前記バルブ・スプリング１７の内径側の当たりを逃げる凹部３５を形成した。

このため、この部分のバルブ・スプリング１７の当たりによる摩耗を抑制し、リテーナ本体２５及びスプリング座部２７間での摩耗による折損を抑制することができる。

前記リテーナ本体２５は、他側端部２５ａの肉厚ｔ１を該端部２５ａ及びスプリング座部２７間の中間部２５ｂの肉厚ｔ２よりも相対的に厚く形成した。

このため、スプリング・リテーナ３のテーパー状の支持孔２９においてコッタ７を介しバルブ・ステム５側から強い衝撃力、繰り返し荷重が入力されても、他側端部２５ａからの割れを抑制することができる。
［その他］
本発明のスプリング・システムは、自動車用エンジンにおける動弁系に限らず、その他の機構にも適用することができる。

スプリング・システムを自動車用エンジンにおける動弁系に適用した状態を示す断面図である。（実施例１）スプリング・システムを自動車用エンジンにおける動弁系に適用した状態を示す要部の断面図である。（実施例１）スプリング・システムを自動車用エンジンにおける動弁系に適用した状態を示す要部の拡大断面図である。（実施例１）スプリング・リテーナの形状を詳細に示した断面図である。（実施例１）凹部の詳細を示す拡大断面図である。（実施例１）スプリング・リテーナの鍛流線を示す要部断面図である。（実施例１）（ａ）は、材料ブロックを示す正面図、（ｂ）は、熱間鍛造による鍛流線の形成を示す説明図である。（実施例１）表面硬さ及び内部硬さの深さによる変化を示したグラフである。（実施例１）鍛流線が連続する場合（鍛流線有）としない場合（鍛流線無）とで曲げ疲労強度を比較したグラフである。（実施例１）ＳＮＭＣ４２０Ｈで製造し、真空浸炭、普通浸炭したスプリング・リテーナの曲げ疲労強度を示すグラフである。（比較例）チタン合金で製造したスプリング・リテーナの曲げ疲労強度を示すグラフである。（比較例）スプリング・リテーナの曲げ疲労強度を示すグラフである。（実施例１）（ａ）は、チタン合金で製造された軽量のスプリング・リテーナの要部断面図、（ｂ）は、ばね鋼で製造され鍛流線が連続する同一性能のスプリング・リテーナの要部断面図である。（実施例１）

符号の説明

１スプリング・システム
３スプリング・リテーナ
５バルブ・ステム（軸）
１７バルブ・スプリング（コイル・スプリング）
２５リテーナ本体
２５ａ他側端部
２５ｂ中間部
２７スプリング座部
２９支持孔
Ｌ鍛流線
ｔ１，ｔ２肉厚

Claims

軸部側に支持される支持孔を有したリテーナ本体と該リテーナ本体の軸方向一側外周部に形成されコイル・スプリングを当接支持させる鍔状のスプリング座部とを備えたスプリング・リテーナであって、
前記リテーナ本体及びスプリング座部を、鉄系材料により一体に形成し、
前記リテーナ本体からスプリング座部に渡って連続する鍛流線を形成した、
ことを特徴とするスプリング・リテーナ。
請求項１記載のスプリング・リテーナであって、
前記鉄系材料は、ばね鋼、ダイス鋼、ベアリング鋼、工具鋼の何れかである、
ことを特徴とするスプリング・リテーナ。
請求項１又は２記載のスプリング・リテーナであって、
前記リテーナ本体及びスプリング座部の一体形成を、熱間鍛造により行った、
ことを特徴とするスプリング・リテーナ。
請求項１〜３の何れかに記載のスプリング・リテーナであって、
前記リテーナ本体及びスプリング座部の内部硬さを、Ｈｖ４５０〜７００に設定した、
ことを特徴とするスプリング・リテーナ。
請求項１〜４の何れかに記載のスプリング・リテーナであって、
前記リテーナ本体及びスプリング座部の表面硬さを、前記コイル・スプリングの硬さを上回るように設定した、
ことを特徴とするスプリング・リテーナ。
請求項１〜５の何れかに記載のスプリング・リテーナであって、
前記リテーナ本体及びスプリング座部の表面に、−２００〜−２０００ＭＰａの圧縮残留応力を設定した、
ことを特徴とするスプリング・リテーナ。
請求項１〜６の何れかに記載のスプリング・リテーナであって、
前記スプリング座部に、前記コイル・スプリングの内径側の当たりを逃げる凹部を形成した、
ことを特徴とするスプリング・リテーナ。
請求項１〜７の何れかに記載のスプリング・リテーナであって、
前記リテーナ本体は、他側端部の肉厚を該端部及びスプリング座部間の肉厚よりも相対的に厚く形成した、
ことを特徴とするスプリング・リテーナ。
請求項１〜８の何れかに記載のスプリング・リテーナであって、
前記リテーナ本体の支持孔にエンジン動弁機構のバルブのバルブ・ステム端部を支持させるものであり、
前記スプリング座部に、エンジン動弁機構のバルブ・スプリングを当接支持させるものである、
ことを特徴とするスプリング・リテーナ。
請求項１〜９の何れかに記載のスプリング・リテーナにコイル・スプリングを組み合わせたスプリング・システム。