JP4594970B2 - 内燃機関用スプリングリテーナの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の動弁機構に用いられる板金製のスプリングリテーナの製造方法に関する。

内燃機関の動弁機構には、エンジンバルブの上端部に、１対のコッタを介して止着され、コイル状のバルブスプリングの上端を受支するスプリングリテーナが用いられる。
このスプリングリテーナは、鋼材を鍛造して成形されるのが一般的であり、全体が厚肉に形成されているため、重く、動弁系の慣性質量を低減するうえでの障害となっている。

この問題に対処するために、本願の出願人は、板金製のスプリングリテーナを案出し、先に特許出願している(特許文献１参照)。
特開２００２−３０３１０７号公報

内燃機関の運転に伴い、スプリングリテーナにおけるコッタが嵌合されるテーパ状の筒部には、これを拡径させようとする押圧力が作用し、またコッタの上端におけるばね受けフランジにも、バルブスプリングによる大きな上向きの応力が繰り返し作用するため、特に、高速かつ高負荷で運転される自動車用内燃機関に装着されるスプリングリテーナには、高い剛性や疲労強度が要求される。

上記特許文献に記載されている板金製のスプリングリテーナは、図１４に示すように、ばね受けフランジＡにおけるバルブスプリングの上端が当接する外周部を、内周部側よりも上位となるように、水平を保って上向き段状に折曲し、ばね受けフランジＡの中間部に、上向きに立ち上がる環状のガイド部Ｂを設けることにより、その部分の断面係数を大とし、スプリングリテーナを板金製として軽量化しながら、その強度等を高めている。

しかし、上記のスプリングリテーナは、筒部Ｃとばね受けフランジＡとの連設部における隅部外周部面Ｄを、筒部Ｃの上下寸法が大とならないように、比較的小さい半径の円弧状曲面としてあるので、その部分に応力が集中するのが避けられなかった。
そのため、スプリングリテーナをより薄肉として、軽量化を図るのには限界があった。

この問題に対処するために、図１５に示すように、隅部外周面Ｄを、半径の大きな円弧状曲面とすることも考えられるが、このようにすると、隅部内周面Ｅも大きな円弧状曲面となるため、筒部Ｃにおけるコッタが装着される部分の上下寸法Ｈが小さくなる。
このようになると、コッタの嵌合領域が小さくなるので、これにより保持されるエンジンバルブが不安定となる。これを防止するためには、図１５の２点鎖線で示すように、筒部Ｃの上下寸法を大とすればよいが、このようにすると、スプリングリテーナの軽量化に逆行するだけでなく、スプリングリテーナの上下寸法が大となって、エンジン設計の自由度が制限される。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、全体を板金により形成したにも拘らず、高い剛性や疲労強度を有するようにし、もって、可能な限り、軽量化を図れるようにした内燃機関用スプリングリテーナの製造方法を提供することを目的としている。

本発明によると、上記課題は、次のようにして解決される。
(１) １対のコッタが嵌合可能なテーパ孔を中心に有する筒部と、この筒部の上端に連設され、バルブスプリングの上端を受支するばね受けフランジとを備える内燃機関用スプリングリテーナの製造方法であって、円盤状に形成した板金素材を絞り加工することにより、テーパー状の有底筒部の上端に、中間部に上向きに立ち上がるガイド部を有するばね受けフランジが連設され、かつこの連設部の隅部外周面が前記有底筒部の肉厚より大きい曲率半径のほぼ円弧状曲面とされた第１次中間品を成形する工程と、前記第１次中間品を、その外形と補形をなす型孔に挿入して拘束しながら、据込み鍛造により、前記ばね受けフランジの肉の一部を、前記有底筒部との連設部における隅部内周面側に向かって塑性流動させ、かつ前記連設部の隅部内周面を、前記隅部外周面の曲率半径よりも小さな曲率半径のほぼ円弧状曲面とすることにより、前記連設部の肉厚が、有底筒部の肉厚よりも大きい第２次中間品を成形する工程と、前記有底筒部の底板をプレスにより打ち抜く工程とを有する。

(２)１対のコッタが嵌合可能なテーパ孔を中心に有する筒部と、この筒部の上端に連設され、バルブスプリングの上端を受支するばね受けフランジとを備える内燃機関用スプリングリテーナの製造方法であって、円盤状に形成した板金素材を絞り加工することにより、テーパー状の有底筒部の上端に、中間部に上向きに立ち上がるガイド部を有するばね受けフランジが連設され、かつこの連設部の隅部外周面が前記有底筒部の肉厚より大きい曲率半径のほぼ円弧状曲面とされた第１次中間品を成形する工程と、前記有底筒部の底板をプレスにより打ち抜き、テーパー状の筒部を有する第２次中間品を成形する工程と、前記第２次中間品を上下の型により拘束しながら、据込み鍛造により、前記テーパー状の筒部の下端を、ばね受けフランジ側に強圧し、筒部の肉の一部を、この筒部とばね受けフランジとの連設部における隅部内周面側に向かって塑性流動させ、かつ前記連設部の隅部内周面を、前記隅部外周面の曲率半径よりも小さな曲率半径のほぼ円弧状曲面とすることにより、連設部の肉厚を、前記筒部の肉厚よりも大とする工程とを有する。

請求項１記載の発明によれば、筒部とばね受けフランジとの連設部の肉厚を大としたスプリングリテーナを、比較的容易に製造することができる。
また、ばね受けフランジの肉の一部を、据込み鍛造により塑性流動させて、連設部の肉厚を大としているので、連設部に鍛流線が形成されるとともに、加工硬化されるので、その部分の強度が大となる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１と同様、筒部とばね受けフランジとの連設部の肉厚を大としたスプリングリテーナを、比較的容易に製造することができるとともに、筒部の肉の一部を、据込み鍛造により塑性流動させて、連設部の肉厚を大としているので、上記と同様に、連設部の強度が大となる。

以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明により製造されたスプリングリテーナの第１の実施形態を示す斜視図、図２は、このスプリングリテーナを組み付けた動弁機構の中央縦断正面図、図３は、スプリングリテーナ単体の縦断正面図である。

スプリングリテーナ１は、詳細な製造方法は後述するが、例えば０.５〜２.０mm、好ましくは１.２〜１.６mm程度の薄肉鋼板を、絞り加工を基本として成形され、上方に向かって漸次拡径するテーパ状の筒部２と、その上端に外向きに連設されたばね受けフランジ３とからなっている。
筒部２の内面のテーパ孔４に嵌合した１対のコッタ５、５の内面の内向きビード５a、５aを、エンジンバルブ６の軸端部の環状溝６aに嵌合することにより、スプリングリテーナ１は、エンジンバルブ６と実質的に一体をなすように組付けられている。

ばね受けフランジ３の下面の外周部寄りには、バルブスプリング７の上端が圧接し、これにより、スプリングリテーナ１及びエンジンバルブ６は、常時上向きに付勢されている。

上記ばね受けフランジ３の径方向の中間部には、上方に立ち上がる環状のガイド部８が形成され、ガイド部８より外側の水平の外周部下面に、上記バルブスプリング７の上端が圧接している。なおガイド部８は、バルブスプリング７の上端が径方向に移動するのを防止するためと、断面係数を大として、ばね受けフランジ３の曲げ剛性を高めるためのものである。ガイド部８の高さは、約１.０〜４.０mm、好ましくは、１.５〜２.５mmとしてある。

図４に拡大して示すように、スプリングリテーナ１における筒部２とばね受けフランジ３との連設部９の肉厚Ｔ1は、筒部２の肉厚Ｔ2よりも大とされている。
すなわち、筒部２とばね受けフランジ３との連設部９における隅部外周面１０を、隅部内周面１１よりも大きい曲率半径の円弧状曲面とすることにより、連設部９の肉厚Ｔ1を、それ以外の部分の肉厚よりも大としてある。なお、この実施形態では、隅部外周面１０の曲率半径を、少なくとも筒部２の肉厚以上となる２.０mm、隅部内周面１１の曲率半径を０.５mmとしてある(図は若干誇張して示してある)。

ばね受けフランジ３における外周縁部の上面には、外向下傾する面取り部１２が形成されている。

上記実施形態のスプリングリテーナ１においては、筒部２とばね受けフランジ３との連設部９における隅部外周面１０を、隅部内周面１１よりも大きい曲率半径の円弧状曲面とし、連設部９の肉厚Ｔ1を、筒部２の肉厚Ｔ2よりも大としているから、連設部９が強化されるとともに、連設部９に応力が集中するのが回避される。
しかも、ばね受けフランジ部３の径方向の中間部に、上方に立ち上がるガイド部８を形成し、ばね受けフランジ３の断面係数を大としてあるので、その部分の撓み剛性は大きくなっている。

その結果、スプリングリテーナ１を板金により成形して軽量化したにも拘わらず、ばね受けフランジ３及びその連設部９の曲げ剛性が大となり、高い疲労強度が得られる。
また、隅部内周面１１は、曲率半径の小さな円弧状曲面とされているため、筒部２におけるコッタ５の装着部の上下寸法は十分に確保され、従って、筒部２の上下寸法を大きくする必要はなく、スプリングリテーナの重量増加を招くようなこともない。

なお、隅部外周面１０の曲率半径を２.０mmとした上記実施例のスプリングリテーナ１と、同じ部分の曲率半径を０.５mmとした従来のスプリングリテーナとの連設部９に作用する応力を、動弁機構に組み付けた状態においてＦＥＭ解析したところ、本実施形態のスプリングリテーナは、従来のものに比して、応力は約１／２に低下し、応力集中が回避されていることが確認された。

次に、上記実施形態のスプリングリテーナ１の製造方法の第１の実施形態を、図５〜図８を参照して説明する。

まず、図５に示すように、所定の厚さの鋼板を円盤状に打ち抜いて形成した素材Ｗを、上記製造しようとするスプリングリテーナ１の筒部２成形用の型孔１３と、ばね受けフランジ３の内方の半部成形用の環状凹部１４を有するプレス装置の下型１５の上面に載置したのち、素材Ｗの外周部を、押さえ板１６により押さえ、押さえ板１６を貫通して上下動するパンチ１７の下端部である上型１８を、型孔１３及び環状凹部１４内に突入させることにより、素材Ｗを絞り加工する。

これにより、下端が閉塞された、上記筒部２とほぼ同形をなすテーパー状の有底筒部１９の上端に、径方向の中間部に上向きのガイド部２０aを有するばね受けフランジ２０が連設された、スプリングリテーナの第１次中間品２１が得られる。なお、有底筒部１９とばね受けフランジ２０との連設部における隅部外周面２２は、この絞り加工時に、製造しようとするスプリングリテーナ１の隅部外周面１０と同形の円弧状曲面に形成される。
なお、この絞り加工は、素材Ｗの板厚または材質に応じて、冷間または温間のいずれかを選択して行われる。

ついで、図６に示すように、第１次中間品２１を、据込み鍛造装置の下型２３に挿入する。
下型２３には、第１次中間品２１の有底筒部１９の外形と補形をなす有底の型孔２４と、ばね受けフランジ２０の下面の形状と同形をなすとともに、ばね受けフランジ２０が若干余裕をもって嵌合される、その外径よりも大きな内径の段付き環状凹部２５とが形成されている。

パンチ２６の下端部には、有底筒部１９内に嵌合され、これを内向きに変形するのを拘束する、有底筒部１９の内面形状とほぼ補形をなす第１上型２７と、ばね受けフランジ２０の上面を強圧する、その上面形状とほぼ補形をなす第２上型２８と、ばね受けフランジ２０の外周面を強圧することにより、その部分に面取り部を形成する第３上型２９とが、互いに連続して形成されている。

パンチ２６を下降させ、その第２上型２８をばね受けフランジ２０の上面に当接させた際、第１次中間品２１における有底筒部１９とばね受けフランジ２０との連設部の隅部内周面３０と、第１上型２７と第２上型２８との連設隅部３１との間に、環状の肉流れ空間Ｓが形成されるようにしてある。

パンチ２６により第１次中間品２１を強圧すると、図７に示すように、ばね受けフランジ２０が、第２及び第３上型２８、２９により塑性変形させられることにより、その部分の肉の一部が上記肉流れ空間Ｓに向かって塑性流動するとともに、外周方向にも塑性流動する。
これにより、有底筒部１９とばね受けフランジ２０との連設部３２の肉厚が、他の部分よりも大となり、かつばね受けフランジ２０の外周縁の上面に、第３上型２９による面取り部３３が形成された、スプリングリテーナの第２次中間品３４が据込み成形される。

ついで、図８に示すように、上記第２次中間品３４を、打抜き用プレス装置の下型３５の型孔３６に挿入し、有底筒部１９の底板１９aをパンチ３７により打ち抜けば、上記スプリングリテーナ１とほぼ同形のスプリングリテーナ１’が得られる。

最後に、上記スプリングリテーナ１’に仕上げ加工を施せば、上記と同様のスプリングリテーナ１が得られる。なお、エンジンの仕様によっては、仕上げ加工後のスプリングリテーナに、表面処理や熱処理を施すこともある。

図９〜図１２は、スプリングリテーナ１の製造方法の第２の実施形態を、工程順に示すものである。
まず図９に示すように、上記第１の実施形態と同様のプレス装置を用いて、有底筒部１９の上下寸法が、第１の実施形態のそれよりも若干長寸をなす第１次中間品３８を、絞り加工により成形する。

ついで、図１０に示すように、第１次中間品３８を、打抜きプレス装置の下型３９の型孔４０に挿入し、有底筒部１９の底板１９aをパンチ４１により打ち抜くとともに、上型４２により、ばね受けフランジ２０の外周縁の上面に、面取り部３３を形成する。

ついで、図１１に示すように、上記底板１９aが打ち抜かれたスプリングリテーナの第２次中間品４２を、据込み鍛造装置の下型４３の型孔４４に挿入し、筒部４６の内面とばね受けフランジ４７の上面を、上型４８におけるテーパー状突部４８aと下面４８bにより、突部４８aが筒部４６の下端より若干上方に位置するようにして拘束する。この拘束時において、筒部４６とばね受けフランジ４７との連設部の隅部内周面４９と、上型４８における突部４８aと下面４８bとの連設隅部５０との間に、肉流れ空間Ｓが形成されるようにしてある。

ついで、図１２に示すように、型孔４５と連通するガイド孔５１に嵌合したパンチ５２を上昇させ、筒部４６における突部４８aよりの突出端部を、上向きに強圧する。すると、筒部４６が圧縮され、上方への肉流れが生じることにより、肉の一部が、肉流れ空間Ｓに向かって塑性流動する。
これにより、筒部４６とばね受けフランジ４７との連設部５３の肉厚が、他の部分よりも大となった、上記スプリングリテーナ１とほぼ同形のスプリングリテーナ１’が得られる。
最後に仕上げ加工を施すとともに、必要により、表面処理や熱処理を施せばよい。

上記第１、第２の実施形態の製造方法によると、いずれも、比較的少ない工程で、筒部２とばね受けフランジ３との連設部９の肉厚を大とした上記板金製のスプリングリテーナ１を、容易に製造することができる。
また、いずれの製造方法も、据込み鍛造により塑性変形させて、連設部９の肉厚を大としているので、連設部９の内部に鍛流線が形成されるとともに、その部分が加工硬化され、強度が向上する。

なお、第１、第２の実施形態の製造方法では、いずれも、絞り加工時に、筒部２となる有底筒部１９をテーパー状に成形しているが、絞り加工時には直円筒状の有底筒部を形成し、その底板を打ち抜いた後の工程で、テーパー状の筒部２をプレスにより成形してもよい。このようにすると、スプリングリテーナ１をより軽量化するために、筒部２を薄肉とするしごき加工を、有底筒部成形後の工程に加えることができる。
また、第２の実施形態の製造方法において、絞り加工により直円筒状の有底筒部を形成し、その底板を打ち抜いた後、筒部の下端を、据込み鍛造により上方に強圧して、連設部の肉厚を大とし、その後、筒部をテーパー状に成形することもある。

図１３は、第２の実施形態のスプリングリテーナ、すなわち、小型のエンジンに使用される小さなスプリングリテーナ５４を示す。
この実施形態のスプリングリテーナ５４は、テーパー状の筒部５５の上端に、上向きのガイド部５６を介して、外径の小さなばね受けフランジ５７が連設された形状をなし、かつ筒部５５とガイド部５６との連設部５８の肉厚は、上記第１の実施形態のスプリングリテーナ１と同様、筒部５５及びばね受けフランジ５７よりも大とされている。

この実施形態のスプリングリテーナ５４においても、連設部５８が強化されるとともに、連設部５８に応力が集中するのが回避される。
また、連設部５８と近接する位置に、上向きのガイド部５６が形成され、断面係数を大としているので、ばね受けフランジ５７の強度が高まる。
なお、図示は省略するが、この実施形態のスプリングリテーナ５４も、上記第１及び第２の実施形態の製造方法により製造することができる。

本発明により製造されたスプリングリテーナの第１の実施形態を示す斜視図である。 同じく、動弁機構に組付けた状態の中央縦断正面図である。 同じく、スプリングリテーナ単体の中央縦断正面図である。 同じく、スプリングリテーナの拡大半断面図である。 本発明の製造方法の第１の実施形態における第１次中間品の成形工程を示す縦断正面図である。 同じく、第１次中間品を下型に挿入し、その上面にパンチを当接させた状態の縦断正面図である。 同じく、パンチを下降させて、第２次中間品を成形した工程の縦断正面図である。 同じく、パンチにより有底筒部の底板を打ち抜いた工程の縦断正面図である。 本発明の製造方法の第２の実施形態における第１次中間品の成形工程を示す縦断正面図である。 同じく、第１次中間品を下型に挿入し、有底筒部の底板をパンチにより打ち抜き、第２次中間品を成形した工程の縦断正面図である。 同じく、第２次中間品を下型と上型により拘束した状態の縦断正面図である。 同じく、第２次中間品の筒部をパンチにより上向きに強圧した工程の縦断正面図である。 本発明により製造されたスプリングリテーナの第２の実施形態を示す中央縦断正面図である。 従来のスプリングリテーナの中央縦断正面図である。 同じく、従来のスプリングリテーナの変形例を示す中央縦断正面図である。

１ スプリングリテーナ
２ 筒部
３ ばね受けフランジ
４ テーパ孔
５ コッタ
５a ビード
６ エンジンバルブ
６a 環状溝
７ バルブスプリング
８ ガイド部
９ 連設部
１０ 隅部外周面
１１ 隅部内周面
１２ 面取り部
１３ 型孔
１４ 環状凹部
１５ 下型
１６ 押さえ板
１７ パンチ
１８ 上型
１９ 有底筒部
１９a 底板
２０ ばね受けフランジ
２０a ガイド部
２１ 第１次中間品
２２ 隅部外周面
２３ 下型
２４ 型孔
２５ 環状凹部
２６ パンチ
２７ 第１上型
２８ 第２上型
２９ 第３上型
３０ 隅部内周面
３１ 連設隅部
３２ 連設部
３３ 面取り部
３４ 第２次中間品
３５ 下型
３６ 型孔
３７ パンチ
３８ 第１次中間品
３９ 下型
４０ 型孔
４１ パンチ
４２ 上型
４３ 第２次中間品
４４ 下型
４５ 型孔
４６ 筒部
４７ ばね受けフランジ
４８ 上型
４８a 突部
４８b 下面
４９ 隅部内周面
５０ 連設隅部
５１ ガイド孔
５２ パンチ
５３ 連設部
５４ スプリングリテーナ
５５ 筒部
５６ ガイド部
５７ ばね受けフランジ
５８ 連設部
Ｓ 肉流れ空間
Ｔ1,Ｔ2 肉厚
Ｗ 素材

Claims (2)

1. １対のコッタが嵌合可能なテーパ孔を中心に有する筒部と、この筒部の上端に連設され、バルブスプリングの上端を受支するばね受けフランジとを備える内燃機関用スプリングリテーナの製造方法であって、
   円盤状に形成した板金素材を絞り加工することにより、テーパー状の有底筒部の上端に、中間部に上向きに立ち上がるガイド部を有するばね受けフランジが連設され、かつこの連設部の隅部外周面が前記有底筒部の肉厚より大きい曲率半径のほぼ円弧状曲面とされた第１次中間品を成形する工程と、前記第１次中間品を、その外形と補形をなす型孔に挿入して拘束しながら、据込み鍛造により、前記ばね受けフランジの肉の一部を、前記有底筒部との連設部における隅部内周面側に向かって塑性流動させ、かつ前記連設部の隅部内周面を、前記隅部外周面の曲率半径よりも小さな曲率半径のほぼ円弧状曲面とすることにより、前記連設部の肉厚が、有底筒部の肉厚よりも大きい第２次中間品を成形する工程と、前記有底筒部の底板をプレスにより打ち抜く工程とを有することを特徴とする内燃機関用スプリングリテーナの製造方法。
2. １対のコッタが嵌合可能なテーパ孔を中心に有する筒部と、この筒部の上端に連設され、バルブスプリングの上端を受支するばね受けフランジとを備える内燃機関用スプリングリテーナの製造方法であって、
   円盤状に形成した板金素材を絞り加工することにより、テーパー状の有底筒部の上端に、中間部に上向きに立ち上がるガイド部を有するばね受けフランジが連設され、かつこの連設部の隅部外周面が前記有底筒部の肉厚より大きい曲率半径のほぼ円弧状曲面とされた第１次中間品を成形する工程と、前記有底筒部の底板をプレスにより打ち抜き、テーパー状の筒部を有する第２次中間品を成形する工程と、前記第２次中間品を上下の型により拘束しながら、据込み鍛造により、前記テーパー状の筒部の下端を、ばね受けフランジ側に強圧し、筒部の肉の一部を、この筒部とばね受けフランジとの連設部における隅部内周面側に向かって塑性流動させ、かつ前記連設部の隅部内周面を、前記隅部外周面の曲率半径よりも小さな曲率半径のほぼ円弧状曲面とすることにより、連設部の肉厚を、前記筒部の肉厚よりも大とする工程とを有することを特徴とする内燃機関用スプリングリテーナの製造方法。

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