JPH0763020A

JPH0763020A - アルミニウム合金製バルブリテーナ

Info

Publication number: JPH0763020A
Application number: JP23553993A
Authority: JP
Inventors: Satoru Ishizuka; 哲石塚
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 1993-08-27
Filing date: 1993-08-27
Publication date: 1995-03-07

Abstract

(57)【要約】【目的】アルミニウム合金をマトリックスとする材料
にてバルブリテーナを構成することにより軽量化を達成
でき、しかも、耐摩耗性、剛性，高温強度等の諸特性に
も優れたバルブリテーナを提供する。【構成】エンジンの動弁機構の構成部材としてバルブ
ステム４ａに取付けられると共にバルブ附勢用のバルブ
スプリング７が係着されるバルブリテーナ５の材質を、
合金化元素としてＳｉを７．０〜１５質量％、Ｃｕを
０．５〜６．０質量％、他の元素を５質量％以下含有す
るアルミニウム合金をマトリックスとするアルミニウム
合金複合材料から構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンジンの動弁機構の
構成部材であるバルブリテーナに関し、さらに詳しく
は、摩擦損失量を削減して燃費向上やエンジンの高速回
転化を図るべく質量の小さいアルミニウム合金を材料と
して用いるようにしたアルミニウム合金製バルブリテー
ナに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１は、エンジンの動弁系の一例として
ＯＨＣ（オーバヘッドカムシャフト）の組立構造を示す
ものであって、同図において、１はシリンダヘッド、２
はカム２ａを回転駆動するカムシャフト、３はバルブリ
フタ、４はバルブステム４ａの一端に連設されたバル
ブ、５はバルブリテーナ、６はコッタ、７はバルブスプ
リング、８はスプリングシート、９はステムシート、１
０はバルブガイド、１１はバルブシート、１２は燃焼室
である。

【０００３】上述のバルブリフタ３は、天井壁を有する
円筒状部材から成り、その側面部３ａがシリンダヘッド
１のシリンダヘッド加工面（孔部周面）１３に摺動自在
に嵌着されている。そして、このバルブリフタ３の頂面
部３ｂが、カム２ａとバルブステム４ａの先端との間に
挾持されている。

【０００４】また、前記バルブステム４ａの先端箇所に
はコッタ６が固着され、このコッタ６を介してバルブリ
テーナ５がバルブステム４ａの周囲に配設されている。
さらに、バルブリテーナ５にはバルブスプリング７の一
端が係着されており、このバルブスプリング７によりバ
ルブステム４ａ及びバルブ４が図１において上方（閉弁
方向）に向けて常時附勢されている。

【０００５】かくして、カムシャフト２にてカム２ａが
回転駆動されるのに応じて、バルブリフタ３が下方に押
圧されてバルブ４が開弁位置に往動される工程と、バル
ブスプリング７の附勢力にてバルブ４が図１に示す閉弁
位置に復動される工程とが順次繰り返され、この際のバ
ルブ４の上下運動により、燃焼室１２への混合気の吸気
及び燃焼室１２からの燃焼ガスの排気が行われるように
なっている。

【０００６】ところで、従来では、エンジンの動弁機構
の構成部材の１つであるバルブリテーナ５としては、通
常、Ｓ１５ＣやＳ２０Ｃ等の炭素鋼に侵炭焼入・焼戻処
理を施したものが使用されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】バルブリテーナ５は、
カム２ａの回転運動をバルブ４の上下運動（或いは、左
右方向）に変換するため、バルブリフタ３の内側でコッ
タ６を介してバルブステム４ａ及びバルブ４を保持する
ための部品である。そして、このバルブリテーナ５はコ
ッタ６と面接触し、かつ、バルブススプリング７の一端
とも狭い面積ではあるが面接触しており、これらの接触
面はエンジン稼働時に少しずつではあるが摺動する。

【０００８】このため、バルブリテーナ５の特性とし
て、自身が耐摩耗性に優れていること、及び、コッタ６
やバルブスプリング７を摩耗させる攻撃性の少ないこと
が要求される。さらに、バルブスプリング７にて上昇さ
せられる際、カム２ａの形状に応じて正確に作動するよ
う十分な剛性が要求される。特に、潤滑油により１００
〜１５０℃程度に加熱されるため、その温度域での剛性
が要求される。

【０００９】また、バルブリテーナ５は、バルブ４と共
に上下方向（或いは、水平対向エンジンの場合は左右方
向）に往復運動を繰り返すため、できる限り軽量である
のが望ましい。

【００１０】しかし、従来の鋼製のバルブリテーナ５
は、慣性質量が大きいため、動弁系の運動を高速状態ま
で正常に保つのに、バルブスプリング７のばね力を強く
設定する必要がある。ところが、バルブスプリング７の
ばね力を強く設定するとスプリング質量が増え、それに
比例して動弁系の摩擦損失量が増加し、燃費が悪くなっ
てしまう不都合を生じる。

【００１１】そこで、最近では、質量を低減することで
バルブスプリング７のばね力を比較的弱く設定し、これ
により摩擦損失量を削減して燃費の向上やエンジンの高
速回転化を図るようにしたアルミニウム合金製バルブリ
テーナが提案されている。しかしながら、この種のアル
ミニウム合金製バルブリテーナにあっては、材質がアル
ミニウム合金であるため、コッタ６やバルブスプリング
７との接触部における耐摩耗性が不足しており、剛性も
十分でない。従って、現状では、アルミニウム合金製バ
ルブリテーナを従来品の代替として使用できず、前述の
ような鋼製材料から成るバルブリテーナを使用している
のが実状である。

【００１２】また、バルブリテーナ５としてアルミニウ
ム合金製のものを用いる場合には、耐摩耗性や剛性の他
に、高温強度（耐熱性）の不足も問題である。耐摩耗性
を改善する方法としては、鉄・リン電気めっきや無電解
ニッケル・リンめっき、さらには鉄合金めっきを施すこ
と等が考えられるが、これらの方法では耐摩耗性の改善
は十分とはいえず、剛性や高温強度の改善も僅かであ
る。

【００１３】本発明は、このような実状に鑑みてなされ
たものであって、その目的は、アルミニウム合金をマト
リックスとする複合材料にてバルブリテーナを構成する
ことにより軽量化を達成でき、しかも、耐摩耗性、剛
性，高温強度等の諸特性にも優れたバルブリテーナを提
供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明では、エンジンの動弁機構の構成部材とし
てバルブステムに取付けられると共にバルブ附勢用のバ
ルブスプリングが係着されるバルブリテーナの材質を、
合金化元素としてＳｉを７．０〜１５質量％、Ｃｕを
０．５〜６．０質量％、他の元素を５質量％以下含有す
るアルミニウム合金をマトリックスとするアルミニウム
合金複合材料から構成するようにしている。

【００１５】また、前記複合材料は、粒子強化アルミニ
ウム合金、繊維強化アルミニウム合金、又はこれらをハ
イブリッドしたものとしている。

【００１６】また、前記アルミニウム合金複合材料に添
加される添加材料は１〜２０質量％であるようにしてい
る。

【００１７】また、前記添加材料が粒子の場合には、そ
の粒子のビッカース硬度が１０００以上のものであり、
粒子径が０．５〜２０μｍであるようにしている。

【００１８】また、前記添加材料が粒子と短繊維の場合
には、短繊維の添加量は粒子に対して質量比で５０％以
下であるようにしている。

【００１９】また、前記アルミニウム合金複合材料にて
構成されたバルブリテーナ基体の表面上に酸化アルミニ
ウム皮膜を形成するようにしている。

【００２０】

【作用】バルブリテーナの材質を、前記組成のアルミニ
ウム合金をマトリックスとする複合材料としたことによ
り、バルブリテーナの軽量化を図ることができて慣性力
を小さくでき、ひいては摩擦損失量の低減による燃費の
向上、並びに、エンジンの高速回転化が達成される。ま
た、アルミニウム合金製複合材料の使用により、バルブ
リテーナの剛性や高温強度等の特性が優れたものにな
る。

【００２１】

【実施例】以下、本発明に係るバルブリテーナの実施例
について図２〜図５を参照して説明する。

【００２２】まず、本発明の実施例を具体的に述べるの
に先だって、本発明の概要を述べると、次の通りであ
る。すなわち、本発明は、バルブリテーナをアルミニウ
ム合金をマトリックスとした複合材料にて構成すること
で、質量はアルミニウム合金の場合とほぼ同程度とした
まま、既述の如き欠点を改善するようにしたものであ
る。

【００２３】バルブリテーナの材質としては、アルミニ
ウム合金にセラミックス粒子等を分散した複合材料とす
れば、軽量で自身の耐摩耗性に優れ、剛性（高温剛性を
含む）や高温強度を改善した材質とすることができる。
そして、これを素材として製作したバルブリテーナであ
れば、従来の鋼製のバルブリテーナの代替品として使用
可能である。

【００２４】また、図２に示すように、アルミニウム合
金をマトリックスとした複合材料から成るバルブリテー
ナ５の基体５ａの表面上に、アルマイト処理により酸化
アルミニウム皮膜（アルマイト層，ベーマイト層）１４
を形成するようにしてもよい。この場合には、酸化アル
ミニウム皮膜１４の存在により、耐摩耗性のより一層の
向上や相手部材への攻撃性を抑えることが可能となる。

【００２５】但し、ここで、複合材料のマトリックスは
アルミニウム合金であり、合金化元素として７．０〜１
５質量％のＳｉと、０．５〜６．０質量％のＣｕを含有
し、さらにＭｇ，Ｎｉ，Ｆｅ等の他の元素を合計で５質
量％以下含有するものとする。また、添加材料は、１〜
２０質量％添加する。

【００２６】添加材料が粒子の場合には、ビッカース硬
度Ｈ_Vを１０００以上のものとし、粒子径は０．５〜２
０μｍのものとする。

【００２７】ウイスカ等の短繊維を粒子と一緒に添加し
た複合材料としてもよいが、この場合には粒子に対する
添加質量比を０．５以下、すなわち、短繊維の添加量は
粒子に対して質量比で５０％以下とする。

【００２８】また、素材の健全性向上のため、高温高圧
（ＨＩＰ）処理を行うようにしてもよい。なお、この場
合、マトリックスがアルミニウム合金であることから、
高温といっても約６００℃以下とする。

【００２９】次に、本発明を適用した具体例を以下に述
べる。

【００３０】具体例１ＪＩＳＡＣ８Ａ合金に、粒子径が５μｍのＳｉＣ粒子
を５質量％添加した複合材料（ＰＲＭ； Particle Rein
forced Metal）すなわち粒子強化アルミニウム合金を製
造し、材料の健全性向上のために５００℃，１０００気
圧，１時間のＨＩＰ処理を施し、それを素材としてバル
ブリテーナを製作した。そして、そのバルブリテーナの
表面上に、２０μｍの酸化アルミニウム皮膜（アルマイ
ト層或いはベーマイト層）を形成した。

【００３１】これにより得られたアルミニウム合金製バ
ルブリテーナの静的強度特性及び疲労強度特性を測定し
たところ、図３及び図４に示す結果を得た。また、その
表面部分の組織を顕微鏡にて観察したところ、図５に示
すような観察結果を得た。なお、図５において、５ａは
バルブリテーナ５の基体、１４は酸化アルミニウム皮膜
である。

【００３２】このアルミニウム合金製バルブリテーナ
は、アルミニウム合金をマトリックスとするため従来品
より軽量であり、しかも、剛性，耐摩耗性，高温強度等
の諸特性が改善されたものであり、従来の鋼製バルブリ
テーナと代替しても支障のない部品であった。

【００３３】具体例２ＪＩＳＡＣ８Ａ合金に、粒子径が５μｍのＳｉＣ粒子
を１０質量％添加した複合材料（ＰＲＭ）を製造し、材
料の健全性向上のために５００℃，１０００気圧，１時
間のＨＩＰ処理を施し、それを素材としてバルブリテー
ナを製作した。そして、そのバルブリテーナの表面上
に、２０μｍの酸化アルミニウム皮膜（アルマイト層或
いはベーマイト層）を形成した。

【００３４】これにより得られたアルミニウム合金製バ
ルブリテーナは、上述の具体例１の場合と同様に、従来
品より軽量であり、剛性，耐摩耗性，高温強度等の諸特
性が改善されたものであり、従来の鋼製バルブリテーナ
と代替しても支障のない部品であった。

【００３５】以上、本発明の一実施例につき述べたが、
本発明はこの実施例に限定されるものではなく、本発明
の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能であ
る。例えば、既述の具体例では、粒子強化アルミニウム
合金（ＰＲＭ）を複合材料としたが、繊維強化アルミニ
ウム合金（ＦＲＭ；Fiber Reinforced Metal）や、これ
らをハイブリッドしたものを複合材料とするようにして
もよい。

【００３６】

【発明の効果】以上の如く、本発明は、動弁機構の構成
部材であるバルブリテーナの材質を、既述のような所定
範囲の組成のアルミニウム合金をマトリックスとするア
ルミニウム合金複合材料から構成するようにしたもので
あるから、本発明のバルブリテーナは、アルミニウム合
金複合材料の採用により、従来の鋼製バルブリテーナに
比べて大幅な軽量化を図ることができる。そのため、バ
ルブリテーナの慣性力を小さくでき、ひいては摩擦損失
量の低減による燃費の向上、並びに、エンジンの高速回
転化が可能となる。

【００３７】しかも、このような作用効果を奏し得る上
に、アルミニウム合金製複合材料の使用により、バルブ
リテーナの耐摩耗性，剛性，高温強度等の諸特性が優れ
たものになる。従って、本発明のバルブリテーナを従来
の鋼製バルブリテーナの代替品として使用しても支障が
なく、上述の如き実用的な作用効果を得ることができ、
非常に有益である。

【図面の簡単な説明】

【図１】エンジンの動弁機構の構成を示す断面図であ
る。

【図２】バルブリテーナ基体の表面上に形成される酸化
アルミニウム皮膜を示す断面図である。

【図３】本発明に係るバルブリテーナの静的強度特性を
示すグラフである。

【図４】本発明に係るバルブリテーナの疲労強度特性を
示すグラフである。

【図５】本発明に係るバルブリテーナの表面部分の金属
組織を示す顕微鏡写真である。

【符号の説明】

１シリンダヘッド２ａカム３バルブリフタ４バルブ４ａバルブステム５バルブリテーナ５ａバルブリテーナ基体７バルブスプリング１４酸化アルミニウム皮膜（アルマイト層，ベーマイ
ト層）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エンジンの動弁機構の構成部材としてバ
ルブステムに取付けられると共にバルブ附勢用のバルブ
スプリングが係着されるバルブリテーナの材質を、合金
化元素としてＳｉを７．０〜１５質量％、Ｃｕを０．５
〜６．０質量％、他の元素を５質量％以下含有するアル
ミニウム合金をマトリックスとするアルミニウム合金複
合材料から構成したことを特徴とするアルミニウム合金
製バルブリテーナ。
【請求項２】前記複合材料は、粒子強化アルミニウム
合金、繊維強化アルミニウム合金、又はこれらをハイブ
リッドしたものであることを特徴とする請求項１に記載
のアルミニウム合金製バルブリテーナ。
【請求項３】前記アルミニウム合金複合材料に添加さ
れる添加材料は１〜２０質量％であることを特徴とする
請求項２に記載のアルミニウム合金製バルブリテーナ。
【請求項４】前記添加材料が粒子の場合には、その粒
子のビッカース硬度が１０００以上のものであり、粒子
径が０．５〜２０μｍであることを特徴とする請求項３
に記載のアルミニウム合金製バルブリテーナ。
【請求項５】前記添加材料が粒子と短繊維の場合に
は、短繊維の添加量は粒子に対して質量比で５０％以下
であることを特徴とする請求項３に記載のアルミニウム
合金製バルブリテーナ。
【請求項６】前記アルミニウム合金複合材料にて構成
されたバルブリテーナ基体の表面上に酸化アルミニウム
皮膜を形成するようにしたことを特徴とする請求項１〜
請求項５のいずれか１項に記載のアルミニウム合金製バ
ルブリテーナ。