JPH09195730A - 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、ショットピー
ニング仕上げ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Ａｌ（アルミニ
ウム）を含有したＴｉ（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４（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。

【０００４】図４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１１Ａ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。

【０００５】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。

【０００６】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β型チタン合金製に、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２
０Ａ，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２１
Ａ，２１Ｂの形状に応じて揺動するロッカアーム２２
Ａ，２２Ｂ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。

【０００７】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。

【０００８】コッタ２６は、図５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。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、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、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との接触部には、フレッティングが発生す
る。これは、β型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。

【００１０】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５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りクラック２
７が発生したりして、β型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。

【００１１】図５中に符号２７で示するように、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５中下方側）端部
近傍にフレッティング磨耗が生じる。これは、楔状断面
を有するコッタ２６の先端（即ち、図５中の下端）側
に、楔効果によって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。

【００１２】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、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。

【００１３】

【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、ショットピーニン
グ仕上げが施されていることを特徴としている。

【００１４】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、該ショットピー
ニング仕上げが、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。

【００１５】

【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３は本発明の一実施
形態としての内燃機関用弁を示すもので、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４
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Ａｌ（アルミニウム）を含有した
Ｔｉ（チタン）合金が用いられている。

【００１６】図４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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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、ショットピーニング仕
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
うにショットピーニング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、ショッ
トピーニング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。

【００２０】なお、現状のショットピーニング加工技術
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シ
ョットピーニング仕上げが施すことがが考えられるが、
ショットピーニングの加工技術上に問題がなければ、嵌
合面１６Ａのみにショットピーニング仕上げを施した
り、嵌合面１６Ａの中でもフレッティング磨耗等による
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ショットピーニング仕
上げを施すようにしてもよい。

【００２１】また、このようなショットピーニング仕上
げの具体的な施工条件としては、例えば直径０．１〜
０．２mm程度のスチールビーズで、ショット硬さはビッ
カース硬度７００以上とし、アークハイト（即ち、ショ
ットピーニング力の程度）としては０．１２〜０．１３
５mmＡ、さらに、カバレージを１．０として全面に全て
のビーズを打ち当てるようにする。もちろん、このよう
な条件設定は一例であり、弁の材質や大きさ等に応じて
最適なショットピーニングの条件を設定すべきである。

【００２２】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
磨耗等による損傷を招きやすい箇所２７（図１参照）及
びこの周囲が、ショットピーニング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。

【００２３】例えば、図２はその疲労試験後の試験結果
を示すグラフであり、図中、●は本内燃機関用弁のもの
を示し、○で従来のものを示す。疲労試験の試験方法
は、図２中に示すようにコッタ２６とバルブ傘部１７と
を引張点として予め設定された引張応力による引張応力
荷重を繰り返して与え、図２中に示すような破断２７が
生じるまでの繰り返し数ｎを記録する。

【００２４】これによると、図２に○印及び●印と曲線
とで示すような結果が得られた。ショットピーニングを
行なわない従来の弁の場合（○印参照）と本実施形態の
内燃機関用弁の場合（●印参照）とを比較すると、各条
件下の疲労試験において、いずれも本内燃機関用弁は従
来のものよりも疲労限界応力が向上していることがわか
る。

【００２５】繰り返し数ｎを１０⁷ とした場合には、シ
ョットピーニングを行なわない従来の弁の場合には、疲
労限界応力が２８０ＭＰａ（引張荷重でほぼ７５０ｋｇ
ｆに相当する）であるのに対して、ショットピーニング
を行なった本実施形態の内燃機関用弁の場合には、疲労
限界応力が３６０ＭＰａ（引張荷重でほぼ１０００ｋｇ
ｆに相当する）と大きく向上しており、疲労強度が向上
することがわかる。

【００２６】そして、同一条件下で疲労試験を行なった
試験片を比較すると、ショットピーニングを行なわない
従来例の内燃機関用弁の方は、図３（Ｂ）に示すよう
に、軸部の表面にフレッティング磨耗による傷痕が大き
く見られるのに対して、ショットピーニングを行なった
本内燃機関用弁の方は、図３（Ａ）に示すように、軸部
の表面にはフレッティング磨耗による傷痕は殆ど見られ
ず、疲労強度が向上することがわかる。

【００２７】また、モータリング耐久試験においても、
ショットピーニングを行なわない従来例の内燃機関用弁
の場合に折損が発生するような場合にも、ショットピー
ニングを行なった本内燃機関用弁の場合にはこのような
現象は見られず、モータリング耐久も大きく向上するこ
とがわかった。さらに、ファイヤリング耐久においても
大きく向上することがわかった。

【００２８】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ショットピ
ーニング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。

【００２９】

【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、ショットピーニ
ング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。

【００３０】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、該ショッ
トピーニング仕上げが、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。

【００３１】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】本発明の効果を説明する図であって、疲労試験
の結果を示すグラフである。

【図３】本発明の効果を説明する図であって、（Ａ）は
本発明の一実施形態としての内燃機関用弁の疲労試験後
の状態を示す斜視図であり、（Ｂ）は従来例の内燃機関
用弁の疲労試験後の状態を示す斜視図である。

【図４】従来の内燃機関の動弁系を示す断面図である。

【図５】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 １５ 排気弁 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 ショットピーニング仕上げ箇所

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、ショットピ
   ーニング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】 該ショットピーニング仕上げが、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。