(57)【要約】【課題】エンジンのバルブ構造において、バルブスプリングに作用する横応力を抑制し、バルブスプリングを高回転においても追随可能とする。【解決手段】バルブスプリングのリテーナとバルブのステム端部との間に装着されるコッターと、バルブスプリングの一端を支持するスプリング座面を有するリテーナと、を備えた、エンジンのバルブ構造において、前記コッターが、同形状の一対の半割部材から構成され、前記半割部材の各々が、前記リテーナと嵌合しかつ転動可能な球面である外周面を有し、かつ、前記リテーナが、前記コッターを受容可能な中心孔を有し、前記中心孔の壁面が軸方向の下半分において前記コッターと嵌合する球面を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンのバルブ構造においてバルブスプリングのリテーナとバルブのステム端部との間に装着されるコッターであって、
同形状の一対の半割部材から構成され、前記半割部材の各々が、前記リテーナと嵌合しかつ転動可能な球面である外周面を有することを特徴とするコッター。
【請求項２】
前記コッターの各半割部材が、
もう一方の半割部材と対向する一対の対向面と、
前記ステム端部と当接する円筒内周面と、
前記ステム端部と係合するべく前記円筒内周面に形成された係合部とをさらに有することを特徴とする請求項１に記載のコッター。
【請求項３】
エンジンのバルブ構造においてバルブスプリングの一端を支持するスプリング座面を有するリテーナであって、
バルブのステム端部が挿通可能でありかつ前記ステム端部に装着されるコッターを受容可能な中心孔を有し、前記中心孔の壁面が軸方向の下部において前記コッターと嵌合する球面を具備することを特徴とするリテーナ。
【請求項４】
前記中心孔の壁面が、軸方向の上部において円筒面であることを特徴とする請求項３に記載のリテーナ。
【請求項５】
バルブスプリングのリテーナとバルブのステム端部との間に装着されるコッターと、
バルブスプリングの一端を支持するスプリング座面を有するリテーナと、を備えた、エンジンのバルブ構造において、
前記コッターが、同形状の一対の半割部材から構成され、前記半割部材の各々が、前記リテーナと嵌合しかつ転動可能な球面である外周面を有し、かつ、
前記リテーナが、前記コッターを受容可能な中心孔を有し、前記中心孔の壁面が軸方向の下部において前記コッターと嵌合する球面を具備することを特徴とするバルブ構造。
【請求項６】
前記リテーナの前記スプリング座面が、バルブスプリングの仮想中心線と前記リテーナの軸とが一致するように設けられており、かつ、前記スプリング座面を含む面とバルブスプリングの仮想中心線との交点を中心として、前記コッターと前記リテーナが相対的に揺動可能であることを特徴とする請求項５に記載のバルブ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンのバルブ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７は、一般的なエンジンのバルブ構造の一例を概略的に示している。図示の例では、バルブ構造が、バルブ３と、バルブスプリング４と、コッター１０１と、リテーナ１０２と、スプリングシート５と、カム６とを有する。バルブ３は、燃焼室を開閉する傘状のフェース３１と、軸状のステム３２と、カム６から直接的又は間接的に力を受けるステム端部３３とを具備する。このようなバルブ構造は周知であり、例えば特許文献１、２に開示されている。
【０００３】
ステム３２の周囲に配置されたコイルスプリングであるバルブスプリング４は、所定の圧縮状態にて一端（ここでは上端）がリテーナ１０２により支持され、他端（ここでは下端）がスプリングシート５により支持されている。スプリングシート５はエンジン本体と一体に固定されており、所定の固定位置を維持する。リテーナ１０２の中心孔には、所定の間隙を空けてバルブ３のステム端部３３が貫通しており、その間隙にはコッター１０１が配置されている。
【０００４】
図８（ａ）は、図７のバルブ３のステム端部３３にコッター１０１を装着する方法の一例を示し、（ｂ）は装着後の概略断面図を示している。
【０００５】
図８（ａ）に示すように、コッター１０１は、一対の同形状の半割部材１１１、１１２から構成されている。先ず、リテーナ１０２の中心孔にバルブ３を挿通した状態で、バルブスプリング４の付勢力に抗してリテーナ１０２を下方に押し下げた後、ステム端部３３を両側から挟むように一対の半割部材１１１、１１２を装着する。半割部材１１１、１１２の内周面に形成された凸部１１３と、ステム端部３３の外周面に形成された凹部３４とが互いに係合する。これにより、コッター１０１とバルブ３は軸方向において一体化される。その後、リテーナ１０２を解放する。
【０００６】
リテーナ１０２の中心孔の壁面と、コッター１０１の外周面とは、互いに嵌合する円錐台形状すなわちテーパー形状（上側の径より下側の径が小さい）となっている。これにより、バルブスプリング４の上向きの付勢力を、リテーナ１０２およびコッター１０１を介してバルブ３に伝達することができる。バルブ３は、回転するカム６による下向きの押圧力によってバルブスプリング４の付勢力に抗しながらカムプロフィールにしたがって軸方向の往復運動を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−１１８９５５号公報
【特許文献２】特開２０１５−８１５１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した従来のバルブ構造には、以下のような問題がある。図９（ａ）は、図７および図８に示したバルブ構造の稼動時の状態の一例を模式的に示した図であり、（ｂ）は、横軸にカム６の回転角度を、縦軸にバルブ３の軸方向移動距離ΔＬを示したバルブの運動曲線である。
【０００９】
リテーナ１０２を貫通するバルブ３のステム端部３３は、コッター１０１を介してリテータ１０２と一体に固定されている。したがって、バルブ３とリテーナ１０２は共通の軸Ｘを有する。
【００１０】
カム６が回転すると、カムプロフィールにしたがってバルブ３は軸方向に往復運動する。同時に、バルブスプリング４は、コッター１０１およびリテーナ１０２を介してカム６からの所定の負荷Ｗを受けつつ伸張圧縮を繰り返す。
【００１１】
例えば図９（ｂ）では、実線がカムプロフィールに沿ったバルブ３の正常な往復運動を示している。例えば高速回転時において、バルブスプリング４の伸縮運動がバルブ３の往復運動に追随できなくなると、例えば図９（ｂ）に点線で示すように、バルブ３がカムプロフィールから外れた異常な運動を行う問題を生じる。このようなジャンプやバウンス等の動弁機構の異常運動は、サージング現象として知られている。従来、この問題を解決するためにバルブスプリングの形状や材質において様々な改良が提案されたが、未だ解決されていない。
【００１２】
これはコイル形状のスプリングが、軸方向の負荷Ｗに対して、必ずしも軸方向にのみ伸縮しないという本質的特性を有することによる。図９（ａ）に誇張して示すようにバルブスプリング４は、横方向の応力を生じることにより横方向へ撓み、さらには複数の横方向撓みによる蛇行撓みも生じ得る。この結果、バルブスプリング４の仮想中心線上で作用するべき本来の応力が小さくなり、本来の機能が発揮できなくなる。加えて、バルブスプリング４に作用する横応力は、リテーナ１０２およびコッター１０１を介してバルブ３のステム３２にも作用するため、それに対抗する耐久性がバルブ３にも要求される。この現象は、バルブ３の往復運動が高速になるほど、すなわちエンジンの回転が速くなるほど顕著になる。
【００１３】
上記の問題点に鑑み、本発明は、エンジンのバルブ構造において、バルブスプリングに作用する横応力を抑制し、バルブスプリングを高回転においても追随可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の問題を解消するべく、本発明は、以下の構成を提供する。
・  本発明の第１の態様は、エンジンのバルブ構造においてバルブスプリングのリテーナとバルブのステム端部との間に装着されるコッターであって、
同形状の一対の半割部材から構成され、前記半割部材の各々が、前記リテーナと嵌合しかつ転動可能な球面である外周面を有することを特徴とする。
・  上記態様において、前記コッターの各半割部材が、
もう一方の半割部材と対向する一対の対向面と、
前記ステム端部と当接する円筒内周面と、
前記ステム端部と係合するべく前記円筒内周面に形成された係合部とをさらに有することが、好適である。
・  本発明の別の態様は、エンジンのバルブ構造においてバルブスプリングの一端を支持するスプリング座面を有するリテーナであって、
バルブのステム端部が挿通可能でありかつ前記ステム端部に装着されるコッターを受容可能な中心孔を有し、前記中心孔の壁面が軸方向の下部において前記コッターと嵌合する球面を具備することを特徴とする。
・  上記別の態様において、前記中心孔の壁面が、軸方向の上部において円筒面であることが、好適である。
・  本発明のさらに別の態様は、バルブスプリングのリテーナとバルブのステム端部との間に装着されるコッターと、
バルブスプリングの一端を支持するスプリング座面を有するリテーナと、を備えた、エンジンのバルブ構造において、
前記コッターが、同形状の一対の半割部材から構成され、前記半割部材の各々が、前記リテーナと嵌合しかつ転動可能な球面である外周面を有し、かつ、
前記リテーナが、前記コッターを受容可能な中心孔を有し、前記中心孔の壁面が軸方向の下部において前記コッターと嵌合する球面を具備することを特徴とする。
・  上記のさらに別の態様において、前記リテーナの前記スプリング座面が、バルブスプリングの仮想中心線と前記リテーナの軸とが一致するように設けられており、かつ、前記スプリング座面を含む面とバルブスプリングの仮想中心線との交点を中心として、前記コッターと前記リテーナが相対的に揺動可能であることが、好適である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、エンジンのバルブ構造において、バルブスプリングのリテーナとバルブのステム端部との間に球面コッターを介在させることによって、バルブの軸とリテーナの軸とが互いに相対的に揺動できる構成とした。この結果、従来のリテーナおよびコッターを用いる場合に比べて、バルブスプリングの伸縮時の横方向への撓みが格段に低減され、軸方向に沿った伸縮運動が確保される。これにより、バルブの高速の往復運動時においても、バルブスプリングが追随可能となる。本発明により、バルブのジャンプやバウンス等の異常運動が回避され、サージング現象の問題が解消される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１（ａ）は、本発明のバルブ構造におけるバルブのステム端部近傍を示す概略側面図、（ｂ）は（ａ）の概略縦断面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｅ）は、図１に示したコッターを構成する一対の半割部材のうちの１つの形状を示している。
【図３】図３（ａ）は、図１に示したリテーナの側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ｂ）のII−II断面図である。
【図４】図４（ａ）（ｂ）は、図１のバルブのステム端部にコッターを装着する方法を示す。
【図５】図５（ａ）（ｂ）は、本発明のコッターとリテーナの相対的な運動を示すための断面図である。
【図６】図６は、本発明のバルブ構造の稼動時の状態の一例を模式的に示した図である。
【図７】図７は、一般的なエンジンのバルブ構造の一例を概略的に示している。
【図８】図８（ａ）は、図７のバルブのステム端部にコッターを装着する方法を示し、（ｂ）は装着後の断面図を示している。
【図９】図９（ａ）は、図７および図８に示したバルブ構造の稼動時の状態の一例を模式的に示した図であり、（ｂ）は、バルブ運動曲線である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、実施例を示した図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、説明の便宜上、図面の上下方向を本発明のバルブ構造の上下方向として説明する場合があるが、このことは、本発明のバルブ構造の取付方向を鉛直方向に限定するものではなく、本発明のバルブ構造は、取り付け可能な限りにおいて全ての方向に取付可能である。
【００１８】
本発明によるエンジンのバルブ構造は、上述した図７に示した一般的なバルブ構造とほぼ共通するが、従来のコッター１０１とリテーナ１０２とは異なる独自のコッターおよびリテーナを備えている。本発明の実施形態の一例を示す図面において、図７および図８と共通する構成要素については、同じ符号を用いている。
【００１９】
図１（ａ）は、本発明のバルブ構造におけるバルブ３のステム端部３３近傍を示す概略側面図、（ｂ）は（ａ）の概略縦断面図である。いずれの図においても、バルブスプリング４は、上端の一巻きの断面のみを模式的に示している。
【００２０】
本発明のバルブ構造は、特徴的なコッター１と、それに対応するリテーナ２とを備えている。図１（ａ）に示すように、バルブ３は従来のバルブとほぼ共通し、バルブ３のステム端部３３がリテーナ２の中心孔を貫通している。リテーナ２は所定の厚さの略円板状部材であり、下面の周縁近傍においてバルブスプリング４の一端（この場合は上端）を支持する。リテーナ２の中心孔の壁面とバルブ３のステム端部３３の外周面との間の環状の隙間にコッター１が装着されている。
【００２１】
コッター１は、バルブスプリング４による上向きの付勢力をリテーナ２を介して伝達され、その付勢力をさらにバルブ３に伝達する役割を担う。また、コッター１は、カムによる下向きの押圧力をバルブ３のバルブ端部３３を介して伝達され、その押圧力をさらにリテーナ２に伝達する役割を担う。リテーナ２はその押圧力をさらにバルブスプリング４に伝達する。
【００２２】
図１（ｂ）の断面図に示すようにコッター１は球面の外周面を有し、一方、リテーナ２の中心孔の壁面の一部は、コッター１の球面と嵌合可能な球面を形成されている。１つのコッター１は、一対の同形状の半割部材１１、１２を組み合わせて構成される。コッター１の全体形状は、１つの球体の軸方向の上端部と下端部を軸に垂直に切り欠き、上端面と下端面との間を貫通する略円筒状の孔を形成した形状である。
【００２３】
図２は、図１に示したコッター１を構成する一対の半割部材１１、１２のうちの１つの形状を示している。図２（ａ）はコッター１（半割部材）の正面図、（ｂ）は左側面図、（ｃ）は背面図、（ｄ）は平面図、（ｅ）は（ｄ）のＩ−Ｉ断面図である。図２では便宜上、（ａ）を正面図と称する。
【００２４】
図２（ａ）に示すように、各半割部材１１、１２を、もう一方の半割部材１１、１２と組み合わせるときの対向面１５を有する。対向面１５は、半割部材１１、１２において左右２箇所に形成されている。なお、一対の半割部材１１、１２を組み合わせたとき、双方の対向面１５同士が完全に接触するよりも、対向面１５同士の間に若干の遊びが形成されることが好適である。
【００２５】
図２（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すように、半割部材１１、１２は、球面である外周面１４を有する。図２（ａ）（ｄ）（ｅ）に示すように、半割部材１１、１２の正面中央部には半円筒面１６が形成されている。半円筒面１６の直径Ｄ１は、図１に示したバルブ３のステム端部３３の直径にほぼ相当する。一対の半割部材１１、１２を組み合わせたとき、双方の半円筒面１６によりコッター１の円筒状の内周面が形成される。さらに、図２（ａ）（ｅ）に示すように、半円筒面１６には、周方向に２つの環状の凸部１３ａ、１３ｂが形成されている。この凸部１３ａ、１３ｂは、図１に示したステム端部３３の凹部と係合するための係合部の一例である。
【００２６】
半割部材１１、１２の最大直径（すなわちコッター１の最大直径）Ｄ２は、リテーナ２の中心孔の最大直径Ｄ２にほぼ相当する。半割部材１１、１２の高さ（すなわちコッター１の高さ）Ｈは、図３に示すリテーナ２の高さＨと同程度であることが、好適である。
【００２７】
図３（ａ）は、図１に示したリテーナ２の側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ｂ）のII−II断面図である。リテーナ２は、略円板状であり、その下面の周縁近傍にバルブスプリングの一端を支持するための環状平坦面であるスプリング座面２１を形成されている。環状のスプリング座面２１の中心点はリテーナ２の軸上に位置する。スプリング座面２１に対して径方向内側の部分２４が軸方向に突出していることにより、リテーナ２により支持されるバルブスプリングの一端は、軸方向に垂直な方向への移動を阻止される。このようにして、リテーナ２のスプリング座面２１は、バルブスプリングの仮想中心線がリテーナ２の軸と一致するように設けられている。
【００２８】
リテーナ２は、中心孔２２を有する。中心孔２２には、図１に示したバルブ３のステム端部３３が貫通可能である。中心孔２２にステム端部３３を貫通させたとき、中心孔２２の壁面とステム端部３３との間には環状の間隙が形成される。この間隙に図１に示したようにコッター１が装着される。
【００２９】
図３（ｃ）の断面図に示すように、中心孔２２の壁面２３は、軸方向の上部２３ａにおいては円筒面であり、軸方向の下部２３ｂにおいては球面である。上部２３ａと下部２３ｂの高さは必ずしも同じでなくともよい。上部２３ａを円筒面としているのは、後述する図４に示すコッター１の装着方法を可能とするためである。中心孔２２の軸方向の下部２３ｂの球面は、図２（ｃ）のコッターの半割部材１１、１２の下半分１４ｂの球面と嵌合可能である。リテーナ２のスプリング座面２１の位置は、中心孔２２の下部２３ｂの球面の上端位置と一致している。また、リテーナ２の下端からスプリング座面２１までの高さｈは、図２に示すコッター半割部材１１、１２の球面１４の下半分１４ｂの高さｈと一致する。
【００３０】
図４（ａ）（ｂ）は、図１（ａ）に示した組立状態とするために、バルブ３のステム端部３３にコッター１を装着する方法の一例を示す。
【００３１】
図４（ａ）に示すように、先ず、リテーナ２の中心孔にバルブ３を貫通させた状態で、バルブスプリング４の付勢力に抗してリテーナ２を下方に押し下げる。その後、ステム端部３３を両側から挟むように一対の半割部材１１、１２を装着する。半割部材１１、１２の内周面に形成された環状の凸部１３ａ、１３ｂと、ステム端部３３の外周面に形成された環状の凹部３４ａ、３４ｂとが互いに嵌合することにより、両者が係合する。これにより、コッター１とバルブ３は軸方向の運動を一体に行うこととなる。その後、リテーナ２を解放すると、リテーナ２がバルブスプリング４に付勢されて上方に移動し、リテーナ２の中心孔内にコッター１が嵌合し、図１（ａ）（ｂ）に示した状態となる。
【００３２】
なお、図示の例では、コッター１とステム端部３３との係合部が、２つの凸部１３ａ、１３ｂと２つの凹部３４ａ、３４ｂにより形成されているが、これに限られない。係合部は、双方の部材が軸方向の移動において互いに一体化されるように係合可能であれば、特定の形状に限定されない。
【００３３】
図５および図６を参照して、本発明の作用効果について説明する。
図５（ａ）（ｂ）は、本発明のコッターとリテーナの相対的な運動を示すための断面図である。ここでは、コッター１を貫通するバルブのステム端部の図示を省略している。
【００３４】
図５（ａ）では、コッター１の軸Ｘ１とリテーナ２の軸Ｘ２が一致している状態である。リテーナ２の軸Ｘ２は、バルブスプリング４の仮想中心線と常に一致している。コッター１の球面の外周面１４の下半分１４ｂは、リテーナ２の中心孔の壁面２３の下部２３ｂの球面と嵌合し、支持されている。コッター１の球面の外周面１４とリテーナ２の球面の壁面２３ｂとは共通の中心点Ｃを有する。中心点Ｃは、リテーナ２のスプリング座面２１を含む面Ｓ内に位置し、かつ、バルブスプリング４の仮想中心線上に位置する。リテーナ２の中心孔の壁面２３の上部２３ａは円筒面であるので、コッター１の球面の外周面１４の上半分１４ａとは離間している。バルブスプリング４はリテーナ２を介してコッター１に上向きの付勢力を及ぼしている。
【００３５】
図５（ｂ）に示すように、コッター１は、リテーナ２の中心孔内でリテーナ２に対して転動自在である。言い換えるとコッター１の軸Ｘ１とリテーナ２の軸Ｘ２は相対的に揺動可能である。その揺動中心は、コッター１の球面の外周面１４およびリテーナ２の球面の壁面２３ｂの中心点Ｃと一致する。コッター１とリテーナ２が相対的に揺動する場合も、中心点Ｃは、常にリテーナ２のスプリング座面２１を含む面Ｓ内に位置し、かつ、バルブスプリング４の仮想中心線上に位置する。
【００３６】
図６は、本発明の作用効果を説明するために、バルブ構造の稼動時の状態の一例を模式的に示した図である。上述した図９（ａ）と同様の図であるが、従来のコッター１０１およびリテーナ１０２に替えて本発明のコッター１およびリテーナ２を用いている。
【００３７】
図６は、カム（図示せず）による所定の圧縮荷重Ｗが鉛直上方からバルブ３のステム端部３３に対して負荷され、バルブスプリング４が圧縮された状態を示している。ここでは、コッター１の軸Ｘ１すなわちステム端部３３の軸の方向を鉛直方向とする。バルブスプリング４が圧縮されたとき、バルブスプリング４に横方向の応力が生じようとすると、この横方向の応力はリテーナ２に印加される。この横方向の応力により、リテーナ２はコッター１に対して相対的に転動し（黒矢印参照）、リテーナ２の軸Ｘ２はコッター１の軸Ｘ１から逸れる。一方、ステム端部３３の軸であるコッター１の軸Ｘ１は、鉛直方向に維持される。このリテーナ２の傾斜により、バルブスプリング４の横方向の応力が相殺され、バルブスプリング４の横方向の撓みが緩和され、すなわち横方向の撓みが抑制される。バルブスプリング４の横方向の蛇行に対しても、同様にこれを抑制する作用効果が得られる。この結果、バルブスプリング４は、本来のスプリングの仮想中心線に沿ってほぼ真っ直ぐに伸縮されることが実現される。これにより、エンジンの動弁機構におけるバルブのジャンプやバウンス等の異常運動が回避され、サージング現象の問題が解消される。
【００３８】
以上に説明した本発明の構成は、本発明の主旨に沿う限りにおいて、多様な変形形態が可能であり、それらの変形形態についても本発明の範囲に含まれる。本発明は、自動車、自動二輪、船舶、航空機、民生用／産業用機械等のエンジンに適用可能であり、特にサージング（不測の振動現象）の問題を有するエンジンに好適である。
【符号の説明】
【００３９】
１  コッター
１１、１２  半割部材
１３ａ、１３ｂ  凸部
１４  外周面
１５  対向面
１６  半円筒面
２  リテーナ
２１  スプリング座面
２２  中心孔
２３ａ  円筒面部
２３ｂ  球面部
３  バルブ
３１  フェース
３２  ステム
３３  ステム端部
３４ａ、３４ｂ  凹部
４  バルブスプリング
５  スプリングシート
６  カム
１０１  コッター
１０２  リテーナ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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