(57)【要約】  本発明は、引張りおよび圧縮圧力に耐えるようにバルブヘッド（３）がバルブステム（２）に接続される、内燃ピストン機関用のマルチピースのバルブ（１）に関する。バルブヘッド（３）は、連続した中央開口部（４）の領域内にステム側の肩部の環状軸受け面（５）を有する。中央開口部（４）は、バルブヘッドの燃焼室側（１０）に拡張される。バルブステム（２）のヘッド側の端部（１３）は、拡張部（６）が強制的に押し嵌め挿入されるように可塑的に拡張される。バルブヘッド（３）とバルブステムとの間の接続の耐用性を増すために、中央開口部（４）の燃焼室側の拡張部（６）およびバルブステム（２）の適合端部側の拡張部は、それらが非円形となるように具現化されることにより、バルブステム（２）とバルブヘッド（４）との間で強制的に押し嵌めねじり固定接続される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルブステムと、引張り方向および圧縮方向の両方で作用するインターロック接続によって前記バルブステムに接続される構造的に独立したバルブヘッドと、を具備する、往復ピストン機関用のマルチピースのバルブであって、前記バルブヘッドは、前記バルブステムのヘッド側の端部を受け入れるために、前記バルブヘッドの燃焼室側に拡張された中央貫通開口部を備え、前記バルブステムは外周の部分に、軸と垂直をなすと共に前記中央開口部内への前記バルブステムの挿入の深さを画定するフランジを有し、環状軸受け面は、前記ステム側のフランジが当接するために、前記バルブヘッドの前記中央開口部の領域に提供され、前記バルブステムの前記ヘッド側の端部はさらに、前記中央開口部の燃焼室側の拡張部の範囲内で可塑的に拡張されることによって、前記中央開口部を満たして強制インターロックを形成する、前記マルチピースの前記バルブであって、
前記中央開口部（４、４’）の前記燃焼室側の前記拡張部（６、６’、６”、６）と、ゆえに前記バルブステム（２、２’、２”）の適合端部側のヘッディング（８、８’）とは、インターロックねじり固定接続が、前記バルブステム（２、２’、および２”）とシングルピースの前記バルブヘッド（３、３’）との間で形成されるように、回転対称形状から逸脱することを特徴とするバルブ。
【請求項２】
前記バルブヘッド（３’）の領域まで中空であるが、気密構造のものである前記バルブステム（２’、２”）の端部壁（１３）は、前記中央開口部（４’）の前記燃焼室側の前記拡張部（６）が前記ヘッディング（８’）によって満たされ、インターロック接続を形成するように、および該インターロック接続を形成する程度まで、据込まれる（８’）ことを特徴とする請求項１に記載のバルブ。
【請求項３】
前記軸と垂直をなすと共に前記挿入の深さを画定する前記バルブステム（２’、２”）の外側に取り付けられた前記フランジ（７’）は、所定の長さ（Ｌ）の締まりばめされる押し込みの形管状スリーブ（１１）によって形成され、前記管状スリーブ（１１）は、前記バルブステム（２’、２”）上の所定の軸方向位置において、前記ヘッドから遠い方の端部で、単独に動かないよう固定されることを特徴とする請求項１に記載のバルブ。
【請求項４】
前記ステム側の前記フランジ（７’）が当接する前記バルブヘッド（３’）の前記中央開口部（４’）の領域に取り付けられた前記環状の軸受け面（５’）は、前記バルブヘッド（３’）の軸方向の高さよりも小さいグリップ（１）となるように、前記中央開口部（４’）の内部の軸方向に移動されることを特徴とする請求項３に記載のバルブ。
【請求項５】
前記バルブヘッド（３、３’）は、軽量材料から構成されることを特徴とする請求項１に記載のバルブ。
【請求項６】
前記バルブヘッド（３、３’）は、セラミック、特に炭化ケイ素（ＳｉＣ）から構成されることを特徴とする請求項５に記載のバルブ。
【請求項７】
前記バルブヘッド（３、３’）は、チタンアルミニウム合金から構成されることを特徴とする請求項５に記載のバルブ。
【請求項８】
前記バルブヘッド（３、３’）は、金属間相、特にチタンアルミナイドから構成されることを特徴とする請求項５に記載のバルブ。
【請求項９】
前記ステム側の前記フランジ（７、７’）と前記ヘッド側の前記軸受け面（５、５’）との最大半径方向の幅（ｂ）は、前記バルブステムの直径（Ｄ）の約２５％に等しく、好ましくは約１５〜２０％であることを特徴とする請求項１に記載のバルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、特許文献１に記載のように、請求項１の前文による往復ピストン機関のマルチピースバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
特に、特許文献１は、バルブシートが耐摩耗性材料から成る強化ライニングを有するマルチピース（分割式、組み立て式）の中実ステム（心棒、ロッド）のバルブを開示する。強化ライニングは、外縁部で円錐状に勾配を付けた抵抗性および熱伝導性複合材料から構成されるプレハブの中央に穴を空けたディスクを具備し、前記強化ライニングのディスクは、バルブヘッドの縁部に延び、ヘッド側のシール面を形成する。複合材料は、強い伝導性金属から構成されるマトリクス（基材）から形成され、好ましくは銅を含有し、タングステンのような硬質抵抗材料を微細に分散させた粒子が固く埋め込まれる。これらの硬質粒子は、マトリクスを保護するだけでなく、バルブのシール面の破壊を防止するかまたは少なくとも破壊を遅らせることを目的としている。公知のバルブでは、強化ライニングとして適用されるディスクは、燃焼室側に適用された従来形のバルブ材料の裏当てディスクと共に、バルブステムのヘッド側端部上にしっかり固定される（リベット締めにされる）。ゆえに、ここでは、バルブヘッド自体は、２枚のディスクを具備するマルチピース（分割式、組み立て式）構造のものである。比較的広い肩部は、強化ライニングディスクおよび裏当てディスクを具備するバルブヘッドを軸方向に支持するため、そして、このバルブヘッドが傾斜するのを防止するために、バルブステム上に鍛造される。バルブステムのヘッド側端部は、リベットシャンクとして働くピンを用いて、２枚のディスクの中央開口部を通り突出し、このピンの外側端部は、裏当てディスク開口部の座ぐりに拡がるリベットヘッドに変形される。バルブヘッドが、軸方向の力−引っ張りおよび圧縮−の両方向に作用確実なインターロック（かみ合い、連動）接続によってバルブステムに接続されるにもかかわらず、公知のバルブの欠点は、マルチピースのバルブヘッドのディスク接続を案内するため、、そしてこのバルブヘッドが傾斜するのを防ぐために、比較的半径方向に広い肩部がバルブステムに形成されなければならないことであり、従来技術で表現された実施形態の例での肩部の半径方向幅は、ほぼステムの直径の３分の１に等しい。据込み（アップセット）によって形成された肩部は、多層構造の上記バルブヘッドが傾斜するのを防ぐように設計された軸方向を支持する機能だけでなく、ステム断面から肩部外周部へ円滑に移動することにより、その流れがバルブヘッドの上側の周辺を通過する、該バルブヘッドの上側のフローバッフル（流れをそらせる）要素の機能も担う。他の欠点は、高周波の衝撃応力により回転方向の接続部品間に微小な相対変位（移動）が生じ、これは接触面における摩耗に、ゆえに接続の緩みにつながる。
【０００３】
本出願者により、より早期にされた特許出願であり、以前に公開されていない特許文献２では、ここで扱った他のマルチピースのバルブの多様な設計構造を記載するだけでなく、提案されたタイプのバルブを製造する方法をも説明する。但し、製造の理由で、開示されたバルブの全ては、中空のステム（心棒、ロッド）を備えており、これは本発明の場合には好都合であるが、決して欠かせない前提条件ではない。公知のバルブの利点は、バルブの低重量及び／又は高耐用性であり、これは、高い熱応力及び／又は摩擦応力に耐えることができる軽量材料、特にセラミックおよびチタンアルミナイドが、バルブヘッドに使用される事実から生じている。但し、公知のバルブの１つの欠点は、材料の合わせ部分によっては時には、無視できないほど予想される熱膨張率の差により、マルチピースのバルブの動作温度において、バルブステムとバルブヘッドとの間の接続部のプレストレスを緩和することである。動作時に生じる応力下では、これも同様に接触面の相対変位（移動）に、ゆえに接続部の摩耗や緩みにつながる。
【０００４】
完全を期すために、構造的構成要素が多様な材料から構成される、マルチピースバルブを、同じように示す特許文献３をも参照する。管状のバルブステムは、クロムモリブデン鋼から構成されるのが好ましい。好ましくは、バルブヘッドは、チタンアルミナイド金属間材料から構成され、精密鋳造によって製造できる。完成したバルブヘッドは、ヘッド側のステム端部を受け入れる止まり穴（盲穴）を上側に備えている。バルブステムは、焼きばめ、冷却圧縮、ろう付け、またはこれらの接合技術の組合せによって止まり穴に固定される。この明細書の図で示された１つの事例では、止まり穴の内面には、さらに軸方向の波形状部が形成され、ステム管の端面は、圧力及び局部加熱の影響下で膨張し、同時に穴の側の波形状部でかみ合う（連動する、インターロックする）ように設計される。但し、特許文献３によるマルチピース式の中空ステムのバルブの場合、バルブステムとバルブヘッドとの間の接続が、熱的および機械的応力の両方によって加わる無視できないほどの静的および動的負荷に、十分耐え得るかどうか疑わしい。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第２，１３６，６９０号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１００  ２９  ２９９  Ａ１号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第２９６  ６１９  Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、バルブヘッドとバルブステムとの間の接続の耐用性を改良できるように一般のタイプのバルブを改良することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に従い、この目的は請求項１の特徴により一般タイプのバルブにおいて達成される。
【０００８】
バルブヘッドとバルブステムとの間の接続についてのねじり固定構造は、接続部品のいかなる相対変位（移動）も効果的に防ぐ。ゆえに、接合部におけるクリープ運動やその結果生じる摩耗が回避される。それで、この接合部は、エンジンの作動中に常に生じる熱的および機械的応力に、より良く耐えることができる。
【０００９】
本発明の好適な発展形態は、従属請求項に記載され、図に例示された実施形態の様々な例を参照して本発明をさらに以下で説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
さしあたり実施形態の様々な例に関連して、一般的に以下で説明される本発明では、往復ピストン機関用のマルチピース（分割式、組み立て式、複数部品）のバルブ１、１’、１”から始まるが、このバルブは、バルブステム２、２’、２”と、引張りおよび圧縮方向の両方に作用するインターロック（かみ合い、連動）接続によって確実にバルブステム２に接続される、構造的に独立したバルブヘッド３、３’、３”、３’’’と、を具備する。この目的のため、シングルピース（単一部品）のバルブヘッド３、３’、３”、３’’’は、上記バルブステムのヘッド側の端部を受け入れるために中央貫通開口部（中央開口部）４、４’を備え、バルブヘッド３の燃焼室側１０に配置された上記バルブステムの縁部は、円錐状に拡張され、こうして拡張部６、６’、６”を形成する。バルブステム２の外周の一部に、軸と垂直をなすと共に中央開口部（中央貫通開口部４）内へのバルブステムの挿入深さを画定するフランジ７、７’を有し、ステム（バルブステム）側のフランジ７が当接する環状の軸受け面５、５’は、バルブヘッド３の中央開口部（中央貫通開口部）４の領域に与えられる。上記バルブヘッドと上記バルブステムとを一緒に取り付けた後、このバルブステムの燃焼室側またはヘッド側の端部（端部壁）１３、１３’は、上記中央開口部の燃焼室側の拡張部６の領域内で可塑的に拡張され、該中央開口部を満たし（ふさぎ）、確実なインターロック（かみ合い接続、連動接続）を形成することによって、ヘッディング８、８’が形成され、一対の軸受け面と共に、引っ張り方向及び圧縮方向においてヘッド（バルブヘッド）とステム（バルブステム）との間に確実なインターロック接続（かみ合い接続）を形成する。バルブヘッドは、流れを助けるために、その上側がドーム状にされ、ゆえに、このバルブヘッドは所定の全高を有するので、フローバッフル（流れをそらせる）要素の機能を担うことができるということを考慮すれば、一対の軸方向の軸受け面５および（フランジ）７は、半径方向に狭いだけで良い。バルブステムに対してバルブヘッドが傾かずに案内されることは、バルブヘッドの全高、およびこれに対応した、バルブヘッド内へのステム（バルブステム）の挿入の深さを通じて達成される。
【００１１】
バルブヘッドとバルブステムとの間の接続の耐用性を改良できるようにするために、本発明により、中央開口部（中央貫通開口部）４、４’の燃焼室側の拡張部６、６’、６”、６と、対応するバルブステム２、２’、２”の適合端部側の拡張部（ヘッディング）８、８’とは、確実なインターロック（かみ合い）ねじり固定接続が、バルブステム２、２’、２”とシングルピースのバルブヘッド３、３’、３”、３’’’との間で形成されるように、回転対称形状から逸脱するように設計される。
【００１２】
バルブヘッドとバルブステムとの間のねじり固定は、エンジンの作動中において接続部品のいかなる相対的運動も防止し、ゆえに、クリープ運動による接合部の摩耗も回避される。これによって、接合部は、エンジンの作動中において常に生じる熱的および機械的応力に、より良く耐えることができる。ねじり固定は、いかなる追加の製造コストもかけずに実現できる。
【００１３】
図１および図２で示された実施形態の例では、中央開口部（中央貫通開口部）４の燃焼室側の拡張部６は、平坦面間に丸みを帯びた縁部を有する角錐台のような、円錐状である。図５によるバルブヘッド３’’’は、図１で示されたものと形状が同一の拡張部となると思われるが、他の特徴に関しては図５によるバルブヘッド３’’’は、図１および図２によるバルブヘッド３と異なり、これについては以下で詳述する。
【００１４】
図３によるバルブヘッド３’において、燃焼室側の拡張部６’も実質的には円錐状の構造であり、明白な卵形の円錐形が、中央開口部（中央貫通開口部４）と同心の円錐上に重ね合わされ、２つの重複するタイプの円錐が互いに合体し、共通重複部の領域で大きく丸みが付けられる。図４に示されるバルブヘッド３”は、明白な卵形の１つの円錐状の拡張部６”だけを有する。
【００１５】
示された拡張部６、６’、６”の実施形態の３つの例の全ては、明白な非円形状のものであるが、回転形状からの緩やかな移行及び／又は逸脱した形状により、拡張部に可塑的に形成されたヘッディング８、８’によって、形状通りに完全に満たされる。両方の特性は、相対的なねじれを防止する効果的な確実なインターロック（かみ合い接続）に重要である。回転形状からの円滑な移行および逸脱した形状もまた、これらが、総形バイト（総形工具）−鍛造、鋳造、焼結−によって、またはチップ成形不規則旋削作業によって製造されるかに関係なく、このような拡張部６、６’、６”を製造するのに都合が良い。前記非円形の拡張部６を製造するのに、回転対称の座ぐりの製造と比べていかなる追加コストも不要であり、特に、ここでは、これらの拡張部は、バルブヘッドを形成する総形バイト（総形工具）によって製造される。
【００１６】
図１および図２で示されたバルブ１の実施形態の例は、ステム側のフランジ７が、例えば、チップ成形旋削作業によって機械加工される、中実のバルブステム２を有する。フランジ７は、半径方向に比較的狭く、接続部の軸方向のプレストレス（初期応力）を吸収するだけで十分である。ステム（バルブステム）側のフランジ７の半径方向の幅ｂあるいはヘッド（バルブヘッド）側の軸受け面５の半径方向の幅ｂは、ステム（バルブステム）の直径（ステム径）Ｄの約２５％以下、好ましくは約１５〜２０％である。バルブヘッド３は、バルブヘッド（３）の比較的大きな全高とこれに対応した大きさのステム（バルブステム２）の挿入深さとによって、ステム２に対して傾斜することが確実に防がれる。挿入深さは、この領域におけるステムの直径よりもかなり大きい。
【００１７】
重量の観点から、中実のバルブステムでも、つまり中実断面を有するものでも、軽量材料がバルブヘッドに使用されるマルチピースのバルブ内で、尚も完全に実現可能である。そして、従来形のバルブと比べて重量の低減は、もっぱらバルブヘッドの重量の低減によって決まる。これに関連して、次の材料がバルブヘッドの実現可能な軽量材料として記述されるべきである：
−  セラミック、特に炭化ケイ素（ＳｉＣ）、
−  金属間相、特にチタンアルミナイド、
−  チタンアルミニウム合金。
重量の利点に加えて、これらの材料は、顕著な熱的および機械的特性をも有し、これらをバルブ材料として特に望ましいものにする。但し、これらの材料を広範囲で使用することは、加工処理の正当なコスト及び／又はバルブステムとバルブヘッドとの間の確実で耐久力のある接合技術の問題について、これまでは常に失敗してきた。
【００１８】
バルブの重量をさらに低減するために、鋼製のバルブから製造されたステムは、図５によるバルブ１’および１”の例で示されるような、中空構造のものであっても良い。中空のステム（バルブステム）の端部側壁は、気密密封され、これは連続的なローリング（圧延）プロセスによって、非常に効率的に達成できる。このような中空のステムは、バルブの動作温度レベルを低減できるナトリウムのようなクーラントが部分的に充填されても良い。環状の軸受け面５’および７’が互いに接触するまで、未だ設置されていないステムの端部１３’をヘッド側の中央開口部４’内へ挿入した後、バルブステムの突出したこの端部は非円形の拡張部６内に据込まれるので、皿頭状のヘッディング８’が形成される。このヘッディングプロセスは熱い（温度の高い）状態で実行され、例えば、上述の連続的なローリングプロセスよっても実行できる。同時に中央開口部４’の燃焼室側の拡張部６も、インターロック（かみ合い接続）を形成する据込みヘッディング８’で満たされるので、効果的なねじり固定がバルブヘッド３’’’とバルブステム２’または２”との間で生成される。
【００１９】
可能な軽量材料の幾つか、特にセラミックは、これらの熱膨張率において鋼とは極めて明瞭に異なる、つまりこれらは、温度上昇の際に実質的に鋼ほど膨張しない。熱の影響下でこのような材料の合わせ面において接続部品が緩くなってくるのを防ぐために、図５に示された実施形態の例では、軸と垂直をなすと共に挿入深さを画定するバルブステム２’、２”の外側に取り付けられたフランジ７’は、所定の長さＬを有する締まりばめされる（タイトフィット）押し込み形の管状スリーブ１１によって形成される。この管状スリーブは、バルブステム２’、２”上の所定の軸方向位置に、ヘッド（バルブヘッド）から遠い方の端部で、動かないよう固定される。図５の左側に示された変形では、管状スリーブはステム２’のフランジ１２’に当接するが、右側に示された変形では、ヘッドから遠い方の管状スリーブの端部は、円形溶接１２によってステム２”に接合される。両方の場合でバルブヘッド３’’’に面する管状スリーブ１１の端部は、ステム側のフランジ７’を形成する。ヘッドから遠い方のバルブステム管（バルブステム）へのスリーブ１１の片側だけの固定１２、１２’は、軸方向に反対のフランジ７’が、材料の弾性限度内でこのバルブステム管に対して軸方向への移動が自由であることを意味し、この弾性的に画定される変位は、スリーブ（管状スリーブ１１）の長さＬに正比例して増加する。
【００２０】
さらに、図５で示された実施形態の例では、バルブヘッド３’’’の中央開口部４’の領域に取り付けられ、ステム（バルブステム）側のフランジ７’に対応する軸受け面５’は、中央開口部４’の内部の軸方向に移動される。これは、バルブヘッド３’’’の軸方向の高さ、またはスリーブ（管状スリーブ）１１の長さＬよりもかなり小さいグリップｌとなる。
【００２１】
バルブステム２’、２”の端部にバルブヘッド３’’’をぴったり押し付けた後、ヘッディング８’が拡張部６内に形成され、インターロック（かみ合い）接続がバルブステム（２’、２”）とバルブヘッドとの間で行われる。バルブヘッドは、鋼よりもかなり低い熱膨張率の材料から形成されるところでは、インターロック（かみ合い）接続が、バルブの室温において最大限可能な軸方向のプレテンションの下にあることが、ヘッド（バルブヘッド）とステム（バルブステム）とを接合するプロセスにおいて重要である。接合部の軸方向の高いプレテンションと、プレテンションの応力が蓄えられる弾性変形可能なフランジ７’の特別な構造という理由だけで、例えば、セラミックから構成されたバルブヘッド３’’’が、バルブ（１’）の動作温度においても、一定の残留プレテンションを有するバルブステムに尚も硬くクランプされたままとなることが確実に可能である。グリップｌに対するスリーブ（管状スリーブ１１）の長さＬの比率が大きければ、接続に関して蓄えられるプレテンションの大きさも大きくなる。ゆえに、スリーブ（管状スリーブ）１１を実質的にバルブステム（２’、２”）の全長を超えて延ばすと非常に好都合となる。
【００２２】
インターロック（かみ合い）接続に関する最大限可能な軸方向のプレテンションを保証できるようにするために、スリーブ（管状スリーブ）１１およびバルブヘッド（３’’’）は、ヘッディング８’を製造する間は可能な限り低温であるべきであるが、スリーブ（管状スリーブ１１）内部に延びるバルブステム管の部分を製造する間は、可能な限り高温であるべきである。前記の部分間の温度平衡（補償、等化）は、ヘッディング８’が冷却され、もはや塑性変形できなくなるときにのみ起こさせるべきである。このような強制された温度差がゆっくりと（遅延して）平衡（補償、等化）にされることにより、軸方向のプレテンションが増加する原因となる。排気バルブの高い動作温度を考えると、このプレテンションは動作温度が上昇すると低下するので、特に、その目的は室温における最大限可能なプレテンションを対象とすべきである。理想的には、室温での接合のプレテンションは、鋼材料の弾性限度により近くあるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】燃焼室側に向いているバルブヘッドと中央開口部の非円形の拡張部の斜視詳細図を示す。
【図２】図１によるバルブヘッドを使用するバルブアセンブリを示す。
【図３】バルブヘッドと中央開口部の非円形の拡張部との実施形態のさらなる例を示す。
【図４】バルブヘッドと中央開口部の非円形の拡張部との実施形態のさらなる例を示す。
【図５】中空のステムと、バルブヘッドおよびバルブステム間の接合部において独立した引張拡張断面と、を有する、マルチピースのバルブの実施形態の他の例の２つの異なる変形を示す。
【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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【国際調査報告】
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