(57)【要約】【課題】弁装置において、弁の耐摩耗性を向上させる。【解決手段】本発明は、特に、往復ピストン弁用の弁（１）に関し、この弁（１）は、弁棒（２）と、金属からなる弁キャップ（４）とを備えている。弁棒（２）は、該弁棒（２）から径方向外側へ延びる弁体（３）と軸方向（Ａ）において合体する。弁キャップ（４）は、弁体（３）の反対側にある弁棒（２）の軸端部（５）に取り付けられ、弁棒（２）の軸端部（５）を包む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に往復ピストン弁用の弁（１）において、
弁棒（２）と、
金属からなる弁キャップ（４）とを備え、
前記弁棒（２）は、該弁棒（２）から径方向外側へ延びる弁体（３）と軸方向（Ａ）において合体し、
前記弁キャップ（４）は、前記弁体（３）の反対側にある弁棒（２）の軸端部（５）に取り付けられ、前記弁体（３）の反対側にある弁棒の端面（１３）を被覆し、前記弁棒（２）における前記軸端部（５）の少なくとも一部を包む
ことを特徴とする弁。
【請求項２】
請求項１に記載の弁において、
前記弁キャップ（４）は、前記軸端部（５）の全体を包む
ことを特徴とする弁。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の弁において、
前記弁キャップ（４）は、前記弁棒（２）の前記軸端部（５）にクリップ接続により固定されている
ことを特徴とする弁。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の弁において、
前記軸端部（５）の側面（６）に、周方向に延びる少なくとも１つの外周溝部（７，７ａ，７ｂ）が設けられている
ことを特徴とする弁。
【請求項５】
請求項４に記載の弁において、
前記弁キャップ（４）は、カップ底部（８）と、前記カップ底部（８）に一体的に形成されたカップ壁（９）とによりカップ状に形成され、
前記カップ壁（９）の径方向内側における内壁（１１）に、周方向に延びる少なくとも１つの突起部（１０，１０ａ，１０ｂ）が設けられ、
前記少なくとも１つの突起部（１０，１０ａ，１０ｂ）は、前記弁棒（２）に設けられた前記外周溝部（７，７ａ，７ｂ）に対して相補的に形成されており、前記弁キャップ（４）が前記弁棒（２）に載置された状態で前記少なくとも１つの外周溝部（７，７ａ，７ｂ）に嵌合する
ことを特徴とする弁。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の弁において、
前記外周溝部（７，７ａ，７ｂ）は、前記弁棒（２）の前記側面（６）の外周全体に、又は一部に延びる
ことを特徴とする弁。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の弁において、
前記弁棒（２）の前記側面（６）に、２つの外周溝部（７ａ，７ｂ）が軸方向に間隔を置いて設けられており、及び／又は、
前記カップ壁（９）の前記内壁（１１）に、２つの突起部（１０ａ，１０ｂ）が軸方向に間隔を置いて設けられている
ことを特徴とする弁。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１項に記載の弁において、
前記弁キャップ（４）は、前記カップ壁（９）の前記内壁（１１）から径方向内側に突出する固定ストラップ（１２）を備え、
前記固定ストラップ（１２）は、前記弁棒（２）の前記側面（６）に設けられた受け入れ溝（７ｃ）に嵌合する
ことを特徴とする弁。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の弁において、
前記弁棒（２）及び前記弁体（３）の少なくとも一部分は、アルミニウム、チタン、アルミニウム合金、又はチタン合金からなる
ことを特徴とする弁。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の弁において、
前記弁キャップ（４）の金属は、熱処理鋼、特に、Ｃ４５又は４２ＣｒＭｏ４である
ことを特徴とする弁。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の弁（１）を少なくとも１つ備える
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の弁（１）の製造方法であって、
前記弁キャップ（４）を、前記軸端部（５）に載置し、電磁パルス法により変形させて、前記弁棒（２）に設けられた相補的な外周溝部（７，７ａ，７ｂ）に嵌合する少なくとも１つの突起部（１０，１０ａ，１０ｂ）を前記カップ壁（９）の前記内壁（１１）に形成する
ことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法において、
電磁パルス法を用いて、弁キャップ（４）と前記側面（６）とを少なくとも部分的に溶接する
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弁、及びそれを備えた内燃機関に関する。さらに、本発明は、この内燃機関を備える自動車、及びこの弁の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の吸気弁により、空気、又は空気と燃料との混合気を内燃機関の燃焼室へ導入することができる。また、内燃機関の動作中は、該吸気弁に一様に高い熱的及び機械的な負荷がかかっている。最新の燃料節約型の内燃機関において多く使用されるようになってきた軽い材料からなる弁本体は、特に摩耗しやすい。このような重さが最適化された弁本体に適した材料は、例えば、アルミニウム又はチタニウムであるが、これらは、例えば鋼からなる従来の弁本体の強度には達していない。このため、軽い材料からなる弁本体を有する吸気弁は、寿命が従来の弁よりも実質的に短くなるという問題を有していることが多い。一般的には、弁本体の弁棒のうち弁体の反対側にある軸端部が特に激しく摩耗しやすいと考えられる。なお、この軸端部は、内燃機関のシリンダヘッドに弁本体全体を搭載するために機能するものである。
【０００３】
特許文献１では、プラスチックからなる弁キャップを成形板金部品により形成された弁本体の軸端部に設けることで上記問題に対処しようとしている。
【０００４】
特許文献２には、弁体と、空洞を有するように形成された弁棒とを備える弁が記載されており、この弁棒の軸端部には、弁キャップが溶接されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２／０３３４６５Ａ１号
【特許文献２】欧州特許出願公開第０９１１４９３Ａ２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、高い耐摩耗性を有する弁を提供することである。さらに、本発明の第２の目的は、この弁を有する内燃機関を提供することである。本発明の第３の目的は、この内燃機関を有する自動車を提供することである。最終的に、本発明の第４の目的は、この弁の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、独立請求項の主題によって達成される。好ましい形態は、従属請求項の主題である。
【０００８】
したがって、本発明の基本的な発想は、弁棒と、金属からなる弁キャップとを弁に設けることであり、前記弁棒は、弁棒から径方向外側へ突出する弁体と軸方向において合体し、前記弁キャップは、弁体の反対側にある弁棒軸端部の少なくとも一部を包むことで弁体の反対側にある弁棒端面を被覆するように、弁棒の軸端部に取り付けられている。このように形成されたキャップは、特に強い熱的及び機械的な負荷に動作中に晒される弁棒領域を過剰な摩耗から通常とは異なる程度に保護することができる保護キャップの動作原理に準じるものである。弁キャップを載置するときに弁棒が不都合に変形されないように、弁棒は、少なくとも弁キャップ領域においては空洞を有さないように、すなわち、中実に形成されていてもよい。
【０００９】
弁キャップが軸端部を完全に包んでいる場合、摩耗に対して特に良好な保護が行われる。
【００１０】
永続的な摩耗保護のために、前記保護キャップを機械的に非常に安定して弁棒に固定する必要がある。このため、弁キャップ及び弁棒の軸端部を、クリップ接続部が形成されるように構成することが推奨される。このようなクリップ接続部では、塑性成形処理によって弁キャップの幾何学的形状を弁棒に直接形成することで製造技術的に有利に弁キャップを製造することができる。このため、原料部品として板金部品を使用し、この板金部品から、弁棒の軸端部に対する塑性圧延により簡単な処理工程で所望の弁キャップを製造することが考えられる。
【００１１】
弁キャップと弁棒との間のクリップ接続が部品上で直接行われるように弁キャップを電磁パルス法によって変形させる場合、特に有利な連結接続となる。このようなクリップ接続部は、特に低コストで製造することができる。電磁パルス法では、パルス状の変形力を短時間で生成するために電磁効果を利用する。この変形力は、弁キャップの金属を永続的に変形させ、これにより、弁キャップが弁棒としっかりと接続される。弁キャップは電磁パルス法によって少なくとも局所的に心棒端部に溶接され、これにより、特にしっかりとした有利な連結接続が生じる。このような連結接続により、鋼材料と軽金属材料とを互いに接続することもできる。鋼材料と軽金属材料とはその他の方法では溶接が困難であった。
【００１２】
軸端部の側面に周方向に延びる少なくとも１つの外周溝部が設けられている場合、特に効率的なクリップ接続となる。弁キャップを弁棒端部に載置した後、弁キャップはこの溝部に嵌合し得る。外周溝部の具体的な幾何学的形態に関して、当業者には、例えば、周方向に延びる外周溝部を外周全体に形成する、または、外周の一部だけに形成するという様々な選択肢がある。
【００１３】
弁棒に設けられた外周溝部への嵌合のために特に実用的なのは、弁キャップを、カップ底部とカップ底部に一体的に形成されたカップ壁とを有するカップ状に設計することである。この場合、弁棒とのクリップ接続のために、外周溝部に対して相補的に形成された突起部を弁キャップに設けることが推奨される。なお、この突起部は、弁キャップが弁棒に載置された状態において、少なくとも１つの外周溝部に嵌合する。突起部は、例えば、カップ壁の径方向内側に設けられていてもよく、弁棒の周方向に沿うように延びていてもよい。
【００１４】
弁棒に対する弁キャップの特に安定した固定を可能にするクリップ接続の有利な一発展形態は、同じ２つの外周溝部を軸方向に間隔をあけて弁棒に設けることにより実現される。したがって、双方の外周溝部に対して相補的な２つの突起部を弁キャップに設けることが必要となる。
【００１５】
この場合、クリップ接続は、弁棒の端部全体を弁キャップにより包むことにより、又は個々に形成された少なくとも３つのストラップにより前記端部を一部だけ包むことにより行うことができる。少なくとも３つの個々のストラップを使用することにより、クリップ接続部の作製が十分に簡単になる。これに対し、全体を包むクリップ接続では、キャップを機械的に特に安定して心棒に固定することができる。このことは、弁キャップにより弁駆動部のローラタペットが横方向にガイドされる場合、特に有利である。
【００１６】
代替として、又は追加で、カップ壁の内側から径方向内側へ突出する固定ストラップを弁キャップに設けることができる。なお、この固定ストラップは、弁棒の側面に設けられた受け入れ溝に嵌合し得る。
【００１７】
弁棒及び弁体を、アルミニウム、チタン、アルミニウム合金、又はチタン合金から製造する場合、特に燃料節約型の内燃機関において使用するために望ましい特に軽い構造が得られる。
【００１８】
弁キャップ用の金属として、熱処理鋼、特に、Ｃ４５又は４２ＣｒＭｏ４を選択する場合、弁キャップの耐摩耗性は相応に高くなる。
【００１９】
さらに、本発明は、弁装置、特に、往復ピストン弁に関し、この往復ピストン弁は、弁座と、該弁座に調節可能に設けられた、前記特徴を１つ以上有する弁とを備えている。
【００２０】
さらに、本発明は、少なくとも１つの前記弁装置を備える内燃機関に関する。
【００２１】
最後に、本発明は、前記特徴の１つ以上を有する弁の製造方法に関する。この製造方法によると、弁キャップを、まず、弁棒の端部に載置し、続いて、電磁パルス法によって変形させて、カップ壁の内側に少なくとも１つの突起部を形成する。この突起部は、弁棒に設けられた、相補的な外周溝部に嵌合する。
【００２２】
特に、電磁パルス法を、弁キャップと側面とを少なくとも部分的に溶接するために使用する。
【００２３】
本発明のさらに重要な特徴及び利点は、従属請求項、図面、及び図面を参照した関連する説明から理解される。
【００２４】
上記で説明され、以下でさらに説明される特徴は、説明される各組み合わせでだけでなく、他の組み合わせでも、又は個別でも本発明の範囲を逸脱しない限り使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】往復ピストン弁用の弁の一実施形態を概略的に示す縦断面図である。
【図２】図１の詳細を示す切断平面図である。
【図３】図１の実施形態の第１変形例を概略的に示す図である。
【図４】図２の実施形態の第２変形例を概略的に示す図である。
【図５】図１の実施形態の第３変形例を概略的に示す切断平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の好ましい実施形態を、図に示し、以下で詳しく説明する。なお、同じ又は類似又は機能的に同じ構成要素には同じ符号をつけた。
【００２７】
図１に、弁棒２を備える弁１の縦断面を示す。弁棒２は、弁棒２から径方向外側へ突出する弁体３と軸方向Ａにおいて合体している。弁棒２には、例えば、Ｃａ４５、４２ＣｒＭｏ４、又はこれに匹敵する熱処理鋼などの鋼材料からなる弁キャップ４が取り付けられている。あるいは、他の適切な金属を選択することもできる。弁キャップ４は、弁体３の反対側にある弁棒２の軸端部５を包み、弁体３の反対側にある弁棒２の端面１３を被覆する。この場合、弁キャップ４のキャップ径を、弁棒２の心棒径よりも小さく又は大きく任意に選択することができる。特に、弁棒２の軸端部５の領域における心棒径を、弁キャップ４のカップ壁９の厚みに相当する分だけ小さくすることができる。この場合、カップ壁９の外側は、弁棒２の軸端部５に対して相補的なその軸方向領域において、弁棒２の外側と面一になる。
【００２８】
次に、図２に、軸端部５の領域に弁キャップ４を備える弁棒２の詳細を示す。弁キャップ４は、軸方向Ａにおいてカップ壁９につながるカップ底部８を備え、弁棒２の摩耗に晒される軸端部５に対して保護キャップのような効果を通常とは異なる程度に発揮する。
【００２９】
弁棒２及び弁体３の少なくとも一部分を、アルミニウム、チタン、アルミニウム合金、又はチタン合金から製造する場合、特に燃料節約型の内燃機関において使用するために望ましい特に軽い構成が得られる。ここで、弁棒は、好ましくは以下の材料を含有している。体積率２３％〜２７％のシリコン、体積率３％〜４％の鉄、体積率２．５％〜３．５％のニッケル、体積率０．３％〜０．７％のマグネシウム、体積率０．３％〜０．７％のマンガン、体積率０．５％以下のチタニウム、体積率０．５％以下のジルコニウム、及び体積率０．５％以下のクロム。アルミニウムは、残りの体積パーセントについて使用される。
【００３０】
対照的に、弁キャップ４の金属として、Ｃ４５、５２ＣｒＭｏ４、又はこれに匹敵する熱処理鋼を選択する場合、弁キャップ４の耐摩耗性が特に高くなる。
【００３１】
弁キャップ４を取り付けるときに弁棒２が不都合に変形されるのを防ぐために、弁棒２を、少なくとも軸端部５の領域においては空洞を有さないように、つまり、中実に形成することができる。
【００３２】
弁キャップ４及び軸端部５は、弁キャップ４を弁棒２の軸端部５にクリップ接続により固定できるように形成されている。このようなクリップ接続によると、弁キャップ４を弁棒２に永続的に固定できることに加えて、例えば板金部品の形態である未完成品から直接弁キャップ４を塑性的に弁棒２に形成することにより、弁キャップ４の製造技術的に有利な製造方法も可能になる。
【００３３】
前記クリップ接続を形成するために、軸端部５の側面６に、周方向に延びる外周溝部７を備え、弁キャップ４を弁棒２に取り付けた後、弁キャップ４は、外周溝部７に嵌合し得る。このため、カップ壁９の内壁１１に、突起部１０が設けられている。この突起部１０は、外周溝部７に対して相補的に形成され、弁キャップ４の周方向に延びている。外周溝部７及び突起部１０を、それぞれ外周全体に設けてもよく、又は周方向に部分的に設けてもよい。
【００３４】
次に、図３は、弁棒２に弁キャップ４を特に安定して固定することができるクリップ接続の一変形例を示す。このことは、軸方向Ａに互いに間隔を置いて弁棒２に配置された２つの外周溝部７ａ、７ｂにより行われる。これらの外周溝部７ａ、７ｂに、同じく軸方向に互いに間隔を置いて弁キャップ４に設けられた２つの突起部１０ａ、１０ｂが嵌合する。当然、突起部１０を１つだけ備える図２に示す弁キャップ４を、２つの外周溝部７ａ、７ｂを有する図３に示す弁棒２と組み合わせることもできる。
【００３５】
図４に示す一変形例では、弁キャップ４は、カップ壁９の内壁１１から径方向内側へ突出する固定ストラップ１２が設けられている。この固定ストラップ１２は、弁棒２の側面６に設けられた相補的受け入れ溝部７ｃに嵌合する。
【００３６】
最後に、図５に示す一変形例では、弁キャップ４は、弁体３の反対側にある弁棒２の端面１３を被覆し、端部５の一部だけを３つの固定クリップ１４によって包むことで、弁棒２に固定される。各固定クリップ１４は、弁棒２に設けられた相補的な受け入れ溝部７に嵌合することで弁キャップ４が固定される。
【００３７】
本発明の上記実施形態の弁１を製造するために、いわゆる電磁パルス法を使用することもできる。この方法では、まず、弁キャップ４を弁棒２の軸端部５に取り付け、続いて、材料科学分野の当業者には一般的な電磁パルス法を用いて弁キャップ４を変形させて、弁棒２に設けられた少なくとも１つの外周溝部７、７ａ、７ｂに嵌合する少なくとも１つの突起部１０、１０ａ、１０ｂを形成する。
【００３８】
特に、電磁パルス法を使用して、弁キャップ４と弁棒２の側面とを少なくとも部分的に溶接する。
【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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