火花塞的制作方法

专利名称：火花塞的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种组装在内燃机中的用于对空气燃料混合物点火的火花塞。
背景技术：
传统地，在内燃机中使用火花塞用于点火。一般的火花塞使在轴向孔中保持中心 电极的绝缘体以周向地围绕其外周的方式被金属壳保持，从而在中心电极和被接合到金属 壳的接地电极之间形成火花放电间隙。此外，在火花放电间隙中产生的火花放电对空气燃 料混合物点火。近年来，需要减小火花塞的尺寸和直径，以确保汽车发动机在增大输出和燃料经 济性方面的设计自由度，并且已经尝试减小金属壳和绝缘体的直径和厚度。作为实现该 尝试所采取的手段，尽管考虑使传统火花塞的各构成部件的形状保持不变而尺寸变小的手 段，然而单纯地减小构成部件的尺寸可能会引起各构成部件的强度的减小。因此，各构成部 件的尺寸彼此平衡，以在火花塞的有限尺寸中确保构成部件的强度。当绝缘体的厚度伴随着火花塞的直径减小而减小时，导致绝缘体的强度(刚性) 减小，在外力沿与轴线方向垂直的方向(弯曲方向)作用于绝缘体时，容易产生裂纹或断 裂。存在如下可能性当火花塞被安装在发动机中时，在安装工具与绝缘体的从金属壳的后 端露出的后端侧主体部(绝缘体头部)发生碰撞的情况下，沿弯曲方向的外力作用于火花 塞。此外，尽管与中心电极电连接的金属端子基部在绝缘体的后端露出，在火花塞被安装到 发动机中之后，被安装到用于向火花放电间隙施加电压的导线的火花塞盖被装配于金属端 子基部。当火花塞在该状态下遭受随着发动机的驱动而产生的振动时，产生由于火花塞盖 的重量引起的负载，导致沿弯曲方向的外力作用于绝缘体的后端侧主体部的可能性。为了使即使沿弯曲方向的外力以上述方式作用于绝缘体的后端侧主体部也难以 在绝缘体中产生裂纹或断裂，通过调整轴向孔(中心通孔)在后端侧主体部的外径最小部 位的外径和内径来确保后端侧主体部的外径变为最小(最小外径部)的部位的厚度是有好 处的。此外，期望的是，通过调整后端侧主体部的外径变为最小的部位的截面系数(modulus of section)来确保对抗沿弯曲方向作用于绝缘体的外力的强度(例如，参考专利文献1)。专利文献1 日本特开2006-100250号公报

发明内容
发明要解决的问题顺便提及，在绝缘体的外周面设置有外径不同的部分，由金属壳来保持绝缘体一 般是通过如下形式实现的通过对这些部分进行弯边使绝缘体保持且支撑在轴向孔中。也 就是，以使绝缘体被金属壳支撑在金属壳的内孔中的方式保持绝缘体。因此，当沿弯曲方向 作用的外力被施加到绝缘体的后端侧主体部时，力点是遭受外力的位置，绝缘体的被金属 壳支撑的支撑位置中靠近力点的一侧、即后端侧支撑位置用作支点。此外，尽管与力点相关 的作用点产生于绝缘体的前端侧，但是绝缘体的被金属壳支撑的前端侧被支撑位置起到限制作用点的作用力、即限制绝缘体的前端侧的运动的作用，因此与外力对应的负荷被施加 在轴线方向的两个被支撑位置之间的部位。因此，通过单纯地试图增大绝缘体的后端侧主 体部的强度(刚性)，金属壳的内孔中的绝缘体产生裂纹或断裂。为了解决上述问题创作了本发明，本发明的目的是提供如下火花塞能够基于绝 缘体被金属壳支撑的支撑位置，通过调整绝缘体的强度(刚性)平衡来增大绝缘体对抗局 部应力集中的保证强度(proof strength)，从而防止绝缘体中产生裂纹或断裂。用于解决问题的方案为了实现该目的，根据权利要求1的火花塞包括绝缘体，所述绝缘体包括前端 侧主体部，在所述前端侧主体部的外周面的前端侧具有台阶部；中间主体部，所述中间主体 部形成于所述前端侧主体部的后端侧，且具有比所述前端侧主体部的直径大的直径；以及 后端侧主体部，所述后端侧主体部经由肩部形成于所述中间主体部的后端侧，且具有比所 述中间主体部的直径小的直径，所述绝缘体在所述绝缘体的沿轴线方向形成的轴向孔的内 部保持中心电极；金属壳，所述金属壳包括工具接合部，所述工具接合部用于将所述火花塞安装到 内燃机，所述金属壳在形成于所述工具接合部的后端侧的弯边部(crimping portion)和形 成于所述工具接合部的前端侧的凸缘部之间保持所述绝缘体的从所述肩部到所述台阶部 的部分，其中所述凸缘部在所述金属壳的内孔中径向向内突出；以及环状密封件(packing)，所述环状密封件介于所述凸缘部和所述台阶部之间，
其中，τ A = LAXmax/ZXmax,且
τ B = (LAC ‘ LBYmax)/(LBC ‘ ZYmax)，
τ A禾Π τ B中的至少一方为0.47以上，且满足0.71彡τ A/ τ B ^ 1. 27,
其中，在轴线方向上，
A表示所述绝缘体的后端所在的位置；
B表示从所述绝缘体的前端侧起所述绝缘体和所述密封件首先彼此接触的位置
C表示从所述绝缘体的后端侧起所述绝缘体和所述弯边部首先彼此接触的位置
LAC表示位置A和位置C之间的距离；
LBC表示位置B和位置C之间的距离；
X表示位置A和位置C之间的任意位置；
Y表示位置B和位置C之间的任意位置；
LAX表示位置A和位置X之间的距离；
LBY表示位置B和位置Y之间的距离；
ZX表示所述绝缘体在位置X处的截面系数；
ZY表示所述绝缘体在位置Y处的截面系数；
Xmax表示LAX/ZX取最大值的位置X的位置；
Ymax表示LBY/ZY取最大值的位置Y的位置；
LAXmax表示位置A和位置Xmax之间的距离；
LBYmax表示位置B和位置Ymax之间的距离；
ZXmax表示所述绝缘体在位置Xmax处的截面系数；
ZYmax表示所述绝缘体在位置Ymax处的截面系数。
根据权利要求2的火花塞包括绝缘体，所述绝缘体包括前端侧主体部，在所述 前端侧主体部的外周面的前端侧具有台阶部；中间主体部，所述中间主体部形成于所述前 端侧主体部的后端侧，且具有比所述前端侧主体部的直径大的直径；以及后端侧主体部，所 述后端侧主体部经由肩部形成于所述中间主体部的后端侧，且具有比所述中间主体部的直 径小的直径，所述绝缘体在所述绝缘体的沿轴线方向形成的轴向孔的内部保持中心电极；金属壳，所述金属壳包括工具接合部，所述工具接合部用于将所述火花塞安装到 内燃机，所述金属壳在形成于所述工具接合部的后端侧的弯边部和形成于所述工具接合部 的前端侧的凸缘部之间保持所述绝缘体的从所述肩部到所述台阶部的部分，其中所述凸缘 部在所述金属壳的内孔中径向向内突出；环状第一密封件，所述第一密封件介于所述凸缘部和所述台阶部之间；以及环状第二密封件，所述第二密封件介于所述金属壳的所述弯边部和所述绝缘体的 所述肩部之间或介于所述金属壳的所述弯边部和所述绝缘体的所述后端侧主体部之间，其中，τ A = LAXmax/ZXmax，且τ B = (LAC · LBYmax) / (LBC · ZYmax)，τ A禾Π τ B中的至少一方为0.47以上，且满足0.71彡τ A/ τ B ^ 1. 27,其中，在轴线方向上，A表示所述绝缘体的后端所在的位置；B表示从所述绝缘体的前端侧起所述绝缘体和所述第一密封件首先彼此接触的位 置；C表示从所述绝缘体的后端侧起所述绝缘体和所述第二密封件首先彼此接触的位 置；LAC表示位置A和位置C之间的距离；LBC表示位置B和位置C之间的距离；X表示位置A和位置C之间的任意位置；Y表示位置B和位置C之间的任意位置；LAX表示位置A和位置X之间的距离；
LBY表示位置B和位置Y之间的距离；ZX表示所述绝缘体在位置X处的截面系数；ZY表示所述绝缘体在位置Y处的截面系数；Xmax表示LAX/ZX取最大值的位置X的位置；Ymax表示LBY/ZY取最大值的位置Y的位置；LAXmax表示位置A和位置Xmax之间的距离；LBYmax表示位置B和位置Ymax之间的距离；ZXmax表示所述绝缘体在位置Xmax处的截面系数；ZYmax表示所述绝缘体在位置Ymax处的截面系数。在根据权利要求1或2所述的火花塞中，所述金属壳包括位于所述工具接合部的 前端侧的安装螺纹部，所述安装螺纹部形成有用于将所述火花塞安装到内燃机的螺纹，以 及所述安装螺纹部的螺纹的公称直径为MlO以下。在根据权利要求1至3中任一项所述的火花塞中，所述绝缘体的所述后端侧主体部的外径为Φ 8. 5mm以下。发明的效果在根据本发明的权利要求1的火花塞中，由于可以通过调整绝缘体的尺寸和截面 系数的平衡来增大对抗局部应力集中的保证强度，所以即使绝缘体的后端侧主体部受到与 轴线方向垂直的弯曲方向上的外力，与外力对应地产生的应力被分散到绝缘体的内部，由 此减轻应力。结果，可以防止绝缘体中的裂纹或断裂的产生。这在后面详细说明，通过调整 后述的τΑ和τ B之间的关系，调整绝缘体的强度(刚性)的平衡。绝缘体以经由密封件被金属壳的弯边部和凸缘部支撑的方式被保持在金属壳的 内孔中。因此，当绝缘体在其后端侧主体部受到与轴线方向垂直的弯曲方向上的外力时，力 点是受到外力的位置，绝缘体的被弯边部支撑的位于比凸缘部更靠近力点的支撑位置(弯 边部在最后端侧与绝缘体接触的位置C)用作支点。然后，由于作用点侧的运动在绝缘体的 被凸缘部支撑的支撑位置(密封件在最前端侧与绝缘体接触的位置B)处受到限制，所以与 力点处受到的外力对应的应力被施加到绝缘体的位于位置B和位置C之间的部位。这里，τ A表示对抗发生在绝缘体的位置A和位置C之间的弯曲的保证强度，且由 在绝缘体的后端的位置A和位置C之间绝缘体的强度(刚性)变为最小的位置Xmax限定。 随着τ A的值变小，绝缘体的强度(刚性)变大。此外，τ B表示对抗与发生在绝缘体的位 置A和位置C之间的弯曲对应地施加在位置B和位置C之间的应力的保证强度，并且由在 位置B和位置C之间绝缘体的强度(刚性)变为最小的位置Ymax限定。随着τ B的值变 小，绝缘体的强度(刚性)也变大。因此，如果τ A和τ B两者都小，具体地，两个值都小于 0. 47，绝缘体初始地具有足够的对抗弯曲的保证强度，因此不需要用于分散应力的强度平 衡调整。于是，考虑到减小绝缘体的直径以实现火花塞的小型化，本发明的对象是在后端 侧主体部受到弯曲方向上的外力时由于局部应力集中而易于出现裂纹或断裂的绝缘体，也 就是τΑ和τΒ中的至少一方取0.47以上的值的绝缘体。根据发明人等人的研究，在τΑ 和τ B中的至少一方取0.47以上的值的绝缘体中，当关注τ A和τ B之间的关系(τ A/τ B) 以调整强度(刚性)平衡来减轻局部应力集中时，发现绝缘体可以设计成满足0. 71^ τ A/ τ B < 1. 27，以防止绝缘体的裂纹或断裂。此外，在根据本发明的权利要求2的火花塞中，由于可以通过调整绝缘体的尺寸 和截面系数的平衡来增大对抗局部应力集中的保证强度，所以即使绝缘体的后端侧主体部 受到与轴线方向垂直的弯曲方向上的外力，与外力对应地产生的应力被分散到绝缘体的内 部，由此减轻应力。结果，可以防止绝缘体中产生裂纹或断裂。这在后面更详细地说明，通 过调整后述的τ A和τ B之间的关系，调整绝缘体的强度(刚性)的平衡。根据本发明的权利要求2中所述的火花塞中使用的绝缘体以绝缘体经由第二密 封件被金属壳的弯边部支撑和经由第一密封件被金属壳的凸缘部支撑的方式被保持在金 属壳的内孔中。因此，当绝缘体在其后端侧主体部受到与轴线方向垂直的弯曲方向上的外 力时，力点是受到外力的位置，绝缘体的被弯边部支撑的位于比凸缘部更靠近力点的支撑 位置(第二密封件在最后端侧与绝缘体接触的位置C)用作支点。然后，由于作用点侧的运 动在绝缘体的被凸缘部支撑的支撑位置(第一密封件在最前端侧与绝缘体接触的位置B) 处受到限制，与力点处受到的外力对应的应力被施加到绝缘体的位于位置B和位置C之间
7的部位。这里，τ A表示对抗发生在绝缘体的位置A和位置C之间的弯曲的保证强度，且由 在绝缘体的后端的位置A和位置C之间绝缘体的强度(刚性)变为最小的位置Xmax限定。 随着τ A的值变小，绝缘体的强度(刚性)变大。此外，τ B表示对抗与发生在绝缘体的位 置A和位置C之间的弯曲对应地施加在位置B和位置C之间的应力的保证强度，并且由在 位置B和位置C之间绝缘体的强度(刚性)变为最小的位置Ymax限定。随着τ B的值变 小，绝缘体的强度(刚性)也变大。因此，如果τ A和τ B两者都小，具体地，两个值都小于 0. 47，绝缘体初始地具有足够的对抗弯曲的保证强度，因此不需要用于分散应力的强度平 衡调整。于是，考虑到减小绝缘体的直径以实现火花塞的小型化，本发明的对象是在后端 侧主体部受到弯曲方向上的外力时由于局部应力集中而易于出现裂纹或断裂的绝缘体，也 就是τΑ和τΒ中的至少一方取0.47以上的值的绝缘体。根据发明人等人的研究，在τΑ 和τ B中的至少一方取0.47以上的值的绝缘体中，当关注τ A和τ B之间的关系(τ A/τ B) 以调整强度(刚性)平衡来减轻局部应力集中时，发现绝缘体可以设计成满足0.71 < τ A/ τ B < 1. 27，以防止绝缘体的裂纹或断裂。实际上，如果设计绝缘体时可以确保足够的尺寸，那么很容易制造满足τΑ和τΒ 两者都小于0. 47的绝缘体，如上所述，这不再是本发明的对象。因此，本发明优选地适用于 在设计绝缘体时易于受到限制的直径小的火花塞，更具体地，本发明期望地适用于权利要 求3中所述的、形成于金属壳的安装螺纹部的螺纹的公称直径为MlO以下的火花塞。此外，如上所述，作为本发明适用的对象，期望的是如权利要求4所述的直径小的 火花塞，其中要求绝缘体的后端侧主体部的外径为Φ8. 5mm以下。


图1是火花塞100的纵截面图。图2是绝缘体10的说明绝缘体10上设定的部位的位置和尺寸的截面图。图3是作为变形例的火花塞200的部分截面图。图4是作为变形例的火花塞300的部分截面图。图5是作为变形例的火花塞400的部分截面图。附图标记说明6、8密封件 10绝缘体
11台阶部
12轴向孔14肩部17前端侧主体部18后端侧主体部 19中间主体部 20中心电极 50金属壳
51工具接合部52安装螺纹部53弯边部56凸缘部59 内孔100火花塞
具体实施例方式下文，将参考

体现本发明的火花塞的实施方式。首先，将参照图1说明作 为示例的火花塞100的结构。图1是火花塞100的纵截面图。注意，图1中，将以绝缘体10 的轴线0方向为上下方向进行说明，绝缘体的下侧被称为火花塞100的前端侧，上侧被称为 后端侧。如图1所示，火花塞100在自身的轴向孔12的内部的前端侧保持中心电极20，并 且具有绝缘体10，绝缘体10在其后端侧保持金属端子基部40。此外，火花塞100被构造成 使绝缘体10的周围被金属壳50周向包围地保持。此外，接地电极30被接合到金属壳50 的前端部48，且接地电极30的前端部31被弯曲以指向中心电极20的前端部22，由此在前 端部31和前端部22之间形成火花放电间隙GAP。首先，将说明火花塞100的绝缘体10。众所周知，绝缘体10是通过烧结氧化铝等 而形成的绝缘构件，其为筒状，具有沿轴线0方向延伸的轴向孔12。具有最大外径的中间主 体部19形成于绝缘体10的轴线0方向的大致中央，后端侧主体部18以朝向绝缘体10的 轴线0方向的后端侧(图1的上侧)延伸的方式形成，后端侧主体部18在直径减小的状态 下经由位于中间主体部19的后端的肩部14连接中间主体部19。此外，严格来说，肩部14 是中间主体部19的一部分并且构成肩部14自身和直径与肩部14的直径不同的后端侧主 体部18在中间主体部19的上部(后端部)连接在一起的部位。外径小于后端侧主体部18的外径的前端侧主体部17形成于比中间主体部19更 靠近绝缘体10的前端侧(图1的下侧)的部位，外径小于前端侧主体部17的外径的长腿 部13形成于比前端侧主体部17更靠近绝缘体10的前端侧的部位。长腿部13的直径以随 着长腿部朝向前端侧延伸而直径减小的方式减小，并且当火花塞100被安装到内燃机的气 缸盖(未示出)中时长腿部13暴露于燃烧室中。位于长腿部13和前端侧主体部17之间 的部位形成为台阶部11。接着，将说明中心电极20。中心电极20是棒状电极并且具有如下结构由铜或含 铜为主要成分的合金形成的芯材24被埋设在由Ni或如Inconel (商标名)600或601等含 镍为主要成分的合金形成的电极母材23的内部，芯材24的导热性优于电极母材23的导热 性。绝缘体10的轴向孔12的直径在长腿部13处减小，中心电极20以被绝缘体10保持的 方式被配置在直径减小的部位。使中心电极20的前端部22突出超过绝缘体10的前端，并 且形成为随着前端部22朝向前端侧延伸而直径减小。此外，电极头90被接合到前端部22 的前端面并且电极头90是由贵金属形成，以增大前端部22的耐火花消耗性。中心电极20在轴向孔12中朝向绝缘体10的后端侧延伸，并且通过陶瓷电阻3和 由金属和玻璃的混合物制成的导电性密封元件4与设置于轴向孔12的后端侧的金属端子基部40电连接。金属端子基部40从轴向孔12的后端侧露出到外部，且高压缆线(未示出) 经由火花塞盖(未示出)连接到露出部，从而将高电压施加到中心电极20，用于火花放电。接着，将说明金属壳50。金属壳50是用于将火花塞100固定到内燃机的气缸盖 (未示出)的适当位置的筒状金属固定件，并且具有沿轴线O方向贯通的内孔59。金属壳 50以包围绝缘体10的从后端侧主体部18的部分延伸到长腿部13的部位的方式在该内孔 59中保持绝缘体10。金属壳50是由镍基材料形成，并且包括工具接合部51和安装螺纹部 52，其中未示出的火花塞扳手嵌合在工具接合部51上，螺纹形成在该安装螺纹部52上以螺 纹接合到气缸盖中的安装孔(未示出)。在金属壳50的工具接合部51和安装螺纹部52之间形成环状密封部54。通过弯 曲片状元件形成的环状垫圈5通过安装螺纹部52，以装配于安装螺纹部52和密封部54之 间的螺纹颈部49。当火花塞100被安装在气缸盖的安装孔(未示出)中时，垫圈5在座面 55和安装孔的开口周缘之间塌陷变形，由此在座面55和安装孔的开口周缘之间建立密封， 以防止发动机中的气体经由安装孔泄漏。薄弯边部53在比工具接合部51更靠近后端侧的位置处被设置在金属壳50上，且 像薄弯边部53那样的薄弯曲部58被设置在密封部54和工具接合部51之间。环状密封件 6、7在金属壳50的内孔59中介于从工具接合部51延伸到弯边部53的部分和从绝缘体10 的肩部14延伸到后端侧主体部18的部分之间。密封件6、7两者均围绕后端侧主体部18 的外周，以包围后端侧主体部18，且滑石9的粉末被填充在密封件6、7之间。此外，通过被 弯边的弯边部53，绝缘体10在金属壳50中被朝向前端侧挤压。由此，绝缘体10的台阶部 11经由环状密封件8被支撑在凸缘部56，该凸缘部56形成为在金属壳50的内孔59中的 安装螺纹部52的位置处向内突出，由此，金属壳50和绝缘体10彼此成为一体。因此，由密 封件8保持金属壳50和绝缘体10之间的气密性，由此，防止燃烧气体从金属壳50和绝缘 体10之间流出。此外，在对弯边部53弯边时，由于挤压力作用到弯曲部58，使得弯曲部58 沿径向向外挠曲变形，从而延伸滑石9沿轴线0方向的压缩长度，以由此增大金属壳50中 的气密性。注意，密封件6对应于本发明的“第二密封件”，且密封件8对应于本发明的“第 一密封件”。接着，将说明接地电极30。接地电极30是棒状电极构件，其由耐腐蚀性高的金属 形成，且例如使用如Inconel (商标名)600或601等镍合金。该接地电极30具有沿其纵向 截取的大致矩形截面，且接地电极30的延伸方向的一端侧的基部32通过焊接被接合到金 属壳50的前端面57。此外，接地电极30的延伸方向的另一端侧的前端部31被弯曲成使其 一个侧面面对中心电极20的前端部22。此外，在接地电极30的前端部31和中心电极20 的设置有电极头90的前端部22之间形成火花放电间隙GAP。在如上构造的实施方式的火花塞100中，规定绝缘体10的各部分的尺寸和截面系 数，以实现绝缘体10的整体强度(刚性)的平衡的调整。下文参考图2，说明对绝缘体10 的要求。图2是绝缘体10的说明绝缘体10上设定的部位的位置和尺寸的截面图。尽管是截面系数已知的，还是要对对截面系数进行简要说明，将绝缘体的轴线方 向的任意位置处的外径设定为D1，且轴向孔在该特定位置处的内径为D2，已知的是绝缘体 在该特定位置处的截面系数Z由下述等式(a)得到。Z = ( π /32) X (Dl4-D24) /Dl. . . (a)
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因此，基于上述等式(a)，由外径D 1和截面系数Z的值确定轴向孔的内径D2的上 限值，基于上述等式(a)由外径Dl和轴向孔的内径D2的值确定截面系数Z的上限值。如前所述，图2中所示的绝缘体10被金属壳50保持，使从后端侧主体部18的一 部分到长腿部13的部位被收容在金属壳50的内孔59内。更具体地，在金属壳50的内孔 59中，配置在凸缘部56的密封件8、配置在弯边部53的密封件6和配置在工具接合部51 的密封件7分别与绝缘体10的台阶部11、后端侧主体部18和肩部14抵接。绝缘体10在 通过弯边经由这些密封件6、7、8被支撑在金属壳50的内孔59内的状态下被金属壳50保 持。因此，在绝缘体10在其后端侧主体部18受到沿与轴线0垂直的方向(弯曲方向) 作用的外力的情况下，使受到外力的位置为力点，在最后端侧配置与绝缘体10抵接的密封 件6的位置作用为支点。绝缘体10的前端侧用作作用点，该处出现对应于外力的作用力。 然而，由于前端侧经由密封件8被金属壳50支撑，作为与施加的外力对应的动作的运动被 限制。因此，在绝缘体10中，当在后端侧主体部18受到弯曲方向上的外力时，通过与这样 地施加的外力对应地产生的应力，负荷被施加到从配置有密封件6的位置到配置有密封件 8的位置的部位。于是，在实施方式中，当在后端侧主体部18受到弯曲方向上的外力时，规定能够 在轴线0方向的两侧调整绝缘体10的强度(刚性)平衡性的要求，以减轻在作用点侧施加 的负荷。如图2所示，在轴线0方向上，绝缘体10的后端侧位置被表示为位置A。此外，从 绝缘体10的后端侧起绝缘体10首先被金属壳50支撑的位置，在本实施方式中即配置密封 件6的位置被表示为位置C，于是其被认为是支点。此外，从绝缘体10的前端侧起绝缘体 10首先被金属壳50支撑的位置，在被实施方式中即配置密封件8的位置被表示为位置B。 于是，位置A和位置C之间的距离被表示为LAC，位置B和位置C之间的距离被表示为LBC。接着，位置A和位置C之间的任意位置被表示为位置X，位置B和位置C之间的任 意位置被表示为位置Y，位置A和位置X之间的距离被表示为LAX，位置B和位置Y之间的 距离被表示为LBY。于是，绝缘体10在与位置X对应的部位的截面系数被表示为ZX，且得 到LAX/ZX。探求所得到的值最大时X的位置，且探求的该位置被表示为位置Xmax。类似地， 绝缘体10在与位置Y对应的部位的截面系数被表示为ZY，且得到LBY/ZY。探求所得到的 值最大时Y的位置，且探求的该位置被表示为位置Ymax。此外，位置A和位置Xmax之间的 距离被表示为LAXmax，且绝缘体10在与位置Xmax对应的部位的截面系数被表示为ZXmax。 类似地，位置B和位置Ymax之间的距离被表示为LBYmax，且绝缘体10在与位置Ymax对应 的部位的截面系数被表示为ZYmax。于是，定义下列等式τ A = LAXmax/ZXmax. · · (1)τ B = (LAC · LBYmax) / (LBC · ZYmax)... (2)在本实施方式的火花塞100中，要求至少τΑ或τ B为0. 47以上，且得到的τ A/ τ B 满足 0. 71 彡 τ A/ τ B 彡 1. 27。下面详细说明该要求。如前所述，被金属壳50保持的绝缘体10的后端侧主体部 18从金属壳50的后端露出。考虑在与轴线0垂直的弯曲方向上对后端侧主体部18施加 外力的情况。绝缘体10在距位置A的距离为LAX的位置X处的弯曲力矩为MX，MX表示为MX = F- LAX。类似地，绝缘体10在距位置B的距离为LBY的位置Y处的弯曲力矩为MY， MY表示为MY = (LAC/LBC)F · LBY0此外，当求出绝缘体10的通过在与位置X对应的部位 的弯曲所产生的拉伸应力IX时，得到下述等式。IX = MX/ZX = (F · LAX) /ZX. · · (3)类似地，当求出绝缘体10的通过在与位置Y对应的部位的弯曲所产生的拉伸应力 IY时，得到下述等式。IY = MY/ZY = {(LAC/LBC) · F · LBY} /ZY
= (LAC · F · LBY) / (LBC · ZY) · · · (4)这里，随着位置A和位置X之间的距离变大且绝缘体10的在与位置X对应的部位 的截面系数变小，值LAX/ZX变大。因此，LAX/ZX取最大值的位置Xmax表示从位置A到位 置C之间绝缘体10的强度(刚性)最小时所取得的位置X。因此，绝缘体10的通过在从位 置A到位置Xmax的部位的弯曲所产生的拉伸应力IXmax可以由等式(1)和等式(3)表示 为 IXmax = (F · LAXmax) /ZXmax = F · τ A0类似地，随着位置B和位置Y之间的距离变大且绝缘体10的在与位置Y对应的部 位的截面系数变小，值LBY/ZY变大。因此，LBY/ZY取最大值的位置Ymax表示从位置B到 位置C之间绝缘体10的强度(刚性)最小时所取得的位置Y。因此，绝缘体10的通过在从 位置B到位置Ymax的部位的弯曲所产生的拉伸应力IYmax可以由等式(2)和等式(4)表 示为 IYmax = (LAC · F · LBYmax) / (LBC · ZYmax) = F · τ B。这里，由于 F 表示夕卜力，τ A 表 示对抗绝缘体10在位置A和位置C之间的弯曲的保证强度，以及τ B表示对抗位置B和位 置C之间的与绝缘体10在位置A和位置C之间的弯曲对应地施加的应力的保证强度。在 设计绝缘体10时，通过关注τΑ和τΒ，求得二者之间的关系τ A/τ B，使绝缘体10可以得 到能够防止产生裂纹或断裂的足够强度(刚性)。首先，关于τ A和τ B，如前所述，它们的值越小，绝缘体10的强度(刚性)越大。 因此，通过后述的实施例1中的评价试验确认，在绝缘体10的τ A和τ B都小于0.47的情 况下，无论τ A/ τ B的值如何，绝缘体10都可以得到能够防止产生裂纹或断裂的足够强度 (刚性)。S卩，在绝缘体10的τΑ和τ B都小于0.47的情况下，绝缘体10可以得到能够防 止产生裂纹或断裂的足够强度(刚性)，而不需要严格调整绝缘体10的各部分的尺寸和截 面系数的平衡。另一方面，在τΑ和τ B中的至少一方取0.47以上的值的情况下，需要调整绝缘 体10的各部分的尺寸和截面系数的平衡，以减轻与绝缘体10受到的外力对应地产生的应 力。具体地，绝缘体10被设计成使绝缘体10的各部分的尺寸和截面系数的平衡被调整成求 得的值τ A/ τ B满足0. 71彡τ A/ τ B彡1. 27。通过后述的实施例1中的评价试验确认，在 如此设计绝缘体10的情况下，即使绝缘体10在后端侧主体部18受到弯曲方向上的外力， 也可以减轻由与施加的外力对应地产生的施加到配置密封件6的位置到配置密封件8的位 置之间的部位的应力所引起的负荷的效果，从而防止裂纹或断裂的发生。然而，在设计绝缘体10时能够确保绝缘体10具有足够尺寸的情况下，容易满足 τ A和τ B都小于0. 47的要求，从而在不应用本发明的前提下，绝缘体10可以实现足够强 度。因此，本发明优选地应用到直径小的火花塞100，即，在火花塞100中τΑ和τΒ中的 至少一方为0. 47以上。更具体地，本发明优选地应用到形成于金属壳50的安装螺纹部52
12直径为MlO以下的火花塞100中。在这种尺寸的火花塞100中，由于在试图 减小金属壳的厚度时引起确保金属壳50的刚性的极限，可以被确保作为绝缘体10的外径 的尺寸受到限制。因此，绝缘体10的截面系数趋于变小，结果，τ A和τΒ的值趋于取较大 的值。此外，关于绝缘体10的后端侧主体部18的外径需要被设计为Φ8. 5mm以下的火花 塞100，与前述火花塞100类似，绝缘体10的截面系数趋于变小，因此，本发明期望地适用于 此。毋庸赘言，本发明可以进行各种变化。在本实施方式中，在由金属壳50保持绝缘 体10时，使金属壳50不与绝缘体10直接抵接，而是将金属壳50设计成经由密封件6、7、8 支撑绝缘体10。因此，在由金属壳50支撑绝缘体10时，由于是密封件6在轴线0方向的 最后端侧与绝缘体10抵接，因此当弯曲方向上的外力被施加到绝缘体10的后端侧主体部 18时，密封件6用作支点。结果，尽管在轴线0方向配置密封件6的位置被表示为位置C， 但位置C不必限于配置密封件6的位置。例如，在图3所示的火花塞200中，像实施方式那样，尽管密封件6与绝缘体10的 后端侧主体部18抵接，但是金属壳250的弯边部253在比密封件6更靠近轴线0方向的后 端侧(图3中的上侧)的位置处与后端侧主体部18抵接。在如上构造火花塞200的情况 下，由于弯边部253从轴线0方向的后端侧首先与绝缘体10抵接，因此弯边部253与绝缘 体10抵接的位置可以被表示为位置C。当然，如图4所示，这对于其中不设置密封件6、7和滑石9 (参照图1)、金属壳350 的弯边部353与绝缘体310的肩部314直接抵接从而支撑绝缘体310的火花塞300也是可 以的。即，从轴线0方向的后端侧首先与绝缘体310抵接的弯边部353的与绝缘体310抵 接的抵接位置可以被表示为位置C。关于图5所示的火花塞400，介于金属壳450的弯边部453和绝缘体410之间的密 封件406不与后端侧主体部418抵接，而与肩部414抵接。与实施方式的位置C 一样，由于 从轴线0方向的后端侧起是密封件406首先与绝缘体410抵接，所以密封件406与绝缘体 410抵接的位置可以被表示为位置C。进行评价试验，以确认在通过调整绝缘体10的各部分的尺寸和截面系数的平衡 而设计绝缘体10的情况下，可以得到具有足够强度(刚性)以防止发生裂纹或断裂的绝缘 体10。实施例1在评价试验中，制备多种类型的金属壳，金属壳具有螺纹的公称尺寸为MlO的安 装螺纹部和不同的轴线0方向的长度，且尺寸能够将绝缘体安装到金属壳中的绝缘体被设 计成39种类和14分类。具体地，各绝缘体被设计成使在绝缘体被安装到金属壳中之后测 量火花塞时位置A和位置C之间的距离LAC为26mm。绝缘体和绝缘体之间的位置B和位 置C之间的距离LBC在25mm 33mm的范围内变化，以匹配可以安装绝缘体的金属壳的类 型。此外，绝缘体被设计成例如通过使其各部分的轴向孔的内径不同而使其各部分的厚度 不同，从而使试验样品具有不同的截面系数ZXmax、ZYmax组合。对于30种类和14分类的各 绝缘体均制作10个绝缘体，各绝缘体中的设计值(LAC、LBC、LXmax, LYmax, ZXmax和ZYmax 的值)彼此不同并且10个绝缘体被安装到对应的金属壳中，由此，建立要试验的火花塞的 试验样品。此外，为了比较，对于现有两种类型的火花塞产品中的每种制备10个火花塞，其中位置A和位置C之间的距离LAC为26mm，安装螺纹部的螺纹的公称直径大于M 10。用于 识别各试验样品和现有火花塞产品的样品编号示出在后述的表1中。从39种类的试验样品和两种类的现有火花塞产品中选取一个绝缘体以安装到用 于耐冲击性试验的试验装置。然后，以400次每分钟的速率向这些绝缘体持续施加冲击 120分钟，之后，分析在绝缘体中是否发生如裂纹或断裂等异常。在每个种类的10个绝缘 体中有一个产生异常的情况下，相关种类被评价为绝缘体的尺寸和截面系数的平衡的调整 不足，不能获得对抗局部应力集中的期望的保证强度，并且评价为“差”。在每个种类的全部 10个绝缘体中没有发现异常的情况下，相关种类被评价为由于平衡的调整可以得到足够的 保证强度，并且被评价为“好”。评价试验的结果在表1中示出。此外，如上所述，基于等式 ⑴和等式⑵从各试验样品的设计值得到的τ A和τ B以及τ A/τ B均在表1中示出。表 权利要求
一种火花塞，其包括绝缘体，所述绝缘体包括前端侧主体部，在所述前端侧主体部的外周面的前端侧具有台阶部；中间主体部，所述中间主体部形成于所述前端侧主体部的后端侧，且具有比所述前端侧主体部的直径大的直径；以及后端侧主体部，所述后端侧主体部经由肩部形成于所述中间主体部的后端侧，且具有比所述中间主体部的直径小的直径，所述绝缘体在所述绝缘体的沿轴线方向形成的轴向孔的内部保持中心电极；金属壳，所述金属壳包括工具接合部，所述工具接合部用于将所述火花塞安装到内燃机，所述金属壳在形成于所述工具接合部的后端侧的弯边部和形成于所述工具接合部的前端侧的凸缘部之间保持所述绝缘体的从所述肩部到所述台阶部的部分，其中所述凸缘部在所述金属壳的内孔中径向向内突出；以及环状密封件，所述环状密封件介于所述凸缘部和所述台阶部之间，其中，τA＝LAXmax/ZXmax，且τB＝(LAC·LBYmax)/(LBC·ZYmax)，τA和τB中的至少一方为0.47以上，且满足0.71≤τA/τB≤1.27，其中，在轴线方向上，A表示所述绝缘体的后端所在的位置；B表示从所述绝缘体的前端侧起所述绝缘体和所述密封件首先彼此接触的位置；C表示从所述绝缘体的后端侧起所述绝缘体和所述弯边部首先彼此接触的位置；LAC表示位置A和位置C之间的距离；LBC表示位置B和位置C之间的距离；X表示位置A和位置C之间的任意位置；Y表示位置B和位置C之间的任意位置；LAX表示位置A和位置X之间的距离；LBY表示位置B和位置Y之间的距离；ZX表示所述绝缘体在位置X处的截面系数；ZY表示所述绝缘体在位置Y处的截面系数；Xmax表示LAX/ZX取最大值的位置X的位置；Ymax表示LBY/ZY取最大值的位置Y的位置；LAXmax表示位置A和位置Xmax之间的距离；LBYmax表示位置B和位置Ymax之间的距离；ZXmax表示所述绝缘体在位置Xmax处的截面系数；ZYmax表示所述绝缘体在位置Ymax处的截面系数。
2.一种火花塞，其包括绝缘体，所述绝缘体包括前端侧主体部，在所述前端侧主体部的外周面的前端侧具有 台阶部；中间主体部，所述中间主体部形成于所述前端侧主体部的后端侧，且具有比所述前 端侧主体部的直径大的直径；以及后端侧主体部，所述后端侧主体部经由肩部形成于所述 中间主体部的后端侧，且具有比所述中间主体部的直径小的直径，所述绝缘体在所述绝缘 体的沿轴线方向形成的轴向孔的内部保持中心电极；金属壳，所述金属壳包括工具接合部，所述工具接合部用于将所述火花塞安装到内燃机，所述金属壳在形成于所述工具接合部的后端侧的弯边部和形成于所述工具接合部的前 端侧的凸缘部之间保持所述绝缘体的从所述肩部到所述台阶部的部分，其中所述凸缘部在 所述金属壳的内孔中径向向内突出；环状第一密封件，所述第一密封件介于所述凸缘部和所述台阶部之间；以及 环状第二密封件，所述第二密封件介于所述金属壳的所述弯边部和所述绝缘体的所述 肩部之间或介于所述金属壳的所述弯边部和所述绝缘体的所述后端侧主体部之间， 其中，τ A = LAXmax/ZXmax,且 τ B = (LAC ‘ LBYmax)/(LBC ‘ ZYmax)， τ A禾Π τ B中的至少一方为0.47以上，且满足0.71彡τ A/ τ B ^ 1. 27,其中，在轴线方向上， A表示所述绝缘体的后端所在的位置；B表示从所述绝缘体的前端侧起所述绝缘体和所述第一密封件首先彼此接触的位置；C表示从所述绝缘体的后端侧起所述绝缘体和所述第二密封件首先彼此接触的位置；LAC表示位置A和位置C之间的距离；LBC表示位置B和位置C之间的距离；X表示位置A和位置C之间的任意位置；Y表示位置B和位置C之间的任意位置；LAX表示位置A和位置X之间的距离；LBY表示位置B和位置Y之间的距离；ZX表示所述绝缘体在位置X处的截面系数；ZY表示所述绝缘体在位置Y处的截面系数；Xmax表示LAX/ZX取最大值的位置X的位置；Ymax表示LBY/ZY取最大值的位置Y的位置；LAXmax表示位置A和位置Xmax之间的距离；LBYmax表示位置B和位置Ymax之间的距离；ZXmax表示所述绝缘体在位置Xmax处的截面系数；ZYmax表示所述绝缘体在位置Ymax处的截面系数。
3.根据权利要求1或2所述的火花塞，其特征在于，所述金属壳包括位于所述工具接合部的前端侧的安装螺纹部，所述安装螺纹部形成有 用于将所述火花塞安装到内燃机的螺纹，以及所述安装螺纹部的螺纹的公称直径为MlO以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的火花塞，其特征在于， 所述绝缘体的所述后端侧主体部的外径为Φ8. 5mm以下。
全文摘要
提供一种火花塞，其基于绝缘体被金属壳支撑的支撑位置通过调整绝缘体的强度(刚性)的平衡来增大对抗局部应力集中的保证强度，以防止绝缘体中产生裂纹或断裂。当被金属壳(50)保持的绝缘体(10)在后端侧主体部(18)受到与轴线O垂直的弯曲方向上的外力时，绝缘体(10)的经由密封件(6)被弯边部(53)支撑的位置C用作支点，且应力被施加到位置C和绝缘体的经由密封件(8)被凸缘部(56)支撑的位置B之间。于是，在绝缘体(10)被设计成使尺寸和截面系数的平衡调整成满足0.71≤τA/τB≤1.27时，可以防止裂纹或断裂，其中τA表示对抗绝缘体(10)的后端位置A和位置C之间的弯曲的保证强度，τB表示对抗位置B和位置C之间的弯曲的保证强度。
文档编号H01T13/36GK101978564SQ20098010963
公开日2011年2月16日 申请日期2009年3月17日 优先权日2008年3月18日
发明者加藤友聪, 无笹守, 铃木彰 申请人:日本特殊陶业株式会社