JP2004225872A - Metal member uniting structure - Google Patents

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JP2004225872A JP2003017625A JP2003017625A JP2004225872A JP 2004225872 A JP2004225872 A JP 2004225872A JP 2003017625 A JP2003017625 A JP 2003017625A JP 2003017625 A JP2003017625 A JP 2003017625A JP 2004225872 A JP2004225872 A JP 2004225872A
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Hideo Nakai
英雄 中井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metal member uniting structure in which a pair of metal members can be stably fastened to each other with appropriate fastening axial force and in which it is possible to surely prevent generation of clearance and deformation caused by excessive axial force in the vicinity of the position where the axial force affects when the temperature increases or decreases. <P>SOLUTION: A cylinder head (a first metal member) whose coefficient of linear expansion is the first coefficient A and a cylinder block (a second metal member) whose coefficient of linear expansion is the second coefficient B different from the first coefficient are united to each other by a bolt (a third metal member). The coefficient C of linear expansion of the third metal member is the third coefficient C between the first coefficient A and the second coefficient B. When a first distance between a first united portion p1 of the first metal member and the third metal member and a second united portion p2 of the first metal member and the second metal member is denoted by X and a second distance between a third united portion p3 of the second metal member and the third metal member and the second united portion p2 is denoted by Y, the following equation (A-C)X=(C-B)Y is fulfilled. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、互いに重なり合う一対の金属部材を第3の金属部材で締め付け、一体化する金属部材の結合構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
一対の金属部材、例えば、内燃機関のシリンダブロックとシリンダヘッドとを一体的に結合する場合、通常、シリンダヘッド側より金属ボルトを差込み、同ボルトをシリンダブロック側に形成したボルト穴の低部側に形成される内螺子に螺着させ、締め付けることでエンジン本体の組付け結合処理がなされている。
【0003】
このような、結合構造を採る内燃機関はシリンダブロックとシリンダヘッドの間にガスケットを介装しており、このシール機能も加わり、シリンダブロックとシリンダヘッドの間に隙間が生じることを抑制し、燃焼室からのガス漏れ、ウォータージャケットからの水漏れ、油路からのオイル漏れ等を防止するようにしている。
【0004】
ところで、内燃機関は冷態時と暖気完了時とではかなりの温度変化を生じ、金属部材からなるシリンダブロック、シリンダヘッド及びこれらの結合部に嵌着された締結用のボルトはそれぞれの線膨張係数に応じた伸び変形を生じ、この際、締結軸力の作用位置の間で引っ張り方向の軸力を受けることとなる。
【0005】
例えば、図7に示すように、締結用のボルトがエンジンの常温相当の位置▲1▼で締結用の軸力を受けているとし、この状態より雰囲気温度の上昇、即ち、エンジン駆動に応じた温度相当の位置▲2▼、位置▲3▼に順次達すると軸力は増大する。逆に、エンジン停止や大気温の比較的大きな低下に応じてエンジンが冷却され降下すると、その降下した温度相当の位置▲4▼で軸力は低下する。このような温度の上昇と低下が、この後、各温度相当の位置▲5▼、位置▲6▼と順次繰り返され、再度常温位置▲7▼に達するとすると、シリンダヘッド側のへたりも加わり、軸力がδkgf程度低下する。この軸力低下は経時的に増加する傾向にある。
【0006】
このような軸力低下を予め見越し、当初の締結ボルトの軸方向の締め付け力を十分に付加しておくことで、軸力低下による2つの金属部材であるシリンダブロックとシリンダヘッドの合わせ面間に隙間が生じることを抑制し、特に、収縮変形量が比較的大きくなる低温雰囲気下でも、締結力が消滅して、相対的なずれが発生したり、隙間が生じるということを抑制するようにしている。
しかし、締結ボルトの軸力低下を予め見越し、当初の締結ボルトの軸方向の締め付け力を過度に付加した場合、次の様な問題が生じる。
【0007】
例えば、図9に示すように、シリンダヘッド側(紙面上側)から締結用ボルトが差込まれて、紙面下側のシリンダブロックの一部であるシリンダライナ110の上壁部120に締め付け結合されるとする。この際、図9における紙面上側のシリンダヘッドとその下側のシリンダライナ110の上端部との両対向面間に不図示のガスケットのグロメットが挟まれた状態が生じる。すると、締結用ボルトの締め付けによる軸力の増加に応じてシリンダライナ110の上端部とシリンダヘッド側が圧接方向に変位し、その際、シリンダライナ110の上端部がグロメットをてこ支点としてシリンダヘッド側に変位する。結果として、上壁部と一体のシリンダライナ110の上部が図9に2点鎖線で示すように変形する。即ち、ボルト締め付け穴100の近傍におけるシリンダライナ110のボアBの変形量bがμmのレベルで増加してボアB’となる。なお、図8に示すように、このボア変形量μmは締結ボルトの軸方向の締め付け軸力kgfの増加に応じて増加しており、この変形に関連してシリンダライナの早期偏磨耗が生じ、耐久性の低下を招くこととなる。
【0008】
そこで、特開平8−21299号公報(特許文献1)に開示されたシリンダブロックの結合構造では、アルミ合金製のシリンダブロック本体内に鋳鉄製のシリンダライナを鋳ぐるようにし、このシリンダライナのデッキ面より十分に離れた低部側の部位に螺子溝を形成しておき、ここにシリンダヘッド側から差込んだボルトを螺着し、シリンダヘッドとシリンダブロック本体側を一体結合するようにしている。この構造では、温度変化によってシリンダブロック本体が膨張収縮してもシリンダライナ側に螺着されたボルト側の軸力の変化は最小限に抑えられ、ボルトの軸力が安定し、ガス漏れ等が発生することを防止できる。
【0009】
【特許文献1】
特開平8−21299号公報(段落「0013」〜「0016」、図2)
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
このように、常温時に所定締結力で隙間なく締め付け結合されていた一対の金属部材は、その線膨張係数が締結用の金属部材である締結ボルトに対し異なる場合、その締結力の作用位置間の長さにもよるが、温度の高低変化により膨張収縮を比較的大きく繰り返し、場合により、特に低温雰囲気下では重合面に隙間が生じる場合があり、しかも、これに対処すべく過度の軸力を予め付加しておくとすると、軸力の作用位置近傍の変形が生じてしまうという問題がある。
【0011】
そこで、この問題に対処すべく上述の特許文献1に開示されたシリンダブロックの結合構造を用いるとした場合、アルミ合金製のシリンダブロック本体内に鋳鉄製のシリンダライナを鋳ぐるむという限定構成を採ることとなり、これ以外の素材の組合せを採るシリンダブロックの結合構造を採るものにはその技術を適用することができない。特に、シリンダライナを一体鋳造するシリンダブロックにはその技術を適用できない。更に、軸受けがシリンダブロック本体でなくシリンダライナの低部に一体鋳造され、この点でも特殊構成を採っており、実施の汎用性にかけるものとなっている。
【0012】
このように、相互に線膨張係数が異なる一対の金属部材を締結用の金属部材で一体的に結合するにあたり、一対の金属部材と締結用の金属部材の線膨張係数とがずれているとしても、雰囲気温度の増減変化に対し、常に、締結用の金属部材が適性な締結軸力を安定して保つ状態で一対の金属部材を締結することが望まれている。これにより、所定締結力で隙間なく、又、過度の軸力により作用位置近傍に変形が生じることを防止できるような金属部材の結合構造が望まれている。
【0013】
本発明は、以上のような課題に基づきなされたもので、締結用の金属部材が一対の金属部材を適性締結軸力で安定して締結でき、雰囲気温度の増減変化に対し、隙間の発生や過度の軸力による軸力作用位置近傍の変形の発生を確実に防止できる金属部材の結合構造を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、線膨張係数が第1係数である第1金属部材と線膨張係数が上記第1係数とは異なる第2係数である第2金属部材とを第3金属部材によって結合する金属部材の結合装置において、上記第3金属部材は、線膨張係数が上記第1係数と上記第2係数との間の第3係数である金属部材で構成され、上記第1係数をA、上記第2係数をB、上記第3係数をC、上記第1金属部材と上記第3金属部材との第1結合部と第1金属部材と第2金属部材との第2結合部との間の第1距離をX、上記第2金属部材と上記第3金属部材との第3結合部と上記第2結合部との間の第2距離をY、としたときに、上記第1距離と第2距離との関係が、次式
(A−C)X=(C−B)Y
を満たすように、設定されていることを特徴とする。
【0015】
このように、第1金属部材及び第2金属部材と、締結用の第3金属部材との各線膨張係数及び締結用の第3金属部材により締結力が作用する位置間の長さである第1、第2距離X、Yが、(A−C)X=(C−B)Yを満たすので、雰囲気温度変化があっても、第1金属部材の第3金属部材に対する延びの過剰分が第3金属部材の第2金属部材に対向する部分が比較的延びることで過剰分を打ち消すことができ、常に、締結用の第3金属部材に加わる締結軸力が安定し、常温での締結時に加えた初期の締結軸力を保持できる。このため、常に、締結用の金属部材が締結軸力を安定して保つ状態で第1金属部材及び第2金属部材を締結し、初期の締結軸力で隙間なく締め付け結合状態を安定して保持でき、又、過度の締結軸力の発生を防止して締め付け座面の変形を防止できる。
【0016】
請求項2の発明は、請求項1記載の金属部材の結合構造において、上記第1金属部材がエンジンのシリンダヘッドであって、上記第2金属部材が上記エンジンのシリンダブロックであって、上記第3金属部材が上記シリンダヘッドを上記シリンダブロックに結合させるシリンダヘッドボルトであり、上記エンジンのシリンダヘッドとシリンダブロックとの結合構造に適用されることを特徴とする。 このように、シリンダヘッドとシリンダブロックとをシリンダヘッドボルトで締結する場合も、シリンダヘッドのシリンダヘッドボルトに対する延びの過剰分がシリンダヘッドボルトのシリンダブロックに対向する部分が比較的延びることで過剰分を打ち消すことができ、常に、シリンダヘッドボルトが締結軸力を安定して保つ状態でシリンダヘッドとシリンダブロックを締結し、初期の締結軸力で隙間なく締め付け結合状態を保持でき、ガス漏れやオイル漏れを防止0でき、又、過度の締結軸力の発生を防止してシリンダヘッド側の締め付け座面の変形を防止できる。
【0017】
請求項3の発明は、請求項2記載の金属部材の結合構造において、上記シリンダヘッドボルトがシリンダライナの軸方向に沿って配設され、該シリンダヘッドボルトと上記シリンダブロックとの結合部の上記軸方向下方にウォータージャケットが形成されていることを特徴とする。
このように、シリンダヘッドとシリンダブロックとをシリンダヘッドボルトで締結している結合部がウォータージャケットに対して上方に位置するとしても、常に、シリンダヘッドボルトが締結軸力を安定して保つ状態でシリンダヘッドとシリンダブロックを締結するので、結合部近傍のシリンダライナに過度の変形が生じるということを確実に防止できる。
【0018】
【発明の実施の形態】
図1乃至図3には本発明の実施形態としての金属部材の結合構造を適用して組付けられたエンジン1の概略図を示した。このエンジン1は直列4気筒縦置きエンジンであり、各気筒の燃料室での燃焼爆発行程において生じる高圧燃焼ガスのガス圧を不図示のピストン及びクランク軸の働きで回転力として出力するという周知の4サイクル内燃機関の構成を採る。このエンジン1の本体はシリンダブロック2の上側にシリンダヘッド3を重ね、下側に板金性のオイルパン4を重ね、これらは相互に一体的に結合されている。特に、シリンダブロック2とシリンダヘッド3とは本発明の一実施形態としての金属部材の結合構造を適用して一体結合される。
【0019】
シリンダブロック2は鋳鉄FCによって鋳造されており、前後左右に略矩形状を成すように縦向きの外壁6を連続形成し、それらに囲まれた内部に、各気筒のシリンダライナ5をその軸線方向を縦向きにした状態でシリンダブロック2の長手方向Xに順次直列状に配備している。しかも、各シリンダライナ5の上端及び下端は上壁7及び下壁8で相互に連結され、外壁側と一体形成される。このようなシリンダブロック2は外壁6と各シリンダライナ5との間にウォータージャケット9を形成し、このウォータージャケット9は冷却水循環系に接続されている。
【0020】
シリンダブロック2内の各シリンダライナ5の上部側には、各シリンダライナ5の中央より側方のウォータージャケット9側に膨出するように、しかも、上壁7側より下方に向けて所定の縦幅h1を確保した状態でボス部11が形成される。
このボス部11には上壁7側に開口する縦穴14が形成される。特に、この縦穴14は、上壁側開口より縦長さの比較的長い穴として形成され、その低部側に後述の締結用のボルト12が螺合する螺子穴13が形成される。
【0021】
このようなボス部11は、図2に示すように、各シリンダライナ5に対してそれぞれの平面視における4角に配備されている。各ボス部11の縦穴14にボルト12を差込み、その下部の螺子穴13にボルト12を螺合させることによりシリンダヘッド3がシリンダブロックに締結される。このため、燃料室で生じる爆発圧は4角の各ボルト12に分散して均等に受けとめられるようにでき、シリンダブロック2とシリンダヘッド3間に相互変動が生じないよう締結力をボルト12を介し各ボス部11に均等に付与できるようにしている。
【0022】
シリンダブロック2の上壁7の上向重合面f1にはガスケット15を介しシリンダヘッド3の下向重合面f2が重ね合わされる。
ここで、シリンダヘッド3はシリンダブロック2の上向重合面f1の全体を覆うと共に、各気筒のシリンダライナ5の上部を閉鎖することで各気筒の燃料室を形成する。
シリンダヘッド3はアルミ合金でダイキャスト鋳造されており、不図示の動弁系を収容し、しかも、これら動弁系と干渉しない部位に不図示の上部ウォータージャケットを形成される。
【0023】
この上部ウォータージャケットはシリンダブロックの上壁に形成された複数の冷却水通路16を介しシリンダブロック2側のウォータージャケット9に連通する。
更に、シリンダヘッド3内の不図示の動弁系にオイル供給するオイル循環路(図示せず)がシリンダヘッド3内に形成されている。
シリンダヘッド3はその外周縁よりフランジ17を突出し形成する。このフランジ17はシリンダブロック2側の上壁7にガスケット15を介し重ねられ、本発明の適用された金属部材の結合構造を用い、シリンダブロック2側に複数箇所、即ち、各ボス部11との対向位置で一体的に結合される。
【0024】
図1、図3に示すように、シリンダヘッド3のフランジ17は縦幅Xを有し、各ボス部11との対向位置に貫通穴18を形成される。この貫通穴18はボス部11の縦穴14と対向し、これらに締結用のボルト12が上方より嵌挿され、同螺子穴13に螺着される。なお、この金属部材であるシリンダブロック2とシリンダヘッド3の結合構造は、各締結用金属部材であるボルト12による締結位置において同様に構成されることよりここでは、一ヵ所のみの説明を主に行ない、重複説明を略す。
【0025】
図1、図3に示すように、このボルト12の締結状態において、ボルト12とフランジ17上面との接合部を軸力作用位置p1とし、螺子穴13に螺着する部位のほぼ中央部を軸力作用位置P3とし、シリンダブロック2とシリンダヘッド3との両重合面f1、f2の対向位置、即ち、ガスケット15の厚さ方向中央部を中間軸力作用位置p2とする。
【0026】
ここで締結用の金属部材であるボルト12はボス部11の螺子穴13に対し、常温雰囲気下で、軸力が適性値となるように締め付け処理が成され、一対の金属部材であるシリンダブロック2とシリンダヘッド3とを一体結合する。
更に、このボルト12によるシリンダブロック2とシリンダヘッド3との締結を詳細に説明する。
ここで、図5に示すように、アルミ合金製のシリンダヘッド(a)を第1金属部材とし、その線膨張係数を第1係数A(21×10−6)とする。
【0027】
鋳鉄FCによって鋳造されたシリンダブロック(b)を第2金属部材とし、その線膨張係数を第2係数B(10×10−6)とする。
鋼製のボルト(c)を締結用の第3金属部材とし、その線膨張係数を第3係数C(12×10−6)とする。
ここで、シリンダヘッド(a)の線膨張係数Aと、シリンダブロック(b)の線膨張係数Bとは異なり、特に、A>Bの特性として選択された。しかも、ボルトの線膨張係数Cは第1係数Aと第2係数Bとの間の係数、即ち、A>C>Bの特性として選択された。
【0028】
次に、図3に示すように、ここで、第1金属部材であるシリンダヘッド3と締結用の第3金属部材であるボルト12との第1結合部をフランジ17上面の軸力作用位置p1とする。第1金属部材であるシリンダヘッド3と第2金属部材であるシリンダブロック2との第2結合部をシリンダブロック2とシリンダヘッド3との両重合面f1、f2間の中間軸力作用位置p2とする。第2金属部材であるシリンダブロック2と第3金属部材であるボルト12との第3結合部を螺子穴13中央の軸力作用位置p3とする。
【0029】
更に、第1結合部である軸力作用位置p1と、第2結合部である中間軸力作用位置p2との距離を第1距離X、第3結合部である軸力作用位置p3と第2結合部である中間軸力作用位置p2との間の第2距離をY、とする。
この場合において、図1、図3に示すボルト12の締結構造では、第1距離Xと第2距離Yとの関係が、次式(イ)
(A−C)X=(C−B)Y・・・・・・・(イ)
を満たすように設定されている。
【0030】
即ち、式(イ)を書き換えると、
(21×10−6―12×10−6)X=(12×10−6−10×10−6)Y
9X=2Y
∴ Y=4.5X
これより、ボルト12の座面である軸力作用位置p1とボス部11の螺子穴13中央の軸力作用位置p3との距離(X+Y)は、シリンダヘッド3のフランジ17部の厚さである軸力作用位置p1と中間軸力作用位置p2との間の第1距離Xの5、5倍となる。即ち、ここでフランジ17部の厚さを第1距離Xとして、ボルト12の座面とシリンダブロック2とボルト12との第3結合部との間の距離(X+Y)が第1距離Xの5、5倍となるように、このボルト12を嵌合して螺着できる長さの縦穴14とそれに続く螺子穴13を形成したボス部11を設けることで式(イ)を満たすことと成る。
【0031】
このような式(イ)を満たす結合構造において、ボルトを(c)、シリンダヘッドを(a)、シリンダブロックを(b)とし、相対的な長さと位置の関係を、図4の中央に常温位置として示した。
ここで、常温状態において、式(イ)を満たす結合構造におけるボルト(c)、シリンダヘッド(a)、シリンダブロックbはこれが高温状態(温度変化量Δtとする)になると、図4の右側に示すように、ボルト(c)とシリンダヘッド(a)との第1結合部(軸力作用位置p1)とボルト(c)とシリンダブロック(b)との第3結合部(軸力作用位置p3)との間の距離がC(X+Y)・Δtと伸び変形する。
【0032】
これに対し、ボルト(c)とシリンダブロック(b)との第3結合部(軸力作用位置p3)とシリンダヘッド(a)とシリンダブロック(b)との第2結合部(軸力作用位置p2)との間の距離Yの部分がBY・Δtと変形し、第1結合部(軸力作用位置p1)と第2結合部(軸力作用位置p2)との間の距離XがAX・Δtと比較的大きく伸び変形する。
【0033】
即ち、比較的大きい線膨張係数Aであるアルミ合金製のシリンダヘッド(a)は、比較的大きく膨張して、常温での軸力作用位置p1、p2間の距離Xに対向する部分のボルト(c)の伸び(CX・Δt)より過剰分αだけ大きく延びている。しかし、ここでの過剰分αはボルト12の常温軸力作用位置p2、p3間の距離Yに対向する部分がシリンダブロック(b)に対して比較的長い距離(CY・Δt)と延びることで、過剰分αを打ち消すことができる。
【0034】
即ち、ボルト(c)とシリンダヘッド(a)との第1結合部である軸力作用位置P1とボルト(c)とシリンダブロック(b)との第3結合部である軸力作用位置P3と間において、ボルト(c)は、X+YからC(X+Y)・△tへと延び変形する。これに対して、シリンダヘッド(a)のフランジ17も高温変化に伴い延び変形して、ボルト(c)とシリンダヘッド(a)との第1結合部である軸力作用位置P1とシリンダヘッド(a)とシリンダブロック(b)との第2結合部である軸力作用位置P2との間の距離XはAX・△tへと変化する。また、シリンダブロック(b)も高温変化に伴い延び変形し、シリンダヘッド(a)とシリンダブロック(b)との第2結合部である軸力作用位置P2とボルト(c)とシリンダブロック(b)との第3結合部である軸力作用位置p3との間の距離YはBY・△tへと変化する。
従って、温度変化量△tであるときのシリンダヘッド(a)、シリンダブロック(b)、及びボルト(c)の変化量は以下のようになる。
(1)シリンダヘット(a)とボルト(c)との第1結合部とシリンダヘッド(a)とシリンダブロック(b)との第2結合部との間でのシリンダヘッド(a)の変化量:AX・△t
(2)シリンダヘッド(a)とシリンダブロック(b)との第2結合部とシリンダブロック(b)とボルト(c)との第3結合部との間でのシリンダブロック(b)の変化量:BY・△t
(3)シリンダヘッド(a)とボルト(c)との第1結合部とシリンダブロック(b)とボルト(c)との第3結合部との間でのボルト(c)の変化量:C(X+Y)・△t
そして、シリンダヘッド(a)、シリンダブロック(b)、ボルト(c)、及びボルト(c)のひずみ変化量δとの関係は以下の式によって表される。
【0035】
AX・△t+BY・△t=C(X+Y)・△t+δ・・・・・(ロ)
これを整理すると、
((A−C)X+(B−C)Y)・△t=δ・・・・・(ハ)
式(ハ)で、ボルト(c)のひずみ変化量δを零とすれば、温度変化によるシリンダヘッド(a)、シリンダブロック(b)、及びボルト(c)の伸び変形によってボルト(c)の締結軸力に増減変化が生じることなく、常温時と同等の締結軸力でシリンダヘッド(a)及びシリンダブロック(b)を一体結合できることとなる。
【0036】
即ち、シリンダヘッド(a)の線膨張係数A、シリンダブロック(b)の線膨張係数B、ボルト(c)の線膨張係数C、ボルト(c)とシリンダヘッド(a)との第1結合部である軸力作用位置P1とシリンダヘッド(a)とシリンダブロック(b)との第2結合部である軸力作用位置P2との間の距離X、及びシリンダヘッド(a)とシリンダブロック(b)との第2結合部である軸力作用位置P2とボルト(c)とシリンダブロック(b)との第3結合部である軸力作用位置P3との間の距離Yとの関係が、上式(イ)を満足する場合にボルト(c)のひずみ変化量δを零とすることができ、温度変化に関係なく常温時と同響の緒結軸力でシリンダヘッド(a)及びシリンダブロック(b)を一体結合できることとなる。
【0037】
逆に、常温状態より低温状熊(温度変化量−Δt)になると、図4の左側に示すように、シリンダヘッド(a)、シリンダブロック(b)、及びボルト(c)が収縮変形することとなり、この場合においても、それぞれの変形量は上式(ロ)に基づくことになる。
【0038】
即ち、比較的大きい線膨張係数Aであるアルミ合金製のシリンダヘッド(a)は、比較的大きく縮む(AX・−Δt)ので、常温での軸力作用位置p1、p2間の距離Xに対向する部分のボルト(c)の縮み変化量(CX・−Δt)より過剰分βだけ余分に縮小している。しかし、ここでの過剰分βはボルト12の常温軸力作用位置p2、p3間の距離Yに対向する部分がシリンダブロック(b)の縮み変化量(BY・−Δt)に対して比較的大きな縮み変化量(CY・−Δt)となることで、過剰分βを打ち消すことができる。
【0039】
即ち、この場合においても、上式(イ)を満足する構成であるため、ボルト(c)のひずみ変化量δは零となって、収縮変形によってボルト(c)の締結軸力に増減変化が生じることはなく、常温時と同等の締結軸力でシリンダヘッド(a)及びシリンダブロック(b)を一体結合できる。
このように、温度変化があっても、第1金属部材の第3金属部材に対する延びの過剰分αが第3金属部材の第2金属部材に対向する部分が比較的延びることで過剰分αを打ち消すことができ、
即ち、図1のシリンダヘッド2及びシリンダブロック3は温度の増減変化に関係なく、常温時と同等の締結軸力で一体結合され、両重合面f1、f2間に隙間が生じたり、ガス漏れ、水漏れ、オイル漏れ等を引き起こすことを防止でき、しかも、伸縮変形によって締結軸力が過度に増加することによる、シリンダヘッド3側の締め付け座面の変形を防止できる。
【0040】
更に、図1、図3に示したように、ボルト12とシリンダブロック2との第3結合部である軸力作用位置p3がボス部11に形成され、ボス部11の側方及び軸方向下方にウォータージャケット9が配備される構成であるため、この場合、図8、9で説明したように、本来、シリンダブロック2に過度の締結軸力(上方への引っ張り力)が加わると、シリンダライナ5が変形するおそれがある。しかし、本実施形態にあっては、図1、3のシリンダライナ5はそれと一体のボス部11に常温時においても、高温、低温時においても過度の締結軸力を加えるということがなく、適性軸力を安定して保つことができるので、第3結合部である軸力作用位置p3の近傍のシリンダライナ5に過度の変形が生じるということを確実に防止でき、シリンダライナ5に偏磨耗が生じ、耐久性が低下するということを確実に防止できる。
【0041】
図1には本発明が適用された金属部材の結合構造として、エンジン本体を構成するシリンダブロック2とシリンダヘッド3を、締結用の金属部材であるボルト12により締結し、雰囲気温度の増減変化に対しても適性な締結軸力を維持できる用に構成したものを説明したが、これに代えて、図6に示すように構成しても良い。
【0042】
この図6に示す金属部材の結合構造は、第1金属部材として鋳鉄製のパイプ18とアルミ合金製のパイプ19とを鋼製のボルト20で一体的に結合したものであるとし、例えば、極寒冷地において使用され、高温流動体であるスチームが間欠的に流されるものであるとする。
ここで、鋳鉄製のパイプ18のフランジ18aとアルミ合金製のアルミパイプ19のフランジ19aとは相互に重ね合わされ、両フランジの各貫通穴21、22にボルト20を嵌挿し、ボルト20の螺子部にナット23を螺着し適性締結軸力で締め付け、一体結合している。
【0043】
この場合も、アルミパイプ19のフランジ19aの線膨張係数を第1係数A、鋳鉄パイプ18のフランジ18aの線膨張係数を第2係数B、鋼製のボルト20の線膨張係数を第3係数Cとし、各線膨張係数が、A>C>Bの特性を持つものが採用される。
更に、アルミパイプ19のフランジ19aの軸力作用位置p1と、両フランジの重なる中間軸力作用位置p2との距離を第1距離Xとし、両フランジの重なる中間軸力作用位置p2と鋳鉄パイプ18のフランジ18aの軸力作用位置p3との距離を第2距離Yとし、上述の式(イ)を満たすように鋳鉄製のパイプ18のフランジ18aとアルミ合金製のアルミパイプ19のフランジ19a及びボルト20の長さ等が選択され、形成される。
【0044】
図6の鋳鉄製のパイプ18とアルミ合金製のパイプ19とは使用時において、高温のスチームが流され、不使用時に極低温に冷却される。しかし、上述の式(イ)を満たすように鋳鉄製のパイプ18とアルミ合金製のパイプ19とが形成されることで、温度の増減変化に関係なく、常温時と同等の締結軸力で両フランジ18a、19aは一体結合され、両重合面f1、f2間に隙間が生じたり、スチーム漏れを引き起こすことを確実に防止できる。
【0045】
上述のところにおいて、第1金属部材をアルミ合金で、第2金属部材を鋳鉄で、締結用の第3金属部材を鋼製のボルトとして説明したが、これに限定されるものではなく、第1乃至第3金属部材の各線膨張係数A、B、Cが、A>C>Bの関係にあるものであれば、同様に採用でき、それらの結合構造を式(イ)の特性を保持できるように形成することで、図1の金属部材の結合構造と同様の効果を得ることができる。
【0046】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、雰囲気温度変化があっても常に、締結用の第3金属部材の締結軸力は安定し、常温での締結時に加えた初期の締結軸力と同等に保持できるので、常に、締結用の金属部材が締結軸力を安定して保った状態で第1金属部材及び第2金属部材を締結し、適正な締結軸力で隙間なく締め付け結合状態を保持でき、又、過度の締結軸力の発生を防止して締め付け座面の変形を防止できる。
【0047】
請求項2の発明は、シリンダヘッドとシリンダブロックとをシリンダヘッドボルトで締結する場合も、常に、シリンダヘッドボルトの締結軸力を安定して保った状態でシリンダヘッドとシリンダブロックを締結し、適正な締結軸力で隙間なく締め付け結合状態を保持でき、ガス漏れやオイル漏れを防止でき、又、過度の締結軸力の発生を防止してシリンダヘッド側の締め付け座面の変形を防止できる。
【0048】
請求項3の発明は、常に、シリンダヘッドボルトの締結軸力を安定して保った状態でシリンダヘッドとシリンダブロックを締結するので、結合部近傍のシリンダライナに過度の変形が生じるということを確実に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態としての金属部材の結合構造を適用したエンジンの概略側面図である。
【図2】図1のエンジンのシリンダブロックの上面図である。
【図3】図1のエンジンのシリンダライナとその要部のボス部の拡大断面図である。
【図4】図1のエンジンのシリンダヘッドとシリンダブロックの結合構造における温度変化を説明する説明線図である。
【図5】図1のエンジンのシリンダヘッドとシリンダブロックの結合構造における素材の線膨張係数を説明する線図である。
【図6】
本発明の他の実施形態である、一対のパイプの結合構造の要部切欠断面図である。
【図7】従来の締結ボルトの軸力―温度変化の特性線図である。
【図8】従来のシリンダライナのボア変形量―軸力変化の特性線図である。
【図9】従来のシリンダライナのボアの変形説明図である。
【符号の説明】
1 エンジン
2 シリンダブロック(第2金属部材)
3 シリンダヘッド(第1金属部材)
12 ボルト(第3金属部材)
p1 軸力作用位置(第1結合部)
p2 中間軸力作用位置(第2結合部)
p3 軸力作用位置(第3結合部)
A 第1係数(線膨張係数)
B 第2係数(線膨張係数)
C 第3係数(線膨張係数)
X 第1距離
Y 第2距離
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a metal member joining structure in which a pair of overlapping metal members are fastened by a third metal member to be integrated.
[0002]
[Prior art]
When integrally connecting a pair of metal members, for example, a cylinder block and a cylinder head of an internal combustion engine, usually a metal bolt is inserted from the cylinder head side, and the bolt is formed on the lower side of a bolt hole formed on the cylinder block side. The engine body is assembled and connected by screwing it onto the inner screw formed in the above and tightening it.
[0003]
The internal combustion engine adopting such a coupling structure has a gasket interposed between the cylinder block and the cylinder head, and this sealing function is also added to suppress the generation of a gap between the cylinder block and the cylinder head, and to prevent combustion. Gas leakage from the chamber, water leakage from the water jacket, oil leakage from the oil passage, and the like are prevented.
[0004]
By the way, the internal combustion engine undergoes a considerable temperature change between the cold state and the completion of warm-up, and the cylinder block and cylinder head made of metal members and the fastening bolts fitted to these joints have respective linear expansion coefficients. , And at this time, an axial force in the pulling direction is received between the positions where the fastening axial force is applied.
[0005]
For example, as shown in FIG. 7, it is assumed that the fastening bolt receives the axial force for fastening at the position (1) corresponding to the normal temperature of the engine. When the position (2) and the position (3) corresponding to the temperature are sequentially reached, the axial force increases. Conversely, when the engine is cooled and dropped in response to the engine stoppage or a relatively large drop in the ambient temperature, the axial force decreases at a position (4) corresponding to the dropped temperature. Such a rise and fall in temperature is thereafter repeated in the order of position (5) and position (6) corresponding to each temperature, and when the temperature reaches the normal temperature position (7) again, the settling on the cylinder head side is added. , The axial force decreases by about δ kgf. This decrease in axial force tends to increase over time.
[0006]
By anticipating such a decrease in the axial force in advance, and by sufficiently adding the initial tightening force of the fastening bolt in the axial direction, the gap between the mating surface of the cylinder block and the cylinder head, which are two metal members caused by the decrease in the axial force, In order to suppress the occurrence of gaps, especially in a low-temperature atmosphere where the amount of shrinkage deformation is relatively large, the fastening force disappears, and the relative displacement or occurrence of gaps is suppressed. I have.
However, when the reduction in the axial force of the fastening bolt is anticipated in advance, and the initial fastening force in the axial direction of the fastening bolt is excessively applied, the following problem occurs.
[0007]
For example, as shown in FIG. 9, a fastening bolt is inserted from the cylinder head side (upper side of the paper), and tightened and connected to the upper wall section 120 of the cylinder liner 110 which is a part of the lower cylinder block of the paper. And At this time, a state occurs in which a grommet of a gasket (not shown) is sandwiched between both opposing surfaces of the upper cylinder head and the lower end of the cylinder liner 110 in FIG. Then, the upper end of the cylinder liner 110 and the cylinder head side are displaced in the pressure contact direction in accordance with the increase in the axial force due to the tightening of the fastening bolts. At this time, the upper end of the cylinder liner 110 is moved toward the cylinder head side with the grommet as a lever. Displace. As a result, the upper portion of the cylinder liner 110 integrated with the upper wall portion is deformed as shown by a two-dot chain line in FIG. That is, the deformation amount b of the bore B of the cylinder liner 110 in the vicinity of the bolt tightening hole 100 increases at the level of μm and becomes the bore B ′. As shown in FIG. 8, the bore deformation amount μm increases in accordance with the increase in the axial tightening axial force kgf of the fastening bolt, and the deformation causes early uneven wear of the cylinder liner, This leads to a decrease in durability.
[0008]
Therefore, in the cylinder block coupling structure disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H8-21299 (patent document 1), a cylinder liner made of cast iron is cast in a cylinder block body made of an aluminum alloy. A screw groove is formed in a lower portion sufficiently distant from the surface, and a bolt inserted from the cylinder head side is screwed into this, so that the cylinder head and the cylinder block body side are integrally connected. . With this structure, even if the cylinder block body expands and contracts due to a temperature change, the change in the axial force on the bolt screwed to the cylinder liner side is minimized, the axial force of the bolt is stabilized, and gas leakage etc. It can be prevented from occurring.
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-8-21299 (paragraphs "0013" to "0016", FIG. 2)
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, when the linear expansion coefficient is different from the fastening bolt that is the fastening metal member, the pair of metal members that have been tightened and joined without a gap at a normal fastening temperature at normal temperature have a difference between the working positions of the fastening force. Depending on the length, expansion and contraction are repeated relatively greatly due to changes in temperature, and in some cases, gaps may occur in the polymerized surface, especially in a low-temperature atmosphere, and excessive axial force must be applied to cope with this. If added in advance, there is a problem that deformation occurs near the position where the axial force acts.
[0011]
Therefore, when the coupling structure of the cylinder block disclosed in Patent Document 1 described above is used to cope with this problem, there is a limited configuration in which a cylinder liner made of cast iron is cast inside a cylinder block body made of an aluminum alloy. Therefore, the technology cannot be applied to a cylinder block connecting structure that uses a combination of other materials. In particular, the technology cannot be applied to a cylinder block in which a cylinder liner is integrally cast. Further, the bearing is integrally cast not on the cylinder block body but on the lower part of the cylinder liner, and also in this respect, a special configuration is adopted, so that the versatility of implementation is put to use.
[0012]
As described above, when a pair of metal members having mutually different linear expansion coefficients are integrally joined by the fastening metal member, even if the linear expansion coefficients of the pair of metal members and the fastening metal member are different from each other. In addition, it is desired that the pair of metal members be fastened in a state where the fastening metal member always stably maintains an appropriate fastening axial force in response to a change in the ambient temperature. Accordingly, there is a demand for a joining structure of metal members that can prevent deformation near an operation position due to an excessive axial force without a gap with a predetermined fastening force.
[0013]
The present invention has been made on the basis of the above-described problems, and a fastening metal member can stably fasten a pair of metal members with an appropriate fastening axial force. An object of the present invention is to provide a joining structure of metal members that can reliably prevent deformation near an axial force acting position due to excessive axial force.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, a first metal member having a first coefficient of linear expansion and a second metal member having a second coefficient different from the first coefficient are connected by a third metal member. In the metal member coupling device, the third metal member is formed of a metal member whose linear expansion coefficient is a third coefficient between the first coefficient and the second coefficient, and the first coefficient is A; The second coefficient is B, the third coefficient is C, and the distance between the first joint between the first metal member and the third metal member and the second joint between the first metal member and the second metal member. When the first distance is X, and the second distance between the third joint between the second metal member and the third metal member and the second joint is Y, the first distance and the second The relationship between the two distances is
(A−C) X = (C−B) Y
Is set so as to satisfy the following.
[0015]
As described above, the linear expansion coefficients of the first metal member and the second metal member and the third metal member for fastening, and the length between the positions where the fastening force is applied by the third metal member for fastening, are used. , The second distances X and Y satisfy (A−C) X = (C−B) Y. Therefore, even if there is a change in the ambient temperature, the excess of the extension of the first metal member with respect to the third metal member is equal to the third distance. Since the portion of the third metal member opposed to the second metal member is relatively extended, the excess can be canceled out, the fastening axial force applied to the third metal member for fastening is always stable, and the third metal member is applied at the time of fastening at room temperature. The initial fastening axial force can be maintained. For this reason, the first metal member and the second metal member are always fastened with the fastening metal member stably maintaining the fastening axial force, and the tightened connection state is stably maintained with no gap by the initial fastening axial force. In addition, it is possible to prevent generation of an excessive fastening axial force and prevent deformation of the fastening seat surface.
[0016]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the first metal member is a cylinder head of the engine, and the second metal member is a cylinder block of the engine. The three metal members are cylinder head bolts that couple the cylinder head to the cylinder block, and are applied to a coupling structure between the cylinder head and the cylinder block of the engine. As described above, even when the cylinder head and the cylinder block are fastened with the cylinder head bolt, the excessive extension of the cylinder head with respect to the cylinder head bolt is excessive because the portion of the cylinder head bolt facing the cylinder block is relatively extended. The cylinder head and the cylinder block are always fastened with the cylinder head bolts stably maintaining the fastening axial force, and the tightened connection state can be maintained without any gap with the initial fastening axial force, and gas leakage and oil Leakage can be prevented 0, and excessive tightening axial force can be prevented from being generated, and deformation of the tightening seat surface on the cylinder head side can be prevented.
[0017]
According to a third aspect of the present invention, in the metal member coupling structure according to the second aspect, the cylinder head bolt is disposed along an axial direction of the cylinder liner, and the coupling portion between the cylinder head bolt and the cylinder block is provided. A water jacket is formed axially downward.
In this way, even if the connecting portion where the cylinder head and the cylinder block are fastened with the cylinder head bolt is located above the water jacket, the cylinder head bolt always keeps the fastening axial force stable. Since the cylinder head and the cylinder block are fastened, it is possible to reliably prevent the cylinder liner in the vicinity of the joint from being excessively deformed.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIGS. 1 to 3 show schematic views of an engine 1 assembled by applying a metal member connecting structure according to an embodiment of the present invention. This engine 1 is an in-line four-cylinder vertical engine, and outputs a gas pressure of high-pressure combustion gas generated in a combustion explosion process in a fuel chamber of each cylinder as a rotational force by the action of a piston and a crankshaft (not shown). The configuration of a four-cycle internal combustion engine is adopted. In the main body of the engine 1, a cylinder head 3 is superposed on a cylinder block 2 and a sheet metal oil pan 4 is superposed on a lower side, and these are integrally connected to each other. In particular, the cylinder block 2 and the cylinder head 3 are integrally joined by applying the joining structure of the metal member as one embodiment of the present invention.
[0019]
The cylinder block 2 is made of cast iron FC, and has a vertically-extending outer wall 6 continuously formed in a substantially rectangular shape in front, rear, left and right directions. Are arranged in series in the longitudinal direction X of the cylinder block 2 in a state of being oriented vertically. Moreover, the upper end and the lower end of each cylinder liner 5 are interconnected by an upper wall 7 and a lower wall 8 and are formed integrally with the outer wall side. Such a cylinder block 2 forms a water jacket 9 between the outer wall 6 and each cylinder liner 5, and this water jacket 9 is connected to a cooling water circulation system.
[0020]
A predetermined vertical direction is formed on the upper side of each cylinder liner 5 in the cylinder block 2 so as to swell toward the water jacket 9 side from the center of each cylinder liner 5 and downward from the upper wall 7 side. The boss 11 is formed with the width h1 secured.
The boss 11 is formed with a vertical hole 14 that opens toward the upper wall 7. In particular, the vertical hole 14 is formed as a hole having a relatively longer vertical length than the opening on the upper wall side, and a screw hole 13 for screwing a fastening bolt 12 described later is formed on a lower portion thereof.
[0021]
As shown in FIG. 2, such boss portions 11 are provided at four corners of each cylinder liner 5 in a plan view. The bolt 12 is inserted into the vertical hole 14 of each boss portion 11, and the bolt 12 is screwed into the screw hole 13 thereunder, whereby the cylinder head 3 is fastened to the cylinder block. For this reason, the explosion pressure generated in the fuel chamber can be distributed to each of the four square bolts 12 so as to be evenly received, and the fastening force is applied to the cylinder block 2 and the cylinder head 3 via the bolts 12 so that mutual fluctuation does not occur. Each boss 11 can be evenly provided.
[0022]
A downward overlapping surface f2 of the cylinder head 3 is overlapped with an upward overlapping surface f1 of the upper wall 7 of the cylinder block 2 via a gasket 15.
Here, the cylinder head 3 covers the entire upward overlapping surface f1 of the cylinder block 2 and forms the fuel chamber of each cylinder by closing the upper part of the cylinder liner 5 of each cylinder.
The cylinder head 3 is die-cast from an aluminum alloy, accommodates a valve train (not shown), and has an upper water jacket (not shown) formed at a portion that does not interfere with these valve trains.
[0023]
The upper water jacket communicates with the water jacket 9 on the cylinder block 2 side through a plurality of cooling water passages 16 formed on the upper wall of the cylinder block.
Further, an oil circulation path (not shown) for supplying oil to a valve train (not shown) in the cylinder head 3 is formed in the cylinder head 3.
The cylinder head 3 has a flange 17 projecting from the outer peripheral edge thereof. The flange 17 is overlapped on the upper wall 7 of the cylinder block 2 via the gasket 15, and is connected to the cylinder block 2 at a plurality of positions, that is, each of the boss portions 11 by using a joining structure of metal members to which the present invention is applied. They are integrally connected at the opposing position.
[0024]
As shown in FIGS. 1 and 3, the flange 17 of the cylinder head 3 has a vertical width X, and a through hole 18 is formed at a position facing each boss 11. The through hole 18 is opposed to the vertical hole 14 of the boss portion 11, and a fastening bolt 12 is fitted into the through hole 18 from above and screwed into the screw hole 13. Note that the connection structure of the cylinder block 2 and the cylinder head 3 which are the metal members is similarly configured at the fastening positions by the bolts 12 which are the metal members for fastening. And duplicate explanations are omitted.
[0025]
As shown in FIGS. 1 and 3, when the bolt 12 is fastened, a joint between the bolt 12 and the upper surface of the flange 17 is defined as an axial force acting position p <b> 1. The force acting position P3 is defined as the position where the cylinder block 2 and the cylinder head 3 are opposed to the overlapping surfaces f1 and f2, that is, the central portion in the thickness direction of the gasket 15 is defined as the intermediate axial force acting position p2.
[0026]
Here, the bolt 12 which is a metal member for fastening is subjected to a tightening process with respect to the screw hole 13 of the boss portion 11 at room temperature atmosphere so that the axial force becomes an appropriate value, and the cylinder block which is a pair of metal members is formed. 2 and the cylinder head 3 are integrally connected.
Further, the fastening of the cylinder block 2 and the cylinder head 3 by the bolts 12 will be described in detail.
Here, as shown in FIG. 5, a cylinder head (a) made of an aluminum alloy is used as a first metal member, and its linear expansion coefficient is set to a first coefficient A (21 × 10 -6 ).
[0027]
The cylinder block (b) cast by the cast iron FC is used as a second metal member, and its linear expansion coefficient is set to a second coefficient B (10 × 10 -6 ).
A steel bolt (c) is used as a third metal member for fastening, and its linear expansion coefficient is set to a third coefficient C (12 × 10 -6 ).
Here, the coefficient of linear expansion A of the cylinder head (a) is different from the coefficient of linear expansion B of the cylinder block (b). In addition, the linear expansion coefficient C of the bolt was selected as a coefficient between the first coefficient A and the second coefficient B, that is, A>C> B.
[0028]
Next, as shown in FIG. 3, the first coupling portion between the cylinder head 3 as the first metal member and the bolt 12 as the third metal member for fastening is connected to the axial force acting position p1 on the upper surface of the flange 17 here. And The second joint between the cylinder head 3 as the first metal member and the cylinder block 2 as the second metal member is connected to the intermediate axial force acting position p2 between the overlapping surfaces f1 and f2 of the cylinder block 2 and the cylinder head 3. I do. A third joint between the cylinder block 2 as the second metal member and the bolt 12 as the third metal member is defined as an axial force acting position p3 at the center of the screw hole 13.
[0029]
Further, the distance between the axial force acting position p1 which is the first joint and the intermediate axial force acting position p2 which is the second joint is a first distance X, and the axial force actuated position p3 which is the third joint is the second distance X. A second distance between the connecting portion and the intermediate axial force acting position p2 is Y.
In this case, in the fastening structure of the bolt 12 shown in FIGS. 1 and 3, the relationship between the first distance X and the second distance Y is expressed by the following equation (A).
(A−C) X = (C−B) Y (1)
Is set to meet.
[0030]
That is, rewriting equation (a),
(21 × 10 -6 ―12 × 10 -6 ) X = (12 × 10 -6 -10 x 10 -6 ) Y
9X = 2Y
Y Y = 4.5X
Thus, the distance (X + Y) between the axial force acting position p1 which is the bearing surface of the bolt 12 and the axial force acting position p3 at the center of the screw hole 13 of the boss portion 11 is the thickness of the flange 17 of the cylinder head 3. The first distance X between the axial force acting position p1 and the intermediate axial force acting position p2 is 5.5 times. That is, when the thickness of the flange 17 is defined as the first distance X, the distance (X + Y) between the bearing surface of the bolt 12 and the third coupling portion between the cylinder block 2 and the bolt 12 is equal to the first distance X of 5 Formula (A) is satisfied by providing the boss portion 11 having the vertical hole 14 having a length that can be fitted and screwed with the bolt 12 and the subsequent screw hole 13 so as to be five times larger.
[0031]
In the coupling structure that satisfies the equation (a), the bolt is (c), the cylinder head is (a), the cylinder block is (b), and the relationship between the relative length and position is shown in the center of FIG. Indicated as position.
Here, in a normal temperature state, when the bolt (c), the cylinder head (a), and the cylinder block b in the coupling structure satisfying the expression (a) are in a high temperature state (temperature change amount Δt), the right side of FIG. As shown, a first coupling portion (axial force acting position p1) between the bolt (c) and the cylinder head (a) and a third coupling portion (axial force acting position p3) between the bolt (c) and the cylinder block (b). ) Is elongated by C (X + Y) · Δt.
[0032]
On the other hand, a third coupling portion (axial force acting position p3) between the bolt (c) and the cylinder block (b) and a second coupling portion (axial force acting position) between the cylinder head (a) and the cylinder block (b). p2) is changed to BY · Δt, and the distance X between the first joint (axial force acting position p1) and the second joint (axial force acting position p2) is AX · Δt. Elongation and deformation are relatively large with Δt.
[0033]
That is, the aluminum alloy cylinder head (a) having a relatively large coefficient of linear expansion A expands relatively greatly, and the bolt () at a portion facing the distance X between the axial force acting positions p1 and p2 at normal temperature. It is larger by an excess amount α than the elongation (CX · Δt) of c). However, the excess α here is caused by the fact that the portion opposite to the distance Y between the normal temperature axial force acting positions p2 and p3 of the bolt 12 extends a relatively long distance (CY · Δt) with respect to the cylinder block (b). , The excess α can be canceled.
[0034]
That is, an axial force acting position P1, which is a first joint between the bolt (c) and the cylinder head (a), and an axial force acting position P3, which is a third joint between the bolt (c) and the cylinder block (b). In the meantime, the bolt (c) extends from X + Y to C (X + Y) △ t and is deformed. On the other hand, the flange 17 of the cylinder head (a) also extends and deforms in accordance with the high temperature change, and the axial force acting position P1, which is the first connection portion between the bolt (c) and the cylinder head (a), and the cylinder head ( The distance X between the a) and the axial force acting position P2, which is the second joint between the cylinder block (b), changes to AX · Δt. Further, the cylinder block (b) also extends and deforms in accordance with the change in high temperature, and the axial force acting position P2, which is the second connection portion between the cylinder head (a) and the cylinder block (b), the bolt (c), and the cylinder block (b) ) And the axial force acting position p3 which is the third coupling portion changes to BY · Δt.
Therefore, when the temperature change amount Δt, the change amounts of the cylinder head (a), the cylinder block (b), and the bolt (c) are as follows.
(1) The amount of change in the cylinder head (a) between the first joint between the cylinder head (a) and the bolt (c) and the second joint between the cylinder head (a) and the cylinder block (b) : AX ・ △ t
(2) The amount of change in the cylinder block (b) between the second joint between the cylinder head (a) and the cylinder block (b) and the third joint between the cylinder block (b) and the bolt (c) : BY ・ △ t
(3) A change amount of the bolt (c) between the first joint between the cylinder head (a) and the bolt (c) and the third joint between the cylinder block (b) and the bolt (c): C (X + Y) · Δt
The relationship between the cylinder head (a), the cylinder block (b), the bolt (c), and the amount of strain change δ of the bolt (c) is represented by the following equation.
[0035]
AX △ t + BY △ t = C (X + Y) △ t + δ (2)
To sort this out,
((A−C) X + (B−C) Y) · △ t = δ ··· (c)
In equation (c), if the amount of strain change δ of the bolt (c) is set to zero, the expansion of the cylinder head (a), the cylinder block (b), and the bolt (c) due to a temperature change causes the bolt (c) to deform. The cylinder head (a) and the cylinder block (b) can be integrally connected with the same fastening axial force as at room temperature without increasing or decreasing the fastening axial force.
[0036]
That is, the linear expansion coefficient A of the cylinder head (a), the linear expansion coefficient B of the cylinder block (b), the linear expansion coefficient C of the bolt (c), and the first joint between the bolt (c) and the cylinder head (a). , And the distance X between the axial force acting position P2, which is the second joint between the cylinder head (a) and the cylinder block (b), and the cylinder head (a) and the cylinder block (b). The relationship between the axial force acting position P2, which is the second joint portion with the axial force acting position P3, which is the third joint portion between the bolt (c) and the cylinder block (b), and the distance Y between the bolt and the cylinder block (b) are as follows. When the formula (a) is satisfied, the amount of strain change δ of the bolt (c) can be set to zero, and the cylinder head (a) and the cylinder block can be connected with the same axial force as at room temperature regardless of the temperature change. (B) can be integrally connected.
[0037]
Conversely, when the temperature becomes lower than the normal temperature (temperature change amount -Δt), the cylinder head (a), the cylinder block (b), and the bolt (c) contract and deform as shown on the left side of FIG. In this case, the respective amounts of deformation are based on the above equation (b).
[0038]
That is, the cylinder head (a) made of an aluminum alloy having a relatively large linear expansion coefficient A is relatively largely contracted (AX .-. DELTA.t), so that it faces the distance X between the axial force acting positions p1 and p2 at normal temperature. In this case, the bolt (c) in the portion to be shrunk is excessively reduced by an excess β from the amount of change in contraction (CX · −Δt) of the bolt (c). However, the excess β here is relatively large in the portion opposed to the distance Y between the normal temperature axial force acting positions p2 and p3 of the bolt 12 with respect to the shrinkage change amount (BY · −Δt) of the cylinder block (b). By setting the contraction change amount (CY · −Δt), the excess β can be canceled.
[0039]
That is, also in this case, since the configuration satisfies the above equation (a), the amount of change in strain δ of the bolt (c) becomes zero, and the increase or decrease in the fastening axial force of the bolt (c) due to contraction deformation. This does not occur, and the cylinder head (a) and the cylinder block (b) can be integrally connected with the same fastening axial force as at room temperature.
In this manner, even if there is a temperature change, the excess amount α of the first metal member with respect to the third metal member is increased by the fact that the portion of the third metal member facing the second metal member is relatively extended. Can be countered,
That is, the cylinder head 2 and the cylinder block 3 shown in FIG. 1 are integrally connected with each other with the same fastening axial force as that at normal temperature regardless of a change in temperature, and a gap is generated between both overlapping surfaces f1 and f2, gas leakage, Water leakage, oil leakage, and the like can be prevented, and deformation of the tightening seat surface on the cylinder head 3 side due to excessive increase in the fastening axial force due to expansion and contraction can be prevented.
[0040]
Further, as shown in FIGS. 1 and 3, an axial force acting position p3, which is a third coupling portion between the bolt 12 and the cylinder block 2, is formed in the boss portion 11, and is located laterally and axially below the boss portion 11. In this case, when an excessive fastening axial force (upward pulling force) is originally applied to the cylinder block 2 as described with reference to FIGS. 5 may be deformed. However, in the present embodiment, the cylinder liner 5 shown in FIGS. 1 and 3 does not apply an excessive fastening axial force to the boss portion 11 integrated therewith at normal temperature, high temperature, and low temperature. Since the axial force can be stably maintained, it is possible to reliably prevent the cylinder liner 5 from being excessively deformed in the vicinity of the axial force acting position p3, which is the third coupling portion, and uneven wear of the cylinder liner 5 can be prevented. It is possible to reliably prevent the occurrence of the deterioration and the reduction in the durability.
[0041]
FIG. 1 shows a connecting structure of metal members to which the present invention is applied, in which a cylinder block 2 and a cylinder head 3 constituting an engine body are fastened by bolts 12 serving as fastening metal members so that the ambient temperature can be increased or decreased. In the above description, the configuration has been described in which an appropriate fastening axial force can be maintained. Alternatively, the configuration shown in FIG. 6 may be employed.
[0042]
The connecting structure of metal members shown in FIG. 6 is a structure in which a pipe 18 made of cast iron and a pipe 19 made of an aluminum alloy are integrally connected as a first metal member with steel bolts 20. It is assumed that steam used as a high temperature fluid is used intermittently in a cold region.
Here, the flange 18a of the pipe 18 made of cast iron and the flange 19a of the aluminum pipe 19 made of an aluminum alloy are overlapped with each other. A nut 23 is screwed into the nut and tightened with an appropriate fastening axial force to be integrally joined.
[0043]
Also in this case, the linear expansion coefficient of the flange 19a of the aluminum pipe 19 is the first coefficient A, the linear expansion coefficient of the flange 18a of the cast iron pipe 18 is the second coefficient B, and the linear expansion coefficient of the steel bolt 20 is the third coefficient C. A coefficient having a characteristic of A>C> B is adopted for each linear expansion coefficient.
Further, the distance between the axial force acting position p1 of the flange 19a of the aluminum pipe 19 and the intermediate axial force acting position p2 where both flanges overlap is defined as a first distance X, and the intermediate axial force acting position p2 where both flanges overlap and the cast iron pipe 18 The distance between the axial force acting position p3 of the flange 18a and the flange 18a of the cast iron pipe 18, the flange 19a of the aluminum pipe 19 made of an aluminum alloy, and the bolt are set so as to satisfy the above-mentioned formula (A). A length of 20 or the like is selected and formed.
[0044]
During use, high-temperature steam flows through the cast-iron pipe 18 and the aluminum-alloy pipe 19 shown in FIG. 6, and is cooled to extremely low temperatures when not in use. However, since the pipe 18 made of cast iron and the pipe 19 made of an aluminum alloy are formed so as to satisfy the above-mentioned equation (a), regardless of the increase or decrease of the temperature, both pipes 18 are formed with the same fastening axial force as at normal temperature. The flanges 18a and 19a are integrally connected, and it is possible to reliably prevent a gap from being generated between the two overlapped surfaces f1 and f2 and to prevent steam leakage.
[0045]
In the above description, the first metal member is made of aluminum alloy, the second metal member is made of cast iron, and the third metal member for fastening is made of steel bolt. However, the present invention is not limited to this. As long as the respective linear expansion coefficients A, B, and C of the third metal member have a relationship of A>C> B, the same can be adopted, and their coupling structure can maintain the characteristics of the formula (A). In this case, the same effect as that of the connection structure of the metal members shown in FIG. 1 can be obtained.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, even when there is a change in the ambient temperature, the fastening axial force of the third metal member for fastening is stable, and can be maintained equal to the initial fastening axial force applied at the time of fastening at room temperature. Therefore, the first metal member and the second metal member are always fastened in a state where the fastening metal member stably maintains the fastening axial force, and the tightened and joined state can be maintained without a gap with an appropriate fastening axial force. In addition, it is possible to prevent excessive fastening axial force from being generated and to prevent deformation of the fastening seat surface.
[0047]
According to the second aspect of the present invention, even when the cylinder head and the cylinder block are fastened with the cylinder head bolt, the cylinder head and the cylinder block are always fastened while the fastening axial force of the cylinder head bolt is stably maintained. The tightened connection state can be maintained without a gap with a sufficient fastening axial force, and gas leakage and oil leakage can be prevented. Further, generation of excessive fastening axial force can be prevented and deformation of the fastening seat surface on the cylinder head side can be prevented.
[0048]
According to the third aspect of the present invention, since the cylinder head and the cylinder block are always fastened while the fastening axial force of the cylinder head bolt is stably maintained, it is ensured that excessive deformation occurs in the cylinder liner near the joint. Can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic side view of an engine to which a metal member coupling structure according to an embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 is a top view of a cylinder block of the engine of FIG.
FIG. 3 is an enlarged sectional view of a cylinder liner of the engine of FIG. 1 and a boss portion of a main part thereof.
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating a temperature change in a coupling structure of a cylinder head and a cylinder block of the engine of FIG. 1;
FIG. 5 is a diagram illustrating a coefficient of linear expansion of a material in a coupling structure of a cylinder head and a cylinder block of the engine of FIG. 1;
FIG. 6
FIG. 9 is a cutaway sectional view of a main part of a joint structure of a pair of pipes according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between axial force and temperature change of a conventional fastening bolt.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing a relationship between a bore deformation amount and a change in axial force of a conventional cylinder liner.
FIG. 9 is a diagram illustrating a modification of a bore of a conventional cylinder liner.
[Explanation of symbols]
1 engine
2 Cylinder block (second metal member)
3 Cylinder head (first metal member)
12 bolts (third metal member)
p1 Axial force action position (first joint)
p2 Intermediate axial force action position (second joint)
p3 Axial force action position (third joint)
A First coefficient (linear expansion coefficient)
B Second coefficient (linear expansion coefficient)
C Third coefficient (linear expansion coefficient)
X 1st distance
Y Second distance

Claims (3)

線膨張係数が第1係数である第1金属部材と線膨張係数が上記第1係数とは異なる第2係数である第2金属部材とを第3金属部材によって結合する金属部材の結合装置において、
上記第3金属部材は、線膨張係数が上記第1係数と上記第2係数との間の第3係数である金属部材で構成され、
上記第1係数をA、
上記第2係数をB、
上記第3係数をC、
上記第1金属部材と上記第3金属部材との第1結合部と第1金属部材と第2金属部材との第2結合部との間の第1距離をX、
上記第2金属部材と上記第3金属部材との第3結合部と上記第2結合部との間の第2距離をY、
としたときに、上記第1距離と第2距離との関係が、次式
(A−C)X=(C−B)Y
を満たすように、設定されていることを特徴とする金属部材の結合構造。
In a metal member joining apparatus, a first metal member having a first coefficient of linear expansion and a second metal member having a second coefficient different from the first coefficient are joined by a third metal member.
The third metal member is a metal member having a coefficient of linear expansion that is a third coefficient between the first coefficient and the second coefficient,
The first coefficient is A,
The second coefficient is B,
The third coefficient is C,
X represents a first distance between a first joint between the first metal member and the third metal member and a second joint between the first metal member and the second metal member.
A second distance between a third joint between the second metal member and the third metal member and the second joint is Y,
, The relationship between the first distance and the second distance is expressed by the following equation (AC) X = (CB) Y
Characterized by being set so as to satisfy the following.
上記第1金属部材がエンジンのシリンダヘッドであって、上記第2金属部材が上記エンジンのシリンダブロックであって、上記第3金属部材が上記シリンダヘッドを上記シリンダブロックに結合させるシリンダヘッドボルトであり、
上記エンジンのシリンダヘッドとシリンダブロックとの結合構造に適用されることを特徴とする請求項1記載の金属部材の結合構造。
The first metal member is a cylinder head of the engine, the second metal member is a cylinder block of the engine, and the third metal member is a cylinder head bolt for coupling the cylinder head to the cylinder block. ,
The metal member coupling structure according to claim 1, wherein the metal member coupling structure is applied to a coupling structure between a cylinder head and a cylinder block of the engine.
上記シリンダヘッドボルトがシリンダライナの軸方向に沿って配設され、
該シリンダヘッドボルトと上記シリンダブロックとの結合部の上記軸方向下方にウォータージャケットが形成されている
ことを特徴とする請求項2記載の金属部材の結合構造。
The cylinder head bolt is disposed along the axial direction of the cylinder liner,
3. The metal member connecting structure according to claim 2, wherein a water jacket is formed below the connecting portion between the cylinder head bolt and the cylinder block in the axial direction.
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