JP2005163864A - シリンダヘッドガスケット - Google Patents

Abstract

【課題】芯金の両面にコンパウンド層を有する複合基材を用いながら、コンパウンド材にシール性向上に寄与するビードを形成させて、より高性能なシリンダヘッドガスケットを提供する。
【解決手段】ゴムに繊維材が混入されたコンパウンド材を、鋼板製芯金３の表面にコーティングしてコンパウンド層２を形成した複合基材ｆで構成され、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間に介装されるシリンダヘッドガスケット１において、複合基材ｆは、シリンダボア周辺の対応位置にコンパウンド層２が隆起した断面山形の環状ビード６を備え、この環状ビード６は、その頂部がコンパウンド層２の表面位置よりも突出すると共に、その両側の裾部１３がコンパウンド層の表面位置よりも陥没した２条の溝状に形成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、シリンダヘッドガスケットに係り、詳しくは、ゴムに繊維材が混入されたコンパウンド材を、鋼板製芯金の表面にコーティングしてコンパウンド層を形成した複合基材で構成され、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間に介装されるシリンダヘッドガスケットに関するものである。

シリンダヘッドガスケットは、内燃機関におけるシリンダブロックとシリンダヘッドとの間に介装されるガスケットであり、このシリンダヘッドガスケットには耐圧性や耐シール性が要求される。そのために従来より、ガスケット材を、鋼板製芯金の表面に、ゴムに繊維材が混入されたコンパウンド材をコーティングして成る複合基材から構成することにより、強度を十分に備えながらも優れたシール性能が得られることが知られている。このようなものとしては、例えば、特許文献１において開示されたものがある。

そして、シリンダヘッドガスケットのシール性を向上させる効果的な手段として、シリンダボアの周辺対応位置に、断面が山形で環状のビードを形成することが知られている。このようなビード付きシリンダヘッドガスケットとしては、例えば特許文献２〜５に示されたものが知られている。特許文献２においては、繊維材が混入されたエラストマー製のガスケットにビードを形成した構造のシリンダヘッドガスケットを示しており、特許文献３においては、ガスケットを構成する単一の金属板自体を曲げ形成することにより、断面が山状に隆起したビードを有したシリンダヘッドガスケットを示している。

また、特許文献４や５のものでは、ゴム材によって盛り上げられたビードが形成されている。
特公平６−８４７８５号公報 特公昭５６−３５７８０号公報 特開平１１−２０１２８７号公報 特開２０００−３４９３４３号公報 特表２００２−５０２９４５号公報

前述の特許文献１に示されたように、コンパウンド材を芯金の表裏にコーティングした構造の複合基材からシリンダヘッドガスケットを構成し、それに特許文献２や３に示された環状ビードを設けるようにすれば、強度十分でシール性にも優れるシリンダヘッドガスケットにおいて、さらにシール性を向上できると思われる。従って、今後、ビード付きシリンダヘッドガスケットが多用されることが予測されている。この場合、ビードをどのように構成するかに当たっては、前述の従来技術に示された構造のビードを設けることが考えられる。

先ず、特許文献３に示されたように、芯金自体を屈曲させてビードを設ける手段では、細い凸条断面のビードや、幅の細いビードは形成できないので、大きさや形状に制約を受ける欠点がある。そして、芯金の曲げによる反力が大きいため、シリンダブロックとシリンダヘッドとの締結力が小さい小型エンジン等には適用できない等、使用箇所の制約を受けるので、使い勝手に劣るという難点がある。

次に、特許文献２に示されたように、繊維入りゴム等の複合材料で成るコンパウンド層にビードを一体形成させることが考えられる。特許文献２によれば、ビードは、それ以外の部分を金型で厚み方向に圧縮することで、結果的に突出した形状に形成させたものであるから、材料密度の低いビードになる。これでは、ビードの材料強度がその周囲よりも弱くなり、かつ、もともと圧縮性を有する複合材料で形成されていることから、このように言わば「腰砕け」し易いビードを、条件の厳しいシリンダヘッドガスケットに適用しても、シール性能を向上させ難い。

そこで、対策として、ビード突出量を多くすることが考えられるが、そうなると、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間で締め上げられたときに、ビードが横倒れして塊となって隙間を作ってしまい、却ってシール性が悪化するおそれがあるため、ビードの構造としては更なる改善の余地があるように思える。

以上のような実情に鑑みて、本発明の目的は、芯金の表面にコンパウンド材がコーティングされた複合基材を用いながら、ゴムに繊維材が混入されたコンパウンド材に、上述した種々の不都合が無くシール性向上に寄与するビードを形成させて、より高性能なシリンダヘッドガスケットを提供する点にある。

請求項１の構成は、ゴムに繊維材が混入されたコンパウンド材を、鋼板製芯金の表面にコーティングしてコンパウンド層を形成した複合基材で構成され、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間に介装されるシリンダヘッドガスケットにおいて、
前記複合基材は、シリンダボア周辺の対応位置に前記コンパウンド層が隆起した断面山形の環状ビードを備え、この環状ビードは、その頂部が前記コンパウンド層の表面位置よりも突出すると共に、その両側の裾部が前記コンパウンド層の表面位置よりも陥没した２条の溝状に形成されていることを特徴とする。

請求項２の構成は、請求項１の構成において、
前記複合基材が、鋼板製芯金の表裏両面に、前記コンパウンド材のコーティングによるコンパウンド層を備え、かつ、前記環状ビードが、前記複合基材の表裏両面に形成されていることを特徴とする。

請求項３の構成は、請求項１又は２において、
前記環状ビードのコンパウンド材密度が、他のコンパウンド層のそれより大とされていることを特徴とする。

請求項４の構成は、請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記環状ビードが、シリンダボア周辺の対応位置に、複数条同心的に形成されていることを特徴とする。

請求項１の構成においては、コンパウンド層が山形に隆起した環状ビードをシリンダボア周辺の対応位置に形成したので、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間に介装されて規定トルクで締付けられたときの、シリンダヘッドガスケットにおけるシリンダボア周辺の面圧が高くなり、条件の厳しいシリンダボア周辺のシール性を向上させることができる。

加えて、環状ビードの両側の裾部の夫々にコンパウンド層の表面よりも陥没した溝を形成してあるので、シリンダヘッドガスケットが過圧縮されて、環状ビードが押付けられ過ぎて横に食み出た場合の逃げスペースとして溝が機能する。これにより、食み出したビードが邪魔となってシール性が却って低下する不都合が起きないようになり、ビードによるシール性能向上効果を、シリンダヘッドガスケットを締付け過ぎた状態でも維持できるようになる。

また、ミクロ的に見た場合、シリンダブロックとシリンダヘッドとの隙間は、環状ビードの存在によってシリンダボア周辺がそれ以外の箇所よりも広くなって、燃焼室形状が中膨らみ形状に近づくことから、燃焼室の爆発によるシリンダヘッドの変位を小さくする効果、所謂「シム効果」が促進される効果も得られる。

請求項２の構成によれば、芯金の表裏の両側にコンパウンド材がコーティングされた複合基材となり、シール性向上に寄与する。そして、環状ビードも表裏の両側に形成されているので、請求項１の構成による前述の効果、即ちシリンダヘッドガスケットが過圧縮されても良好なシール性が維持される効果、並びにシム効果がより強化される利点がある。

請求項３の構成によれば、詳しくは実施形態の項にて説明するが、環状ビードに弾性作用が生じるとともに、シリンダヘッドガスケットが締付けられたときの環状ビードの圧縮変位が緩やかになり、締付け解除時に環状ビードが元の高さに戻ろうとする復元性が備わるようになる。従って、シリンダヘッドガスケットを繰り返し使用しても、環状ビードによるシール効果は低下しない利点がある。

請求項４の構成によれば、シリンダブロックとシリンダへドとの締付けトルクを変えることなく、シリンダヘッドガスケットにおけるシリンダボア周辺の面圧をさらに高めることができ、良好なシール性を一層発揮できる好ましいものにできた。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１、図２には、内燃機関におけるシリンダヘッドとヘッドカバーとの間に介装されるシリンダヘッドガスケット１が示されている。このシリンダヘッドガスケット１は、補強材としての繊維材がゴムに混入された複合材料で形成されたコンパウンド材を、ＳＰＣＣ（冷間圧延鋼板）等の鋼板製の芯金３の表裏両面にコーティングしてコンパウンド層２を形成した複合基材ｆを用いて形成されたガスケット、いわゆる両面型のラバーコートメタルガスケットに構成されている。

繊維材としては、ガラス繊維、セラミック繊維、岩綿、鉱滓綿、溶解石英繊維、化学処理高シリカ繊維、溶融硅酸アルミナ繊維、アルミナ連続繊維、安定化ジルコニア繊維、窒化ホウ素繊維、チタン酸アルカリ繊維、ウィスカー、炭素繊維、金属繊維、ボロン繊維等の無機繊維を用いることができる。また、芳香族ポリアミド繊維、ポリアミド系繊維、ポリオレフィン系繊維、ポリアクリロニトリル系繊維、ポリビニルアルコール系繊維、ポリエステル系繊維、ポリ塩化ビニル系繊維、ポリ尿素系繊維、ポリウレタン系繊維、ポリフルオロカーボン系繊維、フェノール繊維、セルロース系繊維等の有機繊維を用いることもできる。また、芯金３としては、前述のＳＰＣＣの他、ＳＰＨＣ（熱間圧延鋼板）、アルミニウム板、ステンレス鋼板等の種々のものが使用できる。

そして、ゴム（ゴム材料）としては、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、プチルゴム（ＩＩＲ）、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＭ）、フッ素ゴム（ＦＰＭ）、シリコーンゴム（Ｓｉ）、クロロスルフォン化ポリエチレン（ＣＳＭ）、エチレン酢ビゴム（ＥＶＡ）、塩化ポリエチレン（ＣＰＥ）、塩化ブチルゴム（ＣＩＲ）、エピクロルヒドリンゴム（ＥＣＯ）、ニトリロイソプレンゴム（ＮＩＲ）、天然ゴム（ＮＲ）等を用いることができる。また、これらのゴム材、例えばＳＢＲにナフテン系のプロセス油が添加された油展ゴムを用いることもできる。

図１、図２において、４は燃焼室用の大円孔（シリンダボア）、多数の５は冷却水通過用の冷却用孔であり、特に高い気密性が要求される大円孔４周りの部分については、その大円孔４を囲繞する環状のビード６が、表裏の両コンパウンド層２に形成された両面ビード構造に構成されている。環状ビード６は、これら冷却用孔５の周囲に設けても良い。尚、取付け用のボルト孔は省略してある。

複合基材ｆは、図２、図３に示すように、シリンダボア周辺の対応位置（即ち、大円孔４の周囲）にコンパウンド層２が隆起した断面山形の環状ビード６を備え、この環状ビード６は、その頂部がコンパウンド層２の表面位置よりも突出すると共に、その両側の裾部１３がコンパウンド層２の表面位置よりも陥没した２条の溝状、即ち環状溝１３に形成されている。環状ビード６の頂点は、コンパウンド層２の表面よりも距離ｄ１高くなっており、環状溝１３の谷底はコンパウンド層２の表面よりも低く、その谷底でのコンパウンド層２の厚さ、即ち、芯金３の表面位置から谷底までの厚みｄ３は、コンパウンド層２の厚みｄ２よりも小である。

図３において、複合基材ｆの厚さをＤとすると、各厚さの寸法例としては、

Ｄ ：０．５〜１．５ｍｍ

ｄ１：０．２〜０．５ｍｍ

ｄ２：０．２〜０．５ｍｍ

ｄ３：０．０５〜０.１ｍｍ
であり、ｄ１＝ｄ２とするのが望ましい。また、ｄ３が０．０５ｍｍより小さくなると、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間に組み込まれて締め付けられたときに、そのｄ３部分に応力が集中して芯金３が曲がるおそれがある。よって、０．０５ｍｍ以上は確保されるように留意する。

このように、コンパウンド層が山形に隆起した環状ビード６がシリンダボア周辺の対応位置に形成されたシリンダヘッドガスケットを用いれば、これをシリンダブロックとシリンダヘッドとの間に介装されて規定トルクで締付けたときには、シリンダボア周辺の面圧が高くなり、条件の厳しいシリンダボア周辺のシール性を向上させることができる。

加えて、環状ビードの両側の裾部の夫々にコンパウンド層の表面よりも陥没した溝が存在しているので、この環状溝は、シリンダヘッドガスケットが過圧縮されて、環状ビードが押付けられ過ぎて横に食み出た場合の逃げスペースとして機能する。従って、食み出したビードが邪魔となってシール性が却って低下する不都合が起きないようになり、ビードによるシール性能向上効果を、シリンダヘッドガスケットを締付け過ぎた状態でも維持できるのでる。

尚、環状ビード６のコンパウンド材密度が、他のコンパウンド層２のそれより大とされておれば、以下のような利点を得ることができる。それは、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間に組み込まれて締め付けられて、シリンダヘッドガスケット１に荷重が作用したときの環状ビード６の変位が緩やかになるとともに、荷重解除時における復元性も確保されるというものである。このような密度の異なる部分は、例えば、ガスケットの製造時に、ビードの密度を他の部分より大となるよう形成することにより、実現させることができる。次に、それらの利点について、図４を参照して説明する。

図４に示すグラフは、シリンダヘッドガスケット１が締付けられたときの各部における荷重と変位との関係グラフであり、実線で描かれたラインａは材料密度が高い場合の環状ビード６の変化具合を、破線で描かれたラインｂは材料密度が低い場合の環状ビード６の変化具合を夫々示している。

高密度のラインａでは、シリンダブロックとシリンダヘッドとが互いに締付けられることによる荷重が増えるに従って、環状ビード６の変位量（高さが低くなる量）が緩やかに増加し、規定の締付けトルクによる最大荷重ｍでは、変位量がαとなる。そして、締付けによる荷重を解除すると、ヒステリシスを伴いながらもある程度変位が復元する特性が出る。

これに対して低密度のラインｂでは、荷重の増加に伴う変位の増加が著しく、最大荷重ｍのときの変位量も明らかにラインａに比べて大なβになる。そして、荷重を解除しても低密度故に永久変形してしまい、元に戻らない状態になる。つまり、高密度な環状ビード６とすれば、ビード機能をある程度維持しながらの繰り返し使用が可能となる利点がある。

シリンダヘッドガスケット１は、図５に示すように、環状ビード６が、シリンダボア周辺の対応位置に、複数条同心的に形成されている構成としても良い。この例では、内外に３条の環状ビード６が表裏両側のコンパウンド層２に形成されており、環状溝１３は片側のコンパウンド層２当り４箇所に形成される。

このように、同心状に複数の環状ビード６をコンパウンド層２に形成すれば、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間でシリンダヘッドガスケット１が締付けられたときに、全体として見た場合にシリンダボア周辺部位の面圧が増大し、シール性が向上する効果が、シリンダボアを基準とした場合の方向性の無い良好な状態で得ることができる。又、シリンダボア、即ち大円孔４を中心としての外側（遠心方向側）の環状ビード６ほど、その高さを高くすることも好ましい。

シリンダヘッドガスケット１は、図６（ａ）に示すように、表側のコンパウンド層２には、大きい目の環状ビード６と２条の環状溝１３を形成し、裏側のコンパウンド層２には、表側の環状ビード６の内外の夫々に位置する小型の環状ビード７、及びそれらの両側に位置する小型の裾部１４，１４が形成された構造としても良い。

このような構造とすれば、シリンダヘッドガスケット１が締付けられて荷重が掛かった場合に、裏側の２箇所の環状ビード７，７を支点として、表側の環状ビード６が下方に押されることから、図６（ｂ）に示す形状に変形する曲げモーメントが芯金３に働くようになる。それによって芯金３が元の水平状態に戻ろうとするバネ作用が生じて、大円孔４の周囲における面圧がより高くなり、シール効果が大となる利点が得られる。

その他、コンパウンド層が芯金の片側のみにコーティングされた構造の複合基材を用いて、環状ビードも芯金の片側にのみ形成された構造のシリンダヘッドガスケットとしても良い。また、環状ビード６や環状溝１３の断面形状は、滑らかな曲線による山形の他、台形や三角形を基本とした山形でも良い。

シリンダヘッドガスケットの一例を示す部分平面図（実施例１） 図１におけるイ−イ線断面図 環状ビード部分の拡大断面図 シリンダヘッドガスケットを締付けたときの各部における荷重と変位量との関係グラフを示す図 環状ビードが複数同心的に形成されたシリンダヘッドガスケットの部分断面図（実施例２） （ａ）は別構造によるビード部分の断面図、（ｂ）は芯金の変形状態を誇張して示した側面図（実施例３）

符号の説明

１ シリンダヘッドガスケット
２ コンパウンド層
３ 芯金
６ ビード
１３ 裾部
ｆ 複合基材

Claims (4)

1. ゴムに繊維材が混入されたコンパウンド材を、鋼板製芯金の表面にコーティングしてコンパウンド層を形成した複合基材で構成され、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間に介装されるシリンダヘッドガスケットであって、
   前記複合基材は、シリンダボア周辺の対応位置に前記コンパウンド層が隆起した断面山形の環状ビードを備え、この環状ビードは、その頂部が前記コンパウンド層の表面位置よりも突出すると共に、その両側の裾部が前記コンパウンド層の表面位置よりも陥没した２条の溝状に形成されているシリンダヘッドガスケット。
2. 請求項１において、
   前記複合基材が、鋼板製芯金の表裏両面に、前記コンパウンド材のコーティングによるコンパウンド層を備え、かつ、前記環状ビードが、前記複合基材の表裏両面に形成されているシリンダヘッドガスケット。
3. 請求項１又は２において、
   前記環状ビードのコンパウンド材密度が、他のコンパウンド層のそれより大とされているシリンダヘッドガスケット。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記環状ビードが、シリンダボア周辺の対応位置に、複数条同心的に形成されているシリンダヘッドガスケット。

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