JP2005291339A - 金属ガスケット - Google Patents

Abstract

【課題】接合面に局部的に過大な荷重が集中して起こる変形（凹みなど）の発生を抑えて、経時的なシール性劣化を従来よりも抑えることが可能な金属ガスケットを提供する。
【解決手段】シールすべきボルト孔３及びオイル孔５を囲むビード１２の内周面に対して、弾性シール材からなる軟質の弾性ストッパ１４を配置する。弾性ストッパ１４の突出高さは、隣接するビード１０，１１，１２高さよりも若干低く設定されて、当該ビード１０，１１，１２の弾性変形量を規制する。変形量の規制量は、弾性ストッパ１４の配置面積や高さを調整することで可能であり、当該弾性ストッパ１４の配置面積や高さの調整は容易である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関のシリンダブロックとシリンダヘッドとの間に介挿され且つボルト締結されることで、燃焼ガス、水圧、及びオイル圧をシールする機能を有するシリンダヘッドガスケットとしての金属ガスケットに関する。

従来、この種の金属ガスケットとしては、例えば特許文献１に記載されるガスケットがある。すなわち、燃焼室孔周縁部にグロメットを装着若しくは基板の端部を折り返すことで、内周側に硬質のストッパを形成し、また、基板の外周縁の一部の端部を折り返して外周側に硬質のストッパを形成し、そのストッパによって、シールラインに沿って形成されたビードの圧縮量を規制している。なお、上記ストッパにあっては、折返し部の内側等に板バネなどを内蔵する場合もあるが、シールすべき接合面との当接部は硬質の材料から構成されている。

ここで、ビードとしては、特許文献１のようなゴム材からなるほか、特許文献２に記載のように、基板自体を屈曲成形してビードを形成することが一般に行われている。
特開平６−１０１７６１号公報 特開平１１−２４７９９８号公報

上述のように、従来、ビードの変形量を規制するストッパは金属製の硬質のものであり、また、少なくとも外周側に配置されるストッパの配置は、折返し等で形成されることから、ボルト孔周囲以外は部分的な位置に限られる。
ここに、近年エンジンの進化は目覚しく小型軽量化・高性能化が進むことで、シリンダボア間の間隔も極端に狭くなり、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間に配置されるシリンダヘッドガスケットに対しても、厳しい要求条件への対応が迫られる。また、剛性の低下したエンジンでの高い圧縮比、低冷温から高温への急速変化等で部分的にはシール面間の口開きやシリンダブロックとシリンダヘッドとの間でずれが発生したり、シール面幅も狭くなる傾向にあり、それに伴い、燃焼室孔周囲に配置される内周側ストッパ及び外周側に配置される外周側ストッパはともに、ストッパ設定場所が狭くなり、つまりストッパの接合面との対向面積が小さくなる。この結果、硬質で小さなストッパに荷重が集中しシリンダブロックおよびシリンダヘッドの接合面の一部を陥没させるおそれがある。ストッパと当接する接合面部分が陥没するとビードに過大な面圧が掛りビードの過剰変形に繋がる。特に、シリンダブロック及びシリンダヘッドがアルミ製などの軟質の材料から構成した場合に上記問題が大きくなる。また、上述のような外周側のストッパは、形成出来る位置も限定される。

なお、上記ストッパは、金属の基板に成形したビードの過圧縮を防止する役目を有し、さらに内周側のストッパは燃焼室内で起る爆発による高温高圧ガスをシールする役目を持っている。
本発明は、上記のような点に着目したもので、接合面への過大な変形（凹みなど）の発生を防止して、経時的なシール性劣化を従来よりも抑えることが可能な金属ガスケットを提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載した発明は、薄肉金属板からなる基板に対し、燃焼室孔、ボルト孔、液孔などが開口し、上記燃焼室孔の外周その他に設定されたシールラインに沿ってビードが形成される金属ガスケットであって、
上記燃焼室孔よりも外周の基板平坦面に対し、上記ビードの変形量を規制するバネ要素からなるストッパを設け、そのストッパの接合面への当接部分が少なくとも軟質の材料からなることを特徴とするものである。
上記ストッパを弾性シール材で構成することが好ましい。弾性シール材で構成した場合には、そのストッパの面積や配置場所などの自由度が大きい。

次に、請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した構成に対し、上記ビードは、上記基板を凸状に屈曲してなる金属ビードと、その金属ビードの凸部側表面及び凸部裏側の凹部に固着して上記金属ビードと共に板厚方法に弾性変形する弾性シール材からなるゴムビードとの合成から構成され、
上記バネ要素からなるストッパは、弾性シール材から構成され且つ隣接するビードの高さよりも突出高さが低いことを特徴とするものである。

次に、請求項３に記載した発明は、請求項１又は請求項２に記載した構成に対し、燃焼室孔の周囲に硬質のストッパを設け、該ストッパの高さを燃焼室を囲むビードよりも低くしたことを特徴とするものである。
次に、請求項４に記載した発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載した構成に対し、上記バネ要素からなるストッパは、締結ボルトの締付け時に負荷される面圧が均等となるように、設置場所によって突出高さが異なることを特徴とするものである。

次に、請求項５に記載した発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載した構成に対し、上記バネ要素からなるストッパを弾性シール材から構成し、
上記バネ要素からなるストッパを燃焼室孔以外のシールが必要な孔を囲むように設け、基板に形成した上記シールが必要な孔用の開口の径を、正規な寸法よりも広くすると共にその開口の内径面に対し正規な寸法位置まで弾性シール材を配置し、且つその配置した弾性シール材を上記バネ要素からなるストッパと一体成形してなることを特徴とするものである。

本発明を採用すると、シールすべきシリンダヘッド若しくはシリンダブロックの接合面の陥没を抑えつつ、シールするためのビードの過大変形を防止すると共にシールラインが軟質材による面シールであるためにガスケット係数を低く抑えることが出来て、全体のシール面圧を軽減出来、締付け軸力の低減を図ることが出来る。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態に係わる金属ガスケットＫを示す平面図である。
先ず、その構成について説明する。
基板１を、ステンレス鋼板や軟鋼板などの薄肉金属板から構成する。低価格品等を対象とした場合には基板１を軟鋼板から構成すると良い。本実施形態では、後述のようにビード１０，１１，１２を金属ビードとゴムビードとの合成のビード構造とすることから、ビードのシール圧を低く設定することが可能である結果、金属ビードのバネに関与する基板１の剛性をその分、低くすることが可能である。つまり、硬度が低い軟鋼板を使用してもビードによる十分なシール面圧確保が可能となっている。またこのことは、シールラインが軟質材による面シールであるためにガスケット係数を低く抑えることが出来て、全体のシール面圧を軽減出来、締付け軸力の低減が図られる結果、低いシール圧で目的のシールを行うことが可能となる。

上記基板１の略中央部には、図１に示すように、燃焼室孔２が開口している。その燃焼室孔２の端縁全周には、端部を上側に折り返したり、別の金属板を基板１の上面に固着させたりしてなる硬質の内周側ストッパ６が形成されている。各図では、ストッパ６を端部を折り返して形成した場合を図示している。
その燃焼室孔２及びストッパ６の外周を無端環状に囲繞するようにして第１シールラインＳＬ１が配置され、さらに、基板１における第１シールラインＳＬ１よりも外周側にボルト孔３、オイル孔５、チェーンチャンバ孔４が１又は２以上開口している。なお、ボルト孔３は燃焼室孔２の外周に沿って複数個設けられる。

さらに、ボルト孔３、オイル孔５、チェーンチャンバ孔４のうち、シールする必要のある孔の外周を囲繞するようにして第２シールラインＳＬ２が設定されると共に、基板１の外縁に沿って第３シールラインＳＬ３が設定されている。なお、第２及び３シールラインＳＬ２，ＳＬ３の一部のラインは共有化されている。また、本実施形態で示すシールラインの配置は一例である。

上記各シールラインＳＬ１〜ＳＬ３に沿ってそれぞれ形成されるビード１０，１１，１２は、それぞれ図２及び図３に示すように、上面に向けてのみ凸状となるように基板１を板厚方向に屈曲してなる金属ビード１０ａ、１１ａ、１２ａと、その金属ビード１０ａ、１１ａ、１２ａの上下両面にモールド成形で形成された弾性シール材からなるゴムビード１０ｂ、１０ｃ、１１ｂ、１１ｃ、１２ｂ、１２ｃとの合成から構成される。上記金属ビード１０ａ、１１ａ、１２ａのビード高さは、上記ストッパ６よりも若干高く設定される。上記凸部裏側の弾性シール材１０ｂ、１１ｂ、１２ｂは、基板１の下面と略面一となるように当該凸部裏側の凹部に充填されている。金属ビード１０ａ、１１ａ、１２ａの凸部に形成される弾性シール材１０ｃ、１１ｃ、１２ｃの高さは、当該金属ビード１０ａ、１１ａ、１２ａの高さと同等か若しくは若干高い高さに設定されている。ビード１０，１１，１２の凸部側の弾性シール材１０ｃ、１１ｃ、１２ｃの高さは、金属ビード１０ａ、１１ａ、１２ａの高さの０．９〜１．１倍の範囲の高さが好ましい。もっとも、各ストッパで規制されるゴムビード１０ｂ、１０ｃ、１１ｂ、１１ｃ、１２ｂ、１２ｃの最大圧縮変形量が圧縮破壊を起こす量（例えば４０％以上）よりも小さく且つ目的とするバネ力が発揮可能であれば、上記範囲に限定されない。

上記金属ビード１０ａ、１１ａ、１２ａ及びゴムビード１０ｂ、１０ｃ、１１ｂ、１１ｃ、１２ｂ、１２ｃの合成からなるビード１０，１１，１２にあっては、接合面との接触が軟質の弾性シール材であることから、接合面に微小な凹凸や疵があっても確実にシールすることが可能となる。更に鋳造時に発生する鋳巣孔があっても弾性シール材の面幅内であれば確実にシールすることが出来る。
ここで、外周側の第３シールラインＳＬ３に沿ったビード１１の金属ビード１１ａは、フルビードである必要はなく、本実施形態ではハーフビードとなっている。この場合でも、上側に凸となるように基板１が屈曲されることで、凸側及び、その凸部裏側の凹部に対し弾性シール材が固着してゴムビード１１ｂ、１１ｃが形成されている。

さらに、基板１の外周側に配置されている孔のうち、シールすべきボルト孔３及びオイル孔５の外縁を囲むようにして、弾性ストッパ１４が基板１の平坦部に設けられている（図１中、ハッチング部分がその弾性ストッパ１４の配置場所である。）。その弾性ストッパ１４は、弾性シール材から構成され且つ隣接するビード１０，１１，１２よりも若干高さが低くなるように設定され、圧縮することでビード１０，１１，１２の変形量を規制する。弾性ストッパ１４の高さは、隣接するビード１０，１１，１２の高さの例えば０．７５〜０．９５の範囲の高さとすればよい。

さらに、本実施形態では、弾性ストッパ１４は、隣接するビード１０，１１，１２のゴムビードと一体成形されて弾性ストッパ１４の形成の容易化を図っている。また、連続することから、相互に横方向への変形を抑える作用も持つ。
ここで、上記弾性ストッパ１４は、ビード１０，１１，１２の幅方向片側にのみ形成しても良いが、ボルトの締付け荷重などの条件に応じて、ビード１０，１１，１２の幅方向両側に形成して弾性ストッパ１４の面積を稼ぐようにしても良い。
また、本実施形態では、図２〜図４のように、外周側シールラインの外周側にも弾性ストッパ１５を配置している。この外周側シールラインの外周側に設ける弾性ストッパ１５は、面圧が高くなるボルト近傍部分だけでも良いし、基板１外周に沿って連続的に設けても良い。

次に、上記構成の金属ガスケットの作用・効果などについて説明する。
金属ガスケットを、エンジンのシリンダブロックとシリンダヘッドの間に装填して締め付けると、ビード１０，１１，１２のゴムビード１０ｂ、１０ｃ、１１ｂ、１１ｃ、１２ｂ、１２ｃが圧縮変形し、金属ビード１０ａ、１１ａ、１２ａと共にシールラインＳＬ１、ＳＬ２，ＳＬ３に沿って所定のシール圧を発生してシールする。

このとき、ストッパがない場合には、締付け荷重が増大するについて、上記ゴムビード１０ｂ、１０ｃ、１１ｂ、１１ｃ、１２ｂ、１２ｃはさらに変形し、例えば変形率４０％以上になると、当該ゴムビード１０ｂ、１０ｃ、１１ｂ、１１ｃ、１２ｂ、１２ｃは破損して基板１から剥離・離脱する。この現象を防止するために、外周側の弾性ストッパ１４，１５が設けられている。すなわち、締付け荷重が増大するにつれて、まずビード１０，１１，１２のゴムビード１０ｂ、１０ｃ、１１ｂ、１１ｃ、１２ｂ、１２ｃ及び金属ビード１０ａ、１１ａ、１２ａが変形するが、それに遅れて弾性ストッパ１４，１５が変形して締付け荷重の一部を負担することで、上記ゴムビード１０ｂ、１０ｃ、１１ｂ、１１ｃ、１２ｂ、１２ｃ及び金属ビード１０ａ、１１ａ、１２ａ（特に、ゴムビード１０ｂ、１０ｃ、１１ｂ、１１ｃ、１２ｂ、１２ｃ）の過剰変形を防止する。

ここで、弾性ストッパ１４，１５は、軟質の弾性シール材で成形されているために変形はするが、軟質であることから、過大な荷重が掛かっても接合面を部分的に変形させたり陥没させることがない。ビード１０，１１，１２の変形量は、締付け荷重に応じて、弾性ストッパ１４，１５の幅、長さ、及び突出高さで調整することが出来る。上記弾性ストッパ１４，１５は、バネ要素からなるストッパを構成し、弾性シール材がバネ要素を構成する。バネ要素としては形成しやすさの点で弾性シール材が好ましいが、他のバネ要素から構成されていても良い。但し、接合面との接触部分が軟質となっている必要がある。

また、本実施形態では、燃焼室孔２の周囲の内周側ストッパ６を、硬質のストッパとして一番面圧が高いシール部分とすることで、ボアでの爆発燃焼圧の高圧をシールすると共に内周側ストッパ６周囲に成形したシールシールラインの過大な荷重変形を防止する。なお、燃焼室孔２から離れたボルト孔３、オイル孔５等の周囲はシール面幅（ビード１０，１１，１２形成可能な幅）も狭く且つ剛性も低く、燃焼室孔２周囲に設けた内周側ストッパ６によるビード１１，１２の変形規制効果はうすい。従ってボルト孔３周囲や外周部にもビード１１，１２の過大変形を防止するストッパが必要である。また、図２に示すように、ビード１０，１１，１２の高さと内周側ストッパ６の高さとの差７が締め代であり、仮に内周側ストッパ６で燃焼室側からの微小な圧漏れが有ってもビード１０，１１，１２部分で完全シール出来る。ここで、上記内周側ストッパ６は、周方向に沿った面圧が均等となるように、周方向に沿って抑揚が付けられている。例えば、ボルト孔３近傍で相対的に低くすると共に、ボルト孔３から離れるにつれて相対的に高くなるように設定する。

ここで、締付け時の荷重分布は、締付けボルト近傍で大きく、締付けボルトから離れた位置では弱い。よって、弾性ストッパ１４，１５に負荷される面圧を均一化する観点から締付けボルトに近い位置の弾性ストッパ１４，１５に比べて当該締付けボルトより遠い位置の弾性ストッパ１４，１５の高さを相対的に高くして、弾性ストッパ１４，１５全体の面圧の均一化を図るようにしても良い。
逆に、ビード１０，１１，１２に発生させるシール圧がビード１０，１１，１２毎に異ならせる場合には、そのシール圧となるように各弾性ストッパ１４，１５の高さを変えるようにしても良い。

次に、第２実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、上記実施形態と同様な部材などについては同一の符号を付して説明する。
本第２実施形態の基本構成は、上記第１実施形態と同様であるが、ボルト孔３周りに設けた弾性ストッパ１４，１５及び、シールラインが異なる。
すなわち、本実施形態では、図５及び図６に示すように、ボルト孔３を囲むビードを省略している。その代わりに、基板１に形成したボルト孔３用の開口３ａの径を正規の寸法よりも大きくし、そのボルト孔３用の開口３ａの内径面にも正規の寸法までの空間に弾性シール材２０を配置し、そのリング状の弾性シール材２０を、ボルト孔３の外周に配置した弾性ストッパ１４と一体成形した点が異なる。

上記基板１のボルト孔３に充填したリング状の弾性シール材２０の高さは、弾性ストッパ１４の高さと等しくても良いし、弾性ストッパ１４の高さよりも高くても良い。
本実施形態では、孔用の開口３ａの内径面側に配置したリング状の弾性シール材２０が、その上下両面が対向する接合面とそれぞれ所定の圧をもって当接することから、仮にボルト孔３内にオイルが浸入してきても、当該内径面に配置したリング状の弾性シール材２０でシールできる。このため、当該シールすべき孔の外周を囲繞するようにシールラインを設定しなくても、シールすることが可能となる。
なお、弾性ストッパ１４，１５自体も所定のシール圧を発生してシールする機能を有するが、本実施形態では、弾性ストッパ１４，１５は基板１の片面だけに形成されることから、裏側の面はメタル接触となって確実にシールできないおそれがある。
その他の作用・効果は第１実施形態と同様である。

次に、第３実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、上記実施形態と同様な部材などについては同一の符号を付して説明する。
本第３実施形態は、図７に示すように、基本的に第１実施形態と同様であるが、図８及び図９に示すように、シールが要求されるボルト孔３のシール構造が異なる。
すなわち、上記ボルト孔３の内側を通る第２シールラインを、金属ビード１２ａ及びゴムビード１２ｂ、１２ｃの合成で構成するが、その金属ビード１２ａをハーフビードとして、シール幅が狭い所に対しビードを設けたものである。

さらに、基板１に設けたボルト孔３用の開口３ａの径を、第２実施形態と同様に、正規の寸法よりも大きくし、そのボルト孔３用の開口３ａの内径面にも正規の寸法までの間を弾性シール材２０を配置している。
また、上記リング状の弾性シール材２０に一体成形して弾性ストッパ１５が形成されていて、上記ボルト孔３の外周側を通過するビードを省略している。

ここで、上記実施形態では、説明を容易にするために一気筒の空冷エンジンで説明したが、多気筒エンジンや水冷エンジンでも同じ効果を出すことが出来る。
また、上記実施形態では、シールラインに沿って形成されるビードとして、金属ビード１０ａ、１１ａ、１２ａとゴムビード１０ｂ、１０ｃ、１１ｂ、１１ｃ、１２ｂ、１２ｃとの合成からなるビード１０，１１，１２を例示しているが、これに限定されない。上記ビード１０，１１，１２の全部若しくは一部を、図１０に示すように、例えば金属ビード１０ａ、１１ａ、１２ａだけから構成させても良い。

本発明に基づく第１実施形態に係る金属ガスケットを示す平面図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。 図１におけるＢ−Ｂ断面図である。 図１におけるＣ−Ｃ断面図である。 本発明に基づく第２実施形態に係る金属ガスケットを示す平面図である。 図５におけるＤ−Ｄ断面図である。 本発明に基づく第３実施形態に係る金属ガスケットを示す平面図である。 図７におけるＥ−Ｅ断面図である。 図７におけるＦ−Ｆ断面図である。 弾性ストッパの別の例を示す断面図である。

符号の説明

Ｋ 金属ガスケット
ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３ シールライン
１ 基板
２ 燃焼室孔
３ ボルト孔
３ａ ボルト孔用の開口
４ チェーンチャンバー孔
５ オイル孔
６ 内周側のストッパ
７ 燃焼室周りの金属ストッパとシールビードとの差
１０，１１，１２ ビード
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 金属ビード
１０ｂ、１０ｃ、１１ｂ、１１ｃ、１２ｂ、１２ｃ ゴムビード
１４，１５ 弾性ストッパ
２０ リング状の弾性シール材

Claims (5)

1. 薄肉金属板からなる基板に対し、燃焼室孔、ボルト孔、液孔などが開口し、上記燃焼室孔の外周その他に設定されたシールラインに沿ってビードが形成される金属ガスケットであって、
   上記燃焼室孔よりも外周の基板平坦面に対し、上記ビードの変形量を規制するバネ要素からなるストッパを設け、そのストッパの接合面への当接部分が少なくとも軟質の材料からなることを特徴とする金属ガスケット。
2. 上記ビードは、上記基板を凸状に屈曲してなる金属ビードと、その金属ビードの凸部側表面及び凸部裏側の凹部に固着して上記金属ビードと共に板厚方法に弾性変形する弾性シール材からなるゴムビードとの合成から構成され、
   上記バネ要素からなるストッパは、弾性シール材から構成され且つ隣接するビードの高さよりも突出高さが低いことを特徴とする請求項１に記載した金属ガスケット。
3. 燃焼室孔の周囲に硬質のストッパを設け、該ストッパの高さを燃焼室を囲むビードよりも低くしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した金属ガスケット。
4. 上記バネ要素からなるストッパは、締結ボルトの締付け時に負荷される面圧が均等となるように、設置場所によって突出高さが異なることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載した金属ガスケット。
5. 上記バネ要素からなるストッパを弾性シール材から構成し、
   上記バネ要素からなるストッパを燃焼室孔以外のシールが必要な孔を囲むように設け、基板に形成した上記シールが必要な孔用の開口の径を、正規な寸法よりも広くすると共にその開口の内径面に対し正規な寸法位置まで弾性シール材を配置し、且つその配置した弾性シール材を上記バネ要素からなるストッパと一体成形してなることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載した金属ガスケット。

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