JP3802324B2 - 平坦なガスケット、平坦なガスケットの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は平坦なガスケット、特にシリンダヘッド用ガスケットにおいて、ガスケットプレートを具備し、該ガスケットプレートは少なくとも一つの開口部と該開口部を取り囲むビードを備えた少なくとも一つの金属製シート層とを有しており、さらに、ストッパ部材を具備し、該ストッパ部材はビードが過度に変形するのを妨げると共に、少なくとも弾性材料から構成されており、該弾性材料は前記ビードにより形成された凹部内に配置されていて前記凹部の深さ部分の少なくとも一部を充填する平坦なガスケットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
平坦なガスケットの場合には、ガスケットのガスケットプレートが、互いに重なり合って配置された一つまたは複数の金属製シート層によって形成されている。弾性特性を有する金属製シート層（通常、バネ鋼製シート）内の開口部を取り囲むビードは、気体または液体を封止する役目を果たす。そのようなビードは、ガスケットプレートの他の金属製シート層、または互いに封止される他の構成要素、例えばエンジンブロックまたはシリンダヘッドに対して一方ではビード縁部、他方では二つのいわゆるビード根元部によって弾性的に押圧される。特に、シリンダヘッド用ガスケットの場合には、シリンダヘッド用ガスケットによって封止されるべきエンジンブロックとシリンダヘッドとの間の封止用の間隙の幅がエンジンの操作時に常に変化しているので、操作時にクラックがビード内に形成されるという危険性がある。結果的に、そのようなビードは常に力学的応力を受けている。そのようなビードが大幅に変形されるのを妨げるために、すなわち、ビードが平坦化されるのを妨げるために、封止部の設置時および／または操作時に、いわゆるストッパまたはストッパ部材をビードに配置する。これらストッパは、例えばビードに隣接していてビード付き金属製シート層に溶接された金属製シートのリングから構成されている。この金属製シートのリングの厚さは、変形していないビードすなわち応力を受けていないビードの高さよりもかなり小さい。次いで、ストッパはビードが過度に変形するのを妨げるときに、操作時にビードが弾性範囲内において常に変形して応力を受けるようにする。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した形式のストッパ部材は、ビードによって形成された凹部に挿入されてこの凹部を完全に充填するゴム製リングの形態として公知である（独国特許第２８４９０１８号公報の図９を参照されたい）。このゴム製リングによって、ガスケットの設置時に、ビードが平坦化される度合いが減少する傾向にある。ガスケットの設置時に、ビードにより圧搾されるポリマ材料はマイクロ封止作用を向上させる傾向にある（このことは、ゴムが非圧縮性材料であって、ガスケットの設置時に、ビードは或る程度の平坦化作用を避けることができず、ゴム製リングの材料の或る部分がガスケットの設置時にビードにより圧搾されるためである）。
【０００４】
同様なストッパ部材は、欧州特許公開第０８６６２４５号（この場合には、例えば図３、図５、図６および図８から図１３を参照されたい）に開示されている。この従来技術では、ビード内に配置されていて樹脂から構成される剛体のリング（環状の剛体樹脂層）がストッパとして機能し、このリングは、ビードによって形成された凹部の深さ部分の約半分を充填する。
【０００５】
しかしながら、シリンダヘッド用ガスケットの場合には、エンジンの操作時に、このような形式のストッパ部材を設けても、クラックの形成によってビードが崩壊するのを避けることができない。例えば、前述した金属製シートのリングが存在していない追加の他のストッパ部材を使用する場合には、弾性材料によってビードを充填する必要はない。しかしながら、現代のエンジンにおいてシリンダヘッド用ガスケットの場合にしばしば見られる、間隙部分が把持されている状況のために、ビードに隣接して配置されるべきストッパを使用しないのが望ましい（または避けることができない）。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
それゆえ、本発明の目的は、前述した形式であって、例えば独国特許第２８４９０１８号より公知の平坦なガスケットを改良することである。それにより、追加の異なるストッパ部材を設ける場合、すなわちビードの変形作用（平坦化作用）が極めて少なくない場合でさえ、ガスケットの平面に対して垂直な力学的応力に対するビードの疲れ強さをかなり高めることができるようになる。
【０００７】
この目的を解決するときに、発明者は、弾性材料が操作温度（少なくとも周囲温度に相当する温度）において圧力下で流れ特性（塑性変形能力（ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ））を有しているときに、弾性材料によってビードを完全または部分的に充填することが可能であることを完全に達成した。この流れ特性は、完全に架橋したポリマ材料の流れ特性よりも大きい。
【０００８】
当該技術分野の公知の状態に関連した材料特性を測定する測定手段によって本発明を実施するために、特に以下に示す材料特性の定義を使用できる。
弾性材料は、少なくとも周囲温度（２１度）に相当する温度において圧力下で塑性変形可能である。弾性材料は少なくとも以下に示すようなセットダウン特性を有する。鉛直方向に加圧することにより、初期厚さが約２４マイクロメートルの弾性材料からなる均一かつ平坦な層の円形加圧領域を形成する。その結果、加圧領域の外径は６５．４ミリメートルであって内径が６４．６ミリメートルであり、加圧領域の圧力は４０ニュートン毎平方ミリメートルである。約０．５時間にわたって加圧し続けた後に、２１度における加圧領域内の弾性材料の層厚さは、最大で初期の層厚さの約８５％のみ、好ましくは約８３％から約３７％のみになる。
【０００９】
バネ鋼製シート内にビードが設けられていて、このビードによって形成された凹部が、或る場合にはほぼ完全に架橋された弾性材料によって、別の場合には架橋の程度の低い弾性材料によって完全に充填されているバネ鋼製シートにおける試験によって、動圧、すなわち時間に対して迅速に変化する圧力によってビードを加圧する加圧時にビードが平坦化されるという結果が得られた。シリンダヘッド用ガスケットの場合には、エンジン操作時、架橋の程度が比較的小さい弾性材料（ほぼ完全に架橋した弾性材料に比較した場合）を使用するときにガスケットが破損することなく弾性材料は２倍より多く変形する。
【００１０】
ビードは断面がＵ字の平坦部分に類似のいわゆるフルビード（ｆｕｌｌ−ｂｅａｄ）であるのが好ましい。
本発明のガスケットの場合に好ましい弾性材料については、弾性材料の層厚さが、圧力を加えた後に時間に対して迅速に減少して次いで約２時間後にほとんど減少していないという圧力下における流れ特性を有する。そのような好ましい弾性材料は、特に約１時間にわたって加圧し続けた後に、厚さが最大で初期の層厚さに対して約８０％のみ、特に約８０％から約３５％のみになるという時間に対するセットダウン特性を有している。
【００１１】
弾性材料がビードの凹部を完全に充填しないとき、ビードが深さ部分の一部において圧縮されないとき、ガスケットが動圧を受けないで設置されるとき、ビードによって形成された凹部が常に予め定められた組立の力によって或る程度平坦化されるとき、弾性材料によって凹部は完全に充填されるので、本発明は有利である。
【００１２】
弾性材料を、ビード領域においてのみビード付き金属製シート層に付加できる。しかしながら、これら実施形態は、ビードを充填する弾性材料が、ビードの両側に延びる金属製シート層の少なくとも部分的な被覆部の一部である。それゆえ、金属製シート層は弾性材料によって完全に、すなわち、ビードによって形成された凹部が配置されている側だけでなく、両側において被覆されうる。
【００１３】
一側または両側において、ビード付き金属製シート層の部分的または完全な表面被覆部を有するシリンダヘッド用ガスケットの場合には、ビードの外方の平均層厚さは、通常１８マイクロメートルから２８マイクロメートルのオーダ、特に２０マイクロメートルから２５マイクロメートルのオーダであり、加圧されていないビードの深さは、１００マイクロメートルから３００マイクロメートル、特に約１５０マイクロメートルである。そのような場合には、ビードによって形成された凹部内のそのような弾性材料の層厚さは凹部内の最大厚さが３５マイクロメートルから７０マイクロメートルのオーダ、好ましくは５０マイクロメートルから６０マイクロメートルのオーダであると推奨される。弾性材料を備えた金属製シート層の被覆部がビードの両側部に位置する金属製シート層の領域に延びている場合には、特にビードの外方の弾性材料の平均層厚さは約１８マイクロメートルから２８マイクロメートルであって好ましくは２３マイクロメートルから２４マイクロメートルである場合に、ビードによって形成された凹部における弾性材料の最大層厚さが、ビードの外方の平均層厚さの約１．５倍から約３倍である被覆部が推奨される。
【００１４】
平坦なガスケットが設けられていて弾性材料によって表面が部分的または完全に被覆されている金属製シート層を製造するときに、蒸発可能な溶媒を含む初期材料または前駆体材料が通常は加工処理されて、この前駆体材料が硬化した後に、弾性材料からなる被覆部が形成される。この前駆体材料を塗布する公知の方法は、散布、スプレー、またはスクリーン印刷法による塗布である。塗布される前駆体材料は硬化（溶媒を放出させて、温度処理によって完全または本発明の場合には部分的に架橋させる）前は比較的低粘度であるので、本発明の平坦なガスケットを製造するための単純であって費用のかからないプロセスは、ガスケットが設置完了状態になった後に弾性材料を形成して蒸発可能な溶媒を含んでいる前駆体材料を金属製シート層に塗布し、それにより、前駆体材料はビードによって形成された凹部を、設置完了状態のガスケットの弾性材料よりもかなりの程度まで充填することを含む。次いで、溶媒を蒸発させる。このようにして、例えばスクリーン印刷法を用いた場合にさえ弾性材料はビードによって形成された凹部を完全に充填しないが、前述した前駆体材料はビードの凹部を完全に充填する。しかしながら、前駆体材料が例えば散布、またはスプレー塗布される場合には、ビードの凹部内にさらに厚さを有する層を塗布するために、比較的低粘度の前駆体材料を使用してよい。この目的のために、はじめに前駆体材料をほぼ均一な厚さで塗布して、次いで追加の前駆体材料がビードの両側部の領域からビードによって形成された凹部内に流れるまで、溶媒を蒸発させないのが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は以下の部分、すなわち複数の実施例および添付図面に基づいて、説明される。
図１は、設置前、すなわち非圧縮状態のシリンダヘッド用ガスケットのガスケットプレート１０の断面を示している。このシリンダヘッド用ガスケットは金属層式ガスケットと呼ばれており、シリンダヘッド用ガスケットのガスケットプレートは、互いに重ねて配置された複数の金属製シート層を有している。図示される実施態様においては、二つの外側金属製シート層１２、１４および内側であって中心の金属製シート層１６が示されおり、以下の説明においては、これら金属製シート層１２、１４を外側層と呼び、金属製シート層１６を内側層と呼ぶ。これら二つの外側層１２、１４のそれぞれには、いわゆるフルビード１８、２０がそれぞれ設けられている。これらフルビード１８、２０の断面は、Ｕ字の平坦部分（ｆｌａｔ Ｕ）にほぼ対応していて、このＵ字の平坦部分は封止要素として働くようになっている。この目的のため、外側層１２、１４は適切な弾性特性を有する必要がある。このため、外側層１２、１４をバネ鋼製シートから構成されている。ビード１８、２０はガスケットプレート１０の図示しない環状の開口部、例えばシリンダヘッド用ガスケットの燃焼室の開口部を取り囲むようになっている。
【００１６】
ガスケットプレート１０の二つの主表面を形成している外側層１２、１４の外方側面上においては、弾性材料からそれぞれ構成されている被覆部２２、２４が、特にこれら表面全体にわたって設けられている。これにより、例えばシリンダヘッドおよびエンジンブロックの封止表面においてマイクロ封止作用を行う（封止表面の孔および凹凸部を封止する）と共に、ビード１８、２０が過度に変形する（平坦化する）のを妨げることができる。ビード１８、２０が過度に変形することによって、ガスケットの設置時に、ビード内にクラックが形成される場合がある。しかしながら、エンジンの操作時に、これらビードのそれぞれにはストッパ部材が設けられている。すなわち本発明に基づくこれらストッパ部材は、被覆部２２、２４の領域２２ａ、２４ａである。これら領域２２ａ、２４ａの層厚さは、ビードの外方に位置する被覆部２２、２４の領域の層厚さよりもかなり大きい。しかしながら、図１において明らかであるように、本発明に基づく領域２２ａ、２４ａは、ビード１８、２０によって形成された凹部を完全に充填せず、それにより、ガスケットプレート１０の平坦な主表面に、略平坦でわずかなくぼみが領域２２ａ、２４ａの上方側部に形成される。
【００１７】
一旦、シリンダヘッド用ガスケットが設置されて工具によりシリンダヘッド用ネジを螺合させると、図２に示されるガスケットプレート１０の状態において、ガスケットプレートの二つの主表面が少なくとも略完全平坦部となっている。すなわち、二つのいくらか平坦にされたビードにより形成される凹部を弾性材料が完全に充填している。本発明によれば、弾性材料は圧力下において流れ特性（ｆｌｏｗ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）を有する傾向にあるので、いわゆるビード根元部１８ａ、２０ａの領域における被覆用材料が、図２から分かるように、設置時においてシリンダヘッド用ガスケットに及ぼされる圧力下において少なくとも外方にかなり流れる。
【００１８】
シリンダヘッド用ガスケットの設置完了状態において、前述したように被覆部２２、２４の弾性材料は圧力下において沈下する特性を有する傾向にある。すなわち、被覆部２２、２４は適切に塑性変形可能になっている。
図３は、バネ鋼製シート層のビードが設けられている領域の拡大断面図である。この金属製シート層には本発明の特性を備えた弾性材料から形成される被覆部が両側に設けられていて、一層式の平坦なガスケットまたは複数層のガスケットのうちの一つの層を形成している。図１および図２に基づいて、金属製層１２’、被覆部２２’、２４’、ビード１８’、およびビード根元部１８ａ’を示す。図３は、ガスケットを設置した後であって動圧を加圧する前にガスケットが或る時間だけ置かれた状態を示している。
【００１９】
図４に示されるグラフは、異なる複数の被覆用弾性材料の典型的な沈下特性を示している。横軸としての加圧作用の持続時間に対して、初期の層厚さ、例えば２４マイクロメートルからの層厚さの減少量が、縦軸にプロットされている。
図４においては、六つの異なる弾性材料のセットダウン（ｓｅｔ−ｄｏｗｎ）特性が、曲線（１）から（６）によって示されている。曲線（１）は、（圧力下、周囲温度２１度において）適切な流れ特性を有していない弾性材料、すなわちかなり架橋された弾性材料である。一方で、曲線（２）から（６）は本発明の流れ特性またはセットダウン特性を有する弾性材料である。曲線（３）の材料の流動性は、曲線（２）などの材料の流動性よりも大きい。すなわち、曲線（６）の材料は圧力下において最も流れやすい。
【００２０】
前述したように、図４に示される曲線は周囲温度（２１度）において中空の円筒形圧力スタンプ（ｈｏｌｌｏｗ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅｓｔａｍｐ）をプロットしたものである。外径が６５．４ミリメートルであって内径が６４．６ミリメートルであるこの円筒形圧力スタンプは、円筒の軸線に対して直角に延びていて平坦な金属製シートの弾性被覆部に押圧される平坦な端面を有している。この円筒の軸線は金属製シートの平面に対して直角に延びている。被覆部上における４０ニュートン毎平方ミリメートルの時定数（ｔｉｍｅ−ｃｏｎｓｔａｎｔ）の特定加圧することによって、圧力スタンプの円形リング型の端面領域が形成される。
【００２１】
図４の曲線（１）から（６）によって示されるような流れ特性またはセットダウン特性を有する六つの異なる弾性材料による試験によって、以下の結果が得られる。これら試験時に、ビードを備えた各バネ鋼製シートは、各弾性材料によって全表面にわたって被覆される。ビードの外方の初期の層厚さは約２４マイクロメートルである。ビードの最大深さは約２５０マイクロメートルであって、ビードによって形成された凹部内における弾性材料の最大の層厚さは約６０マイクロメートルである。
【００２２】
ビードは常に動圧を受けている。圧力は時間に対して変化していて、平均圧力はそれぞれ異なる。ビードが変形することによってビード内にクラックが生ずるときの、ビードの平坦化作用、すなわち、オリジナルのビード高さからの減少範囲を測定する。
弾性材料による被覆部が存在しない場合には、ビードの高さが２．５マイクロメートルだけ減少することによってクラックが形成される。
【００２３】
曲線（１）に対応する流れ特性を有する弾性材料による被覆部が存在する場合には、ビードの高さが３マイクロメートルだけ減少することによってクラックが形成される。すなわち、そのような材料では大幅な改良にはならない。
しかしながら、オリジナルのビードの高さが７マイクロメートル（曲線（２）に割り当て可能な材料）または７．５マイクロメートル（曲線（３）および（４）に割り当て可能な材料）だけ減少するまでクラックが形成されないので、曲線（２）から（４）に対応する流れ特性を有する被覆部によって大幅な改良を行うことができる。
【００２４】
以下において、本発明に基づいて使用されるべき弾性材料に関する二つの実施例を説明する。

これら実施例において（通常のように）、
「ｐｈｒ」は、「１００のゴムあたり（ｐｅｒ １００ ｐａｒｔｓ ｒｕｂｂｅｒ）」を表す。
【００２５】
「ＴＡＩＣ」は、「トリアリル−シム−トリアジン−２，４，６−１Ｈ，３Ｈ，５Ｈ−トリオン（ｔｒｉａｌｌｙｌ−ｓｙｍ−ｔｒｉａｚｉｎｅ−２，４，６−１Ｈ，３Ｈ，５Ｈ−ｔｒｉｏｎｅ）」を表す。
その結果、本発明により要求される弾性材料の流れ特性を、適切な架橋状態、例えば１分から３分にわたって１８０度から２６０度における熱処理によって定式とは独立して設定する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスケットプレートが設置されていない、すなわち加圧されていないときの複数のガスケットプレートのビードを備えた領域の断面図である。
【図２】ガスケットプレートが設置された状態、すなわちエンジン操作時に生ずる圧力の変化を既に受けている圧縮されたシリンダヘッド用ガスケットを示す図１内の領域を示す断面図である。
【図３】本発明に基づいて被覆された平坦なガスケットの金属製シート層のビードを備えた領域の拡大断面図である。
【図４】異なる弾性材料のセットダウン特性（所定の加圧作用を受けた弾性材料のオリジナルの層厚さの時間に対する減少）を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…ガスケットプレート
１２…外側金属製シート層
１４…外側金属製シート層
１６…中心の金属製シート層
１８…ビード
１８ａ…ビード根元部
２０…ビード
２０ａ…ビード根元部
２２…被覆部
２４…被覆部

Claims (11)

1. シリンダヘッド用ガスケットにおいて、ガスケットプレートを具備し、該ガスケットプレートは少なくとも一つの開口部と該開口部を取り囲むビードを備えた少なくとも一つの金属製シート層とを有しており、さらに、ストッパ部材を具備し、該ストッパ部材はビードが過度に変形するのを妨げると共に、少なくとも弾性材料から構成されており、該弾性材料は前記ビードにより形成された凹部内に配置されていて前記凹部の深さ部分の少なくとも一部を充填するシリンダヘッド用ガスケットにおいて、前記弾性材料は完全に架橋せず、該弾性材料は少なくとも２１度において圧力下で少なくとも以下のセットダウン特性、すなわち、
   初期の平均層厚さが２４マイクロメートルである弾性材料からなる均一な平坦層の円形環状加圧領域に鉛直方向に加圧することによって、外径が６５．４ミリメートルであって内径が６４．６ミリメートルの加圧領域が形成され、該加圧領域の圧力が４０ニュートン毎平方ミリメートルであり、２１度で約０．５時間にわたって加圧し続けた後に加圧領域における弾性材料の層厚さが、最大で初期の層厚さの約８５％のみになるという特性を有する塑性変形可能な程度にのみ架橋する材料であることを特徴とするシリンダヘッド用ガスケット。
2. 前記弾性材料の前記セットダウン特性が、約１時間にわたって加圧し続けた後に、層の厚さが最大で初期の層厚さの約８０％のみになるようになっていることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド用ガスケット。
3. 前記弾性材料の前記セットダウン特性が、約０．５時間にわたって加圧し続けた後に、層の厚さが初期の層厚さの約８３％から約３７％のみになるようになっていることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド用ガスケット。
4. 前記弾性材料の前記セットダウン特性が、約１時間にわたって加圧し続けた後に、層の厚さが初期の層厚さの約８０％から約３５％のみになるようになっていることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド用ガスケット。
5. 前記弾性材料が前記ビードによって形成された凹部の深さ部分の一部を充填し、前記ガスケットを設置し、ビードが対応して平坦化されることにより前記凹部が完全に充填されるようになることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド用ガスケット。
6. 前記ビードを充填する前記弾性材料が、前記金属製シート層による少なくとも部分的な被覆部の一部であり、前記被覆部が前記ビードの両側に延びることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド用ガスケット。
7. 前記ビードによって形成される前記凹部内における前記弾性材料の最大の層厚さが、前記ビードの外方における平均層厚さの約１．５倍から約３倍であることを特徴とする請求項６に記載のシリンダヘッド用ガスケット。
8. 前記ビードの外方における弾性材料の平均層厚さが約１８マイクロメートルから２８マイクロメートルであることを特徴とする請求項６に記載のシリンダヘッド用ガスケット。
9. 前記設置完了状態のガスケットの前記弾性材料を形成して蒸発可能な溶媒を含んでいる前駆体材料を前記金属製シート層に塗布して、それにより、前記前駆体材料が前記ビードによって形成された前記凹部を前記設置完了状態のガスケットの前記弾性材料よりもかなり多量に充填し、次いで、前記溶媒を蒸発させることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド用ガスケットを製造するシリンダヘッド用ガスケット製造方法。
10. 前記前駆体材料を以下の方法、すなわち散布、スプレー、ローラ塗布、スクリーン印刷法による塗布作用のうちの一つの方法により塗布することを特徴とする請求項９に記載のシリンダヘッド用ガスケット製造方法。
11. 前記前駆体材料をほぼ均一な層厚さをなすよう塗布し、前記前駆体材料が前記ビードの両側の領域から前記ビードによって形成された凹部まで流れるまで、前記溶媒を蒸発させないようにしたことを特徴とする請求項１０に記載のシリンダヘッド用ガスケット製造方法。

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