JP6002022B2

JP6002022B2 - 金属ガスケット

Info

Publication number: JP6002022B2
Application number: JP2012276079A
Authority: JP
Inventors: 信一平山; 飯島　聡; 聡飯島; 昭則末吉
Original assignee: Nippon Leakless Industry Co Ltd
Current assignee: Nippon Leakless Industry Co Ltd
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2032-12-18
Also published as: JP2014119075A

Description

本発明は、内燃機関を構成するシリンダーブロックとシリンダーヘッドとの接合面に装着して、燃焼ガスや、冷却水、潤滑油等の流体のリークを防止する金属ガスケットに関し、特に、シリンダーボア周辺からの燃焼ガスの漏れを防止する技術に関する。

通常、内燃機関のシリンダーブロックとシリンダーヘッドとの相互間に装着され、ボルトによって締め付けられる内燃機関用の金属ガスケットは、ボルトの締め付け力によって、金属ガスケットに設けたフルビードやハーフビードが圧縮されて弾性変形する結果、それらビードの復元力によってデッキ面上にシール線が形成され、燃焼ガスや流体をシールしている。

例えば、図１２、図１３に示す従来の金属ガスケット６０では、燃焼ガスや流体のリークを防ぐために、金属基板６１に燃焼室孔６２ａ、冷却水孔６２ｂ、オイル孔６２ｃ、チャンバー孔部分６２ｄをそれぞれ設け、それらをシールするために、燃焼ガスシール用のフルビード６３ａで燃焼室孔６２ａを囲繞し、流体シール用のハーフビード６３ｂで冷却水孔６２ｂ、オイル孔６２ｃ、チャンバー孔部分６２ｄを囲繞している。そして、図１２に示すように、例えば２枚の金属基板６１を積層するに当たっては、シリンダーブロック及びシリンダーヘッドに挟み込んだ時に、その締付を阻害しないように設定されたハトメ孔６２ｅに、ブラスや銅グロメット等の筒状部を挿入し、それをかしめることによって多積層の金属ガスケット６０としている。

しかしながら、前述の金属ガスケット６０を高出力エンジン用のガスケットとして用いた場合、特に高出力エンジンでは、高圧化した燃焼ガスによってシリンダーヘッドが持ち上げられるヘッドリフト現象が発生しやすくなるため、シリンダーヘッドとシリンダーブロック間の隙間が大きくなる結果、金属ガスケット６０のフルビード６３ａの締付圧が低下し、燃焼ガスの漏れにつながることがあった。

このような問題に対応した金属ガスケットとしては、例えば特許文献１に示された金属ガスケット７０が知られている。この金属ガスケット７０は、図１４に示すように、シム板７４ｂと副板７４ａをレーザー溶接によって接合することで、総板厚の厚い部分Ｔ１と薄い部分Ｔ２（段差＝Ｔ１−Ｔ２）を備える段差調整板７４を形成し、これを、前述の金属基板６１と同様の構成となる金属基板７１のフルビード７３ａの間に、総板厚の厚い部分Ｔ１が基板のフルビード７３ａの幅Ｗの全域に亘るように配置して積層したものである。このような金属ガスケット７０を用いることで、金属基板７１に設けられたフルビード７３ａの締付圧が大きくなるので、シール性能を向上させることができる。

ところで、金属ガスケット７０の改善として、段差Ｔ１部を形成する金属基板７１より板厚が薄いシム板７４ｂを金属基板７１に固定するに当り、前述のブラスや銅グロメット等によるかしめの他、リベット、折り返し、剪断加工、溶接等の手法が用いられているが、何れの方法でも、結合部の板厚が結合部周辺の他の部位よりも厚くなる。このため、シリンダーヘッドとシリンダーブロックとの間に取り付けられた時、シリンダーヘッドとシリンダーブロックのデッキ面を損傷させないように、また、フルビードでの締付を阻害しないように、結合部を、シリンダーヘッド及びシリンダーブロックのウォータージャケットに対応する領域内に設ける必要がある。

一方、内燃機関エンジンの設計において、冷却水の通路となるウォータージャケットは、冷却水の必要流量に対し、それ以上流せることができる開口面積にしておき、エンジンの冷却に必要な流量は、シリンダーヘッドとシリンダーブロックの間に取り付けられる金属ガスケットの冷却水孔の孔径を変えることによって調節することが一般的である。また、エンジン全体を、均一且つ効率的に冷却することができるように、冷却水孔の位置を変更する場合もある。しかし、従来の金属ガスケット７０では、結合部もウォータージャケットに対応する領域内に設ける必要があることから、冷却水孔の位置が制約されてしまうという不具合があった。また、オープンデッキ構造のウォータージャケットを持つエンジンのみでなく、シリンダーヘッド側のクローズド構造をシリンダーブロック側にも採用したクローズドデッキ構造のエンジンの存在もあり、結合部がウォータージャケットに対応する領域内に限られる金属ガスケットでは、クローズドデッキ構造のエンジンには対応し辛いという課題もあった。更に、段差調整板７４の大きさは、ばらつき等を加味した上でフルビード７３ａの幅Ｗの全域に及んでいれば十分であるところ、結合部を設ける場合は、段差調整板７４をウォータージャケットまで広げる必要があることから、外径サイズが大きくなってコスト高の一因となっていた。

特開平０７−２４３５３１号公報

本発明は、このような従来の問題点を解決することを課題とするものであり、冷却水孔を設ける位置を妨げることなく、またクローズドデッキ構造のエンジンにも対応でき、更に小さい外形の段差調整板を用いることができるのでコスト削減を図ることが可能となる金属ガスケットを提供することを目的とするものである。

本発明は、金属基板と、該金属基板に重ね合わされてかしめによって固着される段差調整板とを備え、シリンダーボアを形成する環状体を設けたシリンダーブロック及び該シリンダーブロックに適合するシリンダーヘッドの相互間に装着する金属ガスケットにおいて、
かしめを施した結合部は、前記環状体に対応する環状領域内に位置し、
該結合部の厚みを、前記金属基板と前記段差調整板とを重ね合わせた総厚み以下とした金属ガスケットである。

前記段差調整板は、前記環状領域内に筒状部を有し、前記金属基板は、該筒状部に対応する係合孔を備え、該筒状部を該係合孔に挿入して該段差調整板と該金属基板とを重ね合わせた状態で、該係合孔の縁部とともに該筒状部の先端を径方向外側へ傾斜させてかしめることが好ましい。

また、本発明に従う金属ガスケットの製造方法は、
前記環状領域に対応する位置に下孔を形成した段差調整板素材を準備し、次いで、該下孔にポンチを挿入して前記金属基板の厚みよりも僅かに大きな突出高さとなる筒状部を設けて前記段差調整板を形成し、その後、該筒状部に対応する位置に係合孔を形成した前記金属基板を、該筒状部を該係合孔に挿入しつつ該段差調整板と重ね合わせ、しかる後、該筒状部へ挿入する突起部を有するとともに該突起部の根元にテーパー又はアールを設けた第１金型を、該段差調整板側に配置した第２金型に対して該筒状部の先端側から押し付けて、該係合孔の縁部とともに該筒状部の先端を径方向外側へ傾斜させてかしめるものである。

本発明の金属ガスケットにあっては、金属基板と段差調整板とをかしめによって固着する結合部の厚みが、金属基板と段差調整板とを重ね合わせた総厚み以下となっているので、結合部をウォータージャケットに対応する領域以外の部位に設けることができ、これにより、冷却水孔を設ける位置の自由度を増すことが可能となり、更に、面積が狭い段差調整板を用いることもできる。また、クローズドデッキ構造のエンジンへの適用も容易となる。

本発明に従う金属ガスケットの平面図である。図１に示すＢ部の拡大図である。図１中のＡ−Ａに沿う断面図、及びその一部の拡大断面図である。図１の金属ガスケットが載置されるシリンダーブロックの部分平面図である。図３に示す金属ガスケットを、図４に示すシリンダーブロックと、このシリンダーブロックに適合するシリンダーヘッドとの間に装着した状態を示す断面図である。段差調整板素材の部分平面図である。図６に示す段差調整板素材に筒状部を形成する状態を示す断面図である。段差調整板に金属基板を重ね合わせた状態を示す断面図である。図８に示す段差調整板と金属基板とをかしめる状態を示す断面図である。本発明に従う金属ガスケットの変形例を示す断面図である。本発明に従う金属ガスケットにつき、他の変形例を示す断面図である。従来の金属ガスケットを示す平面図である。図１２中のＹ−Ｙに沿う断面図である。従来の他の金属ガスケットを示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１、図２に示す金属ガスケット１は、図３に示すように、例えば板厚が０．２０〜０．２５ｍｍ程度のステンレス鋼板を素材とする金属基板２と、例えば板厚が０．０５〜０．０７ｍｍ程度のステンレス鋼板を素材とする、通常、金属基板２よりも薄い厚さとなる段差調整板３とを積層させた２層構造となる金属ガスケットである。

金属基板２は、当該金属ガスケット１が組み込まれる内燃機関において、その内燃機関のシリンダーブロックに形成した各シリンダーボアに対応して設けられる燃焼室孔２ａ（本実施形態では３個）と、各燃焼室孔２ａをそれぞれ囲繞し山形断面形状となるフルビード２ｂを備えている。また、フルビード２ｂの外側には、シリンダーブロックのウォータージャケット（オープンデッキ型の場合）又は冷却水孔（クローズドデッキ型の場合）、及びこのシリンダーブロックに適合するシリンダーヘッドに設けた冷却水孔に対応して形成される、複数の冷却水孔２ｃを備えていて、更にこれらの冷却水孔２ｃを全て一括りに囲繞する位置に、片斜面断面形状となるハーフビード２ｄを備えている。また、ハーフビード２ｄの外側には、複数のオイル孔２ｅを設けるとともに、シリンダーヘッドをシリンダーブロックに締め付け固定するヘッドボルトが挿通される複数のボルト孔２ｆを備えている。また、各オイル孔２ｅは、前述のハーフビード２ｄと同様の形状となるハーフビード２ｇで囲繞されている。

段差調整板３は、金属基板２の燃焼室孔２ａと同径となる燃焼室孔３ａを、本実施形態では３個備えていて、これらの燃焼室孔３ａを全て一括りに囲繞する形状をなしている。なお、段差調整板３の外縁３ｂは、後述するシリンダーブロックの環状体の外縁と略同形状となるように形成されている。

そして、金属基板２と段差調整板３とは、後述する方法に従うかしめを施した複数の結合部４で固着されている。図３の拡大図に示すように結合部４は、金属基板２と段差調整板３とを重ね合わせるとともに、段差調整板３から起立する筒状部３ｃを、金属基板２に設けた係合孔２ｈに挿入し、更に、係合孔２ｈの縁部とともに筒状部３ｃの先端を径方向外側へ傾斜させてかしめたものである。また、結合部４の厚みｔ４は、金属基板２（板厚ｔ２）と段差調整板３（板厚ｔ３）とを重ね合わせた総厚みｔ１以下に設定されている。

ところで、金属ガスケット１を取り付けるシリンダーブロックには、シリンダーボアを形成する環状体が設けられている。本実施形態では図４及び図５に示すように、シリンダーブロック１０とは別部品となる円筒状のシリンダースリーブ１２にてシリンダーボア１１を形成し、シリンダースリーブ１２は、シリンダーブロック１０に設けた環状嵌合部１３にて嵌合保持されている（シリンダースリーブ１２及び環状嵌合部１３の両方で前述の環状体を形成している）。また、環状嵌合部１３の径方向外側には、前述のウォータージャケット又は冷却水孔（以下、ウォータージャケット１４と称す）が設けられていて、前述のシリンダーヘッド（以下、シリンダーヘッド２０と称す）には、前述の冷却水孔（以下、冷却水孔２１と称す）を設けている。なお、環状嵌合部１３を設けずに、シリンダーブロック１０の基部に凹部を設け、この凹部でシリンダースリーブ１２を嵌合保持するようにしてもよい（シリンダースリーブ１２が前述の環状体となる）。また環状体は、別部品となるシリンダースリーブ１２を用いることなく、シリンダーブロック１０に一体連結するものであってもよい。

このようなシリンダーブロック１０及びシリンダーヘッド２０に対し、金属ガスケット１の結合部４は、図５及び図２に示すように、シリンダースリーブ１２及び環状嵌合部１３に対応する部位となる環状領域４ａ内に設けられる。

次に、前述の金属ガスケット１を製造する方法について説明する。まず、図６に示す段差調整板素材３０を準備する。段差調整板素材３０は、段差調整板３と同形状の外形に形成され、筒状部３ｃに相当する部位に下孔３０ｃを設けている。

続いて、図７に示すように、下孔３０ｃと対応する位置に円筒状のポンチ４０を備える下型４１と、ポンチ４０に適合する開口４２を有する上型４３との間に、段差調整板素材３０を載置し、プレス加工によって、下孔３０ｃの周辺部に筒状部３ｃを設けた段差調整板３を形成する。ここで、筒状部３ｃの突出高さｈ１（上型４３が接する段差調整板３の面から筒状部３ｃの先端までの高さ）は、前述の金属基板２の板厚ｔ２よりも僅かに大きくなっている（突出高さｈ１と板厚ｔ２との差をｈ２とする）。

そして、図８に示すように、筒状部３ｃに対応する位置に係合孔２ｈを設けた金属基板２を、係合孔２ｈに筒状部３ｃを挿入させつつ段差調整板３と重ね合わせる。その後、図９に示すように、重ね合わせた金属基板２及び段差調整板３を、筒状部３ｃの内径よりも僅かに小さい外径となる円筒状の突起部５０を有するとともに、突起部５０の根元にテーパー５１（角度は突起部５０の中心軸線に対して略４５度）を設けた第１金型５２と、突起部５０に適合する開口５３を有する第２金型５４との間に、段差調整板３が第２金型５４に接触するようにして配置し、突起部５０を筒状部３ｃに挿入させつつ、第１金型５２を第２金型５４に対して所要のストロークで移動させて、テーパー５１を筒状部３ｃの先端に押し付ける。これにより、図３の拡大図に示すように、係合孔２ｈの縁部とともに筒状部３ｃの先端を径方向外側へ傾斜させてかしめることができる。なお、テーパー５１に代えて、突起部５０の根元にアール（Ｒ）を設け、このアールにてかしめることも可能である。

まず、金属基板２としてＳＵＳ３０１−Ｈ（板厚ｔ２＝０．２０ｍｍ）を用い、段差調整板３としてＳＵＳ３０１−Ｈ（板厚ｔ３＝０．０５ｍｍ）を用いて、前述の方法にて図１に示す金属ガスケット１を製造した。この場合の突出高さｈ１と板厚ｔ２との差ｈ２は、０．０５ｍｍに設定した。そして、製造後の金属ガスケット１の総厚みｔ１と結合部４の厚みｔ４とを測定したところ、ｔ１とｔ４は同じ値であった。また、金属基板２に対して段差調整板３を相対的に抉じる、抉じり試験を行ったが、金属基板２と段差調整板３との外れは生じなかった。更に、感圧紙（富士フイルム製）を用いて結合部４とその周辺での面圧測定を行ったところ、結合部４とその周辺での差異はほとんど認められず、結合部４とその周辺で厚みの差が生じていないことが確認された。

更に、引き続いて蒸気冷熱試験を行った。内燃機関エンジンは周知にように、エンジンの運転と停止が頻繁に繰り変えされるために温度変化が大きく、且つその頻度も多く、その冷間熱間時の間でエンジン本体は膨張収縮を繰り返している。特に金属ガスケットは、シリンダーヘッドとシリンダーブロック間に介挿して使用されていることから、上記の冷熱サイクルによるエンジンの膨張収縮を直接受けるため、燃焼ガスリーク防止の他に、金属基板の変形防止に加えて、段差調整板の脱落、変形防止も長期的な補償の一つである。そこで、シリンダーヘッドとシリンダーブロックとの間に金属ガスケット１を装着し、蒸気と冷水とを交互にウォータージャケットに流入して、金属基板２からの段差調整板３の外れの有無と、金属基板２及び段差調整板３の変形の有無について調査を行った。

具体的には、熱間は高圧蒸気によって行われ、高圧蒸気をシリンダーヘッド側のインテークポートに設置された蒸気流入孔より燃焼室内に流入させるとともに、更にその一部の蒸気を冷却水孔に出入りさせてエンジン全域を一定時間加圧加熱する。また、冷間は冷水によって行われ、蒸気加圧を停止させると同時に、冷水をシリンダーブロック側のウォータージャケット流入孔より流入させるとともに、更に金属ガスケット１の冷却水孔を通してシリンダーヘッドへ流入させてエンジン全域を一定時間冷却する。そして、この熱間、及び冷間を１サイクルとして、これを所定のサイクル数繰り返したところ、金属基板２から段差調整板３が外れることはなく、また、結合部４の損傷や金属基板２及び段差調整板３の変形等も認められなかった。

更に、金属基板２と段差調整板３の材質、板厚の諸元は前述のものと同様の同じままで、突出高さｈ１と板厚ｔ２との差ｈ２を変化させた、他の金属ガスケットでも調査を行った。差ｈ２の値とともに調査の結果を表１に示す。

抉じり試験：
○＝金属基板と段差調整板の外れ無し
×＝金属基板から段差調整板が外れ
面圧試験：
○＝結合部と周辺部とで差異が認められない
×＝結合部と周辺部とで差異が認められる
蒸気冷熱試験：
○＝段差調整板の外れ、及び金属基板、段差調整板の変形無し
×＝段差調整板の外れ、又は金属基板、段差調整板の変形有り

表１に示すように、抉じり試験、面圧測定、蒸気冷熱試験の順で調査を行ったところ、比較例１、２では、抉じり試験にて段差調整板が外れてしまった。また、比較例３〜５では、抉じり試験は満足するものの、結合部での厚みが金属ガスケットの総厚みよりも大きくなっていた。一方、突出高さｈ１と板厚ｔ２との差ｈ２の値が０．０５〜０．０９ｍｍの範囲となる実施例１〜３では、抉じり試験、面圧測定、蒸気冷熱試験とも結果が良好であることが確認された。そして、同材質で板厚ｔ２を０．２０〜０．２５ｍｍの範囲で変更した金属基板２を用いるとともに、同材質で板厚ｔ３を０．０５〜０．０７ｍｍの範囲で変更した段差調整板３を用いる場合も、結果は同様であった。

なお、本発明は、前述の２層構造となる金属ガスケット１に限られず、例えば図１０に示すように、金属ガスケット１の金属基板２と対称形状となる金属基板２Ａ用いて、金属基板２と金属基板２Ａとの間に段差調整板３を挟み込んだ３層構造となる金属ガスケット１Ａや、図１１に示すように、金属基板２に対してフルビード２ｂ及びハーフビード２ｄの突出する向きを逆にした金属基板２Ｂ、及びこの金属基板２Ｂと対称形状となる金属基板２Ｃを用いて、金属基板２Ｂと金属基板２Ｃとの間に段差調整板３Ａを挟み込んだ、別の３層構造となる金属ガスケット１Ｂを用いることもできる。なお、図示の例で段差調整板３Ａは金属基板２Ｃに沿って屈曲しているが、段差調整板３と同様に元々平板であるところ、金属基板２Ｂ、２Ｃに対して薄く剛性が低いことから、金属基板２Ｃに倣って屈曲したものである。

本発明によれば、冷却水孔を設ける位置を妨げることなく、またクローズドデッキ構造のエンジンにも対応でき、更に面積が狭い段差調整板を用いることができるのでコスト削減にも寄与する金属ガスケットを提供することができる。

１金属ガスケット
２金属基板
２ａ燃焼室孔
２ｂフルビード
２ｃ冷却水孔
２ｄハーフビード
２ｅオイル孔
２ｆボルト孔
２ｇハーフビード
２ｈ係合孔
３段差調整板
３ａ燃焼室孔
３ｂ外縁
３ｃ筒状部
４結合部
４ａ環状領域
１０シリンダーブロック
１１シリンダーボア
１２シリンダースリーブ（環状体）
１３環状嵌合部（環状体）
１４ウォータージャケット
２０シリンダーヘッド
２１冷却水孔
３０段差調整板素材
３０ｃ下孔
４０ポンチ
４１下型
４２開口
４３上型
５０突起部
５１テーパー
５２第１金型
５３開口
５４第２金型

Claims

金属基板と、該金属基板に重ね合わされてかしめによって固着される段差調整板とを備え、シリンダーボアを形成する環状体を設けたシリンダーブロック及び該シリンダーブロックに適合するシリンダーヘッドの相互間に装着する金属ガスケットにおいて、
かしめを施した結合部は、前記環状体に対応する環状領域内に位置し、
該結合部の厚みを、前記金属基板と前記段差調整板とを重ね合わせた総厚み以下とした金属ガスケット。
前記段差調整板は、前記環状領域内に筒状部を有し、前記金属基板は、該筒状部に対応する係合孔を備え、該筒状部を該係合孔に挿入して該段差調整板と該金属基板とを重ね合わせた状態で、該係合孔の縁部とともに該筒状部の先端を径方向外側へ傾斜させてかしめた請求項１に記載の金属ガスケット。
請求項１に記載した金属ガスケットの製造方法であって、
前記環状領域に対応する位置に下孔を形成した段差調整板素材を準備し、次いで、該下孔にポンチを挿入して前記金属基板の厚みよりも僅かに大きな突出高さとなる筒状部を設けて前記段差調整板を形成し、その後、該筒状部に対応する位置に係合孔を形成した前記金属基板を、該筒状部を該係合孔に挿入しつつ該段差調整板と重ね合わせ、しかる後、該筒状部へ挿入する突起部を有するとともに該突起部の根元にテーパー又はアールを設けた第１金型を、該段差調整板側に配置した第２金型に対して該筒状部の先端側から押し付けて、該係合孔の縁部とともに該筒状部の先端を径方向外側へ傾斜させてかしめた、金属ガスケットの製造方法。