JP6666584B2 - シール構造 - Google Patents

Description

本発明は、一対の部材間をシールするシール構造に関する。

車両用のエンジンは、シリンダヘッドにシリンダカバーが取り付けられる。このシリンダヘッドとシリンダカバーはそれぞれのフランジ部にガスケットを設けて隙間をシールし、その状態で締結部材により締結することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

シリンダヘッドとシリンダカバーは、複数本の締結部材により行われるが、それらの接触面同士の面圧は、締結部材の近傍が最も高く、締結部材から離れるほど低くなる。したがって、隣り合う２つの締結部材の中間では接触面同士の面圧が最も低くなる。

締結部材の中間における面圧を向上させるためには、締結部材同士の間隔を狭めることにより実現できる。しかしながら、締結部材同士の間隔を狭めると、必要な締結部材の個数が増えてコストの増大を招き、また、組み立て作業の工数も増大してしまう。

従来技術では、締結部材の必要本数を増やさずに、締結部材の間における接触面の面圧低下を防いで確実にシールをすることができなかった。

なお、このような問題は、車両用のエンジンにおけるシリンダヘッドとシリンダカバーとのシール構造に限らず、一対の部材を接合してその接触面をシールし、締結部材で固定する任意の構造等においても存在する。

特開２００６−１８３７８８号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、締結部材の必要本数の増加を抑え、締結部材の間における接触面の面圧低下を防いで確実にシールをすることができるシール構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、互いに接触する接触面を有する第１部材及び第２部材と、前記第１部材及び前記第２部材を締結する複数の締結部材と、前記第１部材及び前記第２部材の前記接触面の少なくとも一方に設けられた溝部とを備え、前記溝部は、隣り合う２つの前記締結部材の間に亘って連続的に形成され、前記溝部の開口幅は、隣り合う２つの前記締結部材のそれぞれから前記締結部材の中間に向けて拡がっていることを特徴とするシール構造にある。

第１の態様では、溝部が設けられていない場合と比較して、第１部材と第２部材との面
圧が均等化され、シール性が向上している。また、溝部を設けることにより面圧の均等化
が実現されるので、従来のように２つの締結部材間を狭めて面圧を向上させる必要がない
。したがって、締結部材の本数を増やして面圧を確保する場合に比較して、コストや締結
部材を取り付ける工数を抑制することができる。
また、第１部材及び第２部材間の面圧分布をより確実に均等化することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載するシール構造おいて、前記接触面のうち前記溝部よりも内側の内側接触面の面積は、前記接触面のうち前記溝部よりも外側の外側接触面の面積と等しいことを特徴とするシール構造にある。

第２の態様では、溝部の内側と外側とで面圧分布のばらつきを抑えられ、第１部材及び第２部材のシール性をより一層向上させることができる。

本発明の第３の態様は、第２の態様に記載するシール構造おいて、前記溝部の深さは、幅方向の外側から内側に向けて浅くなっており、前記溝部には、液体ガスケットが設けられていることを特徴とするシール構造にある。

第３の態様では、溝部内の液体ガスケットは、幅方向の中央付近において高い圧力で第１部材及び第２部材に接触することになるので、液体ガスケットによってシール性を一層向上させることができる。

本発明によれば、締結部材の必要本数の増加を抑え、締結部材の間における接触面の面圧低下を防いで確実にシールをすることができるシール構造が提供される。

車両用のエンジンの概略図である。 シリンダヘッドの一部を示す平面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 図２のＢ−Ｂ線断面図である。 面圧分布を示すシリンダヘッドの一部を示す平面図である。 シリンダヘッドの一部を示す平面図である。 シリンダヘッドの一部を示す平面図である。 シリンダヘッドの一部を示す平面図である。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。なお、実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。

〈実施形態１〉
本実施形態では、本発明のシール構造の一例として、シリンダヘッド及びシリンダヘッドカバーを備えるエンジンについて説明する。図１は車両用のエンジンの概略図であり、図２はシリンダヘッドの一部を示す平面図であり、図３は図２のＡ−Ａ線断面図、図４は図２のＢ−Ｂ線断面図である。

エンジン１は、シリンダヘッド（図示せず）が一体化されたシリンダブロック２と、シリンダヘッドに取り付けられるシリンダヘッドカバー４とを備えている。シリンダヘッドは請求項の第１部材の一例であり、シリンダヘッドカバー４は請求項の第２部材の一例である。シリンダヘッド及びシリンダヘッドカバー４は何れも金属材料から形成されているが、特に材料に限定はない。

シリンダヘッドは、上部にヘッドフランジ部５を有し、シリンダヘッドカバー４は、下部にカバーフランジ部６を有している。これらのヘッドフランジ部５及びカバーフランジ部６は、互いに接触するように形成されている。ヘッドフランジ部５がカバーフランジ部６に接触する面を第１接触面７とする。また、カバーフランジ部６がヘッドフランジ部５に接触する面を第２接触面８とする。

ヘッドフランジ部５及びカバーフランジ部６は、第１接触面７及び第２接触面８が接触することで、シリンダヘッドとシリンダヘッドカバー４で囲まれた空間が密封されるようになっている。本実施形態では、ヘッドフランジ部５及びカバーフランジ部６は、略長方形状であるが、形状に特に限定はない。

ヘッドフランジ部５には、複数の第１貫通孔５ａが設けられている。またカバーフランジ部６には、複数の第２貫通孔６ａが設けられている。第１貫通孔５ａ及び第２貫通孔６ａは連通して一本の貫通孔９となっている。この貫通孔９には一本のボルト１０が挿通される。なお、貫通孔９の個数に特に限定はない。

ヘッドフランジ部５及びカバーフランジ部６は、第１接触面７及び第２接触面８が接触している。この状態で、ボルト１０がカバーフランジ部６側から各貫通孔９に挿通されている。そして、ヘッドフランジ部５側からナット１１が各ボルト１０に締め付けられている。このような締結部材の一例である複数のボルト１０及びナット１１が適宜間隔を空けて配置されており、各ボルト１０による軸力（締め付け力）により、シリンダヘッド及びシリンダヘッドカバー４が締結（固定）されている。

互いに接触する第１接触面７及び第２接触面８のうち少なくとも一方には、隣り合う２つのボルト１０の間に溝部２０が設けられている。本実施形態では、ヘッドフランジ部５の第１接触面７に溝部２０が設けられている。もちろん、第２接触面８に溝部２０が設けられていてもよいし、第１接触面７及び第２接触面８の双方に互いに対向するように溝部２０を設けてもよい。

また、溝部２０は、隣り合う２つのボルト１０の間に亘って連続的に形成されている。すなわち、溝部２０は２つのボルト１０の間に亘って切れ目なく設けられており、溝部２０の両端は、図２の平面視においてほぼボルト１０に接触する位置となっている。

溝部２０の開口幅をｄとする。開口幅ｄは、図２の平面視において各ボルト１０の中心を通る線（中心線と称する。図２ではＡ−Ａ線が中心線に相当する。）に直角な方向の幅である。この開口幅ｄは、隣り合う２つのボルト１０のそれぞれから、２つのボルト１０の中間Ｐに向い拡がっている。したがって、溝部２０の開口形状はほぼ菱形状となっている。

また、第１接触面７のうち溝部２０によって分けられた２つの領域を内側接触面７ａ、外側接触面７ｂとする。図２のハッチは内側接触面７ａ及び外側接触面７ｂを示している。

具体的には、内側接触面７ａは、第１接触面７のうち、上述した中心線に直角であり、各ボルト１０の中心を通る直線Ｓ及び直線Ｔの間であり、かつ溝部２０よりも内側の領域である。溝部２０より内側は、シリンダヘッド及びシリンダヘッドカバー４とで区画された内部空間側を意味している。

外側接触面７ｂは、第１接触面７のうち、直線Ｓ及び直線Ｔの間であり、かつ溝部２０よりも外側の領域である。溝部２０より外側は、シリンダヘッド及びシリンダヘッドカバー４の外側を意味している。

溝部２０は、内側接触面７ａの面積と外側接触面７ｂの面積とが等しくなるように、形成されている。

また、溝部２０の深さは、図４に示すように、幅方向の外側から内側に向けて浅くなっている。すなわち、溝部２０の中央が浅く、両側が深くなっている。このような溝部２０には、液体ガスケット３０が充填されている。

液体ガスケット３０は、第１接触面７及び第２接触面８に液体の状態で塗布され、その後の加熱や空気中の水分の吸収により硬化して弾性体となる材料である。具体的には、液体ガスケット３０としてはシリコーンを主成分とするもの等が挙げられる。

以上に説明した構成のエンジン１における作用効果について説明する。

ここで、仮に第１接触面７に溝部２０が設けられていないとする。また、第１接触面７と第２接触面８との接触面積をＲ、軸力をＦとすると、第１接触面７と第２接触面８との面圧ＹはＦ／Ｒである。上述したように、隣り合う２つのボルト１０は適宜間隔を空けて配置されているため、軸力は、ボルト１０から遠ざかるほど小さくなり、二つのボルト１０の中間Ｐで最も低くなる。したがって、面圧についてもボルト１０近傍が最も高く、中間Ｐでもっとも低くなり、均等な面圧分布とはならない。

図５を用いて詳細に説明する。図５は、面圧分布を示すシリンダヘッドの一部を示す平面図である。図５（ａ）の各弧Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３は、左側のボルト１０による軸力が等しい位置を示している。軸力が等しい位置は、ボルト１０の中心から弧状に分布する。左側のボルト１０から遠くなるほど軸力が低下するので、Ｆ１＞Ｆ２＞Ｆ３という関係にある。一方、各弧Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３を含む微小な領域をＲ１、Ｒ２、Ｒ３とし、これらはほぼ同じ面積とする。

したがって、それらの領域Ｒ１〜Ｒ３の単位面積当たりの面圧Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３は、Ｆ１／Ｒ１、Ｆ２／Ｒ２、Ｆ３／Ｒ３となり、Ｙ１＞Ｙ２＞Ｙ３という関係にある。つまり、溝部２０が設けられていない場合では、面圧は軸力の分布がそのまま反映され、均等ではない。

一方、図５（ｂ）に示すように、本実施形態においては、第１接触面７に溝部２０が設けられ、開口幅ｄがボルト１０近傍で最も狭く、中間Ｐに向かうほど幅が広くなっている。換言すれば、第１接触面７と第２接触面８との接触面積は、ボルト１０近傍で広く、中間Ｐに向かうほど狭くなっている。

具体的には、図５（ａ）の領域Ｒ１は図５（ｂ）では溝部２０で分断され、少なくともＲ１の面積より小さい。Ｒ２、Ｒ３についても同様である。この分断された領域の面積をそれぞれＲ１’、Ｒ２’、Ｒ３’とする。これらは、中間Ｐに近いほど、接触面積が狭くなっているので、Ｒ１’＞Ｒ２’＞Ｒ３’という関係にある。

その関係を満たすように、領域Ｒ１’、Ｒ２’、Ｒ３’の面積を適宜調整することで、軸力がＦ１＞Ｆ２＞Ｆ３という関係であっても、面圧をＹ１＝Ｙ２＝Ｙ３とすることができる。もしくはＹ１、Ｙ２、Ｙ３のばらつきを、溝部２０が設けられていない場合よりも小さくすることができる。

上述した領域Ｒ１’、Ｒ２’、Ｒ３’の面積の調整は、溝部２０の形状を調整することと同じである。特に本実施形態の溝部２０は、ボルト１０の間に亘り連続的に形成され、開口幅ｄもボルト１０から中間Ｐに向けて徐々に拡張している。このような形状の溝部２０は、上述したような面圧を等しくし易い形状である。換言すれば、そのような溝部２０の形状を採用することで、面圧分布をより確実に均等化することができる。

このように本実施形態に係るエンジン１では、溝部２０が設けられていない場合と比較して、ヘッドフランジ部５とカバーフランジ部６との面圧が均等化され、シール性が向上している。

また、本実施形態のエンジン１では、溝部２０を設けることにより面圧の均等化が実現されるので、従来のように２つのボルト１０の間を狭めて面圧を向上させる必要がない。したがって、ボルト１０の本数が増やして面圧を確保する場合に比較して、コストやボルト１０を取り付ける工数を抑制することができる。

なお、隣り合う２つのボルト１０を一組としたとき、全ての組についてボルト１０の間に溝部２０を設けてもよいし、任意の組についてボルト１０の間に溝部２０を設けてもよい。少なくとも１つの組についてボルト１０の間に溝部２０が設けられていればよい。全ての組についてボルト１０の間に溝部２０が設けられていることが好ましい。全ての組についてボルト１０の間に溝部２０が設けられていることで、ヘッドフランジ部５及びカバーフランジ部６の全周に亘って面圧を均等化し、シール性を向上させることができるからである。

なお、溝部２０は、隣り合う２つのボルト１０間に亘って連続し、開口幅ｄがボルト１０近傍から中間Ｐに向けて拡がる形状であったが、このような態様に限定されない。溝部２０は、開口形状に限定はなく、２つのボルト１０の間に設けられていればよい。例えば、２つのボルト１０から所定の間隔を空けた中間Ｐの近傍に任意の形状の溝部２０を設けてもよい。２つのボルト１０間において軸力が低下しても、その間の溝部２０により接触面積は縮小するので面圧の低下を抑制できる。これにより、面圧を均等化し、シール性を向上させることができる。

また、溝部２０は隣り合う２つのボルト１０間に１つである必要はなく、複数個あってもよい。この場合、特に図示しないが、２つのボルト１０間に亘って連続し、開口幅ｄが中間Ｐに向けて徐々に拡がった溝部２０を、適宜分断して複数の溝部とすることが好ましい。このような複数の溝部であれば、上述した溝部２０とほぼ同等の作用効果を奏する。

また、第１接触面７においては、内側接触面７ａの面積と外側接触面７ｂの面積とは同面積とした。これにより、内側接触面７ａにおける面圧分布と、外側接触面７ｂにおける面圧分布は、ほぼ等しくなる。これにより、溝部２０の内側と外側とで面圧分布のばらつきを抑えられ、ヘッドフランジ部５及びカバーフランジ部６のシール性をより一層向上させることができる。

なお、内側接触面７ａの面積と外側接触面７ｂの面積とは同面積である必要はなく、異なっていてもよい。例えば、内側接触面７ａの面積を外側接触面７ｂの面積よりも狭くしてもよい。これにより、内側接触面７ａを外側接触面７ｂよりも高い面圧とすることができる。もちろん、内側接触面７ａの面積を外側接触面７ｂの面積より広くしてもよい。

また、図３に示すように、溝部２０には、液体ガスケット３０が充填されている。この液体ガスケット３０は、溝部２０内に液状の状態で塗布される。そして完全に固体に硬化する前に、第１接触面７及び第２接触面８を接触させ、ボルト１０により締結され、その後、固体に硬化したものである。

一方、溝部２０は、幅方向において中央が浅く、両側が深くなるように底部に傾斜が設けられている。このため、液体ガスケット３０は、幅方向の中央が両側よりも高い圧力が掛かった状態で硬化する。

このように、溝部２０内の液体ガスケット３０は、幅方向の中央付近において高い圧力でヘッドフランジ部５及びカバーフランジ部６に接触することになるので、液体ガスケット３０によってシール性が一層向上する。

特に速乾性の液体ガスケット３０を用いた場合に、上述したような液体ガスケット３０の中央付近を高い圧力にすることができる。もちろん、速乾性ではない液体ガスケット３０を用いた場合でも液体ガスケット３０によるシール性の向上は可能である。硬化速度が遅い液体ガスケット３０を用いる場合、溝部２０に液体ガスケット３０を塗布し、第１接触面７及び第２接触面８を接触させ、ボルト１０により締結すると、液体ガスケット３０はほぼ液体であるので均等な圧力分布となる。この状態で硬化した液体ガスケット３０には、溝部２０内に閉じ込められることになるのでポンピング作用により反発力が生じる。この反発力により、液体ガスケット３０の溝部２０及び第２接触面８への面圧を向上させることができる。

〈実施形態２〉
実施形態１においては、２つのボルト１０の間は、直線状であったがこのような態様に限定されない。曲線や弧状であっても本発明を適用することができる。図６〜図８は、変形例に係るエンジンのシリンダヘッド（ヘッドフランジ部）の一部を示す平面図である。ここでは、シリンダヘッドのヘッドフランジ部５が平面視で弧状となっている場合について説明する。

図６に示すように、ヘッドフランジ部５は、比較的半径の小さな弧状となっており、所定の間隔を空けてボルト１０が締結されている。このようなヘッドフランジ部５の第１接触面７には、三角形状の溝部２０Ａが設けられている。

隣り合う２つのボルト１０の互いに最も距離が近い頂点同士を結んだ直線をＬとする。半径が小さな弧状のヘッドフランジ部５においては、直線Ｌを最長辺とする三角形状（二等辺三角形）に開口した溝部２０Ａとする。また、溝部２０Ａの開口幅ｄは、２つのボルト１０の中心を通る円弧Ｕに直角な方向における幅とする。さらに、円弧Ｕにおけるボルト１０の中間をＰとする。

このように三角形状に開口した溝部２０Ａは、隣り合うボルト１０に亘って連続に設けられている。すなわち、溝部２０Ａの両端は各ボルト１０にほぼ接触している。また、開口幅ｄは、各ボルト１０側から中間Ｐに向かうにつれて徐々に拡がっている。換言すれば、溝部２０Ａにより、２つのボルト１０間の接触面積が中間Ｐに向かうにつれて連続的に狭くなっている。したがって実施形態１及び図５で説明したのと同様に、溝部２０Ａによりボルト１０間の面圧分布を均等化することができる。

また、第１接触面７のうち溝部２０Ａによって分けられた２つの領域を内側接触面７ａと、外側接触面７ｂとする。図６のハッチは内側接触面７ａ及び外側接触面７ｂの概略位置を示している。

具体的には、内側接触面７ａは、第１接触面７のうち、円弧Ｕに直角であり、各ボルト１０の中心を通る直線Ｓ及び直線Ｔの間であり、かつ溝部２０Ａよりも内側の領域である。溝部２０より内側は、円弧Ｕの中心側を意味している。

外側接触面７ｂは、第１接触面７のうち、円弧Ｕに直角であり、直線Ｓ及び直線Ｔの間であり、かつ溝部２０Ａよりも外側の領域である。溝部２０より外側は、円弧Ｕの中心とは反対側を意味している。

溝部２０Ａは、内側接触面７ａの面積と外側接触面７ｂの面積とが等しくなるように、形成されている。これにより、実施形態１と同様の作用効果を奏する。もちろん、内側接触面７ａと外側接触面７ｂの面積は等しくなくてもよい。

図７に示すように、ヘッドフランジ部５は、図６よりも半径が長い弧状となっており、所定の間隔を空けてボルト１０が締結されている。このようなヘッドフランジ部５の第１接触面７には、台形状の溝部２０Ｂが設けられている。台形状の点をそれぞれＡ，Ｂ、Ｃ、Ｄとする。線分ＡＢと線分ＣＤとは平行とする。

このように三角形状に開口した溝部２０Ｂは、隣り合うボルト１０に亘って連続に設けられている。また、開口幅ｄは、各ボルト１０側から中間Ｐに向けて徐々に拡がっているか、拡がった幅が維持されている。換言すれば、溝部２０Ｂにより、２つのボルト１０間の接触面積が中間Ｐに向かうにつれて連続的に狭くなっているか、狭くなった接触面積が維持されている。したがって、実施形態１及び図５と同様に、溝部２０Ｂによりボルト１０間の面圧分布を均等化することができる。なお、内側接触面７ａと外側接触面７ｂについては、図６と同様であるので説明は省略する。

図８に示すように、ヘッドフランジ部５は、図７よりも半径が長い弧状となっており、所定の間隔を空けてボルト１０が締結されている。このようなヘッドフランジ部５の第１接触面７には、六角形の溝部２０Ｃが設けられている。六角形の点をそれぞれＡ，Ｂ、Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆとする。線分ＡＢと線分ＤＥとは平行とする。

溝部２０Ｃは、隣り合う２つのボルト１０の最も近い頂点を結んだ直線が内側の円弧Ｖに交差してしまう場合に用いることが好ましい。換言すれば、溝部２０Ｃは、内側の円弧Ｖに交差しないように、点Ｄ、点Ｅで六角形の内側に窪ませた六角形の開口形状を有しいている。

このように六角形状に開口した溝部２０Ｃは、隣り合うボルト１０に亘って連続に設けられている。また、開口幅ｄは、各ボルト１０側から中間Ｐに向けて徐々に拡がっているか、拡がった幅が維持されている。換言すれば、溝部２０Ｃにより、二つのボルト１０間の接触面積が中間Ｐに向かうにつれて連続的に狭くなっているか、狭くなった接触面積が維持されている。したがって、実施形態１及び図５と同様に、溝部２０Ｃによりボルト１０間の面圧分布を均等化することができる。なお、内側接触面７ａと外側接触面７ｂについては、図６と同様であるので説明は省略する。

〈他の実施形態〉
以上、本発明の一実施形態について説明したが、勿論、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。

実施形態１及び実施形態２では、溝部２０、溝部２０Ａ、溝部２０Ｂ、溝部２０Ｃは、菱形、三角形、台形、六角形の形状であったが、これらの形状に限定されず、任意の開口形状を採用することができる。

実施形態１では、溝部２０の深さは中央が浅くなるように傾斜が設けられていたが、このような態様に限定されない。平坦な底部を有する溝部２０であってもよい。

実施形態１では、溝部２０内に液体ガスケット３０が設けられていたが、これに限定されず、液体ガスケット３０を用いなくてもよい。

また、実施形態１及び実施形態２では、シール構造の一例として、シリンダヘッド及びシリンダヘッドカバー４を備える車両のエンジン１を例に取り説明したが、これに限定されない。二部材を接合し、それらの間にシールを設け、締結部材で締結する構造に広く適用できる。例えば、車両に搭載されるトランスミッション装置やデファレンシャル装置のケースの結合面等が挙げられる。

本発明は、自動車の産業分野の他、締結部材で締結される二部材の接合体からなり、それらの間がシールされた装置を製造、使用する産業分野において利用することができる。

１…エンジン（シール構造）、２…シリンダブロック（第１部材）、４…シリンダヘッドカバー（第２部材）、５…ヘッドフランジ部、６…カバーフランジ部、７…第１接触面、７ａ…内側接触面、７ｂ…外側接触面、８…第２接触面、１０…ボルト（締結部材）、１１…ナット（締結部材）、２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ…溝部、３０…液体ガスケット

Claims (3)

1. 互いに接触する接触面を有する第１部材及び第２部材と、
   前記第１部材及び前記第２部材を締結する複数の締結部材と、
   前記第１部材及び前記第２部材の前記接触面の少なくとも一方に設けられた溝部とを備え、
   前記溝部は、隣り合う２つの前記締結部材の間に亘って連続的に形成され、
   前記溝部の開口幅は、隣り合う２つの前記締結部材のそれぞれから前記締結部材の中間に向けて拡がっている
   ことを特徴とするシール構造。
2. 請求項１に記載するシール構造おいて、
   前記接触面のうち前記溝部よりも内側の内側接触面の面積は、前記接触面のうち前記溝部よりも外側の外側接触面の面積と等しい
   ことを特徴とするシール構造。
3. 請求項２に記載するシール構造おいて、
   前記溝部の深さは、幅方向の外側から内側に向けて浅くなっており、
   前記溝部には、液体ガスケットが設けられている
   ことを特徴とするシール構造。

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