JP3907618B2 - 金属積層形ガスケット - Google Patents

Description

本発明は、二枚の表面板と一枚の中間板を有する金属積層形ガスケットに関するものであり、より詳細には、シール穴の周囲において、二次シールを強化した金属積層形ガスケットに関するものである。

内燃機関のシリンダヘッドとシリンダブロックの接合部や、内燃機関のその他の各接合部分や、管の継ぎ手部分等に使用するガスケットとして、シール手段を形成した金属薄板を積層した金属積層形ガスケットが使用されている。

自動車搭載の内燃機関、特に小型ディーゼルエンジンにおいては、エンジンの小型化、軽量化が進み、比較的剛性の弱いアルミ合金等でシリンダヘッドやシリンダブロックが形成されるようになって来ており、エンジンの高出力化に伴うシリンダ内圧力Ｐｍａｘの上昇と共に、シリンダヘッドの変形が問題となってきている。

このシリンダヘッドの変形は、締結ボルトの近傍では小さく、締結ボルトから離れるに連れて大きくなり、又、大きな燃焼圧力が作用するシリンダボアの中心に近付く程大きくなっている。

このシリンダヘッドの変形に追従しながら、十分なシール性能を確保するためには、シリンダボア穴周囲において、一次シールのみならず、二次シールを効果的に設けることが必要となる。特に、シリンダボアの周囲の部分的な変形を考えると、中心側の変形の方が大きく外周側が小さくなるので、この傾斜した変形に追従するような、シール面圧が内側が大きく外側に向かって段階的に小さくなる面圧分布を得ることが重要となる。

一方、金属積層形ガスケットにおいても、エンジンの小型化、軽量化、低コスト化に従って、積層枚数が減少し、採用できるシール手段も単純化されて来ており、比較的単純な構成の金属積層形ガスケットとして、二枚の表面板と一枚の中間板からなる金属積層形ガスケットがある。

この三枚の金属板の金属積層形ガスケットで、小型エンジンのシリンダヘッド及びシリンダブロックの部分変形に対応するための、二次シーリングを段階的に強化した幾つかのシリンダヘッドガスケットを構成してみた。

このシリンダヘッドガスケットでは、シリンダボア等のシール穴に対して、一次シールを有すると共に、この一次シールの外側に二次シールを有し、この二次シールの面圧分布を、内側が最も高く、外側が順次低くなる階段状の面圧分布にすることを目標とした。

この例として、図６に示すような金属積層形ガスケットやこれを変形した図７に示すような金属積層形ガスケットが検討された。

これらの金属積層形ガスケットでは、第１表面板の段部の内周側に第１ビードを設けて一次シールを形成し、この第１ビードを高温の燃焼ガス等から保護するために、第２表面板を折り返して、この折り返し片の外周縁を、第１表面板の段部に対向させた。

また、二次シールを形成するために、図６および図７の従来のガスケットでは第２ビード７１（図６）を中間板７０に形成したり、シム８０（図７）を、中間板７０Ａ上に配置し、この中間板７０，７０Ａを第１表面板５０と第２表面板６０との間に配置するために、第１表面板５０において第１ビード５１と第２ビード７１の間に段部５２を形成し、この段部５２の外周側に第２ビード７１やシム８０を配置している。

しかしながら、これらの図６及び図７に示す金属積層板ガスケット５、５Ａにおいては、第１表面板５０の段部５２をなだらかに屈曲させて、第１ビード部分５１を第２表面板６０の折り返し片６１の下に潜らせているため、ガスケット５、５Ａを締め付けても、この段部５２に大きな面圧を発生させることができない。

そのため、この二次シーリング強化方法では、図６及び図７に示す面圧分布Ｐのように、中央が大きな面圧となる山形タイプや平坦な面圧となる矩形タイプとなってしまい、図８に示すような、最近の剛性が比較的小さくなってきたシリンダヘッドのように、シリンダボア２の中心側がシリンダブロック９と離れ、この変形がシリンダボア２の外側に向かって小さくなる変形、つまり、傾斜を生じる変形が発生する場合には十分なシール効果を得ることができないという問題がある。

一方、本発明者は、第２表面板の折り返し部に近接する、第１表面板の段部において、第１表面板を断面形状がクランク状又はＺ状になるように段状に折り曲げて屈曲部を形成することにより、この段部に大きなシール面圧を発生させた金属積層形ガスケットを提案しており、これを応用することを考えた（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１０−３８０８６号公報

本発明は、上述の問題を解決すべくなされたものであり、その目的は、シール穴を囲む折り返し片に収容された第１ビードで発生する一次シールと、この第１シールの周囲に、内側から外側に階段状に低下する面圧分布を持つ二次シールを発生させることができる金属積層形ガスケットを提供することにある。

以上の目的達成するための本発明の金属積層形ガスケットの構成は、次のように構成される。

１）二枚の表面板と一枚の中間板とからなる金属積層形ガスケットであって、第１表面板のシール穴を囲む第１ビードの上に、該シール穴の周囲で折り返した第２表面板の折返し片を重ねると共に、該折返し片の外周縁に近接して、断面形状がクランク状又はＺ状になるように折り曲げて、前記折返し片の高さより高く形成した前記第１表面板の屈曲部１２を配置し、更に、該屈曲部に隣接して前記中間板に設けた第２ビードを配置して構成される。

この第１ビードと第２ビードは通常はフルビードで形成するが、これに限定されることなく、ハーフビードでも良く、フルビードとハーフビードの組合せであっても良い。

なお、クランク状とは、屈曲部の上下の曲がり角度が略直角であることをいい、Ｚ状とは屈曲部の上下の曲がり角度が９０度を超えていることをいうが、曲がり部に丸み（Ｒ）が付いていてもよい。

そして、図３に示すように屈曲部１２の屈曲高さＨ２を折返し片の高さＨ１よりΔＨの分高く形成すると、ガスケットを締め付けた時に、屈曲部１２が折返し片２１の外周縁２１ａと第２ビード３１との間で圧縮され、この屈曲部１２の圧縮に対する反力が発生し、この部分にシール性能を向上させる高い面圧が発生する。この屈曲高さＨ２あるいは段差ΔＨは、要求される面圧が得られるように適宜選定及び設定されることになる。

この構成によれば、第１表面板の第１ビードにより、一次シールを形成でき、この一次シールで発生させる面圧の大きさ及び分布は、第１表面板の材質と第１ビードの形状によって決定でき、また、第２表面板の折返し片でこの第１ビードを燃焼ガス等から保護できる。

そして、第１表面板の屈曲部により大きな面圧を発生し、この面圧を中間板の第２ビードで発生する面圧に連続させることができる。この屈曲部で発生する面圧は、第１金属板の材質と屈曲部の形状によって決まり、これに連続する面圧は中間板の材質と第２ビードの形状によって決まる。

２）そして、更に、前記第１表面板において、前記第２ビードの外周を囲むハーフビードからなる第３ビードを設けて構成する。

この構成によれば、中間板の第２ビードを第１表面板の段部と第３ビードの間に抱持して、この部分の面圧を、より大きな面圧にすることができる。この面圧は中間板の材質と第２ビードの形状のみでなく、第１表面板の材質と第３ビードの形状及びその第３ビードと第２ビードの位置関係によって決まることになる。 特に、第３ビードの存在により、二次シールの外周側の面圧がなだらかに変化するのを防止して、シール効果を向上させることができる。

３）そして、上記の金属積層形ガスケットにおいて、前記中間板をバネ鋼材で形成する。この構成により、二次シールのへたりを防止でき、第２ビードにスプリング作用をより効果的に発揮させることができる。

以上説明したように本発明の金属積層形ガスケットによれば、シール穴を囲む折り返し片に収容された第１ビードで発生する一次シールと、この一次シールの周囲に、内側から外側に階段状に低下する面圧分布を持つ二次シールを発生させることができる。

そして、一次シールで発生させる面圧の大きさ及び分布は、第１表面板の材質と第１ビードの形状によって決定でき、二次シールで第１表面板の屈曲部と中間板の第２ビードにより発生させる面圧の大きさ及び分布は、第１金属板の材質と屈曲部、及び、中間板の材質と第２ビードの形状によって決定できる。

そのため、剛性が比較的小さく、シリンダボアの中心側がシリンダブロックと離れ、シリンダボアの外側に向かって小さくなる、傾斜変形が発生するシリンダヘッド等に対しても、十分に対応できる二次シール、即ち、シール穴側で面圧が高く外側で面圧が段階的に低くなる好適を面圧分布を有する二次シールを形成できる。

次に、図面を参照して本発明の金属積層形ガスケットの実施の形態について説明する。なお、図１〜図７は、模式的な説明図であり、メタルガスケットの板厚やビードやシール溝の寸法及び縦横比を実際のものとは異ならせて、シール部分を誇張して示すことにより、より理解し易いようにしている。

図１に示す参考の金属積層形ガスケット１、及び、図２に示す本発明に係わる実施の形態の金属積層形ガスケット１Ａは、エンジンのシリンダヘッドとシリンダブロック（シリンダボディ）との間に挟持されるメタルガスケットであって、シリンダボアの高温・高圧の燃焼ガス、及び、冷却水通路や冷却オイル通路等の冷却水やオイル等の液体をシールするものである。

この参考の金属積層形ガスケット１と実施の形態の金属積層形ガスケット１Ａは三枚の構成板、即ち、第１表面板１０（１０Ａ）と第２表面板２０と中間板３０で構成される。この第１表面板１０（１０Ａ）と第２表面板２０は、軟鋼板やステンレス焼鈍材等で形成され、中間板３０はバネ鋼板（スプリング鋼板）で形成される。

図１の参考の金属積層形ガスケット１においては、第１表面板１０は、シール穴２を囲む第１ビード（フルビード）１１と、この第１ビード１１の外周側に設けられる、断面形状がクランク状又はＺ状になるように段状に折り曲げた屈曲部２１を有して形成される。

また、中間板３０は、第１表面板１０の屈曲部１２の外周を囲む第２ビード（フルビード）３１を有して形成される。

そして、中間板３０と第１表面板１０とが積層される第２表面板２０を、シール穴２の周囲で折り返して、折返し片２１が第１ビード１１を覆うと共に、折返し片２１の外周縁２１ａと屈曲部１２とが近接するように形成する。

この時に、図３に示すように、屈曲部１２の屈曲高さＨ２は、折返し片２１の表面高さＨ１より僅かに大きな値ΔＨ、例えば、０．２〜０．５ｍｍ程度高くなるように形成する。この構成により、ガスケット１を締め付けた際に、屈曲部１２が圧縮されてこの部分に、図３の矢印Ｐ２ａで示す高い面圧を発生させることができる。

以上の構成の金属積層形ガスケット１によれば、第１表面板１０の第１ビード１１により、一次シールを形成でき、第１表面板１０の屈曲部１２により大きな面圧を発生し、この面圧を中間板３０の第２ビード３１で発生する面圧に連続させることができ、好適な二次シールを形成できる。

そして、この一次シールで発生させる面圧の大きさ及び分布Ｐ１は、第１表面板１０の材質と第１ビード１１の形状（板厚、ビードの種類、幅、高さ等）によって設定できる。

また、二次シールにおいては、屈曲部１２で発生する面圧Ｐ２ａは第１表面板１０の材質と屈曲部１２の形状（板厚、屈曲高さ、段部の傾斜等）によって、また、これに連続する面圧Ｐ２ｂは中間板３０の材質と第２ビード３１の形状（板厚、ビードの種類、幅、高さ等）によって、それぞれ決定できる。

従って、最近の剛性が比較的小さくなってきたシリンダヘッドのように、シリンダボアの中心側がシリンダブロックと離れ、この変形がシリンダボアの外側に向かって小さくなる変形、つまり、傾斜を生じる変形が発生する場合に対しても、十分に対応できる二次シール、即ち、図３に示すようなシール穴側で面圧が高く外側で面圧が段階的に低くなる好適な面圧分布を有する二次シールを形成できる。

その上、第１ビード１１を第２金属板２０の折返し片２１で保護でき、また、第２ビード３１を屈曲部１２を有する第１表面板１０で保護できるので、耐久性に優れ、しかも、好適なシール面圧分布を長く維持できるガスケットとなる。
そして、図２に示す実施の形態の金属積層形ガスケット１Ａにおいては、更に、第１表面板１０Ａにおいて、第２ビード３１の外周を包囲するハーフビードからなる第３ビードを設ける。即ち、この第３ビード１３と屈曲部１２との間に第２ビード３１が包含される構成にする。

この第３ビード１３と屈曲部１２との関係は、見方によれば、幅広ビードであり、この幅広ビードの内側に第２ビードを包含した構造となっている。

この構成によれば、図４に示すように、二次シールにおいて、屈曲部１２で発生する面圧Ｐ２ａと、第２ビード３１で発生する面圧Ｐ２ｂに加えて、第３ビード１３で面圧Ｐ２ｃを発生できるので、より幅広い領域において面圧分布を得ることができ、シール効果を向上することができる。

図５にその他のビード構成を示す金属積層形ガスケットを示す。

図５（ａ）は、第１ビード１１Ｂをハーフビードで形成し、第２ビード２１をフルビードで形成した例であり、図５（ｂ）は、第１ビード１１をフルビードで形成し、第２ビード２１Ｃをハーフビードで形成した例であり、図５（ｃ）は、第１ビード１１Ｄと、第２ビード２１Ｄを共にハーフビードで形成した例である。また、図５（ｄ）は、屈曲部１２ＦがＺ状に形成された例である。

参考の金属積層形ガスケットを示す断面を有する部分斜視図である。 本発明に係わる実施の形態の金属積層形ガスケットを示す断面を有する部分斜視図である。 参考の金属積層形ガスケットのシール面圧分布を模式的に示す図である。 本発明に係わる実施の形態の金属積層形ガスケットのシール面圧分布を模式的に示す図である。 その他のビード構成の金属積層形ガスケットを示す断面図であり、（ａ）は第１ビードがハーフビードの例で、（ｂ）は第２ビードがハーフビードの例で、（ｃ）は第１ビードと第２ビードが共にハーフビードの例で、（ｄ）は屈曲部１２ＦがＺ状に形成された例である。 改良前の金属積層形ガスケットのシール面圧分布を模式的に示す図である。 改良前の他の金属積層形ガスケットのシール面圧分布を模式的に示す図である。 シリンダヘッドの変形量を模式的に示す図である。

符号の説明

１，１Ａ 金属積層形ガスケット
２ シール穴
１０、１０Ａ 第１表面板
１１ 第１ビード
１２ 段部
１３ 第３ビード
２０ 第２表面板
２１ 折り返し片
２１ａ 折り返し片の外周縁
３０ 中間板
３１ 第２ビード

Claims (1)

1. 二枚の表面板（１０、２０）と一枚の中間板（３０）とからなる金属積層形ガスケット（１Ａ）であって、第１表面板（１０）のシール穴（２）を囲む第１ビード（１１）の上に、該シール穴（２）の周囲で折り返した第２表面板（２０）の折返し片（２１）を重ねると共に、該折返し片（２１）の外周縁（２１ａ）に近接して、断面形状がクランク状又はＺ状になるように折り曲げて、前記折返し片（２１）の高さより高く形成した前記第１表面板（１０）の屈曲部（１２）を配置し、更に、該屈曲部（１２）に隣接して前記中間板（３０）に設けた第２ビード（３１）を配置し、該第２ビード（３１）の外周を囲むハーフビード（１３）を前記第１表面板（１０）に設けることを特徴とする金属積層形ガスケット。

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