JP4309409B2 - メタルガスケット - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排気マニホールド用のガスケットやシリンダヘッドガスケット等のメタルガスケットに関するものである。

自動車のエンジンの排気マニホールドと排気管との接合面やシリンダヘッドとシリンダブロック（シリンダボディ）との接合面をシールする場合に、メタルガスケットを部材の間に挟持して燃焼ガス、冷却水、潤滑オイル等をシールしている。

これらのメタルガスケットにおいては、シール手段として主に、断面が凸状のフルビードと断面が段差状（クランク状）のハーフビードをシール対象穴の周辺付近に配置する設計手法が用いられてきている。中でも、ハーフビードは、生産コストが安く、小さい締付力で容易にシールできる利点があるため、ディーゼルエンジンに比較して締め付け力が小さいガソリンエンジンに多用されてきている。

このハーフビードを用いたメタルガスケットについて、排気マニホールド用ガスケット等では、取り付けられる部材の形状により、平面上から見たときに直線部が発生する場合がある。この直線部は曲線部に比べて、エンジン運転中に、水漏れやオイル漏れ等の不具合が生じ易いことが判明しており、その原因は、ガスケットが取り付けられたエンジン運転中に、このハーフビードの直線部におけるへたり（クリープリラクゼーション）が大きくなり、シール面圧が部分的に低下するためと考えられている。

従って、このハーフビードを平面視で直線状に形成した場合には、この直線部分が長くなると、このハーフビードはフルビードに比べて圧縮力に対する抵抗力が弱いため、このハーフビードにへたりが生じて、シール性能を十分に発揮することができなくなるという問題がある。

この対策の一つとして、実質的に正方形又は矩形形状に形成された流体孔の周囲に、一対のハーフビードを厚み方向に対象に配置して形成すると共に、このハーフビードのコーナー部の輪郭を、流体孔のコーナー部の曲率半径よりも大きな曲率半径を有する形状に形成し、全体として滑らかな円弧形状に延びる形状とした金属製ガスケットが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、このようなハーフビードを形成するためには、流体孔（シール対象穴）の周囲に広い面積が必要となり、実用的ではないという問題がある。

また、一方で、シリンダヘッドガスケットにおいても、エンジンの軽量化に伴い、エンジン部材の剛性が低くなり、エンジンの運転によって繰り返し生じるシリンダヘッドの変形の量が大きくなってきているため、ハーフビードを圧迫する力も大きくなってきており、ハーフビードのへたりが大きな問題となってきている。

更に、これらのメタルガスケットにおいては、締め付けボルト穴からの距離によって締め付け圧が異なるため、ハーフビードが発生するシール面圧も均等にならず、へたりが発生し易い部分と発生し難い部分とが混在するという問題もある。
特開２００４−９２４７５号公報

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、メタルガスケットのシール対象穴を包囲して形成されるハーフビードにおけるへたりを防止できると共に、ハ−フビードで発生する面圧分布を幅広くしてメタルガスケットを挟持する部材の傷の発生を防止でき、良好なシール性能を確保できるメタルガスケットを提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明に係るメタルガスケットは、シール対象穴を有し、該シール対象穴を包囲するハーブビードを形成したメタルガスケットにおいて、前記ハーブビードの全周又は周囲の一部に、前記ハーフビードの内側に厚み方向に関して前記ハーフビードの圧縮方向に対して弾性を持つ凹凸を形成した面圧補助板を配置して構成する。この凹凸は面圧補助板の板の基準ラインの少なくとこ一方に対して凹又は凸であればよく、必ずしも両側に対して凹又は凸である必要はない。

この構成によれば、厚み方向に関して凹凸を形成した面圧補助板を配置しているので、面圧補助板の凹凸による弾性効果によりハ−フビードの圧縮性を補助でき、ハーフビードのへたりを防止できる。

また、このメタルガスケットの両側に配置され、ハーフビードに当接する部材における、ハーフビードの角部の当たりを、幅が狭い線状に近い領域から幅が広い面状の領域にして、また、面圧の最大値を小さくして面圧を緩和できるので、また、ハ−フビードで発生する面圧、特に、ハーフビードの角部で発生する面圧を緩和することができるので、メタルガスケットを挟持する部材の傷の発生を防止でき、良好なシール性能を確保できる。

また、上記のメタルガスケットにおいて、前記ハーブビードの全周又は周囲の一部において、前記面圧補助板の凹凸の頂部の方向を前記ハーフビードと交差する方向として構成する。この構成にすることにより、凹凸の頂部の方向をハーフビードに平行に配置する場合よりも、面圧補助板の凹凸による弾性効果をより効率よく利用できる。

この面圧補助板の凹凸は、台形等の直線形状で形成してもよく、円弧形状や正弦形状等の曲線で形成してもよい。更に、一段でもよく複数段でもよい。また、厚み方向に関して線対称であってもなくてもよい。また、シール対象穴の周囲方向に関しては、凹凸を連続した波形にして、全周囲にわたって設けてもよく、面圧調整が必要な部分のみ凹凸を形成してもよい。また、凹凸の形状や大きさも面圧調整の度合に応じてシール対象穴の周囲方向に変化させてもよい。また、面圧調整板自体をシール対象穴の全周囲にわたって配置してもよく、面圧調整が必要な部分のみに配置してもよい。

また、このメタルガスケットのハーフビード部分の具体的な構成としては、次のような構成がある。第１の構成は、シール対象穴を囲み、シール対象穴から離れる方向に外側に膨らむハーフビードをそれぞれ形成した第１金属基板と第２金属基板とを、内周側（ハーフビードのシール対象穴側）の平坦部の内側に中間基板を挟んで対称に配置すると共に、中間基板の外周側で、ハーフビードの傾斜部からこの傾斜部の外周側の平坦部にかけてのハーフビードの内側に、厚み方向に関して凹凸を形成した面圧補助板を配置した構成である。第２の構成は、第１の構成において、中間基板と面圧補助板とを同じ板で形成した構成である。第３の構成は、第１の構成において、中間基板を無くし、第１金属基板と第２金属基板のハーフビードの内周側の平坦部を当接して形成した構成である。

第４の構成は、シール対象穴を囲み、シール対象穴から離れる方向に外側に膨らむハーフビードを形成した第１金属基板と、ハーフビードの内周側の平坦部の内側に配置される中間基板と、その外周側で、ハーフビードの傾斜部からこの傾斜部の外周側の平坦部にかけて、ハーフビードの内側に配置される凹凸を形成した面圧補助板と、平坦な第２金属基板とを積層した構成である。第５の構成は、第４の構成において、中間基板と面圧補助板とを同じ板で形成した構成である。

更に、面圧補助板をハーフビードの傾斜部から平坦部に掛けての内側に配置する代りに、傾斜部より外周側で、ハーフビードの外周側の平坦部の内側に配置してもよく、この場合は、ハーフビードの角部における面圧緩和効果は多少少ないが、ハーフビードの弾力を面圧補助板の弾力により補助できるので、ヘタリ防止効果を期待できる。

また、本発明が適用できるメタルガスケットとしては、エンジンの排気マニホールド用ガスケットやシリンダヘッドガスケット等のメタルガスケットがあり、これらのメタルガスケットにおいて、上記のような大きな効果を奏することができるが、これらのガスケットに限定されず、シール対象穴をシールするメタルガスケットであればよい。

本発明のメタルガスケットによれば、メタルガスケットのシール対象穴を包囲して形成されるハーフビードにおけるへたりを防止できると共に、ハ−フビードで発生する面圧分布を幅広くしてメタルガスケットを挟持する部材の傷の発生を防止でき、良好なシール性能を確保できる。

次に、図面を参照して本発明に係るメタルガスケットの実施の形態について説明する。なお、図１〜図２４は、模式的な説明図であり、構成をより理解し易いように、シール対象穴の大きさ、ボルト穴の大きさ、ハーフビードの大きさ、中間基板の幅、面圧補助板の幅、金属基板の板厚、中間基板の板厚、面圧補助板等の板厚や凹凸等々の寸法を実際のものとは異ならせて、誇張して示している。また、説明を単純化するために、以下では、シール対象穴を一つにして説明しているが、多気筒のエンジンの排気マニホールドのガスケットや、シリンダヘッドガスケットのように、ガス流通穴、又は、燃焼室穴（ボア用穴）や水穴やオイル穴等の複数種類のシール対象穴をそれぞれ複数個有する場合でも本発明は適用可能である。なお、以下で用いる「外側」「内側」はガスケットの厚み方向に関する表現とし、ガスケット平面内における方向は「外周側」「内周側」と表現することにする。

図１に示すように、本発明の実施の形態のメタルガスケット１は、軟鋼板、ステンレス焼鈍材（アニール材）、ステンレス調質材（バネ鋼板）等で形成される金属基板（金属構成板）を複数枚有して構成される。また、メタルガスケット１を挟持する部材の形状に合わせて製造され、シール対象穴２や締結ボルトを挿通するためのボルト穴３等が形成される。

このメタルガスケット１は、図１〜図５に示す第１の実施の形態では、第１金属基板１０と第２金属基板２１とを、中間基板４０を挟んで対称に配置する。それと共に、中間基板４０の外周側で、ハーフビード１１，２１の傾斜部１１ｂ，２１ｂから外周側の平坦部１１ｃ，２１ｃにかけての内側に、メタルガスケット１の厚み方向に関して凹凸を形成した面圧補助板３０を配置する。即ち、面圧補助板３０の内周側端部が傾斜部１１ｃ，２１ｃの内側に配置されるようにする。

第１金属基板１０と第２金属基板２０は、例えば、軟鋼板、ステンレス焼鈍材（アニール材）で形成され、シール対象穴２とこのシール対象穴２を囲むボルト穴３が設けられている。また、更に、第１金属基板１０と第２金属基板２０には、シール対象穴２を囲み、シール対象穴２から離れる方向にガスケットの厚み方向に関して外側に膨らむハーフビード１１，２１がそれぞれ形成される。また、この第１金属基板１０と第２金属基板２０は、中間基板４０を挟んで対称に配置される。

中間基板４０は、軟鋼板、ステンレス焼鈍材（アニール材）、ステンレス調質材（バネ鋼板）等で形成され、図２に示すように、シール対象穴２の周囲にリング状（環状）に配置される。そしてと、図３に示すように、ハーフビード１１，２１の内周側（シール対象穴２側）の平坦部１１ａ，２１ａの内側に、その内周側端部４０ａがシール対象穴２に面して配置される。この中間基板４０は、ハーフビード１１，２１の間への流体の侵入を防止する役割と厚み調整の役割とを果たす。そのため、この中間基板４０は周方向には連続した一枚のリング状板で形成される。

面圧補助板３０は、図２に示すように、リング状に配置されると共に、図４及び図５に示すように、厚み方向に関して凹凸を形成されて、メタルガスケット１のハーフビード１１，２１の圧縮方向に対して弾性を持ち、ハーフビード１１，２１が圧縮された時には、図５に示すように、ハーフビード１１，２１の傾斜部１１ｂ，２１ｂに当接して、クッション効果を与え、ハーフビード１１，２１の面圧調整を行う。

この面圧補助板３０は、ステンレス調質材（バネ鋼板）等で形成され、その凹凸は、図４、図１２、図１５、図１６に示すように、台形等の直線形状で形成してもよいが、図９、図１４、図１７、図１８、図１９に示すように、円弧形状や正弦形状等の曲線で形成してもよい。更に、図４、図５、図９、図１２、図１４、図１５、図１７、図１８に示すように単段で形成してもよく、図１６、図１９に示すように複数段で形成してもよい。また、厚み方向に関して線対称であってもなくてもよい。

また、シール対象穴２の周囲方向に関しては、凹凸は連続した波形で、全周囲にわたって設けてもよく、凹凸は連続した波形又は単独の凸又は単独の凹で、面圧調整が必要な部分のみ凹凸を形成してもよい。また、凹凸の形状や大きさも面圧調整の度合に応じて変化させてもよい。また、面圧補助板３０自体を全周囲にわたって配置してもよく、面圧調整が必要な部分のみに配置してもよい。要するに、メタルガスケットの圧縮方向に対して適度な弾性を持ち、凹凸自体がへたり難ければよい。この凹凸は、プレス加工等により容易に形成できる。

また、図６に示すように、この面圧補助板３０の凹凸の頂部３０ａの方向は、ハーフビード１１，２１と交差する方向、好ましくは８０°〜１００°、更に好ましくは９０°（直交）の方向であるように構成すると、凹凸の頂部をハーフビード１１，２１に平行に配置する場合よりも、面圧補助板３０の凹凸による弾性効果をより効率よく利用できる。また、この交差する方向に配置すると、ハーフビード１１，２１の角部の非常に幅が狭い（線状の）当たりを、ハーフビード１１，２１の傾斜部１１ｂ，２１ｂに面圧補助板３０の凹凸が当接することにより、幅広い（面状の）当たりにして面圧の局部的な大きさを小さくすることができるので、ハーフビード１１，２１が当接する部材における、当接する部分の傷の発生を防止できる。なお、図７のように、面圧補助板３０において、凹凸の頂部３０ａの方向を一方向にすると、ハーフビード１１，２１と交差する方向にした場合程、きめ細かい面圧はできないが、凹凸が単純化するので工作性をよくすることができる。

この交差方向の配置は、面圧調整がこの交差する角度によっても変化するので、この交差する角度は、要求される圧縮弾性（バネ力）によって変化させるとよりきめ細かい面圧調整が可能となる。つまり、ハーフビード１１，２１の周囲の一部又は全部において、面圧補助板３０の凹凸の頂部の方向がハーフビード１１、２１と交差する方向とする。ハーフビード１１，２１の周囲の全部において、面圧補助板３０の凹凸の頂部の方向をハーフビード１１，２１と交差する方向とする場合には、例えば、シール対象穴２が円形の場合には、凹凸の頂部（谷と山）は放射状に配置されることになる。

また、この面圧補助板３０は、シール対象穴２の周方向に連続したリングで形成してもよいが、その機能は面圧調整であるので、必ずしも周方向の全部に連続した一体物で設ける必要はなく、分割した複数個の面圧補助板３０を接して並べてもよく、面圧調整が必要な部分のみに面圧補助板３０を分散配置してもよい。即ち、ハーフビード１１，２１の周囲の一部又は全部において、ハーフビード１１，２１の内側に厚み方向に関して凹凸を形成した面圧補助板３０を配置して構成する。

この構成によれば、面圧補助板３０の有無、凹凸の形状及び大きさ（高さ、幅等）の変化、凹凸の頂部の長さ（面圧補助板３０の幅）、凹凸の頂部の方向とハーフビード１１，２１との交差角度等によって面圧調整の度合いを変化させることができるので、非常にきめ細かい面圧調整を容易に行うことができるようになる。

図８及び図９に示すように、本発明の第２の実施の形態のメタルガスケットは、第１の実施の形態のメタルガスケットに対して、中間基板４０と面圧補助板３０とが一枚の面圧補助板３０で形成された点が異なる。その他の構成は、第１の実施の形態のメタルガスケットと同じである。なお、図９においては、面圧補助板３０は、内周側は平坦に、外周側は曲線状の凹凸に形成されている。

この第２の実施の形態は、第１の実施の形態に比べて、シール効果を要求される中間基板４０と弾性効果を要求される面圧補助板３０との両方の機能を同一の基板で発揮するため、材料の使い分けができないが、中間基板４０が無くなり、面圧補助板３０の幅が大きくなるため、工作性が向上するという利点がある。

図１０に示すように、本発明の第３の実施の形態のメタルガスケットは、第１の実施の形態のメタルガスケットに対して、中間基板４０が無い点が異なる。その他の構成は、第１の実施の形態のメタルガスケットと同じである。この構成では、中間期板４０によるシール性能を向上を図ることができないが、軽量化や工作性の向上を図ることができる。

図１１及び図１２に示すように、本発明の第４の実施の形態のメタルガスケットは、シール対象穴２を囲み、シール対象穴２から離れる方向に外側に膨らむハーフビード１１を形成した第１金属基板１０と、ハーフビード１１の内周側、即ち、シール対象穴２側の平坦部１１ａの内側に配置される中間基板４０と、その外周側で、ハーフビード１１の傾斜部１１ｂから外周側の平坦部１１ｃにかけて、ハーフビード１１の内側に配置される凹凸を形成した面圧補助板３０と、平坦な第２金属基板２０とを積層して構成される。第１の実施の形態のメタルガスケットとは、第２金属基板２０にハーフビード２１が形成されていない点が異なる。

この第４の実施の形態のメタルガスケットは、第１の実施の形態のメタルガスケットに比べてビードによる圧縮変形量が少なくてよい場合に適しており、材料を節約できて軽量化できる。また、ガスケットの厚みを薄くすることができるという利点がある。

図１３及び図１４に示すように、本発明の第５の実施の形態のメタルガスケットは、第４の実施の形態のメタルガスケットに対して、中間基板４０と面圧補助板３０とが一枚の面圧補助板３０で形成された点が異なる。その他の構成は、第４の実施の形態のメタルガスケットと同じである。なお、図１４においては、面圧補助板３０の凹凸は、内周側は平坦に、外周側はハーフビード１１側の一方向側のみに凸の曲線状の凹凸となっている。

また、図２０〜図２４に、第１〜第５の実施の形態のメタルガスケットにおいて、面圧補助板３０をハーフビード１１（２１）の傾斜部１１ｂ（２１ｂ）から外周側の平坦部１１ｃ（２１ｃ）に掛けての内側に配置する代りに、ハーフビード１１（２１）の外周側の平坦部１１ｂ（２１ｂ）の内側に配置して設ける。この場合は、ハーフビード１１（２１）の角部における面圧緩和効果は少ないがハーフビード１１（２１）の弾力を面圧補助板３０の弾力により補助できるので、ハーフビード１１（２１）のヘタリを防止する効果を奏することができる。

上記の構成のメタルガスケット１によれば、厚み方向に関して凹凸を形成した面圧補助板３０を配置しているので、面圧補助板３０の凹凸による弾性効果を利用して、ハーフビードのへたりを防止できる。また、ハ−フビード１１（２１）で発生する面圧、特に、ハーフビード１１（２１）の角部で発生する力を緩和することができるので、メタルガスケット１を挟持する部材の傷の発生を防止でき、良好なシール性能を確保できる。

本発明に係る実施の形態のメタルガスケットを模式的に示す平面図である。 第１の実施の形態のメタルガスケットの図１の第１金属基板が無い状態を模式的に示す平面図である。 第１の実施の形態のメタルガスケットの図１のＡ−Ａ部分の断面を模式的に示す図である。 第１の実施の形態のメタルガスケットの図１のＢ−Ｂ部分の断面を見た模式的に示す図である。 メタルガスケットが圧縮された時の図１のＢ−Ｂ部分の断面を見た模式的に示す図である。 面圧補助板の凹凸の頂部の方向の一例を模式的に示す平面図である。 面圧補助板の凹凸の頂部の方向の他の例を模式的に示す平面図である。 第２の実施の形態のメタルガスケットの図１のＡ−Ａ部分の断面を模式的に示す図である。 第２の実施の形態のメタルガスケットを模式的に示す部分斜視図である。 第３の実施の形態のメタルガスケットの図１のＡ−Ａ部分の断面を模式的に示す図である。 第４の実施の形態のメタルガスケットの図１のＡ−Ａ部分の断面を模式的に示す図である。 第４の実施の形態のメタルガスケットを模式的に示す部分斜視図である。 第５の実施の形態のメタルガスケットの図１のＡ−Ａ部分の断面を模式的に示す図である。 第５の実施の形態のメタルガスケットを模式的に示す部分斜視図である。 面圧調整板の凹凸の第１の例を模式的に示す図である。 面圧調整板の凹凸の第２の例を模式的に示す図である。 面圧調整板の凹凸の第３の例を模式的に示す図である。 面圧調整板の凹凸の第４の例を模式的に示す図である。 面圧調整板の凹凸の第５の例を模式的に示す図である。 面圧調整板の位置が異なる第１の実施の形態のメタルガスケットの図１のＡ−Ａ部分の断面を模式的に示す図である。 面圧調整板の位置が異なる第２の実施の形態のメタルガスケットの図１のＡ−Ａ部分の断面を模式的に示す図である。 面圧調整板の位置が異なる第３の実施の形態のメタルガスケットの図１のＡ−Ａ部分の断面を模式的に示す図である。 面圧調整板の位置が異なる第４の実施の形態のメタルガスケットの図１のＡ−Ａ部分の断面を模式的に示す図である。 面圧調整板の位置が異なる第５の実施の形態のメタルガスケットの図１のＡ−Ａ部分の断面を模式的に示す図である。

符号の説明

１ ガスケット
２ シール対象穴
３ ボルト穴
１０ 第１金属基板
１１ ハーフビード
１１ａ 内周側の平坦部
１１ｂ 傾斜部
１１ｃ 外周側の平坦部
２０ 第２金属基板
２１ ハーフビード
２１ａ 内周側の平坦部
２１ｂ 傾斜部
２１ｃ 外周側の平坦部
３０ 面圧補助板
３０ａ 凹凸
４０ 中間基板
４０ａ 内周側端部

Claims (1)

1. シール対象穴を有し、該シール対象穴を包囲するハーフビードを形成したメタルガスケットにおいて、前記ハーフビードの全周又は周囲の一部に、前記ハーフビードの内側に厚み方向に関して前記ハーフビードの圧縮方向に対して弾性を持つ凹凸を形成した面圧補助板を配置し、該面圧補助板の凹凸の頂部の方向を前記ハーフビードと交差する方向とすることを特徴とするメタルガスケット。

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