JP2007023832A - 部材の組付け構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 組付け構造の部材間の温度差に起因する各部材の変形を抑制することのできる部材の組付け構造を提供する。
【解決手段】 部材の組付け構造は、貫通孔の形成されたシリンダヘッド１０と、挿入穴が形成されたシリンダブロック２０と、貫通孔と挿入穴に挿入されてシリンダヘッド１０とシリンダブロック２０とを組付けるヘッドボルト４０とを備える。部材の組付け構造は、熱源からの熱が伝達されるとともにこれら部材間の温度差が小さいほど熱応力が小さくなる。伝熱部材５０は、シリンダヘッド１０の貫通孔１１及びシリンダブロック２０の挿入部２１の内面とヘッドボルト４０の外面との隙間に配置され、シリンダヘッド１０の貫通孔１１及びシリンダブロック２０の挿入部２１の内面からヘッドボルト４０の外面への熱伝導を促進させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、部材の組付け構造に関する。

一般的に、内燃機関のシリンダブロックとシリンダヘッドとを一体に組付ける場合には、シリンダヘッド側に設けられた貫通孔から金属ボルトを差込み、さらにシリンダブロック側に設けられたネジ穴に同金属ボルトを締結することにより組付けられる。

従来、こうした内燃機関の部材の組付け構造として、図７に示すように、線膨張係数Ａであるシリンダヘッド２００と係数Ａとは異なる線膨張係数Ｂであるシリンダブロック２１０とを、線膨張係数Ｃのヘッドボルト２２０で組付ける構造がある。ここで、係数Ｃは係数Ａと係数Ｂとの中間の値をもつ係数である。また、シリンダヘッド２００の厚さをＸ、ガスケット２３０とシリンダブロック２１０との当接位置ｐ１からねじ山同士がかみ合う部分の中央位置ｐ２までの距離をＹ、部材の組付け構造の温度変化をΔＴとすると、次式を満たす構成となっている。なお、ガスケット２３０の厚さは、シリンダヘッド２００及びシリンダブロック２１０の厚さと比較して薄いため無視できるものとしている。

ＡＸΔＴ＋ＢＹΔＴ＝Ｃ（Ｘ＋Ｙ）ΔＴ
上記構成によれば、シリンダヘッド２００及びシリンダブロック２１０の熱変形量の総和（ＡＸΔＴ＋ＢＹΔＴ）と、ヘッドボルト２２０の熱変形量（Ｃ（Ｘ＋Ｙ）ΔＴ）とを等しくすることができ、部材の組付け構造は温度Ｔの影響を受けることがない。その結果、部材の組付け構造に生じる熱応力を小さくすることができるため、シリンダヘッド２００、シリンダブロック２１０及びヘッドボルト２２０の各部材における変形の発生を抑制することができる。
特開２００４−２２５８７２号公報

ところで、上記特許文献１の部材の組付け構造では、内燃機関が熱平衡状態であるときのように各部材の温度が略等しくなるような条件下では効果的に各部材の変形を抑制することができる。しかし、例えば暖機過程のように部材間の温度差が大きい状態においては以下のような問題がある。

即ち、燃焼室で発生する熱は、シリンダヘッド２００及びシリンダブロック２１０へと伝達されるが、シリンダヘッド２００及びシリンダブロック２１０とヘッドボルト２２０との間には隙間があるためヘッドボルト２２０へは伝達されにくい。このため、機関始動後の暖機過程においては、図８（ａ）に示すように、機関始動時から時間ｔ１が経過するまではシリンダヘッド２００及びシリンダブロック２１０に比較してヘッドボルト２２０の温度は低くなる。その結果、図８（ｂ）に示すように、この部材間の温度差に起因してヘッドボルト２２０には熱応力が生じることとなり、この熱応力により各部材に変形が生じるおそれがある。

本発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、組付け構造の部材間の温度差に起因する各部材の変形を抑制することのできる部材の組付け構造を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、貫通孔あるいは挿入穴の形成された複数の被組付け部材と、前記貫通孔あるいは前記挿入穴に挿入されて前記複数の部材を組付ける組付け部材とを備え、熱源からの熱が伝達されるとともに部材間の温度差が小さいほど熱応力が小さくなる部材の組付け構造において、前記貫通孔あるいは前記挿入穴の内面と前記組付け部材の外面との隙間に配置され、同貫通孔あるいは同挿入穴の内面から同組付け部材の外面への熱伝導を促進させる伝熱部材を備えることを要旨としている。

上記構成によれば、熱源から被組付け部材へと伝達される熱は、伝熱部材を通じて組付け部材へと伝達されるため、被組付け部材と組付け部材との温度差を小さくすることができる。その結果、温度差に起因して部材の組付け構造に発生する熱応力を小さくすることができるため、部材の変形を抑制することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の部材の組付け構造において、前記伝熱部材は、弾性力によって前記貫通孔あるいは前記挿入穴の内面及び前記組付け部材の外面を押圧する金属であることを要旨としている。

上記構成によれば、被組付け部材の貫通孔あるいは挿入穴の内面と組付け部材の外面を押圧するように伝熱部材が配置されるため、部材間の隙間をより小さくすることができる。その結果、被組付け部材から組付け部材へと伝達する熱の伝導性をより向上させることができ、部材の変形をさらに抑制することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の部材の組付け構造において、前記伝熱部材は、前記貫通孔あるいは前記挿入穴の内面及び組付け部材の外面の少なくとも一方に鋳込まれてなることを要旨としている。

上記構成によれば、被組付け部材に組付け部材を挿入する際に、被組付け部材と組付け部材の間に配置された伝熱部材がずれることにより隙間が生じるのを抑制することができる。その結果、被組付け部材から組付け部材へと確実に熱を伝達することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３に記載の部材の組付け構造において、前記被組付け部材はシリンダヘッド及びシリンダブロックであり、前記組付け部材はヘッドボルトであることを要旨としている。

一般的に、内燃機関のシリンダヘッド及びシリンダブロックで構成される燃焼室で発生する熱量は大きいため、シリンダヘッド及びシリンダブロックとヘッドボルトとの温度差により大きな熱応力が生じやすい。上記構成によれば、シリンダヘッド及びシリンダブロックから伝熱部材を通じてヘッドボルトへと伝達する熱の伝導性がより向上して温度差が低減されるため、これらの変形をより効果的に抑制することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の部材の組付け構造において、前記ヘッドボルトは、塑性変形が生じるまで締め付けを行う塑性域締めにより前記シリンダブロックに組付けられていることを要旨としている。

一般的に、シリンダブロックに塑性域締めにより締結されたヘッドボルトに更に応力が生じると、ヘッドボルトの塑性変形が進行し、部材の組付け構造における締結力が低下する。この点、本発明によれば、部材の組付け構造における温度変化時の熱応力を小さくすることできるため、そのような構造においてもヘッドボルトの変形をより効果的に抑制することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の部材の組付け構造において、前記シリンダヘッドには貫通孔が形成され、前記シリンダブロックにはネジ山を形成したネジ部及びネジ山を形成していない挿入部からなる挿入穴が形成され、前記ヘッドボルトは前記ネジ部で締結され、前記伝熱部材は前記貫通孔の内面及び前記挿入部の内面と前記ヘッドボルトの外面との隙間に配置されることを要旨としている。

一般的に、内燃機関のシリンダヘッドとシリンダブロックをヘッドボルトで締結する部材の組付け構造においては、ネジ山の形成されていないシリンダヘッドの貫通孔及びシリンダブロックの挿入部において隙間が形成される。このため、シリンダヘッド及びシリンダブロックからシリンダボルトへ熱が伝達されにくく、これらの温度差が大きくなりやすい。この点、上記構成によれば、この隙間を伝熱部材で埋めることによりシリンダヘッド及びシリンダブロックからヘッドボルトへと伝達する熱の伝導性を向上させて部材間の温度差を小さくすることができるため、これらの変形をより効果的に抑制することができる。さらに、シリンダブロックとヘッドボルトとが締結される各部材のネジ山の部分には伝熱性部材が配置されず、シリンダブロックのネジ山とヘッドボルトのネジ山とが当接するため、部材の組付け構造の締結力を安定させることができる。

本発明の一実施形態について、図１を参照して説明する。
図１は、本実施形態にかかる部材の組付け構造の断面図を示している。
図１に示すように、この部材の組付け構造は、シリンダヘッド１０、シリンダブロック２０及びガスケット３０等から構成されている。シリンダヘッド１０には、混合気を気筒内に導入するための吸気ポート（図示略）、排気を排気通路に導入するための排気ポート（図示略）等が設けられている。シリンダブロック２０には、シリンダ（図示略）が設けられており、同シリンダ内にはその内部を上下に往復動するピストン（図示略）が配置されている。ここで、シリンダヘッド１０及びシリンダブロック２０は、アルミニウム合金で作られている。また、シリンダヘッド１０とシリンダブロック２０の間にはガスケット３０が取り付けられている。このガスケット３０は、金属性のシートによって形成され、シリンダヘッド１０とシリンダブロック２０との隙間を密封して、シリンダ内の燃焼ガスやオイルの漏れを防止している。さらに、シリンダヘッド１０、シリンダ及びピストンにより燃焼室が区画形成されており、この燃焼室において混合気が燃焼することでエンジンの動力が得られる。

シリンダヘッド１０にはねじ山のない貫通孔１１が形成されている。また、シリンダブロック２０には挿入穴が形成されている。この挿入穴は、ネジ山を形成していない挿入部２１及びネジ山を形成したネジ部２２で構成されている。そして、ヘッドボルト４０が、このシリンダヘッド１０の貫通孔１１から挿入され、シリンダブロック２０の挿入穴の挿入部２１を通じ、ネジ部２２でシリンダブロック２０と締結されている。ヘッドボルト４０はステンレス鋼で作られており、このステンレス鋼はアルミニウム合金からなるシリンダヘッド１０及びシリンダブロック２０と線膨張係数が略等しい材質である。また、これらの部材間の締結方法には、ヘッドボルト４０に塑性変形が生じる領域まで締め付けを行う塑性域締め付けが用いられている。この塑性域締め付けの特徴は、図２示すようなヘッドボルト４０の高荷重域における降伏現象を利用し、トルクや回転角等の締め付け条件によるバラツキを少なくして安定した軸力を得ることにあり、高い信頼性が要求される部位で採用される締結方法である。このように、本実施形態における部材の組付け構造においては、ヘッドボルト４０によりシリンダヘッド１０、ガスケット３０及びシリンダブロック２０が一体に組付けられている。また、シリンダヘッド１０、シリンダブロック２０及びヘッドボルト４０の線膨張係数が略等しいため、部材間の温度差が小さいほど部材に生じる熱応力が小さくなるように構成されている。

シリンダヘッド１０の貫通孔１１の内面とヘッドボルト４０の外面との間には隙間が形成されている。同様にして、上記挿入部２１の内面とヘッドボルト４０の外面の間にも隙間が形成されている。そして、伝熱部材５０が、これらの隙間を埋めるように配置されている。伝熱部材５０は、貫通孔１１及び挿入部２１の内面に塗布してもよいし、ヘッドボルト４０の外面に塗布してもよい。この伝熱部材５０は、熱伝導性が高く、かつ隙間を確実に埋めることができる材料であり、例えばペースト中に銀の粒子を含む銀ペーストのようなものが用いられる。なお、ネジ部２２の内面とヘッドボルト４０の外面との間には、伝熱部材５０は配置されていない。

以上詳述したように、この一実施形態にかかる部材の組付け構造によれば、以下に列記するような効果が得られる。
（１）燃焼室における混合気の燃焼により生じた熱は、この燃焼室に近接するシリンダヘッド１０及びシリンダブロック２０へと伝達される。そしてこの熱は、伝熱部材５０を通じてシリンダヘッド１０及びシリンダブロック２０からヘッドボルト４０へと伝達される。したがって、例えば機関始動後の暖機過程においては、図３（ａ）に示すように、これらの部材間で生じる温度差を従来に比較して小さくすることができる。また、部材間の温度差がほとんど無くなるまでにかかる時間についても、従来の時間ｔ１と比較して時間ｔ２と短くすることができる。その結果、シリンダヘッド１０及びシリンダブロック２０からヘッドボルト４０へと伝達する熱の伝導性を向上させて部材間の温度差を小さくすることができるため、これらの変形をより効果的に抑制することができる。
（２）また、本実施形態によれば、シリンダブロック２０とヘッドボルト４０とが締結されるネジ山の部分には伝熱部材５０が配置されていない。したがって、シリンダブロック２０のネジ山とヘッドボルト４０のネジ山とが当接するため、部材の組付け構造における締結力を安定させることができる。
（３）シリンダブロック２０に塑性域締めにより締結されたヘッドボルト４０に更に応力が生じると、ヘッドボルト４０の塑性変形が進行し、部材の組付け構造における締結力が低下する。この点、本実施形態によれば、部材の組付け構造における温度変化時の熱応力を小さくすることできるため、そのような構造においてもヘッドボルト４０の変形をより効果的に抑制することができる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した、例えば次のような形態として実施することもできる。
・上記実施形態では、部材間の線膨張係数が略等しい材質からなる組付け構造を用いていたが、部材間の温度差が小さいほど熱応力が小さくなる部材の組付け構造であれば、これら部材間の線膨張係数が異なる材質を用いてもよい。部材間の線膨張係数が異なる材質からなる組付け構造としては、例えば、シリンダヘッド及びシリンダブロックがアルミニウム合金から構成され、ヘッドボルトがボロン鋼から構成される構造がある。ここでボロン鋼とは、炭素鋼にボロン(ホウ素)を極微量添加したものである。

・上記実施形態では、伝熱部材としてペースト中に銀粒子を含む銀ペーストを用いているが、鉄や銅のような粒子を含むペーストを用いてもよい。また、隙間の形状に合わせて円筒状に成形した鉄や銅を隙間に配置してもよい。

・また、伝熱部材として、バナジウム族元素と残部が実質的にチタンとからなるチタン合金を用いてもよい。ここで、バナジウム族元素としては、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）の少なくとも１種が用いられる。このようなバナジウム族元素とチタンとの組み合わせからなるチタン合金は、高い引張り弾性限強度（高強度）と、高い弾性変形能（高弾性）とを有する。したがって、このチタン合金は、その高弾性能により、シリンダヘッド１０における貫通孔１１の内面とヘッドボルト４０の外面、及びシリンダブロック２０の挿入部２１の内面とヘッドボルト４０の外面とを押圧することができる。その結果、隙間をより小さくすることができるため、ヘッドボルトへと伝達する熱の伝導性をより向上させ、部材の変形を抑制することができる。

・また、伝熱部材として、アルミニウムや銅のような熱伝導性の高い金属をコイル状にしてヘッドボルト４０に巻き付けるように配置してもよい。図４は、アルミニウム線６０をヘッドボルト４０に巻き付けるように配置した部材の組付け構造の断面図を示している。アルミニウム線６０は、シリンダヘッド１０の貫通孔１１の内面とヘッドボルト４０の外面、及びシリンダブロック２０の挿入部２１の内面とヘッドボルト４０の外面とを押圧するように配置されている。このため、隙間をより小さくすることができるため、ヘッドボルト４０へと伝達する熱の伝導性をより向上させることができる。

・さらに、上記のような金属からなる伝熱部材を、シリンダヘッド１０の貫通孔１１の内面、シリンダブロック２０の挿入部２１の内面及びヘッドボルト４０の外面の少なくとも一つ内面または外面に鋳込んでもよい。このような構成とすることで、シリンダヘッド１０及びシリンダブロック２０にヘッドボルト４０を組付ける際に、伝熱部材がずれることにより隙間が生じるのを抑制することができる。その結果、シリンダヘッド１０及びシリンダブロック２０からヘッドボルト４０へと確実に熱を伝達することができる。

・上記実施形態では、被組付け部材はシリンダヘッド１０とシリンダブロック２０とから構成されているが、他の部材、例えば被組付け部材がシリンダブロックとオイルパンとから構成されていてもよい。この場合、熱源はオイルパンに貯留されるオイルの熱となる。要は、被組付け部材に熱源からの熱が伝達されるような部材の組付け構造であれば、この熱は伝熱部材を通じて組付け部材へと伝達される。その結果、組付け部材と被組付け部材との温度差を小さくすることができ、部材の組付け構造に発生する熱応力を小さくすることができる。

・上記実施形態では、被組付け部材はシリンダヘッド１０とシリンダブロック２０との二つの部材から構成されているが、被組付け部材の数は限定されるものではなく、三つ以上の部材から構成されていてもよい。また、上記実施形態では、組付け部材としてボルトを用いているが、例えばネジ単体又はボルトとナットの組み合わせのような他の組付け部材から構成されていてもよい。図５は、ボルト７０及びナット７１からなる組付け部材と三つの被組付け部材８０、８１、８２とから構成される部材の組付け構造の断面図である。被組付け部材は第１の被組付け部材８０、第２の被組付け部材８１、第３の被組付け部材８２から構成されている。被組付け部材８０、８１、８２とボルト７０との間には伝熱部材９０が配置されている。このような部材の組付け構造であっても、熱源から被組付け部材８０、８１、８２へと伝達される熱は、伝熱部材９０を通じでボルト７０及びナット７１へと伝達されるため、部材間の温度差を小さくすることができる。その結果、温度差に起因して部材の組付け構造に発生する熱応力を小さくすることができるため、部材の変形を抑制することができる。

・また、ボルト以外の他の組付け部材として、ネジ山のない組付け部材を用いてもよい。図６は、ネジ山のない組付け部材であるリベット１００により、第１の被組付け部材１１０と第２の被組付け部材１１１とを組付ける部材の組付け構造の断面図である。被組付け部材１１０、１１１とリベット１００との間に伝熱部材１２０が配置されている。また、被組付け部材１１０、１１１には熱源からの熱が伝達される。要は、複数の被組付け部材を組付け部材により組付けるような構成であればよい。

・上記実施形態では、シリンダヘッド１０とシリンダブロック２０とをヘッドボルト４０により塑性域締め付けにより締結を行っていたが、弾性変形の領域で締結を行うような部材の組付け構造であってもよい。一般的に、弾性変形の領域でヘッドボルト４０を締結すれば、部材に僅かな応力が生じても部材の変形が進行することはない。しかしながら、このような弾性変形の領域での締結であっても、部材間に大きな温度差生じれば、この温度差に起因した熱応力によりヘッドボルト４０が塑性変形して部材が変形するおそれがある。同構成によれば、シリンダヘッド１０及びシリンダブロック２０とヘッドボルト４０との間に伝熱部材を配置することにより、部材間の温度差を小さくすることができる。その結果、部材に発生する熱応力を小さくすることができるため、弾性変形の領域で締結を行う部材の組付け構造であっても変形を抑制することができる。

・上記実施形態では、ネジ部２２以外の隙間に伝熱部材５０が配置されているが、さらにネジ部２２に伝熱部材を配置してもよい。このような構成とすることで、熱源からの熱の伝達性はさらに促進される。

本発明の一実施形態にかかる部材の組付け構造を示す断面図。 上記組付け構造におけるヘッドボルトの伸びと軸力の関係を示すグラフ。 上記組付け構造の暖機過程における各部材の温度変化とヘッドボルトの応力変化を示すタイムチャート。 上記組付け構造の伝熱部材の構成にかかる変形例を示す断面図。 上記組付け構造にかかる他の変形例を示す断面図。 上記組付け構造にかかる他の変形例を示す断面図。 従来の部材の組付け構造を示す断面図。 上記従来の組付け構造の暖機過程における各部材の温度変化とヘッドボルトの応力変化を示すタイムチャート。

符号の説明

１０，２００…シリンダヘッド、１１…貫通孔、２０，２１０…シリンダブロック、２１…挿入部、２２…ネジ部、３０，２３０…ガスケット、４０，２２０…ヘッドボルト、５０，９０，１２０…伝熱部材、６０…アルミニウム線、７０…ボルト、７１…ナット、８０，８１，８２，１１０，１１１…被組付け部材、１００…リベット。

Claims (6)

1. 貫通孔あるいは挿入穴の形成された複数の被組付け部材と、前記貫通孔あるいは前記挿入穴に挿入されて前記複数の部材を組付ける組付け部材とを備え、熱源からの熱が伝達されるとともに部材間の温度差が小さいほど熱応力が小さくなる部材の組付け構造において、
   前記貫通孔あるいは前記挿入穴の内面と前記組付け部材の外面との隙間に配置され、同貫通孔あるいは同挿入穴の内面から同組付け部材の外面への熱伝導を促進させる伝熱部材を備えることを特徴とする部材の組付け構造。
2. 請求項１に記載の部材の組付け構造において、
   前記伝熱部材は、弾性力によって前記貫通孔あるいは前記挿入穴の内面及び前記組付け部材の外面を押圧する金属である
   ことを特徴とする部材の組付け構造。
3. 請求項１又は請求項２に記載の部材の組付け構造において、
   前記伝熱部材は、前記貫通孔あるいは前記挿入穴の内面及び組付け部材の外面の少なくとも一方に鋳込まれてなる
   ことを特徴とする部材の組付け構造。
4. 請求項１乃至請求項３に記載の部材の組付け構造において、
   前記被組付け部材はシリンダヘッド及びシリンダブロックであり、前記組付け部材はヘッドボルトである
   ことを特徴とする部材の組付け構造。
5. 請求項４に記載の部材の組付け構造において、
   前記ヘッドボルトは、塑性変形が生じるまで締め付けを行う塑性域締めにより前記シリンダブロックに組付けられている
   ことを特徴とする部材の組付け構造。
6. 請求項４又は５に記載の部材の組付け構造において、
   前記シリンダヘッドには貫通孔が形成され、前記シリンダブロックにはネジ山を形成したネジ部及びネジ山を形成していない挿入部からなる挿入穴が形成され、前記ヘッドボルトは前記ネジ部で締結され、前記伝熱部材は前記貫通孔の内面及び前記挿入部の内面と前記ヘッドボルトの外面との隙間に配置される
   ことを特徴とする部材の組付け構造。

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