JP2921941B2 - マニホルド用金属ガスケット - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は，排気マニホルドの取付フランジ端面と排
気吐出口を開口したシリンダヘッド側面との間に挟持状
態に締め付けられるマニホルド用金属ガスケットに関す
る。

〔従来の技術〕

従来，排気マニホルドの取付フランジ端面と排気吐出
口を開口したシリンダヘッド側面との間に挟持されて，
締付けボルト等で締付けて配設される内燃機関の排気マ
ニホルド用金属積層ガスケットは，シリンダヘッドと排
気マニホルドとの間の当接面から排気ガスが漏洩しない
ように設けられるものであり，種々のタイプのマニホル
ド用ガスケットが使用されている。

代表的な形式のガスケットとして，金属板を積層した
タイプのマニホルド用金属積層ガスケットがある。該金
属板積層ガスケットは，一般に,3〜５枚の金属板を積層
させて構成されている。奇数枚，例えば,3枚の金属板積
層ガスケットについては，中央の金属板がビードを有し
ていない平らな鋼板であり，その両側の金属板がビード
部を互いに遠ざかるように***させたビード板である。
このような金属板積層ガスケットとしては，例えば，実
開平２−61169号公報，実開平２−61170号公報に開示さ
れたものがある。

又は，偶数枚，例えば,4枚の積層ガスケットについて
は，ビード部を互いに遠ざけるように***させた２枚の
ビード板を重ね合わせ，重ね合わせたビード板を２対重
ねた構造に構成することもできる。

或いは,5枚の金属板から成る積層ガスケットの場合
は,4枚の金属板の中央にビード部を有していない平らな
金属板を介装させている。

上記のような金属板積層ガスケットにおいて，ビード
部を形成した金属板について，そのビード部は自由状態
で平板部分から曲がって立ち上がり，斜めに傾斜し，更
に逆向きに曲がって再び平板部と平行になるように構成
されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで，上記のような薄い金属板を何枚か重ね合わ
せた構造を有している金属板積層ガスケットは，柔軟性
に富み，耐熱性に優れ，ビード構造を組み入れることに
よって適度の圧縮性を有する。このように構成されたビ
ード部を有するビード板を含んでいる金属板積層ガスケ
ットは，シリンダヘッドと排気マニホルドとの接合面に
挟まれて締付けボルト等で締付け配設すると，ビード部
がシリンダヘッド及び排気マニホルドの接合面に対して
シール線を形成して排気ガスがかかる接合面から漏洩す
るのを効果的に防止する。

かかる金属板積層ガスケットは，経済的にシール性能
が劣化することが少ないため，高温で熱膨張の大きい排
気マニホルド用のガスケットとして，シール上，極めて
有利である。

しかしながら，従来の金属ガスケットは上記のような
利点があるが，その反面次のような問題点を有してい
る。即ち，最近のエンジンは小型化，軽量化及び高出力
指向の高性能化が追求されており，その中で小型化，軽
量化のためにはシリンダヘッドをアルミニウム合金製と
して排気マニホルドを軽肉化することが求められてお
り，高性能化の一つの手段として，排気ガス温度の高温
度化が求められている。シリンダヘッドをアルミニウム
合金で製作すると，内燃機関の作動に伴う温度変化によ
ってシリンダヘッドの熱膨張・熱収縮が増大し，排気マ
ニホルドを薄肉化すると，ガスケット取付け面，即ち取
付フランジ部の熱変形量が増加する。そして，排気ガス
温度を高温度にすると，排気マニホルドの温度上昇によ
り排気マニホルドの熱変形を更に助長することになる。
金属板積層ガスケットにとっては，これらの条件は，温
度的に且つ応力的に厳しいものとなり，熱変形が大きく
なるシリンダヘッドと排気マニホルドとの接合面にどこ
まで追従できるか，その限界が追求されることになる。

このような背景から，マニホルド用金属ガスケットに
ついては，高温用ガスケットに対する要求が高くなって
きている。

従って，金属ガスケットにステンレス鋼板を用いる
と，材料そのものとしては耐熱性も含めた耐久性はある
が，温度幅の大きい熱変化に晒された時には，シリンダ
ヘッドと排気マニホルドとの間にある温度差がエンジン
の停止を含む種々の運転状態に応じて大きく変化し，そ
のためにシリンダヘッドと排気マニホルドとの熱膨張
差，即ち相対変位量が大きくなり，金属ガスケットのビ
ード部の残留ビード高さが減少するというヘタリ現象を
生じたり，或いは金属ガスケットに対する繰り返し応力
の結果，ビード部に亀裂を生じたりして，排気ガスの漏
洩等のシール性能の劣化が避けられないという問題点が
ある。

この発明の目的は，上記課題を解決することであり，
排気ガスが高温である場合に，また厳しい熱応力条件の
下で使用しても，金属板に形成したビード部のヘタリ量
が少なく且つ亀裂が生じ難い信頼性の高いシール構造に
構成することであり，既存の積層構造の金属ガスケット
に対してビード形状を金属板即ちビード板の厚さと曲げ
アールとの関係を最適の値に設定することによって上記
問題を克服できるビード部を備えたビード板を有するマ
ニホルド用金属ガスケットを提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は，上記の目的を達成するために，次のよう
に構成されている。即ち，この発明は，排気マニホルド
の取付フランジ端面と排気吐出口を開口したシリンダヘ
ッド側面との間に挟持され，非止着状態で積層された少
なくとも２枚の金属製薄板から成るビード板を具備し，
前記ビード板は前記排気吐出口に対応した位置に孔が形
成されていることから成るマニホルド用金属ガスケット
において，前記ビード板は，平らな面を有する平坦部，
該平坦部との境界部が予め決められた曲げアールＲで曲
げられて互いに離れる方向に延びるテーパ部，及び該テ
ーパ部との境界部が予め決められた曲げアールＲで曲げ
られて互いに平行に隔置状態に延びる前記孔の回りに位
置するビード部から構成され，前記ビード板の板厚ｔに
対する前記ビード部の前記曲げアールＲの比R/tを７〜1
5に設定したことを特徴とするマニホルド用金属ガスケ
ットに関する。

また，このマニホルド用金属ガスケットにおいて，前
記ビード板の板厚の範囲を0.2〜0.35mmとしたものであ
る。

更に，このマニホルド用金属ガスケットは，互いに対
向する前記ビード板の間には平らな金属製中板が配置さ
れているものである。

〔作用〕

この発明によるマニホルド用金属ガスケットは，上記
のように構成されているので，次のように作用する。即
ち，このマニホルド用金属ガスケットは，排気マニホル
ドの取付フランジ端面と排気吐出口を開口したシリンダ
ヘッド側面との間に挟持され，ビード板が平らな面を有
する平坦部，該平坦部との境界部が予め決められた曲げ
アールＲで曲げられて互いに離れる方向に延びるテーパ
部及び該テーパ部との境界部が予め決められた曲げアー
ルＲで曲げられて互いに平行に隔置状態に延びる前記孔
の回りに位置するビード部から構成され，前記ビード板
の板厚ｔに対する前記ビード部の前記曲げアールＲの比
R/tを７〜15に設定されているので，曲げアールＲが0.5
mmの場合を基準としてビード部に発生する応力及び面圧
を有限要素法FEM等で解析すると，応力は基準値よりも
低くすることができると共に，面圧を基準値からの増加
を所定の範囲内に抑えることができる。

このことは，テーパ部の両側に存在するアール部の曲
率半径を板厚に対して相対的に大きくすることになる。
更に，ビード板の平坦部からテーパ部への立ち上がりが
滑らかになり，また，テーパ部からビード部への移行も
滑らかになり，その結果，シリンダヘッドと排気マニホ
ルドとの当接面間に金属ガスケットを締付けた時にかか
る滑らかな移行部分のために，ビード板の接触部が広範
囲になり，該接触部に生じる応力や面圧が緩和されるこ
とになる。

〔実施例〕

以下，図面を参照して，この発明によるマニホルド用
金属ガスケットの実施例を説明する。

第１図はこの発明によるマニホルド用金属ガスケット
の一実施例を示す図面，第２図は第１図における線II−
IIについての断面図，第３図は第１図における線III−I
IIについての断面図，及び第４図は第１図における線IV
−IVについての断面図である。

この実施例の排気マニホルド用金属ガスケット１は，
排気吐出口（図示せず）を開口した多気筒エンジンのシ
リンダヘッドの側面と，前記排気吐出口の数と同数の分
岐管を有する排気マニホルドの取付けフランジ端面（い
ずれも図示せず）との間に挟持して締付け固定されるも
のであり，図示のように三つの排気吐出口の周りにおい
てシリンダヘッドの側面と排気マニホルドの端面との当
接面の気密性を保持して排気ガスを漏洩しないようにシ
ールするものである。

金属ガスケット１は，両外側のビード板2,3とその間
に挟まれた内側の金属薄板即ち中板４とから構成されて
いる。両外側のビード板2,3と中板４とは，多気筒エン
ジンのシリンダヘッドに形成された排気吐出口と同数の
気体流通孔5,6及び７を有している。

両外側のビード板2,3は，その締付け前の自由状態で
は，気体流通孔5,6及び７の周囲において，その一部が
第２図に図示されているように，気体流通の孔に向かう
にしたがって中板４から次第に離れていくテーパ8,9
と，テーパ部8,9に続いて中板４と平行，言い換えれ
ば，互いに平行に延びるビード部10,11とを有する。中
板４から離れていく部分，即ちビード板2,3の主たる平
坦部からテーパ部8,9に移行する部分及びテーパ部8,9か
ら中板４と平行なビード部10,11に移行する部分とは，
曲げアールＲによる曲げ加工により形成されている。

ビード部10,11は，排気マニホルドの取付けフランジ
における大きな熱変形等の変形を吸収するためにばね機
能を有する状態即ち弾性変形可能に形成されている。

マニホルド用金属ガスケット１について，ビード板2,
3を上記のように構成し，且つ配置することによって，
シリンダヘッドの端面と排気マニホルドの端面とから成
る当接面の気密性を保持し，極めて良好なシール機能を
果たすことができる。

中板４は，厚さ0.3〜0.7mm,好ましくは0.5mmの溶融Al
メッキ鋼板（SAIC,SACC）から製作されている。また，
両側の金属薄板であるビード板2,3の板厚ｔは,0.2〜0.3
5mm（この実施例では,0.25mm）のステンレススチール調
質板（SUS301H等）から製作されている。気体流通の孔
５〜７の直径は40mmである。また，ビード板2,3のテー
パ部8,9の幅（気体流通孔の半径方向で見た幅）は2.5mm
であり，ビード部10,11の幅（方向は同上）は2.75mmで
ある。更に，ビード部10,11の中板４からの高さは,0.75
mmであり，即ち，金属ガスケット１の自由状態での高さ
は，ビード板2,3の板厚ｔを加えて1mmに形成されてい
る。

ビード板2,3の主たる平坦部からテーパ部8,9に移行す
る屈曲部12,13と，テーパ部8,9からビード部10,11に移
行する屈曲部14,15は，いずれも0.5mm以上の曲げアール
Ｒとされている。

図中，符号16は，ビード板2,3と中板４とに共通して
金属ガスケット１全体にわたって等分布するように複数
個分散配置して穿設された取付け孔であって，排気マニ
ホルドとシリンダヘッドに同じ位置に設けられた穴にボ
ルト等の固着具を締付けることにより，金属ガスケット
１はシリンダヘッドの端面と排気マニホルドの端面との
間に挟付けて固定される。

また，符号17は，中板４と両外側のビード板2,3の固
定を図る固定ハトメであり，これら中板４とビード板2,
3を同じ位置で穿設した共通の穴18に装着されている。
固定ハトメ17は，穴18の中に装着された後，両側のビー
ド板2,3の表面側に曲げ返されてビード板2,3を中板４に
固定する。固定ハトメ17は，孔12とは互い違いの位置に
設けられていて，全体として金属ガスケット１の一体性
を等分布的に確保することができる。

取付け孔16にボルト等の締付け具をねじ込むことで，
シリンダヘッド１と排気マニホルド２とを締付けた時に
は，両者の間に挟まれた金属ガスケット１の両側のビー
ド板2,3はそのビード部10,11がシリンダヘッドと排気マ
ニホルドの当接面に当接してシール線を形成して気体通
孔５〜７の周縁における燃焼ガスの漏洩を防止すること
ができる。

排気マニホルドは，耐熱鋳鋼やステンレス鋼等で製作
され，該製作に当たって材料の厚さを極力薄くしている
ことによって，温度変化によるシリンダヘッドに対する
熱変形が大きいが，上記のように金属ガスケット１を構
成することによって，熱変形するときに，金属ガスケッ
ト１は，シール線を形成する接触部の応力と面圧が適性
な範囲に納まり，従来の金属ガスケットに比べてへたり
量が２分の１以下になる例もある。

また，この実施例の中板14は,1枚の金属製薄板とした
が，第２の実施例と同様にビード部を互いに接触させた
２枚の金属製薄板としてもよいことは勿論である。

次に，この発明によるマニホルド用金属ガスケットの
作用について，具体的に第５図及び第６図を参照しつつ
以下に説明する。

第５図において，横軸にビード板の板厚ｔに対する曲
げアールＲの比R/t（無次元量）をとり，且つ縦軸にビ
ード板のシリンダヘッド又は排気マニホルドとの接触部
に生じる応力の曲げアールＲが0.5mmの場合を基準とし
た時の接触部に生じる応力に対する比率（無次元量）
を，板厚ｔをパラメータとしてグラフにしてものであ
る。ここで，ビード部の応力とは，シリンダヘッドと排
気マニホルドの接合面間に挟んで締付けた時に，金属ガ
スケットのビード部の曲げ加工部分に生じる曲げ応力の
ことであり，曲げ加工部の自由状態で凸面となっている
側では圧縮応力が，そして凹面となっている側では引張
り応力が発生する。各応力は，凹凸面の表面で最も大き
な値となり，その最大応力をビード部の応力と称するこ
ととする。

第５図のグラフは，有限要素法FEMにより数値解析し
た結果を示すものである。曲げアールＲが0.5mmとした
のは，従来採用されてきた値であり，ビード板の板厚ｔ
を0.2〜0.35mmの範囲と限定したのは，実際問題にして
も，採用し得るビード板の板厚はこの範囲内にあるから
である。

第５図から読み取れるように，板厚が上記の範囲内に
あるどのような厚さであろうとも，従来の金属ガスケッ
トのように曲げアールＲが小さい場合，即ち，ビード板
2,3のテーパ部8,9の両端での平坦部からの移行が急速に
行われる場合は，接触部の応力比は1.0の近傍に存在す
る。しかしながら，曲げアールＲが大きくなるにしたが
って，第５図で特性曲線は右下がり，即ち，接触部の応
力比は1.0から急速に低下し，比R/tが７程度の時は，応
力比は35％減にまで低下し，それ以上の比R/tに対して
は横這い又は僅かに減少傾向を示している。パラメータ
である厚ｔに対する変化をみると，板厚ｔが増加するほ
ど応力比の低下が大きいことが分かる。

以上のことから，比R/tの採用し得る範囲としては，
応力比が充分低下した範囲が好ましいであろうことに疑
いはないから，比R/t＝７以上であることが分かるであ
ろう。

第６図において，横軸にビード板の板厚ｔに対する曲
げアールＲの比R/t（無次元量）をとり，且つ縦軸にビ
ード板のシリンダヘッド又は排気マニホルドとの接触部
に生じる面圧の曲げアールＲが0.5mmの場合を基準とし
た時の接触部に生じる面圧に対する比率（無次元量）
を，板厚ｔをパラメータとしてグラフにしたものであ
る。ここで，ビード部の面圧とは，シリンダヘッドと排
気マニホルドの接合面間に挟んで締付けた時に，金属ガ
スケットのビード部の曲げ加工部分に生じる締付け圧力
のことである。第６図のグラフは，有限要素法により数
値解析したものである等の条件は第５図と同じであるの
で重複する説明を省略する。

第６図から読み取れるように，板厚が上記の範囲内に
あるどのような厚さであろうとも，従来の金属ガスケッ
トのように曲げアールＲが小さい場合，即ち，テーパ部
の両端での平坦部からの移行が急速に行われる場合は，
接触部の面圧比は1.0の近傍に存在する。しかしなが
ら，曲げアールＲが大きくなるにしたがって，第６図で
特性曲線は右上がりになり，即ち，接触部の面圧比は1.
0から次第に増加し，板厚ｔが0.35mmの場合に，比R/tが
８程度から上昇し始めて,R/tが15の時に，面圧比が1.1
を超える。パラメータである厚ｔに対する変化をみる
と，板厚ｔが増加するほど面圧比の増加が大きいことが
分かる。

以上のことから，比R/tの採用し得る範囲としては，
面圧比が1.1を超えない範囲が好ましいであろうと考え
られるから，比R/t＝15以下であることが分かるであろ
う。

従って，この発明によるマニホルド用金属ガスケット
については，応力比及び面圧比の両方から考慮すると，
比R/tの採用し得る範囲は,7乃至15であることが理解さ
れるであろう。

製造面からすると，曲げアールＲを余りに大きくとる
と，テーパ部の直線部分が短くなり過ぎるため，取り得
る曲げ半径の最大値は,3.5mmであることが経験的に分か
ってくる。

従って，比R/tの上限値が最も小さくなるのは，板厚
ｔが最大値である0.35mmの場合であり，それ故に,3.5/
0.35＝10となる。

このマニホルド用金属ガスケット１について，板厚ｔ
に対する曲げアールＲの比R/tを７〜15とすれば，金属
ガスケットの接触部の応力と面圧からみて，シール性が
良好で且つヘタリや亀裂が生じない信頼性の高い金属ガ
スケットを提供することができる。また，比R/tの範囲
において，種々の条件に合わせて，その組合わせを選択
できるので，製造面でも多種多様の金属ガスケットを製
作し，用意しておくことができる。

〔発明の効果〕

この発明によるマニホルド用金属ガスケットは，以上
のように構成されているので，従来の金属ガスケットの
ビード部が温度の幅の大きい熱変化に晒されるシリンダ
ヘッドと排気マニホルドの影響を受けてヘタリや亀裂を
生じ易く，シール性能が劣化する傾向にあるのに反し
て，応力は基準値よりも低くすることができると共に，
面圧を基準値からの増加を所定の範囲内に抑えることが
でき，シール線を形成するビード部の応力及び面圧を適
性な範囲に収められ，それ故に，温度の幅の大きい熱変
化によるシール性能の劣化を防止することができる。

また，このマニホルド用金属ガスケットによれば，中
板は，ビード部を互いに接触させた２枚のビード板から
構成することもできるので，流通孔の周囲における面圧
が更に高くなることになり，金属積層ガスケットのシー
ル性能が更に向上し，シリンダヘッドと排気マニホルド
との間のガスケットから排気ガスが漏洩するのを更に防
ぐことができる。

更に，このマニホルド用金属ガスケットは，板厚とビ
ード部の曲げ半径の組み合わせにより，従来と同じ積層
構造を保ったまま，多種多様に製作することができるの
で，内燃機関の種類に応じて適宜選択する用意を整える
ことができる。即ち，排気マニホルドをシリンダヘッド
に対してボルトによって締付ける場合に，ビード部に生
じる応力の調整，並びにビード部における排気マニホル
ド及びシリンダヘッドに対する締付け面圧の調整は，か
かるガスケットを交換するだけで行うことができ，従来
のようにビード部の製造上の変更による寸法等の調節に
比べて，非常に容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるマニホルド用金属ガスケットの
一実施例を示す平面図，第２図は第１図における線II−
IIについての断面図，第３図は第１図における線III−I
IIについての断面図，第４図は第１図における線IV−IV
についての断面図，第５図はビード板の接触部に生じる
応力の基準応力に対する比率を表したグラフ，及び第６
図はビード板の接触部に生じる面圧の基準面圧に対する
比率を表したグラフである。 １……金属ガスケット,2,3……ビード板,4……中板,5,
6,7……気体流通孔,8,9……テーパ部,10,11……ビード
部,12,13,14,15……曲げアール部,16……取付け孔,17…
…固定ハトメ,R……曲げアール,t……ビード板の板厚。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 秀夫 神奈川県横浜市磯子区新磯子町１番地 株式会社日発グループ中央研究所内 (72)発明者 大倉 健 神奈川県横浜市磯子区新磯子町１番地 株式会社日発グループ中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭64−77740（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−79471（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−73157（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−155375（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−18744（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭59−68120（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F16J 15/08

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】排気マニホルドの取付フランジ端面と排気
   吐出口を開口したシリンダヘッド側面との間に挟持さ
   れ，非止着状態で積層された少なくとも２枚の金属製薄
   板から成るビード板を具備し，前記ビード板は前記排気
   吐出口に対応した位置に孔が形成されていることから成
   るマニホルド用金属ガスケットにおいて， 前記ビード板は，平らな面を有する平坦部，該平坦部と
   の境界部が予め決められた曲げアールＲで曲げられて互
   いに離れる方向に延びるテーパ部，及び該テーパ部との
   境界部が予め決められた曲げアールＲで曲げられて互い
   に平行に隔置状態に延びる前記孔の回りに位置するビー
   ド部から構成され，前記ビード板の板厚ｔに対する前記
   ビード部の前記曲げアールＲの比R/tを７〜15に設定し
   たことを特徴とするマニホルド用金属ガスケット。
2. 【請求項２】前記ビード板の板厚の範囲を0.2〜0.35mm
   としたことを特徴とする請求項１に記載のマニホルド用
   金属ガスケット。
3. 【請求項３】互いに対向する前記ビード板の間には平ら
   な金属製中板が配置されていることを特徴とする請求項
   １又は２に記載のマニホルド用金属ガスケット。