JP5310643B2 - シリンダヘッド - Google Patents

Description

本発明は、ヘッドボルトボスに近接した支柱構造を持つシリンダヘッドに関する。

エンジンのシリンダヘッド構造の一例を特許文献１に示す。この特許文献１では、シンダヘッドをシリンダブロックに組み付けるヘッドボルトは、気筒の爆発応力を均等に受けてシリンダヘッドをシリンダブロックに安定に固定するために、相隣接する気筒の略中間位置に配置され、そして、上記ヘッドボルトの締め付け作業の容易のためにカムシャフト支持壁（横壁部）に空隙を設け、カムジャーナルを上記ヘッドボルトの斜め上方外側に配置していた（段落［００４８］）。カムジャーナルは上記ヘッドボルトの軸線上には配置されていなかった。

特開２００４−２０４７０６

本発明は、上記特許文献１に鑑みてなされたものであり、ヘッドボルトの軸線上にカムジャーナルを配置することにより、コンパクト化を図ったシリンダヘッドを提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、ヘッドボルトが貫通するヘッドボルトボスに近接した位置に、カムシャフト支持部（横壁部）を支持する支柱を設け、この支柱にカムジャーナルに対してオイルを供給する油路を設けて、更なるコンパクト化を図ったシリンダヘッドを提供するにある。

上記課題を解決する本発明の請求項１に係るシリンダヘッドは、シリンダブロックにヘッドボルトにより取り付けられる基部と、前記基部の縁部からシリンダブロックと反対側に延び動弁手段の駆動空間を形成する周壁部と、前記駆動空間を吸気側と排気側に区画し前記周壁部に連結する縦壁部と、カムシャフトのカムジャーナルが前記ヘッドボルトの軸線上に位置し、前記基部と離隔して前記周壁部と縦壁部とに掛け渡される横壁部と、前記ボルト近傍の前記基部と前記横壁部とを連結する支柱と、前記基部に形成されるオイルギャラリから前記支柱を通って前記カムジャーナルにオイルを供給する油路とを備え、前記油路は、前記ヘッドボルトの軸線と平行に形成され、前記横壁部には前記カムシャフトを挟んで前記横壁部と共同して前記カムジャーナルを形成するカムキャップを取り付けるボルトボスが形成され、前記油路は、前記ヘッドボルトと前記ボルトボスを結ぶ線から、前記カムシャフトの軸線方向に変位することを特徴とする。

本発明の請求項１に係るシリンダヘッドによれば、ヘッドボルトとカムジャーナルを重なる位置に配置してシリンダヘッドをコンパクト化したシリンダヘッドであって、カムジャーナルが形成される横壁部を支持する支柱にカムジャーナルにオイルを供給する油路を形成したため、更なるコンパクト化が図れる。

本発明の請求項２に係るシリンダヘッドによれば、油路をボルト軸線と平行とすることにより、油路をヘッドボルト即ちボルト軸線上にあるカムジャーナルに近づけることができる。

本発明の請求項３に係るシリンダヘッドによれば、ボルトと油路との距離を確保することにより剛性を高める。

本発明の実施例１に係るシリンダヘッドの斜視図である。 本発明の実施例１に係るシリンダヘッドの平面図である。 図３（ａ）は吸気側ヘッドボルトボス及び排気側ヘッドボルトボスとの間の中心線から支柱をオフセットして配置した配置例２を示す平面図、図３（ｂ）は吸気側ヘッドボルトボス及び排気側ヘッドボルトボスと間の中心線上に支柱を配置した配置例１を示す平面図、図３（ｃ）は図３（ｂ）中のＡ−Ａ線断面図である。 図４（ａ）は吸気側ヘッドボルトボス及び排気側ヘッドボルトボスとの間の中心線から支柱をオフセットして配置した配置例２を示す斜視図、図４（ｂ）は吸気側ヘッドボルトボス及び排気側ヘッドボルトボスと間の中心線上に支柱を配置した配置例１を示す斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態について、実施例に基づいて説明する。

本発明の一実施形態に係るシリンダヘッドを、図１及び図２に示す。

図１に示すように、シリンダブロック１０上にはシリンダヘッド２０がガスケットなどのシール部材（図示省略）を介して配置される。

シリンダヘッド２０は、シリンダブロック１０にヘッドボルト３０により取り付けられる底壁部（基部）２１と、この底壁部２１の縁部からシリンダブロック１０と反対側（図中上側）に延び、動弁手段の駆動空間を形成する周壁部２２と、この駆動空間を吸気側と排気側に区画し周壁部２２に連続する縦壁部２３とを有する。

底壁部２１には、ヘッドボルト３０を挿入するためのヘッドボルトボス３１が複数形成されている。

周壁部２２は、燃焼室の並ぶ方向（以下、前後方向と言う）に略沿う縦周壁部２２１と、燃焼室の並ぶ方向を横切る方向（以下、幅方向と言う）に略沿う横周壁部２２２とを有している。

縦壁部２３は、シリンダヘッド２０の幅方向略中央に配置されるとともに、前後方向に沿って延びている。縦壁部２３は、底壁部２１と一体に形成され上下方向に立ち上がるとともに、前後方向の両端が横周壁部２２２に一体に形成されている。つまり、底壁部２１と周壁部２２と縦壁部２３とは、一体に形成されている。

シリンダヘッド２０には、吸気バルブ（図示省略）及び排気バルブ（図示省略）を開閉するための動弁機構を構成する吸気用カムシャフト４０および排気用カムシャフト５０が組み付けられている。

吸気用カムシャフト４０は、縦壁部２３を挟んで吸気側（図中左側）に配置されており、排気用カムシャフト５０は、排気側（図中右側）に配置されている。

まず、排気用カムシャフト５０を支持する構造を説明する。シリンダヘッド２０の排気側には、排気用カムシャフト５０を支持する複数の排気側横壁部２４が等間隔に離間して配置されている。排気側横壁部２４は、縦壁部２３と排気側に配置される縦周壁部２２１とに掛け渡されて形成されており、幅方向に延びている。

排気側横壁部２４の両端部近傍は、底壁部２１に一体に形成され、それ以外の部分は底壁部２１と離隔してている。つまり、排気側横壁部２４において、両端部以外の部位と底壁部２１の上端面との間には、隙間が形成されている。

排気側横壁部２４には、排気用カムシャフト５０を支持する排気用カムシャフト支持部２４ａが形成されている。排気用カムシャフト支持部２４ａは、断面が半円状に切り欠かれる凹部状である。排気用カムシャフト支持部２４ａには、吸気用カムシャフト４０を間に挟んで、断面が半円状に切り欠かれたカムキャップ（図示省略）が取り付けられてカムジャーナルが形成される。カムキャップを取り付ける２つのボルト穴２４ｂ，２４ｂが排気側横壁部２４の上面に形成されている。これら２つのボルト穴２４ｂ，２４ｂとヘッドボルトボス３１を結ぶ方向は、ヘッドボルトボス３１間を結ぶ方向と平行、即ち、幅方向となっている。

つぎに、吸気用カムシャフト４０の支持構造を説明する。シリンダヘッド２０の吸気側には、幅方向に沿って直線状に延びる吸気側横壁部２５が等間隔に離間して配置される。
吸気側横壁部２５は、縦壁部２３と吸気側に配置される縦周壁部２２１とに掛け渡されて形成されており、幅方向に直線状に延びている。

吸気側横壁部２５は、吸気用カムシャフト４０を支持する吸気用カムシャフト支持部２５ａを有している。吸気用カムシャフト支持部２５ａは、断面が半円状に切り欠かれる凹部状である。吸気用カムシャフト支持部２５ａは、吸気用カムシャフト５０を間に挟んで、断面が半円状に切り欠かれたカムキャップ（図示省略）が取り付けられてカムジャーナルを形成するものである。カムキャップを取り付ける２つのボルト穴２５ｂ，２５ｂが吸気側横壁部２５の上面に形成されている。これら２つのボルト穴２５ｂ，２５ｂとヘッドボルトボス３１を結ぶ方向は、ヘッドボルトボス３１間を結ぶ方向と平行、即ち、幅方向となっている。

なお、縦壁部２３と吸気側の縦周壁部２２１との間にはロッカアーム機構が配置されるが、図中では、ロッカアーム機構は省略されている。

つぎに、シリンダブロック１０とシリンダヘッド２０との固定構造について、具体的に説明する。シリンダヘッド２０は、ヘッドボルト３０によって、シリンダブロック１０に固定されている。底壁部２１には、ヘッドボルト３０が貫通するヘッドボルトボス３１が複数形成されている。

排気側に配置されるヘッドボルトボス３１は、前後方向に隣り合う排気側横壁部２４間に１つずつ配置されている。このため、ヘッドボルトボス３１の周囲には、ヘッドボルト３０をヘッドボルトボス３１に挿入するなどの作業スペースが十分確保される。

吸気側に配置されるヘッドボルトボス３１は、吸気側横壁部２５に形成される吸気用カムシャフト支持部２５ａの直下に配置されている。つまり、ヘッドボルト３０の軸線上に吸気用カムシャフト支持部２５ａが位置することになる。そのため、ヘッドボルト３０とカムジャーナルを重なる位置に配置することができ、カムジャーナルをヘッドボルトの斜め上方外側に配置していた特許文献１に比較し、シリンダヘッドをコンパクト化することができる。

吸気側横壁部２５に形成される吸気用カムシャフト支持部２５ａは、上方から見た場合に、吸気側横壁部２５において吸気用カムシャフト支持部２５ａ以外の部位よりも前後方向に幅広形成されている。また、吸気用カムシャフト支持部２５ａの前後方向に両端縁部間には、ヘッドボルトボス３１に達する挿通孔２５ｃが形成されている。従って、吸気側のヘッドボルトボス３１は、挿通孔２５ｃを通して上方からアクセス可能に露出している。

挿通孔２５ｃは、ヘッドボルト３０およびヘッドボルト３０を組み付ける際に用いられる工具が進入可能な大きさを有している。このため、吸気側のヘッドボルトボス３１の周囲には、ヘッドボルト３０を組み付ける際のスペースが確保される。

なお、排気側横壁部２４及び吸気側横壁部２５とは、シリンダヘッド２０を鋳造などで形成する際に、一緒に形成されており、それゆえ、底壁部２１と縦壁部２３と周壁部２２と一体になっている。

更に、吸気側横壁部２５の下方に配置されるヘッドボルトボス３１近傍には、図１及び図２では吸気側横壁部２５等により隠れて見えていないが、底壁部２１と吸気側横壁部２５とを連結する支柱２６が立設されている。この支柱２６は、吸気側横壁部２５を支持する補強材である。吸気用カムシャフト４０の位置による制約上、支柱２６とヘッドボルトボス３１との間隔が狭くなっている。支柱２６の断面は長円形である。

この支柱２６には、底壁部２１に形成されたオイルギャラリから吸気用カムシャフト支持部２５ａに対してオイル（潤滑油）を供給する油路２７が形成されている。この油路２７は、ヘッドボルト３０の軸線と平行となっている。従って、油路２７をヘッドボルト３０の軸線上にある吸気用カムシャフト支持部２５ａに近づけることができる。
この支柱２６とヘッドボルトボス３１との配置関係を図３及び図４に示す。図３及び図４においては、支柱２６とヘッドボルトボス３１以外の構造物について捨象して描いている。

図３（ｂ）は、吸気側ヘッドボルトボス３１と排気側ヘッドボルトボス３１との間の中心線上に支柱２６を配置した配置例１を示すものである。図３（ｃ）は、図３（ｂ）中のＡ-Ａ線断面図である。
一方、図３（ａ）は、吸気側ヘッドボルトボス３１と排気側ヘッドボルトボス３１との間の中心線から角度φだけ支柱２６をオフセットして配置した配置例２を示すものである。

但し、図３（ａ）に示す配置例２において、支柱２６は、底壁部２１と吸気側横壁部２５とを連結する必要のため、吸気側ヘッドボルトボス３１と排気側ヘッドボルトボス３１との間の中心線上に一部が残るように回転させた。
また、吸気側ヘッドボルトボス３１の中心と支柱２６内の油路２７との幅方向の距離Ｃは、オイルライン設置限度以下としてある。オイルライン設置限度とは、底壁部２１に設けられるオイルギャラリに対して油路２７を接続可能な限度という意味である。

上記距離Ｃは、オイルライン設置限度以下とするためには、あまり長くできないが、ヘッドボルトボス３１と支柱２６との間の距離が短くなるほど、ヘッドボルトボス３１と支柱２６の根元との間の湾曲面は曲率半径が小さくなり、応力集中が起こりやすいという問題がある。

ここで、図３（ｂ）に示す配置例１においては、吸気側ヘッドボルトボス３１の中心と支柱２６外表面間との距離はａであるのに対し、図３（ａ）に示す配置例２においては、吸気側ヘッドボルトボス３１の中心と支柱２６外表面間との距離ｂは、下式に示す通りとなる。
ｂ＝ａ／ｃｏｓφ
ｂ−ａ＝ａ（１／ｃｏｓφ−１）
つまり、図３（ａ）に示す配置例２は、図３（ｂ）に示す配置例１に比較し、吸気側ヘッドボルトボス３１の中心と支柱２６外表面間の距離を、ａ（１／ｃｏｓφ−１）だけ増やすことができる。

一般的に、ヘッドボルトボス３１と支柱２６の根元との間は、応力集中を避けるために湾曲面（いわゆるＲが付けられている）となっているが、ヘッドボルトボス３１の中心と支柱２６外表面間の距離が狭いと、図４（ｂ）に示すように、ヘッドボルトボス３１と支柱２６の根元との間の湾曲面は曲率半径が小さいのに対し、ヘッドボルトボス３１の中心と支柱２６外表面間の距離が広いと、図４（ａ）に示すように、ヘッドボルトボス３１と支柱２６の根元との間の湾曲面は曲率半径が大きくなり、応力集中が起こりにくくなる利点がある。

加えて、ヘッドボルト３０の軸力の発生により、断面Ａ−Ａでヘッドボルトボス３１が、図４（ｃ）中一点鎖腺で示すように沈み込みながら外側への倒れこむため（図中では誇張して描いている）、支柱２６の根元に引っ張り応力が発生すると同時に、反対側のヘッドボルトボス３１も同様に倒れこむ。
そのため、図３（ｂ）に示す配置例１では、ヘッドボルトボス３１間中心線上の支柱２６は、２つのボス３１間で引っ張られることになり、引っ張り応力がより大きくなるのに対し、図３（ａ）に示す配置例２では、支柱２６の最近接部をａ×tanφ分だけカムシャフトの軸線方向に変位（オフセット）することにより、反対側のボスによる引っ張りの影響を低減させることができる。

上述した通り、図３（ｂ）に示す配置例１及び図３（ａ）に示す配置例２においては、何れも、吸気側横壁部２５を支持する支柱２６に油路２７を形成したため、油路を備えた別個の構造体を設ける場合に比較して更なるコンパクト化が図れる。
また、吸気用カムシャフト４０の位置による制約上、ヘッドボルトボス３１に対して支柱２６を近接して設けなけれならないため、支柱２６とヘッドボルトボス３１間の距離が広く設定できなかったが、図３（ａ）に示す配置例２では、ヘッドボルトボス３１に近接した支柱２６をヘッドボルト間中心線よりオフセットさせることにより、
（１）支柱根元の応力集中の低減
（２）高サイクル疲労（シリンダ内での爆発による高周波振動による金属疲労）寿命向上
となり、耐久信頼性の効果を得ることができる。

本発明は、ヘッドボルトボスに近接した支柱構造を持つシリンダヘッドとして広く産業上利用可能なものである。

１０ シリンダブロック
２０ シリンダヘッド
２１ 底壁部
２２ 周壁部
２２１ 縦周壁部
２２２ 横周壁部
２３ 縦壁部
２４ 排気用横壁部
２５ 吸気用横壁部
２６ 支柱
２７ 油路
３０ ヘッドボルト
３１ ヘッドボルトボス
４０ 吸気用カムシャフト
５０ 排気用カムシャフト

Claims (1)

1. シリンダブロックにヘッドボルトにより取り付けられる基部と、
   前記基部の縁部からシリンダブロックと反対側に延び動弁手段の駆動空間を形成する周壁部と、
   前記駆動空間を吸気側と排気側に区画し前記周壁部に連結する縦壁部と、
   カムシャフトのカムジャーナルが前記ヘッドボルトの軸線上に位置し、前記基部と離隔して前記周壁部と縦壁部とに掛け渡される横壁部と、
   前記ボルト近傍の前記基部と前記横壁部とを連結する支柱と、
   前記基部に形成されるオイルギャラリから前記支柱を通って前記カムジャーナルにオイルを供給する油路とを備え、
   前記油路は、前記ヘッドボルトの軸線と平行に形成され、
   前記横壁部には前記カムシャフトを挟んで前記横壁部と共同して前記カムジャーナルを形成するカムキャップを取り付けるボルトボスが形成され、
   前記油路は、前記ヘッドボルトと前記ボルトボスを結ぶ線から、前記カムシャフトの軸線方向に変位する
   ことを特徴とするシリンダヘッド。

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