JP2013015203A

JP2013015203A - ボルト

Info

Publication number: JP2013015203A
Application number: JP2011149426A
Authority: JP
Inventors: Kyohei Ikoma; 恭平生駒; Yoshitaka Yotsuya; 剛毅四谷
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2013-01-24

Abstract

【課題】締付けに要する工数を削減し、量産性を高める。
【解決手段】本発明は、軽合金製の被締結部材２を締結するためのボルト１であって、被締結部材２より引張り強さが大きく且つ線膨張係数が小さい材質により形成され、首下部分にフランジ部４が一体に形成され、フランジ部４の座面側には、被締結部材２の締結時に被締結部材２のボルト穴７の周囲の角部９を塑性変形可能なように、軸部５の付け根の周囲にテーパ部６が形成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウム合金やマグネシウム合金等の被締結部材を締結するためのボルトであって、特に、車両用構造部材の締結に使用する呼び径がＭ２０サイズ以下のボルトに関する。

近年、自動車の燃費の向上を図るため、軽量化のニーズが高まり、アルミニウム合金やマグネシウム合金等の鋼材よりも軽量な合金（軽合金）の採用が増えてきている。

しかしながら、これらの軽合金は、耐熱性が低いため、高温環境下で使用する際に問題があり、特に、ボルトで締結する場合に深刻な問題が生じる場合がある。すなわち、高温環境下において、アルミニウム合金製やマグネシウム合金製の被締結部材を、一般に用いられる鋼製のボルトで締結した場合、線膨張係数の高いアルミニウム合金製やマグネシウム合金製の被締結部材が大きく熱膨張するのに対し、線膨張係数の低い鋼製のボルトの熱膨張が小さいため、被締結部材の座面圧が大きく上昇する。そして、この状態が長く続くと、被締結部材の座面は、耐力の低下やクリープ変形により塑性変形を起こし、後に常温に戻った際にボルトの締付軸力が大きく低下してしまい、ボルトが緩むといった問題が生じるおそれがある。

そこで、従来、この種の問題を解決するため、初期締付工程において、ボルトの弾性域内で締め付けることにより被締結部材の座面を予め塑性変形させて被締結部材の弾性限度を高め、前記初期締付工程後の最終締付工程において、ボルトを緩めてボルト及び被締結部材を弾性域内で締付け、最終締付工程後に熱応力負荷が作用しても、被締付部材の塑性変形の進行を抑制しようとするボルト締結方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−７８３１４号公報

しかしながら、上記した従来のボルト締付方法では、予め座面を塑性変形させる初期締付工程と、該初期締付程後にボルトを緩めてボルトと被締結部材を弾性域内で締付ける最終締付工程とを必要とするため、締付けに要する工数が増加し、量産性に欠けるといった問題がある。

本発明は上記した課題を解決すべくなされたものであり、締付けに要する工数を削減し、量産性を高めることのできるボルトを提供することを目的とする。

上記した目的を達成するため、本発明は、軽合金製の被締結部材を締結するためのボルトであって、前記被締結部材より引張り強さが大きく且つ線膨張係数が小さい材質により形成され、首下部分にフランジ部が一体に形成され、該フランジ部の座面側には、前記被締結部材の締結時に該被締結部材のボルト穴の周囲の角部を塑性変形可能なように、軸部の付け根の周囲にテーパ部が形成されていることを特徴とする。

また、本発明に係るボルトは、車両用構造部材の締結に使用する呼び径がＭ２０サイズ以下のボルトであって、前記テーパ部の外径が前記ボルト穴の内径より１〜４ｍｍ大きく且つ前記テーパ部の軸方向の長さが１．０〜３．５ｍｍとなるように形成されているのが好ましい。

本発明によれば、高温環境下の締結時における軸力の低下を確実に防止することができると共に、締付けに要する工数を削減し、量産性を高めることができる等、種々の優れた効果を得ることができる。

本発明の実施の形態に係るボルトを示す側面図である。本発明の実施の形態に係るボルトにより締結される被締結部材を示す断面図である。本発明の実施の形態に係るボルトにより被締結部材を締結した状態を示す断面図である。比較例のボルトを示す側面図である。比較例のボルトにより被締結部材を締結した状態を示す断面図である。ボルトの軸力低下率の測定結果について本発明の実施例１の場合と比較例の場合とを比較して示す図である。ボルトの軸力低下率の測定結果について本発明の実施例２の場合と比較例の場合とを比較して示す図である。ボルトの軸力低下率の測定結果について本発明の実施例３の場合と比較例の場合とを比較して示す図である。ボルトの軸力低下率の測定結果について本発明の実施例４の場合と比較例の場合とを比較して示す図である。ボルトの軸力低下率の測定結果について本発明の実施例６の場合と比較例の場合とを比較して示す図である。ボルトの軸力低下率の測定結果について本発明の実施例７の場合と比較例の場合とを比較して示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。ここで、図１は本発明の実施の形態に係るボルト１を示す側面図、図２はボルト１により締結される被締結部材２を示す断面図、図３はボルト１により被締結部材２を締結した状態を示す断面図である。なお、以下の説明では、本発明を、車両用構造部材の締結に使用する呼び径がＭ２０サイズ以下のボルトに適用した場合について説明する。

本発明の実施の形態に係るボルト１は、被締結部材２より引張り強さが大きく且つ線膨張係数が小さい材質により形成されており、例えば、鋼材により形成されている。

図１に示されているように、ボルト１は、頭部３と、頭部３の首下部分に一体に形成されたフランジ部４と、フランジ部４の座面側に一体に形成された軸部５とを備えて構成されている。軸部５には雄ネジが螺刻され、軸部５の付け根の周囲にはテーパ部６が形成されている。

また、被締結部材２は、例えば、ボルト１のフランジ部４の外径より十分に大きい円筒形状または形状のアルミニウム合金やマグネシウム合金により形成されており、被締結部材２には、図２に示されているように、ボルト１が挿通可能なボルト穴７が形成されている。

図３に示されているように、このような構成を備えたボルト１を被締結部材２のボルト穴７に挿通させ、ボルト１の先端部分を雌ネジが螺刻されたナット等の雌ネジ部材８に螺合すると、ボルト１のテーパ部６がボルト穴７の周囲の角部９を押圧し、角部９は局所的に塑性変形する。

これにより、ボルト１の締結時に高い応力が生じるボルト穴７の角部９周りの耐力を向上させ、高温に曝された後のボルト１の軸力低下を防止することができる。また、ボルト１の締結工程のみで被締結部材２の座面を塑性変形させることができ、予め被締結部材２の座面を塑性変形させる加工工程を必要としないため、締付けに要する工数を削減し、量産性を高めることができる。

表１及び図１〜３に示されているように、ボルト１の呼び径をｄ、テーパ部６の外径をｄ_ｔ、テーパ部６の軸方向の長さをＬ_ｔ、フランジ部４の外径をｄ_０、被締結部材２のボルト穴７の内径をｄ_ｈ、被締結部材２の外径をＤ、被締結部材２の被締結長さをＬ、雌ネジ部材８の外径をＤ_ｎとした場合、テーパ部６の外径ｄ_ｔがボルト穴７の内径ｄ_ｈより１〜４ｍｍ大きくなるように形成するのが好ましい。

これにより、ボルト１の締結工程のみでボルト１の軸力の低下防止に必要な塑性変形領域を容易に被締結部材２のボルト穴７の角部９周りに与えることができる。仮に、テーパ部６の外径ｄ_ｔがボルト穴７の内径ｄ_ｈ＋１ｍｍ未満であるとすると、ボルト１の軸力低下を防止するために必要な被締結部材２の座面径方向の塑性変形が十分に得られない。また、テーパ部６の外径ｄ_ｔがボルト穴７の内径ｄ_ｈ＋４ｍｍ超の場合には、塑性変形領域が大きくなり、締付軸力ではフランジ部４と被締結部材２の座面とが接触できず、座面積が低下して面圧が大きくなり、高環境下での使用によりボルト１の軸力が大幅に低下してしまう。

また、ボルト１のテーパ部６の軸方向の長さＬ_ｔが１．０〜３．５ｍｍとなるように形成するのが好ましく、さらに、ボルト１のフランジ部４の外径ｄ_０は、テーパ部６の外径ｄ_ｔ＋ｄ／２超となるように形成するのが好ましい。

これにより、ボルト１の締結工程のみで、ボルト１の軸力低下の防止に必要な塑性変形領域を容易に被締結部材２のボルト穴７の角部９周りに与えることができる。

また、被締結部材２の外径Ｄがｄ_０超となるように形成するのが好ましい。

これにより、ボルト１と被締結部材２との座面積を確保し、高温環境下における使用時に座面圧の上昇によるボルト１の軸力低下を防止することができる。仮に、被締結部材２の外径Ｄがｄ_０未満であるとすると、ボルト１と被締結部材２との座面積が小さく、高温環境下では、面圧が高くなるため、塑性変形領域があってもボルト１の軸力が大幅に低下してしまう。

また、被締結部材２の被締結長さＬがテーパ部６の軸方向の長さＬ_ｔ＋１．５ｍｍ超となるように形成するのが好ましい。

これにより、ボルト１のテーパ部６と雌ネジ部材８との接触を防止すことができる。仮に、被締結長さＬがテーパ部６の軸方向の長さＬ_ｔ＋１．５ｍｍ未満であるとすると、締結時の被締結部材２の変形によりボルト１のテーパ部６と雌ネジ部材８とが接触し、締結トルクや角度を増してもボルト１の軸力が上がらなくなる。

次に、表２に示すような機械的性質を有するボルトと被締結部材を使用して、比較例と各実施例１〜６とについてそれぞれボルトの軸力低下率を測定した結果について説明する。

図４は比較例のボルトを示す側面図、図５は比較例のボルトにより被締結部材を締結した状態を示す断面図である。比較例では、呼び径Ｍ１４×１．５でフランジ部４の外径ｄ_０が２９ｍｍのテーパ部のない機械構造用合金鋼材（ＳＣＭ４３５）製のボルト１１と、外径Ｄ_ｎが５０ｍｍの雌ネジ部材８とによって、外径Ｄが９０ｍｍ（ｄ_０＋６１ｍｍ）、被締結長さＬが２５ｍｍ、ボルト穴７の内径ｄ_ｈが１５．５ｍｍ（１．１ｄｍｍ）で、フランジ部４の外径ｄ_０より十分に大きい円筒形状のアルミニウム合金製の被締結部材２を、軸力４０ｋＮで締結し、リラクゼーション試験(ボルト１１で被締結部材２を締結した状態において１００℃で１００時間保持後、常温まで冷却し、軸力を測定する試験)により熱履歴前後のボルト１１の軸力変化を測定した。その結果、図６に示すように、被締結部材２のクリープ変形により、ボルト１１の軸力低下率は△１２．２％と大きかった。

これに対して、実施例１では、図１に示すように、外径ｄ_ｔが１７ｍｍ（ｄ_ｈ＋１．５ｍｍ）で長さＬ_ｔが１．８ｍｍのテーパ部６を有するボルト１を使用し、雌ネジ部材８及び被締結部材２については比較例と同じ形状及び材質のものを使用し、比較例と同一条件で前記リラクゼーション試験を実施し、ボルト１の軸力変化を測定した。

その結果、図６に示すように、被締結部材２のクリープ変形により、ボルトの軸力低下率は△１．９％となり、比較例よりも軸力低下率は大幅に改善した。

また、実施例２では、テーパ部６の外径ｄ_ｔをそれぞれ１６．５ｍｍ（ｄ_ｈ＋１．０ｍｍ）、１８．０ｍｍ（ｄ_ｈ＋２．５ｍｍ）、１９．５ｍｍ（ｄ_ｈ＋４．０ｍｍ）、２０．５ｍｍ（ｄ_ｈ＋５．０ｍｍ）とした４種類のボルト１を使用し、その他のボルト１と被締結部材２及び雌ネジ部材８については実施例１と同じ形状及び材質のものを使用し、比較例と同一条件で前記リラクゼーション試験を実施し、ボルト１の軸力変化をそれぞれ測定した。

その結果、図７に示すように、軸力低下率は、ｄ_ｔ＝１６．５ｍｍの時が△９%、ｄ_ｔ＝１８．０ｍｍの時が△６%、ｄ_ｔ＝１９．５ｍｍの時が△１０%、ｄ_ｔ＝２０．５ｍｍの時はボルト１の締結時に被締結部材２のボルト穴７の角部９周りに亀裂が生じたため、測定は不可能であった。これらの結果から、ボルト１のテーパ部６の外径ｄ_ｔは、ボルト穴７の内径ｄ_ｈ＋１〜４ｍｍの範囲において、比較例よりも軸力低下の防止効果があることが分かる。

また、実施例３では、テーパ部６の長さＬ_ｔをそれぞれ１ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍとした４種類のボルト１を使用し、その他のボルト１と被締結部材２及び雌ネジ部材８については実施例１と同じ形状及び材質のものを使用し、比較例と同一条件で前記リラクゼーション試験を実施し、ボルト１の軸力変化をそれぞれ測定した。

その結果、図８に示すように、軸力低下率は、Ｌ_ｔ＝１ｍｍの時が△５%、Ｌ_ｔ＝３ｍｍの時が△７%、Ｌ_ｔ＝４ｍｍの時が△１６%、Ｌ_ｔ＝５ｍｍの時はボルト１の締結時に被締結部材２のボルト穴７の角部９周りに亀裂が生じたため、測定は不可能であった。これらの結果から、ボルト１のテーパ部６の長さＬ_ｔは、１〜３．５ｍｍの範囲において、比較例よりも軸力低下の防止効果があることが分かる。

また、実施例４では、フランジ部４の外径ｄ_０をそれぞれ１８ｍｍ（ｄ_ｔ＋ｄ／１４ｍｍ）、２３ｍｍ（ｄ_ｔ＋６ｄ／１４ｍｍ）、３３ｍｍ（ｄ_ｔ＋１６ｄ／１４ｍｍ）とした３種類のボルト１を使用し、その他のボルト１と被締結部材２及び雌ネジ部材８については実施例１と同じ形状及び材質のものを使用し、比較例と同一条件で前記リラクゼーション試験を実施し、ボルト１の軸力変化をそれぞれ測定した。

その結果、図９に示すように、軸力低下率は、ｄ_０＝１８ｍｍの時が△２２%、ｄ_０＝２３ｍｍの時が△１６%、ｄ_０＝３３ｍｍの時が△２%であった。これらの結果から、ボルト１のフランジ部４の外径ｄ_０は、テーパ部６の外径ｄ_ｔ＋ｄ／２超（ｄ_ｔ＋７ｄ／１４超）において、比較例よりも軸力低下の防止効果があることが分かる。

また、実施例５では、被締結部材２の外径Ｄをそれぞれ２０ｍｍ（ｄ_０−９ｍｍ）、２５ｍｍ（ｄ_０−４ｍｍ）、３５ｍｍ（ｄ_０＋６ｍｍ）、６０ｍｍ（ｄ_０＋３１ｍｍ）とした４種類のボルト１を使用し、その他のボルト１と被締結部材２及び雌ネジ部材８については実施例１と同じ形状及び材質のものを使用し、比較例と同一条件で前記リラクゼーション試験を実施し、ボルト１の軸力変化をそれぞれ測定した。

その結果、図１０に示すように、軸力低下率は、Ｄ＝２０ｍｍの時が△２８%、Ｄ＝２５ｍｍの時が△２０%、Ｄ＝３５ｍｍの時が△３%、Ｄ＝６０ｍｍの時が△５%であった。これらの結果から、被締結部材２の外径Ｄは、ボルト１のフランジ部４の外径ｄ_０超において、比較例よりも軸力低下の防止効果があることが分かる。

また、実施例６では、被締結部材２の長さＬをそれぞれ１．８ｍｍ（Ｌ_ｔ＋０ｍｍ）、３．０ｍｍ（Ｌ_ｔ＋１．２ｍｍ）、１５ｍｍ（Ｌ_ｔ＋１３．２ｍｍ）とした３種類のボルト１を使用し、その他のボルト１と被締結部材２及び雌ネジ部材８については実施例１と同じ形状及び材質のものを使用し、比較例と同一条件で前記リラクゼーション試験を実施し、ボルト１の軸力変化をそれぞれ測定した。

その結果、図１１に示すように、軸力低下率は、Ｌ＝３．０ｍｍの時が△１０%、Ｌ＝１５ｍｍの時が△３%、Ｌ＝１．８ｍｍの時はボルト１のテーパ部６と雌ネジ部材８とが接触し、締結トルクや角度が増しても軸力が上がらず、測定は不可能であった。これらの結果から、被締結部材２の被締結長さＬは、Ｌ_ｔ＋１．５ｍｍ超において、比較例よりも軸力低下の防止効果があることが分かる。

なお、上記した実施の形態では、本発明を、車両用構造部材の締結に使用する呼び径がＭ２０サイズ以下のボルトに適用した場合について説明したが、これは本発明の用途をこの場合に限定する趣旨ではなく、本発明は、車両用構造部材以外の用途や、呼び径がＭ２０サイズを超えるボルトについても適用可能である。

また、上記したボルト１や被締結部材２の材質及び形状は単なる例示に過ぎず、例えば、被締結部材２の材質を線膨張係数が大きな亜鉛合金や亜鉛合金ダイカストとしたり、或いは被締結部材２の形状を四角柱や平板にしたりする等、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取ることのできる発明の要旨又は思想に反しない範囲で適宜変更が可能であり、そのような変更を伴う発明もまた本発明の技術思想に含まれることは言う迄もない。

１ボルト
２被締結部材
４フランジ部
５軸部
６テーパ部
７ボルト穴
９角部

Claims

軽合金製の被締結部材を締結するためのボルトであって、
前記被締結部材より引張り強さが大きく且つ線膨張係数が小さい材質により形成され、首下部分にフランジ部が一体に形成され、該フランジ部の座面側には、前記被締結部材の締結時に該被締結部材のボルト穴の周囲の角部を塑性変形可能なように、軸部の付け根の周囲にテーパ部が形成されていることを特徴とするボルト。
車両用構造部材の締結に使用する呼び径がＭ２０サイズ以下のボルトであって、前記テーパ部の外径が前記ボルト穴の内径より１〜４ｍｍ大きく且つ前記テーパ部の軸方向の長さが１．０〜３．５ｍｍとなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のボルト。