JP2019167847A - フランジの締結構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボチャージャおよび排気通路部材のフランジの締結部の組み付け位相の精度を高めるとともに、両フランジの結合面からの排ガスの漏れを簡単な構造で防止する。【解決手段】第１フランジ１４の第１結合面１４ａおよび第２フランジ１６の第２結合面１６ａの一方に設けた係止片１６ｃが他方に設けた係止孔１４ｃに係止するとともに、係止片１６ｃおよび係止孔１４ｃに対して位相が略１８０゜ずれた位置で、第１結合面１４ａおよび第２結合面１６ａの一方に設けた嵌合凸部２４が他方に設けた嵌合凹部２５に嵌合するので、第１排気通路部材および第２排気通路部材の組み付け位相が自動的に一定になるだけでなく、締結リング１８で締結したときの両フランジ１４，１６の第１、第２結合面１４ａ，１６ａの面圧が周方向に均一化されて排ガスの漏れが防止される。【選択図】図３

Description

本発明は、第１排気通路部材の出口開口部を取り囲む第１フランジと、第２排気通路部材の入口開口部を取り囲む第２フランジとを相互に当接させ、第１フランジおよび第２フランジに嵌合する締結リングを締結部材で締め付けることで、第１排気通路部材および第２排気通路部材を一体に結合するフランジの結合構造に関する。

ターボチャージャの出口開口部に設けたフランジと触媒コンバータの入口開口部に設けたフランジとを突き合わせ、両フランジの外周にリング状の締結部材を嵌合させてボルトで締結することで、ターボチャージャおよび触媒コンバータを一体に結合するものが、下記特許文献１により公知である。

特開２００５−３４４５８０号公報

ところで、上記従来のものは、ターボチャージャ側のフランジの結合面と触媒コンバータ側のフランジの結合面とが単に突き合わされているだけなので、相互間の周方向の位置決めを行うことができず、両フランジを締結部材で締結したときにターボチャージャおよび触媒コンバータの組み付け位相がばらついてしまう虞があった。

またターボチャージャのフランジおよび触媒コンバータのフランジには製造時の寸法誤差が存在するだけでなく、両フランジは排ガスに晒されて異なる寸法に熱膨張するため、両フランジの結合面が相互に位置ずれしてしまい、締結部材により締結したときの結合面の面圧が不安定になって排ガスが漏れる原因となる虞があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、ターボチャージャおよび排気通路部材のフランジの締結部の組み付け位相の精度を高めるとともに、両フランジの結合面からの排ガスの漏れを簡単な構造で防止することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、第１排気通路部材の出口開口部を取り囲むように設けられた環状の第１フランジの第１結合面と、第２排気通路部材の入口開口部を取り囲むように設けられた環状の第２フランジの第２結合面とが相互に当接し、前記第１フランジおよび前記第２フランジの外周に嵌合する締結リングの周方向一カ所に形成された分割部を締結部材で締結することで、前記第１フランジおよび前記第２フランジを周方向および軸方向に圧縮して前記第１排気通路部材および前記第２排気通路部材を一体に結合するフランジの結合構造であって、前記第１結合面および前記第２結合面の一方に設けた係止片が他方に設けた係止孔に係止するとともに、前記係止片および前記係止孔に対して位相が略１８０゜ずれた位置で、前記第１フランジおよび前記第２フランジの一方は嵌合凸部を有し、他方は前記嵌合凸部が嵌合する嵌合凹部を有することを特徴とするフランジの締結構造が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記嵌合凸部および前記嵌合凹部は、前記第１結合面および前記第２結合面の径方向において外縁部よりも内側に設けられ、前記嵌合凸部と前記嵌合凹部とは互いに面接触することを特徴とするフランジの締結構造が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項２の構成に加えて、前記第１フランジと前記第２フランジとでは、前記第１フランジの方が熱膨張率が大きい材料で構成され、前記嵌合凸部は前記第１フランジに設けられることを特徴とするフランジの締結構造が提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記第１フランジおよび前記第２フランジのうち、一方の径方向外面に前記嵌合凹部が設けられ、他方の径方向内面に前記嵌合凸部が設けられることを特徴とするフランジの締結構造が提案される。

また請求項５に記載された発明によれば、請求項４の構成に加えて、前記第１フランジと前記第２フランジとでは、前記第１フランジの方が熱膨張率が大きい材料で構成され、前記嵌合凹部は前記第１フランジに設けられることを特徴とするフランジの締結構造が提案される。

なお、実施の形態のターボチャージャ１１は本発明の第１排気通路部材に対応し、実施の形態の触媒コンバータ１２は本発明の第２排気通路部材に対応し、実施の形態の位置決め孔１４ｃは本発明の係止孔に対応し、実施の形態の位置決めピン１６ｃは本発明の係止片に対応し、実施の形態のボルト１９は本発明の締結部材に対応する。

請求項１の構成によれば、第１排気通路部材の出口開口部を取り囲むように設けられた環状の第１フランジの第１結合面と、第２排気通路部材の入口開口部を取り囲むように設けられた環状の第２フランジの第２結合面とが相互に当接し、第１フランジおよび第２フランジの外周に嵌合する締結リングの周方向一カ所に形成された分割部を締結部材で締結することで、第１フランジおよび第２フランジを周方向および軸方向に圧縮して第１排気通路部材および第２排気通路部材を一体に結合する。

第１結合面および第２結合面の一方に設けた係止片が他方に設けた係止孔に係止するとともに、係止片および係止孔に対して位相が略１８０゜ずれた位置で、第１フランジおよび第２フランジの一方は嵌合凸部を有し、他方は嵌合凸部が嵌合する嵌合凹部を有するので、係止片および係止孔の係止により第１排気通路部材および第２排気通路部材の組み付け位相が自動的に一定になるだけでなく、嵌合凸部および嵌合凹部の嵌合により両フランジの熱膨張や寸法誤差による径方向の位置ずれが自動的に矯正されることで、締結リングで締結したときの両フランジの第１、第２結合面の面圧が周方向に均一化されて排ガスの漏れが防止される。

また請求項２の構成によれば、嵌合凸部および嵌合凹部は、第１結合面および第２結合面の径方向において外縁部よりも内側に設けられ、嵌合凸部と嵌合凹部とは互いに面接触するので、嵌合凹部が第１フランジあるいは第２フランジの外縁部に開放している場合に比べて、両フランジの熱膨張や寸法誤差による径方向の位置ずれの矯正力が高まって排ガスの漏れが一層確実に防止される。 。
また請求項３の構成によれば、第１フランジと第２フランジとでは、第１フランジの方が熱膨張率が大きい材料で構成され、嵌合凸部は第１フランジに設けられるので、第１フランジおよび第２フランジの熱膨張量の差により嵌合凸部が嵌合凹部に押し付けられることで、両フランジの径方向の位置ずれが一層効果的に矯正される。

また請求項４の構成によれば、第１フランジおよび第２フランジのうち、一方の径方向外面に嵌合凹部が設けられ、他方の径方向内面に嵌合凸部が設けられるので、嵌合凸部および嵌合凹部の嵌合により両フランジの径方向の位置ずれが効果的に矯正される。

また請求項５の構成によれば、第１フランジと第２フランジとでは、第１フランジの方が熱膨張率が大きい材料で構成され、嵌合凹部は第１フランジに設けられるので、第１フランジおよび第２フランジの熱膨張量の差により嵌合凸部が嵌合凹部に押し付けられることで、両フランジの径方向の位置ずれが一層効果的に矯正される。

Ｖバンドで結合されたターボチャージャおよび触媒コンバータの斜視図である。（第１の実施の形態） 図１の２−２線拡大断面図（図３の２−２線断面図）である。（第１の実施の形態） 図２の３−３線断面図である。（第１の実施の形態） Ｖバンドによるフランジ締結時の作用説明図である。（第１の実施の形態） Ｖバンドによるフランジ締結時の作用説明図である（比較例）。 嵌合凸部および嵌合凹部の形状を示す図である。（第２の実施の形態） 嵌合凸部および嵌合凹部の形状を示す図である。（第３の実施の形態）

第１の実施の形態

以下、図１〜図５に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。

図１に示すように、エンジンの排気マニホールドの下流にターボチャージャ１１が接続され、ターボチャージャ１１の下流に触媒コンバータ１２が接続される。ターボチャージャ１１はエンジンの排ガスでタービンを駆動し、タービンに接続されたコンプレッサで圧縮した空気をエンジンの吸気系に供給することで、エンジンの出力を向上させる。触媒コンバータ１２はエンジンの排ガスに含まれる炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物のような有害物質を、プラチナ、パラジウム、ロジウム等を使用した触媒により浄化する。触媒コンバータ１２は、そこに供給される排ガスが高温であるほど有害物質の浄化性能が高まるため、排ガスの温度が高いターボチャージャ１１の直下流に配置される。

ターボチャージャ１１の外郭は熱膨張率が大きい材料（例えば、オーステナイト系）で構成され、触媒コンバータ１２の外郭は熱膨張率が小さい材料（例えば、フェライト系）で構成される。

図２および図３に示すように、ターボチャージャ１１のケーシング１３の円形断面の出口開口部１３ａには、径方向外側に向かってテーパーする環状の第１フランジ１４が設けられる。第１フランジ１４はケーシング１３の軸線に直交する第１結合面１４ａと、第１結合面１４ａに対して径方向外側にテーパーする第１テーパー面１４ｂとを備える。一方、触媒コンバータ１２のケーシング１５の円形断面の入口開口部１５ａには、径方向外側に向かってテーパーする環状の第２フランジ１６が設けられる。第２フランジ１６はケーシング１５の軸線に直交する第２結合面１６ａと、第２結合面１６ａに対して径方向外側にテーパーする第２テーパー面１６ｂとを備える。

ターボチャージャ１１の第１フランジ１４と触媒コンバータ１２の第２フランジ１６とは、Ｖバンド１７と呼ばれる結合手段により一体に結合される。Ｖバンド１７の本体部を構成する締結リング１８は、円周上の一カ所が切り離された環状の部材であり、その断面は第１テーパー面１８ａと、第２テーパー面１８ｂと、外周面１８ｃとを有するＶ字状である。締結リング１８の一対の分離端部にはそれぞれ腕部１８ｄ，１８ｄが径方向外向きに突設され、両腕部１８ｄ，１８ｄに対して位相が１８０°ずれた位置に、第１テーパー面１８ａおよび第２テーパー面１６ｂを切り欠いて外周面１８ｃだけを残したヒンジ部１８ｅが形成される。締結リング１８はヒンジ部１８ｅが弾性変形することで両腕部１８ｄ，１８ｄが接近・離間するように開閉可能であり、両腕部１８ｄ，１８ｄを貫通するボルト１９をナット２０に螺合することで直径が縮小するように締め付け可能である。

第２フランジ１６の第２結合面１６ａには円形断面の位置決めピン１６ｃが突設され、第１フランジ１４の第１結合面１４ａには位置決めピン１６ｃが隙間なく嵌合可能な位置決め孔１４ｃが形成される。また第１フランジ１４の第１結合面１４ａには直方体状の嵌合凸部２４が突設が形成され、第２フランジ１６の第２結合面１６ａには嵌合凸部２４が隙間なく嵌合可能な嵌合凹部２５が形成される。

位置決めピン１６ｃおよび位置決め孔１４ｃは、第２フランジ１６および第１フランジ１４の径方向中間位置に設けられ、嵌合凸部２４および嵌合凹部２５は、第１フランジ１４および第２フランジ１６の径方向中間位置に設けられる。また位置決めピン１６ｃおよび位置決め孔１４ｃの位相に対し、嵌合凸部２４および嵌合凹部２５の位相は１８０゜ずれている。すなわち、第１フランジ１４および第２フランジ１６の中心を通る一つの直径線上の一端側に位置決めピン１６ｃおよび位置決め孔１４ｃが位置し、他端側に嵌合凸部２４および嵌合凹部２５が位置している。

図４から明らかなように、ターボチャージャ１１および触媒コンバータ１２を結合するには、ターボチャージャ１１の第１フランジ１４の第１結合面１４ａと、触媒コンバータ１２の第２フランジ１６の第２結合面１６ａとをガスケット２１を挟んで突き合わせた状態で、第１フランジ１４および第２フランジ１６の外周にＶバンド１７の締結リング１８を嵌合する。この状態でナット２０にボルト１９を螺合して締め付けると、径方向内側に移動する締結リング１８の第１テーパー面１８ａに押された第１フランジ１４の第１テーパー面１４ｂと、径方向内側に移動する締結リング１８の第２テーパー面１８ｂに押された第２フランジ１６の第２テーパー面１８ｂとが相互に接近する方向に移動し、第１フランジ１４の第１結合面１４ａおよび第２フランジ１６の第２結合面１６ａがガスケット２１を挟んで締結されることで、ターボチャージャ１１および触媒コンバータ１２が一体に結合される。

ところで、ターボチャージャ１１の第１フランジ１４と触媒コンバータ１２の第２フランジ１６とをＶバンド１７で結合するとき、ターボチャージャ１１の位相に対して触媒コンバータ１２の位相がずれた状態で結合されてしまうと、触媒コンバータ１２の出口部と、そこに結合される排気管との位置がずれてしまい、触媒コンバータ１２に排気管を組み付ける作業に支障を来す虞がある。

しかしながら、本実施の形態によれば、ターボチャージャ１１の第１フランジ１４と触媒コンバータ１２の第２フランジ１６とをＶバンド１７で結合するとき、第２フランジ１６の第２結合面１６ａに設けた位置決めピン１６ｃを第１フランジ１４に設けた位置決め孔１４ｃに嵌合することで、ターボチャージャ１１および触媒コンバータ１２の位相が自動的に規制されるため、ターボチャージャ１１および触媒コンバータ１２を一定の位置関係で結合することができる（図４参照）。

またターボチャージャ１１の第１フランジ１４の寸法および触媒コンバータ１２の第２フランジ１６の寸法には製造上の誤差が存在するため、第１フランジ１４の外径と第２フランジ１６の外径とは必ずしも一致するとは限らない。しかも排ガスの流れ方向に見て上流側に位置するターボチャージャ１１の第１フランジ１４と、下流側に位置する触媒コンバータ１２の第２フランジ１６との間には温度差が発生するだけでなく、図２に示すように、ターボチャージャ１１の内部には第１フランジ１４の中心から偏心した位置にウエイストゲート２２およびタービン出口部２３が配置されるため、第１フランジ１４にはウエイストゲート２２およびタービン出口部２３からの距離に応じて周方向の温度差が発生する。

このように第１フランジ１４および第２フランジ１６には、製造上の寸法差や熱膨張に伴う寸法差が発生することが避けられないため、仮に第１フランジ１４および第２フランジ１６に嵌合凸部２４および嵌合凹部２５が設けられていないと仮定すると、第１フランジ１４および第２フランジ１６を位置決めピン１６ｃおよび位置決め孔１４ｃで位置決めしたとき、図５（Ａ）に示すように、そこから位相が１８０゜ずれた位置で第１フランジ１４および第２フランジ１６の径方向外端部が距離αだけずれてしまう場合がある。この状態で第１フランジ１４および第２フランジ１６をＶバンド１７で締結すると、Ｖバンド１７の締結リング１８が傾いて第１、第２結合面１４ａ，１６ａの面圧が不安定になり、そこから排ガスが漏れる虞がある。

しかしながら、本実施の形態によれば、位置決めピン１６ｃおよび位置決め孔１４ｃから位相が１８０゜ずれた位置で、嵌合凸部２４および嵌合凹部２５の嵌合により第１フランジ１４および第２フランジ１６径方向外端部が一致するように矯正されるため、第１フランジ１４および第２フランジ１６をＶバンド１７で締結するとき、Ｖバンド１７の締結リング１８が傾くのを防止して第１、第２結合面１４ａ，１６ａの面圧を安定させ、排ガスの漏れを未然に防止することができる（図３参照）。

また図５（Ｂ）に示すように、仮に嵌合凸部２４および嵌合凹部２５が第１フランジ１４および第２フランジ１６の径方向外側に設けられており、嵌合凹部２５が第２フランジ１６の外周面に開放していると、嵌合凸部２４が嵌合凹部２５から径方向外側に飛び出してしまい、嵌合凸部２４および嵌合凹部２５による第１フランジ１４および第２フランジ１６の位置矯正機能が発揮されなくなる可能性がある。嵌合凸部２４および嵌合凹部２５が第１フランジ１４および第２フランジ１６の径方向内側に設けられている場合も同様である。

しかしながら、本実施の形態によれば、嵌合凸部２４および嵌合凹部２５が第１フランジ１４および第２フランジ１６の径方向中間部に設けられているので、嵌合凸部２４が嵌合凹部２５から径方向外側あるいは径方向内側に飛び出すことがなくなり、嵌合凸部２４および嵌合凹部２５による第１フランジ１４および第２フランジ１６の位置矯正機能が有効に発揮される。

以上のように、本実施の形態によれば、第２フランジ１６に設けた位置決めピン１６ｃと第１フランジ１４に設けた位置決め孔１４ｃとを嵌合させることで、ターボチャージャ１１および触媒コンバータ１２の組み付け位相が自動的に一定になるだけでなく、位置決めピン１６ｃおよび位置決め孔１４ｃから位相が１８０゜ずれた位置で第１フランジ１４および第２フランジ１６の一方に設けた嵌合凸部２４を他方に設けた嵌合凹部２５に嵌合させるので、第１フランジ１４および第２フランジ１６の寸法誤差や熱膨張量差による径方向の位置ずれを自動的に矯正し、Ｖバンド１７で締結したときの両フランジの第１、第２結合面の面圧を周方向に均一化して排ガスの漏れを防止することができる。

第２の実施の形態

次に、図６に基づいて本発明の第２の実施の形態を説明する。

図６には、位置決めピン１６ｃおよび位置決め孔１４ｃから位相が１８０゜ずれた位置における第１フランジ１４および第２フランジ１６の断面形状が示される。第１フランジ１４には、第２フランジ１６に向かって径方向外向きに傾斜する断面三角形状の２個の嵌合凸部２４，２４が形成され、第２フランジ１６には、第１フランジ１４の嵌合凸部２４，２４が隙間なく面接触する断面三角形状の２個の嵌合凹部２５，２５が形成される。

本実施の形態によれば、熱膨張率が大きい第１フランジ１４が熱膨張率が小さい第２フランジ１６に対して径方向外側に相対移動しようとすると、嵌合凸部２４，２４が嵌合凹部２５，２５に食い込むように密着することで、第１フランジ１４および第２フランジ１６の径方向の位置ずれを効果的に矯正することができる。

第３の実施の形態

次に、図７に基づいて本発明の第３の実施の形態を説明する。

図７には、位置決めピン１６ｃおよび位置決め孔１４ｃから位相が１８０゜ずれた位置における第１フランジ１４および第２フランジ１６の断面形状が示される。第１、第２の実施の形態では、第１フランジ１４および第２フランジ１６にそれぞれ嵌合凸部２４および嵌合凹部２５が設けられているが、第３の実施の形態では第１フランジ１４の径方向外面に嵌合凹部２５が形成され、第２フランジ１６の径方向内面に嵌合凸部２４が設けられる。

本実施の形態によれば、熱膨張率が大きい第１フランジ１４が熱膨張率が小さい第２フランジ１６に対して径方向外側に相対移動しようとすると、嵌合凹部２５が径方向内側から外側に向かって嵌合凸部２４に密着することで、第１フランジ１４および第２フランジ１６の径方向の位置ずれを効果的に矯正することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、本発明の排気通路部材は実施の形態のターボチャージャ１１や触媒コンバータ１２に限定されず、排気管等の排気が通過する部材であれば良い。

また実施の形態では第２フランジ１６側に位置決めピン１６ｃを設けて第１フランジ１４側に位置決め孔１４ｃを設けているが、その位置関係を逆にし、第１フランジ１４側に位置決めピンを設けて第２フランジ１６側に位置決め孔を設けても良い。

また嵌合凸部２４および嵌合凹部２５の数は実施の形態に限定されず、適宜設定可能である。

１１ ターボチャージャ（第１排気通路部材）
１２ 触媒コンバータ（第２排気通路部材）
１３ａ 出口開口部
１４ 第１フランジ
１４ａ 第１結合面
１４ｃ 位置決め孔（係止孔）
１５ａ 入口開口部
１６ 第２フランジ
１６ａ 第２結合面
１６ｃ 位置決めピン（係止片）
１８ 締結リング
１９ ボルト（締結部材）
２４ 嵌合凸部
２５ 嵌合凹部

Claims (5)

1. 第１排気通路部材（１１）の出口開口部（１３ａ）を取り囲むように設けられた環状の第１フランジ（１４）の第１結合面（１４ａ）と、第２排気通路部材（１２）の入口開口部（１５ａ）を取り囲むように設けられた環状の第２フランジ（１６）の第２結合面（１６ａ）とが相互に当接し、前記第１フランジ（１４）および前記第２フランジ（１６）の外周に嵌合する締結リング（１８）の周方向一カ所に形成された分割部を締結部材（１９）で締結することで、前記第１フランジ（１４）および前記第２フランジ（１６）を周方向および軸方向に圧縮して前記第１排気通路部材（１１）および前記第２排気通路部材（１２）を一体に結合するフランジの結合構造であって、
   前記第１結合面（１４ａ）および前記第２結合面（１６ａ）の一方に設けた係止片（１６ｃ）が他方に設けた係止孔（１４ｃ）に係止するとともに、前記係止片（１６ｃ）および前記係止孔（１４ｃ）に対して位相が略１８０゜ずれた位置で、前記第１フランジ（１４）および前記第２フランジ（１６）の一方は嵌合凸部（２４）を有し、他方は前記嵌合凸部（２４）が嵌合する嵌合凹部（２５）を有することを特徴とするフランジの締結構造。
2. 前記嵌合凸部（２４）および前記嵌合凹部（２５）は、前記第１結合面（１４ａ）および前記第２結合面（１６ａ）の径方向において外縁部よりも内側に設けられ、前記嵌合凸部（２４）と前記嵌合凹部（２５）とは互いに面接触することを特徴とする、請求項１に記載のフランジの締結構造。
3. 前記第１フランジ（１４）と前記第２フランジ（１６）とでは、前記第１フランジ（１４）の方が熱膨張率が大きい材料で構成され、前記嵌合凸部（２４）は前記第１フランジ（１４）に設けられることを特徴とする、請求項２に記載のフランジの締結構造。
4. 前記第１フランジ（１４）および前記第２フランジ（１６）のうち、一方の径方向外面に前記嵌合凹部（２５）が設けられ、他方の径方向内面に前記嵌合凸部（２４）が設けられることを特徴とする、請求項１に記載のフランジの締結構造。
5. 前記第１フランジ（１４）と前記第２フランジ（１６）とでは、前記第１フランジ（１４）の方が熱膨張率が大きい材料で構成され、前記嵌合凹部（２５）は前記第１フランジ（１４）に設けられることを特徴とする、請求項４に記載のフランジの締結構造。

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