JP3106862B2 - ボルト締結法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、エンジン部品のボル
ト締結法に関する。

【０００２】

【従来の技術】エンジン部品の締結には高強度のボルト
が用いられており、その締結法として例えば図５に示す
方法がある。

【０００３】これはコンロッドの例で、アルミ等の軽合
金製からなるコンロッド１５は、Ｈ型断面を有する棒部
１６と、その両端の小端部１７と大端部１８とから構成
されている。小端部１７はピストンピンに、大端部１８
はクランクピンにそれぞれ連結され、ピストン側の爆発
エネルギをクランクシャフトの回転に変換するよう、コ
ンロッド１５は使用される。

【０００４】コンロッド１５の大端部１８は２分割さ
れ、その２分割大端部の一方は二股状の端部１９として
棒部１６および小端部１７と一体的に成形され、２分割
大端部の他方は湾曲状の連結部材２０として別途成形さ
れる。

【０００５】これら２分割大端部としての二股部１９と
連結部材２０とは、２本の高強度ボルトである締付けボ
ルト２１を用い、互いの合わせ面１９１と２０１とを重
ね合わせて連結され、両者が共働してホワイトメタルか
らなる軸受金２２を支持する。

【０００６】締付けボルト２１は、大端部１８の両端に
それぞれ形成されるボルト孔２３に嵌着される。締付け
ボルト２１のボルト頭部２１１はボルト孔２３の中心線
Ｌと垂直であり、かつ二股部１９側のボルト孔開口回り
の座面２４に対向接触し、ナット２５は同じくボルト孔
中心線Ｌと垂直であり、かつ連結部材２０側のボルト孔
開口回りの座面２６に対向接触する。

【０００７】この座面２４および２６は、締付けボルト
２１の装着前に冷間における表面処理が施される。即
ち、座面２４および２６には、ボルト孔２３の中心線Ｌ
の方向であるボルト軸方向に設定量の荷重Ｐが加えられ
る。

【０００８】荷重Ｐは、締付けボルト２１の大端部１８
への締付けにより生じる初期（大端部１８に経時変化の
ない状態の時）の荷重である締付け軸力Ｐ１と、コンロ
ッド１５の質量に応じ、その回転運動により生じる慣性
力のうち大端部１８が分担して受ける慣性力分担荷重Ｐ
２と、大端部１８のボルト軸方向への熱膨張に対応した
熱膨張力Ｐ３とを加えた値、あるいはそれ以上の値に設
定される。このような荷重Ｐは、座面２４，２６の外形
を成形後に、周知のプレス機を使用し、剛性の高い素材
からなる圧接子２７，２８（二点鎖線で示す）を介し両
座面２４，２６に同時に加えられる。

【０００９】なお、プレス機を用いず、図示しない圧接
子を兼ねた剛性材からなるボルト、ナット型の締付け装
置を用いて両座面２４，２６に荷重Ｐを加えても良い。

【００１０】このようにして加えられた荷重により、座
面２４，２６の各下側の表層部２４１，２６１にはへた
りが生じ、荷重に応じた量δだけ陥没する（図中の１点
鎖線は表面処理前の状態を示す）。即ち、各表層部２４
１，２６１は冷間において加工硬化され、その部分の組
織の硬度は高くなる。

【００１１】ところで、座面２４，２６で生じるへたり
による陥没は、図６のように所定の荷重Ｐ０を加え始め
てから所定経過時間ｔの後は停止する。これは表層部の
加工硬化、つまり表層部が荷重Ｐ０を所定面積の押圧面
により受け、もはや変形が進行しない状態となった時点
で限界の面圧に耐え得る組織に変化するためであり、こ
のような傾向で生じる陥没の量δは、荷重Ｐや各材質の
硬度、およびボルト頭部２１１、ナット２５と座面２
４，２６との接触面積とにより変化する。

【００１２】このようにコンロッド１５の座面２４，２
６には接触面積、材質、荷重Ｐを設定し、この荷重Ｐを
所定経過時間加え続けて、塑性変形としての陥没を生じ
させる表面処理を行う。そして、この表面処理を施した
後、締付けボルト２１をボルト孔２３に嵌着し、締付け
軸力Ｐ１で二股部１９と連結部材２０を締付けて、締結
する（実開昭５７ー７１８１０号公報等参照）。

【００１３】このような表面処理の結果、エンジンの運
転時に座面２４，２６の変形（陥没）が進行することは
なくなり、初期の締付け軸力が維持される。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、エンジ
ンの運転条件によっては、高温クリープが発生する温度
条件下（アルミ等の軽合金性コンロッドの場合、例えば
１５０〜２００℃）でコンロッド１５が使用される可能
性があり、この場合塑性変形によって加工硬化させた部
分が回復によって元の組織に戻ってしまい、座面２４，
２６の変形が進行して締付け軸力が低下してしまうとい
う問題がある。

【００１５】また、図７、図８のように塑性変形した陥
没部分に応力が集中しやすく、コンロッド１５側の耐久
性を確保することが困難になるという問題がある。

【００１６】この発明は、締結時に被締結部材の面圧分
布を均一化して最高面圧値自体を低減し、被締結部材の
変形を回避して初期の締付け軸力を維持することができ
るボルト締結法を提供することを目的としている。

【００１７】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、ボルト頭
部と被締結部材との間に、被締結部材よりも耐力が低
く、高温クリープを発生する温度が使用温度よりも高い
材質の座金を介装し、締結前にボルト頭部のうちボルト
軸断面の投影面にのみボルト軸方向に所定の荷重を加え
るようにする。

【００１８】第２の発明は、第１の発明にて、加える荷
重は、ボルトの締付け荷重より大きくする。

【００１９】

【００２０】第３の発明は、第１、第２の発明にて、被
締結部材はエンジンのコンロッドであって、クランクピ
ンに連結する２つ割りの大端部をボルトにて締結する。

【００２１】

【作用】第１の発明では、ボルト頭部と被締結部材との
間の座金は、ボルト頭部のうちボルト軸断面の投影面に
のみボルト軸方向に所定の荷重を加えると、ボルト頭部
の面圧が均一になるように陥没する。これにより、締結
時に被締結部材の面圧分布が均一化され、最高面圧値が
低減され、被締結部材の変形が回避される。そして、被
締結部材よりも耐力が低く、高温クリープを発生する温
度が使用温度よりも高い材質の座金を用いることによ
り、被締結部材の陥没を確実に防止し、また座金のクリ
ープ変形の発生が回避され、良好な締結状態が得られ
る。

【００２２】第２の発明では、第１の発明にて、ボルト
の締付け荷重より大きな荷重を加えることにより、一層
面圧が均一化される。

【００２３】

【００２４】第３の発明では、エンジンのコンロッドの
２つ割りの大端部が確実に締結される。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００２６】図１はエンジンのコンロッドに適用した例
で、クランクピンに連結するコンロッドの２つ割り構造
のロッド本体４０側の大端部４１の要部を示す。

【００２７】このロッド本体４０側の大端部４１の締結
部には、２つ割り構造大端部のもう一方の図示しない連
結部材を互いの合わせ面を重ね合わせて締結するよう
に、締結部ならびに連結部材に貫通するボルト孔４２が
設けられる。

【００２８】ボルト４３にはボルト頭部４４の形状が非
対称のものが用いられ、このボルト頭部４４の形状に合
わせてロッド本体側締結部のボルト孔４２回りの座面４
５が切欠き形成される。

【００２９】そして、ボルト頭部４４とロッド本体側締
結部の座面４５との間に、ボルト頭部４４とほぼ同形状
に形成された座金４６が介装される。

【００３０】この座金４６は、ロッド本体４０の材料よ
りも耐力が低く（軟らかい）、コンロッドの使用温度
（例えば１５０〜２００℃）においてはクリープが起き
ないつまり高温クリープを発生する温度が使用温度より
も高い材料、例えば純鉄に近いＳ１０Ｃ（機械構造用炭
素鋼）等から形成される。

【００３１】そして、ボルト４３を締結する前に、所定
のプレス装置を用いて、ボルト頭部４４にボルト軸方向
に所定の荷重が加えられる。

【００３２】この場合、図２のようにボルト４３の軸部
４７とほぼ同径のプレス棒４８を、ボルト頭部４４のう
ち軸部４７断面の投影面に合わせて、荷重が加えられ
る。

【００３３】また、その荷重はボルト４３の設定締付け
荷重を越えるように設定される。

【００３４】そして、この後、連結部材側のボルト４３
の先端に図示しないナットが取付けられ、締結される。

【００３５】このように、ボルト頭部４４に所定の荷重
を加えると、ボルト頭部４４とロッド本体側締結部の座
面４５との間に介装した座金４６が陥没する。

【００３６】この場合、座金４６の耐力はロッド本体４
０よりも低いので、ロッド本体４０側が陥没することは
なく、またボルト頭部４４のうちボルト軸断面の投影面
にのみボルト軸方向に荷重を加えるので、座金４６は図
３のようにボルト頭部４４の形状等に応じて面圧が大き
い部位ほど陥没、つまりボルト頭部４４の面圧が均一に
なるように陥没する。

【００３７】このため、ボルト頭部４４の非対称形状、
剛性分布、ボルト頭部４４と軸部４７との直角度精度誤
差等に起因する面圧への影響が防止され、締結時に図４
のようにロッド本体４０側の面圧分布が均一化される。

【００３８】これにより、ロッド本体４０側の最高面圧
値が低減されるため、ロッド本体４０にて高温クリープ
の発生が回避され、また高温クリープを発生する温度が
使用温度よりも高い材料からなる座金４６の高温クリー
プの発生が回避される。

【００３９】したがって、ロッド本体４０の破損が防止
されると共に、良好な締結状態が確保され、設定通りの
ボルト４３の締付け軸力が維持される。

【００４０】この締付け軸力の保持率は、例えば使用温
度２００℃で１００時間連続でエンジンを運転したとき
の条件で比べると、座金、荷重なしの場合に８２．９％
の保持率であったものが、本発明のものでは９３．６％
の保持率に向上することが確認されている。

【００４１】なお、加える荷重はボルト４３の設定締付
け荷重よりも大きくするので、締結時にロッド本体４０
側の面圧分布が確実に均一化される。

【００４２】

【発明の効果】以上のように第１の発明によれば、座金
の陥没状態により、被締結部材の面圧分布が均一化され
ると共に、被締結部材の陥没ならびに座金のクリープ変
形の発生が回避され、ボルトの締付け軸力の低下が防止
され、良好な締結状態が得られる。

【００４３】第２の発明によれば、被締結部材の面圧分
布が確実に均一化される。

【００４４】

【００４５】第３の発明によれば、エンジン部品のボル
ト締結の高い信頼性が確保される。

【図面の簡単な説明】

【図１】部分斜視図である。

【図２】荷重を加える前の状態を示す断面図である。

【図３】荷重を加えたときの状態を示す断面図である。

【図４】締結時の面圧分布を示す断面図である。

【図５】従来のコンロッドの締結方法を示す正面図であ
る。

【図６】そのボルト座面表層部の陥没の進行状態を示す
特性図である。

【図７】そのボルト締結時の断面図である。

【図８】その面圧分布を示す断面図である。

【符号の説明】

４０ ロッド本体 ４１ 大端部 ４２ ボルト孔 ４３ ボルト ４４ ボルト頭部 ４５ 座面 ４６ 座金 ４７ 軸部 ４８ プレス棒

フロントページの続き (56)参考文献 実開 昭57−71810（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−7906（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16B 31/04 - 31/06 F16C 9/04

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ボルト頭部と被締結部材との間に、被締
   結部材よりも耐力が低く、高温クリープを発生する温度
   が使用温度よりも高い材質の座金を介装し、締結前にボ
   ルト頭部のうちボルト軸断面の投影面にのみボルト軸方
   向に所定の荷重を加えることを特徴とするボルト締結
   法。
2. 【請求項２】 加える荷重は、ボルトの締付け荷重より
   大きい請求項１に記載のボルト締結法。
3. 【請求項３】 被締結部材はエンジンのコンロッドであ
   って、クランクピンに連結する２つ割りの大端部をボル
   トにて締結する請求項１または２に記載のボルト締結
   法。