JP3733530B2 - ボルト - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミ合金鋳物製エンジンに形成されためねじに螺合して締付けられるボルトの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、人体および地球環境に悪影響を及ぼす一酸化炭素や二酸化炭素の排出量が少ないエンジンとして、ディーゼルエンジンが注目されており、特に欧米をはじめとする各国で増加している。従来のディーゼルエンジンのシリンダーブロックは、耐久性を考慮して鋳鉄で製作されているが、車両の性能向上の一環として軽量化のニーズが大きくなるにつれて鋳鉄からアルミ合金鋳物への材料転換がなされるようになっている。
ディーゼルエンジンはガソリンエンジンに比較して、エンジン駆動時の爆発圧力が高いが、近年の排気ガス規制対策の一環として有害物質及び有害排出ガスの排出量を抑えるために爆発圧力をさらに高くしようとする傾向にある。
しかしながら、シリンダヘッド及びベアリングキャップは、数本のボルトを介してシリンダブロックに締結されており、シリンダヘッド及びベアリングキャップをシリンダブロックに締結する際に、シリンダブロック側に形成しためねじのボルトとの噛合い部の最終端近傍は最弱部となってしまう。
特に、エンジン本体の素材がアルミ合金鋳物の場合は、ボルトとの噛合い部の最終端近傍のめねじ部分に発生する引張集中応力のため、これに耐えうる強度を必要とした疲労強度改善が切望されている。従来は、アルミ合金鋳物の強度を向上するために、素材の成分調整或は素材の時効処理によりアルミ合金鋳物の強度を向上させたり、あるいは、めねじの谷底に塑性加工することによる強化、あるいはアルミより高強度の部材を鋳包みあるいは一体化する方法がなされていた。
【０００３】
例えば特許文献１には、ディーゼルエンジンのようなめねじ側の変動荷重を受ける構造物のめねじ底部の疲労強度を向上させるために、切削タップでめねじを切削成形した後、切削後のねじ底外径よりもやや大径の拡径工具でめねじ底部を加圧して塑性変形部を形成して、めねじ底部の疲労強度を向上させて、集中応力を低下させる構造物の締結装置及び締結方法が開示されている。
【０００４】
また、例えば特許文献２には、一方向凝固組織を有してその凝固方向がボルトの軸方向に一致する幹部と、この幹部に一体的に形成され、等軸多結晶組織を有するねじ部とから構成することにより、応力緩和量を低減して緩みを防止しえるボルト、ナット及び結合体を提供することが開示されている。
【０００５】
さらに、例えば特許文献３には、シリンダブロックの中央部に、アルミ材より高強度である鋳造により形成されているボルトめねじ高強度部材を埋め込み、ボルトめねじ高強度部材は、複数のボルトめねじ高強度部材と、それらを相互に連結する連結部材により構成され、ボルトめねじ高強度部材本体の上部及び下部にはねじ穴が形成されることにより、シリンダヘッドやクランクキャップ等をシリンダブロックに固定するボルトを螺合させるめねじ部の疲労破壊等を防止したエンジンのアルミ製シリンダブロックが開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−４２０５１号公報
【特許文献２】
特開平１１−３３６７２６号公報
【特許文献３】
特開２００１−２８９１１３
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のアルミ合金鋳物製ディーゼルエンジンの場合は、シリンダブロックにめねじを形成して、このめねじにボルトを締結するものでは、めねじ噛合い最終端付近部に引張応力が集中してめねじ噛合い最終端付近部が疲労破壊してしまうおそれがあった。
また、特許文献１に記載された構造物の締結装置及び締結方法では、めねじ底部を加圧して塑性変形させてめねじ底部自体の疲労強度を向上させるものであるため、めねじの加工工程が複雑となり、製造コストを上昇させるものであった。
さらに、特許文献２に記載されたボルト、ナット及び結合体は、応力緩和量を低減して緩みを防止できるが、ボルト、ナットが特殊な組成のものであるため、コストアップの要因となる。また、特許文献３に記載されためねじ部の疲労破壊等を防止したエンジンのアルミ製シリンダブロックは、めねじ部に高強度部材を使用するものであるため製造工程が複雑となり、コストアップの要因となる。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、アルミ合金鋳物製エンジンに形成されためねじ部の疲労破壊による破損を防止できるようなボルトを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載のボルトは、アルミ合金鋳物製エンジンに形成されためねじに螺合して締付けられるボルトであって、完全なねじ山が形成されたボルト先端部が、ボルト先端からテーパー角度５′〜３０′でテーパー状に形成されることを特徴とする。
したがって、本発明のボルトをアルミ合金鋳物製エンジンに形成されためねじに螺合して締め付けた際に、めねじとボルト先端部との噛合い部分がボルト先端部からボルト基端部にかけて漸増するため、ボルト先端部と噛合うめねじの噛合い最終端付近近傍部分に作用する応力が緩和される。また、ボルト先端部を、ボルト先端からテーパー角度５′〜３０′でテーパー状に形成したことで、めねじとボルト先端部との噛合い部に作用する応力がより効果的に低下する。これにより、めねじ噛合い部に生ずる応力が緩和されて、めねじの疲労破壊が抑制される。
【０００９】
本発明に係るボルトは、基本的には以上のように構成されるが、アルミ合金鋳物製エンジンに形成されためねじにボルトを螺合して締め付ける際に、めねじとボルト先端部との噛合い部分に生ずる応力、特に、ボルト先端から１つ目或いは２つ目のめねじの底部に作用する引張の集中応力を抑制できるものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１に示すように、本発明の実施の形態を、アルミ合金鋳物製エンジンを構成するアルミ合金鋳物製のシリンダブロック１に形成しためねじ４に、４本のボルト３を介して、鋳鉄製或いは鋼鉄製のベアリングキャップ２を締結する場合について説明する。
図１及び図２に示すように、アルミ合金鋳物製のシリンダブロック１には、従来の通常のめねじ４が形成されている（図１では、一対のめねじとボルト部分の断面を示す。また、図２（ａ）には、図１に示す一対のめねじとボルト部分の断面部のみを示す）。
本発明の実施の形態に係るボルト３は、図２（ａ）に示すように、ボルト３の先端部３ａから中間部にかけて完全なねじ山を形成している。アルミ合金鋳物製のシリンダブロック１に形成しためねじ４に螺合するボルト３の先端部３ａは、ボルト３の先端から基端部にかけてテーパー角度５′〜３０′でテーパー状に形成している。このテーパー角度は、ボルト３の軸線に対する片側のテーパー角度を規定したものである。したがって、本発明の実施の形態に係るボルト３は、めねじ４に螺合した際に、めねじ４とボルト３との噛合い度が、ボルト３の先端から基端部にかけて漸増して、即ち、めねじ４とボルト３の噛合い度は、ボルト３の先端から基端部に近づくほど、噛合い度が大きくなり、ボルト３の先端部３ａとめねじ４との噛合い部５に生ずる集中応力を緩和させることが可能となる。
なお、従来のテーパー付きねじとして、１/１６のテーパー（片側テーパーの場合は、１/３２のテーパーとなる）を形成した管用ねじが存在するが、このねじはシール性の機能を付加したものであり、本発明の実施の形態に係る応力緩和ボルトのように、めねじ噛み合い部のめねじ底部に生ずる応力を緩和するための微小なテーパー（テーパー角度５′〜３０′）をつけた応力緩和ボルトとは根本的に異なるものである。
【００１１】
次に、図３及び図４に基づいて、本発明の実施の形態に係る応力緩和ボルトを利用した場合と、従来のボルトを利用した場合の、ボルトとめねじとの噛合い部に生ずる応力分布について説明する。
図３は、テーパー部を有しない従来のめねじ４’とボルト３’の噛合い部５’の詳細を示すものであり、ボルト３’をめねじ４’に螺合して締付けた際に、めねじ４’の全体に平均応力σ_meanが作用した場合に、めねじ４’のめねじ底部に生ずる圧縮応力と引張応力の応力分布を示すものである。
図３に示すように、従来のボルト３’の場合、最大集中応力部は、ボルト３’の先端から１つ目或は２つ目のめねじ４’のめねじ底部が引張の最大集中応力部となり、この部分の応力を緩和することが強度的に有利となり、アルミ合金鋳物製のシリンダブロックのめねじ部の疲労強度を向上することができる。
そして、ボルト３’の先端から１つ目或は２つ目のめねじ４’のめねじ底部は、ボルト３’を締付けた時点で発生する初期締付軸力により引張りの高応力状態になっている。また、この高応力状態に加えて、エンジンを駆動させてピストンが上下した時の爆発荷重がめねじ４’とボルト３’の噛合い部５’に作用して、さらに繰り返しの変動応力が作用するため、ボルト３’の先端から１つ目或は２つ目のめねじ４’のめねじ底部から疲労破壊する可能性が大きいことがわかる。
【００１２】
図４は、アルミ合金鋳物製のシリンダブロックに形成した従来のめねじ４と、本発明の実施の形態に係る応力緩和ボルト３の噛合い部５の詳細を示すものである。
本発明の実施の形態に係る応力緩和ボルト３は、ボルト３の先端部３ａを、ボルト３の先端から基端部にかけてテーパー角度５′〜３０′でテーパー状に形成しており、このボルト３をめねじ４に螺合して締結した際に、めねじ４の全体に平均応力σ_meanが作用した場合に、めねじ４のねじ底部に生ずる圧縮応力と引張応力の応力分布を示すものである。
図４に示すように、本発明の実施の形態に係る応力緩和ボルト３の場合、ボルト３の先端から１つ目或は２つ目のめねじ４のめねじ底部に大きな引張応力が生じているが、図３に示す従来のボルト３’を利用した場合の、ボルト３’とめねじ４’との噛合い部５’に生ずる応力分布に比較して、本発明の実施の形態に係るボルト３とめねじ４との噛合い部５に生ずる応力分布は効果的に改善され、この部分の応力が緩和されていることがわかる。
そして、本発明の実施の形態に係る応力緩和ボルト３の場合、ボルト３の先端から微小なテーパー角度５′〜３０′を形成しているので、ボルト３とめねじ４との噛合い部５に生ずる応力分布は全体的に緩和されて疲労限度が向上するため、ボルト３の先端から１つ目或は２つ目のめねじ４のめねじ底部に作用する初期締付軸力がボルト３を締付けた時点で低応力状態になり、エンジン駆動時の爆発荷重が作用したとしても、ボルト３の先端から１つ目或は２つ目のめねじ４のめねじ底部から疲労破壊する可能性が低下していることがわかる。
【００１３】
次に、図５及び図６に基づいて、本発明の実施の形態に係る応力緩和ボルトを利用した場合と従来のボルトを利用した場合の疲労強度試験について説明する。
図５は、ボルト先端部のテーパー角度を０′〜３０′まで変化させた本発明の実施の形態に係る応力緩和ボルトと従来のボルトの疲労強度試験の結果を示すものである。
まず、図５に示すように、アルミ合金鋳物製のシリンダブロックに形成しためねじのめねじ底部が疲労破壊するまでの寿命は、従来のボルトの場合は２０万回から３０万回で疲労破壊が生ずるのに対して、本発明の実施の形態に係る応力緩和ボルトの場合は、テーパー５′の場合は３０万回から４０万回、テーパー１０′の場合は５０万回から６０万回、テーパー１６′の場合は５０万回から７０万回、テーパー２５′の場合は５０万回から７０万回、テーパー３０′の場合は３５万回から６０万回、テーパー３５′の場合は２０万回から３５万回まで、めねじのめねじ底部が疲労破壊するまでの寿命が延びており、いずれの場合も従来のボルトに比べて疲労破壊までの寿命が延びていることがわかる。疲労強度試験の結果から５′〜３０′が、ボルトとめねじの噛合い長さをそれほど犠牲にすることなく高い疲労強度が得られることがわかった。
【００１４】
図６は、Ｍ１１×１．５のボルトを用いて、従来のボルトと、ボルト先端部のテーパー角度を０′〜３０′まで変化させた本発明の実施の形態に係る応力緩和ボルトを利用して、ディーゼルエンジンのアルミ合金鋳物製シリンダブロックにベアリングキャップを締結した状態を類似させて、めねじ噛合い部の疲労強度試験を行った結果（Ｓ−Ｎ線図）を示すものである。
図６に示すように、従来のボルトでは、１．２５ｋＮの振幅荷重（ｋＮ）が作用した場合は６００万回で疲労破壊するものと疲労限までもつものがあり、２ｋＮの振幅荷重が作用した場合は３２万回で疲労破壊する。これに対して、本発明の実施の形態に係る応力緩和ボルトの場合は、テーパー角度が５′〜３０′のいずれの場合でも、１．７５ｋＮの振幅荷重が作用した場合は１０００万回でも疲労破壊せず、３ｋＮの振幅荷重が作用した場合は約３０万回で疲労破壊する。
このように、本発明の実施の形態に係る応力緩和ボルトの場合は、従来のボルトに比べて、疲労限度は、従来ボルトで１．２５ｋＮであり、応力緩和ボルトで１．７５ｋＮである。即ち、約４０％疲労限度が向上している。
したがって、ディーゼルエンジンのアルミ合金鋳物製シリンダブロックにベアリングキャップを締結する際に、本発明の実施の形態に係る応力緩和ボルトを利用することにより、このめねじ噛合い最終端付近部に生ずる集中応力が緩和されることによりめねじ噛合い最終端付近部の疲労限度が向上したことがわかる。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の実施の形態に係るボルトを、アルミ合金鋳物製エンジンに形成されためねじに螺合して締め付けた際に、めねじとボルト先端部との噛合い部分がボルト先端部からボルト基端部にかけて漸増して、ボルト先端から１つ目或いは２つ目のめねじの部分に作用する引張の集中応力を緩和することができるため、めねじの疲労限度を向上させてめねじ噛合い最終端付近部の疲労破壊を効果的に抑制することができる。
また、本発明の実施の形態に係るボルトの、完全なねじ山を形成したボルト先端部を、ボルト先端からテーパー角度５′〜３０′でテーパー状に形成したことにより、めねじの疲労限度を効果的に向上させると同時に、めねじ噛合い最終端付近部の疲労破壊をより効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る応力緩和ボルトを使用するアルミ合金鋳物製エンジンを示す図である。
【図２】 図２は、本発明の実施の形態に係るテーパーを形成した応力緩和ボルトとめねじとのめねじ噛合い部を（ａ）及び（ｂ）で示す図である。
【図３】 従来のボルトを利用した場合の、ボルトとめねじとの噛合い部に生ずる応力分布を（ａ）及び（ｂ）で示す図である。
【図４】 本発明の実施の形態に係る応力緩和ボルトを利用した場合の、ボルトとめねじとの噛合い部に生ずる応力分布を（ａ）及び（ｂ）で示す図である。
【図５】 本発明の実施の形態に係る応力緩和ボルトを利用した場合と従来のボルトを利用した場合の疲労強度試験の結果を示す図である。
【図６】 本発明の実施の形態に係る応力緩和ボルトを利用した場合と従来のボルトを利用した場合の疲労強度試験の結果をＳ−Ｎ線図で示す図である。
【符合の説明】
１ アルミ合金鋳物製シリンダブロック
２ ベアリングキャップ
３ ボルト
４ めねじ
５ めねじ噛合い部

Claims (1)

1. アルミ合金鋳物製エンジンに形成されためねじに螺合して締付けられるボルトであって、完全なねじ山が形成されたボルト先端部が、ボルト先端からテーパー角度５′〜３０′でテーパー状に形成されることを特徴とするボルト。

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