JP4258304B2

JP4258304B2 - 締結構造及びこれに使用する座金並びにボルト

Info

Publication number: JP4258304B2
Application number: JP2003200559A
Authority: JP
Inventors: 義之大橋; 優子竹田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2023-07-23
Also published as: JP2005041272A; CN1576619A; CN2773382Y

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、取付部材が被取付部材に少なくともボルトを含む締結部材により締結される締結構造、及びこれに使用する座金並びにボルトに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、車体フレームにステアリングギアボックスをゴムブッシュを介してボルト、ナット及びワッシャー（座金）により締結する締結構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。この従来の締結構造では、ボルトは、ステアリングギアボックスに組み込まれる中空円筒形のカラーに挿通され、カラーの一端面がワッシャーの座面を構成している。また、ワッシャーは、カラーの一端面に対向する中央部以外の領域（即ち、外周部）では、ステアリングギアボックスに対して離間している。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２９０７６１号公報（第３頁、及び、第５頁第５図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特に、ステアリングギアボックスのように車外（典型的には、車体下面）に取り付けられる部品やその締結部に関しては、路上の障害物（例えば、縁石や車輪止め等の突起物）との干渉が生じやすい故に、当該干渉を防止するか、若しくは、当該干渉が避けられない場合には、当該干渉による破損や変形を最小限に抑えて、必要な機能を確保することが望ましい。この点、上述の従来の締結構造においては、路上の障害物がワッシャーの外周部に干渉すると、ワッシャーの外周部の変形に伴いワッシャーの中央部（即ち、ボルト座面部）も変形し、ボルトの軸力が低下してしまうという問題点があった。
【０００５】
そこで、本発明は、ワッシャーに大きな外力が作用した場合にもボルトの軸力の低下を防止することができる、締結構造及びこれに使用する座金並びにボルトを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、請求項１に記載する如く、取付部材が被取付部材に少なくともボルトを含む締結部材により締結される車体下部の締結構造において、
前記締結部材と前記取付部材との間に、ボルト軸が挿通する中央穴を有する座金が介在し、該座金が、前記締結部材の座面を含む中央部と、外周部とを含み、
前記座金における前記中央部と前記外周部の間に、周方向で全周に亘って溝部が形成されることを特徴とする、締結構造により達成される。
【０００７】
本発明によれば、縁石や車輪止め等のような路面上の突起物や段差等との強干渉が生じうる車体下部の締結構造に対して、当該強干渉後のボルト軸力の低下を防止することができる。尚、本発明において、取付部材と被取付部材とは、ボルト及びナットからなる締結部材により、若しくは、ボルトと被取付部材に形成されたネジ溝により、締結されてよい。従って、座金は、取付部材とボルト及び／又はナットとの間に介在してよい。
【０００８】
溝部は、周方向で全周に亘って、即ちワッシャーの周方向に沿って連続的に形成される。
【０００９】
また、本発明による締結構造は、ワッシャーの外周部と取付部材との間に隙間が形成されている場合のような、ワッシャーの変形が起こりやすい場合においても有効に機能する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、車両のステアリングギアボックス周辺の要部を示す正面図である。本実施例では、本発明による締結構造は、パワーステアリングギアハウジング１０（以下、「ＰＳギアハウジング１０」という）とサスペンションメンバー２０間の締結部に適用される。但し、本発明は、特にこの両者の締結部に限定されるものではなく、車体下部におけるあらゆる２部品間の締結部に対しても適用可能である。
【００１２】
図１に示すように、ＰＳギアハウジング１０は、本発明による締結構造（図中、Ｘ部により指示）を介してサスペンションメンバー２０に支持されている。サスペンションメンバー２０は、ＰＳギアハウジング１０と略並列に車幅方向に延在し、車体フレームの一部を構成する。本発明による締結構造は、サスペンションメンバー２０の左右両側にそれぞれ適用され、ＰＳギアハウジング１０は、サスペンションメンバー２０に２点で支持される。尚、ＰＳギアハウジング１０は、エンジン等の搭載性を考慮して、サスペンションメンバー２０よりも車両前側に組み付けられる。
【００１３】
尚、公知の如く、ＰＳギアハウジング１０は、車両の操舵機構の一部を構成するギア類やパワーシリンダ等を収容する。概説すると、ステアリングシャフトの下端に設けられるピニオンは、ＰＳギアハウジング１０内においてラックバーに噛合され、ラックバーの両端には、それぞれタイロッドの一端が接続されると共に各タイロッドの他端にはナックルアームを介して転舵輪が接続される。尚、本発明は、ＰＳギアハウジング１０の構成を含む操舵機構の構成を特定するものではなく、如何なる操舵機構の構成に対しても適用可能である。
【００１４】
図２は、図１のラインＩ−Ｉに沿って切断された際の、本発明による締結構造の断面図を示す。図２に示すように、本実施例のＰＳギアハウジング１０は、サスペンションメンバー２０にボルト３０、ナット３２及びワッシャー４０を介して締結されている。
【００１５】
ＰＳギアハウジング１０には、ボルト３０を挿通するための中空部１２が形成されている。実際には、この中空部１２に中空円筒形のカラー１４が配設され、カラー１４の中空部にボルト３０が挿通される。尚、カラー１４の中空部は、サスペンションメンバー２０の挿通穴２２と略同径に設定される。カラー１４の外周面には、ゴムブッシュ１６が設けられる。カラー１４は、ゴムブッシュ１６が加硫接着された状態で、ＰＳギアハウジング１０の中空部１２に圧入される。従って、ゴムブッシュ１６は、カラー１４の外周面と中空部１２の周面の間に形成される環状の隙間に配置されることになる。かかる構成では、ＰＳギアハウジング１０は、サスペンションメンバー２０に対してゴムブッシュ１６により弾性的に支持されることになる。即ち、ゴムブッシュ１６は、路面から車輪等を介してＰＳギアハウジング１０に伝達される入力をその径方向の弾性変形により吸収する機能を果たす。
【００１６】
カラー１４の車両前側の端面１５は、ワッシャー４０の座面を構成している。このカラーの端面１５は、ワッシャー４０の外径に比して小さい外形を有している。従って、ワッシャー４０は、その中央部４２のみでカラーの端面１５と面で接触している。尚、図２に示す実施例では、カラーの端面１５の外形は、ボルト３０の頭部の外形と略同一に設定されている。
【００１７】
ワッシャー４０の外周部４４とＰＳギアハウジング１０の車両前側の端面１１との間には、ボルト軸方向に隙間Δが形成されている。この隙間には、ゴムブッシュ１６の端部が配置される。かかる構成では、上述と同様、ゴムブッシュ１６は、路面から車輪等を介してＰＳギアハウジング１０に伝達される入力をその軸方向の弾性変形により吸収する機能を果たす。また、ワッシャー４０の外周部４４は、ゴムブッシュ１６の端部を保護する機能（即ち、端部のはみ出しを防止する機能）をも果たす。
【００１８】
図３（Ａ）は、本実施例のワッシャー４０を上面図であり、図３（Ｂ）は、ワッシャー４０の側面図である。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、ワッシャー４０は、ボルト３０の軸径に対応した中央穴を有する円板状の部材である。ワッシャー４０の中央部４２は、中央穴の外周側に画成され、ワッシャー４０の外周部４４は、中央部４２の外周側に画成される。本実施例では、ワッシャー４０の中央部４２は、ワッシャー４０の外周部４４に比して大きな板厚に設定される。ワッシャー４０の中央部４２は、上述の如く、ボルト３０の頭部とカラーの端面１５の間に挟まれる部位（即ち、ボルト３０の座面部）であり、ボルト３０の必要な軸力を確保する上で重要な部位となる。このため、ワッシャー４０の中央部４２の外径ｒ２は、好ましくは、少なくともボルト３０の頭部の外形と同一若しくはそれよりも大きくなるよう設定される（図２参照）。
【００１９】
ところで、上述の如く、種々の要件により、ＰＳギアハウジング１０がサスペンションメンバー２０よりも車両前側に設定され、両者の締結部が車両下方に設定される場合（特に、締結部が車体下部に設定され、路面に対して露出している場合）、当該締結部が路上の縁石や車輪止め等の路上突起物に干渉する可能性がある。
【００２０】
次に、図４を参照して、突起物に干渉した際の、本発明による締結構造の作用について説明する。図４は、図３のＺ部を拡大した状態で示している。本実施例では、上述の如く、ワッシャー４０の外周部４４とＰＳギアハウジング１０の端面１１との間には隙間Δが形成されており、ワッシャー４０の座面がワッシャー４０全面で確保されていない。従って、図４（Ａ）に示すように、車両前進中に車両前方にある突起物にワッシャー４０が干渉すると、ワッシャー４０の変形が引き起こされる。
【００２１】
この際、従来的なワッシャー、即ち板厚が一定のワッシャーを用いた場合には、ワッシャー全体の変形が生ずるため、ワッシャーの中央部（即ち、ボルトの座面部）にまで変形が及び、当該ワッシャーの中央部の変形に起因したボルトの軸力の低下が生ずることになる。
【００２２】
これに対して、本実施例では、上述の如く、ワッシャー４０の外周部４４が中央部４２に比して薄肉に形成されているので、図４（Ｂ）に示すように、ワッシャー４０の外周部４４の変形に伴う中央部４２の変形が最小限に抑えられる。即ち、本実施例によれば、突起物との干渉時に最弱部位であるワッシャー４０の外周部４４のみを実質的に変形させることができ、これにより、中央部４２への曲げモーメントの影響が小さくなり、ワッシャー４０の中央部４２の変形を最大限に防止することができる。このため、本実施例によれば、突起物とワッシャー４０が干渉した場合であっても、ワッシャー４０の中央部４２の変形に起因したボルト３０の軸力の低下を防止することができる。
【００２３】
また、本実施例では、上述のようなワッシャー４０の外周部４４のみが変形する変形モードにより、車両の前方移動に伴って、突起物をＰＳギアハウジング１０の下方へと滑らかに潜りこませる（即ち、車両が滑らかに突起物を乗り越える）ことができ（図中、矢印Ｙ参照）、車両への衝撃やＰＳギアハウジング１０へのダメージを最小限にすることができる。
【００２４】
図５は、上述のワッシャー４０の作用を実証する試験結果を示すグラフであり、ワッシャー４０の外周部４４の板厚ｔ１と中央部４２の板厚ｔ２の関係と、ワッシャー４０の中央部４２の変形量との関係を示す。具体的には、図５は、横軸に板厚ｔ２に対する板厚ｔ１の比ｔ１／ｔ２を、縦軸に中央部４２の変形量を示している。この試験は、図４に示すような突起物との干渉を再現する所定の治具を用いて実施されたものである。
【００２５】
図５に示すように、比ｔ１／ｔ２が大きくなるにつれて、ワッシャー４０の中央部４２の変形量が増加していくことがわかる。他言すると、外周部４４の板厚ｔ１が小さくなるにつれて、ワッシャー４０の中央部４２の変形が抑えられることがわかる。ワッシャー４０の中央部４２の変形許容限度は、ボルト３０の軸力の低下との関係で定まるが、本試験により、比ｔ１／ｔ２が約１／２より小さい場合に、ワッシャー４０の中央部４２の変形が許容限度内に収まることもわかった。従って、ワッシャー４０の具体的な寸法としては、例えば外周部４４の板厚ｔ１を０．２ｍｍ、中央部４２の板厚ｔ２を０．４ｍｍ程度に設定してよい。但し、ワッシャー４０の具体的な寸法は、締結箇所や締結部材等に依存した種々の要件により定まるものである。
【００２６】
次に、図６を参照して、上述の実施例に対する代替実施例について説明する。図６は、各種代替実施例に係るワッシャー４０を示す、図４（Ｂ）に対応する側面図である。
【００２７】
図６（Ａ）に示す代替実施例では、ワッシャー４０の外周部４４が、上述の実施例と同様、中央部４２に比して薄肉に構成されている。但し、上述の実施例では、ワッシャー４０の両面に段差を形成することで、ワッシャー４０の中央部４２から外周部４４への遷移が実現されているのに対して、本代替実施例では、ワッシャー４０のボルト３０側の面にのみ段差を形成することで、ワッシャー４０の中央部４２から外周部４４への遷移が実現されている。従って、本代替実施例のワッシャー４０は、カラー１４側では全面に亘って平らな面となる。当然に、ワッシャー４０のカラー１４側の面にのみ段差を形成することで、ワッシャー４０の中央部４２から外周部４４への遷移が実現されてもよい。いずれの場合であっても、上述の実施例と同様、突起物との干渉時に最弱部位であるワッシャー４０の外周部４４のみを実質的に変形させることができ、ワッシャー４０の中央部４２の変形を最大限に防止することができる。尚、本代替実施例の場合も、上述の実施例と同様に、ワッシャー４０の外周部４４の板厚ｔ１と中央部４２の板厚ｔ２の関係が決定されてよい。
【００２８】
尚、上述の実施例の場合も同様であるが、ワッシャー４０の中央部４２から外周部４４への遷移、即ち板厚変化は、好ましくは、急激に実現される（即ち、ワッシャー４０の中央部４２の周面（板厚変化面）と外周部４４の基本面とのなす角度が９０°となるようにする）。但し、板厚変化は、径方向の短い範囲内で実現されるのであれば、徐々に変化するものであってもよい。また、ワッシャー４０の中央部４２の周面と外周部４４の基本面との間には、好ましくは、小さな角Ｒが付けられるが（理想的には、Ｒ＝０）、製造上の観点からある程度の角Ｒ（例えば、Ｒ＝０．５）が付けられてもよい。
【００２９】
図６（Ｂ）に示す代替実施例では、ワッシャー４０の両面には、互いに対向する位置に、周方向に沿って溝４６が形成されている。本代替実施例では、溝４６よりも中央側がワッシャー４０の中央部４２（即ち、ボルト３０の座面部）を構成し、溝４６よりも外周側がワッシャー４０の外周部４４を構成する。尚、溝４６は、ワッシャー４０の何れか一方の面にのみ形成されるものであってもよい。いずれの場合であっても、溝４６が形成された部位のワッシャー４０の板厚と、その他の部位の板厚との関係は、上述の実施例の外周部４４の板厚ｔ１と中央部４２の板厚ｔ２の関係に対応するものであってよい。
【００３０】
本代替実施例では、突起物との干渉時に、溝４６が形成された応力集中部位を起点にワッシャー４０の外周部４４のみを曲げ変形させることができ、ワッシャー４０の中央部４２の変形を最大限に防止することができる。
【００３１】
尚、上述した各実施例では、ワッシャー４０は、略平らな円板状の部材であったが、ワッシャー４０の外形はこれに限定されるものでなく、矩形や楕円形等であってもよい。また、上述した各実施例において、ワッシャー４０は、ばね座金であってもよい。また、いずれの場合であっても、ワッシャー４０は、ボルト３０とは別に組み付けられるものであってよく、或いは、ボルト３０に一体的に組み付けられているものであってよい。
【００３２】
また、上述した各実施例は、サスペンションメンバー２０に対するＰＳギアハウジング１０の締結構造に関するものであったが、本発明は、車体下部（路面に対向する車体部位）における如何なる２つの部材の締結構造にも適用可能である。即ち、本発明は、図７に示すように、何らかの要件により、取付部材１００がワッシャー４０の外周部４４に対して座面を提供できない構成に対して、適用可能である。かかる場合であっても、ワッシャー４０の外周部４４に衝撃力が作用した際に、ワッシャー４０の外周部４４のみを変形させることができ、ワッシャー４０の中央部４２の変形を最大限に防止することができる。
【００３３】
また、上述した各実施例では、ワッシャー４０の中央部４２が、ボルト３０の座面を構成するものであったが、ボルト３０とナット３２の位置関係が逆転する構成に対しては、ワッシャー４０の中央部４２が、ナット３２の座面を構成することになる。
【００３４】
また、上述した各実施例では、ボルト３０がナット３２に螺合することで、締結が実現されているが、被取付部材（上述の実施例の場合、サスペンションメンバー２０の中空部周面）に螺子溝を設けることで、ナットを使用することなく締結が実現されるものであってもよい。
【００３５】
また、上述した各実施例では、突起物との干渉時にワッシャー４０の外周部４４を塑性変形させる（即ち、中央部４２と外周部４４の境界部で座屈させる）ものであったが、この際に、ワッシャー４０の外周部４４を破断させることとしてもよい。
【００３６】
また、上述した各実施例では、締結構造を構成するボルト３０は、略水平面内で車両前後方向に延在するボルト軸を有しているが、ボルト軸は、略水平面内に延在する限り、如何なる方向に延在するものであってもよい。また、上述した各実施例は、車両前側の締結構造に関するものであるが、本発明は、車体下面における車両後側の締結構造にも適用可能である。従って、例えばボルト３０の頭部が車両後側に向く車両後側の締結構造において、当該ボルト３０と取り付け部材との間に上述のワッシャー４０を介在させることも可能である。かかる締結構造の場合、車両後退時に対して、車両後方の突起物との干渉時に、上述と同様の効果を得ることができる。
【００３７】
次に、図８以下の図面を参照して、本発明の第２の実施例に係る締結構造について説明する。図８は、第２の実施例に係る締結構造の断面を示し、上述の実施例に関する図２に対応する断面図である。本実施例は、締結構造を車両前側から覆う保護ブラケット５０が設けられる点が、上述の実施例と異なる。保護ブラケット５０は、図８に示すように、ＰＳギアハウジング１０にボルト５２により締結されることで、ＰＳギアハウジング１０に固定・支持されてよい。
【００３８】
図９（Ａ）は、本実施例の保護ブラケット５０を車両前方から見た際の正面図であり、図９（Ｂ）は、保護ブラケット５０の側面図である。保護ブラケット５０は、板金（例えば、板厚２ｍｍ）を曲げ加工して成形され、図８及び図９（Ｂ）に示すように、車両前方に凸となる凸状の断面を有している。即ち、本実施例の保護ブラケット５０は、ボルト３０の頭部に対向する略鉛直面内の基本面５４と、基本面５４の上下端から連続し、ＰＳギアハウジング１０に向かって基本面５４に対して傾斜した上下の傾斜面５６ａ，ｂとを有し、更に、上の傾斜面５６ａから連続し、ボルト５２の座面を構成する略鉛直面内の取り付け面５８を有する。保護ブラケット５０の外形は、図９（Ａ）に示すように、ボルト３０の頭部及びワッシャー４０を全体的に覆うことができるような大きさに設定されている。また、保護ブラケット５０は、取り付け面５８のみにより片持ち支持されており、保護ブラケット５０の基本面５４及び傾斜面５６ａ，ｂとボルト３０の頭部との間には、所定の隙間が形成されている。
【００３９】
次に、図１０を参照して、突起物に干渉した際の、本実施例による締結構造の作用について説明する。図１０は、図８のＺ部を拡大した状態で示している。本実施例では、図１０（Ａ）に示すように、車両移動中に路面上の突起物が車体下方を通過すると、突起物が先ず保護ブラケット５０に干渉する。車両の移動が更に継続されると、保護ブラケット５０の変形が進み、その背後にあるボルト３０の頭部と干渉する。その後、保護ブラケット５０は、図１０（Ｂ）に示すように、ボルト３０の頭部の縁部を支点として変形し始める。
【００４０】
本実施例では、上述のような保護ブラケット５０の変形モードにより、車両の前方移動に伴って、突起物をＰＳギアハウジング１０の下方へと滑らかに潜りこませる（即ち、車両が滑らかに突起物を乗り越える）ことができ（図中、矢印Ｙ参照）、突起物とワッシャー４０との干渉を回避することができる。これにより、ワッシャー４０の変形を防止することができ、上述の実施例と同様、ボルト３０の軸力の低下を防止することができる。
【００４１】
本実施例のワッシャー４０は、上述の各実施例のようなワッシャー４０であってもよい。
【００４２】
本願発明者は、保護ブラケット５０の効果を確認すべく、保護ブラケット５０の有無の各場合において実車路面干渉試験を実施した。図１１は、その試験結果を示す表図である。本試験では、試験前後でＰＳギアハウジング１０のボルト３０の締付トルクを測定し、当該締付トルクの低下率を評価した。
【００４３】
図１１に示すように、保護ブラケット５０の設定がない場合、干渉後に締付トルクが大きく低下するのに対して（即ち、低下率３７．５％）、保護ブラケット５０を設定した場合、干渉後の締付トルクの低下が改善されていることがわかる（即ち、低下率２５％）。この結果から、保護ブラケット５０を設定した場合、保護ブラケット５０の変形に伴って突起物をＰＳギアハウジング１０の下方へと滑らかに潜りこませることができるため、保護ブラケット５０の設定がない場合に比して、ワッシャー４０のより外周側でワッシャー４０と突起物とを干渉させることができていることがわかる。即ち、保護ブラケット５０を設定した場合、保護ブラケット５０の設定がない場合に比して、ワッシャー４０の中央部４２（ボルト３０の座面）の変形を大幅に低減でき、ボルト３０の軸力の低下を防止することができる。
【００４４】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した各実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した各実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したようなものであるから、以下に記載されるような効果を奏する。即ち、本発明によれば、ワッシャーに大きな外力が作用した場合にもボルトの軸力の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両のステアリングギアボックス周辺の要部を示す正面図である。
【図２】図１のラインＩ−Ｉに沿って切断された際の、本発明による締結構造の断面図を示す。
【図３】図３（Ａ）は、本実施例のワッシャー４０を上面図であり、図３（Ｂ）は、ワッシャー４０の側面図である。
【図４】本発明による締結構造の作用の説明図である。
【図５】ワッシャーの板厚とワッシャー中央部の変形量との関係を示す試験結果である。
【図６】ワッシャーの代替実施例を示す図である。
【図７】締結部材のその他の実施例を示す図である。
【図８】図１のラインＩ−Ｉに沿って切断された際の、本発明の第２実施例による締結構造の断面図を示す。
【図９】図９（Ａ）は、保護ブラケット５０を車両前方から見た際の正面図であり、図９（Ｂ）は、保護ブラケット５０の側面図である。
【図１０】本発明の第２実施例による締結構造の作用の説明図である。
【図１１】実車路面干渉試験結果を示す図である。
【符号の説明】
１０ＰＳギアハウジング
１１端面
１２中空部
１４カラー
１５端面
１６ゴムブッシュ
２０サスペンションメンバー
２２挿通穴
３０ボルト
３２ナット
４０ワッシャー
４２中央部
４４外周部
４６溝
５０保護ブラケット
５２ボルト
５４基本面
５６ａ，ｂ上下の傾斜面
５８取り付け面

Claims

取付部材が被取付部材に少なくともボルトを含む締結部材により締結される車体下部の締結構造において、
前記締結部材と前記取付部材との間に、ボルト軸が挿通する中央穴を有する座金が介在し、該座金が、前記締結部材の座面を含む中央部と、外周部とを含み、
前記座金における前記中央部と前記外周部の間に、周方向で全周に亘って溝部が形成されることを特徴とする、締結構造。
前記座金の外周部と前記取付部材との間に隙間が形成されている、請求項１記載の締結構造。
前記締結部材及び前記座金を覆う保護ブラケットが設けられる、請求項１又は２記載の締結構造。
前記保護ブラケットは、前記取付部材としてのパワーステアリングギアハウジングに前記ボルトとは別の第２のボルトにより締結され、前記締結部材及び前記座金を車両前方から覆う、請求項３記載の締結構造。
請求項１乃至４の何れかに記載の締結構造において使用される座金。
請求項５記載の座金が一体的に組み付けられたボルト。