JP4778739B2 - 排気管およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は自動車等のエンジンの排気管、特に内外管間に空間を有する中空多重構造の排気管およびその製造方法に関するものである。

従来、上記のようなエンジンにおいて、エンジンからの排気をキャタライザやマフラに導くための排気管を、少なくとも内管と外管とを有し、その両管間に空間を有する中空多重構造にすることによって、キャタライザに導かれる排気の温度を高温に保って排気浄化性能を向上させると共に、排気管の表面温度の上昇を抑制するようにしたものは知られている。

上記のような中空多重構造の排気管は、排気が直接接触しない外管よりも排気が直接接触する内管の方が熱膨張量が大きいため、その膨張差により内管の屈曲部（湾曲部）などに曲げ応力が作用する。特に、内管の両端部が外管に固定されている場合には、上記の膨張差によるずれを吸収できないため、上記屈曲部に更に大きな曲げ応力が作用して内管が座屈する等のおそれがある。

そこで、下記特許文献１においては、上記のような中空多重構造の排気管の屈曲部における内管と外管との間に、ステンレスウール等の細い線材製のスペーサを介在させることが提案されている。それによって、内外管に熱膨張差が生じた場合にも、内管の屈曲部がスペーサを介して外管内周面に支持されるので、屈曲部の座屈が防止されるものである。

しかしながら、上記のように内管と外管との間に単に線材製のスペーサを介在させただけでは、時間の経過や熱による膨張収縮を繰り返すうちに上記スペーサが次第に圧縮変形したり、スペーサが圧接する内管または外管の一部が局部的に変形してスペーサが緩んだり、ずれる等して必ずしも長期間安定に維持させることができない等の問題があった。

また上記特許文献１においては、上記スペーサの円周方向の一部に切欠部（欠円部）を形成し、その切欠部を排気管の屈曲方向内側に位置させることによって、内管および外管を一体に曲げ加工して前記の屈曲部を形成する際に、上記切欠部に砂や鉄球を充填して屈曲部に曲げ皺が発生するのを防止するようにしているが、上記スペーサを介在させた位置には砂や鉄球を充填できないので曲げ加工時に変形等が生じるおそれがある。

特許３３３３７０７号公報

本発明は上記の問題点に鑑みて提案したもので、軸線方向に屈曲部を有し、かつ内外管間に空間を有する中空多重構造の排気管における内管屈曲部のずれや座屈等を防止して内外管間の間隔を良好に維持できるようにすること、また、そのような排気管を容易・安価に製造できる製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明による排気管およびその製造方法は、以下の構成としたものである。即ち、本発明による排気管は、軸線方向に屈曲部を有し、かつ内外管間に空間を有する中空二重構造の排気管において、上記屈曲部における外管の内面に凸部または凹部を形成すると共に、その凸部または凹部を内管外面に弾性体を介して圧接させるようにしたことを特徴とする。

また、本発明による排気管の製造方法は、軸線方向に屈曲部を有し、且つ内管と外管との間に空間を有する中空多重構造の排気管の製造方法であって、内管と外管との間に弾性体が介在するようにして前記外管内に前記内管を挿入する工程と、前記内管と前記外管に曲げ加工を施して所定角度に屈曲した屈曲部を形成する工程と、前記屈曲部が形成された前記内管と前記外管を成形型内に収容配置し、前記屈曲部に配置されている前記弾性体に対応する位置の前記外管の外周面に、前記成形型の凸部を圧接する工程と、前記成形型内でハイドロフォーミング加工を施し、前記成形型の凸部の圧接により前記弾性体に対応する位置の前記外管の内面に凸部を形成すると共に、前記外管の凸部が前記弾性体を介して前記内管の外面に圧接する部分を残して、それ以外の前記外管の大部分を拡径して前記内管と前記外管との間に空間を形成する工程とを備えることを特徴とする。

本発明によるエンジンの排気管は、上記のように屈曲部における外管の内面に凸部または凹部を形成すると共に、その凸部または凹部を内管外面に弾性体を介して圧接させるようにしたから、上記凸部または凹部が補強リブの作用をして上記圧接部が変形もしくはずれたり或いは座屈するのが防止され、内外管を所定の間隔に精度よく且つ安定性よく保持させることができる。また本発明によるエンジンの排気管の製造方法は、屈曲部における外管の一部が直接または弾性体を介して内管外面に圧接する部分を残して、それ以外の外管の大部分をハイドロフォーミング加工により拡径して内外管に空間を形成するようにしたから、上記のような排気管を容易・安価に製造することが可能となるものである。

以下、本発明を自動車用エンジンの排気管に適用した図に示す実施形態に基づいて具体的に説明するが、その前に排気管の機能を図１を用いて説明する。図１（ａ）は排気管を説明するための横断平面図、（ｂ）は（ａ）におけるｂ−ｂ断面図、図２は上記排気管の斜視図である。

上記の排気管１は、内管１１と外管１２とで内外二重に形成され、その内外管１１・１２間に空間Ｓが形成されている。上記外管１２の一端１２ａは内管１１の一端１１ａの外周面に沿うように絞り加工が施され、外管１２の他端１２ｂはやや拡径すると共に内管１１の他端１１ｂとの間に金属繊維や金属メッシュ等の金属線材製の間隔保持スペーサ２を介在させた構成である。

上記内外管１１・１２の軸線方向ほぼ中央部には、屈曲部１１ｃ，１２ｃが形成され、その屈曲部の曲げ角度θは、約８０度に形成されている。その外管１２の屈曲部１２ｃにおける曲げ方向外側の外管内面には、内管１１の屈曲部１１ｃの外面に圧接する凸部１２ｄが形成され、特に図の場合は図１（ｂ）に示すように内管１１に対して接線状に突出する凸部１２ｄを上記曲げ方向に沿って所定の間隔をおいて２つ設けた構成であるが、その凸部１２ｄの配置位置や個数および形状等は適宜変更可能である。

上記のように外管１２の屈曲部１２ｃにおける曲げ方向外側の外管内面に、内管１１の屈曲部外面に圧接する凸部１２ｄを設けたことによって、その凸部１２ｄを介して内管１１が外管１２の内面に支持され、前記の排気熱による内外管１１・１２の熱膨張差によるずれや座屈等を良好に防止できると共に、上記凸部１２ｄが補強リブの作用をして、その部分の外管１２の強度を向上させることができると共に、内管１１との当接部の撓みや変形等が防止され、上記外管１２の凸部１２ｄによる内管１１の支持状態を長期間安定かつ良好に維持することができる。

なお、必要に応じて例えば図３に示すように屈曲部１２ｃの曲げ方向と直角方向の外管内面にも凸部１２ｅを設けるようにしてもよく、図の場合は屈曲部１２ｃの曲げ方向と直角方向両側の外管内面に、それぞれ図３（ａ）に示すように平面円弧状の凸部１２ｅを対向させて設けることによって、同図（ｂ）のように両凸部１２ｅ・１２ｅ間に内管１１を狭持させた構成である。このようにすると、上記凸部１２ｅも補給リブの作用をして、その部分の外管１２の強度をさらに向上させることができると共に、内管１１を更に強固に支持させることができる。

また必要に応じて前記凸部１２ｄや同１２ｅは、金属繊維や金属メッシュ等の金属線材製の弾性体を介して内管１１に圧接させるようにしてもよい。図４〜図７はその一例を示すもので、その各図の（ａ）は横断平面図、（ｂ）は各図（ａ）におけるｂ−ｂ断面図である。

図４は内管１１の外周面に嵌合固定したリング状の弾性体３ａを介して外管１２の凸部１２ｄを内管１１の外周面に圧接させた実施例、図５は内管１１の外周面に密着固定した円弧状の弾性体３ｂを介して外管１２の凸部１２ｄを内管１１の外周面に圧接させた実施例、さらに図６は内管１１の外周面のほぼ全面に密着させて被覆した筒状の弾性体３ｃを介して外管１２の凸部１２ｄを内管１１の外周面に圧接させた実施例である。

上記のように外管内に形成した凸部１２ｄを金属線材製の弾性体３ａ〜３ｃを介して内管１１に圧接させるようにすると、上記凸部１２ｄによる前記の補強リブのような作用で、その部分の外管１２の強度を向上させることができると共に、内管１１の支持状態を長期間安定かつ良好に支持できる利点を維持した上で、上記弾性体３ａ〜３ｃがクッション材の作用をして内管１１が上記凸部１２ｄに弾力的に圧接して振動等によるずれや異音の発生を防止することができる等の効果が得られる。

また上記実施形態は外管１２の内面に凸部１２ｄを形成して、その凸部１２ｄを弾性体３ａ〜３ｃを介して内管１１に圧接させるようにしたが、例えば図７に示すように外管１２の内面に形成した円弧状の凹部１２ｆと内管１１の外周面との間に、円弧状の厚手の弾性体３ｄを介在させることによって、上記凹部１２ｆが弾性体３ｄを介して内管１１の外周面に圧接するようにしてもよい。

上記のように構成した場合には、上記凹部１２ｆが補強リブの作用をして、その部分の外管１２の強度を向上させることができると共に、その強度の強い外管部分に弾性体３ｄを介して内管１１が圧接することによって、内管１１を長期間安定かつ良好に支持することができるものである。

次に、上記のような排気管を製造する方法等は適宜であるが、例えば以下に示すようなバルジ加工等のハイドロフォーム加工を用いれば容易・安価に製造することができる。すなわち、図８〜図９は前記図１および図２に示す排気管をハイドロフォーム加工によって製造する場合の一例を示すもので、以下順を追って説明する。

先ず、図８（ａ）に示すように外管１２内に内管１１を挿入嵌合する。その内管１１の外径は外管１２の内径とほぼ同等もしくはやや小径のものを用い、内管１１の長さは外管１２よりもやや短めのものを用いるのが好ましい。

次いで、上記内外管１１・１２を図に省略した公知のパイプベンダー等で図８（ｂ）のように所定の角度θに曲げて屈曲部１１ｃ，１２ｃを形成する。その曲げ角度θは、約８０度に形成されているが、適宜変更可能である。

上記のようにして所定の角度に曲げた内外管１１・１２を、ハイドロフォーム用の成形型４内に収容するもので、その成形型４は図８の面と直角方向に上下２つ割りに構成され、その合わせ面に上記内外管１１・１２を収容するキャビティ４０が設けられている。そのキャビティ４０の長手方向（軸線方向）両端部４０ａ・４０ｂは開口し、中央部には前記角度θと同角度に屈曲する屈曲部４０ｃが設けられている。

上記キャビティ４０の両端部４０ａ・４０ｂは、該キャビティ４０内に収容した上記外管１２の外径と略同等に形成され、外管１２の内面に前記凸部１２ｄを形成する箇所には凸部４０ｄが形成されている。その凸部４０ｄは、上記キャビティ４０内に内外管１１・１２を収容した状態において外管１２を介して内管１１の外周面に圧接するように構成されている。上記両端部４０ａ・４０ｂおよび凸部４０ｄ以外のキャビティ内面の大部分は外管１２をハイドロフォーム加工により膨出させる際の最終形状に合わせて形成されている。

上記のようにして成形型４のキャビティ４０内に内外管１１・１２を収容したところで、図９（ａ）のように内外管１１・１２の一端を芯金５ａで閉塞し、外管１２の他端を芯金５ｂで閉塞する。次いで、その少なくとも一方の芯金に形成した流体注入穴から水や油等の圧力流体を注入してハイドロフォーム加工を施すもので、図の場合は芯金５ｂに形成した流体注入穴５１から内管１１内に圧力流体を注入すると同時に、該芯金５ｂ内の流体注入穴５１の周囲にそれと連通させて放射方向に設けた分岐注入穴５１ａから内外管１１・１２に圧力流体を注入し、それと同時に少なくとも一方の芯金５ｂをキャビティ４０の内方に押し込みながらハイドロフォーム加工を施す構成である。それによって図９（ａ）のように外管１２が膨出して内管１１との間に空間Ｓが形成される。

なお、そのとき内管１１の内面と外面とに作用する流体圧力は同等なので内管１１は変形することなく、元の形状のままに維持される。またキャビティ４０の凸部４０ｄが圧接する部分の外管１２も膨出することなく、内管１１に圧接したままの状態が維持され、その周囲が膨出することによって、その部分の外管１２に内面側に突出する凸部１２ｄが形成される。

上記のようにしてハイドロフォーム加工が終了したとろで、上記の成形型４内から図９（ｂ）のように内外管１１・１２を取出し、必要に応じて外管端部の切削加工や前記の間隔保持スペーサ２の装着作業等を行えば前記図１および図２に示すような中空二重構造の排気管が得られるものである。

なお前記図３のように屈曲部１２ｃの曲げ方向と直角方向の外管内面にも凸部１２ｅを設ける場合には、それに対応するキャビティ４０の内面にも前記凸部１２ｄとほぼ同様の凸部を設ければよい。また外管１２の凸部１２ｄと内管１１との間に、前記図４に示すようなリング状の弾性体３ａもしくは前記図５に示すような円弧状の弾性体３ｂを介在させる場合には、それらの弾性体３ａ，３ｂを内外管１１・１２間の所定の位置に予め介在させた状態で曲げ加工を施してから前記成形型４内に装填してハイドロフォーム加工を施せばよい。

また前記図６のように内管１１の外周面のほぼ全面に密着させて被覆した筒状の弾性体３ｃを介して外管１２の凸部１２ｄを内管１１の外周面に圧接させるものにあっても内外管１１・１２間に予め筒状の弾性体３ｃを介在させた状態で曲げ加工を施してから前記成形型４内に装填してハイドロフォーム加工を施せばよい。

さらに前記図７のように外管１２の内面に形成した円弧状の凹部１２ｆと内管１１の外周面との間に円弧状の厚手の弾性体３ｄを介在させる場合には、例えば図１０（ａ）に示すように弾性体３ｄを配置すべき位置の外管内周面に凹部１２ｆ’を形成して、その凹部内に厚手の弾性体３ｄを圧縮した状態で収容配置すると共に、その状態で曲げ加工を施した内外管１１・１２を成形型４内に装填して同図（ｂ）のようにハイドロフォーム加工を施せばよい。そのようにすると、前記と同様に外管１２が拡径すると同時に上記凹部１２ｆ’も拡径して図１０（ｂ）のような凹部１２ｆが形成される。すると、圧縮状態で収容配置されていた厚手の弾性体３ｄが弾性復元力で同図のように膨張して前記図７のような排気管を得ることができるものである。

上記実施形態は内外管１１・１２よりなる排気管１を曲げ角度θが約８０度の鋭角状に曲げた場合を例にして説明したが、その曲げ角度θは適宜であり、例えば図１１（ａ）に示すようにＵ字状に屈曲させる場合、或いは同図（ｂ）および（ｃ）に示すような「く」字形等の鈍角状に屈曲させる場合にも適用できる。また上記図１１（ａ）〜（ｃ）は前記図１および図２と同様に屈曲部の外管内面に内管外周面に圧接する凸部１２ｄのみを設けた構成であるが、前記図３と同様に屈曲部１２ｃの曲げ方向と直角方向の外管内面にも凸部１２ｅを設けるようにしてもよい。

また上記いずれの場合にも凸部１２ｄや同１２ｅと内管１１との間に前記図４〜図６と同様に弾性体３ａ〜３ｃを介在させるようにしてもよく、また前記図７のように外管１２の内面に形成した凹部１２ｆと内管１１との間に、厚手の弾性体３ｄを介在させるようにすることもできる。さらに、それらを製造する場合には前記と同様の要領でハイドロフォーム加工等により製造することができる。

上記のように本発明による排気管は、中空二重構造の排気管の屈曲部における外管１２の内面に凸部１２ｄまたは凹部１２ｆを形成すると共に、その凸部１２ｄまたは凹部１２ｆを内管１１の外面に弾性体３ａ〜３ｄを介して圧接させるようにしたので、上記凸部１２ｄまたは凹部１２ｆが補強リブの作用をして上記圧接部が変形もしくはずれたり或いは座屈するのが防止され、内外管１１・１２を所定の間隔に精度よく且つ安定性よく保持させることができる。

また本発明による排気管の製造方法は、上記屈曲部における外管１２の一部である前記の凸部１２ｄや凹部１２ｆが弾性体３ａ〜３ｄを介して内管外面に圧接する部分を残して、それ以外の外管の大部分をハイドロフォーミング加工により拡径して内外管１１・１２間に空間を形成するようにしたから、上記のような中空二重構造の排気管を容易・安価に製造することができる。

さらに上記のハイドロフォーミング加工を行う際、内外管１１・１２は予め曲げ加工されるので、その屈曲部、特に曲げ方向外側の屈曲部は伸びてやや薄くなった状態にあり、その状態でハイドロフォーミング加工を施すと、薄い部分は更に伸びやすく、また上記曲げ加工時の伸びにバラツキや偏り等があると、ハイドロフォーミング加工にもそれらが悪影響を及ぼして外管膨張時に外管の屈曲部が局部的に引っ張られたり、外管の伸びや肉厚変化にバラツキや偏り等が生じやすいが、本発明においては上記のように外管１２の一部である凸部１２ｄや凹部１２ｆが弾性体３ａ〜３ｄを介して内管外面に圧接しているので、ハイドロフォーミング加工時に外管の屈曲部が局部的に若しくはアンバランスに引っ張られたり、外管の伸びや肉厚変化にバラツキや偏り等が生じるのを防ぐことができる。又それによって内外管１１・１２間の空間Ｓを所定の間隔（クリアランス）に保つことができると共に、芯金５ｂでの外管１２の押し込みによる材料の増肉もしやすくなる等の利点がある。

特に、図の実施形態のように屈曲部１２ｃの頂点部分を挟んでその両側に凸部１２ｄや凹部１２ｆまたは／および弾性体３ａ〜３ｄを設けた場合には、その間の上記頂点部付近の最も肉薄となりやすい部分の伸びや肉厚のバラツキ等が良好に防止され、屈曲部に局部的な肉薄部や偏肉等が生じるのを可及的に低減することができる。また特に、上記図１，図２および図１１（ａ）のように排気管の曲げ角度θが９０度以下の鋭角に曲げるものにあっては、曲げ加工が難しく、しかも、より一層肉薄化がすすむおそれがあるが、そのような場合にも外管の伸びや肉厚変化にバラツキや偏り等が抑制されて良好にハイドロフォーミング加工を施すことができるものである。

以上のように、本発明による排気管およびその製造方法によれば、軸線方向に屈曲部を有し、かつ内外管間に空間を有する中空多重構造の排気管が有する課題の１つである内外管の熱膨張差によるずれや製造時の内外管の座屈を簡単・確実に防止することが可能となり、上記屈曲部の曲げ角度の如何に拘わらず耐久性および安定性のよい排気管を容易・安価に提供することができるものである。

（ａ）は排気管を説明するための横断平面図、（ｂ）は（ａ）におけるｂ−ｂ断面図。 上記排気管の斜視図。 （ａ）は排気管を説明するための他の横断平面図、（ｂ）は（ａ）におけるｂ−ｂ断面図。 （ａ）は本発明による排気管の更に他の実施形態を示す横断平面図、（ｂ）は（ａ）におけるｂ−ｂ断面図。 （ａ）は本発明による排気管の更に他の実施形態を示す横断平面図、（ｂ）は（ａ）におけるｂ−ｂ断面図。 （ａ）は本発明による排気管の更に他の実施形態を示す横断平面図、（ｂ）は（ａ）におけるｂ−ｂ断面図。 （ａ）は本発明による排気管の更に他の実施形態を示す横断平面図、（ｂ）は（ａ）におけるｂ−ｂ断面図。 （ａ）〜（ｃ）は図１の排気管の前段の製造プロセスの一例を示す説明図。 （ａ）〜（ｂ）は上記排気管の後段の製造プロセスの一例を示す説明図。 （ａ）〜（ｂ）は図７の排気管の製造プロセスの一部の例を示す説明図。 （ａ）〜（ｃ）は本発明による排気管の他の実施形態を示す横断平面図。

１ 排気管
１１ 内管
１２ 外管
２ 間隔保持スペーサ
３ａ〜３ｄ 弾性体
４ 成形型
４０ キャビティ

Claims (1)

1. 軸線方向に屈曲部を有し、且つ内管と外管との間に空間を有する中空多重構造の排気管の製造方法であって、
   内管と外管との間に弾性体が介在するようにして前記外管内に前記内管を挿入する工程と、
   前記内管と前記外管に曲げ加工を施して所定角度に屈曲した屈曲部を形成する工程と、
   前記屈曲部が形成された前記内管と前記外管を成形型内に収容配置し、前記屈曲部に配置されている前記弾性体に対応する位置の前記外管の外周面に、前記成形型の凸部を圧接する工程と、
   前記成形型内でハイドロフォーミング加工を施し、前記成形型の凸部の圧接により前記弾性体に対応する位置の前記外管の内面に凸部を形成すると共に、前記外管の凸部が前記弾性体を介して前記内管の外面に圧接する部分を残して、それ以外の前記外管の大部分を拡径して前記内管と前記外管との間に空間を形成する工程と、
   を備えることを特徴とする排気管の製造方法。

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