JP4848353B2 - 排気管継手 - Google Patents

Description

本発明は、自動車の排気系における排気管どうしの接続に適用される排気管継手構造に係り、詳しくは、第１排気管とこれに対向配備される第２排気管とが、第１排気管に形成される第１フランジと、第２排気管に形成される第２フランジと、第１フランジと第２フランジとをこれら両フランジ間に環状シール体が介装される状態で圧接させる圧接機構とを有して成る管継手部により、相対角度変位可能に気密接合されている排気管継手構造に関するものである。

従来、この種の排気管継手構造は、特許文献１（図２〜図５を参照）において開示されるように、集合管と排気管との接続部や排気管どうしの接続部において採用されている。例えば、特許文献１の図２のものでは、第１排気管である集合管の一体フランジ（２２）と第２排気管である排気管（３）浮動フランジ（９）との間に環状シール体である環状シールリング（４）を介装させるとともに、両フランジに亘って架設されるコイルスプリング（１１）を伴うセットボルト（１０）により、排気管（３）において凸球面状に形成されている先端部分の外周シール座（３ａ）と環状シールリング（４）の内周シール面（４ｂ）とが圧接される構造とされている。

このような排気管継手部においては、気密性を良好に維持させるために、外周シール座（３ａ）と内周シール面（４ｂ）とを二硫化モリブデンや四窒化フッ素等の潤滑材を伴って圧接させる工夫が為されている（特許文献１の段落番号「００１７」を参照）。

ところが、外周シール座（３ａ）と内周シール面（４ｂ）との球面接触による排気管（３）の揺動（相対角度変位）が繰返し行われることにより、摺動部に形成されている前述の潤滑材による皮膜が早期に摩耗したり脱落したりし易いことが分ってきた。このような不都合が生じると、排気管継手部での異常摩耗音（騒音）が発生するようになるため、良好な耐久性を発揮できるようにするには改善の余地がある。
特開２０００−２９１８６２号公報

本発明の目的は、管継手部の構造工夫により、フランジ面と環状シール体との摺動面に付加される潤滑材が早期に減ってしまわないようにして、異常摩耗音等が生ぜず耐久性が改善される排気管継手構造を提供する点にある。

請求項１に係る発明は、第１排気管１とこれに対向配備される第２排気管２とが、前記第１排気管１に形成される第１フランジ１Ｆと、前記第２排気管２に形成される第２フランジ２Ｆと、前記第１フランジ１Ｆと前記第２フランジ２Ｆとをこれら両フランジ１Ｆ，２Ｆ間に環状シール体Ａが介装される状態で圧接させる圧接機構３とを有して成る管継手部Ｔにより、相対角度変位可能に気密接合されている排気管継手構造（図１参照）において、
前記環状シール体Ａが、膨張黒鉛テープの回りにステンレス線材のニット編みが施された複合テープ２１を用いて形成されており（図４参照）、
前記環状シール体Ａの内周面が摺動面１２に形成され（図２、図５（ｂ）参照）、かつ、前記第１フランジ１Ｆと前記第２フランジ２Ｆとの何れか一方の外周面１０が前記摺動面１２に相対角度変位可能に当接する凸球面状外周面９ａに形成され（図２参照）、
前記摺動面１２は前記凸球面状外周面９ａに沿う凹球面状内周面に形成されたものを用いているとともに（図２、図５（ｂ）参照）、前記摺動面１２に耐熱性潤滑材２３の保持が可能となる凹部２４が形成され（図２、図５（ｂ）参照）、前記凹部２４が、管軸心Ｐに沿う方向での断面形状が階段状を呈するように前記環状シール体Ａに形成される複数の周溝２５で構成されており（図２、図５（ｂ）参照）、
前記階段状の凹部２４に前記耐熱性潤滑材２３が保持されて、前記耐熱性潤滑材２３の潤滑面と前記凹部２４が形成されていない前記摺動面１２の当接箇所とが前記凸球面状外周面９ａに対し交互になるように形成されたものを用いている（図２、図５（ｂ）参照）ことを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の排気管継手構造において、前記何れか一方のフランジ２Ｆが板金材で形成されて鋼管製の前記排気管２に溶着されていることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、環状シール体における一方の外周面に当接する摺動面には潤滑材の保持が可能となる凹部が形成されているから、一方のフランジ外周面と圧接される状態での揺動移動による摩耗が繰返し行われても、凹部に保持されている潤滑材が外周面と摺動面との間に浸透する状態が長期に亘って維持されるようになる。しかも、潤滑材が耐熱性のものであるから、自動車の排気系等の比較的高温の流体を扱う場合にも好適なものとなる利点がある。その結果、管継手部の構造工夫により、フランジ面と環状シール体との摺動面に付加される潤滑材が早期に減ってしまわないようにして、異常摩耗音等が生ぜず耐久性が改善される排気管継手構造を提供することができる。

請求項１の発明によれば、摺動面に形成される凹部が複数の周溝で成る階段状のものに構成されているので、摺動面としての必要強度を備えながらも潤滑材が三次元的な状態で長期に亘って保持できるものとなり、前記効果（異常摩耗音等が生ぜず耐久性が改善される効果）を強化することが可能となる利点がある。

請求項１の発明によれば、環状シール体を構成する複合テープがステンレス線材のニット編みを含んでいるので、元々線材間に空隙部が存在していてそこにも潤滑材が浸透可能であり、その点でも潤滑材の保持に有利である。また、膨張黒鉛による優れた摩擦低減作用も期待できる利点もあり、耐久性改善効果が一層促進可能となる利点がある。

請求項２の発明によれば、管継手部としての主要部が、鋼管製の排気管と鋼板プレス製（板金材）のフランジとによって構成されており、必要な機能を得ながら廉価となる合理的な、排気管継手構造が実現できている。

以下に、本発明による排気管継手構造の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は管継手部の断面図、図２，３は環状シール体部分の拡大断面図、図４，５は環状シール体の製造方法を示す工程図、図６は比較例１による環状シール体の製造方法を示す工程図、図７は耐久テスト結果を示す表である。

〔実施例１〕
実施例１による排気管継手構造は、図１〜図３に示すように、自動車の排気系における管継手部Ｔに適用されている。即ち、鋼管製の第１排気管１に形成される第１フランジ１Ｆと、鋼管製の第２排気管２に形成される第２フランジ２Ｆと、第１フランジ１Ｆと第２フランジ２Ｆとをこれら両フランジ１Ｆ，２Ｆ間に管継手用シール体である環状シール体（以下、単に「シール体」と略称する）Ａが介装される状態で圧接させる圧接機構３とを有して成る管継手部Ｔにより、第１排気管１とこれに対向配備される第２排気管２とが相対角度変位可能に気密接合されている。

板金材製の第１フランジ部１Ｆは、第１排気管１の先端部に溶着等によって気密状に外嵌固定される基端筒部４と、基端筒部４に続く拡径湾曲部５、拡径湾曲部５から径外側に屈曲されて形成されるフランジ部６とを有して形成されている。第２排気管２は、拡径された先端管部２ｂと、この先端管部２ｂと管本体部２ａとを繋ぐテーパ管部２ｃとを有して成り、板金材製の第２フランジ２Ｆは、先端管部２ｂの先端部に溶着等によって気密状の外嵌固定される胴部７と、胴部７から径外側に屈曲されて形成されるフランジ部８と、胴部７から先端側に湾曲縮径されながら延長される先窄まり部９とを有して形成されている。

拡径湾曲部５は、第１排気管１の管軸心Ｐと平行な筒管部５Ａと、テーパ管部５Ｂとから成り、シール体Ａは、筒管部５Ａに内嵌する外周面１０と、テーパ管部５Ｂに内嵌合する傾斜面１１とを有して拡径湾曲部５に内嵌収容されている。先窄まり部９の外周面９ａは第２排気管２の管軸心Ｚ上に中心Ｘを有する半径ｒの凸球面状外周面に形成されており、その凸球面状外周面９ａに相対角度変位可能に当接する凹球面状内周面を呈する摺動面１２がシール体Ａに形成されている。つまり、シール体Ａの内周面１２がが摺動面に形成され、かつ、第２フランジ（「第１フランジ１Ｆと第２フランジ２Ｆとの何れか一方」の一例）２Ｆの外周面９ａが、摺動面１２に相対角度変位可能に当接する凸球面状外周面に形成されている。

圧接機構３は、図１に示すように、第１及び第２フランジ１Ｆ，２Ｆに形成されている孔１ｋ、２ｋに挿通される鍔付ボルト１３と、ナット１４と、鍔付ボルト１３に嵌装されるコイルバネ１５とを図示のように組付けることにより構成されており、コイルバネ１５の弾性力によって第１及び第２フランジ１Ｆ，２Ｆを互いに接近する方向に常時押圧付勢することで管継手部Ｔを形成及び維持している。鍔付ボルト１３とナット１４との締付操作により、コイルバネ１５のセット長を変えて第１及び第２フランジ１Ｆ，２Ｆの押圧付勢力を調節設定可能である。この圧接機構３は、管軸心Ｐ，Ｚを中心とする円周上の均等角度毎の複数箇所（２〜４箇所等）に設けられている。

図１〜図３に示すように、シール体Ａの摺動面１２と第２フランジ２Ｆの外周面９ａとが球面接触していること、及び上記構成の圧接機構３とによる摺動面１２と外周面９ａとの相対球面移動により、管継手部Ｔにおいて第１排気管１と第２排気管２とは、図１に仮想線で示す第２フランジ２Ｆのように相対角度変位可能に気密接合される構成となっている。尚、図３は、図２に示す組付け初期状態からシール体Ａの摺動面１２が摩耗して所定厚み（例：１ｍｍ）ｄだけ減った状態を示している。その図３に示すように、摺動面１２がかなり摩耗した状態でも、周溝２５即ち凹部２４はまだ残っており、そこに保持される潤滑材２３が依然として蓄えられている。

シール体Ａの製造方法について説明する。先ず、図４（ａ）に示すように、膨張黒鉛とステンレス糸からなる複合テープ２１を作成する複合テープ作成工程を行う。即ち、膨張黒鉛テープの外周でステンレス糸（ステンレス線材）によるニット編みを行い、それからローラー間で圧縮成形することにより、図４（ａ）に示す幅Ｗ（例：２０ｍｍ）で長さＬ（例：５８０ｍｍ）の複合テープ２１が得られる。耐熱材である膨張黒鉛は、厚さｔ＝０．３８ｍｍで耐熱グレードを有するものを例として用い、補強材としてのステンレス糸の例としては、材質がＳＵＳ３１６で直径０．２５ｍｍのものを用いて１２針のニット編みを行う。複合テープ２１における耐熱材と補強材との割合は、膨張黒鉛が３５重量％でステンレス糸が６５重量％に設定されている。

次に、テープ作成工程で得られた複合テープ２１を円周状に三周巻きし、それからプレス成形で圧縮する成形工程を行うことにより、図４（ｂ）に示す環状元体２２を作成する。プレス成形の際は、摺動面１２に潤滑材２３の保持が可能となる凹部２４、より詳しくは、耐熱性潤滑材２３の保持が可能となる複数の周溝２５による階段状の凹部２４が形成される。

そして、図５（ａ）に示す断面形状のように、階段状の凹部２４に耐熱性潤滑材（固体潤滑材）２３を塗布及び乾燥させる潤滑材塗布工程を行う。耐熱性潤滑材としては、フッ素樹脂と窒化ホウ素との混合物が挙げられるが、その他のものでも良い。また、その他の潤滑材としては、窒化ホウ素８３％で水酸化アルミニウム１７％で成る窒化ホウ素系のものも考えられる。潤滑材２３が乾燥したら、図５（ｂ）に示す断面形状のように、摺動面１２を削り又は押え加工によって凸球面状外周面９ａに沿う形状、即ち凹球面状内周面に成形（又は成型）する仕上げ工程を行い、完了となる。この完了した図５（ｂ）のシール体Ａは、図２に示すように、階段状の凹部２４に耐熱性潤滑材２３が保持されて、耐熱性潤滑材２３の潤滑面と前記凹部２４が形成されていない当接箇所とが前記凸球面状外周面９ａに対し交互になるように形成されている。

〔比較例１〕
比較例１による管継手構造は、上述の管継手部Ｔにおいて使用されるシール体Ａを変更したものである。その変更された比較例１のシール体Ａは、図４，図６に示す製造方法によって作成される。先ず、膨張黒鉛とステンレス糸からなる複合テープ２１を作成するテープ作成工程を行う点〔図４（ａ）参照〕は実施例１の場合と同じである。そして、図６（ａ）に示すように、複合テープ２１の端から長さの１／３までの部分における片面に潤滑材３３を塗布し、乾燥させる潤滑材塗布工程を行う。

次に、図６（ｂ）に示すように、部分的に潤滑材３３が塗布された複合テープ２１を円周状に三周巻きし、金型に挿入しての圧縮成形（成形仕上げ工程）を行い、図６（ｃ）に示すように程凹球面状内周面の摺動面１２を有する比較例１のシール体Ａが作成される。潤滑材３３は、上述の窒化ホウ素系のものを用いた。比較例１によるシール体Ａの摺動面は凹球面状を呈しており、その表面は潤滑材２３の層を有する状態となっている。

〔性能評価〕
シール体Ａを排気管継手部Ｔに装着した状態で、その排気流れ方向で上流側（第１排気管１）を固定し、かつ、下流側（第２排気管２）を上下揺動させるべく駆動装置に取付けることにより、下流側排気管（第２排気管２）を角度±３度、周波数１２Ｈｚにて１５０万回上下揺動させる耐久テストを行った。耐久テスト中は、上流側排気管（第１排気管１）の開管部からガスバーナーにて加熱し、管継手部Ｔの温度を５５０℃に保った。耐久テスト中は、所定の上下揺動回数時に周波数を一時的に４Ｈｚに下げ、そのときの摩擦音を確認した。摩擦音の大きさは、摩擦異音が聞こえ得る範囲で最も管継手部Ｔから離れた箇所の距離として表わすこととした。また、２５万回毎にシール性能、揺動トルクを測定した。耐久テストの結果を図７に示す。

図７より、本発明品である実施例１の管継手構造に用いられるシール体Ａでは、１２５万回までは異音発生が皆無であったに対して、比較例１のものでは５０万回という早期回数から既に異音が出始めており、圧倒的に実施例１のものの方が優れていることが理解できる。つまり、階段状の凹部２４を有する摺動部１２に潤滑材２３が保持されているので、揺動による摩耗が進んで行くことによって新たな潤滑面が形成される作用が生じるようになり、良好な潤滑状態が維持されることとなって異常摩耗音（異音）が発生し難い利点が得られている。

排気管継手構造を示す断面図（実施例１） 図１の摺動部構造を示す要部の拡大断面図 シール体が図２の状態から１ｍｍ摩耗したときの断面図 管継手用シール体の製造方法を示し、（ａ）は複合テープ作成工程、（ｂ）は成形工程 管継手用シール体の製造方法を示し、（ａ）は潤滑材塗布工程、（ｂ）は仕上げ工程 比較例１による環状シール体の製造方法を示し、（ａ）は潤滑材塗布工程、（ｂ）は成形仕上げ工程、（ｃ）は完成品 環状シール体の耐久テスト結果を示す図

１ 第１排気管
１Ｆ 第１フランジ
２ 第２排気管
２Ｆ 第２フランジ
３ 圧接機構
１０ 第１フランジと第２フランジとの何れか一方の外周面
１２ 内周面
２１ 複合テープ
２４ 凹部
２５ 周溝
Ａ 環状シール体
Ｐ 管軸心
Ｔ 管継手部

Claims (2)

1. 第１排気管とこれに対向配備される第２排気管とが、前記第１排気管に形成される第１フランジと、前記第２排気管に形成される第２フランジと、前記第１フランジと前記第２フランジとをこれら両フランジ間に環状シール体が介装される状態で圧接させる圧接機構とを有して成る管継手部により、相対角度変位可能に気密接合されている排気管継手構造であって、
   前記環状シール体が、膨張黒鉛テープの回りにステンレス線材のニット編みが施された複合テープを用いて形成されており、
   前記環状シール体の内周面が摺動面に形成され、かつ、前記第１フランジと前記第２フランジとの何れか一方の外周面が前記摺動面に相対角度変位可能に当接する凸球面状外周面に形成され、
   前記環状シール体の摺動面は前記凸球面状外周面に沿う凹球面状内周面に形成されたものを用いているとともに、前記摺動面に耐熱性潤滑材の保持が可能となる凹部が形成され、前記凹部が、管軸心に沿う方向での断面形状が階段状を呈するように前記環状シール体に形成される複数の周溝で構成されており、
   前記階段状の凹部に前記耐熱性潤滑材が保持されて、前記耐熱性潤滑材の潤滑面と前記凹部が形成されていない前記摺動面の当接箇所とが前記凸球面状外周面に対し交互になるように形成されたものを用いていることを特徴とする排気管継手構造。
2. 前記何れか一方のフランジが板金材で形成されて鋼管製の前記排気管に溶着されている請求項１に記載の排気管継手構造。

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