JP6740727B2 - ボルト締結体 - Google Patents

Description

この発明は、ベース部材と被締結部材をボルトで締結したボルト締結体であって、特に、温度上昇時においてベース部材に作用するボルトの軸力を緩和可能としたものに関する。

車両の排気循環装置と排気循環装置用クーラとの接続部や、エギゾーストマニホールドとターボ装置との接続部等の各接続部は、ボルトによって締結されることが多い。このボルトによって複数の部材を締結した締結体（以下において、ボルト締結体と称する。）として、具体的には、例えば、図５に示すように、締結する一方の部材（以下において、ベース部材１１０と称する。）側に、ボルト１１１（スタッドボルト）をねじ込むねじ孔１１０ａを形成する一方で、このベース部材１１０に締結される他方の部材（以下において、被締結部材１１２と称する。）側に貫通孔１１２ａを形成し、ボルト１１１を貫通孔１１２ａに挿し込んだ上でねじ孔１１０ａにねじ込み、さらに、このボルト１１１に被締結部材１１２側からナット１１３をねじ込んで、ベース部材１１０と被締結部材１１２を締結する構成を採用することがある。

特に近年は、燃費向上のため車両の軽量化が重要となっており、ベース部材１１０の素材として、比重が小さいアルミニウム合金が採用されることが多い。これに対して、被締結部材１１２の素材として、所定の強度と耐食性を兼ね備えたオーステナイト系鋼材（ステンレス）等が採用されるとともに、ベース部材１１０と被締結部材１１２を締結するボルト１１１及びナット１１３の素材として、所定の強度を備えた炭素鋼等が採用されることが多い。

このボルト締結体においては、車両走行時の振動等によって緩みが生じることがないように、確実な締結状態の維持が要求される。

そこで、例えば特許文献１に示す締結構造においては、被締結部材の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有するボルトでこの被締結部材を締結する際に、ボルトの頭部と被締結部材との間に被締結部材及びボルトのいずれの熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有するワッシャを介在させる構成を採用している。この構成によると、被締結部材とボルトの熱膨張係数の差が、ワッシャの熱膨張係数によって補正され、温度上昇に伴ってボルトに緩みが生じるのを防止することができる（本文献の図１、段落０００８等参照）。

また、特許文献２に示す締結方法においては、セラミック等の低熱膨張係数同士の素材、又は、低熱膨張係数の素材と金属材を金属ボルトとナットで締結する方法において、金属ボルトよりも大きい熱膨張係数を有する金属スペーサを金属ボルトに通して締結する構成を採用している。この構成によると、温度上昇に伴って金属ボルトよりも金属スペーサの方が大きく膨張するため、ボルトに緩みが生じるのを防止することができる（本文献の図１、段落００１１等参照）。

特開平１０−３２５４０８号公報 特許第４４７２１４１号公報

上記の特許文献１及び２の構成は、いずれも温度上昇に伴ってボルトが緩むのを防止して、高温における確実な締結状態を維持することを目的としているが、図５に示したボルト締結体のうち、特にベース部材１１０にアルミニウム合金のように温度上昇に伴ってその降伏強度が低下する素材を採用したものにおいては、ボルト１１１の緩みに起因する問題よりも、このボルト１１１の過度の締め付けに起因する事象の方が生じやすい。

すなわち、図５に示したボルト締結体においては、ボルト１１１（例えば炭素鋼）の熱膨張係数よりも、被締結部材１１２（例えばステンレス）の熱膨張係数の方が大きい場合が多く、この場合、温度上昇後における被締結部材１１２の膨張量の方が、ボルト１１１の膨張量よりも大きくなる。この結果、ボルト１１１は、一端側がベース部材１１０にねじ込まれて固定された状態のまま、被締結部材１１２によって軸方向上向きに引き延ばされて、図６に示すように、室温Ｔ_０におけるボルト締結時の軸力（本図（ａ）中の符号Ｆ_０参照）と比較して、大きな軸力が発生する（本図（ｂ）中の符号Ｆ_Ｂ’参照）。

このボルト締結体のベース部材１１０の素材として採用されるアルミニウム合金は、図７に模式的に示すように、ボルト締結体の温度上昇に伴って、降伏強度Ｇ_０が低下する特性を有している。例えば、温度がＴ_Ａのときは、アルミニウム合金の降伏強度Ｇ_０の方が、ベース部材１１０に作用する軸力Ｇ_３よりも十分大きく（本図中の符号Ｆ_Ａ’参照）、強度の面で特に問題は生じない。ところが、温度をＴ_Ｂまで上昇すると、温度上昇とともに大きくなる軸力Ｇ_３が、その温度上昇のアルミニウム合金の降伏強度Ｇ_０に到達し（本図中の符号Ｆ_Ｂ’参照）、さらに温度をＴ_Ｃまで上昇すると、この軸力Ｇ_３によってベース部材１１０に形成したねじ孔１１０ａの雌ねじが変形する場合がある。雌ねじが変形すると、軸力Ｇ_３が低下して（本図中の符号Ｆ_Ｃ’参照）、ベース部材１１０と被締結部材１１２との間の締結力がボルト締結時より下がる場合がある。また、図６（ｂ）に示すように、ボルト１１１の軸力によって、被締結部材１１２のナット１１３やボルト頭部等との当接面に陥没も生じ得る（本図中の符号ｃ参照）。

そこで、この発明は、温度上昇に伴って、ベース部材にボルトによる大きな軸力が作用するのを防止することを課題とする。

上記課題を解決するために、この発明においては、ねじ孔が形成されたベース部材と、貫通孔が形成された、前記ベース部材に締結される被締結部材と、前記貫通孔に挿し込まれた上で前記ねじ孔にねじ込まれるボルトと、前記ボルトに設けられるナットと、前記ナットと被締結部材との間に介在するように前記ボルトと同軸に設けられ、温度上昇時に前記ボルトから前記ベース部材に作用する軸方向の軸力の増大を緩和する、又は、該軸力を低下させる軸力緩和部材と、を有するボルト締結体を構成した。

前記構成においては、前記軸力緩和部材は、温度上昇時に前記軸力が前記ベース部材の降伏強度を超えないように該軸力の増大を緩和する、又は、該軸力を低下させる構成とするのが好ましい。

前記各構成においては、前記軸力緩和部材の熱膨張係数が、前記被締結部材の熱膨張係数よりも小さい構成とするのが好ましい。

また、軸力緩和部材と被締結部材の熱膨張係数の大小関係を上記のように定めた構成においては、前記被締結部材の前記軸力緩和部材に対向する面に座繰り部を形成し、この座繰り部内に前記軸力緩和部材が配置される構成とすることもできる。

また、軸力緩和部材と被締結部材の熱膨張係数の大小関係を上記のように定めた構成においては、前記軸力緩和部材にマルテンサイト系鋼材を、前記被締結部材にオーステナイト系鋼材をそれぞれ採用した構成とすることができる。

また、軸力緩和部材と被締結部材の熱膨張係数の大小関係を上記のように定めた構成においては、前記被締結部材の熱膨張係数と、前記ボルトの熱膨張係数を整合させた構成とすることができる。

また、前記被締結部材の熱膨張係数と、前記ボルトの熱膨張係数を整合させた構成においては、前記被締結部材及び前記ボルトにオーステナイト系鋼材を採用した構成とすることができる。

この発明に係るボルト締結体によると、温度上昇に伴ってボルトに生じる軸力を軸力緩和部材によって緩和あるいは低下させて、ベース部材にボルトによる大きな軸力が作用するのを防止することができる。このようにすることで、ベース部材に形成されたねじ孔が変形するのを防止して、ベース部材と被締結部材をボルトで確実に締結することができる。

この発明に係るボルト締結体の第一実施形態を示す縦断面図 図１に示すボルト締結体に作用する軸力の大きさを模式的に示す縦断面図であって、（ａ）は温度上昇前の状態、（ｂ）は温度上昇後の状態 図１に示すボルト締結体に作用する軸力と降伏強度の関係を示す図 この発明に係るボルト締結体の第二実施形態を示す縦断面図 従来技術に係るボルト締結体を示す縦断面図 図５に示すボルト締結体に作用する軸力の大きさを模式的に示す縦断面図であって、（ａ）は温度上昇前の状態、（ｂ）は温度上昇後の状態 図５に示すボルト締結体に作用する軸力と降伏強度の関係を示す図

この発明に係るボルト締結体の第一実施形態を図１に示す。このボルト締結体は、例えば、車両の排気循環装置と排気循環装置用クーラとの接続部や、エギゾーストマニホールドとターボ装置との接続部等の各接続部に採用され、特に、アルミニウム合金のように温度上昇に伴う降伏強度の低下が生じやすい素材と、ステンレス鋼等の鋼材との間の締結に適している。このボルト締結体は、ベース部材１０、被締結部材１１、ボルト１２、ナット１３、及び、軸力緩和部材１４を主要な構成要素としている。

ベース部材１０には、ボルト１２をねじ込むためのねじ孔１０ａが形成されている。このベース部材１０の素材として、車両の軽量化に有効なアルミニウム合金を採用するのが好ましく、この実施形態においては、アルミニウムにシリコンを主要添加元素として添加したアルミニウム合金（ＡＣ３Ａ−Ｆ（ＪＩＳＨ５２０２））を採用した。このアルミニウム合金の熱膨張係数α_Ａは、２３×１０^−６／ｃｍ^３である。

被締結部材１１には、ボルト１２を通すために、このボルト１２よりも若干大径の貫通孔１１ａが形成されている。この被締結部材１１は、ボルト１２の軸方向に肉厚のフランジ部１１ｂと、ベース部材１０に当接して気密性を確保するためのガスケット１１ｃから構成される。この被締結部材１１の素材として、所定の強度と耐食性を兼ね備えた鋼材を採用するのが好ましく、この実施形態においては、オーステナイト系ステンレス鋼（フランジ部１１ｂにはＳＣＳ１３（ＪＩＳＧ５１２１）、ガスケット１１ｃにはＳＵＳ−ＤＰ）を採用した。このオーステナイト系ステンレス鋼の熱膨張係数α_Ｆは、１８×１０^−６／ｃｍ^３である（ＳＣＳ１３、ＳＵＳ−ＤＰのいずれも同じ値）。なお、この実施形態においては、フランジ部１１ｂとガスケット１１ｃを別部材とした構成を示したが、フランジ部１１ｂとガスケット１１ｃを一体とした構成とすることもできる。

ボルト１２には、軸体の両端側に雄ねじが形成されたスタッドボルトを採用した。このボルト１２の素材として、所定の強度と耐食性を兼ね備えた鋼材を採用するのが好ましく、この実施形態においては、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＨ６６０（ＪＩＳＢ１０５４−１））を採用した。このオーステナイト系ステンレス鋼の熱膨張係数α_Ｂは、１８×１０^−６／ｃｍ^３である。このボルト１２の素材の熱膨張係数α_Ｂと被締結部材１１の素材の熱膨張係数α_Ｆは、ほぼ同じとするのが最も好ましいが、若干の差は許容される。具体的には、その差を５×１０^−６／ｃｍ^３の範囲内とするのが好ましく、その差を３×１０^−６／ｃｍ^３の範囲内とするのがさらに好ましい。

ナット１３には、ナット本体と皿ばねワッシャが一体成形された、皿ばねワッシャ一体ナットを採用した。このナット１３の素材として、この実施形態においては、炭素鋼（Ｓ５０Ｃ（ＪＩＳＧ４０５１））を採用した。この炭素鋼の熱膨張係数α_Ｎは、１１×１０^−６／ｃｍ^３である。なお、この実施形態においては、皿ばねワッシャ一体ナットを採用したが、ナット本体と皿ばねワッシャが別部材となった構成としたり、皿ばねワッシャがないナット本体のみで構成したりすることもできる。また、このナット１３とボルト１２が一体成形された構成とすることもできる。

軸力緩和部材１４として、ワッシャ（以下において、軸力緩和部材１４と同じ符号を付する。）を採用した。このワッシャ１４には、被締結部材１１の熱膨張係数α_Ｆと比較して、小さい熱膨張係数α_Ｗを有する素材が用いられ、この実施形態においてはマルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０（ＪＩＳＧ４３１７））を採用した。このマルテンサイト系ステンレス鋼の熱膨張係数α_Ｗは、１１×１０^−６／ｃｍ^３である。

なお、この実施形態においてベース部材１０、被締結部材１１、ボルト１２、ナット１３、及び、軸力緩和部材１４に採用した素材はあくまでも例示に過ぎず、ワッシャ１４の素材の熱膨張係数α_Ｗが、被締結部材１１の熱膨張係数α_Ｆよりも小さい限りにおいて、適宜異なる素材を採用することができる。

図１に示したボルト締結体のボルト１２には、このボルト１２の締結時において、図２（ａ）に示すように、ベース部材１０と被締結部材１１を確実に締結し得る程度の軸力Ｆ_０が作用している。この締結状態の下でボルト締結体の温度が上昇すると、ボルト１２と被締結部材１１の熱膨張係数α_Ｂ、α_Ｆが同じであることから、ボルト１２と被締結部材１１の温度上昇が均一の場合は、ボルト１２と被締結部材１１の熱膨張量は同じとなる。

仮に、ベース部材１０と被締結部材１１が軸力緩和部材１４を用いずにボルト１２で直接締結されているとした場合、図３にアルミニウム合金の降伏強度Ｇ_０とボルト１２に作用する軸力Ｇ_１との間の関係を示すように、温度上昇の際にボルト１２と被締結部材１１の温度が同一となるため軸力Ｇ_１は変化しない。このように、ボルト１２と被締結部材１１の熱膨張係数α_Ｂ、α_Ｆを整合させることにより、図７に示したように、ボルト１２の熱膨張係数α_Ｂよりも被締結部材１１の熱膨張係数α_Ｆの方が大きい場合と比較して、この軸力Ｇ_１が降伏強度Ｇ_０を超える温度を高温側にシフトさせることができる。これにより、ベース部材１０に形成されたねじ孔１０ａの雌ねじの変形を抑制することができる。

さらに、図１等に示したように、ナット１３と被締結部材１１との間に、この被締結部材１１の熱膨張係数α_Ｆよりも小さい熱膨張係数α_Ｗを有するワッシャ１４を介在させると、ワッシャ１４の熱膨張量の方が、被締結部材１１の熱膨張量よりも小さいため、温度上昇前の軸力Ｆ_０と比較して温度上昇後の軸力Ｆ_Ｂの方が相対的に小さくなる（図２（ａ）（ｂ）参照）。このように、被締結部材１１の熱膨張係数α_Ｆよりもワッシャ１４の熱膨張係数α_Ｗを小さくすることにより、ボルト締結体の温度上昇に伴ってボルト１２の軸力Ｇ_２を低下させることができる。このため、ボルト１２の軸力Ｇ_２がアルミニウム合金の降伏強度Ｇ_０を超える温度を、図５に示したボルト締結体ではアルミニウム合金の降伏強度Ｇ_０に到達した温度Ｔ_Ｂよりもさらに高温側にシフトさせることができ、ベース部材１０のねじ孔１０ａの雌ねじの変形を確実に抑制することができる。

ワッシャ１４を使用した場合と、ワッシャ１４を使用しない場合とを比較した軸力Ｇ_２の低下の度合い（図３中の角度θの大きさに対応）は、主にワッシャ１４の軸方向の厚さと熱膨張係数α_Ｗによって決まる。すなわち、ワッシャ１４が厚いほど、又は、ワッシャ１４の熱膨張係数α_Ｗが小さいほど、ワッシャ１４による軸力Ｇ_２の緩和効果が大きくなり、角度θを大きくすることができる。

なお、温度上昇に伴って軸力Ｇ_２が低下しても、ベース部材１０と被締結部材１１との間の所定値以上の大きさの締結力が確保されるように、軸力Ｇ_２の低下を見越した所定値以上の締結力Ｆ_０で初めにボルト１２は締結されるとともに、温度上昇に伴って軸力Ｇ_２が過度に低下しないように、適切な厚さ及び熱膨張係数α_Ｗを有するワッシャ１４が選択される。

この発明に係るボルト締結体の第二実施形態を図４に示す。第二実施形態に係るボルト締結体は、第一実施形態に係るボルト締結体と同様に、ベース部材１０、被締結部材１１、ボルト１２、ナット１３、及び、軸力緩和部材１４を主要な構成要素としており、ベース部材１０、ボルト１２、及び、ナット１３の形状と素材、並びに、被締結部材１１及び軸力緩和部材１４の素材は、第一実施形態に係るボルト締結体と同じである。

その一方で、被締結部材１１の軸力緩和部材１４に対向する面に座繰り部１１ｄを形成し、この座繰り部１１ｄ内に軸力緩和部材１４が配置される構成とした点において、第一実施形態に係るボルト締結体と相違する。

この実施形態においては、軸力緩和部材１４として、第一実施形態におけるワッシャ１４よりも軸方向に肉厚のカラー（以下において、軸力緩和部材１４と同じ符号を付する。）を採用した。このカラー１４を座繰り部１１ｄ内に配置する構成とすることにより、ボルト１２のサイズや被締結部材１１の厚さ等との関係でカラー１４の設置に制約を受ける場合においても、所望の形状のカラー１４を問題なく設けることができる。

しかも、座繰り部１１ｄの深さ分だけ被締結部材１１の軸方向の厚さが小さくなるため、被締結部材１１の素材を変えることなく、熱膨張係数α_Ｆを小さくしたのと同様の効果を得ることができる。このため、ボルト締結体の温度上昇時に、ボルト１２の軸力Ｇ_２が増加するのを極力防止することができる。

上記の各実施形態はあくまでも例示に過ぎず、温度上昇に伴って、ベース部材１０にボルト１２による大きな軸力Ｇ_２が作用するのを防止する、という本願発明の課題を解決し得る限りにおいて、各構成要素の形状、素材、配置等は適宜変更することができる。

例えば、上記の各実施形態においては、軸力緩和部材１４として、被締結部材１１及びボルト１２の熱膨張係数α_Ｆ、α_Ｂよりも小さい熱膨張係数α_Ｗを有する素材を採用したが、被締結部材１１と軸力緩和部材１４の間の熱膨張係数α_Ｆ、α_Ｗの差によって軸力Ｇ_２を緩和する構成とする代わりに、軸力緩和部材１４として耐熱性ゴム等の弾性材を採用した構成とすることも可能である。また、上記の各実施形態においては、被締結部材１１と軸力緩和部材（ワッシャ、カラー）１４を別部材としたが、被締結部材１１と軸力緩和部材１４を一体に構成することもできる。

また、上記の各実施形態においては、被締結部材１１とボルト１２の熱膨張係数α_Ｆ、α_Ｂが同じとなるように、それぞれの素材を選択したが、軸力緩和部材（ワッシャ、カラー）１４の熱膨張係数α_Ｗが、被締結部材１１の熱膨張係数α_Ｆよりも小さくなるように素材を選択する限りにおいて、被締結部材１１とボルト１２の熱膨張係数α_Ｆ、α_Ｂが異なっていてもよい。

１０ ベース部材
１０ａ ねじ孔
１１ 被締結部材
１１ａ 貫通孔
１１ｂ フランジ部
１１ｃ ガスケット
１１ｄ 座繰り部
１２ ボルト
１３ ナット
１４ 軸力緩和部材（ワッシャ、カラー）

Claims (5)

1. ねじ孔が形成されたベース部材と、
   貫通孔が形成された、前記ベース部材に締結される被締結部材と、
   前記貫通孔に挿し込まれた上で前記ねじ孔にねじ込まれるボルトと、
   前記ボルトに設けられるナットと、
   前記ナットと前記被締結部材との間に介在するように前記ボルトと同軸に設けられ、温度上昇時に前記ボルトから前記ベース部材に作用する軸方向の軸力の増大を緩和する、又は、該軸力を低下させる軸力緩和部材と、
   を有し、
   前記ベース部材の熱膨張係数が、前記被締結部材の熱膨張係数よりも大きく、
   前記軸力緩和部材の熱膨張係数が、前記被締結部材の熱膨張係数よりも小さく、
   前記被締結部材の熱膨張係数と、前記ボルトの熱膨張係数を整合させたボルト締結体。
2. 前記軸力緩和部材は、温度上昇時に前記軸力が前記ベース部材の降伏強度を超えないように該軸力の増大を緩和する、又は、該軸力を低下させる請求項１に記載のボルト締結体。
3. 前記被締結部材の前記軸力緩和部材に対向する面に座繰り部を形成し、この座繰り部内に前記軸力緩和部材が配置される請求項１又は２に記載のボルト締結体。
4. 前記軸力緩和部材にマルテンサイト系鋼材を、前記被締結部材にオーステナイト系鋼材をそれぞれ採用した請求項１から３のいずれか１項に記載のボルト締結体。
5. 前記被締結部材及び前記ボルトにオーステナイト系鋼材を採用した請求項１から４のいずれか１項に記載のボルト締結体。

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