JPH1038164A - 蛇腹管と円筒管の接合構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 蛇腹管の円筒部外周に設けたリング部材の疲
労損傷を防止できる蛇腹管と円筒管の接合構造の提供。 【解決手段】 蛇腹部１ａと蛇腹部１ａの軸方向両端部
に接続された円筒部１ｂからなる蛇腹管１と、蛇腹管１
の両端の円筒部に接続された円筒管２、３と、蛇腹管１
の円筒部１ｂ外周に装着され、蛇腹部１ａの円筒管２、
３に対する相対変形を規制する略Ｌ字屈曲部４ｂを有す
るリング部材４と、から成る蛇腹管１ａと円筒管２、３
の接合構造において、リング部材４の屈曲部４ｂの剛性
が屈曲部４ｂ以外の部分に比べて高くされている、蛇腹
管１ａと円筒管２、３の接合構造。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、蛇腹管と円筒管の
接合構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】蛇腹管と円筒管の接合構造として、内燃
機関のエキゾストマニホルドの熱応力を緩和するため、
軸方向に２分割されたエキゾストマニホルド（円筒管）
を蛇腹管であるフレキシブルパイプで連結した合成エキ
ゾストマニホルドのフレキシブルパイプと各エキゾスト
マニホルドとの接合構造がある。フレキシブルパイプ
は、フレキシブルパイプ両端部内周に挿入されたエキゾ
ストマニホルドと、フレキシブルパイプ両端部外周に装
着されたリング部材と、フレキシブルパイプ端部にて溶
接治具を用いて半径方向内側に抑えた状態で一体にかつ
周方向に連続的に溶接接合される。フレキシブルパイプ
（オーステナイトステンレス）とエキゾストマニホルド
（鋳鉄）とでは、熱膨張率がフレキシブルパイプの方が
大きいため、フレキシブルパイプの熱膨張力が治具によ
る押さえ力にうち勝って、フレキシブルパイプはエキゾ
ストマニホルドに対し周方向に多く膨張する。従って、
溶接始点から終点にいたる間、溶接入熱により両者の間
には径方向に図５に示すような隙間Ｓが形成される。エ
ンジンの冷熱サイクルに伴うエキゾストマニホルドの軸
方向の伸縮は、フレキシブルパイプの軸方向の伸縮によ
り吸収される。その際フレキシブルパイプの蛇腹部の山
部分はエキゾストマニホルドに相対的に軸方向に移動す
るが、谷部分の軸方向の移動は小さいことから、フレキ
シブルパイプには軸方向曲げ力が生じ、フレキシブルパ
イプの円筒部は溶接時に形成された径方向隙間内で曲げ
変形しようとし、その結果フレキシブルパイプ端部溶接
部には軸方向曲げ応力が発生し、フレキシブルパイプの
溶接部に亀裂が発生するおそれがある。フレキシブルパ
イプの円筒部とエキゾストマニホルド間の径方向隙間を
容認したままフレキシブルパイプの端部溶接部の疲労破
壊を防ぐ構造として、図４（たとえば、実開昭６３−９
３４１５号）に示すように、フレキシブルパイプ２１の
蛇腹部２１ａの軸方向端部の谷部分の円弧状（Ｒ部）外
面に沿った立ち上がり部２４ａを有し断面がほぼＬ字状
の形状とされたＬ字状リング２４を、エキゾストマニホ
ルド２２、２３およびフレキシブルパイプ２１の両端円
筒部外周に装着させる構造がある。これは、Ｌ字状リン
グ２４の立ち上がり部２４ａによって、フレキシブルパ
イプ２１の蛇腹部２１ａの軸方向端部側面のエキゾスト
マニホルド２２、２３に対する相対軸方向変形を抑え、
フレキシブルパイプ２１の円筒部２１ｂにかかる軸方向
曲げ変形を抑え、溶接部２６に加わる応力を緩和する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のＬ字状
リング２４を用いた対策にはつぎの問題がある。 Ｌ字状リング２４の曲げＲ部の曲率半径が小の場
合、エキゾストマニホルド２２、２３の熱膨張時におけ
るフレキシブルパイプ２１の蛇腹部２１ａの軸方向端部
側面が立ち上がり部２４ａを押す力がモーメントアーム
大のため大となり、Ｌ字状リング２４の円弧状部分Ｒの
曲率半径が小さいために曲げＲ部に応力が集中し、高温
によるヤング率低下により容易に塑性変形を起こす。そ
して、冷熱サイクルの繰り返しによって疲労破壊を起こ
すおそれがある。 それを防ぐために、Ｌ字状リング２４の曲げＲ部の
曲率半径を大にすると、Ｌ字状リング２４による、フレ
キシブルパイプ２１の円筒部２１ｂの軸方向曲げ変位挙
動を規制する効果が小となり、フレキシブルパイプ２１
の端部溶接部２６に軸方向曲げ応力が生じやすくなって
溶接部２６に亀裂が発生するおそれがある。本発明の目
的は、円筒管伸縮時に、リング部材の立ち上がり部がフ
レキシブルパイプの蛇腹部の軸方向端部側面によって押
されても、塑性変形を生じにくいリング部材を有する蛇
腹管と円筒管の接合構造を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明は次の通りである。 （１） 蛇腹部と蛇腹部の軸方向両端部に接続された円
筒部からなる蛇腹管と、蛇腹管の両端の円筒部に接続さ
れた円筒管と、蛇腹管の円筒部外周に装着され、蛇腹部
の円筒管に対する相対変形を規制する略Ｌ字屈曲部を有
するリング部材と、から成る蛇腹管と円筒管の接合構造
において、リング部材の屈曲部の剛性が屈曲部以外の部
分に比べて高くされている、ことを特徴とする蛇腹管と
円筒管の接合構造。 （２） 蛇腹部と蛇腹部の軸方向両端部に接続された円
筒部からなる蛇腹管と、蛇腹管の両端の円筒部に接続さ
れた円筒管と、蛇腹管の円筒部外周に装着され、蛇腹部
の円筒管に対する相対変形を規制する略Ｌ字屈曲部を有
するリング部材と、から成る蛇腹管と円筒管の接合構造
において、リング部材の屈曲部の背部に、屈曲部と同じ
曲率の外面形状部分を有する部材が設けられている、こ
とを特徴とする蛇腹管と円筒管の接合構造。

【０００５】上記（１）の構造では、リング部材は屈曲
部の剛性が屈曲部以外の部分に比べて高いため、円筒管
伸縮時、リング部材の略Ｌ字屈曲部の立ち上がり部が蛇
腹管の蛇腹部の軸方向端部側面によって一定力で押され
てもリング部材の屈曲部は塑性変形を生じにくい。上記
（２）の構造では、リング部材は屈曲部の背部に屈曲部
と同じ曲率の外面部分を有する部材を設けているため、
リング部材の略Ｌ字屈曲部の立ち上がり部が蛇腹管の蛇
腹部の軸方向端部側面によって一定力で押されても、屈
曲部と同じ曲率の外面形状部分を有する部材に沿って屈
曲部にかかる応力が分散されるため、屈曲部は塑性変形
を生じにくい。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１〜図３は本発明の実施例の蛇
腹管と円筒管の接合構造を示している。そのうち、図
１、図２は本発明の第１実施例を示しており、図３は本
発明の第２実施例を示している。本発明の全実施例にわ
たって共通な部分には、本発明の全実施例にわたって同
じ符号を付してある。以下の説明では、本発明の蛇腹管
と円筒管の接合構造を内燃機関の、２分割タイプのエキ
ゾストマニホルド（円筒管）を蛇腹管によって接合する
場合を例にとる。ただし、本発明はエキゾストマニホル
ドに限るものではない。

【０００７】まず、本発明の全実施例に共通な構成を、
たとえば図１、図２を参照して、説明する。図１、図２
に示すように、４気筒エンジンのエキゾストマニホルド
／蛇腹管合成エキゾストマニホルドが２気筒づつに分け
られて内燃機関のシリンダヘッドに固定される。その分
けられたエキゾストマニホルド２、３はそれぞれ円筒管
を構成する。エキゾストマニホルド２、３は、蛇腹管１
を介して連結されており、エキゾストマニホルドとシリ
ンダヘッドの熱膨張差を蛇腹管１の伸縮によって吸収す
るようになっている。蛇腹管１は、蛇腹部１ａと蛇腹部
１ａの軸方向両端に接続された円筒部１ｂからなってい
る。蛇腹管１の両端の円筒部の外周には、断面がＬ字状
のリング４が装着されている。蛇腹管１の内周には、エ
キゾストマニホルド２、３が好ましくは蛇腹部１ａの内
周側の部位まで挿入されている。エキゾストマニホルド
２、３の端部は、エキゾストマニホルド２、３の熱膨張
伸縮を自由に逃すことができるように、所定の間隔をも
って対向している。エキゾストマニホルド２、３のうち
蛇腹部１ａの内周側部位にある部分は、エキゾストマニ
ホルド２、３の他の部分に比べ薄肉になっており、薄肉
部分の外周には、排気ガスの流れから蛇腹管１を保護す
るための円筒状のカラー５がエキゾストマニホルドとの
間に半径方向隙間をもたせて嵌合されている。蛇腹管１
の両端にて、蛇腹管１と、蛇腹管１の円筒部１ｂ外周に
装着されたＬ字状リング４と、エキゾストマニホルド
２、３とが、一体にかつ周方向に連続して溶接接合され
ている。６は溶接ビードを示す。この溶接は蛇腹管１の
円筒部１ｂをＬ字状リング４により半径方向内側にエキ
ゾストマニホルド２、３に向かって拘束した状態で行わ
れる。材質は、たとえば蛇腹管１がオーステナイト系ス
テンレス、エキゾストマニホルド２、３が鋳鉄、Ｌ字状
リング４がフェライト系ステンレスである。そのため、
周方向溶接部において、蛇腹管円筒部１ｂとエキゾスト
マニホルド２、３との間には溶接時熱膨張差による径方
向隙間が存在する。また、蛇腹管円筒部１ｂとＬ字状リ
ング４との間にも径方向隙間ができるかもしれない。Ｌ
字状リング４は、蛇腹管１の蛇腹部１ａと円筒部１ｂと
の接続部に対向できる断面Ｒ部（屈曲部）４ｂを有し、
断面はほぼＬ字状（Ｌ字の２辺がＲ部（屈曲部）によっ
て連結された断面）であり、蛇腹管１の蛇腹部１ａと円
筒部１ｂの接続部の外周面とＬ字状リング４のＲ部（屈
曲部）４ｂの内周面とが対向または接触するように蛇腹
管１の外周側に配置される。Ｌ字状リング４のＬ字の１
辺の蛇腹部１ａ側に延びる立ち上がり部４ａは、蛇腹部
１ａの軸方向最突出部より半径方向外側に延びる。

【０００８】つぎに、本発明の各実施例に特有な構成を
説明する。本発明の第１実施例においては、図１に示す
ように、Ｌ字状リング４のＲ部４ｂの背部に溶接肉盛り
などによって増厚部７が形成され、Ｒ部（屈曲部）４ｂ
の肉厚がＬ字状リング４の他の部分より厚くされ、Ｌ字
状リング４のＲ部（屈曲部）４ｂの剛性が高められてい
る。また、Ｌ字状リングのＲ部（屈曲部）の剛性をＬ字
状リングのＲ部（屈曲部）以外の部分に比べて高くする
方法として、Ｒ部（屈曲部）の材料を変える方法、Ｒ部
（屈曲部）に熱処理を施し金属組織を部分的に変える方
法などがあげられる。

【０００９】本発明の第２実施例においては、図３に示
すように、Ｌ字状リング４のＲ部（屈曲部）４ｂの背部
にＲ部（屈曲部）４ｂと同じ曲率の外面形状を有するリ
ング８（たとえば、ワイヤリング）が設けられている。
リング８とＬ字状リングのＲ部（屈曲部）４ｂとの対向
面は互いに接触されている。Ｌ字状リング４の外周には
リング８の配置部位の軸方向外側にリング８と係合して
リング８が軸方向外側にずれることを防止するための突
起９が形成されている。

【００１０】つぎに、本発明の全実施例に共通の作用を
説明する。エキゾストマニホルド２、３はエンジンの稼
動時には熱膨張により膨張し、エンジの停止時は収縮す
る。エキゾストマニホルド２、３のシリンダヘッドに対
する伸縮は、蛇腹管１によって吸収される。エキゾスト
マニホルド２、３が軸方向に膨張した時は、蛇腹管１は
軸方向に収縮し、エキゾストマニホルド２、３が軸方向
に収縮した時は蛇腹管１が軸方向に伸びる。蛇腹管１の
収縮時にはＬ字状リング４の立ち上がり部４ａは蛇腹管
１の蛇腹部１ａの軸方向端部側面によって押され、軸方
向（溶接部側）の力を受ける。蛇腹管１の伸び時にはＬ
字状リング４の立ち上がり片４ａは反溶接部方向に変位
する挙動（弾性による復元）を示す。本発明において
は、Ｌ字状リング４のＲ部（屈曲部）４ｂの肉厚増また
はリング８により、Ｌ字状リング４のＲ部（屈曲部）４
ｂに生じる曲げ応力が小さくなり高温領域でもＬ字状リ
ング４に生じる応力はほぼ弾性域内にある。これによっ
てＬ字状リング４の塑性変形が抑制されるため、冷熱サ
イクルの繰り返しによって繰り返し応力を受けてＬ字状
リング４のＲ部（屈曲部）４ｂが疲労破壊することはな
い。また、蛇腹管１とエキゾストマニホルド２、３の熱
膨張率の相違により、溶接時の熱で蛇腹管１とエキゾス
トマニホルド２、３の間に径方向の隙間ができていたと
しても、Ｌ字状リング４が蛇腹管１の径方向外方への変
位を規制するため、蛇腹管１がエンジンの冷熱サイクル
にともなう伸縮により隙間内で溶接部６を支点として径
方向に変位することが抑制され、溶接部６の亀裂発生も
抑制される。蛇腹部１ａの内周のエキゾストマニホルド
２、３の薄肉部分の外周に設けられたカラー５は、エキ
ゾストマニホルド２、３対向部間から排気ガス中の火炎
が漏れ出て蛇腹管１が異常酸化、局所加熱することを防
止する効果がある。

【００１１】本発明の第１実施例においては、Ｌ字状リ
ング４のＲ部（屈曲部）４ｂが他の部分より増厚され、
Ｒ部（屈曲部）が高剛性になっているため、エキゾスト
マニホルド２、３の熱膨張時、即ち蛇腹管１の収縮時、
蛇腹管１の蛇腹部１ａの軸方向端部側面からの軸方向力
を受けても、その力に屈することなく、Ｌ字状リング立
ち上がり部４ａおよびＲ部（屈曲部）４ｂは、塑性変形
を生じにくく、高温かつ塑性域で容易に生じるＲ部（屈
曲部）４ｂの疲労破壊は抑制される。また、溶接部の亀
裂発生も抑えられる。

【００１２】本発明の第２実施例においては、Ｌ字状リ
ング４のＲ部（屈曲部）４ｂの背部にＲ部（屈曲部）４
ｂと同じ曲率の外面形状を有するリング８が設けられて
いるので、Ｒ部（屈曲部）４ｂおよび立ち上がり部４ａ
の剛性が高められ、エキゾストマニホルド２、３の熱膨
張時、即ち蛇腹管１の収縮時、蛇腹管１の蛇腹部１ａの
軸方向端部側面からの軸方向力がＬ字状リング４にかか
っても、Ｌ字状リング４のＲ部（屈曲部）４ｂおよび立
ち上がり部４ａの変形が抑制される。また、蛇腹部１ａ
の軸方向端部側面からの軸方向力は、Ｌ字状リング４の
Ｒ部（屈曲部）４ｂの円弧状にリング８に沿って応力が
分散されるため、Ｌ字状リング４のＲ部（屈曲部）４ｂ
および立ち上がり部４ａに生じる応力も小さくなり、高
温域でもＬ字状リング４は、塑性変形を生じにくく、Ｒ
部（屈曲部）４ｂに亀裂が生じることが防止される。ま
た、Ｌ字状リング４が弾性域にあって蛇腹管１の変位が
抑えられるので溶接部６の曲げ応力も小であり、溶接部
６からの亀裂発生も抑えられる。Ｌ字状リング４の外周
に形成された突起９により、Ｌ字状リング４は蛇腹管１
に押されても、位置ずれをおこすことなく安定した状態
で保持される。

【００１３】

【発明の効果】本発明の請求項１の蛇腹管と円筒管の接
合構造によれば、リング部材の屈曲部の剛性がリング部
材の屈曲部以外の部分より高くされているため、蛇腹管
の蛇腹部の軸方向端部側面から軸方向力を受けてもリン
グ部材の屈曲部の応力はほぼ弾性域内にあり、リング部
材は塑性変形を生じにくい。よって、リング部材の屈曲
部に亀裂が発生しにくく、かつ、蛇腹管の曲げ変位もリ
ング部材によって抑えられ接合部に亀裂が発生しにく
い、蛇腹管と円筒管の接合構造となる。本発明の請求項
２の蛇腹管と円筒管の接合構造によれば、リング部材の
屈曲部の背部に、屈曲部と同じ曲率の外面形状部分を有
する部材が設けられているため、リング部材の屈曲部の
剛性が高まり請求項１による効果と同様の効果が得られ
る。また、リング部材の屈曲部に生じる応力がＲ部と同
じ曲率の外面形状部分を有する部材に沿って分散され、
リング部材の屈曲部にかかる応力が小さくなり、高温域
にあっても塑性変形を生じにくい。よって、リング部材
および接合部に亀裂が発生しにくい蛇腹管と円筒管の接
合構造となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第１実施例に係わる蛇腹管とエキゾスト
マニホルドの接合構造の断面図である。

【図２】本発明に係わるエキゾストマニホルドの全体正
面図である。

【図３】本発明の第２実施例に係わる蛇腹管とエキゾス
トマニホルドの接合構造の断面図である。

【図４】従来例に係わる蛇腹管とエキゾストマニホルド
の接合構造の断面図である。

【図５】図４の５−５線断面図である。

【符号の説明】

１ 蛇腹管 ２ エキゾストマニホルド ３ エキゾストマニホルド ４ リング部材 ８ 屈曲部と同じ曲率の外面形状部分を有する部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河野 祐司 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 三輪 壽 愛知県豊田市高丘新町天王１ アイシン高 丘株式会社内 (72)発明者 樋口 英一 愛知県豊田市高丘新町天王１ アイシン高 丘株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蛇腹部と蛇腹部の軸方向両端部に接続さ
   れた円筒部からなる蛇腹管と、蛇腹管の両端の円筒部に
   接続された円筒管と、蛇腹管の円筒部外周に装着され、
   蛇腹部の円筒管に対する相対変形を規制する略Ｌ字屈曲
   部を有するリング部材と、から成る蛇腹管と円筒管の接
   合構造において、 リング部材の屈曲部の剛性が屈曲部以外の部分に比べて
   高くされている、ことを特徴とする蛇腹管と円筒管の接
   合構造。
2. 【請求項２】 蛇腹部と蛇腹部の軸方向両端部に接続さ
   れた円筒部からなる蛇腹管と、蛇腹管の両端の円筒部に
   接続された円筒管と、蛇腹管の円筒部外周に装着され、
   蛇腹部の円筒管に対する相対変形を規制する略Ｌ字屈曲
   部を有するリング部材と、から成る蛇腹管と円筒管の接
   合構造において、 リング部材の屈曲部の背部に、屈曲部と同じ曲率の外面
   形状部分を有する部材が設けられている、ことを特徴と
   する蛇腹管と円筒管の接合構造。