JPWO2018155572A1 - 締結構造 - Google Patents

Abstract

振動のある環境下においても緩みにくいボルト締結構造を提供する。本願発明にかかる締結構造１００は、ネジ山１１ａとネジ谷１１ｂとを備えたネジ部１１を有する雄ネジ１０と、締結対象となる第１部材３００に設けられる凹部２０をなし、前記凹部２０に前記ネジ部１１と嵌り合う被ネジ部２１を有する雌ネジ２０と、が締結状態となる締結構造１００であって、前記締結状態において、前記雄ネジ１０の先端を構成する先端部１２は、前記凹部２０の底面２３ａと点接触する。

Description

本発明は、締結構造に関する。

自動車等の車両では、多くの箇所で、締結具であるボルト部材を用いて、被締結部材を取付基材に締結することが行われている。
しかしながら、このような締結具は、特に排気系等の振動の多い場所においては振動による座面滑りからの緩みが生じてしまうことがあり、振動環境下であっても締結状態を維持する締結構造が求められている。

特開２００１−２９５８２３号公報

本発明は以上のような課題に基づきなされたものであり、振動のある環境下においても緩みにくい締結構造の提供を目的とする。

本願発明にかかる締結構造は、ネジ山とネジ谷とを備えたネジ部を有する雄ネジと、締結対象となる第１部材に設けられる凹部をなし、前記凹部に前記ネジ部と嵌り合う被ネジ部を有する雌ネジと、が締結状態となる締結構造であって、前記締結状態において、前記雄ネジの先端を構成する先端部は、前記凹部の底面と点接触する。

本発明の締結構造によれば、振動のある環境下においても緩みにくいという効果を奏する。

本発明の実施形態としての車両の一例を示す図である。 図１に示したエンジンの構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態にかかる締結構造の構成の例を示す図である。 図３に示した締結構造の動作の一例を誇張して示した図である。 締結構造の従来例を示す図である。 終端部の構成の変形例を示す図である。

以下、本発明の実施形態として、締結構造１００について説明する。なお、本実施形態では、かかる締結構造は車両の排気系において用いられるものではあるが、本発明と直接関係の無い車両の構成や機能については適宜説明を省略する。
締結構造１００は、図１、図２に示すように、車両５００の排気系、例えばエンジン３００に対するマニホールド２００の固定等に用いられることが望ましいが、かかる構成に限定されるものではなく、他の種々の固定箇所に固定部材として用いても良い。
締結構造１００は、図３に示すように、らせん状に形成されたネジ山１１ａとネジ谷１１ｂとを備えたネジ部１１を有する雄ネジたるスタッドボルト１０と、ネジ部１１と噛み合う被ネジ部としてのネジ穴部２１を有する雌ネジたるネジ穴２０と、を有している。
締結構造１００は、かかるスタッドボルト１０がネジ穴２０に嵌り合うとともに、ナット３０がワッシャー３１を介してフランジ４０を締めることで、締結・固定される。すなわち、本実施形態において、フランジ４０はスタッドボルト１０によって外面４０ａと内面４０ｂとを前記雄ネジに連通された第２部材としての機能を有している。また、かかる締結構造１００により、スタッドボルト１０が挿通された第２部材たるフランジ４０が、締結状態の形成により第１部材たるエンジン３００に固定される。

スタッドボルト１０は、ネジ部１１が側面にらせん状に形成された所謂全ネジの形状であり、当該スタッドボルト１０の挿入方向Ａの先端を構成する先端部１２が形成されている。
先端部１２は、当該先端部１２の挿入方向Ａ側の端部が曲率を有する態様で形成されている。

ネジ穴２０は、スタッドボルト１０の締結対象すなわち第１部材である筐体たるエンジン３００に凹部を形成するネジ穴である。ネジ穴２０は、スタッドボルト１０が挿入される側に形成された開口部２２と、ネジ穴部２１を挟んで開口部２１と反対側の端部に形成された平面状の底面を備えた終端部２３と、を有している。ネジ穴２０は、言い換えると後述する底面２３ａから起立した周壁を有する凹部である。
ネジ穴２０は、スタッドボルト１０が終端部２３と当接するまで挿入された状態において、ネジ穴部２１とネジ部１１とが嵌り合うことでスタッドボルト１０と締結・固定される。図４（ａ）に示して後述するように、かかるスタッドボルト１０が通常締結された状態を第１締結状態と称する。

終端部２３は、挿入方向Ａに対して垂直な平面状に形成された底面たる終端面２３ａと、挿入方向Ａに対して垂直に起立した周壁を構成する、ネジ山・ネジ谷が形成されていない側壁面２３ｂとを有している。かかる構成において、側壁面２３ｂは、凹部たるネジ穴２０が備える周壁において『底面側に形成される第１周壁面』としての機能を有している。他方、ネジ穴部２１は、『第１周壁面たる側壁面２３ｂよりも終端面２３ａから離れた周壁面に形成される第２周壁面』としての機能を有している。
終端面２３ａは平面であって、先端部１２は曲率を有するから、第１締結状態において、終端部２３と先端部１２とは点Ｐ１において点接触する。かかる点Ｐ１は、本実施形態において第１締結状態における第１当接点としての機能を有している。

このように、スタッドボルト１０がエンジン３００に締結・固定された状態において、スタッドボルト１０とネジ穴２０とは、それぞれ先端部１２と終端部２３とで点接触する態様で保持される。

従来のスタッドボルトの緩み方の例について説明する。なお、図４（ｂ）、図５（ｂ）に示すようなスタッドボルトの傾斜は、実際には目視では見えない程度の微小な傾斜ではあるが、説明のため誇張して表現する。
従来のスタッドボルト固定構造８００においては、図５（ａ）に示すように、雄ネジ８０１が雌ネジ８０２に嵌り合うように形成されている。なお、説明を簡単にするために、フランジ４０、ワッシャー３１、ナット３０等の既に説明したものについては同一の番号を付して説明を省略する。
雌ネジ８０２の底面８１０側は、通常、工具であるドリルの形状により円錐形状に底面が傾斜した態様で形成されている。
雄ネジ８０１は、雄ネジ８０１と雌ネジ８０２とが締結された状態において、挿入方向Ａに対してフランジ４０と重なる位置に形成されたネジ山の形成されない非形成部８０１ａと、ネジ山部８０１ｂと、を有している。

このとき、スタッドボルト固定構造８００に振動が与えられると、図５（ｂ）に示すように、雄ネジ８０１が雄ネジ８０１の回転中心Ｏ_１を中心として微少角θだけ傾斜する。
微少角θの傾斜は、ナット３０とワッシャ３１との接触面近傍において、ナット３０の滑り量Ｓｃｒを生じる外力Ｆとして作用する。
振動によって生じる外力Ｆが十分小さいときには、外力Ｆはかかる滑り量Ｓｃｒだけナット３０を移動させる力として働く。しかしながら、滑り量Ｓｃｒが小さく制限されてしまうような構造では、かかる滑り量Ｓｃｒのみでは止まらず、他の部分、具体的にはナット３０や雄ネジ８０１を回転させる（緩みを生じさせる）方向に働いてしまうことが知られている。

雄ネジ８０１においては、例えば図５（ｂ）に示したように、非形成部８０１が雌ネジ８０２と点Ｑにおいて当接してしまうことで、微小角θが小さく制限されるため、滑り量Ｓｃｒが小さくなるという問題があった。

このような問題を解決するために、滑り量Ｓｃｒを最大化することでナット３０の振動緩みを低減するような構成が望まれている。
そこで、本実施形態では、スタッドボルト１０は、締結状態において、先端部１２と終端部２３とが点接触する態様で締結される。

かかる構成の具体的な動作について、図４（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。
まず、スタッドボルト１０がネジ穴２０に嵌め合って固定された第１締結状態を図４（ａ）に示す。
かかる状態においては、すでに述べた通りスタッドボルト１０の先端部１２と、終端部２３とは、第１当接点たる点Ｐ１において点接触している。

第１締結状態から、振動によって外力Ｆが生じると、従来例で示したのと同様に、スタッドボルト１０も微小角θだけ傾斜することとなる。
しかしながら、本実施形態では、スタッドボルト１０の先端部１２を除く側面にはネジ部１１が全面に形成されている。言い換えれば第１締結状態において、ネジ部１１は、被ネジ部２１に対応した領域と、フランジ４０の下面から上面にわたった領域とに形成される。
従って、従来例のように非形成部８０１が雌ネジ８０２と点Ｑで当接することがない。さらに、先端部１２と終端部２３とが点接触していることで、先端部１２と終端部２３との間の当接点たる点Ｐは傾斜とともに移動しやすい状態である。

かかる傾斜が停止するときには、図４（ｂ）に示すように、スタッドボルト１０とネジ穴２０とは、第１当接点Ｐ１とは異なる第２当接点Ｐ２と、第３当接点たる点Ｐ３とで当接した状態となる。かかる滑り移動後の状態を本実施形態においては第２締結状態という。
このように、傾斜時に点Ｐが移動し、傾斜の終了時である第２締結状態において点Ｐと点Ｐ’との２点で先端部１２と終端部２３とが保持されることにより、図４（ａ）、（ｂ）に示す傾斜前後のスタッドボルト１０の位置が決定される。すなわち本実施形態でのスタッドボルト１０とネジ穴２０との間の締結状態は、先端部１２が終端部２３における第１当接点Ｐにおいて点接触した第１締結状態と、スタッドボルト１０の軸線Ｏ’が第１締結状態におけるスタッドボルト１０の軸線Ｏに対し傾斜する方向に変位した第２締結状態と、を含んでいる。また第２締結状態において、先端部１２は、第１当接点Ｐ１とは異なる第２当接点Ｐ２において終端面２３ａと点接触すると共に、ネジ山・ネジ谷が形成されていない側壁面２３ｂにおける第３当接点Ｐ３において点接触する。
図４（ａ）、（ｂ）と図５（ａ）、（ｂ）を比較すると明らかなように、本実施形態では、当接点が第１当接点Ｐ１から第２当接点Ｐ２へと移動することによって回転が制限される都合上、傾斜時の回転中心Ｏ_２は従来例よりも図中下方である挿入方向Ａの方向に下がる。
すなわち、傾斜の最大角である微小角θが従来例よりも大きく、したがって滑り量Ｓｃｒの最大値も大きく確保される。

なお、滑り量Ｓｃｒを最大化するためには、かかる回転中心Ｏ_２の位置が、開口部２２から終端部２３までの距離たる植込み量ｌの半分の位置にあることが最も望ましい。
本実施形態では、植込み量ｌの半分の位置に回転中心Ｏ_２が位置するように、終端部２３の直径と、植込み量ｌとを定めている。

また、本実施形態では、先端部１２は曲率を有している。
かかる構成により、さらに先端部１２と終端部２３との傾斜時の移動が生じやすくなるから、傾斜の最大角である微小角θがより大きく、したがって滑り量Ｓｃｒの最大値も大きく確保される。

本実施形態では、締結構造１００は、ネジ山１１ａとネジ谷１１ｂとを備えたネジ部１１と先端部１２とを有するスタッドボルト１０と、スタッドボルト１０が回動して嵌り合うネジ穴部２１を有するネジ穴２０と、が締結状態となる締結構造である。
本実施形態では、ネジ穴２０は、スタッドボルト１０が挿入される側に形成された開口部２２と、ネジ穴部２１を挟んで開口部２２と反対側の端部に形成された終端部２３と、を有している。
本実施形態では、スタッドボルト１０とネジ穴２０とは、終端部２３と先端部１２とが前記締結状態において点接触する。
かかる構成により、傾斜の最大角である微小角θが従来例よりも大きく、したがって滑り量Ｓｃｒの最大値も大きく確保される。

また、本実施形態では、終端部２３は先端部１２と当接する面が平坦な面で構成され、先端部１２の終端部２３と当接する面は曲率を有する曲面で構成される。
かかる構成により、さらに先端部１２と終端部２３との傾斜時の移動が生じやすくなるから、傾斜の最大角である微小角θがより大きく、したがって滑り量Ｓｃｒの最大値も大きく確保される。

なお、終端部２３と先端部１２の形状は、かかる構成に限定されるものではない。
例えば、終端部２３と先端部１２とのうち何れか一方が曲率を有する構成であっても良いし、終端部２３の曲率が先端部１２の曲率よりも小さい構成であっても良い。また図６に示すように、終端面２３ａが上に凸の曲率を持っていたとしても構わない。

さらに、本実施形態では、第１締結状態から第２締結状態への変位の際、先端部１２と終端部２３との当接点が、終端部２３における第１当接点Ｐ１から第２当接点Ｐ２へと移動する構成について説明したが、かかる構成に限定されるものではない。
例えば、第１締結状態から第２締結状態への変位の際、先端部１２と終端部２３との当接点について、終端部２３における第１当接点Ｐ１の位置は変化せずに、先端部１２における終端部２３との当接点が移動する構成であってもよい。すなわち、第１締結状態において、先端部１２が終端部２３における第１当接点Ｐにおいて点接触し、第２締結状態において、先端部１２が、同じ第１当接点Ｐ１において終端面２３ａと点接触すると共に、側壁面２３ｂにおける第３当接点Ｐ３において点接触する構成であってもよい。かかる構成においては、先端部１２における終端部２３との当接点が移動することによって、ナット３０や雄ネジ８０１の回転が規制され、本実施形態と同様の効果を達成する。

以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、本実施形態では、締結構造をマニホールドの固定に用いるとしたが、その他の締結に用いても良い。
また、本実施形態では、スタッドボルトとナットによりフランジを固定締結する構成についてのみ述べたが、スタッドボルト以外のボルトであっても良い。

本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１０…雄ネジ（スタッドボルト）、１１…ネジ部（ネジ山部）、１１ａ…ねじ山、１１ｂ…ねじ谷、１２…先端部、
２０…凹部（雌ネジ）（ネジ穴）、２１…被ネジ部、第２周壁面（ネジ穴部）、２２…開口部、２３…終端部、２３ｂ…第１周壁面（側壁面）、４０ａ…外面、４０ｂ…内面、
１００…締結構造、Ｐ１…第１当接点、Ｐ２…第２当接点、Ｐ３…第３当接点

Claims (5)

1. ネジ山とネジ谷とを備えたネジ部を有する雄ネジと、
   締結対象となる第１部材に設けられる凹部をなし、前記凹部に前記ネジ部と嵌り合う被ネジ部を有する雌ネジと、が締結状態となる締結構造であって、
   前記締結状態において、前記雄ネジの先端を構成する先端部は、前記凹部の底面と点接触する締結構造。
2. 請求項１に記載の締結構造において、
   前記凹部は、前記底面から起立した周壁を有し、
   前記周壁は、前記底面側に形成される第１周壁面と、前記第１周壁面よりも前記底面から離れた周壁面に形成される第２周壁面とで構成され、前記第２周壁面に前記被ネジ部が形成され、
   前記締結状態は、前記先端部が前記底面と点接触した第１締結状態と、前記雄ネジの軸線が前記第１締結状態における前記雄ネジの軸線に対し傾斜する方向に変位した第２締結状態と、を含み、
   前記第２締結状態において、前記先端部は、前記底面と点接触すると共に前記第１周壁面と点接触することを特徴とする締結構造。
3. 請求項１または２に記載の締結構造において、
   外面と内面とを前記雄ネジに連通された第２部材が、前記締結状態の形成により前記第１部材に固定され、
   前記締結状態において、前記ネジ部は、前記被ネジ部に対応した領域と、前記第２部材の前記内面から前記外面にわたった領域とに形成されることを特徴とする締結構造。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載の締結構造において、
   前記底面は平坦な面で構成され、
   前記先端部は曲率を有する曲面で構成されたことを特徴とする締結構造。
5. 請求項１から３の何れか１項に記載の締結構造において、
   前記底面は曲率を有し、
   前記先端部は平坦な面で構成されたことを特徴とする締結構造。

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