特許 7468400 ボルト及びボルト締付構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-08

(45)【発行日】2024-04-16

(54)【発明の名称】ボルト及びボルト締付構造

(51)【国際特許分類】

   F16B 35/00 20060101AFI20240409BHJP

   F16D 3/38 20060101ALI20240409BHJP

   F01N 13/08 20100101ALI20240409BHJP

【ＦＩ】

F16B35/00 H

F16B35/00 P

F16B35/00 Q

F16D3/38 Z

F01N13/08 E

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021024997

(22)【出願日】2021-02-19

(65)【公開番号】P2022127073

(43)【公開日】2022-08-31

【審査請求日】2023-05-16

(73)【特許権者】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】110000394

【氏名又は名称】弁理士法人岡田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】長岡 謙一郎

【審査官】杉山 豊博

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－２９７９１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭４８－０４８０４７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１２－１８９１４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１４８１６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０４－１２８５６０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】再公表特許第２００５／１２１５６８（ＪＰ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｂ ３５／００

Ｆ１６Ｄ ３／３８

Ｆ０１Ｎ １３／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

円柱状の軸部と前記軸部の一方端に設けられた頭部とを有するボルトであって、
前記軸部は、一方端の側には前記頭部と連結される軸部側連結部を有するとともに、他方端の側にはねじ部を有し、
前記頭部は、一方端の側には前記軸部の外径よりも大きな外径とされた大径部を有するとともに、他方端の側には前記軸部と連結される頭部側連結部を有し、
前記軸部に対して前記頭部が揺動可能となるように、首振り機構として前記軸部側連結部と前記頭部側連結部が連結されており、
前記頭部側連結部の外径は、前記軸部の外径よりも小さく設定されている、
ボルト。

【請求項2】

請求項１に記載のボルトであって、
前記首振り機構は、自在継手である、
ボルト。

【請求項3】

ボルトを用いて、締め付け相手となる相手材に被締付体を締め付けるボルト締付構造であって、
前記ボルトは、円柱状の軸部と前記軸部の一方端に設けられた頭部とを有し、
前記軸部は、一方端の側には前記頭部と連結される軸部側連結部を有するとともに、他方端の側にはねじ部を有し、
前記頭部は、一方端の側には前記軸部の外径よりも大きな外径とされた大径部を有するとともに、他方端の側には前記軸部と連結される頭部側連結部を有し、
前記軸部に対して前記頭部が揺動可能となるように、首振り機構として前記軸部側連結部と前記頭部側連結部が連結されており、
前記相手材には、前記軸部の前記ねじ部をねじ込むねじ穴が設けられており、
前記被締付体には、前記軸部が挿通されて前記ねじ穴へと通じる連通孔が設けられており、
前記ボルトの前記軸部が前記連通孔に挿通されて、前記ねじ部が前記ねじ穴にねじ込まれて、前記ボルトを用いて前記被締付体を前記相手材に締め付けた状態において、
前記頭部側連結部の個所における前記連通孔の内径は、前記頭部側連結部の外径よりも大きく、かつ、前記大径部の外径よりも小さく設定されている、
ボルト締付構造。

【請求項4】

請求項３に記載のボルト締付構造であって、
前記頭部側連結部の外径は、前記軸部の外径よりも小さく設定されている、
ボルト締付構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、首振り機構を備えたボルト、および、当該ボルトを用いたボルト締付構造に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、自動車用エンジンの排気システムにおいては、各気筒の排気を合流させる排気マニホールドがボルト締結によりエンジンに取り付けられている。エンジンが停止されて長時間放置されると、排気マニホールドの温度は雰囲気温度（大気の温度）まで低下する。またエンジンが運転状態とされると排気マニホールドの温度は例えば８００［℃］以上にもなる。このため、エンジンの運転と停止が繰り返されると、排気マニホールドは、上記の温度差により、膨張と収縮を繰り返し、温度差による熱ひずみの発生に伴う変形と復元を繰り返す場合がある。排気マニホールドが、熱ひずみの発生に伴う変形と復元を繰り返した場合、当該排気マニホールドを締結しているボルトの座面が接触している排気マニホールドの面の傾斜角度が、大きくなったり小さくなったりする場合がある。この場合、ボルトの軸部に対して頭部を揺動させる応力の印加が繰り返され、ボルトの頭部が折損する可能性がある。

【0003】

そのため、従来、ボルトにカラーを装着することが知られている。具体的には、排気マニホールドのフランジとボルトの間にカラーを挟むことでボルトの座面を排気マニホールドのフランジから離し、排気マニホールドのフランジの熱ひずみによる影響を避けている。例えば、特許文献１では、カラーの内周面とボルトの軸の間に隙間を設けることで、ボルトに対する排気マニホールドのフランジの熱ひずみによる影響をより少なくする技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平８－２４６８６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、ボルトの締結にカラーを用いた場合、排気マニホールドのフランジの熱ひずみによる影響を避けられるというメリットが得られる反面、カラーを装着して大きく突出したボルトが他の部材に干渉するというデメリットが発生する。近年のエンジンは極めてタイトな設計がされているため、ボルトが大きく突出することは、あまり好ましくない。

【0006】

本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、カラー等を用いてボルトを大きく突出させることなく、被締付体の熱ひずみによる影響を回避し、折損を防止することが可能なボルト及びボルトの締付構造を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を達成するため、本発明の第１の発明は、円柱状の軸部と前記軸部の一方端に設けられた頭部とを有するボルトであって、前記軸部は、一方端の側には前記頭部と連結される軸部側連結部を有するとともに、他方端の側にはねじ部を有し、前記頭部は、一方端の側には前記軸部の外径よりも大きな外径とされた大径部を有するとともに、他方端の側には前記軸部と連結される頭部側連結部を有し、前記軸部に対して前記頭部が揺動可能となるように、首振り機構として前記軸部側連結部と前記頭部側連結部が連結されている、ボルトである。

【0008】

次に、本発明の第２の発明は、上記第１の発明に係るボルトであって、前記頭部側連結部の外径は、前記軸部の外径よりも小さく設定されている、ボルトである。

【0009】

次に、本発明の第３の発明は、上記第１の発明または第２の発明に係るボルトであって、前記首振り機構は、自在継手である、ボルトである。

【0010】

次に、本発明の第４の発明は、上記第１の発明～第３の発明に係るボルトを用いて、締め付け相手となる相手材に被締付体を締め付けるボルト締付構造であって、前記相手材には、前記軸部の前記ねじ部をねじ込むねじ穴が設けられており、前記被締付体には、前記軸部が挿通されて前記ねじ穴へと通じる連通孔が設けられており、前記ボルトの前記軸部が前記連通孔に挿通されて、前記ねじ部が前記ねじ穴にねじ込まれて、前記ボルトを用いて前記被締付体を前記相手材に締め付けた状態において、前記頭部側連結部の個所における前記連通孔の内径は、前記頭部側連結部の外径よりも大きく、かつ、前記大径部の外径よりも小さく設定されている、ボルト締付構造である。

【発明の効果】

【0011】

第１の発明によれば、被締付体としての、例えば排気マニホールドが、熱ひずみの発生に伴う変形と復元を繰り返したとしても、首振り機構により、ボルトの頭部の座面が排気マニホールドのフランジ表面に追従するので、頭部を揺動させる応力の印加が繰り返されても頭部が折損することはない。よって、カラー等を用いてボルトを大きく突出させることなく、被締付体の熱ひずみによる影響を回避し、折損等を防止することができる。

【0012】

第２の発明によれば、相手材に対し被締付体をボルトによって締め付ける場合、相手材にはボルトの軸部をねじ込むねじ穴が、被締付体には軸部が挿通されてねじ穴へと通じる連通孔が、それぞれ設けられている。このような場合において、連通孔とねじ穴の内径がそれぞれ同じ大きさであっても、頭部が揺動しても、頭部側連結部の外径が軸部の外径に収まっているため、頭部側連結部と連通孔の内壁との干渉を避けることができる。

【0013】

第３の発明によれば、自在継手であれば、ボルトの頭部を軸部に対して揺動可能に保持しつつ、頭部で受けたトルクを軸部に伝えることができるため、首振り機構としては好適である。

【0014】

第４の発明によれば、被締付体が熱ひずみの発生に伴う変形と復元を繰り返したとしても、首振り機構により、ボルトの頭部の座面が被締付体の表面に追従するので、頭部を揺動させる応力の印加が繰り返されても頭部が折損することはない。また、被締付体に設けられた連通孔と頭部側連結部それぞれの径の大小関係により、頭部が揺動した際に、頭部側連結部と連通孔の内壁との干渉を避けることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】第１の実施形態に係るボルトの分解斜視図である。

【図2】ボルトの被締付体である排気マニホールドと締め付け相手となるシリンダヘッドを示した図である。

【図3】締め付けに第１の実施形態に係るボルトを用いた場合の図２における線III－IIIに沿った断面図である。

【図4】フランジに熱ひずみが発生した場合における第１の実施形態に係るボルトの頭部の揺動を説明する図である。

【図5】第２の実施形態に係るボルトの分解斜視図である。

【図6】締め付けに第２の実施形態に係るボルトを用いた場合の図２における線III－IIIに沿った断面図である。

【図7】フランジに熱ひずみが発生した場合における第２の実施形態に係るボルトの頭部の揺動を説明する図である。

【図8】揺動可能な首振り機構を有するボルトの変形例を示す図である。

【図9】変形例のボルトを回すためのソケットを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

〈第１の実施形態〉
以下、本発明の一実施形態に係る について説明する。

【0017】

図１は、本実施形態に係るボルト１０の分解斜視図である。図１に示すように、ボルト１０は、円柱状の軸部３０と、軸部３０の一方端に設けられる頭部２０とを有する。軸部３０は、雄ねじが形成されたねじ部３１と、形成されていない円柱部３２を備え、円柱部３２の上面３２ａに、軸部側連結部に相当する第１ヨーク部６０を有する。頭部２０は、工具からのトルクを受ける六角部２１と座部２２からなる大径部２５を有するとともに、座部２２の座面２２ａには、頭部側連結部に相当する第２ヨーク部４０を有する。なお、大径部２５の外径Ａは、軸部の外径Ｂよりも大きく設定されている。

【0018】

ボルト１０では、軸部３０に対して頭部２０が揺動可能となるように、首振り機構として、第１ヨーク部６０と、第２ヨーク部４０を連結し、自在継手７０を構成している。具体的には、自在継手７０は、十字形に突出する４本のピン５１～５４を備えたクロスピン５０と、クロスピン５０において同軸の２本のピン５２、５４を第１の軸として回転可能に支持する第１ヨーク部６０と、残りの同軸の２本のピン５１、５３を第２の軸として回転可能に支持する第２ヨーク部４０と、から構成される。

【0019】

第１ヨーク部６０は、具体的には、軸部３０における円柱部３２の上面３２ａから突出した２つの突起６１、６２からなり、突起６１の外面６１ａおよび突起６２の外面６２ａと、円柱部３２の外周面３２ｂとは連なっている。

【0020】

第２ヨーク部４０は、具体的には、頭部２０における座部２２の座面２２ａから突出した２つの突起４１、４２からなり、外面４１ａから外面４２ａまでの最大幅である外径Ｃと、軸部３０の外径Ｂとは同じである。これらの突起４１、４２と突起６１、６２に設けられたそれぞれのピン孔に対し、クロスピン５０のピン５１～５４を挿入することで、自在継手７０として機能する。なお、突起４１、４２の外面４１ａ、４２ａおよび突起６１、６２の外面６１ａ、６２ａは、曲面になっており、それぞれのピン孔に挿入されたピン５１～５４の先端についても、その曲面に合わせた形状となっている。

【0021】

図２は、ボルト１０の被締付体に相当する排気マニホールド１００と締め付け相手となる相手材に相当するシリンダヘッド１３０を示した図である。図３は、図２における線III－IIIに沿った断面図である。なお、図２では、シリンダヘッド１３０に対してフランジ１１０を締め付けているボルト１０を省略している。図２、３に示すように、排気マニホールド１００は、フランジ１１０を有しており、フランジ１１０とシリンダヘッド１３０の間にガスケット１２０を挟んだうえでシリンダヘッド１３０に取り付けられる。

【0022】

シリンダヘッド１３０には、軸部３０のねじ部３１をねじ込むねじ穴１３２が複数設けられており、フランジ１１０とガスケット１２０には、軸部３０が挿通されてねじ穴１３２へと通じる連通孔１１１、１２１がそれぞれ設けられている。このような連通孔１１１、１２１とねじ穴１３２に対しボルト１０の軸部３０を入れてねじ込んでいくと、頭部２０の座面２２ａがフランジ１１０の表面１１３に当接し、さらにねじ込むことによってシリンダヘッド１３０に対しフランジ１１０をガスケット１２０と併せて締め付ける。

【0023】

図３に示すように、シリンダヘッド１３０には、上述したように、ボルト１０の軸部３０におけるねじ部３１をねじ込むねじ穴１３２が設けられている。また、フランジ１１０とガスケット１２０には、ねじ穴１３２に対応する連通孔１１１、１２１が設けられている。ここで、連通孔１１１、１２１の内径Ｒは、第２ヨーク部４０の外径Ｃより大きく設定されている。したがって、ボルト１０の軸部３０におけるねじ部３１が連通孔１１１、１２１を通ってねじ穴１３２にねじ込まれ、頭部２０の座面２２ａによってフランジ１１０とガスケット１２０がシリンダヘッド１３０に対して押し付けられた場合に、第２ヨーク部４０と連通孔１１１の内壁１１２には隙間Ｌが存在することになる。

【0024】

図４は、フランジ１１０に熱ひずみが発生した場合におけるボルト１０の頭部２０の揺動を説明する図である。図４に示すように、エンジン運転中は、シリンダヘッド１３０、ガスケット１２０、フランジ１１０ともに高熱となるため、熱膨張により熱ひずみが発生し、例えばフランジ１１０がしなり、冷却時における状態と比べると、フランジ１１０の表面１１３が変形する。そして、エンジンが停止すれば、熱膨張は収まり、フランジ１１０は元の形に復元する。従来のボルトの場合、このようなフランジ１１０の表面１１３の変形と復元により、ボルトの首下に応力が集中し、ボルトの折損等重大な不具合に至る場合があった。

【0025】

なお、フランジ１１０の表面１１３が変形する態様としては様々な場合があり、そもそもフランジ１１０やガスケット１２０の加工精度が悪く、冷却時においてフランジ１１０がしなっていて、熱膨張によってそのしなりが元に戻る、ということもある。いずれにせよ、エンジン周りに配置されるフランジ１１０やガスケット１２０は、冷却時における状態と加熱時における状態でその形状が変化し、フランジ１１０の表面１１３が変形（復元）するため、ボルト１０の座面２２ａを直接フランジ１１０に接触させずにカラーを用いていた。

【0026】

しかしながら、本実施形態に係るボルト１０は、頭部２０が軸部３０に対して自在継手７０により接合されることで、揺動可能な首振り機構を有する結果、ボルト１０の座面２２ａによる押付け力を保ったまま、フランジ１１０の表面１１３に追従して頭部２０を動かすことができる。また、その際、隙間Ｌにより、突起４１や突起４２と連通孔１１１の内壁１１２とが干渉することはない。つまり、図４に示すように頭部２０が揺動する際、突起４１の根本部分や、突起４２の先端部分については、軸部３０における円柱部３２の延長線上からはみ出ることになる。そのため、仮に隙間Ｌが無く、突起４１や突起４２と内壁１１２が近接していると、干渉が起こってしまう。隙間Ｌは、このような干渉を避けるために設けられたものである。

【0027】

以上のように、ボルト１０の座面２２ａを直接フランジ１１０に接触させた場合に、エンジンの熱により上述したようなフランジ１１０の表面１１３の変形が起こったとしても、当該変形を自在継手７０が吸収するため、ボルト１０の首下に応力が集中するということはない。よって、本実施形態に係るボルト１０によれば、カラー等を用いてボルト１０を大きく突出させることなく、被締付体である排気マニホールド１００の熱ひずみによる影響を回避し、ボルト１０における頭部２０の折損等を防止することができる。

【0028】

〈第２の実施形態〉
続いて、本発明の第２の実施形態に係るボルト２００について説明する。本実施形態に係るボルト２００は、実施形態１と異なり、第２ヨーク部２４０の外径Ｗが軸部３０の外径Ｂより小さい点が特徴である。なお、実施形態１にてすでに説明した事項については適宜説明を省略する。

【0029】

図５は、本実施形態に係るボルト２００の分解斜視図である。図５に示すように、第２ヨーク部２４０は、第１の実施形態と同様、頭部２０の座面２２ａから突出した２つの突起２４１、２４２からなる。突起２４１の外面２４１ａから突起２４２の外面２４２ａまでの外径Ｗは、第１の実施形態と異なり、軸部３０の外径Ｂより小さく設定されている。

【0030】

第１ヨーク部２６０は、第１の実施形態と同様、軸部３０における円柱部３２の上面３２ａから突出した２つの突起２６１、２６２からなる。突起２６１の外面２６１ａから突起２６２の外面２６２ａまでの幅は、突起２４１の外面２４１ａから突起２４２の外面２４２ａまでの外径Ｗに合わせてある。これらの突起２４１、２４２と突起２６１、２６２に設けられたそれぞれのピン孔に対し、クロスピン２５０のピン２５１～２５４を挿入することで、自在継手７５として機能する。なお、クロスピン２５０のピン２５１～２５４の長さは、上述した各幅に合わせるべく、第１の実施形態に比較してそれぞれ短く設定されている。

【0031】

図６は、ボルト２００を用いた場合の図２における線III－IIIに沿った断面図である。図６に示すように、シリンダヘッド１３０には、ボルト２００の軸部３０におけるねじ部３１をねじ込むねじ穴１３２が設けられている。また、フランジ１１０とガスケット１２０には、ねじ穴１３２に対応する連通孔１１５、１２５が設けられている。ここで、連通孔１１５、１２５の内径Ｒ１は、ねじ穴１３２の内径Ｒ２と同じに設定されている。しかし、上述したように、突起２４１の外面２４１ａから突起２４２の外面２４２ａまでの外径Ｗが、軸部３０の外径Ｂより小さく設定されているため、当然、第２ヨーク部２４０と連通孔１１５の内壁１１６には隙間Ｌが設けられることになる。

【0032】

図７は、フランジ１１０に熱ひずみが発生した場合におけるボルト２００の頭部２０の揺動を説明する図である。図７に示すように、本実施形態に係るボルト２００は、第１の実施形態と同様、頭部２０が軸部３０に対して自在継手７０により接合されることで、揺動可能な首振り機構を有する結果、ボルト２００の座面２２ａによる押付け力を保ったまま、フランジ１１０の表面１１３に追従して頭部２０を動かすことができる。

【0033】

また、その際、隙間Ｌにより、突起２４１や突起２４２と連通孔１１５の内壁１１６とが干渉することはない。つまり、突起２４１の根本部分や、突起２４２の先端部分については、もともと軸部３０における円柱部３２の延長線上より内側にあるため、頭部２０が揺動しても延長線上からはみ出ることはない。

【0034】

以上のように、相手材であるシリンダヘッド１３０に対し被締付体である排気マニホールド１００をボルト２００によって締め付ける場合、シリンダヘッド１３０にはボルト２００の軸部３０をねじ込むねじ穴１３２が、排気マニホールド１００のフランジ１１０やガスケット１２０には軸部３０が挿通されてねじ穴１３２へと通じる連通孔１１５、１２５が、それぞれ設けられている。そして、連通孔１１５、１２５とねじ穴１３２の径がそれぞれ同じ大きさであっても、第２ヨーク部２４０の外径Ｗが軸部３０の外径Ｂに収まっているため、第２ヨーク部２４０と連通孔１１５の内壁１１６との干渉を避けることができる。

【0035】

本発明のボルト１０、２００は、本実施の形態で説明した外観、構成、構造等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。また、ボルト１０、２００による被締付体やその相手材として、シリンダヘッド１３０、排気マニホールド１００、ガスケット１２０を例に説明したが、これらに限定されるものではない。例えば、熱ひずみ以前に、そもそも被締付体の加工精度が悪く、ボルト１０、２００の座面２２ａが当接する被締付体の表面において、ねじ穴に対する直角が出ていない場合であっても、頭部２０の揺動によりバラつきを吸収できるため、このような被締付体であっても締め付けを可能とする。

【0036】

また、上述した各実施形態では、ボルトの頭部と軸部を自在継手により接合したが、揺動可能な首振り機構が実現できればよく、例えばボールジョイントにより接合してもよい。具体的には、図８に示すように、軸部３０における円柱部３２の上面３２ａに球部３１０（軸部側連結部）を設けるとともに、頭部２０の座面２２ａには、球受け３２０（頭部側連結部）を設けることで、軸部３０に対して頭部２０が揺動するボルト３００とすることもできる。

【0037】

さらに、頭部２０から球部３１０にかけて六角穴３３０が設けられており、図９に示すようなソケット４００を用いて頭部２０と軸部３０の両方にトルクをかけることができる。つまり、ソケット４００は、頭部２０の六角部２１に対応する六面４１０を有し、六角穴３３０に対応する六角棒４２０を有する。ソケット４００を別途用意されたハンドルに取り付けてボルト３００を回すツールとして利用することができる。

【0038】

また、クロスピンの形状として十字状のものを例に挙げたが、十字形に突出する４本のピンを備えたものであればよく、例えば立方体や球からなるコマ部から４本のピンが突出したものをクロスピンとしてもよい。また、より滑らかに頭部２０を揺動させるべく、第１ヨーク部６０や第２ヨーク部４０におけるピン孔にベアリングを組み込むこともできる。

【0039】

また、頭部２０における大径部２５は、六角部２１と座部２２からなるものとして説明したが、六角部２１のみとしてもよい。その場合、六角部２１の外径を軸部３０の外径Ｂより大きくし、六角部２１における軸部３０側の面を座面とし、その座面より第２ヨーク部４０、２４０が形成されるものとすればよい。

【符号の説明】

【0040】

１０ ボルト
２０ 頭部
２１ 六角部
２２ 座部
２２ａ 座面
２５ 大径部
３０ 軸部
３１ ねじ部
３２ 円柱部
３２ａ 上面
３２ｂ 外周面
４０ 第２ヨーク部
４１ 突起
４１ａ 外面
４２ 突起
４２ａ 外面
５０ クロスピン
６０ 第１ヨーク部
６１ 突起
６１ａ 外面
６２ 突起
６２ａ 外面
７０ 自在継手
１００ 排気マニホールド
１１０ フランジ
１１１ 連通孔
１１２ 内壁
１１３ 表面
１２０ ガスケット
１３０ シリンダヘッド

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】