(57)【要約】【課題】締付けに要する工数を削減し、量産性を高める。【解決手段】本発明は、軽合金製の被締結部材２を締結するためのボルト１であって、被締結部材２より引張り強さが大きく且つ線膨張係数が小さい材質により形成され、首下部分にフランジ部４が一体に形成され、フランジ部４の座面側には、被締結部材２の締結時に被締結部材２のボルト穴７の周囲の角部９を塑性変形可能なように、軸部５の付け根の周囲にテーパ部６が形成されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軽合金製の被締結部材を締結するためのボルトであって、
前記被締結部材より引張り強さが大きく且つ線膨張係数が小さい材質により形成され、首下部分にフランジ部が一体に形成され、該フランジ部の座面側には、前記被締結部材の締結時に該被締結部材のボルト穴の周囲の角部を塑性変形可能なように、軸部の付け根の周囲にテーパ部が形成されていることを特徴とするボルト。
【請求項２】
車両用構造部材の締結に使用する呼び径がＭ２０サイズ以下のボルトであって、前記テーパ部の外径が前記ボルト穴の内径より１〜４ｍｍ大きく且つ前記テーパ部の軸方向の長さが１．０〜３．５ｍｍとなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のボルト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金やマグネシウム合金等の被締結部材を締結するためのボルトであって、特に、車両用構造部材の締結に使用する呼び径がＭ２０サイズ以下のボルトに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の燃費の向上を図るため、軽量化のニーズが高まり、アルミニウム合金やマグネシウム合金等の鋼材よりも軽量な合金（軽合金）の採用が増えてきている。
【０００３】
しかしながら、これらの軽合金は、耐熱性が低いため、高温環境下で使用する際に問題があり、特に、ボルトで締結する場合に深刻な問題が生じる場合がある。すなわち、高温環境下において、アルミニウム合金製やマグネシウム合金製の被締結部材を、一般に用いられる鋼製のボルトで締結した場合、線膨張係数の高いアルミニウム合金製やマグネシウム合金製の被締結部材が大きく熱膨張するのに対し、線膨張係数の低い鋼製のボルトの熱膨張が小さいため、被締結部材の座面圧が大きく上昇する。そして、この状態が長く続くと、被締結部材の座面は、耐力の低下やクリープ変形により塑性変形を起こし、後に常温に戻った際にボルトの締付軸力が大きく低下してしまい、ボルトが緩むといった問題が生じるおそれがある。
【０００４】
そこで、従来、この種の問題を解決するため、初期締付工程において、ボルトの弾性域内で締め付けることにより被締結部材の座面を予め塑性変形させて被締結部材の弾性限度を高め、前記初期締付工程後の最終締付工程において、ボルトを緩めてボルト及び被締結部材を弾性域内で締付け、最終締付工程後に熱応力負荷が作用しても、被締付部材の塑性変形の進行を抑制しようとするボルト締結方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−７８３１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記した従来のボルト締付方法では、予め座面を塑性変形させる初期締付工程と、該初期締付程後にボルトを緩めてボルトと被締結部材を弾性域内で締付ける最終締付工程とを必要とするため、締付けに要する工数が増加し、量産性に欠けるといった問題がある。
【０００７】
本発明は上記した課題を解決すべくなされたものであり、締付けに要する工数を削減し、量産性を高めることのできるボルトを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した目的を達成するため、本発明は、軽合金製の被締結部材を締結するためのボルトであって、前記被締結部材より引張り強さが大きく且つ線膨張係数が小さい材質により形成され、首下部分にフランジ部が一体に形成され、該フランジ部の座面側には、前記被締結部材の締結時に該被締結部材のボルト穴の周囲の角部を塑性変形可能なように、軸部の付け根の周囲にテーパ部が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係るボルトは、車両用構造部材の締結に使用する呼び径がＭ２０サイズ以下のボルトであって、前記テーパ部の外径が前記ボルト穴の内径より１〜４ｍｍ大きく且つ前記テーパ部の軸方向の長さが１．０〜３．５ｍｍとなるように形成されているのが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高温環境下の締結時における軸力の低下を確実に防止することができると共に、締付けに要する工数を削減し、量産性を高めることができる等、種々の優れた効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係るボルトを示す側面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るボルトにより締結される被締結部材を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るボルトにより被締結部材を締結した状態を示す断面図である。
【図４】比較例のボルトを示す側面図である。
【図５】比較例のボルトにより被締結部材を締結した状態を示す断面図である。
【図６】ボルトの軸力低下率の測定結果について本発明の実施例１の場合と比較例の場合とを比較して示す図である。
【図７】ボルトの軸力低下率の測定結果について本発明の実施例２の場合と比較例の場合とを比較して示す図である。
【図８】ボルトの軸力低下率の測定結果について本発明の実施例３の場合と比較例の場合とを比較して示す図である。
【図９】ボルトの軸力低下率の測定結果について本発明の実施例４の場合と比較例の場合とを比較して示す図である。
【図１０】ボルトの軸力低下率の測定結果について本発明の実施例６の場合と比較例の場合とを比較して示す図である。
【図１１】ボルトの軸力低下率の測定結果について本発明の実施例７の場合と比較例の場合とを比較して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。ここで、図１は本発明の実施の形態に係るボルト１を示す側面図、図２はボルト１により締結される被締結部材２を示す断面図、図３はボルト１により被締結部材２を締結した状態を示す断面図である。なお、以下の説明では、本発明を、車両用構造部材の締結に使用する呼び径がＭ２０サイズ以下のボルトに適用した場合について説明する。
【００１３】
本発明の実施の形態に係るボルト１は、被締結部材２より引張り強さが大きく且つ線膨張係数が小さい材質により形成されており、例えば、鋼材により形成されている。
【００１４】
図１に示されているように、ボルト１は、頭部３と、頭部３の首下部分に一体に形成されたフランジ部４と、フランジ部４の座面側に一体に形成された軸部５とを備えて構成されている。軸部５には雄ネジが螺刻され、軸部５の付け根の周囲にはテーパ部６が形成されている。
【００１５】
また、被締結部材２は、例えば、ボルト１のフランジ部４の外径より十分に大きい円筒形状または形状のアルミニウム合金やマグネシウム合金により形成されており、被締結部材２には、図２に示されているように、ボルト１が挿通可能なボルト穴７が形成されている。
【００１６】
図３に示されているように、このような構成を備えたボルト１を被締結部材２のボルト穴７に挿通させ、ボルト１の先端部分を雌ネジが螺刻されたナット等の雌ネジ部材８に螺合すると、ボルト１のテーパ部６がボルト穴７の周囲の角部９を押圧し、角部９は局所的に塑性変形する。
【００１７】
これにより、ボルト１の締結時に高い応力が生じるボルト穴７の角部９周りの耐力を向上させ、高温に曝された後のボルト１の軸力低下を防止することができる。また、ボルト１の締結工程のみで被締結部材２の座面を塑性変形させることができ、予め被締結部材２の座面を塑性変形させる加工工程を必要としないため、締付けに要する工数を削減し、量産性を高めることができる。
【００１８】
【表１】
2013015203.tif 000003
表１及び図１〜３に示されているように、ボルト１の呼び径をｄ、テーパ部６の外径をｄｔ、テーパ部６の軸方向の長さをＬｔ、フランジ部４の外径をｄ０、被締結部材２のボルト穴７の内径をｄｈ、被締結部材２の外径をＤ、被締結部材２の被締結長さをＬ、雌ネジ部材８の外径をＤｎとした場合、テーパ部６の外径ｄｔがボルト穴７の内径ｄｈより１〜４ｍｍ大きくなるように形成するのが好ましい。
【００１９】
これにより、ボルト１の締結工程のみでボルト１の軸力の低下防止に必要な塑性変形領域を容易に被締結部材２のボルト穴７の角部９周りに与えることができる。仮に、テーパ部６の外径ｄｔがボルト穴７の内径ｄｈ＋１ｍｍ未満であるとすると、ボルト１の軸力低下を防止するために必要な被締結部材２の座面径方向の塑性変形が十分に得られない。また、テーパ部６の外径ｄｔがボルト穴７の内径ｄｈ＋４ｍｍ超の場合には、塑性変形領域が大きくなり、締付軸力ではフランジ部４と被締結部材２の座面とが接触できず、座面積が低下して面圧が大きくなり、高環境下での使用によりボルト１の軸力が大幅に低下してしまう。
【００２０】
また、ボルト１のテーパ部６の軸方向の長さＬｔが１．０〜３．５ｍｍとなるように形成するのが好ましく、さらに、ボルト１のフランジ部４の外径ｄ０は、テーパ部６の外径ｄｔ＋ｄ／２超となるように形成するのが好ましい。
【００２１】
これにより、ボルト１の締結工程のみで、ボルト１の軸力低下の防止に必要な塑性変形領域を容易に被締結部材２のボルト穴７の角部９周りに与えることができる。
【００２２】
また、被締結部材２の外径Ｄがｄ０超となるように形成するのが好ましい。
【００２３】
これにより、ボルト１と被締結部材２との座面積を確保し、高温環境下における使用時に座面圧の上昇によるボルト１の軸力低下を防止することができる。仮に、被締結部材２の外径Ｄがｄ０未満であるとすると、ボルト１と被締結部材２との座面積が小さく、高温環境下では、面圧が高くなるため、塑性変形領域があってもボルト１の軸力が大幅に低下してしまう。
【００２４】
また、被締結部材２の被締結長さＬがテーパ部６の軸方向の長さＬｔ＋１．５ｍｍ超となるように形成するのが好ましい。
【００２５】
これにより、ボルト１のテーパ部６と雌ネジ部材８との接触を防止すことができる。仮に、被締結長さＬがテーパ部６の軸方向の長さＬｔ＋１．５ｍｍ未満であるとすると、締結時の被締結部材２の変形によりボルト１のテーパ部６と雌ネジ部材８とが接触し、締結トルクや角度を増してもボルト１の軸力が上がらなくなる。
【００２６】
【表２】
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次に、表２に示すような機械的性質を有するボルトと被締結部材を使用して、比較例と各実施例１〜６とについてそれぞれボルトの軸力低下率を測定した結果について説明する。
【００２７】
図４は比較例のボルトを示す側面図、図５は比較例のボルトにより被締結部材を締結した状態を示す断面図である。比較例では、呼び径Ｍ１４×１．５でフランジ部４の外径ｄ０が２９ｍｍのテーパ部のない機械構造用合金鋼材（ＳＣＭ４３５）製のボルト１１と、外径Ｄｎが５０ｍｍの雌ネジ部材８とによって、外径Ｄが９０ｍｍ（ｄ０＋６１ｍｍ）、被締結長さＬが２５ｍｍ、ボルト穴７の内径ｄｈが１５．５ｍｍ（１．１ｄｍｍ）で、フランジ部４の外径ｄ０より十分に大きい円筒形状のアルミニウム合金製の被締結部材２を、軸力４０ｋＮで締結し、リラクゼーション試験(ボルト１１で被締結部材２を締結した状態において１００℃で１００時間保持後、常温まで冷却し、軸力を測定する試験)により熱履歴前後のボルト１１の軸力変化を測定した。その結果、図６に示すように、被締結部材２のクリープ変形により、ボルト１１の軸力低下率は△１２．２％と大きかった。
【００２８】
これに対して、実施例１では、図１に示すように、外径ｄｔが１７ｍｍ（ｄｈ＋１．５ｍｍ）で長さＬｔが１．８ｍｍのテーパ部６を有するボルト１を使用し、雌ネジ部材８及び被締結部材２については比較例と同じ形状及び材質のものを使用し、比較例と同一条件で前記リラクゼーション試験を実施し、ボルト１の軸力変化を測定した。
【００２９】
その結果、図６に示すように、被締結部材２のクリープ変形により、ボルトの軸力低下率は△１．９％となり、比較例よりも軸力低下率は大幅に改善した。
【００３０】
また、実施例２では、テーパ部６の外径ｄｔをそれぞれ１６．５ｍｍ（ｄｈ＋１．０ｍｍ）、１８．０ｍｍ（ｄｈ＋２．５ｍｍ）、１９．５ｍｍ（ｄｈ＋４．０ｍｍ）、２０．５ｍｍ（ｄｈ＋５．０ｍｍ）とした４種類のボルト１を使用し、その他のボルト１と被締結部材２及び雌ネジ部材８については実施例１と同じ形状及び材質のものを使用し、比較例と同一条件で前記リラクゼーション試験を実施し、ボルト１の軸力変化をそれぞれ測定した。
【００３１】
その結果、図７に示すように、軸力低下率は、ｄｔ＝１６．５ｍｍの時が△９%、ｄｔ＝１８．０ｍｍの時が△６%、ｄｔ＝１９．５ｍｍの時が△１０%、ｄｔ＝２０．５ｍｍの時はボルト１の締結時に被締結部材２のボルト穴７の角部９周りに亀裂が生じたため、測定は不可能であった。これらの結果から、ボルト１のテーパ部６の外径ｄｔは、ボルト穴７の内径ｄｈ＋１〜４ｍｍの範囲において、比較例よりも軸力低下の防止効果があることが分かる。
【００３２】
また、実施例３では、テーパ部６の長さＬｔをそれぞれ１ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍとした４種類のボルト１を使用し、その他のボルト１と被締結部材２及び雌ネジ部材８については実施例１と同じ形状及び材質のものを使用し、比較例と同一条件で前記リラクゼーション試験を実施し、ボルト１の軸力変化をそれぞれ測定した。
【００３３】
その結果、図８に示すように、軸力低下率は、Ｌｔ＝１ｍｍの時が△５%、Ｌｔ＝３ｍｍの時が△７%、Ｌｔ＝４ｍｍの時が△１６%、Ｌｔ＝５ｍｍの時はボルト１の締結時に被締結部材２のボルト穴７の角部９周りに亀裂が生じたため、測定は不可能であった。これらの結果から、ボルト１のテーパ部６の長さＬｔは、１〜３．５ｍｍの範囲において、比較例よりも軸力低下の防止効果があることが分かる。
【００３４】
また、実施例４では、フランジ部４の外径ｄ０をそれぞれ１８ｍｍ（ｄｔ＋ｄ／１４ｍｍ）、２３ｍｍ（ｄｔ＋６ｄ／１４ｍｍ）、３３ｍｍ（ｄｔ＋１６ｄ／１４ｍｍ）とした３種類のボルト１を使用し、その他のボルト１と被締結部材２及び雌ネジ部材８については実施例１と同じ形状及び材質のものを使用し、比較例と同一条件で前記リラクゼーション試験を実施し、ボルト１の軸力変化をそれぞれ測定した。
【００３５】
その結果、図９に示すように、軸力低下率は、ｄ０＝１８ｍｍの時が△２２%、ｄ０＝２３ｍｍの時が△１６%、ｄ０＝３３ｍｍの時が△２%であった。これらの結果から、ボルト１のフランジ部４の外径ｄ０は、テーパ部６の外径ｄｔ＋ｄ／２超（ｄｔ＋７ｄ／１４超）において、比較例よりも軸力低下の防止効果があることが分かる。
【００３６】
また、実施例５では、被締結部材２の外径Ｄをそれぞれ２０ｍｍ（ｄ０−９ｍｍ）、２５ｍｍ（ｄ０−４ｍｍ）、３５ｍｍ（ｄ０＋６ｍｍ）、６０ｍｍ（ｄ０＋３１ｍｍ）とした４種類のボルト１を使用し、その他のボルト１と被締結部材２及び雌ネジ部材８については実施例１と同じ形状及び材質のものを使用し、比較例と同一条件で前記リラクゼーション試験を実施し、ボルト１の軸力変化をそれぞれ測定した。
【００３７】
その結果、図１０に示すように、軸力低下率は、Ｄ＝２０ｍｍの時が△２８%、Ｄ＝２５ｍｍの時が△２０%、Ｄ＝３５ｍｍの時が△３%、Ｄ＝６０ｍｍの時が△５%であった。これらの結果から、被締結部材２の外径Ｄは、ボルト１のフランジ部４の外径ｄ０超において、比較例よりも軸力低下の防止効果があることが分かる。
【００３８】
また、実施例６では、被締結部材２の長さＬをそれぞれ１．８ｍｍ（Ｌｔ＋０ｍｍ）、３．０ｍｍ（Ｌｔ＋１．２ｍｍ）、１５ｍｍ（Ｌｔ＋１３．２ｍｍ）とした３種類のボルト１を使用し、その他のボルト１と被締結部材２及び雌ネジ部材８については実施例１と同じ形状及び材質のものを使用し、比較例と同一条件で前記リラクゼーション試験を実施し、ボルト１の軸力変化をそれぞれ測定した。
【００３９】
その結果、図１１に示すように、軸力低下率は、Ｌ＝３．０ｍｍの時が△１０%、Ｌ＝１５ｍｍの時が△３%、Ｌ＝１．８ｍｍの時はボルト１のテーパ部６と雌ネジ部材８とが接触し、締結トルクや角度が増しても軸力が上がらず、測定は不可能であった。これらの結果から、被締結部材２の被締結長さＬは、Ｌｔ＋１．５ｍｍ超において、比較例よりも軸力低下の防止効果があることが分かる。
【００４０】
なお、上記した実施の形態では、本発明を、車両用構造部材の締結に使用する呼び径がＭ２０サイズ以下のボルトに適用した場合について説明したが、これは本発明の用途をこの場合に限定する趣旨ではなく、本発明は、車両用構造部材以外の用途や、呼び径がＭ２０サイズを超えるボルトについても適用可能である。
【００４１】
また、上記したボルト１や被締結部材２の材質及び形状は単なる例示に過ぎず、例えば、被締結部材２の材質を線膨張係数が大きな亜鉛合金や亜鉛合金ダイカストとしたり、或いは被締結部材２の形状を四角柱や平板にしたりする等、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取ることのできる発明の要旨又は思想に反しない範囲で適宜変更が可能であり、そのような変更を伴う発明もまた本発明の技術思想に含まれることは言う迄もない。
【符号の説明】
【００４２】
１          ボルト
２          被締結部材
４          フランジ部
５          軸部
６          テーパ部
７          ボルト穴
９          角部
【図１】
2013015203.tif 000005
【図２】
2013015203.tif 000006
【図３】
2013015203.tif 000007
【図４】
2013015203.tif 000008
【図５】
2013015203.tif 000009
【図６】
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【図７】
2013015203.tif 000011
【図８】
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【図９】
2013015203.tif 000013
【図１０】
2013015203.tif 000014
【図１１】
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