(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物に形成された雌ねじ部にボルトを螺合させて、該構造物を締結するボルトの締結構造において、
上記雌ねじ部の奥部に連続して空洞部を形成し、上記ボルトの有効ねじ部の先端位置を、該雌ねじ部の最奥端と、該最奥端からボルトの基端側に２ピッチ分変位した位置との間に設定したことを特徴とするボルトの締結構造。
【請求項２】
上記構造物がエンジンのクランクケースであって、上記ボルトは該クランクケースに対してメーンベアリングキャップを締結するキャップボルトであることを特徴とする請求項１に記載のボルトの締結構造。
【請求項３】
上記構造物がエンジンのクランクケースであって、上記ボルトは該クランクケースに対してシリンダヘッドを締結するヘッドボルトであることを特徴とする請求項１に記載のボルトの締結構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造物に形成された雌ねじ部にボルトを螺合させて、該構造物を締結するボルトの締結構造に関するものである。
【０００２】
【関連する背景技術】
この種のボルトの締結構造として、例えば実開平１−１４３４１８号公報に記載のものを挙げることができ、この公報では、エンジンのコンロッド本体にキャップを締結するためのスタッドボルトの締結構造として具体化されている。スタッドボルトはコンロッド本体に形成された雌ねじ部に螺合されているが、雌ねじ部の奥部には連続して空洞部が形成され、この空洞部の底面の隅部がＲ状に形成されると共に、スタッドボルトの先端が空洞部内に突出している。以上の構成は、コンロッド本体に対するスタッドボルトの螺合部分への応力集中を緩和することを目的としたものである。
【０００３】
即ち、エンジン運転中において、スタッドボルトは上昇時のピストンの慣性に抗してコンロッド本体とキャップとを締結し続け、このときのコンロッド本体は、スタッドボルトの先端を境界として、上側部分にピストンの慣性による上方への力を受け、下側部分にスタッドボルトの締結により反力として下方への力を受け、境界部分で応力が急変することになる。そして、仮にスタッドボルトの先端が雌ねじ部の途中に位置する場合には、ボルト先端と対応する雌ねじ部の谷に応力が集中してしまうことになる。
【０００４】
そこで、上記公報では、スタッドボルトの先端を空洞部内に突出させることで、雌ねじ部に代えて空洞部の底面に応力を発生させ、その底面の隅部をＲ状に形成して応力集中を緩和している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載のボルトの締結構造を、例えばクランクケースに対するメーンベアリングキャップの結合部分に適用した場合には、以下に述べる問題が生じる。つまり、上記コンロッドにおいて空洞部の隅部への応力が緩和されるのは、隅部をＲ状に形成したことのみならず、空洞部がコンロッドの肩部に位置して周囲の肉厚が薄いため、空洞部全体が弾性変形して応力を分散させるためである。
【０００６】
しかしながら、クランクケースの場合には雌ねじ部の先端に空洞部を形成しても、その周囲に十分な肉厚があるため、コンロッドのように応力で空洞部全体が弾性変形することはほどんどなく、結果として空洞部の隅部に応力が集中してしまう。つまり、クランクケース等の場合には、単に空洞を形成するだけではボルト螺合部分の強度の点で逆効果となってしまうため、より効果的なボルトの締結構造が望まれていた。
【０００７】
本発明の目的は、構造物に対するボルトの螺合部分の特定箇所に応力が集中することを防止して、高い締結強度を実現することができるボルトの締結構造を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明では、構造物に形成された雌ねじ部にボルトを螺合させて、構造物を締結するボルトの締結構造において、雌ねじ部の奥部に連続して空洞部を形成し、ボルトの有効ねじ部の先端位置を、雌ねじ部の最奥端と、最奥端からボルトの基端側に２ピッチ分変位した位置との間に設定した。
【０００９】
そして、ボルトによる締結は構造物に対する螺合範囲で作用するため、構造物は、ボルトの有効ねじ部の先端を境界として先端側部分と基端側部分で逆方向の力を受け、境界部分で応力が急変することになる。
ここで、例えば図２に示すように、ボルトの有効ねじ部の先端を雌ねじ部の最奥端に一致させた場合、実際にボルトが螺合による締結力を作用させる領域は、有効ねじ部の最先端の山より基端側の領域、つまり、有効ねじの先端から半ピッチ基端側にずれた位置以降の領域となる。その結果、図３の▲１▼に示すように、キャップボルトの締結による応力は、空洞部の底面の隅部と半ピッチ基端側の雌ねじ部の谷とに分散される。
【００１０】
又、上記状態から、例えば図４に示すように、ボルトの有効ねじ部の先端を基端側に２ピッチ分変位させると、それに伴って螺合による締結力が作用する位置も下がって空洞部から離間することになる。その結果、図３の▲２▼に示すように、雌ねじ部側の応力を分散させる空洞部の作用が弱められて、上記状態に比較して、隅部の応力が低下すると共に、雌ねじ部の谷の応力が増加する。
【００１１】
そして、本発明者が実施した試験では、ボルトの有効ねじ部の先端を雌ねじ部の最奥端から２ピッチ分を越えて変位させると、雌ねじ部側が強度不足となることが判明しており、逆に、ボルトの有効ねじ部の先端を空洞部内に僅かでも突出させると、図５に示した従来技術と同じくボルトによる締結力が空洞部の底面に集中するため、図３の▲３▼に示すように、空洞部の隅部の応力が増加して強度不足となる。
【００１２】
その結果、ボルトの有効ねじ部の先端位置を、雌ねじ部の最奥端と、最奥端からボルトの基端側に２ピッチ分変位した位置との間に設定すれば、ボルトの締結によって発生した応力を空洞部の隅部と雌ねじ部の谷とに適切に分散させて、特定箇所への応力集中を緩和可能となる。
又、請求項２の発明では、構造物をエンジンのクランクケースとし、ボルトを、クランクケースに対してメーンベアリングキャップを締結するキャップボルトとしており、請求項３の発明では、構造物をエンジンのクランクケースとし、ボルトを、クランクケースに対してシリンダヘッドを締結するヘッドボルトとした。
【００１３】
従って、キャップボルトやヘッドボルトの螺合によりクランクケース側の雌ねじ部に発生する応力が分散されて、応力集中が緩和される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をクランクケースに対してメーンベアリングキャップを固定するためのボルトの締結構造に具体化した一実施形態を説明する。
図１は本実施形態のボルトの締結構造が適用されたクランクケースの左半分を示す部分断面図である。この図に示すように、構造物としてのクランクケース１内には段状のキャップ嵌合部２が形成され、このキャップ嵌合部２には下方よりメーンベアリングキャップ３が嵌合されている。クランクケース１とメーンベアリングキャップ３にはそれぞれ半円状のベアリング支持部１ａ，３ａが形成され、これらのベアリング支持部１ａ，３ａは相対応して円状をなし、その内部には、図示しないメインベアリングを介してクランクシャフトのメーンジャーナルが回転可能に支持されている。尚、メーンベアリングキャップ３は、クランクシャフトのメーンジャーナルと対応して複数個配置されている。
【００１５】
前記メーンベアリングキャップ３はクランクケース１に対して一対のキャップボルト４により締結されており、以下にその締結構造を詳述する。
ベアリング支持部１ａ，３ａを挟んだメーンベアリングキャップ３の左右両側には、それぞれボルト孔３ｂが上下方向に貫設され、これらのボルト孔３ｂと対応するように、クランクケース１には所定深さの雌ねじ部５が形成されている。メーンベアリングキャップ３の各ボルト孔３ｂにはキャップボルト４が下方より挿入され、各キャップボルト４はクランクケース１の雌ねじ部５に螺合して、メーンベアリングキャップ３をクランクケース１に締結している。
【００１６】
ここで、キャップボルト４には、完全なねじ部（以下、有効ねじ部４ａという）の先端側に僅かな不完全ねじ部４ｂが形成されており、以下の説明で有効ねじ部４ａの先端と称した場合には、不完全ねじ部４ｂを含めない有効ねじ部４ａ自体の先端４ｃ（図２に一点鎖線で示す）を指すものとする。尚、不完全ねじ部４ｂを有しないキャップボルトを用いてもよく、その場合には、有効ねじ部４ａの先端４ｃがキャップボルトの先端と一致することになる。
【００１７】
図２はキャップボルトの先端部分を示す拡大断面図である。この図に示すように、雌ねじ部５の上端には連続して空洞部６が形成され、この空洞部６は、雌ねじ部５と軸心Ｌを一致させた若干大径の円筒状をなし、その底面６ａ及び上面６ｂの隅部６ｃはＲ状に形成されている。そして、本実施形態では、前記キャップボルト４の有効ねじ部４ａの先端４ｃがクランクケース１の雌ねじ部５の上端（換言すれば、空洞部６の底面６ａ）に位置するように、キャップボルト４の長さが設定されている。尚、図中の７は、雌ねじ部５を形成した際の下穴である。
【００１８】
次に、以上のように構成されたボルトの締結構造における作用、より詳しくは、キャップボルト４の締結による応力の発生状況を説明する。
エンジン運転中において、燃焼室で発生したガス圧はピストン及びコンロッドを介してクランクシャフトに回転力を付与し、このときのキャップボルト４は引張力に抗してクランクケース１とメーンベアリングキャップ３とを締結し続ける。キャップボルト４による締結はクランクケース１に対する螺合範囲で作用するため、クランクケース１は、キャップボルト４の有効ねじ部４ａの先端４ｃを境界として、上側部分にガス圧荷重の反力による上方への力を受け、下側部分にキャップボルト４の締結により、メーンベアリングキャップ３にガス圧荷重による下方への力を受け、境界部分で応力が急変することになる。
【００１９】
上記のようにキャップボルト４の有効ねじ部４ａの先端４ｃは雌ねじ部５の上端と一致しているが、実際にキャップボルト４の螺合による締結力が作用する領域は、有効ねじ部４ａの最上の山（図２にポイントＡで示す）より下方の領域、つまり、有効ねじ部４ａの先端４ｃから半ピッチ下がった位置より下方の領域となる。従って、本実施形態のボルトの締結構造では、キャップボルト４の締結によりガス圧荷重による応力が急変する境界部分が空洞部６の底面６ａとは一致せず、ほぼ半ピッチ下方に位置する。その結果、ガス圧荷重による応力は、空洞部６の底面６ａの隅部６ｃと半ピッチ下方の雌ねじ部５の谷（つまり、図２のポイントＡ）とに分散されることになる。
【００２０】
本発明者は、キャップボルト４の有効ねじ部４ａの先端位置に応じて、空洞部６の底面６ａの隅部６ｃに発生する応力と雌ねじ部５の谷に発生する応力とがどのように変化するかを、試験により確認した。図３はその試験結果を示す説明図であり、横軸は有効ねじ部４ａの先端位置を表し（右側ほど有効ねじ部４ａの先端４ｃが上方に位置する）、縦軸は発生する応力を表している。
【００２１】
今、有効ねじ部４ａの先端４ｃを雌ねじ部５の上端と一致させた本実施形態の場合を▲１▼とし、図４に示すように、有効ねじ部４ａの先端４ｃを雌ねじ部５の上端から２ピッチ分下げた場合を▲２▼とし、図５に示すように、有効ねじ部４ａの先端４ｃを空洞部６内に２ピッチ分突出させた場合（例えば、従来技術の実開平１−１４３４１８号公報の場合と同位置）を▲３▼として、これらの３例を比較する。
【００２２】
▲３▼の従来技術の場合には、雌ねじ部５の谷に発生する応力はかなり低いが、空洞部６の隅部６ｃに発生する応力が極めて高くなり、隅部６ｃ側の強度に余裕がないことが推測できる。つまり、図５のように有効ねじ部４ａの先端４ｃを空洞部６内に突出させると、キャップボルト４による締結力は雌ねじ部５の上端、即ち、空洞部６の底面６ａに作用し、これによる応力は主に隅部６ｃに発生する。そして、従来技術のコンロッドでは空洞部の周囲の肉厚が薄いことから、空洞部全体が変形して隅部への応力集中を緩和できたのに対して、本実施形態のクランクケース１では空洞部６の周囲の肉厚が厚いことから、空洞部全体の変形が妨げられて隅部６ｃに応力が集中するためである。
【００２３】
又、▲１▼の本実施形態の場合には▲３▼に比較して、雌ねじ部５の谷の応力は若干増加するものの、隅部６ｃの応力が大幅に低下するため、▲３▼で発生した隅部６ｃの強度不足が解消される。つまり、図２のように有効ねじ部４ａの先端４ｃを雌ねじ部５の上端と一致させると、上記したようにキャップボルト４の螺合により、ガス圧荷重による影響は、有効ねじ部４ａの先端４ｃより半ピッチ下がった領域に作用し、結果として応力が空洞部６の底面６ａの隅部６ｃと半ピッチ下方の雌ねじ部５の谷とに分散されるためである。
【００２４】
一方、▲２▼の場合には▲１▼に比較して、雌ねじ部５の谷の応力が更に増加しているが、その応力は、例えば▲３▼の隅部６ｃに発生する応力よりはかなり低いため、雌ねじ部５の強度は確保されていると推測できる。つまり、図４のように有効ねじ部４ａの先端４ｃを雌ねじ部５の上端から下げると、それに伴って螺合による締結力が作用する位置（ポイントＡ）も下がって空洞部６から離間することになる。これは、雌ねじ部５側の応力を分散させる空洞部６の作用が弱められることを意味し、結果として図３のように、隅部６ｃの応力の低下に代えて、雌ねじ部５の谷の応力が増加しているのである。
【００２５】
そして、本発明者が実施した試験では、キャップボルト４の有効ねじ部４ａの先端４ｃを雌ねじ部５の上端から２ピッチ分を越えて下げると、雌ねじ部５側が強度不足となることが判明しており、逆に、キャップボルト４の有効ねじ部４ａの先端４ｃを空洞部６内に僅かでも突出させると、図５と同様にキャップボルト４による締結力が空洞部６の底面６ａに集中するため、空洞部６の隅部６ｃ側が強度不足となる。よって、キャップボルト４の有効ねじ部４ａの先端４ｃは、雌ねじ部５の上端と一致する図２を上限位置とし、雌ねじ部５の上端から２ピッチ分下がった図４を下限位置として設定することが望ましく、この範囲内であれば、キャップボルト１の先端位置を変更しても同様の作用効果が得られる。
【００２６】
以上のように本実施形態のボルトの締結構造では、クランクケース１に形成した雌ねじ部５の奥部に連続して空洞部６を形成し、メーンベアリングキャップ３を締結するためのキャップボルト４の有効ねじ部４ａの先端４ｃを、雌ねじ部５の上端と一致させた。よって、キャップボルト４の螺合により、ガス圧荷重による影響が有効ねじ部４ａの先端４ｃより半ピッチ下がった領域に作用し、キャップボルト４の応力を、空洞部６の底面６ａの隅部６ｃと半ピッチ下方の雌ねじ部５の谷とに適切に分散できる。よって、キャップボルト４の螺合部分の特定箇所への応力集中を緩和して、高い締結強度を実現することができる。
【００２７】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、クランクケース１に対してメーンベアリングキャップ３を固定するためのキャップボルト４の締結構造に具体化したが、空洞部６の周囲の肉厚が厚くて、空洞部６全体の弾性変形による応力緩和が期待できないものであれば、他の部位に適用してもよい。例えば、クランクケースにシリンダヘッドを締結するためのヘッドボルトの締結構造、或いはシリンダヘッドにカムキャップを締結するためのカムキャップボルトの締結構造に具体化してもよい。何れの場合も、雌ねじ部５の上端に対してボルトの有効ねじ部の先端を上記実施形態と同じ位置に設定すれば、同様の作用効果を得ることができる。更に適用する対象はエンジンに限ることはなく、例えば工作機械等に用いられるボルトの締結構造に具体化してもよい。
【００２８】
又、上記実施形態では、キャップボルト４の有効ねじ部４ａの先端４ｃを雌ねじ部５の上端と一致させたが、実施形態中でも述べたように、キャップボルト４の先端４ｃは、雌ねじ部５の上端と一致する位置から２ピッチ分下がった位置までの範囲内で任意に変更できる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のボルトの締結構造によれば、ボルトの螺合により構造物の雌ねじ部に発生するガス圧荷重による応力を空洞部の底面の隅部と雌ねじ部の谷とに適切に分散できるため、特定箇所に応力が集中することを防止して、高い締結強度を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態のボルトの締結構造が適用されたクランクケースの左半分を示す部分断面図である。
【図２】キャップボルトの有効ねじ部の先端を雌ねじ部の上端と一致させた場合（実施形態に相当）を示す拡大断面図である。
【図３】キャップボルトの有効ねじ部の先端位置と応力との関係を示す説明図である。
【図４】キャップボルトの有効ねじ部の先端を雌ねじ部の上端から２ピッチ分下げた場合（別例に相当）を示す拡大断面図である。
【図５】キャップボルトの有効ねじ部の先端を空洞部内に２ピッチ分突出させた場合（従来技術に相当）を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１    クランクケース（構造物）
４    キャップボルト
４ａ  有効ねじ部
４ｃ  先端
５    雌ねじ部
６    空洞部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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