JPH10239216A - 金属製可撓管の高温疲労試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温の排気ガス、エンジン自体の振動、走行
時の路面からの振動など、常時過酷な条件で使用される
金属製可撓管の耐久性を評価する高温疲労試験装置を得
る。 【解決手段】 金属製可撓管に引張と圧縮の繰り返し荷
重または繰り返し変位を与える加振手段と、前記金属製
可撓管の少なくとも一部を加熱する加熱手段とを有す
る。そして、加振手段が、電気−油圧式サーボ機構を有
し、加熱手段が、電熱炉によるか、燃焼ガスにより、金
属製可撓管が分割型の排気マニホルドに用いるものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は金属製可撓管の高温
疲労試験装置に関し、例えば自動車エンジン用の分割型
の排気マニホルドに用いる金属製可撓管の高温疲労を試
験する評価装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】大型トラックなどの多気筒エンジンでの
長尺な排気マニホルドにおいては、エンジンの運転・停
止の繰り返しにより熱変形や熱亀裂が起こるのを防止す
るため、２分割または３分割の構造とした分割型の排気
マニホルドとすることがある。このような分割型の排気
マニホルドにおいては、加熱・冷却に伴なう熱膨張・熱
収縮に対応できるように分割部が伸縮自在にされてい
る。

【０００３】例えば、特開平５−８６８５５号公報に
は、図７に示すように、一方のマニホルド部材７１の環
状突出端部７２の内面７３と他方のマニホルド部材７５
の環状突出端部７６の内面７７の内側にインナパイプ７
８が挿入されて連結部を構成し、双方のマニホルド部材
７１、７５の外面に、内側に屈曲した筒部８１ａ、８１
ｂを両側に有する蛇腹部８２からなるフレキシブル管８
０が装着され、連結部を密封した構造の分割型排気マニ
ホルドを開示している。このフレキシブル管８０の筒部
８１ａ、８１ｂの外周には当て金８４ａ、８４ｂを装着
し、フレキシブル管８０と当て金８４ａ、８４ｂをマニ
ホルド部材７１、７５の外面に一体に溶接し、溶接部８
６ａ、８６ｂにより連結部が密封されて排気ガスの洩れ
が防止されると共に、フレキシブル管８０が当て金８４
ａ、８４ｂの角部に当たって傷つくのも防止されるとし
ている。

【０００４】上記のように、大型トラックなどの多気筒
エンジンでの長尺な排気マニホルドにおいては、２分割
または３分割として連結した分割型排気マニホルドとし
て、加熱・冷却に伴なう熱膨張・熱収縮に対応できるよ
うに分割部を伸縮自在に、かつ連結部をフレキシブル管
で密封する構造として、排気ガスの外部への洩れを防止
しようとしている。

【０００５】フレキシブル管としての金属製可撓管は、
一般に室温での伸縮性と同時に気密性が要求される部位
に用いられ、通常、薄肉の引き抜き管をロールによって
圧延し、その後コルゲート形状に加工して形成される。
金属製可撓管における気密性、耐共振性、耐伸縮性を改
善するものとして、特開昭４９−７２１６５号公報に
は、可撓管の製造にあたり、型ロールにより帯状素材の
長手方向両縁部をそれぞれ逆向きに折り曲げると共に、
中央部が縦方向に連続せる突出部を有する形状に連続的
に成形し、次に、前記折り曲げ端縁部相互管を係合しつ
つ捲回し、圧着して谷部を形成する可撓管の製造方法、
さらに谷部における接合部底面に耐熱性封止部材を間
装、圧着して気密に形成する可撓管の開示がある。

【０００６】このような金属製可撓管を分割型排気マニ
ホルドへ適用する場合、金属製可撓管が高温の排気ガ
ス、エンジン自体の振動、走行時の路面からの振動な
ど、常時過酷な条件で使用されるので、金属製可撓管に
は高温疲労に対する耐久性が要求される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
高温下での金属材料の耐久性評価を目的とした高温疲労
試験用装置は、高々直径１０ｍｍ程度の丸棒試験片に対
して回転曲げ疲労試験を行う程度であり、金属製可撓管
のように大型な部品について高温、振動を受ける条件下
の耐久性評価試験装置は開発されていなかった。従っ
て、本発明の課題は、高温の排気ガス、エンジン自体の
振動、走行時の路面からの振動など、常時過酷な条件で
使用される金属製可撓管の耐久性を評価する高温疲労試
験装置を得ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の金属製可撓管の高温疲労試験装置は、金属
製可撓管に引張と圧縮の繰り返し荷重または繰り返し変
位を与える加振手段と、前記金属製可撓管の少なくとも
一部を加熱する加熱手段とを有することを特徴とする。

【０００９】そして、加振手段が、電気−油圧式サーボ
機構を有することを特徴とする。また、加熱手段が、電
熱炉によるか、燃焼ガスによることを特徴とする。そし
て、金属製可撓管が分割型の排気マニホルドに用いるも
のであることを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
１の金属製可撓管の高温疲労試験装置の全体構成正面
図、図２は図１での金属製可撓管の試験片と加熱炉を拡
大して示す図、図３の金属製可撓管の試験片に基づき詳
細に説明する。金属製可撓管の高温疲労試験装置は、金
属製可撓管を模して構成した試験片２２と、試験片２２
の両端１４、１４を保持し、引張−圧縮の繰り返し荷重
または繰り返し変位を与える加振手段２３と、試験片２
２の全体または一部を加熱保持する加熱手段２４からな
る。

【００１１】またそのほかに、加振手段２３の振動と加
熱手段２４の高温に耐えられる架台部２１、試験片２２
を架台部２１と加振手段２３に固定し、加熱手段２４の
高熱が架台部２１と加振手段２３に伝わることを防ぐ水
冷継手２５、２６、加振手段２３の制御装置２８、加熱
部手段２４の制御装置２９、油圧供給装置３０、高温熱
疲労試験中の各データを取り込み、記憶、演算する計測
用コンピュータ３２等によって構成される。

【００１２】試験片２２に引張−圧縮の繰り返し荷重を
与える加振手段２３は、試験片２２を所定の温度に加熱
した後、容易に引張−圧縮の繰り返し荷重、繰り返し変
位または繰り返し周波数を設定し電気−油圧式サーボ機
構で加振を行うようにしている。

【００１３】また加熱手段２４は、試験片２２外周に加
熱ヒータを環状に配した電気炉からなり、実際の金属製
可撓管の使用条件に合わせ２００℃〜８００℃間で所定
の温度条件を設定でき、かつ計測用コンピュータ３２で
試験片２２の加熱状況を監視できるようにしている。こ
こで加熱手段２３は、図４に示すように試験片２２内部
に導入管２４ｉ、排出管２４ｊで燃焼ガスを導入・排出
する構造とすることもできる。なお、図４で図３と同じ
要素は同符号で示す。

【００１４】また、高温疲労試験中は、計測用コンピュ
ータ３２により、荷重、変位、繰り返し回数を常時監視
し、試験片２２に異常が発生したときには、直ちに高温
疲労試験を停止できるようにしている。

【００１５】試験片２２は、その両端１４、１４を水冷
継手２５、２６を介して架台２１にボルト、ナットで固
定されており、また、試験片２２の表面には高温疲労試
験中の試験片２２の温度を制御するために、測温用熱電
対２４ｈをスポット溶接により取り付けている。加熱手
段２４の上部２４ａは、試験片２２の上にかぶせた後、
固定金具２４ｇで上部２４ａと下部４２ｂを固定してい
る。

【００１６】次に、金属製可撓管の高温疲労試験装置に
より試験した結果を説明する。図３に示す試験片２２
は、フレキシブル管を有する分割型排気マニホルドを模
したもので、全長が２４０ｍｍで、連通路１０の内径は
５５ｍｍとしている。左方のマニホルド部材２、および
右方のマニホルド部材３はそれぞれ高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄
材により形成し、左方のマニホルド部材２の環状突出端
部１２（長さ３４ｍｍ）の内面１２ａを６６ｍｍ（寸法
公差：＋０．０３０ｍｍ〜０ｍｍ）に機械加工し、また
マニホルド部材３の環状突出端部１３（長さ３４ｍｍ）
の外面１３ａを６５ｍｍ（寸法公差：＝−０．０３０ｍ
ｍ〜−０．０６０ｍｍ）に機械加工した。さらに、マニ
ホルド部材２、３の外面１２ａ、１３ｂ上の段部２６、
２８を８０ｍｍ（寸法公差：＝＋０ｍｍ〜−０．３ｍ
ｍ）の外径となるように機械加工している。

【００１７】また、滑動部材１５は、ステンレス磨鋼
（ＪＩＳ ＳＵＳ４３０）により、外径６６ｍｍ（寸法
公差：−０．０３０〜−０．０６０ｍｍ）、内径６５ｍ
ｍ（寸法公差：＋０．０３０〜０ｍｍ）に形成し、マニ
ホルド部材２の環状突出端部１２の内面１２ａに装着し
ている。マニホルド部材２、３の長手方向の熱膨張によ
る干渉を防止するために、端面間隔Ｌは４ｍｍとしてい
る。

【００１８】フレキシブル管５は、厚さ０．６ｍｍのス
テンレススチール製磨鋼（ＪＩＳＳＵＳ４０３）によ
り、内径８０．４ｍｍ（寸法公差：＋０〜−０．３ｍ
ｍ）、外径１００ｍｍの蛇腹状となるように加工して、
５山（図３では簡略のため３山で示す）の蛇腹部４とす
ると共に、蛇腹部４の両側を軸方向に屈曲して筒部２４
ａ、２４ｂとしている。また、環状の当て金９は、厚さ
０．６ｍｍのステンレス磨鋼（ＪＩＳ ＳＵＳ４０３）
を内径８１．６ｍｍ（寸法公差：＋０．３〜＋０．５ｍ
ｍ）、幅７ｍｍのバンド状に加工している。

【００１９】試験片２２の組立は、マニホルド部材２、
３、フレキシブル管５および当て金９を同軸的に配置
し、マニホルド部材３を移動させて行っている。この
際、フレキシブル管５の筒部２４ａ、２４ｂをマニホル
ド部材２、３の外面上の段部２６、２８に当接させた
後、当て金９を装着している。この状態でマニホルド部
材２、３にフレキシブル管２０の筒部２４ａ、２４ｂお
よび当て金３０を連続的に隙間なく溶接している。

【００２０】一方、比較のために、当て金９を装着しな
い試験片２２、滑動部材１５を装着しない試験片２２も
同時に作製した。

【００２１】上記構造を有する試験片２２を図１に示す
高温疲労試験装置により、２４０時間加熱して試験を行
った。その結果を表１に示す。

【００２２】

【表１】 試験片No マニホルト゛部材 当て金 滑動部材 振幅 周波数 加熱温度 結果 (Si量) (mm) (Hz) (℃) 1 3％ なし なし ±1 10 500 OK 2 3% あり なし ±1 10 500 OK 3 4% なし なし ±1 10 500 NG 4 4% あり なし ±1 10 500 OK 5 3% あり なし ±1 10 700 NG 6 3% なし なし ±1 1/2 700 NG 7 3% あり あり ±1 10 700 OK 8 3% あり あり ±1 1/2 700 ＯＫ

【００２３】表１で、マニホルド部材（Ｓｉ量）は高Ｓ
ｉ球状黒鉛鋳鉄材でのＳｉ量を３％または４％と変化さ
せたものであり、加熱温度７００℃は、より高出力のエ
ンジンに分割型排気マニホルドを使用したことを想定し
て試験したものである。マニホルド部材のＳｉ以外の組
成は、Ｃ：３．２５％，Ｍｎ：０．３８％，Ｃｒ：０．
０３％，Ｍｇ：０．０４％，Ｍｏ：０．５５％である。
試験片Ｎｏ１、２のＳｉ量３％の試験片、および試験片
Ｎｏ４のＳｉ量４％の試験片は、当て金９の有無、滑動
部材１５の有無にかかわらずマニホルド部材１２、１
３、フレシブル管５とも亀裂は発生せず、この条件での
高温疲労を確保していることがわかった。

【００２４】試験片Ｎｏ４のＳｉ量４％の試験片は、フ
レキシブル管５の蛇腹部４から筒部４ａ、４ｂに屈曲す
るところで亀裂が発生し、この条件での高温疲労が不足
していることがわかった。

【００２５】試験片Ｎｏ５、６の滑動部材１５を装着し
ない試験片は、加熱温度を７００℃とすると、左方のマ
ニホルド部材２の環状突出端部１２の内面１２ａと、右
方のマニホルド部材３の環状突出端部１３の外面１３ａ
とが固着しており、試験片全体が４ｍｍ伸長し、加熱・
冷却に伴なう熱膨張・熱収縮に対応できないことがわか
った。

【００２６】試験片Ｎｏ７、８の当て金９および滑動部
材１５を装着した試験片は、加熱温度を７００℃として
も、マニホルド部材１２、１３、フレシブル管５とも亀
裂は発生せず、また、内面１２ａと外面１３ａとの固着
もなく、加熱・冷却に伴なう熱膨張・熱収縮に対応して
おり、この条件での高温疲労を確保していることがわか
った。

【００２７】以上のとおり、金属製可撓部管の高温疲労
試験装置により、金属製可撓管および分割型排気マニホ
ルドについて、材質、形状、当て金の有無、滑動部材の
有無の違いによる高温疲労を試験することができる。

【００２８】次に、表１でのＮｏ７、８と同じ構成で図
５、図６に示す分割型排気マニホルドを作製し、実車に
搭載して試験を行った。図５は分割型マニホルドの全体
を示す側面図であり、図６はその平面図である。この分
割型排気マニホルド１は、直列６気筒の過給機付き大型
貨物自動車用ディーゼルエンジンに使用するものであ
る。分割型排気マニホルド１は、複数のマニホルド部材
２、３と、隣接するマニホルド部材間の連結部５とを有
する。各マニホルド部材２、３はエンジンの各気筒に連
通する排気ガス吸入口７を有し、各吸入口７が連通する
連通路１０は左右に分離していて、それぞれ排気口１１
に連通している。吸入口７の周囲にはフランジ８が形成
され、各フランジ８にはネジ孔８ａが形成されている。

【００２９】実車に搭載しての試験は、２０００ｒｐｍ
×全負荷での３００時間連続耐久テストと、さらに、２
０００ｒｐｍ×全負荷で５分、５００ｒｐｍ×無負荷
（アイドリング）を５分間の１サイクル１０分間の冷熱
サイクルテストを１８００回（３００時間）として行
い、分割排気マニホルド１のマニホルド部材２、３が固
着するか否か、同時にフレキシブル管２２のに亀裂が発
生するか調査した。その結果、マニホルド部材２、３の
内面に酸化腐食が生じても連結部５での固着は起こら
ず、フレキシブル管にも亀裂は発生していなかった。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の金属製可
撓管の高温疲労試験装置は、金属製可撓管に引張と圧縮
の繰り返し荷重または繰り返し変位を与える加振手段
と、前記金属製可撓管の少なくとも一部を加熱する加熱
手段とを有し、加振手段に電気−油圧式サーボ機構を有
し、加熱手段を電熱炉または燃焼ガスとし、金属製可撓
管が分割型の排気マニホルドに用いることもできるの
で、以下に示す効果を奏する。 （１）金属製可撓管を有する分割型排気マニホルドを想
定した試験片により、分割型排気マニホルドを実車装着
前に、材質、形状、当て金の有無、滑動部材の有無の違
いによる高温疲労を試験することができ、分割型排気マ
ニホルドやそのほかの部品について最適な設計を行うこ
とができる。 （２）最適設計した金属製可撓管を有する分割型排気マ
ニホルドを、大型トラックなどの多気筒エンジンに装着
することで、分割部で加熱・冷却に伴なう熱膨張・熱収
縮を伸縮自在に吸収し、かつ連結部をフレキシブル管が
密封して排気ガスの外部への洩れを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態である金属製可撓管の高温
疲労試験装置の全体構成正面図である。

【図２】図１での金属製可撓管の試験片と加熱炉を拡大
して示す図である。

【図３】金属製可撓管の試験片を示す図である。

【図４】燃焼ガスを導入・排出する加熱手段を示す図で
ある。

【図５】分割型マニホルドの全体を示す側面図である。

【図６】分割型マニホルドの全体を示す平面図である。

【図７】特開平５−８６８５５号公報で開示する分割型
排気マニホルドの接続部である。

【符号の説明】 １：分割型排気マニホルド、 ２，３：マニホルド部
材、５：フレキシブル管、 ６：溶接部、
７：吸入口、８：フランジ、
１１：排出口、１２，１３：環状突出端部、 １
５：滑動部材、 ９：当て金、２１：架台部、
２２：金属製可撓管、２３：加振手段、
２４：加熱手段、２４ａ：加熱炉上
部、 ２４ｂ：加熱炉下部、 ２４ｃ：架
台、２４ｄ：電力ケーブル、 ２４ｅ：断熱
材、 ２４ｆ：電熱線、２４ｇ：炉体固定金具、
２４ｈ：測温用熱電対、２４ｉ：燃焼ガス給気
管、 ２４ｊ：燃焼ガス排気管、２５、２６：水
冷継手、 ２７：水冷配管、２８：加振手段
制御装置、 ２９：加熱手段制御装置、３０：
油圧供給装置、 ３１：電気−油圧式サー
ボ弁、３２：計測用コンピュータ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属製可撓管に引張と圧縮の繰り返し荷
   重または繰り返し変位を与える加振手段と、前記金属製
   可撓管の少なくとも一部を加熱する加熱手段とを有する
   ことを特徴とする金属製可撓管の高温疲労試験装置。
2. 【請求項２】 前記加振手段が、電気−油圧式サーボ機
   構を有することを特徴とする請求項１記載の金属製可撓
   管の高温疲労試験装置。
3. 【請求項３】 前記加熱手段が、電熱炉によることを特
   徴とする請求項１に記載の金属製可撓管の高温疲労試験
   装置。
4. 【請求項４】 前記加熱手段が、燃焼ガスによることを
   特徴とする請求項１に記載の金属製可撓管の高温疲労試
   験装置。
5. 【請求項５】 前記金属製可撓管が分割型の排気マニホ
   ルドに用いるものであることを特徴とする請求項１乃至
   請求項４何れか１項に記載の金属製可撓管の高温疲労試
   験装置。