JP2004218845A

JP2004218845A - ねじ

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Publication number: JP2004218845A
Application number: JP2004097728A
Authority: JP
Inventors: Alan Pritchard; アラン・プリッチャード
Original assignee: Research Engineering and Manufacturing Inc
Current assignee: Research Engineering and Manufacturing Inc
Priority date: 1990-08-28
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2023-01-09
Also published as: BR9103681A; AU639820B2; AU8263691A; DE69107386T2; US5061135A; EP0476831A1; JPH04262109A; EP0476831B1; ATE118603T1; ES2071228T3; JP3623969B2; DE69107386D1; JP4030978B2

Abstract

【課題】ナット又は加工物にねじ込まれた場合、ねじとしての性能が強化される新規で改良されたねじ山形状を有するねじを提供する。
【解決手段】本願発明によるねじは、軸（A）を画定するねじ切りされた本体部分（11）とドライバーヘッド部分（10）からなり、ねじ切りされた本体部分（11）が、軸方向断面におけるねじ山輪郭（15）を有し、かつ複数の区域からなり、当該区域が、加工物内へねじが進行する方向に関する平坦なトレーリング面（29）からなり、このトレーリング面が、本体部分（11）の直径に対して第一の角度（α）を画定する第一区域（I）と、既定半径（22）を画定する丸みのついたリーディング面（31）からなる第二区域（II）と、ねじ山の先端部分（30）からなり、この先端部分の平坦な前面が、本体部分の直径に対して第二の角度（β）を画定し、丸みの付いたリーディング面（31）が、ねじの全ねじ山深度（19）に対する既定の距離（34）で先端部分（30）と接する第三区域（III）とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明はタッピンねじ(threaded tapping screw)における改良に関し、特にタッピンねじの新規で改良されたねじ山形状の設計に関する。本発明による新規なねじ山形状は、ねじ(threaded fastener)と、これを加工物にねじ込む際に形成されるねじ山(mating threads)との結合の荷重を改良するものであり、このような改良により、結合された組立体は、他の既知のねじ山の形状で製造されたものを凌ぐことが可能となる。

一般に、比較的軟質である素材の結合に効果がある雄ねじの大部分は、自己穿孔(self-threading)型、あるいはねじ山形成(thread-forming)型である。例えば、このようなねじは柔軟なプラスチック素材や、軽合金の素材あるいはナットに使用されている。これらのねじは、ナットアンカー即ち受け側の加工物の案内孔に、雄ねじのねじ山と嵌合するねじ山を作り出すために素材のプラスチック応力変形を利用している。一般的に、こうした応用におけるねじ山のデザインは一定間隔を置いたねじ山(spaced thread)型であり、ねじ立てトルク(tapping torque)とストリッピングトルク(stripping torque)との関係がよくなるように設計されている。特にこれらの柔軟なプラスチック素材や軽合金素材においては、フープ応力(hoop stress)即ち半径方向の応力が重要である。半径方向の応力は自己穿孔型又はねじ山形成型のねじを素材にねじ込む際に、ねじ山の構造により惹起されるものである。

このような柔軟な材料は、例えば鉄のような硬い材料の持つ低温流動特性ではなく、切り欠きもろさを示す。切り欠きもろさは応力の集中を意味し、応力の集中は材料に対して応力あるいは張力が掛けられた場合に、一部分のねじ溝又はその他の割れ目に発見される。この点で、プラスチックは大きく変化に富んでいる。即ち、あるものは非常に柔軟であるが、その他は大変脆弱であり、従って切り欠きもろさが高い。いかなる場合でも、自己穿孔型又はねじ山形成型のねじをねじ込む間に加わる高い応力集中は、最終的な結合組立体の有効性を脅かすナット部材あるいはボスの亀裂を惹起する傾向がある。

ここに使用されている「ボス」と言う用語は、プラスチック又はその他の軽く柔軟な材料において、案内孔を開ける部位の周辺に肉厚部を形成するための一般的な処置を指している。案内孔の寸法や、組み込まれるねじの呼び径に相応するボスの壁厚は一定の標準規格により決定されている。当然、素材に掛かるフープ応力と呼ばれるものの大半はボスの側壁に集中し、範囲が限定される。ボス側壁に対するいかなる損壊又は亀裂も、完成した組立体の効果を損なわせることになる。最後に、このような組立体が平衡状態において、さらには結合構造に外部応力が掛けられた状態下で、ねじと加工物が使用中に当前記部位に掛かる外部力の影響を受けても決して緩まない、完成された結合組立状態を維持することが望まれる。

従って、ナット又は加工物にねじ込まれた場合、ねじとしての性能を強化する、新規で改良されたねじ山形状を有するねじを供給し、既存のねじ山の幾何学的形状のものを越えることが、本発明の一般的な目的である。

更に特定の目的としては、ねじをねじ込む間に、ナット又は加工物に対して差動荷重(differential loading)を掛けるようなねじ山の形状を利用することである。この差動荷重は、分力の方向を変化させるのに役立つので、荷重を作り出し、加工物の材料流動を誘発し、フープ応力を減少させ、ねじと加工物との接触面を増加させる方向に導く。接触部位においては、そのような接触面はナットのねじ山剥離に対する抵抗を増し、軸方向の引出し荷重に耐える性能を強化する。

前述の目的を達成する本発明のねじ山形成型のねじは、そのねじを加工物に形成されている案内孔にねじ込む間に、偶力の組み合わせ及び該偶力の結果生じるモーメントが当該ねじのねじ山の周囲に前記加工物の材料の材料流動を引き起こし、当該ねじのねじ山と前記加工物に形成されたねじ山の間に面接触を生じさせるものにおいて、前記ねじが、軸（A）を画定するねじ切りされた本体部分（11）とドライバーヘッド部分（10）からなり、前記ねじ切りされた本体部分（11）が、軸方向断面におけるねじ山輪郭（15）を有し、かつ複数の区域からなり、当該区域が、前記加工物内へ前記ねじが進行する方向に対して後面の平坦なトレーリング面（29）からなり、このトレーリング面が、前記本体部分（11）の直径に対して第一の角度（α）を画定する第一区域（I）と、既定半径（22）を画定する丸みのついたリーディング面（31）からなる第二区域（II）と、前記ねじ山の先端部分（30）からなり、この先端部分の平坦な前面が、前記本体部分の前記直径に対して第二の角度（β）を画定し、前記丸みの付いたリーディング面（31）が、前記ねじの全ねじ山深度（19）に対する既定の距離（34）で前記先端部分（30）と接する第三区域（III）とを含み、ねじ山が形成される間に、前記先端部分の平坦な前面及び前記平坦なトレーリング面がそれぞれ実質上同じ大きさの軸方向に対向して生じる合力（R1、R2）を発生させ、前記平坦なトレーリング面により発生される当該合力（R2）の半径方向成分の力（Fr2）が、前記平坦な前面により発生される当該合力（R1）の半径方向成分の力（Fr1）より小さく、それによって偶力（MR1、MR2）が導かれ、それにより前記加工物の材料が、概略半径方向内向きの、前記加工物に対して前記ねじが進行する方向に関して前方への、前記角度の付いたトレーリング面（29）に対する流れを誘発され、前記ねじのねじ山と前記加工物に形成されたねじ山の間の面接触が増大し、それにより前記加工物と前記トレーリング面（29）の係合するねじ山の間に摩擦がもたらされ、使用中に外部から加えられる力によって前記ねじと前記可能物が緩み難くなり、ストリッピングトルクに対するねじ立てトルクの関係が変更され、前記加工物の材料内のフープ応力が減少するように構成されている。

好適な実施形態では、ねじ山が形成されている間、前記丸みのついたリーディング面（31）が偶力（MR3）を導く合力（R3）を発生させ、この偶力（MR3）が、前記平坦なトレーリング面により発生される前記合力（R2）により導かれる前記偶力（MR2）と平衡状態に達するに先立ち、前記加工物内に力及び応力を発生し、それによって材料の低温流動が、前記加工物内で前記角度のついたトレーリング面に向かって生じ、前記リーディング面におけるねじ山輪郭の有効深さを超えて前記トレーリング面におけるねじ山輪郭の有効深さが増大する。

前記丸みのついたリーディング面（31）の半径（22）が、前記ねじの呼び径（17）の0.22倍〜0.30倍の範囲にあることが好ましい。
前記第一の角度（α）が10°〜15°の範囲にあることが好ましい。
前記第二の角度（β）が17°〜25°の範囲にあることが好ましい。
前記丸みのついたリーディング面（31）が、前記先端部分と前記ねじの全ねじ山深度（19）の23％〜27％の範囲の深度で接することが好ましい。
前記ねじ切りされた本体部分のねじ山の軸方向のピッチが、前記ねじの呼び径（17）の0.4倍〜0.6倍の範囲にあることが好ましい。

本発明の構造並びに方法は、添付図面に関連する以下の説明によりもっとも良く理解されるであろう。図中で同一番号は同一要素を表示する。

図１にはヘッド10と軸部又は本体部分11を有する本発明のねじ、即ちタッピンねじを図示する。

ヘッド10としてはいかなる形状も利用することができる。即ち、横断溝12、又は十字型の凹部を有するもの、あるいは外部のレンチが結合可能な構造を備えたもの、あるいはねじの駆動システムを介してねじに回転運動を伝達可能であればいかなるものでもよい。

図示する軸部11は、一般的にシリンダー状の断面形状を有し、長さ13を取り囲むように図示されているテーパー加工された進入端部14を有している。本発明は、このテーパー加工された進入端部に限定されるものではなく、必要ならばドリル先端部として知られている進入端部か、あるいはどのような進入端部でも備えることが可能である。

軸部11はその全長にわたる非対称ねじ山15を有している。ねじ部は必要であれば軸部の一部分にのみ限定することが出来る。ねじ山15はシリンダー状中心部の直径16の周囲にラセン形状に生成されている。ラセン角20の大きさは、ねじ外径17と、ねじピッチ又はリード18とに関連したねじ深さ19との線形の関係で決定されるものである。

図１に示すねじでは、一条ねじ山15がシリンダー状中心部の直径16の周りに形成されているように図示されているが、本発明はシリンダー状中心部の直径16の周りに展開される２条ラセンねじにも同様に適用できるものである。中心部の直径16の周りに展開される２条ラセンねじの場合、ラセン角20の大きさは、ねじ外径17とねじ深さ19、そしてねじピッチ18の２倍の値に等しいねじのリード21との線形の関係によって決定される。

図２は、本発明によるねじ山形状の拡大断面図である。ねじ外径17と同様、ねじ山の深さ19及びねじピッチ又はリード18は、図１において既に論じられているものである。図２におけるＩを「第一区域」と呼び、IIを「第二区域」と呼び、IIIを「第三区域」と呼ぶ。

ねじ外径17は直径1.4mmから10 mmの間のねじサイズの範囲内に収まることが望ましい。実用的な見地からは、各ねじは一定間隔を開けたねじタイプの比例的な標準メートルサイズ又は標準インチサイズのタッピンねじと同等の寸法を有することが望ましい。しかしながら、本発明は直径又は表面的な寸法の何れにも限定されるものではない。本発明のねじ山の形状寸法は例えば以下の通りである。

第一区域（Ｉ）において、ねじ山形状のトレーリング面(trailing face)29（各ねじ山の区画された外形において、ねじ進入点よりもっとも離れている）は、ねじのシリンダー状中心部の直径に対して所定の角度を持ち（直径はシリンダー状中心部のＡ軸に対して90°である）、それはアルファ（α）として示されている。この角度αの望ましい大きさは、15°である（Ａ軸に対して105°）が10°から15°の範囲内とすることが可能である（Ａ軸に対して100°から105°）。第三区域（III）において、ねじ山形状のリーディング面(leading face)31の先端30は、ベータ（β）で示されるような、ねじのシリンダー状中心部の直径に対する角度を有しており、その角度は17°から25°の範囲内とすることが可能であるが、望ましい角度βは20°である。リーディング面31の曲部31aの半径の大きさは、公称ねじサイズの0.22倍から0.30倍の範囲内とすることが可能であるが、公称ねじ直径又はサイズ17の0.22倍であることが望ましい。

ねじ外径17より小さな値である、角度が付けられているねじ先端30の高さ34の望ましい値は、ねじ外形深さ19の25％であるが、交点23までの先端の高さは、ねじ深さ19の23％から27％の範囲とすることが可能である。

第二区域（II）において、リーディング面31とねじのシリンダー状中心部16は交点32において交わるが、中心部の表面33は、半径22の円弧に接するような状態にはならない。中心部表面33の断面は、図２の破線によって図示されているように、常時半径22の円弧の弦である。

好ましい実施例に関して次に述べる寸法的な関係は、いかなる意味においても本発明を限定するものではない。ねじ山の頂25は、平面でもよいし、26によって図示されているように湾曲していてもよい。面29及び30が、35においてその先端を頂点とする三角形を形成するように伸長された場合、25で示される先端におけるねじ外形の膨張は、ねじの呼び寸法が1.4mmから５mmである場合には、実質値0.1mmを越えてはならない。また、ねじサイズが６mmから10 mmあるいは、標準インチサイズと等価のねじに対しては0.20 mmを越えてはならない。

ねじのシリンダー状中心部の直径16とねじ輪郭面29との交点において、帯状隅肉部27が存在する。帯状部の最大容認半径は、交点の高さ28がねじ深さ19の全長の0.2倍以下となるものでなければならない。

ラセンねじの軸ピッチ18は、ねじの呼び径の0.45倍に等しいことが望ましいが、ねじサイズの0.4倍から0.6倍の範囲内とすることが可能である。

本発明による上記のねじ外形寸法は、ナット或は他の加工物におけるアンカー材料の材料流動の生成による改善された性能をもたらす。この材料流動は、力の作用及び力のモーメントを展開させるような上記形状の発明的特徴によりもたらされる。これらの力は、ナットの材料流動を誘導するような方法で生成されるのであり、タッピンねじをねじ込む動作の間に、他の既知のねじ形状のような、例えば、実質的に三角形状で、ねじ軸に対して垂直な仮定線に対称的な形状を有しているものより、高い結合性能を付与する接触面を結合ねじに生成する。

アンカー素材に使用されるねじ形成型ねじの開発は、ここ数年継続して進展している。一定間隔を開けたタッピンねじが使用されるこのアンカー素材には合成柔軟プラスチック材又はその他の材料がある。

従来のねじ外形設計の追求に費やされてきた基本研究は、元来、ねじ山外形の角度及びねじの軸ピッチ又はリードの変更に関係するものであった。それらの変更は、示力図を使用することにより、製品が改善された軸方向の荷重支持特性を有すること、並びにねじ山形成の動作の間にナット、加工物あるいはアンカー素材に起きる高度誘発性のフープ応力や半径方向の応力に関連する状態を改善できることを示している。

図３に図示されているように、このような研究の１つは２つの寸法的分析によるベクトル図及び素材域押し退け公式により、ねじフランク角が60°（この値を含む。）の初期の研究サイズから、改善されたサイズである30°（この値を含む）に減らした場合、力Fa1及びFr1よりもFa2及びFr2の大きさにおいて、優位となる。結合ねじを形成するのに必要であるトルクは、部分押し退け容量が同等であると仮定すれば、これにより初期値60°（この値を含む）より30°（この値を含む）に引き下げが可能であることを示している。

押し退け容量が同等であれば（A1=A2）、ねじ角度を60°（この値を含む）から30°（この値を含む）に下げることにより、ねじ山の側部結合の長さが増加する（g2がg1より大きい）。この分析は、発生した内部力と、合成柔軟プラスチック素材のナットアンカーに挿入するねじに対して掛けられるこれらの力に関連している。他の全ての要素が同一であることを前提として、この基礎研究は、実質的に三角形の断面形状である、対称的なねじ山のフランク角の変更によって開発が可能である関連特性について有用な指針となり得る。

しかし、前述の研究が指針として有用であるとしても、ここには雌ねじ山形成中にアンカー材中において誘発される力及び材料流動の方向は全く考慮されていない。

このねじ立て(tapping)概念の展開において使用された基本原理が図４に図示されている。ナット又はその他の加工物要素36は直径37の平坦な孔を備えている。ねじはこの孔にねじ込まれ、それによりアンカー材が押し退けられる。素材は矢印39が示すように、半径方向内向きに押し出され、そして矢印40が示す軸方向の押し退け容量は、平衡状態になるまでの間、即ちねじ山の形状Ａにより押し出された容量がナット部材36において生成された容量Ｂに一致するまで押し退けられる。これは噛合部分のねじ山結合を増大させ、当初の孔の直径37より小さくなった加工物の雌ねじの内径38の有効性を増している。

開発用に採用された同一容量の押し退けの分析による、この概念及び論理的アプローチは、矢印39及び40で示された方向に材料流動を誘導するために生成され、かつ、必要とされる内部力について考慮していない。

図５は図３のベクトル図分析の拡大図である。実質的に三角形である対称的なねじ山形状において、分力Fr1とFa1はベクトル合力R1を発生する。同様に、分力Fr2とFa2はベクトル合力R2を発生する。そして
R1=R2
Fa1=Fa2
Fr1=Fr2
となる。

合力R1及びR2はそれらの相互作用により、点45においてベクトル合力R4を創出している。このシステムで発生した力の大きさは、押し退けられた素材の容量とアンカー材の強度或は剛性率に直接的に関連している。

発生した力は、点42ではFa1とFr1、点43ではFa2とFr2であり、最も高くなり、力がナットアンカー材の強度に起因する相互−反作用に曝されるにつれて、実際の値は減少する。こうして、Fa1は点42における最大値から点46での最小値に減少し、Fa2は点43における最大値から点47での最小値に減少する。この力の減少は直線的に変化する。そのため、設計の目的としては、ナットねじが形成される際の、ねじサイズ及び閉じ込める必要のあるエネルギーに応じて、点46及び47において負荷をゼロ若しくはゼロに近くすること、そしてボス直径44をこの必要性を満たすのに充分に大きくすることである。

アンカー材中に誘発される力を構成部品の構造物内に閉じ込める必要があるとすれば、発生する反力及びベクトル図分析によって、発生した合力に対する反作用があるはずである。ねじ山形成概念を使用して、ナット部材の材料の内方向への流動及びねじ側部結合の増大を可能にするものは、力に対するこうした反作用である。

力Fa1及びFr1に対する反作用値の減少に伴い、合力R1もまた減少し、そしてナット材料による内方向の動きの誘導に必要な力の合力の減少が見られる。この合力の減少は合力R4に対する反作用が、組み立てられたシステム上に有する影響の増加により、部分的に反発される。これらの異なる荷重が合成される結果、図６に示されるように、押し退け容量Ａが、図４で明確にされている案内孔37への押し退け容量Ｂと等量であるようなナットねじ山の中心形状が作り出される。

この図６によれば、間隙48がナットねじ山部材の中に生成してしまう。これは、結合組立体に加わる軸方向の引き離し力という負の効果に耐える能力を、図４に関連して展開された理論的ねじ形状において指示される値以下に減じている。一定間隔を開けたねじ型、対称的な三角形状ねじ型のねじを、ねじが切られていないナットアンカー材内に結合ねじを作るために使用した場合、このような間隙48は必ず発生する。これは、特にナットアンカー素材が合成柔軟プラスチックタイプである場合に顕著である。

本発明の目的は、ねじ山形成のためのさらなる技術開発である。本発明によれば、ねじ山形成の時にナット部材内のねじ山形状を、力の発生並びに諸力の合力の発生と相関させることにより、ナット部材の材料流動を生成させる。これにより、従来の一定間隔を開けたねじ山型や対称的で実質的に三角形状を有するねじ山形状型において観察され、記録されて来たねじ以上に、組立て性能を高め、進歩させるのである。

本発明の好ましいねじ山輪郭形状は、図１及び図２に関して既に説明したところである。

次に説明する方法においては、ベースナットあるいはアンカー部材が柔軟な合成プラスチック材である場合に、本発明によるねじ山輪郭形状の発明的特性をナットあるいは他の加工物及びねじの組立体の開発に対して使用すると改善された結果をもたらす。しかし、本発明によるねじは、一定間隔を置いてねじ切りされたねじ山形成型のタッピンねじを使用する他の全ての材料に使用されても、同様に良い結果をもたらすものである。

図７では、本発明による先端形状及び隣接する軸方向へのねじ山輪郭の部分的断面図が示されている。ねじ山の先端は、寸法的に非対称であり、角度βは角度αよりも大きい。これらの角度の割合は、前述のものに一致している。

平坦な案内孔37は、ナットあるいは他の加工物又はボス要素36内に在り、本発明のねじを差し込めば、自己ねじ立てによってねじ嵌合状態がもたらされる。押し退けられる材料の容積については、押し退け容積Ｄが押し退け容積Ｅに等しく、容積Ｄ及びＥの合計が容積Ａに等しいという関係になっている。こうした押し退けは、ほぼそれぞれの矢印49及び50が指示する方向へナット部材の流動を誘発する。

押し退け容積Ｄ及びＥが実質的に等しいことから、ナット部材に及ぼす力はベクトル図の分析によって解明することが可能である。R1及びR2で表わされる運用力は、実質的に合力に等しい力を有しているが、ねじ山の先端の形状差に直接関連して相違する可変分力Fa1とFr1及びFa2とFr2から構成される。ベクトル図解析の概念に従って、こうした力を生み出す場所は面積Ｄ及びＥの中心に直接関連し、また、ねじ面の輪郭29及び31に関連し、そして、示力図は点54及び55に関連する。上記説明によるねじ山先端形状の性格上、相対的な高度差51は、点55が点54の場所より半径方向で外側に位置するような、点54、55の間に存在する。

本発明によるねじ山形状の直接的結果として、以下のような状況が見られる。
合力R1及びR2は、実質的に大きさが等しい。
α及びβと表示されている面角の相対差は、結果的にこうした力に相対的な方向の変化を生じさせる。
角度αのタンジェントと角度βのタンジェントの間の直線関係によって、半径方向の分力Fr2は、半径方向の分力Fr1以下に減じられている。
Fr1及びFr2の大きさの違いは、本発明によるねじ形状については約３％である。実用上では、また、ボスあるいはナット部材に生じる可能性のある付加的なフープ応力の相対レベルにとっては、この僅かな相違は取るに足らないものと見なされている。
軸方向分力Fa2及びFa1の大きさは、ここでも、角度α及び角度βの異なる各タンジェント値に比例している。

ボスあるいはナットアンカー材料に働く本発明による誘発力と、力及び合力の相対的な大きさと方向とが構造内に平衡状態を確立するように供給される状況下では、さらなる誘発偶力及び合力は、結合ねじの形成中にナットアンカー材料の流動に影響を与えるこうした偶力のモーメントから発生する。誘導偶力の影響から発生する力のモーメントは、R1とR2に関してはMR1及びMR2、またFa1とFa2に関してはMFa1及びMFa2として表示される。

力のモーメントMR1及びMFa1の合成効果はナットアンカー材料の流動方向に最も大きく影響し、ナット及びねじ山の改良された接触をねじの輪郭29の面に沿って達成させる。

MFa1及びMFa2が等しいのと同じく、MR1及びMR2は等しいが、こうした力に対して等しい抑制力が働いているとすれば、こうした力による各影響は無効ということになるであろう。しかし、実用的考察にあっては、また、柔軟な合成プラスチック材料における結合ねじの形成に応用される自己ねじ立て原理(self-tapping principles)に従えば、ねじ及びナット部材の形状を確立する必要がある。

図８において、下記の形状を概略案として検討する。
孔の内径37は、直径63の円筒形ボス内にある。
この孔に、タッピンねじが入れられる。
ボス部材における雌ねじ生成により、ボスに働き、またボス内に必ず含まれる半径方向力が生成される。
目的は、全ての半径方向外方向への力58の結合が、ボス外壁表面に何の荷重も応力も生成させずにボス材料中に分散されるようなボス壁の厚さ62を決定することである。
最大の力及びその結果としての応力は、ボスの中心に向かうものであり、図面では長さ60によって図示され、点59でゼロに減少する。
ボス壁がボスの外面に何の応力も発生させないことを保証するだけの厚みを保持できない場合、ボス材料による半径方向外向きの運動が起こり、「膨脹」が発生する。

この基本概念は、タッピンねじ組立概念と関連する全ての設計に関係し、本発明にのみ限定されるものではない。これは、ナットアンカー材料を好ましい方向へと流動させる点においてここに呈示された革新的概念の今後の理解と改良の基礎となるものである。

図７についてさらに説明すると、力Fr1、Fr2、MR2及びMFa2は半径方向外側への方向性を有し、また、図８の説明にもあるように、ボスの設計によって制限されるべきものである。これらの力が及ぼす外方向の力による効果の範囲は、説明上、仮定的な保留壁64によって表示されている。これらの壁64により、Fr1、Fr2、MR2及びMFa2に対する反力が生じ、ねじ立ての原理により押し退けられる物質に対するナット部材の形状に従って、ナットアンカー材料内に誘発される力及びその結果としての応力と合算される。こうした力は実質上、ねじの軸方向に働く。

力MR1及びMFa1はナット材料上に加わるが、その方向は、図８に関連して説明されているようなナット部材設計概念によって、こうした力が元のゼロ応力を達成するようには制限されていない。

これらの力MR1及びMFa1は、Fr1、Fr2、MR2及びMFa2から生じる反力と共に、ナット材料内に誘発される力に加えられる。その力は、本発明によるねじ形状の非対称な先端設計によって共同的に内方向へ働き、ナット材料を矢印52及び53の示す方向へ流動させる。

力Fr1及びFr2に対する反力は、それぞれトレーリング面29に向かうとともにこの面によって制御されたナット材料による内方向への流動をも生じさせる。こうした力は、他の力の考察において既に述べた基本的作用を有するものである。

当初の利点は図７によるナットアンカー形状によって生じるが、押し退けられる材料の割合は、接合体に加えられる軸方向荷重に対して期待される抵抗を生み出すべくねじ山側部の噛み合いを大きく増大させるには、それだけでは不十分である。従って、実用的な考察においては、本発明によってねじの形状を決定し、並びに、ねじの直径17（図１）に関連して、ナットアンカー36内に孔37の位置を決定し、もって、ナットアンカー材料内に押し退けられるＡで表示された材料量をナットとねじのねじ側部の噛み合いが十分に強化されるように大きくする必要がある。

図９において、ナットアンカー部材内の孔のサイズが37と表示されていたものから上記の要件に一致する37aへと縮小された状態が表示されている。縮小された孔の直径37aが作り出す状態では、ねじ輪郭側部31の凹面の一部31aはねじ立ての原理に従ってナット部材によりねじが形成される間に発生し、アンカーナット36を包含する力にさらに影響を与える。

孔37aの縮小した形状が作り出す状態においては、本発明によるねじを挿入する間、さらに多くの材料が押し退けられる。この材料を押し退けるためには、望ましいナット部材の流動の誘発に際し、孔がより大きな直径37の中に保持される場合以上のエネルギーを必要とするであろう。このように、力R2の大きさが図７で説明した状態でのものより大きい反面、R2及びその分力Fr2とFa2の相互比率は変化しない。

図９の状態において、力R3の方向は凹面31aの接線に垂直であるが、新しい点74から広がる増大した力R3及びその分力であるFr3とFa3は、図７に関して説明した力R1及びFr1、Fa1に比較して、比率の変化は見られない。

点74に加わる増大した圧力（力）と並んで凹面31aの効果は、ねじ山リーディング面の輪郭面の角度βが、延長線75として表示される中心軸の方向に連続する場合に発生したと考えられるものよりもさらに合力R3を増大させる。従って、R3とR1（図７）には線形的な関連はない。さらに力R3の方向は、角度関係を角度βから角度β＋へと増大させるような凹面31aによる効果によって変更される。このように、分力Fr3とFa3の間の関係は、先に説明した（図７）Fr1とFa1のものと同じ比率を保持するものではない。

以後の考察として、点74が凹面31aの下方に半径方向内側へと、つまり図７の点55に関連して、移動するにつれて、角度β＋がさらに増大することが解るであろう。

誘発される力R3の発生とその大きさ及び方向は、力のモーメントMR3を増大させ、一旦平衡状態が達成されるとMR3はMR2に等しくなるであろう。しかし、この力のモーメントMR3の大きさの増大によって、平衡状態に至る以前に、より高度な力及びナットアンカー材料36内にその結果としての応力が生じる。こうした力は、下向き、内方向性であり、ねじ形状のトレーリング面29へと向かうものである。

仮定壁64は力Fr2、Fr3、MR2及びMFa2による実質的に半径方向の方向性を持つ効果を保留し続け、下向き、及び内方向への荷重をさらに増大させる反力を発生させ、また、孔37aの初期の位置には含まれることのない応力をナットアンカー材料内に発生させる。結果的にこうした力は、加圧下でナットアンカー材料による低温流動となり、本発明によるねじと、ねじ立ての原理によって作り出されるナットねじとの間に可能な限り最良な接合を達成する方向へ誘発される。

これに加えて、本発明による凹形のねじ形状と並んで非対称なねじ先端は、柔軟な合成プラスチックから成るナットアンカー材料内に力の発生を誘発し、偶力及びその偶力の合力モーメントを生成させる。これにより、ねじ立て動作の間、ナット材料はだいたい図10に図示される状態で流動することとなる。

ナット材料の方向性のある流動は誘発された力によって発生するものであり、65でのねじ形状の有効深度を66のものよりも増大させる。組立てが平衡状態に到達すると、Ａ量はＢ量に等しくなる。結果的にねじの中心となる部分に発生する可能性のある間隙48はどれも、前述の部分で説明したようにねじ形状が対称的で三角形のものよりもさらに、ねじ接面29から離れているであろう。

本発明を使用することによる、また、ねじ立ての原理に基づく、改良されたねじ及びナットの組み立てにおける荷重流動の性質に関連する利点は、図11についての説明でさらに理解することができる。

ねじは、76で指示されるような回転によって、ボス部材36内の孔37aへと挿入される。ねじ山により円筒形の孔の周囲に発生するつる巻状の回転76に影響され、また最初の「起動」末端圧力78が指示される方向へ加わって、ねじは軸方向77へと前進する。ねじが上記の影響を受けながら前進するにつれ、本発明によるねじ山の輪郭形状の結果として結合ねじのねじ山輪郭の接触深度を増大させるようにナットアンカー材料に歪みが発生する。半径方向の接触高さ65を増加させるようなこの歪みは、対称的な三角形であるねじ山形状の使用によって発生する間隙よりも上側に間隙を発生する。

ボス36の接触範囲とクランププレート70が互いに影響を与え合い始める点において、ねじの回転の継続により71に示されるような引っ張り力が発生する。この引っ張り力は、行路72に沿ってヘッド10を通じ、クランププレート70を通って伝達され、構成部材36と70を締め付ける圧縮力を生み出す。引っ張り力71は、ねじ山形状のトレーリング面29及び形成されるナットねじ山における結合接触とによる抵抗を受けて初めて発生する。

リーディング面31がねじ山による任意の引っ張り荷重の伝達の可能性に対し検出し得る影響を与えるのは、ねじ山がそうした荷重を受けて曲折し破壊したりするのを防止するだけ十分な「太さ」を有する場合のみである。

従って、ここで重要な点は、ナットとねじ山輪郭間の接面を、結合部に加わる軸方向の引っ張り荷重による有害な影響のないように構築しなければならない、ということである。こうした状態は、図２に関する前述の説明のような本発明によるねじを使用することによって作り出される。それによると、本発明の特徴であるねじ山の非対称輪郭形状によって、ナットの材料流動は、65におけるねじ山高度を66よりも大きくし、結合形成能力を改良するべく誘発される。

本発明による特定の実施例について指示、説明してきたが、本発明の種々の面における変更及び修正は広い意味での発明から逸脱することなしに実施が可能である。その変更及び修正の内のあるものは日常の工学的あるいは設計上の問題であり、他のものは考察によって判明することは、当業者にとっては明白であろう。発明の範囲は特別の実施例及びここに詳述された特定の構造によって限定されるものではなく、前記の特許請求の範囲及びその同等物によって限定されるべきものである。従って、前記特許請求の範囲の目的は、発明の真の精神及び範囲内にある全ての変更、並びに修正を含むことである。

本発明を実施するねじ部品の概略側面図である。本発明によるねじの形状を示す図面である。従前のねじ山形状アングルを統合した力のベクトルを示す図面である。加工物と噛み合った第３図に示されているねじ山形状を示す図面である。図３及び図４で示されたねじが、ねじ山を形成する間の、材料流動を誘導する力のベクトルの図面である。加工物における第３図ないし第５図のねじ部品により形成されたねじ山の概略図である。本発明の非対称ねじ山先端の形状より展開された力のベクトル図である。ねじ立てにより誘発された半径方向の荷重を応受可能なボスの容積の図面である。本発明の凹面ねじ形状部分より誘発される力のベクトルの図面である。本発明のねじ形状に起因する加工物の動きの概略図である。本発明のねじ部品を使用した完全な組立体の略図である。

符号の説明

Ａ軸
Ｉ第１の区域
II 第２の区域
III 第３の区域
α 第１の角度
β 第２の角度
１０ドライバーヘッド
１１本体部分
１５ねじ山
１９ねじ山の全深度
２２反りの既定半径
２９トレーリング面
３０ねじ山の先端部分
３１リーディング面

Claims

ねじ山形成型のねじであって、このねじを加工物に形成されている案内孔にねじ込む間に、偶力の組み合わせ及び該偶力の結果生じるモーメントが当該ねじのねじ山の周囲に前記加工物の材料の材料流動を引き起こし、当該ねじのねじ山と前記加工物に形成されたねじ山の間に面接触を生じさせるものにおいて、
前記ねじが、軸（A）を画定するねじ切りされた本体部分（11）とドライバーヘッド部分（10）からなり、前記ねじ切りされた本体部分（11）が、軸方向断面におけるねじ山輪郭（15）を有し、かつ複数の区域からなり、当該区域が、
前記加工物内へ前記ねじが進行する方向に対して後面の平坦なトレーリング面（29）からなり、このトレーリング面が、前記本体部分（11）の直径に対して第一の角度（α）を画定する第一区域（I）と、
既定半径（22）を画定する丸みのついたリーディング面（31）からなる第二区域（II）と、
前記ねじ山の先端部分（30）からなり、この先端部分の平坦な前面が、前記本体部分の前記直径に対して第二の角度（β）を画定し、前記丸みの付いたリーディング面（31）が、前記ねじの全ねじ山深度（19）に対する既定の距離（34）で前記先端部分（30）と接する第三区域（III）とを含み、
ねじ山が形成される間に、前記先端部分の平坦な前面及び前記平坦なトレーリング面がそれぞれ実質上同じ大きさの軸方向に対向して生じる合力（R1、R2）を発生させ、前記平坦なトレーリング面により発生される当該合力（R2）の半径方向成分の力（Fr2）が、前記平坦な前面により発生される当該合力（R1）の半径方向成分の力（Fr1）より小さく、それによって偶力（MR1、MR2）が導かれ、それにより前記加工物の材料が、概略半径方向内向きの、前記加工物に対して前記ねじが進行する方向に関して前方への、前記角度の付いたトレーリング面（29）に対する流れを誘発され、前記ねじのねじ山と前記加工物に形成されたねじ山の間の面接触が増大し、それにより前記加工物と前記トレーリング面（29）の係合するねじ山の間に摩擦がもたらされ、使用中に外部から加えられる力によって前記ねじと前記可能物が緩み難くなり、ストリッピングトルクに対するねじ立てトルクの関係が変更され、前記加工物の材料内のフープ応力が減少するねじ。
ねじ山が形成されている間、前記丸みのついたリーディング面（31）が偶力（MR3）を導く合力（R3）を発生させ、この偶力（MR3）が、前記平坦なトレーリング面により発生される前記合力（R2）により導かれる前記偶力（MR2）と平衡状態に達するに先立ち、前記加工物内に力及び応力を発生し、それによって材料の低温流動が、前記加工物内で前記角度のついたトレーリング面に向かって生じ、前記リーディング面におけるねじ山輪郭の有効深さを超えて前記トレーリング面におけるねじ山輪郭の有効深さが増大する請求項１記載のねじ。
前記丸みのついたリーディング面（31）の半径（22）が、前記ねじの呼び径（17）の0.22倍〜0.30倍の範囲にある請求項１記載のねじ。
前記第一の角度（α）が10°〜15°の範囲にある請求項１記載のねじ。
前記第二の角度（β）が17°〜25°の範囲にある請求項１記載のねじ。
前記丸みのついたリーディング面（31）が、前記先端部分と前記ねじの全ねじ山深度（19）の23％〜27％の範囲の深度で接する請求項５記載のねじ。
前記ねじ切りされた本体部分のねじ山の軸方向のピッチが、前記ねじの呼び径（17）の0.4倍〜0.6倍の範囲にある請求項１記載のねじ。