JP2009174563A - ボルト及びそれを用いた締結具 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ボルト軸部の少なくとも先端部側に形成されたピッチpbの雄螺子部と、雄螺子部のボルト頭側又はボルト円筒部側の螺子山の頂部の一部が除去されボルト頭側又はボルト円筒部側に向かって螺子山外径が縮径したテーパ部と、テーパ部の最小径部からボルト頭側又はボルト円筒部側に向かって緩やかに円弧状に拡径して形成された不完全螺子除去部と、を有し、雄螺子部のピッチpbと雄螺子部と螺合して締結される雌螺子のピッチpnが、0.003≦(pn−pb)/pb≦0.05の関係である。
【選択図】図2
Description
特に、可動部または外部から振動を受ける部材の接合部に使用される螺子締結具(主として、ボルトおよびナット)においては、当初はきちんと締結されていても、長期にわたって繰返し使用されることにより、外部応力によってボルトに緩みが発生することは避けられず、使用期間中に締め直す必要があった。
そこで、これらの問題点を解決するために、近年、緩み防止機能を有する種々のボルト及びその製造方法等が研究・開発されている。
例えば、ダブルナット・ボルトの一種として、(特許文献1)のように、同一箇所に並目および細目の螺子を加工し、それぞれに対応して内側に並目、外側に細目のナットを嵌合させることで、極めて緩み難いボルトとナットの締結システムが提案されている。
また、(特許文献2)には、雌螺子のピッチを雄螺子のピッチより大きく形成することで、シングルナットのみでも極めて緩み難い螺子が提案されている。
一方、ボルトの疲労強度向上策として、有効なものは極めて少ないが、例えば、(特許文献3)には、雌螺子に嵌合する雄螺子を引張り力方向へ先細状に整形することにより、疲れ特性を改善させた螺子継手が提案されている。
(1)(特許文献1)では、ダブルナットを使用するために、その分だけ製品の重量が重くなるだけでなく、ナットの締結に要する作業工数が増加し、ユーザから敬遠されることや用途が限定されることがあるという課題を有していた。
また、このようなダブルナット・ボルトの締結システムは、繰返し荷重が加わった場合、螺子締結部が緩まないという利点はあるものの、ボルトそのものには疲労強度向上策は適用されていないので、現状の螺子締結具よりもボルト本数を減らす、あるいはより安全性を確保する、というような利点までは期待できなかった。
(2)また、鉄骨構造物の固定には、溶接歪みが発生せず、高所での作業が容易で、分解も可能な高力ボルトが好適に用いられているが、遅れ破壊や応力腐食割れが発生するという課題を有していた。しかし、(特許文献1)のようなダブルナット・ボルトの締結システムでは、ボルトそのものの疲労強度は従来と変わらないので、遅れ破壊や応力腐食割れの観点から、ボルトの疲労強度の向上が望まれていた。
(3)(特許文献2)は、シングルナットのみでも極めて緩み難く、施工性に優れるものであったが、疲労強度の向上については、十分な検討が行われていなかった。
即ち、ボルト(雄螺子)のピッチがナット(雌螺子)のピッチよりも小さいことにより、通常状態では、ボルトの螺子谷底に圧縮応力が生じるので、外部から引張り応力が加わった場合、この圧縮応力と引張り応力が相殺し、外部応力の影響が抑えられ、疲労強度の改善は見られるが、ボルト及びナットのピッチが、緩み止めを目的として設定されているため、疲労強度向上策として不十分であり、現状の螺子締結具よりもボルト本数を減らす、あるいはより安全性を確保する、というような利点までは期待できなかった。
(4)(特許文献3)の螺子継手では、疲労強度を向上させることはできるが、緩みを防止するという点に関しては全く考慮されていなかった。
即ち、ボルトそのものの疲労強度は優れるものの、繰返し荷重が加わることにより、螺子締結部に緩みが生じるので、繰返し荷重(振動)が加えられる箇所に使用する際に、現状の螺子締結具よりもボルト本数を減らす、あるいはより安全性を確保する、というような利点までは期待できなかった。
(5)以上、説明したように、ボルトの緩みは繰り返し荷重(振動)が加えられる箇所に発生するため、本来であれば、螺子締結具には、緩み防止機能を有すると同時に、疲労強度の向上が望まれるが、十分に締結されている状態の螺子締結具においては、ボルトの外力の負担割合が1/3〜1/5程度しかないという理由から、ボルトの破損防止の研究は、緩み防止の研究に重きが置かれ、十分な緩み防止機能と疲労強度向上策を兼ね備えた螺子締結具については検討されていなかった。
緩みは発生し難いが、強度が不足するボルトや十分な強度があっても緩みが発生し易いボルトを使用する限り、ボルトの本数や寸法等を低減することができず、製品の重量や寸法が増加し易く、設計の自由度に欠けると共に、孔あけ加工やボルトの締付け作業等に工数を要し、実用性、信頼性に欠けるという課題を有していた。
本発明の請求項1に記載のボルトは、ボルト軸部の少なくとも先端部側に形成されたピッチpbの雄螺子部と、前記雄螺子部のボルト頭側又はボルト円筒部側の螺子山の頂部の一部が除去され前記ボルト頭側又は前記ボルト円筒部側に向かって螺子山外径が縮径したテーパ部と、前記テーパ部の最小径部から前記ボルト頭側又は前記ボルト円筒部側に向かって緩やかに円弧状に拡径して形成された不完全螺子除去部と、を有し、前記雄螺子部のピッチpbと前記雄螺子部と螺合して締結される雌螺子のピッチpnが、0.003≦(pn−pb)/pb≦0.05の関係である構成を有している。
この構成により、以下のような作用が得られる。
(1)雄螺子部のボルト頭側又はボルト円筒部側の螺子山の頂部の一部が除去されボルト頭側又はボルト円筒部側に向かって螺子山外径(呼び径)が縮径したテーパ部を有することにより、雌螺子と螺合されるテーパ部の各々の螺子山の高さが、分担する面圧力に逆比例して漸減するので、テーパ部の各々の螺子山の荷重分担が均一化し、雌螺子を螺合した際に、雌螺子のボルト頭側又はボルト円筒部側(内側)の端面近傍のテーパ部の螺子谷底に引張りや曲げの応力が集中するのを緩和でき、ボルトの疲労強度を大幅に向上することができる。
(2)通常、雄螺子部の切始めに形成される不完全螺子部には応力集中が発生し易いが、テーパ部の最小径部からボルト頭側又はボルト円筒部側に向かって緩やかに円弧状に拡径して不完全螺子除去部を形成することにより、テーパ部を形成しても不完全螺子除去部に応力集中がほとんど発生せず、テーパ部による疲労強度改善効果を維持することができる。
(3)雄螺子部のピッチpbと雄螺子部と螺合して締結される雌螺子のピッチpnが、0.003≦(pn−pb)/pb≦0.05の関係であることにより、雌螺子のピッチpnが雄螺子部のピッチpbよりも大きくなるので、螺合状態で雄螺子部の螺子山の間隔を広げようとする力と、その力に抗する力に基づいて、雄螺子部とナットの螺子山間に適度な摩擦力を発生させ、雌螺子の螺合、締付けを可能にすると共に、緩み方向への大きな抵抗を付与することができ、外部から変動応力が加わっても優れた緩み止め機能を維持することができる。この結果、長期の使用期間を通して外力による緩みの発生を確実に抑えることができ、緩みに伴うトラブルを防止でき、信頼性、メンテナンス性に優れる。
(4)テーパ部の作用により、雌螺子内側の端面近傍の螺子谷底に引張りや曲げの応力が集中することはないが、外部からボルトに引張り応力が加わったとしても、雄螺子部のピッチpbが雌螺子のピッチpnよりも小さく、通常(静止)状態では雄螺子部の螺子谷底に圧縮応力が生じているので、この引張り応力と圧縮応力が相殺し、外部応力の影響を確実に抑えることができ、疲労破壊の一番の原因である繰り返しの変動応力に対する耐性を大幅に向上させることができ、優れた緩み防止機能と疲労強度を兼ね備えることができる。
ボルトの材料に関して、特に制約を設ける必要はなく、金属,非金属を問わず、全ての固体材料にその考え方を適用できる。しかし、特に効果が顕著と考えられるのは、鉄鋼材料や銅,アルミニウム,チタン,マグネシウム等の軟質金属とそれらの合金類である。
雄螺子部の螺子山の断面形状としては、三角螺子、台形螺子、角螺子、のこ刃螺子、丸螺子等が挙げられる。
ボルトと雌螺子のピッチ差pn−pbのボルトのピッチpbに対する割合は0.3%〜5%が好ましい。この割合が0.3%より小さくなるにつれ、雌螺子によってボルトの雄螺子部の螺子山の間隔を広げようとする力やボルトと雌螺子の螺子山間に生じる摩擦力が低下し、緩み止め機能が低下し易くなる傾向があり、5%より大きくなるにつれ、ボルトと雌螺子の間にかじり付きが発生し易くなり、締結に必要な締付トルクが増加して、施工性が低下し易くなる傾向があり、いずれも好ましくない。
この構成により、以下のような作用が得られる。
(1)ボルトが、雄螺子部のボルト頭側又はボルト円筒部側の一部の螺子山の頂部の一部が除去されボルト頭側又はボルト円筒部側に向かって螺子山外径(呼び径)が縮径したテーパ部を有することにより、雌螺子と螺合されるテーパ部の各々の螺子山の高さが、分担する面圧力に逆比例して漸減するので、テーパ部の各々の螺子山の荷重分担が均一化し、螺合された雌螺子のボルト頭側又はボルト円筒部側(内側)の端面近傍のテーパ部の螺子谷底に引張りや曲げの応力が集中するのを緩和でき、ボルトの疲労強度を大幅に向上することができる。
(2)雌螺子の少なくとも一部がボルトのテーパ部と螺合して締結されることにより、雌螺子のボルト頭側又はボルト円筒部側(内側)の端面のテーパ部の螺子山に対し、撓み易いナットの螺子山の先端側のみで接触し、接触面積が小さくなるため、片当たりが緩和され、危険断面に近いテーパ部の螺子谷底における応力を大幅に低減して破壊を防止することができ、ボルトの疲労限を向上できる。
(3)ボルトの雄螺子部のピッチpbと雄螺子部と螺合して締結される雌螺子のピッチpnが、0.003≦(pn−pb)/pb≦0.05の関係であることにより、螺合状態でボルトの螺子山の間隔を広げようとする力と、その力に抗する力に基づいて、ボルトと雌螺子の螺子山間に適度な摩擦力を発生させ、雌螺子の螺合、締付けを可能にすると共に、緩み方向への大きな抵抗を付与することができ、外部から変動応力が加わっても優れた緩み止め機能を維持することができる。この結果、長期の使用期間を通して外力による緩みの発生を確実に抑えることができ、緩みに伴うトラブルを防止でき、信頼性、メンテナンス性に優れる。
この構成により、請求項2で得られる作用に加え、以下のような作用が得られる。
(1)雌螺子が、ナットの全長の50%〜80%の範囲でボルトのテーパ部と螺合されることにより、危険断面である雌螺子の内側端面側のボルトのテーパ部の螺子谷底において、確実かつ効率的に、荷重分担の均一化,引張り及び曲げの応力集中の緩和,片当たりの緩和を図ることができ、疲労強度の信頼性に優れる。
尚、雌螺子の位置を最適な位置とするために、被締結体の厚みに応じて、ボルトのボルト軸部の長さを選択するが、必要に応じてワッシャを用いることにより、雌螺子の位置を調節して良好な締結状態を得ることができ、優れた疲労強度及び緩み防止機能を実現できる。
この構成により、請求項2又は3で得られる作用に加え、以下のような作用が得られる。
(1)雌螺子のボルト頭側又はボルト円筒部側の端部の螺子山と嵌合するテーパ部の螺子山の高さが、雌螺子の螺子山の高さの10%〜75%の高さであることにより、十分な締付け力を確保することができ、安全性の低下を防ぐことができる。
請求項1に記載の発明によれば、以下のような有利な効果が得られる。
(1)雌螺子と螺合されるテーパ部の各々の螺子山の高さを、分担する面圧力に逆比例するように漸減させることにより、テーパ部の各々の螺子山の荷重分担を均一化し、雌螺子の内側端面近傍のテーパ部の螺子谷底に引張りや曲げの応力が集中するのを緩和でき、疲労強度を大幅に改善できる安全性、信頼性に優れたボルトを提供することができる。
(2)テーパ部の最小径部からボルト頭側又はボルト円筒部側に向かって緩やかに円弧状に拡径して形成された不完全螺子除去部により、応力集中の発生を防ぐことができ、テーパ部による疲労強度改善効果を維持して遅れ破壊や応力腐食割れなどの発生率を低減することができ、長寿命性、締結安定性に優れたボルトを提供することができる。
(1)雌螺子の少なくとも一部をボルトのテーパ部と螺合させて締結することにより、雌螺子内側端面のテーパ部の螺子山に対し、撓み易い雌螺子の螺子山の先端側のみで接触させ、接触面積を低減することができ、片当たりを緩和して、危険断面に近いテーパ部の螺子谷底における応力を大幅に低減してボルトの破壊を防止することができ、ボルトの疲労強度を大幅に改善できる安全性、信頼性に優れた締結具を提供することができる。
(2)ボルトの雄螺子部のピッチpbと雄螺子部と螺合して締結される雌螺子のピッチpnが、0.003≦(pn−pb)/pb≦0.05であることにより、雌螺子によってボルトの螺子山の間隔を広げようとする力と、その力に抗する力に基づいて、ボルトと雌螺子の螺子山間に適度な摩擦力を発生させ、雌螺子の螺合、締付けを可能にすると共に、緩み方向への大きな抵抗を付与することができ、長期間使用しても外部からの変動応力による緩みが発生し難く、緩み防止機能の確実性、メンテナンス性に優れた締結具を提供することができる。
(3)確実な緩み防止機能と、大幅に改善された疲労強度を兼ね備えることにより、ボルト,雌螺子の使用数や寸法を大幅に低減することができ、製品の小型化、軽量化を実現できるだけでなく、ボルトの孔あけ加工や締付け作業等に要する工数を低減して製品のコストダウンを図ることができ、製品設計の自在性、組立て作業性、量産性を著しく向上させることができ、繰り返し使用が可能で、実用性、省資源性に優れた締結具を提供することができる。
(1)雌螺子が、雌螺子の全長の50%〜80%の範囲でボルトのテーパ部と螺合されることにより、危険断面である雌螺子の内側端面側のボルトのテーパ部の螺子谷底において、確実かつ効率的に、荷重分担の均一化,引張り及び曲げの応力集中の緩和,片当たりの緩和を図ることができるだけでなく、テーパ部を除く雄螺子部との螺合部分で強固な締付け力を得ることができ、疲労強度の信頼性と共に、緩み防止機能の信頼性、確実性に優れた締結具を提供することができる。
(1)雌螺子の内側端部の螺子山と嵌合するテーパ部の螺子山の高さを、雌螺子の螺子山の高さの10%〜75%の高さとすることにより、十分な締付け力を確保して、安全性の低下を防ぐことができ、繰り返し使用が可能な耐久性、省資源性に優れた締結具を提供することができる。
(実施の形態1)
図1は実施の形態1のボルトの要部側面図であり、図2は図1のA部の拡大模式側面図である。
図1中、1は実施の形態1のボルト、2はボルト1のボルト軸部、3は冷間鍛造等により形成されたボルト1のボルト頭、4は切削又は転造によりボルト軸部2の先端部から所定部まで形成されたボルト1の雄螺子部である。
次に、ボルトの雄螺子部の詳細について説明する。
図2中、4aは雄螺子部4の螺子山の頂部、4bは雄螺子部4の谷底部、4cは雄螺子部4のフランク、5は雄螺子部4のボルト頭3側の螺子山の頂部の一部が除去されボルト頭3側に向かって螺子山外径(呼び径)が縮径したボルト1のテーパ部、6はテーパ部5の最小径部からボルト頭3側に向かって緩やかに円弧状に螺子山外径(呼び径)が拡径して形成されたボルト1の不完全螺子除去部である。
図3中、10はボルト頭3側の一部がピッチpbのボルト1のテーパ部5と螺合して締結された実施の形態1のボルトを用いた締結具におけるピッチpnの雌螺子としてのナット、20は実施の形態1のボルトを用いた締結具によって締結された被締結体、hnはナット10の螺子山の高さ、htはナット10のボルト頭3側の端部の螺子山と嵌合するボルト1のテーパ部5の螺子山の中央高さ(ナット10に嵌合するテーパ部5の最小螺子山高さという。)、lnはナット10の全長、ltはボルト1のテーパ部5の内のナット10と螺合される部分の長さである。
0.003≦(pn−pb)/pb≦0.05とすることにより、ボルト1とナット10を螺合する際に、抵抗が発生するが、両者のピッチ差が小さく、螺子山の弾性変形によって吸収できる範囲となっているので、一般的に用いられる工具のみで容易に締結することができる。
尚、ボルト1やナット10の材料に関して、特に制約を設ける必要はなく、金属,非金属を問わないが、効果の面からは、鉄鋼材料や銅,アルミニウム,チタン,マグネシウム等の軟質金属とそれらの合金類が好ましい。一部の硬質金属を使用する場合、ボルト1及びナット10の両方とも同じように硬質であると、嵌合時に噛り付きを起こす恐れもあるので、その場合は破壊し難い側であるナット10の材料をいくらか軟らかいものにした方が望ましい。具体的には、ボルト1のビッカース硬さHvbとナット10のビッカース硬さHvnの関係が、0.5Hvb≦Hvn<Hvbのものが好適に用いられる。ボルト1のピッチpbとナット10のピッチpnのピッチ差が小さければ、硬さの差も小さくすることができるので、ピッチ差に応じて、各々の硬さHvb,Hvを前述の範囲から選択することができる。
ナット10のボルト頭3側の端部の螺子山と嵌合するテーパ部5の螺子山の高さhtと、ナット10の螺子山の高さhnの関係が、0.1hn≦ht≦0.75hnとなるようにした。危険断面であるナット10の内側端面側でナット10の螺子山と嵌合するテーパ部5の螺子山の高さhtが、ナット10の螺子山の高さhnの10%より低くなるにつれ、疲労強度が低下し、テーパ部5における各々の螺子山の引掛かりが少なくなり、嵌合している残りの螺子山の負担が増加して、応力集中が発生し易くなると共に、寸法精度がばらつき易く、その影響によって疲労強度のばらつきも発生し易くなり、締結安定性が低下する傾向があり、75%より高くなるにつれ、テーパ部5による疲労強度向上作用が得られ難くなる傾向があることがわかったためである。
一方、ボルト1側から見れば、雄螺子部4の螺子山を押し広げようとする力に抗する力が発生し、ボルト1とナット10の螺子山間に適度な摩擦力が生じ、緩み難い状態となっている。
図3では、ナット10の全長の1/2の位置を境にして、矢印で示した雄螺子部4の螺子山を押し広げようとする力の向きが左右に分かれているが、ナット10の位置が変われば、ボルト1とナット10の各々の螺子山の嵌合状態は周期的に変化し、それに伴って、力の働く向きも周期的に変化することになる。
本実施の形態では、ボルト1のピッチpbがナット10のピッチpnよりも小さく、通常(静止)状態では、ナット10の内側端面側のボルト1の螺子谷底に圧縮応力が生じているので、外部からボルト1に加わる引張り応力と相殺し、外部応力の影響を確実に抑え、変動応力に対する耐性を大幅に向上させることができる。
また、ナット10と螺合されるテーパ部5の各々の螺子山の高さを、螺子山が分担する面圧力に逆比例するように漸減させることにより、テーパ部5の各々の螺子山の荷重分担を均一化し、ナット10の内側端面近傍のテーパ部5の螺子谷底に引張りや曲げの応力が集中するのを緩和すると共に、ナット10の一部をボルト1のテーパ部5と螺合させて締結することにより、ナット10の内側端面のテーパ部5の螺子山に対し、撓み易いナット10の螺子山の先端側のみで接触させ、接触面積を低減することができ、片当たりを緩和して、危険断面に近いテーパ部5の螺子谷底における応力を大幅に低減している。
これらの相乗効果により、緩み防止機能に加え、ボルト1の疲労強度を飛躍的に向上させることができる。
次に、転造工程又は切削工程により、雄螺子部4を形成する。このとき、ボルト1のピッチpbとナット10のピッチpnが、0.003≦(pn−pb)/pb≦0.05の関係となるようにする。
尚、ISOやJIS等の寸法規格に適合するようにボルト1を製造し、さらに上式を満たすようにボルト1のピッチpbよりもピッチが大きなピッチpnのナット10を製造してもよいが、ISOやJIS等の寸法規格に適合するように製造されたナット10を基準として、上式を満たすようにナット10のピッチpnよりもピッチが小さなピッチpbのボルト1を製造するようにすれば、既存のナット10をそのまま使用することができ、汎用性、使用性に優れる。
また、本実施の形態では、ボルト1に螺合される雌螺子としてナット10を用いた場合について説明したが、このボルト1を埋込みボルトとして使用する際には、雌螺子として、接合部に埋設された雌螺子部材や接合部に形設された雌螺子部などを用いることができる。
(1)雄螺子部4のボルト頭3側の螺子山の頂部の一部が除去されボルト頭3側に向かって螺子山外径が縮径したテーパ部5を有することにより、ナット10と螺合されるテーパ部5の各々の螺子山の高さが、分担する面圧力に逆比例して漸減するので、テーパ部5の各々の螺子山の荷重分担が均一化し、ナット10(雌螺子)を螺合した際に、ナット10のボルト頭3側(内側)の端面近傍のテーパ部5の螺子谷底に引張りや曲げの応力が集中するのを緩和でき、ボルト1の疲労強度を大幅に向上することができる。
(2)通常、雄螺子部4の切始めに形成される不完全螺子部には応力集中が発生し易いが、テーパ部5の最小径部からボルト頭3側に向かって緩やかに円弧状に拡径して不完全螺子除去部6を形成することにより、テーパ部5を形成しても不完全螺子除去部6に応力集中がほとんど発生せず、テーパ部5による疲労強度改善効果を維持することができる。
(3)雄螺子部4のピッチpbと雄螺子部4と螺合して締結されるナット10(雌螺子)のピッチpnが、0.003≦(pn−pb)/pb≦0.05の関係であることにより、ナットのピッチpnが雄螺子部4のピッチpbよりも大きくなるので、螺合状態で雄螺子部4の螺子山の間隔を広げようとする力と、その力に抗する力に基づいて、雄螺子部4とナット10の螺子山間に適度な摩擦力を発生させ、ナット10の螺合、締付けを可能にすると共に、緩み方向への大きな抵抗を付与することができ、外部から変動応力が加わっても優れた緩み止め機能を維持することができる。この結果、長期の使用期間を通して外力による緩みの発生を確実に抑えることができ、緩みに伴うトラブルを防止でき、信頼性、メンテナンス性に優れる。
(4)テーパ部5の作用により、ナット10内側の端面近傍の螺子谷底に引張りや曲げの応力が集中することはないが、外部からボルト1に引張り応力が加わったとしても、雄螺子部4のピッチpbがナット10のピッチpnよりも小さく、通常(静止)状態では雄螺子部4の螺子谷底に圧縮応力が生じているので、この引張り応力と圧縮応力が相殺し、外部応力の影響を確実に抑えることができ、疲労破壊の一番の原因である繰り返しの変動応力に対する耐性を大幅に向上させることができ、優れた緩み防止機能と疲労強度を兼ね備えることができる。
(1)ボルト1が、雄螺子部4のボルト頭3側の一部の螺子山の頂部の一部が除去されボルト頭3側に向かって螺子山外径が縮径したテーパ部5を有することにより、ナット10と螺合されるテーパ部5の各々の螺子山の高さが、分担する面圧力に逆比例して漸減するので、テーパ部5の各々の螺子山の荷重分担が均一化し、螺合されたナット10のボルト頭3側(内側)の端面近傍のテーパ部5の螺子谷底に引張りや曲げの応力が集中するのを緩和でき、ボルト1の疲労強度を大幅に向上することができる。
(2)ナット10の少なくとも一部がボルト1のテーパ部5と螺合して締結されることにより、ナット10のボルト頭3側(内側)の端面のテーパ部5の螺子山に対し、撓み易いナット10の螺子山の先端側のみで接触し、接触面積が小さくなるため、片当たりが緩和され、危険断面に近いテーパ部5の螺子谷底における応力を大幅に低減して破壊を防止することができ、ボルト1の疲労限を向上できる。
(3)ボルト1の雄螺子部4のピッチpbと雄螺子部4と螺合して締結されるナット10(雌螺子)のピッチpnが、0.003≦(pn−pb)/pb≦0.05の関係であることにより、螺合状態でボルト1の螺子山の間隔を広げようとする力と、その力に抗する力に基づいて、ボルト1とナット10の螺子山間に適度な摩擦力を発生させ、ナット10の螺合、締付けを可能にすると共に、緩み方向への大きな抵抗を付与することができ、外部から変動応力が加わっても優れた緩み止め機能を維持することができる。この結果、長期の使用期間を通して外力による緩みの発生を確実に抑えることができ、緩みに伴うトラブルを防止でき、信頼性、メンテナンス性に優れる。
(4)ナット10が、ナット10の全長lnの50%〜80%の範囲でボルト1のテーパ部5と螺合されることにより、危険断面であるナット10の内側端面側のボルト1のテーパ部5の螺子谷底において、確実かつ効率的に、荷重分担の均一化,引張り及び曲げの応力集中の緩和,片当たりの緩和を図ることができ、疲労強度の信頼性に優れる。被締結体20の厚みに応じて、ボルト1のボルト軸部2の長さを選択すると共に、必要に応じてワッシャを用いることにより、ナット10の位置を最適な位置に調節して良好な締結状態を得ることができ、優れた疲労強度及び緩み防止機能を実現できる。
(5)ナット10のボルト頭3側の端部の螺子山と嵌合するテーパ部5の螺子山の高さhtが、ナット10の螺子山の高さhnの10%〜75%の高さであることにより、十分な締付け力を確保することができ、安全性の低下を防ぐことができる。
(実施例1〜3、比較例1,2によるピッチ差の評価)
まず、JIS B 0205−1997に規定されるM16の並目ナットを基準として、実施の形態1で説明した製造方法により、ピッチpbが異なるボルトを製造した。
製造したボルトのピッチpbに対するボルトとナットのピッチ差pn−pbの割合(%)を表1に示す。
比較例2のボルトはナットとのかじり付きが発生したので、実施例1〜3及び比較例1のボルトを振動バーレルに挿通し、ボルトの雄螺子部にJIS B 0205−1997に規定されるM16のナットを螺合し、同一の締付トルク(145N・m)で締結した。
十分な疲労強度が得られるように、ナットに嵌合するテーパ部の最小螺子山高さの割合(=(ht/hn)×100(%))を10%とし、ナット全長に対するテーパ部長さの割合(=(lt/ln)×100(%))を80%として評価を行った結果を表1に示す。
評価の結果、比較例1では、試験後にナットに緩みが発生したが、実施例1〜3については、試験後にナットに緩みが発生しているものはなかった。
実施例1〜3及び比較例1のボルトを治具に挿通し、ボルトの雄螺子部にJIS B 0205−1997に規定されるM16のナットを螺合し、同一の締付トルク(145N・m)で締結した。ナットの位置は表1に示した通りである。
サーボ型疲労試験機(±392kN)を用い、ボルトの頭部とナットをボルトの軸方向に繰返し引張り、破壊が発生するまでの繰返し回数(時間)をカウントした。尚、引張りの平均応力は176.4MPaで一定とし、繰返し速度は500回/分とした。
評価は、従来のM16の並目ボルトと並目ナットを螺合した締結具の疲労強度を100%とした時の相対値とした。
表1に示すように、ボルトのピッチpbに対するボルトとナットのピッチ差pn−pbの割合が0.3%〜5%の範囲を満たす実施例1〜3では、従来の2倍以上の優れた疲労強度を有することがわかった。
ボルトのピッチpbに対するボルトとナットのピッチ差pn−pbの割合が0.3%より小さな比較例1では、従来の並目ボルトと並目ナットを螺合した締結具と同等の疲労強度しかなく、疲労強度改善効果が得られないことがわかった。
実施例1〜3、比較例1,2によるピッチ差の評価で、ボルトのピッチpbと、ナットのピッチpnの関係を0.003≦(pn−pb)/pb≦0.05とすることにより、優れた緩み防止機能が得られることがわかったので、ボルトのピッチpbと、ナットのピッチpnの関係を(pn−pb)/pb=0.02で一定(実施例2相当)にし、ナットの位置を変えながら、緩みの発生及び疲労強度について評価を行った結果を表2に示す。
振動バーレルに締結した締結具に、NAS式高速緩み試験機(米国航空機規格NAS3350に準じる)を用いて、ボルトの軸方向と直交する方向に振動を繰り返し与える振動試験を17分間(30000回)行った。振動数は1780rpmm、加振ストロークは11mm、インパクトストロークは19mmとした。
評価の結果、試験後又は試験中にナットに緩みが発生するものはなく、実施例4〜12、比較例3〜10の全てが合格となった。
ナットの位置が異なる以外は、実施例1〜3及び比較例1と同様にして評価を行った。
表2に示すように、ナットに嵌合するテーパ部の最小螺子山高さhtが、ナットの螺子山の高さhnの10%〜75%の高さで、ナットが、ナットの全長lnの50%〜80%の範囲でボルトのテーパ部と螺合された実施例4〜12は、優れた疲労強度を有することがわかった。
また、ナットに嵌合するテーパ部の最小螺子山高さhtをナットの螺子山の高さhnの80%とした比較例4,6,8では、従来の並目ボルトと並目ナットを螺合した締結具と同等の疲労強度しかなく、疲労強度改善効果が得られないことがわかった。
さらに、ナットが、ナットの全長lnの40%でボルトのテーパ部と螺合された比較例9では、50%の実施例4と比べて急激に疲労強度改善効果が低下することがわかった。また、ナットが、ナットの全長lnの90%でボルトのテーパ部と螺合された比較例10では、従来の1.5倍の疲労強度が得られることはわかったが、ナットの全長lnのほとんどがテーパ部で螺合しているため、外力などによってすっぽ抜ける可能性があり、締結の信頼性に欠けるので、好ましくない。
尚、ナットに嵌合するテーパ部の最小螺子山高さhtをナットの螺子山の高さhnの5%とした比較例3,5,7は、ナットに嵌合するテーパ部の最小螺子山高さhtをナットの螺子山の高さhnの50%とした実施例5,8,11ほぼ同程度の疲労強度となっているが、ナットに嵌合するテーパ部の最小螺子山高さhtをナットの螺子山の高さhnの10%とした実施例4,7,10をピークとして、急激に疲労強度が低下しており、5%〜10%の範囲は、少しの位置の違いで疲労強度にばらつきが発生し易い不安定な領域であると言える。また、テーパ部における各々の螺子山の引掛かりが少ないため、嵌合している残りの螺子山の負担が増加し、応力集中が発生し易くなり、実用性に欠けるので、好ましくない。さらに、螺子山の高さが低くなると、寸法精度のばらつきの影響を受け易く、製造安定性に欠けると共に、疲労強度のばらつきが発生し易く、締結安定性に欠けるので、好ましくない。
本実施例では、一般的に使用される代表的なM16のサイズに形成されたボルトを用いたが、ボルトのサイズによらず、表1,2と同様の傾向が見られる。
※疲労強度試験の説明(赤字)につき、問題がないかご確認下さい。
2 ボルト軸部
3 ボルト頭
4 雄螺子部
4a 頂部
4b 谷底部
4c フランク
5 テーパ部
6 不完全螺子除去部
10 ナット
20 被締結体
Claims (4)
- ボルト軸部の少なくとも先端部側に形成されたピッチpbの雄螺子部と、前記雄螺子部のボルト頭側又はボルト円筒部側の螺子山の頂部の一部が除去され前記ボルト頭側又は前記ボルト円筒部側に向かって螺子山外径が縮径したテーパ部と、前記テーパ部の最小径部から前記ボルト頭側又は前記ボルト円筒部側に向かって緩やかに円弧状に拡径して形成された不完全螺子除去部と、を有し、前記雄螺子部のピッチpbと前記雄螺子部と螺合して締結される雌螺子のピッチpnが、0.003≦(pn−pb)/pb≦0.05の関係であることを特徴とするボルト。
- 請求項1に記載のボルトと、少なくとも一部が前記ボルトの前記テーパ部と螺合して締結されるピッチpnの雌螺子と、を有することを特徴とする締結具。
- 前記雌螺子が、前記雌螺子の全長の50%〜80%の範囲で前記ボルトの前記テーパ部と螺合されることを特徴とする請求項2に記載の締結具。
- 前記雌螺子の前記ボルト頭側又は前記ボルト円筒部側の端部の螺子山と嵌合する前記ボルトの前記テーパ部の螺子山の高さが、前記雌螺子の前記螺子山の高さの10%〜75%の高さであることを特徴とする請求項2又は3に記載の締結具。
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