JP4385307B1

JP4385307B1 - ウェッジロックキャップボルト

Info

Publication number: JP4385307B1
Application number: JP2009121676A
Authority: JP
Inventors: 修身松本
Original assignee: 修身松本
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2029-05-20
Also published as: JP2010270805A

Abstract

【課題】六角穴付きボルト単独で緩みを確実に防止する。
【解決手段】従来の六角穴付きボルトの形状を円錐形穴あき円筒形キャップ、それにはめ合う六角穴付き円錐形ヘッドおねじの２部品に変更・分離し、且つ、円錐形穴あき円筒形キャップの底面を軸直角面に対して僅かに傾斜させ、更にその天面を傾斜底面の最下端から鉛直上方に伸ばした高さを、傾斜底面に対する平行面よりも更に低くした非平行の形状にして両部品がはめ合う構造の２部品１組のボルトにする。円錐形穴あき底面傾斜円筒形キャップの傾斜底面が被締結部材に密着接触になり軸線が僅かに傾き、これにはめ合う六角穴付きボルトの更に僅かな軸線の傾きによる物理的および両テーパのくさび効果によって、共にボルトが緩まない。
【選択図】図２

Description

本発明は、ナットを使用せずにボルト単独で被締結部材を相手のめねじ部材に締結する場合の六角穴付きボルトの緩み防止に関する。

従来の六角穴付きボルトは、緩み止めナットと組み合わせて使用する場合にはボルト自体に「緩み止め」を施す必要はない。一方、ボルト単独で被締結部材を相手のめねじ部材に締結する場合、軟らかい被締結部材に対しては「陥没緩み」を防ぐ目的でフランジ付き六角ボルトを使用し、あるいは被締結部材との接触面積が大きい「平座金」を併用している。しかし、振動などの外力によって起こるボルト頭と被締結部材との密着接触面が滑ることに対しては、そのボルトが回らないようにする有効な手段とは言えない。
「ねじのおはなし」、山本晃著日本規格協会ｐｐ．７３〜７５

硬質の被締結部材に対しては緩み止めとして「ばね座金」を使用している。しかし、とりわけ緩み止めが問題視されるナットにおいては、「軸直角方式ねじ緩み試験」の実験結果では緩み止め効果がないばかりか、却ってばね座金を使用しない場合に比べて「緩み止め」効果が劣ることが分かっている。また、「軸直角方式ねじ緩み試験」の実験結果では緩み止めナットの一種のナイロンインサート付きプリベリングトルク形六角ナットも標準六角ナットに比べて緩み止め効果に差がないことも分かっている。それでも緩んだナットの脱落・紛失防止の役目にはなる。また、緩み止め効果に優れた六角ナットには「二重式ゆるみ止めナット」や「ハードロックナット」があるが、これらはオスメス２部品１組であり、製造コストが廉価ではない。
「ハードロック工業株式会社ハードロックナットリーフレット」、１０Ｓ／０８．１０「２０００ねじ総合カタログ」、東京鋲螺協同組合平成１２年１月第１９版ｐｐ．２２２、２２３「ねじのおはなし」、山本晃著日本規格協会ｐｐ．８４〜８６

上記の他には、六角ナットの緩み止め対策としては、ダブルナット同士が向かい合う接触面の双方に傾斜を付け、あるいはダブルナット同士の一方を標準の六角ナットにしてその相手側を片側が傾斜した六角ナットとし、その双方間に片側が傾斜した座金を挟み、ダブルナット同士の一方あるいは双方の軸線がボルトの軸線と微少な角度で傾くことにより、ダブルナット同士とボルトの緩み止めとする技術がある。
特許６７３３３号明細書

また、ダブルナットの天側を標準の六角ナットとし、その下側の六角ナット底面を傾斜させ、これにはめ合うボルトの軸線方向の予張力で被締結部材との接触面との摩擦力を増し、同時にボルトおねじ部と六角ナットめねじとのロックで六角ナットの緩み止めとする技術がある。
特開平０１−１４１２１３号公報

単独の六角ナットの底面を傾斜させて被締結部材との接触面との摩擦力を増し、同時にボルトおねじ部と六角ナットめねじとのロックで六角ナットの緩み止めとする技術もある。
実開昭５６−０２９３０９号のマイクロフィルムで保管のデータ

六角ボルトの頭部底面を傾斜させて「０００５項」「０００６項」同様の
六角ボルトの緩み止めとする技術もある。
実開昭５０−０８８７５４号のマイクロフィルムで保管のデータ

ボルトの場合には、ナットの緩みと同列に比較できないとしても、「ばね座金」の使用でボルト頭の底座面と被締結部材表面に「ばね座金」切断部の爪を引っかけて回転を妨げる方式では、「ばね座金」の弾性力がボルトの軸方向の「予張力」の大きさに比較して極めて微少であり、緩み止め効果を期待できない。このことから、歯付き座金とても同様であり、ボルト単独使用での効果的な「緩み止め」対策がないことを意味する。

また、ボルトねじ部の埋め込み長さがボルト径の約３倍を超えれば、有効な締結効果が期待できるとされていても、むやみにねじ部を長くすることは無駄になる。逆に、約３倍の長さは緩むか緩まないかの「境界の長さ」とも言える。ボルト軸線方向の「予張力」の範囲内で有効な締結力を保持するためには、軸直角方向からの振動などの外力によってボルトが回らないようにする有効な手段が求められる。

本発明は、このような従来の六角穴付きボルトが繰り返し軸直角方向の衝撃あるいは振動によって生じる緩みに対し、「ばね座金」あるいは「歯付き座金」を使用する従来の有名無実の緩み止め対策ではなく、物理的根拠に基づいた手段によって根本的に当該ボルトの緩みを無くすことを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するために、現行ＪＩＳに規定の六角穴付きボルトにおける六角穴あき円筒形頭部の外径と高さおよび「おねじ部」のねじ外径に準拠しつつ、その形状を円錐形穴あき底面傾斜円筒形キャップ２およびそれにはめ合う六角穴付き円錐形ヘッドおねじ３の２部品に変更・分離し、且つ、当該円錐形穴あき底面傾斜円筒形キャップは、その底面を軸直角面に対して傾斜させると共に、底面と被締結部材５との接触面圧を均一化するために、更にその天面を傾斜底面の最下端から鉛直上方に伸ばした高さを、傾斜底面に対する平行面よりも更に低くした「非平行間隔」の円錐形穴あき底面・天面非平行傾斜円筒形キャップ２ｃにして、その天側から六角穴付き円錐形ヘッドおねじ３を挿入してはめ合う構造の２部品１組のウェッジロックキャップボルト１にする。

この２部品１組のウェッジロックキャップボルト１は、六角穴付き円錐形ヘッドおねじ３とめねじ部材６の「はめ合い」の隙間、および円錐形穴あき底面・天面非平行傾斜円筒形キャップ２ｃと六角穴付き円錐形ヘッドおねじ３ヘッド部のウェッジ「はめ合い」に起因する隙間の相乗効果によって、六角穴付き円錐形ヘッドおねじ３を六角レンチで締め付けて「予張力」を付加することで円錐形穴あき底面・天面非平行傾斜円筒形キャップ２ｃの傾斜底面座が被締結部材５に密着する。その結果として円錐形穴あき底面・天面非平行傾斜円筒形キャップ２ｃの軸線の向き２Ａがめねじ部材６の軸線の向きに対して微少な傾き角α（：１．７９°）Ｓ１になるために、外部からの軸直角方向の振動によって円錐形穴あき底面・天面非平行傾斜円筒形キャップ２ｃが物理的に回ることが無いために緩まない。同時に、六角穴付き円錐形ヘッドおねじ３とめねじ部材６間のねじ部外周ねじピッチのウェッジ原理による相乗ロック効果も加わる。

つまり、円錐形穴あき底面・天面非平行傾斜円筒形キャップ２ｃの軸線の向き２Ａがめねじ部材６の軸線の向きに対して微少の傾きになる状態は、分かり易く模式図化すると「図３」のようになる。「図３」における座面傾斜六角ボルト７は、被締結部材５およびめねじ部材６に対して１０°傾斜した図にしてあるが、この状態で座面傾斜六角ボルト７が回転することは物理的に不可能になる。「００１２」項に開示した場合の傾斜角は、これほど極端に大きくないものの、その原理は全く同じと言える。

なお、「図４」の座面傾斜六角穴付きボルト８は、従来の六角穴付きボルトを追加工して、その頭部底面を軸心に対して僅かに傾斜させたものを示す。しかし、これを締結しても、ボルトの剛性によって軸線が曲がり変形することが無く、頭部底面は点接触のままであり、その傾斜座面が被締結部材５との接触面に密着することが無いために、本発明の「００１２」と「００１３」項の「緩み止め効果」を生じない。

また、円錐形穴あき底面・天面非平行傾斜円筒形キャップ２ｃの円錐穴は、はめ合う六角穴付き円錐形ヘッドおねじ３と共に約２２．６°のテーパになっているために、ねじ部の軸線方向の「予張力」によってウェッジ原理の効果で一体化する。したがって、円錐形穴あき底面・天面非平行傾斜円筒形キャップ２ｃの外周に対して、六角穴付き円錐形ヘッドおねじ３を六角レンチで締め付けた場合のトルクに比べて約４．７倍のトルクを強制的に与えても緩むことが無い。この根拠については図８に示す。

つまり、円錐形穴あき底面・天面非平行傾斜円筒形キャップ２ｃが緩まないのでウェッジ原理の効果で一体化した六角穴付き円錐形ヘッドおねじ３も緩まない。なお、六角穴付き円錐形ヘッドおねじ軸線３Ａの傾き角β（：０．８°）Ｓ２は、めねじ部材６の軸線の向きに対して約半分と少ないために、六角穴付き円錐形ヘッドおねじ３自体の六角穴に六角レンチを差し込んで強制的に緩めるには、締め付け時と同等のトルクで緩めることができる。

別言すると、六角レンチを使用し、人為によって六角穴付き円錐形ヘッドおねじ３を強制的に緩めない限り、ウェッジロックキャップボルト１は、軸直角方向の振動や衝撃などの外力では緩まない。

上述したように、本発明のウェッジロックキャップボルト１は、完璧な緩み止めボルトであり、ＩＳＯの規定に準拠して制定されたＪＩＳ規定の六角穴付きボルトとの互換性を考慮してある。当該互換性は、ＪＩＳ規定以外の規定が想定され得ない実情を考察すると重要なことになる。本発明のウェッジロックキャップボルト１は、有名無実の緩み止め「ばね座金」あるいは「歯付き座金」を使用しなくて済むのは言うまでもない。とりわけ、従来の六角穴付きボルトが多く使用されている工作機械あるいは印刷機械には「増し締め」の必要がない本発明が活用できる。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図８に基づいて説明する。

図１において、円錐穴あき底面・天面非平行傾斜円筒形キャップ２ｃは、従来の六角穴付きボルトの頭部と同等の外径、高さにして天部の角を面取りし、底面に１．７９°の傾斜を付け、円錐形穴は頂角を約２２．６°のテーパにしてある

六角穴付き円錐形ヘッドおねじ３は、円錐穴あき底面・天面非平行傾斜円筒形キャップ２ｃの円錐穴にはめ合うテーパの円錐形ヘッドを有し、強度を低下させないための処置として、軸線方向の天側を半円形ドーム状の凸にして従来の六角穴付きボルトの六角穴と同等の「二面幅および深さ」を維持するサイズにしてある。

円錐穴あき底面・天面非平行傾斜円筒形キャップ２ｃの底面座部の面積は、従来の六角穴付きボルトあるいはＩＳＯ対応ＪＩＳ規定の六角ボルトと同等であって、それと同等の面圧に耐える。

一方、円錐穴あき底面・天面非平行傾斜円筒形キャップ２ｃの環状肉厚部の断面積で受け持つ円周方向の強度は、計算上で軸力の約２倍の力が掛かるために、ボルトのねじ谷径部の断面積との比較による単純な計算ではボルト谷径部の引張り強度に対して約５０％になる。

しかし、円錐穴あき底面・天面非平行傾斜円筒形キャップ２ｃのボルト側寄り座部の被締結部材との接触面積は、ボルト谷径部断面積の２．２倍であり、当該ボルト側寄り座部の強度は、実際には「００２２」項における耐面圧に近い強さと考えられる。つまり、円錐穴あき底面・天面非平行傾斜円筒形キャップ２ｃの環状肉厚部円周方向の強度は、単純な強度計算の手法では正確に算出できないが、ボルト谷径部断面積で受け持つ引張り強度１００％と「００２３」項に述べた約５０％の値との中間になると推定できる。

したがって、上記環状肉厚部の円周方向の強度は、強度試験によって実測するのが確実だが、「００２４」項の理由によってボルト谷径部断面積で受け持つ引張り強度の７５％と仮定した場合、通常の設計においては、静荷重で極限強さの２．４〜３．６倍、片振り繰り返し荷重で約３〜５倍、交番荷重で７〜１１倍の大雑把な安全率を見て設計される許容応力基準に照らせば、看過できないほどの強度低下とは言えない。

なお、ＪＩＳに規定されている六角ナットの強度試験として、テーパ度「１：１００」の試験用丸軸治具を挿入して行う「六角ナットの拡張試験」がある。この破壊試験に比較して、上記環状肉厚部の円周方向の強度は、テーパ度「１：２．５」の六角穴付き円錐形ヘッドおねじ３がはめ合う「拡張試験」に相当することになり、ウェッジ原理の効果による付加荷重値が格段に小さく、桁違いに破壊し難い。

さらに、円錐穴あき底面・天面非平行傾斜円筒形キャップ２ｃ底面座の傾斜角１．７９°は、ＩＳＯによらない「六角ボルト・並」の許容される加工誤差の最大傾斜角２°とほぼ同等であり、「六角ボルト・上」や「小形六角ボルト・中」の許容最大傾斜角１°との中間に位置する加工誤差の範囲内に入る。しかし、円錐穴あき底面・天面非平行傾斜円筒形キャップ２ｃ底面の座は、成形段階で傾斜角が付いていても、実際に使用する時の締結状態では現行の頭部とねじ部が一体のボルトと違って被締結部材５に密着するので、成形段階において傾斜があってはならないと制限することは意味を成さない。

また、本発明のウェッジロックキャップボルト１は、前例の無い形体であって円錐穴あき底面・天面非平行傾斜円筒形キャップ２ｃの外径をＪＩＳ規格の六角穴付きボルトの頭部外径に準拠させた試作品を製作して実験した。

図２は、試作品の本発明ウェッジロックキャップボルト１を組み立てて被締結部材５をめねじ部材６で挟んでねじ込んだ状態を示し、傾斜底面端ＢＦ部が被締結部材５の接触面に完全密着したことがルーペ使用の目視で確認できる。このことから円錐穴あき底面傾斜円筒形キャップ軸線２Ａがめねじ軸線５Ａに対して傾斜していることを類推した図を示す。因みに、図４に示した従来の六角穴付きボルトの頭部底面に傾斜加工した実験用試料は、「００１４」項に述べた如く、六角穴付きボルト自体の剛性によって絶対にねじ部軸が変形することは無く、試作品を使用して密着しないことを確認した。

図５は、本発明の円錐穴あき底面傾斜円筒形キャップ２を用いたウェッジロックキャップボルト１の組合せ状態を示す。円錐穴あき底面・天面非平行傾斜円筒形キャップ２ｃは、底面傾斜円筒形キャップ２に置き換える。図６および図７はそれらを各々に分解した図を示す。

本発明の全体側面図および頭部正面図本発明の組立・締結状態図座面傾斜六角ボルトの説明用模式図従来の六角穴付きボルトの頭部底面に傾斜加工した試料の図本発明のウェッジロックキャップボルト１の組合せ状態図本発明の円錐形穴あき底面傾斜円筒形キャップ（２）及び円錐形穴あき底面・天面非平行傾斜円筒形キャップ（２ｃ）の部品図本発明の「六角穴付き円錐形ヘッドおねじ３」の部品図本発明の「円錐形穴あき底面傾斜円筒形キャップ（２）」及び「六角穴付き円錐形ヘッドおねじ３」ねじ部外周長におけるウェッジ効果の傾斜角度比較図

１ウェッジロックキャップボルト
２円錐穴あき底面傾斜円筒形キャップ
２ａ締結前の位置図
２ｃ円錐穴あき底面・天面非平行傾斜円筒形キャップ
２Ａ円錐穴あき底面傾斜円筒形キャップ軸線
３六角穴付き円錐形ヘッドおねじ
３Ａ六角穴付き円錐形ヘッドおねじ軸線
５被締結部材
６めねじ部材
６Ａめねじ部材軸線
７座面傾斜六角ボルト
８座面傾斜六角穴付きボルト
１２植込みボルト
ＢＡ底面部傾斜角（：１．７９°）
ＢＦ傾斜底面端密着
ＢＰ傾斜底面端
Ｈ円錐穴あき底面・天面平行傾斜円筒形キャップの高さ
ｈ円錐穴あき底面・天面平行傾斜円筒形キャップの平行端の高さ
ｈｓ円錐穴あき底面・天面非平行傾斜円筒形キャップの非平行端の高さ
Ｓ１傾き角α（：１．７９°）
Ｓ２傾き角β（：０．８°）
θＤ円錐穴あき底面傾斜円筒形キャップ外周におけるウェッジ効果の傾斜角度
θｄ六角穴付き円錐形ヘッドおねじ外周におけるウェッジ効果の傾斜角度

Claims

現行ＪＩＳに規定の六角穴付きボルトのねじ部外径および頭部の外径と高さの寸法に準拠しつつ、その形状を円錐形穴あき底面傾斜円筒形キャップ（２）およびそれにはめ合う六角穴付き円錐形ヘッドおねじ（３）の２部品に変更・分離し、且つ、当該円錐形穴あき底面傾斜円筒形キャップは、その底面を軸直角面に対して傾斜させると共に、更にその天面を傾斜底面の最下端から鉛直上方に伸ばした高さを、傾斜底面に対する平行面よりも更に低くした「非平行間隔」の円錐形穴あき底面・天面非平行傾斜円筒形キャップ（２ｃ）にして、その天側から六角穴付き円錐形ヘッドおねじ（３）を挿入してはめ合う構造の２部品１組のウェッジロックキャップボルト（１）。