JP2005090530A

JP2005090530A - 複数重積材の緩み止め締結構造

Info

Publication number: JP2005090530A
Application number: JP2003320782A
Authority: JP
Inventors: Fusao Yamada; 房夫山田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-09-12
Filing date: 2003-09-12
Publication date: 2005-04-07

Abstract

【課題】複数重積材の締結構造における緩み止めを実現する。
【解決手段】ボルト２の呼び径よりもやや大きい偏心貫通孔９を有した逆円錐体の薄肉部に欠円用スリット１０を縦設したブッシュ８を付帯させると共に、ボルト頭２ａの当接する側の被締結材４面よりボルト透孔６上部に対して、該ブッシュ８の逆円錐傾斜角度と同一傾斜角度のテーパ面を有する逆円錐状孔部１１を穿孔し、該ブッシュ８を介挿した状態で締結するとしたものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数重積材を締結ボルトを介して締結一体化する場合に、当該締結ボルトの螺結基盤を端側の一の被締結材にとるとする締結法における緩み止め締結構造に関するものである。

例えば２枚若しくは３枚の複数の重積材の締結法として、図６ａ，ｂに示す如く、端側の一の被締結材１に、締結ボルト２の螺結基盤としてタップ３を切り、他の被締結材４若しくは４，５にはボルト透孔６を穿がって締結する方法が従来より行われている。突き出しを少なくまとめられること、ボルト２の頭２ａとは反対側にナットを当てがわなくて済む（被締結材１がナットの役を果たしている）ので、作業条件に応じて採用される手段である。
作業条件が許せば、図示省略するも上記ボルト２の先端を被締結材１より突き出させてナットを当てがって螺結基盤の補強をすることもある。なお、図中７はボルト２頭２ａが当接する被締結材４に当てがわれる座金を示す。

ところで、上記の如く、おねじ部品とめねじ部品が被締結部材を締め付けている構造を「ねじ締結体」というが、締め付けによって発生するおねじ部品の中の引っ張り力（軸力）と被締結部材の中の圧縮力（締め付け力）で一体化している。二つの力は、ねじ締結体に外力が作用していないときにつり合う。この状態における軸力と締め付け力を総称して「予張力」と呼ぶ。
ところが何等かの理由で、ねじ締結体の予張力は低下することがある。これが「ねじ緩み」である。
ねじ緩みの原因は、接触部の不具合と繰り返し外力の作用に求められる。図７で、接触部はねじ面（イ）、被締結部材両側の座面（ロとニ）、被締結部材の接合面（ハ）の四つ。一方、繰り返し外力は軸方向外力（Ｗa）、軸直角方向外力（Ｗi）、軸回りモーメント（Ｍa）曲げモーメント（Ｍb）の四つになる。予張力と繰り返し外力がそれぞれ単独あるいは相乗的に接触部のどこかに過大な力を与えたり応力を生じさせたりすることにより、マクロ的な塑性変形や滑り、ミクロ的な局部塑性変形やフレッティング（微動摩耗）を招く。この結果、予張力が失われてねじが緩む。
ねじ緩みを大別すると、ねじが戻り回転せずに生じるタイプと戻り回転して発生するタイプがある（表１）。

上記の「戻り回転“なし”は正しい締め付けをして予張力が失われない配慮で回避出来るが、「戻り回転“あり”」は、正しい締め付けでも、過酷な振動性の外力が作用すると軸力が低下して“緩み”を生じるもので、この“緩み”を止める数多くの提案がなされている。

緩み止め効果についての実験結果の報告も、試験片に様々な緩み止めを施したねじ締結体（ねじの呼び径はＭ１０−Ｐ１．５）を用い、振動性の力を軸直角方向に加えて軸力の低下具合いを比較している。フランジ付き六角ナット、ナイロンリング入りナットが実用的なものと評価されている。

叙上の結果は、以下の如く解析される。すなわち、ボルト・ナットを締め付けるときに与えるトルクの４０％はねじ接合面の摩擦で４０％は座面接合面の摩擦で失う。締め付けトルクの最大でも２０％がねじのリード角で拡大されて締め付け力に変換されるに過ぎない。ねじ締結においては摩擦の制御が最も重要な課題で、これをクリアしなければ信頼性の高いねじ締結は得られない。半面、締め付けられたねじが緩み方向に回転しないのは、この摩擦の効果である。ねじ締結体に大きな軸直角外力が作用すると、ボルトあるいはナットの座面で滑り始める。ねじ接合面はねじ山半角で傾いたリード角の勾配を持つ斜面であるねじ面も滑る。このようにねじ接合面で滑り始めると、ねじ面の摩擦係数は小さくなる方向で変化する。ねじが軸直角方向の外力で戻り回転を連続的に生じる条件を満たすと、ボルト・ナットがたちまち脱落するほど急激に緩む。

既述のフランジ付き六角ナットの好成績は既述した図７中の「接触部ロ」の摩擦に因があり、ナイロンリング入りナットの好成績は、「接触部イ」の摩擦に因がある。

このナイロンリング入りナットと同機構をもって緩み止めに優れるのが図８に示すスレッドフォーミングタイプのタッピンねじで、これは、単にめねじ加工費用を節約できるだけでない。おねじとめねじのはめ合い隙間がないことから、普通のねじのはめ合いで懸念されるねじ面の滑りを防ぐ効果がある。上記のフランジ付き六角ナットにあっては、図７中の「接触部ロ」（被締め付け物の表面）の状態に左右されて不確実であり、戻り回転を伴うねじ緩みを防ぐためには、ねじはめ合い部の摩擦抵抗の確保しか対策はない。

おねじとめねじのはめ合い隙間を有しているにもかかわらず、ここに高摩擦抵抗を形成してねじ緩み止めとするのが所謂「ピッチロス」である。その機構を図９〜１１にて以下、説明する。

図中Ａはボルトのおねじ、Ｂはナットのめねじを夫々示す。
図９はナット緩め付け時で、めねじＢのねじ山半角の上方斜面Ｂ−１は、ボルトのおねじのねじ山半角の下方斜面Ａ−１に接圧し、反対側にはめ合い隙間に基づく間隙Ｃを形成する。相隣りのピッチＰ_１、Ｐ_２はＰ_１＝Ｐ_２である。図１０は、ナット緩み時で、めねじＢのねじ山半角の下方斜面Ｂ−２は、ボルトのおねじのねじ山半角の上方斜面Ａ−２に接圧し、反対側にはめ合い隙間に基づく間隙Ｃを形成する。相隣りのピッチＰ_１、Ｐ_２はＰ_１＝Ｐ_２である。

上記の図９、１０は、いずれもＰ_１＝Ｐ_２ピッチロス無しの場合であるが、故意にピッチを違えさせる（Ｐ_１＞Ｐ_２）工夫を加えた場合のナット緩み時を図１１に示すと、３点接圧が不整となり、ナットの緩みは、最上位のＢ−１とＡ−１との接圧で阻害される。これが所謂ピッチロスで、ダブルナットもこの原理での緩み止めである。その他、ナット若しくはボルトに強引な曲げ姿勢を加えること等で、ピッチロスを形成することが出来る。

以上の観点から図６に示される「ねじ締結体」を検討するに、ほとんど“緩み止め”効果を期待出来ないことは明らかである。

解決しようとする問題点は、既述した複数重積材を締結ボルトを介して締結一体化する場合における緩み止め能の低さを、改善することである。

本発明の複数重積材の緩み止め締結構造は、ボルトの呼び径よりもやや大きい偏心貫通孔を有した逆円錐体の薄肉部に欠円用スリットを縦設したブッシュを付帯させると共に、ボルト頭の当接する側の被締結材面よりボルト透孔上部に対して、該ブッシュの逆円錐傾斜角度と同一傾斜角度のテーパ面を有する逆円錐状孔部を穿孔し、該ブッシュを介挿した状態で締結するとしたことを特徴とする。

本発明の締結構造は、被締結物を締め付けていくと、ボルト頭若しくは介装座金を介してブッシュ上端に作用するボルトの締め付け力が、欠円用スリットに加わっていき、欠円用スリットの隙間が小さくなって、ブッシュの逆円錐状筒片は縮径し、ボルト透孔上部の逆円錐状孔部とボルトとの間にブッシュがあたかも目詰材の如く充填され、ボルトとの間にブッシュを噛み挟んだ状態となり、ボルト頭の当接する側の被締結材とボルトはブッシュを介して強固に一体化する。この時、ボルトのおねじはブッシュに喰い込むが、これは、正に図８に紹介したタッピンねじと同効果を奏する。さらには、縮径したブッシュが逆円錐状孔部に嵌合していく際に、偏心で形成のブッシュの肉厚部が、局部的に強圧し、ブッシュの目詰め効果が高まりボルトとボルト頭の当接する側の被締結材の双方に働く摩擦力が増大する。この際、ピッチロス効果をも発生させている。また、偏向的にボルト２上部に加えられる側圧はボルト２を曲げさせ被締結材１のタップ３との間のピッチを狂わせ、ピッチロスを発生させる。しかして、上部ではタッピンねじ効果とピッチロス効果、下部でピッチロス効果を奏し、緩み止めの効能が向上する。

シンプルで汎用性ある緩み止めの締結構造を実現した。

図１は、本発明の締結構造の展開図であって、８はブッシュで、図示例にあっては、ボルト２の呼び径よりもやや大きい偏心貫通孔９を有した逆円錐体のリングの薄肉部に欠円用スリット１０を縦設したもので構成している。

ボルト２の頭２ａが当接する側の被締結材４の表面よりボルト透孔６上部に対しては、予め該ブッシュ８の逆円錐傾斜角度と同一傾斜角度のテーパ面を有する逆円錐状孔部１１を穿孔してある。

しかして、ブッシュ８を逆円錐状孔部１１に上半が突き出た態様の下半係止の姿勢で嵌着して、ボルト２の締結をとり行なう。

締結態様は図４に示される。すなわち、ボルト２の螺進でブッシュ８を逆円錐状孔部１１に押し込んでいくと、欠円用スリット１０の隙間が小さくなって、ブッシュ８は縮径し、逆円錐状孔部１１とボルト２との間にブッシュ８があたかも目詰材の如く介装され、ブッシュ８を噛み挟んだ状態となり、被締結材４とボルト２はブッシュ８を介して強固に一体化して、タッピンねじ効果を奏する。

この際、ボルト２の螺合に伴って、縮径したブッシュ８が逆円錐状孔部１１に嵌合していく際に、偏心で形成のブッシュ８の肉厚部８ａが、径方向からボルト２を強圧し、円周上の局部的なくさび効果によって、ブッシュ８とボルト２の双方に働く摩擦力が増大する。この際ボルト２に加わる曲げは、ピッチロス効果をもたらす。他方、ボルト２下部にあっては、ボルト２が曲げられることによって、タップロス効果が発生し、上、下に発生する強力な摩擦部が緩み止めを達成する。

図示例では、座金７を介装したが、ボルト頭２ａに代わってブッシュ８の押し込みをしなければならず、その内径寸法は、必ずブッシュ８上面に載るものであらねばならない。上記の欠円用スリット１０は縦設（ストレート）以外のバリエーションを有している。

例えば、ブッシュ８の欠円用スリット１０をボルト２のネジ部２ｂの螺旋方向と反対方向に傾斜して形成する。ブッシュ８の欠円用スリット１０がボルト２の螺旋と逆方向に傾斜していると、「戻し回転」力の作用の際にスリット１０のエッジがほぼ直交してブレーキ作用を生じ、緩み止め効果を高める。

また、ブッシュ８の欠円用スリット１０を、ボルト２の螺旋方向と同一方向に傾斜して形成するとしても良い。
ボルト２の螺合の進行に伴う、螺旋状の締め付けトルクが、ブッシュ８の傾斜した欠円用スリット１０にガイドされて、すみやかにブッシュ８が均等に縮径していくため、ブッシュ８の縮径と「締め付け軸力」とが容易化される。

図３に示す如く、ブッシュ８の欠円用スリット１０の傾斜角度θを、ボルト軸に対して、略２０°から２５°に設定すると良い。これにより、欠円用スリット１０の端縁が、ボルト２のネジ部２ｂと一定の位相差を有して均等に当ることになり、螺旋状に加わる締め付けトルクにより、スムーズにブッシュ８を縮径することができる。

ブッシュ８の欠円用スリット１０の幅Ｓを、ボルト２を締め切った状態で、隙間を有する幅とすると良い。
締め切った状態で、ブッシュ８の欠円用スリット１０の端面が隙間を有する幅となるように、欠円用スリット１０の幅を設定しているため、締め切った状態にあっても、逆円錐状孔部１１とボルト８との間に噛み挟まれた状態のブッシュ８の強力なバネ力を維持して、強力な一体化を図ることができる。

ブッシュ８を合成樹脂で形成しても良い。腐食が激しい場所に用いる場合等、使用目的や使用状況に応じて、弾力性に富んで強固な緩み止め効果を発揮する合成樹脂の長所を用いることができる。

図２に示された如く、ブッシュ８の押し込みは、被締結材４の表面保護の面からも座金７を介する施工が多い。
そこで、ブッシュ８を単純リングで構成することなく、座金７付きで構成すると施工もやり易くなる。

図４ａ、ｂに示す組み付け手順は、ブッシュ８上面内径寄りに座金７嵌挿用の脚部１２を突設し、これを拡張付勢力を利用して座金７を透孔７ａに嵌挿圧着して一体化させて、座金７付きブッシュ８としたものである。
締め付け時、ブッシュ８は縮径化によって自動的に座金７から分離する。
部品管理上のメリットを享受できる。

図４における座金７付きは、分離構成であるが、一体構成とすることもできる。
拡張付勢力が増加する分、逆円錐状孔部１１との間の一体化効果が大きくなる。

すなわち、図５に示すブッシュ８″は、座金部７′に、ボルトの呼び径よりもやや大きい偏心貫通孔を有し、該貫通孔９′の周囲に、ボルト軸方向下方にしたがって縮径する逆円錐状筒片１３を垂設し、座金部７′と逆円錐状筒片１３に連続した欠円用スリット１０′を形成して成る。
座金部７′は逆円錐状筒片１３と一体に縮径するので、ブッシュ８″としては大幅に拡張する付勢力を増し対逆円錐状孔部１１への接圧力を高める。

複数重積材を締結ボルトを介して締結一体化する場合に、当該締結ボルトの螺結基盤を端側の一の被締結材にとるとする締結法における緩み止め不全が解消され、メンテ上の煩わしさが無くなることが考えられる。

本発明締結構造の施工手順説明図である。（実施例１）本発明締結構造説明図である。（実施例１）本発明におけるブッシュの説明図である。（実施例１）ａ、ｂは、本発明におけるブッシュの組み付け手順図である。（実施例２）本発明におけるブッシュの説明図である。（実施例３）ａ、ｂは、従来の締結構造の説明図である。ねじ締結体の簡略モデルである。タッピンねじ説明図である。ピッチロス説明図である。ピッチロス説明図である。ピッチロス説明図である。

符号の説明

１締結材
２締結ボルト
２ａボルト頭
２ｂネジ部
３タップ
４被締結材
６ボルト透孔
７座金
７ａ透孔
８ブッシュ
８′ ブッシュ
８″ ブッシュ
８ａ肉厚部
９′ 貫通孔
１０欠円用スリット
１０′ 欠円用スリット
１１逆円錐状孔部
１２脚部
１３逆円錐状筒片

Claims

ボルトの呼び径よりもやや大きい偏心貫通孔を有した逆円錐体の薄肉部に欠円用スリットを縦設したブッシュを付帯させると共に、ボルト頭の当接する側の被締結材面よりボルト透孔上部に対して、該ブッシュの逆円錐傾斜角度と同一傾斜角度のテーパ面を有する逆円錐状孔部を穿孔し、該ブッシュを介挿した状態で締結するとしたことを特徴とする複数重積材の緩み止め締結構造。
ブッシュの欠円用スリットをボルトのネジ部の螺旋方向と反対方向に傾斜して形成した請求項１記載の複数重積材の緩み止め締結構造。
ブッシュの欠円用スリットを、ボルトのネジ部の螺旋方向と同一方向に傾斜して形成した請求項１記載の複数重積材の緩み止め締結構造。
ブッシュの欠円用スリットの傾斜角度を、ボルト軸に対して、略２０°から２５°に設定するとした請求項１記載の複数重積材の緩み止め締結構造。
ブッシュの欠円用スリットの幅を、ボルトとナットを締め切った状態で、隙間を有する幅とした請求項１記載の複数重積材の緩み止め締結構造。
ブッシュ若しくはナットを合成樹脂で形成した請求項１記載の複数重積材の緩み止め締結構造。
ブッシュ上面内径寄りに対座金７嵌挿用の脚部を突設し、これを拡張付勢力を利用して座金透孔に嵌挿圧着して一体化させて、座金付きブッシュとしたものを用いることを特徴とする請求項１〜６記載の複数重積材の緩み止め締結構造。
座金部に、ボルトの呼び径よりもやや大きい偏心貫通孔を有し、該貫通孔の周囲に、ボルト軸方向下方にしたがって縮径する逆円錐状筒片を垂設し、座金部と逆円錐状筒片に連続した欠円用スリットを形成して成るブッシュを用いることを特徴とする請求項１〜６記載の複数重積材の緩み止め締結構造。