JPH0251606A - 軸力制御可能な締結装置および締結方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は複数の被締結部材を重ね合わせて締結する締結
装置および締結方法に関するものであり、特に、締結軸
力の制御が可能な締結装置および締結方法に関するもの
である。

従来の技術 従来から使用されている締結装置の一種に第８図に示す
ものがある。この締結装置は、（ａ）複数（図において
は２枚）の被締結部材１００の貫通孔１０２に挿通され
るボルト１０４と、ｂ）そのボルト１０４の軸部１０６
に形成された雄ねじに螺合されるナツト１０８と、（Ｃ
）そのナツト１０８を受けるナツト受部材１１０とから
構成されている。

ナツト１０８の座部１１２は、その座面１１４がナツト
１０８の軸心に直角に形成されており、ナツト受部材１
１０に形成されたボルト挿通用の貫通孔１１６の周囲の
ナツト側平面１１８に着座するようになっている。被締
結部材１００の締結時には、ポルｌ−１０４の軸部１０
６を被締結部材１００の貫通孔１０２およびナツト受部
材１１０の貫通孔１１６に挿通し、雄ねじに螺合された
ナツト１０８を回転させれば、ナツト１０８の座面１１
４とナツト受部材１１０のナツト側平面１１８とが密着
して被締結部材１００を締め付ける。

この締結装置により常に一定の軸力で被締結物を締結す
る方法として、トルク締付法およびトルク勾配法がある
。

トルク締付法は、締付トルクが一定値に達したとき締付
けを停止することにより一定の軸力を得る方法である。

上記締締装置のボルト１０４の軸力とナラ！−１０８の
締付トルクとの関係を第２図に破線で示す。このグラフ
においてナツト１０８の締付トルクを一定値Ｔ１に設定
すれば、ボルト１０４の軸力Ｎ、が得られる。

トルク勾配法は、締付トルクとボルトの軸力との関係を
示す特性線の勾配が一定ではなくなったとき締付けを停
止することにより、一定の軸力を得る方法である。第３
図に破線で示すグラフは、締付トルクをナツト１０８を
回転させるためのモータへの供給電流ｉに、ボルト１０
４の軸力をナツト１０８の回転角θにそれぞれ置換し、
電流ｉとナツト１０Ｂの回転角θとの関係を示すもので
ある。このグラフにおいて、電流ｉの増分とナツト回転
角θの増分が比例する状態では、ｉとθとの関係は、 ｉ＝ａθ＋ｂ（ａ、ｂは定数） で表される直線となり、その勾配の変化率は、となる。

それに対して、ボルト１０４が耐力点Ａに達すると、電
流ｉとナツト１０８の回転角θとが比例しなくなる。ボ
ルト１０４は耐力点Ａから降伏し始めるためナツト１０
８が回転し易くなり、特性線の勾配が変化するのである
。この耐力点Ａ以降における勾配の変化率は となるため、勾配の変化率が一定値に達したとき締付け
を停止すれば、軸力が耐力点Ａ付近の一定値となる。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、従来の締結装置においては、トルク締付
法によった場合には軸力の誤差が大きくなるという問題
があった。締付トルクの測定値に誤差が生じた場合に、
軸力が大きく変化してしまうのである。第２図のグラフ
において、締付トルクＴ１として測定された締付トルク
が電流計に生じた誤差等により実際にはＴ　′＋であっ
た場合には、軸力が所定の値Ｎ、よりも高いＮ　’　ｓ
となってしまうのであり、逆に実際の締付トルクがＴ。

よりも小さい値になった場合には軸力が低くなって所定
の軸力Ｎ３が得られず、締付けが不十分となってしまう
のである。また、締結装置の製造段階において、ボルト
　ナツト、ナツト受部材等の摩擦係数が製造ロフト間に
おいてばらつくことを避は得ず、温度や湿度にも左右さ
れ易く、経時変化が生ずる場合もある。特に、ボルトと
ナツト間およびナツトとナツト受部材間の摩擦係数は締
付トルクに大きな影響を及ぼすため、各締結装置間にお
ける摩擦力の相違により締付トルクと軸力との関係が異
なり、一定の締付トルクによって適正な軸力を得ること
ができない場合があるという問題があった。

また、トルク勾配法には適用可能な場合が限られるとい
う問題があった。通常のボルト、ナツトの組み合わせに
おいては、勾配変化が生ずるのがボルトの耐力点Ａの近
傍に限られるため、ボルトの目標軸力が弾性域内に設定
される場合にはトルク勾配法を適用することができない
のである。

そこで、本発明は、締付トルクの測定誤差および各締結
装置間の摩擦係数のばらつきに左右されず、かつ、ボル
トの軸力が弾性域から耐力点近傍までのどこに設定され
た場合でも、常に適正なボルト軸力を得ることが可能な
締結装置および締結方法を得ることを課題として為され
たものである。

課題を解決するための手段 そのために、本発明に係る締結装置は、（ａ）複数の被
締結部材の貫通孔に挿通されるボルトと、ら）そのボル
トの軸部に形成された雄ねじに螺合され、座部が３０°
〜８５°の勾配角度のテーパ突部とされたナツトと、（
Ｃ）そのナツトの座部とほぼ同勾配角度のテーパ穴を有
し、そのテーパ穴のテーパ面でテーパ突部を受けるナツ
ト受部材とを含むように構成され、かつ、ナツトのテー
パ突部が締結時にナツト受部材よりも早く降伏して縮径
するとともに、そのナツト降伏時にはボルトが破断する
に至らないように、ナツト、ナツト受部材およびボルト
の強度が決定される。ここにおいて、座部の勾配角度と
は、座面であるテーパ面がボルトの軸心に直角な平面に
対してなす角度である。

また、この締結装置を用いた締結方法は、ボルトの軸部
を前記被締結部材およびナツト受部材に挿通し、前記雄
ねじに前記ナツトを螺合し、ボルトとナツトとを相対回
転させて締付けを行い、締付トルクの増分に対するボル
トの軸力の増分がそれまでより小さくなった状態で締付
けを停止するものである。

作用および効果 上記構成の締結装置においては、ナツトの座部がテーパ
突部とされ、ナツト受部材に形成されたテーパ穴のテー
パ面で受けられるようになっているため、ボルトの軸力
が増大するにつれてテーパ突部がテーパ穴内に強く押し
込まれ、ボルトが耐力点に到達する以前にナツト受部材
の圧縮力によりナツトのテーパ突部がテーパ穴内で降伏
し、縮径する。そのため、締付トルクの増分に対するボ
ルトの軸力の増分がそれまでより小さくなる。

したがって、目標締付トルクを、ボルト軸力の増分が小
さくなる領域内に設定すれば、締付トルクの測定誤差に
殆ど左右されず、トルク締付法によって常にほぼ一定の
軸力を得ることができることとなる。また、ボルトの軸
力の増分が小さくなる際には、締付トルクとボルト軸力
との関係を示す特性線の勾配が大きく変化するため、ボ
ルトの軸力が耐′力点より低い領域においてトルク勾配
法を適用することができる。

また、従来の締結装置においては、締結装置構成部材間
のｇ振力の変化に基づく締付トルクのばらつきが大きく
、これも一定の軸力が得られない理由の一つであったの
であるが、本発明によれば、後に詳述する理由によって
この摩擦力の変化の影響も小さくでき、この点からも軸
力を一定にし得ることとなる。

しかも、ナツトの降伏時期は、テーパ突部およびテーパ
穴のテーパ面の勾配角度やナツトの材料強度を変えるこ
とにより適宜変更することができるため、軸力を任意の
大きさに設定することができ、ボルトの締め過ぎや締付
不足を良好に回避することができる。

実施例 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図において、２枚の被締結部材１０にはそれぞれ貫
通孔１２が設けられており、ボルト１４の軸部１６が挿
通されている。軸部１６には雄ねじが形成され、これに
ナツト１８が螺合されてボルト１４の頭部１９と共同し
て２枚の被締結部材ｌＯを挟んで締め付けるようにされ
ている。軸部１６の先端には反力支持部２０が設けられ
、その外周面には軸方向に延びる溝２２が適数本形成さ
れている。すなわち、本実施例においては、反力支持部
２０に工具が係合させられてポル）１４が固定された状
態でナツト１８が回転させられることにより、締付けが
行われるようになっているのである８反力支持部２０と
軸部１６との間には両者より小径の狭窄部２４が形成さ
れている。

一方、ナラ）１８の座部は、勾配角度θが約５０度のテ
ーパ突部２６とされており、被締結部材１０とナツト１
８との間には、ナツト受部材たる座金２８が設けられて
いる。座金２８の中央部には、ナツト１８に向かって開
いたテーバ穴３０が形成されている。テーパ穴３０はテ
ーパ突部２６と同じ約５０度の勾配角度のテーパ面３２
を備えており、締付時にテーパ面３２でナツト１８のテ
ーパ突部２６を受けるようにされている。

これらボルト１４．ナラ）１８および座金２８を含む締
結装置において、トルク締付法に基づく被締結部材１０
の締結は、次のようにして行われる。なお、締付トルク
は、第２図においてＴ３に設定されているものとする。

まず、ポル）１４の軸部１６を２枚の被締結部材１０お
よび座金２８に挿通し、雄ねじにナツト１８を螺合する
。次に、ボルト１４の反力支持部２０とナツト１８とに
工具を係合させ、反力支持部２０を固定してナツト１８
を回転させれば、ナツト１８のテーパ突部２６が座金２
８のテーパ穴３０内へ進入してテーパ面３２に受けられ
る。その後は、第２図に実線で示すグラフの直線部分の
ように、締付トルクの増大に比例してボルト１４の軸力
が増大する。ボルト軸力が締付トルクＴＩに相当する大
きさに達すると、座金２８の圧縮力によってナツト１８
のテーパ突部２６がテーバ穴３０内で降伏し、縮径する
。すなわち、テーパ突部２６は座金２８よりも早く降伏
するようにその強度が定められているのである。したが
って、締付トルクがＴ３まで増大する間ボルト１４の軸
力が殆ど変化しない。そして、締付トルクがＴ、に達す
れば、狭窄部２４がねじり破断するため、それに応じて
締付けを停止することにより、締結が完了する。

この締結装置においては、締付トルクＴ、の測定に誤差
が生じても、その誤差が±（Ｔ、−Ｔυ／２以内（この
領域を軸カ一定領域と称する）であれば、ボルト１４の
軸力はＮ、からＮｔまでの範囲におさまり、良好に締付
けを行うことができる。しかも、ナツト１８の降伏時に
はボルト１４が耐力点に達しないようにボルト１４の強
度が決定されているため、ボルト１４が破断する恐れが
ないのである。

このように目標締付トルクを軸カ一定領域の中央に設定
すれば、その締付トルクの測定に誤差が生じてもボルト
１４の軸力は殆ど変化せず、はぼ一定の軸力が得られる
のであるが、それとともに異なる締結装置間の摩擦係数
のばらつきの影響を小さくすることができる。その理由
を以下に詳述する。

従来装置の締付トルクＴは次式で表される。

Ｔ＝Ｔ＋　＋Ｔｚ　＋Ｔ３ ’ｒ＋　＝ｆＣＮ、ｄ、、α） Ｔ２　＝ｆ（Ｎ、　ｄ　ｌ、μｍ） ’ｒｚ　＝ｆ（Ｎ、　ｄ　、、μ２） ただし、 Ｔ、：ボルトの雄ねじの勾配に基づくトルクＴ！　−ナ
ツトとボルトとの螺合部の摩擦力に基づく　トルク Ｔ：Ｉ　：ナットとナツト受部材との間の摩擦力に基づ
くトルク Ｎ　：ボルトの軸力 ｄ、：ボルトの呼び径 α　：雄ねじのリード角 μｌ　：ナットとボルトとの螺合部の摩擦係数ｄ２　：
ナットの座面の外径と内径との平均径μ２　：ナットと
ナツト受部材との間の摩擦係数上記各変数のうち、α＋
ｄｌ、ｄＺを一定に管理することは容易なのであるが、
摩擦係数μｍ。

μ２を一定に管理することは容易ではない。したがって
、従来の締結装置においてはこれら両摩擦係数μｍ、μ
２の変化によりトルクＴ　ｚ　、　’ｒ”　３の値が変
わり、締付トルクＴと軸力Ｎとの関係が変動するのであ
る。

それに対して、本発明の締結装置においては、ナツト１
８のテーパ突部４２が降伏する時期によってボルト軸力
がほぼ一義的に決まるのであり、そのボルト軸力Ｎ、は
次式で表される。

Ｎ５＝ｆＣμ３、Ｓ、β） ただし、 μ３　：ナットとナツト受部材との間の摩擦係数Ｓ　：
ナットの降伏点 β　：ナットのテーパ突部の勾配角度 従来の締結装置においては、前述のようにボルト軸力が
２つの摩擦係数μｍ、μ２の影響を受けて変動するのに
対し、本実施例の締結装置においては、ボルト軸力がナ
ツト１８の材料の降伏点Ｓと摩擦係数μ、との影響を受
けて変動するのである。そして、降伏点Ｓには多少のば
らつきが生ずるものの、摩擦係数μｍ、μ２．μ１等に
比較すれば一定に管理し易いものである。そのため、ナ
ツトの強度管理と形状管理とをきちんと行いさえすれば
、第４図および第５図に示すように、軸カ一定領域にお
けるボルト軸力のばらつきが従来の締結装置におけるば
らつきより小さくなり、本実施例の締結装置における方
が従来の締結装置におけるより異なる締結装置間の摩擦
係数のばらつきの影響を小さくすることができるのであ
る。

本締結装置を用いて、トルク勾配法により締結を行うこ
とも可能である。トルク勾配法は、従来装置においては
、ボルト１４の耐力点Ａ近傍においてしか適用し得なか
ったのであるが、本締結装置によれば、第２図に実線で
示すように、ボルト１４が耐力点Ａに達する以前に、ナ
ツト１８の降伏に伴う勾配の変化点Ｐが得られるため、
ここにトルク勾配法を適用することが可能なのであり、
ボルト１４の弾性域内でトルク勾配法を適用して一定の
軸力を得ることができるのである。

また、本実施例においては、テーバ突部２６とテーパ穴
３０のテーパ面３２とのくさび効果による締結後のナツ
ト１８の緩み止めの効果も得られる。

なお、本実施例では、ナツト受部材が座金２８とされて
いたが、座金を省略して被締結部材にテーバ穴を形成し
、ナツトのテーバ突部を直接被締結部材に受けさせるこ
ともできる。

また、本発明のナツト１８を第６図および第７図に示す
ものに変更することも可能である。第６図においてナツ
ト４０の座部は、テーバ突部４２とその先端から延びる
ストレート突部４４とから成っている。ストレート突部
４４の外径は座金４６のテーパ穴４８の小径部よりもわ
ずかに大きくされており（図には誇張して示されている
）、締付時に、第７図に示すように、テーパ面５０の作
用によりストレート突部４４が特に激しく縮径してボル
ト１４を強く締め付けるのである。そのため、本発明の
効果が一層顕著に現れる。

その他、当業者の知識に基づいて種々の変形。

改良を施した態様で、本発明を実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例である締結装置を示す正面
断面図である。第２図は、上記締結装置における締付ト
ルクと軸力との関係を示すグラフであり、第３図は同じ
くナツト回転角と締結装置のモータ電流との関係を示す
グラフである。第４図は複数の締結装置における第２図
と同様の図であり、第５図は第３図と同様の図である。 第６図および第７図は本発明の別の実施例であるナット
の締付前と後との状態を示す正面断面図であり、第８図
は従来の締結装置を示す正面断面図である。 １０：被締結部材　　　　１２：貫通孔１４：ボルト　
　　　　　１６：軸部 １８：ナツト　　　　　　２６：テーバ突部：座金 ：テーパ面 ニテーパ突部 ：テーパ穴 ＝１−ハノ（ ：ナット ：座金 ：テーパ面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の被締結部材を重ね合わせて締結する装置で
   あって、 それら複数の被締結部材の貫通孔に挿通されるボルトと
   、 そのボルトの軸部に形成された雄ねじに螺合され、座部
   が３０°〜８５°の勾配角度のテーパ突部とされたナッ
   トと、 そのナットの座部とほぼ同勾配角度のテーパ穴を有し、
   そのテーパ穴のテーパ面で前記テーパ突部を受けるナッ
   ト受部材と を含み、かつ、前記ナットのテーパ突部が締結時に前記
   ナット受部材よりも早く降伏して縮径するとともに、そ
   のナット降伏時には前記ボルトが破断するに至らないよ
   うに、ナット、ナット受部材およびボルトの強度が決定
   されたことを特徴とする軸力制御可能な締結装置。
2. （２）請求項１記載の締結装置により複数の被締結部材
   を重ね合わせて締結する方法であって、前記ボルトの軸
   部を前記被締結部材およびナット受部材に挿通し、前記
   雄ねじに前記ナットを螺合し、ボルトとナットとを相対
   回転させて締付けを行い、締付トルクの増分に対するボ
   ルトの軸力の増分がそれまでより小さくなった状態で締
   付けを停止することを特徴とする締結方法。