CN1513091A - 螺栓紧固结构、螺栓部件及螺栓紧固工具 - Google Patents

Abstract

一种可实现小型化和轻量化的螺栓部件，其中向外周侧突出的6个扭矩传递部(16)的一对侧壁面(18)位于在与中心线O垂直的截面形状中，通过中心线O的直线上，由于通过上述侧壁面(18)传递扭矩，传递紧固扭矩的着力点Q处，螺栓紧固工具施加的面直角力N的方向与有助于紧固的紧固力F的方向一致。因此，与现有的六角头(100)相比，加在螺栓紧固工具上的旋转操作力和作用在扭矩传递部(16)上的负荷减小了，因此可避免传递扭矩的侧壁面(18)压坏等，并且减小螺栓部件(10)的头部(12)的直径大小，实现小型化、轻量化。

Description

螺栓紧固结构、螺栓部件及螺栓紧固工具

技术领域

本发明涉及螺栓紧固结构，特别涉及可使螺栓部件小型化并可减轻重量的螺栓紧固结构。

现有技术

螺栓一直以来大多采用六角头，但是，由于六角头的驱动角α(参照图10)为60°，形成额外的分力，因此难以减小头部直径及头的高度，难以实现小型化。图10中，当采用六角头100时，在紧固扭矩传递到六角头100上的着力点Q(六角形的顶点)处，螺栓紧固工具施加的面直角力N与有助于紧固的紧固力F之间的角度，在六角头100的场合，即驱动角α为60°，紧固扭矩T用紧固力F与半径尺寸r通过下式(1)表述。此时，在六角头中，如下式(2)所示，是紧固力F的两倍的面直角力N施加在六角头100上的着力点Q处，其半径方向的扩张分力E如下式(3)所示，是紧固力F的大约1.7倍。因此，在维持紧固扭矩T的同时，如果减小半径尺寸r，则必须增大与其成反比的紧固力F，因此，面直角力N和扩张分力E也会增大，同时旋转螺栓紧固工具所必需的旋转操作力也增大，导致着力点Q，即六角头100的角部可能被损坏。

T＝6×F×r            (1)

N＝F/cos 60°＝2F     (2)

E＝F×tan 60°≈1.7F    (3)

为此，例如JIS B1180的“六角螺栓”和JIS B1189的“带凸缘的六角螺栓”中，通过图13所示的螺栓的直径尺寸(名称)对图11、图12所示的六角头的各部分尺寸s、e、k(都是毫米)作出了相应的详细规定。上述规定调整六角头的外接圆的直径e、高度k与螺栓的外径d(mm)之间的关系(比例)，按照图13的“e/d”栏、“k/d”栏的值，直径e大于等于1.55d，高度k大于或等于0.6d。

发明内容

本发明是以上述情况为背景作出的，其目的在于提供一种在确保同等以上的紧固扭矩的同时，可使螺栓部件小型化、轻量化的螺栓紧固结构。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供一种螺栓紧固结构，它由相互嵌合的嵌合口和嵌合凸部构成，该嵌合口和嵌合凸部分别设置在螺栓部件和用于紧固该螺栓部件的螺栓紧固工具的一方和另一方上，同时该嵌合口和嵌合凸部上设有围绕各自的中心线，以等角度间隔向外周侧突出的多个扭矩传递部，使前述螺栓紧固工具围绕其中心线旋转，通过该扭矩传递部向前述螺栓部件传递紧固扭矩，前述扭矩传递部带有连接部，在与前述中心线垂直的截面形状中，该连接部的切线与通过该中心线的直线基本一致，并通过该连接部传递扭矩。

当切线与通过中心线的直线基本一致时，就是说：它们之间的交叉角在±3°的区间内，扭矩传递部的至少一部分上设有上述连接部也可以。但是，切线与通过中心线的直线完全一致是理想状态，最好它们之间的交叉角在±1°的区间内。

本发明的第二方面是在第一方面的螺栓紧固结构中，前述连接部是在前述切线方向具有所定尺寸的平坦面。

本发明的第三方面是在第一方面或第二方面的螺栓紧固结构中，前述螺栓部件有外螺纹，前述嵌合凸部设在该螺栓部件上，该嵌合凸部的最大直径尺寸Dmax、最小直径尺寸Dmin、及该嵌合凸部的与前述中心线平行方向的高度尺寸k分别相对于该外螺纹的外径d满足下式(4)、(5)、(6)：

Dmax≤1.5d                 (4)

1.1d＜Dmin                 (5)

0.3d≤k＜0.6d              (6)。

本发明的第四方面涉及螺栓部件，该螺栓部件具有第一方面或第二方面的嵌合口或嵌合凸部。

本发明的第五方面涉及螺栓部件，该螺栓部件带有外螺纹，同时设有第三方面所述的嵌合凸部。

本发明的第六方面涉及螺栓紧固工具，它具有第一方面或第二方面所述的嵌合口或嵌合凸部。

上述螺栓紧固结构中，向外周侧突出的多个扭矩传递部带有连接部，在与中心线垂直的截面形状中，该连接部的切线与通过该中心线的直线基本一致，并通过该连接部传递扭矩，因此，前述驱动角α大致为0°，面直角力N与紧固力F基本一致，同时扩张分力E大致为0。因此，与前述图10所示的六角头相比，面直角力N减小了，加在螺栓紧固工具上的旋转操作力和作用在扭矩传递部上的负荷减小了，因此可避免压坏连接部，并且在确保所定的紧固扭矩的同时，还能减小直径尺寸，可实现螺栓部件等的小型化、轻量化。

第二方面中设有在前述切线方向具有所定尺寸的平坦面，即沿大致通过中心线的直线，设有平坦的连接部，因此紧固力F分散，面的压力减小，可进一步实现轻量化、小型化。

第三方面中，由于设在带有外螺纹的螺栓部件上的嵌合凸部的最大直径尺寸Dmax、最小直径尺寸Dmin、及高度尺寸k分别满足前述(4)、(5)、(6)式，因此，与现有的六角头相比，可防止扭矩传递部被压坏或破损等，相对于外螺纹的外径d，嵌合凸部减小了，可实现螺栓部件的小型化和轻量化。

第四方面的螺栓部件和第六方面的螺栓紧固工具实质上可获得与前述第一方面、第二方面同样的作用效果，第五方面的螺栓部件实质上可获得与前述第三方面同样的作用效果。

此处，螺栓紧固结构在大多数情况下是嵌合凸部设在六角螺栓等螺栓部件上，嵌合口设在螺栓紧固工具上，但是，也可以将嵌合口(切口)设在螺栓部件上，同时将嵌合凸部(叶片部)设在螺栓紧固工具上。这样的嵌合口和嵌合凸部也可以与轴向大致平行地设置，但是，从锻造成形性、嵌合操作(容易)性等方面考虑，也可以设置相对中心线倾斜的倾斜部和面安装部等。

向嵌合凸部和嵌合口的外周侧突出的扭矩传递部的个数一般5个或6个比较合适，但是也可以设置4个以下或6个以上。

在与中心线垂直的截面形状中，其切线与通过中心线的直线基本一致的连接部最好是如第二方面所述的在切线方向具有所定尺寸的平坦面，例如可适当地采用带有作为连接部的一对侧壁面的扭矩传递部，其中该一对侧壁面在截面形状中，呈从外周侧指向大致中心线的直线状，但是，圆弧状弯曲的侧壁面的一部分的切线与通过中心线的直线基本一致时也可以。

第三方面中，最小直径尺寸Dmin大于1.1d，但是，实际实施第一方面和第二方面时，不用说最小直径尺寸Dmin，就是最大直径尺寸Dmax也可能小于外径d。此时，为了获得所定的剪切(破断)强度，高度尺寸k根据需要最好在0.6d以上。

第三方面中，最大直径尺寸Dmax在1.5d以下，同时高度尺寸k小于0.6d，按照比现有的六角螺栓小的宗旨，高度尺寸k在0.3d以上，紧固时头部，即嵌合凸部的剪切强度大于外螺纹部分的剪切强度。而且，高度尺寸k最好满足下式(7)：

0.3d≤k≤0.45d                 (7)。

最好，前述嵌合凸部设在前述螺栓部件上，围绕前述中心线，将其嵌合凸部的前述扭矩传递部的角度设为θ1，将相邻的扭矩传递部之间的角度设为θ2时，满足下式(8)。即，螺栓紧固工具的材质是，例如JIS B4636的“套筒扳手-插口(SocketWrench-Socket)”中规定的JIS G4105的SCM435或同等以上的材料，另一方面螺栓部件的材质一般大多采用属于强度级别8.8的材料，SCM435属于强度级别10.9，其拉伸强度为1040N/mm²，与此相对，强度级别为8.8的螺栓类的拉伸强度为800N/mm²，因此，如果满足式(8)，则可适当地防止螺栓部件的扭矩传递部的破损。此外，上述“强度级别”是指JIS B1051的“钢制螺栓、小螺纹机械的性质”中规定的强度级别，以后均为此意。

1.3≤θ1/θ2                 (8)

附图说明

图1是表示本发明一个实施例的螺栓部件的图，图1(a)是从头部侧看的平面图，图1(b)是沿图1(a)的B-B线所作的截面图。

图2是表示紧固图1的螺栓部件时所用的螺栓紧固工具的图，图2(a)是从插口侧看的底面图，图2(b)是从与中心线S垂直的方向看的正面图。

图3是表示每个强度级别的螺栓材料的剪切强度τ_B与拉伸强度Rm之比(τ_B/Rm)的一例的图。

图4是表示用图3的比(τ_B/Rm)求出的每个强度级别的最低高度尺寸kmin，及作为一例求出的强度级别12.9的(kmin/d)的值的图。

图5是说明本发明其它实施例的图，是与图1对应的图。

图6是说明本发明另一个实施例的图，是与图1对应的图。

图7是说明本发明另一个实施例的图，是与图1对应的图。

图8是说明本发明另一个实施例的图，是与图1对应的图。

图9是说明本发明另一个实施例的图，图9(a)是从头部侧看的平面图，图9(b)是从与中心线垂直的方向看的正面图。

图10是表示现有的六角螺栓的六角头的图。

图11是表示JIS B1180的“六角螺栓”中规定的各部分尺寸s、e、k、d的图。

图12是表示JIS B1189的“带凸缘的六角螺栓”中规定的各部分尺寸s、e、k、d的图。

图13是表示图11、图12的各部分尺寸s、e、k的具体例子和通过这些值求出“ e/d”、“k/d”的结果的图。

具体实施方式

下面参照附图详细说明本发明的实施例。

图1是表示本发明一个实施例的螺栓部件10的图，图1(a)是从头部12看的平面图，图1(b)是沿图1(a)的B-B线所作的截面图，与头部12相连，与中心线O同心地整体设置外螺纹14，使图2所示的螺栓紧固工具30的插口32与头部12嵌合，并绕着中心线O旋转，即可紧固或松开外螺纹14。头部12相当于嵌合凸部，围绕中心线O以等角度间隔，即60°间隔地向外周侧突出地设置6个扭矩传递部16，其扭矩传递部16的外周侧部分在图1(a)的平面图中呈以中心线O为中心的扇形，并设置从外周缘向中心线O的直线状的一对侧壁面18作为连接部。侧壁面18与通过中心线O的直线的交叉角为大致0°，即，在本实施例中在±1°以下。头部12的外周形状与中心线O平行，图1(a)的平面图的形状与垂直于中心线O的截面形状一致，侧壁面18是与中心线O平行的平坦面。相邻的扭矩传递部16的侧壁面18通过向内侧对称地倾斜的一对平坦的倾斜面20相互连接，在扭矩传递部16之间设有五角形的槽22。

将头部12的最大直径尺寸设为Dmax，最小直径尺寸为Dmin，高度尺寸为k，分别相对于外螺纹14的外径d满足前述(4)式、(5)式、(7)式。而且，将围绕中心线O的扭矩传递部16的角度设为θ1，相邻的扭矩传递部16之间的槽22的角度为θ2，它们满足前述(8)式的关系。图1中，Dmax＝1.5d，Dmin＝1.1d，k＝0.35d，θ1/θ2≈1.4，两点划线表示与JIS B1180规定的六角螺栓的六角头100相比较的情况。

另一方面，前述螺栓紧固工具30的插口32形成带有嵌合口34的有底圆筒形。图2(a)是从插口32看的底面图，图2(b)是从与中心线S垂直的方向看的正面图，嵌合口34处，围绕中心线S以等角度间隔，即60°间隔地向外周侧突出地设有6个扭矩传递部36，同时，扭矩传递部36在图2(a)的底面图中呈扇形，并设有从外周缘向中心线S的直线状的一对侧壁面38作为连接部。嵌合口34的各部分尺寸可与前述头部12的外周侧嵌合地比头部12各部分的尺寸大一点，头部12的扭矩传递部16分别进入扭矩传递部36内，由此插口32与头部12同心地嵌合在一起，围绕中心线S旋转，扭矩通过侧壁面38和18传递给螺栓部件10。

由上述螺栓部件10和螺栓紧固工具30构成的螺栓紧固结构中，向外周侧突出的6个扭矩传递部16、36带有侧壁面18、38，该侧壁面位于与各中心线O或S垂直的截面形状中通过中心线O、S的直线上，由于通过上述侧壁面18、38传递扭矩，传递紧固扭矩的着力点Q处，螺栓紧固工具30施加的面直角力N的方向与有助于紧固的紧固力F的方向(以中心线O为中心的圆周方向)一致，同时扩张分力E(参照图10)大致为0。因此，与现有的六角头100相比，面直角力N较小，由于加在螺栓紧固工具30上的旋转操作力和作用在扭矩传递部16、36上的负荷减小了，因此可避免传递扭矩的侧壁面18、38压坏等，并且在确保所定的紧固扭矩的同时，还能减小螺栓部件10的头部12的直径大小，可实现小型化、轻量化。

特别是由于本实施例中，在通过中心线O或S的直线上设有平坦的侧壁面18、38，因此紧固力F分散，面的压力减小，可使螺栓部件10的头部12更加轻量化、小型化。

即，本实施例中，螺栓部件10的头部12的最大直径尺寸Dmax＝1.5d，高k＝0.35d，因此，如图1所示，与现有的六角头100相比，头部12大幅减小，螺栓部件10实现小型化、轻量化。

此处，如果研究头部12的高度尺寸k，将外螺纹14的最大拉伸强度设为Fmax(螺纹)，头部12的最大拉伸强度为Fmax(头部)，用螺栓材料的拉伸强度Rm、外螺纹14的有效截面积A(s)、剪切强度τ_B、头部12的剪切面积Ask(＝k×π×d)，分别由下式(9)、(10)表示。由于头部12的最大拉伸强度Fmax(头部)要大于外螺纹14的最大拉伸强度Fmax(螺纹)，因此，由Fmax(头部)＞Fmax(螺纹)得到下式(11)，最低高度kmin由下式(12)表示。

Fmax(螺纹)＝Rm×A(s)               (9)

Fmax(头部)＝τ_B×Ask              (10)

τ_B×k×π×d＞Rm×A(s)           (11)

kmin＝(Rm×A(s))/(τ_B×π×d)

＝A(s)/[(τ_B/Rm)×π×d]          (12)

另一方面，螺栓材料的剪切强度τ_B与拉伸强度Rm之比(τ_B/Rm)是按照德国技术协会VDI2230“高强度螺栓紧固体系的计算法”对每个强度级别如图3那样规定的，如果按照上式(12)求出外径d不同的几个螺栓部件10每个强度级别的最低高度kmin，则如图4所示，图4的最右一栏所示的值就是对强度级别12.9求出的(kmin/d)的值。因此，即使采用强度级别12.9时，本实施例的高度k＝0.35d，也能获得足够的剪切强度。强度级别8.8和10.9时，条件缓和了，即使高度k＝0.3d，也能获得足够的剪切强度。

本实施例中，由于扭矩传递部16的角度θ1及槽22的角度θ2满足前式(8)的关系，因此可适当地防止螺栓部件10侧的扭矩传递部16破裂。即，螺栓紧固工具30的材质是JIS B4636的“套筒扳手-插口(SocketWrench-Socket)”中规定的JIS G4105的SCM435，螺栓部件10的材质属于强度级别8.8时，SCM435属于强度级别10.9，其拉伸强度为1040N/mm²，与此相对，强度级别为8.8的螺栓类的拉伸强度为800N/mm²，因此，如果满足式(8)，则螺栓部件10的剪切强度比螺栓紧固工具30高。

下面说明本发明的其它实施例。以下的实施例中与前述实施例实质上共通的部分用同一符号表示，不再赘述。

图5的螺栓部件40围绕中心线O以等角度间隔设有5个扭矩传递部16时，设定各部分尺寸Dmax、Dmin、k、θ1、θ2，并使其满足前式(4)、(5)、(7)和(8)。

图6的螺栓部件42与前述螺栓部件10的头部12、扭矩传递部16相对应地设有6个槽的切口44时，可使用2种螺栓紧固工具进行紧固作业。切口44不满足本发明的要件，没有与通过中心线O的直线大致一致的连接部。

图7、图8的螺栓部件46、48设有带底部50的U字形槽52，用以代替五角形的槽22，该底部50呈从平坦的侧壁面18光滑弯曲的大致半圆形，同时，当该槽52的开口部呈圆形时，可获得与前述螺栓部件10、40同样的作用效果。

图9表示本发明适用于双头螺栓60时，同心地整体带有起到嵌合凸部功能的头部62和包含一对外螺纹64、66的螺纹部68。头部62在平面图中的形状与前述头部12相同，带有包含一对侧壁面18的6个扭矩传递部16，但是，直径大小Dmax、Dmin都比外螺纹64、66的外径d小。此时，通过位于平面图中通过中心线O的直线上的平坦侧壁面18传递扭矩，因此，随着头部62的小型化，即使需要较大的紧固力F，由于施加在侧壁面18上的力(＝面直角力N)与紧固力F相同，因此可防止侧壁面18被压坏。图9(a)是从头部62看的平面图，图9(b)是从与中心线垂直的方向看的正面图。

以上基于附图详细说明了本发明的实施例，但是它们到底还是一种实施形态，基于本领域技术人员的知识，可对本发明进行各种改变、改良，并以改变后的形态实施。

Claims (11)

1、一种螺栓紧固结构，由相互嵌合的嵌合口和嵌合凸部构成，该嵌合口和嵌合凸部分别设置在螺栓部件和用于紧固该螺栓部件的螺栓紧固工具的一方和另一方上，同时该嵌合口和嵌合凸部上设有围绕各自的中心线，以等角度间隔向外周侧突出的多个扭矩传递部，使前述螺栓紧固工具围绕该中心线旋转，通过该扭矩传递部向前述螺栓部件传递紧固扭矩，

其特征在于，前述扭矩传递部带有连接部，在与前述中心线垂直的截面形状中，该连接部的切线与通过该中心线的直线基本一致，并通过该连接部传递扭矩。

2、如权利要求1所述的螺栓紧固结构，其特征在于，前述连接部的切线与通过前述中心线的直线之间的交叉角在±3°的区间内。

3、如权利要求1所述的螺栓紧固结构，其特征在于，前述连接部的切线与通过前述中心线的直线之间的交叉角在±1°的区间内。

4、如权利要求1所述的螺栓紧固结构，其特征在于，设有5个或6个前述扭矩传递部。

5、如权利要求1所述的螺栓紧固结构，其特征在于，前述连接部是在前述切线方向具有所定尺寸的平坦面。

6、如权利要求1或2所述的螺栓紧固结构，其特征在于，前述螺栓部件有外螺纹，前述嵌合凸部设在该螺栓部件上，该嵌合凸部的最大直径尺寸Dmax、最小直径尺寸Dmin、及该嵌合凸部的与前述中心线平行方向的高度尺寸k分别相对于该外螺纹的外径d满足下式(4)、(5)、(6)：

Dmax≤1.5d       (4)

1.1d＜Dmin       (5)

0.3d≤k＜0.6d    (6)。

7、如权利要求6所述的螺栓紧固结构，其特征在于，前述高度尺寸k满足下式(7)：

0.3d≤k≤0.45d              (7)。

8、一种螺栓部件，其特征在于，它具有权利要求1或2所述的嵌合口或嵌合凸部。

9、一种螺栓部件，其特征在于，它带有外螺纹，同时设有权利要求3所述的嵌合凸部。

10、一种螺栓紧固工具，其特征在于，它具有权利要求1或2所述的嵌合口或嵌合凸部。

11、如权利要求6所述的螺栓紧固结构，其特征在于，前述嵌合凸部设在前述螺栓部件上，围绕前述中心线，将其嵌合凸部的前述扭矩传递部的角度设为θ1，将相邻的扭矩传递部之间的角度设为θ2时，满足下式(8)：

1.3≤θ1/θ2                 (8)。

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