JP2003240655A

JP2003240655A - ボルト・ナット締結体の締付け力検出方法

Info

Publication number: JP2003240655A
Application number: JP2002043062A
Authority: JP
Inventors: Shinji Hashimura; 真治橋村; Takayoshi Murakami; 敬宜村上
Original assignee: Central Motor Wheel Co Ltd
Current assignee: Central Motor Wheel Co Ltd
Priority date: 2002-02-20
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2003-08-27
Anticipated expiration: 2022-02-20
Also published as: JP4028254B2

Abstract

(57)【要約】【課題】検出誤差が小さく、かつ構造が簡単となるボル
ト・ナット締結体の締付け力検出方法を提案する。【解決手段】被締結体の挿通孔ｈにボルト２を挿入し、
挿通孔ｈを貫通したボルト２の雄ねじ部３にナット５を
螺合緊締することにより、被締結体を挟圧するボルト・
ナット締結体１にあって、ナット５上面に対して、該上
面から突出するボルト２の雄ねじ部３を引張して、ボル
トのばね定数Ｃbの変移点を検出し、該変移点での引張
力を締付け力Ｆとしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ボルトの破断事故
を防止する等のために行われるボルト・ナット締結体の
締付け力検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車などの機械や、橋梁などの構造物
の組立てには、ボルト・ナットによる締結が欠かせな
い。ボルト・ナットの締結体としての強度は、締付け力
に大きく依存する。一方、ボルト締結体における締付け
力の管理は、トルクや回転角を用いて一般に締付け時に
行われるだけで、締付け後については、現状ではほとん
ど行われていない。しかし、機械の作動中に予期しない
外力の作用によってボルトがゆるみ、締付け力が低下し
た場合には、疲労破断の危険性が著しく増加する。した
がって、ボルトの破断事故を防止し、ボルト締結体の信
頼性を向上するためには、締結後のボルトの締付け力の
検出にも注意を払う必要がある。かかる締付け力検出方
法としては、超音波を用いた方法がよく知られている。
この方法は、締付け前後で、ボルトの軸方向に超音波を
発信し、ねじ先端で反射して戻るまでの時間から締付け
力を求めるものである。したがって、締付け力を直接測
定できるが、専用のボルトと高価な測定器を要するの
で、使用箇所が限られる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一方、ボルト・ナット
締結体のナットから突出したボルトの先端部を引張るこ
とで、締付け力を直接検出する方法（特開平10-17036
2）が提案されている。この方法は、ボルトに負荷する
引張力が締付け力に達したとき、ナット座面と被締結物
座面が離間し、ボルトの見かけ上のばね定数が変化する
ことから締付け力を検出するものである。この方法は簡
便であり、すでに締結状態にあるボルト・ナットにも適
用が可能である。

【０００４】ところで、特開平10-170362に開示された
発明は、被締結体に締結されたボルト端部を、被締結体
に対して引張して、その引張力と、変位とを検出して、
これらの値に基づきボルト・ナット締結体の締付け力の
検出を行うものである。ところが、この方法にあって
は、締付け力が実際の締付け力よりも、高くなる傾向に
あり、検出誤差が大きいことが試験により確認された。
また、この方法では、検出時にナット座面を離間させる
ので、ナット周囲の被締結物表面を、ナットを包み込む
ように押えなければならず、この方法を具体化するため
の装置が複雑となるという問題もある。本発明は、検出
誤差が小さく、かつ構造が簡単となるボルト・ナット締
結体の締付け力検出方法を提案することを目的とするも
のである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１は、被
締結体の挿通孔にボルトを挿入し、挿通孔を貫通したボ
ルトの雄ねじ部にナットを螺合緊締することにより、被
締結体を挟圧するボルト・ナット締結体にあって、ナッ
ト上面に対して、該上面から突出するボルトの雄ねじ部
を引張して、ボルトのばね定数の変移点を検出し、該変
移点での引張力を締付け力とすることを特徴とするボル
ト・ナット締結体の締付け力検出方法である。

【０００６】また、請求項２は、ナットから突出する雄
ねじ部に、引張回転軸に形成した雌ねじ孔を螺合して、
該引張回転軸を回転し、その回転に伴って雄ねじ部を引
張し、かつ引張回転軸の回転角θを変位δとして検出す
ると共に、ナット上面に対する引張回転軸の引張力Ｆを
検出し、Ｃb＝Ｆ／δ （ここでＦ；引張力Ｃb；ばね定数 δ；変位）に基
づき、Ｃbの変移点を検出して、該変移点の引張力Ｆを
締付け力とする請求項１記載のボルト・ナット締結体の
締付け力検出方法である。

【０００７】請求項３の発明は、ナット上面に座定され
る受圧部と、ナットから突出する雄ねじ部に螺合する雌
ねじ孔を具備し、モータの駆動軸に連係して回動する引
張回転軸と、引張回転軸の周囲に形成された係止縁と受
圧部との間に介装されるロードセルと、該ロードセルと
引張回転軸の係止縁間に配設されるスラストベアリング
とからなる締付け力検出部を用い、Ｃb＝Ｆ／δ （ここでＦ；引張力Ｃb；ばね定数 δ；変位）にあ
って、引張力Ｆをロードセルで検出し、変位δを引張回
転軸の回転角により検出して、Ｃbの変移点を検出し、
該変移点の引張力Ｆを締付け力とするようにしたもので
ある。さらに請求項４は、ナット上面に対して、該上面
から突出するボルトの雄ねじ部を引張してdF/dθの値の
最大値となったときのバネ定数をＣbAとし、その後、急
激に減少した後、dF/dθが急激に減少して安定し始める
ときのバネ定数をＣbBとした場合に、ＣbAとＣbBの値の
中間値Ｃｍを変移点として、そのときの引張力Fの値を
締付け力としたものである。すなわち、ＣbAとＣbBは、
実際には、緩徐に変化するから、その中間点を変移点と
したものである。試験によれば、かかる手段により求め
た変移点は、検出誤差の少ない、実用に足るものであっ
た。

【０００８】「本発明の理論」本発明は、上述の特開平
10-170362の方法の原理を基に、ナット座面を離間させ
る代わりに、ねじ部のバックラッシュを利用してねじ面
を離間させる検出方法を提案するものである。

【０００９】本発明の方法は、ナット上面を押えるので
被締結物表面を押える必要がなく、特開平10-170362に
開示された方法よりも検出部を小さくすることができ
る。また、座面を離間させないので、ばね座金を用いた
場合もその影響をうけることはない。本発明では、本発
明の方法と特開平10-170362に開示されたが提案した方
法を用いて、予め締結したボルト・ナット締結体の締付
け力を検出し、本発明方法の有効性を示す。また、ばね
座金を用いた場合についても、本方法と特開平10-17036
2に開示された方法で試験を行い、比較・検討を行う。

【００１０】＜測定原理＞図１に、ボルト・ナット締結
体１の概要図を示す。ここでボルト・ナット締結体１
は、被締結体Ｉ，II（図中Clamped PartＩ，IIと表記）
の挿通孔ｈにボルト２を挿入し、挿通孔ｈを貫通したボ
ルト２の雄ねじ部３にナット５を螺合緊締することによ
り、被締結体Ｉ，IIを挟圧してなる。このボルト・ナッ
ト締結体１にあって、ボルト２とナット５により被締結
物Ｉ，IIが締付け力Ｆiで締付けられると、図１に示す
ように、Ｆiはボルト２に引張力として作用し、被締結
物Ｉ，IIには圧縮力として作用する。このようなボルト
・ナット締結体の締付け力Ｆiの検出方法について、特
開平10-170362に開示された方法を以下に説明する。

【００１１】図２に、特開平10-170362に開示されたが
提案した締付け力検出方法の概要図を示している。図２
におけるボルト・ナット締結体１は、あらかじめ締付け
力Ｆiで締付けられた状態にある。ここで締付け力Ｆi
は、ボルト２とナット５が噛合うボルト２側の第１ねじ
山(点A)を最大として分布する。しかし、ここでは便宜
上Ｆiは点Aに集中的に作用すると仮定して考える。

【００１２】図２において、ボルト２の首下長さをＬ、
締結後の被締結物Ｉ(図２のClampedpartI)の上面(点A)
からボルト２の先端までのねじ部長さをｌe（図中ｌext
raと表記）とする。この検出方法では、まず被締結物を
押さえて、ナット５からはみ出したボルト２の先端部分
(点O)を引張力Fで引張る。ここで、点OをFで引張ると
き、被締結物Ｉ，IIにはFに相当する圧縮力が作用す
る。しかし、点Oの変位に寄与する量としては、被締結
物Ｉ，IIの圧縮量に比べて、ボルト２の伸び量が支配的
になるので、点Oの変位をボルト２の伸びとして考え
る。

【００１３】点OをFで引張ると、Fが締付け力Ｆiより小
さい間は、主にボルト２は点Aを基点として着力点Oまで
の長さｌeの部分で伸びる。ここで、ボルト２がｌeで
伸びるときのボルト２のばね定数をＣbAとすると、Fと
点Oの変位δとの関係は、Ｆ＝ＣbA・δ （Ｆ＜Ｆi） (1) となる。このとき、ナット座面６は、ProcessＩ(図２)
のように、被締結物と接触した状態である。その後Fを
増加させて、Fが締付け力Ｆiに達すると、ナット座面６
と被締結物Ｉの座面が離間するProcessII(図２)の状態
となる。このとき、ボルト２は点Ｂを基点としたボルト
２の首下全体の長さＬで伸びることになる。ボルト２が
Ｌで伸びるときのボルト２のばね定数をＣbBとすると、
Fとδとの関係は、Ｆ＝ＣbB・δ （Ｆ＞Ｆi） (2) となる。ここで、ProcessＩからProcessIIへ移行すると
き、ボルト２が伸びる長さはｌeからＬへ急激に増加す
る。すなわち、ボルト２のばね定数がＣbAからＣbBへと
急激に変化する。この方法では、ボルト２のばね定数が
ＣbA からＣbBへ急激に変化するときの変位点でのFの値
を検出してＦiとする。

【００１４】図３は、ボルト２先端の点Oに引張力Fを負
荷したときの着力点変位δとFの関係を示した概略図で
ある。図３において、横軸は着力点Oの変位δであり、
縦軸は引張力Fである。図３中のProcessＩとProcessII
は、図２のProcessＩとProcessIIに対応している。図３
におけるProcessＩでは、FはＣbAなる勾配で増加する。
FがＦiに達すると、座面が離間してボルト２のばね定数
がＣbA からＣbBへ変化する。ProcessＩからProcessII
への移行である。ProcessIIでは、ボルト２は首下全体
の長さＬで伸びるので、FはＣbAに比べて小さな勾配Ｃb
Bで増加する。この方法では、このように勾配が変化す
るときのFを検出して締付け力とする。

【００１５】ところで、特開平10-170362で提案された
方法は、締付け力検出時に、被締結物表面を押えて引張
力を作用させるものである。したがって、締付け力検出
のためにナット５周囲の被締結物表面を、ナット５を包
む込むように押えなければならない。また、ナット５座
面と被締結物座面を離間させるので、ばね座金等を用い
ている場合には、座面間が完全に離間せずに測定誤差を
生じることも考えられる。

【００１６】本発明では、特開平10-170362に開示され
た方法の測定原理を基に、被締結物表面の代わりにナッ
ト５上面を押えて、締付け力の検出を行う方法を提案す
る。図４に、本発明の締付け力検出方法の概要図を示
す。ここで、締付け力Ｆiは便宜上、特開平10-170362に
開示された方法(図２)と同様に、点Aに集中的に作用す
ると仮定して考える。ボルト２の首下長さをＬ、締結後
の被締結物(図４のClamped partＩ)の上面(点A)からボ
ルト２の先端までのねじ部長さをｌeとする。締結後の
ボルト・ナット締結体１のねじ面では、図４(a)のよう
にボルト２の雄ねじとナット５の雌ねじの間にバックラ
ッシュが存在する。この状態で、図２のように被締結物
を押える代わりに、ナット５の上面部を押さえて、ナッ
ト５からはみ出したボルト２の先端部分(点O)を引張力F
で引張る。ここでFは、被締結物とナット５に圧縮力と
して作用するので、点Oの変位にはボルト２の伸び量だ
けでなく、被締結物とナット５の圧縮量も含まれる。し
かし、点Oの変位に寄与する量としては、特開平10-1703
62に開示された方法と同様に、ボルト２の伸び量が支配
的になるので、点Oの変位をボルト２の伸びとして考え
ることにする。引張力Fが締付け力Ｆiより小さい間は、
ボルト２は点Aを基点として着力点Oまでの長さｌeの部
分で伸びる。このとき、ねじ面はProcessＩ(図４(a))の
状態であり、ボルト２のばね定数はＣbAである。その
後、Fを増加させて、FがＦiに達すると、ねじ面間のバ
ックラッシュにより、雄ねじと雌ねじのねじ面が離間
し、ProcessII(図４(a))の状態となる。そのときボルト
２は、点Ｂを基点としてボルト２の首下全体の長さＬで
伸び、ボルト２のばね定数がＣbAからＣbBに変化する。

【００１７】この一連の過程におけるFとδとの関係
は、図３と同じである。本発明の方法は、特開平10-170
362に開示された方法と同じく、ボルト２のばね定数が
ＣbA からＣbBへ急激に変化するときのFの値を締付け力
Ｆiとして検出する。このように、本発明方法では、特
開平10-170362に開示された方法の基本原理をもとに、
ねじ面間のバックラッシュを利用してねじ面を離間させ
ることで、締付け力の検出を行う。以下の試験では、予
め所定の締付け力で締結されたボルト・ナット締結体１
を用いて、本発明方法と特開平10-170362に開示された
方法で検出試験を行い、本発明方法の有効性を検証す
る。

【００１８】＜試験装置＞本発明方法は、ナット５から
はみ出したボルト２の雄ねじ部３の先端部分６を、締付
け力Ｆi以上で引張らなければならない。しかし、通常
ボルト２の締付け力はボルト２の降伏軸力の70%程度に
設定されることが多く、Ｆi以上の引張力を生じさせる
ことは必ずしも容易ではない。たとえば、M10×1.5、強
度区分4Tのボルト２の場合では、通常の締付け力は10 k
N程度となる。そこで本試験では、容易に引張力Fを負荷
するために、ボルト２の雄ねじ部３を利用する。

【００１９】図５，６に、試験装置の概略図を示す。図
６はボルト・ナット締結体１の締付け力検出装置の外観
図である。図５は、締付け力を測定するためにあらかじ
め締結されたボルト・ナット締結体１と締付け力検出部
１０を示すものである。図５の下側が、ボルト・ナット
締結体１であり、上側が締付け力検出部１０である。そ
して、ナット５からはみ出したボルト２の先端部分６
に、締付け力検出部１０の雌ねじ孔１３を噛み合わせ、
モータ２０を駆動して引張回転軸１２を回転させること
で、ボルト２を引張る。このようにすることで、容易に
大きな引張力を発生させることができる。

【００２０】ここで、この締付け力検出部１０は、ナッ
ト５の上面に座定される受圧部１１と、ナット５から突
出する雄ねじ部３の先端部分６に螺合する雌ねじ孔１３
を具備し、モータ２０の駆動軸に連係して回動する引張
回転軸１２と、引張回転軸１２の周囲に形成された係止
縁１４と受圧部５との間に介装されるロードセルＢと、
該ロードセルＢと引張回転軸１２の係止縁１４間に配設
される自動調心式のスラストベアリング１７とからな
る。ここで引張回転軸１２の材質は、S55Cである。検出
部において、ボルト２の先端に負荷する引張力Fは、ロ
ードセルBにより測定される。

【００２１】図５において、ボルト・ナット締結体１
は、被締結物I、IIとロードセル８およびボルト２とナ
ット５から構成されている。被締結物IとIIの材質は、S
55Cである。締結体は、ロードセルＡを被締結物IとIIで
挟み、ボルト２とナット５で締結する。ここで締付けの
際、ロードセルＡにねじりトルクが作用しないように、
被締結物IとIIにあけた穴に丸棒を通して、ナット５を
回転させて締付けが行われる。また、締結時の締付け力
の管理はロードセルAで行い、目標締付け力Ｆi=10 kNで
締結を行う。ここで、ボルト２のねじ面およびナット５
の座面は二硫化モリブデン配合リチューム石鹸基グリー
スによる潤滑状態とした。

【００２２】さらに図６の全体構成にあって、ボルト・
ナット締結体１は、架台３０に保持される。また、締付
け力検出部１０は、架台３０から立設したフレーム３１
に、リニアガイド３２により昇降案内される装架板３３
に固定される。また引張回転軸１２は、図６のフレキシ
ブルカップリング３４を介してトルク変換器３５および
モータ２０に取付けられている。モータ２０の上端部に
は、回転角検出のためにロータリエンコーダ２１が取付
けられている。

【００２３】＜試験方法＞本試験で用いたボルト２は、
市販の六角ボルト２M10×1.5であり、長さは100mm、強
度区分は4T、等級は6gである。今回の試験では、ナット
５からはみ出したねじ部３の先端部分６を安定して引張
るために、通常用いられる長さよりも長いボルト２を用
いた。本試験で用いたナット５は、市販の歯付きフラン
ジナット５である。このナット５は、座面にゆるみ防止
のために円周方向に歯がついている。試験に用いる際
は、座面の歯を旋盤で削り、通常のフランジナット５と
して用いた。本発明で提案する締付け力検出方法では、
ボルト２の雄ねじとナット５の雌ねじのバックラッシュ
を利用する。したがって、バックラッシュの量が締付け
力の検出精度に影響を及ぼす可能性がある。そこで今回
の試験では、バックラッシュの量が検出精度に及ぼす影
響についても調べるために、バックラッシュの量を変え
た３種類の試験を行った。バックラッシュの量は、有効
径D２の異なる３種類のナット５を準備し、ナット５を
変えることで変更した。１種類目は購入品のままの雌ね
じを持つナット５であり、ねじ部の有効径はJIS B 0209
より許容差の平均でD２＝9.12 mmである。このナット５
を以下Size-0とする。２種類目は、通常のサイズよりも
有効径D２が0.2 mmだけ大きなタップを用いて、雌ねじ
部を加工したナット５であり、ねじ部の有効径はD２＝
9.32mmである。このナット５を以下Size-0.2とする。３
種類目は、D２が0.3 mm大きなタップを用いて加工した
ナット５であり、ねじ部の有効径はD２＝9.42 mmであ
る。このナット５を以下Size-0.3とする。また、ボルト
２の有効径は、d２＝8.93 mmである。

【００２４】本試験は、あらかじめ目標締付け力Fｔで
締結しておいたボルト・ナット締結体１に、締付け力検
出部１０の雌ねじを噛み合わせ、モータを回転させて行
った。モータの回転速度は、ω = 10 rpmであり、ボル
ト２の引張速度としては、0.25 mm/secとなる。ここ
で、今回の試験における着力点変位δは、ロータリエン
コーダで測定した回転角θを用いた。

【００２５】上記試験において、ボルト２に引張力を負
荷するねじ部は、二硫化モリブデン配合リチューム石鹸
基グリースによる潤滑状態とした。試験は、３種類の雌
ねじサイズを持つナット５に対して、それぞれ10回づつ
行った。なお、特開平10-170362に開示された方法によ
る検出試験については、Size-0のナット５を用いて、本
発明方法と同様の手順で10回行った。その際、被締結物
はロードセルBで直接押え、ボルト２先端のねじ部と雌
ねじ部の噛合い長さは、雌ねじ部を加工して本方法の試
験と同じにした。また、ばね座金を用いた場合の試験で
は、ボルト・ナット締結体１のナット５側にばね座金を
用いて、本発明方法と特開平10-170362に開示された方
法により検出試験を行った。なお、両者の試験は、Size
-0のナット５を用いて、同じ条件かつ同様の手順で10回
づつ行った。

【００２６】＜試験結果と考察＞図７に、試験結果一例
として、購入品のままの雌ねじを持つナット５Size-0を
用いて、試験を行った結果を示す。図７において、横軸
は着力点変位δに相当する回転角θであり、縦軸は引張
力Fである。なお、図７中のProcessＩとProcessIIは、
図４で示したProcessＩとProcessIIに対応している。図
７を見ると、明らかに締付け力Ｆi付近で、θに対するF
の勾配dF/dθが減少していることがわかる。図７におい
て、図中に細線で示したProcessＩにおいてボルト２の
ばね定数ＣbAなる勾配を持つ直線Aと、ProcessIIにおい
てＣbBなる勾配を持つ直線Bの交点におけるFが検出され
た締付け力になる。一方、図７からだけでは、直線Aと
直線Bの交点を精度良く検出することは難しい。そこで
本方法では、直線AとBの交点の検出に、θとdF/dθの関
係を用いる。図８に、図７の試験におけるθに対するF
の勾配dF/dθとθの関係を、10個づつ平均化した値とし
て示している。図８において、横軸は検出部の雌ねじの
回転角θであり、縦軸はdF/dθである。図８において、
実際のdF/dθの値は大きく変動するので、直線AとBの交
点を安定して検出することが難しい。そこで本試験で
は、dF/dθの値を10個づつ平均化することで対応した。
図８を見ると、dF/dθはまず急激に上昇し、dF/dθの値
が安定し始めると急激に減少している。dF/dθの値は直
線的に減少した後、安定してほぼ一定となる。そこで、
図８におけるdF/dθの値の最大値をＣbAとし、その後、
急激に減少した後、dF/dθが急激に減少して安定し始め
るときの値をＣbBと定義した。なお、各試験におけるＣ
bAとＣbBの検出は、予備試験から検出条件を決定して行
った。ProcessＩからProcessIIへ移行する境界値は、Ｃ
bAとＣbBの値の中間値Ｃｍを変移点として、そのときの
回転角θｍとし、θｍに対応する引張力Fの値を締付け
力とした。図７と図８に示した試験の締付け力検出結果
は、次のとおりである。ＣbAおよびＣbBは、次のように
なった。ＣbA = 0.255 kN/deg (3) ＣbB = 0.154 kN/deg (4) ＣbAとＣbBの中間値Cｍおよび、Cｍにおける回転角θ
は、次のようになった。 Cｍ = 0.204 kN/deg (5) θｍ = 198.5 deg (6) これらの結果から、θｍのときの引張力Fの値は、 F = 10.1 kN (7) であり、この値を締付け力とした。なお、ボルト・ナッ
ト締結体１を締付けた際の締付け力ＦiはＦi=10.2 kNで
あり、この試験における締付け力の検出誤差は-1.0%で
あった。

【００２７】なお本試験方法では、締付け力Ｆiを測定
する際に、一時的にボルト２とナット５のねじ面が離間
するので、この作業の影響で、Ｆiが変化することも考
えられる。そこで、締付け力を検出した後、ボルト２の
先端に作用させていた引張力を０にして、ボルト・ナッ
ト締結体１の締付け力を、図５に示すロードセルAによ
り調べた。その結果、図７および図８に示した試験の場
合には、締付け力検出後のＦiの値は、Ｆi= 9.99 kNで
あった。これは、検出前のＦiよりもわずか2.0％程度の
減少であり、本方法を用いて締付け力の検出を行って
も、検出後の締付け力にはほとんど影響を与えないこと
がわかる。

【００２８】図９に、バックラッシュの量を変化させた
有効径の異なる３種類のナット５を用いて、締付け力の
検出を行った結果を示している。図９において、縦軸は
ボルト・ナット締結体１の締付け力Ｆiに対する検出誤
差を示している。横軸は、それぞれSize-0、Size-0.2、
Size-0.3を示している。なお、図９において、実線で表
した範囲が、検出誤差のばらつき幅を示しており、実線
中の○印はばらつきの平均値を示している。また、図９
中の破線は、特開平10-170362に開示された方法を用い
て締付け力を検出したときの検出誤差のばらつきを示し
ている。

【００２９】図９を見ると、特開平10-170362に開示さ
れた方法では、締付け力が実際の締付け力よりも高く評
価されていることがわかる。それに対して、本方法の場
合では、３種類のナット５すべてにおいて、検出誤差が
±10％以下であり、平均値でもほぼ締付け力を的確に得
ていることがわかる。この結果から、本発明の検出方法
は、高い検出精度を有していることがわかる。また、バ
ックラッシュが大きくなるほど、検出誤差のばらつき幅
は減少しており、締付け力Ｆiの検出精度が上がること
がわかる。なお、バックラッシュが最も大きいSize-0.3
の検出誤差は、ほぼ±5％程度であった。

【００３０】ここで、特開平10-170362に開示された方
法において、締付け力が実際よりも高く評価された原因
について考察する。ボルト・ナット締結体において、被
締結物は締付け力Ｆiでボルト２とナット５により圧縮
されている。その際、ナット５と接触している被締結物
の座面部では、図１０に示すような局所的な圧縮変形δ
cIを生じている。この状態におけるボルト頭部座面とナ
ット５の座面の間隔(グリップ長さ)を、ｌkとする。特
開平10-170362に開示された方法では、締付け力を検出
する際、ナット５の周囲を押えるので、座面が離間する
ときδcIは解放される。そのときｌkは、ナット５の周
囲を押えたことで被締結物の圧縮変形が座面部にも影響
するので、δcIの一部がｌkに追加されてｌk'となる。
すなわち、特開平10-170362に開示された方法で締付け
力を検出するとき、ボルト２は検出前の状態からすでに
(ｌk'-ｌk)だけ伸びており、(ｌk'-ｌk)に相当する軸力
が締付け力に追加された状態となっている。その結果、
特開平10-170362に開示された方法では、締付け力を大
きく評価したと考えられる。一方、本発明方法では、ナ
ット５上面を押さえるので、締付け力検出時に、被締結
物の圧縮状態に変化はない。したがって、正確な締付け
力を検出することができる。

【００３１】次に、ボルト・ナット締結体のナット５側
に、ばね座金を用いた場合の検出結果について示す。図
１１に、本発明方法を用いて、ばね座金を有した締結体
の締付け力を測定した一つの試験結果における引張力F
とθの関係と、dF/dθとθの関係を示している。図１１
において、横軸は回転角θ、左側の縦軸はFであり、右
側の縦軸はdF/dθである。図１１において、Fの値は太
い実線で示しており、dF/dθの値は図８と同様に10個づ
つ平均した値を○で示している。図１１におけるFのグ
ラフを見ると、直線AとBの勾配の変化が明確に現れてい
ることがわかる。また、図１１のdF/dθのグラフにおい
ても、ＣbAとＣbBの値がほぼ水平に現れている。本発
明方法を用いて、ばね座金を有した締結体の締付け力を
測定した結果、締付け力の検出誤差は、-13.2％〜7.3％
であり、ばらつきの平均値で-4.3％であった。このこと
から、本方法は、ばね座金を有した締結体においても、
締付け力を正確に検出できることがわかる。

【００３２】図１２には、特開平10-170362に開示され
た方法を用いて、ばね座金を有した締結体の締付け力を
測定した一つの試験結果における引張力Fとθの関係
と、dF/dθとθの関係を示している。図１２において
も、図１１と同様に、横軸は回転角θ、左側の縦軸はF
であり、右側の縦軸はdF/dθである。また、Fの値は太
い実線で示しており、dF/dθの値は10個づつ平均した値
を○で示している。図１２を見ると、直線AからBへの勾
配の変化は明確に現れず、ＣbAの値は検出できたとして
もＣbBの値の検出が困難であることがわかる。

【００３３】特開平10-170362に開示された方法を用い
て、ばね座金を有した締結体の締付け力を測定した結
果、10回の試験のうち4回がＣbBの検出ができないため
に締付け力の検出ができなかった。残りの6回について
は、-0.7%から-14.0%の範囲で測定することができた
が、確実な締付け力の検出は困難である。ここで、特開
平10-170362に開示された方法の試験におけるＣbAとＣ
bBの値の検出は、本発明方法と同じ条件で行ったが、特
開平10-170362に開示された方法に則した検出条件で行
うことで、検出不能を防ぐことができるかもしれない。
しかし、締付け力の検出に誤差を生じることは止むを得
ないと考えられる。

【００３４】最後に、本発明で提案する検出方法におい
て、ねじ面間のバックラッシュの量を大きくすること
で、検出精度が向上した理由について考察する。本発明
で提案した方法は、ボルト・ナット締結体１におけるボ
ルト２の雄ねじとナット５の雌ねじのバックラッシュを
利用する。引張力Fが締付け力Ｆiに達したとき、原理的
には、ボルト２の雄ねじとナット５の雌ねじは接触して
いないはずである。一方、 M10のボルト２とナット５の
ねじ面間のバックラッシュは、通常軸方向で50μm程度
と非常に小さい。たとえば、ナット５の座面とナット５
の雌ねじの中心軸が直角でない場合、雌ねじと雄ねじの
中心軸は傾いてしまう。そのような場合、FがＦiに達し
たときに離間しているはずのねじ面が接触している可能
性がある。

【００３５】図１３に、ボルト２の雄ねじとナット５の
雌ねじの模式図を示している。図１３ (a)は、雄ねじと
雌ねじの中心軸が一致している場合のねじ部の詳細図で
あり、図１３ (b)は雄ねじと雌ねじの中心軸が傾いた場
合のねじ部の詳細図である。図１３ (a)のように、雄ね
じの中心軸と雌ねじの中心軸がほぼ一致している場合
は、本方法でFがＦiに達したとき、Ｆiを検出するのに
十分なバックラッシュが存在する。一方、図１３ (b)の
ように、雄ねじの中心軸と雌ねじの中心軸が傾いている
場合は、バックラッシュがほとんど存在しない部分が生
じてしまう。このような場合では、本方法の検出精度に
誤差を生じる可能性がある。今回の試験結果において、
バックラッシュが大きいほど検出精度が向上した理由
は、バックラッシュを大きくすることで、ナット５の形
状誤差を吸収したためと考えられる。なお、雄ねじと雌
ねじの中心軸が傾いていても、FがＦiに達したときに、
ボルト２のばね定数にわずかでも変化が現れれば、図８
に示すθに対するdF/dθの関係には明確に差が生じるの
で、Ｆiの検出は可能である。

【００３６】一方、本発明方法の実用化を考えた場合、
省スペースかつ低コストで実現することができる。すな
わち、図５、６の試験装置で明らかなように、特開平10
-170362に開示された方法のごとく、ナット周囲の被締
結物表面を、ナットを包み込む必要が無く、検出部の構
造は非常に単純なものとなる。しかも、検出時に必要な
トルクTは、主にねじ面の摩擦トルクだけなので、締結
時の締付けトルクに比べて小さくてよい。したがって、
本方法の実用化は容易であり、コンパクトな検出装置の
製作が可能となる。

【００３７】

【発明の効果】本発明は、特開平10-170362に開示され
た方法の基本原理を用いて、ナット５座面を離間させる
代わりに、ねじ面間のバックラッシュを利用して、ねじ
面を離間させる方法であり、以下に示す効果がある。１）締結体のナット５から突出したボルト２の先端部分
を引張ることで、ねじ面間のバックラッシュにより変化
する着力点の変位と引張力の関係から締付け力の検出を
行うものであり、締結後のボルト・ナット締結体１の締
付け力を±10％以下の高精度で検出することができる。２）ボルト２とナット５のねじ面間のバックラッシュを
大きくすることで、締付け力の検出精度を±5％程度ま
で向上することができる。３）特開平10-170362に開示されたが提案した方法を用
いて、締結後のボルト・ナット締結体１の締付け力を検
出した結果、かかる方法では、実際の値よりも大きな締
付け力となるが、本発明は、真の締付け力と近似する値
を得ることができる。４）本発明は、ボルト・ナット締結体１にばね座金を用
いた場合にも締付け力を的確に検出することができる。５）特開平10-170362に開示されたが提案した方法は、
ボルト・ナット締結体１にばね座金を用いた場合には、
締付け力を検出することはできない場合があるが、本発
明によれば、現在使用状態にある締結体の締付け力を検
出することも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】ボルト・ナット締結体１を示す縦断側面図であ
る。

【図２】締付け力Ｆiで締付けられた状態の力関係を示
すボルト・ナット締結体１を示す縦断側面図である。

【図３】ボルト２先端の点Oに引張力Fを負荷したときの
着力点変位δとFの関係を示すグラフである。

【図４】本発明の締付け力検出方法を示す概要図であ
る。

【図５】ボルト・ナット締結体１と締付け力検出部１０
を示す縦断側面図である。

【図６】締付け力検出装置の外観図である。

【図７】試験結果を示すグラフであり、横軸は着力点変
位δに相当する回転角θであり、縦軸は引張力Fであ
る。

【図８】θに対するFの勾配dF/dθとθの関係を、10個
づつ平均化した値として示したグラフである。

【図９】バックラッシュの量を変化させた有効径の異な
る３種類のナット５を用いて、締付け力の検出を行った
結果を示し、縦軸はボルト・ナット締結体１の締付け力
Ｆiに対する検出誤差を示し、横軸はナット５の種類を
示している。

【図１０】従来の締付け力検出方法を示す概念図であ
る。

【図１１】、本発明方法を用いた試験結果における、引
張力Fとθの関係と、dF/dθとθの関係を示し、横軸は
回転角θ、左側の縦軸はFであり、右側の縦軸はdF/dθ
である。

【図１２】従来方法の試験結果における、引張力Fとθ
の関係と、dF/dθとθの関係を示し、横軸は回転角θ、
左側の縦軸はFであり、右側の縦軸はdF/dθである。

【図１３】(a)は、雄ねじと雌ねじの中心軸が一致して
いる場合のねじ部の詳細図であり、(b)は雄ねじと雌ね
じの中心軸が傾いた場合のねじ部の詳細図である。

【符号の説明】

１ボルト・ナット締結体２ボルト３雄ねじ部５ナット１０締付け力検出部１１受圧部１２引張回転軸１３雌ねじ孔１４係止縁１７スラストベアリング２０モータＢロードセル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被締結体の挿通孔にボルトを挿入し、挿通
孔を貫通したボルトの雄ねじ部にナットを螺合緊締する
ことにより、被締結体を挟圧するボルト・ナット締結体
にあって、ナット上面に対して、該上面から突出するボ
ルトの雄ねじ部を引張して、ボルトのばね定数の変移点
を検出し、該変移点での引張力を締付け力とすることを
特徴とするボルト・ナット締結体の締付け力検出方法。
【請求項２】ナットから突出する雄ねじ部に、引張回転
軸に形成した雌ねじ孔を螺合して、該引張回転軸を回転
し、その回転に伴って雄ねじ部を引張し、かつ引張回転
軸の回転角θを変位δとして検出すると共に、ナット上
面に対する引張回転軸の引張力Ｆを検出し、Ｃb＝Ｆ／δ （ここでＦ；引張力Ｃb；ばね定数 δ；変位）に基
づき、Ｃbの変移点を検出して、該変移点の引張力Ｆを
締付け力とする請求項１記載のボルト・ナット締結体の
締付け力検出方法。
【請求項３】ナット上面に座定される受圧部と、ナット
から突出する雄ねじ部に螺合する雌ねじ孔を具備し、モ
ータの駆動軸に連係して回動する引張回転軸と、引張回
転軸の周囲に形成された段面と受圧部との間に介装され
るロードセルと、該ロードセルと引張回転軸の係止縁間
に配設されるスラストベアリングとからなる締付け力検
出部を用い、Ｃb＝Ｆ／δ （ここでＦ；引張力Ｃb；ばね定数 δ；変位）にあ
って、引張力Ｆをロードセルで検出し、変位δを引張回
転軸の回転角により検出して、Ｃbの変移点を検出し、
該変移点の引張力Ｆを締付け力とするようにした請求項
２記載のボルト・ナット締結体の締付け力検出方法。
【請求項４】ナット上面に対して、該上面から突出する
ボルトの雄ねじ部を引張してdF/dθの値の最大値となっ
たときのバネ定数をＣbAとし、その後、急激に減少した
後、dF/dθが急激に減少して安定し始めるときのバネ定
数をＣbBとした場合に、ＣbAとＣbBの値の中間値Ｃｍを
変移点として、そのときの引張力Fの値を締付け力とし
た請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のボルト・ナ
ット締結体の締付け力検出方法。