JP2006343216A - Screw characteristic testing device and experience learning method, and practical skill educational method using the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a screw characteristic testing device for deepening one's understanding, concerning a screw, by making it easy to use, and it compact and portable and simply confirming characteristics and logic of the screw anywhere in front of one's eyes, and to provide an experience learning method and a practical skill educational method that uses it. <P>SOLUTION: The screw characteristic testing device is made portable by providing a hydraulic generation means (hydraulic pump 3), a load-generating means (a cylinder 21 and a piston 22) given to amplify oil pressure from the hydraulic generation means 3 on a test screw (bolt 4), and a load display means (oil pressure gage 4) for displaying load given to the screw 9 on the same substrate 10. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、ボルト等のねじの締付特性を調べる試験装置と、その試験装置を用いたねじの締付特性の体験学習方法、及び実技教育方法に関するものである。   The present invention relates to a test apparatus for examining a tightening characteristic of a screw such as a bolt, an experiential learning method for a tightening characteristic of a screw using the test apparatus, and a practical skill education method.

ねじ及びねじ部品は、単純な構成にもかかわらず多彩な機能を有し、身近な製品や最先端のロケットあるいは精密機械など、あらゆる工業製品に用いられて重要な役割を果たしている。   Screws and screw parts have a variety of functions despite their simple structure, and play an important role in all industrial products such as familiar products, state-of-the-art rockets and precision machines.

ねじ及びねじ部品は、目標とする締付力を得てはじめてその機能を発揮し、使い方を誤ると本来の機能を発揮できない。ところが、一般的なねじ及びねじ部品では、締付力が目標通りに作用しているかどうかを外観から確認することはできない。   Screws and screw parts perform their functions only after obtaining the target tightening force, and if they are used incorrectly, they cannot perform their original functions. However, with general screws and screw parts, it cannot be confirmed from the appearance whether the tightening force is acting as intended.

また、ねじを締付ける作業は、試作時、生産時、市販後のサービス時など、その都度締付方法や締付条件が異なることがあり、それぞれの場合において、締付状態を慎重に確認する必要がある。   Also, the tightening method and tightening conditions may differ each time, such as during trial production, production, or after-market service, and it is necessary to carefully check the tightening condition in each case. There is.

しかしながら、昨今の技術者の多くは、部品を自ら組み立てる作業を行わないことが多く、ねじへの関心が低いため、ねじの特性に関する理解が不足している場合がある。そのため、機械関係の技術者や設計者に、ねじの特性に関する重要性とその内容を十分に理解させ、その上で製品の設計や製造を行わせることが求められている。   However, many of today's engineers often do not assemble the components themselves, and because they are less interested in screws, there is a lack of understanding about the characteristics of the screws. For this reason, it is required that mechanical engineers and designers fully understand the importance and contents of screw characteristics, and then design and manufacture products.

従来より、技術者や設計者は、ねじに関する特性を教科書や専門書等で学習しているが、教科書等に書かれている図や文章だけでは、殊に難解な塑性域締付の原理などを理解することは困難である。   Traditionally, engineers and designers have learned the characteristics of screws in textbooks and specialized books, but the principle of plastic zone tightening, which is particularly difficult to understand with only the figures and texts written in textbooks, etc. Is difficult to understand.

また、ねじの締め付けに関する特性を試験する装置は各種市販されているが、このような装置は大がかりであるため設置場所以外では使用できない。そのため、誰もが目の前でねじの特性を視認して理解することが困難である。   Various devices for testing the characteristics related to screw tightening are commercially available, but such devices are large and cannot be used except at the installation site. Therefore, it is difficult for anyone to visually understand and understand the characteristics of the screw in front of the eyes.

本発明は、上記従来技術を考慮してなされたものであり、使いやすく小型で持ち運び可能であり、どこでも簡単にねじの特性や理論を目の前で確認してねじに関する理解を深めるためのねじ特性試験装置と、その装置を用いた体験学習方法及び実技教育方法の提供を目的とする。   The present invention has been made in consideration of the above-described prior art, is easy to use, small and portable, and is a screw for deepening the understanding of screws by confirming the characteristics and theory of screws easily in front of the eyes. It is an object of the present invention to provide a characteristic test apparatus, an experience learning method and a practical skill education method using the apparatus.

請求項1の発明は、油圧発生手段と、試験用ねじに油圧発生手段からの油圧を増幅して付与する荷重発生手段と、ねじに付与された荷重を表示する荷重表示手段とを同一の基板上に設けて持ち運び可能としたことを特徴とするねじの特性試験装置を提供する。   According to the first aspect of the present invention, the same circuit board includes the hydraulic pressure generating means, the load generating means for amplifying and applying the hydraulic pressure from the hydraulic pressure generating means to the test screw, and the load display means for displaying the load applied to the screw. Provided is a screw characteristic testing apparatus which is provided on the top and is portable.

請求項2の発明は、請求項1の発明において、試験時にねじの取付位置の上方および下方にねじが破断した際の破片を回収する上部キャッチャおよび下部キャッチャを備えたことを特徴とする。   The invention of claim 2 is characterized in that, in the invention of claim 1, an upper catcher and a lower catcher for collecting fragments when the screw breaks above and below the screw mounting position during testing are provided.

請求項3の発明は、請求項1の発明において、温度調節手段を備えてねじの温度を可変としたことを特徴とする。   The invention of claim 3 is characterized in that, in the invention of claim 1, temperature adjusting means is provided to make the screw temperature variable.

請求項4の発明は、請求項1の発明において、前記荷重発生手段は、シリンダ(21)内を上下するピストン(22)からなり、前記ねじの上端部がピストン(22)に設けられたねじ支持部(22a)に支持され、該ねじ支持部(22a)に対向してシリンダ(21)にナットを保持するナット保持部(21a)が設けられ、前記ねじの下端部が前記ナットに螺合し、前記ピストン(22)の最下位置において、前記ねじ支持部(22a)の下端面がナット保持部(21a)の上端面に当接していることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the load generating means comprises a piston (22) that moves up and down in the cylinder (21), and an upper end portion of the screw is provided on the piston (22). A nut holding portion (21a) supported by the support portion (22a) and facing the screw support portion (22a) is provided to hold the nut in the cylinder (21), and a lower end portion of the screw is screwed into the nut. The lower end surface of the screw support portion (22a) is in contact with the upper end surface of the nut holding portion (21a) at the lowest position of the piston (22).

請求項5の発明は、請求項1〜4のいずれかの発明において、ねじの特性試験装置を用いて試験をしながらねじの締付特性理論を学習または教育するための教材として用いることを特徴とする。   The invention of claim 5 is characterized in that, in the invention of any one of claims 1 to 4, it is used as a teaching material for learning or teaching the theory of tightening characteristics of a screw while performing a test using a screw characteristic test apparatus. And

請求項6の発明は、請求項1の発明を用いた体験学習方法であって、試験により理論上のねじの締付特性図を再現させてねじの特性を学習することを特徴とする。   The invention of claim 6 is an experiential learning method using the invention of claim 1, characterized in that a screw characteristic is learned by reproducing a theoretical screw tightening characteristic diagram by a test.

請求項7の発明は、請求項1の発明を用いた実技教育方法であって、試験により理論上のねじの締付特性図を再現させてねじの特性を教育することを特徴とする。   The invention according to claim 7 is a practical skill education method using the invention according to claim 1, characterized in that a screw characteristic is educated by reproducing a theoretical screw tightening characteristic diagram by a test.

請求項1の発明によると、試験装置を構成する油圧発生手段、荷重発生手段及び荷重表示手段を同一基板上に配置して持ち運び可能としたので、使用場所が制約されず、どこにでも簡単に持ち運んで試験を行うことができる。従って、教室やデモンストレーション会場などで、多くの人がねじの特性試験を目の前で体験することができる。そして、このような基本の試験装置に例えばトルクレンチやダイヤルゲージ等の簡単な器具を取り付けることにより、ねじに関するさまざまな特性を調べることができる。   According to the first aspect of the present invention, the hydraulic pressure generating means, the load generating means and the load display means constituting the test apparatus are arranged on the same substrate so that they can be carried, so that the place of use is not restricted and can be easily carried anywhere. The test can be done at Therefore, many people can experience screw characteristic tests in front of their eyes in classrooms and demonstration venues. Then, by attaching a simple instrument such as a torque wrench or dial gauge to such a basic test apparatus, various characteristics relating to the screw can be examined.

請求項2の発明によると、アルミ合金や鋳鉄等の破断しやすいねじの特性を調べる際、破片を周囲に飛散させることなく確実に回収することができる。   According to invention of Claim 2, when investigating the characteristic of the screw which is easy to fracture | rupture, such as an aluminum alloy and cast iron, it can collect | recover reliably, without scattering a fragment to the circumference | surroundings.

請求項3の発明によると、例えばねじ及び座面を加熱するヒータ等を取り付けることにより、熱による耐面圧強度の変化やボルトの熱間クリープ量の測定も可能となり、応用範囲が広がる。   According to the invention of claim 3, for example, by attaching a heater or the like for heating the screw and the seating surface, it becomes possible to measure the change in the surface pressure resistance due to heat and the hot creep amount of the bolt, and the application range is expanded.

請求項4の発明によると、油圧がゼロでピストン(22)がシリンダ(21)に対して最下位置にあって、例えばねじの回転により、ねじの頭に上向きの引張力が作用して、その下端部に螺着するナット保持部(21a)が上昇した場合、このナット保持部(21a)の上端面がねじ支持部(22a)の下端面に当接しているため、引張力がねじ支持部(22a)で受け止められる。したがって、ナット保持部(21a)及びねじ支持部(22a)が変形や損傷することがなく、装置が保護される。   According to the invention of claim 4, when the hydraulic pressure is zero and the piston (22) is at the lowest position with respect to the cylinder (21), an upward tensile force acts on the head of the screw by, for example, rotation of the screw, When the nut holding portion (21a) screwed to the lower end portion is raised, the upper end surface of the nut holding portion (21a) is in contact with the lower end surface of the screw supporting portion (22a), so that the tensile force is screw supported. It is received by the part (22a). Therefore, the nut holding portion (21a) and the screw support portion (22a) are not deformed or damaged, and the device is protected.

請求項5の発明によると、携帯可能で持ち運びできる本発明のねじの特性試験装置を教材として用いることにより、教室や講堂あるいは企業等の会議室などで、大人数の研修者の前で実際にねじの試験を行いながら、研修者に対してねじの締め付けについての理論を指導教育し、研修者はそれを目で見て確認し、十分に理解して学習することができる。   According to the invention of claim 5, by using the screw characteristic testing device of the present invention that is portable and portable as a teaching material, it can be actually used in front of a large number of trainees in a classroom, a lecture hall or a conference room of a company, etc. While conducting a screw test, the trainer is instructed and trained in the theory of tightening the screw, and the trainee can visually confirm and fully understand it.

請求項6の発明によると、ねじの締付特性の理論を理解しようとする学習者は、教科書や専門書に記載してある難解なねじの理論について、実際に目前でねじの試験を行うことにより、ねじの理論を体験しながら十分に理解することができる。   According to the invention of claim 6, the learner who wants to understand the theory of the tightening characteristics of the screw should actually test the screw in front of the difficult screw theory described in the textbooks and technical books. Allows you to fully understand the screw theory while experiencing it.

請求項7の発明によると、ねじを扱う実務研修者や学習者に対し、ねじの特性についての理論を教えて理解させる場合に、本発明のねじの特性試験装置を用いて、実際に研修者の目前で難解なねじの締付特性図を再現して教示することにより、ねじ理論について、研修者の理解を十分に深めて教育することができる。   According to the invention of claim 7, when a practical trainee or a learner who handles screws is taught and understood about the theory of the characteristics of the screw, the trainee is actually using the screw characteristic test device of the present invention. By reproducing and teaching the tightening characteristic diagrams of screws that are difficult to understand, it is possible to educate the trainees with a deep understanding of screw theory.

図1(A),(B)は、本発明の試験装置を示す。試験装置1は、上面側中央から試験用ボルト9を取り付けてそのボルト9に荷重を与える試験機本体2と、油圧ポンプ3と、油圧計4と、ボルト9が破断した際に破片を回収する上部キャッチャ5および下部キャッチャ6からなり、これらが共通の一体の基板10上に載置される。   1A and 1B show a test apparatus of the present invention. The test apparatus 1 attaches a test bolt 9 from the center on the upper surface side and collects fragments when the test machine main body 2, the hydraulic pump 3, the hydraulic gauge 4, and the bolt 9 break the bolt 9. It consists of an upper catcher 5 and a lower catcher 6, which are placed on a common integral substrate 10.

試験機本体2は円筒形であり、中央には、上下に貫通する通孔20が形成されている。通孔20の外周には、断面が略コ字状のシリンダ21が全周にわたって形成される。通孔20内に、ボルト9を螺合するナット12が嵌装され、ナット12はシリンダ21の内側に固定される。ピストン22がシリンダ21内を上下方向に摺動可能に挿嵌され、ピストン22の底部とシリンダ21との間に油室23が形成される。ピストン22の下部側面にOリング27が装着され、油室23を油密に保持する。油室23の下部は油圧ポンプ3および油圧計4に連結されて、油圧ポンプ3からは適宜オイルが供給され、油圧計4により油圧の値が表示される。   The testing machine main body 2 has a cylindrical shape, and a through-hole 20 penetrating vertically is formed at the center. A cylinder 21 having a substantially U-shaped cross section is formed on the outer periphery of the through hole 20 over the entire periphery. A nut 12 for screwing the bolt 9 is fitted into the through hole 20, and the nut 12 is fixed inside the cylinder 21. The piston 22 is inserted into the cylinder 21 so as to be slidable in the vertical direction, and an oil chamber 23 is formed between the bottom of the piston 22 and the cylinder 21. An O-ring 27 is attached to the lower side surface of the piston 22 to keep the oil chamber 23 oil-tight. The lower part of the oil chamber 23 is connected to the hydraulic pump 3 and the hydraulic gauge 4, and oil is appropriately supplied from the hydraulic pump 3, and the hydraulic pressure is displayed by the hydraulic gauge 4.

シリンダ21の上部にカバー25が取り付けられ、カバー25とピストン22の下部との間に、ピストン22を下方に付勢するスプリング24が装着される。ピストン22上部の一個所に、回り止め部材26が嵌装される。   A cover 25 is attached to the upper part of the cylinder 21, and a spring 24 that biases the piston 22 downward is attached between the cover 25 and the lower part of the piston 22. An anti-rotation member 26 is fitted at one place on the piston 22.

ナット12の上方に、ボルト9の座面となる座面板11が取り付けられ、その座面板11はピストン22の上部に固定される。ボルト9は、座面板11の上方から挿入し、ナット12に螺合して各種特性試験が行われる。   A seat plate 11 serving as a seat surface of the bolt 9 is attached above the nut 12, and the seat plate 11 is fixed to an upper portion of the piston 22. The bolt 9 is inserted from above the seat plate 11 and screwed into the nut 12 for various characteristic tests.

試験用のボルト(ねじ)9は、上端の頭部が座面板11を介してピストン22の中央上端部のボルト(ねじ)支持部22a上に支持される。ボルト9の下端部はナット12を介してシリンダ21の中央上端部のナット保持部21aに固定される。ナット保持部21aおよびボルト支持部22aは、それぞれフランジ状に形成され通孔20側に突出し、相互に対峙する。   The test bolt (screw) 9 has an upper head supported on a bolt (screw) support 22 a at the center upper end of the piston 22 via the seat plate 11. The lower end portion of the bolt 9 is fixed to the nut holding portion 21 a at the center upper end portion of the cylinder 21 via the nut 12. The nut holding part 21a and the bolt support part 22a are each formed in a flange shape, protrude toward the through hole 20, and oppose each other.

ピストン22をシリンダ21に対して下降させたとき、油室23のピストン22の下面がシリンダ21の底面に接する前にピストン22の上記ボルト支持部22aの下面がその下側に対峙するナット保持部21aの上面に当接して密着する。すなわち、油圧ゼロのピストン21の最下位置では、ピストン側のボルト支持部22aの下面はシリンダ側のナット保持部21aの上面に密着する。従って、油圧をゼロにして試験を行う場合(例えば後述の図17に示す回転角試験)、トルクレンチでボルト9を回してボルト9の頭に上向きの引張力を作用させ、ナット12を介してナット保持部21aとともに上方向に引き上げる力が作用すると、その引き上げ力はピストン側のボルト支持部22aの下面で受け止められるため、ナット保持部21a及びボルト支持部22aに無理な力が加わらず、変形や損傷が防止される。   When the piston 22 is lowered with respect to the cylinder 21, the nut holding portion where the lower surface of the bolt support portion 22 a of the piston 22 faces the lower side before the lower surface of the piston 22 of the oil chamber 23 contacts the bottom surface of the cylinder 21. The top surface of 21a is brought into contact with and closely contacts. That is, at the lowest position of the piston 21 with zero hydraulic pressure, the lower surface of the piston-side bolt support portion 22a is in close contact with the upper surface of the cylinder-side nut holding portion 21a. Therefore, when the test is performed with the hydraulic pressure set to zero (for example, a rotation angle test shown in FIG. 17 described later), the bolt 9 is turned with a torque wrench to apply an upward tensile force to the head of the bolt 9 and When the upward pulling force is applied together with the nut holding part 21a, the pulling force is received by the lower surface of the bolt support part 22a on the piston side, so that an excessive force is not applied to the nut holding part 21a and the bolt support part 22a, and deformation is caused. And damage is prevented.

上記の構造により、油圧ポンプ3を作動して油室23にオイルを送り油圧をかけると、ピストン22が上昇し、座面板11を介してボルト9上部を引き上げる力が発生し、ボルト9に引張荷重が作用する。油室23内に常に所定の油圧以上の油圧が作用した状態に保つために、油圧ポンプ3のハンドル先端に重り31を載せる。   With the above structure, when the hydraulic pump 3 is operated to supply oil to the oil chamber 23 and apply hydraulic pressure, the piston 22 rises, and a force for pulling up the upper part of the bolt 9 via the seat plate 11 is generated. A load acts. A weight 31 is placed on the front end of the handle of the hydraulic pump 3 in order to keep the oil pressure higher than a predetermined oil pressure in the oil chamber 23 at all times.

このような試験装置1は、ひとつの基板10上にコンパクトに配置されているので、持ち運びが容易である。また、電気的配線が不要なので、どのような場所にでも持ち運んで容易に使用することができる。   Since such a test apparatus 1 is compactly arranged on one substrate 10, it is easy to carry. In addition, since no electrical wiring is required, it can be easily carried and used anywhere.

尚、油圧計4は、油圧の値をそのまま表示するものでもよいし、油圧によりボルト9に作用する荷重に換算した値を表示する荷重計でもよい。   The oil pressure gauge 4 may display the value of the oil pressure as it is, or may be a load gauge that displays a value converted into a load acting on the bolt 9 by the oil pressure.

上記の試験装置1を基本形として、以下に述べるように、市販されている簡単な器具やアタッチメント等を取り付けて、ボルトに関する各種特性を調べることができる。試験時には、随時ボルト等にかかる荷重や歪等のデータを記録し、グラフ化することにより、そのときの状態を把握し、理解を深めることができる。尚、本試験装置は、ボルトの特性に関する現象を理解するものであり、試験結果の精度は要求されない。すなわち、本試験装置の主たる使用目的は、教材として用いてねじの実務研修者にねじ特性の理論を理解させることである。そのためには、試験によりねじ特性の傾向が示されれば十分であって、必ずしも理論上の数値に正確に一致することは必要ではない。   Using the above-described test apparatus 1 as a basic form, as described below, it is possible to examine various characteristics related to bolts by attaching a commercially available simple instrument, attachment, or the like. During testing, data such as loads and strains applied to bolts, etc., as needed, can be recorded and graphed to understand the state at that time and deepen understanding. In addition, this test apparatus understands the phenomenon regarding the characteristic of a volt | bolt, and the precision of a test result is not requested | required. In other words, the main purpose of this test device is to use it as a teaching material and to allow screw trainers to understand the theory of screw characteristics. For that purpose, it is sufficient that the test shows a tendency of the screw characteristics, and it is not always necessary to exactly match the theoretical value.

図2は、キャッチャ5,6の形状を示す。図2(A)は上部キャッチャであり、ボルト9の上側に蓋51を被せて用いる。蓋51の内側頂面に、樹脂等からなる衝撃吸収材52が設けられる。蓋51の外側には鎖53が取り付けられ、鎖53の他端が例えば試験機本体2(図1)に固定される。図2(B)は下部キャッチャであり、ボルト9の下側で、フランジ62を基板10の切欠部10aに係止して用いる。皿61の内側底面に、衝撃吸収材63が設けられる。このような上下各キャッチャ5,6は、殊にアルミ合金や鋳鉄等のように破断しやすいボルトの特性を調べる際に、破片を回収するために用いる。   FIG. 2 shows the shapes of the catchers 5 and 6. FIG. 2A shows an upper catcher, which is used with a lid 51 on the upper side of the bolt 9. A shock absorbing material 52 made of resin or the like is provided on the inner top surface of the lid 51. A chain 53 is attached to the outside of the lid 51, and the other end of the chain 53 is fixed to the tester body 2 (FIG. 1), for example. FIG. 2B shows a lower catcher, which is used by locking the flange 62 to the notch 10 a of the substrate 10 below the bolt 9. An impact absorbing material 63 is provided on the inner bottom surface of the dish 61. Such upper and lower catchers 5 and 6 are used to collect fragments when examining characteristics of bolts that are easily broken, such as aluminum alloys and cast iron.

図3は、ボルト9を軸方向に引っ張る場合の軸力と歪の関係を知るための試験装置および結果である。   FIG. 3 shows a test apparatus and results for knowing the relationship between axial force and strain when the bolt 9 is pulled in the axial direction.

図3(A)は装置の概要であり、前述の図1の試験装置1に加えて、ボルト9の歪量を測定するダイヤルゲージ13を取り付けたものである。試験時には、油圧ポンプ3で試験機本体2に加圧し、ボルト9に軸方向の引張力を与える。ダイヤルゲージ13の先端をボルト9の頭部に接触させて、下部をナット12(図1)に固定されたボルト9頭部の変位、すなわちボルト9の軸方向の歪を測定する。   FIG. 3A shows an outline of the apparatus, in which a dial gauge 13 for measuring the strain amount of the bolt 9 is attached in addition to the test apparatus 1 of FIG. During the test, the testing machine main body 2 is pressurized by the hydraulic pump 3 and an axial tensile force is applied to the bolt 9. The tip of the dial gauge 13 is brought into contact with the head of the bolt 9, and the displacement of the head of the bolt 9 with the lower part fixed to the nut 12 (FIG. 1), that is, the axial distortion of the bolt 9 is measured.

図3(B)は、油圧によってボルト9に作用する引張方向の軸力と、ボルト9の歪との関係を図示したものである。図3(B)においては、ボルト9にかかる軸力を降伏点の直前、即ち弾性限度内のA点まで付加して荷重がかかった載荷状態とし、その後軸力を解除して除荷する。A点は弾性限度内なので、除荷したときにボルトの歪が0に戻る。更に載荷と除荷を繰り返しても、弾性限度内であれば、軸力と歪の関係は1回目の載荷時と同様であり、グラフの実線上を矢印の方向に往復する。尚、このグラフの傾きがボルト9のばね定数である。   FIG. 3B illustrates the relationship between the axial force in the tensile direction acting on the bolt 9 by hydraulic pressure and the distortion of the bolt 9. In FIG. 3 (B), the axial force applied to the bolt 9 is applied immediately before the yield point, that is, up to point A within the elastic limit to obtain a loaded state, and then the axial force is released to unload. Since point A is within the elastic limit, the bolt strain returns to zero when unloaded. Further, even if loading and unloading are repeated, the relationship between the axial force and strain is the same as in the first loading as long as it is within the elastic limit, and reciprocates in the direction of the arrow on the solid line of the graph. The slope of this graph is the spring constant of the bolt 9.

図3(C)は(B)に続く段階の結果であり、ボルト9に塑性域まで引張力を加えた場合の軸力と歪の関係を図示したものである。   FIG. 3C shows the result of the stage following (B), and illustrates the relationship between axial force and strain when a tensile force is applied to the bolt 9 up to the plastic region.

図のA点までは(B)と同様に載荷し、ボルトの軸力が弾性限度のA点を超えて塑性域に達し、軸力がほとんど上がらなくなったB点で、載荷を止める。その後除荷すると、軸力が0になったときに、ダイヤルゲージ13の値が0ではなく、εの値を示し、永久歪εが残ったことがわかる。その後、再び載荷すると、一回目の載荷時の最大軸力であるB点までの間、グラフが直線状になり、弾性変形していることがわかる。即ち、新弾性限度がB点となり、一回目の弾性限度A点よりも軸力が上昇している。実際のボルト使用時、弾性限度を高くするために、このように一旦塑性域まで引張荷重を付加する場合がある。 Up to point A in the figure, loading is performed in the same manner as in (B), and loading is stopped at point B where the axial force of the bolt exceeds the point A of the elastic limit and reaches the plastic region, and the axial force hardly increases. If you then unloaded, when the axial force is zero, rather than the value 0 of the dial gauge 13 indicates the value of epsilon 1, it can be seen that the permanent strain epsilon 1 remained. Then, when loading again, it turns out that the graph is linear and elastically deformed until point B, which is the maximum axial force at the first loading. That is, the new elastic limit is point B, and the axial force is higher than the first elastic limit A point. When actual bolts are used, there is a case where a tensile load is once applied to the plastic region in order to increase the elastic limit.

図4は、ボルト9を捻って締め付ける場合の軸力と歪の関係を知るための装置および結果である。   FIG. 4 shows an apparatus and results for knowing the relationship between the axial force and strain when the bolt 9 is twisted and tightened.

図4(A)は装置の概要であり、ボルト9の頭部を回すレンチ14を用い、ボルト9頭部の軸方向の変位即ちボルト9の歪を測定するためにダイヤルゲージ13を設置する。   FIG. 4A is an outline of the apparatus, and a dial gauge 13 is installed to measure the axial displacement of the head of the bolt 9, that is, the distortion of the bolt 9, using a wrench 14 that turns the head of the bolt 9.

図4(B)は、油圧ポンプ3による加圧を行わずにボルト9をレンチ14で捻って締め付けたときの軸力と歪の関係を図示したものである。レンチ14で捻って締め付けると、ボルト9のねじ面に摩擦が生じ、せん断応力が作用する。従って、図3のような単純引張時よりも低い軸力で降伏し、ボルト自体の能力の限界よりも小さい軸力のA点で弾性限度となる。また、ねじ面の摩擦係数によってせん断応力が異なるため降伏点が異なり、図中の破線で示すように、殊に降伏点以降の塑性域において軸力にばらつきが生じる。   FIG. 4B illustrates the relationship between axial force and strain when the bolt 9 is twisted with a wrench 14 without being pressurized by the hydraulic pump 3. When the wrench 14 is twisted and tightened, friction is generated on the thread surface of the bolt 9 and a shear stress acts. Therefore, it yields with an axial force lower than that during simple tension as shown in FIG. 3, and becomes an elastic limit at point A of an axial force smaller than the limit of the capacity of the bolt itself. In addition, since the shear stress varies depending on the friction coefficient of the thread surface, the yield point differs, and as shown by the broken line in the figure, the axial force varies particularly in the plastic region after the yield point.

また、ねじりを伴って降伏点を超えて塑性域に入ったB点でボルトを逆方向に捻って除荷すると、永久歪εが残る。 Further, when the bolt is twisted in the reverse direction at the point B that has entered the plastic region beyond the yield point with twisting, the permanent strain ε 1 remains.

図4(C)は、(B)のB点までレンチ14で捻った後、更に油圧ポンプ3によってボルト9に軸方向の引張荷重を与えた場合の軸力と歪の関係を図示したものである。   FIG. 4C illustrates the relationship between the axial force and strain when an axial tensile load is applied to the bolt 9 by the hydraulic pump 3 after twisting with the wrench 14 to point B in FIG. 4B. is there.

捻りによって一旦降伏したボルトに、捻りを加えずに単純引張荷重を載荷することによって、更に軸力が上昇する。引張荷重による降伏点を超えて塑性域に入るC点で載荷を止めて除荷すると、残留する永久歪はε+εとなる。その後、再度ボルトに引張力を加えると、C点まで弾性変形し、C点が新弾性限度となる。 By applying a simple tensile load to the bolt once yielded by twisting without adding twist, the axial force further increases. When the loading is stopped and unloaded at the point C that exceeds the yield point due to the tensile load and enters the plastic region, the remaining permanent strain becomes ε 1 + ε 2 . After that, when a tensile force is applied to the bolt again, it is elastically deformed to the point C, and the point C becomes the new elastic limit.

このように、捻って締め付けた後で引張方向の載荷を行うと、永久歪は大きくなるが、軸力に関しては、ボルトが本来有する元の性質が現れる。すなわち、捻りによって降伏点が低く現れても、ボルトの軸方向強度が弱くなるわけではない。この現象は、数式等で説明できることではなく、このような実演によってのみ理解することができる。   As described above, when the loading in the tensile direction is performed after being twisted and tightened, the permanent distortion increases, but the original nature of the bolt appears with respect to the axial force. That is, even if the yield point appears low due to twisting, the axial strength of the bolt does not become weak. This phenomenon cannot be explained by mathematical formulas or the like, but can be understood only by such a demonstration.

図5は、ボルト9を捻って締め付ける場合の軸力とトルクとの関係を知るための装置および結果である。   FIG. 5 shows an apparatus and results for knowing the relationship between the axial force and the torque when the bolt 9 is twisted and tightened.

図5(A)は装置の概要であり、図1に示す基本の試験装置1のボルト9頭部にトルクレンチ15を取り付けたものである。このトルクレンチ15によってボルト9を締め付けるとともにトルク値を読み取り、油圧計4によりボルト9に作用する軸力を読み取る。この試験において、油圧ポンプ3による加力は行わない。   FIG. 5A shows an outline of the apparatus, in which a torque wrench 15 is attached to the head of the bolt 9 of the basic test apparatus 1 shown in FIG. The bolt 9 is tightened by the torque wrench 15 and the torque value is read, and the axial force acting on the bolt 9 is read by the hydraulic gauge 4. In this test, no force is applied by the hydraulic pump 3.

図5(B)は測定結果を図示したものである。ボルト頭部やねじ部の摩擦力が異なると、同じトルクで締め付けても軸力が異なる。すなわち、潤滑油を介してボルト9を締めたときに比べて、潤滑油を使わず摩擦抵抗が大きい状態で締めたときには、同じトルクを加えても軸力が低くなることが、この測定により体感できる。   FIG. 5B illustrates the measurement results. If the frictional force of the bolt head or screw part is different, the axial force will be different even if tightened with the same torque. In other words, this measurement shows that the axial force decreases even when the same torque is applied, when the bolt 9 is tightened with lubricating oil and when the frictional resistance is high without using the lubricating oil. it can.

トルク係数kは、
k=T/(F×d)
ただし、T:締め付けトルク
F:軸力
d:ねじの呼び径
で求められ、トルク係数を求めておくことにより、必要な軸力を得るための締め付けトルクがわかる。
The torque coefficient k is
k = T / (F × d)
However, T: Tightening torque F: Axial force d: Obtained by the nominal diameter of the screw, and by obtaining the torque coefficient, the tightening torque for obtaining the necessary axial force can be known.

また、図5(A)の装置を用いて、ボルト9と座面板11及びナット12(図1参照)との摩擦係数を測定することができる。ボルト締付時のトルクTと軸力Fとの関係は、
T=(dp/2)×F×(μs/cosα)+(dp/2)×F×tanβ
+(dw/2)×F×μw
ただし、dp:ねじの有効径
α:ねじ山の半角
μs:ねじ面の摩擦係数
dw:座面の等価直径
β:ねじのリード角
μw:座面の摩擦係数
で求められ、以下の手順で座面の摩擦係数μwを求める。
Moreover, the friction coefficient of the volt | bolt 9, the seat surface board 11, and the nut 12 (refer FIG. 1) can be measured using the apparatus of FIG. 5 (A). The relationship between torque T and axial force F during bolt tightening is
T = (dp / 2) × F × (μs / cos α) + (dp / 2) × F × tan β
+ (Dw / 2) × F × μw
However, dp: Effective diameter of screw α: Half angle of screw thread μs: Friction coefficient of screw surface dw: Equivalent diameter of seat surface β: Screw lead angle μw: Friction coefficient of seat surface The friction coefficient μw of the surface is obtained.

先ず、等価直径dwおよび摩擦係数μwがわかっているベアリングワッシャを座面板としてボルトを取り付け、トルクレンチでボルトを締め付けて、トルクTと軸力Fの関係を測定する。ねじの有効径dp、ねじ山の半角α、ねじのリード角βは、ボルト選定時に既知の数値なので、ねじ面の摩擦係数μsが上式により求められる。   First, a bolt is attached using a bearing washer whose equivalent diameter dw and friction coefficient μw are known as a seat plate, the bolt is tightened with a torque wrench, and the relationship between torque T and axial force F is measured. Since the effective diameter dp of the screw, the half angle α of the thread, and the lead angle β of the screw are known values at the time of bolt selection, the friction coefficient μs of the thread surface can be obtained by the above formula.

次に、ベアリングワッシャに代えて、正規に使用されるワッシャを用いて、同様にボルトを締め付けてトルクTと軸力Fとの関係を測定する。上記のベアリングワッシャでの測定により、ねじ面の摩擦係数μsが既知の数値となったので、上式により座面の摩擦係数μwが求められる。   Next, instead of the bearing washer, a properly used washer is used to similarly tighten the bolt and measure the relationship between the torque T and the axial force F. Since the friction coefficient μs of the screw surface has become a known numerical value by the measurement with the bearing washer, the friction coefficient μw of the seating surface can be obtained from the above equation.

従って、実際の製品で使用するワッシャを用いてボルトを締め付けるときのトルクTと軸力Fとの関係式が求められ、ボルトを使用する製品において必要な軸力Fを得るためのトルクTがわかる。   Accordingly, a relational expression between the torque T and the axial force F when the bolt is tightened using the washer used in the actual product is obtained, and the torque T for obtaining the necessary axial force F in the product using the bolt is known. .

図6は、ボルト9のばね定数を測定するための装置および結果であり、図7は、被締付物であるカラー8のばね定数を測定するための装置および結果である。いずれも、載荷は弾性限度内である。   FIG. 6 shows an apparatus and result for measuring the spring constant of the bolt 9, and FIG. 7 shows an apparatus and result for measuring the spring constant of the collar 8 that is the object to be tightened. In both cases, the load is within the elastic limit.

図6(A)は図3(A)と同様であり、試験機本体2にボルト9の歪を測定するダイヤルゲージ13を取り付けたものである。油圧ポンプ3で加圧することによりボルト9に軸方向の引張力を与え、油圧計4より軸力を読み取る。ダイヤルゲージ13によりボルト9頭部の軸方向の変位、すなわちボルト9の歪を読み取る。   FIG. 6A is the same as FIG. 3A, in which a dial gauge 13 for measuring the strain of the bolt 9 is attached to the tester main body 2. By applying pressure with the hydraulic pump 3, an axial tensile force is applied to the bolt 9, and the axial force is read from the hydraulic gauge 4. The dial gauge 13 reads the axial displacement of the bolt 9 head, that is, the distortion of the bolt 9.

図6(B)は、ボルトの軸力Fと伸び方向の歪との関係を図示したものである。軸力がFf時のA点の歪はλbであり、このボルト9のばね定数Kbは、
Kb=Ff/λb
で算出される。
FIG. 6B illustrates the relationship between the axial force F of the bolt and the strain in the extension direction. The strain at point A when the axial force is Ff is λb, and the spring constant Kb of this bolt 9 is
Kb = Ff / λb
Is calculated by

図7(A)は、円筒状のカラー8をボルト9の周囲に配置するとともに、カラー8の上下方向両端にプレート16a,16bを取り付け、上下のプレート16a,16bの間隔を測定するダイヤルゲージ13を設置したものである。油圧ポンプ3で加圧してボルト9に軸方向の引張力を与え、その際のダイヤルゲージ13の値から、カラー8の圧縮方向の歪を読み取る。   FIG. 7A shows a dial gauge 13 in which a cylindrical collar 8 is arranged around a bolt 9 and plates 16a and 16b are attached to both ends of the collar 8 in the vertical direction to measure the distance between the upper and lower plates 16a and 16b. Is installed. The tension in the axial direction is applied to the bolt 9 by applying pressure by the hydraulic pump 3, and the strain in the compression direction of the collar 8 is read from the value of the dial gauge 13 at that time.

図7(B)は、カラー8の圧縮力と歪との関係を図示したものである。ボルト9と反対の圧縮力が作用することから、基準の縦軸に対して、図6(B)とは左右反対方向に図示する。図6(B)の軸力Ffと同じ圧縮力Ffのときのカラー8の歪はλcである。従って、このカラー8(被締付物)のばね定数Kcは
Kc=Ff/λc
で算出される。
FIG. 7B illustrates the relationship between the compression force and strain of the collar 8. Since a compressive force opposite to that of the bolt 9 acts, it is shown in the left-right opposite direction to FIG. 6B with respect to the reference vertical axis. The distortion of the collar 8 when the compression force Ff is the same as the axial force Ff in FIG. 6B is λc. Therefore, the spring constant Kc of the collar 8 (the object to be fastened) is Kc = Ff / λc
Is calculated by

図8は、ねじの締め付け状態を示す締付三角形と呼ばれる特性図を理解するための試験を行う装置であり、図8(A)は装置全体の概要、図8(B)はその装置で用いられる油圧ナット7の構成を示す。   FIG. 8 shows an apparatus for performing a test for understanding a characteristic diagram called a tightening triangle indicating a tightening state of a screw. FIG. 8A is an outline of the entire apparatus, and FIG. 8B is used in the apparatus. The structure of the hydraulic nut 7 is shown.

図8(A)に示すように、試験機本体2にボルト9の先端部を取り付け、ボルト9の周囲に円筒形のカラー8を配置する。カラー8の上端及び下端に、カラー8よりも大径のプレート16を水平方向に取り付ける。カラー8の下端に油圧ナット7を配設し、油圧ナット7の上方にスペーサ17を載置する。載荷前の初期状態では、スペーサ17の上端面とプレート16との間に僅かに隙間gをあけて、プレート16に力がかからないようにする。   As shown in FIG. 8A, the tip end portion of the bolt 9 is attached to the testing machine main body 2, and the cylindrical collar 8 is disposed around the bolt 9. Plates 16 having a diameter larger than that of the collar 8 are attached to the upper and lower ends of the collar 8 in the horizontal direction. A hydraulic nut 7 is disposed at the lower end of the collar 8, and a spacer 17 is placed above the hydraulic nut 7. In the initial state before loading, a slight gap g is provided between the upper end surface of the spacer 17 and the plate 16 so that no force is applied to the plate 16.

油圧ナット7は、図8(B)に示すように、円環状に連続し断面がコ字状のシリンダ71内をピストン72が上下方向に摺動可能に挿嵌され、ピストン72の上端とシリンダ71との間に油室73が形成される。ピストン72の上端面にはシーリング材74が装着され、油室73を油密に保持する。油室73は第二油圧ポンプ3bおよび第二油圧計4bに連結されて、第二油圧ポンプ3bから適宜オイルが供給され油室73を加圧し、第二油圧計4bにより油圧の値が表示される。(A)に示すように、油圧ナット7のピストン72の位置が固定されているので、油室73が加圧されると、シリンダ71が上昇し、スペーサ17を介してプレート16を上方に押す力がかかる。   As shown in FIG. 8 (B), the hydraulic nut 7 is inserted into a cylinder 71 which is continuous in an annular shape and has a U-shaped cross section so that the piston 72 is slidable in the vertical direction. An oil chamber 73 is formed between the oil chamber 73 and the oil chamber 73. A sealing material 74 is attached to the upper end surface of the piston 72 to keep the oil chamber 73 oil-tight. The oil chamber 73 is connected to the second hydraulic pump 3b and the second hydraulic meter 4b, and oil is appropriately supplied from the second hydraulic pump 3b to pressurize the oil chamber 73, and the hydraulic pressure value is displayed by the second hydraulic meter 4b. The As shown in (A), since the position of the piston 72 of the hydraulic nut 7 is fixed, when the oil chamber 73 is pressurized, the cylinder 71 rises and pushes the plate 16 upward via the spacer 17. It takes power.

図9は、図8の装置を用いた試験状況および結果である。   FIG. 9 shows test conditions and results using the apparatus of FIG.

図9(A)(i)は、図8の油圧ポンプ3により、弾性域内でボルト9に引張荷重を載荷したときに作用する力の状態を示し、矢印はボルト9およびカラー8それぞれに作用する力の方向を示す。図9(A)(ii)は、(i)の状態から、更に図8の油圧ナット7によりプレート16を押し上げて外力Wを載荷し、歪εが生じた状態を示す。   FIGS. 9A and 9I show the state of force acting when a tensile load is loaded on the bolt 9 within the elastic range by the hydraulic pump 3 of FIG. 8, and the arrows act on the bolt 9 and the collar 8 respectively. Indicates the direction of force. FIGS. 9 (A) and (ii) show a state in which a strain ε is generated from the state of (i) by further pushing up the plate 16 by the hydraulic nut 7 of FIG.

図9(B)は(A)(i)のときの軸力と歪の関係を図示したものであり、ボルト9に関しては左側の線、カラー8に関しては右側の線で図示している。すなわち、ボルト9のばね定数Kbは左側の線の傾きで表され、カラー8のばね定数Kcは右側の線の傾きで表される。軸力がFfに達するA点までボルトに引張荷重が載荷され、軸力Ff時に、ボルト9とカラー8は、それぞれ歪λb、歪λcを生じる。   FIG. 9B illustrates the relationship between the axial force and strain at (A) and (i). The bolt 9 is illustrated with the left line, and the collar 8 is illustrated with the right line. That is, the spring constant Kb of the bolt 9 is represented by the slope of the left line, and the spring constant Kc of the collar 8 is represented by the slope of the right line. A tensile load is loaded on the bolt up to the point A at which the axial force reaches Ff, and at the time of the axial force Ff, the bolt 9 and the collar 8 generate strain λb and strain λc, respectively.

図9(C)は(A)(ii)の状態の軸力と歪の関係を図示したものである。外力Wは、(A)(i)で引張方向の内力が生じているボルト9の軸力を増加させるとともに、圧縮方向の内力が生じているカラー8の軸力を削減した状態で、全体に引張方向の歪εを生じる。従って、カラー8をボルト9で締め付ける際、軸力Ffが作用しているボルト9を更に外力Wで引っ張ると、ボルト9の軸力は(Ff+W)にはならず、外力Wのうちカラー8から削除される力の大きさ分だけ少ない軸力が増加して、つり合いが保たれる。   FIG. 9C illustrates the relationship between the axial force and strain in the state of (A) and (ii). The external force W increases the axial force of the bolt 9 in which the internal force in the tensile direction is generated in (A) (i) and reduces the axial force of the collar 8 in which the internal force in the compression direction is generated. A strain ε in the tensile direction is generated. Accordingly, when the collar 8 is tightened with the bolt 9, if the bolt 9 on which the axial force Ff is applied is further pulled with the external force W, the axial force of the bolt 9 does not become (Ff + W). The axial force that is reduced by the amount of the force to be deleted increases, and the balance is maintained.

これを式で表すと、外力Wによってボルト9に作用する軸力Ftおよびカラー8に作用する軸力Fcは、
Ft=Kb×ε
Fc=Kc×ε
ただし、Kb:ボルトのばね定数
Kc:カラーのばね定数
ε:外力Wによる歪
で表され、図9(A)(ii)の力のつり合いから、
(Ff−Fc)+W=(Ff+Ft)
となるので、
W=Ft+Fc=(Kb×ε)+(Kc×ε)
よって、
ε=W/(Kb+Kc)
従って、ボルトに作用する引張方向の軸力の増加分を示す軸力Ftは、
Ft=Kb×ε=W×Kb/(Kb+Kc)
となる。
Expressing this in terms of an equation, the axial force Ft acting on the bolt 9 by the external force W and the axial force Fc acting on the collar 8 are:
Ft = Kb × ε
Fc = Kc × ε
Where Kb: spring constant of the bolt Kc: spring constant of the collar ε: represented by the strain due to the external force W, and from the balance of forces in FIG. 9 (A) (ii),
(Ff−Fc) + W = (Ff + Ft)
So,
W = Ft + Fc = (Kb × ε) + (Kc × ε)
Therefore,
ε = W / (Kb + Kc)
Accordingly, the axial force Ft indicating the increase in the axial force in the tensile direction acting on the bolt is
Ft = Kb × ε = W × Kb / (Kb + Kc)
It becomes.

図10は、図9(A)(ii)の外力同士を比較するための説明図である。プレート16にかかる外力同士を比較すると、ボルト9側の外力は(Ff+Ft)であり、カラー8側の外力は(Ff−Fc)である。従って、力のつり合いから、
W+(Ff−Fc)=(Ff+Ft)
よって、
Ft+Fc=W
となる。
FIG. 10 is an explanatory diagram for comparing the external forces of FIGS. 9A and ii. Comparing the external forces applied to the plate 16, the external force on the bolt 9 side is (Ff + Ft), and the external force on the collar 8 side is (Ff-Fc). Therefore, from the balance of power,
W + (Ff−Fc) = (Ff + Ft)
Therefore,
Ft + Fc = W
It becomes.

図11および図12は、ボルト9およびカラー8等の各種パターンによる締付三角形の例を示し、図8の装置によって前述の図9と同様の試験を行い確認することができる。いずれも、初期載荷はボルト9の弾性範囲内とする。   FIG. 11 and FIG. 12 show examples of tightening triangles with various patterns such as bolts 9 and collars 8 and the like, and the same test as in FIG. In any case, the initial loading is within the elastic range of the bolt 9.

図11は、被締付物であるカラー8の材質や寸法によりばね定数が異なるパターンを示す。(A)〜(C)それぞれの(i)は試験体のパターンを示し、(ii)は(i)の結果を図示したものである。図11(A)はカラー8が鉄製の場合、図11(B)は(A)と同寸法のカラー8で材質がアルミの場合、図11(C)は(A)と同質のカラー8の断面寸法が大きい場合である。(A)を基本として、(B)はカラー8のばね定数が小さいために右側に図示される線の傾きが小さく、(C)はカラー8のばね定数が大きいために右側の線の傾きが大きくなる。   FIG. 11 shows patterns with different spring constants depending on the material and dimensions of the collar 8 that is the object to be fastened. Each (i) of (A) to (C) shows the pattern of the specimen, and (ii) shows the result of (i). 11A shows a case where the collar 8 is made of iron, FIG. 11B shows a case where the collar 8 has the same dimensions as that of FIG. 11A and is made of aluminum, and FIG. This is when the cross-sectional dimension is large. Based on (A), (B) has a small spring constant of the collar 8, so the slope of the line shown on the right side is small, and (C) has a large spring constant of the collar 8, so the slope of the right line is small. growing.

図12(A)は、被締付物が、重ね合わせた板材8aの場合であり、ボルト9および板材8aのばね常数が極めて高い。図12(B)は、外力を2倍の2Wとしたものである。結果としてカラー8の上端とボルト9の座面との間に隙間が発生する。図12(C)は軸部が細く降伏点が低いボルト9に外力1.5Wを載荷する場合であり、ボルト9の降伏点が低いために塑性域まで引っ張られ、除荷したときに永久歪が残る。   FIG. 12A shows the case where the object to be tightened is a stacked plate material 8a, and the spring constants of the bolt 9 and the plate material 8a are extremely high. In FIG. 12B, the external force is doubled to 2W. As a result, a gap is generated between the upper end of the collar 8 and the seating surface of the bolt 9. FIG. 12C shows a case where an external force of 1.5 W is loaded on the bolt 9 having a thin shaft portion and a low yield point. Since the yield point of the bolt 9 is low, the bolt 9 is pulled to the plastic region and unloaded. Remains.

図13は、ボルト9を塑性域まで捻って締め付けた後に引張力を与える試験を示す。図13(A)は装置の概要、図13(B)は結果を図示したものである。この試験は、図8(A)の装置にレンチ14を加えて行われる。油圧ポンプ3による加力は行わない。   FIG. 13 shows a test in which a tensile force is applied after the bolt 9 is twisted to the plastic region and tightened. FIG. 13A shows the outline of the apparatus, and FIG. 13B shows the result. This test is performed by adding a wrench 14 to the apparatus of FIG. No force is applied by the hydraulic pump 3.

先ず、レンチ14を用いてボルト9を捻り、弾性限度を超えて塑性域に達し、油圧計4の針の上昇が止まるB点まで締め付ける。このときの軸力がFfである。   First, the bolt 9 is twisted by using the wrench 14 and is tightened to a point B where the elastic limit is reached and the needle of the hydraulic gauge 4 stops rising. The axial force at this time is Ff.

その後、第二油圧ポンプ3bを用いて油圧ナット7に加圧し、第二油圧計4bが外力Wを示すC点まで加圧する。このときのボルトの軸力が(Ff+Ft)となる。第二油圧ポンプ3bの圧力を解除すると、油圧計4が表示する軸力が(Ff−ΔF)となり、D点に達したところでつり合う。更に、このボルト9の捻りによる締付力を全て解除すると、永久歪が残る。   Thereafter, the hydraulic nut 7 is pressurized using the second hydraulic pump 3b, and the second hydraulic pressure gauge 4b pressurizes to the point C indicating the external force W. The axial force of the bolt at this time is (Ff + Ft). When the pressure of the second hydraulic pump 3b is released, the axial force displayed by the hydraulic gauge 4 becomes (Ff−ΔF), and balance is reached when the point D is reached. Further, when all the tightening force due to the twisting of the bolt 9 is released, permanent distortion remains.

図14は、外力Wの載荷位置をボルト9の軸方向に可変にするための装置である。外周に雄ねじが形成されたカラー8を用いて、その雄ねじに螺合するプレート16cをカラー8に螺合させることにより、プレート16cの高さを適宜調整する。カラー8の下端に、図8(B)と同様の油圧ナット7を配設し、所定位置における外力Wの加力を行う。尚、載荷前の初期状態では、油圧ナット7の上端面とプレート16cとの間に僅かに隙間gをあけて、プレート16cに力がかからないようにする   FIG. 14 is an apparatus for changing the loading position of the external force W in the axial direction of the bolt 9. The height of the plate 16c is appropriately adjusted by screwing the plate 16c screwed into the male screw into the collar 8 using the collar 8 having a male screw formed on the outer periphery. A hydraulic nut 7 similar to that shown in FIG. 8B is disposed at the lower end of the collar 8 to apply an external force W at a predetermined position. In the initial state before loading, a slight gap g is provided between the upper end surface of the hydraulic nut 7 and the plate 16c so that no force is applied to the plate 16c.

図15は、外力Wの加力位置が異なる各試験体と結果を示す。   FIG. 15 shows the results of the test pieces with different applied positions of the external force W and the results.

試験方法は、先ず、油圧ポンプ3(図14)を用いて、油圧計4が軸力Ffを示すまで加圧する。この軸力Ffは、弾性変形の範囲内とする。次に、第二油圧ポンプ3bを用いて油圧ナット7に加圧し、各所定位置に設置した可動プレート16cを押し上げて、第二油圧計4bが外力Wを示すまで加力する。このとき、油圧計4が示す軸力は(Ff+Ft)となる。   In the test method, first, pressure is applied using the hydraulic pump 3 (FIG. 14) until the oil pressure gauge 4 shows the axial force Ff. This axial force Ff is within the range of elastic deformation. Next, the second hydraulic pump 3b is used to pressurize the hydraulic nut 7, push up the movable plate 16c installed at each predetermined position, and apply force until the second hydraulic gauge 4b indicates the external force W. At this time, the axial force indicated by the oil pressure gauge 4 is (Ff + Ft).

この試験により、ボルト軸力の増加分と外力との比である内力係数の、外力加力位置による修正係数を求めることができる。図15(A)は被締付物であるカラー8の上下端部を加力する場合、(B)はカラー8の下端と中央部を加力する場合、(C)はカラー8の下端を加力する場合である。   By this test, the correction coefficient of the internal force coefficient, which is the ratio between the increase in the bolt axial force and the external force, according to the external force applied position can be obtained. FIG. 15A shows the case where the upper and lower ends of the collar 8 which is the object to be tightened is applied, FIG. 15B shows the case where the lower end and the center of the collar 8 are applied, and FIG. This is the case when force is applied.

内力係数φは、
φ=Ft/W
で求められる。また、ボルトの座面板11とプレート16cとの距離0のときのFtの値Ftと距離hのときのFtとの比nは、
n=Ft/Ft
で求められ、これが内力係数の修正係数となる。
The internal force coefficient φ is
φ = Ft / W
Is required. Further, the ratio n of the Ft value Ft 1 when the distance between the bolt seat plate 11 and the plate 16 c is 0 and the Ft 2 when the distance h is
n = Ft 2 / Ft 1
This is the correction coefficient for the internal force coefficient.

図16は、ボルトを一定の回転角度で締め付ける回転角法の意味を理解するための試験を示す。図16(A)は、ボルトを捻って締め付ける場合の試験体の状況であり、図16(B)はその結果を図示したものである。   FIG. 16 shows a test for understanding the meaning of the rotation angle method of tightening a bolt at a constant rotation angle. FIG. 16A shows the state of the test body when a bolt is twisted and tightened, and FIG. 16B shows the result.

ボルト9は(B)の左側の線のように、軸力Ffまで締め付けられ、ばね定数はKbである。このとき、ボルト9には伸張方向に歪λbが生じる。カラー8は、圧縮方向に軸力Ffで締め付けられ、ばね定数がKcで、圧縮方向に歪λcが生じる。このとき、ボルトの回転角θは、
θ=360°×(λb+λc)/P
ただし、P:ねじのピッチ
である。また、ボルト9、カラー8それぞれの歪λb,λcは、
λb=Ff/Kb
λc=Ff/Kc
なので、軸力Ffを得るための回転角を算出することができる。
The bolt 9 is tightened to the axial force Ff as shown on the left side of (B), and the spring constant is Kb. At this time, a distortion λb is generated in the bolt 9 in the extending direction. The collar 8 is tightened with an axial force Ff in the compression direction, the spring constant is Kc, and the strain λc is generated in the compression direction. At this time, the rotation angle θ of the bolt is
θ = 360 ° × (λb + λc) / P
Where P is the pitch of the screw. The strains λb and λc of the bolt 9 and the collar 8 are
λb = Ff / Kb
λc = Ff / Kc
Therefore, the rotation angle for obtaining the axial force Ff can be calculated.

図17は、例えば鉄とアルミのボルト9f,9aについてトルクレンチ15でボルトを締め付けた場合、それぞれのトルクと回転角との関係を知るための試験状況および結果を示す。   FIG. 17 shows test conditions and results for knowing the relationship between torque and rotation angle when bolts are tightened with a torque wrench 15 for iron and aluminum bolts 9f and 9a, for example.

図17(A)は、ボルト9の取付位置周りの納まりを示す。図1に示す基本の試験装置1において、油室23のオイルを抜き、ピストン22にシリンダ21を着座させて試験する。これにより、ボルト9を締め付けても、ピストン22の上端部が変形しない。試験体は、例えばボルト9とカラー8の両方が鉄製のもの、ボルト9がアルミでカラー8が鉄のものの二種類について、トルクレンチ15を用いて、トルクTの力でボルト9を締め付ける。図17(B)は、トルクTをかけたときの各ボルト9f,9aの回転角がそれぞれθ,θであることを示す。このように、鉄のボルト9fの回転角θとアルミニウムのボルト9aの回転角θは、
θ>2θ
となる。これは、それぞれの材質のばね係数Kが
K=E×(A/L)
ただし、E:ヤング率
A:断面積
L:長さ
で表されることによる。この試験により、ボルト9の材質ごとに、所定の締付力を得るための回転角が異なることを体感できる。
FIG. 17A shows the fit around the mounting position of the bolt 9. In the basic test apparatus 1 shown in FIG. 1, the oil is removed from the oil chamber 23 and the cylinder 21 is seated on the piston 22 for testing. Thereby, even if the bolt 9 is tightened, the upper end portion of the piston 22 is not deformed. For example, the bolt 9 and the collar 8 are both made of iron, the bolt 9 is aluminum, and the collar 8 is iron. The torque wrench 15 is used to tighten the bolt 9 with torque T. FIG. 17B shows that the rotation angles of the bolts 9f and 9a when the torque T is applied are θ A and θ B , respectively. Thus, the rotation angle theta B of the rotation angle theta A and aluminum bolt 9a of iron bolts. 9f,
θ B > 2θ A
It becomes. This is because the spring coefficient K of each material is K = E × (A / L)
However, E: Young's modulus A: Cross-sectional area L: By expressing with length. By this test, it can be experienced that the rotation angle for obtaining a predetermined tightening force differs for each material of the bolt 9.

図18および図19は、熱間耐面圧強度を調べるための装置である。アルミ合金やマグネシウム合金の座面およびねじ面の熱間耐面圧強度は公表値が少なく、それらを製品に使用する際には、測定により性能を把握しなければならない。図1の基本の試験装置1に簡単な機器を取り付けることにより、このような試験を行うことができる。   18 and 19 are apparatuses for examining the hot surface pressure resistance. There are few published values of the hot surface pressure resistance of the bearing surface and screw surface of aluminum alloy and magnesium alloy, and when using them in products, the performance must be determined by measurement. Such a test can be performed by attaching a simple device to the basic test apparatus 1 of FIG.

試験機本体2上方の丸頭ボルトの周囲にヒータ34を取り付け、コントローラ35でヒータ34を所定温度に制御して座面板11を加熱する。更に、試験機本体2と油圧ポンプ3との接続管の途中から分岐して圧力調整器32(図18)が設けられる。また、油圧ポンプ3のアームに重り31を取り付け、油室23に常にオイルが充填された状態とする。油圧計4により、丸頭ボルト9bにかかる軸力を読み取る。   A heater 34 is attached around the round head bolt above the tester main body 2, and the controller 34 controls the heater 34 to a predetermined temperature to heat the seat plate 11. Further, a pressure regulator 32 (FIG. 18) is provided branching from the middle of the connecting pipe between the tester main body 2 and the hydraulic pump 3. Further, a weight 31 is attached to the arm of the hydraulic pump 3 so that the oil chamber 23 is always filled with oil. The axial force applied to the round head bolt 9b is read by the hydraulic gauge 4.

図19は、図18の丸頭ボルト9b周りの拡大図である。例えば材質がアルミの座面板11の上からボルト9bを締め付ける。ヒータ34の内側には、例えば鉄からなる蓄熱体36が設けられ、ボルト9bおよび座面板11の周囲を覆う。ヒータ34の内側の温度は、熱電対37の先端を差し込んで測定する。試験機本体2側に熱が伝わらないように、ヒータ34と試験機本体2との間に、例えばベークライト等からなる断熱材18を挿嵌する。   FIG. 19 is an enlarged view around the round head bolt 9b of FIG. For example, the bolt 9b is tightened from above the seat plate 11 made of aluminum. A heat storage body 36 made of, for example, iron is provided inside the heater 34 and covers the periphery of the bolt 9b and the seat plate 11. The temperature inside the heater 34 is measured by inserting the tip of a thermocouple 37. A heat insulator 18 made of, for example, bakelite is inserted between the heater 34 and the tester main body 2 so that heat is not transmitted to the tester main body 2 side.

座面板11の嵌没量が大きい場合には、軸力が変動しないように、圧力調整器32を用いて圧力調整を行い、常に同じ圧力がかかりボルト9の軸力が一定になるようにする。圧力調整器32にも、圧力ポンプ3と同様、重り33が取り付けられる。   When the seating plate 11 is inserted in a large amount, the pressure is adjusted using the pressure regulator 32 so that the axial force does not fluctuate so that the same pressure is always applied and the axial force of the bolt 9 becomes constant. . Similarly to the pressure pump 3, a weight 33 is attached to the pressure regulator 32.

尚、図19(B)に示すように、ボルト9bの頭部の径Dは座面板11の孔91の径dよりも大きくする。必要に応じてワッシャ等が取り付けられたりフランジ付きボルトを用いてもよい。座面板11の受圧面積Sは、
S=(π/4)×(D−d
である。
As shown in FIG. 19B, the diameter D of the head of the bolt 9b is made larger than the diameter d of the hole 91 of the seating surface plate 11. If necessary, a washer or the like may be attached or a flanged bolt may be used. The pressure receiving area S of the seat plate 11 is
S = (π / 4) × (D 2 −d 2 )
It is.

このようにして、例えば常温時と200℃の場合等、温度ごとの耐面圧強度を測定することができる。   Thus, for example, at normal temperature and at 200 ° C., the surface pressure resistance at each temperature can be measured.

図20および図21は、熱間時のボルトクリープを測定するための装置である。弾性限界内で締め付けられているボルトでも、100℃〜150℃という比較的低い温度でクリープ変形することが知られており、その現象を確認することができる。   20 and 21 show an apparatus for measuring bolt creep during hot. Even a bolt that is tightened within the elastic limit is known to creep at a relatively low temperature of 100 ° C. to 150 ° C., and this phenomenon can be confirmed.

ボルト9の周囲にカラー8が配設される。カラー8の周囲にヒータ34を設け、コントローラ35でヒータ34の温度を制御する。油圧ポンプ3のアームには重り31を取り付ける。試験機本体2と油圧ポンプ3との接続管の途中から分岐して圧力調整器32を設け、常に油室23に同じ圧力がかかるように制御する。更に、接続管から分岐して補助油圧ポンプ3aを設ける。ボルト9のクリープ量が大きく、油圧ポンプ3の1回のストロークでは油量が不足する場合に、補助油圧ポンプ3aを用いて送油する。   A collar 8 is disposed around the bolt 9. A heater 34 is provided around the collar 8, and the controller 35 controls the temperature of the heater 34. A weight 31 is attached to the arm of the hydraulic pump 3. A pressure regulator 32 is provided branching from the middle of the connecting pipe between the tester main body 2 and the hydraulic pump 3 and is controlled so that the same pressure is always applied to the oil chamber 23. Further, an auxiliary hydraulic pump 3a is provided branching from the connecting pipe. When the amount of creep of the bolt 9 is large and the amount of oil is insufficient in one stroke of the hydraulic pump 3, oil is fed using the auxiliary hydraulic pump 3a.

図21は、図20のボルト9周りの拡大図である。ボルト9は、例えば銅のように熱が伝わりやすい材質のワッシャ19を介して取り付ける。ボルト9の上端部および下端部に、それぞれ熱電対37a,37bを差し込んで温度を測定する。ボルト9上部は、(B)に示すように、カラー8の一部に溝81を設け、ボルト9の軸部に熱電対37aの先端を差し込む。ボルト9下部は、ボルト9の先端に孔をあけて、熱電対37bの先端を差し込む。ヒータ34と試験機本体2との間、およびボルト9先端部とピストン21との間には、それぞれ断熱材18a,18bを取り付けて、試験機本体2に熱が伝わらないようにするとともに、ボルト9の熱を逃がさないようにする。断熱材18a,18bは、ボルト9の軸部周りに取り付けて、断熱材18bの先端側をナット12aで固定する。   FIG. 21 is an enlarged view around the bolt 9 of FIG. The bolt 9 is attached via a washer 19 made of a material that easily conducts heat, such as copper. Thermocouples 37a and 37b are inserted into the upper end and lower end of the bolt 9, respectively, and the temperature is measured. The upper part of the bolt 9 is provided with a groove 81 in a part of the collar 8 as shown in (B), and the tip of the thermocouple 37 a is inserted into the shaft part of the bolt 9. At the bottom of the bolt 9, a hole is made at the tip of the bolt 9, and the tip of the thermocouple 37b is inserted. Insulating materials 18a and 18b are attached between the heater 34 and the tester main body 2 and between the front end of the bolt 9 and the piston 21 to prevent heat from being transmitted to the tester main body 2 and the bolts. Do not let the heat of 9 escape. The heat insulating materials 18a and 18b are attached around the shaft portion of the bolt 9, and the front end side of the heat insulating material 18b is fixed with the nut 12a.

図22は、上記の装置により、SC材とSCM材のそれぞれのボルト9について測定した結果を図示したものである。一般鋼材の中でも、SC材とSCM材とでは、高応力時のクリープ量が大幅に異なり、SCM材はモリブデンの影響で、耐熱性が優れている。いずれも、塑性域に近づくと温度による永久歪が大きくなり、高温では降伏点や耐力が低下することが、本装置による試験で理解できる。   FIG. 22 shows the result of measurement for each bolt 9 of SC material and SCM material by the above apparatus. Among general steel materials, the SC material and the SCM material have significantly different creep amounts at the time of high stress, and the SCM material has excellent heat resistance due to the influence of molybdenum. In any case, it can be understood from the test using this apparatus that the permanent strain due to temperature increases as it approaches the plastic region, and the yield point and yield strength decrease at high temperatures.

尚、以上述べた各種特性試験は、ねじの特性を学習するために全て理解する必要があり、通常は順を追って理解するものであるが、順不同で試験したり、いずれかの試験だけを行ってもよい。   The various characteristic tests described above need to be understood in order to learn the characteristics of the screw, and are usually understood step by step, but they can be performed in any order, or only one of the tests can be performed. May be.

本発明は、ボルト等のねじの特性を理解するための教材および体験学習方法として適用できる。   The present invention can be applied as a teaching material and an experiential learning method for understanding the characteristics of screws such as bolts.

本発明の基本の試験装置を示す図。The figure which shows the basic test apparatus of this invention. 図1の上部キャッチャおよび下部キャッチャを示す縦断面図。The longitudinal cross-sectional view which shows the upper catcher and lower catcher of FIG. ねじの特性を調べる装置および結果を示す図。The figure which shows the apparatus and the result which investigate the characteristic of a screw. ねじの異なる特性を調べる装置および結果を示す図。The figure which shows the apparatus which investigates the different characteristic of a screw, and a result. ねじの更に異なる特性を調べる装置および結果を示す図。The figure which shows the apparatus which investigates the further different characteristic of a screw, and a result. ボルトの特性を調べる装置および結果を示す図。The figure which shows the apparatus which investigates the characteristic of a volt | bolt, and a result. カラーの特性を調べる装置および結果を示す図。The figure which shows the apparatus which investigates the characteristic of a color, and a result. ねじの更に異なる特性を調べる装置を示す概略図。Schematic showing an apparatus for examining further different characteristics of a screw. 図8の装置による試験体の状態および結果を示す図。The figure which shows the state and result of a test body by the apparatus of FIG. 図9の特性の外力の状態および結果を示す図。The figure which shows the state and result of the external force of the characteristic of FIG. 図8の装置による異なる試験体ごとの結果を示す図。The figure which shows the result for every different test body by the apparatus of FIG. 図8の装置による更に異なる試験体ごとの結果を示す図。The figure which shows the result for every different test body by the apparatus of FIG. ねじの更に異なる特性を調べる装置および結果を示す図。The figure which shows the apparatus which investigates the further different characteristic of a screw, and a result. ねじの更に異なる特性を調べる装置を示す概略図。Schematic showing an apparatus for examining further different characteristics of a screw. 図14の装置による異なる加力位置ごとの結果を示す図。The figure which shows the result for every different applied force position by the apparatus of FIG. ねじの更に異なる特性を示す図。The figure which shows the further different characteristic of a screw. ねじの更に異なる特性を調べる装置の一部および結果を示す図。The figure which shows the part and result of an apparatus which investigates the further different characteristic of a screw. 図1の試験装置を用いた応用例の装置を示す概略図。Schematic which shows the apparatus of the application example using the test apparatus of FIG. 図18の一部分を拡大した縦断面図。The longitudinal cross-sectional view which expanded a part of FIG. 図1の試験装置の異なる応用例の装置を示す概略図。Schematic which shows the apparatus of the different application example of the test apparatus of FIG. 図20の一部分を拡大した図。The figure which expanded a part of FIG. 図20の装置による測定結果を示す図。The figure which shows the measurement result by the apparatus of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1:試験装置、2:試験機本体、3,3b:油圧ポンプ、3a:補助油圧ポンプ、4,4b:油圧計、5:上部キャッチャ、6:下部キャッチャ、7:油圧ナット、8、8b:カラー、8a:板材、9,9f,9a,9b:ボルト、10:基板、10a:切欠部、11:座面板、12,12a:ナット、13:ダイヤルゲージ、14:レンチ、15:トルクレンチ、16,16a,16b,16c:プレート、17:スペーサ、18,18a,18b:断熱材、19:ワッシャ、20:通孔、21:シリンダ、21a:ナット保持部、22:ピストン、22a:ボルト支持部、23:油室、24:スプリング、25:カバー、26:回り止め部材、27:Oリング、31,33:重り、32:圧力調整器、34:ヒータ、35:コントローラ、36:蓄熱体、37,37a,37b:熱電対、51:蓋、52,63:衝撃吸収材、53:鎖、61:皿、62:フランジ、71:シリンダ、72:ピストン、73:油室、74 シーリング材、81:溝、91:孔。
1: Test apparatus, 2: Test machine body, 3, 3b: Hydraulic pump, 3a: Auxiliary hydraulic pump, 4, 4b: Hydraulic gauge, 5: Upper catcher, 6: Lower catcher, 7: Hydraulic nut, 8, 8b: Collar, 8a: Plate material, 9, 9f, 9a, 9b: Bolt, 10: Board, 10a: Notch, 11: Seat plate, 12, 12a: Nut, 13: Dial gauge, 14: Wrench, 15: Torque wrench, 16, 16a, 16b, 16c: plate, 17: spacer, 18, 18a, 18b: heat insulating material, 19: washer, 20: through hole, 21: cylinder, 21a: nut holder, 22: piston, 22a: bolt support Part, 23: oil chamber, 24: spring, 25: cover, 26: detent member, 27: O-ring, 31, 33: weight, 32: pressure regulator, 34: heater, 35: controller 36: heat storage body, 37, 37a, 37b: thermocouple, 51: lid, 52, 63: shock absorber, 53: chain, 61: dish, 62: flange, 71: cylinder, 72: piston, 73: oil chamber 74 sealing material, 81: groove, 91: hole.

Claims (7)

油圧発生手段と、試験用ねじに前記油圧発生手段からの油圧を増幅して付与する荷重発生手段と、前記ねじに付与された荷重を表示する荷重表示手段とを同一の基板上に設けて持ち運び可能としたことを特徴とするねじの特性試験装置。   The hydraulic pressure generating means, the load generating means for amplifying and applying the hydraulic pressure from the hydraulic pressure generating means to the test screw, and the load display means for displaying the load applied to the screw are provided on the same substrate for carrying. A screw characteristic testing device characterized by being made possible. 試験時に前記ねじの取付位置の上方および下方に前記ねじが破断した際の破片を回収する上部キャッチャおよび下部キャッチャを備えたことを特徴とする請求項1に記載のねじの特性試験装置。   The screw characteristic testing device according to claim 1, further comprising an upper catcher and a lower catcher for collecting fragments when the screw is broken above and below the screw mounting position during the test. 温度調節手段を備えて前記ねじの温度を可変としたことを特徴とする請求項1に記載のねじの特性試験装置。   2. The screw characteristic testing apparatus according to claim 1, further comprising a temperature adjusting means, wherein the temperature of the screw is variable. 前記荷重発生手段は、シリンダ(21)内を上下するピストン(22)からなり、前記ねじの上端部がピストン(22)に設けられたねじ支持部(22a)に支持され、該ねじ支持部(22a)に対向してシリンダ(21)にナットを保持するナット保持部(21a)が設けられ、前記ねじの下端部が前記ナットに螺合し、前記ピストン(22)の最下位置において、前記ねじ支持部(22a)の下端面がナット保持部(21a)の上端面に当接していることを特徴とする請求項1に記載のねじの特性試験装置。   The load generating means includes a piston (22) that moves up and down in the cylinder (21), and an upper end portion of the screw is supported by a screw support portion (22a) provided on the piston (22), and the screw support portion ( 22a) is provided with a nut holding portion (21a) for holding a nut in the cylinder (21), and a lower end portion of the screw is screwed into the nut, and at the lowest position of the piston (22), The screw characteristic test apparatus according to claim 1, wherein a lower end surface of the screw support portion (22a) is in contact with an upper end surface of the nut holding portion (21a). 前記ねじの特性試験装置を用いて試験をしながらねじの締付特性理論を学習または教育するための教材として用いることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のねじの特性試験装置。   5. The screw characteristic test apparatus according to claim 1, wherein the screw characteristic test apparatus is used as a teaching material for learning or teaching a screw tightening characteristic theory while performing a test using the screw characteristic test apparatus. . 請求項1に記載のねじの特性試験装置を用いて、試験により理論上のねじの締付特性図を再現させてねじの特性を学習することを特徴とする体験学習方法。   An experiential learning method comprising: learning a screw characteristic by reproducing a theoretical screw tightening characteristic diagram by a test using the screw characteristic test apparatus according to claim 1. 請求項1に記載のねじの特性試験装置を用いて、試験により理論上のねじの締付特性図を再現させてねじの特性を教育することを特徴とする実技教育方法。
A practical skill education method characterized by educating screw characteristics by reproducing a theoretical screw tightening characteristic diagram by a test using the screw characteristic test apparatus according to claim 1.
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