JP2006520452A - 過負荷防止機構を備えた締結構造 - Google Patents

Abstract

本発明は、過負荷防止機構を備えた締結構造と、２つの被締結要素(1,2)の締結方法とに関するものである。締結構造は、第１の被締結要素(1)と、第１被締結要素(1)に締付けられる第２の被締結要素(2)と、締結用の締付けボルト(3)とを備える。実効的な過負荷防止機構のために、締結構造は、第１被締結要素(1)に挿通され、締付けボルト(3)で第２被締結要素(2)に締付けられるスリーブ(4)と、スリーブ(4)と係合して第１被締結要素(1)を第２被締結要素(2)に締付けるスリーブ締付け装置(5)とを更に有する。締付けボルト(3)は、所定の締付け量(3f')にまで締付けられ、第１及び第２被締結要素(1,2)を互いに引き離す動力が限界動力を上回ると、締付けボルト(3)による締付けに対するスリーブ(4)の除荷と、それに続く締付けボルト(3)の破断とがもたらされる。

Description

本発明は、請求項１の前段部分に記載の特徴を有する、過負荷防止機構を備えた締結構造と、請求項７の特徴を有する、１つの締結部による２つの被締結部品の締結方法とに関するものである。

螺子締結部を利用して２つの被締結部品、例えば、梁材と支持部材とを締結することは、一般に知られている。２つの被締結部品が、例えば、圧縮成形ラインの架枠要素と上梁とである場合は、このような接合部では、圧縮成形機に誤動作が生じて両被締結要素を互いに引き離そうとする力が過剰に加わると、圧縮成形ラインのこれら被締結要素又は他の要素に変形が生じる問題がある。

圧縮成形ラインの稼動に用いられる油圧ラインの過大な圧力上昇を検出し、そのような場合に非常停止を命じるようになった油圧ラインの様々な圧力センサが、一般に知られている。しかしながら、このような油圧管理システムは、動作が余りにも緩慢であるため、例えば、セラミックスや、金属粉末の圧縮成形機を使用する場合には、誤動作の場合に生じかねない急速な圧力上昇を適時に検出することは不可能である。

本発明の目的は、互いに締付け合う２つの要素の締結のための改良型過負荷防止機構を提供することにある。

この目的は、請求項１の特徴を有する、過負荷防止機構を備えた締結構造、並びに、請求項７の特徴を有する方法により達成される。好適な実施形態が、従属請求項に記載されている。

通常運転において、力の流れ又は運転負荷は、実質的にスリーブ、スリーブ締付け装置及び両方の被締結要素だけに作用する。過負荷の場合には、力の流れが実効的に締付けボルト及び両方の被締結要素だけに作用し、締付けボルトに基準値破断が生じるので、他の機械要素は損傷せず、高額な修理を回避することができる。スリーブの除荷、即ち、スリーブが浮き上がる限界値は、締付けボルトとスリーブ締付け装置との締付力の差によって決まる。このため、材料の様々な特性値とは実質的に無関係に、破断荷重を設定することができる。

このため、本発明による締結構造及び２つの被締結要素の締結方法においては、締付けボルトの相対的な強度又は耐力を考慮して予張力を負荷されるスリーブが、締付けボルトによって第２の被締結要素に対して使用され、この予張力を負荷されたスリーブは、スリーブ締付け装置によって両方の被締結要素を締結するために、或る余量を残して除荷される。締付けボルトは、同様の作用を有する要素として解釈しても良い。スリーブについても同様であり、締付けボルト及びスリーブは、いずれも、円形又は円筒形断面を有する構成要素に特に限定されるものではなく、楕円形、多角形及び方形断面も、その他の変形実施形態に従って使用することができる。

締結には、螺子を使用することが望ましいが、その他の任意の締付け装置、例えば、ばね座金、スナップリング又は摩擦係合式接続部も使用可能である。締結状態における締付けを考慮すると、有利にも、締付けボルトには、その降伏点に相当する所定の締付け量まで負荷を加えることが可能であり、この締付け量を当該適用目的の必要公差に応じて適宜選定することができる。スリーブ締付け装置によるスリーブの除荷の際の所定の緩み量についても、同様である。締付け量と緩み量とが互いに調和すると理想的である。限界動力は、最終的には締付け量と緩み量の比、特に締付けボルトとスリーブの弾性率の比に依り決定される。その際には、限界動力は、その適用分野に応じて、多少なりとも通常の動力より高く設定される。通常は、動力がほぼ定常であり、公差量が極微小である装置の場合は、緩み量及び限界動力と動力との差が微小に選定される。ある程度の公差量の範囲内で動力が変動する成形ラインの場合は、限界動力は、相応して高目に選定される。これに応じて、この場合には、所定緩み量及び所定締付け量の値についても、より大きな公差範囲が与えられると良い。

次に、図面を参照して、本発明の例示的な実施形態について詳細に説明する。

図１及び図２から分かるように、２つの被締結要素１、２は、螺子連結によって互いに締結される。これら２つの被締結要素１、２は、例えば、梁材１及び支持部材２である（以下、区別を容易にするために、そのように称する）。

梁材１と支持部材２の締付体は、実質的に、スリーブ４を支持部材２に対して締付けるボルト３と、スリーブ４の外周に嵌め合わされてスリーブ４と螺子係合し、梁材１を支持部材２に対して締付けるように配置された締付けナット５とから構成される。

支持部材２は、その表面２ｄからその内部に向かって延びる穴を有し、穴は、雌螺子２ａを備える。この雌螺子２ａは、ボルト３の軸部３ｂの前面側領域に設けられた雄螺子３ａを受入れるのに使用される。ボルト３は、その反対側の端部において、通例のように軸部３ｂよりも大きな外径を有する締付け頭部３ｃを備える。

組付け状態の締結構造においては、ボルト３の軸部３ｂは、スリーブ４のスリーブ穴４ａを貫通する。スリーブ４は、締付け頭部３ｃによって、支持部材２の表面２ｃに対して締付けられる。好ましい実施形態においては、ボルト挿通時の安定性改善のために、スリーブ４を支持する支持部材２の表面２ｃの領域が、延長穴２ｂのように支持部材２の他の表面２ｄよりも窪んでいる。

梁材１は、梁材穴１ａを有し、梁材穴１ａは、スリーブ４を通すために使用される。梁材１と支持部材２とを締付けるために、スリーブ４は、少なくとも、締付け頭部３ｃと対抗したスリーブ４の末端部に雄螺子４ｂを有し、雄螺子４ｂは、締結状態において締付けナット５と係合する。梁材１は、締付けナット５をスリーブ４の外周に螺子込むことにより、支持部材２に対して適切な量だけ締付けられる。好ましくは、締付け頭部３ｃを越えて締付けナット５をスリーブ４の外周に螺子込み得るように締付け頭部３ｃの外径寸法が定められる。

好ましくは、ボルト３の軸部３ａは、前面側の雄螺子３ａと締付け頭部３ｃとの間にテーパ部３ｄを有し、テーパ部３ｄは、例えば、基準値破断領域としても使用することができる。

締結構造の注目すべき特徴は、個々の構成部品の相対的な強度又は耐力である。これらは特に、各構成部品の材料特性及び寸法形状に依存する。

ここに、ボルト３はスリーブ４よりも降伏し易く、好ましくは、格段に降伏し易いことが重要である。支持部材２及び梁材１に関し考察すると、支持部材２及び梁材１として、スリーブ４及びボルト３の材料と比べ実質的に高強度の材料を想定することができる。従って、特にスリーブは、梁材１よりも降伏し易くなっている。弾性をそのように予め設定することにより、比較的大きなボルト３の変位量又は伸長が、所定の入力特性と関連付けられ、他方、ボルト３と比べて比較的小さいスリーブ４の変位量、特にスリーブ４の縮みは、比較的大きな変化の入力特性と関連付けられることになる。

次に、梁材１を支持部材２に組付け、締付ける際における個々の構成部品の入力−伸び／縮み特性に関し、図３に基づいて、説明する。図３に記載の諸元は、金属粉末射出成形において採用される典型的な数値であり、あくまでも説明の目的で使用されるものであるにすぎない。諸元の関係や、単位の桁数がこれとは全く異なるものについても、原則的にはこれと同じ原理を応用することができる。スリーブ４及び支持部材２は、予張力が大きいために、単一部品のような挙動を示す。

好ましい締結方法の第１の工程において、スリーブ４は、梁材１を支持部材２に締付けるためにボルト３によって支持部材２に締付けられる。図示の例においては、約５５０ｋＮの予張力で軸部３ａが９６４μｍ伸長しており、この際の軸力特性３ｆは、均一な右肩上がりを特徴としている。この工程において、或いは、場合によって次工程以降において、螺子又はボルト３の軸部３ａは、その降伏点、即ち、その塑性化点に達するまで負荷を与えられることが望ましい。

次工程では、梁材１は、スリーブ４の雄螺子４ｂと係合した締付けナット５によって、支持部材２に締付けられる。この時の代表的な予張力は６３９ｋＮである。この予張力の負荷により、前工程において縮んだスリーブの伸び、即ち、除荷が生じる。スリーブ４は、前工程において２８３μｍだけ縮んでいるが、締付けナット５の予張力は、スリーブ４が完全には除荷されないように設定される。スリーブ４の締付け力特性は、曲線４ｆにより示されるが、これは、ボルト３と比べて高強度であるために、ボルトの曲線３ｆよりも急勾配で推移している。スリーブ４には、締付けナット５の締付後に、図示の例においては５６ｋＮの残留締付け力が負荷されており、スリーブ４の縮み量は、僅か３７μｍだけ残したものである。スリーブ４のこの除荷の間に、締付けボルト３は更に伸びる。

これらの特性曲線では、点３ｆ’、４ｆ’において、一方では、ボルト３の締付け頭部３ｃ、スリーブ４及び支持部材２の間に内側結合が成立し、他方では、梁材１を支持部材２に締付ける締付けナット５、スリーブ４、梁材１及び支持部材２の間に外側結合が成立する。外側及び内側の結合により、ボルト３に引張力が負荷されるが、ボルト３は、実際には、実効荷重を支持していない。同時に、スリーブ４も又、３７μｍを残すところまで除荷される。

この状況では、スリーブ４が梁材１の運転荷重によって支持部材２から浮き上がらない限り、支持部材２は、スリーブ４によって非常にしっかりと締付けられている。運転荷重が、梁材１を支持部材２から引き離そうとする５５０ｋＮに達すると、スリーブ４の予張力がゼロとなり、この結果、スリーブ４は、動力がそれよりも更に増大すると支持部材から浮き上がってしまう。その瞬間に、締付けボルト又はボルト３は、全荷重を支持することになる。梁材１から支持部材２に入力される動力がゼロから５５０ｋＮに増大するときの様子は、梁材の縮み特性１ｆによって示されている。この特性曲線は、梁材１の強度がスリーブ４の強度よりも更に高いために、スリーブ４の締付け力特性４ｆよりも更に急勾配で推移している。従って、この図においては、梁材１が支持部材２に対して５５０ｋＮの力を作用せしめるとき、特性曲線の点４ｆ”、１ｆ’によって示されるように、スリーブ４の完全な除荷がなされる。ボルト３が第１工程において実際にその降伏点まで負荷されたならば、この状態が、理論破断点である。

梁材１への入力が更に増大すると、スリーブ４が支持部材２から浮き上がり、ボルト３は更に伸び、その結果として破断する。図には、破断の瞬間が点１ｆ^＊、３ｆ^＊によって示されている。初期の代表的な計算によると、ボルト３は、スリーブ４の除荷の後、更に０．００５ｍｍ伸びるだけで、約６３９ｋＮの破断強度に達する。従って、図示の実施例の場合、ボルト３の変形速度は、スリーブ４の浮き上がり後であって、ボルト３への入力の後に、（６３０−５５０）ｋＮ／０．００５ｍｍ＝１７，８００ｋＮ／ｍｍ＝１７，８００ｔｏ／ｍｍとなり、現実には、ボルト３は、即座に破断する。従って、このように構成される過負荷防止機構は、主に形状寸法、内力及び外力に依存したものであり、材料特性値の相違には左右されない。

互いに締付け合う２つの要素１、２を締結する本発明の締結構造及び締結方法を使用する場合、夫々の適用事例別に調整が図られると有利であるが、これについては、実際の破断試験が推奨される。破断後、新たな破断試験を実施するためには、破断したボルト３を交換するだけで良い。後日、稼動時にライン全体に実際に過負荷が発生し、その結果ボルト３が破断した場合にも、ボルト３の迅速な交換が可能である。

破断後に最小限のコストでボルト３を交換できるようにするために、締付け頭部３ｃの付近に基準値破断点３ｅを設けると有利である。これにより、交換作業を無用に困難にするような螺子領域３ａ付近のボルト３の破断は、生じなくなる。

ライン全体の構成方式により、このような締結構造が多数設けられる場合には、適切な締付け条件を確認するために、一連の試験を１回で実施することが可能であろう。この場合は、試験の結果を受けて、ボルト３及びスリーブ４を支持部材２に対して締付ける際に基準トルクを用い、梁材１を支持部材２に対して締付ける際には、トルクを調整しながら締付けナット５をスリーブ４に対して締付けると良い。他の手段として、或いは、付加的に、締付けナット５と梁材１との間に嵌込むことができる力センサ、例えば、ロードセルを使用することも可能である。

締結部によって互いに締結される２つの要素を示す側面図である。 この締結構造の部分断面側面図である。 力のフロー線図であり、この締結構造を構成する各種個別要素の締付時の伸び挙動及び縮み挙動が示されている。

Claims (9)

1. 過負荷防止機構を備えた締結構造であって、
   第１の被締結要素(1)と、
   該第１被締結要素(1)に対して締付けられる第２の被締結要素(2)と、
   締結用の締付けボルト(3)とを有する締結構造において、
   前記第１被締結要素(1)に挿通されるとともに、前記締付けボルト(3)によって前記第２被締結要素(2)に対して締付けられるスリーブ(4)と、
   前記スリーブ(4)と係合して前記第１被締結要素(1)を前記第２被締結要素(2)に対して締付けるスリーブ締付け装置(5)とを有し、
   前記スリーブ(4)は、前記スリーブ締付け装置(5)により所定の緩み量(4f')にまで除荷され、
   前記第１及び第２被締結要素(1,2)を互いに引き離す動力が限界動力を上回ると、前記締付けボルト(3)による締付けに対して前記スリーブ(4)の除荷が生じ、それに続いて前記締付けボルト(3)の破断が生じるようにしたことを特徴とする、締結構造。
2. 前記締付けボルト(3)は、その降伏点に相当する所定の締付け量(3f')まで負荷が与えられることを特徴とする請求項１に記載の締結構造。
3. 前記締付けボルト(3)は、前記スリーブ(4)よりも降伏し易いことを特徴とする請求項１又は２に記載の締結構造。
4. 前記スリーブ(4)は、前記第１被締結要素(1)よりも降伏し易いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の締結構造。
5. 前記締付けボルト(3)は、雌螺子(2a)を備えた前記第２被締結要素(2)の穴の中に螺子込まれる雄螺子(3a)を有するボルト(3)であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の締結構造。
6. 前記スリーブ(4)は、雌螺子(5a)を有する前記スリーブ締付要素(5)に螺合する雄螺子(4b)を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の締結構造。
7. 締付けボルト(3)、スリーブ(4)及びスリーブ締付け装置(5)、殊に、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の締結構造を用いた２つの被締結要素(1,2)の締結方法において、
   前記締付けボルト(3)が前記スリーブ(4)を圧縮するように、前記締付けボルト(3)で前記スリーブ(4)を第２被締結要素(2)に締付ける工程と、
   前記スリーブ(4)を前記工程における圧縮に対して所定の緩み量(4f')にまで除荷するように、第１被締結要素(1)を貫通して突出した前記スリーブ(4)と係合した前記スリーブ締付け装置(5)を締付けて、前記第１被締結要素(1)を前記第２被締結要素(2)に締付ける工程とを含み、
   前記第１及び第２被締結要素(1,2)を反対方向に引き離す動力が所定の限界動力を上回ると、前記スリーブ(4)の完全な除荷と、前記締付けボルト（３）の破断とがもたらされるようにしたことを特徴とする締結方法。
8. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の締結構造において使用され、又は請求項６に記載の方法と組み合わせて使用される締付けボルト(3)及びスリーブ(4)であって、前記締付けボルト(3)は、前記スリーブ(4)よりも降伏し易い材料で作られることを特徴とする締付けボルト(3)及びスリーブ(4)。
9. 前記締付けボルト(3)を所定量だけ伸長させる力が、前記スリーブ(4)に逆に作用して、該スリーブ(4)を僅かな量だけ圧縮することを特徴とする請求項８に記載のボルト(3)及びスリーブ(4)。
   

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