JP2007271032A - ボルト接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ボルト頭における首下部における疲労強度を向上させることにより、当該首下部からの疲労破壊を防止することが可能なボルト接合構造を提供することにある。
【解決手段】互いに摩擦係数が異なる雄ねじ部２１、２２を両端に形成させた棒状部材１１と、雄ねじ部２１に対して螺合可能な雌ねじ部２３が形成されたボルト頭用部材１２とを有し、棒状部材１１における摩擦係数がより大きい雄ねじ部２１に対してボルト頭用部材１２を予め螺着固定することにより構成されるボルト２と、棒状部材１１における摩擦係数がより小さい雄ねじ部２２に対して着脱自在に螺着されるナット３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、繰返し力（荷重）が作用する土木構造物、建築構造物、機械（工作機械、自動車、鉄道車輌、圧延機等）における構造体、部材、部品の締結に用いられるボルト接合構造に関する。

ねじ継手において、雄ねじと雌ねじが幾何学的に正しく嵌め合っていても、ねじ部に引張り応力が作用する荷重分布はボルト頭側に近いねじに大きく片寄り、引張り応力負荷側のねじ山から塑性変形を起こしながらねじ山を破壊するという問題が発生する。この問題を解決するために、疲労特性を改善したねじ継手として、特許文献１（従来例１）及び特許文献２（従来例２）には、雌ねじと嵌め合う雄ねじを引張り力方向にボルト頭部側に先細に成形し、引張り方向に向かって雄ねじと雌ねじとの接触面積を低減しねじ山にかかる荷重分担を均等にすることにより疲労寿命の向上を図ったものが開示されている。特許文献３（従来例３）には、ねじ山形状を改善することにより谷底部の応力集中を緩和することにより疲労寿命の向上を図ったものが開示されている。特許文献４（従来例４）には、雄ねじと嵌め合う雌ねじのねじ山フランク角の一方若しくは両方を雄ねじのフランク角よりも小さくして各ねじ山の荷重分担を均等化することにより疲労特性の向上を図ったものが開示されている。特許文献５（従来例５）には、ねじ谷底部の形状を高次曲線で形成することにより、噛み合い端ねじ底に発生する応力集中を低減して耐遅れ破壊特性、耐疲労特性を向上させた高力ボルト、ナット及び座金のセットが開示されている。

さらに、非特許文献１（従来例６）には、雄ねじのピッチを雌ねじのピッチよりも小さくし、そのピッチ差が０．３％程度であれば疲れ強さを改善できることが示されている。
特開昭５２−７９１６３号公報 特開昭５２−１３１０６０号公報 特開昭５３−２９７８０号公報 特開昭５８−１６０６１３号公報 特開２００３−４０１６号公報 高強度ボルトの締結性能に関する標準化のための調査研究報告書（第Ｉ報）、日本ねじ研究協会、１９７８

しかしながら、上述した従来例１〜６では、雄ねじと雌ねじの噛み合いねじ底に発生する応力集中が緩和され、ねじ部の疲労強度が向上するのに対して、図５に示す頭付きボルト６ではボルト頭６１における首下部６２の疲労強度が相対的に低くなり、その結果、図５に示す頭付きボルト６のボルト頭６１における首下部６２の疲労破壊がねじ部の疲労破壊に先行する。この首下部６２では、疲労強度を十分に向上させる程度まで曲率を大きくすることが困難であるため、ねじ部の疲労強度を大幅に向上しても、頭付きボルト６の疲労強度の大幅な向上には至らなかった。

そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、ボルト頭の首下部における疲労強度を向上させることにより、当該首下部からの早期の疲労破壊を防止するこおとで疲労強度の高いボルト接合構造を提供することにある。

本発明に係るボルト接合構造は、上述した問題点を解決するために、互いに摩擦係数が異なる熱処理後転造成形された雄ねじ部を両端に形成させた棒状部材と、上記雄ねじ部に対して螺合可能な雌ねじ部が形成されたボルト頭用部材とを有し、上記棒状部材における摩擦係数がより大きい雄ねじ部に対して上記ボルト頭用部材を予め螺着固定することにより構成されるボルトと、上記棒状部材における摩擦係数がより小さい雄ねじ部に対して着脱自在に螺着されるナットとを備えることを特徴とする。

また、本発明に係るボルト接合構造は、上述した問題点を解決するために、熱処理後転造成形された雄ねじ部を両端に形成させた棒状部材と、上記雄ねじ部に螺合可能な雌ねじ部が形成されたボルト頭用部材とを有し、上記ボルト頭用部材は、上記雄ねじ部が貫通しないように成形されており、上記棒状部材の少なくとも一端に形成された雄ねじ部端面に当接させて上記ボルト頭用部材を予め螺着固定することにより構成されるボルトと、上記棒状部材における他の一端に形成された雄ねじ部に対して着脱自在に螺着されるナットとを備えることを特徴とする。

また、本発明に係るボルト接合構造は、上述した問題点を解決するために、雄ねじ部を両端に形成させた棒状部材と、上記雄ねじ部に対して螺合可能な雌ねじ部が形成されたボルト頭用部材とを有し、上記棒状部材の少なくとも一端に形成された雄ねじ部に対してその先端を突出させつつ上記ボルト頭用部材を予め螺着固定することにより構成されるボルトと、上記棒状部材における他の一端に形成された雄ねじ部に対して着脱自在に螺着されるナットとを備え、上記突出させた雄ねじ部先端のねじ山は、ねじの後退回転を阻止するように潰されていることを特徴とする。

また、本発明に係るボルト接合構造は、上述した問題点を解決するために、雄ねじ部を両端に形成させた棒状部材と、上記雄ねじ部に対して螺合可能な雌ねじ部が形成されたボルト頭用部材とを有し、上記棒状部材の少なくとも一端に形成された雄ねじ部に対して上記ボルト頭用部材を予め螺着固定することにより構成されるボルトと、上記棒状部材における他の一端に形成された雄ねじ部に対して着脱自在に螺着されるナットとを備え、上記棒状部材と上記ボルト頭用部材は、さらに接着剤、溶接、噛み込み又はかしめにより固定されてなることを特徴とする。

また、本発明に係るボルト接合構造は、上述した問題点を解決するために、右ねじからなる雄ねじ部と、左ねじからなる雄ねじ部を両端に形成させた棒状部材と、上記左ねじからなる雄ねじ部に対して螺合可能な雌ねじ部が形成されたボルト頭用部材とを有し、上記棒状部材の少なくとも一端に形成された雄ねじ部に対して上記ボルト頭用部材を予め螺着固定することにより構成されるボルトと、上記棒状部材における右ねじからなる雄ねじ部に対して着脱自在に螺着されるナットとを備えることを特徴とする。
また、本発明に係るボルト接合構造は、上述した問題点を解決するために、ナットの雌ねじとのピッチ差のない熱処理後転造成形された雄ねじ部と、上記雌ねじとのピッチ差が存在する熱処理後転造成形された雄ねじ部を両端に形成させた棒状部材と、上記ピッチ差が存在する雄ねじ部に対して螺合可能な雌ねじ部が形成されたボルト頭用部材とを有し、上記ピッチ差が存在する雄ねじ部に対して上記ボルト頭用部材を予め螺着固定することにより構成されるボルトと、上記棒状部材におけるピッチ差のない雄ねじ部に対して着脱自在に螺着されるナットとを備えることを特徴とする。

ねじ谷底部の応力集中係数が互いに異なる雄ねじ部を両端に形成された棒状部材で
あることを特徴とする。

本発明は、ボルト頭首下部で疲労強度が劣化するのを防止し、棒状部材の両端に熱処理後転造成形されたねじ部を有するボルトを構成することでねじ部の疲労強度の向上を生かそうとするものであり、ねじの形式がどのようなものであっても適用可能であり、埋め込みボルトにも適用可能である。尚、熱処理後にねじを転造成形することにより（後転造）ねじ谷底部に圧縮残留応力が付与され疲労強度を向上することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、各種構造体の締結に用いられるボルト接合構造について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明を適用したボルト接合構造１を示している。このボルト接合構造１は、ボルト２とナット３により構成される。

ボルト２は、棒状部材１１と、この棒状部材１１に対して予め固定されるボルト頭用部材１２とを有する。

棒状部材１１は、互いに摩擦係数が異なる熱処理後転造成形された雄ねじ部２１、２２が両端に形成されている棒状の部材である。雄ねじ部２１の摩擦係数は、雄ねじ部２２の摩擦係数よりも大きい。この雄ねじ部２１並びに雄ねじ部２２における摩擦係数の差異は、例えば表面粗さを雄ねじ部２１と雄ねじ部２２との間で互いに異ならせることにより設けられる。また、表面粗さを異ならせる代わりに、この雄ねじ部２１と雄ねじ部２２との間で付着させる潤滑剤の量や性質、種類を異ならせるようにしてもよい。

ボルト頭用部材１２は、いわゆるボルト頭と略同一の形状で構成されている。このボルト頭用部材１２は、雄ねじ部２１に螺合可能な雌ねじ部２３が形成されている。

ボルト２を構成する際には、この表面粗さがより大きい雄ねじ部２１にボルト頭用部材１２を予め螺着固定する。

このようにして構成されたボルト２における摩擦係数がより小さい雄ねじ部２２に対してナット３が着脱自在に螺着される。

このようにして構成されるボルト接合構造１では、頭付きボルト６のボルト頭６１における、従来技術でいう首下部６２に相当する箇所６３の疲労強度をねじ部２２の疲労強度との大小関係を考慮して調整することが可能になるため、ボルト全体の疲労強度そのものを向上させることができる。

特に、本発明を適用したボルト接合構造１では、雄ねじ部２１、２２の摩擦係数につき差異を設けている。即ち、雄ねじ部２１とボルト頭用部材１２の雌ねじ部との滑り抵抗をより高くした状態で固定されている。ナット３を雄ねじ部２２に取り付ける際においても、ナット３の回転に応じて棒状部材１１やボルト頭用部材１２が回転することがなくなり、正常な締め付け動作を実現することが可能となる。

図２は、本発明における他の実施例としてのボルト接合構造４を示している。このボルト接合構造４において、上述したボルト接合構造１と同一の構成要素、部材に関しては、同一の番号を付すことにより以下での説明を省略する。

図３(a),(b)は、ボルト接合構造４において、ボルト頭用部材４５を適用する場合について示している。

ボルト頭用部材４５は、雄ねじ部２５、２６が貫通しないようにした止め部３７と、雌ねじ部３６と、孔部３５とを有するとともに、その外観は、いわゆるボルト頭と略同一の形状で構成されている。なお、雄ねじ部２５、２６を貫通しないようにした構成であれば、例えば図３(c)に示すように、孔部３５をなくしたボルト頭用部材４５を用いるようにしてもよいことは勿論である。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、図１に示す熱処理後転造成形された雄ねじ部２１と雄ねじ部２２における摩擦係数を略同一で構成する代わりに、ボルト頭用部材１２を雄ねじ部２１に対して接着剤、溶接、噛み込み固定又はかしめるようにしてもよい。これにより、ボルト頭用部材１２が雄ねじ部２１に対して強固に固定されることにより、ボルト頭用部材１２と、雄ねじの回転を抑制することが可能となる。また接着剤、溶接、噛み込み固定又はかしめの代替として、突出させた雄ねじ部先端のねじ山４９をねじの後退回転を阻止するように潰すようにしてもよい。ねじ山４９を潰すことにより、ボルト頭用部材１２の回転動作を抑制することができる。

さらに本発明では、この熱処理後転造成形された雄ねじ部２１をいわゆる左ねじで構成し、熱処理後転造成形された雄ねじ部２２をいわゆる右ねじで構成するようにしてもよい。この左ねじで構成された雄ねじ部２１に対してボルト頭用部材１２を予め螺着固定してボルト２を構成する。これにより、ナット３を取り付ける際に、この雄ねじ部２１に対してボルト頭用部材１２を締め付ける方向に力がかかることになる。

さらに本発明は、ナット３の雌ねじとのピッチ差のない熱処理後転造成形された雄ねじ部２６と、ナット３の雌ねじとのピッチ差が存在する熱処理後転造成形された雄ねじ部２５を両端に形成させた棒状部材１１と、ピッチ差が存在する雄ねじ部２５に対して螺合可能な雌ねじ部が形成されたボルト頭用部材４５とを有し、棒状部材１１の少なくとも一端に形成された雄ねじ部２５に対してボルト頭用部材４５を予め螺着固定することができる。雄ねじ部２５のピッチ差は、１．２％としている。

また、図４に示すように、ねじ谷底部の応力集中係数が互いに異なる熱処理後転造成形された雄ねじ部２５、２６を両端に形成された棒状部材１１で疲労強度に差をもたせ、一方の応力集中係数の大きい方を破壊させようとするものである。この場合でも疲労強度は高めとなる。

上述の如き構成からなるボルト接合構造１の効果を確認するために行った疲労試験の結果を下記の表に示す。

呼び径Ｍ２２のボルト接合構造について疲労試験を行った。雄ねじ部２１、２２の摩擦係数につき差異を設けた本発明例１、雄ねじ部が貫通しないようにした止め部３７を設けた本発明例２、ねじ山を潰した本発明例３、ボルト頭用部材１２を溶接固定した本発明例４、雄ねじ部２１を左ねじで構成するとともに雄ねじ部２２を右ねじで構成した本発明例５、雄ねじ部２５、２６のピッチ差を互いに異ならせた本発明例６、応力集中係数を互いに異ならせた本発明例７に加え、単に熱処理後転造した従来のボルト構造を比較例として示している。比較例は、頭付きボルトを使用している。

本発明例１では、雄ねじ部２１と雌ねじ部１２との摩擦係数を０．１５５、雄ねじ部２２と雌ねじ部との摩擦係数を０．１２５としている。また、本発明例６では、上述したピッチ差を１．２％に設定している。

この疲労試験では、本発明に係るボルト接合構造と従来のボルト接合構造に対して、５００ＫＮおよび１０００ＫＮのサーボジャッキ試験機を用い、繰返し荷重は正弦波で、載荷速度は３００回／分で実施した。表中、ねじ形状の欄のＪＩＳはメートル並目ねじである。また、SHTBは特公平6-89768公報（高力ボルト・ナット・座金のセット）に記載の発明を採用したもので、熱処理後に雄ねじを転造したものである。試験結果は全振幅の半分の値である。

疲労試験の結果、従来の頭付ボルト接合構造は、いずれも首下部より疲労破壊した。

また、疲労強度は、本発明を適用したボルト接合構造は、従来のボルト接合構造と比較して何れも向上していた。

本発明を適用したボルト接合構造を示す図である。 本発明における他の実施例としてのボルト接合構造を示す図である。 ボルト頭用部材の詳細ついて示す図である。 ねじ谷底部の応力集中係数が互いに異なる熱処理後転造成形された雄ねじ部の例を示す図である。 従来技術の問題点について説明するための図である。

符号の説明

１ ボルト接合構造
２ ボルト
３ ナット
１１ 棒状部材
１２ ボルト頭用部材
２１、２２ 雄ねじ部

Claims (7)

1. 互いに摩擦係数が異なる熱処理後転造成形された雄ねじ部を両端に形成させた棒状部材と、上記雄ねじ部に対して螺合可能な雌ねじ部が形成されたボルト頭用部材とを有し、上記棒状部材における摩擦係数がより大きい雄ねじ部に対して上記ボルト頭用部材を予め螺着固定することにより構成されるボルトと、
   上記棒状部材における摩擦係数がより小さい雄ねじ部に対して着脱自在に螺着されるナットとを備えること
   を特徴とするボルト接合構造。
2. 熱処理後転造成形された雄ねじ部を両端に形成させた棒状部材と、上記雄ねじ部に螺合可能な雌ねじ部が形成されたボルト頭用部材とを有し、上記ボルト頭用部材は、上記雄ねじ部が貫通しないように成形されており、上記棒状部材の少なくとも一端に形成された雄ねじ部端面に当接させて上記ボルト頭用部材を予め螺着固定することにより構成されるボルトと、
   上記棒状部材における他の一端に形成された雄ねじ部に対して着脱自在に螺着されるナットとを備えること
   を特徴とするボルト接合構造。
3. 熱処理後転造成形された雄ねじ部を両端に形成させた棒状部材と、上記雄ねじ部に対して螺合可能な雌ねじ部が形成されたボルト頭用部材とを有し、上記棒状部材の少なくとも一端に形成された雄ねじ部に対してその先端を突出させつつ上記ボルト頭用部材を予め螺着固定することにより構成されるボルトと、
   上記棒状部材における他の一端に形成された雄ねじ部に対して着脱自在に螺着されるナットとを備え、
   上記突出させた雄ねじ部先端のねじ山は、ねじの後退回転を阻止するように潰されていること
   を特徴とするボルト接合構造。
4. 熱処理後転造成形された雄ねじ部を両端に形成させた棒状部材と、上記雄ねじ部に対して螺合可能な雌ねじ部が形成されたボルト頭用部材とを有し、上記棒状部材の少なくとも一端に形成された雄ねじ部に対して上記ボルト頭用部材を予め螺着固定することにより構成されるボルトと、
   上記棒状部材における他の一端に形成された雄ねじ部に対して着脱自在に螺着されるナットとを備え、
   上記棒状部材と上記ボルト頭用部材は、さらに接着剤、溶接、噛み込み又はかしめにより固定されてなること
   を特徴とするボルト接合構造。
5. 右ねじからなる熱処理後転造成形された雄ねじ部と、左ねじからなる熱処理後転造成形された雄ねじ部を両端に形成させた棒状部材と、上記左ねじからなる雄ねじ部に対して螺合可能な雌ねじ部が形成されたボルト頭用部材とを有し、上記棒状部材の少なくとも一端に形成された雄ねじ部に対して上記ボルト頭用部材を予め螺着固定することにより構成されるボルトと、
   上記棒状部材における右ねじからなる雄ねじ部に対して着脱自在に螺着されるナットとを備えること
   を特徴とするボルト接合構造。
6. ナットの雌ねじとのピッチ差のない熱処理後転造成形された雄ねじ部と、上記雌ねじとのピッチ差が存在する熱処理後転造成形された雄ねじ部を両端に形成させた棒状部材と、上記ピッチ差が存在する雄ねじ部に対して螺合可能な雌ねじ部が形成されたボルト頭用部材とを有し、上記ピッチ差が存在する雄ねじ部に対して上記ボルト頭用部材を予め螺着固定することにより構成されるボルトと、
   上記棒状部材におけるピッチ差のない雄ねじ部に対して着脱自在に螺着されるナットとを備えること
   を特徴とするボルト接合構造。
7. ねじ谷底部の応力集中係数が互いに異なる雄ねじ部が両端に形成された棒状部材で
   あることを特徴とする請求項１〜６のボルト接合構造。

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