JP2008256206A - 圧力嵌め式締結接続具およびその形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧着面間で永久に高い摩擦値を得ることができる。
【解決手段】圧力嵌め式締結接続具は、第１の金属圧着面３と、第２の金属圧着面４と、圧着面３，４同士を互いに締結するための締結要素とを備えている。第１の圧着面３は、微小起伏および微小凹部を有する硬化された微細表面構造を形成する。第２の圧着面４は第１の圧着面３よりも低い硬度を有している。第１の圧着面３は、硬化作業の前に、サンドブラスト、ショットブラストまたはエンボス加工によって表面処理されることが好ましい。また、高いトルクを伝達するためにそのような締結接続具を備えるフランジ接続具および形成方法も記載されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、第１の金属圧着面と、第２の金属圧着面と、圧着面同士を互いに締結するための締結要素とを備える圧力嵌め式締結接続具に関する。また、本発明は、対応する形成方法に関する。

締結要素がねじとして形成されるそのような締結接続具は、一般に従来技術により知られている。ねじでの剪断応力を防止するため、そのような締結接続具は、通常、接続されるべき部品の圧着面が静止摩擦によって互いに対して固定されるように形成される。

予め規定された締め付けトルクを用いてねじ接続具を締め付けると、ねじ頭部の下側に初期応力が形成され、この初期応力は、接続されるべき部品間に摩擦力を生み出す。部品間で伝えられる力が摩擦力を下回る限り、上記部品は互いに強固に接続されたままである。一方、摩擦力を超える場合には、部品が互いに対して滑る。

ねじ接続は、通常、以下のパラメータを考慮に入れることにより形成される。
Ａｓ：ねじの応力断面
σｓ：使用されるねじ材料の強度
η：ねじ強度の利用率
μ：個々の部品間の摩擦値

これらのパラメータを使用して、個々の部品間で伝えられる最大負荷を以下のように概算することができる。
Ｆ_max＝μ・η・Ａ_ｓ・σ_ｓ

金属ねじ接続具を形成する際、ここでの摩擦値は、表面の状態および潤滑の状態に応じて０．１０〜０．１８の間である。この摩擦値は、様々な更なる手段によって増大させることができる。例えば、互いに接続されるべき部品の圧着面をサンドブラストすることができ、あるいは、これらの圧着面を摩擦増大層でコーティングすることができる。この場合、最大で０．５の摩擦値を得ることができる。

しかしながら、これらの手段は、締結接続具を解放して再締結する場合、動的応力の場合、または、圧着面の滑りの場合に、表面粗さが減少し或いはコーティングが除去されるため、摩擦値が減少されるという欠点を有している。初めに与えられた摩擦値を維持できなければ、幾つかの場合、十分な確実性をもって所望レベルの静止摩擦を確保するために、対応する部品を再締結前に後加工する必要があり、あるいは、部品を交換する必要がある。これは、高負荷に晒される締結接続具の場合に特に重要である。

こうした背景の下、本発明の目的は、接続されるべき圧着面間で永久に高い摩擦を得ることができる締結接続具を提供することである。

この目的は、請求項１に係る締結接続具によって達成される。本発明に係る締結接続具は、第１の金属圧着面と、第２の金属圧着面と、圧着面同士を互いに締結するための締結要素とを備えている。第１の圧着面が微小起伏および微小凹部を有する硬化された微細表面構造を形成するとともに、第２の圧着面が第１の圧着面よりも低い硬度を有していることを特徴とする。

圧着面が締結要素によって互いに締結されると、第１の圧着面の微小起伏が第２の圧着面内へ入り込み、それにより、いわゆる微小歯（microtoothing）が形成される。第１の圧着面上に形成された硬化された微細表面構造は、締結接続具の複数の解放および締結後であっても維持され、それにより、従来技術とは異なり、摩擦値が減少しない。このようにすると、解放可能な締結接続具において０．２０〜０．５の範囲の高い摩擦値を永久に維持することができる。

本発明の更なる有利な実施形態が請求項で特定されている。

第２の圧着面においては、表面粗さに関する特別な要件が存在しない。しかしながら、第２の圧着面は、可能な限り低い任意の固着作用を維持するために、第１の圧着面よりも低い表面粗さを有していることが好ましい。第２の圧着面は、例えば切削機械加工作業によって形成されても良く、また、原理的には、表面粗さを増大させる機械加工後作業の前に第１の圧着面と同じ表面粗さを有していても良い。

第１の圧着面を形成する場合には、切削機械加工作業によって、かなり顕著な微小起伏および微小凹部、したがって、大きな表面粗さを、第１の圧着面上に形成することができる。しかしながら、これらの微小起伏および微小凹部は、別個の粗さ増大表面処理によって得られることが好ましい。

本発明の１つの好ましい実施形態において、微小起伏および微小凹部は、サンドブラスト、ショットブラスト、または、例えばローレット加工などのエンボス加工によって形成される。

ＤＩＮ４７６８にしたがって第１の圧着面上に形成される平均粗さ深さ値Ｒ_Ｚは、１０〜１００μｍの範囲であることが好ましい。

原理的には、第１の圧着面全体に均一な表面構造が形成されても良い。しかしながら、表面粗さが高い第１の圧着面の領域だけを形成することもできる。本発明の１つの有利な実施形態によれば、大きな表面粗さを有する微小起伏および微小凹部を備える領域は、更に低い表面粗さを有する領域と交互に位置していても良い。

この場合には、特に、大きな粗さを有する領域だけを表面処理することができ、一方、残りの領域は更なる表面処理に何ら晒されない。しかしながら、第１の圧着面全体が硬化されることが有益である。

前述した圧力嵌め式締結接続具は、高い横方向力またはトルクが圧力嵌め式接続具を介して伝えられなければならないどのような場合においても使用することができる。

本発明の１つの有利な実施形態において、これは、第１のフランジと、第２のフランジと、１つ以上の締結スリーブ、および、第２のフランジを第１のフランジに対して固定するために締結スリーブに対して割り当てられる締結要素とを備えるフランジ接続具において使用される。この場合、締結スリーブは、端面を圧力嵌め態様で第１のフランジに対して圧着させることができるとともに、ベアリング圧によって第２のフランジと係合する。したがって、第１のフランジから第２のフランジへの横方向力またはトルクの伝達は、直接に行なわれず、むしろ、締結スリーブの介在によって行なわれる。好ましくは、この場合、第１の圧着面がいずれの場合にも締結スリーブの端面上に形成され、第２の圧着面が第１のフランジ上に形成されることが有益である。

しかしながら、更に硬い第１の圧着面を有する第１のフランジと、更に軟らかい第２の圧着面を有する締結スリーブとを形成することも考えられる。

締結スリーブが第１のフランジに対して直接に圧着されるため、低い軸方向力を伴って或いは軸方向力を全く伴うことなく、第２のフランジを第１のフランジと締結スリーブとの間に配置することができる。第２のフランジは、締結スリーブに対して接着結合されることが好ましい。

締結スリーブを第２のフランジに対して固定するため、上記締結スリーブは、いずれの場合にも、第２のフランジの対応する開口穴内へ延びるテーパ延在部を有している。この場合、延在部の軸長は、記開口穴の穴深さに等しく或いは当該穴深さよりも僅かに大きいことが好ましい。第１のフランジに対する任意の軸方向補償は接着材料によって行なわれる。この構造によれば、第２のフランジに対する高い初期応力が回避され、それにより、第２のフランジを非金属材料、特に繊維複合材料から形成することができる。

また、前述した目的は、請求項１４に係る形成方法であって、最初に第１の圧着面が形成され、第１の圧着面が、その後、表面粗さを増大させる機械的な表面処理に晒され、それにより、第１の圧着面上に微小起伏および微小凹部が形成され、その後、形成された微小起伏および微小凹部が硬化によって定着され、それにより、第２の圧着面よりも大きい表面硬度が第１の圧着面に対して与えられることを特徴とする形成方法によっても達成される。

好ましくは、第１の圧着面は、硬化作業の前に、サンドブラスト、ショットブラストまたはエンボス加工によって表面処理される。方法の１つの有利な実施形態において、第１の圧着面は、表面処理前に、成形プロセスまたは切削機械加工プロセスによって形成される。

以下、図面に示される実施形態に基づいて、本発明を更に詳しく説明する。

第１の実施形態は、２つのフランジ１，２間で横方向力Ｆ_Ｑを伝えるための圧力嵌め式締結接続具を示している。２つのフランジ１，２は、それぞれの金属圧着面３，４によって互いに当接しており、ここではボルト６およびナット７として形成される締結要素５によって互いに締結される。

締結要素５の初期応力Ｆvは、圧着面３，４間で固着作用の効果が生じる際に伝えられるべき横方向力Ｆ_Ｑに対して以下の条件を満たす垂直抗力Ｆ_Ｎが生み出されるように選択される。
Ｆ_Ｎ・μ＞・Ｆ_Ｑ

摩擦値μが高くなればなるほど、伝えることができる横方向力Ｆ_Ｑも大きくなる。したがって、本発明においては、圧着面のうちの一方３または４に、従来の圧着面対と比べて高い表面粗さが与えられ、それにより、微小起伏および微小凹部を備える微細な表面構造が得られる。粗さが高いこの構造は、締結接続具の解放および締結が頻繁になされる場合であっても且つ動的応力の場合でも当該構造が維持されるように、表面硬化によって定着される。

対向する圧着面４または３は、それに比べて低い硬さを有しており、これにより、締結状態において、第１の圧着面３の微小起伏は、第２の圧着面４と共に微小歯を形成する。

第１の圧着面３および第２の圧着面４も、最初に、従来の方法で、例えば切削機械加工または成形プロセスによって形成される。その後、第１の圧着面３は、表面粗さを増大させる表面処理およびその後の硬化作業に晒されるが、第２の圧着面４に関しては更なる措置が何ら必要ない。

従来の方法で形成される圧着面の場合において０．１０〜０．１８の範囲の摩擦値が得られれば、第１の圧着面３の更なる表面処理の結果として、０．２０〜０．５の範囲の永久に増大された摩擦値が得られる。

原理上、第１の圧着面３の表面処理に適した方法は、所定の表面粗さを機械的に生み出すために使用できる全ての方法である。適した方法は、特に、微小起伏および微小凹部を例えばサンドブラスト、ショットブラスト、および、ローレット加工を含むエンボス加工法などの成形によって主に形成できる方法である。

第１の圧着面３における平均粗さ深さＲ_Ｚは、好ましくは１０〜１００μｍの範囲にあり、より好ましくは２０〜６３μｍの範囲にある。

本明細書中で説明される実施形態において、第２の圧着面４は、第１の圧着面３よりも小さい粗さ深さＲ_Ｚを有している。適した値は、２．５〜１００μｍの範囲にあり、好ましくは２．５〜４０μｍの範囲にある。締結および解放の繰り返しによってもたらされる第２の圧着面４に対する任意の平滑作用は何ら問題を引き起こさない。これは、それぞれの締結作業時に、第２の圧着面４の低い硬度に起因して、微小歯が新たに形成されるからである。

図示実施形態の改良では、第１の圧着面３を形成する際に例えば切削機械加工によって第１の圧着面３上に所定の増大された表面粗さを形成し、その後、硬化によってそれを定着させることができる。

また、この目的のために、表面粗さが大きい第１の圧着面３の部分領域のみを設けるとともに、それに応じてそれらの部分領域を処理することもできる。

図２は、高いトルクを伝えるために前述したタイプの圧力嵌め式締結接続具が使用されるフランジ接続具を示している。

フランジ接続具は、金属材料、好ましくはスチールから形成された第１のフランジ８と、本明細書中では一例としてファイバ複合材料から形成される第２のフランジ９とを備えている。

また、フランジ接続具は、硬化可能なスチールから形成された複数の締結スリーブ１０と、これらの締結スリーブに対して割り当てられた捩じ込みボルトの形態を成す締結要素１１とを備えている。締結要素１１は、第１および第２のフランジ８，９を貫通され、いずれの場合にもヘッド１２が第１のフランジ８に接触した状態で支持される。また、各締結要素１１は締結スリーブ１０に対して螺合されており、この目的のため、締結スリーブ１０は雌ねじを有している。

締結スリーブ１０は、いずれの場合にも、ベアリング圧によるトルク伝達を可能にするため、第２のフランジ９の対応する開口穴１５を通じて延びるテーパ延在部１４を有している。各締結スリーブ１０は、取り付け状態において、延在部１４の端面１６で第１のフランジ８に対して圧着される。

第１のフランジ８と締結スリーブ１０との間で高いトルクを圧力嵌め態様で伝達するために、第１の実施形態に関連して説明した第１の圧着面３が締結スリーブ１０上に設けられ、一方、第２の圧着面４が第１のフランジ８上に位置される。

特に図３から分かるように、表面粗さが高い硬化された微細表面構造がそれぞれの締結スリーブ１０の端面１６上に位置され、それにより、その微小起伏および微小凹部が第１のフランジ８と係合するようになっている。また、図３にも示されるように、締結スリーブ１０の対応する表面処理を端面１６に限定することができ、それにより、本発明に係る方法の特に経済的な使用がもたらされる。特に、硬化は、表面処理された端面１６の領域でのみ行なわれることが好ましい。

締結スリーブ１０は、第２のフランジ９に対して更に接着結合されても良い。延在部１４の軸長は、少なくとも第２のフランジ９の厚さに対応している。第１のフランジ８に対する第２のフランジ９の任意の軸方向遊びは、接着材料を硬化することにより補償される。

前述した方法を使用することにより、ショットブラストまたはサンドブラストによる粗面化およびその後の表面硬化の結果として、従来通りに形成される圧着面の場合には約０．１５となるそのようなフランジ接続具の摩擦値を、０．２よりも大きい値まで永久的に増大させることができ、したがって、伝達可能な最大トルクを増大させることができる。特に、ここでは、０．２８〜０．３５の範囲の値を得ることができる。

以上、実施形態に基づいて本発明を詳しく説明してきた。しかしながら、本発明は、これらの実施形態に限定されず、むしろ、請求項によって規定される全ての実施形態を包含する。

本発明に係る圧力嵌め式締結接続具の第１の実施形態の断面図を示している。 本発明に係る圧力嵌め式締結接続具の第２の実施形態の断面図を示している。 図２の締結スリーブの側面図を示している。

符号の説明

３…第１の金属圧着面、４…第２の金属圧着面、５…締結要素、８…第１のフランジ、９…第２のフランジ、１０…締結スリーブ、１１…締結要素

Claims (16)

1. 第１の金属圧着面（３）と、
   第２の金属圧着面（４）と、
   前記第１の金属圧着面（３）と前記第２の金属圧着面（４）とを互いに締結させるための締結要素（５）と
   を備える圧力嵌め式締結接続具において、
   前記第１の金属圧着面（３）が微小起伏および微小凹部を有する硬化された微細表面構造を形成し、
   前記第２の金属圧着面（４）が前記第１の金属圧着面（３）よりも低い硬さを有していることを特徴とする、圧力嵌め式締結接続具。
2. 前記第２の金属圧着面（４）が前記第１の金属圧着面（３）よりも低い表面粗さを有していることを特徴とする、請求項１に記載の圧力嵌め式締結接続具。
3. 前記第１の金属圧着面（３）が１０〜１００μｍの範囲の平均粗さ深さＲ_Ｚを有していることを特徴とする、請求項１または２に記載の圧力嵌め式締結接続具。
4. 前記微小起伏および凹部が、粗さを増大させる表面処理によって得られることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧力嵌め式締結接続具。
5. 前記微小起伏および凹部が、サンドブラスト、ショットブラストまたはエンボス加工によって得られることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧力嵌め式締結接続具。
6. 前記第１の金属圧着面（３）および前記第２の金属圧着面（４）からなる摩擦表面対が０．２０〜０．５の範囲の摩擦値を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧力嵌め式締結接続具。
7. 前記第１の金属圧着面（３）が、表面粗さが大きい微小起伏および微小凹部を備える領域と、表面粗さが低い更なる領域とを有していることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧力嵌め式締結接続具。
8. 前記第１の金属圧着面（３）が表面処理領域と非表面処理領域とを有し、前記表面処理領域が前記非表面処理領域よりも大きい表面粗さを有していることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の圧力嵌め式締結接続具。
9. 前記第１の金属圧着面（３）が全面的に表面処理されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の圧力嵌め式締結接続具。
10. 当該圧力嵌め式締結接続具が解放可能であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の圧力嵌め式締結接続具。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の圧力嵌め式締結接続具を備えるフランジ接続具であって、
    −第１のフランジ（８）と、
    −第２のフランジ（９）と、
    −１つ以上の締結スリーブ（１０）、および、前記第２のフランジ（９）を前記第１のフランジ（８）に対して固定するために前記締結スリーブに対して割り当てられる締結要素（１１）と
    を備え、
    前記締結スリーブ（１０）が、端面（１６）を圧力嵌め態様で前記第１のフランジ（８）に対して圧着させることができるとともに、ベアリング圧によって前記第２のフランジ（９）と係合し、
    前記第１の金属圧着面（３）がいずれの場合にも前記締結スリーブ（１０）の端面（１６）上に形成され、前記第２の金属圧着面（４）が前記第１のフランジ（８）上に形成される、フランジ接続具。
12. 前記第２のフランジ（９）が前記締結スリーブ（１０）に対して接着結合されることを特徴とする、請求項１１に記載のフランジ接続具。
13. 前記締結スリーブ（１０）が、いずれの場合にも、前記第２のフランジ（９）の対応する開口穴（１５）内へ延びるテーパ延在部（１４）を有し、前記延在部（１４）の軸長が前記開口穴（１５）の穴深さに等しく或いは当該穴深さよりも僅かに大きく、前記第１のフランジ（８）に対する任意の軸方向補償が接着材料によって行なわれることを特徴とする、請求項１１または１２に記載のフランジ接続具。
14. 第１の金属圧着面（３）と、第２の金属圧着面（４）と、前記圧着面同士を互いに締結するための締結要素（５；１１）とを備える圧力嵌め式締結接続具を形成するための方法であって、最初に前記第１の金属圧着面（３）が形成される方法において、
    前記第１の金属圧着面（３）が、その後、表面粗さを増大させる機械的な表面処理に晒され、それにより、前記第１の金属圧着面上に微小起伏および凹部が形成され、その後、形成された微小起伏および微小凹部が硬化によって定着され、それにより、前記第２の金属圧着面（４）よりも大きい表面硬度が前記第１の金属圧着面（３）に対して与えられることを特徴とする、方法。
15. 前記第１の金属圧着面（３）が、硬化作業の前に、サンドブラスト、ショットブラストまたはエンボス加工によって表面処理されることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. 前記第１の金属圧着面（３）が、表面処理前に、成形プロセスまたは切削機械加工プロセスによって形成されることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。

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