JP2009063085A - 支圧ボルト接合方法および支圧ボルト接合用の支圧部材 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦接合と同等の施工性とコストで支圧ボルト接合を行う。
【解決手段】ボルト締結力によって変形可能かつボルト３と部材１との間の支圧を伝達可能なスリーブ状の支圧部材６を用いる。支圧部材をボルト孔２内に緩挿するとともにその内側にボルトを緩挿させてボルト締結し、支圧部材をボルト孔内面とボルトとの間の隙間内において軸方向に圧縮して肉厚を増大させるように径方向に変形させることにより、変形後の支圧部材を隙間内に密に充填してボルトと双方の部材との間で支圧伝達を行わしめる。支圧部材はスリーブ状の外観をなす柔軟なケース内に粒状体ないし粉粒体からなる支圧材料を流動可能に封入した構成とする。あるいはボルト締結力によって塑性変形可能な金属材料により支圧部材を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は部材どうしをボルト締結により接合するための支圧ボルト接合方法、及びそれに用いる支圧部材に関する。

周知のように従来一般の高力ボルト接合は摩擦接合であり、ボルトの導入軸力により発生する摩擦力により応力を伝達している。接合部に作用する力が摩擦耐力を越えるとボルト孔の内径とボルト軸部とのクリアランス分の滑りが発生し、それ以降はボルトと部材の支圧により応力が伝達される。
このような応力伝達機構に基づき、高力ボルトの許容耐力はボルト締め付けによる導入軸力に滑り係数0.45を乗じた滑り耐力で定められ、また最大耐力はボルトのせん断耐力で定められている。

ところで、過去においては一般的であったリベットによる接合や、打ち込み式の支圧ボルトによる接合では、ボルト孔内にクリアランスがなく初期段階から支圧による応力伝達が可能であるので、許容耐力をボルトのせん断耐力とすることができ、摩擦接合の場合よりも大きな耐力を見込むことができるが、そのような手法は現在では施工効率や施工環境の点でそのまま採用できるものではない。

そのため、たとえば特許文献１〜３に示されるような現代的な支圧ボルト接合手法についての提案がある。
特許文献１はボルト軸を中空とした第１ボルトと中実とした第２ボルトとを組み合わせて使用するものであり、特許文献２はボルトとボルト孔との間の隙間に接着剤を注入し硬化させるものであり、特許文献３はボルト軸部を切削により平滑面に仕上げることによりボルトをボルト孔に打ち込むことなく無騒音で挿入するというものである。
特開平７−１９２２７号公報 特開平８−２３２９３９号公報 特開２００４−３２４７１８号公報

しかし、特許文献１に示されるものは複雑かつ高価な組み合わせボルトを必要とし、特許文献２に示されるものは接着剤の併用による工程の複雑化とコスト増が不可避であり、特許文献３に示されるものはボルトに対する高精度の切削加工を必要とするので、いずれもコスト面や施工面で現実的ではなく広く普及するに至っていない。

上記事情に鑑み、本発明は施工性を損なうことなく、また大きなコスト増となることもない、合理的で有効適切な支圧ボルト接合手法を提供することを目的としている。

請求項１記載の発明は、接合するべき部材どうしをボルト締結により支圧伝達可能に接合するための支圧ボルト接合方法であって、接合対象の双方の部材に形成したボルト孔内に、ボルト締結力によって変形可能かつボルトと部材との間の支圧を伝達可能なスリーブ状の支圧部材を緩挿するとともに、該支圧部材の内側にボルトを緩挿させた後、該ボルトにナットを螺着してボルト締結し、該ボルト締結による締結力によって前記支圧部材をボルト孔内面とボルトとの間の隙間内において軸方向に圧縮して肉厚を増大させるように径方向に変形させることにより、変形後の支圧部材を前記隙間内に密に充填して該隙間を埋めて該支圧部材を介してボルトと双方の部材との間で支圧伝達を行わしめることを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、上記の支圧ボルト接合方法において用いる支圧部材であって、スリーブ状の外観をなす柔軟なケース内に、ボルトと部材との間の支圧を伝達可能な圧縮強度を有する粒状体ないし粉粒体からなる支圧材料を流動可能に封入してなることを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、同じく上記の支圧ボルト接合方法において用いる支圧部材であって、ボルト締結力によって塑性変形可能かつボルトと部材との間で支圧伝達可能な圧縮強度を有する金属材料をスリーブ状に形成してなることを特徴とするものである。

本発明の支圧ボルト接合方法によれば、ボルトに支圧部材を緩挿状態で装着し、そのボルトをボルト孔内に緩挿状態で装着したうえで、ボルト締結を行うことのみで、ボルト締結力によって支圧部材が自ずと変形してボルト孔とボルトとの間の隙間内に密に充填され、それにより支圧部材が充分な支圧耐力を発揮してこの支圧部材を介してボルトと部材との間で支圧伝達が有効になされる。したがって、従来一般の摩擦接合と同等程度の施工性とコストを維持しつつ合理的な支圧接合が可能であり、摩擦接合の場合に比べて充分な許容耐力を見込むことが可能となり、ボルト所要本数の削減が可能であるし、摩擦接合の場合には必要である摩擦面処理を不要とできる。

本発明の支圧部材は、スリーブ状の柔軟なケース内に粒状体や粉粒体等の支圧材料を封入したもの、あるいは塑性変形可能な金属材料からなるものであるので、いずれもボルト締結力によって容易に変形して隙間内全体に充填されて確実な支圧伝達が可能である。また、いずれも安価に製作できるものであるし、ボルトへの装着およびボルト孔への装着も容易に行うことができ、摩擦接合の場合に比べて作業効率が低下したりコスト増となることなく合理的な支圧ボルト接合が可能となる。

図１〜図３を参照して本発明の一実施形態を説明する。図中符号１は接合対象の部材、２は各部材１に形成されているボルト孔、３はボルト、４はナット、５はワッシャであり、６は支圧部材である。

図１に示すように、本実施形態においては部材１どうしを支圧接合するに際し、通常の摩擦接合の場合と同様にボルト孔２の内径をボルト３の径よりも大きくしておいてそれらの間にクリアランスを確保したうえで、そのクリアランスにスリーブ状の支圧部材６を介装し、ボルト締結力により支圧部材６を変形させてクリアランスを埋めることによって支圧部材６を介して支圧伝達を行うようにしたものである。

本実施形態において使用する支圧部材６の一例を図２に示す。これは、外径寸法がボルト孔２内に緩挿可能な大きさとされ、かつ内径寸法がボルト３を緩挿可能な大きさとされたスリーブ状（両端が開放されている円筒状）のものであるが、その形状は自由に変形可能なものである。
すなわち、この支圧部材６は、たとえばフィルム状の樹脂により形成された内外二重の壁面６ａをもつスリーブ状の外観をなす柔軟なケース６ｂの内部に、たとえば0.5mm径程度の微小な鋼球や鉄粉等の粒状体ないし粉粒体からなる支圧材料６ｃを流動可能な状態で封入してなるものであって、外力を加えるとケース６ｂが自由に変形するとともにケース６ｂ内において支圧材料６ｃが自由に流動することによって全体の形状が自由に変形可能とされたものである。したがってこの支圧部材６に対して図２（ｃ）に示すように軸方向に圧縮力を加えると、全体が軸方向に縮むように変形すると同時に肉厚が増大するように径方向にも変形するものとなる。

なお、上記のように支圧部材６は樹脂成型により安価に製作可能なケース６ｂに単なる鋼球や鉄粉等の安価な支圧材料６ｃを封入しただけのものであるので、所定規格で大量生産することにより充分に安価に製作可能であり、これを使用することによるコスト増は些少である。
また、支圧部材６の形状・寸法は、上記のようにボルト孔２に対して容易に緩挿可能かつボルト３を容易に緩挿可能な程度の大きさとしたうえで、ボルト締結による変形後にはクリアランス全体を埋めることができるように設定すれば良く、要は少なくとも埋めるべきクリアランスの体積相当分の支圧材料６ｃを封入しておけば良い。
勿論、支圧材料６ｃとしては鋼球や鉄粉に限らず、クリアランスに密に充填された状態で所望の支圧耐力を発揮できるような圧縮強度を有するものであれば良く、その限りにおいて支圧材料６ｃの素材や粒径、封入密度は適宜設定すれば良いし、支圧材料６ｃの粒径を均等に揃えてもあるいは所定の粒度分布を持たせることでも良い。
ケース６ｂについても、支圧材料６ｃを流動可能に収容しかつ自由に変形できるものであれば良いのであって、その限りにおいて樹脂に限らず適宜の素材が採用可能である。

支圧部材６の寸法についての一具体例を挙げれば、接合対象の部材１が12mm厚の鋼板であり、ボルト３がM20であり、ボルト孔２が26mmφである場合に使用するものとしては、外径を24mm、内径を22mm、したがって肉厚を1mm、高さ（軸方向長さ）を20mmとしたものを用いると良い。この場合には、支圧部材６とボルト孔２およびボルト３との間にはそれぞれ2mmのクリアランスが確保されるから、ボルト孔２内への支圧部材６の装着や支圧部材６内へのボルト３の装着をいずれも容易に行うことができ、かつボルト締結により確実に変形して変形後にはクリアランス全体を完全に埋めることができる。
なお、ボルト締結時にケース６ｂが破断あるいは破裂してしまっても、支圧材料６ｃがボルト孔２から漏れ出さなければ特に差し支えない。
また、図３に示しているように部材１どうしがクリアランスの範囲内でずれている場合であっても、支圧部材６はずれに応じて（すなわち隙間の形状に応じて）自由に変形してクリアランスを確実に埋めることが可能である。

本実施形態の支圧ボルト接合方法は、図１（ａ）に示したようにボルト３に支圧部材６を装着してボルト孔２に緩挿した後、（ｂ）に示すようにワッシャ５を介してナット４を螺着して単に締結するものである。なお、支圧部材６は予めボルト３に装着しておくことでも良い。また、図示例のように２枚の部材１を接合する場合には各部材１に対応する２つの支圧部材６を用いてそれぞれのボルト孔２内に配置すれば良いが、あるいは２枚分の板厚に相当する長さ（つまり、図示例の支圧部材６の２倍の長さ）の１つの支圧部材を用いることでも良い。
これにより、ボルト締結力によって支圧部材６はクリアランス内において図２（ｃ）に示したように変形して支圧材料６ｃがクリアランス全体に自ずと密に充填され、それ以降はクリアランス内における支圧材料６ｃの流動が拘束されて充分な圧縮強度を発揮し、その結果、この支圧部材６を介してボルト３と部材１との間で支圧が有効に伝達されることになる。

したがって本実施形態の支圧ボルト接合方法によれば、リベット打ちや支圧ボルトを打ち込むといった過去の支圧接合手法や、特許文献１〜３に示されるような各種の支圧ボルト接合手法のような面倒な手間や高精度に加工した高価な特殊部品を用いることなく、従来一般の摩擦接合と同等程度の施工性とコストを維持しつつ合理的な支圧接合が可能である。その結果、摩擦接合の場合に比べて充分な許容耐力を見込むことが可能となり、ボルト所要本数の削減が可能であるし、摩擦接合の場合には必要である摩擦面処理を不要とできる。

なお、本発明において用いる支圧部材としては、上記のように柔軟なケース６ｂ内に支圧材料６ｃとしての微小鋼球等の粒状体ないし鉄粉等の粉粒体を封入した構成の支圧部材６が好適に採用可能ではあるが、支圧部材としてはそのような構成のものに限らず、たとえば低降伏点鋼や鉛材、アルミ材のような比較的軟質で塑性変形可能かつ所望の圧縮強度を有する金属材料を素材として、図４に示すような単なるスリーブ状（短管状）の支圧部材７とすることも可能である。その場合も、ボルト締結力によって支圧部材７全体を塑性変形させてクリアランス全体を埋めることによって所望の支圧耐力を発揮し得るようにその支圧部材７の形状・寸法と素材を設定しておくことにより、上記の支圧部材６を用いる場合と同様の効果が得られる。

本発明の実施形態である支圧ボルト接合方法の手順を示す図である。 同、支圧部材の一例を示す図である。 同、支圧部材の変形状態を示す図である 同、支圧部材の他の例を示す図である。

符号の説明

１ 部材（接合対象の部材）
２ ボルト孔
３ ボルト
４ ナット
５ ワッシャ
６ 支圧部材
６ａ 壁面
６ｂ ケース
６ｃ 支圧材料（粒状体ないし粉粒体）
７ 支圧部材

Claims (3)

1. 接合するべき部材どうしをボルト締結により支圧伝達可能に接合するための支圧ボルト接合方法であって、
   接合対象の双方の部材に形成したボルト孔内に、ボルト締結力によって変形可能かつボルトと部材との間の支圧を伝達可能なスリーブ状の支圧部材を緩挿するとともに、該支圧部材の内側にボルトを緩挿させた後、該ボルトにナットを螺着してボルト締結し、
   該ボルト締結による締結力によって前記支圧部材をボルト孔の内面とボルトとの間の隙間内において軸方向に圧縮して肉厚を増大させるように径方向に変形させることにより、変形後の支圧部材を前記隙間内に密に充填して該隙間を埋めて該支圧部材を介してボルトと双方の部材との間で支圧伝達を行わしめることを特徴とする支圧ボルト接合方法。
2. 請求項１記載の支圧ボルト接合方法において用いる支圧部材であって、
   スリーブ状の外観をなす柔軟なケース内に、ボルトと部材との間の支圧を伝達可能な圧縮強度を有する粒状体ないし粉粒体からなる支圧材料を流動可能に封入してなることを特徴とする支圧ボルト接合用の支圧部材。
3. 請求項１記載の支圧ボルト接合方法において用いる支圧部材であって、
   ボルト締結力によって塑性変形可能かつボルトと部材との間で支圧伝達可能な圧縮強度を有する金属材料をスリーブ状に形成してなることを特徴とする支圧ボルト接合用の支圧部材。

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