JP2011509387A - 公差累積補正のための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明の実施形態は、第１部材を第２部材に固定するためのファスナの公差補正を成し遂げるための装置と方法を含む。上記装置と上記方法は、第１部材の第１開口で受けられるユニタリインサートの使用を含む。上記ユニタリインサートは、機械的ファスナがスロットホールと第１部材の第１開口とを貫通するようにスロットホールを画定することができる。このとき上記機械的ファスナは第２部材へ取り付けることができる。上記公差補正は、第１部材についてスロットホールの向きを調整することによって達成される。
【選択図】図６

Description

本発明の実施形態は、一般に、多様な物体を機械的に締める場合の開口公差寸法についての補正に関する。

ある物体を他の物体に固定するとき、製造時あるいは設計時の誤差は、干渉、ずれ及び／又は許容できない間隙をもたらす可能性がある。結果として、設計者は、一般に、物体の寸法を設計し仕様を定めるときの多少の公差を認める。この公差は、一般に、例えばASME Y14.5M-1994に明示されているように、幾何公差（ＧＤ＆Ｔ)を通して物体に適用される。設計者と技術者は、厳格な寸法を定めることの利益と、厳格な寸法および公差とした製造物体の高コストとのバランスを頻繁にとる。これは、寸法と公差とが頻繁に混ざり合う結果となり、最も重要な寸法だけが厳格な寸法記入及び公差の必要条件と共に明記される。

図１は、物体１０の部分の平面図と、直径Ｆを有する従来のファスナ１１０の横断面を概略的に示す。直径Ｆはｆの公差を有する。ファスナ１１０は、直径Ｈを有する大きいスルーホール１２０すなわち貫通孔１２０を通過することによって上記物体１０を固定する。直径Ｈはｈの公差を有する。次の式（Ｅｑ）１Ａは、位置公差又は図１に示される大きいスルーホール１２０によりもたらされる公差補正Ｔを決めるための式の要点を説明する。
Ｅｑ．１Ａ Ｔ＝（（Ｈ−ｈ）−（Ｆ＋ｆ））／２

しかしながら、もしＨとＦのサイズが公差ｈとｆよりも著しく大きいならば、式１Ａは、次の式のように簡易化することができる。
Ｅｑ．１Ｂ Ｔ＝（Ｈ−Ｆ）／２

図１と式１Ｂを参照すると、位置公差Ｔは、スルーホール１２０の直径Ｈからファスナ１１０の直径Ｆを差し引くことによって決めることができる。この式１Ｂの解は、一般的には、位置公差Ｔを得るために２で割る。ファスナのパターンと式１Ｂを使用する場合、スルーホール１２０の直径Ｈを大きくすることは、ボルトパターン位置の誤差に対してより大きな許容をもたらす。また、スルーホール１２０の直径を小さくすることは、ボルトパターン位置の誤差に対してより小さい許容をもたらす。

ある物体を、複数のファスナを用いて別の物体に固定する場合、結果として得られるスルーホール及びファスナのパターンにより、スルーホールとファスナのパターンと周囲の配列（ジオメトリー）とに設定された制限が重なる、または結果的に制限が生じることがある。そして、それぞれの物体上のファスナパターンに幾何公差の適用が要求される。上記パターンの数が増える、または上記パターンが複雑さを増す場合、幾何公差は製造コストを跳ね上げることもあり得る。加えて、２つあるいはそれ以上の独立パターンを使用するとき、つまり、本来は組み合わせて使用することを意図されていない独立のパターンを使用する場合、またはおそらく異なった設計パラメーターに設計され寸法記入された独立のパターンを使用する場合、パターン間の寸法に対する信頼性のない制限を包含することがある。例えば、野外に駐留している軍用車に強化装甲またはパネルを取り付ける場合、同時に使用することが意図されていない、既存の関連のないファスナパターンの使用が必要となる場合がある。

厳格なまたは複雑な公差を補正するために、または２つの独立したパターンを組み合わせて使用する場合に、信頼性のない制限についての補正は、スルーホールの直径を大きくするといった、大きな主要部を用いることで達成される場合がある。しかしながら、大きな主要部（feature）は、多様な物体間の接合部分性能を低下させる結果となる。

以前の試みは、インサートへの２部品（two-piece）アプローチを利用している。米国特許Ｎｏ．5,141,357は、外側、内側両方の本体部材を使用するファスナインサートを開示する。米国特許Ｎｏ．4,309,123は、内部軸受け筒と外部軸受け筒からなる締結部材を開示する。両引例とも、複合的要素を有することの欠点に悩まされ、追加部品点数や複雑性が結果として生じている。さらに、２部品設計の使用は、追加的に公差についての検討、すなわち、ファスナとインサート間およびインサートと取り付け板間だけでなく、インサートの２部品間についても公差の検討を要する。その上、どのような２部品インサート構造でも、製造、出荷、設備、その他このような検討に関する追加のエンジニアリングコスト及び生産コストが生じる結果となる。

開口幾何公差（GD＆T)を補正し、接合部分性能を維持する必要が現実に存在する。本発明の実施形態は公差補正のための装置および方法を含む。

好ましい一実施形態において、公差補正のための装置は、第１面、第２面、側面を有するユニタリ部材を包含することができる。ユニタリ部材と機械的ファスナは、第１部材を第２部材に固定するよう構成することができる。ユニタリ部材の側面と第２面は、第１部材における第１開口によって、少なくとも部分的に受けることができる。ユニタリ部材は、第１面から第２面へ貫通するスロットホールすなわちスロット状の穴を画定することができる。スロットホールは、機械的ファスナを受けるよう構成することができ、機械的ファスナが、スロットホールと第１開口とを貫通して、第２部材に固定されるようにできる。機械的ファスナの位置公差に対する補正を、第１部材に対するスロットホールの向きを調整することによって達成することができる。

別の好ましい実施形態において、公差補正のための方法は、第１部材に第１開口を形成することを含むことができる。上記方法は、第１部材の第１開口の中にユニタリインサートを設置することを含むことができる。上記方法は、ユニタリインサートの内部に形成されたスロットホールの中に機械的ファスナを差し込むことを含むことができる。上記方法は、第１部材に対するユニタリ部材のスロットホールの向きを調整することを含むことができる。上記方法はまた、第２部材に機械的ファスナを固定することを含むことができる。

別の好ましい実施形態において、公差補正のための装置は、第１部材と、第２部材と、機械的ファスナと、第１面、第２面、側面を有するユニタリインサートとを含むことができる。ユニタリ部材の側面と第２面とを、第１部材における第１開口によって、少なくとも部分的に受けることができる。ユニタリ部材は、第１面から第２面に貫通するスロットホールを画定することができる。スロットホールは、機械的ファスナを受けるよう構成されることができ、機械的ファスナが、スロットホールと第２部材に固定される第１開口とを貫通する。機械的ファスナの位置公差に対する補正を、第１部材に対するスロットホールの向きを調整することによって達成することができる。

図１は、直径Ｈの大形スルーホールの内部における直径Ｆからなる従来のファスナを示す平面図である。

図２は、ラジアルインサートを示す等角図である。

図３は、図２のラジアルインサートを示す平面図である。

図４は、図３におけるラジアルインサートのＡ−Ａ断面を示す横断面図である。

図５は、図２のラジアルインサートに関して、可能性がある公差補正を概略的に示す図である。

図６は、６個の機械的ファスナのパターンに用いた４個のラジアルインサートの実施例を概略的に示す等角図である。

図７は、６個の機械的ファスナのパターンに用いた４個のラジアルインサートの実施例を示す図６の平面図である。

一般に、本発明の実施形態は、改良された公差補正と、多様な物体を機械的に締め付けるための方法とを提供する。本発明の一の実施形態は、ラジアルインサートを含み、このラジアルインサートは、機械的ファスナとスルーホールを用いて多様な物体を機械的に接続するためのものである。ラジアルインサートの使用は、物体上のファスナおよび／またはスルーホール要素間で、信頼性のない制限について補正するために用いられることができる。ここで開示するラジアルインサートと方法は、幾何公差（ＧＤ＆Ｔ)に関連して実行されることができる。しかし、このラジアルインサートは、特定のアプリケーションのための設計基準を満たす別の機械的に締められた物体に関連して実施されることもできる。

図２は、ラジアルインサート１００の等角図を示しており、ラジアルインサート１００は、中心軸に平行なスロットホール１０１すなわちスロット状の穴１０１を有する一つだけの円形ディスクからなる。また、ラジアルインサート１００は、ユニタリ部材である。円形ディスクの外面は、締め付け荷重を付加するよう構成された形状を含めることができる。例としては、インサートの側面に、２つの機械的に締められた物体間の接合部分に向かって、既定テーパー１０２を形成することができる。テーパー１０２は、ファスナの位置がタイトにまたはルーズに制限されている場合に、ある物体を別の物体に機械的に固定する助けとなることができる。機械的ファスナのパターンを用いて２以上の物体を接続する場合、スロットホール１０１は、ラジアルインサートが大きくなった公差の重なり（large tolerance stack-up）を補正することを可能とする。また、スロットホール１０１は幅以上に長い長さを有することができ、あるいはちょうど卵形（楕円形）にスロットホール１０１を形成することができる。以下により詳細に論じるように、円形ディスクの外周の既定テーパーは、２つの締められた物体間に締め付け荷重を与えることができ、２つの物体の接合部分間の剪断力（shear）を増加した締め付け荷重に転換することができる。そして、事実上、２つの物体間の接合部分性能が向上する。

図３と図４は、それぞれ、ラジアルインサート１００の平面図と断面図（図３のＡ−Ａ断面図）を示す。図に示すように、スロットホール１０１は、軸１０１ａと軸１０１ｂとの間の距離によって定まるスロット長Ｌを有する。スロット軸１０１ａは、ラジアルインサートの中心線を共有する。図３に示すように、軸１０１ａと軸１０１ｂとの間のスロット長Ｌに沿って様々な位置に配置されたファスナを収容するために、スロットホール１０１の端部は円形または別の形状とすることができる。スロットホール１０１はまた、幅Ｗを有する。ラジアルインサートのサイズは、スロットホールの配置とサイズとを含めて、特定の実施設計パラメーターによって調整される場合もある。

図５は、図２のラジアルインサートに関連した、可能性がある公差補正を概略的に示す。図５に示すように、軸１０１ａについての（ラジアルインサートの回転による）スロットホール１０１の回転は、軸１０１ｂによって定められる円１０３と、スロットホール１０１の物理的端部によって定められる円１０４とを作り出す。円１０３は、スロット長Ｌによって定められる半径を有する。ラジアルインサートを回転させ、スロットホール１０１の長さに沿ってファスナ１１０を動かすことによって、ファスナ１１０の軸１１０ａは、円１０３上のどこでも、または、円１０３の中のどの位置でも置くことができる。例えば、図５に示すように、ファスナ１１０の軸１１０ａがスロットホール１０１の軸１０１ａと一直線になるように、ファスナ１１０をラジアルインサート１００の中心に配置することができる。加えて、ファスナ１１０’として図５に示すように、ファスナを右手側上方に配置することができ、軸１０１ａ’はラジアルインサートの中心から離れて配置される。ラジアルインサートを回転させ、スロットホール１０１に沿ってファスナをスライドさせることによって、このファスナ１１０’の位置を簡単に実現することができる。

このラジアルインサートを使用と、スロットホール１０１におけるファスナ１１０についての位置公差Ｔは、以下の式によって定義することができる。
Ｅｑ．２Ａ Ｔ＝（２（Ｌ−ｌ）＋（Ｗ−ｗ）−（Ｆ＋ｆ））／２
Ｌは公差ｌを、Ｗは公差ｗを、そしてＦは公差ｆを有する。

しかし、Ｌ、Ｗ、Ｆのサイズが公差ｌ、ｗ、ｆよりもかなり大きいものであるならば、式２Ａを、以下のように簡略化することができる。
Ｅｑ．２Ｂ Ｔ＝（２Ｌ＋Ｗ−Ｆ）／２

式１Ｂと式２Ｂを比較する場合、従来のアプローチが、（式１ＢのＴが式２ＢのＴと等しくなるように）式２Ｂにおける位置公差にマッチするためには、直径Ｈは２Ｌ＋Ｗと等しくなければならない。結果として、Ｈは、同じ位置公差とするためにスロットホール１０１よりもかなり大きくならざるを得ない。ラジアルインサート１００と同等の位置公差を提示するために十分な大きさのホール（穴）は、ホールの領域を覆うための大きい座金を必要とする。しかしながら、おそらく当業者が十分に理解するように、大きいホールは、所望のクランプ性能を得るために、ますます大きな直径と厚さの座金を必要とする。

図６と図７は、それぞれ、６個の機械的ファスナのパターンに用いた４個のラジアルインサート１００の実施例についての等角図と平面図を概略的に示す。ラジアルインサート１００は、プレート１３０とパネル１４０との間に締め付け荷重を与える。一例として、プレート１３０には、装甲板や機械基盤または滑り板等、ボルトパターンを用いて固定されるように構成される要素が含まれる。同様に、パネル１４０には、乗り物の一部分その他のプレート１３０がボルト固定されるように構成された要素が含まれる。図６と図７において、パネル１４０は、スレッドホールパターンすなわちネジ穴パターンを含むことができ、図６と図７に示すように、このスレッドホールパターンは、ファスナ１１０を受けるために持ち上がったスレッドホール１４１を含む。プレート１３０は、２通りの位置決めホール１３２を有し、この２通りの位置決めホール１３２は、プレート１３０をパネル１４０に対して軸方向に拘束するが、回転を可能にする。プレート１３０は、１通りの位置決めスロットホール１３３を有し、このスロット１３３は、プレート１３０をパネル１４０に対して正しい位置（方向）に置き、ホール１３２回りのプレート１３０の回転を制限する。パネル１４０のスレッドホール１４１に対して、テーパードホール１３１をプレート１３０に設置することができる。ラジアルインサート１００の既定テーパー１０２におよそ一致させるためにホール１３１と共に、既定テーパー１３１’を用いることができることは、理解されるはずである。ファスナ１１０と座金１１１を用いてラジアルインサート１００とプレート１３０とをパネル１４０に固定すると、テーパー１０２はテーパー１３１’と相互に作用して、プレート１３０とパネル１４０との間に締め付け荷重を与える。

取り付けの間、ラジアルインサート１００はテーパードホール１３１に設置され、スロットホール１０１がスレッドホール１４１に合うまで回転することができる。ラジアルインサート１００の回転は、スロットホール１０１をランダムに径方向に向かせることになり、ラジアルインサートがテーパードホール１３１とスレッドホール１４１の開口公差位置を補正することができるようにする。

ボルトやスクリューや他の知られた機械的ファスナ等の機械的ファスナ１１０を堅く締める場合、機械的ファスナ１１０は、ラジアルインサート１００に締め付け荷重を加える。同様に、ラジアルインサート１００は、プレート１３０のテーパー１３１’に締め付け荷重を加える。テーパー１３１’に加えられた締め付け荷重は、最終的に、パネル１４０に対してプレート１３０を拘束する。

軸１０１ａに垂直な方向にプレート１３０が押しやられる場合には、ラジアルインサートの既定テーパー１０２とテーパードホール１３１の既定テーパーとを、ラジアルインサート１００の既定テーパー１０２に対する反作用によって横方向の動きや力に反抗するよう構成することが考えられる。このような装置は、横方向の動きを機械的ファスナ１１０におけるさらに高い張力または締め付け力に変えるように構成することができる。したがって、ラジアルインサート１００は、図６、７に示すように適用される場合、横方向の動きや力をプレート１３０とパネル１４０との間の高い締め付け力に変えることによってプレート１３０とパネル１４０との間の接合部分性能を向上することができる。

一例として、図６、７に示されるラジアルインサートは、８分の７インチ（２．２２cm）の幅にすることができる。このとき、上部の直径は２．９インチ（７．３７cm）で、下部の直径は２．１インチ（５．３３cm）であり、円形ディスクからなるラジアルインサート外周部のテーパーを効果的に定める。スロットホールは１．１インチ（２．７９cm）の幅に、スロット長Ｌは０．３インチ（０．７６cm）にすることができ、スロットホールの一の端部の位置は、上記円形ディスクの中心軸と整合している。

図６、７に示すプレート１３０の例においては、テーパードホール１３１の直径は変化することが理解されるはずである。テーパー１３１’がテーパー１０２と共に機能し、あるいはおおよそテーパー１０２に一致する限りは、テーパードホール１３１の全直径はあまり重要ではない。図６、７におけるプレート１３０は既定のテーパー１３１’を含むけれども、テーパードホール１３１の直径がラジアルインサート１００の最大直径よりも小さい限りは、どのようなテーパー１３１’もなしにテーパードホール１３１を構成することもできる。このような状況下において、ラジアルインサートのテーパー１０２は、なおも締め付け荷重を移動するために作用することができ、どのような横方向の動きや力でもプレート１３０とパネル１４０との間のさらに高い締め付け力に変えるために作用することができる。

ラジアルインサートを別のファスナパターンや別の型のファスナと使用することができる。例えば、図６、７に示す持ち上がったスレッドホール１４１は、パネル１４０の中に持ち上がりのないシンプルなスレッドホールやシンプルなスルーホールを代わりに含めることができ、このスレッドホールやスルーホールは、通しボルトやスレッドナットすなわちねじナットが締め付け力を加えるために用いられることを可能にする。加えて、ファスナ１１０とスレッドホール１４１は次のように逆転することができる。インサート１００の中を通って上方に伸びるようにスレッドファスナすなわちねじファスナをパネル１４０に溶接し、またはパネル１４０に他の方法で取り付けて、ナットまたは他のこのようなスレッドファスナで固定することができる。

ラジアルインサート１００の側面は、代わりの構成を含むこともできると考えられる。例えば、インサートの側面は、ショルダー形またはステップ形（図示せず）を含むことができる。インサート１００の最外端の直径を、ショルダーやステップがパネルの最上部の上にのるように、パネルのホールより大きく構成することができる。パネルのホールはインサートの側面のステップ形に一致させる必要はないけれども、もう１つの方法として、ホールおよび一致するステップ形を、パネルに形成して、ステップ形側面を有するラジアルインサート１００がホールに挿入される場合に、インサートとパネルの最上部を同一平面状にすることができる。

加えて、図示はしないけれども、ファスナパターンのすべてのファスナが、ラジアルインサートを用いることもあり得る。例えば、図６、７に示すホール１３２、１３３は、ラジアルインサート１００を用いることもできるようにホール１３１と置き換えることもできる。

別の方法として、取り外し可能な部材（例えばプレート１３０）に代えて、常設の部材（例えばパネル１４０）にラジアルインサートが取り付けられるように、ラジアルインサート１００の配置を反対にすることができる。この別の構成において、ラジアルインサート１００はキャプチャナットで溶接リングの内側へ配置されることができ、上述のようにラジアルインサート１００の役割を効果的に逆転させる。例として、装甲パネルを車両にボルトでとめる場合、ラジアルインサート１００は、装甲パネルの一部の代わりに、車両の一部になるだろう。

具体的な実施形態に関して、ここに本発明を記載したが、様々な変化と改良が本発明の範囲から離れないで当業者によりなされる場合があると理解されるべきである。この変化と改良を網羅する本発明の実施形態が、添付の請求項の範囲に含まれることを意図する。

Claims (21)

1. 第１面、第２面、および側面を有し、機械的ファスナにより第１部材を第２部材に固定するユニタリ部材を備え、
   上記ユニタリ部材の上記側面と上記第２面は、上記第１部材における第１開口により、少なくとも部分的に受けられており、
   上記ユニタリ部材は、上記第１面から上記第２面に抜けるスロットホールを画定しており、上記スロットホールは、上記機械的ファスナを受けるよう構成されて、上記機械的ファスナが上記スロットホールと上記第１開口を通ることができ、上記第２部材に固定されるようになっており、
   上記機械的ファスナの位置公差についての補正は、上記第１部材に対する上記スロットホールの向きを調整することにより達成されることを特徴とする公差補正のための装置。
2. 請求項１に記載の公差補正のための装置において、
   上記ユニタリ部材の上記側面は、上記第１部材と上記第２部材との間に締め付け力を加えるように構成されることを特徴とする公差補正のための装置。
3. 請求項２に記載の公差補正のための装置において、
   上記ユニタリ部材の上記側面は、既定テーパーを有することを特徴とする公差補正のための装置。
4. 請求項３に記載の公差補正のための装置において、
   上記ユニタリ部材の上記側面の上記既定テーパーは、上記第１部材における第１開口のテーパーと一致することを特徴とする公差補正のための装置。
5. 請求項３に記載の公差補正のための装置において、
   上記ユニタリ部材は、上記第１部材と上記第２部材との間の剪断力を上記機械的ファスナのさらに高い張力に変換することを特徴とする公差補正のための装置。
6. 請求項１に記載の公差補正のための装置において、
   上記ユニタリ部材は、円錐台形状であることを特徴とする公差補正のための装置。
7. 請求項１に記載の公差補正のための装置において、
   上記スロットホールは、スロット長を規定しており、上記スロット長に沿った様々な位置で上記機械的ファスナを収容するようになっていることを特徴とする公差補正のための装置。
8. 請求項７に記載の公差補正のための装置において、
   上記スロットホールの端部は、ユニタリインサートの中心軸と一直線になることを特徴とする公差補正のための装置。
9. 第１部材の第１開口内にユニタリインサートを設置し、
   上記ユニタリインサートの中に形成されたスロットホールに機械的ファスナを挿入し、
   上記第１部材に対して上記ユニタリインサートの上記スロットホールの向きを調整し、
   上記機械的ファスナを第２部材へ固定することを特徴とする公差補正の方法。
10. 請求項９に記載の公差補正の方法において、
    上記ユニタリインサートの側面は、既定テーパーを有することを特徴とする公差補正の方法。
11. 請求項９に記載の公差補正の方法において、
    上記側面の上記既定テーパーは、上記第１部材の上記第１開口のテーパーと一致することを特徴とする公差補正の方法。
12. 請求項９に記載の公差補正の方法において、
    上記側面の上記既定テーパーは、上記第１部材と上記第２部材との間に締め付け荷重を与えることを特徴とする公差補正の方法。
13. 請求項９に記載の公差補正の方法において、
    上記スロットホールの上記向きの調整は、上記ユニタリインサートが、上記第１部材に対して上記スロットホールの開口公差位置を補正することを可能とすることを特徴とする公差補正の方法。
14. 第１部材と、
    上記第１部材に固定されるよう構成される第２部材と、
    機械的ファスナと、
    第１面、第２面および側面を有するユニタリ部材とを備え、
    上記ユニタリ部材の上記側面と上記第２面は、上記第１部材における第１開口により、少なくとも部分的に受けられており、
    上記ユニタリ部材は、上記第１面から上記第２面に抜けるスロットホールを画定しており、上記スロットホールは、上記機械的ファスナを受けるよう構成されて、上記機械的ファスナが上記スロットホールと上記第１開口を通ることができ、上記第２部材に固定されるようになっており、
    上記機械的ファスナの位置公差についての補正は、上記第１部材に対する上記スロットホールの向きを調整することにより達成されることを特徴とする公差補正のための装置。
15. 請求項１４に記載の公差補正のための装置において、
    上記ユニタリ部材の上記側面は、上記第１部材と上記第２部材との間に締め付け力を加えるよう構成されることを特徴とする公差補正のための装置。
16. 請求項１５に記載の公差補正のための装置において、
    上記ユニタリ部材の上記側面は、既定テーパーを有することを特徴とする公差補正のための装置。
17. 請求項１６に記載の公差補正のための装置において、
    上記ユニタリ部材の側面の上記既定テーパーは、上記第１部材における上記第１開口のテーパーと一致することを特徴とする公差補正のための装置。
18. 請求項１６に記載の公差補正のための装置において、
    上記ユニタリ部材は、上記第１部材と上記第２部材との間の剪断力を上記機械的ファスナのさらに高い張力に変換することを特徴とする公差補正のための装置。
19. 請求項１４に記載の公差補正のための装置において、
    上記ユニタリ部材は、円錐台形状であることを特徴とする公差補正のための装置。
20. 請求項１４に記載の公差補正のための装置において、
    上記スロットホールは、スロット長を規定しており、上記スロット長に沿った様々な位置で上記機械的ファスナを収容するようになっていることを特徴とする公差補正のための装置。
21. 請求項２０に記載の公差補正のための装置において、
    上記スロットホールの端部は、ユニタリ部材の中心軸と一直線になることを特徴とする公差補正のための装置。

Images