JP2013104538A

JP2013104538A - ねじ締結構造

Info

Publication number: JP2013104538A
Application number: JP2011250849A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Saito; 靖浩斎藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2013-05-30

Abstract

【課題】耐ゆるみ性とねじ強度の両立を図ることができるねじ締結構造を提供すること。
【解決手段】第１の被締結物１１と第２の被締結物１２とを、頭部とねじ部とを有するボルト１０で締結するねじ締結構造１において、第１の被締結物１１がめねじ１１ａを有するとともに、第２の被締結物１２が貫通孔１２ａを有し、ねじ部２３が、めねじ１１ａとの間のクリアランスが小さくなるよう、先端部に所定の長さでおねじが形成された高等級おねじ２３ａと、めねじ１１ａとの間のクリアランスが大きくなるよう、高等級おねじ２３ａに連続して頭部方向に所定の長さでおねじが形成された低等級おねじ２３ｂとを備え、第１の被締結物１１と頭部との間に第２の被締結物１２が位置するようボルト１０で締結したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ねじ締結構造、特に耐ゆるみ性とねじ強度との両立を図ったねじ締結構造に関する。

一般に、振動を受ける車両の部品を締結するボルトのねじ締結構造に対して、ゆるみ対策や、ねじ抜け対策が施されている。
従来、この種のねじ締結構造として、ボルト軸部の先端部から所定部まで形成されたピッチＰの並目ねじ部と、この並目ねじ部の全長もしくは先端部から並目ねじ部の所定部まで並目ねじ部に重ねて形成されたピッチｐ（ｐ＝Ｐ／ｎ、ｎは２以上の整数）の細目ねじ部とを有したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

このねじ締結構造は、ボルト軸部の先端部から所定部までは、ピッチＰの並目ねじ部とピッチｐの細目ねじ部との両者が形成された複数ピッチのねじ締結構造を有している。
この複数ピッチのねじ締結構造においては、ボルトの並目ねじ部には並目ナットをねじ結合させ、細目ねじ部には細目ナットをねじ結合させてボルトおよびナットを締結させることができる。この場合、並目ナットおよび細目ナットが一体となって回転すると、両ナット間の接触面に反発力や摩擦力が働き並目ナットがゆるむ方向に回転するのを防止することができる。

また、並目ねじ部に重ねて細目ねじ部が形成されるので、並目ねじ部の山部の切除される部分が浅くて済むので、ボルトの機械的強度の低下を防止することができ、ボルトおよびナットの締結力を維持することができる。

国際公開第２００２−０７７４６６号

しかしながら、従来のねじ締結構造においては、ボルト軸部の先端部から所定部までは、ピッチＰの並目ねじ部とピッチｐの細目ねじ部との両者が形成されているので、剪断面の減少が避けられず、なお耐剪断性などの機械的強度の低下が避けられないという問題があった。また、従来のねじ締結構造のように、ボルトに並目ナットを結合させ、次いでボルトの先端部に細目ナットを結合させるよう構成されており、２種のナットが必要となっている。

単一の部材にナットに相当するねじ穴が形成されている構造の場合には、ナットのねじ部が１種のねじでないと、ねじ結合し難い。したがって、従来のねじ締結構造は単一の部材にナットに相当するねじ穴が形成されているものに適用し難いという問題があった。
また、一般に、ねじ等級が１級のねじは、２級のねじと比較して耐ゆるみ性が低くなっている。２級のねじで耐ゆるみ性を向上させるためには、ねじのサイズアップをするなど、高い軸力を有するねじにする必要がある。
他方、２級のねじは、１級のねじと比較して、ねじ抜け強度などのねじ強度が低くなっている。最終破壊モードがねじ抜けになるねじ締結構造の場合、２級のねじでは、軸力を上げることができ難い。

特に、自動車部品の場合には、小型、軽量化が強く求められるため、耐ゆるみ性、あるいはねじ強度の向上が必要になっても、安易にボルトサイズアップを行うことができない。そのため、締結部位への入力の低減を図るなど、ときには自動車の走行性能を低下させても、ねじ締結部位の信頼性を確保しなければならないという問題もある。

本発明は、前述のような従来の問題を解決するためになされたもので、耐ゆるみ性とねじ強度の両立を図ることができるねじ締結構造を提供することを課題とする。

本発明に係るねじ締結構造は、上記課題を解決するため、（１）第１の被締結物と第２の被締結物とを、頭部とねじ部を有するねじで締結するねじ締結構造において、前記第１の被締結物がめねじを有するとともに、前記第２の被締結物が貫通孔を有し、前記ねじ部が、前記めねじとの間のクリアランスが小さくなるよう、先端部に所定の長さでおねじが形成された高等級おねじと、前記めねじとの間のクリアランスが大きくなるよう、前記高等級おねじに連続して前記頭部方向に所定の長さでおねじが形成された低等級おねじとを備え、前記第１の被締結物と前記頭部との間に前記第２の被締結物が位置するよう前記ねじで締結したことを特徴とする。

この構成により、本発明に係るねじ締結構造においては、耐ゆるみ性とねじ強度の両立を図ることができる。すなわち、ねじ部が、クリアランスが小さく形成された高等級おねじと、クリアランスが大きくなるよう形成された低等級おねじとを備えている。
その結果、低等級おねじの大きなクリアランスにより、高等級おねじと比較して、よりねじの耐ゆるみ性を向上させることができる。

また、高等級おねじのクリアランスが小さく形成されているので、低等級おねじと比較して、ねじのねじ抜け強度などのねじ強度を向上させることができる。

また、ねじ部においては、高等級おねじが先端部に形成され、低等級おねじが第２の被締結物側、すなわち頭部に近接した側に形成されているので、第２の被締結物と頭部との間の相対滑りをより吸収し易くすることができる。他方、高等級おねじが先端部に形成されているので、ねじのねじ抜け強度をより確保することができる。

本発明によれば、耐ゆるみ性とねじ強度の両立を図ることができるねじ締結構造を提供することができる。

実施形態に係るねじ締結構造の断面図であり、（ａ）は、各構成要素を分解した状態を示し、（ｂ）は、各構成要素を締結した状態を示す。実施形態に係るねじ締結構造のねじの図であり、（ａ）は、ねじの平面図を示し、（ｂ）は、ねじの側面図を示す。実施形態に係るねじ締結構造のおねじおよびめねじの拡大断面図である。実施形態に係るねじ締結構造のおねじおよびめねじの拡大断面図である。実施形態に係るねじ締結構造のゆるみを説明する模式図である。

以下、実施形態に係るねじ締結構造の構成について図面を参照して説明する。
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、ねじ締結構造１は、ねじとしてのボルト１０と、めねじ１１ａが形成された第１の被締結物１１と、貫通孔１２ａが形成された第２の被締結物１２とを含んで構成されている。ねじ締結構造１においては、第２の被締結物が第１の被締結物のめねじ１１ａにボルト１０がねじ結合することにより、第１の被締結物１１と第２の被締結物１２とが所定の圧縮力でねじ締結される。

ボルト１０は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、頭部２１と、軸部２２と、ねじ部２３とを有している。
頭部２１は、六角頭２１ａとフランジ２１ｂとを有しており、いわゆるフランジ付きボルトを構成している。頭部２１の形状は、このフランジ付きボルトに限らず他の形状であってもよい。例えば、六角穴付き、四角、ナベおよびトラスなどの他の形状を有するものであってもよい。

軸部２２は、円柱からなり、頭部２１と一体に長さＬで形成されている。
ねじ部２３は、軸部２２の外周に形成されたおねじからなり、高等級おねじ２３ａと、低等級おねじ２３ｂとを有している。おねじの大きさ、いわゆる呼び径に限定はなく、例えば、Ｍ１２、Ｍ６、Ｍ３などの呼び径のものであってもよい。また、ねじの種類に限定はなく、並目や細目であってもよく、メートルねじやユニファイねじであってもよい。

高等級おねじ２３ａは、第１の被締結物１１のめねじ１１ａとの間のクリアランスが小さくなるよう、先端部に長さＬ_１で形成されている。具体的には、高等級おねじ２３ａは、ねじ等級が１級で形成されている。ＩＳＯ等級で表すと４ｈで形成されている。

このクリアランスは、図３に示すおねじ有効径ｄ_２とめねじ有効径Ｄ_２との間にできる隙間Ｓ_２を表している。なお、図３中の（ＮＯＭ）はいわゆる公称寸法を表しており、Ｄはめねじ谷の径、Ｄ_１はめねじ内径、ｄはおねじ外径、ｄ_１はおねじ谷の径、Ｓ_１はめねじ谷の径Ｄとおねじ外径ｄとの間にできる隙間をそれぞれ表している。また、図３中の下側は高等級おねじ２３ａの断面、上側はめねじ１１ａの断面を表しており、Ｗ_１は、高等級おねじ２３ａのねじ剪断断面の幅を表している。

低等級おねじ２３ｂは、第１の被締結物１１のめねじ１１ａとの間のクリアランスが大きくなるよう、高等級おねじ２３ａに連続して頭部２１の方向に長さＬ_２で形成されている。具体的には、低等級おねじ２３ｂは、ねじ等級が２級で形成されている。ＩＳＯ等級で表すと６ｇで形成されている。

このクリアランスは、図４に示すおねじ有効径ｄ_２とめねじ有効径Ｄ_２との間にできる隙間Ｓ_４を表している。なお、図４中の（ＮＯＭ）も公称寸法を表しており、Ｄはめねじ谷の径、Ｄ_１はめねじ内径、ｄはおねじ外径、ｄ_１はおねじ谷の径、Ｓ_３はめねじ谷の径Ｄとおねじ外径ｄとの間にできる隙間をそれぞれ表している。また、図４中の下側は低等級おねじ２３ｂの断面、上側はめねじ１１ａの断面を表しており、Ｗ_２は、低等級おねじ２３ｂのねじ剪断断面の幅を表している。

図３に示す剪断断面の幅Ｗ_１は、例えば、Ｍ１２のボルトの場合、０．６４ｍｍとなっており、図４に示す剪断断面の幅Ｗ_２の０．６１ｍｍに対して大きくなっている。このことは、ねじ締結された場合に、より大きな締結力に耐えうる強度を有していることになり、ねじの抜け強度が高等級おねじ２３ａの方が低等級おねじ２３ｂよりも高くなっていることを示している。

また、２級で形成されている低等級おねじ２３ｂの図４に示すおねじ有効径ｄ_２とめねじ有効径Ｄ_２との間にできる隙間Ｓ_４は、１級で形成されている高等級おねじ２３ａの図３に示すおねじ有効径ｄ_２とめねじ有効径Ｄ_２との間にできる隙間Ｓ_２よりも大きくなっている。
このことは、ボルト１０の耐ゆるみ性について、低等級おねじ２３ｂの方が高等級おねじ２３ａよりも高くなっていることを示している。

耐ゆるみ性は、ボルト１０のフランジ２１ｂの裏面、すなわち座面と第２の被締結物１２との間に発生するすべりの限界により左右される。座面にすべりを発生させない最大の第２の被締結物１２のすべり量を限界すべり量Ｓｃｒとすると、この限界すべり量以上のすべりでなければボルト１０の回転ゆるみは発生しないことになる。

実施形態の第１の被締結物１１においては、めねじ１１ａの傾きが拘束されているので、限界すべり量は、図５に模式的に示すように、締め付け状態でおねじとめねじとの軸直角方向に相対移動可能なすきまΔＴと、被締結物の厚みＬｃと、ねじのはめ合い長さＬｅｎｇと、軸力Ｆ_０と、座面の横すべり時の摩擦係数μｗｓと、ボルト材料の弾性係数と、ボルト断面の断面二次モーメントとにより決定される（これらの関係については、「増補ねじ締結概論」酒井智次著のＰ４８式（３．８４）を参照）。

具体的には、おねじとめねじとの軸直角方向のすきまΔＴが大きいほど、すなわちねじの精度が悪いほど、言い換えると、ねじの等級が１級よりも２級の方が、限界すべり量が大きくなる。すなわち大きなすべりまで許容できることになり、ボルトがゆるみ難くなる。

なお、被締結物の厚みＬｃが大きいほど、ねじはめ合い長さＬｅｎｇが小さいほど、軸力Ｆ_０が大きいほど、座面の横すべり時の摩擦係数μｗｓが大きいほど、ボルト断面の断面二次モーメントが小さいほど（細いほど）、ボルトはゆるみ難くなることが知られている。すなわち、耐ゆるみ性は、低等級おねじ２３ｂの方が高等級おねじ２３ａよりも高くなっていることが分かる。

ねじ部２３においては、高等級おねじ２３ａが先端部に形成され、低等級おねじ２３ｂが第２の被締結物１２側、すなわち頭部２１に近接した側に形成されていることが好ましい。低等級おねじ２３ｂが第２の被締結物１２側に形成されていると、第２の被締結物１２と頭部２１との間の相対滑りを吸収し易くすることができる。
他方、高等級おねじ２３ａが先端部に形成されていると、ボルト１０のねじ抜け強度をより確保することができる。

第１の被締結物１１は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、所定の厚みを有する板状体で構成されており、板厚方向に貫通して形成されためねじ１１ａを有している。
このめねじ１１ａには、ボルト１０の高等級おねじ２３ａおよび低等級おねじ２３ｂが挿通され、ねじ締結されるようになっている。

このめねじ１１ａは、全体がねじ等級の２級で形成されている。ＩＳＯ等級で表すと６Ｈで形成されている。
めねじ１１ａのねじ等級を１級とすると、ねじ抜け強度が重視されることになり、２級とすると耐ゆるみ性が重視されることになる。一般に、このようなねじ締結構造においては、過締め付け時のボルト破壊モードは、ボルト破断となるよう設計されることが多く、おねじ、めねじが２級同士でも、ねじ抜け強度が問題となることは少なくなっている。
したがって、耐ゆるみ性を重視して、めねじ１１ａのねじ等級を２級とすることが好ましい。

第２の被締結物１２は、第１の被締結物１１と同様、所定の厚みを有する板状体で構成されており、板厚方向に貫通して形成された貫通孔１２ａを有している。
この貫通孔１２ａには、ボルト１０の軸部２２およびねじ部２３が挿通されるようになっている。

本実施の形態に係るねじ締結構造１は、前述のように構成されているので、以下のような効果が得られる。

すなわち、ねじ締結構造１は、ボルト１０と、第１の被締結物１１と第２の被締結物１２とにより構成されており、第１の被締結物１１がめねじ１１ａを有するとともに、第２の被締結物１２が貫通孔１２ａを有している。そして、ボルト１０のねじ部２３が、めねじ１１ａとの間の隙間Ｓ_２が小さくなるよう、先端部に長さＬ_１でおねじが形成された高等級おねじ２３ａと、めねじ１１ａとの間の隙間Ｓ_４が大きくなるよう、高等級おねじ２３ａに連続してボルト１０の頭部２１方向に長さＬ_２でおねじが形成された低等級おねじ２３ｂとを備えている。

この構成により、本実施の形態に係るねじ締結構造１においては、耐ゆるみ性とねじ強度の両立を図ることができるという効果が得られる。

すなわち、ねじ部２３が、隙間Ｓ_２が小さくなるよう形成された高等級おねじ２３ａと、隙間Ｓ_４が大きくなるよう形成された低等級おねじ２３ｂとを備えている。
この点、低等級おねじ２３ｂが隙間Ｓ_４が大きくなるよう形成されているので、前述のように低等級おねじ２３ｂの方が高等級おねじ２３ａよりも、ボルト１０の耐ゆるみ性を向上させることができるという効果が得られる。

また、高等級おねじ２３ａが隙間Ｓ_２が小さくなるよう形成されているので、前述のように高等級おねじ２３ａの方が低等級おねじ２３ｂよりも、ボルト１０のねじ抜け強度などのねじ強度を向上させることができるという効果が得られる。
すなわち、耐ゆるみ性の向上とねじ強度の向上との両立を図ることができるという効果が得られる。

また、ねじ部２３においては、高等級おねじ２３ａが先端部に形成され、低等級おねじ２３ｂが第２の被締結物１２側、すなわち頭部２１に近接した側に形成されているので、第２の被締結物１２と頭部２１との間の相対滑りをより吸収し易くすることができるという効果が得られる。他方、高等級おねじ２３ａが先端部に形成されているので、ボルト１０のねじ抜け強度をより確保することができるという効果が得られる。

また、一般に、ねじの剪断破壊は、いわゆる軸力分担率の高い被締結物の接合面側から進行するため、被締結物側のおねじとめねじとのクリアランスを大きくすることで、ボルト先端側の軸力分担率を高くすることができる。その結果、ねじ部における剪断応力の均一化をも図ることができるという効果も得られる。

以上説明したように、本発明によれば、耐ゆるみ性とねじ強度の両立を図ることができるねじ締結構造を提供することができるという効果を奏し、広くねじ締結構造全般に有用である。

１ねじ締結構造
１０ボルト（ねじ）
１１第１の被締結物
１１ａめねじ
１２第２の被締結物
１２ａ貫通孔
２１頭部
２２軸部
２３ねじ部
２３ａ高等級おねじ
２３ｂ低等級おねじ
Ｓ_２、Ｓ_４隙間（クリアランス）

Claims

第１の被締結物と第２の被締結物とを、頭部とねじ部を有するねじで締結するねじ締結構造において、
前記第１の被締結物がめねじを有するとともに、前記第２の被締結物が貫通孔を有し、
前記ねじ部が、前記めねじとの間のクリアランスが小さくなるよう、先端部に所定の長さでおねじが形成された高等級おねじと、
前記めねじとの間のクリアランスが大きくなるよう、前記高等級おねじに連続して前記頭部方向に所定の長さでおねじが形成された低等級おねじとを備え、
前記第１の被締結物と前記頭部との間に前記第２の被締結物が位置するよう前記ねじで締結したことを特徴とするねじ締結構造。