JP2016053379A

JP2016053379A - 雌ネジ構造及び雌ネジの形成方法

Info

Publication number: JP2016053379A
Application number: JP2014178755A
Authority: JP
Inventors: 田中　浩一; Koichi Tanaka; 浩一田中
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2014-09-03
Filing date: 2014-09-03
Publication date: 2016-04-14

Abstract

【課題】経済性と汎用性に優れた形でボルトの疲労破壊を防止する。
【解決手段】本発明に係る雌ネジ構造１に設けられた雌ネジ３は、従来の雌ネジと同様に内径が軸線に沿って一定となるように構成してあるが、該雌ネジに形成されたネジ山５のうち、ボルト２が挿入される開口６の断面位置と該開口から深さＤだけ奥側に位置する断面位置との間に形成されたネジ山については、それらの高さが開口断面位置に向けて徐々に低くなるように構成してあり、本実施形態では同図(b)に示すように、ネジ山５の高さｈが、奥側断面位置における高さｈ_１から、開口断面位置での高さｈ_２まで、直線的に減少するように該ネジ山を構成してある。
【選択図】図１

Description

本発明は、様々な産業分野で用いられる雌ネジ構造及び雌ネジの形成方法に関する。

ボルト締結による部材同士の連結や取付けは、機械、土木、建築など、さまざまな産業用途で広く使用されているが、取付け部位によっては、機械振動、あるいは地震等の外乱による振動が繰り返し荷重としてボルトに作用する。

このような状況では、上述した繰り返し荷重によってボルトが疲労破壊する懸念があるが、疲労破壊によるボルトの破損は、機械全体あるいは構造物全体に影響を及ぼしかねないため、ボルトを採用する際には、その疲労強度を十分考慮して設計するとともに、取付け後は、定期的な保守点検が必要不可欠となる。

ここで、ボルトに引張荷重が作用する場合、該ボルトが螺合される雌ネジからの反力によって該ボルトに引張応力が生じるが、この引張応力は、材軸方向に沿って均一とはならず、ボルトの頭部に最も近い雌ネジのネジ山と係合する箇所で最大となり、該ネジ山からボルト先端側に向けて小さくなる。

そして、従来のボルトでは、引張荷重が作用したとき、雌ネジの挿入開口近傍に引張応力が集中し、疲労破壊もこの断面位置で生じることが多い。

これを踏まえ、特許文献１には、「雄螺子部のボルト頭側又はボルト円筒部側の螺子山の頂部の一部が除去され前記ボルト頭側又は前記ボルト円筒部側に向かって螺子山外径が縮径したテーパ部を備えたボルト」が提案されているとともに、かかる構成によれば、「並目ナットと螺合されるテーパ部の各々の螺子山の高さが、分担する面圧力に逆比例して漸減するので、テーパ部の各々の螺子山の荷重分担が均一化し、並目ナットを螺合した際に、並目ナットのボルト頭側又はボルト円筒部側（内側）の端面近傍のテーパ部の螺子谷底に引張りや曲げの応力が集中するのを緩和でき、疲労強度を大幅に向上することができる」（段落［０００５］）と記載されている。

また、非特許文献１には、「ボルトのねじ山の漸減研削によって、ねじ部の荷重分担を均一にし、応力集中を緩和し、さらにねじ面の片当りを減少させ、疲労強度を向上」させることが可能なボルトが開示されている。

特開２００９−１７４５６４号公報

「ＣＤボルト」、株式会社ＮＳボルテン、[平成２６年７月８日検索]、インターネット＜URL : http://www.bolten.co.jp/nsb/newpage3-11.htm＞

しかしながら、上述のようにボルトを加工すると、その断面積が減少して耐荷重性能が低下する懸念があるという問題や、いずれも複雑な加工が必要であって、製作コストが高くなるため、保守点検が困難な部位に用いるなど、その用途が限定されるという問題を生じていた。

また、非特許文献１が参照するＣＤボルトカタログ第５頁には、ボルトの位置に関し、「ナットの掛かる位置、すなわちナット端面がボルトのＣＤ加工の中央付近にくるように」すると記載されていることからもわかる通り、上述のボルトはいずれも、ネジ山頂部での径が材軸方向に沿って変動するため、通常のボルトナットとは異なり、特定の範囲で雌ネジと螺合される必要がある。

すなわち、上述したボルトには、雌ネジと螺合される箇所に関して最適範囲が存在し、それゆえ、被締結物の厚みに応じてさまざまな長さサイズを多数用意しなければならず、汎用性に欠けるという問題も生じていた。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、経済性と汎用性に優れた形でボルトの疲労破壊を防止可能な雌ネジ構造及び雌ネジの形成方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る雌ネジ構造は請求項１に記載したように、外径及びネジ山の高さが軸線に沿って一定となるように構成された雄ネジが螺合され内径が軸線に沿って一定となるように構成された雌ネジが設けられた雌ネジ構造において、
前記雌ネジに設けられるネジ山のうち、前記雄ネジが挿入される開口の断面位置と該開口から所定の深さだけ奥側に位置する断面位置との間に設けられるネジ山を、それらの高さが前記開口の断面位置に向けて徐々に低くなるように構成したものである。

また、本発明に係る雌ネジの形成方法は請求項２に記載したように、内径及びネジ山の高さが軸線に沿って一定となるように構成された既存の雌ネジに設けられたネジ山のうち、該雌ネジに螺合される雄ネジが挿入される開口の断面位置と該開口から所定の深さだけ奥側に位置する断面位置との間に設けられたネジ山を、それらの高さが前記開口の断面位置に向けて徐々に低くなるように切削することであらたな雌ネジを形成するものである。

第１の発明に係る雌ネジ構造においては、内径については、従来の雌ネジと同様に軸線に沿って一定となるよう形成してあるが、雌ネジに設けられるネジ山のうち、雄ネジが挿入される開口の断面位置（以下、開口断面位置）と該開口から所定の深さだけ奥側に位置する断面位置（以下、奥側断面位置）との間に設けられるネジ山は、それらの高さが開口断面位置に向けて徐々に低くなるように構成してある。

このようにすると、雄ネジのネジ山と雌ネジのネジ山とが係合する面積、換言すれば両者の荷重伝達に寄与する面積は、奥側断面位置以遠では従来の雌ネジと同様、軸線に沿って均一であるが、その手前側では、開口断面位置に向けて徐々に小さくなり、開口断面位置では最小となる。

したがって、従来においては、雄ネジの引張荷重に対し、雌ネジがその開口断面近傍で大きな反力を発生させて該引張荷重を支持し、そのために雄ネジに生じる引張応力は、雌ネジの開口断面を過ぎると急激に減少していたところ、第１の発明においては、雌ネジは、その開口断面から一定深さに至る範囲にわたって反力を発生させ、雄ネジの引張荷重を支持する。

そのため、雄ネジに生じる引張応力は、雌ネジの開口断面から深さ方向に向けて緩やかに低下する傾向へと変化し、かくして開口断面位置近傍での応力急変による疲労破壊が未然に防止される。

雌ネジ構造には、雌ネジ部材、典型的にはナットが包摂されるほか、機械、設備、土木建築構造部材その他の構造体に雌ネジ孔あるいは雌ネジ穴として雌ネジが設けられた構成が包摂される。

ネジ山の高さは、開口断面位置に向けて徐々に低くなるように構成される限り、直線的に変化させるか曲線的に変化させるかは任意であるし、奥側断面位置の深さも任意に定めることができるが、これらを、雄ネジに生じる引張応力の低下の度合いが最も緩やかになるように定めれば、応力急変による疲労破壊をさらに確実に防止することができる。

第１の発明に係る雌ネジ構造の雌ネジをどのように形成するかは任意であって、従来公知の方法、例えば下穴を穿孔した後、該下穴の内面にタップでネジ山を切って形成するようにしてもかまわないが、以下に述べるように第２の発明を用いて雌ネジを形成することが可能である。

すなわち、第２の発明に係る雌ネジの形成方法においては、内径及びネジ山の高さが軸線に沿って一定となるように構成された既存の雌ネジに設けられたネジ山のうち、該雌ネジに螺合される雄ネジが挿入される開口の断面位置と該開口から所定の深さだけ奥側に位置する断面位置との間に設けられたネジ山を、それらの高さが開口の断面位置に向けて徐々に低くなるように切削することであらたな雌ネジを形成する。

このようにすると、既存の雌ネジを利用する分、下穴を穿孔するプロセスや雌ネジを切るプロセスを省略することができるので、第１の発明に係る雌ネジ構造の製作プロセスを大幅に簡略化することが可能となる。

切削は、例えばリーマを用いて行えばよい。

本実施形態に係る雌ネジ構造１を、軸線を含む断面で示した図（縦断面図）であり、(a)は全体図、(b)は詳細図。本実施形態に係る雌ネジの形成方法の実施手順を示した縦断面図。本実施形態に係る雌ネジ構造１を、ボルト２が螺合された状態で示した縦断面図であり、(a)は全体図、(b)は詳細図。雌ネジ構造の作用を示した説明図であり、(a)は従来の雌ネジ構造におけるボルト２との螺合状態と該ボルトに生じる引張応力の分布図、(b)は本実施形態に係る雌ネジ構造１におけるボルト２との螺合状態と該ボルトに生じる引張応力の分布図。

以下、本発明に係る雌ネジ構造及び雌ネジの形成方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

図１(a)は、本実施形態に係る雌ネジ構造を示した縦断面図である。同図に示すように、本実施形態に係る雌ネジ構造１は、ナットに設けられる雌ネジや、機械、設備、土木建築構造部材その他の構造体に雌ネジ孔あるいは雌ネジ穴として設けられる雌ネジに適用されるものであり、外径及びネジ山の高さが軸線に沿って一定となるように構成された雄ネジとしてのボルト２が螺合されることを前提とする。

本実施形態に係る雌ネジ構造１に設けられた雌ネジ３は、従来の雌ネジと同様に内径が軸線に沿って一定となるように構成してあるが、該雌ネジに形成されたネジ山５のうち、ボルト２が挿入される開口６の断面位置（以下、開口断面位置）と該開口から深さＤだけ奥側に位置する断面位置（以下、奥側断面位置）との間に形成されたネジ山については、それらの高さが開口断面位置に向けて徐々に低くなるように構成してあり、本実施形態では同図(b)に示すように、ネジ山５の高さｈが、奥側断面位置における高さｈ_１から、開口断面位置での高さｈ_２まで、直線的に減少するように該ネジ山を構成してある。

本実施形態に係る雌ネジ構造１の雌ネジ３を形成するには、図２(a)に示すように従来一般的な雌ネジ、すなわち内径及びネジ山の高さが軸線に沿って一定となるように構成された既存の雌ネジ２１に対し、同図(b)に示すようにリーマ２２を開口６から挿入するとともに、該リーマを回転させることにより、雌ネジ２１のネジ山のうち、開口６の断面位置と該開口から深さＤだけ奥側に位置する断面位置との間に形成されたネジ山を、それらの高さｈが図１(b)で示したように、奥側断面位置における高さｈ_１から、開口断面位置での高さｈ_２まで直線的に減少するように切削し、該切削プロセスによってあらたな雌ネジ３を形成する。

図３は、本実施形態に係る雌ネジ構造１を、ボルト２が螺合された状態で示した縦断面図である。同図でわかるように、本実施形態に係る雌ネジ構造１においては、ボルト２のネジ山と雌ネジ３のネジ山とが係合する面積、換言すれば両者の荷重伝達に寄与する面積は、奥側断面位置以遠では従来の雌ネジと同様、軸線に沿って均一であるが、その手前側では同図(b)でわかるように、開口断面位置に向けて徐々に小さくなり、開口断面位置では最小となる。なお、同図(b)では、係合面積の変化を径方向の幅の変化として矢印で示してある。

そのため、従来においては、ボルト２の引張荷重に対し、雌ネジがその開口断面近傍で大きな反力を発生させて該引張荷重を支持し、それゆえボルト２に生じる引張応力は図４(a)に示すように、雌ネジの開口断面を過ぎると急激に減少していたところ、本実施形態に係る雌ネジ構造１においては、雌ネジ３は、その開口断面から一定深さに至る範囲にわたって反力を発生させる形で、ボルト２の引張荷重を支持するので、ボルト２に生じる引張応力は図４(b)に示すように、雌ネジ３の開口断面から深さ方向に向けて緩やかに低下する傾向へと変化する。

以上説明したように、本実施形態に係る雌ネジ構造１によれば、雌ネジ３に設けられるネジ山のうち、開口断面位置と奥側断面位置との間に設けられるネジ山の高さが開口断面位置に向けて徐々に低くなるように該雌ネジを構成したので、ボルト２の引張応力分布は、開口断面位置を過ぎると急激に低下していた従来に比べ、開口断面位置から奥側断面位置に向けて緩やかに低下する傾向へと変化し、かくして開口断面位置近傍での応力急変による疲労破壊が未然に防止される。

また、本実施形態に係る雌ネジ構造１によれば、ボルト２の引張荷重の反力として雌ネジ３に生じるせん断力が、開口断面位置近傍に応力集中していた状況から、深さ方向に向けて緩やかに低下する傾向へと変化する、すなわち、せん断力が分散してせん断応力のピーク値が低下することとなり、雌ネジ３側においても応力負担が大幅に軽減される。

また、本実施形態に係る雌ネジの形成方法によれば、本実施形態に係る雌ネジ構造１を既存の雌ネジ２１を利用して形成するようにしたので、該既存の雌ネジ２１を利用できる分、下穴を穿孔するプロセスや雌ネジを切るプロセスを省略することが可能となり、本実施形態に係る雌ネジ構造１の製作プロセスを大幅に簡略化することができる。

１雌ネジ構造
２ボルト（雄ネジ）
３雌ネジ
５ネジ山
６開口
２１既存の雌ネジ

Claims

外径及びネジ山の高さが軸線に沿って一定となるように構成された雄ネジが螺合され内径が軸線に沿って一定となるように構成された雌ネジが設けられた雌ネジ構造において、
前記雌ネジに設けられるネジ山のうち、前記雄ネジが挿入される開口の断面位置と該開口から所定の深さだけ奥側に位置する断面位置との間に設けられるネジ山を、それらの高さが前記開口の断面位置に向けて徐々に低くなるように構成したことを特徴とする雌ネジ構造。
内径及びネジ山の高さが軸線に沿って一定となるように構成された既存の雌ネジに設けられたネジ山のうち、該雌ネジに螺合される雄ネジが挿入される開口の断面位置と該開口から所定の深さだけ奥側に位置する断面位置との間に設けられたネジ山を、それらの高さが前記開口の断面位置に向けて徐々に低くなるように切削することであらたな雌ネジを形成することを特徴とする雌ネジの形成方法。