JP2016060269A - ホイールナットセットの取り付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ホイールナットは大きな温度変化・荷重変化にあっても緩むことなく、しかも、弾性限界を越えることなく、頻繁に車軸のハブボルト２に取り付け・取り外しをしても変形しないもので、そのホイールナットは軽量、低価格で、取り付け・取り外し作業が安全で労力を要しないことである。
【解決手段】ベースナット２０と、トルクナット４０とから成り、ベースナット２０のハブ側はホイール体押圧部６を有し、その反対面には倍力締結凸部２５を具備しており、トルクナット４０の側端は六角対角距離を略直径とするボックススパナ止めフランジがあり、ハブ側の面は倍力締結凹部４５を有し、その反対面は平面を具備していて、ハブボルト２に対して、始めにベースナット２０で所望する軸力ＰＴを発生させた後、トルクナット４０を締めてベースナット２０をハブボルト２に固着して運用実施することで主要な解決ができる。
【選択図】図１

Description

本発明は自動車などの車輪を装着したり交換したりするとき、車軸のハブボルト２に取り付け・取り外しするホイールナットに関する。

ホイールナットは緩むと自動車の走行の安全を阻害するおそれがあり、定期点検等で頻繁に緩み状態の監視を要する重要な部品である。ホイールナットの緩み止めには専らナットをトルクレンチを用いて指定トルクまで確実に締めて軸力を指定量にすることと、均等に締める整備法が普及しているが世界的に事故は無くなっていない。
（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
一方、ナットの構造は数多くが提案され実用化されているが、いずれもボルトの軸力で摩擦力を得て緩みを止めようとするものであった。１９８５年になるとボルトの曲げ力を利用する物が出て緩みは飛躍的に改善された。
（例えば、特許文献３、非特許文献２参照）。
２０１４年になって、ボルトの曲げ力は力学的に解析せれ、塑性加工の急速な進歩を取り入れた多段フォーマーによる冷間圧造の発展に伴って構造も変化し、品質と生産能率が画期的なものになってきた。
（例えば、特許文献４、特許文献５、非特許文献１参照）。

本発明は特許文献４で完成した技術を自動車固有の力学環境を取り入れたホイールナットセットに応用したものである。力学環境とはブレーキ装置の脇に配置されるホイールナットは大きな温度変化に呼応して、しかも大量生産を可能に設計したものを指す。

また、ホイールナットのマーケットは新車の販売台数から推定される数量のほかにマニュアルな需要がある。因みに、２０１４年世界の乗用車の年間販売台数は８５００万台であるから、それだけでホイールナットの数は１６億個に及ぶ。車種は数え切れないが、ハブボルト２のサイズはほとんど全てが呼び径ｄで１２ｍｍに統一されている。

特許第３９８１８２７号公報 特開平６−１０９３５号公報 実公昭５０−３６１２３号公報 特許第４０８７３８６号公報 特許第５５４０２７５号公報

日本機械会学会著、「ヘルツの公式」機械工学便覧Ａ４−１０９ 若林克彦、「絶対に緩まないネジの開発」日本機会学会誌 ２０１３．１２ Ｖｏｌ．１１６ Ｎｏ．１１４１

本発明が解決しようとする課題は、車軸のハブボルト２に取り付けたホイールナットは大きな温度変化・荷重変化にあっても緩むことなく、しかも、弾性限界を越えることなく、頻繁に車軸のハブボルト２に取り付け・取り外しをしても変形しないホイールナット構造が求められていた。

また、そのホイールナットは軽量、低価格で、取り付け・取り外し作業が安全で労力を要しないことが要求される。

ベースナット２０と、トルクナット４０とから成り、
前記ベースナット２０は、外周が正六角柱２１でその中央の軸芯にベース雌ねじ２２を有し、ハブ側はホイール体押圧部２６を有し、その反対面には倍力締結凸部２５を具備しており、
前記トルクナット４０は、外周が正六角柱４１で、ハブ側端は六角対角距離を略直径とするボックススパナ止めフランジ４４があり、その中央の軸芯にトルク雌ねじ４２を有し、ハブ側の面は倍力締結凹部４５を有し、その反対面は外周面取り４６がある平面を具備していて、
ハブボルト２に対して、始めにベースナット２０を所定のトルクで締め、所望する軸力ＰＴを発生させた後、トルクナット４０を締めてベースナット２０とトルクナット４０をハブボルト２に固着して運用実施し、トルクナット４０を緩めて固着から開放できる構造のホイールナットセット１０とすることで主要な解決ができる。

車軸のハブボルト２に取り付けた本発明のホイールナットは、２個の部品であるベースナット２０とトルクナット４０にすることによって、ナットセットとしたから、ハブボルト２とベースナット２０とトルクナット４０の３個の部品同志で固着することができた。
従来は、高い指定トルクまで締めると軸力ＰＴは降伏点近くになり、それで緩みを防止していたのに対して、本発明では軸力ＰＴは降伏点の５０％以下で止め、緩み防止は部品同志で固着することで確実な緩み防止が出来る。詳細は図によって後述する。
従って、大きな温度変化・荷重変化にあっても緩むことなく、しかも、弾性限界を越えることなく、頻繁に車軸のハブボルト２に取り付け・取り外しをしても「へたる」ことのないホイールナット構造ができた。

このホイールナットセットは軽量、低価格で、取り付け・取り外し作業が安全で労力を要しないものになった。数値説明は後述する。

は本発明のホイールナットセットの実施例１で、〔図３〕のＡ―Ａ断面図である。 は本発明のホイールナットセットの実施例１で、〔図３〕のＢ―Ｂ断面図である。 は本発明のホイールナットセットの実施例１で、〔図１〕の右側面図である。 は本発明のホイールナットセットの実施例２で、〔図２〕相当の断面図である。 は本発明のホイールナットセットの実施例３で、〔図２〕相当の断面図である。 は本発明のホイールナットセットの実施例４である。 は本発明のホイールナットセットの実施例５である。 は本発明のホイールナットセットの実施例６である。 は従来のサービスツールとして普及しているボックススパナの部分断面図である。 は本発明のホイールナットセットの緩み止め作用を示す尺度誇張的断面図である。 は本発明のベースナットの締め付けトルクと緩みの関係を示すグラフである。 は本発明のホイールナットセットの倍力締結部の詳細図で、（a）は倍力締結凸部の右側面図、（b）は倍力締結凹部を含むトルクナットの断面図である。 は本発明のベースナットのひっかかり率を示す尺度誇張的断面図で、（a）は中間加工品、（ｂ）は仕上がり品である。 は楔の緩み止め原理を示す図である。 は本発明のトルクナットに錠前機能を付加した部分断面図である。 は本発明の廉価版ホイールナットセット実施例７の断面図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

本発明のホイールナットセットの緩み止め作用原理を〔図１０〕で説明する。
〔図１０〕は構造を簡明にするため、ねじを大きく表してガタ（現場用語クリアランスのこと）を明瞭にしている。
〔図１０〕は、ベースナット２０はホイール体５を軸力ＰＴで締めている。それにトルクナット４０を締めて傾斜カム６０に凹円筒部６２があたり、カム面押力ＰＡが発生した状態である。カム面押力ＰＡはベクトル分解すると、ハブボルト芯線直角力ＰＢとトルクナット偏押力Ｐになる。
ハブボルト芯線直角力ＰＢと同じ大きさで方向が逆向きの反力ベースナットの直角押力ＰＣは強い力でベースナット２０をハブボルト２に押し付けるからベースナット２０のガタは無くなり、軸力ＰＴは不変に保持される。

カム面押力ＰＡの反力はトルクナット４０に時計まわりのトルクナット・ハブボルトに掛かるモーメントＭとなり、その支点はトルクナット左端のハブボルト押力ＰＤとトルクナット右端のハブボルト押力ＰＥでトルクナット４０自体右にγだけ傾いてガタは無くなる。ＰＤとＰＥはハブボルト２を曲げる力であり、ハブボルト２の曲げ応力となる。
トルクナット・ハブボルトに掛かるモーメントＭの大きさは、大略トルクナット偏押力Ｐと仮想接触円の半径ＲＡの積である。

トルクナット４０は締めれば締めるほど傾斜カム６０をカム傾斜角θに沿って昇っていくが、ベースナット２０と密着してしまうと連れ回りを起こしてしまう。それを回避するために、高さ２分の１ピッチ程度の傾斜保持ストッパー４３を設けておく必要がある。
また、トルクナット４０の締め付け力管理は、傾斜保持ストッパー４３に当るまで締めるとする方式が安定した品質を得やすい。

〔図１１〕によって、本発明の効果を説明する。
従来のホイールナットは、複数本を均一に手締めしてはいるが、ボルトの軸力で摩擦力を得て緩みを止めようとするから、９０〜１２０Ｎｍの締め付けトルクを指定していた。これは弾性限界軸力ＰＵの８０％程度である。
締め付け時では弾性域で問題は無いが、大きな温度変化・荷重変化を受けると弾性域を飛び出し塑性域に入ってしまうことがある。
ホイール体５は鋼であることが多いが、アルミ材のような軽合金を用いることもある。ハブボルト２とベースナット２０とトルクナット４０は鋼であるから、線膨張係数の差がストレスになる。ホイール体５の温度変化は、１００℃程度である。
本発明では、緩みには自信があるから締め付けトルクを４０Ｎｍに下げて試験しているが緩みは起こっていない。
締め付けトルクを下げることは、労力において大差が生じ、ホイール体５の取り付け・取り外し作業を女性でも出来るようになる。〔請求項１〕

〔図１４〕によって、楔の緩み止め原理を説明する。
いま、楔角βの楔７０に栓７１をｆなる力で押し込んだとする。楔７０には面押し力ｑが発生し、ｑによってｆに逆らう方向に摩擦力ｕが発生する。上下のｕから合成摩擦力ｒ ができる。その大きさは〔数１〜数３〕のとおりである。
〔数１〕 ｆ＝２ｑ・ｓｉｎ（β／２）
〔数２〕 ｕ＝μｑ
〔数３〕 ｒ＝２μｑ・ｃｏｓ（β／２）
ここで、合成摩擦力ｒと楔へ押し込む力ｆの比を摩擦抗力倍率Ｂとすると
〔数４〕 Ｂ＝ｒ／ｆ＝μ／ｔａｎ（β／２）
Ｂは抜けにくさ、つまり緩みにくさを示す量となる。
因みに、摩擦係数μ＝０．１として、モールステーパ（吸い付くように固着する）の楔角β＝３°では、摩擦抗力倍率Ｂ＝３．８１である。けして緩まないテーパーピンの楔角β＝１．１４５°では、摩擦抗力倍率Ｂ＝１０．０１である。
逆にＢ＝１の楔角βは５．７１°と計算され、それよりも大きい楔角βではいくら強いｆなる力で押し込んでも固着しない。

本発明では、具体的に、呼び径（ボルトの外径）ｄ＝１２ｍｍで、ねじのピッチｐ＝１．２５ｍｍとｐ＝１．５ｍｍを実施しているが、ここでは後者について述べる。
合成傾斜角δは有効径の螺旋角α＝２．４８°とカム傾斜角θ＝１０°から〔数５〕で計算すると
〔数５〕 ｔａｎδ＝ｔａｎα・ｔａｎθ
δ＝０．４３７３°となる。β＝２・δであるから、Ｂ＝１３．１０である。
傾斜角θ＝１５°であれば、δ＝０．６６４８°、Ｂ＝８．６２である。実験ではこの範囲での好結果を確認した。
古い技術を振り返ると、テーパーピンのテーパ（１：５０）は、長年の試行錯誤から唯一の値になった貴重なデータで、摩擦抗力倍率Ｂ＝１０近傍が緩み止めとして好適であることが推測できる。〔請求項１３〕

以下、実施例を説明する。
〔実施例１〕
〔図１〕は本発明のホイールナットセットの第１実施例で、〔図３〕のＡ―Ａ断面図であり、〔図２〕は本発明のホイールナットセットの第１実施例で、〔図３〕のＢ―Ｂ断面図であり、〔図３〕は本発明のホイールナットセットの第１実施例で、〔図１〕の右側面図である。
ハブ４は車軸芯１を中心に回転し、ハブ４には５本若しくは４本のハブボルト２がハブボルト芯線３だけ離れた位置に等角度間隔で植わっている。ホイールナットセット１０は ホイール体５をハブ４に取り付け・取り外しする物である。
ホイールナットセット１０はベースナット２０と、トルクナット４０とから成り、前記ベースナット２０は、外周が正六角柱２１でその中央の軸芯にベース雌ねじ２２を有し、ハブ側はホイール体押圧部２６を有し、その反対面には倍力締結凸部２５を具備しており、
前記トルクナット４０は、外周が正六角柱４１で、ハブ側端は六角対角距離を略直径とするボックススパナ止めフランジ４４があり、その中央の軸芯にトルク雌ねじ４２を有し、ハブ側の面は倍力締結凹部４５を有し、その反対面は外周面取り４６がある平面を具備していて、
ハブボルト２に対して、始めにベースナット２０を所定のトルクで締め、所望する軸力ＰＴを発生させた後、トルクナット４０を締めてベースナット２０とトルクナット４０をハブボルト２に固着して運用実施し、トルクナット４０を緩めて固着から開放できる構造になっている。〔請求項１〕

〔図１〜図３〕ではホイール体５とハブ４の間には、車軸隙間７があるのでホイール体５を車軸芯１を中心に回転さすためホイールテーパ６とベースナット２０のナットテーパ２３とで位置決めする方式を採っている。
ホイール体押圧部２６はハブ側から外周にかけて単調に太くなるナットテーパ２３から成り、テーパ楔角βは６０°である。〔請求項２〕
〔図２〕では、ボックススパナ止めフランジ４４が見える断面である。〔図９〕のボックススパナ（乗用車サービスツール）３５は、ボックス体３１の六角孔が深いのでトルクナット４０にはボックススパナ止めフランジ４４を設けないとベースナット２０を一緒に回してしまう危険性があるからである。レバーハンドル３２は軽量化からあまり長くはできないので、パイプ材を挿して操作したり、体重をかけたりしていたが、本発明では操作トルクを減じることが可能である。

〔実施例２〕
〔図４〕は、本発明のホイールナットセットの実施例２で、〔図２〕相当の断面図である。ベースナット２０にもテーパ端フランジ３７を設けた例である。ボックススパナ（乗用車サービスツール）３５は、ホイール体５に接することがなく傷つけることも無い。
ハブボルト２の呼び径（ボルトの外径）ｄは１２ｍｍで標準二面幅は１９ｍｍであるが、この方式ではサイズアップした２１ｍｍを採ることもある。二面幅が異なればトルクナット４０のボックススパナ止めフランジ４４は設けなくともよい。

〔実施例３〕
〔図５〕は、本発明のホイールナットセットの実施例３で、〔図２〕相当の断面図である。トルクナット４０の外側にキャップ４７を溶接して、所謂袋ナットにしてハブボルト２を保護した。袋ナットはクロームメッキを施して光沢を持たせ美的要素が大きい。
ベースナット２０とトルクナット４０の表面処理は、ベースナット２０は安価な亜鉛メッキ処理でもよい。〔請求項８〕

〔実施例４〕
〔図６〕は本発明のホイールナットセットの実施例４である。
この方式では、車軸隙間７はなく、ホイール体５はハブ４でセンターリングする。二重センターリングにならないようにホイール体押圧部２６は、ハブボルト芯線３上に中心をもつ球半径Ｒの球面２４にした。
〔図６〕ではホイール体５は９０°テーパ２８に球半径Ｒの球面２４が接し、反対側は球面隙間８が目立つように誇張して描いた。〔請求項３〕

〔実施例５〕
〔図７〕は本発明のホイールナットセットの実施例５である。
この方式は、ホイール体５はアルミ合金などの軽合金材であり、しかも〔実施例１〕と同様にホイール体５とハブ４の間には、車軸隙間７があるので、ホイール体押圧部２６は中央に位置決めノックピン１２を有し、広く平坦な平座１３が要求される。
また、相方のホイール体５も平坦度要求から座ぐり９をすることになる。〔請求項４〕

〔実施例６〕
〔図８〕は本発明のホイールナットセットの実施例６である。
この方式は、ホイール体５はアルミ合金などの軽合金材であり、しかも〔実施例４〕と同様にホイール体５とハブ４の間には車軸隙間７はなく、ホイール体５はハブ４でセンターリングする。二重センターリングにならないようにホイール体押圧部２６は緩衝材２７を嵌め込み、相方のホイール体５をばか孔３０にした。
緩衝材２７はアルミ合金などの軟金属若しくは熱硬化性樹脂材で、「へたり」はある程度
覚悟して、定期点検整備に委ねる思想の構造である。〔請求項５〕

〔図１２〕は本発明のホイールナットセットの倍力締結部の詳細図で、（a）は倍力締結凸部の右側面図、（b）は倍力締結凹部を含むトルクナットのＡ−Ｏ−Ｂ断面図である。
（ｂ）図のベースナット２０とトルクナット４０は、ハブボルト芯線３を基線として、ハブボルト２を外した状態を描いている。
トルクナット４０の左端には倍力締結凹部４５を備えている。一般に凹部はテーパ逃がしとするところ、トルクナット４０には必要条件としてボックススパナ止めフランジ４４を設けるから、開口部３３の広げ強度が大きいので、円筒型（凹み、逃がし）３４とすることができる。円筒型は自動車の軽量化、省資材化になる。〔請求項６〕

本発明のトルクナット４０の開口部３３は、開口部面取り半径ＲＫが施してあり、 開口部角度εはカム傾斜角θよりやや大きくなければならない。２点鎖線で示した仮想接触円６４はほぼ開口部３３付近になり、仮想接触円の半径ＲＡは円筒型（凹み、逃がし）３４の半径とみてよい。
トルクナット４０は締めこむに従って、前記のように時計廻りにトルクナットの傾き角γは大きくなり、ガタはとれ動きにくくなる。

ベースナット２０の倍力締結凸部２５は、ボルト軸に略直角で仮想接触円の半径ＲＡに対して同心で隙間ｓだけ小さい半径ＲＢＢが半円周以上あり、残る部分にはＲＢＢよりもさらに小さい半径ＲＣＣが前記仮想接触円ＲＡに接し、かつ半径ＲＢＢと連続したリブ状の傾斜カム６０を有している。
トルクナットの傾き角γを保つため、傾斜カム６０の後方にはねじのピッチｐの２分の１程度の高さの傾斜保持ストッパー４３を設けている。〔請求項１１〕

〔図１３〕は本発明のベースナットのひっかかり率を示す尺度誇張的断面図で、（a）は中間加工品、（ｂ）は仕上がり品である。まず、ひっかかり率とは、実体のひっかかり高さを基準ひっかかり高さで除して％で表したものである。
ベースナット２０は大量生産に対応して、自動でフープ材を切断して、冷間圧造機（多段フォーマー）で加工し、ベントタップによりベース雌ねじ２２を塑性加工して形状を仕上げる。この後、表面処理を施して完成する。
（a） は多段フォーマーの最終段で、まさにシェービング加工をする状態を表している。雌ねじ両端の転造加工前内径寸法ＤＴは前工程で加工されており、シェービング径ＤＳＴは雌ねじ中央の転造加工前内径寸法になり、多少の抜きカス５２がでる。
（b） はベントタップ工程でベース雌ねじ２２を塑性転造加工して、雌ねじ両端の仕上がり内径寸法ＤＤのひっかかり率が２５〜４５％で、雌ねじ中央の仕上がり内径寸法ＤＤＤのひっかかり率が７０〜８５％にした。両端の口から３分の１の線５１は大略３等分の目安である。
ベースナット２０は軸力ＰＴに耐える必要があるが、過剰な強度があり、ハブボルト芯線３への同芯度はひっかかり率に無関係で、軽量化にも省資材化にもなる。
この発明の主な目的は、加工にあって、ベントタップ工程でタップのベント部を通りやすいこと、ベントタップの寿命を延ばすことにある。〔請求項９〕

〔図１１〕は本発明のベースナットの締め付けトルクと緩みの関係を示すグラフで前述の発明の効果を数値的に補完するものである。
この図は、横軸に締め付けトルク（Ｎｍ）、縦軸に軸力比（％）を採っている。軸力比とは、軸力ＰＴを弾性限界軸力ＰＵ除して百分率にしたものである。締め付けトルク（Ｎｍ）は呼び径（ボルトの外径）ｄが１２ｍｍの実施例、６６は弾性限界（降伏点）で、その軸力が弾性限界軸力ＰＵ（ｋＮ）である。
締め付けトルクと軸力とは弾性限界（降伏点）まで正比例し、比例定数をトルク係数と呼び、厳密には個々の仕様によって異なる。正比例するこの範囲は弾性域である。弾性限界（降伏点）を越えると塑性域になり、永久変形いわゆる「へたり」がおこり、極限は破壊に至る。
破壊する部材は、最も弱いハブボルト２になる。
従来のホイールナットは、軸力ＰＴを降伏点の８０％程度の高い締め付けトルクを指定したのに対して、本発明ではその半分以下で試作・試験をして緩みは認められなかった。
〔図１１〕で従来・本発明のマークの尾が上に長く、下に短いのは温度変化、特に高温によって「へたり」が生じるためである。〔請求項１２〕

〔図１５〕は本発明のトルクナットに錠前機能を付加した部分断面図である。盗難防止として複数あるハブボルト２の１本に普通のボックススパナでは取り外すことの出来ない錠前機能をもたせ、鍵ボックススパナでのみ取り外すことを可能とする装置が要求されている。
トルクナット４０の外周が円筒４８で外径はベースナット２０の対角距離とすれば普通のボックススパナがベースナット２０に掛かることはなく、トルク雌ねじ４２の外周部にはスプライン型錠前４９を設けて、スプラインを個々に幅、深さを変えたものにすれば複数のユニークなものが出来る。〔請求項７〕

〔実施例７〕
〔図１５〕は本発明の廉価版ホイールナットセットの断面図である。
〔実施例１〕に対して、ベースナット２０とトルクナット４０の倍力締結部の凹凸を交換するとともに、トルクナット４０の正六角柱４１をサイズダウンし、ボックススパナ止めフランジ４４を廃止した試作をし、試験したところ緩みがないことが分かった。
本構造は一旦軸力ＰＴで締まったベースナット２０をトルクナット４０の味噌擂り運動で傾けることになり躊躇したが、緩み止めの基本は「こじて」ガタをとること、摩擦抗力倍率Ｂを満足させることを叶えているので廉価版ホイールナットセットとして提供した。〔請求項１０〕

以上、従来のようにホイール体５を強い力で挟みその摩擦力で緩みを防止しようとしたのに対して、本発明の実施の形態ではベースナット２０とトルクナット４０とハブボルト２が部品同志で固着することで、弱い力でも確実な緩み防止が出来ることを実証してみせ、または発展的可能性を示唆した。

本発明は比較的簡単に試作・試験ができる。また、物が小さいこともあって廉価にそれができた。しかし、自動車用の大量生産となると、設備費用は大変大きなものになる。
本発明は自動車産業で求められている、安全設計、軽量化、コストダウン、作業性を改善するものであるから、利用される可能性はたかい。

１ 車軸芯
２ ハブボルト
３ ハブボルト芯線
４ ハブ
５ ホイール体
６ ホイールテーパ
７ 車軸隙間
８ 球面隙間
９ 座ぐり
１０ ホイールナットセット
１２ 位置決めノックピン
１３ 平座
２０ ベースナット
２１ 正六角柱
２２ ベース雌ねじ
２３ ナットテーパ
２４ 球面
２５ 倍力締結凸部
２６ ホイール体押圧部
２７ 緩衝材
２８ ９０°テーパ
２９ 位置決めノック孔
３０ ばか孔
３１ ボックス体
３２ レバーハンドル
３３ 開口部
３４ 円筒型（凹み、逃がし）
３５ ボックススパナ（乗用車サービスツール）
３７ テーパ端フランジ
４０ トルクナット
４１ 正六角柱
４２ トルク雌ねじ
４３ 傾斜保持ストッパー
４４ ボックススパナ止めフランジ
４５ 倍力締結凹部
４６ 外周面取り
４７ キャップ
４８ 円筒
４９ スプライン型錠前
５１ 口から３分の１の線
５２ 抜きカス
６０ 傾斜カム
６１ ボルト外径（呼び径ｄ）
６２ 凹円筒部
６４ 仮想接触円
６６ 弾性限界（降伏点）
７０ 楔
７１ 栓
ｄ 呼び径（ボルトの外径）
ｄｄ 雌ねじ内径の基準寸法（雄ねじ谷径の基準寸法と同じ）
ｆ 楔へ押し込む力
ｐ ねじのピッチ
ｑ 面押し力
ｒ 合成摩擦力
ｓ 隙間
ｕ 摩擦力
Ｂ 摩擦抗力倍率
ＤＤ 雌ねじ両端の仕上がり内径寸法
ＤＤＤ 雌ねじ中央の仕上がり内径寸法
ＤＳＴ シェービング径（雌ねじ中央の転造加工前内径寸法）
ＤＴ 雌ねじ両端の転造加工前内径寸法
Ｍ トルクナット・ハブボルトに掛かるモーメント
Ｐ トルクナット偏押力
ＰＡ カム面押力（ヘルツ面圧の基礎ベクトル）
ＰＢ ハブボルト芯線直角力
ＰＣ ベースナットの直角押力（ＰＢと同じ大きさで方向が逆向き）
ＰＤ トルクナット左端のハブボルト押力（ＰＢと同じ大きさ）
ＰＥ トルクナット右端のハブボルト押力（ＰＤと同じ大きさで方向が逆向き）
ＰＴ 軸力
ＰＵ 弾性限界軸力
Ｑ ボルト抗力
Ｒ 球半径
ＲＡ 仮想接触円の半径
ＲＢＢ ＲＡよりも隙間ｓだけ小さい半径
ＲＣＣ 半径ＲＢＢよりもさらに小さい半径
ＲＫ 開口部面取り半径
α 有効径の螺旋角
β 楔角
γ トルクナットの傾き角
δ 合成傾斜角
θ カム傾斜角
ε 開口部角度
μ 摩擦係数

ベースナット２０と、トルクナット４０とから成り、
前記ベースナット２０は、外周が正六角柱２１でその中央の軸芯にベース雌ねじ２２を有し、ハブ側はホイール体押圧部２６を有し、その反対面には倍力締結凸部２５を具備しており、
前記トルクナット４０は、外周が正六角柱４１で、ハブ側端はボックススパナ止めフランジ４４があり、その中央の軸芯にトルク雌ねじ４２を有し、ハブ側の面は倍力締結凹部４５を有し、その反対面は外周面取り４６がある平面を具備していて、
ハブボルト２に対して、始めにベースナット２０を当該車両の整備マニュアルに指定されたナット締め付けトルクの半分以下で締め、ハブボルト２に軸力ＰＴを発生させた後、トルクナット４０を締めてベースナット２０とトルクナット４０をハブボルト２に固着して運用実施し、トルクナット４０を緩めて固着から開放できる構造のホイールナットセット１０とすることで主要な解決ができる。
ここで、当該車両の整備マニュアルに指定されたナット締め付けトルクとは、市販車両の全てに備えられている整備マニュアルで指定されたナット締め付けトルク数値を言い、数値が上限と下限の範囲で示されたものでは、中央値を指定されたナット締め付けトルク数値とする。また、少量市販車両などで車両の整備マニュアルが存在しない場合は、同格の車両のハブボルトサイズ、本数、が同じものの数値で代用する。

トルクナット４０は締めれば締めるほど傾斜カム６０をカム傾斜角θに沿って昇っていくが、ベースナット２０と密着してしまうと連れ回りを起こすことがある。それを回避するために、高さ２分の１ピッチ程度の傾斜保持ストッパー４３を設けておくのがよい。
また、トルクナット４０の締め付け力管理は、傾斜保持ストッパー４３に当るまで締めるとする方式が安定した品質を得やすい。

〔図１１〕によって、本発明の効果を説明する。
従来のホイールナットは、複数本を均一に手締めしてはいるが、ボルトの軸力で摩擦力を得て緩みを止めようとするから、９０〜１２０Ｎｍの締め付けトルクを指定していた。これは弾性限界軸力ＰＵの８０％程度である。
締め付け時では弾性域で問題は無いが、大きな温度変化・荷重変化を受けると弾性域を飛び出し塑性域に入ってしまうことがある。
ホイール体５は鋼であることが多いが、アルミ材のような軽合金を用いることもある。ハブボルト２とベースナット２０とトルクナット４０は鋼であるから、線膨張係数の差がストレスになる。ホイール体５の温度変化は、１００℃程度である。
本発明では、緩みには自信があるから締め付けトルクを４０Ｎｍに下げて試験しているが緩みは起こっていない。
締め付けトルクを下げることは、労力において大差が生じ、ホイール体５の取り付け・取り外し作業を女性でも出来るようになる。

本発明では、具体的に、呼び径（ボルトの外径）ｄ＝１２ｍｍで、ねじのピッチｐ＝１．２５ｍｍとｐ＝１．５ｍｍを実施しているが、ここでは後者について述べる。
合成傾斜角δは有効径の螺旋角α＝２．４８°とカム傾斜角θ＝１０°から〔数５〕で計算すると

δ＝０．４３７３°となる。β＝２・δであるから、Ｂ＝１３．１０である。
傾斜角θ＝１５°であれば、δ＝０．６６４８°、Ｂ＝８．６２である。実験ではこの範囲での好結果を確認した。
古い技術を振り返ると、テーパーピンのテーパ（１：５０）は、長年の試行錯誤から唯一の値になった貴重なデータで、摩擦抗力倍率Ｂ＝１０近傍が緩み止めとして好適であることが推測できる。

以下、実施例を説明する。
〔実施例１〕
〔図１〕は本発明のホイールナットセットの第１実施例で、〔図３〕のＡ−Ａ断面図であり、〔図２〕は本発明のホイールナットセットの第１実施例で、〔図３〕のＢ−Ｂ断面図であり、〔図３〕は本発明のホイールナットセットの第１実施例で、〔図１〕の右側面図である。
ハブ４は車軸芯１を中心に回転し、ハブ４には５本若しくは４本のハブボルト２がハブボルト芯線３だけ離れた位置に等角度間隔で植わっている。ホイールナットセット１０はホイール体５をハブ４に取り付け・取り外しする物である。
ホイールナットセット１０はベースナット２０と、トルクナット４０とから成り、前記ベースナット２０は、外周が正六角柱２１でその中央の軸芯にベース雌ねじ２２を有し、ハブ側はホイール体押圧部２６を有し、その反対面には倍力締結凸部２５を具備しており、
前記トルクナット４０は、外周が正六角柱４１で、ハブ側端は六角対角距離を略直径とするボックススパナ止めフランジ４４があり、その中央の軸芯にトルク雌ねじ４２を有し、ハブ側の面は倍力締結凹部４５を有し、その反対面は外周面取り４６がある平面を具備していて、
ハブボルト２に対して、始めにベースナット２０を所定のトルクで締め、所望する軸力ＰＴを発生させた後、トルクナット４０を締めてベースナット２０とトルクナット４０をハブボルト２に固着して運用実施し、トルクナット４０を緩めて固着から開放できる構造になっている。

〔図１〜図３〕ではホイール体５とハブ４の間には、車軸隙間７があるのでホイール体５を車軸芯１を中心に回転さすためホイールテーパ６とベースナット２０のナットテーパ２３とで位置決めする方式を採っている。
ホイール体押圧部２６はハブ側から外周にかけて単調に太くなるナットテーパ２３から成り、テーパ楔角βは６０°である。
〔図２〕では、ボックススパナ止めフランジ４４が見える断面である。〔図９〕のボックススパナ（乗用車サービスツール）３５は、ボックス体３１の六角孔が深いのでトルクナット４０にはボックススパナ止めフランジ４４を設けないとベースナット２０を一緒に回してしまう危険性があるからである。レバーハンドル３２は軽量化からあまり長くはできないので、パイプ材を挿して操作したり、体重をかけたりしていたが、本発明では操作トルクを減じることが可能である。

〔実施例３〕
〔図５〕は、本発明のホイールナットセットの実施例３で、〔図２〕相当の断面図である。トルクナット４０の外側にキャップ４７を溶接して、所謂袋ナットにしてハブボルト２を保護した。袋ナットはクロームメッキを施して光沢を持たせ美的要素が大きい。
ベースナット２０とトルクナット４０の表面処理は、ベースナット２０は安価な亜鉛メッキ処理でもよい。

〔実施例４〕
〔図６〕は本発明のホイールナットセットの実施例４である。
この方式では、車軸隙間７はなく、ホイール体５はハブ４でセンターリングする。二重センターリングにならないようにホイール体押圧部２６は、ハブボルト芯線３上に中心をもつ球半径Ｒの球面２４にした。
〔図６〕ではホイール体５は９０°テーパ２８に球半径Ｒの球面２４が接し、反対側は球面隙間８が目立つように誇張して描いた。

〔実施例５〕
〔図７〕は本発明のホイールナットセットの実施例５である。
この方式は、ホイール体５はアルミ合金などの軽合金材であり、しかも〔実施例１〕と同様にホイール体５とハブ４の間には、車軸隙間７があるので、ホイール体押圧部２６は中央に位置決めノックピン１２を有し、広く平坦な平座１３が要求される。
また、相方のホイール体５も平坦度要求から座ぐり９をすることになる。

〔実施例６〕
〔図８〕は本発明のホイールナットセットの実施例６である。
この方式は、ホイール体５はアルミ合金などの軽合金材であり、しかも〔実施例４〕と同様にホイール体５とハブ４の間には車軸隙間７はなく、ホイール体５はハブ４でセンターリングする。二重センターリングにならないようにホイール体押圧部２６は緩衝材２７を嵌め込み、相方のホイール体５をばか孔３０にした。
緩衝材２７はアルミ合金などの軟金属若しくは熱硬化性樹脂材で、「へたり」はある程度覚悟して、定期点検整備に委ねる思想の構造である。

〔図１２〕は本発明のホイールナットセットの倍力締結部の詳細図で、（ａ）は倍力締結凸部の右側面図、（ｂ）は倍力締結凹部を含むトルクナットのＡ−Ｏ−Ｂ断面図である。
（ｂ）図のベースナット２０とトルクナット４０は、ハブボルト芯線３を基線として、ハブボルト２を外した状態を描いている。
トルクナット４０の左端には倍力締結凹部４５を備えている。一般に凹部はテーパ逃がしとするところ、トルクナット４０には必要条件としてボックススパナ止めフランジ４４を設けるから、開口部３３の広げ強度が大きいので、円筒型（凹み、逃がし）３４とすることができる。円筒型は自動車の軽量化、省資材化になる。

ベースナット２０の倍力締結凸部２５は、ボルト軸に略直角で仮想接触円の半径ＲＡに対して同心で隙間ｓだけ小さい半径ＲＢＢが半円周以上あり、残る部分にはＲＢＢよりもさらに小さい半径ＲＣＣが前記仮想接触円ＲＡに接し、かつ半径ＲＢＢと連続したリブ状の傾斜カム６０を有している。
トルクナットの傾き角γを保つため、傾斜カム６０の後方にはねじのピッチｐの２分の１程度の高さの傾斜保持ストッパー４３を設けている。

〔図１３〕は本発明のベースナットのひっかかり率を示す尺度誇張的断面図で、（ａ）は中間加工品、（ｂ）は仕上がり品である。まず、ひっかかり率とは、実体のひっかかり高さを基準ひっかかり高さで除して％で表したものである。
ベースナット２０は大量生産に対応して、自動でフープ材を切断して、冷間圧造機（多段フォーマー）で加工し、ベントタップによりベース雌ねじ２２を塑性加工して形状を仕上げる。この後、表面処理を施して完成する。
（ａ）は多段フォーマーの最終段で、まさにシェービング加工をする状態を表している。 雌ねじ両端の転造加工前内径寸法ＤＴは前工程で加工されており、シェービング径 ＤＳＴは雌ねじ中央の転造加工前内径寸法になり、多少の抜きカス５２がでる。
（ｂ）はベントタップ工程でベース雌ねじ２２を塑性転造加工して、雌ねじ両端の仕上が り内径寸法ＤＤのひっかかり率が２５〜４５％で、雌ねじ中央の仕上がり内径寸法 ＤＤＤのひっかかり率が７０〜８５％にした。両端の口から３分の１の線５１は大 略３等分の目安である。
ベースナット２０は軸力ＰＴに耐える必要があるが、過剰な強度があり、ハブボルト芯線３への同芯度はひっかかり率に無関係で、軽量化にも省資材化にもなる。
この発明の主な目的は、加工にあって、ベントタップ工程でタップのベント部を通りやすいこと、ベントタップの寿命を延ばすことにある。

〔図１１〕は本発明のベースナットの締め付けトルクと緩みの関係を示すグラフで前述の発明の効果を数値的に補完するものである。
この図は、横軸に締め付けトルク（Ｎｍ）、縦軸に軸力比（％）を採っている。軸力比とは、軸力ＰＴを弾性限界軸力ＰＵ除して百分率にしたものである。締め付けトルク（Ｎｍ）は呼び径（ボルトの外径）ｄが１２ｍｍの実施例、６６は弾性限界（降伏点）で、その軸力が弾性限界軸力ＰＵ（ｋＮ）である。
締め付けトルクと軸力とは弾性限界（降伏点）まで正比例し、比例定数をトルク係数と呼び、厳密には個々の仕様によって異なる。正比例するこの範囲は弾性域である。弾性限界（降伏点）を越えると塑性域になり、永久変形いわゆる「へたり」がおこり、極限は破壊に至る。
破壊する部材は、最も弱いハブボルト２になる。
従来のホイールナットは、軸力ＰＴを降伏点の８０％程度の高い締め付けトルクを指定したのに対して、本発明ではその半分以下で試作・試験をして緩みは認められなかった。
〔図１１〕で従来・本発明のマークの尾が上に長く、下に短いのは温度変化、特に高温によって「へたり」が生じるためである。

〔図１５〕は本発明のトルクナットに錠前機能を付加した部分断面図である。盗難防止として複数あるハブボルト２の１本に普通のボックススパナでは取り外すことの出来ない錠前機能をもたせ、鍵ボックススパナでのみ取り外すことを可能とする装置が要求されている。
トルクナット４０の外周が円筒４８で外径はベースナット２０の対角距離とすれば普通のボックススパナがベースナット２０に掛かることはなく、トルク雌ねじ４２の外周部にはスプライン型錠前４９を設けて、スプラインを個々に幅、深さを変えたものにすれば複数のユニークなものが出来る。

〔実施例７〕
〔図１５〕は本発明の廉価版ホイールナットセットの断面図である。
〔実施例１〕に対して、ベースナット２０とトルクナット４０の倍力締結部の凹凸を交換するとともに、トルクナット４０の正六角柱４１をサイズダウンし、ボックススパナ止めフランジ４４を廃止した試作をし、試験したところ緩みがないことが分かった。
本構造は一且軸力ＰＴで締まったベースナット２０をトルクナット４０の味噌擂り運動で傾けることになり躊躇したが、緩み止めの基本は「こじて」ガタをとること、摩擦抗力倍率Ｂを満足させることを叶えているので廉価版ホイールナットセットとして提供した。

本発明は自動車などの車輪を装着したり交換したりするとき、車軸に取り付け・取り外しするホイールナットの取り付け方法に関する。

ベースナット２０と、トルクナット４０とから成り、前記ベースナット２０は、外周が正六角柱２１でその中央の軸芯にベース雌ねじ２２を有し、ハブ側はホイール体押圧部２６を有し、その反対面には倍力締結凸部２５を具備しており、前記トルクナット４０は、外周が正六角柱４１で、ハブ側端はボックススパナ止めフランジ４４があり、その中央の軸芯にトルク雌ねじ４２を有し、ハブ側の面は倍力締結凹部４５を有し、その反対面は外周面取り４６がある平面を具備しているホイールナットセット１０において、
ハブボルト２に対して、始めにベースナット２０を当該車両の整備マニュアルに指定されたナット締め付けトルクの半分以下で締め、ハブボルト２に軸力ＰＴを発生させた後、トルクナット４０を締めてベースナット２０とトルクナット４０をハブボルト２に固着するホイールナットセットの取り付け方法を採ることで主要な解決ができる。
ここで、当該車両の整備マニュアルに指定されたナット締め付けトルクとは、市販車両の全てに備えられている整備マニュアルで指定されたナット締め付けトルク数値を言い、数値が上限と下限の範囲で示されたものでは、中央値を指定されたナット締め付けトルク数値とする。また、少量市販車両などで車両の整備マニュアルが存在しない場合は、同格の車両のハブボルトサイズ、本数、が同じものの数値で代用する。

この構造を用いたホイールナットセットは、取り付け方法の工夫で作業が安全で労力を要しないものになった。

Claims (13)

1. 車軸のハブボルト２に取り付け・取り外しする物であって、
   ベースナット２０と、トルクナット４０とから成り、
   前記ベースナット２０は、外周が正六角柱２１でその中央の軸芯にベース雌ねじ２２を有し、ハブ側はホイール体押圧部２６を有し、その反対面には倍力締結凸部２５を具備しており、
   前記トルクナット４０は、外周が正六角柱４１で、ハブ側端は六角対角距離を略直径とするボックススパナ止めフランジ４４があり、その中央の軸芯にトルク雌ねじ４２を有し、ハブ側の面は倍力締結凹部４５を有し、その反対面は外周面取り４６がある平面を具備していて、
   ハブボルト２に対して、始めにベースナット２０を所定のトルクで締め、所望する軸力ＰＴを発生させた後、トルクナット４０を締めてベースナット２０とトルクナット４０をハブボルト２に固着して運用実施し、トルクナット４０を緩めて固着から開放できる構造のホイールナットセット１０。
2. 請求項１において、
   前記ホイール体押圧部２６はハブ側から外周にかけて単調に太くなるナットテーパ２３から成る構造のホイールナットセット１０。
3. 請求項１において、
   前記ホイール体押圧部２６はハブボルト芯線３上に中心をもつ球半径Ｒの球面２４から成る構造のホイールナットセット１０。
4. 請求項１において、
   前記ホイール体押圧部２６は中央に位置決めノックピン１２を有する平座１３から成る構造のホイールナットセット１０。
5. 請求項１において、
   前記ホイール体押圧部２６は緩衝材２７が嵌めこまれて成る構造のホイールナットセット１０。
6. 請求項１において、
   前記トルクナット４０の倍力締結凹部４５の凹みは円筒型３４で、開口部３３はラッパ状で成る構造のホイールナットセット１０。
7. 請求項１において、
   前記トルクナット４０の外周が円筒４８で、トルク雌ねじ４２の外周部にはスプライン型錠前４９を設けて成る構造のホイールナットセット１０。
8. 請求項１において、
   前記ベースナット２０とトルクナット４０とは異なる表面処理であるホイールナットセット１０。
9. 請求項１において、
   前記ベースナット２０のベース雌ねじ２２は中央の長さ略３分の１のひっかかり率が７０〜８５％で、両端のひっかかり率が２５〜４５％であるホイールナットセット１０。
10. 請求項１において、
    前記ベースナット２０とトルクナット４０の倍力締結部の凹凸を交換するとともに、トルクナット４０の正六角柱４１をサイズダウンし、ボックススパナ止めフランジ４４を廃止したホイールナットセット１０。
11. 請求項１において、
    前記ベースナット２０の倍力締結凸部２５には、トルクナット４０の傾斜保持ストッパー４３を設けて成る構造のホイールナットセット１０。
12. 請求項１において、
    前記ベースナット２０の所望する軸力ＰＴは、弾性限界軸力ＰＵの３５％から６５％の範囲に設定して成るホイールナットセット１０。
13. 請求項１において、
    前記ベースナット２０の倍力締結凸部２５のカム傾斜角θは、ねじピッチが１．５ｍｍのとき、１０°から１５°の範囲に設定して成るホイールナットセット１０。

Images