JP2018076935A - 締結部材 - Google Patents

Abstract

【課題】回転緩み及び非回転緩みを防止可能な締結部材を提供すること。【解決手段】締結部材１は、雄ねじ山２２は、頂部２２１側において、軸部２０が延びる方向と直交する直交方向に対する稜線の傾き角度が、第２部材２００の雌ねじ山２０１の谷側稜線の直交方向に対する傾き角度と、略同一であり、雄ねじ谷２３側において、直交方向に対する稜線の傾き角度が、第２部材２００の雌ねじ山２０１の頂部側稜線の直交方向に対する傾き角度より鋭角であり、軸部２０に第２部材２００が締め付けられることで、雄ねじ山２２は、弾性変形し、弾性ひずみエネルギーを蓄え、弾性ひずみエネルギーが、第１部材１００と第２部材２００を互いに近接させる方向に作用する軸力となる。【選択図】図２

Description

本発明は、締結部材に関し、詳しくは、第１部材を第２部材に固定する締結部材に関する。

従来、様々な工業製品において、複数部品の組立てに、締結部材の一例であるねじ（タップねじ）あるいはねじとナットが用いられる。ねじによる部品間の組付けは、接着、溶着、溶接、かしめなど他の組付け方法と異なり、部品の組立て、分解、交換がねじを締付け方向あるいは緩め方向に回転させることで極めて簡単に行える特徴を持つ。一方、ねじの特徴の一つである緩め易さが使用状況によっては部品間の締結状態を緩くする欠点ともなる。すなわち、ねじ締結部に振動、衝撃による外力が加わるとねじが僅かずつ回転することにより、ねじが緩む（回転緩みと呼ばれている。）。

そこで、例えば、特許文献１には、頭部と脚部とからなり、脚部にねじ山を形成し、雌ねじが形成された雌ねじ穴にねじ込むねじにおいて、雄ねじの谷側フランク面がなす角を雌ねじを構成するフランク面がなす角より小さくし、雄ねじの頂側フランク面が形成する頂角を９０°より大きい鈍角とし、しかも、谷側フランク面と頂側フランク面とを円弧面で接続し、雄ねじの頂部の幅をこれに適合する雌ねじの谷部の幅より広い構成とした緩み止めねじが提案されている。
特許文献１の緩み止めねじによれば、雄ねじのねじ山頂部側で緩み止め作用が生じるようになり、雌ねじに効率よく接触して干渉させることができ、回転緩みによる雄ねじの緩みを確実に阻止することができる。

特開２０１２−１１７６０６号公報

しかしながら、締結部材による部品間の締結状態を緩くする原因には、締結部材における応力弛緩及びクリープによって軸力が低下することによる緩み（非回転緩みと呼ばれている。）もある。
このような非回転緩みは、特許文献１の緩み止めねじでは阻止することはできない。

本発明は、回転緩み及び非回転緩みを防止可能な締結部材を提供することを目的とする。

（１） 第１部材を第２部材に固定する締結部材であって、
前記第１部材に係止される頭部と、
前記頭部から延び、外表面に、らせん状に成形された雄ねじ山を有し、前記雄ねじ山が前記第２部材に成形された雌ねじ山と螺合する軸部と、を備え、
前記雄ねじ山は、
頂部側において、前記軸部が延びる方向と直交する直交方向に対する稜線の傾き角度が、前記雌ねじ山の谷側稜線の前記直交方向に対する傾き角度と、略同一であり、
谷部側において、前記直交方向に対する稜線の傾き角度が、前記雌ねじ山の頂部側稜線の前記直交方向に対する傾き角度より鋭角であり、
前記軸部に前記第２部材が締め付けられることで、前記雄ねじ山は、弾性変形し、弾性ひずみエネルギーを蓄え、
前記弾性ひずみエネルギーが、前記第１部材と前記第２部材を互いに近接させる方向に作用する軸力となる締結部材。

（１）の発明によれば、締結部材は、第１部材を第２部材に固定し、頭部と、軸部と、を備える。
頭部は、第１部材に係止される。
軸部は、頭部から延び、外表面に、らせん状に成形された雄ねじ山を有し、雄ねじ山が第２部材に成形された雌ねじ山と螺合する。
雄ねじ山は、頂部側において、軸部が延びる方向と直交する直交方向に対する稜線の傾き角度が、雌ねじ山の谷側稜線の直交方向に対する傾き角度と、略同一であり、谷部側において、直交方向に対する稜線の傾き角度が、雌ねじ山の頂部側稜線の直交方向に対する傾き角度より鋭角である。
そして、軸部に第２部材が締め付けられることで、雄ねじ山は、弾性変形し、弾性ひずみエネルギーを蓄え、この弾性ひずみエネルギーが、第１部材と第２部材を互いに近接させる方向に作用する軸力となる。

ここで、締結部材により固定された第１部材と第２部材とに、外力や外部振動が加えられた場合、締結部材の回転緩みが発生する。この回転緩みに対する締結部材の抵抗トルクは、第１部材と第１部材に係止された頭部との接触面における摩擦拘束力、及び、軸部の雄ねじ山と雄ねじ山が螺合した第２部材に成形された雌ねじ山との摩擦拘束力の大きさによる。
そして、頭部の摩擦拘束力及び軸部の摩擦拘束力は、締結状態にある締結部材の軸力に比例する。

本発明によれば、軸部の雄ねじ山は、頂部側における傾き角度が、雌ねじ山の谷側稜線の傾き角度と略同一であり、谷部側における傾き角度が、雌ねじ山の頂部側稜線の傾き角度より鋭角である。これにより、軸部に第２部材が締め付けられることにともない、雌ねじ山の山頂部側が、雌ねじ山の谷側に密着状態を保ちながら軸部の軸方向に弾性変形して弾性ひずみエネルギーを蓄える。
そして、この弾性ひずみエネルギーが、第１部材と第２部材を互いに近接させる方向に作用する軸力となるので、軸力が向上する。
よって、頭部の摩擦拘束力及び軸部の摩擦拘束力が向上し、回転緩みに対する締結部材の抵抗トルクが向上する。

また、軸力が向上することで、外力や振動による軸力低下および時間経過にともなった軸力低下を抑えることができるので、非回転緩みを防止可能となる。
したがって、回転緩み及び非回転緩みを防止可能な締結部材を提供できる。

（２） 前記雄ねじ山は、頂部側及び谷部側のいずれか一方又は両方の稜線が、前記雌ねじ山の稜線に近接する曲線形状であり、
前記弾性ひずみエネルギーが、前記第１部材と前記第２部材を互いに近接させる方向に作用する軸力となる（１）に記載の締結部材。

（２）の発明によれば、雄ねじ山の頂部側及び谷部側のいずれか一方又は両方の稜線を、雌ねじ山の稜線に近接する曲線形状とすることで、締結部材を第２部材に螺合させるときに、締結部材が滑らかに回転するので、作業効率が向上する。

（３） 前記軸部は、前記雄ねじ山の谷において、前記雌ねじ山の頂部と当接する当接部が形成されている（１）又は（２）に記載の締結部材。

（３）の発明によれば、当接部が雌ねじ山の頂部に当接することで、雄ねじ山と雌ねじ山との微細なずれや隙間を補い、締結部材と第２部材との一体化がより強固となり、外力や振動による締結部材の緩みをより防止することが可能となる。

本発明によれば、回転緩み及び非回転緩みを防止可能な締結部材を提供できる。

図１は、本発明の実施形態に係る締結部材１の概要を説明する図である。 図２は、図１中破線で囲んだ部分の拡大断面図である。 図３は、本発明の実施形態に係る締結部材１の作用を説明する図である。 図４は、本発明の実施形態に係る締結部材１の作用を説明する図である。 図５は、本発明の実施形態の変形例に係る締結部材１Ａの軸部２０Ａを説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明において、同一の構成には、同一の符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。
図１は、本発明の実施形態に係る締結部材１の概要を説明する図である。

［締結部材１の構成］
締結部材１は、第１部材１００を第２部材２００に固定し、頭部１０と、軸部２０と、を備える。図１に示す例では、締結部材１を構成し、第１部材１００を互いに連結する２つの部材で構成し、第２部材２００をナットで構成している。

なお、締結部材１は、ボルトに限らず、らせん状に成形された雄ねじ山を有し、雌ねじ山を有する部材と螺合する任意の締結部材（例えば、ねじ、タッピングねじ等）で構成することができる。例えば、締結部材を、互いに連結させる２つの部材の一方に形成された雌ねじ山と螺合させるねじで構成した場合、雌ねじ山が形成された部材が第２部材であり、この第２部材と締結部材の頭部との間に配置された他方の部材が第１部材となる。

頭部１０は、第１部材１００に係止される。なお、図１に示す例では、頭部１０は、第１部材１００に直接当接し係止されているが、これに限らず、頭部１０は、ワッシャーやパッキン等の介在物を挟んで間接的に係止されてもよい。

軸部２０は、頭部１０から延び、外表面２１に、らせん状に成形された雄ねじ山２２（後述する図２参照）を有し、雄ねじ山２２が第２部材２００に成形された雌ねじ山２０１（後述する図２参照）と螺合する。

図２は、図１中破線で囲んだ部分の拡大断面図である。
軸部２０は、複数の雄ねじ山２２が、雄ねじ谷２３を挟んで、例えば、日本工業規格に基づくピッチｐで配列されている。
雄ねじ山２２は、雄ねじ山２２の外径となる頂部２２１と、頂部２２１から雄ねじ谷２３側へ下り傾斜する頂部側傾斜部２２２と、頂部側傾斜部２２２から雄ねじ谷２３側へ下り傾斜する谷部側傾斜部２２３と、を有する。

頂部側傾斜部２２２は、軸部２０が延びる方向（図２中ＨＥ方向）と直交する直交方向（図２中ＯＩ方向）に対する稜線の傾き角度が、雌ねじ山２０１の谷２０２側稜線の直交方向に対する傾き角度α（例えば、３０°）と、略同一である。

谷部側傾斜部２２３は、軸部２０が延びる方向（図２中ＨＥ方向）と直交する直交方向（図２中ＯＩ方向）に対する稜線の傾き角度が、雌ねじ山２０１の頂部２０３側稜線の直交方向（図２中ＯＩ方向）に対する傾き角度αより鋭角である。

これにより、締結部材１の雄ねじ山２２を、第２部材２００の雌ねじ山２０１に螺合させた場合、頂部側傾斜部２２２は雌ねじ山２０１と当接するが、谷部側傾斜部２２３は雌ねじ山２０１と当接しない。

雄ねじ山２２は、頂部２２１側及び雄ねじ谷２３側の稜線の軸部２０が延びる方向（図２中ＨＥ方向）と直交する直交方向（図２中ＯＩ方向）に対する傾き角度が、軸部２０の基端側（図２中Ｈ側）と先端側（図２中Ｅ側）とで、略同一である。このように、軸部が延びる方向において、互いに隣接する雄ねじ山を略同一の傾き角度とすることで、互いに隣接する雄ねじ山の傾き角度を変えた場合に比べ、締結部材を第２部材に螺合させるときに、締結部材が滑らかに回転するので、作業効率が向上する。

また、雄ねじ山２２は、頂部側傾斜部２２２及び谷部側傾斜部２２３のいずれか一方又は両方の稜線を、雌ねじ山２０１の稜線に近接する曲線形状としてもよい。

また、図２に示す例では、頂部側傾斜部２２２と谷部側傾斜部２２３との境界を、締結部材１の有効径となる位置Ａ近傍としているが、この境界は、締結部材１に要求される軸力が加えられた場合に、雄ねじ山２２が、弾性変形可能であり、塑性変形しない範囲で、任意の位置とすることができる。

また、雄ねじ山２２の雄ねじ谷２３側の幅ｂ（頭部１０側（Ｈ）の谷部側傾斜部２２３の端部が雄ねじ山２２に連なる位置から、軸部２０の先端側（Ｅ）の谷部側傾斜部２２３の端部が雄ねじ山２２に連なる位置までの寸法）は、雄ねじ山２２のピッチｐに対して、１倍より小さく、１／２倍より大きいことが望ましい。

［締結部材１の作用］
次に、締結部材１の作用について説明する。
図３及び図４は、本発明の実施形態に係る締結部材１の作用を説明する図である。
図３に示すように、締結部材１の軸部２０を、被締結体である２つの第１部材１００に挿通させ、軸部２０の雄ねじ山２２を、ナットである第２部材２００の雌ねじ山２０１と螺合させ、第２部材２００をレンチ３００で回転させ、締め付ける。これにより、締結部材１の頭部１０が一方の第１部材１００に係止され、第２部材２００が他方の第１部材１００に係止される。このとき、頭部１０の座面と第２部材２００の端面に挟まれた第１部材１００は、第２部材２００を回転させて締付ける際に、両面から対向する締結部材１の軸部２０の軸方向加圧力（図３中実線矢印で示す軸力）を受けて、図４に示すように、雄ねじ山２２の頂部側傾斜部２２２が第２部材２００の雌ねじ山２０１と密着した状態で、谷部側傾斜部２２３が弾性変形することで、弾性ひずみエネルギーを蓄える。即ち、軸部２０に第２部材２００が締め付けられることで、外表面２１においてらせん状に成形された雄ねじ山２２は、弾性変形し、弾性ひずみエネルギーを蓄え、この弾性ひずみエネルギーが、第１部材１００と第２部材２００を互いに近接させる方向に作用する軸力となる。

詳細には、第２部材２００の雌ねじ山２０１と噛み合った領域及びその近傍に位置する締結部材１の雄ねじ山２２は、締付け完了前の回転による頭部１０方向（図４中Ｈ方向）への移動が止まった状態の第２部材２００（第２部材２００の雌ねじ山２０１の螺旋）を、更に僅かに回転させることによって、第２部材２００の雌ねじ山２０１側面から、軸部２０の軸方向加圧力（図３中実線矢印で示す軸力）を受けて弾性変形し、弾性ひずみエネルギーを蓄える。

更に、上記の締付け操作を完了して締結状態となった被締結体（第１部材１００）は、締付け時に蓄えた弾性ひずみエネルギーによって、軸部２０の軸方向の反発力（図３中点線矢印で示す軸力）を発生する。

これに加えて、第２部材２００の雌ねじ山２０１と噛み合った領域及びその近傍に位置する締結部材１の雄ねじ山２２は、締込み時に蓄えられた弾性ひずみエネルギーによる反発力で第２部材２００端面を被締結体（第１部材１００）に押付けるとともに、その反作用で頭部１０の座面を被締結体（第１部材１００）に押し付ける軸部２０の軸方向加圧力（図３中白抜き矢印で示す軸力）を発生する。

ここで、回転緩みに対する抵抗となる頭部１０の座面の摩擦拘束力、雄ねじ山２２の摩擦拘束力は、いずれも締結部材１の軸力が大きい程大きい値となることから、締結状態の締結部材１（例えば、ボルト）と第２部材２００（例えば、ナット）の軸力が大きい程、緩みにくくなる。
本実施形態に係る締結部材１を用いたねじ締結では、締結状態における軸力が一般的なねじを使った場合よりも大きく、回転緩みに対する抵抗トルクも大きい。即ち、回転緩みが起きにくい。また、弾性変形した締結部材１の雄ねじ山２２の形状は、第２部材２００の雌ねじ山２０１の形状との整合性を損なうことにより、第２部材２００の回転緩みをさらに起きにくくする。更に、締結部材１の雄ねじ山２２の頂部側傾斜部２２２は第２部材２００の雌ねじ山２０１の谷側において密着した状態を保つと同時に、紬力が同頂部側傾斜部２２２に作用することから、回転緩みに対する摩擦拘束力の作用中心点が締結部材１の外径寄りとなり（モーメントアームが長くなり）回転緩みに対する抵抗トルクが大きくなる。

次に、本実施形態に係る締結部材１を適用した場合における増し締めの回転角度について説明する。
図３及び図４に示す例において、第２部材２００（ナット：らせん状雌ねじ）の回転による第２部材２００の雌ねじ山２０１側面の移動に伴って弾性変形する締結部材１の雄ねじ山２２の頂部側傾斜部２２２側面部分（頂部２２１から有効径と谷径の中間位置までの側面部分）が第２部材２００の雌ねじ山２０１側面に密着した状態となった時点を雄ねじ山２２の弾性変形の上限と考えると、第２部材２００の雌ねじ山２０１側面の移動量（上限値）ｅは、ピッチｐの１／２０程度となり、以下の式で表すことができる。
ｅ＝（１／２０）×ｐ

これにより、例えば、締結部材１をＭ６のねじで構成した場合、ｐ＝１ｍｍであるので、移動量（上限値）ｅは、０．０５ｍｍとなる。
また、締結部材１をＭ４のねじで構成した場合、ｐ＝０．７ｍｍであるので、移動量（上限値）ｅは、０．０３５ｍｍとなる。
また、締結部材１をＭ３のねじで構成した場合、ｐ＝０．５ｍｍであるので、移動量（上限値）ｅは、０．０２５ｍｍとなる。
また、締結部材１をＭ２のねじで構成した場合、ｐ＝０．４ｍｍであるので、移動量（上限値）ｅは、０．０２ｍｍとなる。

上記の場合における第２部材２００の雌ねじ山２０１側面の移動量（上限値）ｅで、第２部材２００を移動させる回転角度θは、以下の式で表すことができる。
θ＝３６０×（１／２０）＝１８°
（Ｍ６ねじ，Ｍ４ねじ，Ｍ３ねじ，Ｍ２ねじの全てで同値）
即ち、増し締めの回転角度θは、０〜１８°の範囲であることが望ましい。
なお、上記のθに相当する増し締めは実施試験により、締め付けトルク（Ｎ−ｍ）で表示することも可能である。

［変形例］
次に、本発明の実施形態の変形例に係る締結部材１Ａの軸部２０Ａについて説明する。
図５は、本発明の実施形態の変形例に係る締結部材１Ａの軸部２０Ａを説明する図である。
軸部２０Ａは、雄ねじ谷２３において、雌ねじ山２０１の頂部２０３と当接する当接部２３１が形成されている。

当接部２３１は、雄ねじ谷２３の一部（例えば、雄ねじ谷２３の中央部分）を凸面形状としたり、あるいは雄ねじ谷２３の中央部に小突起を設けたりしてよい。
このような変形例に係る締結部材１Ａによれば、複数の雄ねじ谷２３にそれぞれ形成されている当接部２３１の同凸面あるいは同小突起が、締結部材１Ａと第２部材２００（ナット）がかみ合った締結状態において、かみ合った部分の微細なずれや隙間を補う支持体となり、締結部材１Ａと第２部材２００の一体化がより強固となる効果が加わり、外部振動に強い緩みにくいねじが得られる。

本発明は前記実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

１，１Ａ 締結部材
１０ 頭部
２０，２０Ａ 軸部
２１ 外表面
２２ 雄ねじ山
２３ 雄ねじ谷
１００ 第１部材
２００ 第２部材
２０１ 雌ねじ山
２０２ 雌ねじ山の谷
２０３ 雌ねじ山の頂部
２２１ 雄ねじ山の頂部
２２２ 頂部側傾斜部
２２３ 谷部側傾斜部
２３１ 当接部
３００ レンチ

Claims (3)

1. 第１部材を第２部材に固定する締結部材であって、
   前記第１部材に係止される頭部と、
   前記頭部から延び、外表面に、らせん状に成形された雄ねじ山を有し、前記雄ねじ山が前記第２部材に成形された雌ねじ山と螺合する軸部と、を備え、
   前記雄ねじ山は、
   頂部側において、前記軸部が延びる方向と直交する直交方向に対する稜線の傾き角度が、前記雌ねじ山の谷側稜線の前記直交方向に対する傾き角度と、略同一であり、
   谷部側において、前記直交方向に対する稜線の傾き角度が、前記雌ねじ山の頂部側稜線の前記直交方向に対する傾き角度より鋭角であり、
   前記軸部に前記第２部材が締め付けられることで、前記雄ねじ山は、弾性変形し、弾性ひずみエネルギーを蓄え、
   前記弾性ひずみエネルギーが、前記第１部材と前記第２部材を互いに近接させる方向に作用する軸力となる締結部材。
2. 前記雄ねじ山は、頂部側及び谷部側のいずれか一方又は両方の稜線が、前記雌ねじ山の稜線に近接する曲線形状であり、
   前記弾性ひずみエネルギーが、前記第１部材と前記第２部材を互いに近接させる方向に作用する軸力となる請求項１に記載の締結部材。
3. 前記軸部は、前記雄ねじ山の谷において、前記雌ねじ山の頂部と当接する当接部が形成されている請求項１又は２に記載の締結部材。

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