JP2018197574A - ナット - Google Patents

Abstract

【課題】締結側から開放側までのネジ山で締結負荷を分散して分担させ、ボルト・ナット双方のネジ部の安定締結を得ることのできるネジ山負荷分担型ナットを提供する。
【解決手段】締結用のナットであって、締結時に負荷を受ける側のネジ山側面に、ネジ谷底からネジ山頂にかけて、大きさが漸減し、かつ断面が曲線である溝が形成されてなり、締結時の締結負荷をナットネジ山において分散させる。
【選択図】図６

Description

本発明は、締結用のナットに関する。特に、ナットのネジ山に負荷を分散させるネジ山負荷分担型ナットに関する。

様々な構造物の締結には、ボルトとナットが多く使われている。航空機、工作機械、食料品や半導体などの製造装置、自動車・鉄道車両、農業機械、建築構造物などにおいては、ボルト・ナットによる締結が一般的である。ここで使われるナットに関しては、締結側の精々３ネジ山程度が締結負荷を負担し、そこから開放側の他のネジ山は負荷の分担率が低い。ボルトについても同様であり、締結負荷を少数のネジ山で負担している。一様なネジ材料、一様なネジ山構造を利用する限り、このような非均等の負荷分担はやむを得ないとし、また、有効な改善策がないとして見過ごされてきた。このように限られたネジ山だけが負荷を分担する非均等の負荷分担であり、他のネジ山が負荷をほとんど分担していないため、開放側の数山のネジ山は予備となっているのが現状である。ナットが少ないネジ山で負荷を負担していることは、相手部品のボルトのネジ山も同じことがいえ、３山ほどで総ての軸力（締結力）を負担しており、ナットのネジのみならず、相手のボルトのネジの谷底部へのより大きな負担となっている。このためボルト側ネジ山についても傷むのは被締結物とナットが接触している部分（ナット座面位置にあるネジ山又は谷底）が一番大きいことが知られている。同じ位置のナットのネジ山も同様である。

図８は従来のナットの内、フランジナットといわれるナットの斜視外観図である。図９は図８のフランジナットの縦断面図である。図９において、ネジ山は締結側１０から開放側１１までほぼ一様にネジ山が形成されている。フランジ１０‘を有する側が締結側１０、フランジの反対側が開放側１１(開放側の端面１１’)で、全ネジ山が均等に全締結力を分担するのではなく、フランジ側（すなわち締結側１０）の３ネジ山程度で全締結力を負担しているといわれている。

ボルト、ナットについては、ネジ山にかかる荷重を均等にして疲労寿命の改善を図る等の目的で、以下のように種々の提案がなされている。

特許文献１は、嵌合するネジ山の一方もしくは両方を、引張力方向へ先細状に成形したことを特徴とする雄ネジを開示し、引張方向に向かって雄ネジと雌ネジの接触面積を低減し、ネジ山にかかる荷重を均等にして疲労寿命の改善を図ったものが開示されている。この成形加工は雌ネジに対して行ってもよいことが開示されている。

特許文献２には、雄ネジ素材のネジ加工部を引張力作用方向に先細状に成形加工し、続いて谷底径が一様のネジ加工を行う雄ネジの製作方法が開示されている。

特許文献３には、嵌合するネジ山の一方もしくは両方を、引張力方向へ先細状に成形したことを特徴とする雄ネジを開示し、引張方向に向かって雄ネジと雌ネジの接触面積を低減しネジ山にかかる荷重を均等にして疲労寿命の改善を図ったものが開示されている。

特許文献４には、雄ネジに嵌合する雌ネジのネジ山のフランク角の一方もしくは両方を雄ネジのフランク角よりも小さくとることを特徴とする雌ネジが開示され、引張方向に向かって雄ネジと雌ネジの接触面積を低減しネジ山にかかる荷重を均等にして疲労寿命の改善を図ったものが開示されている。

特許文献５には、雄ネジのピッチを雌ネジのピッチよりも小さくした鋼製ボルトセットにおいて、ピッチ差を日本工業規格ＪＩＳ Ｂ ０２０５に規定されるピッチの０．５〜０．８％の範囲に設定していることを特徴とする鋼製ボルトセットが開示され、製造コストの低減が可能であることが開示されている。

しかしながら、これらの開示には、基本的には、雄ネジ、すなわちボルトを対象にしており、その加工部分は、締結対象（例えば締結対象の厚さなど）に依存し、締結対象ごとにボルトの長さ方向の加工位置を指定して加工するなど特定の加工を施さなければならないという難点がある。

特開昭５２−７９１６３号公報 特開昭５２−１３１０６０号公報 米国特許第４１８９８７５号明細書 特開昭５８−１６０６１３号公報 特開２００５−２６５１５０号公報

本発明の目的は、締結側から開放側までのネジ山で締結負荷を分散して分担させ、ボルト・ナット双方のネジ部の安定締結を得ることのできるネジ山負荷分担型ナットを提供するものである。

本発明は上記の問題を解決するために、以下の発明を提供するものである。
（１）締結用のナットであって、ネジ山８の負荷分担側（すなわち、締結時に締結負荷を受ける側）のネジ山側面(負荷面)に、ネジ谷底１３からネジ山の頂１４にかけて、大きさが漸減し、かつ断面が曲線である溝６が形成されてなり、締結時の締結負荷をナットネジ山において分散させることを特徴とするネジ山負荷分担型ナット。

（２）ナットの締結側１０の第１のネジ山においてネジ山頂からネジ谷底に向けて形成された溝６の近端までの距離をｂ1、第２のネジ山においてネジ山頂からネジ谷底に向けて形成された溝６の近端までの距離をｂ2、第３のネジ山においてネジ山頂からネジ谷底に向けて形成された溝６の近端までの距離をｂ3、さらにナットの開放側の端面１１’のネジ山においてネジ山頂からネジ谷底に向けて形成された溝６の近端までの距離をｂmとしたとき、順次ｂ1＜ｂ2＜ｂ3＜・・＜ｂmとなるように溝６が形成された上記（１）に記載のネジ山負荷分担型ナット。

（３）ｎを１、２、・・ｍとしたとき、ｎに対する（ｂｎ−ｂ1）のそれぞれの値が、直線、または下に凸状もしくは上に凸状の曲線上にあるように溝が形成された上記（２）に記載のネジ山負荷分担型ナット。

（４）締結用のナットの締結側１０の第１のネジ山、第２のネジ山、および第３のネジ山において、該溝６が形成された上記（２）または（３）に記載のネジ山負荷分担型ナット。

本発明によれば、締結負荷を多くのネジ山で分担することのできるナットを提供することができる。これにより、これまでのナットより大きな締結力を可能とするナットを提供することができる。ナットにおいて応力負担をこれまで以上のネジ山に分散させることは相手のボルトのネジ山にも同様に多くのネジ山で応力の負担をすることになり、設定された締結軸力の場合にボルトの破損を低減することができる。

通常の締結はボルトにより締付トルクが規定され、ボルトの降伏応力の９０％程度で使用されている。本発明によれば締結応力をより多くのネジ山で分担するため、微細振動やその他の外力を受けた時に、ネジ山での力の分散ができるためボルト破損などの故障や緩みなどが起きにくくなる。

本発明のナットの断面図を例示的に示す。 図１の部分拡大図を示す。黒塗り部分に溝６が形成されている。 締結時においてボルトのネジ山９とナットのネジ山８の相互の接触状況を従来のナットにおける接触面ａと本発明のナットにおける接触面ｂを比較して説明する図である。従来のナットでは、溝６がないため接触面a全体で接触するが、本発明では、接触面ｂで負荷を受ける。 本発明における締結時のボルトとナットの締結時のネジ山の働きをさらに定性的に説明するための図であり、図において、８がナットのネジ山、９がボルトのネジ山、６がナットの側面に形成された溝である。締結負荷がナットに加わると図の１５で示す方向の応力が接触面ｂの区間で、ボルトからナットに加えられる。図の下部が締結側（１０）であり、上部が開放側（１１）である。 本発明の締結時のナットのネジ山の挙動を定性的に示す図である。図５（ａ）は、締結の初期、すなわちナットがボルトから応力を受ける前の静止時のナットのネジ山を定性的に示している（図ではボルトを省略している）。図５（ｂ）は、締結が進んだ時のナットのネジ山の変位後を定性的に示す。（変位を巨視化して示している。同様にボルトを省略して図示している。）Δ１、Δ２等は、ネジ山頂の変位量を示す。 図６の（ａ）は、ネジ山への溝形成寸法を定性的に示す図である。図において、第1のネジ山のネジ山先端からネジ山奥に向けて、溝加工を施す近端までの長さをｂ1、第２のネジ山のそれをｂ2、第３のネジ山のそれをｂ3、順次第ｍのネジ山のそれをｂｍで示す。（ｂ）はｎを１、2、・・ｍとしたとき、ｎに対する（ｂｎ−ｂ1）のそれぞれの値が、直線上にあるようにした場合、（ｃ）はそれを下に凸の曲線上にあるようにした場合、（ｄ）はそれを上に凸の曲線上にあるようにした場合の例を示す。 本発明のナットネジ山の谷底部分の曲線の一例を示す。 従来のフランジナットの外観を示す。 従来のフランジナットの断面図を示す。

本発明のナットは、締結用のナットであって、後述する図１に示すように、締結時に負荷を受けるネジ山側面(負荷面)に、ネジ谷底１３からネジ山頂１４にかけて、大きさが漸減し、かつ断面が曲線である溝６が形成されてなり、締結時の締結負荷をナットネジ山において分散させることを特徴とする。

「ネジ谷底からネジ山にかけて」は、後述するように、全ネジ山に溝を形成するのではなく、ネジ谷底からネジ山の途中まで部分的に溝を形成することを含む。

本発明のネジ山負荷分担型ナットの一つの態様において、ナットは、締結側１０の第1のネジ山（フランジナットの場合は、図1のフランジ面１０‘に相当する）においてネジ山頂１４からネジ谷底１３に向けて形成された溝６の近端までの距離をｂ1、第２のネジ山においてネジ山頂１４からネジ谷底１３に向けて形成された溝６の近端までの距離をｂ2、第３のネジ山においてネジ山頂１４からネジ谷底１３に向けて形成された溝６の近端までの距離をｂ3、さらに開放側１１のネジ山、すなわち開放側の端面１１’のねじ山、においてネジ山頂からネジ谷底に向けて形成された溝６の近端までの距離をｂmとしたとき、順次ｂ1＜ｂ2＜ｂ3＜・・＜ｂmとなるように溝６が形成されてなる。

本発明の一つの態様において、ｎを１、２、・・ｍとしたとき、ｎに対する（ｂｎ−ｂ1）のそれぞれの値が、直線、または下に凸状もしくは上に凸状の曲線上にあるように溝が形成されてなる。

本発明のナットの一つの態様において、締結用のナットの締結側１０の第１のネジ山、第２のネジ山および第３のネジ山において、溝６が形成されてなる。

溝６はナットネジ山に連続的に設けられているが、ここではナットの断面での説明としている。溝６は締結側が一番幅広く、開放側に向かって次第に幅が狭くなる。溝６の深さについても締結側が一番深く、開放側に向かって次第に浅くなるのが望ましい。

図１は、本発明のネジ山負荷分担型ナットの縦断面図の一例であり、黒色を施した部分が削られ、溝６が形成されている。図１はフランジナットの場合の例を示し、図において、１はナットの1例としてフランジナットを、２は形成された雌ネジを、３は被締結物(図示せず)との接触面（座面という）を、４はフランジの反対側の面を示す。フランジナット１で被締結物をボルト（図示せず）とともに締結する場合は、３側が締結側、４側が開放側となる。１０はネジ山の締結側方向を示し、１１は開放側方向を示す。

１０‘は締結側端面（３と同じ）を、１１’は開放側端面（４と同じ）を示す。
図２は図１において５と表示している溝形成部分をさらに拡大して示す図である。ネジ山の谷底からねじ山頂方向に向けて、ネジ山側面に部分的に溝が形成され、溝形成幅がフランジの有る締結側のネジ山ほど大きく形成されている。図１、図２（図１の部分拡大図）で表示している溝６は、ネジ山１２の内、被締結物を締結するときの負荷面側（締結時に負荷を受けるねじ山側面）に形成される。

図３は、図２の７と表示している部分の一部の拡大図であり、１３はネジ谷底、１４はネジ山頂を示す。図３のａは、従来の一般的なナットにおける相手ボルトのネジ山との接触状況を示す。通常、ａで表示されているねじ山側面全体が相手ボルトと接触する。本発明の１実施態様において、ネジ山負荷分担型ナットでは、ハッチングで示す部分が削られ、溝が形成されているため、ネジ山先端部分のｂの部分のみが相手ボルトと接触する。ｂの長さはフランジ側である締結側１０のネジ山ほど小さく、開放側１１ほど大きくなるように形成される。締結時は、接触しているａ（従来）もしくはｂ（本発明）の部分を通して相手ボルトのネジ山を持ち上げるように（図３では上方に）回転しながら締結を進める。本発明では、ネジ山の谷底方向の側面が図３のハッチングで示すように削られているためネジ山頂きに近い側面（つまりｂの部分）で締結時の力を受けることになる。

図４に示すように締結時応力がボルト９からナットの８に対し、１５の方向にボルトとナットの接触区間ｂにおいて加えられる。１０がナットの締結側であり、１１が開放側である。

図５は、このときのネジ山の動きを定性的に示す図である。図５（ａ）は、締結の初期におけるボルトとナットの接触状況を定性的に示し、この時点ではナットのネジ山に加わる下向きの応力は微小である。図５（ｂ）は締結が進んだ時のボルトとナットの接触状況を定性的に示す。ボルトからの力を受けて、図３に示すｂのねじ山部分は下方に下がる変形を受けることになる。ｂが小さければより多く下方に下がる変形を受けることになる。ｂの長さを締結側１０のネジ山ほど小さく、開放側１１のネジ山ほど大きくする。図のナットネジ山の下方への変形量をΔとする。締結側（１０、１０‘）の１山目が一番大きく（Δ１）、上方に向かって２山目の変形量（Δ２）、順次Δ３、Δ４・・とすると、Δ１＞Δ２＞Δ３＞・・・＞Δｍとなる（ｍは開放側１１最上部のネジ山である）。つまり、このようなネジ山毎に異なる変形量によって、１山目の負荷分担が小さくなり、その分２山目から順次他のネジ山がより多くの負荷を分担することとなる。つまり開放側のネジ山の負荷分担の寄与率が、溝６がない場合に比し大きくなる。従来、ナットのネジ山において締結側１０の３ネジ山程度しか負荷を分担しない状態が、この部分の負荷分担が小さくなり、開放側１１の他のネジ山が負荷を分担するようになる結果、より多くのネジ山で締結負荷を分担するようになるのである。つまり多くのネジ山による締結負荷の均等分担化が図れることになる。

図６は、ｂの長さを第１のネジ山でｂ1、第２のネジ山でｂ2、第３のネジ山でｂ3、と順次最終の第ｍネジ山のそれをｂｍとする例を示している。（ｂ）は、ｎを１、2、・・ｍとしたときのｎに対する（ｂｎ−ｂ1）のそれぞれの値が直線上にあるときの例、（ｃ）はそれが下に凸の曲線上にあるようにした例、（ｄ）はそれを上に凸の曲線上にあるようにした例である。いずれの場合も、従来より、より多くのネジ山で締結負荷を分担させることができる。いずれの直線もしくは曲線とするかは、ネジ山加工の容易さやネジ山負荷分担の特性で選択することができる。ｂ1からｂｍの全ネジ山に溝を形成するのではなく、負荷をより多く分担すると言われる第１から第３程度のネジ山までに部分的に溝を形成することでも、負荷分担の均等化はかなり図れる。

図７は、本発明の負荷分担型ナットの接触状況の例を示す。溝６は、ナットネジ山の谷底に近い側面部分の曲線を従来に比較して大きくすることによって形成することができ、負荷分担の平準化によって従来問題となっていたネジの谷底、特に締結側１０の第１のねじ山の谷底での破壊・破損が生じにくくし得る。

図１〜図５で示したナットの負荷面の溝加工部は、理解が容易なように、エッジを含む溝として図示しているが、エッジでの応力集中を避けるために、ネジ山と溝が滑らかな曲線で、連続的につながるような形状が望ましいことはいうまでもない。

本発明のネジ山負荷分担型ナットは、従来から用いられてきた材料を利用することができる。ネジ山の形成は、たとえば、タップ、NC旋盤 マシニングセンター（MC) 複合機（旋盤とフライスの複合機）、放電加工のいずれかを用いて行うことができる。 1例として、タップを用いるネジ山負荷分担型ナットの形成について説明する。従来のナットのネジ山形成と同様にタップを用いてナットのネジ山を一旦形成した後で、そのネジ山に溝を形成するためのタップを用いて追加工により溝を有するネジ山を形成するナット形成方法と、溝加工とネジ山形成を同時に行うことのできるタップを用いてナットを形成する方法がある。ネジ山を形成するタップの長さ方向に、溝加工を施す部分の形状に対応するタップの刃の形状を形成することによって、ネジ山負荷分担型ナットを形成することができる。

本発明のネジ山で均等に負荷を分担するナットは、締結の安定性向上、ネジ山の塑性変形移行可能性低下などが期待できる。

１ フランジナット
２ 雌ネジ
３ フランジ面（被締結物との接触面、座面金）
４ フランジ面の反対側の端面
５ 溝加工部分を拡大部
６ 溝
７ ネジ山加工の拡大部
８ ナットのネジ山
９ ボルトのネジ山
１０ ナットのネジ山の締結側
１０‘ ナットのネジ山の締結側の端面
１１ ナットのネジ山の開放側
１１‘ ナットのネジ山の開放側の端面
１３ ナットのネジ谷底
１４ ナットのネジ山頂
ａ、ｂ ナットのボルトとの締結時接触部分
ｂ１〜ｂｍ ナットのボルトとの締結時接触部分
１５ ボルトとナットが締結時の負荷としてナット側面に加わる力の方向

Claims (4)

1. 締結用のナットであって、締結時に負荷を受ける側のネジ山側面に、ネジ谷底からネジ山頂にかけて、大きさが漸減し、かつ断面が曲線である溝が形成されてなり、締結時の締結負荷をナットネジ山において分散させることを特徴とするネジ山負荷分担型ナット。
2. 締結側の第1のネジ山においてネジ山頂からネジ谷底に向けて形成される溝の近端までの距離をｂ1、第2のネジ山においてネジ山頂からネジ谷底に向けて形成される該溝の近端までの距離をｂ2、第３のネジ山においてネジ山頂からネジ谷底に向けて形成される該溝の近端までの距離をｂ3、さらに、開放側のネジ山においてネジ山頂からネジ谷底に向けて形成される該溝の近端までの距離をｂｍとしたとき、順次ｂ1＜ｂ2＜ｂ3＜・・＜ｂｍとなるように該溝が形成された請求項1に記載のネジ山負荷分担型ナット。
3. ｎを１、２、・・ｍとしたとき、ｎに対する（ｂｎ−ｂ1）のそれぞれの値が直線上、または下に凸状もしくは上に凸状の曲線上にあるように該溝が形成された請求項２に記載のネジ山負荷分担型ナット。
4. 締結用のナットの締結側の第１のネジ山、第２のねじ山、および第３のネジ山において、該溝が形成された請求項２または３に記載のネジ山負荷分担型ナット。

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