JP3174874B2 - 多数ボルト締結体の締付け試験方法及び締付け評価試験装置 - Google Patents

多数ボルト締結体の締付け試験方法及び締付け評価試験装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、多数ボルト締結体
の締付け試験方法及び締付け評価試験装置の分野に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】JISは、目標の軸力を発生させるため
の締付け管理方法として、JIS B1083-1990 「ねじ
の締付け通則」を制定した。さらに、締付けの諸設定を
する際の締付け特性値を求める試験方法として、JIS
B 1084-1990 「ねじ部品の締付け試験方法」 が同時に
制定された。
【0003】従って設計者は、このJISの指針に従え
ば、生産現場のねじの締付け作業を含めて、安全で且つ
適切なボルト締結設計を行うことが出来るとされてき
た。
【0004】しかし、前記の規格は十分ではなく、規格
で推奨するねじ締付け試験装置は、ボルト又はナット単
品としての締付け特性値の評価にはむいているが、ボル
トやナットは、機械構造物の締結に用いられて初めてそ
の使命を果たすのであるから、実際に締められる機械構
造物のボルト締結体と互換性が確保されていなければ、
せっかく求めた締付け特性値は、生産では役に立たなか
った。
【0005】さらに、JIS B 1084-1990 「ねじ部品
の締付け試験方法」には、ボルト・ナット・実用座面版
のセット(供試体B)という項目があって、実際のボル
ト締結体と互換性が確保されるよう配慮したところもあ
るが、ここで記述されているような、「実際に締め付け
られる被締結部材と同等の用件」に備えられるものは省
いて、大概のボルト締結体は、ねじ締付け試験装置との
互換性の確保は難しかった。その難しさの原因は、ねじ
締付け試験装置の被締結部材と実際のボルト締結体の剛
性の違いと、一般の機械構造物のボルト締結体は、多数
ボルト締結体の構造であることが非常に多く、この締付
け試験装置では、ボルト一本締結体を前提としており、
締付けによるボルト相互間の影響は、締付け試験装置の
構造上無視せざるを得ないのである。そのような理由か
ら、比較的安全性が問われるボルト締結体に対しては、
前記のねじ締付け試験装置での締付け特性値等の算出に
加え、実際のボルト締結体を用いた締付け評価試験が必
要であった。
【0006】
【本発明が解決しようとする課題】前記のとおり、実際
のボルト締結体を用いて締付け特性値を求めなければな
らない理由として、締付け試験装置との剛性の相異と多
数ボルト締結体のボルト相互間の影響があることを説明
した。例えば、回転角法締付けの場合、実際のボルト締
結体とでは、スナッグトルクからの締付け回転角が異な
ってしまう。後者は、ボルトの締付けの順番等(多数ボ
ルト締結体では、全てのボルトを同時に締める場合もあ
るが、必要に応じて各ボルト又は各ボルトのグループに
順番を設けて締め付ける場合がある。一般的にたすきが
けとかしわ伸ばし締付けと呼ばれる。)で、被締結部材
が変形し、締付け特性値に影響を及ぼす。
【0007】この問題を解決するには、実際の多数ボル
ト締結体を用いて生産現場と同等な締付け条件下で締付
けられる全てのボルトから締付け回転角、締付けトル
ク、締付け軸力を同時に計測する必要があり、そうする
ことでボルト相互間の締付けの影響を把握することが出
来た。
【0008】さらに多数ボルト締結体の締付け特性を評
価するための試験装置の開発コンセプトは以下の通りで
ある。
【0009】(1) 実際の多数ボルト締結体を直接試験で
きること。
【0010】(2) 一般の生産現場で行われているトルク
法、回転角法、トルク勾配法の締付けを行うことが出来
る多軸の締付け装置を使用する。
【0011】(3) 各ボルトの締付け特性値を求めるため
に、多数ボルト締結体の各ボルトの締付け回転角、締付
けトルク、締付け軸力を同時に連続計測可能とするこ
と。
【0012】(4) 試験開始から必要とする各ボルトの締
付け特性値や締付け特性線図がリアルタイムに作成でき
ること。
【0013】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の手段として、請求項1記載の発明に係る多数ボルト締
結体の締付け試験方法は、機械構造物の多数ボルト締結
体の各ボルトの締付けトルク、締付け軸力、締付け回転
角である3つの挙動を連続的に同時計測することで、ト
ルク法、回転角法、トルク勾配法の締付けの設定を行う
ための締付け特性値を求めることを特徴とする。
【0014】また、請求項2記載の発明に係る多数ボル
ト締結体の締付け評価試験装置は、多数ボトル締結体を
固定するステージ部に固定された前記多数ボルト締結体
の各ボルトを締付ける多軸締付け装置を多軸締付け装置
固定部を介して固定し、前記多軸締付け装置に、多軸締
付け装置をコントロールする多軸締付け装置制御部と、
全てのボルトの締付けトルク、締付け軸力、締付け回転
角である3つの挙動を連続的にモニタリングする多軸締
付け装置計測部とを装着せしめたことを特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】請求項1及び2記載の発明に関す
る実施の形態は、共通しているので一括して以下のとお
り説明する。
【0016】図1は多数ボルト締結体の締付け評価試験
装置の概略を示している。
【0017】実際のボルト締結体を固定するステージ
部、多軸締付け装置、多軸締付け装置固定部、多軸締付
け装置制御部、全てのボルトの締付けトルク、締付け軸
力、締付け回転角である3つの挙動を連続的にモニタリ
ングする多軸締付け装置計測部とから構成される。ステ
ージ部には、多数ボルト締結体をクランプ可能なX−Y
テーブルが設置してある。多軸締付け装置固定部は、多
数ボルト締結体のボルトピッチに合わせて製作した締付
け装置固定プレートを、クロスヘッドに固定することが
出来る。また、各軸の締付け装置を任意の位置で移動し
固定できるようなX−Y機構を設けると便利である。前
記の締付け装置の制御部には、トルク法、回転角法、ト
ルク勾配法の締付けのシーケンスがプリセットされてい
て、各ボルトは個別にコントロール可能である。前記の
締付け装置は、一般の生産現場で使用されている市販の
物で構わない。ここまでで、ねじ締結設計者は、生産現
場と同等な条件下で、締付けを評価できる。
【0018】図2は多軸締付け装置計測部のブロック線
図を示すものである。前記計測部は、全てのボルトの
付けトルク、締付け軸力、締付け回転角である3つの
動を同時にモニタリングする構造に仕上げた。この方法
だと各ボルト相互間の締付けの影響を計測することが出
来る。各ボルト別に締付け回転角、締付けトルク、締付
け軸力の連続的な同時計測が可能である。締付け装置自
身が、締付けトルクや締付け回転角の信号出力が出来る
タイプの方が便利である。インパクトレンチ等、締付け
トルクや締付け回転角の出力がない場合は、トルクセル
を設置したり、締付け回転角の代わりに時間や、打撃回
数で表現したりする。締付け軸力は、ボルト中心部にパ
イプゲージを埋め込み、ボルトのひずみから軸力を測定
する方法を採った。この方法は、現在一番精度的に信用
できる一般的な軸力計測方法であるが、連続計測が可能
で実用に耐え得る計測精度ならば他の方法でも構わな
い。
【0019】図3は、軸力測定用のシリンダーヘッドボ
ルトを実際に締付けた時に発生する軸力信号と、締付け
試験装置の軸力ロードセルからの軸力信号を同一グラフ
にプロットした結果である。両者の軸力信号は、全域で
良く一致しており、軸力の測定精度の高さが良く分か
る。
【0020】
【実施例】本発明の実施例として、エンジンのシリンダ
ーヘッドボルトの締付け解析を行った結果は以下のとお
りである。目的は、目標締付け軸力を各ボルトに均一に
与えることである。
【0021】シリンダーヘッドボルトは、エンジンのシ
リンダーヘッドとシリンダーブロックを締結するボルト
である。シリンダー等の可動部を歪ませない程度の軸力
を発生させ、ヘッドガスケットを介在させることで、ガ
ス漏れ等のシーリング性を確保しつつ、機械振動、熱応
力に対する高い剛性を確保しなければならない。その為
には、シリンダーヘッドボルトとして高い品質と締付け
による軸力管理が要求される。目標締付け軸力とそのば
らつきを一定水準に保つために、前記3種類の締付け方
法の内で例えば回転角法締付けを行うことにする。以
下、実際に締付けの設定を行うまでの方法を箇条書きに
説明する。
【0022】(1) JIS B 1084-1990「ねじ部品の締
付け試験方法」ボルト・ナット・実用座面版のセット
(供試体B)を用いて、シリンダーヘッドボルトの締付
け特性値と締付け回転角−締付けトルク−締付け軸力の
締付け特性線図を求める。(その際、実際に使用するシ
リンダーヘッドガスケットを実用座面板の形状に合わせ
て切り出し、実用座面板の下にセットしても良い。)
【0023】(2) JIS B 1083-1990 「ねじの締付け
通則」 5.3.2 回転角法における目標値の決め方に
より、回転角法におけるスナッグトルクと締付け回転角
を各ボルトに対し仮設定する。
【0024】(3) 前記本発明の装置を用い、多数ボルト
締結体の各ボルト又は各ボルトのグループに対し適当な
締付け順番を設定し、仮決定した回転角法で、シリンダ
ーヘッドボルトを締付け、実際の多数ボルト締結体の締
付け回転角−締付けトルク−締付け軸力の締付け特性線
図を求める。ここでは、被締結物の剛性を考慮して、各
ボルトが目標の締付け軸力になりやすいようにいろいろ
な締付け順番を試しても良い(図4参照)。
【0025】(4) 各ボルトの回転角法のスナッグトルク
と締付け回転角の設定値を補正する。
【0026】(5) 再度本発明の上記試験装置を用いて締
付け、各ボルトの締付け軸力が目標値と一致するかどう
か確認する(図5参照)。
【0027】前記(1) の工程は、シリンダーヘッドボル
トの機械的性質が既値であれば、締付け特性値を推測す
ることで省略可能である。本発明の装置は、実際のボル
ト締結体を試験体とし、同等な締付け条件下で試験する
ので、求められた回転角法締付けの設定値をそのまま生
産現場で用いることが出来る。
【0028】
【発明の効果】本発明は、シリンダーヘッドガスケット
のような塑性体を介在した多数ボルト締結体の回転角法
締付けを行う場合、ボルトを締付ける順番によって発生
する軸力が異なっていても、請求項2記載の多数ボルト
締結体の締付け評価装置を用い、且前記した請求項1記
載の締付け試験方法に従うことにより、ボルトに目標締
付け軸力を発生させるための最適な締付け設定を容易に
行うことが出来る利点がある。
【0029】さらにJIS B 1083-1990 「ねじの締付
け通則」、JIS B 1084-1990 「ねじ部品の締付け試
験方法」 は、多数ボルト締結体の締付けによるボルト相
互間の軸力への影響を考えないが、本発明は実際の機械
構造物のボルト締結体において、多数ボルト締結体の締
付け設定が容易になった利点がある。
【0030】また請求項2記載の発明の多数ボトル締結
体の締付け評価試験装置を使用することによって、 (1) 実際の多数ボトル締結体を一般の生産現場と同等な
条件下で直接試験ができるようになった。
【0031】(2) 多数ボルト締結体の締付け設定に必要
となる締付けトルク、締付け軸力、締付け回転角を連続
同時に計測することが出来る。
【0032】(3) 試験開始から必要とする各ボルトの締
付け特性値や締付け特性線図がリアルタイムに作成でき
る等、多数の利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の多数ボルト締結体の締付け評価試験装
置の概略正面図である。
【図2】図1の計測系のブロック線図である。
【図3】軸力測定用ボルトの軸力検定の線図である。
【図4】仮設定の回転角法締付け結果の線図である。
【図5】最適な回転角法締付けによる締付け結果の線図
である。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01L 5/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】機械構造物の多数ボルト締結体の各ボルト
    締付けトルク、締付け軸力、締付け回転角である3つ
    挙動を連続的に同時計測することで、トルク法、回転
    角法、トルク勾配法の締付けの設定を行うための締付け
    特性値を求めることを特徴とする多数ボルト締結体の締
    付け試験方法。
  2. 【請求項2】多数ボルト締結体を固定するステージ部に
    固定された前記多数ボルト締結体の各ボルトを締付ける
    多軸締付け装置を多軸締付け装置固定部を介して固定
    し、前記多軸締付け装置に、多軸締付け装置をコントロ
    ールする多軸締付け装置制御部と、各ボルトの締付けト
    ルク、締付け軸力、締付け回転角である3つの挙動を連
    続的にモニタリングする多軸締付け装置計測部とを装着
    せしめたことを特徴とする多数ボルト締結体の締付け評
    価試験装置。
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