JP4386076B2 - ボルト締め付け方法およびボルト締め付け装置 - Google Patents

Description

本発明は、ボルトを用いて各被締結部品を締結する際のボルト締め付け方法および該ボルト締め付け方法を実現するボルト締め付け装置に関し、特に、せん断外力が被締結部品に作用した際における被締結部品間のすべりを各被締結部品間の摩擦接合により防止すべく各被締結部品を締結する際に適用される、ボルト締め付け方法および該ボルト締め付け方法を実現するボルト締め付け装置に関する。

複数の被締結部品を相互に締結させる方法の一つに、ボルトを用いて各被締結部品を相互に締結する方法がある。ボルトを用いて各被締結部品を相互に締結させる場合、特に、せん断外力が作用した際における被締結部品間のすべりを各被締結部品間の摩擦接合により防止すべくボルトを用いて各被締結部品を相互に締結させる場合、ボルトの締め付けによりもたらされるボルト軸線方向の力（以下、ボルト軸力と称す）を高く安定させることが重要となる。ボルトの締め付けによりもたらされたボルト軸力が小さい場合、各被締結部品間に十分な摩擦接合がもたらされず、被締結部品がせん断外力を受けた場合に被締結部品間にすべりが生じ、このことは、ボルトの回転緩みを引き起こし、結果として、例えば、部品の脱落や被締結部品間の合わせ面の密着不良による液体漏れなどの問題をもたらす可能性が高い。
ボルトの締め付けによりもたらされるボルト軸力を常に安定させるべく、ボルトのネジ部に摩擦係数安定剤を付着させることは知られている（特開平９−４０９９１号公報参照）。特開平９−４０９９１号公報においては、摩擦係数安定剤をネジ部品等の締結材に付着させることにより、そのネジ部品の締結時の摩擦係数を安定化させ、尚かつ任意の摩擦係数値を付与することができ、ネジ部品のような締結材の緩みや破断等の問題点を解消できることが示されている。

しかしながら、特開平９−４０９９１号公報において示されているような、摩擦係数安定剤を使用することでボルト軸力の安定化を図る場合においては、ボルト軸力の高軸力化という点において課題が残されていると考える。
ボルトにより各被締結部品を相互に締結する場合、ボルト締め付け後において容易にネジ部が緩むことがないようにする必要があり、少なくとも、ボルト締め付け後において、ネジ部が自立していなければならないという条件を満たす必要があると考える。
ここで、”ネジ部が自立している”という表現は、ボルトの雄ネジ部を、雌ネジ部に鉛直方向から挿入した際に、雄ネジ部と雌ネジ部とが係合する面（以下、ネジ面と称す）の摩擦係数が小さ過ぎて、ボルト頭部に回転トルクを付与していないにもかかわらず、ボルトの自重のみによりボルトが回転してしまうようなことがない状態を意図している。
ネジ部が自立していない状態においては、ボルト頭部に回転トルクを付与しボルトの締め付けを行っても、ボルト頭部への回転トルクの付与を解除した際に、ボルトの締め付けによりもたらされたボルト軸力により雄ネジ部と雌ネジ部が相対的に回転移動してしまい、ボルト軸力が低下しまうことが考えられる。
ボルト軸力の高軸力化を図るべく、摩擦係数の極めて小さな摩擦係数安定剤をネジ部に付着させネジ面そのものの摩擦係数を低減させる場合、ボルト締め付け後の上記の述べたネジ部の自立が問題となり、この問題を解消すべく、摩擦係数安定剤によるネジ面の摩擦係数の低減には、設計条件に応じて、ある一定の制限が課せられることになることが考えられる。よって、摩擦係数安定剤の使用による、ボルト軸力の高軸力化には、ある一定の制限が課せられることになると考える。
ボルトを用いて各被締結部品を相互に締結させる場合、ボルト締め付けの際にもたらされるボルト軸力が高ければ高いほど、より強固な各被締結部品間の摩擦接合がもたらされることとなる。
従って、せん断外力が作用した際における各被締結部品間のすべりを各被締結部品間の摩擦接合により防止すべくボルトを用いて各被締結部品を相互に締結させる場合においては、ボルトを締め付ける際にもたらされるボルト軸力の高軸力化を図ることが可能な手段であって、ボルト締め付け後のネジ部の自立という点を考慮する必要がない手段を見出すこと、つまり、摩擦係数安定剤を用いた場合にもたらされうるボルト軸力よりも高いボルト軸力をもたらすことが可能な手段を見出すことが一つの重要な課題であると考える。
本発明は上記課題に鑑み、ボルトを締め付ける際にもたらされるボルト軸力の高軸力化を図るべく、ネジ面の摩擦係数そのものを変更することなくネジ面の摩擦係数を小さくしたのと同様の効果をもたらすことが可能なボルト締め付け方法および該ボルト締め付け方法を実現するボルト締め付け装置であって、作業性が良く容易に実施可能なボルト締め付け方法および該ボルト締め付け方法を実現するボルト締め付け装置を、提供することを目的とする。
請求項１に記載の発明によれば、ボルト頭部と、雄ネジ部を備えるボルト軸部とを有するボルトを用いて、被締結体を締結する際のボルト締め付け方法において、前記ボルトを締め付ける際にもたらされるネジ面およびボルト座面の面圧を意図的に偏らせるべく前記ボルト座面に平行な横荷重を前記ボルト頭部に付与した状態で、前記雄ネジ部を回転させる回転トルクを前記ボルト頭部に付与して前記ボルトを締め込む、ことを特徴とするボルト締め付け方法、が提供される。
すなわち、請求項１の発明では、ボルトを用いて被締結体を締結する際に、ボルト座面に平行な横荷重をボルト頭部に付与することでネジ面およびボルト座面の面圧を偏らせた状態で、ボルトの雄ネジ部を回転させる回転トルクがボルト頭部に付与され、ボルトは締め込まれる。
ボルト座面に平行な所定の横荷重をボルト頭部に付与しつつ、ボルト頭部に回転トルクを付与してボルトを締め込むことにより、ボルト軸線をボルト座面の垂線に対して極めて僅かな角度ではあるが所定の角度を有して傾斜させつつ、また、ボルト頭部をボルト座面に対して極めて僅かな角度ではあるが所定の角度を有して傾斜させつつ、ボルトを締め込むことができ、よって、ボルトを締め込む際にもたらされるネジ面およびボルト座面の面圧を所望の状態に偏らせることを可能とする。
ボルトの締め込みの際にもたらされるネジ面およびボルト座面の面圧を意図的に所望の状態に偏らせることで、ボルトを締め込む際の実際のボルトの回転中心線をボルトの中心軸線からネジ面およびボルト座面の高面圧側方向へ移動させることができ、これにより、ボルトの締め付け回転トルクを低減しネジ部に発生する捩じり応力を低減させ、ネジ部の有する引っ張り許容応力を十分に発揮させて降伏の発生する限界ボルト軸力を高めることができ、ボルト軸力の高軸力化を図ることが可能となる。
また、ボルトの締め付けが完了し、ボルト頭部に付与されていた回転トルクが解放された後は、ネジ面そのものの摩擦係数に応じてもたらされる摩擦力により雄ネジ部と雌ネジ部との係合を維持することができる。これにより、ボルト軸力の高軸力化を図るべく摩擦係数安定剤を使用する場合に問題となるネジの自立による高軸力化の制限を受けることはなく、摩擦係数安定剤を使用した場合と比較して、より高いボルト軸力をもたらすことが可能となる。
ここで、ネジ面とは、ボルトの雄ネジ部と該雄ネジ部に対応する雌ネジ部とが係合する面を意図する。ボルト座面とは、被締結体とボルト頭部とが係合する面を意図しており、また、ボルト頭部と被締結体との間に、例えば平座金やバネ座金など座金が配置される場合には、該座金とボルトあるいは該座金と被締結体とが係合する面を意図する。
請求項２に記載の発明によれば、前記雄ネジ部と係合する雌ネジ部は、該雌ネジ部の中心軸線が前記ボルト座面の垂線に対して傾斜して配設される、ことを特徴とする請求項１に記載のボルト締め付け方法、が提供される。
すなわち、請求項２の発明では、ボルトの雄ネジ部と係合する雌ネジ部の中心軸線を、ボルト座面の垂線に対して所定の角度を有して傾斜させて配設することで、ボルト軸線をボルト座面の垂線に対して所定の角度を有して傾斜させつつ、また、ボルト頭部を座面に対して所定の角度を有して傾斜させつつ、ボルトを締め込むことができる。これにより、ボルトの雄ネジ部と係合する雌ネジ部の中心軸線がボルト座面の垂線に平行に配設される場合と比較して、より小さな横荷重のボルト頭部への付与で、ボルトの締め込む際にもたらされるネジ面およびボルト座面の面圧を所望の状態に偏らせることを可能とする。
請求項３に記載の発明によれば、前記雄ネジ部と係合する雌ネジ部の中心軸線を前記ボルト座面の垂線に対して傾斜させるべく、前記雌ネジ部のネジ山の一部に粒子が付着される、ことを特徴とする請求項２に記載のボルト締め付け方法、が提供される。
すなわち、請求項３の発明では、ボルトの雄ネジ部と係合する雌ネジ部のネジ山の所定の部分に粒子を付着させることで、該雌ネジ部の中心軸線をボルト座面の垂線に対して傾斜させる。
請求項４に記載の発明によれば、前記雄ネジ部は、該雄ネジ部の中心軸線が前記ボルト頭部の中心軸線に対して傾斜して形成される、ことを特徴とする請求項１に記載のボルト締め付け方法、が提供される。
すなわち、請求項４の発明では、ボルトの雄ネジ部の中心軸線をボルト頭部の中心軸線に対して所定の角度を有して傾斜させて形成することで、ボルト頭部をボルト座面に対して所定の角度を有して傾斜させつつ、ボルトを締め込むことができる。これにより、ボルトの雄ネジ部の中心軸線とボルト頭部の中心軸線とが一致しているボルトを使用する場合と比較して、より小さな横荷重のボルト頭部への付与で、ボルトの締め込む際にもたらされるネジ面およびボルト座面の面圧を所望の状態に偏らせることを可能とする。
請求項５に記載の発明によれば、前記ボルト軸部の前記横荷重に対する曲げ剛性を低減すべく、前記ボルト軸部は、その一部に穴部を有して形成される、ことを特徴とする請求項１に記載のボルト締め付け方法、が提供される。
すなわち、請求項５の発明では、ボルト軸部に適当な穴部を設けることで、ボルト座面に平行な横荷重に対するボルト軸部の曲げ剛性を低減することができる。これにより、ボルト軸部に当該穴部がないボルトを使用する場合と比較して、より小さな横荷重のボルト頭部への付与で、ボルトの締め込む際にもたらされるネジ面およびボルト座面の面圧を所望の状態に偏らせることを可能とする。
請求項６に記載の発明によれば、前記ボルト座面に平行に付与される前記横荷重は、前記ネジ面および前記ボルト座面の面圧を意図的に偏らせつつ、且つ、前記ボルト頭部が前記ボルト座面に対して平行に摺動している状態で前記ボルトを締め込むことができるように制御される、ことを特徴とする請求項１に記載のボルト締め付け方法が提供される。
すなわち、請求項６の発明では、ボルトを締め込む際に、ネジ面およびボルト座面の面圧を意図的に偏らせつつ、且つ、ボルト頭部がボルト座面に対して平行に摺動している状態で、ボルトを締め込むことを可能とする。これにより、例えば、横荷重が過大にボルト頭部に付与されるが故に、ボルト軸部が被締結部材に設けられたボルト穴の縁部に強く押し付けられ、ボルト軸部とボルト穴の縁部との接触部の各表面状態などに起因して思わぬ大きな摩擦が生じることを防止することができる。また、ボルトを締め込む際に必要となる締め付け回転トルクを、より低減させることができ、ボルトを締め込む際にもたらされるボルト軸力の更なる高軸力化を図ることが可能となる。
請求項７に記載の発明によれば、ボルト頭部と、雄ネジ部を備えるボルト軸部とを有するボルトを用いて、被締結体を締結する際に使用するボルト締め付け装置において、前記雄ネジ部を回転させる回転トルクを前記ボルト頭部に付与する締め付け回転トルク付与手段と、前記締め付け回転トルク付与手段により前記雄ネジ部が回転される際に、もたらされるネジ面およびボルト座面の面圧を意図的に偏らせるべく、前記ボルト座面に平行な横荷重を前記ボルト頭部に付与する横荷重付与手段と、を有する、ことを特徴とするボルト締め付け装置、が提供される。
すなわち、請求項７の発明では、ボルトの雄ネジ部を回転させる回転トルクをボルト頭部に付与する締め付け回転トルク付与手段と、該締め付け回転トルク付与手段によりボルトの雄ネジ部が回転される際に、ネジ面およびボルト座面の面圧を意図的に偏らせるべくボルト座面に平行な横荷重をボルト頭部に付与する横荷重付与手段と、をボルト締め付け装置が有することで、ボルトを用いて被締結体を締結する際に、ネジ面およびボルト座面の面圧を偏らせた状態で、ボルトの雄ネジ部を回転させる回転トルクをボルト頭部に付与して、ボルトを締め込むことが可能となる。これにより、請求項１に係る発明と同様に、ネジの締め込みの際にもたらされるネジ面および座面の面圧を所望の状態に偏らせることができ、ボルトを締め込む際の実際のボルトの回転中心をボルト軸からネジ面およびボルト座面の高面圧側方向へ移動させることができる。これにより、ネジ部に発生する捩じり応力を低減させ、ネジ部の有する引っ張り許容応力を十分に発揮させて降伏の発生する限界ボルト軸力を高めることができ、ボルト軸力の高軸力化を図ることが可能となる。
また、請求項１と同様に、ボルトの締め付けが完了し、ボルト頭部に付与されていた回転トルクが解放された後は、ネジ面そのものの摩擦係数に応じてもたらされる摩擦力により雄ネジ部と雌ネジ部との係合を維持することができ、摩擦係数安定剤を使用した場合と比較して、より高いボルト軸力をもたらすことが可能となる。
請求項８に記載の発明によれば、前記横荷重付与手段は、前記締め付け回転トルク付与手段により前記ボルトが締付けられる際の、前記ボルト頭部の前記ボルト座面に対する平行な動きを検出する変位検出手段と、該変位検出手段から検出された、前記ボルト頭部の前記ボルト座面に対する平行な動きに基づいて、前記横荷重を制御する横荷重制御手段とを有し、前記ボルトを締めこむ際に前記ネジ面および前記ボルト座面の面圧を意図的に偏らせつつ、且つ、前記ボルト頭部が前記ボルト座面に対して平行に摺動している状態で前記ボルトを締め込むことができるように、前記横荷重制御手段により前記横荷重を制御する、ことを特徴とする請求項７に記載のボルト締め付け装置が提供される。
すなわち、請求項８の発明では、横荷重付与手段が変位検出手段および横荷重制御手段を有することにより、ボルトを締め込む際に、ネジ面およびボルト座面の面圧を意図的に偏らせつつ、且つ、ボルト頭部がボルト座面に対して平行に摺動している状態で、ボルトを締め込むことを可能とする。
各請求項の記載の発明によれば、ネジ面およびボルト座面の面圧を意図的に偏らせた状態で、ボルトを締め込むことが可能とされ、ネジ部の摩擦係数そのものを変更することなく、ボルト軸力の高軸力化が実現されるという、共通の効果を奏する。
従って、各請求項の発明によれば、ボルト軸力の高軸力化を図るべく摩擦係数安定剤を使用する場合に問題となるネジの自立による高軸力化の制限を受けることはなく、摩擦係数安定剤を使用した場合と比較して、より高いボルト軸力をもたらすことが可能となる。

図１は、ボルト座面に平行な横荷重がボルト頭部に付与される前のボルトの一状態を示す図である。
図２は、図１に示された状態から、ボルト座面に平行な横荷重がボルト頭部に付与され、さらにソケットにボルト頭部を回転させる回転トルクが付与された際のボルトの状態を示す図である。
図３は、本発明のボルトの締め付け方法を実現するための第一の実施形態を示す図である。
図４は、図３に示された第一の実施形態の締め付け回転トルク付与手段および横荷重付与手段の、より具体的な一実施形態を示す図である。
図５は、本発明のボルトの締め付け方法を実現するための第二の実施形態における雌ネジ部を示す図である。
図６は、本発明のボルトの締め付け方法を実現するための第三の実施形態における雌ネジ部を示す図である。
図７は、本発明のボルトの締め付け方法を実現するための第四の実施形態における雄ネジ部を示す図である。
図８は、第四の実施形態のボルトと、ボルト頭部に付与する横荷重の付与方向をボルトの回転と同期させることが可能なボルト締め付け装置となる回転ハンマーとの組立図である。
図９は、図８中の線Ａ−Ａにおいて切り取られた回転ハンマー装置の断面図である。
図１０は、本発明のボルトの締め付け方法を実現するための第五の実施形態における雄ネジ部を示す図である。
図１１は、本発明のボルトの締め付け方法を実現するための第六の実施形態を示す図である。
図１２は、図１１に示された本発明に係るボルト締め付け装置において実行される、ボルト締め付けの制御ルーチンの一実施形態を示すフローチャート図である。
図１３は、図１２に示されるボルト締め付けの制御ルーチンが実行された際の、ソケットのボルト座面に対しての平行な動きすなわち変位の時間推移の一例を示す図である。

符号の説明

１…ボルト
２…ボルト頭部
３…ボルト軸部
４…雄ネジ部
５…被締結部品
６…雌ネジ部
７…ソケット
８…ボルト座面
９…ネジ面
１０…摩擦係合面
１１…ボルト軸線
１２…ボルト座面の垂線
２１…締め付け回転トルク付与手段
２２…横荷重付与手段
３１…回転駆動機
３２…回転制御器
３３…回転軸
３４…電磁石装置
３５…横荷重制御部
３６…反力受け部
４１…雌ネジ部の中心軸線
４２…粒子
５０…ボルト
５１…ボルト頭部
５２…雄ネジ部
５３…雄ネジ部の中心軸線
５４…ボルト頭部の中心軸線
６１…回転ハンマー装置
６２…ハンマー
６３…ローラベアリング
６４…スプリング
６５…ソケット
６６…溝部
６７…回転軸
７０…ボルト
７１…ボルト頭部
７２…ボルト軸部
７３…穴部
１３１…回転駆動機
１３２…回転制御器
１３３…回転軸
１３４…電磁石装置
１３５…横荷重制御部
１３６…反力受け部
１３７…変位センサー

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。
先ず、図１および図２を参照して本発明のボルト締め付け方法の基本概念について説明する。
図１は、ボルト頭部にボルト座面に平行な横荷重が付与される前のボルトの一状態を示す図である。図１において、１はボルト、２はボルト頭部、３はボルト軸部、４はボルト軸部３に設けられた雄ネジ部、５は各被締結部品、６は雄ネジ部と係合する雌ネジ部、７はボルト頭部２に回転トルクを伝達するソケット、８はボルト頭部２と被締結部品５とが係合する面となるボルト座面、９は雄ネジ部４と雌ネジ部６とが係合する面となるネジ面、１０は各被締結部品間の摩擦接合面、をそれぞれ示す。
図２は、図１に示された状態から、ボルト座面８と平行な横荷重がボルト頭部２に付与され、さらにソケット７にボルト頭部２を回転させる回転トルクが付与された際のボルトの状態を示す図である。
図２に示されるように、ボルト座面８に平行な横荷重がボルト頭部２にソケット７を介して付与されると、ボルト軸線１１はボルト座面の垂線１２に対して傾斜し、また、ボルト頭部２はボルト座面８に対して傾斜した状態とされる。但し、図２においては、これらの傾斜の状態を明らかにすべく図示されているが、実際には、これらの傾斜の有する角度θ１は、例えば０．０１°のような極めて僅かな角度である。
このような状態、すなわち、ボルト軸線１１がボルト座面の垂線１２に対して傾斜され、また、ボルト頭部２がボルト座面８に対して傾斜された状態で、ソケット７を介して回転トルクがボルト頭部２に付与されると、ボルト座面８およびネジ面９の面圧が偏った状態で、ボルトが締め込まれることになる。
本出願人は、ボルト座面８に平行な横荷重をボルト頭部２に付与し、ボルト１の締め込みの際にもたらされるボルト座面８およびネジ面９の面圧を偏らせた状態で、ボルト１を締め込むことで、ボルト座面８とネジ面９の面圧の偏りに起因して、実際のボルトの回転中心線（瞬間回転中心線とも称す）をボルト軸線１１からネジ面９およびボルト座面８の高面圧側方向へ移動させることができ、これにより、ボルト頭部２に横荷重を付与しない場合と比較し、より少ない締め付けトルクで、より高いボルト軸力をもたらすことが可能であることを、有限要素法解析（ＦＥＭ）により見出した。
このことを導くにあたり、本出願人は、先ず、ボルトで締結された被締結部品にせん断型荷重を付与した場合の、ボルトの締め込みに必要な回転トルクの挙動についての検証を有限要素法解析により行った。
ボルトで締結された被締結体にせん断型荷重を付与すると、ボルトが容易に回転してしまう現象すなわちボルトの回転緩みが発生することがあることは知られている。そして、この現象はボルト軸線回りの回転方向の摩擦係数の低下に起因するものである、とする説がある。この説によれば、ネジ面およびボルト座面ともに横すべりが存在する場合には、ボルト軸線回りの回転方向の摩擦係数が０．００５〜０．０２といった極めて小さな値に低下し、このことが、ボルトの緩み回転をもたらす、と説いている。
本出願人は、ボルトで締結された被締結体にせん断型荷重を付与した場合および付与しない場合に相当する解析モデルであって、ボルト座面およびネジ面の摩擦係数については、その値が０．００５〜０．０２といった極めて小さな値ではなく、ボルト座面およびネジ面が本来有する現実的な摩擦係数、例えば０．１程度の摩擦係数を維持するような拘束条件を付した解析モデルを形成し、この説の検証を行った。
その結果、被締結体にせん断型荷重が付与されたことによりボルト座面およびネジ座面の面圧に偏りがもたされている状態では、ボルト座面およびネジ面の摩擦係数が本来の摩擦係数として維持されているにもかかわらず、すなわちボルト座面およびネジ面の摩擦係数が、０．００５〜０．０２といった極めて小さな値とされなくとも、ボルトの回転中心線をボルト軸線から高圧面部側の方向へ移動させることにより、被締結体にせん断型荷重が付与されていない場合と比較して、ボルトを回転させるのに必要なトルクが低下することが判明した。
このことから、本出願人は、ボルトで締結された被締結体にせん断型荷重を付与した状態でボルトが容易に回転してしまう現象は、ボルト軸線回りの回転方向の摩擦係数が低下したためではなく、せん断型荷重が付与されたことによるボルト座面およびネジ面の面圧の偏りによりもたらされるものであり、また、ボルト座面およびネジ面の面圧が偏ることにより、実際のボルトの回転中心線がボルト軸線からボルト座面およびネジ面の高面圧部に近づく方向へ移動し、これにより、ボルトを回転させるのに必要なトルクが減少する、との基本概念を導いた。
ボルト座面およびネジ面の面圧が偏ることによりもたらされる実際のボルトの回転中心線は、理想的にはボルト座面の高面圧部とネジ面の高面圧部とを結ぶ直線となることが考えられる。何故なら、面圧の高い部分は移動しづらく、高面圧部を回転中心として回転すると考えるのが妥当であるからである。しかしながら、ボルト座面およびネジ面の面圧の偏りは、一点に集中してもたらされることは考えづらく、ある程度の面積にわたり分布を有してもたらされることが一般的である。従って、ボルト座面およびネジ面の面圧が偏ることによりもたらされる実際のボルトの回転中心線は、ボルト座面の高圧面部に近い部分と、ネジ面の高圧面部に近い部分とを結ぶ直線となる、と推考することが妥当であると考える。
また、ボルト座面およびネジ面の面圧が偏ることによりもたらされる実際のボルトの回転中心線がボルト座面の高圧面部に近い部分とネジ面の高圧面部に近い部分とを結ぶ直線となると考えることで、実際のボルトの回転中心線はボルト軸線から高面圧部に近づく方向へ移動し、実際のボルトの回転中心線から高面圧部までの最短距離が短くなり、これにより、ボルトを回転させるのに必要な回転トルクが小さくなるという現象の説明を容易に導くことができる。仮に、実際のボルト回転中心線が高面圧部から遠ざかる方向へ移動すると考えた場合には、ボルトの回転中心軸線から高面圧部までの最短距離は長くなり、ボルトを回転させるのに必要なトルクは増大するはずであり、解析結果とそぐわないことになる。
次に、本出願人は、ボルト締め付けの際のボルト軸力の高軸力化を図ることを目的として、本基本概念をボルト締め付け方法に適用し得るか否かの検証をすべく、ボルト頭部２にボルト座面８に平行な横荷重を付与した状態における、ボルト座面８およびネジ面９の面圧およびボルト１を回転させるのに必要な回転トルクの挙動を、有限要素法解析により検証を行った。
この検証においては、ボルト頭部２にボルト座面８に平行な横荷重を付与した場合および付与しない場合に相当する解析モデルであって、ボルト座面８およびネジ面９の摩擦係数については、その値が０．００５〜０．０２といった極めて小さな値ではなく、ボルト座面８およびネジ面９が本来有する現実的な摩擦係数、例えば０．１程度の摩擦係数を維持するような拘束条件を付した解析モデルを形成し検証を行った。
その結果、ボルトで締結された被締結体にせん断型荷重を付与した場合と同様に、ボルト頭部２に横荷重が付与されたことによりボルト座面８およびネジ座面９の面圧に偏りがもたされている状態では、ボルト座面８およびネジ面９の摩擦係数が本来の擦擦係数として維持されているにもかかわらず、すなわちボルト座面８およびネジ面９の摩擦係数が、０．００５〜０．０２といった極めて小さな値とされなくとも、ボルトの回転中心線をボルト軸線１１から高圧面部側方向へ移動させることにより、ボルト頭部２に横荷重が付与されていない場合と比較して、ボルト１を回転させるのに必要なトルクが低下することが判明した。
従って、本基本概念をボルト締め付け方法に適用することが可能であり、ボルト座面８に平行な横荷重をボルト頭部２に付与し、ボルト１の締め込みの際にもたらされるボルト座面８およびネジ面９の面圧を偏らせた状態で、ボルト１を締め込むことで、ボルト座面８とネジ面９の面圧の偏りで、実際のボルトの回転中心線をボルト軸線１１から高面圧側方向へ移動させることができ、これにより、ボルト頭部２に横荷重を付与しない場合と比較し、より小さな締め付け回転トルクでボルトを締め込むことが可能であることが、検証されたと考える。
次に、ボルトを締め込む際に必要となる締め付け回転トルクを減少させることで、ボルトを締め込む際にもたらされるボルト軸力の高軸力化を図ることが可能となることについて説明する。
ボルト締め付け時、ボルト軸部にはボルトの締め付け回転トルクに対応した捩じり応力τと、ボルト軸力に対応した引っ張り応力σとが作用する。この組み合わせ後の等価応力σ_ｏは、一般的に、σ_ｅ ^２＝（σ^２＋３τ^２）の楕円の式で表され、ボルト材料の降伏点σ_γに達するまで弾性変形として扱える。
従って、ボルトが降伏する限界ボルト軸力を高めるためには、ボルトの締め付けの際に発生する捩じり応力τを減少させればよいことになる。ボルトを締め込む際に必要となる回転トルクが減少することは、ボルトの締め付けの際に発生する捩じり応力τを減少させることとなり、ボルト軸力に対応した引っ張り応力σの許容範囲が広がり、このことは、ボルトが降伏する限界ボルト軸力を高めることになり、ボルト頭部２に横荷重を付与しない場合と比較し、より高いボルト軸力をもたらすことが可能となる。
以上のように、本発明におけるボルトの締め付け方法によれば、摩擦係数そのものを変更するのではなく、締め付け方法を変えて、具体的には、ボルト座面８およびネジ面９の面圧に偏りをもたせた状態でボルトを締め込むことにより、ネジ面９の摩擦係数を小さくしたのと同じ効果を奏する、すなわち、ボルト１を締め込む際のボルト軸力の高軸力化を実現する効果を奏する。
また、ボルト１の締め付けが完了し、ボルト頭部２に付与されていた締め付け回転トルクが解放された後は、ネジ面９そのものの摩擦係数に応じてもたらされる摩擦力により雄ネジ部と雌ネジ部との係合を維持することができる。
これにより、ボルト軸力の高軸力化を図るべく摩擦係数安定剤を使用する場合に問題となるネジの自立による高軸力化の制限を受けることはなく、摩擦係数安定剤を使用した場合と比較して、より高いボルト軸力をもたらすことが可能となる。
より高いボルト軸力は、各被締結部品間の摩擦係合面１０に強固な摩擦接合をもたらし、該強固な摩擦接合により、せん断外力が作用した際における各被締結部品間のすべりを、より万全の防止することができ、よって、各被締結部品間のすべりを回避しネジの回転緩みを、より万全に防止することが可能となる。
尚、本発明によるボルト締め付け方法においては、ボルトの締め付けが完了した際に、ボルト頭部２とボルト座面８との間には、極めて僅かではあるが隙間が残存する可能性がある。しかしながら、このボルト締め付け完了時に残存する隙間は、ボルト頭部２に付与されていた回転トルクを解放する際に、あるいは、せん断外力が被締結部品に作用した際に、その際にボルト自体がバランスを取るように移動し実質的になくなることが想定され、例えばメガネのヒンジ部等のような頻繁にボルトに回転トルクが作用するような締結部への適応を除いては、ボルト軸力に対する当該隙間の影響は無視できるものと考える。
また、本発明によるボルト締め付け方法においては、ボルト締め付けの際、雄ネジ部は、対応する雌ネジ部に対して傾斜して挿入されることになるが、その傾斜の度合いによってはネジ噛みが問題と可能性がある。その場合には、ボルト締め付け後のネジの自立が問題とならない範囲でネジ面に摩擦係数安定剤を適用することにより、ネジ噛みを緩和することが可能となる。
次に、以上のような本発明のボルトの締め付け方法の基本概念を適用した幾つかの実施形態を以下に説明する。
図３は、本発明のボルトの締め付け方法を実現するための第一の実施形態を示し、該図中において、２１は締め付け回転トルク付与手段、２２は横荷重付与手段、をそれぞれ示す。
図３に示される第一の実施形態は、本発明のボルト締め付け方法を実現するための、最も基本的な構成である。ボルト１は、通常使用されている頭付きボルト、例えば六角頭付きボルトであり、締め付け回転トルク付与手段２１は、ボルト頭部２にボルト締め付けの際に必要となる締め付け回転トルクを付与する役割を果すものであり、横荷重付与手段２２は、締め付け回転トルク付与手段２１によりボルト１を締め付ける際に、ソケット７を介してボルト頭部２に、ボルト座面８に平行な横荷重を常に一方向に付与する役割を果すものである。
締め付け回転トルク付与手段２１および横荷重付与手段２２を有することにより、ボルト座面８に平行な横荷重をボルト頭部２に付与した状態で、雄ネジ部４を回転させる回転トルクをボルト頭部２に付与して、ボルトを締め込むことが可能となる。よって、ボルト軸線１１をボルト座面の垂線１２に対して極めて僅かな角度ではあるが所定の角度を有して傾斜させつつ、また、ボルト頭部２をボルト座面８に対して極めて僅かな角度ではあるが所定の角度を有して傾斜させつつ、ボルト１を締め込むことができ、ボルト１を締め込む際にもたらされるネジ面９およびボルト座面８の面圧を所望の状態に偏らせることが可能となる。
締め付け回転トルク付与手段２１および横荷重付与手段２２の、より具体的な一実施形態を図４に示す。図４において、３１は回転駆動機、３２は回転制御器、３３は回転軸、３４は電磁石装置、３５は横荷重制御部、３６は反力受け部、をそれぞれ示す。
図４に示す実施形態においては、締め付け回転トルク付与手段２１は、回転駆動機３１、回転制御器３２および回転軸３３を有する。回転駆動機３１は、ボルト１を締め込む際に必要となる締め付け回転トルクを発生させる役割を果すものであり、電動式や圧縮空気式などの様々な形式の回転駆動機が使用されうる。回転制御器３２は、回転駆動機３１がもたらす締め付け回転トルクの大きさを制御する役割を果すものである。回転軸３３は、回転駆動機３１によりもたらされた締め付け回転トルクをソケット７に伝達する役割を果すものである。
締め付け回転トルク付与手段２１が、回転駆動機３１および回転軸３３を有することで、ボルトを締め付け際に締め付け回転トルクを回転駆動機３１から回転軸３３を介してソケット７に伝達することが可能となり、また、回転制御器３２を有することで、ソケット７に伝達される締め付け回転トルクの大きさの制御することができ、これにより、ボルト１を破損させるような過剰な締め付け回転トルクのソケット７への伝達を防止することが可能となる。
図４に示す実施形態においては、横荷重付与手段２２は、電磁石装置３４、横荷重制御部３５および反力受け部３６を有する。電磁石装置３４は、ソケット７にボルト座面８に平行な横荷重を常に一方向に付与し、ソケット７をボルト座面８に対して平行に強制的に移動させる役割を果すものである。横荷重制御部３５は、ソケット７に付与する電磁石装置３４による横荷重の大きさを制御する役割を果すものである。反力受け部３６は、電磁石装置３４のボルト座面８に対する相対的な動きを防止する役割を果すものであり、ボルトを締め込む際に、電磁石装置３４が被締結体に仮固定されるように構成される場合は、本反力受け部は不要となる。
横荷重付与手段２２が、電磁石装置３４および反力受け部３６を有することにより、ソケット７をボルト座面８に対して平行に強制的に移動させることができ、よって、ボルト軸線１１をボルト座面の垂線１２に対して極めて僅かな角度ではあるが所定の角度を有して傾斜させることが可能となり、また、ボルト頭部２をボルト座面８に対して極めて僅かな角度ではあるが所定の角度を有して傾斜させることが可能となる。
また、横荷重付与手段２２が、横荷重制御部３５を有することで、ソケット７に付与する横荷重の大きさや、該横荷重をソケット７に付与する時期を制御することができる。ボルト締め付けの初期段階においては、ボルト１を回転させるのに必要となる回転トルクは小さく、ソケット７に横荷重を付与する必要はないと考えられ、ボルト締め付けの最終段階に近づくにつれて、ボルト１を回転させるのに必要となる回転トルクは徐々に大きくなるように変化し、この回転トルクの変化に合わせてソケット７に付与する横荷重の大きさを制御することが好ましく、横荷重制御部３５を有することで、このような制御が可能となる。
本発明のボルトの締め付け方法を実現するための第二の実施形態は、特に、ボルト１の雄ネジ部４と係合する雌ネジ部６の構造を特徴とするのであり、当該第二の実施形態における雌ネジ部６を図５に示す。その他の構成要素は、図３に示す第一の実施形態と同様であり、その作用効果も同様である。
図５に示される第二の実施形態における雌ネジ部６は、該雌ネジ部６の中心線４１がボルト座面の垂線１２に対して角度θ３を有するように配設される。これにより、締め付け回転トルク付与手段２１によりボルト１を締め込む際に、ボルト軸線１１をボルト座面の垂線１２に対して角度θ３を有して傾斜させつつ、また、ボルト頭部２をボルト座面８に対しても角度を有して傾斜させつつ、ボルト１を締め込むことができ、よって、ボルト１の雄ネジ部４と係合する雌ネジ部６の中心軸線４１がボルト座面の垂線１２に平行に配設される場合と比較して、より小さな横荷重のボルト頭部２への付与で、ボルト１の締め込む際にもたらされるネジ面９およびボルト座面８の面圧を所望の状態に偏らせることが可能となる。
本発明のボルトの締め付け方法を実現するための第三の実施形態は、第二の実施形態と同様に、特に、ボルト１の雄ネジ部４と係合する雌ネジ部６の構造を特徴とするのであり、当該第三の実施形態における雌ネジ部６を図６に示す。その他の構成要素は、図３に示す第一の実施形態と同様であり、その作用効果も同様である。
図６に示される第三の実施形態における雌ネジ部６は、第二の実施形態と同様に、雄ネジ部４と係合する雌ネジ部６の中心軸線４１をボルト座面の垂線１２に対して角度θ４を有するようにすべく、該雌ネジ部６のネジ山の一部に、好適には、ネジ部の片側半円周部に粒子が付着されて形成される。粒子の付着が片側半円周部に付着されて実施される場合、ボルト締め付けの際にもたらされるネジ面の面圧の分布を、ネジ部の円周の半分の部分を高面圧部として、残りの半分の部分を低面圧部としてもたらすことができる。また、該粒子は、ボルト１を締め込む際にネジ面９における高面圧部を所望の場所にもたらすべく、雌ネジ部６のネジ山の適当な場所に付着されてもよい。使用される粒子は、雌ネジ部６の中心軸線４１の傾斜を精度よく実現すべく、好適には、金属や高分子などの微粒子が使用されることが望ましい。雌ネジ部６の中心軸線４１がボルト座面の垂線１２に対して角度θ４を有することによりもたらされる作用効果は、第二の実施形態と同様である。
本発明のボルト締め付け方法を実現するための第四の実施形態は、特に、ボルトの構造を特徴とするものであり、当該第四の実施形態におけるボルトを図７に示す。図７においては、５０はボルト、５１はボルト頭部、５２は雄ネジ部、５３はボルト頭部５１の中心軸線、５４は雄ネジ部５２の中心軸線、をそれぞれ示す。
図７に示されるように第四の実施形態における雄ネジ部５２は、該雄ネジ部の中心軸線５３がボルト頭部の中心軸線５４に対して角度θ５を有して形成される。これにより、締め付け回転トルク付与手段によりボルト５０を締め込む際に、ボルト頭部５１をボルト座面８に対しても角度を有して傾斜させつつ、ボルト５０を締め込むことができ、よって、ボルト頭部の中心軸線がボルト座面の垂線に平行に配設される場合と比較して、より小さな横荷重のボルト頭部５１への付与で、ボルト５０の締め込む際にもたらされるネジ面９およびボルト座面８の面圧を所望の状態に偏らせることが可能となる。
第四の実施形態においては、ボルト頭部の中心軸線５４が雄ネジ部の中心軸線５３に対して傾斜しているため、第一の実施形態から第三の実施形態とは異なり、ボルト５０を回転して締め付ける際に、ボルト頭部５１とボルト座面８との係合部分がボルト５０の回転とともに回転移動する。そこで、ボルト頭部５１とボルト座面８との係合部方向に横荷重を付与すべく、ボルト頭部５１に付与する横荷重の付与方向をボルト５０の回転と同期させることが必要となる。このような横荷重の付与を実現しうるボルト締め付け装置の一実施形態を、図８および図９を参照して以下に説明する。
図８は、第四の実施形態のボルト５０と、ボルト頭部５１に付与する横荷重の付与方向をボルト５０の回転と同期させることが可能なボルト締め付け装置となる回転ハンマー装置との組立図である。また、図９は、図８中の線Ａ−Ａにおいて切り取られた回転ハンマー装置の断面図である。図８および図９において、６１は回転ハンマー装置、６２はハンマー、６３はローラベアリング、６４はスプリング、６５はソケット、６６は溝部、６７は回転軸、をそれぞれ示す。
回転ハンマー装置６１は、ハンマー６２、ソケット６５および回転軸６７を有し、また、ハンマー６２は、ローラベアリング６３およびスプリング６４を有する。ソケット６５は、ボルト５０を締め込む際に必要となる回転トルクをボルト頭部５１に付与する役割を果すものであり、該ソケット６５の外側面部には、後に説明するローラベアリング６３と衝突係合する溝部６６が設けられている。ハンマー６２は、ボルト頭部５１に、ソケット６５を介して締め付け回転トルクを伝達すると同時に横荷重を付与する役割を果すものであり、スプリング６４とローラベアリング６３とを有する。回転軸６７は、ソケット６５の回転中心線を形成する役割を果すものである。
スプリング６４は、ローラベアリング６３をソケット６５の方へ付勢する役割を果すものであり、その一端はハンマー６２に固定され、その他端はローラベアリング６３に固定される。ローラベアリング６３は、スプリング６４による付勢力によりソケット６５の溝部６６と衝突係合することで、ソケット６５に、ボルト頭部５１に付与する回転トルクと横荷重とを同時に付与する役割を果すものである。
以下に、回転ハンマー装置６１の動作について図９を参照して説明する。
ハンマー６２がソケット６５に対して回転されと、ローラベアリング６３はハンマー６２ともに回転しソケット６５の溝部６６と遭遇する。その際、ローラベアリング６３は、スプリング６４の付勢力によりソケット６５の溝部６６と衝突係合し、これにより、ソケット６５に、ボルト５０の締め付けに必要な回転トルクと、ソケット６５をボルト座面８に対して平行に抑圧する横荷重とを同時に付与することができる。
ボルト５０の締め付けに必要な回転トルクが低い、締め付け初期段階においては、ローラベアリング６３とソケット６５の溝部６６とが係合した状態で且つローラベアリングが溝部６６にスプリング６４により押圧された状態で、ハンマー６２とともにソケット６５が回転することで、ボルト頭部５１に、締め付け回転トルクおよび横荷重が付与される。
そして、ボルト５０の締め付けに必要な回転トルクが高くなり一定の値以上になると、ローラベアリング６３は、溝部６６との係合が解除され、溝部６６と再び遭遇するまで、ハンマー６２とともにソケット６５の外側面部上を摺動し、再び溝部６６に遭遇すると、スプリング６４の付勢力によりソケット６５の溝部６６と衝突係合し、これにより、ソケット６５に、回転軸６７回りの回転トルクと、ソケット６５をボルト座面８に対して平行に押圧する横荷重とを同時に付与することができる。この動作を繰り返し実行することで、ボルト５０を完全に締め込むことができる。
以上のように、回転ハンマー装置６１を用いることで、ボルト頭部５１に付与する横荷重の方向をボルト５０の回転と同期させることができ、ボルト５０の締め付けの際に、ボルト頭部５１とボルト座面８との係合面がボルトの回転とともに移動する第四の実施形態の場合においても、本発明のボルト締め付け方法の実現を可能にすることができる。
また、このような回転ハンマー装置６１は、それ自体で大きな重量となることが推察され、ボルト頭部２に横荷重を付与することによる反力を回転ハンマー装置６１自体の重量で受けることが可能であることが考えられ、よって、図８に示す本実施形態において、ボルトを締め付ける際における回転ハンマー装置６１のボルト座面８に対する相対的な動きを防止する反力受け部を構成要素として含めていない。しかしながら、回転ハンマー装置６１自体の重量が軽量で、該反力受け部が必要である場合には、その必要性に応じて該反力受け部が設けられることになる。
尚、第二の実施形態から第四の実施形態においては、外力による横荷重をボルト頭部に付与しなくとも、ボルトを締め込む際に、ボルト軸線をボルト座面の垂線に対して角度を有して傾斜させつつ、且つ／または、ボルト頭部をボルト座面に対して角度を有して傾斜させつつ、ボルトを締め込むことができる。しかしながら、外力による横荷重を付与しないでボルトを締め付ける場合、ボルト自体が、ボルトの締め込む際にもたらされるネジ面およびボルト座面の高面圧部と低面圧部とのバランスを取るような変形をともないながら、すなわち、面圧の偏りをなくすような変形をともないながら締め込まれる可能性が大きく、所望の領域に高面圧部をもたらしづらいことが考えられる。
このようなボルト自体の変形を防止するためには、ある程度の外力による横荷重を強制的にボルトの頭部に付与することが必要となると考える。よって、第二の実施形態から第四の実施形態のボルト締め付け方法においても、ボルトを締め付ける際に、外力による横荷重をボルト頭部に付与することを要件としている。但し、設計条件や締め付け環境条件によっては、第二の実施形態から第四の実施形態においては、外力による横荷重の付与することなく、所望の領域に高面圧部を容易にもたらすことが可能であることが考えられ、このような場合には、外力による横荷重のボルト頭部への付与の必要性がなくなり、本ボルト締め付け作業の容易化・効率化を図りうる。
本発明のボルト締め付け方法を実現するための第五の実施形態は、特に、ボルトの構造を特徴とするものであり、当該第五の実施形態におけるボルトを図１０に示す。図１０においては、７０はボルト、７１はボルト頭部、７２はボルト軸部、７３は穴部、をそれぞれ示す。
図１０に示されるように第五の実施形態におけるボルト７０のボルト軸部７２は、その一部に穴部７３を有して形成される。該穴部７３は、ボルト頭部７１に付与される横荷重に対するボルト軸部７２の曲げ剛性を低下させる役割を果すもので、その形状や数量などは、設計仕様に依存して適当に決定される。例えば、穴部７３は、ボルト軸部７２を貫通するものでもよく、また、ボルト軸部７３を貫通しないボルト軸部７３の側面上の設けられた凹み部のようなものでもよい。
ボルト軸部７２が穴部７３を有することで、ボルト軸部に穴部がない場合と比較して、ボルト頭部７１に付与される横荷重に対して、ボルト軸部７２は容易に曲げ変形される。よって、ボルト軸部に穴部がないボルトを使用する場合と比較して、より小さな横荷重のボルト頭部７１への付与で、ボルト７０の締め込む際にもたらされるネジ面およびボルト座面の面圧を所望の状態に偏らせることを可能となる。
以下に、本発明のボルト締め付け方法を実現するための第六の実施形態について説明する。本実施形態においては、ボルト座面に平行な横荷重をボルト頭部に付与する横荷重付与手段が、ボルト頭部のボルト座面に対する平行な動きを検出する変位検出手段と、該変位検出手段から検出されたボルト頭部のボルト座面に対する平行な動きに基づいて上記横荷重を制御する横荷重制御手段とを有することを特徴とする。
本発明のボルト締め付け方法においては、ボルトの締め付けの際、ボルト頭部にボルト座面に平行な横荷重を付与することで、より小さな締め付け回転トルクでボルトを締め込むことを可能とするものであるが、状況によっては、この効果が十分に得られないことが有りうることが考えられる。例えば、ボルト座面に平行な横荷重が過大にボルト頭部に付与されるが故に、ボルト軸部が被締結部材に設けられたボルト穴の縁部に強く押し付けられ、ボルト軸部とボルト穴の縁部との接触部の各表面状態などに起因して思わぬ大きな摩擦が生じる場合がある。このような状況において、ボルト座面に平行な横荷重をボルト頭部に付与しつつボルトを締め付けることは、より小さな締め付け回転トルクでボルトを締め込むことを可能とするという効果が十分に得られないことが考えられる。
このことに基づいて、第六の実施形態においては、横荷重付与手段が上記変位検出手段および上記横荷重制御手段を有することにより、ボルトを締め込む際に、ネジ面およびボルト座面の面圧を意図的に偏らせた状態で、且つ、ボルト頭部がボルト座面に対して平行に摺動している状態で、ボルトを締め込むことを可能とする。ボルト頭部がボルト座面に対して平行に摺動している状態においては、ボルト軸部が被締結部材に設けられたボルト穴の縁部に強く押し付けられていることはないものと考えられ、また、ボルトの締め付け回転トルクの低減を大きく阻害するような、ボルト軸部とボルト穴の縁部以外の他の箇所との接触もないものと考えられる。
よって、横荷重付与手段が上記変位検出手段および上記横荷重制御手段を有することにより、ボルトを締め込む際に、ネジ面およびボルト座面の面圧を意図的に偏らせた状態で、且つ、ボルト頭部がボルト座面に対して平行に摺動している状態で、ボルトを締め込むことを可能とする第六の実施形態によれば、例えば、ボルト座面に平行な横荷重が過大にボルト頭部に付与されるが故に、ボルト軸部が被締結部材に設けられたボルト穴の縁部に強く押し付けられ、ボルト軸部とボルト穴の縁部との接触部の各表面状態などに起因して思わぬ大きな摩擦が生じることを防止することができる。
また、物体平面が並進力で直進滑りしている際においては、回転力を追加したときの該物体の回転方向の見掛けの摩擦係数は非常に小さくなることが知られている。すなわち、物体が直進滑りしている際においては、物体が静止している際に該物体を回転させる場合と比較して、より小さな回転トルクで該物体を回転させることができることが知られている。
よって、ボルトを締め込む際に、ボルト座面に平行な横荷重がボルト頭部に付与されたことにより、ネジ面およびボルト座面の面圧の偏った状態がもたらされない状況下においても、横荷重付与手段が上記変位検出手段および上記横荷重制御手段を有することで、ボルト頭部がボルト座面に対して平行に摺動している状態でボルトを締め込むことを可能とする第六の実施形態によれば、ボルトを締め込む際に必要となる締め付け回転トルクを、ボルト頭部がボルト座面に対して平行に摺動していない状態でボルトを締め込む場合と比較して、より低減させることができ、ボルトを締め込む際にもたらされるボルト軸力の高軸力化を図ることが可能となる。
図１１は、本発明のボルトの締め付け方法を実現するための第六の実施形態を示す図である。図１１において、１３１は回転駆動機、１３２は回転制御器、１３３は回転軸、１３４は電磁石装置、１３５は横荷重制御部、１３６は反力受け部、１３７は変位センサー、をそれぞれ示す。
図１１に示す実施形態においては、ボルト頭部２にボルト締め付けの際に必要となる締め付け回転トルクを付与する役割を果す締め付け回転トルク付与手段は、回転駆動機１３１、回転制御器１３２および回転軸１３３を有する。回転駆動機１３１は、ボルト１を締め込む際に必要となる締め付け回転トルクを発生させる役割を果すものであり、電動式や圧縮空気式などの様々な形式の回転駆動機が使用されうる。回転制御器１３２は、回転駆動機１３１がもたらす締め付け回転トルクの大きさを制御する役割を果すものである。回転軸１３３は、回転駆動機１３１によりもたらされた締め付け回転トルクをソケット７に伝達する役割を果すものである。
締め付け回転トルク付与手段が、回転駆動機１３１および回転軸１３３を有することで、ボルトを締め付け際に締め付け回転トルクを回転駆動機１３１から回転軸１３３を介してソケット７に伝達することが可能となり、また、回転制御器１３２を有することで、ソケット７に伝達される締め付け回転トルクの大きさの制御することができ、これにより、ボルト１を破損させるような過剰な締め付け回転トルクのソケット７への伝達を防止することが可能となる。
図１１に示す実施形態においては、締め付け回転トルク付与手段によりボルト１を締め付ける際にソケット７を介してボルト頭部２に、ボルト座面８に平行な横荷重を付与する役割を果す横荷重付与手段は、変位検出手段と横荷重制御手段と有する。
変位検出手段は、締め付け回転トルク付与手段によりボルト１が締付けられる際の、ボルト頭部２のボルト座面８に対する平行な動きを検出する役割を果すものである。本実施形態においては、変位検出手段は、ボルト１が締付けられる際のソケット７のボルト座面８に対する平行な動きの量すなわち変位量を検出する変位センサー１３７を有し、該変位センサー１３７から検出された情報、例えば変位量の変化状態等に基づいて、ボルト頭部２のボルト座面８に対する平行な動きを検出するように構成される。
横荷重制御手段は、上記変位検出手段から検出されたボルト頭部２のボルト座面８に対する平行な動きに基づいて、ボルト頭部２に付与するボルト座面８に平行な横荷重を制御する役割を果すものである。本実施形態においては、横荷重制御手段は、電磁石装置１３４、横荷重制御部１３５および反力受け部１３６を有する。
電磁石装置１３４は、ソケット７にボルト座面８に平行な横荷重を付与し、ソケット７をボルト座面８に対して平行に強制的に移動させる役割を果すものである。該電磁石装置１３４は、任意の方向からソケット７に、ボルト座面８に平行な横荷重を付与できるように構成される。これにより、任意の方向からボルト頭部２に、ボルト座面８に平行な横荷重を付与することが可能となる。
横荷重制御部１３５は、上記変位手段から検出されたボルト頭部２のボルト座面８に対する平行な動きに基づいて、ソケット７に付与する電磁石装置３４による横荷重の大きさを制御する役割を果すものである。具体的には、横荷重制御部１３５は、ボルト１を締め込む際に、ネジ面９およびボルト座面８の面圧を意図的に偏らせつつ、且つ、ボルト頭部２がボルト座面８に対して平行に摺動している状態でボルト１を締め込むことができるように、ソケット７に付与する横荷重を制御する。
反力受け部１３６は、電磁石装置１３４のボルト座面８に対する相対的な動きを防止する役割を果すものであり、本実施形態においては、ボルトを締め込む際に、電磁石装置１３４が被締結体形状に合せて仮固定されるように構成される。
以下に、上記各構成要件を備える図１１に示されたボルト締め付け装置において実行される、ボルト締め付けの制御ルーチンの一実施形態について説明する。図１２は、図１１に示された本発明に係るボルト締め付け装置において実行される、ボルト締め付けの制御ルーチンの一実施形態を示すフローチャート図である。
図１２に示されるボルト締め付けの制御ルーチンにおいては、横荷重付与手段によりボルト頭部２に横荷重が付与され、変位センサー１３７からの検出情報に基づいてボルト頭部２のボルト座面８に対する平行な動きの有無が検出され、該動きが有る状態にあるときに、ボルト頭部２に変位制御による横荷重が付与されつつ、ボルトの締め付けが実行される。また、ボルトの締め付け実行中に、ボルト頭部２のボルト座面８に対する平行な動きが無くなったと判定された場合には、ボルト頭部２のボルト座面８に対する平行な動きをもたらすように、横荷重制御手段によりボルト頭部２に対する横荷重の付与方向が変えられるように制御される。例えば、ボルト頭部２に付与される横荷重の方向が、現在まで付与されていた横荷重方向とまったく逆の方向とされるように制御される。これにより、ボルトを締め込む際に、ネジ面およびボルト座面の面圧を意図的に偏らせつつ、且つ、ボルト頭部がボルト座面に対して平行に摺動している状態で、ボルトを締め込むことが可能となる。以下に、図１２に示される各ステップについて説明する。
ステップ２０１において、ボルト頭部２がボルト座面８と接触するようにボルト頭部２がボルト座面８に着座される。尚、ボルト頭部２とボルト座面８との間にワッシャー等が配置される場合には、該ワッシャー等にボルト頭部２が接触されるようにボルト頭部２が着座されることになる。ステップ２０１において、ボルト頭部２がボルト座面８に着座されると、続くステップ２０２に進む。
ステップ２０２においては、横荷重付与手段によりボルト座面８に平行な横荷重がボルト頭部２に付与される。具体的には、横荷重付与手段により、ボルト座面８に平行な横荷重がソケット７に付与され、該横荷重がソケット７を介してボルト頭部２に伝達されることで、ボルト座面８に平行な横荷重がボルト頭部２に付与される。ステップ２０２において、ボルト頭部２への横荷重の付与が開始されると、続くステップ２０３に進む。
ステップ２０３においては、変位センサー１３７からの検出情報に基づいてボルト頭部２のボルト座面８に対する平行な動きの有無が検出され、該動きの開始が確認される。具体的には、変位センサー１３７により、μｍ単位でのソケット７のボルト座面８に対する平行な動きの量すなわち変位量が検出され、この変位量の変化状態に基づいて、ボルト頭部２のボルト座面８に対する平行な動きが開始したこと、あるいは、該動きがあることが確認される。ここで、ボルト頭部２のボルト座面８に対する平行な動きがある状態とは、ボルト頭部２がボルト座面８に対して接触しつつ平行に動いている状態、すなわち、ボルト頭部２がボルト座面８に対して平行に摺動している状態に対応するものとする。ステップ２０３において、ボルト頭部２のボルト座面８に対する平行な動きが開始したことが確認されると、続くステップ２０４に進む。
ステップ２０４においては、変位制御による横荷重が横荷重制御手段によりボルト頭部２に付与されつつ、締め付け回転トルク付与手段によりボルトの締め付けが実行される。また、ボルトが締め付けられている際の横荷重の変化が監視される。ここで変位制御による横荷重とは、ボルト頭部２のボルト座面８に対する単位時間当たりの平行な動きの量すなわち変位量が一定となるように制御される横荷重である。すなわち、ボルト頭部２のボルト座面８に対する単位時間当たりの平行な動きの量すなわち変位量が一定となるように、横荷重制御手段により横荷重が制御される。本実施形態においては、ボルト頭部２のボルト座面８に対する平行な動きの開始が確認されてからのボルト頭部２のボルト座面８に対する平行な動きは、ソケット７のボルト座面８に対する平行な動きに対応するものとして、変位検出センサー１３７より検出されたソケット７のボルト座面８に対する単位時間あたりの平行な動きの量が一定となるように、横荷重制御手段により横荷重が制御される。ボルトの締付けは、締め付け回転トルク付与手段により実行される。また、ボルトが締め付けられている際の横荷重の変化は、横荷重制御手段の横荷重制御器１３５により監視される。
ステップ２０４に続くステップ２０５においては、ステップ２０４におけるボルトの締め付け実行中における、ボルト頭部２のボルト座面８に対する平行な動きの停止の有無が判定される。ボルト頭部２のボルト座面８に対する平行な動きの停止の有無の判定は、変位センサー１３７から検出情報に基づいて変位検出手段により判定されてもよく、また、変位制御されている横荷重の急激な変化の有無により判定されてもよい。
ステップ２０５において、ボルトの締め付け実行中においてボルト頭部２のボルト座面８に対する平行な動きの停止が確認されると、ステップ２０６に進み、横荷重制御手段によりボルト頭部２に対する横荷重の付与方向が変えられるように制御される。本実施形態においては、ボルト頭部２に付与される横荷重の方向が反転され、現在まで付与されていた横荷重方向とまったく逆の方向とされるように制御される。これにより、ボルトを締め込む際に、ネジ面およびボルト座面の面圧を意図的に偏らせつつ、且つ、ボルト頭部２がボルト座面８に対して平行に摺動している状態で、ボルトを締め込むことが可能となる。
ステップ２０５において、ボルト頭部２のボルト座面８に対する平行な動きの停止が無いことが確認されると続くステップ２０７に進み、ボルトの締め付け回転トルクが所定値に達したか否かが、締め付け回転トルク付与手段の回転制御器１３２により判定される。ボルトの締め付け回転トルクが所定値に達したと判定されると、本制御ルーチンは終了される。
図１３は、図１２に示されるボルト締め付けの制御ルーチンが実行された際の、ソケット７のボルト座面８に対しての平行な動きすなわち変位の時間推移の一例を示す図である。
図１３に示されるａ領域は、ステップ２０２におけるソケット７の変位に対応する。ボルト頭部２にソケット７が取り付けられ、ソケット７にボルト座面８に平行な横荷重が付与されると、まず、ボルト頭部と該ボルト頭部に係合するソケット７の係合面との隙間が無くなるまで、ソケット７はボルト頭部２に対して急激に動かされる。そして、ボルト頭部２と該ボルト頭部２に係合するソケット７の係合面とが接触すると、ボルト頭部２のボルト座面８に対する平行な動きすなわち摺動が開始されまでの間、ソケット７のボルト座面に対する平行な動きは一時的に停滞する。
図１３に示されるｂ領域は、ステップ２０３からステップ２０４に対応する。該ｂ領域においては、変位制御による横荷重が横荷重制御手段によりボルト頭部２に付与され、ボルト頭部２がボルト座面８に対して平行に摺動されつつ、締め付け回転トルク付与手段によりボルトの締め付けが実行される。よって、ソケット７のボルト座面に対する平行な動きは、単位時間当たり一定に推移する。
図１３に示されるｃ領域は、ステップ２０５において、ボルト頭部２のボルト座面８に対する平行な動きの停止が確認された場合に対応する。この状況は、例えば、横荷重が過大にボルト頭部２に付与されるが故に、ボルト軸部が被締結部材に設けられたボルト穴の縁部に強く押し付けられ、ボルト頭部２のボルト座面８に対する平行な動きの停止したような場合が考えられる。
図１３に示されるｄ領域は、ステップ２０６に対応する。ボルトの締め付け実行中において、ボルト頭部２のボルト座面８に対する平行な動きの停止が確認されると、ボルト頭部２に付与される横荷重の方向が反転され、現在まで付与されていた横荷重方向とまったく逆の方向とされるように制御される。よって、ソケット７のボルト座面８に対する平行な動きは、ｂ領域とは逆の動きとなる。
以上、図１１から図１３を参照して説明された本発明のボルトの締め付け方法を実現するための第六の実施形態によれば、ボルトを締め込む際に、ネジ面およびボルト座面の面圧を意図的に偏らせつつ、且つ、ボルト頭部がボルト座面に対して平行に摺動している状態で、ボルトを締め込むことを可能とする。これにより、例えば、横荷重が過大にボルト頭部に付与されるが故に、ボルト軸部が被締結部材に設けられたボルト穴の縁部に強く押し付けられ、ボルト軸部とボルト穴の縁部との接触部の各表面状態などに起因して思わぬ大きな摩擦が生じることを防止することができる。また、ボルトを締め込む際に必要となる締め付け回転トルクを、より低減させることができ、ボルトを締め込む際にもたらされるボルトの更なる高軸力化を図ることが可能となる。

Claims (8)

1. ボルト頭部と、雄ネジ部を備えるボルト軸部とを有するボルトを用いて、被締結体を締結する際のボルト締め付け方法において、
   前記ボルトを締め付ける際にもたらされるネジ面およびボルト座面の面圧を意図的に偏らせるべく前記ボルト座面に平行な横荷重を前記ボルト頭部に付与した状態で、前記雄ネジ部を回転させる回転トルクを前記ボルト頭部に付与して前記ボルトを締め込む、
   ことを特徴とするボルト締め付け方法。
2. 前記雄ネジ部と係合する雌ネジ部は、該雌ネジ部の中心軸線が前記ボルト座面の垂線に対して傾斜して配設される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のボルト締め付け方法。
3. 前記雄ネジ部と係合する雌ネジ部の中心軸線を前記ボルト座面の垂線に対して傾斜させるべく、前記雌ネジ部のネジ山の一部に粒子が付着される、
   ことを特徴とする請求項２に記載のボルト締め付け方法。
4. 前記雄ネジ部は、該雄ネジ部の中心軸線が前記ボルト頭部の中心軸線に対して傾斜して形成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のボルト締め付け方法。
5. 前記ボルト軸部の前記横荷重に対する曲げ剛性を低減すべく、前記ボルト軸部は、その一部に穴部を有して形成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のボルト締め付け方法。
6. 前記ボルト座面に平行に付与される前記横荷重は、前記ネジ面および前記ボルト座面の面圧を意図的に偏らせつつ、且つ、前記ボルト頭部が前記ボルト座面に対して平行に摺動している状態で前記ボルトを締め込むことができるように制御される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のボルト締め付け方法。
7. ボルト頭部と、雄ネジ部を備えるボルト軸部とを有するボルトを用いて、被締結体を締結する際に使用するボルト締め付け装置において、
   前記雄ネジ部を回転させる回転トルクを前記ボルト頭部に付与する締め付け回転トルク付与手段と、
   前記締め付け回転トルク付与手段により前記雄ネジ部が回転される際に、もたらされるネジ面およびボルト座面の面圧を意図的に偏らせるべく、前記ボルト座面に平行な横荷重を前記ボルト頭部に付与する横荷重付与手段と、
   を有する、ことを特徴とするボルト締め付け装置。
8. 前記横荷重付与手段は、
   前記締め付け回転トルク付与手段により前記ボルトが締付けられる際の、前記ボルト頭部の前記ボルト座面に対する平行な動きを検出する変位検出手段と、
   該変位検出手段から検出された、前記ボルト頭部の前記ボルト座面に対する平行な動きに基づいて、前記横荷重を制御する横荷重制御手段とを有し、
   前記ボルトを締めこむ際に前記ネジ面および前記ボルト座面の面圧を意図的に偏らせつつ、且つ、前記ボルト頭部が前記ボルト座面に対して平行に摺動している状態で前記ボルトを締め込むことができるように、前記横荷重制御手段により前記横荷重を制御する、
   ことを特徴とする請求項７に記載のボルト締め付け装置。

Images