JP4437037B2 - ねじファスナアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、ねじファスナに広く関係するものである。本発明は、増大する緊張力若しくは締付力と緩みに対する抵抗力とを提供するその能力により特徴付けられるねじファスナアセンブリに特に関係する。

ねじファスナはそれらの締付け機能を物理的特性により果たすが、該物理的特性は、緊張力又は締付力である。この締付力は、回転力又はトルクの付与により達成される。ファスナの設計者は、トルクと緊張力の関係をプロットした、試験から蓄積された経験的データに頼る。このトルクと緊張力の関係は、継手の摩擦により著しく影響を受けることがあり、前記継手の摩擦は、ねじ山におけるものと回転される締付面におけるものの両方である。

極端に大きい摩擦は、不十分な締付力を生じさせることがあって、継手の緩みと場合によってはおねじ構成部品の剪断破壊とを招く。極端に小さな摩擦は、組立時におけるファスナの引張荷重能力を超える締付力を生じさせることがあって、破断点までの引張りを招く。更に悪いことには、ファスナが、組立時に引張り限界の近くにあって、フィールドで使用中に加えられる通常の付加荷重により破断することがある。潜在的重大引張破壊を回避するため、設計者は、実際に必要な強度より著しく大きい強度を有するファスナを一般的に設計又は使用する。

一般的な製造環境では摩擦を非常に良好に管理することはできない。従って、組立工程は疑わしい組立を発見するように設計されている。ファスナの取付けは、結果として生じるトルク角度が潜在的組立不良を発見するために監視されて、トルクにより一般的に管理される。しかしながら、トルクの値は、トルク角度の測定を開始するための点として利用されるので、トルク角度単独では、トルクではない締付力の標識には不十分なものである。非常に大きなトルク角度は、締付力を有害に減少させる大きな摩擦の標識であるか、又は締付力に悪影響を与えない他の組立特性であり得る。再作業が必要かどうかを判定するために、大きなトルク角度をもつアセンブリを評価することが必要である。このことは、費用のかかる非効率な製造資源の使用である。

既存のねじファスナの他の弱点は、繰返し荷重又は振動に起因する、締め付けられた継手の偶発的な緩みの可能性である。ねじ山の螺旋面に加えられる繰返し荷重は、当初の締め付け回転とは反対方向の回転を引き起こす回転力を招く。

本発明は、予測可能な一貫性をもつ所望の締付力を達成し且つ摩擦の変化による影響を従来のファスナよりも非常に受け難いファスナアセンブリで具体化される。この締付力は、逐次的に達成されて、同じ構成要素で多くの荷重値のいずれかを選択する能力を提供する。本発明は、振動又は繰返し荷重に起因する緩みに抵抗する機構を更に含む。本発明は、単純な組立を手動で若しくはコンピュータ化された自動化で促進もする。

ファスナアセンブリは、対になる座金又は他の構成要素をもつナット又はボルトを具備しており、前記対になる座金又は他の構成要素にナット又はボルトの締付面が係合する。係合面の構造は、予測可能な緊張力が、トルク角度の制御を介して逐次的に加えられることができるようになっている。トルクによる緊張力のこの逐次的付与は、継手の緊張力の増大を殆ど若しくは全く与えない回転の増分に交替される。回転の程度はこの特徴で確認され、また緩み防止効果も達成される。

構成要素の間の係合支持面は、一連の交互の右螺旋状傾斜面と左螺旋状傾斜面とで構成される。右及び左は、この文脈では、ねじの叙述に適用されるものと同じものを意味する。螺旋の軸線は、ナット若しくはボルトのねじ山の軸線、及び座金若しくは他の構成要素の穴の軸線に共通である。右螺旋状傾斜面は、ファスナのねじピッチに等しいピッチを各々有している。所望緊張力対トルク角度特性を達成するために左螺旋状傾斜面のピッチを変化させることが可能である。支持面には、各々が等しい円弧を形成する等しい数の右及び左面部分がある。右及び左部分により形成される円弧の合計は３６０度に等しい。

適用時に、アセンブリの、座金若しくは非ねじ構成要素は、締付けられる部分の表面に対して自由に回転してはならない。この界面で摩擦を増大させるか又は機械的に回転を防止する在来の方法が、必要に応じて採用される。

ねじファスナが回転されるとき、ナット又はボルトと座金との間の接触は、右面部分と左面部分との間で交互にされる。右部分の間の接触中に回転が生じた場合は緊張力は増大しない。左部分の間の接触中の回転は、継手緊張力の増大を招く。緊張力増加対右及び左部分の合計トルク角度は、同じねじピッチの標準のファスナ構造の同じトルク角度に関して適用された緊張力に同じものである。

左部分をとおした回転による緊張力増加の増分は、試験により経験的に導き出される。緊張力の各々の逐次的増加は、与えられるトルクの増加に対応する。トルクは容易に計測可能であって、逐次的増加を確認することが可能である。これらの増加の数を数えることを制御することが、確認可能で一貫性のある締付力を提供する。コンピュータ又はプログラマブルロジックコントローラ制御の組立機器が、これを達成するためにプログラムされることが可能である。手動組立では、逐次的増加は、“感触”により確認されて、同じ結果を達成するために数を数えられることが可能である。

締付力は右螺旋面部分の間の回転及び接触の間には増加しないことから、締付力は、これら同じ面が接触しているときに反対方向の回転の間に減少しもしない。ファスナにその緩み防止特徴を与えるのはこの特色である。

コンピュータ化された組立機器は、トルク角度を付加トルクに比較するようにプログラムされることが可能である。本発明の目的のために、プログラムは、ファスナの連続的回転が増加トルク角度部分と非増加トルク角度部分との間をいつ交替するという結果になるかがわかるように設計されている。プログラムがトルク増加の二つのサイクルを識別するとき、プログラムはサイクルの数を数えるための開始点を識別する。所定のカウント数が達成された後、組立機器はファスナの回転を停止する。

プログラムは、その最も単純な形態において、回転を停止させるところのサイクル数を使用者が入力することを要求する。これは、使用されるねじ山のピッチに関して経験的に確立された値で所望の締付力を分けることにより決定される。他のアプローチは、ねじピッチによって表にされた値をプログラムの中にもつことである。この場合の使用者は、ねじピッチと所望の締付力とを入力することを要求されるだけである。プログラムはサイクルの所要数を計算する。

本発明は、その構造及び作動を含んで、以下の添付図において概略的に及びグラフで図解される。

ここで添付図面、及び特に図１を参照すると、本発明の特徴を具体化するファスナアセンブリが参照符号１０で全体的に示されている。ファスナアセンブリ１０は、自動車のホイール（非図示）をホイールハブに固定するラグナットとして採用されることがある構造形のものである。

ここで図２及び３も参照すると、ファスナアセンブリ１０はナット２０と座金３０とを具備している。六角形ヘッド１５はナット２０に形作られている。円錐台ベース１６は座金３０に形作られている。

ナット２０は、六角形ヘッド１５と環状内側フランジ２２とを含むナット本体２１を含んでいる。環状内側フランジ２２は、六個の左螺旋状傾斜面部分２３Ｌと六個の右螺旋状傾斜面部分２３Ｒとを形成するように分けられた環状底部支持面２３を有する。合計１２個の面部分２３Ｌ及び２３Ｒは面２３の３６０度の道を３０度の部分に均等に分けている。

ナット本体２１は、在来の方法で符号２５で内側にねじ山を付けられている。ねじ山２５は、ナット本体の内側の周囲で、在来的に選択されたピッチＸで螺旋状に延在している。

六個の右面部分２３Ｒの各々は、それがねじ山の軸線と同じ軸線の周りに螺旋状に延在するように形作られる。各々の面２３Ｒは、従ってピッチＸでねじ山と同一方向に螺旋状に傾けられている。

六個の左面部分２３Ｌの各々は、他方で、反対方向に傾斜した螺旋の面に延在する。これらの左螺旋状傾斜面の各々のピッチはＹである。ピッチＹは、各々の面部分２３Ｌにより占められる３０度をナット２０が回転するとき、ナット２０の回転の各々の程度（トルク角度）に所定の緊張力増加を提供するように選択される。

座金３０は、円錐台ベース１６と環状外側フランジ３２とを含む座金本体３１を含む。環状外側フランジ３２は環状頂部支持面３３を有しており、前記環状頂部支持面３３は、六個の左螺旋状傾斜面部分３３Ｌ及び六個の右螺旋状傾斜面部分３３Ｒを形成するように分けられている。合計１２個の面部分３３Ｌ及び３３Ｒは、やはり面３３の３６０度の道を３０度の部分に均等に分けている。

座金本体３１は、それを貫通するねじ山のない孔３５を有している。平坦部３６が、孔３５にその一方の側で形作られている。平坦部３６は、自動車のラグボルトの一方の側に形作られた対応する平坦部と協働するように構成されて、例えば、座金３０が軸方向に自由に移動すること許容する一方で座金３０が回転することを防ぐ。しかしながら、これは、座金３０がナット２０と共に回転しないところの単なる一つの方法であることが理解されるべきである。

右螺旋状傾斜面部分３３Ｒの各々は、それがナット２０のねじ山２５の軸線と同じ軸線の周りに螺旋状に延在するように、形作られる。各々の面３３Ｒは、ピッチＸでねじ山と同一方向で螺旋状に傾けられている。

六個の左螺旋状傾斜面部分３３Ｌの各々は、反対方向で傾けられた螺旋の面に延在する。これらの左螺旋状傾斜面の各々のピッチはＹであり、ナット２０の面部分２３Ｌのために選択されたピッチと同一である。

ファスナアセンブリ１０が自動車のラグボルトに取り付けられたとき、座金３０は、ホイールリム（非図示）の中央プレートに在来のやり方で着座し、円錐台ベース１６が、対応するように形作られた凹部に着座する。円錐台ベース１６が締付面を形成する。ナット２０は、その支持面２３が座金３０の支持面３３に係合するまで、ラグボルトにねじ込まれる。

ナット２０を更に回転させることは、座金により作用される緊張力若しくは締付力を、左面部分２３Ｌが左面部分３３Ｌを滑り上がって越えるたびに逐次的に増加させる。ナット２０が更にトルクを与えられるとき、右面部分が互いの上を滑るので締付力または緊張力の増加はない。このことが、図４に、締付力が増加するグラフで示されている。他方で図５は、例えばナット２０の３６０度の一回転の間における特定のピッチについての実際の軸方向移動量を示している。

緊張力若しくは締付力の量は、ナット２０が作る回転の数と部分２３Ｒ及び３３Ｒのピッチとにより決められる。所望の締付力は、部分の通過の数を数えることにより手動で達成されるか、又は同じように行うためにコンピュータ駆動のトルクレンチをプログラミングすることにより自動で達成される。

本発明は、対になる円錐ベース座金をもつラグナットに関連して説明されてきた。しかしながら、本発明は、例えば、ナットと平座金とのアセンブリ又はボルトと座金とのアセンブリを含む、広い範囲のファスナアセンブリ構造形にも適用可能であることが理解されるべきである。

ナット及び円錐座金を具備して本発明の特徴を具体化するファスナアセンブリの側面斜視図である。 図１で見られる、ねじ山付きナットの底面斜視図である。 図１で見られる、ねじ山のない座金の平面斜視図である。 本発明の特徴を具体化するファスナアセンブリの適用の間の、トルク角度と締付力との関係を示したグラフである。 本発明を具体化する典型的アセンブリに関する、実際の３６０度のねじの行程に対する締め代（ナットの軸方向移動量）を示したグラフである。

Claims (14)

1. ａ）共通の軸線に集められた、トルク付与部材と締付圧力部材とを具備する、ファスナアセンブリであって、
   ｂ）前記トルク付与部材が、前記軸線の周りに形作られたねじ山と、一方の端部で前記軸線の周りに延在する環状支持面とを有し、
   ｃ）前記締付圧力部材が、一方の端部で前記トルク付与部材の前記環状支持面に向き合って前記軸線の周りに形作られた環状支持面を有し、
   ｄ）前記トルク付与部材の前記環状支持面が、複数の螺旋状傾斜面部分を含み、前記螺旋状傾斜面部分は前記ねじ山のピッチに実質的に等しい第１ピッチを含み、前記螺旋状傾斜面部分は前記ねじ山に対して反対方向の傾斜を有する第２ピッチを含み、
   ｅ）前記締付圧力部材の前記環状支持面が、複数の螺旋状傾斜面部分を含み、前記螺旋状傾斜面部分は前記ねじ山のピッチに実質的に等しい第１ピッチを含み、前記螺旋状傾斜面部分は前記ねじ山に対して反対方向の傾斜を有する第２ピッチを含み、
   ｆ）前記締付圧力部材が、円錐台ベースを備える、ファスナアセンブリ。
2. ａ）前記トルク付与部材が第１の一連の螺旋状傾斜面部分を備え、前記第１の一連の螺旋状傾斜面部分が前記第１ピッチを備えていること、及び
   ｂ）前記締付圧力部材が第１の一連の螺旋状傾斜面部分を備え、前記第１の一連の螺旋状傾斜面部分が前記第１ピッチを備えていることをさらに特徴とする、請求項１に記載のファスナアセンブリ。
3. 前記トルク付与部材の前記螺旋状傾斜面部分と前記締付圧力部材の前記螺旋状傾斜面部分とが形状において概ね相補的であることをさらに特徴とする、請求項１に記載のファスナアセンブリ。
4. 前記第２ピッチが前記ねじ山のピッチに実質的に等しいことを更に特徴とする、請求項１に記載のファスナアセンブリ。
5. 前記第２ピッチが前記ねじ山のピッチとは異なっていることを更に特徴とする、請求項１に記載のファスナアセンブリ。
6. 前記トルク付与部材と前記締付圧力部材のうちの少なくとも一方の前記螺旋状傾斜面部分が波形の支持面を形作っていることを更に特徴とする、請求項１に記載のファスナアセンブリ。
7. ａ）前記トルク付与部材がボルトにおいて回転させられるとき、前記トルク付与部材は締付圧力部材に締付荷重をおよぼすこと、及び
   ｂ）前記トルク付与部材の前記螺旋状傾斜面部分及び前記締付圧力部材の前記螺旋状傾斜面部分は、前記第１ピッチを有する前記螺旋状傾斜面部分が接触している間は前記締付荷重が実質的に一定であるように寸法形成されていること、を更に特徴とする請求項１に記載のファスナアセンブリ。
8. ａ）前記トルク付与部材がボルトにおいて回転させられるとき、前記トルク付与部材は締付圧力部材に締付荷重をおよぼすこと、及び
   ｂ）前記トルク付与部材の前記螺旋状傾斜面部分及び前記締付圧力部材の前記螺旋状傾斜面部分は、前記第２ピッチを有する前記螺旋状傾斜面部分が接触している間は前記締付荷重が増大するように寸法形成されていること、を更に特徴とする請求項１に記載のファスナアセンブリ。
9. ａ）前記トルク付与部材がボルトにおいて回転させられるとき、前記トルク付与部材は締付圧力部材に締付荷重をおよぼすこと、及び
   ｂ）前記トルク付与部材の前記螺旋状傾斜面部分及び前記締付圧力部材の前記螺旋状傾斜面部分は、前記トルク付与部材が前記ボルトで回転している間は前記締付荷重が増大する状態と実質的に一定の状態とが交互に起こるように寸法形成されていること、を更に特徴とする請求項１に記載のファスナアセンブリ。
10. ａ）共通の軸線に集められた、トルク付与部材と締付圧力部材とを具備する、ファスナアセンブリであって、
    ｂ）前記トルク付与部材が、
    ｉ）前記軸線の周りに形作られた所定のピッチをもつねじ山と、
    ｉｉ）一方の端部で前記軸線の周りに延在する環状支持面と、を含み、
    ｃ）前記締付圧力部材が、一方の端部で前記トルク付与部材の前記環状支持面に向き合って前記軸線の周りに形作られた環状支持面を備え、
    ｄ）前記トルク付与部材の前記環状支持面が、第１の一連の螺旋状傾斜面部分と第２の一連の螺旋状傾斜面部分とを含み、前記第１の一連の螺旋状傾斜面部分が前記ねじ山の所定のピッチに実質的に等しいピッチを備え、前記第２の一連の螺旋状傾斜面部分が前記所定のピッチとは異なるピッチを有し且つ反対方向に傾斜しており、
    ｅ）前記締付圧力部材の前記環状支持面が、第１の一連の螺旋状傾斜面部分と第２の一連の螺旋状傾斜面部分とを含み、前記第１の一連の螺旋状傾斜面部分が前記ねじ山の所定のピッチに実質的に等しいピッチを備え、前記第２の一連の螺旋状傾斜面部分が前記所定のピッチとは異なるピッチを有し且つ反対方向に傾斜しており、
    ｆ）前記締付圧力部材が、円錐台ベースを備える、ファスナアセンブリ。
11. 前記環状支持面の各々において、前記第１の一連の螺旋状傾斜面部分と前記第２の一連の螺旋状傾斜面部分とが交互に配置されていることをさらに特徴とする、請求項１０に記載のファスナアセンブリ。
12. 前記トルク付与部材の前記環状支持面における前記第１及び前記第２の一連の螺旋状傾斜面部分の個数が互いに等しいことをさらに特徴とする、請求項１０に記載のファスナアセンブリ。
13. 前記締付圧力部材の前記環状支持面における前記第１及び前記第２の一連の螺旋状傾斜面部分の個数が互いに等しいことをさらに特徴とする、請求項１２に記載のファスナアセンブリ。
14. ａ）前記トルク付与部材の前記環状支持面は、前記トルク付与部材のボルトにおける回転の間に前記締付圧力部材の前記環状支持面に締付荷重を及ぼすこと、及び
    ｂ）前記トルク付与部材の前記環状支持面及び前記締付圧力部材の前記環状支持面は、前記トルク付与部材のボルトにおける回転の間に前記締付荷重が増大する状態と実質的に一定の状態とが交互に起こるように形作られていること、をさらに特徴とする請求項１０に記載のファスナアセンブリ。

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