JP4773075B2 - スプライン凹部及び駆動工具を備えた締結具システム - Google Patents

Description

本発明は、大別して、締結具システムに関し、詳細には、締結具にナットを取り付ける際に嵌合相手の工具を受容するためのスプライン駆動凹部を有したネジ締結具を備える締結具システムに関する。

螺刻されてネジ山部が設けられた締結具、すなわちネジ締結具は、典型的にはナットとボルトとからなる。ナットはボルトの雄ねじ（外ネジ）にネジ留めされる雌ネジ（内ネジ）を有している。ナット及び／又はボルト上のレンチを作用させる表面は、締結具と単数又は複数の被加工物とを相互に堅く結合させるレンチを受容する。締結具は複数の被加工物を相互に留めて、被加工物の一方の側に位置するナットと反対側に位置するボルトの頭部との間で圧縮係合による接合部を形成する。

米国特許第４２６０００５号明細書は戻り止めナットを有した特殊なタイプのネジ締結具を記載しており、戻り止めナットは、概略三角形状又はΔ形状のソケットを有したドライバを受容するために外側ローブ（外側突出部）を用い、協働するピンにナットを締め付ける。本発明の理解のために必要となるこの特許の教示内容はこの参照により本願と一体のものとされる。ナットは、ピンに沿って長手方向に延びる複数の窪み又は溝を有したピンと共に使用されることが好ましい。形成された接合部に予め定められた軸線方向荷重が発生すると、ローブが塑性変形を起こし、ドライバはもはやナットを回転させることができなくなる。ローブの変形により、半径方向内側に位置する材料がローブから協働するピンの溝内に移動し、機械的なネジロックを生成させる。ネジロックは、材料がピンの溝内にピン溝と交差するように変形することにより生じる。

ナットにトルクを作用させてピンに取り付けている間、前縁から回転に抗して保持され得る締結具を提供することが有利となる多数の応用例が存在する。例えば、航空宇宙産業によく見られるように、ボルトの頭部に手を伸ばせないことが好都合である又はボルトの頭部がレンチの使用の目的では恐らくは全く手を伸ばせないようにする「隠し（ブラインド）」ボルト応用例に対する多数の要求が存在する。これらの応用例のためには、多くの場合、保持ビット又は保持工具がドライバに設けられる。保持ビットは、ピンの螺刻された端部の凹部に係合して、ドライバによるナットの取り付けを容易にさせる。ビットは静止したままであるので、ドライバが回転してナットにトルクを作用させている間、回転に抗してピンを保持する。特許文献１及び２は、締結具の迅速な取り付けのために開発された電動工具と共にこのようなビット又は工具を使用することを記載している。

米国特許第４５８３４８３号明細書 米国特許第５０４４２２５号明細書

一般に、ボルトの螺刻された端部には、対応する六角形状ビットを受容するための六角形状凹部が設けられている。しかしながら、既存の六角形状ビットは、或る湿潤密封材応用例においてボルトを取り付ける際に使用されたとき、許容することができない失敗率を経験してきた。これらの応用例では、多くの場合、密封材が、ボルトの頭部を取り囲んでおり、ボルトと被加工物との間に存在している。結果として、ピンにナットを取り付けるために必要とされるトルクの全ては、ボルトの頭部と被加工物との間に通常存在する摩擦によって一部が吸収されるのではなく、ビットに直接的に伝達される。生じさせられた上述のトルクが六角形状ビットの強度を超えると、ナットの取り付けは不可能となる。

この問題を解決する初期の試みは六角形状ビットの断面及び材料を変化させることを含んでいた。しかしながら、これらの試みは、六角形状凹部に対する半径方向の荷重のために、大部分が不成功となった。スプラインキー及びドライバは公知であり、多くの用途で使用されてきた。標準的なスプライン凹部及びレンチ締め工具は、締結具に関連して使用されるとき、締結具のスプライン（歯）をレンチ工具によって剪断変形させる結果を生じさせる。トルクは工具の嵌合相手のスプラインから凹部のスプラインへ伝達される。締結具を着座させた後、抵抗が生じたときに、付加的なトルクを作用させることにより、スプラインが形成されているソケットの剪断変形を生じさせ得る。剪断変形が生じるのは、標準的なスプライン設計によりレンチ駆動工具が通常は締結具の材料よりも強い材料から作成されるからである。標準的な構成形態によれば、レンチ締め工具のスプライン表面積が締結具ソケットのスプライン表面積のスプライン表面積よりも７．９％〜３８．５％大きくなる結果となる。これが締結具ソケットよりも大きい剪断強度を有した工具と結合されることにより、許容できない失敗率を生じさせる。

したがって、許容できない失敗を防止する締結具のためのスプライン駆動ソケット／工具構成に対する必要性が存在する。

よって、本発明は、上述した従来技術の締結具システムに関して認められた不利点を最小にする改善された締結具システムを提供する。本発明による締結具システムは、通常、ピンに対してナットを回転させるトルクをナットに作用させるときに工具を受容するためにピンの螺刻された部分の端面に凹部を有した螺刻されたピンを含んでいる。現時点で好ましい実施形態では、凹部は、端面まで延びている新規に設計されたスプラインソケットを備えている。さらに、工具は、ピンに対してナットを回転させるトルクをナットに作用させるときにピンが回転することを防止するために工具が凹部に受容され得るように、凹部と対応するように構成された工具の少なくとも端部から延びる複数の嵌合相手のスプラインを備えている。

ピンは、ピンの螺刻された部分を横切って軸線方向に延びている複数の縦溝を含んでいることが好ましい。好ましくは、ナットは、少なくとも１つの軸線方向に延びる外側ローブを含んでいる。結果として、ピンに対してナットを回転させるトルクをナットに作用させるときに、ローブから半径方向に内方へ位置する材料の一部がピンの縦溝内に移動させられる。

現時点で好ましい実施形態では、凹部は、凹部の周囲に延びる６つのスプラインを備えたスプライン凹部である。工具は、ピンに対してナットを回転させるトルクをナットに作用させる際に凹部と係合するために、６つのスプラインを備えたシャフトとして形成され、これらスプラインは、シャフトの周囲に延びており、凹部スプラインと協働する寸法になっている。工具は、締結具のピンがナットの取り付けの際に回転することを防止させる。凹部及び工具の両方のスプラインの幅及び剪断面積は、工具と凹部の両方に対するねじり荷重が等しくなるように形成されている。この設計の利点は、航空宇宙産業用締結具において特に重要となる凹部の強度が顕著に増大させられることである。この結果は、スプラインの幅を工具上においてよりもソケットにおいて大きくなるように形成することによって達成される。凹部（相対的に低い強度の材料から作成されている）におけるスプライン幅を増加させることによって、剪断面積を増加させている。駆動工具（相対的に高い強度の材料から作成されている）のスプラインの剪断面積は、ソケットの剪断面積と強度的に極めて均衡するように減少させられる。工具はソケットに必要以上の力を与えないので、最終的な結果はねじり性能において相当な増加となる。

工具はさらに湾曲した小径部（又は内径部）を含むように設計された。典型的には、スプラインを有したドライバであるスプラインドライバは機械加工された平坦な表面を備えた小径部を含んでいたが、この平坦な表面は除去された材料のために大切なねじり強度の損失を生じさせるのである。
本発明のこれら及び他の特徴及び利点は添付の図面と共に検討したときに以下の詳細な説明を参照することにより十分に理解されるであろう。

ここで、図１から図３を参照すると、本発明による締結具システム１０の現時点で好ましい実施形態が全体として示されている。締結具システムは、ボルト又はネジ山部が形成された螺刻されたピン１２と、ナット１４と、工具１６とからなる締結具を含んでいる。ピン１２及びナット１４は共通の軸線を有している。被加工物からなる一対の板材２０、２２が締結具によって相互に留められる。締結具は板材を相互に留め、被加工物の一方側に位置するナット１４と反対側に位置するピン１２の頭部３４との間に圧縮係合による接合部を形成する。筒状穴がナット１４を貫通しており、この穴を形成するナットの内側表面（不図示）は螺刻されてネジ山が形成されている。ナット１４は軸線方向に延びている複数の外側ローブ（突出部）１５を有していることが好ましい。これらローブ１５はその１つが示されており、ナット上に一体的に形成されている。ナット１４の内側のネジ山部は螺刻されたピン１２を受容するように構成されている。

ピン１２は、頭部３４と反対側に、螺刻された部分３６を有している。螺刻されている部分３６は、ピン１２のネジ山部を軸線方向に横切って延びている概略凹状の湾曲を有した複数の縦溝３７を含んでいることが好ましい。ピンの螺刻された端部３６の端面４１は、ドライバ１８（図１に仮想線で示されている）によってピンに対してナットを回転させるトルクをナットに作用させるときにピンの回転を防止するための工具１６を受容する凹部３９を含んでいる。締結具の着座の際に、ボルトの頭部とナットとの間に付与された軸線方向の荷重は予め定められたレベルまで増加する。そして、形成された接合部に予め定められた軸線方向荷重が生じると、ローブ１５がピンの縦溝３７内に塑性変形して、機械的なネジロックを生成させる。

ナット上に設けられたローブの数に対するピン上に設けられた縦溝の数は、ローブのうちの少なくとも１つの材料の一部が縦溝の１つに進入して機械的なネジロックを生じさせ得るようになっていることが好ましい。現時点の好ましい実施形態では、５つの縦穴がピンに設けられ、３つのローブがナット上に設けられている。

図２及び図３には、ピンがより詳細に示されている。ピン１２は、被加工物の整列させられた穴３２に受容されているシャンク３０を含んでいる。シャンクの一方の端部３６はナット１４のネジ山部を受容するために螺刻されてネジ山部が形成されている。シャンクの他方の端部は頭部３４を有し、この頭部３４は、被加工物の露出している表面に圧迫を加え、ナットと協働して被加工物上に軸線方向の荷重を生じさせる。頭部は、任意に、レンチを作用させる表面を備えていないものが示されているが、六角形状頭又は皿頭のような他の従来のピン頭部を使用することが可能である。
ピン１２の回転を防止するために、ピンの螺刻された端部３６の端面４１には、工具１６を受容するための凹部３９が設けられており、工具１６は、ドライバが回転してナットにトルクを付与している間、ピンを静止状態に保持する。図２及び図３に示されている実施形態では、凹部３９は凹部の周囲に等間隔で設けられたスプライン４０ａ〜４０ｆを含んでいる。スプラインは、ピンにおいて任意の適した手段によって形成されることができ、ピンの螺刻された端部の端面に機械加工されることが好ましい。好ましくは、凹部３９は、全体が締結具の既存のピン長さ内に含まれており、ピンの螺刻された端部３６の端面４１から突出する材料を付加する必要がないようになっている。さらに、凹部の深さは、最小量の材料がピンの導入ネジ山域又は不完全なネジ山域から除去されるようになっていることが好ましい。例えば、２．２８６ｍｍ（０．０９０インチ）から２．４１３ｍｍ（０．０９５インチ）の間の凹部深さが許容可能である。

本願でレンチソケットとも呼称されている凹部３９は、「スプライン駆動」として公知となっているレンチソケットと類似の幾何形状を有したスプライン４０ａ〜４０ｆを含んでいる。凹部３９は、レンチ工具１６の剪断強度を締結具材料の剪断強度と均衡させるために、大幅に改変されている。本発明のレンチソケット３９は、ソケット及びレンチ工具の両方のねじり荷重が同等に極めて近いレベルとなるスプライン幅及び剪断面積を有するように設計されている。この設計は、特に締結具材料が低い強度を有しているときに、強度を増加させる。スプライン４０ａ〜４０ｆの他の新規な特徴は、スプラインの端部４２がレンチ工具１６の湾曲小径部２８（図４参照）を収容するように湾曲していることである。

締結具の着座の際には、凹部３９は工具１６を受容し、これと係合し、ドライバ１８によってナットにトルクが付与されたときにピン１２の回転を防止する。工具１６は、締結具の迅速な取り付けのために電動工具に取り付けられてもよく、手作業による締結具の取り付けの際に使用されてもよい。工具１６の１つの実施形態が図１及び図４に示されている。工具は中実円柱シャフト２４を備え、複数のスプライン２６がシャフトに沿って延びている。図４に最もよく示されているように、等間隔に離間配置された６つのスプラインが、シャフトの長手方向軸線２９と平行に、シャフトの周囲に設けられている。スプラインは全て同じ寸法であることが好ましい。工具１６のスプライン２６が凹部３９の対応するスプライン４０ａ〜４０ｆ内に受容される。ドライバによってナットにトルクが付与されると、工具及び凹部の対応する構成形態が互いと係合して、ピンが回転することを防止する。現時点で好ましい実施形態では、工具１６は工具の前縁３３上に傾斜端縁３１を含んでおり、工具の凹部３９への挿入を容易にさせている。工具は図１において電動ドライバと共に示されているが、手持ち形態で工具を手作業で使用することもできることは理解されるべきである。

駆動スプライン２６は、レンチソケットの剪断面積と強度的に極めて均衡するように剪断面積を減少させるように計算されている。駆動工具はソケットに必要以上の力を与えることがないので、最終的な結果はねじり性能における大幅な増加となる。さらに、工具１６の小径部２８は湾曲した表面を有している。従前のスプライン駆動工具は平坦になった小径部を含んでおり、平坦な表面を形成するように材料が除去されていたので、大切なねじり強度の損失を引き起こしていた。湾曲した小径部を有することによって、付加的な材料により工具のねじり強度が増加させられている。対照的に、駆動工具のスプライン幅はソケットのスプライン幅よりも小さくなる。これら設計変更の全てが締結具のねじり値を改善させた。レンチソケットの改善されたねじり能力とねじり性能の最大化は、強度がより低い材料及び深さが最小のソケットにおいて使用されるときに特に重要となる。

本願において記載された本発明の様々な改変及び変形は当業者にとって明らかである。例えば、凹部は、螺刻された端部に設けられるのが好ましいが、他のタイプの設置手順に合わせて締結具の頭部に設けられることもできる。さらに、凹部及びドライバを他のタイプの締結具のために使用することもできる。このような理由で、特許請求の範囲に記載の範囲内で、具体的に説明された以外のようにして本発明を実施することも可能であることは理解されよう。

本発明の締結具システムの組立分解斜視図である。 図１の締結具の前方部分断面図である。 図２のピンの螺刻された端部の端面図である。 図１のビットの斜視図である。

符号の説明

１２ ピン
１４ ナット
１６ 工具
２６ スプライン
２８ 小径部
３９ 凹部
４０ａ スプライン
４０ｂ スプライン
４０ｃ スプライン
４０ｄ スプライン
４０ｅ スプライン
４０ｆ スプライン

Claims (7)

1. ナットと、
   頭部と、該頭部から延びるシャンクと、該シャンクの螺刻された部分と、前記シャンクの螺刻された部分における前記頭部と反対側の端面と、該端面に形成された凹部とを有したピンと、
   を備える締結具であって、
   前記凹部が該凹部の周囲に互いに離間して設けられた複数の突出部を備え、前記突出部の各々が隣接する突出部の間の空間の幅よりも大きい幅を有し、前記突出部の前記幅の各々は、前記ピンの前記端面を見たときに前記突出部の端縁間の距離として測定されたものであり、前記突出部の各々が凸形状に湾曲した工具の小径部に対応するように円弧状をなす凹形状の端部表面を有し、
   前記ナットはトルクを作用されて前記ピンに対して回転させられ、
   前記ナットにトルクを作用させて前記ピンに対して前記ナットを回転させるとき、前記ピンは工具によって静止状態に保持されるようになっており、前記工具は、複数の突出部を備えたシャフトを有していて、前記シャフトの前記複数の突出部が、前記シャフトの周囲に互いに離間して設けられており、前記工具の前記シャフトの前記突出部の各々が、前記工具の前記シャフトの隣接する突出部の間の空間の幅よりも小さくて、かつ前記ピンの前記凹部の前記複数の突出部一つに対応する幅よりも小さい幅を有していて、そして前記工具は、前記工具の前記シャフトの突出部の間に設けられ且つ前記締結具の前記凹部と係合するように形成されている凸形状に湾曲した小径部とを有し、
   前記工具が前記締結具に過度の力を加えることを防止するために、前記締結具のねじり荷重と前記工具のねじり荷重とが同一になるように、前記ピンの前記凹部の前記複数の突出部の前記幅が、大きな剪断面積を形成し、前記工具の前記複数の突出部の前記幅が、小さな剪断面積を形成している締結具。
2. 前記ナットが軸線方向に延びる少なくとも１つの外側ローブを備えている、請求項１に記載の締結具。
3. 前記ピンが該ピンの前記螺刻された部分を横切って軸線方向に延びる複数の縦溝をさらに備える、請求項１に記載の締結具。
4. 前記軸線方向に延びる少なくとも１つの外側ローブは、機械的なネジロックを生じさせるように、前記ピンの前記螺刻された部分を横切って軸線方向に延びる少なくとも１つの縦溝内に塑性変形する、請求項２に記載の締結具。
5. 締結具の取り付けの際に増加したねじり能力を呈示するための締結具システムであって、
   工具であって、前記工具は複数の突出部を備えたシャフトを有していて、前記複数の突出部は前記シャフトの周囲に互いに離間して設けられ、前記突出部の各々が、隣接する突出部の間の空間の幅よりも小さい幅を有しており、前記突出部の前記幅の各々は、前記ピンの前記端面を見たときに前記突出部の端縁間の距離として測定されたものであり、前記突出部各々が凸形状に湾曲した大径部を形成する外側縁部を有し、凸形状に湾曲した小径部が前記突出部の間に設けられている工具と、
   ナットと、
   ピンであって、頭部と、該頭部から延びるシャンクと、前記ナットを受容するための前記シャンクの螺刻された部分と、前記シャンクの前記螺刻された部分における前記頭部と反対側の端面と、該端面に形成された凹部とを有したピンと、を備えている締結具システムにおいて、
   前記凹部は、複数の突出部を含んでいて、前記凹部の前記突出部が隣接する突出部の間の空間幅より大きく、かつ前記工具の前記突出部の一つに対応する幅より大きい幅を有していて、前記ピンの前記凹部の前記突出部は、前記凹部の周囲に離間して設けられており、
   前記ピンの前記凹部の前記突出部の前記幅の各々は、前記ピンの前記端面を見たときに前記突出部の端縁間の距離として測定されたものであり、そして前記ピンの前記凹部の前記突出部の端面の各々が、凸形状に湾曲した工具の小径部に対応するように円弧部をなす凹形状の端部表面を有していて、
   前記凹部が前記工具の前記突出部を受容するべく形成されていて、そして前記ナットにトルクを作用させて前記ピンに対して前記ナットを回転させるときに前記工具が前記ピンを静止状態に保持するように構成されており、
   前記工具が前記締結具に過度の力を加えることを防止するために、前記締結具のねじり荷重と前記工具のねじり荷重とが同一になるように、前記ピンの前記凹部の前記複数の突出部の前記幅が、大きな剪断面積を形成し、前記工具の前記複数の突出部の前記幅が、小さな剪断面積を形成している締結具。
6. 前記ピンが該ピンの前記螺刻された部分を横切って軸線方向に延びる複数の縦溝をさらに備える、請求項５に記載の締結具システム。
7. 前記ピンの前記凹部の前記突出部の端部と前記工具の小径部は、対応する湾曲した表面を有している、請求項５に記載の締結具システム。

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