JP4822865B2

JP4822865B2 - 締結構造体

Info

Publication number: JP4822865B2
Application number: JP2006032569A
Authority: JP
Inventors: 輝夫中上; 卓鈴木
Original assignee: 輝夫中上; 西日本高速道路株式会社
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2026-02-09
Also published as: JP2007211892A

Description

本発明は、構造物（例えば建築構造物）における締結構造体に関する。

ナット及びボルトを用いた締結構造に関して、本願発明者の一人は、発明者として含まれる特許文献１において、強固な締結を可能にするために特有形状のナットとワッシャ（座金）を提案している。

図８は、特許文献１に記載された締結構造体を示すものである。この締結構造体１０１において、ナット１０２は、雌ねじ部１２６の一方の開口側に、軸対称でかつ断面視略台形状の凹部１２１を有する。ワッシャ１０３は、ナット１０２の凹部１２１に嵌合するよう軸対称でかつ側面視略台形状に突出形成した突出部１３１を有するとともに、突出部１３１の上部１３１ａにボルト１０４の雄ねじ部１４１が挿通する挿通孔１３５を有し、しかも挿通孔１３５が突出部１３１の中心位置から偏心している。１０６及び１０７は被締結体である。この締結構造体１０１では、螺合締結したとき、ナット１０２の凹部１２１とワッシャ１０３の突出部１３１が嵌合した状態となる。このとき、ワッシャ１０３の挿通孔１３５の中心位置がワッシャ１０３の突出部１３１の中心位置に対して偏心しているので、締め付けトルクがボルト１０４のねじ山に横からの力として作用し、ワッシャ１０３の挿通孔１３５の周辺の一部がボルト１０４のねじ山に食い込む。また、ねじ山と噛み合うことによりその接触部分においてねじれが生じる。それにより、接触部分において集中的な横方向（ボルト１０４の中心軸に対して垂直方向）の力がかかるため、つまりワッシャ１０３とボルト１０４が押し付けあうため、緩み止め効果が生じる。

特開２００２−２０６５１５号公報

ところで、締結構造体においての緩み止めは、従来からまた将来にかけても極めて重要なテーマであり、常に、緩み止め効果のより高い締結構造体が求められている。特許文献１に記載された締結構造体においても、同様である。

本願発明者は、締結構造体の緩みが微小な振動に大きく影響されることと、特許文献１に記載された締結構造体において、ワッシャ１０３とボルト１０４の雄ねじ部１４１との接触がピンポイントであってワッシャ１０３とボルト１０４の雄ねじ部１４１の間に生じる力のすべてがこの部分にかかっていることに着目し、研究の結果、以下に詳述する締結用組部材及びそれを用いた締結構造体を案出するに至った。

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、特許文献１に記載された締結構造体を改良して更に緩み止め効果を向上させることができる締結構造体を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の締結構造体は、雄ねじ部と頭部を有するボルトと、雌ねじ部の一方の開口側に軸対称でかつ断面視略台形状の凹部を有するナットと、ナットの凹部に嵌合するよう軸対称で側面視略台形状に突出形成した突出部を有するとともに、突出部の上部にボルトの雄ねじ部が挿通する挿通孔を有し、しかも挿通孔が突出部の中心位置から偏心している第１のワッシャと、ナットの凹部の内径に略等しい外径で、ナットの凹部の深さよりも小さい厚みで、ボルトの雄ねじ部の外径に略等しい内径の挿通孔を有する弾性材料製の第２のワッシャと、を有してなる締結構造体であって、ナットの凹部に第２のワッシャを嵌着し、ナットの凹部に第１のワッシャの突出部を対向させて、ボルトとナットにより被締結体を介装して螺合締結したとき、ナットの凹部と第１のワッシャの突出部が嵌合し、第１のワッシャの挿通孔がボルトの雄ねじ部と噛み合うことによりその接触部分において第１のワッシャのねじれが生じ、第１のワッシャとボルトの雄ねじ部との非接触部分の隙間を第２のワッシャが弾性変形して埋めていることを特徴とする。

請求項２に記載の締結構造体は、請求項１に記載された締結構造体において、前記ナットの凹部は、第２のワッシャを嵌着する窪み部分を有していることを特徴とする。

請求項３に記載の締結構造体は、請求項１又は２に記載された締結構造体において、前記第２のワッシャの挿通孔は、その内周縁が径方向に凹凸状にしてあることを特徴とする。

本発明の締結構造体によれば、締結状態で第１のワッシャとボルトの雄ねじ部の間で微小振動が生じた場合に、第１のワッシャとボルトの雄ねじ部の接触部分における力を第１のワッシャとボルトの雄ねじ部の非接触部分の隙間を埋める第２のワッシャに分散させることにより緩み止め効果を向上させることが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施形態に係る締結用組部材１Ａの要部断面図である。同図には、締結用組部材１Ａとともに用いられるボルト４も記載している。ボルト４は、従来から広く用いられているものであり、雄ねじ部４１と頭部４２からなる。締結用組部材１Ａは、ナット２と、第１のワッシャ３と、第２のワッシャ５と、を有する。ナット２、第１のワッシャ３、ボルト４は、硬度が大きく、金属製（例えば鉄やステンレスなど）である。第１のワッシャ３は、少なくともナット２と同等又はそれ以上の硬度であるのが望ましい。第２のワッシャ５は弾性材料製である。

図２は、ナット２を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図、（ｃ）は底面図である。このナット２は、角柱（例えば正六角形の角柱）であり、ボルト４の雄ねじ部４１と噛み合う雌ねじ部２６が形成されている。この雌ねじ部２６の一方の開口側（図２（ｂ）において下方側）には、軸対称でかつ断面視略台形状の凹部２１が下面２８から窪むように形成されている。なお、軸対称とはナット２の中心軸Ｔに関して対称の意である。

この凹部２１は、詳細には、凹部側面２２と凹部上面２３からなる。前述の雌ねじ部２６の開口は、凹部上面２３の中心部に存在することになる。さらに詳細には、凹部側面２２は、傾斜角度が途中で変わっており、傾斜が比較的緩やかな表面側部分（傾斜部分）２２Ａと傾斜が急で垂直か或いはほとんど垂直な奥側部分（窪み部分）２２Ｂを有している。傾斜部分２２Ａの傾斜ｘは、中心軸Ｔに対して約１０度〜約１５度が望ましい。窪み部分２２Ｂは、後述する第２のワッシャ５をナット２に嵌着するための部分であり、第２のワッシャ５が安定して嵌まり込み得る内径と深さを有する。

なお、窪み部分２２Ｂがあると、第２のワッシャ５を安定して凹部上面２３付近に位置させることができるが、窪み部分２２Ｂは傾斜が急なために金型の離型性が一般には良くない。よって、金型の寿命を縮めたり、窪み部分２２Ｂを別に加工したりする必要性が生じることもあるため、窪み部分２２Ｂを省略して傾斜部分２２Ａのみにする場合もある。この場合、後述のように第１のワッシャ３をナット２の凹部２１に嵌め込む際に、同時に第２のワッシャ５も嵌め込むことになる。

ナット２は、凹部側面２２と下面２８との交点（凹部下部点）２５、凹部側面２２と凹部上面２３の交点（凹部上部点）２４、雌ねじ部２６の内径（最小の径）の円２７は、図２（ｃ）の底面図に示すように、実質的に同心円である。

図３は、第１のワッシャ３を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。この第１のワッシャ３は、ナット２の凹部２１に嵌合するよう軸対称でかつ側面視略台形状に基部３２から突出形成した突出部３１を有するとともに、突出部３１の上部３１ａにボルト４の雄ねじ部４１が挿通する挿通孔３５を有し、しかも挿通孔３５が突出部３１の中心位置から偏心している。突出部３１の側面（突出側面）３６は傾斜しており、突出部３１の上部３１ａの上面（突出上面）３９は傾斜が少ないか又はほとんど傾斜がない。突出部３１の下方に位置する基部３２は、第１のワッシャ３を支持するものであり、若干傾斜しているか或いは平坦でもよく、少なくともその外周縁（支持下部点）３３において被締結体等と接触する。

突出側面３６と突出上面３９との交点（突出上部点）３８が描く円の直径は、前述のナット２の凹部上部点２４の直径以下の寸法となっている。また、突出側面３６と基部３２との交点（突出下部点）３４が描く円の直径は、ナット２の凹部下部点２５の直径と等しいかそれ以上の寸法となっている。これらの円の中心位置は、図３に示すＸ−Ｘ軸上のｉ点にあり、このＸ−Ｘ軸は前述した図２におけるナット２の中心軸Ｔと共通である。

一方、挿通孔３５の周縁３７が描く円の中心位置は、図３に示すＹ−Ｙ軸上のｊ点にある。従って、突出部３１の中心位置ｉ点は図示するＸ−Ｘ軸上にあるので、挿通孔３５の中心位置ｊ点と突出部３１の中心位置ｉ点とは異なっている。すなわち、突出部３１の中心位置ｉ点は、挿通孔３５の中心位置ｊ点に対して偏心している。

図４は、第２のワッシャ５を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＣ−Ｃ断面図である。第２のワッシャ５は、締結に際してはナット２と第１のワッシャ３の間に設けられる。第２のワッシャ５は、ナット２の凹部２１の内径に略等しい外径で、ボルト４の雄ねじ部４１の外径（最大の径）に略等しい内径の挿通孔５１を有して平板状をなしている。第２のワッシャ５の外周縁５３と挿通孔５１を形成する内周縁５２とは実質的に同心円である。さらに詳細には、内周縁５２の径（第２のワッシャ５の内径）は、締結時にボルト４の雄ねじ部４１との間に隙間が生じないように、ボルト４の雄ねじ部４１の外径と同じか若干小さいことが望ましい。外周縁５３の径（第２のワッシャ５の外径）は、ナット２の凹部２１の窪み部分２２Ｂに嵌着可能な大きさ（例えば窪み部分２２Ｂの内径の１０％前後）である。厚みは、締結したときにナット２の凹部２１と第１のワッシャ３の突出部３１との接触を阻害しないように、少なくともナット２の凹部２１の深さよりも小さくしている。また、この実施形態では窪み部分２２Ｂの深さより若干大きくしている。また、第２のワッシャ５の下面（第１のワッシャ３側の面）５４は、締結したときにボルト４の雄ねじ部４１と第１のワッシャ３の突出部３１との接触を阻害しないように、平坦（突起がない）であることが望ましい。

第２のワッシャ５の材質は、ゴム（例えば、耐候性が優れたネオプレーン系のゴム）とするのが望ましいが、シリコンその他合成樹脂等の同様の弾性を有するものであればよい。

以上、ナット２、第１のワッシャ３、第２のワッシャ５について説明したが、これらは１組となって締結用組部材１Ａを構成し、市場に提供される。或いは、締結用組部材１Ａを構成することを前提に、各々が単独で市場に提供されることも有り得る。なお、ボルト４は前述のとおり、従来から広く用いられている一般のものであるので、締結用組部材１Ａと一緒又はそれと独立して市場に提供される。

次に、締結用組部材１Ａを用いた締結構造体１Ｂを図５に基づいて説明する。同図は、締結構造体１Ｂの要部断面図であり、（ａ）は締結完了前、（ｂ）は締結完了後のものである。

図５（ａ）に示すように、ボルト４の頭部４２の上に、雄ねじ部４１を挿通して被締結体６、７、第１のワッシャ３をこの順で置き、窪み部分２２Ｂに第２のワッシャ５を嵌着した状態で、雌ねじ部２６を雄ねじ部４１に螺合させてナット２を回していく。すると、ナット２の凹部下部点２５が第１のワッシャ３の突出側面３６に接触する。

更に、ナット２を回していくと、第１のワッシャ３の突出側面３６は、ナット２の凹部下部点２５から圧力を受けながら徐々に凹部２１に嵌まり込んでいく。

このとき、前述のように、第１のワッシャ３の挿通孔３５の中心位置ｊ点と突出部３１の中心位置ｉ点とは偏心しているため、図５（ｂ）の図面上中央右側に示されるように、第１のワッシャ３の挿通孔３５の周辺の一部がボルト４の雄ねじ部４１と接触し、大きい硬度のもの同士であるので強く反発し合いながらそのねじ山間に食い込む形になる。

また、雄ねじ部４１のねじ山は螺旋状であるため、第１のワッシャ３の挿通孔３５の周辺部分が雄ねじ部４１の螺旋状のねじ山と大きい硬度のもの同士強く反発し合いながら噛み合うことにより、その接触部分付近において第１のワッシャ３に一種のねじれが生じる。

また、第１のワッシャ３がボルト４の雄ねじ部４１に接触する面積は極めて小さく、ピンポイントである。その他の第１のワッシャ３とボルト４の雄ねじ部４１の間は、非接触部分であって隙間が生じている。その隙間は、第１のワッシャ３とボルト４の雄ねじ部４１の接触部分の軸対称の反対側（図５（ｂ）の図面上中央左側）で、最も大きくなっている。

このボルト４の雄ねじ部４１と第１のワッシャ３の非接触部分の隙間は、図５（ｂ）に示すように、第２のワッシャ５によって埋められる。すなわち、第１のワッシャ３の突出上面３９は、ナット２の凹部下部点２５が第１のワッシャ３の突出側面３６に接触するときと前後して、第２のワッシャ５に接触する。第２のワッシャ５は、第１のワッシャ３の突出部３１がナット２の凹部２１に嵌まり込むにつれて弾性変形し、ボルト４の雄ねじ部４１と第１のワッシャ３の非接触部分の隙間に突出して隙間を埋めることになる。

こうして、以下に述べる効果が生じる。

第１のワッシャ３が同じく大きい硬度のものであるボルト４の雄ねじ部４１に小面積で接触し、強く反発し合いながら食い込むことで、いわゆるくさび効果が生じ、第１のワッシャ３とボルト４の雄ねじ部４１間の位置関係が固定化される。なお、第１のワッシャ３の肉厚がボルト４の雄ねじ部４１のねじ山のピッチよりも小さい方が第１のワッシャ３がねじ山に食い込みやすくなる。また、第１のワッシャ３がボルト４の雄ねじ部４１に強く反発し合ってねじれながら噛み合っている。よって、第１のワッシャ３とボルト４の雄ねじ部４１の接触部分において集中的な横方向の力がかかり（第１のワッシャ３とボルト４が互いに押し付けあい）、強力な緩み止め効果が得られる。更には、第１のワッシャ３とボルト４の雄ねじ部４１の接触部分における力が中心軸（ナット２の中心軸Ｔ）に対して反対側のボルト４の雄ねじ部４１とナット２の接触部分に伝達され、そこにも集中的な横方向の力がかかる。よって、その箇所においてボルト４とナット２が互いに押し付けあい、強力な緩み止め効果が得られる。

一方、第２のワッシャ５が変形してボルト４の雄ねじ部４１と第１のワッシャ３の非接触部分の隙間を埋めると、締結状態で第１のワッシャ３とボルト４の雄ねじ部４１の間で微小振動が生じた場合、第１のワッシャ３とボルト４の雄ねじ部４１は大きい硬度のもの同士であるのでその接触部分では強く反発し合う力が働くが、その力を第１のワッシャ３とボルト４の雄ねじ部４１の非接触部分の隙間を埋めた弾性材料製の第２のワッシャ５に分散させることができる。その結果、微小振動による緩みを抑制することが可能になる。そのためには、第２のワッシャ５は、弾性変形して、望ましくは少なくとも第１のワッシャ３の厚みの半分以上、更に望ましくは厚み以上にボルト４の雄ねじ部４１と第１のワッシャ３の非接触部分の隙間を埋める。

表１は、締結構造体１Ｂについて過度の条件下で実施した緩み止めの耐久試験の結果を表したものである。この試験では、図６に示すように、保持部材８の細長い孔８１に締結構造体１Ｂを係合して保持する。締結構造体１Ｂは、孔８１に沿って横方向（ボルト４の中心軸に対して垂直方向）に最大距離１９ｍｍ移動できる。この試験は、ＮＡＳ規格の振動試験の１つであり、保持部材８を横方向に振動させて締結構造体１Ｂに衝撃を与え、その結果緩みが生じるか否かをテストするものである。ボルト４はＪＩＳ規格の強度区分１０．８Ｔの一般のものを使用し、締め付けトルクは２００ｋｇ・ｆ／ｃｍ、振動周波数は２９．７Ｈｚ（１７８０ｒｐｍ）、振動復振幅は１１ｍｍ、振動時間は１７分（振動回数は約３万回連続）とした。そうすると、締結構造体１Ｂにおける最大の加速度は約３９Ｇとなる。また、ねじ山には油を塗布した。

結果として、締結構造体１において第２のワッシャ５がないものは、２回の試験のうち両方とも緩みが見られたが、第２のワッシャ５があるものは、２回の試験のうち両方において緩みは見られなかった。

なお、締結構造体１Ｂでは、変形した第２のワッシャ５を介して第１のワッシャ３とボルト４の雄ねじ部４１の間に互いを押し付け合うある程度の力が広い面積で生じる。このため、第１のワッシャ３とボルト４の雄ねじ部４１の間に極端に大きな振動が加わったために仮に第１のワッシャ３とボルト４の雄ねじ部４１の接触の位置が多少ずれて緩みが生じた場合でも、第１のワッシャ３がボルト４の雄ねじ部４１から外れるのが抑止される。その結果、締結構造体１Ｂでは、被締結体から第１のワッシャ３及びナット２が脱落することも抑制することができる。

次に、第２のワッシャの変形例を説明する。図７は、その第２のワッシャ９の平面図である。この第２のワッシャ９は、先の例とは挿通孔を形成する内周縁の形状が異なっている。すなわち、第２のワッシャ９の挿通孔９１の内周縁９２は径方向に凹凸状にしてある。それ以外の構成は、第２のワッシャ５と同様である。

この第２のワッシャ９は、内周縁９２が径方向に凹凸状であることにより、内周縁９２の領域は変形し易くなり、ボルト４の雄ねじ部４１と第１のワッシャ３の非接触部分の隙間を更に効率的に埋めることができる。また、ボルト４の雄ねじ部４１を挿通孔９１に挿通する際に、内周縁９２の最小の径がボルト４の雄ねじ部４１の外径よりも小さくても挿通し易くなる。

以上、本発明の望ましい実施形態に係る締結構造体について説明したが、本発明は、実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。例えば、第１のワッシャ３を硬度が大きく耐ねじれ性を有するプラスチック製（例えばガラス繊維を含んだ強化プラスチック製）とすることも可能である。また、実施形態に記載したナット２の凹部２１、第１のワッシャ３の突出部３１、第２のワッシャ５、の大きさや細かな形状などは、それらが用いられる環境や被締結物に合わせて任意に変更可能である。

本発明の実施形態に係る締結用組部材の要部断面図である。同上の締結用組部材のナットを示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図、（ｃ）は底面図である。同上の締結用組部材の第１のワッシャを示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。同上の締結用組部材の第２のワッシャを示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）はＣ−Ｃ断面図である。同上の締結構造体の要部断面図であり、（ａ）は締結完了前、（ｂ）は締結完了後のものを示す。同上の締結構造体の試験を示す要部断面図である。同上の締結用組部材の別の第２のワッシャの平面図である。従来の締結構造体の要部断面図である。

１Ａ締結用組部材
１Ｂ締結構造体
２ナット
３第１のワッシャ
４ボルト
５、９第２のワッシャ
２１ナットの凹部
２２Ｂナットの凹部の窪み部分
２６ナットの雌ねじ部
３１第１のワッシャの突出部
３５第１のワッシャの挿通孔
４１ボルトの雄ねじ部
５１、９１第２のワッシャの挿通孔

Claims

雄ねじ部と頭部を有するボルトと、
雌ねじ部の一方の開口側に軸対称でかつ断面視略台形状の凹部を有するナットと、
ナットの凹部に嵌合するよう軸対称で側面視略台形状に突出形成した突出部を有するとともに、突出部の上部にボルトの雄ねじ部が挿通する挿通孔を有し、しかも挿通孔が突出部の中心位置から偏心している第１のワッシャと、
ナットの凹部の内径に略等しい外径で、ナットの凹部の深さよりも小さい厚みで、ボルトの雄ねじ部の外径に略等しい内径の挿通孔を有する弾性材料製の第２のワッシャと、を有してなる締結構造体であって、
ナットの凹部に第２のワッシャを嵌着し、ナットの凹部に第１のワッシャの突出部を対向させて、ボルトとナットにより被締結体を介装して螺合締結したとき、ナットの凹部と第１のワッシャの突出部が嵌合し、第１のワッシャの挿通孔がボルトの雄ねじ部と噛み合うことによりその接触部分において第１のワッシャのねじれが生じ、第１のワッシャとボルトの雄ねじ部との非接触部分の隙間を第２のワッシャが弾性変形して埋めていることを特徴とする締結構造体。
請求項１に記載された締結構造体において、
前記ナットの凹部は、第２のワッシャを嵌着する窪み部分を有していることを特徴とする締結構造体。
請求項１又は２に記載された締結構造体において、
前記第２のワッシャの挿通孔は、その内周縁が径方向に凹凸状にしてあることを特徴とする締結構造体。