JP5281840B2 - 螺着締結機構 - Google Patents

Description

本願発明は、締結物を被締結物に締結用棒状部材を介して螺着することができる螺着締結機構に関し、特に、締結に際して前記棒状部材の全長にわたって無用な回転トルクが可及的に作用することのない螺着締結機構に関する。

締結物に形成された貫通穴を貫通するよう配置されるボルト（締結用棒状部材）と前記ボルトに螺着するべく被締結物側に形成されたナットとを有する螺着締結機構を介して、締結物を被締結物に適正に螺着する場合、該ボルトにその軸方向の引張力が所定値だけ作用した状態で締結することが求められる。このような螺着締結機構は、種々の分野において用いられ、具体的には、例えば、内燃機関のクランクケースにシリンダブロックとシリンダヘッドとをアッセンブリする場合や、建築や土木の分野での締結、例えば、複数のセグメント同士を締結することによってトンネル等の通路を形成する際のセグメント間の通路長手方向の締結に使用する場合、所謂ボックカルバート間をプレストレス締結する場合等に使用されている。

このような螺着締結機構として、特許文献１に記載されているものがある。
特許公開平９−１７７４９０号公報。

しかしながら、前記締結物の締結方向の寸法が大きい場合には、前記ボルトの軸長が長くなり、かかる場合、該ボルトに所定の軸方向の引張力を作用させようとすると、軸長が長いことにより該ボルトに大きな回転方向のねじり力が作用して、該ボルトにねじり力と軸方向の引張力の複合的な応力（ねじりと引張の組合せ応力）によってボルトが変形したり、該ボルトが損傷を受けることがある。かかる場合、所望の締結力を得ることができない。
具体的には、前述したエンジンのシリンダブロックとシリンダヘッドをクランクケースに螺着するような場合に使用される長尺締結用棒状部材（ボルト）や、あるいは地下トンネル等を形成するセグメント間をその通路長手方向に締結する場合に使用される長尺締結用棒状部材では、前述した技術的課題が生じることになる。

かかる対応策として、ボルトの径をねじり力（回転トルク）の付加に合わせて大きくすることも考えられるが、かかる場合には、必要以上に大きな径のボルトを使用することが余儀なくされ、その結果、重量的に重くなる。また、価格的にも高価になる。

本発明はこのような状況に鑑みておこなわれたもので、必要以上に大きな径のボルト等の締結用棒状部材を使用することなく前記技術的課題を解決した螺着締結機構を提供することを目的とする。

本発明にかかる螺着締結機構は、締結物を被締結物に締結する螺着締結機構であって、前記締結物に締結方向に形成された第１の貫通穴と、前記被締結物の前記第１の貫通穴に対応する位置に形成された雌ねじあるいは雄ねじのいずれか一方の第１のねじと、先端部に前記第１のねじに螺着する雄ねじあるいは雌ねじのいずれか一方の第２のねじを有するとともに、基端部に雄ねじからなる第３のねじを有し、前記第１の貫通穴を貫通するように配置される締結用の棒状部材と、前記第３のねじに螺合するナットと、前記第３のねじの基端側に隣接して設けられ、前記第３のねじに前記ナットを緊締するべく螺着する際に発生する反力を受容する反力受部と、前記第３のねじが挿通される第２の貫通穴を有し、前記第３のねじに螺合した前記ナットを前記締結方向から係止するとともに、前記棒状部材を回転不能に係止する係止具と、前記締結物に一体になるよう設けられ、前記係止具を回動不能に係止する固定金具とを備え、前記第３のねじは、六角形状の頭部を有し、前記係止具は、前記頭部が回動不能に挿着される六角形状の穴を有し、前記固定金具は、前記係止具が回動不能に挿着される非円形の貫通穴を有し、前記非円形の貫通穴に前記係止具が前記締結方向から挿着されるのと同時に、前記六角形状の穴に前記頭部が挿着され、かつ、前記第２の貫通穴に前記第３のねじが挿通されることを特徴とする。

しかして、前述のように構成された本発明にかかる螺着締結機構によれば、前記締結用棒状部材の基端を回転させることによって、該締結用棒状部材先端の第２のねじを、被締結物に設けられた第１のねじに螺着・締結して後、該締結用棒状部材にその軸方向に引張力を付与し該棒状部材を介して締結物を被締結物に締結する際に、該棒状部材の基端に形成された第３のねじに前記ナットを螺着して後反力受部を工具で把持した状態で該反力受部に対して相対的にナットを回転させて緊締する。このため、前記緊締に伴って発生するねじり力は、主として棒状部材の前記ナットが螺合した部位と反力受部との極く短い距離の間でのみ作用するため、棒状部材の全長にわたる無用なねじり力が可及的に作用せず、該棒状部材にその全長にわたって必要な軸方向の引張力のみ付与することが可能となる。

従って、引張力にのみ耐え得る径の棒状部材を使用することができ、このため、締結用棒状部材を無用に太径のものを使用する必要がなくなり、重量的に大きくならず、且つ、価格的にも高価になることはない。固定金具および係止具によって棒状部材の先端部位には、全く回転トルク（ねじり力）が作用することのない構成を実現できる。

また、前記螺着締結機構において、前記第２のねじが、ねじ節鉄筋の外周面に形成された雄ねじにより構成され、前記被締結物の前記第１のねじが、前記ねじ節鉄筋の雄ねじを螺着することができる雌ねじにより構成され、前記棒状部材が、前記ねじ節鉄筋と、先端に形成されたボルト頭部が摩擦圧接により前記ねじ節鉄筋の基端側に一体に溶着されるとともに基端に反力受部を備えたボルトとによって、構成されていると、セグメント等の建築あるいは土木関係の螺着締結機構として、安価に実施することができる上で好ましい構成となる。

また、前記螺着締結機構において、前記反力受部が、円柱状部材の周面に軸方向に延びる山と谷が交互に形成された略平歯車状の形態のもので構成されていると、該略平歯車状の部分でナットの回転に起因する反力（回転トルク）を確実に受けることができ、且つ、製造においても鍛造等によって簡単に成形できる点で、好ましい構成となる。

また、前記螺着締結機構において、前記反力受部が、前記棒状部材の回転中心に対して外周面を偏心させて配置した柱状部材によって構成されていると、鍛造等によって簡単に製造できる点で、好ましい構成となる。

以下、本発明の実施形態にかかる螺着締結機構について、セグメントの締結用に使用するための螺着締結機構を例に挙げて、図面を参照しながら具体的に説明する。

図１は本発明の実施形態にかかる螺着締結機構の一部の構成を示す斜視図、図２は図１に示す構成を含む本発明にかかる螺着締結機構の全体の構成を、締結しようとする締結物と被締結物となる一対のセグメントと共に、その締結部位を長手方向に断面して示す側断面図である。

図２において、１は締結物であるトンネルの壁面の一部を形成する部分円筒体の形態を有する第１のセグメント、２は被締結物である締結物と実質上同じ形態のものでトンネルの壁面の一部を形成する部分円筒体の形態を有する第２のセグメント、３は先端に第２のねじを備えた締結用棒状部材、４はナット、Ｂは前記棒状部材３とセグメント１の間に介装され該棒状部材３を回転不能に係止する係止手段である。

図２あるいは図３，図４に図示するように、前記締結物である第１のセグメント１には、締結方向（図２において矢印Ｘで示す方向）に前記棒状部材３を貫通するための貫通穴１ｈを有し、この貫通穴１ｈは前記棒状部材３をその外周方に隙間を有して貫通させることができる穴径を有する。また、この貫通穴１ｈは、基端部に基端方で拡径した部分円錐状の形態のテーパ部１ｒを有する。

そして、前記貫通穴１ｈの基端方（反被締結物方；図２の左端側）の開口端部には、前記係止手段Ｂの一部を構成する固定金具５Ａがセグメント１と一体になるよう埋設されている。また、この固定金具５Ａは、該係止手段Ｂの他の一部を構成する係止具５Ｂを回動不能に係止できるように構成されている。前記係止手段Ｂは、この実施形態では、前記固定金具５Ａと係止具５Ｂと、後述するボルト３Ａの頭部３ｈ及び係合部５ｇの穴５ｃとによって形成されている。
前記固定金具５Ａは、図１にその斜視図が拡大して図示され又図３に側断面図が拡大して図示されるように、前記貫通穴１ｈ（図３，図４参照）と同芯状になった、穴断面が六角形状の貫通穴５ｈを有し、全体の外形状が肉厚の板状の形態を有する。

また、図１あるいは図３に図示される如く、前記固定金具５Ａの貫通穴５hには、前記係止具５Ｂが回動不能に挿着される。このため、この係止具５Ｂは先端側に、前記貫通穴５hの穴断面形状とその外形状が合致し外形寸法が該穴断面よりやや小さい、六角状の係合部５ｇを有する。また、この係合部５ｇの内部には、六角形状の穴５ｃ（図３参照）が軸方向に延設されている。そして、この係止具５Ｂの基端部には、前記貫通穴５hの穴径より大きい外形を有する鍔部５Ｂが形成されている。
図５に図示する参考例では、固定金具５Ａの貫通穴を楕円形に構成し、係止具５Ｂの係合部５ｇの外形状を前記楕円に係合する楕円形状に形成している。要するに、回転不能に係止するという機能を奏するものであればよく、例えば、ねじり中心（あるいは軸芯とも言える）に対して外周面が非円形の貫通穴５hとその貫通穴５hに係合する外形状を有する係合部５ｇとの組合せ等によって構成すればよい。

ところで、前記棒状部材３は、図１，図３に図示するように、この実施形態では、基端部に反力受部３ａを具備し先端に頭部３ｈを具備したボルト３Ａ（本発明の「第３のねじ」に相当）と、その先端方（図１，図３において右方）に一体に固着された所謂「ねじ節鉄筋」からなる棒状部３Ｂとを具備するように構成されている。そして、前記ボルト３Ａの頭部３ｈは前記棒状部３Ｂ（すなわちねじ節鉄筋）の基端と、摩擦圧接により、同芯状になるように、溶着されることによって一体の棒状部材３に構成されている。また、この棒状部材３の頭部３ｈは、前記係合部５ｇに形成されている六角形状の穴５ｃ内に回動不能に挿着されるよう構成されている。

そして、この棒状部材３の先端には、棒状部３Ｂ（すなわちねじ節鉄筋）の外周の雄ねじにより構成される「ねじ」、即ち、本発明でいう「第２のねじ」を、具備している。

また、この実施形態では、図１あるいは図３に図示するように、前記反力受部３ａは、前記ボルト３Ａの外径より小径の円柱部材の外周面に軸方向に延びる山と谷が交互に形成された略平歯車（スプライン）状の形態のもので構成されている。また、この反力受部３ａの先端方には、所定のねじり応力（回転トルク）が作用すると切断するように所謂「くびれ部」３Ｃ（図３参照）が形成されている。
ところで、この反力受部３ａは、前記形態のものに限定されるものでなく、例えば、前記ボルト３Ａの回転中心に対して外周面が非円形の、例えば偏心させた形態のものであってよい。具体的には、例えば、図５に図示するように、軸断面が楕円（あるいは小判形）の柱状の形態のもので構成されていてもよい。あるいは、図示しないが、断面が矩形状（あるいは多角形状）の柱状体によって構成することも可能である。

また、図２，図４に図示するように、前記第２のセグメント２の前記第１のセグメント１の先端面１ｆが締結される基端面２ｆには、前記貫通穴１ｈに対応する位置に、貫通穴２ｈが該貫通穴１ｈに対して同軸状になるように形成されている。そして、この貫通穴２ｈは、基端面２ｆ方で拡径するテーパ穴になっている。
そして、この貫通穴２ｈ内には、前記棒状部材３を構成する前記棒状部３Ｂ（すなわちねじ節鉄筋）の先端部が一体に螺着可能な、本発明の「第１のねじ」を構成する雌ねじを有するナット型カプラー９が、該セグメント２と一体になるよう配置されている。そして、このカプラー９の先端は、前記セグメント２に埋設されたねじ節鉄筋１３の基端と螺着され、該ねじ節鉄筋１３対して回転不能及び軸方向の移動不能となるようロックナット１４によってロックされている。
また、前記ねじ節鉄筋１３の先端（図２において右端）には、図２に図示するように、埋設されるセグメント２に対する固定を確実にし該ねじ節鉄筋１３の軸方向の耐引き抜き力を向上させるためのアンカー部材１５が配置されている。
また、前記カプラー９は、長手方向に通常のナットに比べて十分長い寸法、つまり、棒状部材３およびねじ節鉄筋１３を両側に螺着することができる程度に長い寸法を有する。

なお、この実施形態では、「第１のねじ」を、カプラー９の雌ねじで構成するとともに、「第２のねじ」を、前記棒状部材３の棒状部３Ｂ（すなわちねじ節鉄筋）の外周の雄ねじで構成しているが、これに代えて、逆の構成、つまり、「第１のねじ」を雌ねじ（ナット）で、「第２のねじ」を雄ねじ（ボルト）で構成することもできる。

しかして、図６に図示するように、前述のように構成された第２のセグメント２に前記第１のセグメント１を締結する際には、つまり、この実施形態では円筒状のトンネルの壁面の一部を構成している前記第２のセグメント２の基端面２ｆに、前記第１のセグメント１の先端面１ｆを当接した状態で、両セグメント１，２同士を締結する際には、まず、該第２のセグメント２の貫通穴２ｈに、第１のセグメント１の貫通穴１ｈが一致するように、該第１のセグメント１をセットする。
かかる状態において、前記第１のセグメント１の貫通穴１ｈの基端方（図２において左端方）から、前記固定金具５Ａの貫通穴５ｈを通して、前記棒状部材３を、そのボルト３Ａ側が基端方に位置するように挿通する。
そして、前記棒状部材３を回転させて、その先端部の雄ねじを前記第２のセグメント２に配置されているカプラー９の雌ねじに螺着する。この螺着に際しては、該棒状部材３は、貫通穴１ｈ内を径方向に隙間を有して回転させることができるため、この棒状部材３に大きな回転トルクが作用することはない。
そして、前記第１のセグメント１の端面部に埋設されている前記固定金具５Ａの貫通穴５ｈに、前記係止具５Ｂの係合部５ｇを挿入し、該係止具５Ｂの鍔部５ｂが固定金具５Ａの貫通穴５ｈの周囲の端面に当接するように、該係止具５Ｂをセットする。かかる状態において、六角柱形状の前記ボルト３Ａの頭部３ｈが前記係合部５ｇの六角形状の穴５ｃに挿着されて、ボルト３Ａ、つまり、棒状部材３は、第１のセグメント１（固定金具５Ａ）に対して、回転不能となる。

この状態において、前記鍔部５ｂの基端方から、前記棒状部材３のボルト３Ａに平座金７を挿着し、しかる後に、前記ナット４を螺着する。勿論、前記平座金７に代えて、スプリングワッシャを用いてもよい。

かかる状態において、前記反力受部３ａに工具を係合させて、ナット４の回転に起因する反力を該反力受部３ａで受けることができる状態で、該ナット４を該反力受部３ａに対して相対的に回転させる。なお、この実施形態では、ナット４を回転させるための反力が前記反力受部３ａに作用するよう構成された油圧式のレンチ（動力工具）で回転させている。このため、かかる回転に起因して発生する反力は反力受部３ａと前記係止手段Ｂとで全て受容されるため、かかる回転によって、前記棒状部材３のナット４が係合している部分（この実施形態の場合、正確には前記ボルト３Ａ）より先端方の部位には一切の回転トルクは作用しない。そして、この棒状部材３には、セグメント１，２間の締結に必要な引張力のみが生ずる。なお、この引張力は、前記第１のセグメント１に対して、圧縮力として作用する。

また、前記反力受部３ａの先端方に前記くびれ部３Ｃが形成されていることから、前記ナット４の締付け過程において所定の値の回転トルクが作用するようになると、該くびれ部３Ｃが回転トルクにより切断する。このため、所定値以上の大きな前記回転トルクがナット４と棒状部材３との間に作用するような状態を回避することが可能となる。

また、前記くびれ部３Ｃが切断されると、所定の回転トルクにより締結用棒状部材３が締結されたことが確認できることになる。

従って、本実施形態にかかる螺着締結機構によれば、前記締結用棒状部材３に無用な回転トルクを作用させることなく、締結に必要な軸方向の引張力のみを棒状部材３に付与することが可能となる。

このため、締結用棒状部材を無用に太径のものを使用する必要がなくなり、重量的に大きくならず、且つ、価格的にも高価になることはない。

参考例では、図７，図８に図示するように、前記係止手段Ｂ（図１，図３，図５等参照）を設けていない。なお、図７，図８に記載の参考例については、前述した実施形態と説明が重複するため、図１〜図５に記載した実施形態と同じ構成について、同じ参照符号を付して、その説明を省略する。なお、図７，図８において、１５は中央に棒状部材３を挿通させるための貫通穴１５ｈを備えた端部金具である。
そして、この図７，図８に図示した構成を具備した螺着締結機構について、効果を確認するために実験（検証）したところ、反力受部３ａを具備しない形態のものでは、棒状部材３の棒状部３Ｂ（すなわちねじ節鉄筋）の径が４０ｍｍで長さが１５００ｍｍでその長手方向の中央に歪みゲージを配置して、ナット４を回転させたところ以下のとおりであった。つまり、図９のグラフに図示するように、まず、回転トルクの大きさと歪みの値との相関関係を得るために、ナット４の回転トルクを１００Ｎ・ｍで回転させると前記棒状部材３に「−６５０×１０-6 ％」の歪み（図９の「Ｐ１」の点参照）が発生し、同じく２００Ｎ・ｍで回転させると「−１３００×１０-6 ％」の歪み（図９の「Ｐ２」の点参照）が発生し、同じく３００Ｎ・ｍで回転させると「−１６５０×１０-6 ％」の歪み（図９の「Ｐ３」の点参照）が発生することが判った。

次に、本螺着締結機構にかかる作用効果を得るべく、反力受部３ａを保持せずナット４を締付けると、第１の方向の「−３５０×１０-6 ％」の歪み（図９の「Ｐ４」の点参照）が発生し、反力受部３ａとナット４とを相対的に回転させた本締めの当初において「−３５０×１０-6 ％」の歪み（図９の「Ｐ５」の点参照）が発生した。そして、「所定の回転トルク（具体的には反力受部３ａがくびれ部３Ｃで破断するトルク）」で締めたときに、逆の方向（図９において上方向：第２の方向）の歪みとして「１３５０×１０-6 ％」の歪み（図９の「Ｐ６」の点参照）が生じた。このことから、仮に、前記反力受部３ａを設けない場合には、前記仮締めのとき「Ｐ４」と前記所定の回転トルクで締めたとき「Ｐ６」の差、つまり、「１７００×１０-6 ％」だけ、前記仮締めのときの歪み（「−３５０×１０-6 ％」の歪み）から同じ方向（図９において下方向）に歪む。即ち、歪みの無い状態から「−２０５０×１０-6 ％」の歪み（図９の「Ｐ７」の点参照）が発生することが推測できる。
これに対して、本発明の如く反力受部３ａを設けた場合には、前記仮締めのときの歪み（「−３５０×１０-6 ％」の歪み）から「１７００×１０-6 ％」だけ反対方向（図９において上方向）に歪んで、その結果、歪みの無い状態からは「１３５０×１０-6 ％」（図９の「Ｐ６」参照）の歪みが生じることになる。なお、前記歪み量「Ｐ１」〜「Ｐ３」から前記「所定の回転トルク」等の回転トルクの値を知ることができる。

そして、前記実験により、本発明にかかる反力受部を具備した螺着締結機構を採用すると、棒状部材３の歪み（残留びずみ量）が、従来の反力受部を設けないものと比べて、約４０％（＝１−（１３５０／２０５０））削減できることが判明した。

そして、前記反力受部に加えて、図１〜図５に図示する如く、係止手段をさらに設けると、前述のように、該係止手段より先端側の部位の棒状部材には全く歪みが発生しない優れた螺着締結機構となる。

ところで、前記実施形態では、セグメント間を締結する螺着締結機構を例に挙げて説明したが、その他の締結、例えば、エンジンのクランクケースにシリンダブロックとシリンダヘッドとを締結するような場合、あるいは建築や土木の分野での締結に使用する場合、例えば、所謂ボックカルバートの長手方向へプレストレス締結する場合、基礎のアンカーボルトを基礎完成後に設置する場合等に、本発明にかかる螺着締結機構を同様に使用することができる。

本発明は、前述した実施形態に限定されるものでなく、当業者が自明の範囲において、適宜変更した形態で実施することができることは言うまでもない。

本発明にかかる螺着締結機構は、種々の締結物と被締結物間の締結に利用することができる。

本発明の実施形態にかかる螺着締結機構の一部の構成を示す斜視図である。 図１に示す構成を含む本発明にかかる螺着締結機構の全体の概略の構成を締結しようとする締結物と被締結物となるセグメントと共に締結部位を断面して示す側断面図である。 図２に示す第１のセグメント（締結物）の基端部分を拡大した部分拡大断面図である。 図２に示す第１のセグメント（締結物）と第２のセグメント（被締結物）との締結部分を拡大した部分拡大断面図である。 参考例にかかる螺着締結構造の一部の構成を示す斜視図である。 締結物である第１のセグメントと被締結物である第２のセグメントとの締結の形態を示す斜視図である。 係止手段を具備しない参考例にかかる螺着締結機構の締結前の状態を示す斜視図である。 図７に示す螺着締結機構の締結後の状態を示す第１のセグメント（締結物）の基端部分を拡大した部分拡大断面図である。 縦軸に歪みを横軸に時間軸をとって、図７，図８に示す螺着締結機構の棒状部材の歪みの状態と、反力受部がない場合の歪みを示した図である。

符号の説明

１…第１のセグメント（締結物）
１ｈ…貫通穴
２…第２のセグメント（被締結物）
３…締結用棒状部材
３Ａ…ねじ部（第３のねじ）
３ａ…反力受部
３ｔ…雄ねじ（第２のねじ）
４…ナット
９…雌ねじ（第１のねじ）を備えたカプラー

Claims (5)

1. 締結物を被締結物に締結する螺着締結機構であって、
   前記締結物に締結方向に形成された第１の貫通穴と、
   前記被締結物の前記第１の貫通穴に対応する位置に形成された雌ねじあるいは雄ねじのいずれか一方の第１のねじと、
   先端部に前記第１のねじに螺着する雄ねじあるいは雌ねじのいずれか一方の第２のねじを有するとともに、基端部に雄ねじからなる第３のねじを有し、前記第１の貫通穴を貫通するように配置される締結用の棒状部材と、
   前記第３のねじに螺合するナットと、
   前記第３のねじの基端側に隣接して設けられ、前記第３のねじに前記ナットを緊締するべく螺着する際に発生する反力を受容する反力受部と、
   前記第３のねじが挿通される第２の貫通穴を有し、前記第３のねじに螺合した前記ナットを前記締結方向から係止するとともに、前記棒状部材を回転不能に係止する係止具と、
   前記締結物に一体になるよう設けられ、前記係止具を回動不能に係止する固定金具とを備え、
   前記第３のねじは、六角形状の頭部を有し、
   前記係止具は、前記頭部が回動不能に挿着される六角形状の穴を有し、
   前記固定金具は、前記係止具が回動不能に挿着される非円形の貫通穴を有し、
   前記非円形の貫通穴に前記係止具が前記締結方向から挿着されるのと同時に、前記六角形状の穴に前記頭部が挿着され、かつ、前記第２の貫通穴に前記第３のねじが挿通される、螺着締結機構。
2. 前記締結物は、トンネルの壁面の一部を形成する第１のセグメントであり、
   前記被締結物は、トンネルの壁面の一部を形成する第２のセグメントである、請求項１に記載の螺着締結機構。
3. 前記第２のねじが、ねじ節鉄筋の外周面に形成された雄ねじにより構成され、
   前記被締結物の前記第１のねじが、前記ねじ節鉄筋の雄ねじを螺着することができる雌ねじにより構成され、
   前記棒状部材が、前記ねじ節鉄筋と、先端に形成されたボルト頭部が摩擦圧接により前記ねじ節鉄筋の基端側に一体に溶着されるとともに基端に反力受部を備えたボルトとによって、構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の螺着締結機構。
4. 前記反力受部が、円柱状部材の周面に軸方向に延びる山と谷が交互に形成された略平歯車状の形態のもので構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の螺着締結機構。
5. 前記反力受部が、前記棒状部材の回転中心に対して外周面を偏心させて配置した柱状部材によって構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の螺着締結機構。

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