JP5406699B2 - 円錐面を備えたファスナー - Google Patents

Description

本発明は、２以上の被締結部材を締結するためのファスナーに関する。 更に詳細には、本ファスナーはボルトとナットから構成され、被締結部材と接触する面が円錐面をなすファスナーに関する。

2以上の構造部材を締結するために使用されるファスナーの代表的なものに、ボルト・ナットがある。 このボルト・ナットは一般的には、合金鋼、アルミ合金、銅合金、チタン合金等の金属材料によって作られ、特殊な場合にはセラミックや樹脂系複合材料、金属系複合材料などによって作られる場合もある。

また、被締結部材となる構造部材としても、合金鋼、アルミ合金、銅合金、チタン合金等の金属材料の他、セラミックや複合材料等の様々な材料で作られたものがあり、これらの材料から作られた構造物を一体化するために上述したボルト・ナットが使用される。

これらの被締結部材となる構造部材やその締結のために使用されるボルト・ナットは、その構造部材の機能や使用される条件によって様々な材料、形状、大きさのものが組み合わされて使用されるのが一般的である。 そして、そのような構造部材の材料とボルト・ナットの材料とが異なった材料の組合せにならざるを得ない場合も往々にしてある。

このように、構造部材の材料とボルト・ナットの材料とが異なった材料であって、構造部材が使用される温度環境が相当程度変化するような場合、ボルト・ナットに緩みが生じることにより、構造物全体に深刻な悪影響を及ぼすことがある。 このようなボルト・ナットの緩みは、構造部材の材料とボルト・ナットの材料の違いに基く、構造部材の熱膨張係数とボルト・ナットの熱膨張係数との差異に起因するものである。
従って、構造物の機能上、構造部材とボルト・ナットとを異なった材料で構成する必要があって、かつ構造部材が使用される温度環境が相当程度変化するような場合、ボルト・ナットの緩みを如何にして防止するかということが極めて重要な課題となっていた。

本発明は以上述べたような技術的背景を鑑みなされたものであり、被締結部材である構造部材の材料と、ボルト・ナットの材料とが異なった材料であって、構造部材が使用される温度環境が相当程度変化するような場合であっても、締結ファスナーであるボルト・ナットに緩みが生じることのないファスナーを提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載する発明においては、２以上の被締結部材を締結するためのファスナーであって、当該ファスナーは、ボルトとナットから構成され、当該ファスナーと当該締結部材の熱膨張係数が異なり、
当該ボルトの頭部の被締結部材と接触する面が円錐面をなし、当該ナットの被締結部材と接触する面が円錐面をなす構成のファスナーとし、
当該ボルトとナットの座面間距離をtとし、
当該ボルトの座面の半径をrB、当該ナットの座面の半径をrNとし、
当該ボルトの円錐面の半頂角をαB、当該ナットの円錐面の半頂角をαNとすると、
tan-1{4rB/3t}≦αB≦tan-1{4rB/t}
tan-1{4rN/3t}≦αN≦tan-1{4rN/t}
の関係を満たす半頂角を有するボルトとナットからなる構成のファスナーとした。

更に、請求項２に記載する発明においては、請求項１に記載のファスナーであって、前記材料異方性を有する２以上の被締結部材の被締結方向（前記ボルトの中心軸方向）の熱膨張係数が、被締結部材の被締結方向と垂直方向の熱膨張係数よりも大きい構成の被締結部材に使用されるファスナーとした。

また、請求項３に記載する発明においては、請求項１又は２のいずれかに記載のファスナーであって、前記ファスナーが金属材料からできている構成のファスナーとした。

また、請求項４に記載する発明においては、請求項１乃至３のいずれかに記載のファスナーであって、前記ボルトとナットの座面とは反対側の端面には、トルクがけのための構造要素を設けてある構成のファスナーとした。

更に、請求項５に記載する発明においては、請求項４に記載のファスナーであって、前記ボルトに設けられたトルクがけのための構造要素が、六角レンチ用穴、−字状すり割り溝、又は＋字状すり割り溝のいずれかであり、前記ナットに設けられたトルクがけのための構造要素が、−字状すり割り溝又は＋字状すり割り溝である構成のファスナーとした。

以上述べたような発明の構成とすることにより、被締結部材である構造部材の材料と、ボルト・ナットの材料とが異なった材料であって、構造部材が使用される温度環境が相当程度変化するような場合であっても、締結ファスナーであるボルト・ナットに緩みが生じないようにすることが可能となった。

本発明の実施例にかかるファスナーを示したものである。 本発明のファスナーの寸法諸元を示したものである。

図に基き、本発明を実施するための形態を説明する。 図1は、本発明の典型的な実施例にかかるファスナーを示したものである。 当該ファスナー10は、ボルト11とナット12から構成され、ボルト11の頭11aとナット12には、それぞれ円錐面11bおよび12bが設けられている。 このナット12は、ボルト11の先端部に設けられたオネジ部11Cと螺合することによって、2以上の被締結部材13および14を構造的に締結するようになっている。
このボルト11とナット12を螺合することによって2以上の被締結部材13および14を構造的に締結する場合、ボルト11の円錐面11bと被締結部材14とが接触し、ナット12の円錐面12bと被締結部材13とが接触するようになっている。 即ち、ボルト11の円錐面11bとナット12の円錐面12bの間で、ボルト軸方向の締結力が付与されるようになっている。

そして、ボルト11とナット12を螺合させて被締結部材を締結した状態において、図1に示すようにボルト11の円錐面11bの頂点とナット12の円錐面12bの頂点が1つの点“O”で交わるようになっていれば、ボルト11およびナット12の材料と、被締結部材13および14の材料が異なり、それぞれの熱膨張係数が異なる場合であって、ファスナー10と被締結部材13,14の温度が変化したとしてもファスナー10に緩みが生じることはない。 点“O”を基準にして考えれば、ファスナー10と被締結部材13,14の温度が変化したとき、ファスナー10および被締結部材13,14は、円錐面に沿って膨張または、収縮するだけであり、ボルト11の円錐面11bと被締結部材14との接触面、およびナット12の円錐面12b被接触部材13との接触面との間に隙間が生じることは無いからである。

ここで説明したように、ボルト11の円錐面11bの頂点とナット12の円錐面12bの頂点が1つの点“O”で交わるようになっていれば、ボルト11およびナット12の材料と、被締結部材13および14の材料が異なり、それぞれの熱膨張係数が異なる場合であって、ファスナー10と被締結部材13,14の温度が変化した場合であっても、理論的にはファスナー10に緩みが生じることはない。 しかしながら、実際の構造物においては、ボルト11の円錐面11bの頂点とナット12の円錐面12bの頂点が1つの点“O”で交わるようになっていなくても、所定の条件の範囲内であれば、現実的にはファスナー10に緩みが生じることはなく、実用上何ら問題ないことを発明者らは見出した。 これは、ボルト11とナット12を螺合させて被締結部材13,14を締結した際に、ボルト11とナット12および被締結部材13,14が弾性変形し、この弾性変形によって、ボルト11とナット12および被締結部材13,14が理想的な幾何学的な関係に無くとも、ファスナー10に緩みが生じない状態を作り出すことが可能になっているものと考えられる。

そこで、ボルト11の円錐面11bとナット12の円錐面12bの円錐角がどのような範囲にあれば、ファスナー10に緩みが生じないのかを確かめるために試験を行った。 その試験の内容を以下に説明する。

試験例1
まず、ボルト11とナット12および被締結部材13,14の諸元を図2に示すように定義する。

即ち、ボルトの座面11eとナットの座面12eの間の距離をtとし、ボルトの座面11eの半径をr_B、ナットの座面12eの半径をr_Nとし、ボルトの座面11eからボルトの円錐面の頂点までの距離をＬ_Ｂ、ナットの座面12eからナットの円錐面の頂点までの距離をＬ_Ｎとし、ボルトの円錐面の半頂角をα_B、ナットの円錐面の半頂角をα_Nとする。
ここで、ボルトの座面11eからボルトの円錐面の頂点までの距離をＬ_Ｂが、1/4t、1/2t、3/4ｔとなるボルトを試料とし、ナットの座面12eからナットの円錐面の頂点までの距離をＬ_Ｎが、1/4t、1/2t、3/4ｔとなるナットを試料として準備し、これらの全ての組合せによって、被締結部材を締結した。

ここで使用したボルト、ナットの材質および熱膨張係数は以下の通りである。

材質： ＳＵＳ304
熱膨張係数： １８ｘ１０^−６１／℃
また、被締結部材の材質および熱膨張係数は以下の通りである。

材質： アルミニウム
熱膨張係数： ２５ｘ１０^−６１／℃
室温２０℃においてボルト、ナットを螺合させて被締結部材を締結した。 ボルト、ナットに掛けたトルクは、1〜5 Ｎ-ｍ （10〜50 Kgf-cm）であった。

なお、ここで使用したボルト、ナットのネジは、Ｍ８のサイズであった。

このような条件で締結したボルト、ナット（ファスナー）と被締結部材を高温炉の中にいれ、３００℃まで加熱した。 この高温下において、２つの被締結部材を互いに引き離す方向に荷重を負荷し、２つの被締結部材の変位を計測することによって、ボルト、ナット（ファスナー）の緩みの有無を判断した。 すなわち、２つの被締結部材を互いに引き離す方向に荷重を負荷した際に、荷重の増加に比例して変位が増加する場合には、ボルト、ナット（ファスナー）の緩みが存在していたと判断し、２つの被締結部材を互いに引き離す方向に荷重を負荷した際に、荷重を増加させていっても最初の段階においては、変位が変化せず、途中から荷重に比例して変位が増加するような場合には、ボルト、ナット（ファスナー）の緩みが存在していないものと判断した。

このような判断基準に従って、上述した全てのボルト、ナットの試料の組合せについて評価した結果、いずれの場合においてもボルト、ナット（ファスナー）の緩みは確認されなかった。

試験例2
次に、被締結材料の材質のみを変更し、試験例1と全く同様な試験を行った。ここで使用した被締結部材の材質および熱膨張係数は以下の通りである。

材質： カーボン／カーボン材
図２に示すＸ方向の熱膨張係数： １０ｘ１０^−６１／℃
図２に示すＹ方向の熱膨張係数： １ｘ１０^−６１／℃
試験例1と同様に、上述した全てのボルト、ナットの試料の組合せについて評価した結果、いずれの場合においてもボルト、ナット（ファスナー）の緩みは確認されなかった。

以上試験例から、すくなくとも以下の条件を満たすα_Bとα_Nであれば、ボルト、ナット（ファスナー）の緩みが生じないことを確認した。
すなわちtanα_B＝r_B／Ｌ_Ｂ、tanα_N＝r_N／Ｌ_Ｎであるから

4r_B /3t≦tanα_B≦4r_B /t
4r_N /3t≦tanα_N≦4r_N /t (1)
すなわち
tan^-1{ 4r_B /3t}≦α_B≦tan^-1{ 4r_B /t}
tan^-1{ 4r_N /3t}≦α_N≦tan^-1{ 4r_N /t} (2)

なお、上記試験例2によって示したように、被締結材料が材料異方性を有する材料であって、被締結部材の被締結方向(前記ボルトの中心軸方向; 図2に示すX方向)の熱膨張係数が、被締結部材の被締結方向と垂直方向(図2に示すY方向)の熱膨張係数よりも大きいような場合には、温度の上昇と共に更に締結力が増加し、更に緩みにくくなることが分かった。

また、本発明におけるファスナー、すなわちボルト11とナット12については、上述したようにボルト11の頭11aと、ナット12の外周面には、被締結部材と接触する円錐面が設けられているため、通常の六角ボルト、六角ナットのようにその外周面を利用してトルク掛けを行うことができないため、ボルト11の座面11eとナット12の座面12eとは反対側の端面に、トルクがけのための構造要素を設けるようにしてある。

このようなトルクがけのための構造要素として、ボルト11の場合、六角レンチ用穴、−字状すり割り溝、又は＋字状すり割り溝11dのいずれかとすることができ、ナット12の場合、−字状すり割り溝又は＋字状すり割り溝12dとすることができる。

10 ファスナー
11 ボルト
11a ボルトの頭
11b ボルトの円錐面
11c ボルトのオネジ部
11d ボルトのすり割り溝
11e ボルトの座面
12 ナット
12b ナットの円錐面
12d ナットのすり割り溝
12e ナットの座面
13,14 被締結部材

Claims (5)

1. ２以上の被締結部材を締結するためのファスナーであって、
   当該ファスナーは、ボルトとナットから構成され、
   当該ファスナーと当該締結部材の熱膨張係数が異なり、
   当該ボルトの頭部の被締結部材と接触する面が円錐面をなし、
   当該ナットの被締結部材と接触する面が円錐面をなし、
   当該ボルトとナットの座面間距離をtとし、
   当該ボルトの座面の半径をrB、当該ナットの座面の半径をrNとし、
   当該ボルトの円錐面の半頂角をαB、当該ナットの円錐面の半頂角をαNとすると、
   tan-1{4rB/3t}≦αB≦tan-1{4rB/t}
   tan-1{4rN/3t}≦αN≦tan-1{4rN/t}
   の関係を満たす半頂角を有するボルトとナットからなる
   ことを特徴とするファスナー。
2. 請求項１に記載のファスナーであって、
   前記材料異方性を有する２以上の被締結部材の被締結方向（前記ボルトの中心軸方向）の熱膨張係数が、被締結部材の被締結方向と垂直方向の熱膨張係数よりも大きい
   ことを特徴とするファスナー。
3. 請求項１又は２のいずれかに記載のファスナーであって、
   前記ファスナーが金属材料からできている
   ことを特徴とするファスナー。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のファスナーであって、
   前記ボルトとナットの座面とは反対側の端面には、トルクがけのための構造要素を設けてある
   ことを特徴とするファスナー。
5. 請求項４に記載のファスナーであって、
   前記ボルトに設けられたトルクがけのための構造要素が、六角レンチ用穴、−字状すり割り溝、又は＋字状すり割り溝のいずれかであり、
   前記ナットに設けられたトルクがけのための構造要素が、−字状すり割り溝又は＋字状すり割り溝である
   ことを特徴とするファスナー。
   

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