JP6126330B2 - ファスナー - Google Patents

Description

本発明は一般にはファスナーに関する。詳細な実施形態では、例えば、ファスナーは、２つの物体を連結するために使用するナット、スタッド、スクリュー又はボルトとすることができる。

従来から１以上の物体を連結するためのねじ付きファスナーは公知である。例えば、ナット、スタッド、スクリュー又はボルト等のねじ付きファスナーは、ガスタービン用途において一連のロータホイールを接続するために使用できる。ねじ付きファスナーには、各部品の保持力を高めるために熱伸張又は予荷重を加える場合が多い。しかしながら、経験及び試験によれば、ねじ付きファスナー端部のねじ山のごく一部で各部品を保持する荷重の大部分を受け、ねじ付きファスナーのねじ山の残りの部分には比較的荷重がかからないことが分かっている。その結果、所望の保持力を得るためには大きなファスナーが必要となり製造、保守管理及び修理費用が高くなってしまう。

ねじ付きファスナーの耐荷重性を高めるために種々の努力がなされてきた。例えば、隣接するねじ山の間のピッチ及び距離を短くしてねじ付きファスナー端部の耐荷重ねじ山の数を増やすことができる。別の方法として又は追加的に、ねじ付きファスナーの耐荷重端部の有効径を小さくして端部から離れたねじ山へ荷重を分散することができる。

それにも関わらず、ねじ付きファスナー設計においては、ねじ山の間で荷重分散を改善するための更なる改良が望まれている。

本発明の態様及び利点については、一部は以下の詳細な説明で開示するが、以下の詳細な説明から自明であろうし、本発明を実施することによって明らかとなろう。

本発明の一実施形態は、所定の有効径、第１の端部及び第１の端部の反対側の第２の端部を有するねじ付き表面を含むファスナーである。ねじ付き表面の中間位置は、第１の端部と第２の端部との間にある。ねじ付き表面の有効径は、中間位置から第１の端部へ向かって及び中間位置から第２の端部に向かって変化する。第１の端部におけるねじ付き表面の有効径は第２の端部におけるねじ付き表面の有効径とは異なっている。

本発明の別の実施形態は、所定の有効径を有するねじ付き表面を含むファスナーである。ねじ付き表面の有効径は、ねじ付き表面の第１の区域に沿って変化する。更に、ねじ付き表面の有効径は、ねじ付き表面の第２の区域に沿って変化し、第１の区域に沿うねじ付き表面の有効径の変化は、第２の区域に沿うねじ付き表面の有効径の変化よりも大きい。

本発明の更に別の実施形態は、第１の端部、該第１の端部の反対側の第２の端部及び第１の端部と第２の端部との間で所定の有効径を有するねじ付き表面を含むファスナーである。中間位置は、第１の端部と第２の端部との間のねじ付き表面上にある。ねじ付き表面の有効径は、中間位置から第１の端部に向かって及び中間位置から第２の端部に向かって変化し、第１の端部におけるねじ付き表面の有効径は、第２の端部におけるねじ付き表面の有効径よりも大きい。

本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を参照することによって理解を深めることができるであろう。

本発明を当業者が実施できるように、以下の詳細な説明では、図面を参照しながら、本発明を最良の形態を含めて十分に開示する。

本発明の第１の実施形態によるファスナーの断面図。 加工物に挿入された図１のファスナーの断面図。 本発明の第２の実施形態によるファスナーの断面図。 本発明の第３の実施形態によるファスナーの断面図。 本発明の第４の実施形態によるファスナーの断面図。 本発明の第５の実施形態による加工物に差し込まれたファスナーの断面図。 一定の有効径を有するファスナーと比較した、図１及び４に示すファスナーのフープ応力の例示的グラフ。 一定の有効径を有するファスナーと比較した、図１に示すファスナーのねじ山荷重の例示的グラフ。

以下、本発明の実施形態について詳しく説明するが、その１以上の実施例を図面に示す。発明の詳細な説明では、図面に記載した特徴的構成を示すために数字又は文字を符号として用いる。図面及び発明の詳細な説明では、本発明の同一又は同様の部品を示すために、同一又は同様の符号を用いる。

各実施例は例示にすぎず、本発明を限定するものではない。実際、本発明の技術的範囲又は技術的思想から逸脱せずに、本発明に様々な修正及び変形をなすことができることは当業者には明らかであろう。例えば、ある実施形態の一部として例示又は説明した特徴を、別の実施形態に用いてさらに別の実施形態としてもよい。従って、本発明は、かかる修正及び変形を特許請求の範囲で規定される技術的範囲及びその均等の範囲に属するものとして包含する。

本発明の種々の実施形態は、ねじ山の間の荷重分散を強化するための及び／又はねじ山にかかるせん断応力を低減するための非対称のねじ付き表面を提供する。種々の実施形態では、ねじ付き表面の各端部が互いに異なる有効径を有するように、ねじ付き表面の有効径は中間位置又は区域から軸方向外向きに変化し、結果的に非対称のねじ付きファスナーをもたらす。特定の実施形態では、ファスナーは、ねじ付き内面を備えるナットとすることができ、その場合、有効径は中間位置又は区域から軸方向外向きに増加する。別の特定の実施形態では、ファスナーは、ねじ付き外面を備えるスタッド、スクリュー又はボルトとすることができ、この場合、有効径は中間位置又は区域から軸方向外向きに減少する。

図１は、本発明の第１の実施形態によるファスナー１０の断面図である。ファスナー１０は、全体的に、ねじ付き表面１２、第１の端部又は区域１４、第２の端部又は区域１６、中間位置又は区域１８を含む。ねじ付き表面１２は、ファスナー１０の表面の周りでらせん状に動くねじ山２０を備える。例えば、ファスナー１０は、外面を有するスタッド、スクリュー又はボルトとすることができ、スタッド、スクリュー又はボルトの外面に沿うねじ付き表面１２を備える。もしくは、図１に示すように、ファスナー１０は、内面２４を有するナット２２とすることができ、ナット２２の内面２４に沿うねじ付き表面１２を備える。ねじ付き表面１２は、一般にはファスナー１０の軸長に沿って延在し、中間区域１８から軸方向外向きに変化する有効径２６を有する。本明細書で使用する場合、「有効径」は、ねじ付き表面１２の対向するねじ山２０の頂部又は先端部の間の距離である。例えば、スタッド、スクリュー又はボルトの場合、有効径２６はスタッド、スクリュー又はボルトの対向するねじ山の頂部又は先端部の間の距離である。図１に示すナット２２の場合、有効径２６は、ナット２２の対向するねじ山の頂部又は先端部の間の距離として同様に測定される。

第１の端部１４及び第２の端部１６は、一般には、ねじ付き表面１２の反対側に設けられている。所望であれば、ファスナー１０は、第１の端部１４及び／又は第２の端部１６を超えて延在するねじ無し軸部を含むこともできる。中間区域１８は、ねじ付き表面１２の中央部近く又は第１の端部１４と第２の端部１６との間の任意の位置とすることができる。図１に示すように、中間区域１８は幅２８を有し、この幅２８の全域では有効径２６は実質的に一定である。更に、特定の実施形態に基づいて中間区域１８と第１の端部１４及び第２の端部１６との距離は同じであってもよく又は相違してもよい。例えば、図１に示すように、中間区域１８と第１の端部１４との間の第１の距離３０は、中間区域１８と第２の端部１６との間の第２の距離３２よりも長い。

図１に示すように、ねじ付き表面１２の有効径２６は、中間区域１８から第１の端部１４に向かって実質的に直線的に変化することができる。同様に、ねじ付き表面１２の有効径２６は、中間区域１８から第２の端部１６に向かって実質的に直線的に変化することができる。例えば、図１に示すナット２２に関して、ねじ付き表面１２の有効径２６は、中間区域１８から第１の端部１４に向かって及び中間区域１８から第２の端部１６に向かって増加する。第１の端部１４（符号３４）におけるねじ付き表面１２の有効径２６は、第２の端部１６（符号３６）におけるねじ付き表面１２の有効径２６とは異なっている。第１の端部１４の有効径３４と第２の端部１６における有効径３６との差異は、任意のいくつかの別の方法で実現することができる。例えば、図１に示すように、中間区域１８から第１の端部１４及び第２の端部１６へ向かうテーパー形状のねじ付き表面１２の傾きは実質的に同じとすることができ、第１の距離３０と第２の距離３２との間の差異が、第１の端部１４の有効径３４及び第２の端部１６の有効径３６の差異をもたらす。

図２は、加工物に差し込まれた図１に示すファスナー１０の断面図を示す。図示のように、ファスナー１０は一定直径のねじ付き表面４２を有するスタッド４０の周りにねじ付けされたナット２２である。所望であれば、スタッド４０を加熱して膨張又は伸張させた後に、ナット２２を該ナット２２の表面４４が反作用フランジ４６又は他の表面に当接するまでスタッド４０の周りで締結することができる。スタッド４０が冷たくなるとスタッド４０は収縮して、該スタッド４０のねじ付き表面４２は反作用フランジ４６に対してナット２２を引き寄せるようにする。ナット２２の非対称のねじ付き表面１２は（例示目的で少し誇張されている）、スタッド４０の収縮により生じた力をナット２２の各ねじ山２０の間で均等に伝達して、反作用フランジ４６に対してファスナー１０をしっかりと引き寄せようになっている。

図３は、ファスナー１０の別の実施形態の断面図を示す。ファスナー１０は、図１に示す実施形態に関して説明したように、ねじ付き表面１２、第１の端部又は区域１４及び第２の端部又は区域１６及び中間位置又は区域１８を含む。本特定の実施形態では、中間区域１８と第１の端部１４との間の第１の距離３０は中間区域１８と第２の端部１６との間の第２の距離３２と同じである。しかしながら、テーパー形状のねじ付き表面１２の中間区域１８から第１の端部１４へ向かう傾きは、テーパー形状のねじ付き表面１２の中間区域１８から第２の端部１６へ向かう傾きよりも大きい。その結果、ねじ付き表面１２は同様に非対称であり、第１の端部１４の有効径３４は第２の端部１６の有効径３６よりも大きくなっている。

図４は、本発明の第３の実施形態によるファスナー１０の断面図である。ファスナー１０は、図１に示す実施形態に関して説明したように、ねじ付き表面１２、第１の端部又は区域１４及び第２の端部又は区域１６及び中間位置又は区域１８を含む。本特定の実施形態では、中間位置又は区域１８は、単に第１の端部又は区域１４と第２の端部又は区域１６との間の接合面又は共通面である。図１に関して説明した実施形態と同様に、ねじ付き表面１２の有効径２６は、中間位置１８から第１の端部１４及び第２の端部１６に向かって変化する。中間区域１８から第１の端部１４及び第２の端部１６へ向かうテーパー形状のねじ付き表面１２の傾きは実質的に同じであり、第１の距離３０と第２の距離３２との間の差異が、第１の端部１４の有効径３４と第２の端部１６の有効径３６の差異をもたらす。

図５は、本発明の第４の実施形態によるファスナー１０の断面図である。ファスナー１０は、図１に示す実施形態に関して説明したように、ねじ付き表面１２、第１の端部又は区域１４及び第２の端部又は区域１６及び中間位置又は区域１８を含む。図４に示す実施形態と同様に、中間位置又は区域１８は、単に第１の端部又は区域１４と第２の端部又は区域１６との間の接合面又は共通面である。本特定の実施形態では、中間区域１８と第１の端部１４との間の第１の距離３０は、中間区域１８と第２の端部１６との間の第２の距離３２と同じである。しかしながら、テーパー形状のねじ付き表面１２の中間区域１８から第１の端部１４へ向かう傾きは、テーパー形状のねじ付き表面１２の中間区域１８から第２の端部１６へ向かう傾きよりも大きい。その結果、ねじ付き表面１２は同様に非対称であり、第１の端部１４の有効径３４は第２の端部１６の有効径３６よりも大きくなっている。

図６は、本発明の第５の実施形態による加工物に差し込まれたファスナー１０の断面図を示す。本特定の実施形態では、ファスナー１０はスタッド５０であり、前述の本実施形態の説明及び教示がスタッド、スクリュー又はボルトにも同様に当てはまることを示している。詳細には、スタッド５０は、図１から５に示す実施形態に関して説明したように、ねじ付き表面１２、第１の端部又は区域１４及び第２の端部又は区域１６及び中間位置又は区域１８を含む。特に、スタッド５０の外面５２に沿うねじ付き表面１２に関して、ねじ付き表面１２の有効径２６は、中間位置又は区域１８から第１の端部又は区域１４に向かって及び中間位置又は区域１８から第２の端部又は区域１６に向かって減少する。前述の実施形態と同様に、中間位置又は区域１８は第１の端部１４と第２の端部１６との間の接合部であること又は実質的に一定の有効径２６をもつ幅２８を有することができる。同様に、テーパー形状のねじ付き表面１２の傾き及び中間位置又は区域１８と第１の端部１４との距離３０及び間位置又は区域１８と第２の端部１６との間の距離は必要に応じて調節でき、第１の端部１４の有効径３４が第２の端部１６の有効径３６と異なる非対称のねじ付き表面１２（例示目的で少し誇張されている）を実現することができる。

図７は、一定の有効径を有するねじ付きファスナーと比較した、図１及び４に示すねじ付きファスナー１０のフープ応力の例示的なグラフを示す。詳細には、一定の有効径（符号６０）をもつねじ付きファスナーに関するフープ応力曲線は、ねじ山の最初の２５％が残りの７５％のねじ山に比べて過度に高いフープ応力に耐えることを示している。対照的に、図１（符号６２）及び図４（符号６４）に示す実施形態に関するフープ応力曲線は、フープ応力がねじ山の最初の６０％の間で比較的均等に分散していることを示している。同様に、図８は、一定の有効径を有するファスナーと比較した、図１に示すねじ付きファスナーのねじ山荷重の例示的なグラフを示す。図７の情報と一致するように、一定の有効径（符号６６）をもつねじ付きファスナーの曲線は、ねじ山荷重がねじ山の最初の２５％の後の５０％を超えて減少することを示している。対照的に、非対称のねじ付き表面１２は、ねじ山の５０〜７５％の全域でねじ山荷重がより均等に分散することを示している。図７及び８は、本発明の種々の実施形態がファスナー１０を略一定の有効径をもつ従来のファスナーに比べて破損前の高い荷重に保持できることを示している。もしくは、ファスナー１０のサイズ及び／又は重さは、所望の設計荷重に適合しながら低減でき、結果的に製造、保守管理及び修理費用の節約につながる。

本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。

１０ ファスナー
１２ ねじ付き表面
１４ 第１の端部
１６ 第２の端部
１８ 中間区域
２０ ねじ山
２２ ナット
２４ 内面
２６ 有効径
２８ 中間区域の幅
３０ 第１の距離
３２ 第２の距離
３４ 第１の直径
３６ 第２の直径
４０ スタッド
４２ スタッド上のねじ付き表面
４４ ファスナー表面
４６ 反作用フランジ
５０ スタッド
６０ 一定直径のねじ付きファスナー
６２ 図１のファスナー
６４ 図４のファスナー
６６ 一定直径のねじ付きファスナー
６８ 図１のファスナー

Claims (6)

1. ファスナー（１０）であって、
   有効径（２６）を有し、前記ファスナー（１０）を貫通するねじ付き表面（１２）と、
   前記ねじ付き表面（１２）の第１の端部（１４）と、
   第１の端部（１４）の反対側にある前記ねじ付き表面（１２）の第２の端部（１６）と、
   第１の端部（１４）と第２の端部（１６）との間にある前記ねじ付き表面（１２）の中間位置（１８）と、
   を備え、
   前記ねじ付き表面（１２）の有効径（２６）が前記中間位置（１８）から第１の端部（１４）に向かって連続的に増加し、
   前記ねじ付き表面（１２）の有効径（２６）が前記中間位置（１８）から第２の端部（１６）に向かって連続的に増加し、
   第１の端部（１４）における前記ねじ付き表面（１２）の有効径（２６）が第２の端部（１６）における前記ねじ付き表面（１２）の有効径（２６）とは異なり、
   前記有効径は、前記ねじ付き表面（１２）の対向するねじ山（２０）の先端間の距離である、
   ファスナー（１０）。
2. 前記ファスナー（１０）が内面（２４）を有するナット（２２）であり、前記ナット（２２）の内面（２４）に沿って前記ねじ付き表面（１２）を有する、請求項１に記載のファスナー（１０）。
3. 前記中間位置（１８）が幅を有しており、該中間位置（１８）の幅の全域で前記ねじ付き表面（１２）の有効径（２６）が実質的に一定である、請求項１または２に記載のファスナー（１０）。
4. 前記中間位置（１８）と第１の端部（１４）との間の第１の距離（３０）及び前記中間位置（１８）と第２の端部（１６）との間の第２の距離（３２）を有していて、第１の距離（３０）が、第２の距離（３２）よりも大きい、請求項１から３のいずれかに記載のファスナー（１０）。
5. 前記ねじ付き表面（１２）が、第１の端部（１４）から前記中間位置（１８）まで延在する第１の区域と、第２の端部（１６）から前記中間位置（１８）まで延在する第２の区域とを有しており、第１の区域における前記ねじ付き表面（１２）の有効径（２６）の変化が、第２の区域における前記ねじ付き表面（１２）の有効径（２６）の変化よりも大きい、請求項１から４のいずれかに記載のファスナー（１０）。
6. 第１の端部（１４）における前記ねじ付き表面（１２）の有効径（２６）が第２の端部（１６）における前記ねじ付き表面（１２）の有効径（２６）よりも大きい、請求項１から５のいずれかに記載のファスナー（１０）。