JP6192156B2 - 締結構造体、締結判定方法、及び締結構造体の組立方法 - Google Patents

Description

本発明は、構造物などを構成する複数の部材（被締結体）をボルトとワッシャとナットを用いて締結してなる締結構造体、締結が適正な状態かどうかを判定する締結判定方法、及び締結構造体の組立方法に関する。

被締結体がボルトとワッシャとナットにより適正に締結された状態の締結構造体にするためには、ある一定以上の締付トルクで締め付けて適正な軸力（ボルトの軸方向にかかる力）を得る必要がある。

しかしながら、一般的なボルトとワッシャとナットを用いた場合、ある一定以上の締付トルクで確実に締め付けたかどうかは作業者の注意力などに依存することが多い。場合によっては、それが適正に行われないこともあり得る。そこで、締結が適正な状態かどうかの客観的な判定を容易にすることができるような特別なボルト、ワッシャ、又はナットを用いた締結構造体の提案が従来よりなされている。

例えば、特許文献１に示された締結構造体は、ボルトの頭部又はナットと被締結体との間に挿入され、所定の締付トルクに達した時点で平坦化するように湾曲したワッシャを設けたものである。また、例えば、特許文献２に示された締結構造体は、ボルト、ワッシャ、又はナットなどの締結部品の被締結体への圧接座面における外周部に、締結部品の軸方向外方に突出する凸起部が所定間隔を置いて複数個立設されており、締結時、ボルトによる所定の締付トルクで上記凸起部が被締結体の当接面との間で塑性変形されて、その塑性変形した凸起部の一部が締結部品の外周からはみ出した変形量により軸力が判定できるようにしたものである。

特開２００６−００９８２３号公報 実用新案登録第３１２２６４０号公報

しかし、特許文献１に記載の締結構造体は、ワッシャの湾曲状態が確認できる視点が限定されるので、締結が適正な状態かどうかの判定が容易でない場合もある。また、特許文献２に記載の締結構造体は、塑性変形した凸起部がそり上がるなどして、物が触れた場合にその物を傷つける可能性も出てくる。

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、締結が適正な状態かどうかを容易に判定することができ、また、物が触れてもその物を傷つけ難い締結構造体、締結判定方法、及び締結構造体の組立方法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、被締結体に接触する基部と、該基部の中央部から突出し軸対称でかつ側面視略台形状の突出部と、を有し、該突出部にボルト挿通孔が形成され、該ボルト挿通孔の内周面から前記基部の外周面に至る１個のスリットが形成されたワッシャと、雌ねじ部の一方の開口部周辺に軸対称でかつ断面視略台形状の凹部が形成されたナットと、を用いて、前記ボルトの雄ねじ部を前記被締結体の締結用挿通孔及び前記ワッシャのボルト挿通孔に挿通し、該雄ねじ部に前記ナットの雌ねじ部を螺合させて締結されており、前記スリットは、前記基部の外周側に幅が狭い狭幅部分を、前記ボルト挿通孔の内周面側に幅が広い広幅部分を、有し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に記載の締結構造体において、前記基部の外周は、平面視において、大略円形であって前記スリットの近傍が半径方向に突出していることを特徴とする。

請求項３に記載の締結判定方法は、請求項１又は２に記載の締結構造体において、前記ワッシャのスリットの幅が所定の広さ以下であるときに締結が適正に行われていると判定することを特徴とする。

請求項４に記載の締結判定方法は、請求項３に記載の締結判定方法において、前記所定の広さは、ゼロであることを特徴とする。

請求項５に記載の締結構造体の組立方法は、請求項３又は４に記載の締結判定方法によって締結が適正に行われていると判定して締め付けを完了することを特徴とする。

本発明によれば、ワッシャのスリットの幅の広さを確認することによって、締結が適正な状態かどうかを容易に判定することができ、また、物が触れてもその物を傷つけ難い締結構造体、締結判定方法、及び締結構造体の組立方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る締結構造体を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面視断面図である。 同上の締結構造体に用いるワッシャを示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面視断面図である。 同上の締結構造体に用いるナットを示すもので、（ａ）は側面視断面図、（ｂ）は底面図である。 同上の締結構造体の締結の初期状態を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面視断面図である。 同上の締結構造体を用いた締結判定方法の別の例を示す平面図である。 同上の締結構造体の実験の写真であって、（ａ）は締結の初期状態、（ｂ）は締結完了の状態を示すものである。 同上の締結構造体に用いるワッシャの変形例を示す平面図である。 同上の締結構造体に用いるワッシャの改良例を示す平面図である。 図８のワッシャを用いた締結構造体を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態を説明する。本発明の実施形態に係る締結構造体１は、図１に示すように、ボルト２とワッシャ（座金）３とナット４を用いて複数の被締結体８、９を締結したものである。ボルト２は、雄ねじ部２１と頭部２２を有するものであり、広く用いられている汎用品でよい。なお、図１（ｂ）の側面視断面図は、図１（ａ）中のＡ−Ａ線で切断した断面図である。後述の図２（ｂ）、図３（ａ）、図４（ｂ）の側面視断面図も、これに対応する位置で切断したものである。

ワッシャ３は、図２に示すように、基部３１と、この基部３１の中央部から厚さ方向に突出した突出部３２と、を有している。

基部３１の外周（すなわち、ワッシャ３の外周）３１ａは、平面視において円形である。基部３１の底面（裏面）３１ｂは、被締結体９に載置されたとき、それに接触する（図１（ｂ）及び図４（ｂ）参照）。なお、基部３１の外周３１ａは、平面視において大略円形であってもよい。

突出部３２は、軸対称で、かつ側面視略台形状となっており、その中央部には、ボルト挿通孔３３が形成されている。なお、軸対称とは突出部３２の中心軸Ｘに関して対称の意である。なお、図２（ａ）の中央の点Ｘは、中心軸Ｘを示している。

突出部３２は、詳細には、その表面が、側面３２ａと頂面３２ｂからなっている。この側面３２ａと頂面３２ｂの境目は、角部３２ｃとなっている。側面３２ａは、軸方向（中心軸Ｘの方向）に対し傾斜角φで傾斜しており、頂面３２ｂは、軸方向に対し直交している。側面３２ａの傾斜角φは、例えば約１５度とすることができる。

また、ワッシャ３には、ボルト挿通孔３３の内周面３３ａから基部３１の外周３１ａに至る、１個のスリット３４が形成されている。

ナット４は、図３に示すように、雌ねじ部４１の一方（図３（ａ）において下方）の開口部周辺に軸対称でかつ断面視略台形状の凹部４２が形成されている。凹部４２の側面４２ａの傾斜角θは、ワッシャ３の突出部３２の側面３２ａの傾斜角φよりも大きくなっている。なお、軸対称とはナット４の中心軸Ｔに関して対称の意である。なお、図３（ｂ）の中央の点Ｔは、中心軸Ｔを示している。

詳細には、ナット４は、角柱状（例えば正六角形の角柱）であり、ボルト２の雄ねじ部２１と螺合する雌ねじ部４１は、その中心軸Ｔに沿って形成されている。凹部４２は、前述した側面４２ａと底面４２ｂからなっている。側面４２ａは、前述したように、軸方向（中心軸Ｔの方向）に対し傾斜角θで傾斜しており、底面４２ｂは、軸方向に対し直交している。この凹部４２は、後述するように、ナット４がワッシャ３と重なり合ったときに、ナット４の凹部４２の側面４２ａにワッシャ３の突出部３２の角部３２ｃが接触できるような平面視における寸法となっている。

ナット４の凹部４２の側面４２ａの傾斜角θは、前述したようにワッシャ３の突出部３２の側面３２ａの傾斜角φよりも大きくなっているので、後述するようにワッシャ３の突出部３２がナット４の凹部４２に嵌り込んで行くときには、ワッシャ３の突出部３２の角部３２ｃがナット４の凹部４２の側面４２ａに接触しながら嵌り込んで行く。ナット４の凹部４２の側面４２ａの傾斜角θは、例えば約１７〜１８度とすることができる。

締結構造体１は、このようなボルト２とワッシャ３とナット４を用いて、図１に示すように、ボルト２の雄ねじ部２１を被締結体８、９の締結用挿通孔８ａ、９ａ及びワッシャ３のボルト挿通孔３３に挿通し、雄ねじ部２１にナット４の雌ねじ部４１を螺合させている。

締結構造体１の組立方法は、以下の通りである。先ず、位置合わせがされた被締結体８と被締結体９のそれぞれの締結用挿通孔８ａ、９ａにボルト２の雄ねじ部２１を挿通させる。そして、被締結体９の締結用挿通孔９ａを挿通して突出したボルト２の雄ねじ部２１をワッシャ３のボルト挿通孔３３に挿通させるとともに、ワッシャ３の基部３１を被締結体９に接触させて載置する。

そして、図４に示すように、ボルト２の雄ねじ部２１にナット４の雌ねじ部４１を螺合させ、ボルト２に対してナット４を回して行く。ナット４を回して行くに従い、ワッシャ３の突出部３２は、ナット４の凹部４２に徐々に入り込んで行き、やがて、その角部３２ｃがナット４の凹部４２の側面４２ａに接触し、ナット４の凹部４２に嵌合した状態になる。

更に、ナット４を回して締め付けて行くと、ワッシャ３の突出部３２は、その角部３２ｃがナット４の凹部４２の側面４２ａから圧力を受けながら、更にナット４の凹部４２に嵌り込んで行く。このとき、締め付けに従って、ワッシャ３のスリット３４の幅ＳＷは徐々に狭まって行き、締付トルクは徐々に上昇し、また、軸力も徐々に上昇する。

ここで、予めサンプルでもってワッシャ３のスリット３４の幅ＳＷと軸力の対応関係を測定しておき、ワッシャ３の突出部３２がナット４の凹部４２に嵌り込んで、スリット３４の両側の面が接触したとき、すなわちスリット３４の幅ＳＷがゼロになったとき（図１（ａ）参照。）、軸力が十分な大きさになっているように、嵌り込む前のワッシャ３のスリット３４の幅ＳＷを決めておく。そうすると、締結構造体１の組立において、スリット３４の幅ＳＷがゼロになっていることを確認し、締結が適正に行われていると判定して締め付けを完了することができる。スリット３４の幅ＳＷがゼロになっても、更に余分に締め付けることは勿論可能である。

こうした締結構造体１は、その後に締結状態を確認する際などに、スリット３４の幅ＳＷがゼロであることを確認することで、締結が適正に行われていると判定することができる。この確認は、目視で、ナット２の上方の締め付け作業の作業者の視点から行うことができ、また、判定が判定する人の能力によらず容易である。また、物が触れてその物を傷つけるような凸起部もない。なお、もし、締結構造体１を解体した場合、ボルト２とワッシャ３とナット４の再利用も可能である。

また、確認するスリット３４の幅ＳＷをゼロに限定しないことも可能である。すなわち、締結が適正に行われているとの判定は、スリット３４の幅ＳＷが所定の広さ以下になっていることを確認することで行う。確認するスリット３４の幅ＳＷが有限の所定の広さの場合、目視での確認を容易にするために、図５に示すように、スリット３４の幅ＳＷの所定の広さに等しい広さａの幅の測定部材Ｇを用い、これをスリット３４に近接又は当接させて判定することができる。測定部材Ｇとして市販の隙間ゲージを利用することも可能である。その他に、レーザ光などを用いて非接触でスリット３４の幅ＳＷを測定して判定することも可能である。

図６に示すのは、本願発明者が行った実験の写真である。この実験では、ナット４はＭ６の規格のものを用いた。同図（ａ）は、ナット４を締め付ける前の状態を示し、（ｂ）はナット４を６０Ｎｍの締付けトルク値で締め付けた後の状態を示している。図６より、ワッシャ３は、締め付けによりスリット３４の幅ＳＷが狭まってゼロになっており、締結が適正に行われたことの判定が容易にできることが分かる。

なお、ワッシャ３は、図７に示すように、そのボルト挿通孔３３の中心軸Ｙが突出部３２の中心軸Ｘから偏心しているものであっても、前述したものと同様に動作するので適用可能である。図７においては、中心軸Ｙを除く各部位は実質的に図２（ａ）に示したものと同様であるため、同様の部位には同一の符号を付して説明は省略する。

次に、締結が適正な状態かどうかを更に容易に判定することができるように改良した締結構造体１Ａを説明する。この締結構造体１Ａは、ワッシャ３Ａが以下の点で前述したワッシャ３と異なっている。なお、特に言及しなければその他の点は締結構造体１の場合と同様である。すなわち、図８に示すように、ワッシャ３Ａの基部３１Ａの外周（すなわち、ワッシャ３Ａの外周）３１Ａａが、平面視において大略円形であり、スリット３４Ａの近傍３１Ａａａが半径方向に突出している。また、スリット３４Ａは、基部３１Ａの外周３１Ａａ（３１Ａａａ）側に幅ＳＷが狭い狭幅部分３４Ａａを、ボルト挿通孔３３Ａの内周面３３Ａａ側に幅が広い広幅部分３４Ａｂを、有している。締結の判定には、スリット３４Ａの幅として、この基部３１Ａの外周３１Ａａ（３１Ａａａ）側の狭幅部分３４Ａａの幅ＳＷを用いる。

締結構造体１Ａでは、ワッシャ３Ａの外周３１Ａａにおいてスリット３４Ａの近傍３１Ａａａが半径方向に突出しているので、図９に示すように、スリット３４Ａの位置を視認し易く、また、スリット３４Ａが狭幅部分３４Ａａと広幅部分３４Ａｂを有しているので、狭幅部分３４Ａａが視認し易くなる。また、スリット３４Ａは、その幅のワッシャ３Ａの厚みに対する比が小さく、長さが長いとパンチ加工などによる形成が一般に難しくなるが、幅が広い広幅部分３４Ａｂの長さを長くして幅ＳＷが狭い狭幅部分３４Ａａを必要以上に長くしないようにすることで、パンチ加工などで形成され易くすることができる。

以上、本発明の実施形態に係る締結構造体、締結判定方法、及び締結構造体の組立方法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、実施形態に記載したボルト２とワッシャ３（又は３Ａ）とナット４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体に合わせて任意に変更可能である。

１、１Ａ 締結構造体
２ ボルト
２１ ボルトの雄ねじ部
２２ ボルトの頭部
３、３Ａ ワッシャ
３１、３１Ａ ワッシャの基部
３２、３２Ａ ワッシャの突出部
３３、３３Ａ ワッシャのボルト挿通孔
３４、３４Ａ ワッシャのスリット
３４Ａａ ワッシャのスリットの狭幅部分
３４Ａｂ ワッシャのスリットの広幅部分
４ ナット
４１ ナットの雌ねじ部
４２ ナットの凹部
８、９ 被締結体
８ａ、９ａ 被締結体の締結用挿通孔
ＳＷ スリットの幅

Claims (5)

1. 雄ねじ部と頭部を有するボルトと、
   被締結体に接触する基部と、該基部の中央部から突出し軸対称でかつ側面視略台形状の突出部と、を有し、該突出部にボルト挿通孔が形成され、該ボルト挿通孔の内周面から前記基部の外周面に至る１個のスリットが形成されたワッシャと、
   雌ねじ部の一方の開口部周辺に軸対称でかつ断面視略台形状の凹部が形成されたナットと、
   を用いて、前記ボルトの雄ねじ部を前記被締結体の締結用挿通孔及び前記ワッシャのボルト挿通孔に挿通し、該雄ねじ部に前記ナットの雌ねじ部を螺合させて締結されており、
   前記スリットは、前記基部の外周側に幅が狭い狭幅部分を、前記ボルト挿通孔の内周面側に幅が広い広幅部分を、有していることを特徴とする締結構造体。
2. 請求項１に記載の締結構造体において、
   前記基部の外周は、平面視において、大略円形であって前記スリットの近傍が半径方向に突出していることを特徴とする締結構造体。
3. 請求項１又は２に記載の締結構造体において、
   前記ワッシャのスリットの幅が所定の広さ以下であるときに締結が適正に行われていると判定することを特徴とする締結判定方法。
4. 請求項３に記載の締結判定方法において、
   前記所定の広さは、ゼロであることを特徴とする締結判定方法。
5. 請求項３又は４に記載の締結判定方法によって締結が適正に行われていると判定して締め付けを完了することを特徴とする締結構造体の組立方法。