JP6877798B1 - ボルト - Google Patents

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Abstract

【課題】締結時のY字状の変形を抑制することができるボルトを提供する。【解決手段】ボルト1は、頭部10と軸部11を備える。頭部10の上面30は、中央に形成された凹み部40と、凹み部40から径方向Xの外側に向かって形成され、上に凸に湾曲する湾曲部41と、を有する。頭部10は、軸部11に対し軸応力F1を付加したときに、頭部10の下面32と軸部11の外周面20とが交わる交点S1と凹み部40の中心C1とを結ぶ方向にせん断応力線T1ができるように形成されている。【選択図】図1

Description

本発明は、ボルトに関する。
一般的なボルトは、頭部と軸部からなるT字形状を有している(特許文献1参照)。
特開2020−132930号公報
一般的なボルトは、締結時に軸部から伝わる“せん断力”によりY字状に変形しやすい。つまり、締結時に軸部に軸方向の軸応力が生じると、被締結部の構造座面の反作用により、頭部の上面に対し中心側に向かう圧縮応力と、頭部の座面に対し外側に向かう引張応力が働き、ボルトの頭部が軸方向に引き込まれ、ボルトがY字状に変形する。
ボルトがY字状に大きく変形すると、頭部が構造座面に対するアライメント(適正な位置)を保つことができないため、ボルトがゆるむ原因となる。例えばボルトの首元(頭部と軸部の接続部分)付近に締め付け荷重が集中することになり、この結果、構造座面の口元部が挫滅し、ボルトが動きやすくなってボルトがゆるみやすくなる。また、ボルトに振動が加わったときには、ボルトの首元付近がぐらつき、さらに挫滅が進行し軸張力を失って、ボルトの回転ゆるみの原因となる。
ボルトのY字状の変形を抑制するためには、ボルトの頭部の厚み(高さ)を増やすことが考えられるが、その場合ボルトの使用場所が限定されてしまう。また、頭部の重量が増加し、回転ゆるみが発生しやすくなる。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、締結時のY字状の変形を抑制することができるボルトを提供することをその目的とする。
本発明の一態様に係るボルトは、頭部と軸部を備え、頭部の上面は、中央に形成された凹み部と、凹み部から径方向の外側に向かって形成され、上に凸に湾曲する湾曲部と、を有する。
本態様によれば、頭部の上面に凹み部と湾曲部によりアーチ構造が形成され、締結時の軸応力に対する強度が上がるため、締結時のY字状の変形を抑制することができる。
上記態様において、頭部は、軸部に対し軸応力を付加したときに、頭部の下面と軸部の外周面とが交わる交点と前記凹み部の中心とを結ぶ方向にせん断応力線ができるように形成されていてもよい。
上記態様において、頭部の下面と軸部の外周面とが交わる第1の交点と凹み部の中心とを結ぶ第1の線分が、第1の交点と頭部の下面を含む水平面と軸部の中心軸とが交わる第2の交点とを結ぶ第2の線分に対し略45度の角度を有するようにしてよい。
上記態様において、頭部の上面は、凹み部に対する高さが互いに異なる複数種類の湾曲部を有するようにしてもよい。
上記態様において、頭部の上面は、凹み部に対する高さが相対的に高い複数の第1の湾曲部と、凹み部に対する高さが相対的に低い複数の第2の湾曲部を有し、第1の湾曲部と前記第2の湾曲部は、頭部の周方向に向けて交互に配置されていてもよい。
上記態様において、第1の湾曲部は、隆起部を構成し、第2の湾曲部は、溝部を構成するようにしてもよい。
上記態様において、第1の湾曲部は、頭部の上面の中心側から外側に向かって、周方向の幅が次第に広くなり、その後次第に狭くなる形状を有するようにしてもよい。
上記態様において、互いに隣り合う第1の湾曲部と第2の湾曲部は、立ち上がり壁により接続されていてもよい。
上記態様において、第1の湾曲部の外側端部は、頭部の外周縁よりも頭部の中心側に位置していてもよい。
上記態様において、頭部の第1の湾曲部の外側には、第1の湾曲部よりも相対的に低い外側低部が形成され、第1の湾曲部の外側端部と外側底部は、立ち上がり壁により接続されていてもよい。
上記態様において、第1の湾曲部の外側端部における頭部の厚みは、軸部の外径に対し35%以上60%以下であってもよい。
上記態様において、第2の湾曲部は、頭部の上面の中心側から外側に向かって、周方向の幅が次第に広くなる形状を有するようにしてもよい。
上記態様において、凹み部は、下に凹んだ湾曲形状を有し、凹み部と湾曲部は、滑らかに接続されていてもよい。
本発明によれば、締結時のY字状の変形を抑制することができるボルトを提供することができる。
ボルトの一例を示す斜視図である。 ボルトの一例を示す斜視図である。 ボルトの上面図である。 ボルトのA−A断面図である。 ボルトのB−B断面図である。 ボルトのA−A断面における締結時の応力を示す説明図である。 ボルトのB−B断面における締結時の応力を示す説明図である。 図8(a)は、本発明のボルトに軸力を付加する前の図であり、図8(b)は、本発明のボルトに軸力を付加した後の図である。 図9(a)は、従来のボルトに軸力を付加する前の図であり、図9(b)は、従来のボルトに軸力を付加した後の図である。
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図1及び図2は、本実施の形態に係るボルト1の一例を示す斜視図である。図3は、ボルト1の上面図である。なお、本明細書の「上」、「下」は、ボルト1の軸部に対して頭部のある方向を上とし、頭部に対して軸部のある方向を下とする。
ボルト1は、頭部10と軸部11を有している。軸部11は、例えば略円柱形状を有する。軸部11の外周面20の少なくとも一部には、螺旋の溝状のねじ部21が形成されている。
頭部10は、例えば軸部11よりも外径が大きい略円盤形状を有している。
頭部10は、上面30と、外周側面31と、下面32を有している。
上面30は、中央に形成された凹み部40と、凹み部40から径方向Xの外側に向かって形成され、上に凸に湾曲する湾曲部41とを有している。
凹み部40は、中心が最も低くなるように下に凹んだ湾曲形状を有している。
湾曲部41は、凹み部40に対する高さが互いに異なる複数種類、例えば2種類の湾曲部50、51により構成されている。図4は、ボルト1の中心軸Cと第1の湾曲部50を通る垂直面で切断したボルト1の縦断面図であり、図5は、ボルト1の中心軸Cと第2の湾曲部51を通る垂直面で切断した縦断面図である。
第1の湾曲部50は、凹み部40に対する高さが相対的に高く、第2の湾曲部51は、凹み部40に対する高さが相対的に低い。第1の湾曲部50と第2の湾曲部51は、凹み部40に滑らかに接続されている。第1の湾曲部50と第2の湾曲部51は、それぞれ上面30に凹み部40から径方向Xに向かう放射状のアーチ構造を形成している。
図1及び図3に示すように第1の湾曲部50と第2の湾曲部51は、それぞれ複数(例えば6個)形成され、上面30の周方向Yに向けて交互に配置されている。複数の第1の湾曲部50及び第2の湾曲部51は、それぞれ等間隔で配置されている。
第1の湾曲部50は、上面30に形成された複数の隆起部60の上面60aを構成している。
第1の湾曲部50は、上面30の中心C1側から径方向Xの外側に向かって、周方向Yの幅D1が次第に広くなり、その後次第に狭くなる形状を有する。すなわち、第1の湾曲部50は、上面30において中心C1から放射状に向かう雫型形状、花びら形状を有している。
第2の湾曲部51は、上面30に形成された複数の溝部70を構成している。
第2の湾曲部51は、上面30の中心C1側から径方向Xの外側に向かって、周方向Yの幅D2が次第に広くなる形状を有している。
図1に示すように互いに隣り合う第1の湾曲部50と第2の湾曲部51は、立ち上がり壁80により接続されている。すなわち、立ち上がり壁80は、第2の湾曲部51の周方向Yの端から上方に立ち上がり、第1の湾曲部50に接続されている。よって、第1の湾曲部50の周方向Yの両側には、立ち上がり壁80が形成されている。立ち上がり壁80は、最も高いところで例えば軸径R(軸部11の外径)に対し15%以上40%以下、好ましくは20%以上30%以下、より好ましくは25%の高さH1(図4に示す)を有している。この立ち上がり壁80は、締結時にボルト1を回す際の駆動部としても機能する。
図1に示すように第1の湾曲部50の外側端部50aは、頭部10の外周側面31よりも中心C1側に位置している。すなわち、第1の湾曲部50は、上面30の外周端まで到達していない。第1の湾曲部50の径方向Xの外側には、第1の湾曲部50よりも相対的に低い外側低部90が形成されている。第1の湾曲部50の外側端部50aと外側底部90は、立ち上がり壁100により接続されている。すなわち、立ち上がり壁100は、第1の湾曲部50の外側端部50aから下方に下がり、外側底部90に接続されている。立ち上がり壁100は、例えば軸径R(軸部11の外径)に対し15%以上40%以下、好ましくは20%以上30%以下、より好ましくは25%の高さH2(図4に示す)を有している。よって、隆起部60は、上面60aが第1の湾曲部50により形成され、周方向Yの両面が立ち上がり壁80により形成され、外周面が立ち上がり壁100により形成されている。
図4に示すように第1の湾曲部50の外側端部50aにおける頭部10の厚み(上下方向の高さ)H3は、軸径Rに対し35%以上60%以下、好ましくは40%以上55%以下、より好ましくは50%に設定されている。凹み部40の中心C1における頭部10の厚みH4は、軸径Rに対し30%以上70%以下、好ましくは40%以上60%以下、より好ましくは50%に設定されている。第1の湾曲部50の外側端部50aにおける頭部10の厚み(上下方向の高さ)H3は、凹み部40の中心C1における頭部10の厚みH4の70%以上120%以下であり、より好ましくは80%以上110%以下である。
第1の湾曲部50における頭部10の最大厚みH5は、凹み部40の中心C1における頭部10の厚みH4の100%以上140%以下であり、より好ましくは110%以上130%以下である。
第1の湾曲部50における頭部10の最大厚みH5と、図5に示す第2の湾曲部51における頭部10の最大厚みH6との差は、例えば軸径Rに対し5%以上であり、より好ましくは10%以上20%以下である。
図1に示すように外周側面31は、径方向Xの外側に凸の湾曲形状を有している。外周側面31は、円の環状形状を有し、頭部10の円形状の外形を規定している。
図2に示すように下面32は、径方向Xの外周に位置する、環状で平坦形状の座面110と、内周に位置する環状の溝111を有している。溝111は、中心軸Cを含む面で切断した縦断面において、上に凸に湾曲した上面を有している。
図4及び図5に示すように頭部10の座面110を含む下面32と軸部11の外周面20とが交わる交点を第1の交点S1とし、頭部10の座面110を含む水平面Nと軸部11の中心軸Cとが交わる交点を第2の交点S2とし、第1の交点S1と凹み部40の中心C1とを結ぶ線分をL1とし、第1の交点S1と第2の交点S2とを結ぶ線分をL2とし、第2の交点S2と凹み部40の中心C1とを結ぶ線分をL3とする。
頭部10は、例えば線分L1が線分L2に対し略45度の角度α1を有するように形成されている。線分L2と線分L3は90度の角度を有するため、線分L1、線分L2及び線分L3によって直角二等辺三角形が形成されている。線分L2と線分L3の長さは等しくなる。
頭部10は、軸部11に対し軸方向Zの下方向に向かう軸応力F1を付加したときに、第1の交点S1と凹み部40の中心C1とを結ぶ線分L1方向に沿ってせん断応力線T1ができるように形成されている。この場合、第1の交点S1と中心軸Cを通り線分L1に直交する方向にもせん断応力線T2ができる。
なお、線分L1が線分L2に対する角度α1は、略45度、すなわち45度±7度以内の範囲であってもよい。
本実施の形態によれば、頭部10の上面30が、中央に形成された凹み部40と、凹み部40から径方向Xの外側に向かって形成され、上に凸に湾曲する湾曲部41とを有しているので、頭部10の上面30に径方向Xに向かうアーチ構造が形成される。これにより、例えば図6及び図7に示すように締結時に軸応力F1が作用し、頭部10の上面30に中心C1方向に向けて圧縮応力F2が作用したときに、アーチ構造には圧縮応力F2により径方向Xの中心C1に向かう圧縮荷重がかかり、アーチ構造は、頭部10がY字状に軸部11側へ引き込まれないように頭部10全体を支持する。これにより、締結時のY字状の変形を抑制することができる。この結果、構造座面の挫滅などが抑制され、頭部10が構造座面に対するアライメント(適正な位置)を保つことができる。よって、ボルト1のゆるみが抑制される。
軸応力F1により生じるボルト1の応力(変位)は、ボルト1の軸部11を下から上に軸方向Zに伝わり、その後頭部10の上面30の形状(アーチ形状)に沿って頭部10の径方向Xの外側に伝わり、座面110へと伝わる。これにより締結時のボルト1全体の弾性や柔軟性が向上するので、より大きな軸応力F1にも耐えられる。また、上下方向、左右方向の振動にも対応することができる。さらに、ボルト1の弾性及び柔軟性が高いことで、ガラス・樹脂・木材などの柔構造体に締結する場合において、柔構造体の締結穴周囲(口元)の破壊を軽減させることができる。
また頭部10の上面30の放射状に延びるアーチ形状は、鍛造などの成形に適しており、ボルト1の製造が容易になる。
さらに、軸応力F1が頭部10の上面30を伝わるため、上面30には、軸応力F1に応じた圧縮応力が発生する。これは、頭部10の上面30に、軸応力F1に対応した応力が表示されることに等しい。この結果、頭部10の上面30の応力を測定するだけで、ボルト1にかかる軸応力を把握することが可能となる。
頭部10は、軸部11に対し軸応力F1を付加したときに、頭部10の下面32と軸部11の外周面20とが交わる第1の交点S1と凹み部40の中心C1とを結ぶ方向にせん断応力線T1ができるように形成されている。この結果、締結時に軸応力F1によって生じる圧縮応力F2により、線分L1に沿った方向のせん断応力が減少或いは消滅する。よって、締結時のボルト1のY字状の変形を確実に抑制することができる。
第1の交点S1と凹み部40の中心C1とを結ぶ第1の線分L1が、第1の交点S1と頭部10の下面32を含む水平面Gと軸部11の中心軸Cとが交わる第2の交点S2とを結ぶ第2の線分L2に対し略45度の角度α1を有する。この結果、線分L1、L2及びL3により直角二等辺三角形を形成することができ、締結時のせん断応力線T1を適切に形成することができる。
頭部10の上面30は、凹み部40に対する高さが互いに異なる2種類の第1の湾曲部50と第2の湾曲部51を有している。これにより、頭部10の上面30に異なる曲率の複数のアーチ構造が形成され、異なる大きさ、方向の荷重にも対応できるので、締結時の軸応力F1に対する頭部10の強度を向上させることができる。
第1の湾曲部と前記第2の湾曲部は、頭部10の周方向Yに向けて交互に配置されているので、頭部10の上面30の面内における強度を偏りなく向上させることができる。
第1の湾曲部50は、隆起部60を構成し、第2の湾曲部51は、溝部70を構成している。隆起部60はリブの役割を果たし、頭部10の強度を向上させることができる。また、溝部70により製造時の油やエアー等の流路を確保することができる。
第1の湾曲部50は、頭部10の上面30の中心C1側から外側に向かって、周方向Yの幅D1が次第に広くなり、その後次第に狭くなる形状を有する。これにより、第1の湾曲部50のアーチ構造の強度をさらに向上することができる。
互いに隣り合う第1の湾曲部50と第2の湾曲部51は、立ち上がり壁80により接続されているので、例えば立ち上がり壁80を、締結時に工具を引っかける駆動部として使用することができる。
第1の湾曲部50の外側端部50aは、頭部10の外周縁よりも頭部10の中心C1側に位置している。これにより、第1の湾曲部50が頭部10の外周縁の形状に影響することがなく、この結果、頭部10の外周縁を滑らかな円形とすることができる。よって、ボルト1の締結を適切に行うことができる。
頭部10の第1の湾曲部50の外側には、第1の湾曲部50よりも相対的に低い外側低部90が形成され、第1の湾曲部50の外側端部50aと外側底部90は、立ち上がり壁100により接続されている。これにより、第1の湾曲部50を、締結時に工具を引っかける駆動部として好適に使用することができる。
第1の湾曲部50の外側端部50aにおける頭部10の厚みH3は、軸部11の外径に対し35%以上60%以下であるので、頭部10の外周部における厚みが十分に確保される。この結果、頭部10の座面110から構造座面に力が十分に伝わり、締結時の頭部10のアライメントを十分に確保することができる。
第2の湾曲部51は、頭部10の上面30の中心C1側から外側に向かって、周方向Yの幅D2が次第に広くなる形状を有している。ボルト1の軽量化が図られる。また、例えば鍛造時の材料の流れ(メタルフロー)を阻害しないので、良好な鍛流線が得られ、頭部10の均一な強度を得ることができる。さらに、ボルト1の鍛造時に湾曲部41を成型しやすくなるという効果とボルト1の頭部10の外周縁の形状(丸み)を周方向に均一に成形することができるといく効果がある。すなわち、鍛造時に第2湾曲部51の扇状に広がった広範囲に圧力がかかり、材料が第2の湾曲部51から第1湾曲部50の外側端部に動き、湾曲部41全体の成型が促進される。また、ボルト1の外周部の成型において、第1湾曲部50の成型で消費され足りなくなった材料が第2湾曲部51側から補填され、その結果、ボルト1の外周縁の丸みが周方向に均一に成形される。このようにボルト製造時のメタルフローが円滑かつ適切に行われ、金型負担の軽減や生産性の向上が図られる。また、材料の使用量も低減でき、生産コストも低減することができる。
凹み部40は、下に凹んだ湾曲形状を有し、凹み部40と湾曲部41は滑らかに接続されている。これにより、例えば鍛造成型時に、材料が凹み部40の頭部10の中心側から湾曲部41の外側に向かって滑らかに延伸されるので、頭部10の中心部に応力が集中せず、内部残留応力の均一化が図られる。この結果、凹み部40から湾曲部41にわたり形成されるアーチ構造の強度が向上する。また、成型時の材料の延伸が凹み部40から湾曲部41に向かって滑らかに行われ、一部に圧力が集中することが抑制されるため、成型時の必要圧力を低減することができ、また金型への負担も軽減することができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば第1の湾曲部50や第2の湾曲部51等の形状は、上記実施の形態のものに限られない。ボルト1の全体形状も上記実施の形態のものに限られない。ボルト1の素材や製造方法も限定されるものではない。
コンピュータによるCAE解析を用いて、軸力を付加した時の本発明のボルト1と従来のボルトにかかる内部応力を比較した。また、軸力を付加した時の本発明のボルト1と従来のボルトの変形状態を比較した。従来のボルトは、上面に底面が平らな凹部を有するフランジ型の頭部を有するものとした。各ボルトには、同じ解析条件で同じ軸力を付与した。
図8は、本発明のボルト1の軸力を付与する前の状態(図8(a))と、本発明のボルト1の軸力を付与した後の状態(図8(b))を示す。図8(b)において、色が濃いほど応力が小さく、色が薄いほど応力が大きいことを示す。図8(b)では、頭部10の中央付近にひし形状に応力が小さい部分ができ、頭部10の上面30(アーチ構造)にアーチ状に大きな応力がかかっていることが確認できる。また、図8(a)と図8(b)を比べても、図8(b)の軸力がかかったボルト1が、ほぼY字状に変形していないことが確認できる。すなわち、本発明のボルト1は、頭部10の上面30のアーチ構造によって頭部10を支え、ボルト1がY字状にゆがむことを抑制している。
図9は、従来のボルトの軸力を付与する前の状態(図9(a))と、従来のボルトの軸力を付与した後の状態(図9(b))を示す。図9(b)では、頭部と軸部の接続部分付近に大きな応力がかかっている。そして、図9(a)と図9(b)を比べると、図9(b)の軸力がかかったボルトの座面が軸部に向かって斜めに下がり、全体としてY字状に変形し始めている。
本発明は、締結時のY字状の変形を抑制することができるボルトを提供する際に有用である。
1 ボルト
10 頭部
11 軸部
30 上面
32 下面
40 凹み部
41 湾曲部
50 第1の湾曲部
51 第2の湾曲部
60 隆起部
70 溝部
C 中心軸
C1 中心
T1 せん断応力線
X 径方向
Y 周方向
Z 軸方向

Claims (11)

  1. 頭部と軸部を備え、
    前記頭部の上面は、
    中央に形成され、下に凹んだ湾曲形状の凹み部と、
    前記凹み部に連続的に接続され、前記凹み部から径方向の外側に向かって上昇しその後下降するように形成された、上に凸に湾曲する湾曲部と、を有し、
    前記頭部の上面は、前記凹み部に対する高さが互いに異なる複数種類の前記湾曲部を有している、ボルト。
  2. 前記頭部は、前記軸部に対し軸応力を付加したときに、頭部の下面と軸部の外周面とが交わる交点と前記凹み部の中心とを結ぶ方向にせん断応力線ができるように形成されている、請求項1に記載のボルト。
  3. 頭部の下面と軸部の外周面とが交わる第1の交点と前記凹み部の中心とを結ぶ第1の線分が、前記第1の交点と頭部の下面を含む水平面と軸部の中心軸とが交わる第2の交点とを結ぶ第2の線分に対し略45度の角度を有する、請求項2に記載のボルト。
  4. 前記頭部の上面は、前記凹み部に対する高さが相対的に高い複数の第1の湾曲部と、前記凹み部に対する高さが相対的に低い複数の第2の湾曲部を有し、
    前記第1の湾曲部と前記第2の湾曲部は、頭部の周方向に向けて交互に配置されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載のボルト。
  5. 前記第1の湾曲部は、隆起部を構成し、
    前記第2の湾曲部は、溝部を構成する、請求項4に記載のボルト。
  6. 前記第1の湾曲部は、頭部の上面の中心側から外側に向かって、周方向の幅が次第に広くなり、その後次第に狭くなる形状を有する、請求項4又は5に記載のボルト。
  7. 互いに隣り合う前記第1の湾曲部と前記第2の湾曲部は、立ち上がり壁により接続されている、請求項4〜6のいずれか一項に記載のボルト。
  8. 前記第1の湾曲部の外側端部は、前記頭部の外周縁よりも頭部の中心側に位置している、請求項4〜7のいずれか一項に記載のボルト。
  9. 前記頭部の前記第1の湾曲部の外側には、前記第1の湾曲部よりも相対的に低い外側低部が形成され、
    前記第1の湾曲部の外側端部と前記外側底部は、立ち上がり壁により接続されている、請求項8に記載のボルト。
  10. 前記第1の湾曲部の外側端部における頭部の厚みは、軸部の外径に対し35%以上60%以下である、請求項4〜9のいずれか一項に記載のボルト。
  11. 前記第2の湾曲部は、頭部の上面の中心側から外側に向かって、周方向の幅が次第に広くなる形状を有する、請求項4〜10のいずれか一項に記載のボルト。
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