JP7007543B2

JP7007543B2 - 雄体

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Publication number: JP7007543B2
Application number: JP2020146432A
Authority: JP
Inventors: 裕道脇
Original assignee: Nejilaw Inc
Current assignee: Nejilaw Inc
Priority date: 2020-08-31
Filing date: 2020-08-31
Publication date: 2022-01-24
Anticipated expiration: 2036-04-18
Also published as: JP2020190334A

Description

本発明は、特殊な形状の条を有する雄体に関する。

締結構造の一つとして、ボルト等の所謂雄ねじ体と、ナット等の所謂雌ねじ体を用いるものが存在する。このねじ体による締結構造に関して、一つの雄ねじ体に対して、リード角及び／又はリード方向が相異なる二種類の螺旋溝（例えば右螺旋溝による雄ねじ部と左螺旋溝による雄ねじ部）を形成し、この二種類の螺旋溝に対して、ダブルナットの如く、二種類の雌ねじ体（例えば右雌ねじ体と左雌ねじ体）を別々に螺合させるものがある。何らかの係合手段により、二種類の雌ねじ体の相対回転を抑止すれば、リード角及び／又はリード方向が相異なることによる軸方向干渉作用又は軸方向離反作用により、雄ねじとの間で機械的な緩み止め効果を提供できる（特許文献１参照）。

特許５４０６１６８号公報

一般的にねじ山の角度は、メートル並目ねじ・メートル細目ねじの場合は６０°、ユニファイ並目ねじ・ユニファイ細目ねじの場合は６０°、ウィット並目ねじの場合は５５°、ミニチュアねじの場合は６０°となっているが、その角度に関する理論的な根拠は必ずしも明確ではない。

本発明者による本出願時点で未公知の膨大な量の実験による知見では、例えば、メートル並目の雄ねじ及び雌ねじを螺合させて、両者を軸方向に離反させると、軸部は破断せずに、雄ねじのねじ山が変形若しくは剪断することで締結が解除されてしまう（ここでは「ねじ山崩れ形態」と定義する）結果となることが少なくない。つまり、雄ねじの軸部自体が破断する状態（これを「軸破断形態」と定義する）が得られないことが有るのである。換言すると、従来の設計思想の場合、雄ねじの軸部の引張強度が過剰となっているか、又は、雄ねじの軸部と比較してねじ山の強度が低いと考え得る。このように、従来のねじ体の規格やねじ設計思想では、高い締結力を確保するという要求が満たされていない。

特に、特許５４０６１６８号公報に開示されるような、二種類の螺旋溝が軸方向に重なるように形成される雄ねじ体の場合、この雄ねじのねじ山に負荷を印加した際に発生する荷重密度が大きくなり易く、従って、ねじ山側の強度が不足気味の従来のねじ設計思想をそのまま適用したのでは、ねじ山側の強度不足が生じ得るという問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みて本発明者の鋭意研究により成されたものであり、例えば、リード角及び／又はリード方向が相異なる二種類の螺旋溝を有する雄体において、締結力を高度に維持する為の技術思想を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明は、軸部と、上記軸部の周面に形成され、適宜のリード角及び／又はリード方向に設定される第一螺旋溝と、上記軸部の周面に形成され、上記リード角及び／又はリード方向に対して相異なるリード角及び／又はリード方向に設定される第二螺旋溝と、を備え、上記第一螺旋溝と上記第二螺旋溝とが、上記軸部の軸方向における同一領域上に重畳形成されることで、周方向に延びる略三日月状を成し、周方向中央部が高くなり、周方向両端が次第に低くなるように高さが変化する条部を有し、上記条部は、該条部の頂部から谷に向かって延在する一対の斜面の成す角度が、７０°±３°の範囲に設定されることを特徴とする雄体である。

本発明によれば、例えば、リード角及び／又はリード方向が相異なる二種類の螺旋溝から成る構造を有する単一の雄体において、この雄体と対応する雌ねじ体との締結強度を向上させ、締結力を長期間に亘って高度に維持することが可能となる。

本発明の実施形態に係る雄ねじ体及び雌ねじ体の締結構造の（Ａ）正面図であり、（Ｂ）平面図である。同締結構造の（Ａ）正面断面図であり、（Ｂ）側面断面図である。（Ａ）は同雌ねじ体の正面断面図であり、（Ｂ）は同雌ねじ体と螺旋方向が逆となる雌ねじ体の正面断面図である。同雄ねじ体の（Ａ）正面図、（Ｂ）ねじ山のみの断面図、（Ｃ）平面図である。同雄ねじ体の（Ａ）側面図、（Ｂ）ねじ山のみの断面図、（Ｃ）平面図である。（Ａ）は同雄ねじ体のねじ山の断面形状を拡大して示す断面図であり、（Ｂ）は同雌ねじ体のねじ山の断面形状を拡大して示す断面図である。（Ａ）は本発明の実施形態に係るねじ設計方法で用いられる検証用雄ねじ体群を示すマトリックスであり、（Ｂ）は本発明の実施形態に係るねじ設計方法で用いられる検証用雌ねじ体群を示すマトリックスである。同検証用雄ねじ体と同検証用雌ねじ体の締結強度試験の態様を示す図である。呼び径Ｎ１６の同検証用雄ねじ体と同検証用雌ねじ体の締結強度試験の結果を示すグラフである。呼び径Ｎ２４の同検証用雄ねじ体と同検証用雌ねじ体の締結強度試験の結果を示すグラフである。呼び径Ｎ３０の同検証用雄ねじ体と同検証用雌ねじ体の締結強度試験の結果を示すグラフである。本実施形態の他の例に係る雄ねじ体及び雌ねじ体の締結構造の正面図断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。

＜雄ねじ体及び雌ねじ体＞
図１及び図２に示すように、本実施形態に係る雄ねじ体１０及び雌ねじ体１００の締結構造１は、雌ねじ体１００を雄ねじ体１０に螺合させることによって構成される。

図４及び図５に示すように、雄ねじ体１０は、軸部１２における基部側から軸端に向かって、雄ねじ螺旋溝が形成された雄ねじ部１３が設けられる。本実施形態では、この雄ねじ部１３に、対応した右ねじとして成る雌ねじ状の螺旋条を螺合可能に構成される右ねじと成る第一螺旋溝１４と、対応した左ねじとして成る雌ねじ状の螺旋条を螺合可能に構成される左ねじと成る第二螺旋溝１５との二種類の雄ねじ螺旋溝が、雄ねじ体１０の軸方向における同一領域上に重複して形成される。なお、当該重複部分以外に、一方の向きの螺旋溝が形成されて成る片螺旋溝領域を設けてもよい。

第一螺旋溝１４は、これに対応する雌ねじ体１００の右ねじとして成る雌ねじ状の螺旋条と螺合可能であり、第二螺旋溝１５は、これに対応する雌ねじ体１００（これは、上記右ねじを有する雌ねじ体と別体の場合を含む）の左ねじとして成る雌ねじ状の螺旋条と螺合可能となる。

雄ねじ部１３には、図４（Ｃ）及び図５（Ｃ）に示すように、軸心（ねじ軸）Ｃに垂直となる面方向において周方向に延びる略三日月状の条状を成すねじ山Ｇが、雄ねじ部１３の直径方向における一方側（図の左側）及び他方側（図の右側）に交互に設けられる。即ち、このねじ山Ｇは、その稜線が軸に対して垂直に延びており、ねじ山Ｇの高さは、周方向中央が高くなり、周方向両端が次第に低くなるように変化する。ねじ山Ｇをこのように構成することで、右回りに旋回する仮想的な螺旋溝構造（図４（Ａ）の矢印１４参照）及び左回りに旋回する仮想的な螺旋溝構造（図４（Ａ）の矢印１５参照）の二種類の螺旋溝を、ねじ山Ｇの間に形成することが出来る。

本実施形態では、このようにすることで、第一螺旋溝１４及び第二螺旋溝１５の二種類の雄ねじ螺旋溝を、雄ねじ部１３に重畳形成している。従って、雄ねじ部１３は、右ねじ及び左ねじの何れの雌ねじ体とも螺合することが可能となる。なお、二種類の雄ねじ螺旋溝が形成された雄ねじ部１３の詳細については、本願の発明者に係る特許第４６６３８１３号公報を参照されたい。

図３（Ａ）に示すように、雌ねじ体１００は、筒状部材１０６で構成される。筒状部材１０６は、所謂六角ナット状を成しており、中心に貫通孔部１０６ａを有する。勿論、雌ねじ体１００の概形は、六角ナット状に限らず、円筒状、周面にローレットを有する形状、四角形状、星型形状など任意に適宜設定可能である。貫通孔部１０６ａには、右ねじとしての第一雌ねじ螺旋条１１４が形成される。即ち、筒状部材１０６の第一雌ねじ螺旋条１１４は、雄ねじ体１０の雄ねじ部１３における第一螺旋溝１４と螺合する。

なお、図３（Ｂ）に示すように、雌ねじ体１０１として、貫通孔部１０６ａに左ねじとしての第二雌ねじ螺旋条１１５が形成されるようにしても良い。この場合は、第二雌ねじ螺旋条１１５は、雄ねじ体１０の雄ねじ部１３における第二螺旋溝１５と螺合する。

次に、図６（Ａ）を参照して、雄ねじ体１０における雄ねじ部１３に形成されるねじ山Ｇの軸方向に沿う断面を軸直交方向視する際の形状について説明する。

また、図６（Ｂ）に示す、雌ねじ体１００の第一雌ねじ螺旋条１１４及び／又は雌ねじ体１０１の第二雌ねじ螺旋条１１５のねじ山Ｐの形状は、雄ねじ体１０のねじ山Ｇの形状に基づいて相対設定されるものであることから、ここでの詳細な説明を省略する。

更にまた、本実施形態の雄ねじ体１０の呼び径については、頭文字にＮを付けて呼ぶことにする。例えば、Ｎ１６の雄ねじ体１０の場合は、ねじ山Ｇの頂点Ｇｔにおける直径Ｆが１６ｍｍであることを意味し、Ｎ１６の雌ねじ体１００の場合は、ねじ山の谷の径が１６ｍｍであることを意味する。

ねじ山Ｇの山角度Ｔ（山角度は、ねじ山Ｇの頂部から谷に向かって延在する一対の斜面の成す角度を意味する）は、６１°以上且つ７５°以下の範囲に設定され、より好ましくは６３°以上且つ７３°以下の範囲に設定され、更に好ましくは、６５°以上且つ７３°以下に設定され、より具体的には７０°に設定される。また、ねじ山Ｇの谷径Ｄ（即ち、雄ねじ体１０の軸部１２においてねじ山Ｇを省略する場合の外径）は、Ｎ１６の場合は１３．５ｍｍ以上且つ１４．３ｍｍ以下に設定されることが好ましい。Ｎ１６の場合の谷径Ｄは１３．５ｍｍ以上且つ１４．３ｍｍ以下に設定されることが好ましい。Ｎ２４の場合の谷径Ｄは１９．６ｍｍ以上且つ２０．５ｍｍ以下に設定されることが好ましい。Ｎ３０の場合の谷径Ｄは２５．８ｍｍ以上且つ２６．７ｍｍ以下に設定されることが好ましい。なお、ここで言う谷径とは従来のメートルねじでいうところの有効径ではなく、谷底部分の直径に相当する。

従って、図６（Ｂ）に示すように、雌ねじ体１００に関しても、ねじ山Ｐの山角度Ｑは、６１°以上且つ７５°以下の範囲に設定され、より好ましくは６３°以上且つ７３°以下の範囲に設定され、更に好ましくは、６５°以上且つ７３°以下に設定され、より具体的には７０°に設定される。また、ねじ山Ｐの頂点Ｐｔの山径Ｅは、Ｎ１６の場合は１３．５ｍｍ以上且つ１４．３ｍｍ以下に設定されることが好ましい。Ｎ１６の場合の山径Ｅは１３．５ｍｍ以上且つ１４．３ｍｍ以下に設定されることが好ましい。Ｎ２４の場合の山径Ｅは１９．６ｍｍ以上且つ２０．５ｍｍ以下に設定されることが好ましい。Ｎ３０の場合の山径Ｅは２５．８ｍｍ以上且つ２６．７ｍｍ以下に設定されることが好ましい。勿論、雌ねじの山径の設定は、雄ねじ体の谷径に比して、同等以上に設定する必要があることは言うまでもない。

＜設計手法及び設計根拠＞
次に、雄ねじ体１０及び雌ねじ体１００の設計手法及び設計根拠について以下に説明する。なお、ここでは呼び径Ｎ１６の雄ねじ体１０を設計する際の事例を紹介する。

＜雄ねじ体１０及び雌ねじ体１００のシリーズの準備＞
先ず、呼び径Ｎ１６と成る雄ねじ体１０に関して、図７（Ａ）に示すように、相異なる複数の谷径Ｄ１，Ｄ２，・・・，Ｄｎと、相異なる複数の山角度Ｔ１，Ｔ２，・・・，Ｔｎから構成されるマトリクス条件の一部又は全部を埋めるように、複数の検証用雄ねじ体１０（Ｔｎ，Ｄｎ）を準備する。

また、この複数の検証用雄ねじ体１０（Ｔｎ，Ｄｎ）のそれぞれに対応させて、それと螺合可能な検証用雌ねじ体１００を同じ数だけ準備する。即ち、図７（Ｂ）に示すように、相異なる複数の山径Ｅ１，Ｅ２，・・・，Ｅｎと、互いの相複数の山角度Ｑ１，Ｑ２，・・・，Ｑｎから構成されるマトリクス条件の全部又は一部を埋めるように、複数の検証用雌ねじ体１００（Ｑｎ，Ｅｎ）を準備する。具体的には、検証用雌ねじ体１００（Ｑｎ，Ｅｎ）の山径Ｅｎは、検証用雄ねじ体１０（Ｔｎ，Ｄｎ）の谷径Ｄｎに略一致し、山角度Ｑｎは、検証用雄ねじ体１０（Ｔｎ，Ｄｎ）の山角度Ｔｎと略一致する。結果、図７（Ａ）と図７（Ｂ）のマトリクス上の同じ位置に存在する検証用雄ねじ体１０（Ｔｎ，Ｄｎ）と、検証用雌ねじ体１００（Ｑｎ，Ｅｎ）が対となる検証用セットが多数用意される。

なお、検証用雌ねじ体１００（Ｑｎ，Ｅｎ）の軸方向長さＷ（これを、軸方向かかり長Ｗとも呼ぶ。図１参照。）は、呼び径Ｎ１６における締結強度試験では、全ての試験体に共通して呼び径Ｎ１６に対する素材固有の所定の比率γ（０＜γ＜１）としている。即ち、Ｎ１６の本事例の場合、検証用雌ねじ体１００（Ｑｎ，Ｅｎ）の軸方向長さＷは、１６ｍｍ×γに設定される。勿論、Ｗの値は、材料固有値である所定比率のγを呼び径毎にそれぞれ乗じて算出される。

この軸方向かかり長Ｗは、図８に示すように、概ね、雄ねじ体１０の軸部１２の軸直角断面１２Ａが耐え得る引張強度Ｈと、軸方向かかり長Ｗにおける、雄ねじ体１０のねじ山Ｇの基底面ＧＬ（図６（Ａ）参照）から構成される周面Ｊのせん断強度Ｓが近似し易い値を選定している。引張強度Ｈは、谷径Ｄｎにおける断面積に係数ａ１を乗算した値となり、Ｈ＝π×Ｄｎ２×ａ１で表現できる。せん断強度Ｓは、谷径Ｄｎにおける軸方向かかり長Ｗ相当の円筒面積に係数ａ２を乗算した値となり、Ｓ＝π×Ｄｎ×Ｗ×ａ２で表現できる。

係数ａ１やａ２は、母材の材料等によってそれぞれ異なるが、本発明者の検討によれば、本実施形態では母材にＳ４５ＣやＳＣＭ４３５等のような汎用の鋼材を選定し、Ｗを上述の通り設定すると、引張強度Ｈとせん断強度Ｓがかなり近い値となることが分かっている。この結果、検証用雌ねじ体１００（Ｑｎ，Ｅｎ）と検証用雄ねじ体１０（Ｔｎ，Ｄｎ）の締結強度は、山角Ｔや谷径Ｄが変化することから、実際には、せん断強度Ｓ側が微妙に大きくなったり、引張強度Ｈ側が微妙に大きくなったりする。どちらが優位になるかは、締結強度試験によって検証すれば良く、せん断強度Ｓ優位状態と引張強度Ｈ優位状態の境界を、実験によって見出すことが可能となる。

なお、ここでは説明の便宜上、図７に示すマトリクスを利用して、谷径Ｄや山角度Ｔ等を変量させる場合を例示したが、実際には、マトリクスの全ての場所を埋めるように検証用雄ねじ体１０（Ｔｎ，Ｄｎ）と検証用雌ねじ体１００（Ｑｎ，Ｅｎ）を用意する必要はなく、また、マトリクス化する必要もない。後述するように、谷径Ｄと山角Ｔがある程度の範囲で変動する検証用雄ねじ体と検証用雌ねじ体の組み合わせで、最適値を抽出できる態様であれば良い。

＜境界谷径抽出工程＞
次に、対となる検証用雄ねじ体１０（Ｔｎ，Ｄｎ）と、検証用雌ねじ体１００（Ｑｎ，Ｅｎ）（以下、検証用ボルトナットセットという）をそれぞれ螺合させて締結強度試験を行う。ここでの締結強度試験は、図８に示すように、検証用雄ねじ体１０（Ｔｎ，Ｄｎ）と検証用雌ねじ体１００（Ｑｎ，Ｅｎ）を、軸方向に離れる方向（矢印Ａ参照）に相対移動させて、締結状態（螺合状態）を強制的に解除させる引張試験を意味するが、特にこれに限定されず、繰り返し雄ねじ体１００（Ｔｎ,Ｄｎ）と雌ねじ体１００（Ｑｎ，Ｅｎ）とを相対離反させる疲労試験の他、ねじ体のトルク・軸力・回転角を検証するための所謂ねじ締付試験等であってもよく、これらの試験結果と引張試験の結果との間に相関性があることが確認されている。全ての検証用ボルトナットセットについて締結強度試験を行い、その結果が、雄ねじ体１００の軸部１２で破断することで締結が解除される軸破断形態となるか、ねじ山Ｇが変形又は崩れることで締結が解除されるねじ山崩れ形態となるかを判定する。

この判定結果のグラフ例を図９に示す。本グラフでは、横軸を山角度Ｔｎ、縦軸を谷径Ｄｎに設定し、軸破断形態となった検証用ボルトナットセットを○、ねじ山崩れ形態となった検証用ボルトナットセットを△で表示している。この結果から判るように、グラフ上は、ねじ山崩れ形態が生じる領域Ｘ（ねじ山崩れ領域Ｘ）と、軸破断形態が生じる領域Ｙ（軸破断領域Ｙ）に二分され、その境界線Ｋを明らかにすることができる。この境界線Ｋは、或る特定の山角度Ｔｋに対応して軸破断形態を生じさせることが可能な最大谷径の値を境界谷径Ｄｋと定義した場合、山角度Ｔｋの変化と境界谷径Ｄｋの変化の相関関係を意味することになる。

例えば、山角度Ｔを６８°に設定し、軸部の谷径Ｄを１４．１ｍｍ以上にする設計思想は、ねじ山崩れ領域Ｘに属するので、引張試験による締結解除時に軸破断形態は得られ難く、ねじ山崩れ形態が生じる可能性が高いことを意味し、それだけ軸部の強度が無駄になっている設計と考えることができる。一方、山角度Ｔを６８°に設定し、軸部の谷径Ｄを１３．６ｍｍに設定する設計思想は、締結解除時に軸破断形態が得られ易いが、境界谷径Ｄｋは約１４．０５ｍｍとなることから、その範囲内であれば軸部の谷径Ｄをもっと大きく設定することができて引張強度を高めることができる点で、非効率な設計であることを意味する。

逆説すると、この境界線Ｋからは、境界谷径Ｄｋの変化に対応して、その雄ねじ体を軸破断形態にさせることが可能な境界山角度Ｔｋの許容範囲（これを境界山角度領域Ｔｓと呼ぶ）を決定できることになる。

＜軸破断優位ねじ山角選定工程＞
境界谷径抽出工程が終了した後、境界線Ｋの中で、前記境界谷径Ｄｋが最大値と成り得る山角度（以下、軸破断優位山角度Ｔｐ）を選定する。図９のグラフでは、境界線Ｋのピーク値から、軸破断優位山角度Ｔｐは７０．５°となる。この軸破断優位山角度Ｔｐは、軸部を極力太くして引張強度を高めたとしても、締結解除に関しては軸破断形態に導き易い山角度、即ち、山Ｇ側の剪断強度Ｓが最も高く成り易い山角度、と説明できる。

＜ねじ山角決定工程＞
最後に、決定される軸破断優位山角度Ｔｐと近似する山角度を、呼び径Ｎ１６における実際の雄ねじ体１０及び／又は雌ねじ体１００に適用して設計を行う。例えば、実際の山角度Ｔを７０°に設定すれば、谷径Ｄを大きく設定することが可能になる。具体的な谷径Ｄとしては、例えば１４．２５ｍｍ程度が好ましいことになる。

なお、図９では、呼び径Ｎ１６の場合の設計手法について説明したが、本発明はこれに限定されず、他の呼び径であっても良い。例えば図１０には、呼び径Ｎ２４の場合の検証結果のグラフを示し、図１１には、呼び径Ｎ３０の場合の検証結果のグラフを示す。これらのグラフに共通して言えることは、軸破断優位山角度Ｔｐは６１°以上且つ７５°以下の範囲内であり、より好ましくは６５°以上且つ７３°以下の範囲内であり、概ね７０°前後となる。つまり、本実施形態の構造を有する雄ねじ体１０の場合、ねじ山の山角度は、従来の常識である６０°ではなく、それよりも大きな値が適しており、７０°近傍が最適値であることが分かる。

なお、上記実施形態の雄ねじ体１０及び雌ねじ体１００では、第一螺旋溝１４及び雌ねじ螺旋条１１４の対と、第二螺旋溝１５及び雌ねじ螺旋条１１５の対とが、互いに逆ねじの関係（リード角が同じでリード方向が反対）となっている場合を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば図１２に示すように、リード方向（Ｌ１、Ｌ２）が同じで、リード角が異なる第一螺旋溝１４及び雌ねじ螺旋条１１４と、第二螺旋溝１５及び雌ねじ螺旋条１１５を採用することもできる。この場合、第一螺旋溝１４に対して、更にリード角の異なる螺旋溝を重畳形成することにより、リードがＬ１（リード角α１）の第一螺旋溝１４及びリードがＬ２（リード角がα２）の第二螺旋溝１５が、ねじ方向を揃えて形成される。この場合は、第一螺旋溝１４の第一ねじ山Ｇ１と、第二螺旋溝１５の第二ねじ山Ｇ２は、共有されずに別々となることから、そのねじ山Ｇ１、Ｇ２の少なくとも一方に本発明を適用すれば良く、また、双方に適用しても良い。勿論、第一ねじ山Ｇ１の山角度と第二ねじ山Ｇ２の山角度は、互いに異なっても良い。

なお、上記実施形態では、二重らせん構造の雄ねじ体１０の場合を例示したが、本発明はこれに限定されず、一重らせん構造の雄ねじ体１０においても、上記設計手順を適用すれば、最適な山角度を理論的及び／又は実験的に明らかにすることが可能である。

また、本発明の実施例は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１締結構造
１０雄ねじ体
１２軸部
１３雄ねじ部
１００雌ねじ体
１０６筒状部材
Ｇ、Ｐねじ山

Claims

軸部と、
上記軸部の周面に形成され、適宜のリード角及び／又はリード方向に設定される第一螺旋溝と、
上記軸部の周面に形成され、上記リード角及び／又はリード方向に対して相異なるリード角及び／又はリード方向に設定される第二螺旋溝と、を備え、
上記第一螺旋溝と上記第二螺旋溝とが、上記軸部の軸方向における同一領域上に重畳形成されることで、周方向に延びる略三日月状を成し、周方向中央部が高くなり、周方向両端が次第に低くなるように高さが変化する条部を有し、
上記条部は、該条部の頂部から谷に向かって延在する一対の斜面の成す角度が、７０°±３°の範囲に設定されることを特徴とする雄体。