JP7090962B1 - ボルトの締結構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 締結後の緩みを確実に防止することができるボルトの締結構造を提供する。【解決手段】 被締結部材３１，３２とナット２との間に座金４が介在され、ナット２および座金４は、互いに対向する対向面２ａ，４ａに、それぞれ第１の係合部１０および第２の係合部２０を備えており、第１の係合部１０および第２の係合部２０のそれぞれは、周方向の一方側から他方側に向けて対向面２ａ，４ａからの高さが徐々に高くなる傾斜部が、周方向に沿って段部を介して複数設けられ、互いに対向する段部同士の係合により、座金４に対するナット２の緩み方向の回転が阻止されるように構成されており、第１の係合部１０および第２の係合部２０の少なくとも一方における複数の段部は、第１の段部と、前記第１の段部よりも前記対向面からの高さが低い第２の段部とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、ボルトの締結構造に関する。

被締結部材の挿通孔に挿通したボルトにナットを螺合して被締結部材を締結する際には、ボルトまたはナットの座面と被締結部材との間に座金を介在させることが広く行われている。このようなボルトの締結構造においては、締結後の緩みを抑制するために、ナットの座面と座金との接合面に緩み方向への回転を抑制する機構を設けることが、従来から検討されている。
例えば、特許文献１に開示されたボルトの締結構造は、座金の下面およびナットの座面のそれぞれに複数の噛合部が周方向に沿って形成されており、ボルトに対するナットの締め付けにより、座金およびナットの噛合部同士が密着するように構成されている。各噛合部は、周方向に傾斜する傾斜面の一方側に段部が形成されており、ナットが座金に対して締結方向に回転する際には、傾斜面同士が摺接して段部を乗り越える一方、緩み方向の回転は、段部同士の係合による阻止が図られている。

特開２０１５－１７６５８号公報

ところが、上記従来のボルトの締結構造は、座金およびナットに形成された複数の噛合部の段部が周方向に同じ高さで形成されているため、噛合部同士が摺接すると、全ての段部が均等に力を受けて押し潰されることにより、各段部が平坦化されつつ曲面状に変形するおそれがあった。このため、緩み方向への回転の際に段部同士が乗り越え易くなり、十分な緩み止め効果を得難くなるという問題があった。特に、高力ボルトを使用する場合には、高い締結力によって噛合部が大きく塑性変形することにより、上記の問題がより顕著になるおそれがあった。

そこで、本発明は、締結後の緩みを確実に防止することができるボルトの締結構造の提供を目的とする。

本発明の前記目的は、被締結部材を貫通する貫通孔にボルトを挿通してナットを螺合させることにより、複数の被締結部材を締結したボルトの締結構造において、前記被締結部材と前記ナットとの間に座金が介在され、前記ナットおよび座金は、互いに対向する対向面に、それぞれ第１の係合部および第２の係合部を備えており、前記第１の係合部および第２の係合部のそれぞれは、周方向の一方側から他方側に向けて前記対向面からの高さが徐々に高くなる傾斜部が、周方向に沿って段部を介して複数設けられ、互いに対向する前記段部同士の係合により、前記座金に対する前記ナットの緩み方向の回転が阻止されるように構成されており、前記第１の係合部および第２の係合部の少なくとも一方における複数の前記段部は、第１の段部と、前記第１の段部よりも前記対向面からの高さが低い第２の段部とを備えるボルトの締結構造により達成される。

このボルトの締結構造において、前記第１の段部および前記第２の段部は、周方向に沿って交互に並ぶように配置されていることが好ましい。

前記第２の係合部は、前記第１の係合部よりも高硬度の材料からなることが好ましく、前記第２の係合部の前記段部は、第３の段部と、前記第３の段部よりも径方向長さが短い第４の段部とを備えることが好ましい。

前記第２の係合部の前記段部は、径方向の一端側が前記座金の内縁に接する一方、径方向の他端側が前記座金の外縁との間に間隔を空けて形成されていることが好ましい。

前記第１の係合部が備える前記段部の数と、前記第２の係合部が備える前記段部の数とが、互いに相違することが好ましい。

前記第１の係合部および第２の係合部の少なくとも一方における複数の前記段部は、周方向に不均等に配置されていてもよい。

前記ボルトは、高力ボルトであることが好ましい。

前記座金が、一の前記被締結部材と前記ナットとの間に介在されると共に、他の前記被締結部材と前記ボルトの頭部との間にも介在されている場合、前記第１の係合部および第２の係合部は、前記ナットおよび座金の対向面にそれぞれ設けられると共に、前記頭部および座金の対向面にもそれぞれ設けられた構成にすることができる。

前記第１の係合部の前記傾斜部は、径方向に沿った断面が円弧状に膨出するように形成されていることが好ましい。

また、本発明の前記目的は、一の被締結部材に形成された貫通孔を介して他の被締結部材に形成されたタップ孔にボルトを螺合することにより複数の被締結部材を締結したボルトの締結構造において、一の前記被締結部材と前記ボルトの頭部との間に座金が介在され、前記頭部および座金は、互いに対向する対向面に、それぞれ第１の係合部および第２の係合部を備えており、前記第１の係合部および第２の係合部のそれぞれは、周方向の一方側から他方側に向けて前記対向面からの高さが徐々に高くなる傾斜部が、周方向に沿って段部を介して複数設けられ、互いに対向する前記段部同士の係合により、前記座金に対する前記ボルトの緩み方向の回転が阻止されるように構成されており、前記第１の係合部および第２の係合部の少なくとも一方における複数の前記段部は、第１の段部と、前記第１の段部よりも前記対向面からの高さが低い第２の段部とを備えるボルトの締結構造により達成される。

本発明によれば、締結後の緩みを確実に防止することができるボルトの締結構造を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るボルトの締結構造の側面図である。 図１に示すボルトの締結構造におけるナットの拡大図である。 ナットを上方から見た平面図である。 ナットが備える第１の係合部を内周側から見た要部展開図である。 図１に示すボルトの締結構造における座金を下方から見た平面図である。 座金が備える第２の係合部を内周側から見た要部展開図である。 第１の係合部および第２の係合部の締結途中の一部を模式的に示す図である。 第１の係合部および第２の係合部の締結後の一部を模式的に示す図である。 第１の係合部および第２の係合部の締結後の他の一部を模式的に示す図である。 本発明の他の実施形態に係るボルトの締結構造の側面図である。 図１０に示すボルトの締結構造におけるボルトの拡大図である。 本発明の更に他の実施形態に係るボルトの締結構造の側面図である。 図５に示す座金の変形例を示す平面図である。 図３のＥ－Ｅ断面図である。 図１４に示すナットの変形例を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るボルトの締結構造の側面図である。図１に示すボルトの締結構造は、各被締結部材３１，３２を貫通する貫通孔３１ａ，３２ａにボルト１の軸部１ｂを挿通し、軸部１ｂにナット２を螺合することにより、複数の被締結部材３１，３２を締結して構成されている。ボルト１の頭部１ａと一の被締結部材３１との間、および、ナット２と他の被締結部材３２との間には、それぞれ座金３，４が介在されている。ナット２および座金４は、互いに対向する対向面２ａ，４ａに、それぞれ第１の係合部１０および第２の係合部２０が設けられている。第１の係合部１０および第２の係合部２０は、互いに係合することで、後述するように締結後の緩みを防止する。なお、座金３，４が被締結部材３１，３２と当接する面は、ショットブラストやヤスリ加工を施す等して摩擦係数を高めてもよい。

図２は、図１に示すナット２の拡大図である。図２に示すように、第１の係合部１０は、対向面２ａから突出するように形成された複数の傾斜部１１を備えている。各傾斜部１１は、周方向に沿って段部１２を介して配置されている。段部１２は、第１の段部１２ａと、第１の段部１２ａよりも対向面２ａからの高さが低い第２の段部１２ｂとを備えている。

図３は、図１に示すナット２を上方から見た平面図である。図３に示すように、傾斜部１１は、環状扇形状であり、周方向の一方側から他方側に向けて、対向面２ａからの高さが時計回り方向（図３の矢示Ａ方向）に徐々に高くなる一方、径方向には高さが一定となるように形成されている。本実施形態の傾斜部１１は、１２個が連続して円環状となるように配置されている。

図４は、図３に示す第１の係合部１０を、ナット２の内周側から見た側面図であり、一部を直線状に展開して示している。図４に示すように、第１の段部１２ａおよび第２の段部１２ｂは、一の傾斜部１１において最も高い位置となる他方端と、これに隣接する他の傾斜部１１において最も低い位置となる一方端との間に形成されており、図３に示すように、第１の段部１２ａと第２の段部１２ｂとが周方向に沿って交互に並ぶように配置されている。

図５は、図１に示す座金４を下方から見た平面図である。座金４が備える第２の係合部２０は、第１の係合部１０と同様に、対向面４ａから突出するように形成された複数の傾斜部２１を備えている。各傾斜部２１は、周方向に沿って段部２２を介して配置されている。各段部２２は、それぞれ同じ高さとなるように形成されている。

傾斜部２１は、平面視で環状扇形状であり、周方向の一方側から他方側に向けて、対向面４ａからの高さが時計回り方向（図５の矢示Ｂ方向）に徐々に高くなる一方、径方向には高さが一定となるように形成されている。本実施形態の傾斜部２１は、１８個が連続して円環状となるように配置されている。図６に示すように、段部２２は、一の傾斜部２１において最も高い位置となる他方端と、これに隣接する他の傾斜部２１において最も低い位置となる一方端との間に形成されている。各段部２２の対向面４ａからの高さは、いずれも一定である。

第１の係合部１０の段部１２は、図３に示すように径方向長さがいずれも同じであるのに対し、第２の係合部２０の段部２２は、図５に示すように、第３の段部２２ａと、第３の段部２２ａよりも径方向長さが短い第４の段部２２ｂとを備えている。第３の段部２２ａおよび第４の段部２２ｂは、周方向に沿って交互に並ぶように配置されている。

図３に示す第２の係合部２０の段部２２（第３の段部２２ａおよび第４の段部２２ｂ）は、径方向の一端側が座金４の内縁４ｂに接する一方、径方向の他端側が座金４の外縁４ｃとの間に間隔を空けて形成されている。このように、第２の係合部２０が対向面４ａに形成される領域を第１の係合部１０に対応する領域のみとして、傾斜部２１の径方向最外縁を繋ぐ仮想円２４の外側を未加工領域とすることで、製造コストの低減が図られている。

第１の係合部１０および第２の係合部２０は、例えばプレス成形等により、ナット２および座金４とそれぞれ一体的に形成することができる。第２の係合部２０は、第１の係合部１０よりも高硬度の材料により形成されることが好ましく、本実施形態においては、ナット２および第１の係合部１０をＳ３５Ｃの鋼材により一体的に形成し、座金４および第２の係合部２０をＳ４５Ｃの鋼材により一体的に形成している。高力ボルトの締付トルクのバラツキを抑制するため、第１の係合部１０の表面には、潤滑処理を施す等して皮膜を形成してもよい。

上記の構成を備えるボルトの締結構造は、ボルト１にナット２を締め込むことにより、ナット２の第１係合部１０が、座金４の第２の係合部２０に接近し、第１係合部１０の傾斜部１１が、第２の係合部２０の傾斜部２１に当接する。ナット２を締め込む際には、図７に展開図で示すように、第１係合部１０が第２の係合部２０に対して矢示Ｃ方向に移動し、第１係合部１０の傾斜部１１が、第２の係合部２０の傾斜部２１に沿って摺動して各段部２２を乗り越えるため、ナット２をスムーズに回転させることができる。

ナット２を更に締め込むと、第１係合部１０は、第２の係合部２０から大きな押圧力を受けることにより、図８に示すように、高さが高い第１の段部１２ａの近傍が、破線で示す状態から曲面状に変形して高さが低くなる。第２係合部２０は、第１係合部１０よりも高硬度の材料により形成されているものの、第１の係合部１０から押圧力を受けると、段部２２についても曲面状に若干変形する。このため、締結後のナット２に振動や外力等が作用して、第１係合部１０が第２の係合部２０に対して矢示Ｄ方向に移動しようとする力が生じると、変形後の第１の段部１２ａと、第２の係合部２０の段部２２との間で十分な係止が行われず、互いに乗り越えるおそれがある。

これに対し、高さが低い第２の段部１２ｂについては、第２係合部２０から受ける押圧力が第１の段部１２ａの変形により吸収されることで、変形が抑制されるため、図９に示すように、第１係合部１０に緩み方向（矢示Ｄ方向）の力が作用した場合に、第２の段部１２ｂと第２の係合部２０の段部２２とが確実に係合可能な状態を維持することができる。この結果、ナット２の締結状態を確実に維持することができる。

このように、本実施形態のボルトの締結構造によれば、第１の係合部１０の段部１２が、互いに高さが異なる第１の段部１２ａおよび第２の段部１２ｂを備えることにより、高さが高い第１の段部１２ａが締結時に押し潰された場合でも、高さが低い第２の段部１２ｂを第２の係合部２０の段部２２に確実に係止させることができ、締結緩みを効果的に防止することができる。本実施形態の段部１２は、高さが異なる２種類の段部（第１の段部１２ａおよび第２の段部１２ｂ）を備えているが、高さが異なる３種類以上の段部を配置してもよい。各段部１２は、周方向に隣接するもの同士で互いに高さが異なるように配置されることが好ましい。

図４に示す第１の係合部１０が備える第２の段部１２ｂの高さＨ２は、第２の係合部２０の段部２２と係止可能な高さを確保可能であれば特に限定されないが、例えば、０．１～０．３ｍｍであることが好ましく、本実施形態においては、０．１ｍｍとしている。また、図４に示す第１の段部１２ａと第２の段部１２ｂとの高さの差（Ｈ１－Ｈ２）は、第１の段部１２ａの変形後も第２の段部１２ｂの変形を抑制できるように、例えば、０．１～０．５ｍｍであることが好ましい。本実施形態においては、第１の段部１２ａの高さを０．２ｍｍとして、第２の段部１２ｂとの高さの差を０．１ｍｍとしている。

また、図６に示す第２の係合部２０が備える段部２２の高さＨ３は、第１係合部１０から押圧力を受けた後も、第１の係合部１０の段部１２と係止可能な高さを確保可能であれば特に限定されないが、例えば、０．１～０．５ｍｍであることが好ましく、本実施形態においては、０．２ｍｍとしている。第２の係合部２０が第１の係合部１０よりも高硬度の材料により形成されている場合には、第２の係合部２０の高さＨ３が高すぎると、締結時に第１の係合部１０の削り量が増加して緩み止め効果が小さくなるおそれがあることから、第２の係合部２０の段部２２の高さＨ３は、０．１～０．３ｍｍであることが好ましく、０．２ｍｍが最も好ましい。

第１係合部１０における第１の段部１２ａおよび第２の段部１２ｂは、本実施形態のように周方向に沿って交互に並ぶように配置されていることが好ましく、これによって、各第１の段部１２ａを均等に変形させて、第２の段部１２ｂによる確実な係止を促すことができる。

また、本実施形態においては、第２の係合部２０が、第３の段部２２ａと、第３の段部２２ａよりも径方向長さが短い第４の段部２２ｂとを備えており、図５に示す傾斜部２１の径方向最外縁を繋ぐ仮想円２４の内側には、切欠状の逃げ部２５が周方向に間隔をあけて形成される。この逃げ部２５は、第２の係合部２０が第１の係合部１０と係合したときに空間部となり、第１の係合部１０が備える第１の段部１２ａの変形を、この空間部に逃がすことができるので、この構成からもナット２の締結状態を良好に維持することができる。本実施形態の逃げ部２５は、傾斜部２１の径方向外方に形成されているが、傾斜部２１の径方向内方に形成してもよい。逃げ部２５は、本実施形態のように、第１の係合部１０よりも高硬度で変形し難い第２の係合部２０に形成することが好ましいが、第１の係合部１０の各段部１２の径方向長さを変えることで、逃げ部２５を第１の係合部１０に形成してもよい。あるいは、第１の係合部１０および第２の係合部２０の双方に逃げ部２５を形成してもよい。但し、図１３に示すように、第２の係合部２０の各段部２２は、径方向の長さが全て同じであってもよい。図１３に示す各傾斜部２１は、例えば、対向面４ａを鍛造等により凹ませて形成することができる。

また、本実施形態においては、第１の係合部１０の段部１２の数と、第２の係合部２０の段部２２の数とを互いに相違させており、締結後においては、第１の係合部１０の段部１２と、第２の係合部２０の段部２２との距離が不均一になるように配置される。したがって、最も近接する段部１２，２２同士の係止によって、ナット２の緩み方向の回動を最小限に抑制することができる。段部１２，２２同士の位置関係をランダムにするために、第１の係合部１０および第２の係合部２０の少なくとも一方における段部１２，２２を周方向に不均等に配置してもよい。

本実施形態においては、第１の係合部１０よりも高硬度で変形し難い第２の係合部２０の各段部２２をそれぞれ同じ高さとし、第１の係合部１０が、高さの異なる第１の段部１２ａと第２の段部１２ｂとを備える構成とすることで、締結時に押し潰され易い第１の係合部１０の段差を確保する構成としているが、第１の係合部１０の各段部１２を同じ高さとして、第２の係合部２０の各段部２２が、第１の段部と、第１の段部よりも対向面４ａからの高さが低い第２の段部とを備える構成にしてもよい。更に、第１の係合部１０および第２の係合部２０の双方が、それぞれ第１の段部と第２の段部とを備える構成にすることもできる。

本実施形態においては、第１の係合部１０および第２の係合部２０が、それぞれナット２および座金４に設けられているが、図１０および図１１に示すように、第１の係合部１０および第２の係合部２０を、ナット２および座金４の対向面２ａ，４ａにそれぞれ設けると共に、ボルト１の頭部１ａおよび座金３の対向面１ｃ，３ａにもそれぞれ設けることもできる。この構成によれば、ナット２および座金４間の係止による緩み止め効果と共に、頭部１ａおよび座金３間での係止によるボルト１・ナット２の共回り防止の効果を得ることができる。なお、図１０および図１１において、図１および図２と同様の構成部分には、同一の符号を付している（後述する図１２についても同様）。

また、図１２に示すように、一の被締結部材３１に形成された貫通孔３１ａを介して、他の被締結部材３２に形成されたタップ孔３２ｂにボルト１を螺合することにより、複数の被締結部材３１，３２を締結したボルトの締結構造において、ボルト１の頭部１ａおよび座金３の対向面１ｃ，３ａに、第１の係合部１０および第２の係合部２０をそれぞれ設けることもできる。この構成によれば、締結後のボルト１の緩み方向の回転を抑制することができる。

ボルト１の種類は特に限定されず、例えば普通ボルトや高力ボルト等を使用することができるが、高力ボルトの場合には、大きな締付力によって段部１２，２２が大きく変形し易いため、本発明を採用する効果が特に顕著なものになる。一般に、高力ボルトは、ナットおよび座金と共にセットで使用され、所定の締付トルクで締め付けることにより、設計された軸力で被締結部材を押し付けて所望の摩擦力が生じるように、品質管理されている。本発明によれば、緩めトルクを高めることで、締付トルクよりも緩めトルクが高い状態を容易に維持することができるので、振動等による高力ボルトの緩みを確実に防止することができる。

図３に示す第１の係合部１０の傾斜部１１は、Ｅ－Ｅ断面を図１４に示すように、径方向に沿った断面が直線状に形成されているが、図１５に示すように、径方向に沿った断面が円弧状に膨出するように形成してもよい。この構成によれば、傾斜部１１の加工精度にバラツキが生じたとしても、第１の係合部１０と第２の係合部２０との当接位置Ｔからナット２の中心軸線までの距離Ｌを略一定にすることができる。この構成は、高力ボルトの締結構造に特に有効であり、トルク係数を一定にして、所望の締め付け軸力を確実に得ることができる。傾斜部１１の断面円弧状の曲率半径は必ずしも限定されないが、一例として、Ｍ２２ナットの場合に１５～３０ｍｍにすることが好ましい。

１ ボルト
１ａ 頭部
１ｂ 軸部
１ｃ 対向面
２ ナット
２ａ 対向面
３，４ 座金
３ａ，４ａ 対向面
１０ 第１の係合部
１１ 傾斜部
１２ 段部
１２ａ 第１の段部
１２ｂ 第２の段部
２０ 第２の係合部
２１ 傾斜部
２２ 段部
２２ａ 第３の段部
２２ｂ 第４の段部
３１，３２ 被締結部材
３１ａ，３２ａ 貫通孔
３２ｂ タップ孔

Claims (10)

1. 被締結部材を貫通する貫通孔にボルトを挿通してナットを螺合させることにより、複数の被締結部材を締結したボルトの締結構造において、
   前記被締結部材と前記ナットとの間に座金が介在され、
   前記ナットおよび座金は、互いに対向する対向面に、それぞれ第１の係合部および第２の係合部を備えており、
   前記第１の係合部および第２の係合部のそれぞれは、周方向の一方側から他方側に向けて前記対向面からの高さが徐々に高くなる傾斜部が、周方向に沿って段部を介して複数設けられ、互いに対向する前記段部同士の係合により、前記座金に対する前記ナットの緩み方向の回転が阻止されるように構成されており、
   前記第１の係合部および第２の係合部の少なくとも一方における複数の前記段部は、第１の段部と、前記第１の段部よりも前記対向面からの高さが低い第２の段部とを備えるボルトの締結構造。
2. 前記第１の段部および前記第２の段部は、周方向に沿って交互に並ぶように配置されている請求項１に記載のボルトの締結構造。
3. 前記第２の係合部は、前記第１の係合部よりも高硬度の材料からなり、
   前記第２の係合部の前記段部は、第３の段部と、前記第３の段部よりも径方向長さが短い第４の段部とを備える請求項１または２に記載のボルトの締結構造。
4. 前記第２の係合部の前記段部は、径方向の一端側が前記座金の内縁に接する一方、径方向の他端側が前記座金の外縁との間に間隔を空けて形成されている請求項１から３のいずれかに記載のボルトの締結構造。
5. 前記第１の係合部が備える前記段部の数と、前記第２の係合部が備える前記段部の数とが、互いに相違する請求項１から４のいずれかに記載のボルトの締結構造。
6. 前記第１の係合部および第２の係合部の少なくとも一方における複数の前記段部は、周方向に不均等に配置されている請求項１から５のいずれかに記載のボルトの締結構造。
7. 前記ボルトは、高力ボルトである請求項１から６のいずれかに記載のボルトの締結構造。
8. 前記座金は、一の前記被締結部材と前記ナットとの間に介在されると共に、他の前記被締結部材と前記ボルトの頭部との間にも介在されており、
   前記第１の係合部および第２の係合部は、前記ナットおよび座金の対向面にそれぞれ設けられると共に、前記頭部および座金の対向面にもそれぞれ設けられている請求項１から７のいずれかに記載のボルトの締結構造。
9. 前記第１の係合部の前記傾斜部は、径方向に沿った断面が円弧状に膨出するように形成されている請求項１から８のいずれかに記載のボルトの締結構造。
10. 一の被締結部材に形成された貫通孔を介して他の被締結部材に形成されたタップ孔にボルトを螺合することにより複数の被締結部材を締結したボルトの締結構造において、
    一の前記被締結部材と前記ボルトの頭部との間に座金が介在され、
    前記頭部および座金は、互いに対向する対向面に、それぞれ第１の係合部および第２の係合部を備えており、
    前記第１の係合部および第２の係合部のそれぞれは、周方向の一方側から他方側に向けて前記対向面からの高さが徐々に高くなる傾斜部が、周方向に沿って段部を介して複数設けられ、互いに対向する前記段部同士の係合により、前記座金に対する前記ボルトの緩み方向の回転が阻止されるように構成されており、
    前記第１の係合部および第２の係合部の少なくとも一方における複数の前記段部は、第１の段部と、前記第１の段部よりも前記対向面からの高さが低い第２の段部とを備えるボルトの締結構造。

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