JP7177478B2 - 荷重指示締結部品 - Google Patents

Description

本発明は、締結部品に関し、特に荷重指示締結部品及び指示された荷重を計測する工具に関する。

用途によっては、たとえば、配管及び圧力容器ガスケット用のフランジ付きのボルト止め継ぎ手を含む圧力境界ボルト止め継ぎ手等の用途では、ボルトに作用する荷重を知ることが重要である。本明細書で使用する場合、「ボルト」は、頭部を備えているボルト及び頭部を備えていないボルトを含む。頭部を備えていないボルトは、「スタッドボルト」として知られている。個別のボルト内の荷重を計測し監視するのは、ボルト止め継ぎ手の安全な作業にとって有益であって、接触式および非接触式の両方のボルト荷重計測方法が知られている。

図１は、特許文献１に開示されている、スタットボルト４上で締め付けられることによって、その間で挟む力を発生可能なナット２及び３を備えている接触式ボルト荷重計測配置１を示している。そのため、第１のナット２内のボルトの領域は、第１の荷重受け部分５であって、第２のナット３内のボルトの領域は、第２の荷重受け部分６である。ナットは、２個のナット２、３の間の挟み力に対応している引張り荷重をボルト４に作用させ、ボルト４を歪ませる（つまり、より具体的には延ばす）。本明細書で使用する場合、「歪み」は、寸法の比として表される寸法の変化（たとえば、Ｌが寸法の大きさであって、δが寸法の大きさの変化を表しているときに、δＬ／Ｌ）を指す。物質の弾性領域においては、歪みは、物質の弾性的な性質を介して荷重に直接関連している。２個の領域５及び６の間のボルトの領域を、歪み可能部分７と呼ぶことができる。特許文献１において、穴がボルト内に軸線方向に穿たれており、ボルトは、ピンがねじ込まれるねじ山基部を有している。この製造の方法は、簡易性のために使用されるが、動く可能性のある接合部が追加され、動いた場合に行われるあらゆる計測の正確性が無効になる。図１において、穴１１内の基準ピン１０は、ボルト４と一体に示している。これは、環状の隙間を腐食させてピン１０を形成することによって形成したり、より簡易には、穴１１を穿孔し、それからピン１０を根元１２の位置で溶接したりすることができる。基準ピン１０の根元１２は、ボルト４の歪み可能部分７内に十分に入っており、それは、根元１２と第１の荷重受け部分５との間の軸線方向の長さが、ボルトの歪み可能部分７上の軸線方向の荷重の変化による基準ピン１０の外側の端部上の基準データム１５とボルト４の端部上の歪みデータム表面１６との間の相対的な運動を決定するからである。歪みデータムと基準データムとの間の軸線方向の距離は、ボルトに作用する引張り荷重に依存して変化するので、基準データム１５と歪みデータム１６との間の相対的な運動の計測によって、ボルトに作用する荷重を計算することができる。

ダイヤルゲージまたは同等品１８を使用して基準データム１５と歪みデータム１６とに接触させて、それらの間の軸線方向の差を検出する。しかし、たとえば、図１に示している角度方向のずれによって、ダイヤルゲージ１８は、基準ピン１０の主軸線１７に対して簡単にずれることがある。そのようなずれによって、歪みデータム表面１６と基準データム１５との間の軸線方向の距離の計測に誤差が発生し、歪みによる撓みによって作用する荷重の計測時には、そのような誤差によって計測結果が簡単に無価値になってしまうことがある。

図２は、本出願人の特許文献２で開示されているような接触型式のボルト荷重計測配置２１を示している。これは、計測値がボルト内の荷重を正確に反映することを保証するように、多くの特徴を採用している。基準ピン１０の根元１２は、使用時のボルト４との間の起こり得る運動を避けるように、ボルト４と一体であって、この場合、環状の穴１１の肩部２３及び穴２２の基部である歪みデータム１６のように、基準ピンの根元１２及び基準データム１５の両方が、ボルトの歪み可能部分７内にある。これは、ボルトを締めることによって荷重が調整されるときに変化する可能性のあるボルト４に対するナット２の位置によるあらゆる誤差を無くすのに役立ち、基準データム表面および歪みデータム表面をボルトがゼロ（または他の既知の）荷重の時に実質的に同一平面になるように機械加工ができるようにする。図１の歪みデータムは、歪み可能部分の長さ内に無いので、図１に示しているような配置におけるナット２の位置のそのような変化は、計測される歪みが発生しているボルト長さを効果的に変化させる。

また、図２において、ボルトの端部における穴２２に正確に揃っている計測工具２５上でのプローブ２４の使用は、計測の精度に貢献する。穴２２は、計測工具とボルト上のデータム表面との間の同心型のずれを減少させることができる。長さが十分で、プローブ２４に対する締まり嵌めの許容差の穴２２の使用も、角度のずれ（たとえば、図１に示している型）による基準データム１５と歪みデータム１６との間のあらゆる計測の誤差を最小化することを保証する。本出願者による先行文献は、データム表面の不一致による誤差を無くすことを保証するために、ボルトに対する計測工具の回転位置を割り出す選択肢も提供しており、そのような不一致の例は、基準ピン、ボルト、または計測工具プローブの主軸線に対するデータム表面の直角度の誤差、またはデータム表面の表面仕上げが不十分でボルトに対する工具の回転の向きに依存してプローブが表面上のさまざまな高い点を検出することである。図２に示している配置は、ボルトの荷重の計測について非常に高い精度と反復性を提供するが、ボルトの機械加工は簡単でも安価でもなく、歪み可能部分の内部のデータム表面に到達するのに必要なプローブの長さには、ボルトの端部とあらゆる周囲の構造つまり部品との間の相当な最小隙間が必要である。また、プローブの大きさは、比較的小さいボルトに収容するのが困難で、発明を適用可能なボルトの最小の大きさが限定される。

国際公開第２０１０／１４０００２号 国際公開第２０１６／０１５０９２号

そのため、既知の配置の少なくとも１個の欠点を克服するボルト内の荷重を測定するボルト及び／または工具を提供するのが好ましい。

本発明の第１の態様によれば、締結部品であって、第１の荷重受け部分及び第２の荷重受け部分と、第１及び第２の荷重受け部分の間の歪み可能部分と、歪みデータムを外側の端部に有している揃え凸部を有している計測端部と、締結部品の計測端部から延びており、締結部品の歪み可能部分内に位置している基準ピン根元肩部を有しているキャビティと、根元端部と基準端部とを有している基準ピンであって、基準ピンの根元端部はキャビティ内の基準ピン根元肩部に固定されており、基準ピンの基準端部は、基準データムを有している、つまり定めている基準ピンと、揃え凸部は、係合部分軸線長さに垂直な係合幅を有している係合部分を有しており、係合部分軸線長さは、係合幅の少なくとも０．９倍、または非円形外側輪郭の場合は断面積の平方根に少なくとも等しい、締結部品が提供される。

そのため、締結部品に作用する荷重、つまり歪み可能部分に作用する引張り荷重に依存して歪みデータムと基準データムとの間の軸線方向の距離が変化する。

締結部品の計測端部から延びているキャビティは、歪みデータムから、揃え凸部を通して、歪み可能部分内まで延びることができることが理解される。

たとえば、円柱状揃え凸部の円周表面及び外部基準データム及び歪みデータムの表面などの外部揃え表面を設けることには、内部の揃え、基準データムの表面、及び歪みデータムの表面よりも機械加工がより低価格であって、より小さい大きさのボルトで機械加工できるという利点がある。揃え表面の最小長さ、つまり、外部揃え凸部の係合部分の最小長さの使用は、内部の揃え穴の精度の利点の多くを依然として維持している。

揃え凸部は、締結部品の計測端部と一体であってもよい。

キャビティは、締結部品の歪み可能部分内に位置している歪み可能部分データム肩部をさらに有してもよく、締結部品は、歪み可能部分データム肩部接触端部と歪みデータム端部とを有しており、歪みデータム端部は、揃え凸部と歪みデータムとを有している歪みデータムスリーブをさらに有しており、たとえば、揃え凸部はスリーブと一体であって、スリーブの反対側の端部は、締結部品の残りの部分に固定されている。

本発明の１個または２個以上の態様は、締結部品であって、第１の荷重受け部分及び第２の荷重受け部分と、第１及び第２の荷重受け部分の間の歪み可能部分と、揃え凸部を有している計測端部と、締結部品の計測端部から延びているキャビティであって、基準ピン根元肩部と歪み可能部分データム肩部とを有し、基準ピン根元肩部と歪み可能部分データム肩部が締結部品の歪み可能部分内に位置しているキャビティと、根元端部と基準端部とを有している基準ピンであって、基準ピンの根元端部はキャビティ内の基準ピン根元肩部に固定されており、基準ピンの基準端部が基準データムを有している、あるいは定めている基準ピンと、歪み可能部分データム肩部接触端部と歪みデータム端部とを有しており、歪みデータム端部は、歪みデータムを有している、つまり定めている歪みデータムスリーブと、を有し、揃え凸部は、係合部分軸線長さに垂直な係合幅を有している係合部分を有しており、係合部分軸線長さは、係合幅の少なくとも０．９倍、または非円形外側輪郭の場合は断面積の平方根に少なくとも等しい、締結部品を提供してもよい。

締結部品の計測端部から延びているキャビティは、揃え凸部を通して、歪み可能部分内まで延びることができることが理解される。

揃え凸部は、計測工具と係合する外側の、円周の、つまり周辺の係合表面を有していてもよい。たとえば、凸部は、円柱状とすることが可能で、その場合、係合幅は、円柱状の凸部の直径となる。

基準ピンは、基準ピンの根元端部と、歪み可能部分と荷重受け部分との間の境界との間の、締結部品の計測端部に向かっている第１の部分と、第１の部分と基準ピンの基準端部との間の第２の部分とを有していてもよい。締結部品に荷重が作用していないときに、基準データムの最も高い点から歪みデータムの最も高い点までの軸線方向の距離は、基準ピンの第１の部分の軸線方向の長さの１／１０００未満、好ましくは１／２０００未満、または高い精度のためには好ましくは１／４０００未満であってもよい。

本発明の締結部品のあらゆる態様は、少なくとも２箇所での外側の輪郭によって囲まれている横断方向の断面積の平方根に少なくとも等しい軸線方向の間隔長さだけ離れている少なくとも２箇所で計測工具と係合するように構成されている揃え凸部を有していてもよい。

揃え凸部の係合部分軸線方向長さは、係合幅の少なくとも１．５倍であってもよい。揃え凸部は、少なくとも２箇所での外側の輪郭によって囲まれている断面積の平方根の少なくとも１．５倍の軸線方向の間隔長さだけ離れている少なくとも２箇所で計測工具に係合するように構成されていてもよい。揃え凸部の係合部分軸線方向長さは、係合幅の少なくとも２倍であってもよい。揃え凸部は、少なくとも２箇所での外側の輪郭によって囲まれている断面積の平方根の少なくとも２倍の軸線方向の間隔長さだけ離れている少なくとも２箇所で計測工具に係合するように構成されていてもよい。

揃え凸部の係合幅は、ＩＳＯ緩い動き嵌めｃ１１よりも広くない許容差を有していてもよい。その代わりに、揃え凸部の係合幅は、ＩＳＯ自由動き嵌め許容差ｄ９よりも広くない、ＩＳＯ締まり動き嵌め許容差ｆ７よりも広くない、ＩＳＯ摺動嵌め許容差ｇ６よりも広くない、またはＩＳＯ位置決め隙間嵌め許容差ｈ６よりも広くないよりきつい許容差を有していてもよい。本明細書で使用されるＩＳＯは、一般的に認識されている国際標準化機構（ＩＳＯ）及びＩＳＯによって設定されている関連する標準を指す。

締結部品は、工具を保持する保持部分または保護キャップを揃え凸部上に有していてもよい。

本発明の１個または２個以上の態様は、前述の締結部品の何れかと、揃え凸部を受け入れる揃えキャビティを有している計測工具とを有しているシステムを提供する。揃えキャビティと揃え凸部との間の嵌め合いは、最も緩い場合は動き嵌めであってもよい。たとえば、嵌め合いは、最も緩い場合、実質的に米国規格協会（ＡＮＳＩ）ＲＣ６動き嵌め、好ましくは、最も緩い場合、摺動嵌め、または計測精度の向上及び信頼性のために、最も緩い場合、締まり摺動嵌めであってもよい。

揃えキャビティは、揃え凸部の周囲に係合し、係合部分の軸線方向の係合長さについて、工具は、信号または読み出し値を生成するように構成されていることが好ましく、揃えキャビティ及び揃え凸部との間の嵌め合いは、たとえば、締結部品の主軸線に垂直な軸線を中心とした工具の回転に関連している信号または読み出し値の変動を減少させるか実質的に無くすように、工具が締結部品に実質的に揃っていることを保証してもよい。

締結部品および工具は、締結部品に対する工具の回転を制限するように連動可能な特徴を有していてもよい。たとえば、締結部品及び工具は、工具が信号または読み出し値を発生するように構成されている時に、（たとえば締結部品の主軸線を中心とした工具の回転に関連している）信号または読み出し値の変動が減少するか実質的になくなるように、締結部品に対する工具の実質的に一貫している回転位置を保証する特徴を有していてもよい。

締結部品の揃え凸部の係合部分の係合幅上及び工具の揃えキャビティの幅上の２点の許容差範囲は、傾斜度、直線性、及び同心度の変動が、揃えキャビティと揃え凸部との間の嵌め合いに対応する２点許容差範囲によって定められるエンベロープを超えないことを保証するエンベロープ要件指定子を各々が有していてもよい。

本発明の１個または２個以上の態様は、締結部品に作用する荷重を確認する方法を提供してもよく、計測工具は、荷重に対応している信号または読み出し値を生成するように構成されていてもよい。方法は、係合長さによって揃えキャビティが揃え凸部に係合するように、工具を締結部品に係合させ、嵌め合い及び係合長さは共に、工具の回転に関連している信号または読み出し値の変動を減少させるか実質的に無くすように工具と揃え凸部とが実質的に揃っていることを保証しているステップを有していてもよい。

本発明の１個または２個以上の態様は、締結部品に作用する荷重を確認する工具であって、工具を揃えるように揃え凸部に係合する揃えキャビティと、歪みデータムに接触する歪みデータム接触部分と、基準データムに接触する基準データム接触部分と、を有する工具を提供してもよい。

工具の揃えキャビティは、工具を揃えるＩＳＯ Ｈ９よりも広くない穴許容差を有していてもよい。その代わりに、揃えキャビティは、工具を揃えるために、ＩＳＯ許容差Ｈ８よりも広くない、ＩＳＯ許容差Ｈ７よりも広くない、またはＩＳＯ許容差Ｈ６よりも広くない穴許容差を有していてもよい。

工具は、変形可能部分と、歪みゲージと、をさらに有してもよく、歪みデータム接触部分と基準データム接触部分とは、変形可能部分から離れるようにそれぞれ延びており、歪みデータムまたは基準データムそれぞれに同時に係合するように互いに対して移動可能で、変形可能部分は、相対運動によって変形するように配置されており、歪みゲージは、変形の指標を提供するように配置されていてもよい。変形可能部分はダイアフラムであってもよい。

揃えキャビティは、係合幅と係合長さとを有してもよく、揃えキャビティの係合長さは、係合幅の少なくとも０．９倍または非円形外側輪郭の場合は揃えキャビティの断面積の平方根に少なくとも等しくてもよい。その代わりに、揃えキャビティの係合長さは、係合幅の少なくとも１．８倍または非円形外側輪郭の場合は揃えキャビティの断面積の平方根の２倍に少なくとも等しくてもよい。

工具は、工具を締結部品上に保持する保持部分をさらに有してもよい。その代わりに、または追加で、工具は、基準データム接触部分の１つを保持部分に対して偏倚させる偏倚部分をさらに有してもよい。

本発明の好ましい態様を示している添付の図面を参照して本発明をさらに説明するのは便利であろう。本発明の他の実施形態が可能であって、その結果、添付の図面の具体性は、本発明の前述の説明の一般性に置き換わるものと理解すべきではない。

図１は、従来技術のボルト及び計測工具の断面図である。 図２は、それらの間の揃えを実現する従来技術のボルト及び計測工具の断面図である。 図３は、本発明の実施形態のボルト及び計測工具の断面図である。 図４は、図３のボルトの断面図である。 図５は、図３の計測工具の断面図である。 図６は、本発明の代替の実施形態の計測工具の断面図である。 図７は、図５の計測工具及び本発明の実施形態の代替のボルトの断面図である。 図８は、図７のボルトの断面図である。 図９は、図５の計測工具及び本発明の実施形態の代替のボルトの断面図である。 図１０は、図９のボルトの断面図である。 図１１は、本発明の形態を実施するボルト及び計測工具の断面図である。 図１２は、本発明のさらなる実施形態のボルトの断面図である。 図１３は、図１１の計測工具の断面図である。

図３は、それらの間が歪み可能部分７であるボルトの第１及び第２の荷重受け部分５及び６を定めているナット２及び３を備えているボルト４を有しているボルト荷重計測配置３１を示している。ボルト荷重計測配置３１は、信号線５０によって荷重監視システム及び／または力表示装置５１に接続されている計測工具４０も有している。図４は、明確さのために計測工具を省略した図３のボルトだけを示しており、図５は、明確さのためにボルトを省略した図３の計測工具を示している。図３及び４において、基準ピン１０は、穴１１の根元に固定されるか、または一体であって、ピンはたとえば環状の穴１１の放電加工によって、または穴１１をドリル加工して穴の根元１２に基準ピン１０を溶接することによって形成されている。穴２２の肩部２３は、ボルト４の歪み可能部分７内に位置している歪み可能部分データム肩部を定めている。歪みデータムスリーブ３２は、歪み可能部分データム肩部２３に、好ましくは溶接によって固定されており、外側端部の位置に歪みデータム表面１６を有している。歪みデータムスリーブ３２は、歪みデータムスリーブの端部まで延びている基準ピン１０の周囲をそれが通過できるようにする穴３３を有している。基準データム１５は、基準ピン１０の外側の端部上にあって、歪みデータム１６は、歪みデータムスリーブ３２の外側の端部上にある。

歪みデータムスリーブの外側の端部は、図３では、計測工具４０がその上に係合している揃え凸部３４を有している。ボルトの通常動作時には（たとえば、ボルトの歪みつまり荷重の定格内では）、揃え凸部３４がボルト４の本体に決して干渉しないように、ボルト４の本体の端部と揃え凸部３４との間には隙間３５が残っている。凸部３４と工具４０との間の嵌め合いは、正確なデータム相対位置計測及びそのため正確な荷重計測のための揃え精度の達成には必須であるので、揃え凸部３４は、凸部３４の幅３８（たとえば、円柱状の揃え凸部については外側の直径表面３６）の効率的で正確な加工のためには、円柱状であることが好ましい。係合表面３６の両端部の間の長さは、計測工具４０と揃え凸部３４との間の最大の可能な係合長さ３７である。係合幅は、基準ピン１０つまりボルト４の主軸線１７に実質的に垂直であって、係合長さは、軸線方向、つまり基準ピン１０つまりボルト４の主軸線１７に実質的に揃っている。本質的に、係合接触は係合長さ３７のいずれかの端部の位置の点においてであって、そのため揃え凸部の中心部分は、くびれるようにしたり、無くしたりすることができる。計測工具４０の揃えが十分に正確になるように、係合長さ３７は、係合幅３８の少なくとも０．９倍（つまり揃え凸部の幅または直径の０．９倍）であることが必要であり、それは、係合長さ３７は、揃え凸部３４の外側表面３６を境界とする断面積の平方根に少なくとも等しいことが必要であるということとほぼ同じである。係合長さ３７は、揃え凸部３４の外側表面３６を境界とする断面積の平方根の少なくとも１．５倍、つまり係合幅３８の少なくとも１．５倍であることが好ましい。精度をさらに増加させるには、係合長さ３７は、揃え凸部３４の外側表面３６を境界とする断面積の平方根の少なくも２倍、２．５倍、またはそれどころか３倍（つまり、係合幅３８の２、２．５、またはそれどころか３倍）であることが好ましい。

計測工具の回転位置が固定されていないか、一般的な位置に割り出されていないときに、基準データムと歪みデータムとの間の軸線方向の距離の計測の変動を限定するために、基準データム表面及び歪みデータ表面の軸線方向の振れは、ボルトの歪み可能部分内にある基準ピン１０の機能長さ（つまり第１の部分）３９に比例して定まる最大の大きさであることが好ましい。基準ピンは、ボルト４の歪み可能部分７の非歪み長さ、より具体的には、基準ピン１０の根元１２と歪み可能部分データム肩部２３との間にある歪み可能部分の長さ３９に対する基準長さを提供し、たとえば、基準ピンの機能長さ３９は、ボルトが荷重下にないときの基準ピンの根元１２と歪み可能部分データム肩部２３との間の距離と同じ長さの基準ピンの第１の部分である。基準ピンの残りは、歪みデータムスリーブ３２が歪み可能部分データム肩部から歪みデータムスリーブの外側の端部上の歪みデータム表面１６までの剛性のある延長部分を提供するのとほとんど同じ態様で、歪み可能部分データム肩部２３と同一平面の基準ピン上の点から基準ピン１０の外側の端部上の基準データム１５までの剛性のある延長部分をまさに実質的に提供する。基準データム１５及び歪みデータム１６の表面の軸線方向の振れは、基準ピン１０の機能長さ３９の１００分の１（１／１００）未満であるのが理想的である。これは、両方のデータム表面の高い点の間の所望の軸線方向の最大距離の名目上１０倍に該当し、基準ピン１０に対する所望の直角度許容差限界内にデータム表面を維持して、揃え凸部に対する工具の回転位置が制限されないときに、相対データム位置の工具４０による計測値の変動を最小化するために設けられる。その代わりに、回転位置の特徴（不図示、しかし一方の部分のキー溝及び他方の部分のキー）を使用して、計測値が各データム表面上の一貫した点の間にあることを保証するように、計測工具の回転位置をボルトまたは揃え凸部に対して固定することができる。

同様に、データム表面が実施的に同一平面となるよう研削するか機械加工することができるように、指定された荷重、通常ゼロ荷重のときに、基準データム及び歪みデータムが実質的に同一平面上にある場合、基準データムと歪みデータムとの間の軸線方向の距離の計測によって、ナット２と３との間のボルトに作用する荷重に直接比例するそれらの間の相対変位が求められる。この場合に有用な正確な荷重の指標を得るためには、実質的に同一平面のデータム表面の許容差には、基準データム１５上の（計測工具４０が接触する）高い点と歪みデータム１６上の高い点との間の軸線方向の距離が基準ピン１０の機能長さ３９の千分の１（１／１０００）未満であることが必要である。基準データム１５上の高い点と歪みデータム１６上の高い点との間の軸線方向の距離の最大許容差は、基準ピン１０の機能長さ３９の２千分の１（１／２０００）未満であることが好ましく、より正確な荷重計測には、基準ピン１０の機能長さ３９の４千分の１（１／４０００）であることが好ましい。

計測工具とボルトとの間の角度のずれが許容可能な限界内にあることを保証して、図１に示している誤差を防止するために、揃え凸部３４の係合表面３６と基準ピン１０との間の半径方向の振れ全体は、理想的には、図５からわかる歪みデータム接触プレート４４の歪みデータム接触表面５１の外側の幅つまり外径５４を含んでいる所定の関数未満である。所定の関数は、基準ピン１０の係合長さ３７（たとえばＬ３７）と機能長さ３９（たとえばＬ３９）との積を５００と歪みデータム接触プレート４４の歪みデータム接触表面の外径５４（たとえばＬ５４）との積で除した結果、つまり次のようであることが望ましい。

工具とボルトとの間の所望の角度揃えを維持するために、計測工具４０の本体４１内の揃えキャビティの係合穴４２と揃え凸部３４の係合表面３６との間の嵌め合いが、係合穴に対してＨ９許容差及び揃え凸部係合幅に対してｅ８許容差が必要な米国規格協会（ＡＮＳＩ）クラスＲＣ６嵌め合い等の最も緩い動き嵌めであることを保証することが好ましい。計測結果の精度及び信頼性を増加させるために、係合穴許容差は、国際標準化機構（ＩＳＯ）緩い動き嵌めから、自由動き嵌め、容易な動き嵌め、摺動嵌め、締まり隙間嵌めに厳格化することができる。これらの嵌め合いは、２点許容差の対として一般的に指定されており、つまり、揃えキャビティ４３の係合穴４２または揃え凸部３４の係合幅３８の直線性（または、逆にうねり）を指定していないのに対して、各許容差に対するエンベロープ要件指定子の使用によって、揃え凸部と計測工具との間の嵌め合いに十分に直線性があることを保証することができる。たとえば、揃えキャビティに対する許容差は、ＩＳＯ許容差Ｈ９についてのＩＳＯ ８０１５によるエンベロープ要件を指定しているＨ９Ｅとして指定可能であって、つまり、エンベロープ要件指定子、つまり記号Ｅを使用すると、キャビティの穴がその長さに沿ってＨ９許容差窓内にあることが必要になって、基本的なＨ９許容差だけの穴には特に存在しない直線性要件が加わる。

計測工具４０を図５により詳細に示しており、検知素子をより明確に見ることができる。また、揃えキャビティ４３を、ボルトの揃え凸部の存在なしに、明確に見ることができる。揃えキャビティ４３の幅、つまり直径は、係合穴４２によって形成されている。計測工具がボルト上に無いときには、球４５は、ダイアフラム４６を撓ませない。しかし、使用時には、球４５が締結部品、つまりボルト上の基準データムに接触し、ダイアフラムに接触して撓ませ、ボルトが無荷重の時にダイアフラムの撓みが最大になる。使用時には、歪みデータム接触プレート４４上の歪みデータム接触表面５３には荷重が作用して、コイルばね４８によってボルト上の歪みデータム（図３及び４の１６）に接触する。歪みデータム接触プレート４４は、ダイアフラム４６を定位置に保持するキャリヤ４７に固定されている（この例ではねじ込まれている）。キャリヤ４７には、使用時に歪みデータム接触プレート４４と締結部品つまりボルト上の歪みデータムとの間の接触が確実ではあるが、計測値を歪ませる可能性があるほど強すぎることがないことを保証するように、コイルばね４８によってばね荷重が作用している。キャリヤ４７の計測工具４０の本体４１内での嵌め合いは、データム接触要素４４と４５を保持しているキャリヤ４７との間のずれを制限するように、十分にきつく許容差が設定されている必要があり、たとえば締まり摺動嵌めである。歪みゲージ４９は、ダイアフラム４６及び球４５に関連しているダイアフラムの歪みを計測し、歪みゲージは、（図３に示しているような）荷重監視システム及び／または力表示装置に信号線５０によって接続されている。

図５のキャリヤ４７の長さが限定されているので、キャリヤ４７と計測工具４０の本体４１との間のきつい許容差の嵌め合いが必要である。キャリヤ４７と本体４１との間のより緩い摺動嵌め合いを許容するために、キャリヤの長さを増加させるのが有利になる。これによって、図５の計測工具の長さが増加することになる。しかし、図６は、同じ歪みデータム接触プレート４４を有している代替の計測工具４０を示している。この計測工具において、キャリヤは、揃えスリーブ部分５５及びばね位置決め部分５６に分割されている。ここでは、揃え工具４０の係合穴４２は、キャリヤの揃えスリーブ部分によって形成されており、主軸線５７を有している。この配置によって、計測工具の係合穴４２の主軸線５７と図３及び４のボルトの基準ピン１０の主軸線１７との間のあらゆるずれに寄与する許容差を減少させることによって、ボルトデータム表面と工具計測表面との間の許容差の累積が減少し、計測工具４０の長さを短縮できる。コイルばねを、波形ばねなどのより短いばねに置き換えたり、計測工具４０の長さをさらに短縮するように、ばねを歪みデータム接触プレートの外側の周囲に移動すしたりすることができる。

図７は、締結部品つまりボルト４の代替の構成における同じ計測工具４０を示している。接触型式のボルト荷重計測配置３１は、図７の揃え凸部３４が、ここではボルト４の本体の一部であって、歪みデータムスリーブ３２の一部ではないことを除いて、図３に示している原理と同じ原理で動作する。そのため、歪みデータム１６は、揃え凸部の一部ではないが、依然として、歪みデータムスリーブ３２の外側の端部の位置にあって、計測工具４０の歪みデータム接触プレート４４は、揃え凸部３４には接触していないが、依然として、歪みデータム１６に（図５の記述で説明した歪みデータム接触表面５３の位置で）接触している。図７及び８に示しているように揃え凸部３４の係合幅３８及び長さ３７には、図３及び４の揃え凸部について説明したように、同じ嵌め合い、許容差、および関係が必要である。計測工具４０の本体４１とボルト４との間の軸線方向の隙間３５は、図５に関連して説明したように、ばね荷重が作用しているキャリヤ４７が歪みデータム接触プレート４４の所望の荷重を歪みデータムに作用させることができるように、工具がボルト４の本体上ではなく、揃え凸部３４の外側の端部上で底をつくことを保証するために存在している。

図３から１３のあらゆる配置において、ボルト４及び計測工具４０は、計測工具のボルト上の正しい軸線方向の位置が、計測工具の軸線方向の位置決め配置（不図示）によって決定できるように、保持配置を有することができる。この計測工具軸線方向位置決め配置は、計測工具４０をボルト４に対する固定された軸線方向の位置に偏倚させるつまり保持するように、一方の部分のばねクリップ及び他方の部分のチャネルを有することができる。その代わりに、工具がボルト上で軸線方向に保持されることを保証するように、工具がボルトにねじ込まれるように、ねじ山付きの部分を設けることができる。その代わりに、計測工具軸線方向位置決め配置は、回転の位置決めを実現するように溝に追従する玉軸受を有することができ、１個または２個以上の玉軸受は、計測工具をボルト上に保持するように、いったん着座したときに軸線方向の偏倚を実現するように戻り止めカップを有することができる。

図９は、締結部品つまりボルト４のさらなる代替の構成における図５と同じ計測工具４０を示している。接触形式のボルト荷重計測配置３１は、図３及び７に示している原理と同じ原理で動作する。しかし、この場合、揃え凸部３４は、ここではボルト４の本体の一部であって、歪みデータム表面１６を有しており、歪みデータムスリーブは存在しない。そのため、基準ピン１０の機能長さ３９は、ここでは、基準ピン１０の根元１２から歪み可能部分７と第１の荷重受け部分４との間の境界までの軸線方向の距離となる。歪み可能部分７と第１の荷重受け部分４との間の境界から基準データム表面１５までの基準ピンの残りの部分は、基準ピンを機能長さの端部から容易にアクセス可能な外部表面（基準データム表面１５）まで延ばすように作用する。同様に、基準ピン機能長さと比較されるのが有効な歪み可能部分の機能長さは、基準ピン１０用の穴１１の根元１２から歪み可能部分７と第１の荷重受け部分４との境界までの、機能長さ３９と同じ軸線方向の領域である。そのため、ナット２の軸線方向の位置はスタッドボルト４上で変化可能で、それが基準ピン１０の機能長さ３９及び基準ピンの機能長さと比較されるのが有効な歪み可能部分の機能長さを変化させることになり、両者は同じ向きに同時に変化する。そのため、基準データム１５及び歪みデータム１６の相対的な変位から計算される歪みの誤差は、図３及び７の構成における誤差よりも大きいが、用途によっては依然として許容可能であって、出願人の以前の国際特許出願公開で開示されていたもの以外のほとんどの従来の締結部品荷重計測配置よりもより反復可能な計測結果が依然とし得られる。

図９及び１０に示しているように揃え凸部３４の係合幅３８及び長さ３７にも、図３及び４の揃え凸部について説明したように、同じ嵌め合い、許容差、および関係が必要である。

図１０に示している図９のボルトは、図２、３、４、６、及び７のボルトよりも製造がより簡易であって、歪みデータムスリーブを作ったり、ボルトにデータムスリーブを受け入れる穴を形成したりする必要がない。穴１１をドリル加工することが可能で、それから、基準ピン１０を穴１１の根元１２に溶接または固定するか、たとえば、基準ピンをボルト材料から形成するように、環状孔１１を放電加工によって切削することができる。たとえば、揃え凸部の端部を研削することによって、歪みデータム及び基準データムとなる表面の非常に正確な仕上げが可能になり、それから、環状の穴１１を放電加工することによって基準ピン１０を形成することができる。これは、たとえば、軸線方向の振れの相対誤差を最小にするために、基準データム及び歪みデータムが共に機械加工されることを意味している。

図１１は、代替の計測工具４０及びスタットボルトではなく６角頭付きボルトである、さらなる代替のボルト４を示している。そのため、ボルト４の第１の荷重受け部分５は、ここでは、ボルトの頭６１内にある。基準ピン１０、歪みデータムスリーブ３２、及び揃え凸部３４の構成は図７及び８と同じである。図１１において、ボルト上のねじ部６２は、歪み可能部分７のほとんどにわたって、そして基準ピン１０の機能長さつまり第１の部分の周囲で連続している。しかし、ナット３が歪み可能部分７のほとんどを通してねじ込まれることは意図されていないので、これは必要ではない。そのため、図１２に示しているように、ボルトは、ねじ山の無いより長い軸６３を持つことができる。

図１１のボルト４及び計測工具４０は、ボルト上の揃え凸部３４に相対的な計測工具４０の軸線方向及び／または回転方向の位置を提供する保持配置７０も有している。図示の保持配置は、戻り止め球型であって、玉７３が計測工具４０の半径方向の穴７４内にあって、溝７５内のばねクリップによって内向きに弾性的に偏倚されている。計測工具４０は、揃え凸部３４上に挿入されているので、戻り止め玉７３は、揃え凸部内に形成されている溝つまりチャネル７１内に進入し、これによって軸線方向の位置決め機能が実現される。溝つまりチャネル７１は、計測工具軸線方向位置決め配置の保持部分を効果的に構成する。それから、揃え凸部内の戻り止めカップ７２に玉が係合するまで計測工具を回転させることが可能で、回転方向及び軸線方向の位置決めが実現される。図１２の保護キャップ６４も、キャップの軸線方向の位置を実現する溝つまりチャネル７１に係合するばね付勢戻り止め玉７３を有している。

図１２のボルトも、６角形の頭付きのボルトであるが、正方形の頭など把持可能な任意の形態の頭を使用可能である。歪みデータムスリーブを含まない基準ピン１０及び揃え凸部３４の構成は図９及び１０と同じである。揃え凸部を覆っている図示の保護キャップ６４は、係合表面３６、基準データム１５、及び歪みデータム１６を腐食や他の損傷から保護するのを助け、ごみが環状孔１１に進入するのを防止するように設けられていることが好ましい。

図１１の計測工具４１をより詳細に図１３に示しており、図５の計測工具と同様であるが、（ボルト上の基準データム及びダイアフラム４６に接触するように設けられている）玉４５がピン６６に置き換えられている。同様に、歪みデータム接触プレート４４は、ピン６６の周囲に軸線方向に延びている筒状の部分つまりスリーブ６７を有している。工具４０の揃えが前述のような所望の許容差内となるように、係合穴４２を構成している揃えキャビティ４３が設けられている。ダイアフラム４６、キャリヤ４７、ばね４８、及び歪みゲージ４９等の残りの部品は、前述のように動作する。図５のように、計測工具４０がボルトに係合していないときは、ばね４８はキャリヤ４７を工具の本体４１に軸線方向に接触するように付勢する。ピン６６は、ダイアフラムを撓ませないか、または少なくとも計測工具が使用中ほどには撓ませない。スリーブ６７及びピン６６の係合穴４２に対するどのようなずれも、揃え凸部３４の外側表面３６、計測工具４０の係合穴４２、及び基準ピンの主軸線（図１１及び１２の１７）の間のずれを増加させる。そのため、計測工具の本体４１内でのスリーブ６７の嵌め合い及びスリーブ６７が本体４１に係合する長さは、基準データム表面及び歪みデータム表面１５及び１６と、それらのデータムに接触する計測工具表面、たとえば球４５の表面及びプレート４４上の歪みデータム接触表面との間の全体の許容差の範囲に影響する。

図３、４、７、８、及び１１の歪みデータムスリーブは、図２の歪みデータム表面を歪み可能部分の内部からボルトの外側の端部まで効果的に延ばしており、図２の従来技術の配置ほど正確ではないものの、図１、及び図９、１０、及び１２のように歪み可能部分と歪みデータム１６との間にボルト４の第１の荷重受け部分５が含まれるよりも正確な荷重計測を達成するには依然として好ましい。しかし、図９から１２の揃え凸部の特徴は、信頼性の高い荷重計測を達成できるので、依然として図１よりも好ましい。図３、４、及び７から１２の揃え凸部の特徴は、ボルト上で計測工具４０と基準データム表面１５及び歪みデータム表面１６との間の半径方向及び角度方向の揃えの両方を実現する。半径方向の揃えは、計測表面と工具と間の同心性を保証するのに役立つ。角度方向の揃えは、計測工具が計測表面に垂直であることを保証するのに役立つ。角度方向の揃えは、計測表面及びデータム表面の厳格な振れ許容差設定と共に、計測の信頼性を大きく改善する。これが、今度は、計測結果の反復性、つまり、ボルト荷重計測の精度を改善する。ボルトに荷重が作用していないときに、基準データム表面１５及び歪みデータム表面１６が実質的に同一平面であることを保証する厳格な振れの許容差の設定によって、各ボルトの初期長さの計測、すべてのボルトについての初期長さ計測値の記録の保持、及び歪みを計測しボルト上の荷重を計算する時に特定のボルトについての初期長さ計測値の参照の必要性を無くすこともできる。

Claims (28)

1. 締結部品であって、
   第１の荷重受け部分及び第２の荷重受け部分と、
   第１及び第２の荷重受け部分の間の歪み可能部分と、
   歪みデータムを外側の端部に有している揃え凸部を有している計測端部と、
   締結部品の計測端部から延びており、締結部品の歪み可能部分内に位置している基準ピン根元肩部を有しているキャビティと、
   根元端部と基準端部とを有している基準ピンであって、基準ピンの根元端部はキャビティ内の基準ピン根元肩部に固定されており、基準ピンの基準端部は、基準データムを有している基準ピンと、
   を有し、
   揃え凸部は、少なくとも１つの周辺の係合表面を有する係合部分を有し、前記係合部分は、前記少なくとも１つの周辺の係合表面によって少なくとも一部が定義される係合幅を有し、前記係合幅は係合部分軸線長さに垂直であり、前記係合部分軸線長さは、係合幅の少なくとも０．９倍、または非円形外側輪郭の場合は断面積の平方根に少なくとも等しい、
   締結部品であって、
   前記揃え凸部の係合幅は、ＩＳＯ ｃ１１よりも広くない許容差を有している、締結部品。
2. 揃え凸部は、締結部品の計測端部と一体である、請求項１に記載の締結部品。
3. キャビティは、締結部品の歪み可能部分内に位置している歪み可能部分データム肩部をさらに有し、
   歪み可能部分データム肩部接触端部と歪みデータム端部とを有する歪みデータムスリーブであって、歪みデータム端部は、揃え凸部と歪みデータムとを有している歪みデータムスリーブをさらに有する、
   請求項１に記載の締結部品。
4. 締結部品であって、
   第１の荷重受け部分及び第２の荷重受け部分と、
   第１及び第２の荷重受け部分の間の歪み可能部分と、
   揃え凸部を有している計測端部と、
   締結部品の計測端部から延びており、基準ピン根元肩部と歪み可能部分データム肩部とを有し、基準ピン根元肩部と歪み可能部分データム肩部とは締結部品の歪み可能部分内に位置しているキャビティと、
   根元端部と基準端部とを有している基準ピンであって、基準ピンの根元端部はキャビティ内の基準ピン根元肩部に固定されており、基準ピンの基準端部は、基準データムを有している基準ピンと、
   歪み可能部分データム肩部接触端部と歪みデータム端部とを有する歪みデータムスリーブであって、歪みデータム端部は、歪みデータムを有している歪みデータムスリーブと、
   を有し、
   揃え凸部は、少なくとも１つの周辺の係合表面を有する係合部分を有し、前記係合部分は、前記少なくとも１つの周辺の係合表面によって少なくとも一部が定義される係合幅を有し、前記係合幅は係合部分軸線長さに垂直な係合幅であり、前記係合部分軸線長さは、係合幅の少なくとも０．９倍、または非円形外側輪郭の場合は断面積の平方根に少なくとも等しい、締結部品であって、
   前記揃え凸部の係合幅は、ＩＳＯ ｃ１１よりも広くない許容差を有している、締結部品。
5. 揃え凸部は、計測工具と係合する外側の係合表面を有している、請求項１または４に記載の締結部品。
6. 基準ピンは、基準ピンの根元端部と、歪み可能部分と荷重受け部分との間の境界との間の、締結部品の計測端部に向かっている第１の部分と、第１の部分と基準ピンの基準端部との間の第２の部分とを有している、請求項１または４に記載の締結部品。
7. 締結部品に荷重が作用していないときに、基準データムの最も高い点から歪みデータムの最も高い点までの軸線方向の距離は、基準ピンの第１の部分の軸線方向の長さの１／１０００未満である、請求項６に記載の締結部品。
8. 揃え凸部は、少なくとも２箇所での外側の輪郭によって囲まれている横断方向の断面積の平方根に少なくとも等しい軸線方向の間隔長さだけ離れている前記少なくとも２箇所で計測工具と係合するように構成されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の締結部品。
9. 揃え凸部の係合部分軸線方向長さは、係合幅の少なくとも１．５倍であって、揃え凸部は、少なくとも２箇所での外側の輪郭によって囲まれている断面積の平方根の少なくとも１．５倍の軸線方向の間隔長さだけ離れている前記少なくとも２箇所で計測工具に係合するように構成されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の締結部品。
10. 揃え凸部の係合部分軸線方向長さは、係合幅の少なくとも２倍であって、揃え凸部は、少なくとも２箇所での外側の輪郭によって囲まれている断面積の平方根の少なくとも２倍の軸線方向の間隔長さだけ離れている前記少なくとも２箇所で計測工具に係合するように構成されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の締結部品。
11. 前記揃え凸部の係合幅は、ＩＳＯ ｄ９よりも広くない許容差を有している、請求項１から４のいずれか１項に記載の締結部品。
12. 揃え凸部の係合幅は、ＩＳＯ ｈ６よりも広くない許容差を有している、請求項１から４のいずれか１項に記載の締結部品。
13. 締結部品は、工具を保持する保持部分または保護キャップを揃え凸部上に有している、請求項１から４のいずれか１項に記載の締結部品。
14. 請求項１または４に記載の締結部品と、
    揃え凸部を受け入れる揃えキャビティを有している計測工具と、
    を有し、
    揃えキャビティと揃え凸部との間の嵌め合いは、動き嵌めよりも広くない許容差を有する、
    システム。
15. 揃えキャビティは、揃え凸部の周囲に係合し、計測工具は、信号または読み出し値を生成するように構成されており、揃えキャビティ及び揃え凸部との間の嵌め合いは、信号または読み出し値の変動を減少させるか無くすように、計測工具が締結部品に揃っていることを保証する、請求項１４に記載のシステム。
16. 締結部品および計測工具は、締結部品に対する計測工具の回転を制限するように連動可能な特徴を有している、請求項１４に記載のシステム。
17. 締結部品の揃え凸部の係合部分の係合幅上及び工具の揃えキャビティの幅上の２点の許容差範囲は、傾斜度、直線性、及び同心度の変動が、揃えキャビティと揃え凸部との間の嵌め合いに対応する２点許容差範囲によって定められるエンベロープを超えないことを保証するエンベロープ要件指定子を各々が有している、請求項１４に記載のシステム。
18. 請求項１４に記載のシステムにおいて、請求項１または４に記載の締結部品に作用する荷重を確認する方法であって、
    計測工具は、前記荷重に対応している信号または読み出し値を生成するように構成され
    ており、
    係合長さによって揃えキャビティが揃え凸部に係合するように、工具を締結部品に係合させ、嵌め合い及び係合長さは共に、工具の回転に関連している信号または読み出し値の変動を減少させるか実質的に無くすように工具と揃え凸部とが実質的に揃っていることを保証しているステップ
    を有する方法。
19. 請求項１または４に記載の締結部品に作用する荷重を確認する工具であって、
    工具を揃えるように揃え凸部に係合する揃えキャビティと、
    歪みデータムに接触する歪みデータム接触部分と、
    基準データムに接触する基準データム接触部分と、
    を有する、
    工具。
20. 揃えキャビティは、工具を揃えるＩＳＯ Ｈ９よりも広くない穴許容差を有している、請求項１９に記載の工具。
21. 揃えキャビティは、工具を揃えるＩＳＯ Ｈ６よりも広くない穴許容差を有している、請求項１９または２０に記載の工具。
22. 変形可能部分と、
    歪みゲージと、
    をさらに有し、
    歪みデータム接触部分と基準データム接触部分とは、変形可能部分から離れるようにそれぞれ延びており、歪みデータムまたは基準データムそれぞれに同時に係合するように互いに対して移動可能で、
    変形可能部分は、相対運動によって変形するように配置されており、
    歪みゲージは、変形の指標を提供するように配置されている、
    請求項１９に記載の工具。
23. 変形可能部分はダイアフラムである、請求項２２に記載の工具。
24. 揃えキャビティは、係合幅と係合長さとを有しており、揃えキャビティの係合長さは、係合幅の少なくとも０．９倍または非円形外側輪郭の場合は揃えキャビティの断面積の平方根に少なくとも等しい、請求項１９に記載の工具。
25. 揃えキャビティは、係合幅と係合長さとを有しており、揃えキャビティの係合長さは、係合幅の少なくとも１．８倍または非円形外側輪郭の場合は揃えキャビティの断面積の平方根の２倍に少なくとも等しい、
    請求項１９または２４に記載の工具。
26. 工具を締結部品上に保持する保持部分をさらに有する、請求項１９に記載の工具。
27. 基準データム接触部分の１つを本体に対して偏倚させる偏倚部分をさらに有する、請求項１９に記載の工具。
28. 前記揃え凸部の係合幅は、ＩＳＯ ｈ６よりも広くない許容差を有している、請求項１１に記載の締結部品。

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