JP7318757B1

JP7318757B1 - 締結ボルト

Info

Publication number: JP7318757B1
Application number: JP2022044962A
Authority: JP
Inventors: 裕太朗高倉; 健次郎箱本; 太郎瀬川
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2022-03-22
Filing date: 2022-03-22
Publication date: 2023-08-01
Anticipated expiration: 2042-03-22
Also published as: JP2023139431A

Abstract

【課題】共振現象によって発生する応力を締結ボルトによって抑制する。【解決手段】外力が入力可能な被締結部を締結する締結ボルトは、ネジが形成された軸部１０と、軸部１０の軸方向一端側と連結され、六角部２２及びフランジ部２６を有する頭部２０を備える。頭部２０の高さが、六角部２２の対向する２つの側面の幅の５０％～６０％の大きさであり、フランジ部２６のアンダーカットの深さが、フランジ部２６の厚さの５０％～１００％の大きさである。【選択図】図１

Description

本発明は、被締結部を締結する締結ボルトに関する。

下記の特許文献１には、エンジンの構成部材の振動を抑制するために、当該構成部材（被締結部）に挿入されるボルトと、ボルトが遊嵌するボスとを備えた防振構造が開示されている。

特開２０１３－２４１９４９号公報

ところで、被締結部である構成部材は、固有振動数を有している。このため、外部からの入力によって共振現象が発生し、構成部材に応力が発生してしまう。共振現象を抑制するために、締結部位を増やす方策も検討されうるが、この場合には、部品点数が増加してしまう。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、共振現象によって発生する応力を締結ボルトによって抑制することを目的とする。

本発明の一の態様においては、外力が入力可能な被締結部を締結する締結ボルトであって、ネジが形成された軸部と、前記軸部の軸方向一端側と連結され、六角部及びフランジ部を有する頭部と、を備え、前記頭部の高さが、前記六角部の対向する２つの側面の幅の５０％～６０％の大きさであり、前記フランジ部のアンダーカットの深さが、前記フランジ部の厚さの５０％～１００％の大きさである、締結ボルトを提供する。

また、前記頭部の高さが、前記六角部の対向する２つの側面の幅の５０％～５５％の大きさであることとしてもよい。

また、前記フランジ部のアンダーカットの深さが、前記フランジ部の厚さの９０％～１００％の大きさであることとしてもよい。

また、前記フランジ部の直径は、前記軸部のネジ部の外径の２０５％～２３０％の大きさであり、前記フランジ部の下面は、前記軸方向に直交する直交面と成す角度が０．０２°～０．３の大きさである傾斜面となっていることとしてもよい。

本発明によれば、共振現象によって発生する応力を締結ボルトによって抑制できるという効果を奏する。

一の実施形態に係る締結ボルト１の構成を説明するための模式図である。フランジ部２６及びアンダーカット３０の構成を説明するための模式図である。頭部高さＬ１の二面幅Ｌ２に対する比率と応力抑制との関係を説明するためのグラフである。アンダーカット深さＬ３のフランジ厚さＬ４に対する比率と応力抑制との関係を説明するためのグラフである。フランジ径Ｌ５のネジ呼び径Ｌ６に対する比率と応力抑制との関係を説明するためのグラフである。フランジ部２６のフランジ下面角度θの大きさと応力抑制との関係を説明するためのグラフである。

＜締結ボルトの構成＞
一の実施形態に係る締結ボルトの構成について、図１及び図２を参照しながら説明する。

図１は、一の実施形態に係る締結ボルト１の構成を説明するための模式図である。図２は、フランジ部２６及びアンダーカット３０の構成を説明するための模式図である。なお、図１（ａ）には締結ボルト１の正面図が示され、図１（ｂ）には締結ボルト１の側面図が示されている。

締結ボルト１は、外力が入力可能な被締結部を締め付けて固定する機械要素である。締結ボルト１は、例えばナットと協働して被締結部を挟んで締める。締結ボルト１は、一例として、エンジンの構成部材の締め付けに用いられる。

締結ボルト１は、ここでは六角ボルトである。締結ボルト１は、図１（ａ）に示すように、軸部１０と、頭部２０を有する。

軸部１０は、雄ネジが形成されたネジ部１２を有する。ネジ部１２は、軸部１０の先端側のみに形成されていてもよく、軸部１０のほぼ全てに形成されていてもよい。図１（ａ）のＬ６は、ネジ部１２の外径を示す。

頭部２０は、軸部１０の軸方向一端側と連結されている。図１（ａ）のＬ１は、頭部２０の高さを示す。頭部２０は、図１（ｂ）に示すように、六角部２２と、フランジ部２６を有する。

六角部２２は、例えばスパナで回される部分である。六角部２２は、互いに対向する２つの側面を３組有する。図１（ｂ）のＬ２は、２つの側面の幅（以下、二面幅とも呼ぶ）を示す。

フランジ部２６は、頭部２０の座面に形成されている。図２のＬ５は、フランジ部２６の直径を示し、図１（ａ）のＬ４は、フランジ部２６の厚さを示す。フランジ部２６と軸部１０の連結部には、図２に示すように、アンダーカット３０が形成されている。図２のＬ３は、アンダーカット３０の深さを示す。

また、フランジ部２６の下面２６ａは、図２に示すように、軸部１０の軸方向と直交する直交面に対して傾斜した傾斜面となっている。図２のθは、下面２６ａの傾斜角度（以下、フランジ下面角度とも呼ぶ）を示す。

本実施形態では、被締結部での共振現象で発生する応力のバラツキを抑制するために、締結ボルト１の頭部２０の高さと、フランジ部２６のアンダーカット３０の深さを以下のように設定している。具体的には、頭部２０の頭部高さＬ１が、六角部２２の二面幅Ｌ２に対して所定範囲の大きさになるように設定されている。また、アンダーカット３０のカット深さＬ３が、フランジ部２６のフランジ厚さＬ４の所定範囲の大きさになるように設定されている。

図３は、頭部高さＬ１の二面幅Ｌ２に対する比率と応力抑制との関係を説明するためのグラフである。グラフの横軸が、頭部高さＬ１の二面幅Ｌ２に対する比率を示し、グラフの縦軸が、応力の安定性指標（以下、単に安定性指標と呼ぶ）を示す。グラフの黒点は、頭部高さＬ１と二面幅Ｌ２の比率を変えて実験した際の安定性指標の値をプロットしたものである。なお、安定性指標は、「JIS Z 9061 新技術及び新製品開発プロセスのための統計的方法の応用―ロバストパラメータ設計（ＲＰＤ）」に従い実施したパラメータ設計より求めた指標である。安定性指標（ＳＮ比ｄｂ）のＳＮ比は、一般にデシベル値で表され、ロバストネスの指標としてのＳＮ比の単位記号は「ｄｂ」を用いる。ＳＮ比の真数は、分数又は変動係数のようなばらつきの尺度の逆数である。すなわち、安定性指標が大きくなると、締結ボルト１の減衰性能のバラツキが小さくなることを意味する。

この実験において、安定性指標の大きさがＴ１以上である場合に、共振現象で発生する応力のバラツキを抑制しうることが分かった。このため、頭部高さＬ１の二面幅Ｌ２に対する比率は、６０（％）以下であることが望ましい。一方で、締結ボルト１の汎用工具としての締め付けを考慮すると、頭部高さＬ１の二面幅Ｌ２に対する比率は、５０％以上であることが望ましい。
このため、汎用工具として締結ボルト１で被締結部を締結する場合には、頭部２０が被締結部に追従して応力のバラツキを抑制するために、頭部２０の頭部高さＬ１は、六角部２２の二面幅Ｌ２の５０％～６０％の大きさであることが望ましい。好ましくは、頭部２０の頭部高さＬ１が、六角部２２の二面幅Ｌ２の５０％～５５％の大きさである。なお、上記範囲では、頭部高さＬ１の二面幅Ｌ２に対する比率が５０％である場合に、安定性指標が最も高い。

図４は、アンダーカット深さＬ３のフランジ厚さＬ４に対する比率と応力抑制との関係を説明するためのグラフである。グラフの横軸が、アンダーカット深さＬ３のフランジ厚さＬ４に対する比率を示し、グラフの縦軸が、応力の安定性指標を示す。グラフの黒点は、アンダーカット深さＬ３とフランジ厚さＬ４の比率を変えて実験した際の安定性指標の値をプロットしたものである。

この実験において、安定性指標の大きさがＴ２以上である場合に、共振現象で発生する応力のバラツキを抑制しうることが分かった。このため、アンダーカット深さＬ３のフランジ厚さＬ４に対する比率は、５０％以上であることが望ましい。一方で、締結ボルト１の生産性を考慮すると、アンダーカット深さＬ３のフランジ厚さＬ４に対する比率は、１００％以下であることが望ましい。
このため、生産性が高い締結ボルト１で被締結部を締結する場合には、フランジ部２６が被締結部に追従して応力のバラツキを抑制するために、フランジ部２６のアンダーカット深さＬ３が、フランジ部２６のフランジ厚さＬ４の５０％～１００％の大きさであることが望ましい。好ましくは、フランジ部２６のアンダーカット深さＬ３が、フランジ厚さＬ４の９０％～１００％の大きさである。なお、上記範囲では、アンダーカット深さＬ３のフランジ厚さＬ４に対する比率が１００％である場合に、安定性指標が最も高い。

また、本実施形態では、被締結部での共振現象で発生する応力を大きく減衰するために、締結ボルト１のフランジ部２６の直径と、フランジ部２６のフランジ下面角度を以下のように設定している。具体的には、フランジ部２６の直径であるフランジ径Ｌ５が、ネジ部１２の外径であるネジ呼び径Ｌ６の所定範囲の大きさになるように設定されている。また、フランジ部２６のフランジ下面角度θが、所定範囲の角度に設定されている。

図５は、フランジ径Ｌ５のネジ呼び径Ｌ６に対する比率と応力抑制との関係を説明するためのグラフである。グラフの横軸が、フランジ径Ｌ５のネジ呼び径Ｌ６に対する比率を示し、グラフの縦軸が、応力を抑える指標（以下、応力抑制指標と呼ぶ）を示す。グラフの黒点は、フランジ径Ｌ５とネジ呼び径Ｌ６の比率を変えて実験した際の応力抑制指標の値をプロットしたものである。応力抑制指標も、安定性指標と同様に、パラメータ設計より求めた指標である。応力抑制指標の感度は、一般にデシベル（ｄｂ）値で表す。動特性の場合、線形係数をβで表した時に、感度は、単位記号に係る効果の大きさβ^２で表される。応力抑制指標が大きくなると、ボルトの減衰性能が大きくなることを意味する。

この実験において、応力抑制指標の大きさがＴ３以上である場合に、共振現象で発生する応力が減衰しうることが分かった。このため、フランジ径Ｌ５のネジ呼び径Ｌ６に対する比率は、２０５％以上であることが望ましい。一方で、フランジ径Ｌ５が大きくすぎることによる干渉を防ぐことを考慮すると、フランジ径Ｌ５のネジ呼び径Ｌ６に対する比率は、２３０％以下であることが望ましい。
このため、締結ボルト１が干渉することなく応力を減衰するために、フランジ部２６が被締結部と接触する面積を増やすべく、フランジ部２６のフランジ径Ｌ５は、ネジ部１２のネジ呼び径Ｌ６の２０５％～２３０％の大きさであることが望ましい。好ましくは、フランジ部２６のフランジ径Ｌ５は、ネジ部１２のネジ呼び径Ｌ６の２０５％～２１５％の大きさである。なお、上記範囲では、フランジ径Ｌ５のネジ呼び径Ｌ６に対する比率が２１５％である場合に、応力抑制指標が最も高い。

図６は、フランジ部２６のフランジ下面角度θの大きさと応力抑制との関係を説明するためのグラフである。グラフの横軸が、フランジ下面角度θの大きさを示し、グラフの縦軸が、応力抑制指標を示す。グラフの黒点は、フランジ下面角度θの大きさを変えて実験した際の応力抑制指標の値をプロットしたものである。

この実験において、応力抑制指標の大きさがＴ４以上である場合に、共振現象で発生する応力が減衰しうることが分かった。このため、フランジ下面角度θは、０．３°以下であることが望ましい。一方で、締結ボルト１の締め付け性を考慮すると、フランジ下面角度θは、０．０２°以上であることが望ましい。
このため、締結ボルト１の締め付け性を損なわずに応力を減衰するために、被締結部と接触するフランジ部２６の下面２６ａの圧力を分散すべく、フランジ部２６のフランジ下面角度θは、０．０２°～０．３の大きさであることが望ましい。好ましくは、フランジ下面角度θは、０．０２°～０．１の大きさである。なお、上記範囲では、フランジ下面角度θが０．０２°である場合に、応力抑制指標が最も高い。

＜本実施形態における効果＞
上述した実施形態の締結ボルト１において、頭部２０の頭部高さＬ１は、六角部２２の二面幅Ｌ２の５０％～６０％の大きさであり、フランジ部２６のアンダーカット深さＬ３は、フランジ部２６のフランジ厚さＬ４の５０％～１００％の大きさである。
上述した締結ボルト１の頭部高さＬ１及びアンダーカット深さＬ３を設定することにより、共振現象時に頭部２０及びフランジ部２６が被締結部に追従しやすくなり、共振現象で発生する応力のバラツキを抑制できる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。

１締結ボルト
１０軸部
２０頭部
２２六角部
２６フランジ部
２６ａ下面
３０アンダーカット

Claims

外力が入力可能な被締結部を締結する締結ボルトであって、
ネジが形成された軸部と、
前記軸部の軸方向一端側と連結され、六角部及びフランジ部を有する頭部と、
を備え、
前記頭部の高さが、前記六角部の対向する２つの側面の幅の５０％～６０％の大きさであり、
前記フランジ部と前記軸部の連結部に形成されたアンダーカットの深さが、前記フランジ部の厚さの５０％～１００％の大きさであり、
前記フランジ部の外周面の下端と前記アンダーカットとを繋ぐ下面は、前記軸方向に直交する直交面と成す角度が０．０２°～０．１°の大きさである傾斜面となっている、
締結ボルト。
前記頭部の高さが、前記六角部の対向する２つの側面の幅の５０％～５５％の大きさである、
請求項１に記載の締結ボルト。
前記フランジ部のアンダーカットの深さが、前記フランジ部の厚さの９０％～１００％の大きさである、
請求項１又は２に記載の締結ボルト。
前記フランジ部の直径は、前記軸部のネジ部の外径の２０５％～２３０％の大きさである、
請求項１から３のいずれか１項に記載の締結ボルト。