JP7397495B2 - 耐疲労・耐緩み防止機能を備えたボルト構造およびボルト構造を適用したネジ締結体 - Google Patents

Description

本発明は、各種機械装置、鉄橋、建築物、建設機械、各種搬送機器、電気製品、各種エンジンなどの内燃機関、風力発電装置等の稼働または外部から振動を受ける部材の接合部に使用されるボルト構造およびそのボルトを使用したネジ締結体に関する。

従来、かかる分野で用いられるボルト及びナットを用いたネジ締結体は、同一箇所に複数本使用され、これらが緩まなければ使用中に破損することはほとんど考えられなかった。また、ボルトはテーパー効果（楔効果）により厚い部材でも強力な締付けを行うことができるとともに簡単な工具で容易に緩ませることができ、物の組立や分解が容易にできるという優れた特徴を有している。

ボルト及びナットを用いたネジ締結体は、繰返し荷重が加えられる条件下で使用されることが多いため、締結当初は所定のトルクで適切に締結されていても、長期にわたる使用期間中の外部応力（振動や温度変化などの荷重変動）によりボルト緩みが発生し、しばしば疲労破壊が発生するという問題があった。

特に、振動部材の接合部に使用されるボルト及びナットを用いたネジ締結体は、長期使用時に外部荷重が繰り返されることで緩みが発生していた。従来、長期使用によるネジ締結体が緩む問題に対しては、定期的に緩みに対する点検を行い、緩んでいる箇所を締め直すなどのメンテナンスで対応していた。

かかる問題を解消するために、緩み防止機能を有する種々のボルト及びナットが研究開発されている。

二重ネジボルトは、その例の一つである。特許文献１には、同一個所に並目および細目のネジを加工し、それぞれに対応して内側に並目、外側に細目のナットを螺合させることで、極めて緩み難いボルトとナットの締結体を構成している（特許文献１）。

また、他の緩み防止機能を有するネジ締結体としては、一般に「モーションタイト」（商標登録第５１２０９８５号、商標登録第５３６２１４０号）と呼ばれるボルトがある。これは、ボルトの雄ネジ部のネジ山を頭部側にわざと傾かせ、雌ネジと螺合した際に、雄ネジ部の傾いたネジ山の面と、雌ネジ部のネジ山の面を摺接せしめるように構成したものである。すなわち、雄ネジ部のネジ山の先端部分が、雌ネジ部のネジ山の付け根部分、すなわち谷底近傍で摺接することにより、耐緩み性の効果を生じせしめようとするものである（特許文献２）。
しかし、特許文献２に記載の雄ネジは、「耐緩み」には効果があるが、雄ネジのネジ山間の谷底に生起される荷重が引張応力であるため、「耐疲労」には効果がない。

特開２００９－１７４５６４号公報 再表２０１０－０９２８１７号公報

しかし、特許文献１に係るボルトを用いた締結体は、通常、振動などの繰返し荷重が加えられるところに使用されていることが多いもののボルトの疲労破壊を完全に防止できる機構ではなかった。

すなわち、繰返し荷重が加わった場合、締結体の締結部が緩みにくいという効果はあるものの、ボルトそのものの疲労強度を向上させる構成はなく、現状のネジ締結体よりもボルト本数の減少、安全・安心のネジ締め効果の確保やメンテナンス・フリーといった効果までは期待することができなかった。

また、このネジ締結体は、少なくとも二種類のナットを使用しなければならないので、作業性、コスト及び重さ等の点において、必ずしもユーザーの満足を得るに足るものとはいえなかった。さらに、かかるネジ締結体は、埋め込みネジには適用できないという問題があった。

また、特許文献２に係る締結部材および締結構造におけるボルトは、ボルトのネジ山とナットのネジ山とが弾性的に螺合し、締結後にお互いに軸方向に反発力を生じせしめるものであるため、その発生した反発力により、お互いのネジ山の摩擦力を向上して緩み止め効果を奏するものである。

しかし、このように形成されたボルトには、次のような問題がある。
（１）このようなボルトは、一般的に、引張応力を受けるナット端部に位置するボルトのネジ山の付け根部において、ネジ山の弾性変形により大きな引張残留応力が発生するため、締結後の繰返し応力によって疲労破壊が発生する虞がある。
さらに（２）このようなボルトは、完全ネジ山でないネジ山を有する、いわゆる「耐疲労ボルト」（特許第４７０１２５３号、特許第４９７７１７８号）には、非完全ネジ部近傍においてボルトのネジ山とナットのネジ山の摺接面積が少ないため、適用しても十分な効果を発揮することができない虞がある。

なお、「耐疲労ボルト」とは、ボルト円筒部側に位置するネジ山の頂部が一部除去されボルト頭部側又はボルト円筒部側に向かってネジ山外径が縮径したテーパー部と、テーパー部の最小径部からボルト頭部側又はボルト円筒部側に向かって緩やかな円弧状に形成された不完全ネジ除去部と、を有するボルトのことである。

本発明は、かかる従来の問題点を解決するためになされたものであり、疲労強度に優れたボルトに簡単なメカニズムで緩みにくい特性を付与せしめることで、従来にない安全性、信頼性に優れた耐疲労・耐緩み性を備えたボルト構造およびボルト構造を適用したネジ締結体を提供するものである。
これにより、物の締結に使用するボルトの数を減少し、さらに、ボルトを締結するための孔の加工や、当該孔へのボルトの締結作業の工数を削減しつつ、メンテナンス・フリー等による大幅なコスト低減に寄与することができる。

ここで、ボルトの疲労強度を支配する一般的要因について説明する。
［表１］は、ボルトの疲労強度が低下する要因とその対策および効果についてまとめたものである。疲労強度が低下する要因としては、（１）ボルトの各ネジ山に生起される荷重が不均一であること、（２）ボルトの各ネジ山間の谷底に引張り応力が集中すること、（３）ボルトの各ネジ山に曲げ応力が集中すること、（４）片当り、の４つを挙げることができる。

本発明は、［表１］において、四角の二重線で囲った対策を実現することにより、従来の問題点を解決又は改善する耐疲労・耐緩み性を備えたボルトを提供するものである。具体的には、耐疲労ボルトにおいて、ネジ山をボルト軸心の直角断面に対して、ボルトの先端方向に２～１０°傾けて形成するものである。

なお、ボルトの緩みに関しては、多くの研究や製品開発がされているが、ボルトの疲労強度については、書籍等にはほとんど記載されていない。その理由は、ボルトのネジ山そのものが鋭い切欠き材の一種であり応力集中が生起しやすい形態であること、また、ボルトに生起される引張り荷重がボルトのネジ山とナットのネジ山との接触機構によって伝達されていること、によりボルトの疲労強度を向上することが極めて難しいためである。

疲労破壊についてボルトとナットを比べると、破損するのはボルト側であり、ナットが破損することは極めて少ない。その理由は、ボルトには引張応力が作用するが、ナットには圧縮応力が作用するためである。しかも、ボルト及びナットは、それぞれのネジ山を嵌合するためにボルトの谷底の径をナットの谷底の径よりも小さく形成している。
従って、ボルトとナットの両者に同一の荷重が生起された場合、谷底の径が小さいボルト側に発生する応力がナットと比較して大きくなるため、破損しやすい。また、一般的に物体が破損する場合、圧縮応力により破損することは少なく、破損するのは引張り応力によるものである。

また、ナットのネジ山間谷底の径の方が、ボルトのネジ山間谷底の径よりも大きく、さらに、ボルトのネジ山の径の方が、ボルトのネジ山間谷底の径よりも大きい。そうすると、ナットのネジ山間谷底の径をＤとし、ボルトのネジ山間谷底の径をｄとすると、ナットのネジ山間谷底の径の円周長はπＤであり、ボルトのネジ山間谷底の径の円周長はπｄであるため、πＤ＞πｄである。
一方、ボルトとナットのネジ山同士が摺接する個所に加わる力は、ボルトもナットも等しいため、谷の径の円周長が大きいナットの方が単位円周長当たりに受ける力が小さく壊れにくくなる。

したがって、表１に記載しているように、ボルトの疲労強度を支配する（１）ボルトの各ネジ山に生起される荷重が不均一であること、（２）ボルトの各ネジ山間の谷底に引張り応力が集中すること、（３）ボルトの各ネジ山に曲げ応力が集中すること、（４）片当り、の４つの要因のいずれか、または、その全てについて対策を講じることが、ボルトの疲労強度の改善につながる。

本発明の第１の態様は、耐疲労・緩み防止機能を備えたボルト構造において、ボルトの軸線の先端側にネジ山を有する雄ネジ部を備え、雄ネジ部のネジ山を軸線の直角断面に対して雄ネジ部の先端側に２～１０°傾けるように形成したものである。

本発明の第２の態様は、ボルト軸線の先端側に形成された雄ネジ部と、雄ネジ部のボルト頭部側又はボルト円筒部側のネジ山の頂部の一部が除去されボルト頭部側又はボルト円筒部側に向かってネジ山外径が縮径したテーパー部と、テーパー部の最小径部からボルト頭部側又はボルト円筒部側に向かって緩やかな円弧状に形成された不完全ネジ除去部と、を有するように形成したものである。

本発明の第３の態様は、本発明の第２の態様に記載されたボルトと、ナットと、を螺合させて使用するネジ締結体において、ボルトの雄ネジをナットの雌ネジよりも強度が高い材料で構成したものである。

本発明の第１の態様によれば、耐疲労・緩み防止機能を備えたボルト構造において、ボルトの軸線の先端側にネジ山を有する雄ネジ部を備え、雄ネジ部のネジ山を軸線の直角断面に対して雄ネジ部の先端側に２～１０°傾けるように形成したため、被締結部材をボルトにて締結した際にナットおよび雌ネジ構造を有する部材の雌ネジのネジ山先端部分が、ボルトの雄ネジの根元部分に摺接する。これにより、ナットの雌ネジのネジ山における先端部が、ボルトの雄ネジ部のネジ山間に形成される谷底近傍を押圧するとともに、ナットのネジ山がボルトのネジ山間の谷底近傍から反発力を受けて変形しながら摺接する構造とすることで緩みにくくすることができる。

また、締結前はナットの雌ネジのネジ山における先端部がボルトの雄ネジのネジ山間に形成される谷部に摺接しているだけのため、ナットを締め付ける際の摩擦力を可及的に低減し、締め付け易い構造を実現している。そして、締結後はボルトとナットそれぞれのネジ山の局部的な変形によりナットとボルトのネジ山の当該変形部分全体が摺接する構造となるため摺接面積が拡大して摩擦力が増大し、緩みにくくすることができる。

また、本発明に係るボルトは、従来のボルトに比較して、ボルトの疲労強度を支配する要因である（１）ボルトの各ネジ山に生起される荷重が不均一であること、（２）ボルトの各ネジ山間の谷底に引張り応力が集中すること、（３）ボルトの各ネジ山に曲げ応力が集中すること、（４）片当り、の４つの要因のうち、（２）ボルトの各ネジ山間の谷底に引張り応力が集中すること、（３）ボルトの各ネジ山に曲げ応力が集中すること、（４）片当り、の３つの要因を解消することができる。

また、本発明の第２の態様によれば、ボルト軸線の先端側に形成された雄ネジ部と、雄ネジ部のボルト頭部側又はボルト円筒部側のネジ山の頂部の一部が除去されボルト頭部側又はボルト円筒部側に向かってネジ山外径が縮径したテーパー部と、テーパー部の最小径部からボルト頭部側又はボルト円筒部側に向かって緩やかな円弧状に形成された不完全ネジ除去部と、を有する、いわゆる耐疲労ボルトである。
更には、本発明に係る耐破壊用ネジ締結体は、第１の態様に記載のボルトに耐疲労ボルトの構造を適用して使用するものである。

このように構成することにより、ボルトの各ネジ山にかかる荷重を略均一化することができ、さらに請求項１に記載のボルト構造とすることで、請求項１に記載の効果をも奏することができ、疲労強度を改善することができる。
また、不完全ネジ部への応力集中がなくなるため、ボルトの雄ネジ部に生起されるネジ山の応力集中係数をほとんど１に等しくできる。その結果、従来のボルトと比較して（（１）ボルトの各ネジ山に生起される荷重が不均一であること、（２）ボルトの各ネジ山間の谷底に引張り応力が集中すること、（３）ボルトの各ネジ山に曲げ応力が集中すること、（４）片当り）の減少が期待できる。さらに、雌ネジのネジ山の先端部分を雄ネジのネジ山の根元部分に摺接させることにより、ボルト軸線の方向に反発力が発生し、この力がネジ締結体の緩み防止に効果を発揮する。さらに、ボルトのナットと摺接する端面に圧縮応力を付与せしめるため、その後の繰返し応力に対し壊れにくくなる。

このように、ネジ締結体の緩み防止と、ボルト自体の疲労強度向上により、安全・安心の耐疲労・耐緩み防止機能を備えたボルト構造を実現することができる。
また、耐疲労・耐緩み防止機能を備えたボルト構造は、適切な使用条件のもとで、ほとんど緩むおそれがないため、疲労限の向上分だけボルトには大きな変動荷重を付加させることができる。

例えば、従来締結部に１０本のボルトを使用していた場合、それを５本のボルトに変更しても十分に安全性を確保することができる。
一方、設計上ボルトの本数を減らすことができない場合、ボルトの外径を細くすることができ、ボルトの外径を従来の１／√２の寸法に小径化することができる。これによって、穴あけ加工、ボルト締結の作業量の低下、軽量化、さらには、安全・安心およびメンテナンス・フリーのネジ締結体の確保、および繰返し使用が可能であるなどのメリットがある。

また、本発明の第３の態様によれば、本発明の第２の態様に記載されたボルトと、ナットと、を螺合させて使用するネジ締結体において、ボルトの雄ネジをナットの雌ネジよりも硬度が高い材料で構成したものである。

このように構成することにより、ボルトをナットと螺合した場合、ナットの雌ネジのネジ山がボルトの雄ネジのネジ山の傾斜角度に近づくように変形し、雌ネジと雄ネジの摺接面積が増大する。その結果、ボルトのネジ山全体でナットのネジ山全体と摺接することとなり、片当りを緩和して摺接時の摩擦力を増大し、当該摩擦力がボルトの緩み防止力として機能する。

［耐緩み性について］
ボルトの雄ネジ部のネジ山をその先端方向へ２～１０°傾けているために、ネジ山に傾斜角度を有していないナットと螺合させた場合、ナットのネジ山の先端部がボルトのネジ山間に形成された谷底近傍に接触しながら締め付けられる。
その後、さらにナットを締め付けると、ナットのネジ山がボルトの谷底近傍の接触部分を基点としてボルトのネジ山の傾斜角度に近づくように弾性変形し、ボルトのネジ山とナットのネジ山との接触面積が増大する。その結果、ボルトのネジ山全体でナットのネジ山全体と摺接することとなり、摺接時の摩擦力が緩み防止力として機能する。したがって、この時の力は、ボルトの危険断面と呼ばれているナットの端面部では、ボルト頭部方向への力となっているため、危険断面のネジ谷底の応力は、圧縮応力が発生する。このような圧縮応力は、締結時に作用する繰返し荷重に対して、有利に働くため、本発明は、耐緩み性を付与せしめるだけでなく、疲労強度向上においても、有用となることが期待できる。

さらに、耐疲労・耐緩み防止機能を備えたボルト構造に係る本発明によれば、応力集中を低減することができるため、耐疲労特性の改善に加えて、例えば、応力腐食割れ（Ｓｔｒｅｓｓ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｃｒａｃｋｉｎｇ、ＳＣＣ）、遅れ破壊（Ｄｅｌａｙｅｄ Ｆｒａｃｔｕｒｅ）、水素脆化（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔ、ＨＥ）などの疲労破壊以外の環境破壊などに対しても有効であると考えられる。

従来のボルトに従来のナットを締結したときの概要側面図である。 従来のボルトとナットの締結状態におけるネジ山の荷重分担図である。 従来のボルトの雄ネジの谷底に生ずる応力を説明する図である。 従来のボルトとナットを螺合させたときの雄ネジと雌ネジの螺合状態を示す断面図である。 従来のボルトとナットを螺合したときに作用する力の関係を示す説明図である。 第１の発明に係るナットの断面図である。 図６におけるＡ部を拡大した本発明に係るナットの上半分の断面詳細図である。 本発明に係るボルトと、従来のナットを螺合したときの断面図である。 図８におけるＢ部を拡大した本発明に係るボルトと、従来のナットを螺合したときに作用する力の関係を示す説明図である。 第２の発明に係るボルトの断面図である。

本発明の要旨は、ボルト軸線の先端側にネジ山を有する雄ネジを備え、雄ネジのネジ山を軸線の直角断面に対して雄ネジ部の先端側に２～１０°傾けたことを特徴とするボルト構造である。

また、ボルト軸線の先端側に形成された雄ネジ部と、雄ネジのボルト頭部側又はボルト円筒部側のネジ山の頂部の一部が除去されボルト頭部側又は前記ボルト円筒部側に向かってネジ山外径が漸次縮径したテーパー部と、テーパー部の最小径部からボルト頭部側又はボルト円筒部側に向かって緩やかな円弧状に形成された不完全ネジ除去部と、を有することを特徴とするボルト構造である。

以下、従来のボルト・ナットにおける疲労破壊の要因及び対策等について説明した後、従来のボルト・ナットの締結体における疲労破壊の要因について説明し、その要因を踏まえて本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。

［従来のボルト・ナットにおける疲労破壊の要因及び対策等について］
まず、最初にボルト・ナットにおける疲労破壊の要因及び対策等について、概要を説明する。

図１は、従来のボルトに従来のナットを締結したときの概要側面図である。
ここで、「従来のボルト」及び「従来のナット」とは、従来から一般に使用されているメートルネジ（ＪＩＳ Ｂ ０２０５）のボルト及びナットを指すものとする。「従来のネジ」も同様とする。

従来のボルト１は、図１に示すように、軸線９上の、略六角形のボルト頭部３、ボルト円筒部５及び雄ネジ部４から構成し、当該雄ネジ部４にナット２の雌ネジ部２４を螺合させて締結するよう構成している。そして、ボルト１の座面３ａにワッシャ又は／及びバネ座金７並びに被締結物８、８を挿通し、さらにワッシャ又は／及びバネ座金７を挿通し、ナット２を螺合して締結する。

このようにして締結されたボルト１とナット２において、ボルト１の雄ネジ部４の各ネジ山１０ｂ１、１０ｂ２、１０ｂ３・・・１０ｂｉ・・・は、表２及び図２に示すように荷重を分担している。

（単位：％、全体で１００％）

表２において、横軸のＰ１、Ｐ２、Ｐ３・・・（以下各荷重の一つを「Ｐｉ」と表記する。）はボルト１の各ネジ山１０ｂ１、１０ｂ２、１０ｂ３・・・（以下各ネジ山の一つを「１０ｂｉ」と表記する。）における各荷重を示している。また、表２中の数字は、各ネジ山１０ｂｉが荷重分担する比率（％）を示している。例えば、表２において、ネジ山数が６のときのネジ山１０ｂ１（表２中では符号Ｐ１）の荷重分担比率は３３．７％である。また、ネジ山１０ｂ２（表２中では符号Ｐ２）の荷重分担比率は２２．９％である。以下同様に、ネジ山１０ｂ３（表２中では符号Ｐ３）は１５．８％、ネジ山１０ｂ４（表２中では符号Ｐ４）は１１．４％と荷重分担比率は減少してゆく。
この傾向は、ネジ山数の多寡に関係なく同様の傾向を示しており、例えば、ネジ山数が１０の時も同様の傾向を示している。

図２は、従来のボルト１とナット２の締結状態におけるネジ山の荷重分担状況を示している。すなわち、図２は、従来のボルト１とナット２を締結した際の各ネジ山１０ｂｉにおける各荷重Ｐｉの大きさを追記した荷重分担図である。

図２に示すように、（１）ボルト１の各ネジ山１０ｂｉの荷重分担は不均一である。（２）ボルト１のネジ山数に関係なく、最初のネジ山１０ｂ１に全体の荷重の約３分の１の荷重Ｐ１がかかっている。また、最初のネジ山１０ｂ１から３番目のネジ山１０ｂ３まででボルトにかかる荷重全体の７０％を分担している。このように、ボルトとナットが螺合する際の先頭に位置するネジ山１０ｂ１から１０ｂ３に荷重が集中し、これが比較的低い応力で疲労破壊の１要因となっている。

このように荷重が集中する要因は、次のように考えられている。すなわち、図３において、ボルト１にナット２を螺合し、ナット２に右向きに荷重Ｐが加わると、ボルト１の各ネジ山１０ｂｉのフランク１１とナット２の各ネジ山２０ｎｉのフランク２２とが摺接しているため、ナット２の各ネジ山２０ｎｉのフランク２２から、摺接しているボルト１の各ネジ山１０ｂｉのフランク１１に対し、ボルト１の雄ネジ部４を引張る方向（図３の右方向、または、ボルト１の先端部側）に荷重Ｐｉが作用する。この荷重Ｐｉは、摺接している各ネジ山１０ｂｉの雄ネジの谷底１３に対する引張力として作用する。

図３において、σｍｉは、ｍ番目のネジ山１０ｂｍの荷重Ｐｍによりｉ番目のネジ山１０ｂｉの谷底１３に生ずる応力を示している。例えば、１番目のネジ山１０ｂ１の谷底１３には、σ１１、σ２１、σ３１・・・σｖ１の応力が発生している。ここで、σ１１は１番目のネジ山１０ｂ１の荷重Ｐ１による応力、σ２１は２番目のネジ山１０ｂ２の荷重Ｐ２による応力、σ３１は３番目のネジ山１０ｂ３の荷重Ｐ３による応力を示している。また、図３における符号ｖは、ナット２と螺合するネジ山の総数のうち最後のネジ山の番号を示している。

また、図３における「＋」、「－」の符号は谷底１３に対する引張応力と圧縮応力を示している。すなわち、符号「＋」が引張応力を示し、符号「－」が圧縮応力を示している。
そうすると、ボルト１のネジ山１０ｂ１は左側のフランク１１が図３において右側に押圧されているためにネジ山１０ｂ１の左側の谷底１３には引張応力が生起されて「＋」となり、ネジ山１０ｂ１の右側の谷底１３はその逆の圧縮応力が生起されて「－」となる。

したがって、図３に示すように、１番目のネジ山１０ｂ１の左側の谷底１３には、ネジ山１０ｂ１からネジ山１０ｂｖまでにかかる応力（＋σ１１、＋σ２１、＋σ３１・・・＋σｖ１）がすべて引張応力として作用する。
ネジ山１０ｂ１とネジ山１０ｂ２の間に位置する２番目の谷底１３には、－σ１２、＋σ２２、＋σ３２・・・＋σｖ２、ネジ山１０ｂ２とネジ山１０ｂ３の間に位置する３番目の谷底１３には、－σ１３、－σ２３、＋σ３３・・・＋σｖ３の応力が作用する。
以下同様にして、引張応力の「＋」と圧縮応力の「－」がキャンセルし合って、ネジ山１０ｂｉの符号ｉが大きくなればなるほど、谷底１３にかかる応力σｍｉは小さくなっていく。

［従来のボルト・ナットの締結体における疲労破壊の要因について］
次に、従来のボルト・ナットの締結体における疲労破壊の要因について、図面を用いて説明する。なお、以下の説明では、煩雑さを避けるためにネジ山「１０ｂｉ、２０ｎｉ」の符号の表記は、特に必要のない限り省略する。

図４は、従来のボルト１と従来のナット２を螺合させたときの、雄ネジ１０と雌ネジ２０の螺合状態を示す断面図である。図４において、ボルト１の雄ネジ１０のネジ山の角度φｂと、ナット２の雌ネジ２０のネジ山の角度φｎは共に６０°で同一の角度である。

すなわち、従来のボルト１の雄ネジ１０のネジ山の角度φｂは、軸線９と直交する垂線Ｌと、フランク１１ａとのなす角度であるフランク角φ１及び垂線Ｌとフランク１１ｂとのなす角度であるフランク角φ２との和である。
同様に、ナット２の雌ネジ２０のネジ山の角度φｎもフランク角φ１とφ２との和である。そして、従来のネジ山の角度φｂ、φｎは、この和の角度（φ１＋φ２）であり、いずれも６０°である。

また、当該ネジ山の角度φｂ、φｎは、軸線９と直交する垂線Ｌに対して左右対称であるためフランク角φ１とフランク角φ２は等しくなる。このため、フランク角φ１、φ２は、ネジ山の角度φｂ、φｎの１／２であり、それぞれ３０°となる。したがって、以下、フランク角φ１、φ２をφと表記する。
以上のように、雄ネジ１０と雌ネジ２０のそれぞれのフランク角は３０°で等しいため、両者は上下対称であり、理論上は、雄ネジ１０のフランク１１ｂとナット２の雌ネジ２０のフランク２２ａ、及びフランク１１ａとフランク２２ｂは、全面で摺接する。

しかし、現実には、ボルト１とナット２は別工程で製造されるため、ボルト１を製造する過程で生起されるネジ山のピッチ公差によって、ボルト１のネジ山とナット２のネジ山との接触部に偏りを生じて接触部と非接触部とが生起されるため、全面で摺接することにはならない。しかも、仮に、寸法公差どおりに加工がされていたとしても、フランク１１ｂとフランク２２ａは、小さな凹凸面を有するため、全面で摺接することはあり得ない。これは、フランク１１ａとフランク２２ｂにおいても同様である。

したがって、フランク１１ｂとフランク２２ａ及びフランク１１ａとフランク２２ｂは、ボルト１とナット２の製造上の公差等によって両者の接触個所に偏りを生起する。その結果、フランク１１ｂ、２２ａ及び１１ａ、２２ｂが摺接する個所は、その表面の一部分となる。このように、接触箇所に偏りを生起している状態を「片当り」と呼称している。したがって、フランク１１ｂとフランク２２ａ及びフランク１１ａとフランク２２ｂは、全面が摺接するのではなく、いずれかの個所で片当り状態となって摺接している。このような片当たりは、寸法が大きいほど、また、ボルトの材質が硬いほど顕著になる。

ここで、図５に示すように、雌ネジ２０のフランク２２ａの根元部分近傍が、雄ネジ１０のフランク１１ｂの先端部分Ｘで摺接した場合について説明する。なお、交点Ｅは、フランク２２ａとフランク２２ｂの延長線の交点である。

図５は、従来のナット２と、従来のボルト１を螺合したときに作用する力の関係を示す説明図である。なお、本図における符号Ｆは、図３における荷重Ｐｉと同義である。以下は、フランク２２ａとフランク１１ｂに作用する力についての説明であるので、一般に力学の分野で広く用いられている記号Ｆ及びｆを用いて説明する。

ナット２の雌ネジ２０のフランク２２ａの根元部分は、本図に示すように、例えば、ボルト１の雄ネジ１０のフランク１１ｂの先端部分Ｘで摺接している。そして、先端部分Ｘには、荷重Ｐにおける１個のネジ山が負担する力Ｆが作用する。すなわちナット２の雌ネジ２０のフランク２２ａの根元部分は、ボルト１の雄ネジ１０のフランク１１ｂの先端部分Ｘを力Ｆで押圧する。この力Ｆは、フランク１１ｂに垂直方向の成分であるＦ２＝Ｆｃｏｓφと、フランク１１ｂに沿った方向の成分であるＦ１＝Ｆｓｉｎφに分解することができる。
すなわち、ボルト１の雄ネジ１０のフランク１１ｂの先端部分Ｘは、力Ｆ２＝Ｆｃｏｓφ１と力Ｆ１＝Ｆｓｉｎφの成分を有する力Ｆで、押圧される。
なお、φ＝３０°であるから、ｃｏｓφ＝（√３／２）、ｓｉｎφ＝（１／２）となるが、以下では、ｃｏｓφ、ｓｉｎφで表記する。

これに対して、フランク１１ｂの先端部分Ｘは、力Ｆの反作用として力の向きが１８０°反転した力ｆが作用する。この力ｆは、フランク２２ａの根元部分を押圧する。力ｆは、フランク１１ｂの垂直方向の成分であるｆ２＝ｆｃｏｓφと、フランク１１ｂに沿った方向の成分であるｆ１＝ｆｓｉｎφに分解することができる。
すなわち、フランク２２ａの根元部分は、フランク１１ｂの先端部分Ｘから、力ｆ２＝ｆｃｏｓφと、力ｆ１＝ｆｓｉｎφの成分を有する反作用による力ｆを受ける。
なお、作用反作用の法則により、力Ｆ１と力ｆ１、及び力Ｆ２と力ｆ２とはそれぞれ大きさが同じで、力の向きが１８０°反対である。

ここで、力Ｆ１は、図５に示すように、ボルト１の雄ネジ１０をフランク１１ｂに沿って雄ネジ１０の頂方向に作用する引張力である。すなわち、この力Ｆ１は、雄ネジ１０が伸張する方向に作用する。
しかし、雄ネジ１０は、塑性変形でない限り、その形状を維持するために、雄ネジ１０の内部では引張力Ｆ１に抗する内部応力が発生する。

内部応力とは、力を加えられた部材内に発生している単位面積あたりの力のことであり、内部応力σ＝引張力／断面積 で表される。
したがって、摺接個所の先端部分Ｘにおける雄ネジ１０の内部応力σ１は、先端部分Ｘにおける力Ｆが加えられる部分の断面積をＳ１とすると、σ１＝Ｆ１／Ｓ１となる。
そして、摺接する個所である先端部分Ｘにおけるネジ山の断面積Ｓ１は、ネジ山の谷底１３における断面積に比べて小さい。したがって、先端部分Ｘにおける内部応力σ１は、雄ネジ１０の谷底１３に生起される内部応力σよりも大きくなる。

なお、この計算式における内部応力σ１はあくまでも全体の断面積における平均値であり、実際には力を加えられた部材の形状に応じて各部位ごとに内部応力が異なるため、内部応力の解析はそれほど簡単ではない。現実には、内部応力の解析は、ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）に依らなければ相当の困難を伴う。

次に、力Ｆ２は、雄ネジ１０のフランク１１ｂを、図５に示すように、点Ｅを支点として反時計回りの方向に曲げようとする力として作用する。この力Ｆ２により点Ｅと先端部分Ｘの間には、フランク１１ｂの面を伸張させようとする力が働く。また、フランク１１ａの面には、フランク１１ｂの面とは反対に圧縮しようとする力が働く。

すなわち、力Ｆ２は、雄ネジ１０のネジ山を力Ｆ２の方向に変形させようとする力として作用する。その結果、摺接する側のフランク１１ｂが伸張方向、その裏側のフランク１１ａが圧縮方向の力として作用する。これが、図３を用いて説明した引張応力（＋σ）と圧縮応力（－σ）が生じる理由である。

しかし、実際には、点Ｅから雄ネジ１０の谷底１３までの部分は、ボルト１のボルト円筒部５の延長上にあたる部分であるため内部応力σ１に係る断面積Ｓ１は極めて大きい。したがって、この部分に発生する内部応力σ１は無視できる。
一方、雄ネジ１０の谷底１３から先端部分Ｘまでは長さが長いため、曲げようとする力Ｆ２を受けると、雄ネジ１０のネジ山の伸張量及び圧縮量も大きくなる。したがって、曲げ応力は大きくなり疲労強度に大きく影響する。

また、力Ｆ２の作用については、次のようにも考えられる。
すなわち、フランク１１ｂの直線部分における谷底１３側の終端である変曲点をＧとし、先端部分Ｘと変曲点Ｇとの長さをＬ１とすると、力Ｆ２は、変曲点Ｇを支点としてフランク１１ｂを時計回りの方向に回転させようとする力である。したがって、フランク１１ｂには、Ｌ１×Ｆ２からなる力のモーメントが発生する。

以上のように、従来のボルト・ナットによる締結体における疲労破壊の要因は、図２を用いて説明した通り、（１）ボルト１の雄ネジ１０に生起される荷重が不均一であり、さらに、（４）ボルト１のフランク１１ｂの先端部分Ｘで片当りが発生すると、（２）ナット２からフランク１１ｂに沿ってネジ山の頂方向に作用する引張力Ｆ１により引張応力を生じるとともに、（３）フランク１１ｂに垂直方向の力Ｆ２による曲げ応力を生じる。これにより、従来のボルト１と従来のナット２の組合せによるネジ締結体は、疲労破壊を引き起こす４つの要因の全てに該当し、従来のボルト１が疲労破壊に至ることが論理付けられる。

すなわち、表１に記載したように、従来のボルト・ナットの締結体における疲労破壊の要因である（１）ボルト１の雄ネジ１０に生起される荷重が不均一であること、（２）ボルト１の雄ネジ１０間の谷底１３に引張り応力が集中すること、（３）ボルト１の雄ネジ１０に曲げ応力が集中すること、（４）片当り、の４つの要因のいずれにも該当する。したがって、従来のボルト１およびナット２を利用したネジ締結体は、以上のような理由により疲労破壊に至る危険性を有している。
したがって、前記４つの要因のいずれか又はその全てについて対策を講じることがボルト１の疲労強度を改善することにつながる。

［第１の発明について］
次に、第１の発明に係るボルト１を使用することで従来のネジ締結体における疲労破壊の要因対策について図面を用いて詳説する。
図６は、ボルト１の断面図である。図６において、実線は、本発明に係るボルトのネジ山を示し、また、二点鎖線は従来のボルトのネジ山の形状を示している。

本発明に係るボルト１は、雄ネジ１０のネジ山を先端側に２～１０°傾けて形成し、雄ネジ１０のフランク１１ｂの根元部分Ｙを、ナット２の雌ネジ２０のフランク２２ａの先端部と摺接させるように形成したことを特徴とする耐疲労・耐緩み防止機能を備えたボルト構造１００である。

図７は、図６におけるＡ部を拡大した本発明に係るボルト１の上半分の断面図である。
図７における二点鎖線は、従来のボルト１を示している。従来のボルト１の雄ネジ１０のネジ山の角度（フランク角度）は、ネジ山のフランク１１ａ、１１ｂを上方に延長した交点Ｅとなす角度であり、前述の通り６０°である。また、フランク１１ａ、１１ｂのフランク角φ、φは、点Ｅと雄ネジ１０のピッチＬｐを二等分する点Ｈを結ぶ垂線Ｌと、それぞれのフランク１１ａ、１１ｂとがなす角度である。フランク角φ、φは、角度が相等しいため、ネジ山の角度の１／２となり、前述の通り３０°である。なお、図中符号Ｌは、ボルト１の軸線９と直交する。

一方、本図において実線で表された本発明に係るボルト１の雄ネジ１０のネジ山の角度は、軸線９と直交する垂線Ｌに対してボルト１の先端側に２～１０°傾けている。この傾きの角度をθとする。
この傾きの角度θは、雄ネジ１０のネジ山のフランク１１ａ、１１ｂを上方に延長した交点Ｆと雄ネジ１０のピッチＬｐを二等分する点Ｊとを結ぶ直線を垂線Ｍと、前述の垂線Ｌとのなす角度である。

なお、雄ネジ１０のネジ山をボルト１の先端側に傾きの角度θだけ傾けることにより螺合するナット２の雌ネジ２０のフランク２２ｂの先端部分をボルト１の雄ネジ１０のフランク１１ｂの根元部分に摺接するよう構成している。そのため、本発明に係るボルト１の雄ネジ１０のピッチＬｐは、従来の雄ネジ１０のピッチＬｐとピッチの大きさは同じであるが、図７に示すように、約（√３／２）Ｌｐ・ｔａｎθだけ図７において右側にずれる。

また、ボルト１の先端側に角度θ傾いた垂線Ｍと、フランク１１ａ、１１ｂとのなすフランク角をそれぞれφ１、φ２とすると、本発明に係るナット２の雌ネジ２０のネジ山の角度は、図７からわかるように、フランク角φ１とφ２の和となる。この和の角度は（φ１＋φ２）＜２φであり、従来のネジ山の角度である６０°よりも小さくなる。

本発明に係るボルト１の特徴は、雄ネジ１０のネジ山をボルト１の先端側に２～１０°傾けた点にある。
この傾きの角度θを２～１０°とした理由について以下に説明する。先述のように、従来のネジ山のフランク角φは６０°であり、垂線Ｌとフランク１１ａとがなすフランク角φはその半分の３０°である。
そうすると、ナット２のフランク角度が６０°でありフランク２２ａと垂線Ｌとのなす角度が３０°であるため、垂線Ｌと垂線Ｍとがなす角度θを３０°とするとネジ山が入らなくなる。そこで、上限値をその１／３の１０°とした。また、当該傾きの角度θを０°にしたのでは従来のボルト１の構造と変わらないため、雌ネジ２０のフランク２２ｂの先端部とボルト１のフランク１１ａの谷底１３近傍との接触面積が変わらずに摩擦力を生じにくい。そこで、下限値を２°とした。この数値は図面を描いて幾何学的手法を用いて決定したものであり、この範囲内であれば所期の目的を達成することが可能である。

本発明に係るボルト１の雄ネジ１０のネジ山は、雄ネジ１０の先端側に角度θだけ傾いているために、当該雄ネジ１０のフランク１１ａの根元部分Ｙは、ナット２の雌ネジ２０のフランク２２ｂの先端部分と摺接する。この摺接状態は、図７のボルト１の拡大断面図における上半部分、下半部分とも上下対称になる。

図８は、本発明に係るボルト１と、従来のナット２を螺合したときの断面図である。本図に示すように、ボルト１のフランク１１ａの根元部分Ｙは、ナット２のフランク２２ａの先端部分と谷底１３近傍で摺接するよう構成している。

図９は、図８における符号Ｂ部を拡大した本発明に係るボルト１と、従来のナット２を螺合したときに作用する力の関係を示す説明図である。
ボルト１の雄ネジ１０のフランク１１ａの根元部分Ｙは、本図に示すように、ナット２の雌ネジ２０のフランク２２ｂの先端部分と摺接する。そして、フランク１１ａの根元部分Ｙには、力Ｆが作用する。すなわち、ナット２の雌ネジ２０のフランク２２ａは、ボルト１の雄ネジ１０のフランク１１ｂを力Ｆで押圧する。この力Ｆは、前記フランク１１ｂの垂直方向の成分であるＦ２＝Ｆｃｏｓφと、フランク１１ｂに沿った方向の成分であるＦ１＝Ｆｓｉｎφに分解することができる。
すなわち、ボルト１の雄ネジ１０のフランク１１ｂの根元部分Ｙは、力Ｆ２＝Ｆｃｏｓφと力Ｆ１＝Ｆｓｉｎφの成分を有する力Ｆで押圧される。

これに対して、ボルト１の雄ネジ１０のフランク１１ｂの根元部分Ｙは、力Ｆの反作用による力ｆにより、ナット２の雌ネジ２０のフランク２２ａの先端部分を押圧する。この力ｆは、力Ｆと大きさが同じで、力の向きが１８０°反対である。この反作用による力ｆは、前記フランク１１ｂの垂直方向の成分である力ｆ２＝ｆｃｏｓφと、フランク１１ｂに沿った方向の成分である力ｆ１＝ｆｓｉｎφに分解することができる。
すなわち、ナット２の雌ネジ２０のフランク２２ａの先端部分は、ボルト１の雄ネジ１０のフランク１１ｂの根元部分Ｙから、力ｆ２＝ｆｃｏｓφと、力ｆ１＝ｆｓｉｎφの成分を有する反作用による力ｆを受ける。
なお、作用反作用の法則により、力Ｆ１とｆ１及び力Ｆ２とｆ２は、それぞれ大きさが同じで、力の向きが１８０°反対である。

ここで、力Ｆ１は、図９に示すように、ボルト１の雄ネジ１０のネジ山をフランク１１ｂに沿って、ネジ山の頂方向に作用する引張力である。すなわち、この力Ｆ１は、ネジ山が伸張する方向に作用する。
しかし、当該ネジ山が伸張する塑性変形をしない限り、その形状を維持するために、ネジ山の内部では当該引張力Ｆ１に対する内部応力が発生する。

内部応力とは、先述のとおり力を加えられた部材内に発生している単位面積あたりの力のことであり、内部応力σ＝引張力／断面積で表される。
したがって、摺接する個所である根元部分Ｙにおける内部応力σ２は、根元部分Ｙの断面積をＳ２とすると、σ２＝Ｆ１／Ｓ２となる。
そして、摺接個所の根元部分Ｙにおける力Ｆ１が加えられる部分のネジ山の断面積Ｓ２は、ネジ山の先端部分Ｘにおける断面積Ｓ１と比較してはるかに大きい。したがって、根元部分Ｙにおける内部応力σ２は、内部応力σ１よりもはるかに小さくなる。

なお、この計算式における内部応力σ２はあくまでも平均値であり、現実には、内部応力の解析は、ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）に依らなければ相当の困難を伴うことは前述の通りである。

次に、力Ｆ２は、ボルト１の雄ネジ１０のフランク１１ｂを、図９に示すように、点Ｅを支点として反時計回りの方向に曲げようとする力である。この力Ｆ２により点Ｅと根元部分Ｙの間には、フランク１１ｂの面に当該力Ｆ２により伸張させようとする力が働く。また、その裏側のフランク１１ａの面には当該力Ｆ２により圧縮しようとする力が働く。

しかし、実際には、点Ｅから雄ネジ１０の谷底１３までの部分は、ボルト１のボルト円筒部５の延長上にある部分であるため内部応力σ２に係る断面積Ｓ２が極めて大きい。したがって、この部分に発生する内部応力σ２は無視できる。一方、雄ネジ１０の谷底１３から根元部分Ｙまでは長さが短いため、曲げようとする力Ｆ２を受けても雄ネジ１０のネジ山の伸張量及び圧縮量が大きくならない。このために、曲げ応力がボルト１の疲労強度に与える影響は小さい。

また、力Ｆ２の作用については、次のようにも考えられる。ボルト１のフランク１１ｂの直線部分の谷底１３側の終端である変曲点をＧとし、根元部分Ｙと変曲点Ｇとの長さをＬ１とすると、力Ｆ２は、変曲点Ｇを支点として反時計回りの方向に回転させようとする力である。したがって、フランク１１ｂには、Ｌ１×Ｆ２からなる力のモーメントが発生する。力のモーメントとはこの式が示すとおり、長さ×力であり、例えば、梃子の原理もこの力のモーメントによるものである。梃子の原理によれば、力点に同じ力Ｆ２を加えた場合であっても、梃子の力点から支点までの長さが２倍になれば、作用点に作用する力は２倍になる。
したがって、長さＬ１が長くなれば雄ネジ１０の根元部分Ｙに加わる力のモーメントの大きさも大きくなり、その結果、雄ネジ１０の引張応力及び曲げ応力も大きくなる。

しかし、雄ネジ１０の谷底１３の変曲点Ｇから根元部分Ｙとの長さＬ１は、長さが短いため、雄ネジ１０には、長さＬ１の個所から力Ｆ２によるＬ１×Ｆ２なる力のモーメントによる力が加えられるが、その力のモーメントは小さい。
したがって、根元部分Ｙと変曲点Ｇとの長さＬ１における伸張量及び圧縮量は小さく、力のモーメントにより発生する曲げ応力の値は小さくなる。
よって、当該曲げ応力が疲労強度に与える影響は小さい。

以上のように、本発明に係るボルト１は、ボルト１の雄ネジ１０をボルト１の先端側に２～１０°傾けることにより、雄ネジ１０のフランク１１ｂの根元部分Ｙにナット２の雌ネジ２０のフランク２２ａの先端部分を摺接できるように構成し、ボルト１の雄ネジ１０に与える引張力や曲げ力により生ずる内部応力σ２を小さくすることができる。

また、本発明に係るボルト１は、雄ネジ１０のフランク１１ｂの根元部分Ｙを、ナット２の雌ネジ２０のフランク２２ａの先端部分と摺接するように構成しているために、当該摺接面積は、従来のネジ構造と比較して狭くなることが想定される。

したがって、このような状態は「片当り」に該当するが、この場合、フランク２２ａの先端部分とフランク１１ｂの根元部分Ｙとの接圧が高くなり、しかも、ナット２の雌ネジ２０は、内部応力によっては破壊しにくいため、雌ネジ２０のフランク２２ａに局部的に容易に変形が発生して片当り状態が解消される。

さらに、雌ネジ２０の谷底２３からフランク２２ａの先端部分までは長さが長いため雌ネジ２０の先端部分は根元部分Ｙに弾接し、ナット２のフランク２２ａの先端部分は力Ｆで、ボルト１のネジ山のフランク１１ｂの根元部分Ｙを押圧する。

さらに、雌ネジ２０のフランク２２ａの先端部分が、雄ネジ１０のフランク１１ｂの根元部分Ｙから反作用による力ｆを受けて局部的に変形しながら雌ネジ２０と雄ネジ１０が摺接する構造とすることで、雄ネジ１０と雌ネジ２０が軸線９方向にお互いに反発させるような軸力が発生し、これが耐緩み性を付与させて、従来のボルト１とナット２の螺合に比べて緩みにくさを生起するとともに、耐疲労特性にも良好なボルト構造１００を得ることができる。

また、締結前は雌ネジ２０のフランク２２ａの先端部分が、雄ネジ１０のフランク１１ｂの根元部分Ｙに摺接しているだけのため、ナット２を締め付ける際の摩擦力を可及的に低減し、締付け易い構造を実現している。
そして、締結後は局部的な塑性変形によりボルト１とナット２のフランク１１ｂ、２２ａがフランク２２ａの塑性変形により全体で摺接する構造となるため摺接面積が拡大して摩擦力が増大し、緩みにくくすることができる。

本発明に係るボルト１は、以上のように構成されており、かつ、以上説明したような作用を有するために、ボルト１の疲労強度を支配する要因である（１）ボルト１の各雄ネジ１０に生起される荷重が不均一であること、（２）ボルトの各雄ネジ１０間の谷底１３に引張り応力が集中すること、（３）ボルト１の各雄ネジ１０に曲げ応力が集中すること、（４）片当り、の４つの要因のうち、（２）ボルトの各雄ネジ１０間の谷底１３に引張り応力が集中すること及び（３）ボルト１の各雄ネジ１０に曲げ応力が集中することについて、上記の原理により要因を解消することができる。

また、（４）片当りについても、雌ネジ２０のフランク２２ａの先端部分が、雄ネジ１０のフランク１１ｂの根元部分Ｙと摺接すると接圧が高くなり、雌ネジ２０のフランク２２ａの先端部分に局所的に塑性変形が発生して片当り状態を解消することができる。
以上のとおり、第１の発明によれば、ボルトの疲労強度を支配する４つの要因のうち、（２）から（４）の３つの要因について対策を実施することができる。

［第２の発明について］
次に、第２の発明について図面により説明する。
本発明は、第１の発明をさらに上回る特性を備えたものである。すなわち、第２の発明に係る耐疲労・耐緩み防止機能を備えたボルト構造１００は、雄ネジ１０と雌ネジ２０の螺合によるネジ締結体において、図１０に示すように、第１の発明に係るボルト１に「耐疲労ボルト」の特性を付加して従来のナット２と螺合させて使用することを特徴とするものである。

第２の発明に使用する「耐疲労ボルト」は、図１０に示すように、ボルト１のボルト円筒部５側の雄ネジ部４に、ネジ山を除去して縮径した不完全ネジ除去部６と、不完全ネジ除去部６から徐々に拡径するネジ山の頂部の一部が除去されたテーパー部４ａとを鈍い円弧状に形成させたものである。

そして、図１０におけるボルト１のＣ部拡大図に示すように、不完全ネジ除去部６から雄ネジ部４の先端側に向けて漸次ネジ山を拡径して従来のネジ山の高さに至るテーパー部４ａを形成している。これにより、不完全ネジ除去部６近傍の雄ネジ１０への応力集中をなくし、応力集中係数αを１に等しい状態として荷重分担の均一化を実現することができる。

このように形成されたボルト１の雄ネジ部４の雄ネジ１０に螺合するナット２の雌ネジ２０は、テーパー状に形成された部分が螺合高さの７０～８０％を占めるのが理想的としているために、ナット２の雌ネジ２０の端面では、雄ネジ１０のネジ山の高さは完全ネジ山高さの２０～３０％程度にすぎない。しかし、この場合でも、雌ネジ２０のフランク２２ａの先端部分が雄ネジ１０のフランク１１ｂの根元部分Ｙに摺接するように雄ネジ１０が先端側に向けて２～１０°の傾きの角度θを有しているので、雄ネジ１０のネジ山の頂部が部分的に除去されていても確実に締結することができ、締結強度に遜色は認められない。

第２の発明は、以上のように構成しているために、不完全ネジ部の応力集中がほとんどなくなり、応力集中係数αはほとんど１に等しくなる。これにより、（１）ボルト１の各雄ネジ１０に生起される荷重分担を均一化することができる。
したがって、第２の発明は、前記（２）から（４）の要因を対策済みの第１の発明に係るボルト１に各雄ネジ１０に生起される荷重分担を均一化する構成を併用する構成であるため、ボルト１の危険断面であるナット２の雌ネジ２０の端面において疲労強度を支配する（１）から（４）の４つの要因全てに対し、対策を講じていることになる。すなわち、（１）ボルト１の各雄ネジ１０に生起される荷重分担を均一化し、（２）ボルト１の各雄ネジ１０間の谷底１３に引張り応力が集中することを緩和し、（３）ボルト１の各雄ネジ１０に曲げ応力が集中することを緩和し、（４）片当りを減少することができる。

さらに、雌ネジ２０のフランク２２ａの先端部分が雄ネジ１０のフランク１１ｂの根元部分Ｙに弾接して摺接するよう構成することにより、ボルトの軸線９の方向に反作用による力が発生し、この力がネジ締結体の緩み防止に効果を発揮する。

このように、ネジ締結体の緩み防止と、ボルト１自体の疲労強度向上により、安全・安心の締結構造を実現することができる。
また、耐疲労・耐緩み防止機能を備えたボルト構造１００は、適切な使用条件のもとでは、ほとんど緩むおそれがないため、疲労限の向上分だけボルト１には大きな変動荷重を付加させることができる。

例えば、締結部に従来１０本のボルト１を使用していた場合、それを５本のボルト１、ナット２でも十分に安全性を確保することができる。その場合には、単にボルト１、ナット２等の数量を減らすだけでなく、ボルト孔加工の数も減らすことができ、ボルト１、ナット２の締付け作業も従来の半分で済む。
また、ボルト１、ナット２の使用本数を減らすことができることは、締結部の重量軽減にもつなげることができる。

さらに、本ボルト構造の発明は、応力集中を低減することができるため、耐疲労特性の改善に加えて、例えば、応力腐食割れ（Ｓｔｒｅｓｓ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｃｒａｃｋｉｎｇ、ＳＣＣ）や遅れ破壊（Ｄｅｌａｙｅｄ Ｆｒａｃｔｕｒｅ）、水素脆化（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔ、ＨＥ）などの疲労破壊以外の環境破壊などに対しても有効であると考えられる。

本ボルト構造は、従来のナット２との組み合わせに対して適用できることはいうまでもないが、それ以外にも、例えば、埋め込みボルトや両ネジボルトの場合にも、問題なく適用可能である。また、雌ネジのネジ山の先端部分を雄ネジのネジ山の根元部分に摺接させることにより、ボルトの軸線方向に反発力が発生し、この力がボルトの緩み防止に効果を発揮する。

また、本発明に係る耐疲労・耐緩み防止機能を備えたボルト構造１００に使用するボルトの材料に関しては、特に制約を設ける必要はなく、金属、非金属を問わず、全ての固体材料にその考え方を適用できる。しかし、特に効果が顕著と考えられるのは、鉄鋼材料や銅、アルミニウム、チタン及びマグネシウム等の軟質金属とそれらの合金類である。また、一部の硬質金属に適用する場合、ボルト１及びナット２の両方とも同じ硬質であると、両者の螺合時に噛付きを起こすおそれがあるので、その場合は壊れにくい雌ネジ２０側の材料を少し軟らかい材料（ボルト１材料の硬さを１００％とした場合、ナットの硬さを、ボルトの硬さと同等または６０～９０％程度）に変更することが望ましい。
このように構成することにより、部分的に片当りが発生していても、締結使用時に軟らかいナット２のネジ山が変形して、片当りを緩和する。

以上の実施形態において説明した本発明に係る耐疲労・耐緩み防止機能を備えたボルト構造１００は、上述した実施形態に限られず、上述した実施形態の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更した構成、公知発明及び上述した実施形態の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更した構成等も含まれる。また、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物にまで及ぶものである。

例えば、ボルト１の雄ネジ１０のネジ山は、雄ネジ部４の先端側に２～１０°傾けた形状に構成しているが、当該傾きの角度θの範囲から外れる場合であっても、雄ネジ１０のフランク１１ｂの根元部分Ｙを、ナット２の雌ネジ２０のフランク２２ａの先端部分と摺接させるようにして本発明と同様の効果を奏するものである場合は均等物であることは当然である。

１ ボルト
２ ナット
３ ボルト頭部
３ａ 座面
４ 雄ネジ部
４ａ テーパー部
５ ボルト円筒部
６ 不完全ネジ除去部
７ ワッシャ又は／及びバネ座金
８ 被締結物
９ 軸線
１０ 雄ネジ
１０ｂ 雄ネジのネジ山
１１ 雄ネジのフランク
１３ 谷底
２０ 雌ネジ
２０ｎ 雌ネジのネジ山
２２ 雌ネジのフランク
２３ 谷底
２４ 雌ネジ部
１００ 耐疲労・耐緩み防止機能を備えたボルト構造
θ 傾きの角度
φ、φ１、φ２ フランク角
φｂ、φｎ ネジ山の角度
Ｌｐ ピッチ
Ｌ、Ｍ 直線
Ｇ 変曲点

Claims (3)

1. 耐疲労・緩み防止機能を備えたボルト構造において、
   ボルトの軸線の先端側にネジ山を有する雄ネジ部を備え、
   雄ネジ部全体の雄ネジのネジ山を軸線の直角断面に対してボルトの先端側に２～１０°傾けたことを特徴とするボルト構造。
2. ボルト軸線の先端側に形成された雄ネジと、
   前記雄ネジのボルト頭部側又はボルト円筒部側のネジ山の頂部の一部が除去され前記ボルト頭部側又は前記ボルト円筒部側に向かって漸次ネジ山外径が縮径したテーパー部と、前記テーパー部の最小径部から前記ボルト頭部側又は前記ボルト円筒部側に向かって緩やかな円弧状に形成された不完全ネジ除去部と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載のボルト構造。
3. 前記請求項２に記載されたボルトと、ナットと、を螺合させて使用するネジ締結体において、ボルトの雄ネジをナットの雌ネジよりも硬い材料で構成したことを特徴とするネジ締結体。

Images