JPH11101700A - 多数ボルト締結体の締付け試験方法及び締付け評価試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 実際の多数ボルト締結体を直接試験可能で、
一般の生産現場で行われているトルク法、回転角法、ト
ルク勾配法等の締付けを行え、各軸の締付け特性値を求
めるために、多数ボルト締結体の各ボルトの締付け回転
角、締付けトルク、締付け軸力を同時に連続計測可能に
した。 【解決手段】 ボルト締結体を固定するステージ部と、
多軸締付け装置と、多軸締付け装置固定部と、多軸締付
け装置制御部と、全てのボルトの締付け挙動をモニタリ
ングする計測部とから構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多数ボルト締結体
の締付け試験方法及び締付け評価試験装置の分野に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】ＪＩＳは、目標の軸力を発生させるため
の締付け管理方法として、ＪＩＳ Ｂ1083-1990 「ねじ
の締付け通則」を制定した。さらに、締付けの諸設定を
する際の締付け特性値を求める試験方法として、ＪＩＳ
Ｂ 1084-1990 「ねじ部品の締付け試験方法」 が同時
に制定された。

【０００３】従って設計者は、このＪＩＳの指針に従え
ば、生産現場のねじの締付け作業を含めて、安全で且つ
適切なボルト締結設計を行うことが出来るとされてき
た。

【０００４】しかし、前記の規格は十分ではなく、規格
で推奨するねじ締付け試験装置は、ボルト又はナット単
品としての締付け特性値の評価にはむいているが、ボル
トやナットは、機械構造物の締結に用いられて初めてそ
の使命を果たすのであるから、実際に締められる機械構
造物のボルト締結体と互換性が確保されていなければ、
せっかく求めた締付け特性値等は、生産では役に立たな
かった。

【０００５】さらに、ＪＩＳ Ｂ 1084-1990 「ねじ部品
の締付け試験方法」には、ボルト・ナット・実用座面版
のセット（供試体Ｂ）という項目があって、実際のボル
ト締結体と互換性が確保されるよう配慮したところもあ
るが、ここで記述されているような、「実際に締め付け
られる被締結部材と同等の用件」に備えられるものは省
いて、大概のボルト締結体は、ねじ締付け試験装置との
互換性の確保は難しかった。その難しさの原因は、ねじ
締付け試験装置の被締結部材と実際のボルト締結体の剛
性の違いと、一般の機械構造物のボルト締結体は、多数
ボルト締結体の構造であることが非常に多く、この締付
け試験装置では、ボルト一本締結体を前提としており、
締付けによるボルト相互間の影響は、締付け試験装置の
構造上無視せざるを得ないのである。そのような理由か
ら、比較的安全性が問われるボルト締結体に対しては、
前記のねじ締付け試験装置での締付け特性値等の算出に
加え、実際のボルト締結体を用いた締付け評価試験が必
要であった。

【０００６】

【本発明が解決しようとする課題】前記のとおり、実際
のボルト締結体を用いて締付け特性値等を求めなければ
ならない理由として、締付け試験装置との剛性の相異と
多数ボルト締結体のボルト相互間の影響があることを説
明した。例えば、回転角法締付けの場合、実際のボルト
締結体とでは、スナッグトルクからの締付け回転角が異
なってしまう。後者は、ボルトの締付けの順番等（多数
ボルト締結体では、全てのボルトを同時に締める場合も
あるが、必要に応じて各ボルト又は各ボルトのグループ
に順番を設けて締め付ける場合がある。一般的にたすき
がけとかしわ伸ばし締付けと呼ばれる。）で、被締結部
材が変形し、締付け特性値等に影響を及ぼす。

【０００７】この問題を解決するには、実際の多数ボル
ト締結体を用いて生産現場と同等な締付け条件下で締付
けられる全てのボルトから締付け回転角、締付けトル
ク、締付け軸力等を同時に計測する必要があり、そうす
ることでボルト相互間の締付けの影響を把握することが
出来た。

【０００８】さらに多数ボルト締結体の締付け特性を評
価するための試験装置の開発コンセプトは以下の通りで
ある。

【０００９】(1) 実際の多数ボルト締結体を直接試験で
きること。

【００１０】(2) 一般の生産現場で行われているトルク
法、回転角法、トルク勾配法等の締付けを行うことが出
来る多軸の締付け装置を使用する。

【００１１】(3) 各ボルトの締付け特性値等を求めるた
めに、多数ボルト締結体の各ボルトの締付け回転角、締
付けトルク、締付け軸力を同時に連続計測可能とするこ
と。

【００１２】(4) 試験開始から必要とする各ボルトの締
付け特性値や締付け特性線図がリアルタイムに作成でき
ること。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の手段として、請求項１記載の発明に係る多数ボルト締
結体の締付け試験方法は、機械構造物の多数ボルト締結
体の各ボルトの締付けの挙動を連続的に同時計測するこ
とで、トルク法、回転角法、トルク勾配法等の締付けの
設定を行うための締付け特性値等を求めることを特徴と
する。

【００１４】また、請求項２記載の発明に係る多数ボル
ト締結体の締付け評価試験装置は、多数ボトル締結体を
固定するステージ部に固定された前記多数ボルト締結体
の各ボルトを締付ける多軸締付け装置を多軸締付け装置
固定部を介して固定し、前記多軸締付け装置に、多軸締
付け装置をコントロールする多軸締付け装置制御部と、
全てのボルトの締付け挙動を連続的にモニタリングする
多軸締付け装置計測部とを装着せしめたことを特徴とす
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】請求項１及び２記載の発明に関す
る実施の形態は、共通しているので一括して以下のとお
り説明する。

【００１６】図１は多数ボルト締結体の締付け評価試験
装置の概略を示している。

【００１７】実際のボルト締結体を固定するステージ
部、多軸締付け装置、多軸締付け装置固定部、多軸締付
け装置制御部、全てのボルトの締付けの挙動をモニタリ
ングする多軸締付け装置計測部とから構成される。ステ
ージ部には、多数ボルト締結体をクランプ可能なＸ−Ｙ
テーブルが設置してある。多軸締付け装置固定部は、多
数ボルト締結体のボルトピッチに合わせて製作した締付
け装置固定プレートを、クロスヘッドに固定することが
出来る。また、各軸の締付け装置を任意の位置で移動し
固定できるようなＸ−Ｙ機構を設けると便利である。前
記の締付け装置の制御部には、トルク法、回転角法、ト
ルク勾配法等の締付けのシーケンスがプリセットされて
いて、各ボルトは個別にコントロール可能である。前記
の締付け装置は、一般の生産現場で使用されている市販
の物で構わない。ここまでで、ねじ締結設計者は、生産
現場と同等な条件下で、締付けを評価できる。

【００１８】図２は多軸締付け装置計測部のブロック線
図を示すものである。前記計測部は、締付けの挙動を全
てモニタリングする構造に仕上げた。この方法だと各ボ
ルト相互間の締付けの影響を計測することが出来る。各
ボルト別に締付け回転角、締付けトルク、締付け軸力の
連続的な同時計測が可能である。締付け装置自身が、締
付けトルクや締付け回転角の信号出力が出来るタイプの
方が便利である。インパクトレンチ等、締付けトルクや
締付け回転角の出力がない場合は、トルクセルを設置し
たり、締付け回転角の代わりに時間や、打撃回数で表現
したりする。締付け軸力は、ボルト中心部にパイプゲー
ジを埋め込み、ボルトのひずみから軸力を測定する方法
を採った。この方法は、現在一番精度的に信用できる一
般的な軸力計測方法であるが、連続計測が可能で実用に
耐え得る計測精度ならば他の方法でも構わない。

【００１９】図３は、軸力測定用のシリンダーヘッドボ
ルトを実際に締付けた時に発生する軸力信号と、締付け
試験装置の軸力ロードセルからの軸力信号を同一グラフ
にプロットした結果である。両者の軸力信号は、全域で
良く一致しており、軸力の測定精度の高さが良く分か
る。

【００２０】

【実施例】本発明の実施例として、エンジンのシリンダ
ーヘッドボルトの締付け解析を行った結果は以下のとお
りである。目的は、目標締付け軸力を各ボルトに均一に
与えることである。

【００２１】シリンダーヘッドボルトは、エンジンのシ
リンダーヘッドとシリンダーブロックを締結するボルト
である。シリンダー等の可動部を歪ませない程度の軸力
を発生させ、ヘッドガスケットを介在させることで、ガ
ス漏れ等のシーリング性を確保しつつ、機械振動か熱応
力に対する高い剛性を確保しなければならない。その為
には、シリンダーヘッドボルトとして高い品質と締付け
による軸力管理が要求される。目標締付け軸力とそのば
らつきを一定水準に保つために、前記３種類の締付け方
法の内で例えば回転角法締付けを行うことにする。以
下、実際に締付けの設定を行うまでの方法を箇条書きに
説明する。

【００２２】(1) ＪＩＳ Ｂ 1084-1990「ねじ部品の締
付け試験方法」ボルト・ナット・実用座面版のセット
（供試体Ｂ）を用いて、シリンダーヘッドボルトの締付
け特性値と締付け回転角−締付けトルク−締付け軸力の
締付け特性線図を求める。（その際、実際に使用するシ
リンダーヘッドガスケットを実用座面板の形状に合わせ
て切り出し、実用座面板の下にセットしても良い。） (2) ＪＩＳ Ｂ 1083-1990 「ねじの締付け通則」 ５．
３．２ 回転角法における目標値の決め方により、回転
角法におけるスナッグトルクと締付け回転角を各ボルト
に対し仮設定する。

【００２３】(3) 前記本発明の装置を用い、多数ボルト
締結体の各ボルト又は各ボルトのグループに対し適当な
締付け順番を設定し、仮決定した回転角法で、シリンダ
ーヘッドボルトを締付け、実際の多数ボルト締結体の締
付け回転角−締付けトルク−締付け軸力の締付け特性線
図を求める。ここでは、被締結物の剛性を考慮して、各
ボルトが目標の締付け軸力になりやすいようにいろいろ
な締付け順番を試しても良い（図４参照）。

【００２４】(4) 各ボルトの回転角法のスナッグトルク
と締付け回転角の設定値を補正する。

【００２５】(5) 再度本発明の上記試験装置を用いて締
付け、各ボルトの締付け軸力が目標値と一致するかどう
か確認する(図５参照）。

【００２６】前記(1) の工程は、シリンダーヘッドボル
トの機械的性質が既値であれば、締付け特性値等を推測
することで省略可能である。本発明の装置は、実際のボ
ルト締結体を試験体とし、同等な締付け条件下で試験す
るので、求められた回転角法締付けの設定値をそのまま
生産現場で用いることが出来る。

【００２７】

【発明の効果】本発明は、シリンダーヘッドガスケット
のような塑性体を介在した多数ボルト締結体の回転角法
締付けを行う場合、ボルトを締付ける順番によって同じ
締付け方法で発生する軸力が異なっていても、請求項２
記載の多数ボルト締結体の締付け評価装置を用い、且前
記した請求項１記載の締付け試験方法に従うことによ
り、ボルトに目標締付け軸力を発生させるための最適な
締付け設定を容易に行うことが出来る利点がある。

【００２８】さらにＪＩＳ Ｂ 1083-1990 「ねじの締付
け通則」、ＪＩＳ Ｂ 1084-1990 「ねじ部品の締付け試
験方法」 は、多数ボルト締結体の締付けによるボルト相
互間の軸力への影響を考えないが、本発明は実際の機械
構造物のボルト締結体において、多数ボルト締結体の締
付け設定が容易になった利点がある。

【００２９】また請求項２記載の発明の多数ボトル締結
体の締付け評価試験装置を使用することによって、 (1) 実際の多数ボトル締結体を一般の生産現場と同等な
条件下で直接試験ができるようになった。

【００３０】(2) 多数ボルト締結体の締付け設定に必要
となる締付けトルク、締付け軸力、締付け回転角を連続
同時に計測することが出来る。

【００３１】(3) 試験開始から必要とする各ボルトの締
付け特性値や締付け特性線図がリアルタイムに作成でき
る等、多数の利点を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の多数ボルト締結体の締付け評価試験装
置の概略正面図である。

【図２】図１の計測系のブロック線図である。

【図３】軸力測定用ボルトの軸力検定の線図である。

【図４】仮設定の回転角法締付け結果の線図である。

【図５】最適な回転角法締付けによる締付け結果の線図
である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 機械構造物の多数ボルト締結体の各ボル
   トの締付けの挙動を連続的に同時計測することで、トル
   ク法、回転角法、トルク勾配法等の締付けの設定を行う
   ための締付け特性値等を求めることを特徴とする多数ボ
   ルト締結体の締付け試験方法。
2. 【請求項２】 多数ボルト締結体を固定するステージ部
   に固定された前記多数ボルト締結体の各ボルトを締付け
   る多軸締付け装置を多軸締付け装置固定部を介して固定
   し、前記多軸締付け装置に、多軸締付け装置をコントロ
   ールする多軸締付け装置制御部と、全てのボルトの締付
   け挙動を連続的にモニタリングする多軸締付け装置計測
   部とを装着せしめたことを特徴とする多数ボルト締結体
   の締付け評価試験装置。