JPS5810622A - 光弾性を利用したボルト軸力管理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光弾性を利用し゛たボルト軸力管理方法に係り
、ことに締付は時のボルトの軸力管理を正確におこなう
ことができるボルト軸力管理方法に関する。

被締付物たとえば２板の鋼板を一体に締結する場合など
には、ボルトとナツトが広く活用されている。そしてボ
ルト締結時の当該ボルトの締付は力、換言すればボルト
の軸力な管理することは安全上きわめて重要である。従
来、締付は時のボルトの軸力を管理する方法として、ト
ルク法とナツト回転角法がある。このうちトルク法はト
ルクＴとボルト軸力Ｆとの間に成り立つＴ＝ｋｄＦ（ｋ
はトルク係数、ｄはボルトの呼び径）の関係を利用した
もので、ｋ、ｄを定数として取扱い、トルクＴを制御す
ることによって軸力Ｆを管理しようとするものである。

しかしこのトルク法にあっては、ボルトの座面やねじ部
の不均一な粗さによる影響を受けてトルク係数ｋが現実
には一定にならず、それ故トルクＴに対するボルトの軸
力の範囲が大きくなってしまい、軸力管理を十分にはお
こない難い不具合がある。

また従来のナツト回転角法は、ナツトの回転角とボルト
の軸力との関係に着目したもので、ナツトの回転角を所
定の値に設定することによって軸力を管理しようとする
ものである。このナツト回転角法は、ナツトを回転させ
てボルトを塑性域まで締付けるようになっているので、
ナツトの回転角に多少のばらつきを生じても軸力Ｆのば
らつきが小さく、それ故上記したトルク法に比べて安定
した軸力の管理をおこなうことができる。しかしこのナ
ツト回転角法においては、ボルトを塑性域まで締付ける
ようになっていることがら、ボルトが破断する危険があ
り、そのため延性の小さい材質からなるボルトは使用が
困難となる不具合がある。なお弾性域における軸力管理
を考えた場合、ナツト回転角法にあっては、ナツトの回
転角を目で読み取るようになっているので、当該回転角
の読み取り誤差に相応した大きな軸力Ｆの誤差を生じる
。それ故、弾性域での従来のナツト回転角法による軸力
管理は不可能であった。

またこのような軸力管理方法の他に、従来以下に述べる
磁気を利用した軸力管理方法が提案されている。なおは
じめに第１図ないし第３図に基づいて一般のボルト締付
は時に生ずる力の関係について述べ、次に第４図および
第５図に基づいて他の従来のボルト軸力管理方法につい
て述べる。

第１図はボルト締付は時に当該ボルトに生ずる各種の力
を示す説明図、第２図は第１図に示すボルトに生ずる軸
応力すなわち軸力σｆとボルト頭の応力σ。との関係を
示すグラフ、第５図は第１図に示すボルト等の鋼部材に
生ずる圧縮応力および引張り応力と鉄損との関係を示す
グラフである。第１図において１．２　　は被締付物、
３はこれらの被締付物１，２　　を締結するボルト、４
はボルト３の軸部に嵌入したワッシャで、これらは一体
となって締結部を構成している。この場合、ボルト３を
被締付物１，２　　に締付け、矢印５に示すように当該
ボルト３に軸応力（以下、「軸力」という）σｆが生じ
ると、矢印６に示すようにボルト５の首下塵の面圧Ｎに
よってボルト頭７の表面には矢印８に示すように圧”縮
応力σ。が生じる。この時に発生する軸力σｆとボルト
頭７に生じる応力σ。の関係は第２図に示すような相関
性があり、軸力σｆの半分程度の応力σＣがボルト頭７
の中心付近に現われる従ってボルト頭７の応力σ。を何
らかの方法で求めれば、逆に軸力σｆを求めることがで
きる。

また一般に第１図のボルトのような鋼部材に磁気を与え
、その鋼部材に外力を加えると、発生する応力に応じて
鋼部材内部の鉄損が変化することが知られている。すな
わち第５図に示すように当該鋼部材に圧縮応力がかかる
と鉄損は増加し、逆に引張り応力がかかると鉄損は減少
する。従って上記した第２図および第３図に示す特性を
利用し、ボルト頭７に生ずる圧縮応力による鉄損の変化
率を求めれば、当該ボルト３の軸力な検出できることに
なる。

第４図はこの原理を利用した従来のボルト軸力管理方法
を例示する説明図、第５図は第４図に示す管理方法にお
ける鉄損の変化率と軸力との関係を示すグラフである。

第４図において９はプローブで、コア１０と、このコア
１０に巻きつけたコイル１１とから成っている。この従
来の方法は被締付物１，２　　を締結したボルト３のボ
ルト頭７にプローブ９を当て、この状態でコイル１１に
電流を流し、コア１０とボルト頭７に磁界を生じさせ、
ボルト頭７の内部に矢印１２で示すうず電流を入射する
。そしてボルト３に軸力が発生し、ボルト頭７に圧縮応
力が生じると、磁界によって生じたボルト内部の鉄損が
変化する。ここで鉄損の変化率と軸力との関係は第５図
に示すとおりである。

従って当該ボルト３の鉄損の変化率が求められれば当該
ボルト５の軸力な求めることができ、これによってこの
ボルト５が適正な軸力であるかどうかを管理することが
できる。

ところでこの第４図に示すようにして行なう従来のボル
ト軸力管理方法にあっては、前述したトルク法と違って
摩擦係数の影響を受けず、また前述した回転角法と違っ
てボルト長さに関係なく軸力管理を行なうことができ、
ボルト歪ゲージを貼ることなく軸力を測定できる利点が
あるものの以下に列挙する不具合がある。

■　ボルト頭７に形成されている浮出し文字は取除かな
ければならない。

■　ボルト３の材質、径の違いによって鉄損の変化率に
ばらつきを生じる。

■　残留磁気によって鉄損に誤着が生じる。

■　ボルト５に生じる曲げによつて誤差を生じる。

■　プローグ９の位置がボルト頭７の中心からはずれる
と誤差を生じる。

本発明はこのような従来技術における不具合に鑑みてな
されたもので、その目的は、締付は時のボルトの軸力管
理を正確かつ簡単に行なうことができるボルト軸力管理
方法を提供することにある。

本発明は等質等方性の透明な物体に外力を付加した場合
に、その物体の複屈折性の強度が外力に比例するという
光弾性効果を利用するものである。

この光弾性を有する弾性体に外力を加えて光を投射する
と、光は偏光し、その偏光の屈折率は物体（弾性体）に
生じた応力の差に比例する。また、その物体に反射して
みられる偏光、つまり偏光の屈折によって現われる縞模
様の密度はその物体に生じる応力の大きさによって変化
する。本発明はこの縞模様の密度を測定してボルト頭の
歪を測定することによってボルトの軸力管理を行なおう
とするものである。

以下、本発明のボルト軸力管理方法を図に基づいて説明
する。第６図は本発明のボルト軸力管理方法の一実施例
を示す説明図、第７図は第６図に示す管理方法における
軸力と縞次数の関係を示すグラフである。なお第６図に
おいて前述した部材と同じ部材は同一の符号で示しであ
る。この第６図において、１３は弾性を有する樹脂状の
膜からなる反射膜で、ボルト頭７に塗布形成しである。

１４は厚さが例えば数−からなる光弾性皮膜で、反射膜
１３の上面に貼付けである。１５．１５’とは偏光板で
ある。偏光板１５は図示しない光源と光弾性皮膜１４と
の間に配置され、光源から発せられた光を円偏光、ある
いは円偏光を平面偏光する機能を有する。偏光板１５′
は光弾性皮膜１４とスコープとの間に配置され、反射膜
１５で反射された光を円偏光、°あるいは円偏光を平面
偏光する機能を有する。１６．１６’は偏光板１５．１
５’にそれぞれ取付けた１／４波長板である。

このように反射膜１３、光弾性皮膜１４、偏光板１５．
１５’、１／４波長板１６．１６’、および図示しない
光源およびスコープを配置して行なうボルト軸力管理方
法は以下に述べるとおりである。

なおボルト５を締付けて当該ボルト６に軸力が発生した
時のボルト頭７の応力とボルト５の軸力との関係は前述
したとおりである。また光弾性皮膜１４の歪に対する縞
模様の密度、いわゆる歪感度は光弾性皮膜を形成する薬
品すなわち樹脂の調合具合によって敏感にも鈍感にもす
ることができる。従ってボルト５に発生する軸力の大き
さに応じてあらかじめ調合具合を調整することが好まし
い。

さてボルト５に軸力が発生している状態にあっては、光
源から投射された光は偏光板１５を通過すると平面偏光
となり、さらに１／４波長板１６を通過するとその偏光
に与える相対的光路差が光源の波長λに対して１／４λ
になり、それ故平面偏光は円偏光となる。そして外力が
加わっている光弾性皮膜１４に円偏光が入射されると、
この光弾性皮膜１４の内部で主応力方向であるＸ、Ｙ方
向に屈折され、それが反射膜１３で反射され、別の１／
４波長板１６′を通過すると、今までの円偏光が偏光板
１５の主面に平面偏光となり、その偏光が別の偏光板１
５′を通過すると、当該偏光を縞模様として見ることが
でき゛る。このようにして得られる縞模様は第７図に示
すようにボルト頭７の応力すなわち軸力の大きさに応じ
て粗密に変化する。従ってあらかじめボルト５の軸力と
縞模様の密度例えば縞模様の次数との対応比を設定して
おき、当該ボルト縞付は時における縞模様の次数を確認
すれば、当該ボルト５の軸力な求めることができ、これ
によってこのボルト３力１適正な軸力であるかどうかを
管理することができる。

本発明のボルト軸力管理方法は、上記したようにボルト
頭の表面に貼付した光弾性皮膜に光を照射するようにし
、ボルト締付は時に生ずるボルト頭の変形に伴って発生
する縞模様の粗密の程度を測定し、この粗密の程度とボ
ルト軸力との相関関係から当該ボルトに発生する軸力を
検出して適正なボルト軸力であるかどうかを管理するよ
うにしであることから、以下に列挙する効果を奏する。

■　従来のようにボルト頭の浮き出し文字を除くための
仕上げ加工を必要とせず、作業が簡単になる、 ■　ボルトの軸力（ボルト頭の応力）に応じた感度を自
由に選択することができる。

■　締付は時のボルト軸力管理は単に縞模様を見るだけ
なので、作業が簡単である。また光学的に詳細に測定し
、管理することも可能であり、精度の高いボルト軸力の
管理を行なうことができる■　締付は後におけるボルト
のゆるみの有無の確認作業もきわめて容易に行なうこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は一般のボルト締付は時に生ずる力
の関係について示す説明図で、第１図はボルト締付は時
に当該ボルトに生ずる各種の力を示す説明図、第２図は
＄１図に示すボルトに生ずる動力とボルト頭の応力との
関係を示すグラフ、第５図は第１図に示すボルト等の鋼
部材に生ずる圧縮応力および引張り応力と鉄損との関係
を示すグラフ、第４図は従来のボルト軸力管理方法を例
示する説明図、第５図は第４図に示す、管理方法におけ
る鉄損の変化率と軸力との関係を示すグラフ、第６図は
本発明のボルト軸力管理方法の一実施例を示す説明図、
第７図は第６図に示す管理方法における軸力と縞次数の
関係を示すグラフである。 １．２・・被締付物　　　３・・・ボルト４１．、ワッ
シャ　　　　　　７・・・ボルト頭１３・・・反射膜　
　　　　　１４・・・光弾性皮膜１５．１５’・・・偏
光板　　１６．１６’・・・１／４波長板代理人併理士
　中　村　純之助 １１＼ 第２　― 軸力　　（φ由Ａ三力ン ！５図 中田力　＄に力）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、　構造物の締結部を構成するボルトの軸力な管理ス
   るボルト軸力管理方法において、ボルト頭の表面に貼付
   した光弾性皮膜に光を照射するようにし、ボルト締付は
   時に生ずるボルト頭の変形に伴って発生する縞模様の粗
   密の程度を測定し、この粗密の程度とボルト軸力との相
   関関係から当該ボルトに発生する軸力を検出して適正な
   ボルト軸力であるかどうかを管理するようにしたことを
   特徴とする光弾性を利用したボルト軸力管理方法。