WO2014041598A1

WO2014041598A1 - ボルト、及び構造体

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Publication number: WO2014041598A1
Application number: PCT/JP2012/073188
Authority: WO
Inventors: 晋作前田
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2014-03-20
Also published as: JPWO2014041598A1

Abstract

　ボルト（１０）は、部材（２０）を、部材（３０）に固定するために用いられるもので、ねじ部（１３）と円筒部（１４）とを備える。ボルト（１０）のねじ部（１３）は、外周面におねじ（１３ａ）が形成されている。おねじ（１３ａ）は、ねじ部（１３）が部材（３０）のねじ穴（３１）に捻じ込まれた場合、ねじ穴（３１）の内周面に形成されためねじに係合する。ボルト（１０）の円筒部（１４）は、ねじ部（１３）のねじ穴（３１）への捻じ込みに伴って、ねじ穴（３１）の開口に形成された座ぐり孔部（３２）に嵌合する形状に形成されている。

Description

ボルト、及び構造体

　本発明は、ボルト、及び構造体に関する。

　ボルトは、例えば、特定の部材（第１部材）に、別の部材（第２部材）を固定するために用いられる。ボルトで、第１部材に、第２部材を固定する場合、例えば、ボルトを、第１部材及び第２部材の貫通孔に挿入して、ナットを、ボルトのねじ部に螺合して、第１部材と第２部材とを相互に締結する（例えば、下記特許文献１参照。）。もしくは、第１部材に形成されたねじ穴に捻じ込むことで、ナットを使用せずに、第２部材を、第１部材に固定する。

特開２００１－５６０１０号公報

　ボルトによって、ナットを使用せずに、第１部材に第２部材を固定した場合、第１部材及び第２部材の厚みやボルトのねじ部の軸方向長さによっては、ボルトのねじ部が、第１部材と第２部材との境界部分に配置される場合がある。この状態で、例えば、第１部材及び第２部材のうちの一方の部材に振動が生じると、ボルトのねじ部にせん断応力が加わる。ねじ部は、ねじが形成されていない部分よりも応力集中が生じ易いことから、これにより、亀裂等の破損が生じるおそれがある。

　本発明は、上述の事情の下になされたもので、ボルトが固定する部材の振動に起因する破損が生じにくいボルト及び構造体を提供する。

　上述の目的を達成するために、本発明に係るボルトは、ねじ部と嵌合部とを備える。ねじ部は、外周面におねじが形成されている。このおねじは、ねじ部が第１部材のねじ穴に捻じ込まれた場合、ねじ穴の内周面に形成されためねじに係合する。嵌合部は、ねじ部のねじ穴への捻じ込みに伴って、ねじ穴の開口に形成された座ぐり孔部に嵌合する形状に形成されている。

　本発明によれば、ボルトの嵌合部が、ねじ穴の座ぐり孔部に嵌合する。このため、ボルトが固定する２つの部材のうちの一方の部材に振動が生じた場合、嵌合部にせん断応力が加わる。これにより、破損が生じにくくなる。
　また、本発明に係るボルトを備える構造体は、ボルトが固定する２つの部材のうちの一方の部材に生じる振動に強くなる。結果的に、構造体の寿命を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る構造体を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る構造体の分解断面図である。本発明の実施の形態１に係るボルトの取り付けを説明するための断面図（その１）である。本発明の実施の形態１に係るボルトのテーパ部の作用を説明するための図３の部分拡大断面図（その１）である。本発明の実施の形態１に係るボルトのテーパ部の作用を説明するための図３の部分拡大断面図（その２）である。本発明の実施の形態１に係るボルトのテーパ部の作用を説明するための図３の部分拡大断面図（その３）である。本発明の実施の形態１に係るボルトの作用を説明するための断面図である。比較例に係るボルトの作用を説明するための断面図である。一般的な形状のボルトを備える構造体の断面図である。一般的な形状のボルトを備える構造体の分解断面図である。本発明の実施の形態１に係るボルトの取り付けを説明するための断面図（その２）である。本発明の実施の形態２に係る構造体を示す断面図である。図８の部分拡大図である。変形例に係る構造体を示す断面図である。

実施の形態１．
　以下、本発明の実施の形態１に係るボルト１０を備えた構造体１００について図１～図７を用いて説明する。なお、理解を容易にするために、ＸＹＺ座標を設定し、適宜参照する。また、ボルト１０の軸方向は、Ｙ軸方向に相当する。

　構造体１００は、図１に示すように、例えば、吊り掛け駆動方式の鉄道車両の一部であり、ボルト１０と、ボルト１０の固定対象の部材２０，３０とを有する。本実施の形態１では、ナット等は使用されずに、ボルト１０によって、部材２０，３０は、固定される。

　ボルト１０は、図２に示すように、六角ボルトから構成されている。ボルト１０は、例えば、炭素鋼からなり、鍛造等の塑性加工により形成される。ボルト１０は、六角柱形状に形成された頭部１１と、頭部１１から＋Ｙ側に延設された軸部１２とを有する。

　頭部１１は、ボルト１０が、部材２０及び部材３０に取り付けられたときに、部材２０の表面に露出する部分である。頭部１１には、ボルト１０を固定するときに、ボルト１０を回転させるための機器が嵌め込まれる。

　軸部１２は、部材２０の貫通孔２１や部材３０のねじ穴３１に挿入される部分であり、ねじ部１３と、円筒部１４と、ねじ部１３と円筒部１４との間に形成されたテーパ部１５とから構成される。

　ねじ部１３は、ボルト１０の先端（＋Ｙ側の端部）に形成されている。ねじ部１３の外周面には、おねじ１３ａが形成されている。ねじ部１３の呼び径Ｄ１は、例えば、３０ｍｍ（Ｍ３０）である。

　円筒部１４の外周面は、ねじ部１３の外周面とは異なり、おねじ１３ａが形成されていない平滑な面として形成されている。円筒部１４は、後述する部材３０のねじ穴３１に形成された座ぐり孔部３２に嵌合する嵌合部として機能する。円筒部１４は、その外径Ｄ２が、ねじ部１３の呼び径Ｄ１よりも大きく形成されている。円筒部１４の外径Ｄ２は、例えば、３１ｍｍである。

　テーパ部１５の外周面は、Ｙ軸方向に対して傾斜するテーパ面として構成されている。テーパ部１５の傾斜角度θ１は、例えば、１．５°～４°の範囲内にあり、好ましくは、
２°～３°の範囲内にある。

　部材２０は、例えば、モータユニットのモータケーシングから延設されたアームの先端部分である。部材２０の＋Ｙ側の表面及び－Ｙ側の表面は、ＸＺ平面に平行な面に形成されている。部材２０には、Ｙ軸方向に貫通する貫通孔２１が形成されている。この貫通孔２１は、断面が円形である円孔として構成される。貫通孔２１は、その内径Ｄ３が、ボルト１０の円筒部１４の外径Ｄ２よりも大きく形成されている。また、貫通孔２１は、そのＹ軸方向の長さＬ３が、ボルト１０の円筒部１４の長さからワッシャの厚みを減じた長さＬ１よりも小さく形成されている。

　部材３０は、例えば、モータユニットの出力軸の回転を伝達する複数のギアが収納されたギアケースである。部材３０の－Ｙ側の表面は、ＸＺ平面に平行な面に形成されている。部材３０の－Ｙ側の面（ギアケースの表面）には、ねじ穴３１が形成されている。

　ねじ穴３１は、非貫通状態に形成された穴である。ねじ穴３１の内周面の一部には、めねじ３１ａが形成されている。めねじ３１ａは、ボルト１０のねじ部１３の外周面に形成されたおねじ１３ａに対応する形状に形成されている。ねじ穴３１の開口には、座ぐり孔部３２が形成されている。

　座ぐり孔部３２は、めねじ３１ａ等が形成されていない円孔である。座ぐり孔部３２は、その内径Ｄ４が、ボルト１０の円筒部１４の外径Ｄ２と同等に形成されている。この座ぐり孔部３２には、ボルト１０の軸部１２の円筒部１４が嵌め込まれる。また、座ぐり孔部３２の開口縁部には、丸みを帯びるように面取り状の曲面部３２ａが形成されている。曲面部３２ａの曲率半径は、本実施の形態１のようにボルト１０のねじ部１３の呼び径Ｄ１が、Ｍ３０の場合、例えば、２０ｍｍ～３０ｍｍの範囲内にある。

　上述のように構成された部材３０には、ボルト１０を介して、部材２０が固定される。部材２０を、部材３０に固定する場合、作業者は、先ず、部材２０の貫通孔２１の中心軸Ａ２と部材３０のねじ穴３１の中心軸Ａ３とが、ほぼ同軸上になるように、部材２０を、部材３０に配置する。この状態で、ボルト１０を、部材２０の貫通孔２１に挿入する。なお、ボルト１０は、あらかじめ、ワッシャ４０が取り付けられた状態で、貫通孔２１に挿入される。作業者によって、ボルト１０が、貫通孔２１に挿入されると、ボルト１０の先端（＋Ｙ側の端部）のねじ部１３が、貫通孔２１を通過して、部材３０のねじ穴３１内に移動する。

　次に、作業者は、図３に示すように、ボルト１０を捻じ込むための機器５０を、ボルト１０の頭部１１に嵌め込み、機器５０によって、ボルト１０を捻じ込む。これにより、ボルト１０のねじ部１３が、ねじ穴３１に捻じ込まれる。さらに、ねじ部１３が、ねじ穴３１に捻じ込まれていくと、やがて、図１に示すように、ボルト１０の円筒部１４が、座ぐり孔部３２に嵌合される。そして、ボルト１０の頭部１１が、ワッシャ４０を介して、部材２０の表面を押圧する。以上により、部材２０は、部材３０に固定される。

　また、円筒部１４が、座ぐり孔部３２に嵌り込むときに、ボルト１０及び部材３０のねじ穴３１の公差等により、ボルトの中心軸（図２に示される中心軸Ａ１）と、ねじ穴３１の中心軸（図２に示される中心軸Ａ３）とにずれが生じることがある。この場合、図４Ａに示すように、ボルト１０のテーパ部１５が、接触点Ｃにおいて、座ぐり孔部３２の曲面部３２ａに点接触する。そして、図４Ｂに示すように、テーパ部１５が、曲面部３２ａに点接触しながら、ボルト１０のテーパ部１５は、曲面部３２ａの曲面に沿って案内される。そして、図４Ｃに示すように、円筒部１４が、座ぐり孔部３２に嵌り込む。

　以上、説明したように、本実施の形態１では、ボルト１０の円筒部１４が、部材３０の座ぐり孔部３２に嵌合する。このため、例えば、図５に示すように、部材３０に、矢印Ｇに示すようなＺ軸方向の振動が生じた場合、部材２０と部材３０との境界面Ｂに配置された円筒部１４にせん断応力が加わる。円筒部１４は、外周面におねじが形成された同径のねじ部よりも、応力集中が生じにくいため、亀裂等の破損が生じにくくなる。

　これに対して、例えば、図６に示すように、ねじ部１３が、部材２０と部材２３０との境界面Ｂに配置された構造体２００の場合、部材２３０に、矢印Ｇに示す振動が生じると、部材２０と部材２３０との境界面Ｂに配置されたねじ部１３にせん断応力が加わる。ねじ部１３の切欠き係数は、比較的、小さいため、応力集中が生じやすい。

　しかしながら、本実施の形態１では、図５に示すように、ねじ部１３ではなく、円筒部１４にせん断応力が加わるため、応力集中が生じにくくなり、矢印Ｇに示すようなＺ軸方向の振動に起因する亀裂等の破損が生じにくくなる。また、繰り返し応力を受けることによる、疲労破壊が生じにくくなり、ボルト１０の寿命を、向上させることができる。

　また、本実施の形態１では、ボルト１０のテーパ部１５が、座ぐり孔部３２の曲面部３２ａに点接触することで、ボルト１０のテーパ部１５は、曲面部３２ａの円弧に沿って案内される。これにより、ボルト１０のねじ穴３１への挿入性を向上させることができる。

　これに対して、例えば、テーパ部１５及び曲面部３２ａが形成されていない場合は、座ぐり孔部３２の開口に、円筒部１４の端面が引っ掛かってしまい、ボルト１０の捻じ込みに大きな力が必要となることがある。しかしながら、本実施の形態１では、テーパ部１５が、曲面部３２ａの曲面に沿って案内されることにより、捻じ込みに大きな力を必要とすることなく、ボルト１０を、ねじ穴３１に捻じ込むことができる。結果として、ボルト１０のねじ穴３１への挿入性を向上させることができる。

　本実施の形態１に係るボルト１０を、構造体のメンテナンス時に、一般的な形状の従来のボルトに代えて、適用することも可能である。例えば、図７（Ａ）に示すような、一般的な形状の従来のボルト１０Ａが取り付けられた構造体３００の場合、図７（Ｂ）に示すように、部材３３０のねじ穴３３１には、座ぐり孔部３３２が形成されていないことが多い。そのため、図７（Ｃ）に示すように、機械加工により、ねじ穴３３１の開口近傍の内周部分Ｒを取り除き、座ぐり孔部３３２を形成する。そして、座ぐり孔部３３２を形成してから、本実施の形態１に係るボルト１０を取り付ける。これにより、構造体３００は、従来のボルト１０Ａに代わり、本実施の形態１に係るボルト１０を備えるため、部材２０又は部材３３０の振動に強い構造体となる。結果的に、構造体３００の寿命を向上させることができる。

　以上、本実施の形態１について説明したが、本発明は、上記実施の形態１によって、限定されるものではない。

　例えば、本実施の形態１では、ボルト１０のねじ部１３の呼び径Ｄ１は、Ｍ３０であるが、これに限らず、Ｍ３０以外のボルトであってもよい。

　また、本実施の形態１では、ボルト１０のテーパ部１５の傾斜角度θ１は、１．５°～４°の範囲内にあるが、これに限らず、１．５°～４°の範囲以外の角度であってもよい。ただし、傾斜角度θ１が、１．５°より小さいと、図２に示すように、テーパ部１５のＹ軸方向の長さＬ４が長くなり、相対的に、円筒部１４の長さＬ１、又はねじ部１３の長さＬ２が短くなり過ぎるおそれがある。また、傾斜角度θ１が、４°より大きいと、テーパ部１５が、座ぐり孔部３２の曲面部３２ａに接触しにくくなる。このため、傾斜角度θ１は、１．５°～４°の範囲内にあることが好ましい。さらに好ましくは、傾斜角度θ１は、２°～３°の範囲内である。

　また、本実施の形態１では、座ぐり孔部３２の曲面部３２ａの曲率半径は、２０ｍｍ～３０ｍｍの範囲内にあるが、これに限らず、２０ｍｍ～３０ｍｍ以外の曲率半径であってもよい。ただし、曲率半径が小さすぎたり、大きすぎたりすると、ボルト１０のテーパ部１５が、座ぐり孔部３２の曲面部３２ａに接触しにくくなる。このため、曲面部３２ａの曲率半径は、２０ｍｍ～３０ｍｍの範囲内にあることが好ましい。なお、曲率半径は、ボルト１０のねじ部１３の呼び径Ｄ１に対応する大きさである必要がある。

実施の形態２．
　前記実施の形態１に係る構造体１００においては、ボルト１０には、テーパ部１５が形成されるとともに、部材３０の座ぐり孔部３２には、曲面部３２ａが形成されている。これに対して、本実施の形態２に係る構造体１００Ａにおいては、図８及び図９に示すように、ボルト１０Ａには、曲面部１６が形成され、部材３０の座ぐり孔部３２には、テーパ部３２ｂが形成されている。

　ボルト１０Ａの曲面部１６は、ボルト１０Ａのねじ部１３と円筒部１４との間に形成されている。曲面部１６は、例えば、所定の曲率半径の曲面から構成される。

　座ぐり孔部３２の開口縁部には、テーパ部３２ｂが形成されている。テーパ部３２ｂの外周面は、Ｙ軸方向に対して傾斜するテーパ面として構成されている。テーパ部１５の傾斜角度は、例えば、１．５°～４°の範囲内にある。さらに好ましくは、２°～３°の範囲内にある。

　本実施の形態２において、円筒部１４が、座ぐり孔部３２に嵌り込むときに、公差等により、ボルト１０Ａの中心軸と、ねじ穴３１の中心軸とにずれが生じていた場合は、ボルト１０Ａの曲面部１６が、座ぐり孔部３２のテーパ部３２ｂに点接触する。そして、曲面部１６が、テーパ部３２ｂに点接触しながら、ボルト１０の曲面部１６は、テーパ部３２ｂの斜面に沿って案内される。そして、円筒部１４が、座ぐり孔部３２に嵌り込む。

　以上、説明したように、本実施の形態２でも、ボルト１０Ａの曲面部１６が、座ぐり孔部３２のテーパ部３２ｂに点接触することで、ボルト１０の曲面部１６は、テーパ部３２ｂの斜面に沿って案内される。これにより、ボルト１０Ａのねじ穴３１への挿入性を向上させることができる。

　以上、本実施の形態１及び２について説明したが、本発明は、上記実施の形態１及び２によって、限定されるものではない。例えば、本実施の形態２において、曲面部１６の曲率半径や、テーパ部３２ｂの傾斜角度等は、適宜、変更可能である。

　また、上記実施の形態１及び２では、座ぐり孔部３２に嵌合する嵌合部は、円筒部１４の一部である。しかしながら、これに限らず、図１０に示すように、嵌合部１７を、円筒部１８よりもやや大きな外径の別の部分に形成してもよい。

　また、上記実施の形態１では、ボルト１０には、テーパ部１５が形成され、座ぐり孔部３２には、テーパ部１５に点接触するように曲面部３２ａが形成されている。上記実施の形態２では、ボルト１０Ａには、曲面部１６が形成され、座ぐり孔部３２には、曲面部１６に点接触するようにテーパ部３２ｂが形成されている。しかしながら、これに限らず、ボルト１０，１０Ａの一部が、座ぐり孔部３２の一部に点接触し、ボルト１０，１０Ａの挿入性を高めるものであれば、これ以外の形状であってもよい。ただし、ボルト１０及び座ぐり孔部３２のいずれにもテーパ部１５，３２ｂを形成した場合には、点接触ではなく、線接触となり、ボルト１０挿入時の摩擦抵抗が大きくなる。そのため、テーパ部１５，３２ｂと曲面部１６，３２ａとが点接触する形状にする方が好ましい。

　上記実施の形態１及び２では、部材２０は、モータユニットのモータケーシングから延設されたアームの先端部分であり、部材３０、３０Ａ、３０Ｂは、モータユニットの出力軸の回転を伝達する複数のギアが収納されたギアケースである。そして、構造体１００、１００Ａ、１００Ｂは、吊り掛け駆動方式の鉄道車両の一部である。しかしながら、これに限られず、産業用の工作機械や設備機器等の一部であってもよい。特に、本発明は、動作中に振動が生じる車両、工作機械、設備機器等に用いるのに適している。

　本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。

　本発明のボルト及びボルト構造体は、鉄道車両のモータユニットを、ギアボックスに固定するのに適している。

　１０、１０Ａ、１０Ｂ、３１０　ボルト
　１１　頭部
　１２　軸部
　１３　ねじ部
　１３ａ　おねじ
　１４　円筒部（嵌合部）
　１５　テーパ部
　１６　曲面部
　１７　嵌合部
　１８　円筒部
　２０　部材（第２部材）
　２１　貫通孔
　３０、２３０、３３０　部材（第１部材）
　３１、３３１　ねじ穴
　３１ａ　めねじ
　３２、３３２　座ぐり孔部
　３２ａ　曲面部
　３２ｂ　テーパ部
　４０　ワッシャ
　５０　機器
　１００、１００Ａ、１００Ｂ、２００、３００　構造体
　Ｄ１　呼び径
　Ｄ２　外径
　Ｄ３、Ｄ４　内径
　Ｌ１～Ｌ４　長さ
　Ａ１～Ａ３　中心軸
　Ｂ　境界面
　Ｃ　接触点
　Ｇ　矢印
　Ｒ　内周部分
　θ１　傾斜角度

Claims

　第１部材のねじ穴に捻じ込まれ、前記ねじ穴の内周面に形成されためねじに係合するおねじが、外周面に形成されたねじ部と、
　前記ねじ部の前記ねじ穴への捻じ込みに伴って、前記ねじ穴の開口に形成された座ぐり孔部に嵌合する形状に形成された嵌合部と、
　を備えるボルト。
　前記嵌合部と前記ねじ部との間に形成され、軸方向に対して傾斜するテーパ部を備える請求項１に記載のボルト。
　前記嵌合部と前記ねじ部との間に形成され、外周面が曲面に形成された曲面部を備える請求項１に記載のボルト。
　前記嵌合部は、ボルト円筒部の少なくとも一部から構成される請求項１乃至３のいずれか一項に記載のボルト。
　めねじが内周面に形成されるとともに、座ぐり孔部が開口に形成されたねじ穴を備える第１部材と、
　請求項１乃至４のいずれか一項に記載のボルトと、
　を有する構造体。
　前記第１部材の前記座ぐり孔部の開口縁部には、軸方向に対して傾斜するテーパ部が形成されている請求項５に記載の構造体。
　前記第１部材の前記座ぐり孔部の開口縁部には、面取り状の曲面部が形成されている請求項５に記載の構造体。
　前記ボルトが挿入される貫通孔が形成され、前記貫通孔に前記ボルトが挿入されることによって、前記第１部材に固定される第２部材を有する請求項５乃至７のいずれか一項に記載の構造体。
　前記第２部材は、鉄道車両のモータユニットのモータケーシングから延設されたアームの先端部分から構成され、
　前記第１部材は、前記モータユニットの出力軸の回転を伝達する複数のギアが収納されたギアケースから構成されている請求項８に記載の構造体。