WO2018079137A1 - おねじ及びねじ締結構造 - Google Patents

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WO2018079137A1
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thread
angle
screw
pressure
flank surface
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裕史 中野
直樹 堀内
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株式会社トープラ
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B33/00—Features common to bolt and nut
    • F16B33/02—Shape of thread; Special thread-forms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B39/00—Locking of screws, bolts or nuts
    • F16B39/22—Locking of screws, bolts or nuts in which the locking takes place during screwing down or tightening
    • F16B39/28—Locking of screws, bolts or nuts in which the locking takes place during screwing down or tightening by special members on, or shape of, the nut or bolt
    • F16B39/30—Locking exclusively by special shape of the screw-thread

Definitions

  • the present invention relates to a male screw having high looseness resistance and fatigue resistance, and a screw fastening structure using the male screw, and more particularly to a thread shape.
  • the present applicant has already proposed a thread shape as described in Patent Document 1. That is, the thread of the external thread described in Patent Document 1 is such that the angle on the peak side from the vicinity of the effective screw diameter is smaller than the angle on the base side (base side). The angle on the bottom side is the same as the angle of the thread of the female thread. The top of the thread of the male thread is brought into line contact with the flank surface of the thread of the female thread and elastically deformed. Increases looseness. Furthermore, a screw having high fatigue strength has been realized by dispersing the tightening load to a plurality of fitting threads that are fitted to the threads of the female thread.
  • An object of the present invention is to provide a male screw and a screw fastening structure which have high looseness resistance and can further improve fatigue resistance.
  • the male screw of the present invention has the same angle as the pressure side flank surface of the female thread where the male screw engages with the angle on the top side of the pressure side flank surface of the screw thread.
  • the angle is set larger than the angle on the mountaintop side.
  • the angle on the crest side of the pressure side flank surface of the thread may be 30 °, and the angle on the base side may be 31 ° to 35 °.
  • the pitch of the thread may be set smaller than the thread pitch of the female thread within an allowable range of the fitting clearance between the male thread and the female thread.
  • Another invention is a screw fastening structure in which a screw thread of a male screw is screwed into and tightened with a screw thread of a female screw,
  • the angle on the peak side of the pressure side flank surface of the thread of the male screw is equivalent to the pressure side flank surface of the thread of the female screw to which the male screw is screwed, and the angle on the root side is the angle on the peak side Set larger
  • the pressure-side flank surface of the female screw thread is at a constant angle from the peak side to the base side
  • the pressure-side flank surface of the female screw side is located at the root side portion of the pressure-side flank surface of the male screw thread.
  • the pressure side flank surface of the female thread is the pressure of the male thread. It is the structure which carries out surface contact with a side flank surface.
  • the angle on the peak side of the pressure side flank surface of the thread of the male screw can be 30 °, and the angle on the root side can be 31 ° to 35 °.
  • the play-side flank surface of the thread of the male screw can be set so that the angle on the root side is larger than the angle on the summit side, similarly to the pressure-side flank surface.
  • the pitch of the thread may be set smaller than the thread pitch of the female thread within an allowable range of the fitting clearance between the male thread and the female thread.
  • the axial force of the male screw decreases due to the fluctuation of the external load at the fastening portion of the male screw and the female screw, the pressure side flank surface of the female screw thread, and the pressure side flank of the male screw thread. Even if there is a gap between the surface and the top portion of the surface, the contact surface pressure can be secured by the elastic deformation of the top portion of the thread of the female screw, and the loosening can be prevented. On the other hand, the top side corner of the pressure-side flank surface on the female screw side comes into contact with the base side portion of the pressure-side flank surface of the male screw thread and is elastically deformed.
  • the female thread comes into contact with each other and multiple tightening loads are fitted. Can be distributed over the threads.
  • the contact portion of the crest corner portion of the pressure side flank surface of the female screw is the base side portion of the pressure side flank surface of the male screw thread, it is located at the root of the first fitting screw thread of the male screw.
  • the distance from the first trough is short, the tensile stress acting on the first trough is reduced, and coupled with the dispersion of the axial force, the stress acting on the first trough of the male screw can be reduced, The fatigue strength can be increased.
  • the maximum principal stress applied to the first valley of the male thread is reduced, and the contact surface pressure of each thread is made uniform. Can be planned.
  • FIG. 1A and 1B show a screw fastening structure according to Embodiment 1 of the present invention, in which FIG. 1A is a cross-sectional view showing a thread of a male screw, FIG. 1B is a diagram showing an initial fastening state, and FIG. (D) is a schematic diagram showing the overall structure.
  • 2 (A), (C), (E) are views showing the threads of the male thread of Embodiment 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 of the present invention, and FIGS. 2 (B), (D), (F) ) Is a diagram schematically showing an initial contact state between the male thread of (A), (C), and (E) and the female thread of the JIS standard thread.
  • (A), (B) are the analysis results of the maximum principal stress acting on the male screw and female screw of the screw fastening structure of Embodiment 1 of the present invention
  • (C), (D) are the screw fastening structure of Comparative Example 1.
  • (E) and (F) are graphs showing analysis results of maximum principal stress acting on male screw and female screw of the screw fastening structure of Comparative Example 2.
  • (A) is the graph which shows the analysis result of the maximum principal stress which acts on the trough part of an external thread at the time of changing the thread angle of FIG. 1
  • (B) is the pitch difference of Embodiment 2 of this invention. It is explanatory drawing of the fitting clearance in the case of providing.
  • (A) is a graph showing the maximum principal stress applied to the thread valley when the pitch change rate and the crest angle are changed
  • (B) is the maximum main stress and reference pitch corresponding to each pitch change rate of (A). It is a figure which shows the comparison result of the largest principal stress.
  • FIG. 1D shows a screw fastening structure according to Embodiment 1 of the present invention. That is, this screw fastening structure is configured to fasten the member 100 to be fastened by a male screw 10 such as a bolt and a female screw 20 such as a nut.
  • the male screw 10 has a head 12 at one end of a screw shaft portion 11, and a helical thread 13 formed on the outer periphery of the screw shaft portion 11.
  • the female screw 20 has a threaded hole 22 formed therethrough, and a plurality of threaded threads 23 into which the threaded thread 13 of the thread is screwed are formed on the inner periphery of the threaded hole 22.
  • the thread 13 of the male screw 10 is shown enlarged.
  • the angle ⁇ 2 of the root side of the pressure-side flank surface 14 of the thread 13 of the external thread 10 (the flank surface forms a center line M of the thread 13 perpendicular to the axis N in the cross-sectional shape including the screw axis N).
  • Angle is set to be larger than the angle ⁇ 1 on the summit side.
  • the summit-side portion 141 and the root-side portion 142 of the pressure-side flank surface 14 are bounded in the vicinity of the effective diameter d.
  • the angle ⁇ 5 of the pressure-side flank surface 24 of the thread 23 of the female screw 20 is constant from the crest 26 to the root, and the pressure-side flank of the thread 13 of the external thread 10.
  • the angle 14 is set to the same angle as the angle ⁇ 1 of the top portion 141 of the surface 14.
  • the play-side flank surface 25 of the thread 23 of the female screw 20 is also symmetrical with the pressure-side flank surface 14 and has the same angle, and the pitch Pi of the female screw 20 is the same as the pitch Pm of the external screw 10. (See FIG. 1D).
  • the shape of the thread 13 conforms to the most common JIS B 0205 metric coarse thread except for the angle ⁇ 2 of the root portion 142 of the thread 13.
  • the crest angle ⁇ 1 of the portion 141 (the angle formed by the pressure side flank surface 14 and the play side flank surface 15) is set to 60 °, and the crest angle ⁇ 2 of the root side portion 142 is more than 60 ° and not more than 70 °, more preferably. Is set to 62 ° to 70 °, more preferably 62 ° to 63 °.
  • the angle ⁇ 1 of the peak portion 141 is 30 ° as a half angle of the peak angle
  • the angle ⁇ 2 of the root portion 142 is more than 30 ° and not more than 35 °, preferably not less than 31 ° and 35. It is not more than °, more preferably not less than 31 ° and not more than 31.5 °.
  • the thread 23 of the female screw 20 is of a general metric coarse thread
  • the crest angle ⁇ 5 is 60 °
  • the angle ⁇ 5 of the pressure side flank surface 30 is a half angle of the crest angle. °.
  • the crest-side corner portion 24a (corner portion with the crest portion 26) of the pressure-side flank surface 24 of the thread 23 of the female screw 20 is It contacts the base side portion 142 of the pressure side flank surface 14 (FIG. 1 (B)), and as the tightening load increases, the contact area increases due to elastic deformation from the vicinity of the summit side corner portion 24a, and finally the gap reaches the base side. Tightening is completed with no close contact (FIG. 1C).
  • the root portion of the external thread 10 has high rigidity, so that the vicinity of the peak portion 26 of the thread 23 of the internal thread 20 is bent and deformed.
  • the axial force of the male screw 10 is reduced by the fluctuation of the external load, and the pressure side flank surface 24 of the screw thread 23 of the female screw 20 and the peak side portion 141 of the pressure side flank surface 14 of the screw thread 13 of the male screw 10. Even if a gap is opened between the two, the contact surface pressure can be ensured by the elastic deformation of the thread 23 of the female screw 20 on the side of the top corner 24a, and the loosening can be prevented.
  • the screw shaft portion 11 of the male screw 10 extends from the head portion 12 to the fitting portion with the female screw 20 due to the axial force.
  • the thread 23 of the female screw 20 tends to come into contact with the first fitting thread 131 on the tightening seating surface 20 a side of the female screw 20.
  • the top side corner portion 24a of the pressure side flank surface 24 of the female screw 20 abuts on the base side portion 142 of the pressure side flank surface 14 of the screw thread 13 of the external screw 10 and elastically deforms.
  • the first fitting thread 131 but also a plurality of fitting threads, for example, as shown in FIG.
  • the second fitting thread 132, the third fitting thread 133,... Thread 23 of female screw 20 abuts, and the axial force can be distributed to a plurality of fitting threads.
  • the contact portion of the crest-side corner portion 24a of the pressure-side flank surface 24 of the female screw 20 is the root-side portion 142 of the pressure-side flank surface 24 of the screw thread 23 of the male screw 10, so that it is positioned at the root of the screw thread 23.
  • the distance to the trough portion 17 is short, and the bending stress acting on the trough portion 17 can be reduced.
  • the angle ⁇ 2 of the root side portion of the pressure side flank surface 14 of the thread 13 of the external thread 10 is large, the rigidity is high and the stress acting on the valley portion 17 can be further reduced.
  • the angle ⁇ 4 of the base side portion of the play-side flank surface 15 is also large, the cross-sectional area of the base portion is further increased, and the stress can be further reduced. Therefore, coupled with the dispersion of the axial force to the plurality of fitting threads, the stress acting on the first valley portion 171 located at the root of the first fitting thread 131 of the male screw 10 can be reduced, The fatigue strength can be increased.
  • FIG. 2 (A) shows the thread of the male screw of the present invention
  • FIG. 2 (C) shows, as Comparative Example 1, a standard thread 103 (JIS standard thread) of a conventional male screw
  • FIG. 2 (E). Shows, as Comparative Example 2, a thread 203 of a male screw having a small crest angle at the crest portion described in the prior art.
  • 2 (B), (D), and (F) show the female thread 10 of the present invention and the female thread 20 of the existing JIS standard thread as the male thread 10 of the present invention and the male threads 110 and 120 of Comparative Examples 1 and 2, respectively.
  • the fastening structure fastened to is shown.
  • the thread size is M10 ⁇ 1.25
  • the thread angle of the thread 13 of the present invention is 60 ° on the peak side (30 ° on the pressure side flank surface) and 63 ° on the root side (on the pressure side flank surface).
  • the angle of the thread 103 of the comparative example 1 is constant from the summit side to the base side and is 60 ° (the angle of the pressure side flank is 30 °).
  • the angle is 50 ° on the summit side (the pressure-side flank angle is 25 °) and 60 ° on the base side (the pressure-side flank angle is 30 °).
  • FIG. 3 shows the analysis results of the maximum principal stress acting on each thread when the same load is applied to these screw fastening structures (assuming elastic fastening).
  • the load is about 20% of the guaranteed bolt load.
  • the number of fitting threads is 6 threads, and the measurement points are P1 to P6 from the first trough to the sixth trough for the male thread, and Pn1 to Pn6 for the female thread.
  • About P0 of the external thread it corresponds to the valley of the thread between the head and the first valley, and shows the stress concentration due to the tensile load of the axial force.
  • the first valley (measurement point P1) is 312 MPa at the maximum (see FIG.
  • the main stress of the first valley (measurement point P1) is reduced and the second valley (measurement point P2) is maximum.
  • the maximum value is 271 MPa, which is 13% lower than the JIS standard product (see FIG. 3A).
  • the maximum principal stress (measurement point P3) of the third valley is larger than that of the JIS standard product, and the load is dispersed in the first valley, the second valley, and the third valley. I'm barking.
  • the female thread side is 200 MPa (see FIG.
  • FIG. 3D shows the analysis result of the maximum principal stress in the thread valley when the thread angle is changed.
  • the play side flank surface 15 side is also symmetrical with the pressure side flank surface 14, and the root side angle ⁇ 4 is larger than the mountain top side angle ⁇ 3.
  • the thread angle of the thread 13 (the angle between the pressure-side flank surface and the play-side flank surface) is used as a parameter, and the root-side mountain angle ⁇ 2 from 60 ° with respect to the mountain angle ⁇ 1 (60 °) on the mountaintop side.
  • the analysis was performed for the case where the angle was changed by 1 ° up to 70 °. Therefore, the angles ⁇ 1 and ⁇ 2 on the peak side and the root side of the pressure-side flank surface 14 are half angles of the peak angles ⁇ 1 and ⁇ 2 on the peak side and the root side.
  • the thread angle ⁇ 2 at the root side is 60 ° is a thread according to JIS standard.
  • the screw size is M10 x 1.25, and it is around 40% of the guaranteed bolt load when fastened to the external thread 10 having these thread angles 13 and the existing female thread 20 of the standard JIS thread.
  • the maximum principal stress acting on the valley portion was determined for each mountain angle. As shown in FIG. 4A, the maximum principal stress applied to the first valley portion P1 tends to decrease from 60 ° to 63 °, and becomes substantially constant when it exceeds 63 °. From this result, it can be seen that when the root angle ⁇ 2 on the root side exceeds 60 °, the effect of reducing the maximum stress can be expected.
  • the play-side flank surface 15 of the male screw may interfere with the play-side flank surface 25 of the thread 23 of the female screw 20, so the upper limit is about 70 °. Moreover, since it becomes substantially constant when it exceeds 63 °, up to about 63 ° is sufficient from the viewpoint of reducing the maximum principal stress.
  • the pressure side flank of the screw thread 23 of the female screw 20 with which the male screw 10 is screwed is set at an angle ⁇ 1 on the pressure side flank surface 14 of the screw thread 13 as in the first embodiment. It is equivalent to the surface 24, and the basic configuration is such that the angle ⁇ 2 on the base side is set larger than the angle ⁇ 1 on the summit side, and the angle ⁇ 4 on the base side is larger than the angle ⁇ 3 on the summit side for the play side flank surface 15 as well.
  • the pitch Pm of the screw thread 13 of the male screw 10 is set to be equal to the pitch Pi of the screw thread 23 of the female screw 20. This is set to be small within the allowable range of the fitting clearance with the screw thread 23.
  • the reference pitch is a thread pitch when the thread pitches of the external thread 10 and the internal thread 20 are equal.
  • the nominal diameter M6 is 1.0 mm
  • the pitch change rate a is 1.
  • the rate of change with respect to 0 mm is 1.25 mm in the case of M8 and M10, and the pitch change rate a is the rate of change with respect to 1.25 mm.
  • FIG. 5A shows that the pitch Pm of the M10 male screw 10 is 1.249 mm (pitch change rate a: 0.08%) and 1.248 mm (pitch change rate a: with respect to the reference pitch 1.25 mm).
  • the case where the maximum principal stress is increased is indicated by (x), and in the figure, it is preferable to set the range between ⁇ and ⁇ indicated by hatching.
  • the combination of the peak angle on the root side and the pitch change rate a is such that the peak angle on the root side is greater than 60 ° and not more than 65 ° (30 ° for the angle ⁇ 2 on the root side of the pressure-side flank surface 14).
  • the pitch change rate a is in the range of 0.16% to 0.32%, and the peak angle on the root side is 61 ° to 62 ° (pressure-side flank surface 14).
  • the pitch change rate a is within the range of 0.08% to 0.56% added to the range of 30 ° to 31 °). It is. In particular, when the pitch change rate a is 0.16% to 0.32%, the main stress is reduced in all angle ranges, and the pitch change rate a is set to a range of 0.16% to 0.32%. Is preferred. In particular, the maximum principal stress can be minimized when the content is 0.24%. In addition, since the mountain angle exceeds 63 °, there is a tendency that there is not much change. Therefore, the mountain angle is greater than 60 ° and less than or equal to 63 ° (the root side angle ⁇ 2 of the pressure-side flank surface 14 is greater than 31 ° and 31.31).
  • the maximum principal stress is the maximum principal stress acting on the first trough, and reducing the maximum principal stress of the first trough is the maximum principal stress of other troughs.
  • the contact surface pressure of each screw thread can be made uniform.
  • the amount of change in the pitch Pm allowed per thread is the flank when the thread of the male thread and the thread of the female thread are centered.
  • Permissible pitch variation (Pi-Pm) ⁇ Flank surface fitting clearance (b) x 2 (head side and tip side) ⁇ number of thread threads (n)
  • the number of fitting threads (n) is calculated by nut height (h) ⁇ pitch (Pi).
  • (Pi ⁇ Pm) is (1.25-1.243), which is 0.007 mm.
  • the nut height (h) is 6.5 mm
  • the number of fitting threads (n) is 5.2
  • the fitting clearance (b) ⁇ 2 has a slight interference on the root side. It may be 2 ⁇ 0.007 mm and 0.036 mm (b is 0.019 mm).
  • the pressure-side flank surface 14 may be provided with a two-stage angle, and the play-side flank surface 15 may be set at a constant angle from the peak side to the root side. This fixed angle may be ⁇ 3 or ⁇ 4.
  • the metric screw is described as an example of the basic shape, but the present invention can also be applied to a unified screw, an inch screw, or the like. The present invention can be applied to various uses, but at present, aluminum and titanium are promising for reducing the weight of automobiles.

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Abstract

耐ゆるみ性が高く、さらなる耐疲労強度の向上を図り得るおねじ及びねじ締結構造を提供する。　おねじ１０のねじ山１３の圧力側フランク面１４の山頂側の角度を、おねじ１０が螺合するめねじ２０のねじ山２３の圧力側フランク面２４と同等とし、根元側の角度β２を、山頂側の角度β１より大きく設定し、めねじ２０のねじ山２３の圧力側フランク面２４は、山頂側から根元側まで一定角度であり、おねじ１０のねじ山１３の圧力側フランク面１４の根元側部分１４２に、めねじ側の圧力側フランク面２４の山頂側角部２４ａが当接し、締め付け荷重によって山頂側角部２４ａを支点にしてめねじ２０のねじ山２３が弾性変形し、めねじ２０のねじ山２３の圧力側フランク面２４がおねじ１０のねじ山１３の圧力側フランク面１４に面接触する構成となっている。

Description

おねじ及びねじ締結構造
　本発明は、耐ゆるみ性及び耐疲労強度の高いおねじ、及びそれを用いたねじ締結構造に関し、特にねじ山の形状に関する。
　従来のこの種のおねじとして、本出願人は、既に、特許文献１に記載のようなねじ山形状を提案している。
　すなわち、特許文献１に記載のおねじのねじ山は、ねじ有効径近傍より山頂側の角度を、底辺側（根元側）の角度より小さくしたものである。底辺側の角度は、めねじのねじ山の角度と同じであり、おねじのねじ山の山頂部を、めねじのねじ山のフランク面に対して線接触させ、弾性変形させることにより、耐ゆるみ性を高めている。さらに、締め付け荷重を、めねじのねじ山に嵌合する複数の嵌合ねじ山に分散させることで、耐疲労強度の高いねじを実現していた。
特許第３３４４７４７号公報
　しかしながら、近年、安全性に対する要求が高まっており、ねじ締結部の耐ゆるみ性、おねじの耐疲労強度については、さらなる向上が要請されている。本発明者等は、この要請に応えるべく、鋭意研究を重ねた結果、新たなねじ山形状についての知見を得た。
　本発明は、耐ゆるみ性が高く、さらなる耐疲労強度の向上を図り得るおねじ及びねじ締結構造を提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明のおねじは、ねじ山の圧力側フランク面の山頂側の角度を、おねじが螺合するめねじのねじ山の圧力側フランク面と同等とし、根元側の角度を、山頂側の角度より大きく設定したことを特徴とする。前記ねじ山の圧力側フランク面の山頂側の角度を３０°、根元側の角度を３１°～３５°とすることができる。
　また、ねじ山のピッチを、前記めねじのねじ山のピッチより、おねじのねじ山とめねじのねじ山との嵌合クリアランスの許容範囲内で、小さく設定してもよい。
　また、他の発明は、おねじのねじ山が、めねじのねじ山に螺合して締め付けられるねじ締結構造であって、
　前記おねじのねじ山の圧力側フランク面の山頂側の角度を、前記おねじが螺合する前記めねじのねじ山の圧力側フランク面と同等とし、根元側の角度を、山頂側の角度より大きく設定し、
　前記めねじのねじ山の圧力側フランク面は、山頂側から根元側まで一定角度であり、前記おねじのねじ山の圧力側フランク面の根元側部分に、前記めねじ側の圧力側フランク面の山頂側角部が当接し、締め付け荷重によって前記山頂側角部を支点にしてめねじのねじ山が弾性変形してめねじのねじ山の圧力側フランク面が前記おねじのねじ山の圧力側フランク面に面接触する構成となっていることを特徴とする。
　前記おねじのねじ山の圧力側フランク面の山頂側の角度を３０°、根元側の角度を３１°～３５°とすることができる。
　また、前記おねじのねじ山の遊び側フランク面についても、圧力側フランク面と同じく、根元側の角度が山頂側の角度より大きく設定することができる。
　さらに、ねじ山のピッチを、前記めねじのねじ山のピッチより、おねじのねじ山とめねじのねじ山との嵌合クリアランスの許容範囲内で、小さく設定してもよい。
　本発明によれば、おねじとめねじの締結部において、外部荷重の変動によっておねじの軸力が低下し、めねじのねじ山の圧力側フランク面と、おねじのねじ山の圧力側フランク面の山頂側部分との間に隙間が開いたとしても、めねじのねじ山の山頂側角部の弾性変形分で、接触面圧を確保することができ、弛み止めを図ることができる。
　一方、おねじのねじ山の圧力側フランク面の根元側部分に、めねじ側の圧力側フランク面の山頂側角部が当接して弾性変形する構成となっているので、弾性変形によって、めねじに係合する嵌合ねじ山の内、めねじの座面側の第１嵌合ねじ山だけでなく、複数の嵌合ねじ山にもめねじのねじ山が当接し、締め付け荷重を複数の嵌合ねじ山に分散させることができる。
　また、めねじの圧力側フランク面の山頂側角部の当接部は、おねじのねじ山の圧力側フランク面の根元側部分なので、おねじの第１嵌合ねじ山の付け根に位置する第１谷部との距離が短く、第１谷部に作用する引張応力が小さくなり、前記軸力の分散と相まって、おねじの第１谷部に作用する応力を低下させることができ、耐疲労強度を増大させることができる。
　さらに、おねじのねじ山のピッチを、めねじに対してピッチ差を設けることで、おねじの第１谷部にかかる最大主応力の低減と共に、各ねじ山の接触面圧の均一化を図ることができる。
図１は本発明の実施形態１に係るねじ締結構造を示すもので、（Ａ）はおねじのねじ山を示す断面図、（Ｂ）は締結初期状態を示す図、（Ｃ）は締結完了状態を示す図、（Ｄ）は全体構造を示す概略図である。 図２（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）は本発明の実施形態１、比較例１及び比較例２のおねじのねじ山を示す図、図２（Ｂ）、（Ｄ）、（Ｆ）は、それぞれ（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）のおねじとＪＩＳ標準ねじ山のめねじとの初期当接状態を模式的に示す図である。 （Ａ），（Ｂ）は、本発明の実施形態１のねじ締結構造のおねじとめねじに作用する最大主応力の解析結果、（Ｃ），（Ｄ）は、比較例１のねじ締結構造のおねじとめねじに作用する最大主応力の解析結果、（Ｅ），（Ｆ）は比較例２のねじ締結構造のおねじとめねじに作用する最大主応力の解析結果を示すグラフである。 （Ａ）は、図１のねじ山角度を変えた場合の、おねじの谷部に作用する最大主応力の解析結果を示すグラフ、（Ｂ）は、本発明の実施形態２のピッチ差を設ける場合の嵌合クリアランスの説明図である。 （Ａ）は、ピッチ変化率と山角度を変えた場合のねじ谷部にかかる最大主応力を示すグラフ、（Ｂ）は、（Ａ）の各ピッチ変化率に対応する最大主応力と基準ピッチの最大主応力の比較結果を示す図である。
　以下に本発明を図示の実施形態に基づいて詳細に説明する。
　図１（Ｄ）は、本発明の実施形態１に係るねじ締結構造を示している。
　すなわち、このねじ締結構造は、被締め付け部材１００を、ボルト等のおねじ１０と、ナット等のめねじ２０とによって締結する構成となっている。
　おねじ１０は、ねじ軸部１１の一端に頭部１２が設けられ、ねじ軸部１１外周には螺旋状のねじ山１３が形成されている。めねじ２０は、ねじ穴２２が貫通形成され、ねじ穴２２内周におねじのねじ山１３が螺合する複数のねじ山２３が形成されている。
　図１（Ａ）には、おねじ１０のねじ山１３を拡大して示している。
　この発明では、おねじ１０のねじ山１３の圧力側フランク面１４の根元側の角度β２（ねじの軸線Ｎを含む断面形においてフランク面が軸線Ｎに直角なねじ山１３の中心線Ｍとなす角）を、山頂側の角度β１より大きく設定している。圧力側フランク面１４の山頂側部分１４１と根元側部分１４２とは、有効径ｄ近傍が境界となっている。また、遊び側フランク面１５は、ねじ山１３の山頂部１６を通る中心線Ｍに対して線対称となっており、圧力側フランク面１４と同様に、根元側部分１５２の角度β４（＝β２）が、山頂側部分１５１の角度β３（＝β１）より大きく設定されている。
　一方、図１（Ｂ）に示すように、めねじ２０のねじ山２３の圧力側フランク面２４の角度β５は、山頂部２６から根元まで一定で、おねじ１０のねじ山１３の圧力側フランク面１４の山頂側部分１４１の角度β１と同一角度に設定されている。また、めねじ２０のねじ山２３の遊び側フランク面２５も圧力側フランク面１４と線対称でその角度は同一角度であり、めねじ２０のピッチＰｉはおねじ１０のピッチＰｍと同一ピッチである（図１（Ｄ）参照）。
　この実施形態では、ねじ山１３の形状寸法については、ねじ山１３の根元側部分１４２の角度β２以外は、もっとも一般的なＪＩＳＢ０２０５のメートル並目ねじに準拠するもので、ねじ山１３の山頂側部分１４１の山角度α１（圧力側フランク面１４と遊び側フランク面１５とのなす角）は６０°に設定され、根元側部分１４２の山角度α２が６０°を超えて７０°以下、より好ましくは６２°以上７０°以下、より好ましくは６２°以上６３°以下に設定される。
　圧力側フランク面１４の角度では、山頂側部分１４１の角度β１は、山角度の半角で３０°、根元側部分１４２の角度β２は、３０°を超えて３５°以下、好ましくは３１°以上３５°以下、より好ましくは３１°以上３１．５°以下程度である。
　一方、めねじ２０のねじ山２３の形状寸法については、一般的なメートル並目ねじであり、山角度α５は６０°であり、圧力側フランク面２４の角度β５は、山角度の半角で３０°である。
　このように設定すれば、締め付け時に、まず、めねじ２０のねじ山２３の圧力側フランク面２４の山頂側角部２４ａ（山頂部２６との角部）が、おねじ１０のねじ山１３の圧力側フランク面１４の根元側部分１４２に接触し（図１（Ｂ））、締め付け荷重の増大とともに山頂側角部２４ａ付近から弾性変形して接触面積が増大し、最終的に根元側まで隙間なく密接して締め付けが完了する（図１（Ｃ））。この締付け時には、図１（Ｃ）に誇張して示すように、おねじ１０の根元部は剛性が高いので、めねじ２０のねじ山２３の山頂部２６近傍が撓み変形する。
　したがって、外部荷重の変動によっておねじ１０の軸力が低下し、めねじ２０のねじ山２３の圧力側フランク面２４と、おねじ１０のねじ山１３の圧力側フランク面１４の山頂側部分１４１との間に隙間が開いたとしても、めねじ２０のねじ山２３の山頂側角部２４ａ側の弾性変形分で、接触面圧を確保することができ、弛み止めを図ることができる。
　一方、ねじ締結部において、おねじ１０のねじ軸部１１は、頭部１２からめねじ２０との嵌合部までの間が軸力によって伸びるので、めねじ２０のねじ山２３に嵌合するおねじ１０の嵌合ねじ山のうち、めねじ２０の締め付け座面２０ａ側の第１嵌合ねじ山１３１に、めねじ２０のねじ山２３が片当たりする傾向となる。
　本発明では、おねじ１０のねじ山１３の圧力側フランク面１４の根元側部分１４２に、めねじ２０の圧力側フランク面２４の山頂側角部２４ａが当接して弾性変形する構成となっているので、弾性変形によって、第１嵌合ねじ山１３１だけでなく複数の嵌合ねじ山、たとえば、図１（Ｄ）に示すように、第２嵌合ねじ山１３２、第３嵌合ねじ山１３３、・・にもめねじ２０のねじ山２３が当接し、軸力は複数の嵌合ねじ山に分散させることができる。
　また、めねじ２０の圧力側フランク面２４の山頂側角部２４ａの当接部は、おねじ１０のねじ山２３の圧力側フランク面２４の根元側部分１４２なので、ねじ山２３の付け根に位置する谷部１７との距離が短く、谷部１７に作用する曲げ応力を小さくすることができる。しかも、おねじ１０のねじ山１３の圧力側フランク面１４の根元側部分の角度β２は大きいので、剛性が高く、谷部１７に作用する応力はより一層小さくすることができる。
　特に、本実施形態では、遊び側フランク面１５の根元側部分の角度β４も大きく、根元部の断面積がさらに大きくなって、応力をより一層小さくすることができる。したがって、前記軸力の複数の嵌合ねじ山への分散と相まって、おねじ１０の第１嵌合ねじ山１３１の付け根に位置する第１谷部１７１に作用する応力を低下させることができ、耐疲労強度を増大させることができる。
　次に、本実施形態１のねじ締結構造の最大主応力の解析結果について、従来例と比較して説明する。
　図２（Ａ）は、本発明のおねじのねじ山、図２（Ｃ）は、比較例１として、従来のおねじの標準的なねじ山１０３（ＪＩＳ標準ねじ山）、図２（Ｅ）は、比較例２として、従来技術で記載の山頂部分の山角度を小さくしたおねじのねじ山２０３を示している。
　図２（Ｂ）、（Ｄ）、（Ｆ）は、それぞれ本発明のねじ山１３のおねじ１０と、比較例１，２のおねじ１１０、１２０を既存のＪＩＳ標準ねじ山のめねじ２０に締結した締結構造を示している。
　ねじサイズは、Ｍ１０×１．２５であり、本発明のねじ山１３の山角度は、山頂部側が６０°（圧力側フランク面の角度は３０°）、根元側が６３°（圧力側フランク面の角度は３１．５°）、比較例１のねじ山１０３の山角度は山頂側から根元側まで一定で６０°（圧力側フランク面の角度は３０°）、比較例２のねじ山２０３の山角度は、山頂部側が５０°（圧力側フランク面の角度は２５°）、根元側が６０°（圧力側フランク面の角度は３０°）である。
　図３には、これらのねじ締結構造について、同一荷重を負荷した（弾性締付けを想定）場合の、各ねじ山に作用する最大主応力の解析結果を示している。負荷荷重は、ボルト保証荷重の２０％程度の荷重を負荷している。それぞれ、嵌合ねじ山数は６山とし、測定ポイントを、おねじについては、第１谷部から第６谷部をＰ１～Ｐ６とし、めねじについては、Ｐｎ１～Ｐｎ６としている。おねじのＰ０については、頭部から第１谷部までの間のねじの谷部に対応し、軸力の引張荷重による応力集中を示している。
　比較例１のねじ山１０３（ＪＩＳ標準ねじ山）の場合、第１谷部（測定ポイントＰ１）が最大で３１２ＭＰａであるところ（図３（Ｃ）参照）、比較例２の場合は３５９ＭＰａと１５％増大しているのに対して（図３（Ｅ）参照）、本発明では、第１谷部（測定ポイントＰ１）の主応力は低下して第２谷部（測定ポイントＰ２）が最大で、最大値は２７１ＭＰａと、ＪＩＳ標準品に対して１３％低減している（図３（Ａ）参照）。さらに、第３谷部の最大主応力（測定ポイントＰ３）がＪＩＳ標準品に比べて大きくなっており、荷重が第１谷部、第２谷部、第３谷部に分散していることが窺える。
　一方、めねじ側は、比較例１（ＪＩＳ標準ねじ山）の場合、第１谷部（測定ポイントＰｎ１）で２００ＭＰａ（図３（Ｄ）参照）、比較例の場合第１谷部（測定ポイントＰｎ１）で２０１ＭＰａのところ（図３（Ｆ）参照）、本発明の場合、第１谷部（測定ポイントＰｎ１）では２３７ＭＰａと、ＪＩＳ標準品に対して１９％増大しているものの（図３（Ｂ）参照）、おねじ１０の第１谷部に作用する最大主応力（２７１ＭＰａ）よりも小さくなっている。
　図４は、ねじ山角度を変えた場合の、ねじの谷部の最大主応力の解析結果である。
　本発明のサンプルとしては、図１に示したように、遊び側フランク面１５側も、圧力側フランク面１４と対称的に、山頂側の角度β３よりも根元側の角度β４を大きくしており、ねじ山１３の山角度（圧力側フランク面と遊び側フランク面との角度）をパラメータとし、山頂側の山角度α１（６０°）に対して、根元側の山角度α２を、６０°から７０°まで、１°刻みで変えた場合について解析を行った。したがって、圧力側フランク面１４の山頂側および根元側の角度β１，β２は、山頂側および根元側の山角度α１，α２の半角である。なお、根元側の山角度α２が６０°のものはＪＩＳ規格のねじ山である。
　ねじサイズは、Ｍ１０×１．２５であり、これらの山角度のねじ山１３を有するおねじ１０と、既存のＪＩＳ標準ねじ山のめねじ２０に締結した状態で、ボルト保証荷重の４０％付近の荷重をかけ、それぞれの山角度について、谷部に作用する最大主応力を求めた。
　図４（Ａ）に示す通り、第１谷部Ｐ１にかかる最大主応力は、６０°から６３°まで減少傾向にあり、６３°を超えるとほぼ一定値となっている。この結果から、根元側の山角度α２が６０°を超えると最大応力の軽減効果が期待できることが分かる。一方、あまり大きくすると、おねじの遊び側フランク面１５がめねじ２０のねじ山２３の遊び側フランク面２５と干渉するおそれがあるので、７０°程度を上限とする。また、６３°を超えるとほぼ一定となるので、最大主応力低減の観点では、６３°程度までで充分である。
　次に本発明の実施形態２について説明する。
　実施形態２に係るおねじ及びねじ締結構造の基本的な構成は、図１と同じであるので、構成については、図１を参照し、実施形態１と異なる点について説明するものとする。
　この実施形態２のおねじ１０も、実施形態１と同じく、ねじ山１３の圧力側フランク面１４の山頂側の角度β１を、おねじ１０が螺合するめねじ２０のねじ山２３の圧力側フランク面２４と同等とし、根元側の角度β２を、山頂側の角度β１より大きく設定した点を基本構成とし、遊び側フランク面１５についても、根元側の角度β４を山頂側の角度β３よりも大きく設定している。
　本実施形態２では、実施形態１に加えて、おねじ１０のねじ山１３のピッチＰｍを、めねじ２０のねじ山２３のピッチＰｉに対して、おねじ１０のねじ山１３とめねじ２０のねじ山２３との嵌合クリアランスの許容範囲内で、小さく設定したものである。
　このように、おねじ１０のねじ山１３のピッチＰｍを、めねじ２０のねじ山２３のピッチＰｉに対してピッチ差を設けることで、おねじ１０の第１谷部にかかる最大主応力の低減と共に、各ねじ山の接触面圧の均一化を図ることができる。　めねじ２０を標準ねじピッチ(基準ピッチ)とすると、めねじ２０のピッチに対するおねじ１０とめねじのピッチ差の比率であるピッチ変化率ａ（％）（ａ＝［(Ｐｉ－Ｐｍ)／Ｐｉ］×１００）は、０．１％～０．５６％、好ましくは０．１６％～０．３２％の範囲とする。
　基準ピッチは、おねじ１０とめねじ２０のねじピッチが等しい場合のねじピッチであり、たとえば、ＪＩＳの並目ねじの場合、呼び径Ｍ６では１．０ｍｍで、ピッチ変化率ａは、この１．０ｍｍに対する変化率、Ｍ８及びＭ１０の場合は１．２５ｍｍで、ピッチ変化率ａは、１．２５ｍｍに対する変化率である。

　図５（Ａ）は、Ｍ１０のおねじ１０のピッチＰｍを、基準ピッチ１．２５ｍｍに対して、１．２４９ｍｍ（ピッチ変化率ａ：０．０８％）、１．２４８ｍｍ（ピッチ変化率ａ：０．１６％），１．２４７ｍｍ（ピッチ変化率ａ：０．２４％），１．２４６ｍｍ（ピッチ変化率ａ：０．３２％）、１．２４５ｍｍ（ピッチ変化率ａ：０．４％）、１．２４３ｍｍ（ピッチ変化率ａ：０．５６％）と、小さくし、さらに、根元側の山角度α２を、６０°から６５°まで、１°刻みで変えた場合の最大主応力について解析を行ったものである。
　根元側の山角度α２が、６０°を越えて６５°までは、ピッチＰｍが、１．２４８ｍｍ～１．２４６ｍｍのもの、すなわち、ピッチ変化率ａが０．１６～０．３２％の場合、最大主応力の値が、ピッチ差を設けない場合（１．２５ｍｍ）より小さくなっている。特に、６０°を越えて６３°までの範囲で顕著である。
　ピッチＰｍが、１．２４９ｍｍ(ピッチ変化率ａ：０．０８％)では、最大主応力は、ピッチ差を設けない場合（１．２５ｍｍ）と同等か、若干高くなっており、効果が認められない。
　ピッチＰｍが、１．２４３ｍｍ(ピッチ変化率ａ：０．４％)、１．２４５ｍｍ（ピッチ変化率ａ：０．５６％）では、６０°を越えて６２°までは、１．２５ｍｍの場合よりも、最大主応力が小さくなっているが、６３°では１．２５ｍｍよりも高くなっている。
　図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の山角度とピッチ変化率に対応して、基準ピッチの１．２５に対して最大主応力が低下した場合を（○）、同等の場合を（△）、最大主応力が増大した場合を（×）を付した図であり、図中、斜線で示した○と△の範囲とすることが好適である。
　すなわち、根元側の山角度とピッチ変化率ａの組み合わせが、根元側の山角度が、根元側の山角度が６０°より大きく６５°以下（圧力側フランク面１４の根元側の角度β２では３０°より大きく３２．５°以下）で、かつ、ピッチ変化率ａが０．１６％～０．３２％の範囲と、根元側の山角度が６１°以上で６２°以下（圧力側フランク面１４の根元側角度β２では３０°以上で３１°以下）で、かつ、ピッチ変化率ａが０．０８％～０．５６％の範囲とを、足し合わせた範囲に入るように設定することが好適である。特に、ピッチ変化率ａが０．１６％～０．３２％では、全ての角度範囲で主応力が低下しており、ピッチ変化率ａを０．１６％～０．３２％の範囲に設定することが好適である。特に、０．２４％の場合に最大主応力を最も低くできる。また、山角度が６３°を超えると、あまり変化はない傾向となるので、山角度は、６０°より大きく６３°以下（圧力側フランク面１４の根元側角度β２では、３１°より大きく３１．５°以下）が好適で、特に６３°が好ましい。
　最大主応力は、図４（Ａ）に示す通り、第１谷部に作用する最大主応力であり、第１谷部の最大主応力を低下させることは、他の谷部の最大主応力との差が小さくなり、各ねじ山の接触面圧の均一化を図ることができる。
　なお、一山あたりに許容されるピッチＰｍの変化量（Ｐｉ－Ｐｍ）は、図４（Ｂ）に示すように、おねじのねじ山とめねじのねじ山をセンター合わせとした場合の、フランク面の嵌合クリアランスを（ｂ）、ピッチを（Ｐｉ、Ｐｍ）、ナット高さを（ｈ）、嵌合ねじ山数を（ｎ）とすると、次式で示される。
　ピッチの許容変化量（Ｐｉ－Ｐｍ）≦フランク面の嵌合クリアランス（ｂ）×２（頭部側と先端側）÷嵌合ねじ山数（ｎ）
　ここで、嵌合ねじ山数（ｎ）は、ナット高さ（ｈ）÷ピッチ（Ｐｉ）で計算される。
　上記例では、最大のピッチ変化率０．５６％に対応させると、（Ｐｉ－Ｐｍ）は、（１．２５－１．２４３）で、０．００７ｍｍである。
　一方、ナット高さ（ｈ）は６．５ｍｍとすると、嵌合ねじ山数（ｎ）は５．２であり、嵌合クリアランス（ｂ）×２は、根元側の干渉が若干あるものの５．２×０．００７ｍｍで、０．０３６ｍｍ（ｂは０．０１９ｍｍ）あればよい。
　なお、上記各実施形態では、遊び側フランク面１５についても、圧力側フランク面１４と同様に、根元側の角度β４（＝β２）を、山頂側の角度β３（＝β１）より大きく設定しているが、圧力側フランク面１４についてのみ、２段階の角度を設ける構成とし、遊び側フランク面１５については、山頂側から根元側まで、一定の角度としておいてもよい。
　この一定の角度については、β３であってもよいし、β４であってもよい。
　また、上記実施形態では、基本形状としてメートルねじを例にとって説明したが、ユニファイねじやインチねじ等にも適用可能である。
　本願発明は種々の用途に適用可能であるが、現在、自動車の軽量化にはアルミ、チタンが有望であり、これら縦弾性率の小さい金属材料やＧＦＲＰ、ＣＦＲＰのような樹脂材料の場合、締め付け荷重を大きくできず、本願発明のように、締め付け荷重を複数のねじ山に分散させる分散効果が高く、しかも弛み止め機能を有し、耐疲労強度の高いおねじは有効である。
１０　おねじ
　　１１　ねじ軸部、１２　頭部
　　１３　ねじ山
　　　　１４　圧力側フランク面
　　　　１５　遊び側フランク面
２０　めねじ
　　２０ａ　座面
　　２２　ねじ穴
　　２３　ねじ山
　　　　２４　圧力側フランク面
　　　　２６　山頂部
１００　被締め付け部材
１４１　山頂側部分
１４２　根元側部分
Ｍ　中心線
ｄ　　有効径
β１　圧力側フランク面の山頂側部分の角度
β２　圧力側フランク面の根元側部分の角度
β３　遊び側フランク面の山頂側部分の角度
β４　遊び側フランク面の根元側部分の角度

Claims (9)

  1. 　ねじ山の圧力側フランク面の山頂側の角度を、おねじが螺合するめねじのねじ山の圧力側フランク面と同等とし、根元側の角度を、山頂側の角度より大きく設定したことを特徴とするおねじ。
  2. 　ねじ山の圧力側フランク面の山頂側の角度を３０°、根元側の角度を３０°を超え３５°以下としたとした請求項１に記載のおねじ。
  3. 　前記おねじのねじ山の遊び側フランク面についても、圧力側フランク面と同じく、根元側の角度を山頂側の角度より大きく設定したことを特徴とする請求項１または２に記載のおねじ。
  4. 　前記おねじのねじ山のピッチを、前記めねじのねじ山のピッチより、おねじのねじ山とめねじのねじ山との嵌合クリアランスの許容範囲内で、小さく設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載のおねじ。
  5. 　おねじのねじ山が、めねじのねじ山に螺合して締め付けられるねじ締結構造であって、
    　前記おねじのねじ山の圧力側フランク面の山頂側の角度を、前記おねじが螺合する前記めねじのねじ山の圧力側フランク面と同等とし、根元側の角度を、山頂側の角度より大きく設定し、
    　前記めねじのねじ山の圧力側フランク面は、山頂側から根元側まで一定角度であり、前記おねじのねじ山の圧力側フランク面の根元側部分に、めねじ側の圧力側フランク面の山頂側角部が当接し、締め付け荷重によって前記山頂側角部を支点にしてめねじのねじ山が弾性変形してめねじのねじ山の圧力側フランク面が前記おねじのねじ山の圧力側フランク面に全面接触する構成となっていることを特徴とするねじ締結構造。
  6. 　前記おねじのねじ山の圧力側フランク面の山頂側の角度を３０°、根元側の角度を３０°を超え３５°以下としたとした請求項５に記載のねじ締結構造。
  7. 　前記おねじのねじ山の遊び側フランク面についても、圧力側フランク面と同じく、根元側の角度が山頂側の角度より大きく設定されている請求項５又は６に記載のねじ締結構造。
  8. 　おねじのピッチを、めねじのピッチより、おねじのねじ山とめねじのねじ山との嵌合クリアランスの許容範囲内で、小さく設定したことを特徴とする請求項５乃至７のいずれかの項に記載のねじ締結構造。
  9. 　前記おねじのねじ山の圧力側フランク面の根元側の角度と、前記めねじのピッチに対する前記おねじとめねじのピッチ差の比率であるピッチ変化率が、前記ねじ山の根元側の角度が３０°より大きく３２．５°以下で、かつ、ピッチ変化率が０．１６％～０．３２％の範囲と、前記おねじのねじ山の根元側の角度が、３０°以上３１°以下で、かつ、ピッチ変化率が０．０８％～０．５６％の範囲とを、足し合わせた範囲に入るように設定されていることを特徴とする請求項６に記載のねじ締結構造。
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