特許 6846828 耐破壊用ネジ締結体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6846828

(24)【登録日】2021年3月4日

(45)【発行日】2021年3月24日

(54)【発明の名称】耐破壊用ネジ締結体

(51)【国際特許分類】

   F16B 33/02 20060101AFI20210315BHJP

   F16B 39/30 20060101ALI20210315BHJP

   B23G 1/18 20060101ALI20210315BHJP

【ＦＩ】

   F16B33/02 A

   F16B39/30 Z

   B23G1/18 A

【請求項の数】4

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2019-148503(P2019-148503)

(22)【出願日】2019年8月13日

(65)【公開番号】特開2021-32256(P2021-32256A)

(43)【公開日】2021年3月1日

【審査請求日】2020年2月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】505059307

【氏名又は名称】西田 新一

(74)【代理人】

【識別番号】100080160

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 憲一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100149205

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 泰央

(72)【発明者】

【氏名】西田 新一

【審査官】 近藤 裕之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−０１２７８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５１３６８１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｂ ３３／０２

Ｂ２３Ｇ １／１８

Ｆ１６Ｂ ３９／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ナットの雌ネジのネジ山を、これに螺合するボルトの雄ネジ部の引張り方向に２〜１０°傾けて、当該雌ネジのネジ山の傾斜面を当該ボルトの雄ネジのネジ山の根元部分と摺接させることによりボルトのネジ山に与える引張力及び曲げ力により生ずる内部応力を小さくするように形成したことを特徴とするナット。

【請求項2】

前記請求項１に記載されたナットと、
ボルト軸線の先端側に形成された雄ネジ部と、
前記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前記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、
を有するボルトと、を螺合させて使用することを特徴とする耐破壊用ネジ締結体。

【請求項3】

丸棒のコイル状材料を冷間圧造又は切削加工により外形を仕上げて六角ナットのブランクを製作し、前記六角ナットのブランクの中央部に雌ネジを螺設するための下孔あけ加工を行い、前記六角ナットのブランクの下孔にタップのタップ部を挿通して下孔に雌ネジを螺設するナットの製造方法において、
タップ部のネジ山を当該タップ部の先端方向又はその逆の方向に２〜１０°傾けて形成したタップにより雌ネジの螺設加工を行うことを特徴とするナットの製造方法。

【請求項4】

タップ部に形成した雌ネジ螺設用のネジ山を、当該タップ部の先端方向又はその逆の方
向に２〜１０°傾けて形成したことを特徴とするタップ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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、眼鏡等の可動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主としてボルト及びナットを用いたネジ締結体に関する。

【背景技術】

【0002】

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、同一個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、ボルトはネジのテーパー効果（楔効果）で、厚い部材でも強力な締付けを行うことができ、かつ締付けたものでも簡単な工具で容易に緩ませることができ、また、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。

【0003】

しかも、すでに知られているように、ボルト及びナットを用いたネジ締結体は、通常、同一個所に複数本使用されているため、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。
しかし、ボルト及びナットを用いたネジ締結体は、通常、繰返し荷重が加えられる条件下で使用されるため、当初はしっかりと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に、外部応力によりボルト緩みが発生し、場合によっては疲労破壊に至ることがあるという問題がある。

【0004】

特に、可動部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及びナットを用いたネジ締結体は、長期にわたって繰返し使用されることにより、外部応力によってボルトに緩みが発生することは避けられず、使用期間中は定期的に点検を行い、緩んでいる場合には締め直す必要があった。

【0005】

そこで、かかる問題点を解決するために、近年、緩み防止機能を有する種々のボルト及びナット並びにその製造方法等が研究開発され、提案されてきている。

【0006】

例えば、二重ネジボルトもその例の一つである。これは、ダブルナット・ボルトの一種である。具体的には、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ものである（特許文献１）。

【0007】

また、他の従来技術として、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市販されている。これは、ボルトの雄ネジのネジ山を軸線に対して垂直に形成させるのではなく、わざと少し傾かせて、ナットの雌ネジと螺合した際に、雄ネジの傾いたネジ山の面と、ナットの雌ネジ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、ボルトのネジ山の先端部分が、ナットのネジ山の付け根部分、すなわち谷の面で摺接させることにより、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に記載のボルトは、「耐緩み」には効果があるが、ボルトのネジ山谷部に生起される荷重が引張応力であるため、「耐疲労」には効果が全くないか、ややマイナスの効果がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００９−１７４５６４号公報

【特許文献2】再表２０１０−０９２８１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかし、特許文献１に係るボルトと、それを用いた締結体及び当該ボルトの製造方法におけるボルトと、それを用いた締結体は、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く、必ずしもボルトの疲労破壊を完全に防止できる機構とはいえなかった。

【0010】

すなわち、繰返し荷重が加わった場合、ネジの締結部が緩みにくいという効果はあるものの、ボルトそのものについては疲労強度向上策が施されているとはいえないので、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。

【0011】

しかも、このようなネジ締結体は、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りるものとはいえなかった。さらに、かかる二重ネジは、埋め込みネジの場合には適用できないという問題があった。

【0012】

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摺接し、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、緩み止め効果を奏するものである。

【0013】

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、引張応力を受けるボルトのネジ山の付け根部において、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おそれがある。
さらに（２）一部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）のようなボルトには、非完全ネジ部におけるボルトとナットのネジ山の摺接個所が少ないため適用することができない。

【0014】

なお、「耐疲労ボルト」とは、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、を有するボルトのことである。

【0015】

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、疲労強度の優れたナットと、ボルトを用いた、簡単なメカニズムで緩みにくい従来にない安全性、信頼性に優れた耐破壊用ネジ締結体を提供するものである。
これにより、場合によっては、一個所で使用しているボルト及びナットの数を大幅に減らすことができ、ボルト孔加工や作業工数の減少、安全・安心のネジ継手及びメンテナンスフリー等による大幅なコスト低減にも結び付けることができる。

【0016】

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はボルトが疲労劣化を生ずる要因、対策及びその効果についてまとめたものであ
る。疲労劣化を生ずる要因としては、（１）荷重分担が不均一、（２）高い引張応力集中、（３）高い曲げ応力集中、（４）片当り、の４つを挙げることができる。
対策については、本発明による対策を四角の二重線で囲ってある。また、従来から行われてきた対策を四角の一重線で囲ってある。なお、従来から行われてきた対策についての説明は省略する。

【0017】

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ナット及び当該ナットを使用した耐破壊用ネジ締結体を提供するものである。具体的には（１）ナットの雌ネジのネジ山をボルトの雄ネジ部の引張り方向に２〜１０°傾けて形成するものである。また、（２）前記（１）に記載のナットと前記耐疲労ボルトとを併用するものである。

【0018】

【表1】

【0019】

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。ボルトの疲労強度について長年研究はされてきたものの、ボルトやナットのネジ部分は基本的には、ボルトは、径が細い場合は転造で、径が太い場合は切削により製造される。また、ナットは径によらず切削加工により製造されるものであり、切削材の疲労強度を上げるのは非常に難しく、ほとんど成果が出ていないのが実情である。

【0020】

疲労破壊についてボルトとナットを比べると、壊れるのはボルトである。ナットが壊れることは極めて少ない。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。しかし、圧縮応力で壊れることは少なく、壊れるのは引張応力によるものである。

【0021】

また、ナットの雌ネジの谷の径の方が、ボルトの雄ネジの山の径よりも大きく、さらに、前記ボルトの雄ネジの山の径の方が、当該ボルトの雄ネジの谷の径よりも大きい。そうすると、ナットの雌ネジの谷の径をＤとし、ボルトの雄ネジの谷の径をｄとすると、ナットの雌ネジの谷の径の円周長はπＤであり、ボルトの雄ネジの谷の径の円周長は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、ナットの方が雌ネジの谷の径の円周長が大きく、単位円周長当たりに受ける力が小さくなるため壊れにくくなる。

【0022】

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）荷重分担が不均一、（２）高い引張応力集中、（３）高い曲げ応力集中、（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、ナットの疲労強度の改善につながる。

【課題を解決するための手段】

【0023】

本発明に係るナットは、ナットの雌ネジのネジ山を、これに螺合するボルトの雄ネジ部の引張り方向に２〜１０°傾けて、当該雌ネジのネジ山の傾斜面を当該ボルトの雄ネジのネジ山の根元部分と摺接させるように形成したものである。

【0024】

また、本発明に係る耐破壊用ネジ締結体は、前記ナットと、
ボルト軸線の先端側に形成された雄ネジ部と、前記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前記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、を有するボルトと、を螺合させて使用するものである。

【0025】

また、本発明に係るナットの製造方法は、丸棒のコイル状材料を冷間圧造又は切削加工により外形を仕上げて六角ナットのブランクを製作し、前記六角ナットのブランクの中央部に雌ネジを螺設するための下孔あけ加工を行い、前記六角ナットのブランクの下孔にタップのタップ部を挿通して下孔に雌ネジを螺設するナットの製造方法において、螺設用のネジ山を当該タップ部の先端方向又はその逆の方向に２〜１０°傾けて形成したタップにより雌ネジの螺設加工を行うものである。

【0026】

また、本発明に係るタップは、タップ部に形成した雌ネジ螺設用のネジ山を、当該タップ部の先端方向又はその逆の方向に２〜１０°傾けて形成したものである。

【発明の効果】

【0027】

請求項１に記載の発明によれば、本発明に係るナットは、雌ネジのネジ山を、これに螺合するボルトの雄ネジ部の引張り方向に２〜１０°傾けて、当該雌ネジのネジ山の傾斜面を当該ボルトの雄ネジのネジ山の根元部分と摺接させるように形成しているため、ボルトに締結した際のナット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。
当該摺接によりナットの雌ネジの先端部分が、ボルトの雄ネジの根元部分押圧するとともに、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。

【0028】

また、締結前はナットのネジ山の先端部分がボルトのネジ山の根元部分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、締結後はネジ山の局部的な塑性変形によりナットとボルトのネジ山の当該塑性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。

【0029】

また、本発明に係るナットは、従来のナットに比較して、ボルトの疲労強度を支配する要因である（１）荷重分担が不均一、（２）高い引張応力集中、（３）高い曲げ応力集中、（４）片当り、の４つの要因のうち、（２）高い引張応力集中、（３）高い曲げ応力集中及び（４）片当り、の３つの要因を解消することができる。

【0030】

請求項２に記載の発明によれば、本発明に使用するボルトは、ボルト軸線の先端側に形成された雄ネジ部と、前記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前記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、いわゆる前記「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、請求項１に記載の前記ナットと、前記「耐疲労ボルト」と、を螺合させて使用するものである。

【0031】

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応力を略均一化することができ、さらに請求項１に記載のナットを併用することで、請求項１に記載の効果をも奏することができ、耐疲労強度を改善することができる。
また、不完全ネジ部の応力集中がほとんどなくなるため、応力集中係数はほとんど１に等しくなる。その結果、（１）荷重分担の均一化、（２）引張応力集中の緩和、（３）曲げ応力集中の緩和、（４）片当りの減少を期待することができる。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、その後の繰返しに対し壊れにくくなる。

【0032】

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・安心の耐破壊用ネジ締結体を実現することができる。
また、本耐破壊用ネジ締結体は、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には大きな変動荷重を付加させることができる。

【0033】

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・ナット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・ナット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・ナットの締付け作業も従来の半分で済む。
また、ボルト・ナット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。

【0034】

さらに、本耐破壊用ネジ締結体に係る発明によれば、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）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。

【0035】

請求項３に記載の発明によれば、丸棒のコイル状材料を冷間圧造又は切削加工により外形を仕上げて六角ナットのブランクを製作し、前記六角ナットのブランクの中央部に雌ネジを螺設するための下孔あけ加工を行い、前記六角ナットのブランクの下孔にタップのタップ部を挿通して下孔に雌ネジを形成させるナットの製造方法において、螺設用のネジ山を当該タップ部の先端方向又はその逆の方向に２〜１０°傾けて形成したタップにより雌ネジの螺設加工を行うことを特徴とするナットの製造方法であるため、従来のナットの製造設備や製造工程を大幅に変更することなく、少ない投資費用で、特別な作業工程を追加することなく実施可能であり、本発明に係るナットを従来と同程度のコストで製造することを実現する。

【0036】

請求項４の発明によれば、請求項１又は請求項２に係るナットの製造に使用するタップは、タップ部に形成した雌ネジ螺設用のネジ山を、当該タップ部の先端方向又はその逆の方向に２〜１０°傾けているために、前記ナットの雌ネジを前記ボルトの雄ネジ部の引張り方向に２〜１０°傾けて螺設することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0037】

【図1】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。

【図2】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。

【図3】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。

【図4】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。

【図5】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。

【図6】第１の発明に係るナットの断面図である。

【図7】図６におけるＡ部を拡大した本発明に係るナットの下半分の断面詳細図である。

【図8】本発明に係るナットと、従来のボルトを螺合したときの断面図である。

【図9】図８におけるＢ部を拡大した本発明に係るナットと、従来のボル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。

【図10】第２の発明に使用する耐疲労ボルトの断面図である。

【図11】第４の発明に係るタップの一例であるベントタップの側面外観図である

【図12】本発明に係るタップの一例であるベントタップを用いて六角ナットのブランクに雌ネジを螺設してナットを製造するタップ立て装置の概略説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0038】

本発明の要旨は、ナットの雌ネジのネジ山を、これに螺合するボルトの雄ネジ部の引張り方向に２〜１０°傾けて、当該雌ネジのネジ山の傾斜面を当該ボルトの雄ネジのネジ山の根元部分と摺接させるように形成したことを特徴とするナットである。

【0039】

また、前記ナットと、ボルト軸線の先端側に形成された雄ネジ部と、前記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前記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、を有するボルトと、を螺合させて使用することを特徴とする耐破壊用ネジ締結体である。

【0040】

また、丸棒のコイル状の材料を使用してタップによりナットに雌ネジを螺設する製造方法において、螺設用のネジ山をタップ部の先端方向又はその逆の方向に２〜１０°傾けて形成したタップにより雌ネジの螺設加工を行うことを特徴とするナットの製造方法及びその製造に使用するタップである。

【0041】

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。

【0042】

［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。ただし、以下の図面は模式的なものであり、各部の配置や寸法の比率等は現実のものとは必ずしも一致するものではない。

【0043】

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。

【0044】

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に示すような荷重分担となっている。

【0045】

【表2】

（単位：％、全体で１００％）

【0046】

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す。また、表２中の数字は、各ネジ山１０ｂｉが荷重分担する比率（％）を示す。例えば、本表において、ネジ山数が６のときのネジ山１０ｂ１の荷重分担比率は３３．７％である。また、ネジ山１０ｂ２の荷重分担比率は２２．９％である。以下同様に、ネジ山１０ｂ３は１５．８％、ネジ山１０ｂ４は１１．４％と荷重分担比率は減少してゆく。
この傾向は、ネジ山数が１０のときも同じである。しかも、ネジ山数の多寡にかかわりなく荷重分担比率は、ほぼ同じである。

【0047】

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図である。すなわち、本図は、各ネジ山１０ｂｉにおける各荷重Ｐｉの大きさを従来のボルト１とナット２の締結状態の側面図に記入した荷重分担図である。
図２から分かるように、（１）ボルト１の各ネジ山１０ｂｉの荷重分担は不均一となっている。（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、２番目のネジ山１０ｂ２、３番目のネジ山１０ｂ３は、それぞれ荷重Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を分担し、ネジ山１０ｂ１からネジ山１０ｂ３で全体の約７０％強の荷重を分担している。このように、先頭のネジ部分であるネジ山１０ｂ１から１０ｂ３に荷重が集中し、これが疲労破壊を発生する要因となっている。

【0048】

このような荷重が集中をする要因は、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、ボルト１に軸線９から左向きに荷重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の雄ネジ部の引張り方向（図３の向かって右方向、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に対して引張力として作用し、引張応力を生じる。

【0049】

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に生ずる応力を示す。例えば、１番目のネジ山２０ｂ１の谷底１３には、σ１１、σ２１、σ３１・・・σｖ１の応力が発生する。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による応力である。以下、σ４１、σ５１・・・はそれぞれ荷重Ｐ４、Ｐ５による応力である。また、「ｖ」とはナット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す。

【0050】

図３における「＋」、「−」の符号は引張応力と圧縮応力の別を示す。すなわち、引張応力を「＋」、圧縮応力を「−」で示す。
そうすると、ボルト１のネジ山１０ｂ１は本図の左側のフランク１１が押圧されているために「＋」となり、フランク１１の右側はその逆となって「−」となる。

【0051】

したがって、図３に示すように、１番目のネジ山１０ｂ１の谷底１３には、＋σ１１、＋σ２１、＋σ３１・・・＋σｖ１がすべて引張応力として作用する。
２番目のネジ山１０ｂ２の谷底には、−σ１２、＋σ２２、＋σ３２・・・＋σｖ２、３番目のネジ山１０ｂ３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の番号が後になればなるほど、その谷底１３の応力σｍｉは小さくなっていく。

【0052】

［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、図面により説明する。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。

【0053】

従来のボルト１とナット２を螺合させたときの、雄ネジ１０と雌ネジ２０の螺合状態を示す図４の断面図において、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。

【0054】

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と直交する直線Ｌと、フランク１１ａとのなす角度であるフランク角φ１及び前記直線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。

【0055】

また、当該ネジ山の角度φｂ、φｎは、前記軸線９と直交する直線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、前記雄ネジ１０のフランク１１ｂと、前記ナット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とは、全面で摺接する。

【0056】

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とが全面で摺接することはあり得ない。両者の表面には小さな凹凸があるからである。

【0057】

したがって、前記フランク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し、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。これを「片当り」と呼んでいる。したがって、フランク１１ｂとフランク２２ａ及び１１ａと２２ｂは、その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する。

【0058】

ここで、図５に示すように、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の先端部分Ｘで摺接した場合について説明する。ただし、点Ｅは、フランク２２ａとフランク２２ｂの延長線の交点である。

【0059】

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、本図における力Ｆは、図３における荷重Ｐｉと同義である。以下は、前記フランク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。

【0060】

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、前記ボルト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、当該先端部分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、前記フランク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。

【0061】

これに対して、前記ボルト１の雄ネジ１０のフランク１１ｂの先端部分Ｘ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の根元部分を押圧する。この力ｆは、前記の力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、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。

【0062】

ここで、力Ｆ１は、図５に示すように、ボルト１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。

【0063】

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、摺接する個所である先端部分Ｘにおける雄ネジ１０の内部応力σ１は、当該先端部分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、ネジ山の根元部分におけるよりも大きくなる。

【0064】

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。

【0065】

次に、力Ｆ２は、ボルト１の雄ネジ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である。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。

【0066】

つまり、力Ｆ２は、雄ネジ１０のネジ山を力Ｆ２の方向に曲げようとする力として作用し、その結果、摺接する側のフランク１１ｂが伸縮方向、その裏側のフランク１１ａが圧縮方向の力として作用する。これが前記図３において説明した引張応力（＋σ）と圧縮応力（−σ）の生じる理由である。

【0067】

しかし、実際には、点Ｅから当該雄ネジ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に当該応力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のネジ山の伸縮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。

【0068】

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、ボルト１の雄ネジ１０のフランク１１ｂの直線部分の谷底１３方向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、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も２倍になる。
よって、雄ネジ１０には、その先端部分Ｘである長さ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、その結果、雄ネジ１０を力Ｆ２の加わる方向に曲げようとする大きな力が作用することになる。

【0069】

以上のように、従来のボルト・ナットの締結体における疲労破壊の要因は、図２で説明したとおり、（１）荷重分担が不均一である。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。（３）また、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、当該ボルト１とナット２は、疲労破壊の４つの要因の全てに該当し、当該ボルト１が疲労破壊に至ることが論理付けられる。

【0070】

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）荷重分担が不均一、（２）高い引張応力集中、（３）高い曲げ応力集中、（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・ナットの締結体は、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、ナットの疲労強度を改善することにつながる。

【0071】

［第１の発明について］
次に、第１の発明に係るナット２を使用することにより従来のボルト・ナット締結体における前記疲労破壊の要因の対策について、図面により説明する。
図６は、第１の発明に係るナット２の断面図である。本図において、実線は本発明に係るナット２の山形を示す。また、二点鎖線は従来のナット２の山形を示す。

【0072】

本発明に係るナット２は、雌ネジ２０のネジ山を、ボルト１の雄ネジ部４の引張り方向に２〜１０°傾けて形成し、当該雌ネジ２０のフランク２２ａの先端部分を、当該ボルト１の雄ネジ１０のフランク１１ｂの根元部分Ｙと摺接させるように形成したことを特徴とするナットである。

【0073】

図７は、図６におけるＡ部を拡大した本発明に係るナット２の下半分の断面図である。
図７において、二点鎖線で表された従来のネジ山の角度は、当該ネジ山のフランク２２ａ、２２ｂを上方に延長した交点Ｅのなす角度であり、前記のとおり６０°である。また、フランク２２ａ、２２ｂのなすそれぞれのフランク角φ、φは、点Ｅと当該ネジのピッチＬｐを二等分する点Ｈを結ぶ直線Ｌと、それぞれのフランク２２ａ、２２ｂとがなす角度であり、それぞれ角度は相等しいため、ネジ山の角度の１／２となり、前記のとおり３０°である。
なお、直線Ｌは、軸線９と直交する。

【0074】

一方、本図において実線で表された本発明に係るナット２の雌ネジ２０のネジ山の角度は、前記軸線９と直交する直線Ｌに対して雄ネジ部４の引張り方向に２〜１０°傾けているものである。この傾きの角度をθとする。
この傾きの角度θは、当該雌ネジ２０のネジ山のフランク２２ａ、２２ｂを上方に延長した交点Ｆと当該ネジのピッチＬｐを二等分する点Ｊとを結ぶ直線を直線Ｍとすると、当該直線Ｍと前記直線Ｌとのなす角度である。

【0075】

なお、当該雌ネジ２０のネジ山を雄ネジ部４の引張り方向に傾きの角度θだけ傾けることによりフランク２２ａ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ため、本発明に係るナット２の雌ネジ２０のピッチＬｐは、従来の雌ネジ２０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だけ本図の左側にずれる。

【0076】

また、雄ネジ部４の引張り方向に角度θ傾いた直線Ｍと、フランク２２ａ、２２ｂ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。

【0077】

本発明に係るナット２の特徴は、雌ネジ２０のネジ山を雄ネジ部４の引張り方向に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、従来のネジ山の角度は６０°であり、フランク角はその半分の３０°である。
そうすると、当該傾きの角度θを３０°にしたのでは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°にしたのでは圧力を生じない。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。

【0078】

本発明に係るナット２の雌ネジ２０のネジ山は、雄ネジ部４の引張り方向に角度θだけ傾いているために、当該雌ネジ２０のフランク２２ａの先端部分は、前記ボルト１の雄ネジ１０のフランク１１ｂの根元部分Ｙと摺接する。この摺接状態は、図７のナット２の断面図における上半部分、下半部分とも上下対称になる。

【0079】

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

【0080】

図９は、図８におけるＢ部を拡大した本発明に係るナット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。
ナット２の雌ネジ２０のフランク２２ａ先端部分は、本図に示すように、前記ボルト１の雄ネジ１０のフランク１１ｂの根元部分Ｙで摺接する。そして、当該根元部分Ｙには、前記のとおり力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。

【0081】

これに対して、前記ボルト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、前記の力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。

【0082】

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、ネジ山が伸張するに方向に作用する。
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。

【0083】

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、先述したとおり、
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、当該根元部分Ｙにおける断面積をＳ２とすると、
σ２＝Ｆ１／Ｓ２ となる。
そして、摺接する個所である根元部分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、前記ネジ山の先端部分Ｘにおける断面積に比べてはるかに大きい。したがって、根元部分Ｙにおける内部応力σ２は、前記内部応力σ１よりもはるかに小さくなる。

【0084】

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記に同じである。

【0085】

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。

【0086】

しかし、実際には、点Ｅから当該雄ネジ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当該応力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のネジ山の伸縮量及び圧縮量が大きくならない。このために、曲げ応力が疲労強度に与える影響は小さい。

【0087】

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、ボルト１の雄ネジ１０のフランク１１ｂの直線部分の谷底１３方向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、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。

【0088】

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における伸縮量及び圧縮量は小さいため、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。

【0089】

以上のように、本発明に係るナット２は、当該ナット２の雌ネジ２０のフランク２２ａ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Ｙと摺接するように、傾きの角度θを２〜１０°だけ雄ネジ部４の引張り方向に傾けて形成しているために、ボルト１のネジ山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。

【0090】

また、本発明に係るナット２は、雌ネジ２０のフランク２２ａ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Ｙと摺接するように構成しているために、当該摺接面積は、従来のネジの場合に比べて狭くなることが想定される。

【0091】

したがって、このような状態は「片当り」になるが、この場合には接圧が高くなり、しかも、前記のとおりナット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に局部的に容易に塑性変形が発生して片当り状態が解消される。

【0092】

さらに、雌ネジ２０の谷底２３から当該フランク２２ａの先端部分までは長さが長いため雌ネジ２０の先端部分は前記根元部分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。

【0093】

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くするとともに、さらに耐疲労特性にも良好な耐破壊用ネジ締結体１００を得ることができる。

【0094】

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ナット２とボルト１のフランク１１ｂ、２２ａの当該塑性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。

【0095】

本発明に係るナット２は、従来のナット２に比較して、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）荷重分担が不均一、（２）高い引張応力集中、（３）高い曲げ応力集中、（４）片当り、の４つの要因のうち、
（２）高い引張応力集中及び（３）高い曲げ応力集中について、上記の原理により要因を解消することができる。

【0096】

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、前記雄ネジ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の先端部分に局部的に容易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。

【0097】

［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の発明に係る耐破壊用ネジ締結体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、前記第１の発明に係るナット２と、前記「耐疲労ボルト」と、を螺合させて使用することを特徴とするものである。

【0098】

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、当該不完全ネジ除去部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。

【0099】

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から徐々に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の応力集中はほとんどなくなり、応力集中係数αは、ほとんど１に等しくなって、荷重分担の均一化を実現することができる。

【0100】

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に螺合する第１の発明に係るナット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。

【0101】

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）荷重分担の均一化を実現することができる。
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の発明に係るナット２を併用するものであるため、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つの要因の全てに対して、対策を講じていることになる。すなわち、（１）荷重分担の均一化、（２）引張応力集中の緩和、（３）曲げ応力集中の緩和、（４）片当りの減少、の全てを実現することができる。

【0102】

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。
ナット２の雌ネジ２０のネジ山を雄ネジ部４の引張り方向に２〜１０°傾けることにより、螺合させる際に摩擦力の増加を生ずるが、従来どおり、素手で螺合させた後、工具を使用することで、問題なく締結することができる。

【0103】

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・安心の締結部を実現することができる。
また、本耐破壊用ネジ締結体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。

【0104】

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。

【0105】

さらに、本締結体の発明は、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）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。

【0106】

本締結体は、従来のボルト１及びナット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。埋め込みボルトの場合、雌ネジ２０側のネジ山を雄ネジ１０の挿入側に少し傾けた形状に加工することにより、両者を螺合させた場合、雄ネジ１０のネジ山と雌ネジ２０のネジ山とが軸線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くするとともに、さらに耐疲労特性にも良好な耐破壊用ネジ締結体１００を得ることができる。

【0107】

また、本発明に係るナット２及び耐破壊用ネジ締結体１００に使用するボルト・ナッ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。

【0108】

［耐破壊用ネジ及び締結体の製造方法及びタップについて］
第１の発明に係るナット２は、ナット２の雌ネジ２０のネジ山を雄ネジ部４の引張り方向に２〜１０°傾けた形状に螺設することにより製造することができる。このような加工工程は、まず（１）材料を投入する。材料はコイル状の丸棒である。（２）投入された材料を工作機械で六角形状等の棒鋼を掴んで回転させながら、切削加工により外形を仕上げて六角ナットのブランクを製作する。（３）前記六角ナットのブランクの中央部に雌ネジ２０を螺設するための下孔あけ加工を行う。

【0109】

下孔あけ加工は、ア 下孔あけ、イ 外面取り加工、ウ 切断、エ 孔面取りの工程により行う。（４）前記下孔にネジ山を雄ネジ部４の引張り方向に２〜１０°傾けた形状に形成する螺設加工を行う。

【0110】

ネジ山を形成する螺設加工は、その先端方向又はその逆方向に２〜１０°傾けた形状の刃を有するタップにより行う。本発明に係るタップの一例として、ベントタップ４０を使用して螺設加工を行う例について説明する。ベントタップ４０とは、ナット２の下孔に雌ネジ２０を螺設する工具であり、図１１（ａ）に示すように、略ステッキ状をしている。
ステッキの石突に相当する部分が雌ネジ２０を螺設する刃の部分であるタップ部４１を形成する。タップ部４１から延伸したシャンク４２は、ステッキの杖部に相当する直線部４２ａと、その終端にステッキの握り手に相当する曲がった部分であるベント脚部４２ｂとから構成されている。

【0111】

ベントタップ４０のタップ部４１は、先端から徐々に拡径しながら高さが高くなってゆく刃を形成している。このようなタップ部４１の刃について、拡径の段階に応じて先タップ、中タップ、仕上げタップと呼んでいるところもある。
当該タップ部４１のネジ山は、ナット２の頭部から螺設する場合は、図１１（ｂ）のＤ部拡大図に示す方向に２〜１０°傾けて形成しているものを使用する。また、ナット２の底部から螺設する場合は、図１１（ｃ）のＤ部拡大図に示す方向に２〜１０°傾けて形成しているものを使用する。

【0112】

図１２は、前記ベントタップ４０を用いて六角ナットのブランク５１に雌ネジ２０を螺設してナット２を製造するタップ立て装置５０の概略説明図である。本図において、図示しないホッパーで向きを揃えられた六角ナットのブランク５１は、シュータ５２において順番に降下し、ワーク把持部５３で把持されて、右方に押し出される。押し出された六角ナットのブランク５１は、前記形成された下孔に、前記ベントタップ４０のタップ部４１が挿入される。
主軸５５は、ベントタップ４０の直線部４２ａを軸として当該ベントタップ４０を回転させる。
前記六角ナットのブランク５１の下孔に挿入された前記タップ部４１の刃は、回転しながら、徐々に雌ネジ２０を螺設する。

【0113】

このようにして、六角ナットのブランク５１の螺設加工を行い、当該螺設加工が終わった六角ナットのブランク５１は、ガイド５４中を、ベントタップ４０の直線部４２ａからベント脚部４２ｂの方向に一方通行により通過して前記ベント脚部４２ｂから完成品のナット２が次々と放出落下されて回収される。

【0114】

以上の製造工程を経ることで本発明に係るナット２の製造をすることができる。しかし、切削加工による製造方法では、高い精度のナット２が製造できるメリットはあるが、コスト面で割高になる。

【0115】

量産性を向上するためには、次のような製造工程をとることにより実現することができる。
（１）冷間圧造により六角ナットのブランク加工を行う。
ア 冷間圧造に使用する材料は、前記コイル状の丸棒を使用する。
前記材料は、まず直線機で直線状にされる。
イ 次に、ナットフォーマという機械に投入し、ブランク加工をする。
ナットフォーマでは、
（ア）材料を必要な量に切断する。
（イ）次に、圧造された六角の外面取り及び孔面取りを行う。
（ウ）中心部の雌ネジ２０となる下孔をあける。この下孔あけの工程を特に「ピアシング」と呼ぶ。

【0116】

（２）前記ブランク加工された六角ナットのブランク５１の前記下孔に、雄ネジ部４の引張り方向に２〜１０°傾けた形状にネジ山を螺設加工する。ネジ山の螺設加工は、例えば、前記雄ネジ部４の引張り方向に２〜１０°傾けた形状の刃を有するベントタップ４０を用いて行う。螺設の加工方法は前記切削加工の製造方法において説明したのと同様であるので説明を省略する。

【0117】

第１の発明に係るナット２及び第２の発明に係る耐破壊用ネジ締結体１００に使用するナット２の製造方法は上記説明のとおりである。

【0118】

次に、当該耐破壊用ネジ締結体１００に使用するボルト１の製造方法は、
（１）ボルト１の不完全ネジ除去部６に該当する部位を鈍い円弧状に、そこからはテーパー状に絞り加工を行う。
（２）その後は、通常の転造工程による雄ネジ１０の螺設加工を行う。
雄ネジ１０の螺設加工においては、螺合するナット２の厚さの３／４程度は、上記ボルト１の雄ネジ部４のテーパー部４ａが含まれるように加工することが、本発明の目的を達成するためには必要である。

【0119】

このような形状を得るためには、転造加工を採用することが量産に適しているが、ごく少量生産の場合には、段取り時間や加工時間等のためにかえって高価となる。そのような場合には、切削加工を行うことで所期の目的を達成することができる。

【0120】

なお、雄ネジ１０の材料が高強度材料の場合に、同様の高強度材料を雌ネジ２０に使用すると、両者の螺合時に噛付きを起こすおそれがあるので、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。

【0121】

以上のように、本発明に係るナット２の製造方法は、丸棒のコイル状材料を冷間圧造又は切削加工により外形を仕上げて六角ナットのブランク５１を製作し、前記六角ナットのブランク５１の中央部に雌ネジ２０を螺設するための下孔あけ加工を行い、前記六角ナットのブランク５１の下孔に、本発明に係るタップの一例であるベントタップ４０のタップ部４１を挿通して下孔に雌ネジ２０を螺設するナットの製造方法において、タップ部４１のネジ山を当該タップ部４１の先端方向又はその逆の方向に２〜１０°傾けて形成したベントタップ４０により雌ネジ２０の螺設加工を行うことを特徴とするナットの製造方法であるため、従来のナットの製造設備や製造工程を大幅に変更することなく、少ない投資費用で、特別な作業工程を追加することなく実施可能であり、本発明に係るナットを従来と同程度のコストで製造することを実現することができる。

【0122】

また、本発明に係るナット２の製造に使用するタップの一例であるベントタップ４０は、前記タップ部４１に形成した雌ネジ螺設用のネジ山を、当該タップ部４１の先端方向又はその逆の方向に２〜１０°傾けているために、前記ナット２の雌ネジ２０を前記ボルト１の雄ネジ部４の引張り方向に２〜１０°傾けて螺設することが可能になる。

【0123】

以上の実施形態において説明した本発明に係る耐破壊用ネジ締結体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。

【0124】

例えば、ナット２の雌ネジ２０のネジ山は、雄ネジ部４の引張り方向に２〜１０°傾けた形状に形成しているが、当該傾きの角度θの範囲から外れる場合であっても、当該雌ネジ２０のフランク２２ａ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Ｙ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。

【0125】

また、本発明に係るタップの一例としてベントタップ４０を使用して螺刻する場合について説明したが、当該タップはベントタップ４０に限定されるものではなく、ベントタップ４０以外にも直線状のタップをも含むことはいうまでもない。例えば、手動で螺刻する場合に使用されるハンドタップも当然に含まれる。

【符号の説明】

【0126】

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
４ｂ 雄ネジ部の先端部
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 雄ネジの谷底
２０ 雌ネジ
２０ｎ 雌ネジのネジ山
２２ 雌ネジのフランク
２３ 雌ネジの谷底
２４ 雌ネジ部
４０ ベントタップ
４１ タップ部
４２ シャンク
４２ａ 直線部
４２ｂ ベント脚部
５０ タップ立て装置
５１ 六角ナットのブランク
１００ 耐破壊用ネジ締結体
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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】