(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024171809
(43)【公開日】2024-12-12
(54)【発明の名称】締結構造及び締結方法
(51)【国際特許分類】
F16B 43/00 20060101AFI20241205BHJP
F16B 5/02 20060101ALI20241205BHJP
B23K 20/12 20060101ALI20241205BHJP
【FI】
F16B43/00 Z
F16B5/02 E
B23K20/12 Z
B23K20/12 D
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023089040
(22)【出願日】2023-05-30
(71)【出願人】
【識別番号】000002107
【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(72)【発明者】
【氏名】柴田 誉
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 啓介
(72)【発明者】
【氏名】階戸 文乃
【テーマコード(参考)】
3J001
3J034
4E167
【Fターム(参考)】
3J001FA02
3J001GB01
3J001HA02
3J001HA07
3J001JA03
3J001KA02
3J034AA08
3J034DA03
4E167AC00
4E167BF02
4E167BF15
4E167BF20
4E167DA08
(57)【要約】
【課題】締結部品の座面での滑り現象の発生を抑制すること。
【解決手段】締結構造FSは、第1被締結体1、第2被締結体2、ボルトBT、及びワッシャWSを含む。ボルトBTは、第1被締結体1に形成された貫通孔HLに挿通され、且つ、貫通孔HLよりも第2被締結体2の上側に配置された雌ネジ部FHにねじ込まれるように構成されている。そして、ワッシャWSは、ボルトBTのボルト座面BFに対向する第1被締結体1の下面とボルトBTのボルト座面BFとの間に配置され、ボルトBTのボルト座面BFに固相接合されている。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1被締結体、第2被締結体、締結部品、及び座金を含む締結構造であって、
前記締結部品は、前記第1被締結体に形成された貫通孔に挿通され、且つ、前記貫通孔よりも前記第2被締結体の側に配置された雌ネジ部にねじ込まれるように構成され、
前記座金は、前記締結部品の座面に対向する前記第1被締結体の対向面と前記締結部品の前記座面との間に配置され、前記締結部品の前記座面に固相接合されている、
締結構造。
【請求項2】
前記締結部品の前記座面、及び、前記座面に対向する前記座金の前記対向面の少なくとも一方には、表面粗さを粗くする処理が施されている、
請求項1に記載の締結構造。
【請求項3】
前記締結部品の前記座面、及び、前記座面に対向する前記座金の前記対向面の少なくとも一方には、前記締結部品と前記座金とを摩擦接触させたときに発生する摩擦熱によって軟化する凸部が形成されている、
請求項2に記載の締結構造。
【請求項4】
締結部品及び座金を用いて第1被締結体と第2被締結体とを締結する締結方法であって、
前記締結部品を、前記座金に形成された座金孔に挿通し、前記第1被締結体に形成された貫通孔に挿通し、且つ、前記締結部品と前記座金と前記第1被締結体とが互いに接触するまで前記貫通孔よりも前記第2被締結体の側に配置された雌ネジ部にねじ込むねじ込み工程と、
前記締結部品と前記座金とを摩擦圧接する摩擦圧接工程と、を有する、
締結方法。
【請求項5】
前記摩擦圧接工程では、前記締結部品は、所定の回転速度で回転し、所定の締め付けトルクに達したときに回転が停止する、
請求項4に記載の締結方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、締結構造及び締結方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、特殊な表面処理加工を必要とせず、安価に凝着抵抗を強化して滑り耐力を向上させることが可能な高力ボルト摩擦接合構造が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、上述の構造は、ボルト座面で滑り現象が発生してしまうおそれがある。
【0005】
そこで、ボルト等の締結部品の座面での滑り現象の発生を抑制することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示の実施形態に係る締結構造は、第1被締結体、第2被締結体、締結部品、及び座金を含む締結構造であって、前記締結部品は、前記第1被締結体に形成された貫通孔に挿通され、且つ、前記貫通孔よりも前記第2被締結体の側に配置された雌ネジ部にねじ込まれるように構成され、前記座金は、前記締結部品の座面に対向する前記第1被締結体の対向面と前記締結部品の前記座面との間に配置され、前記締結部品の前記座面に固相接合されている。
【発明の効果】
【0007】
上述の締結構造は、締結部品の座面での滑り現象の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【
図1】本開示の実施形態に係る締結構造の一例の断面図である。
【
図2】本開示の実施形態に係る締結方法の流れの一例を示すフローチャートである。
【
図3】摩擦圧接工程で実行される手順の流れの一例を示すフローチャートである。
【
図4】本開示の実施形態に係るワッシャの別の一例とボルトの断面図である。
【
図5】本開示の実施形態に係るワッシャの更に別の一例とボルトの断面図である。
【
図6】本開示の実施形態に係る締結構造の別の一例の断面図である。
【
図7】本開示の実施形態に係る締結構造の更に別の一例の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
最初に、
図1及び
図2を参照して、本開示の実施形態に係る締結構造及び締結方法について説明する。
図1は、第1被締結体1、第2被締結体2、締結部品(ボルトBT)、及び座金(ワッシャWS)を含む締結構造FSの断面図である。
図2は、本開示の実施形態に係る締結方法の流れの一例を示すフローチャートである。
【0010】
図2に示す締結方法は、締結部品の一例であるボルトBTと座金の一例であるワッシャWSとを用いて第1被締結体1と第2被締結体2とを締結する方法であり、ねじ込み工程ST1と摩擦圧接工程ST2とを有する。図示例では、ボルトBTは六角ボルトであり、ワッシャWSは平ワッシャである。なお、締結部品は、ネジ又はビス等であってもよい。
【0011】
図1の左図は、ねじ込み工程ST1が終了したとき、すなわち、摩擦圧接工程ST2が開始する前の締結構造FSの状態を示し、
図1の右図は、摩擦圧接工程ST2が終了したときの締結構造FSの状態を示している。
【0012】
第1被締結体1と第2被締結体2とを締結する作業を行う作業者は、ねじ込み工程ST1を開始する前に、第1被締結体1と第2被締結体2とを重ね合わせる。具体的には、作業者は、
図1に示すように、第1被締結体1に形成された貫通孔HLの軸線と、第2被締結体2に形成された雌ネジ部FHの軸線とが一致するように、且つ、第1被締結体1の上に第2被締結体2が配置されるように、第1被締結体1と第2被締結体2とを重ね合わせる。
【0013】
その後、ねじ込み工程ST1において、作業者は、ワッシャWSに形成された座金孔WHにボルトBTを挿通し、且つ、第1被締結体1に形成された貫通孔HLにボルトBTを挿通する。その上で、作業者は、
図1に示すように、軸線BXを有するボルトBTとワッシャWSと第1被締結体1と第2被締結体2とが互いに接触するまで第2被締結体2に形成された雌ネジ部FHにボルトBTをねじ込む。
【0014】
ボルトBTの雌ネジ部FHへのねじ込みは、インパクトレンチ等の自動工具を用いて行われてもよく、スパナ等の手動工具を用いて手作業で行われてもよい。また、インパクトレンチは、エアインパクトレンチであってもよく、油圧インパクトレンチであってもよく、電動インパクトレンチであってもよい。
【0015】
インパクトレンチを用いてねじ込みが行われる場合、ねじ込み工程ST1から摩擦圧接工程ST2への移行は自動的に行われてもよい。例えば、不図示のインパクトレンチの制御装置は、インパクトレンチに取り付けられた各種センサの出力に基づいて所定の摩擦圧接開始条件が満たされたか否かを判定するように構成されていてもよい。具体的には、制御装置は、所定の制御周期毎にボルトBTの締め付けトルクを算出し、その締め付けトルクが所定の締め付けトルクに達したか否かを判定することにより、ボルトBTとワッシャWSと第1被締結体1と第2被締結体2とが接触したか否かを判定してもよい。そして、制御装置は、ボルトBTとワッシャWSと第1被締結体1と第2被締結体2とが接触したと判定した場合、所定の摩擦圧接開始条件が満たされたと判定してもよい。この場合、インパクトレンチの制御装置は、摩擦圧接工程ST2を自動的に開始させてもよい。
【0016】
その後、作業者は、摩擦圧接工程ST2を開始する。ここで、
図3を参照し、摩擦圧接工程ST2で実行される手順について説明する。
図3は、摩擦圧接工程ST2で実行される手順の流れの一例を示すフローチャートである。
【0017】
摩擦圧接工程ST2では、作業者は、所定の回転速度で締結部材(ボルトBT)を回転させる(ステップST21)。具体的には、作業者は、ボルトBTのボルト座面BFとワッシャWSの下面の一部とを接触させた状態で、インパクトレンチを用いてボルトBTを締め付け方向に所定の回転速度で回転させ、ボルトBTのボルト座面BFとワッシャWSの下面の一部との間で摩擦熱を発生させる。
【0018】
所定の回転速度は、ボルトBTのボルト座面BFとワッシャWSの下面の一部とを固相接合させるために必要な摩擦熱を発生させることができる回転速度である。なお、固相接合とは、接合される二つの部材(ボルトBT及びワッシャWS)のそれぞれを溶融させない固相(固体)状態で加熱しながら加圧して接合する方法である。
【0019】
その後、締結部材(ボルトBT)の回転は、所定の回転停止条件が満たされるまで継続される。図示例では、インパクトレンチの制御装置は、インパクトレンチに取り付けられた各種センサの出力に基づいて所定の回転停止条件が満たされたか否かを判定する(ステップST22)。具体的には、制御装置は、所定の制御周期毎にボルトBTの締め付けトルクを算出し、その締め付けトルクが所定の締め付けトルクに達したか否かを判定する。なお、所定の回転停止条件は、ボルトBT(インパクトレンチ)の回転角度等、締め付けトルク以外の値に基づいて設定されていてもよい。
【0020】
そして、制御装置は、所定の回転停止条件が満たされていないと判定した場合(ステップST22のNO)、具体的には、現在の締め付けトルクが所定の締め付けトルクに達していないと判定した場合、所定の回転停止条件が満たされるまで、所定の制御周期毎にこの判定を繰り返す。
【0021】
そして、制御装置は、所定の回転停止条件が満たされたと判定した場合(ステップST22のYES)、具体的には、現在の締め付けトルクが所定の締め付けトルクに達したと判定した場合、締結部品(ボルトBT)の回転を停止させる(ステップST23)。
【0022】
ボルトBTの回転が停止すると、ボルトBTのボルト座面BFとワッシャWSの下面の一部とは、ボルトBTの軸力に対する反発力によって互いに押し付け合い、ボルトBTとワッシャWSとの間の固相接合に必要な力(加圧力)が実現される。なお、ボルトBTの軸力に対する反発力は、例えば、ボルトBTの軸力によって圧縮された第1被締結体1が元の形状(圧縮される前の形状)に戻ろうとする際に生じさせる力である。
【0023】
より具体的には、
図1の右図に示すように、ワッシャWSは、ボルトBTのボルト座面BFが軸方向(上方)に移動することにより、バリFLを発生させながら摩擦寄り代BLで表される厚さだけ消耗する。摩擦寄り代BLは、摩擦圧接において、摩擦推力(ボルトBTとワッシャWSとの間の相対運動中に接触面間に加えられる軸方向の圧力)を与えられている間に消耗した両部材の厚み(長さ)である。
【0024】
その結果、厚さH1を有するボルトBTのボルトヘッドBHと厚さH2を有するワッシャWSとの合計厚さH12は、摩擦圧接工程ST2の後には、摩擦寄り代BLだけ薄い合計厚さH12aとなる。そして、ボルトBTのボルト座面BFとワッシャWSの下面の一部とは、固相接合によって接合されて固相接合部SBを形成する。
【0025】
換言すれば、ボルトヘッドBHの厚さは、ボルト座面BFとワッシャWSとの固相接合によってボルトBTとワッシャWSとが一体化されるため、実質的に厚さH1から厚さH12aに増大する。そして、ボルトヘッドBHの厚さの実質的な増大は、ボルトBTの曲がりに対する剛性、すなわち、ボルトBTの曲がりに対する耐力を向上させることができるという効果をもたらす。その結果、この構成は、ボルトBTの曲がりによってボルトBTによる軸力が低下してしまうのを抑制できる。また、この構成は、ボルトBTの曲がりに対する耐力を向上させることにより、比較的疲労破壊が発生し易い部分FPで疲労破壊が発生してしまうのを抑制できる。なお、
図1の右図では、説明を分かりやすくするため、比較的疲労破壊が発生し易い部分FPにはクロスパターンが付されている。また、この構成は、ボルトBT又はワッシャWSのへたり(塑性変形)等に起因する非回転緩みの発生を抑制できる。
【0026】
一方で、図示例では、締結構造FSは、他の接触面CFにおいて固相接合を生じさせない。具体的には、他の接触面CFは、ワッシャWSと第1被締結体1との間の第1接触面CF1、第1被締結体1と第2被締結体2との間の第2接触面CF2、及び、ボルトBTと第2被締結体2との間の第3接触面CF3を含む。
図1の右図では、説明を分かりやすくするため、接触面CFは、太線で強調されている。
【0027】
他の接触面CFで固相接合が生じないのは、第1接触面CF1及び第2接触面CF2では、部材間の相対回転による摩擦熱がほとんど発生しないためである。また、第3接触面CF3では、ボルトBTと第2被締結体2との間の相対回転による摩擦熱が発生するが、その摩擦熱は、固相接合が生じるボルトBTとワッシャWSとの間の接触面での摩擦熱に比べて小さいためである。このような摩擦熱の差は、少なくとも部分的には、ボルトヘッドBHの直径D1とボルトBTの雄ネジ部MSの直径D2(<D1)との差に起因する。接触面の外径が大きいほど摩擦トルクが大きくなるためである。
【0028】
なお、ボルトBTは、第3接触面CF3においても固相接合が実現されるよう、上述の所定の回転速度よりも大きい回転速度で回転させられてもよい。
【0029】
このように、
図1に示す締結構造FSは、他の接触面CFにおいて固相接合を生じさせないため、作業者は、摩擦圧接工程ST2が行われた後であっても、ボルトBTを被締結体(第1被締結体及び第2被締結体2)から取り外すことができる。
【0030】
次に、
図4を参照し、本開示の実施形態に係るワッシャWSの別の構成例について説明する。
図4は、座金孔WHにボルトBTが挿通された状態のワッシャWSの断面図である。
図4のワッシャWSは、ボルトBTのボルト座面BFに対向する下面に、表面粗さを粗くする処理が施されている部分である粗面部TBを有する点で
図1に示すワッシャWSと異なるが、その他の点で
図1に示すワッシャWSと同じである。
図4に示す例では、表面粗さを粗くする処理は、例えば、ブラスト処理等であるが、他の既知の処理であってもよい。また、表面粗さを粗くする処理は、ボルトBTのボルト座面BFに施されていてもよい。
【0031】
この構成は、ボルトBTのボルト座面BFとワッシャWSの下面の一部との固相接合を促進できるという効果をもたらす。ボルト座面BFとワッシャWSとの間の摩擦係数が増大することによって摩擦熱の発生が促進されるためである。
【0032】
次に、
図5を参照し、本開示の実施形態に係るワッシャWSの更に別の構成例について説明する。
図5は、座金孔WHにボルトBTが挿通された状態のワッシャWSの断面図である。
図5のワッシャWSは、ボルトBTのボルト座面BFに対向する下面に凸部PRを有する点で
図1に示すワッシャWSと異なるが、その他の点で
図1に示すワッシャWSと同じである。
【0033】
この構成は、ボルトBTのボルト座面BFとワッシャWSの下面の一部との固相接合を促進できるという効果をもたらす。ボルト座面BFとワッシャWSとの間の摩擦係数が増大することによって摩擦熱の発生が促進されるためである。なお、図示例では、凸部PRは、ワッシャWSの下面から下方に突出するようにワッシャWSの下面に形成されているが、ボルト座面BFから上方に突出するようにボルト座面BFに形成されていてもよい。
【0034】
次に、
図6を参照し、本開示の実施形態に係る締結構造FSの別の構成例について説明する。
図6は、締結構造FSの別の構成例の断面図である。
図6の締結構造FSは、第2被締結体2に埋め込まれたボスBSを有する点で
図1の締結構造FSと異なるが、その他の点で
図1に示す締結構造FSと同じである。
【0035】
具体的には、第2被締結体2に埋め込まれたボスBSは、
図6に示すように、第2被締結体2の代わりに雌ネジ部FHを有するように構成されている。そして、ボルトBTは、ワッシャWSに形成された座金孔WHに挿通され、第1被締結体1に形成された貫通孔HLに挿通され、且つ、貫通孔HLよりも第2被締結体2の側(上側)に配置されたボスBSに形成されている雌ネジ部FHにねじ込まれる。
【0036】
この構成は、第2被締結体2に雌ネジ部FHが形成されている場合と同様に、ボルトBTとワッシャWSとの固相接合を可能にするため、ボルトBTのボルト座面BFでの滑り現象の発生を抑制することができる。具体的には、締結構造FSは、少なくともボルトBTのボルト座面BFとワッシャWSの下面との間の滑り面がなくなる分だけ滑り面の数が減少するため、滑り現象の発生を抑制することができる。
【0037】
次に、
図7を参照し、本開示の実施形態に係る締結構造FSの更に別の構成例について説明する。
図7は、締結構造FSの更に別の構成例の断面図である。
図7の締結構造FSは、ボルトBTとナットNTとを用いて第1被締結体1及び第2被締結体2を締結している点で
図1の締結構造FSと異なるが、その他の点で
図1に示す締結構造FSと同じである。
【0038】
具体的には、
図7の第2被締結体2は、ボルトBTが挿通される第2貫通孔HL2を有する点で
図1の第2被締結体2と異なる。そして、ボルトBTは、ワッシャWS(下側ワッシャWSD)に形成された座金孔WH(下側座金孔WHD)に挿通され、第1被締結体1に形成された第1貫通孔HL1に挿通され、第2被締結体2に形成された第2貫通孔HL2に挿通され、ワッシャWS(上側ワッシャWSU)に形成された座金孔WH(上側座金孔WHU)に挿通され、且つ、第1貫通孔HL1よりも第2被締結体2の側(上側)に配置されたナットNTに形成されている雌ネジ部NHにねじ込まれる。
【0039】
この構成は、第2被締結体2に雌ネジ部FHが形成されている場合と同様に、ボルトBTとワッシャWSとの固相接合を可能にするため、ボルトBTのボルト座面BFでの滑り現象の発生を抑制することができる。
【0040】
上述のように、本開示の実施形態に係る締結構造FSは、
図1に示すように、第1被締結体1、第2被締結体2、締結部品(ボルトBT)、及び座金(ワッシャWS)を含む。締結部品(ボルトBT)は、第1被締結体1に形成された貫通孔HLに挿通され、且つ、貫通孔HLよりも第2被締結体2の側(上側)に配置された雌ネジ部FHにねじ込まれるように構成されている。そして、座金(ワッシャWS)は、締結部品(ボルトBT)の座面(ボルト座面BF)に対向する第1被締結体1の対向面(下面)と締結部品(ボルトBT)の座面(ボルト座面BF)との間に配置され、締結部品(ボルトBT)の座面(ボルト座面BF)に固相接合されている。
【0041】
この構成により、締結構造FSは、締結部品(ボルトBT)の座面(ボルト座面BF)での滑り現象の発生を抑制することができるという効果をもたらす。
【0042】
また、締結構造FSでは、締結部品(ボルトBT)の座面(ボルト座面BF)、及び、締結部品(ボルトBT)の座面(ボルト座面BF)に対向する座金(ワッシャWS)の対向面(下面)の少なくとも一方には、表面粗さを粗くする処理が施されていてもよい。
図4に示す例では、ワッシャWSの下面にブラスト処理が施されている。
【0043】
この構成により、締結構造FSは、締結部品(ボルトBT)の座面(ボルト座面BF)と座金(ワッシャWS)との固相接合を促進できるという効果をもたらす。締結部品(ボルトBT)の座面(ボルト座面BF)と座金(ワッシャWS)との間の摩擦係数が増大することによって摩擦熱の発生が促進されるためである。その結果、締結構造FSは、締結部品(ボルトBT)の座面(ボルト座面BF)での滑り現象の発生を更に抑制することができるという効果をもたらす。
【0044】
また、締結構造FSでは、締結部品(ボルトBT)の座面(ボルト座面BF)、及び、締結部品(ボルトBT)の座面(ボルト座面BF)に対向する座金(ワッシャWS)の対向面(下面)の少なくとも一方には、締結部品(ボルトBT)と座金(ワッシャWS)とを摩擦接触させたときに発生する摩擦熱によって軟化する凸部PRが形成されていてもよい。
図5に示す例では、ワッシャWSの下面に凸部PRが形成されている。
【0045】
この構成により、締結構造FSは、締結部品(ボルトBT)の座面(ボルト座面BF)と座金(ワッシャWS)との固相接合を促進できるという効果をもたらす。締結部品(ボルトBT)の座面(ボルト座面BF)と座金(ワッシャWS)との間の摩擦係数が増大することによって摩擦熱の発生が促進されるためである。その結果、締結構造FSは、締結部品(ボルトBT)の座面(ボルト座面BF)での滑り現象の発生を更に抑制することができるという効果をもたらす。
【0046】
また、本開示の実施形態に係る締結方法は、締結部品(ボルトBT)及び座金(ワッシャWS)を用いて第1被締結体1と第2被締結体2とを締結する締結方法であって、ボルトBTを、ワッシャWSに形成された座金孔WHに挿通し、第1被締結体1に形成された貫通孔HLに挿通し、且つ、ボルトBTとワッシャWSと第1被締結体1とが互いに接触するまで、貫通孔HLよりも第2被締結体2の側(上側)に配置された雌ネジ部FHにねじ込むねじ込み工程ST1と、ボルトBTとワッシャWSとを摩擦圧接する摩擦圧接工程ST2と、を有する。なお、摩擦圧接工程ST2では、ボルトBTは、所定の回転速度で回転し、所定の締め付けトルクに達したときに回転が停止するようにねじ込まれてもよい。
【0047】
この締結方法は、締結部品(ボルトBT)の座面(ボルト座面BF)と座金(ワッシャWS)とを固相接合させることができるため、締結部品(ボルトBT)の座面(ボルト座面BF)での滑り現象の発生を抑制することができるという効果をもたらす。
【0048】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳説した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態に制限されることはない。上述した実施形態は、本発明の範囲を逸脱することなしに、種々の変形又は置換等が適用され得る。また、別々に説明された特徴は、技術的な矛盾が生じない限り、組み合わせが可能である。
【符号の説明】
【0049】
1・・・第1被締結体 2・・・第2被締結体 BF・・・ボルト座面 BH・・・ボルトヘッド BL・・・摩擦寄り代 BS・・・ボス BT・・・ボルト BX・・・軸線 CF・・・接触面 CF1・・・第1接触面 CF2・・・第2接触面 CF3・・・第3接触面 FH・・・雌ネジ部 FL・・・バリ FP・・・部分 FS・・・締結構造 HL・・・貫通孔 MS・・・雄ネジ部 NH・・・雌ネジ部 NT・・・ナット PR・・・凸部 SB・・・固相接合部 TB・・・粗面部 WH・・・座金孔 WHD・・・下側座金孔 WHU・・・上側座金孔 WS・・・ワッシャ WSD・・・下側ワッシャ WSU・・・上側ワッシャ