JP2005265150A - 鋼製ボルトセット - Google Patents

Abstract

【課題】製造に技術的困難性がなく製造コストが安価で、単純な構成により疲れ強さを向上させた鋼製ボルトセットを提供することを目的とする。
【解決手段】おねじのピッチＰｍをめねじのピッチＰｆよりも小さくした鋼製ボルトセットにおいて、ピッチ差ΔＰ（＝Ｐｆ−Ｐｍ）を日本工業規格のＪＩＳ Ｂ ０２０５に規定されるピッチＰの０．５〜０．８％の範囲に設定していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、繰返し力（荷重）が作用する土木構造物、建築構造物、機械（工作機械、自動車、鉄道車輌、圧延機等）における構造体、部材、部品の締結に用いる鋼製ボルトセットに関する。

ねじ継手において、おねじとめねじが幾何学的に正しく嵌合し合っていても、ねじ部に引張り応力が作用する荷重分布は引張り応力側に大きく片寄り、引張り応力負荷側のねじ山から塑性変形を起こしながらねじ山を破壊するという問題が発生する。この問題を解決するために、疲労特性を改善したねじ継手として、特許文献１（従来例１）及び特許文献２（従来例２）には、めねじに嵌合するおねじを引張り力方向にボルト頭部側に先細に成形し、引張り方向に向かっておねじとめねじとの接触面積を低減しねじ山にかかる荷重分担を均等にすることにより疲労寿命の向上を図ったものが開示されている。特許文献３（従来例３）には、ねじ山形状を改善することにより谷底部の応力集中を緩和することにより疲労寿命の向上を図ったものが開示されている。特許文献４（従来例４）には、おねじと嵌合するめねじのねじ山フランク角の一方若しくは両方をおねじのフランク角よりも小さくして各ねじ山の荷重分担を均等化することにより疲労特性の向上を図ったものが開示されている。特許文献５（従来例５）には、ねじ谷底部の形状を高次曲線で形成することにより、噛み合い端ねじ底に発生する応力集中を低減して耐遅れ破壊特性、耐疲労特性を向上させた高力ボルト、ナット及び座金のセットが開示されている。
さらに、非特許文献１（従来例６）には、おねじのピッチをめねじのピッチよりも小さくし、そのピッチ差が０．３％程度であれば疲れ強さを改善できることが示されている。
特開昭５２−７９１６３号公報 特開昭５２−１３１０６０号公報 特開昭５３−２９７８０号公報 特開昭５８−１６０６１３号公報 特開２００３−４０１６号公報 高強度ボルトの締結性能に関する標準化のための調査研究報告書（第Ｉ報）、日本ねじ研究協会、１９７８

しかしながら、従来例１，２のめねじに嵌合するおねじを引張り力方向にボルト頭部側に先細に成形したものは、製造コストが高いという問題と、ナットの最適嵌合位置が固定されるため、締め付け長さの変化に対する余裕がほとんどないという問題を有する。また、従来例３のねじ山形状の改善によりねじ谷底部の応力集中を緩和したものは、フランク角がメートルねじやユニファイねじと異なるため製造コストが高価となるという問題を有する。従来例４のおねじと嵌合するめねじのねじ山フランク角の一方若しくは両方をおねじのフランク角よりも小さくして各ねじ山の荷重分担を均等化するものは、高度な製造技術が必要で製造管理・品質管理のも多大な時間を要するので製造コストが嵩むという問題を有する。従来例５のねじ谷底部の形状を高次曲線で形成することにより、噛み合い端ねじ底に発生する応力集中を低減するものは、高度な製造技術が必要で製造管理・品質管理のも多大な時間を要するので製造コストが嵩むという問題を有する。
さらに、従来例６のおねじのピッチをめねじのピッチよりも小さくし、そのピッチ差を０．３％程度にしたものは、改善効果はあるものの、実際のボルトセットではおねじとめねじの公差によりこの程度のピッチ差は吸収されてしまう場合が多く、実用上得られる疲れ強さの改善効果はかなり小さいという問題を有する。

本発明は、上記従来技術の持つ課題を解決する、製造に技術的困難性がなく製造コストが安価で、単純な構成により疲れ強さを向上させた鋼製ボルトセットを提供することを目的とする。

本第１発明は、鋼製ボルトセットにおいて、おねじのピッチＰｍをめねじのピッチＰｆよりも小さくした鋼製ボルトセットにおいて、ピッチ差ΔＰ（＝Ｐｆ−Ｐｍ）を日本工業規格のＪＩＳ Ｂ ０２０５に規定されるピッチＰ（以下、ＪＩＳピッチ）の０．５〜０．８％の範囲に設定していることを特徴とする。

本第２発明は、本第１発明の鋼製ボルトセットにおいて、前記おねじのピッチＰｍをＪＩＳピッチＰに等しくしたことを特徴とする。

本第３発明は、本第１発明の鋼製労ボルトセットにおいて、前記めねじのピッチＰｆをＪＩＳピッチＰに等しくしたことを特徴とする。

本第４発明は、本第１〜第３発明のいずれか１つの発明の鋼製ボルトセットにおいて、前記ボルトセットの強度がＪＩＳ Ｂ １０５１に規定される強度区分１２．９よりも高強度であることを特徴とする。

本第５発明は、本第１〜第４発明のいずれか１つの発明の鋼製ボルトセットにおいて、前記ボルトセットのおねじは、ボルトの熱処理後に転造成形されたものであることを特徴とする。

おねじのピッチＰｍをめねじのピッチＰｆよりも小さくし、ピッチ差ΔＰ（＝Ｐｆ−Ｐｍ）をＪＩＳ Ｂ ０２０５に規定されるピッチＰ（以下、ＪＩＳピッチ）の０．５％〜０．８％の範囲とする構成により、鋼製ボルトセットへの引張り力作用時のおねじ各ねじ山の荷重分担を略均等化することにより局部的応力集中の発生を防止し疲れ強さを大きく向上させ、遅れ破壊特性の向上にも有効となる。また、締め付け長さの調整も可能である。ピッチ差ΔＰが０．８％より大きいと、おねじとめねじの嵌合が困難となり、ピッチ差ΔＰが０．５％より小さいと十分な効果が発揮できない。
おねじ、めねじのいずれか一方のピッチをＪＩＳピッチとし、他方のねじのピッチを一方のＪＩＳピッチに対して、ピッチ差ΔＰ変化させて成形する構成により、ＪＩＳピッチを使用できるので製造コストが低減できる。
ダイスを変えるだけで製造できるので、製造に技術的困難性がなく製造コストを安価にできる。
ねじの形式がどのようなものであっても適用可能であるので、適用範囲が広い。
埋め込むボルトセットにも高力ボルトセットにも適用可能となる。
熱処理後にボルトねじを転造することによりねじ谷底部に圧縮残留応力が付与され疲れ強さが向上する。

本発明の実施の形態を図により説明する。図１（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、本発明のおねじのねじピッチＰｍをめねじのねじピッチＰｆより小さくした鋼製ボルトセットに引張り力が作用した時の各ねじ山に作用する荷重の分担状態を示すものである。
ステップ１：図１（ａ）はボルトとナットのセット時（ボルト張力＝０）の状態を示すものである。ボルト頭側からねじ端側に順に第１〜第６ねじ部とする。この状態では、第６ねじ部のボルトとナットのねじフランク面は、ボルト頭側で接触し、第１ねじ部〜第５ねじ部のボルトとナットのねじ面はボルト頭側で非接触で、ボルト頭側の隙間は第５ねじ部から第１ねじ部に向かうほど大きい。逆に第１ねじ部〜第５ねじ部のボルトとナットのねじフランク面はねじ端側で接触し、第５ねじ部から第１ねじ部に向かって接触圧は増大する。
なお、図中では接触圧の大きさを視覚的に表すためにおねじの山の一部とめねじの山の一部が重なり合うように描いており、この重なりが大きいほど接触圧が大きいことを示しているが、実際にはおねじの山とめねじの山が図のように重なり合うことはない。以下のステップ２〜４においても同様である。
ステップ２：図１（ｂ）はボルトセットに矢印方向に引張り力が作用しボルト張力が徐々に増大する状態を示すものである。ボルト張力の増大に伴っておねじ各ねじ部は第６ねじ部から第１ねじ部に向かって順に荷重を分担しはじめる。この時期、荷重分担は第６ねじ部で最大でボルト頭側に向かって小さくなる。引張り力の作用初期には、第１ねじ部や第２ねじ部のボルトとナットのボルト頭側のねじフランク面はまだ非接触である。
ステップ３：図１（ｃ）は、ボルトセットに作用する引張り力がさらに増大した状態を示すものである。第１ねじ部〜第６ねじ部すべてのねじ部が荷重を分担し、荷重分担は第６ねじ部が最大で第１ねじ部に向かうほど小さい。
ステップ４：図１（ｄ）はボルトセットに作用する引張り力がさらに増大した状態を示すものである。第６ねじ部から第１ねじ部に向かってねじの谷底が降伏を開始し、谷底の塑性ひずみの増大に伴って応力が再配分され、おねじ各ねじ部の荷重分担が均等化する。

呼び径Ｍ２２の鋼製ボルトセットにおいて、ピッチ差のない一般のボルトセットの場合とピッチ差がある本発明のボルトセットの場合のボルト各ねじ部の荷重分担の状態を以下に示す。ボルト材として降伏点が１３００Ｎ／ｍｍ^２で塑性硬化率が０．５％の鋼材を用い、ナット材として降伏点が９００Ｎ／ｍｍ^２で塑性硬化率が０．５％の鋼材を用いた。また、おねじの形状は特公平６−８９７６８号公報（高力ボルト・ナット・座金のセット）に記載の発明を採用した。

図３は、おねじのねじピッチＰｍとめねじのねじピッチＰｆが等しいピッチ差のない一般のボルトセットに引張り力が作用した時のおねじ各ねじ部の荷重分担力の状態を示すものである。図中の凡例にある記号Ｎは作用する引張り力である。この場合、引張り力が作用した時の荷重分担は第１ねじ部が最大で第１ねじ部から第９ねじ部に向かって小さくなる。なお、ボルト頭側からねじ端側に向かって第１ねじ部、第２ねじ部、・・・・、第９ねじ部とする。

図４は、ピッチ差ΔＰが０．５％の場合の本発明のボルトセットに引張り力が作用した時のおねじ各ねじ部の荷重分担の状態を示すものである。この場合、引張り力が作用した時の荷重分担は第９ねじ部が最大で第９ねじ部から第１ねじ部に向かって小さくなる。

次に、呼び径Ｍ２２の鋼製ボルトセットにおいて、ピッチ差のない一般のボルトセットの場合とピッチ差がある本発明のボルトセットの場合のボルト各ねじ部谷底の応力状態を示す。図２は、ボルトねじ部の谷底の応力度の評価点を示している。

図５は、おねじのねじピッチＰｍとめねじのねじピッチＰｆが等しいピッチ差のない一般のボルトセットに引張り力が作用した時のおねじ各ねじ部の谷底の応力度（以下、谷底応力度）の状態を示すものである。縦軸が各ねじ部の谷底の応力度で、横軸はねじ部有効断面の平均応力度（以下、ねじ部平均応力度）である。ここで採用したおねじ形状の谷底の応力集中係数は１．５程度である。したがって、おねじ各ねじ部の荷重分担が均一化していれば。図５に示されるように、ねじ部平均応力度と各ねじ部の谷底応力度の関係は、ねじ部平均応力度に係数１．５をかけた直線で示される基準ラインにほぼ一致する。図５に示されるものは、各ねじ部の谷底の応力度のねじ部平均応力度に応じた状態を示すラインが、前記基準ラインから大きく離れており、引張り力が作用した時の第１ねじ部の谷底応力度が最大で、第１ねじ部の谷底から第９ねじ部の谷底に向かって小さくなっている。

図６は、ピッチ差ΔＰが０．３％の場合の本発明のボルトセットに引張り力が作用した時のおねじ各ねじ部の谷底応力度の変化を示すものである。おねじとめねじにピッチ差がない図５と比較し、各ねじ部の谷底応力度のねじ部平均応力度に応じたラインは基準ラインに接近してきており、特にねじ部平均応力度が２００Ｎ／ｍｍ^２までは、各ねじ部の谷底応力度のラインはほぼ基準ラインと重なっており、各ねじ部の荷重分担が均一化していることを示している。なお、本解析では公差を０として計算している。実際には公差が存在するため、この程度のピッチ差では疲れ強さの向上には効果は小さい。

図７は、ピッチ差ΔＰが０．５％の場合の本発明のボルトセットに引張り力が作用した時のおねじ各ねじ部の谷底応力度の変化を示すものである。図６の場合と比較し、一層各ねじ部の谷底応力度のねじ部平均応力度に応じたラインは、ねじ部平均応力度の大きい場合（４００Ｎ／ｍｍ^２）でも基準ラインに接近してきている。各ねじ部の荷重分担がねじ部平均応力度の全領域にわたりより均一化しているのとともに、特に疲れ強さの向上に有効である第１ねじ部の谷底応力度がピッチ差がない場合やΔＰ＝０．３％の場合に比べてかなり低減されている。

図８は、さらにピッチ差ΔＰを大きくした場合で、ピッチ差ΔＰが０．８％の場合の本発明のボルトセットに引張り力が作用した時のおねじ各ねじ部の谷底の応力度の変化を示すものである。図７の場合と比較し、一層各ねじ部の谷底応力度のねじ部平均応力度に応じたラインは、さらにねじ部平均応力度の大きい場合（６００Ｎ／ｍｍ^２）でも基準ラインに接近してきており、各ねじ部の荷重分担がねじ部平均応力度の全領域にわたりより均一化している。また、第１ねじ部の谷底応力度がさらに低減されており、ねじ部平均応力度の広い範囲にわたって、疲れ強さの改善が可能である。

図９は、第１ねじ部の谷底の応力度のねじ部平均応力度に応じたラインを、ピッチ差ΔＰごとに示したものである。ピッチ差ΔＰが大きいほど第１ねじ部の谷底応力度は基準ラインに近づいており、ねじ部平均応力度の広い範囲で疲れ強さの向上効果が大きいことがわかる。

表１は、本発明の鋼製ボルトセットと従来のボルトセットの疲労試験の結果を示したものである。疲労試験方法は、５００ＫＮおよび１０００ＫＮのサーボジャッキ試験機を用い、繰返し荷重は正弦波で、載荷速度は３００回／分で実施した。表中、ねじ形状の欄のＪＩＳはメートル並目ねじである。従来のボルトセットはいずれもおねじとめねじのピッチはＪＩＳピッチである。本発明のボルトセットはめねじのピッチをＪＩＳピッチに固定した場合とおねじのピッチをＪＩＳピッチＰに固定した場合の２水準に対してそれぞれピッチ差ΔＰを３水準変化させている。また、前転造は熱処理前におねじを転造したものであり、後転造は熱処理後におねじを転造したものである。応力比は最小応力度と最大応力度の比でである。試験結果は全振幅の値である。表中の網掛け部の試験体はボルト首下部で破断したものを示し、その他はナット内第１ねじ部で破断した。

表１に示される疲労試験結果から本発明の鋼製ボルトセットは特許文献１に記載の発明と同等の疲れ強さ向上効果があり、特別なねじ加工を施さない従来のボルトセットに比べ大幅に疲れ強さが向上していることがわかる。なお、本発明の鋼製ボルトセットはおねじ部における疲れ強さの向上が大きいため、今回の疲労試験では鋼製ボルトセットの疲れ強さはボルト首下部の疲れ強さで決定した。したがって、本発明の鋼製ボルトセットの首下部形状を例えば特公平６−８９７６８号公報記載の発明のような応力集中を緩和できる形状と組み合わせれば疲れ強さはさらに向上する。

本発明の鋼製ボルトセットは、一般メートルねじだけでなく、メートル台形ねじや管用平行ねじなどにも適用可能である。
また、本発明の鋼製ボルトセットは、埋め込みボルトや植込みボルトにも適用可能である。

（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）本発明の鋼製ボルトセットの引張り力作用時の変化を示す図である。 おねじの谷底の応力度の評価点を示す図である。 おねじのねじピッチとめねじのねじピッチが等しい場合の引張り力が作用した時のおねじ各ねじ部の荷重分担の状態を示す図である。 ピッチ差が０．５％の場合の本発明のボルトセットに引張り力が作用した時のおねじ各ねじ部の荷重分担を示す図である。 おねじのねじピッチとめねじのねじピッチが等しい場合の引張り力が作用した時のおねじ各ねじ部の谷底の応力度を示す図である。 ピッチ差が０．３％の場合の本発明のボルトセットに引張り力が作用した時のおねじ各ねじ部の谷底応力度を示す図である。 ピッチ差が０．５％の場合の本発明のボルトセットに引張り力が作用した時のおねじ各ねじ部の谷底応力度を示す図である。 ピッチ差が０．８％の場合の本発明のボルトセットに引張り力が作用した時のおねじ各ねじ部の谷底応力度を示す図である。 第１ねじ部の谷底応力度のねじ部平均応力度に応じたラインをピッチ差ごに示した図である。

Claims (5)

1. おねじのピッチＰｍをめねじのピッチＰｆよりも小さくした鋼製ボルトセットにおいて、ピッチ差ΔＰ（＝Ｐｆ−Ｐｍ）を日本工業規格のＪＩＳ Ｂ ０２０５に規定されるピッチＰ（以下、ＪＩＳピッチ）の０．５〜０．８％の範囲に設定していることを特徴とする、鋼製ボルトセット。
2. 前記おねじのピッチＰｍをＪＩＳピッチＰに等しくしたことを特徴とする、請求項１に記載の鋼製ボルトセット。
3. 前記めねじのピッチＰｆをＪＩＳピッチＰに等しくしたことを特徴とする、請求項１に記載の鋼製ボルトセット。
4. 前記ボルトセットの強度がＪＩＳ Ｂ １０５１に規定される強度区分１２．９よりも高強度であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼製ボルトセット。
5. 前記ボルトセットのおねじは、ボルトの熱処理後に転造成形されたものであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の鋼製ボルトセット。