JP5408519B2

JP5408519B2 - 電動トルクレンチによる締付方法

Info

Publication number: JP5408519B2
Application number: JP2007217604A
Authority: JP
Inventors: 博道草深
Original assignee: 日本ファスナー工業株式会社
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2027-07-27
Also published as: JP2009028883A

Description

本発明は、ボルトを被取付部材に所定の軸力で締付けて固定する電動トルクレンチによる締付方法に関するものである。

従来、電動トルクレンチによる締付方法としては、主としてボルトの締付け時、軸力とトルクの関係が比例を示す特性を有することから、規定の軸力に達するトルクでモータを制御するようにしたトルク法と、軸力とトルクとの１次式の関係は、ボルト締付け時の耐力点の手前近くで崩れ、直線的な比例勾配が変化するこの点を捕らえて、締付け完了するのが、トルク勾配法が知られている。

ところで、上記した前者のトルク法では、そのトルク係数がめねじとおねじ間摩擦係数とボルト頭下と座間などの摩擦係数によって決まるのであるが、予め設定したトルク係数に対して、使用場所、新品或いは再使用品、潤滑油の有無などの条件により実際の締付け時におけるトルク係数が往々にして異なり、その結果、締付け完了後の軸力に大きなバラツキが発生し、常に安定した締付けが期待できない問題を有していた。

また、後者のトルク勾配法では、直接的にはトルク係数の影響が少ないので安定した軸力が得られる（なお、トルク係数が高くなるとボルトのねじりトルクが大きくなり、耐力点は少し低くなる）。しかし、高軸力、つまり締付け過多ぎみで締付けを完了するため、ボルトにごく小さな亀裂等が生じることがあり、そのため長期使用する場合にこの亀裂等に基づく遅れ破壊が発生する問題がある。またボルトが弾性域を越えて少し塑性域に入り耐力点が少し低くなるため、繰り返し使用する場合に新品と同様のボルトとして再使用するには限界があるといった問題があった。

さらに、別の締付け方法として、ナット回転角とボルト軸力との関係に着目したもので、塑性域に入るとナット回転角のバラツキに対して軸力のバラツキが少なくなるので、両者のトルクと軸力の関係が直線状になるまで１次締めを行い、その後例えば１２０度とか１８０度とかで締付けを行う方法もある。しかし、この方法もボルトが塑性域にかなり入る傾向にあり、上記したトルク勾配法と同様の問題が存在するものであった。

そこで、本発明は常にボルトの弾性域で、しかも安定した軸力により締付けが行える電動トルクレンチによる締付方法の提供を課題とする。

上記問題を解決するため、ボルトを被取付部材に所定の軸力で締付けて固定するモータを備えた電動トルクレンチによる締付方法であって、モータを制御してボルトと被取付部材との隙間がなくなる着座完了時点を越え軸力ＮとトルクＴの関係が直線的になる１〜２秒後まで一次締めを行い、その軸力ＮとトルクＴの関係が直線的になったモータ電流Ｉの上昇率Ｓを求める一方、このモータ電流上昇率Ｓからトルク係数Ｋを算出し、該トルク係数Ｋを用いて所定の軸力Ｎに達するまでのモータ電流値Ｉを計算し、そのモータ電流値Ｉに達するまでモータを制御して二次締付けを行うようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、まず、モータを制御してボルトと被取付部材との隙間がなくなる着座完了時点を越え軸力ＮとトルクＴの関係が直線的になる１〜２秒後まで一次締めを行い、その軸力ＮとトルクＴの関係が直線的になったときのモータ電流Ｉの上昇率Ｓを求める。つまり、使用場所、新品或いは再使用品、潤滑油の有無などの使用条件の異なるボルトの実際の締付け時におけるモータ電流Ｉの上昇率Ｓを求める。そして、その求めたモータ電流上昇率Ｓからトルク係数Ｋを算出し、該トルク係数Ｋを用いて所定の軸力Ｎに達するまでのモータ電流値Ｉを計算し、そのモータ電流値Ｉに達するまでモータを制御して締付けを行うようにしたから、従来のように締付け完了後の軸力Ｎに大きなバラツキが発生したり、締付け過剰ぎみとなってボルトが塑性域に入ったりすることなく、常にボルトの弾性域で、しかも安定した軸力での締付けを行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は本発明に係る電動トルクレンチによる締付方法に用いる電動トルクレンチの使用状態図を示すもので、モータ１ａを内蔵した電動トルクレンチ１によりナット２を所定角度締付けボルト３を座金４を介して被取付部材５に所定の軸力で締付けて固定するようになされている。

また、図２は、ボルト３の使用場所や、ボルト３が新品又は再使用品であるかどうか、或いは潤滑油の有無などの使用条件によりボルト締付け時のトルク係数Ｋがその都度変わることから、例えばトルク係数Ｋ_１が０．１２の場合とトルク係数Ｋ_２が０．１５の場合について電動トルクレンチ１によるボルト締付け時の特性をグラフに表したものである。

まず、図２の左上に記載したＴ−Ｎ特性からトルク係数Ｋ_１が０．１２の場合とトルク係数Ｋ_２が０．１５の場合のいずれも耐力点ｂ_１，ｂ_２の手前近くまでトルクＴと軸力Ｎが比例する関係にあり、また、図２の左下に記載したＩ−Ｔ特性からいずれの場合にもトルクＴとモータ電流Ｉが比例する関係にあることが解る。

次に、図２の中上に記載したＮ−θ特性からトルク係数Ｋ_１が０．１２の場合、ボルトと被取付部材との隙間がなくなる着座完了時点を越えてから耐力点ｂ_１の手前近くまでの軸力Ｎと締め付け回転角θ（締め付け時間ｔ）が比例する関係にあり、図２の中下に記載したＩ−θ特性からトルク係数Ｋ_１が０．１２の場合、上記着座完了時点を越えてから耐力点ｂ_１の手前近くまでのモータ電流Ｉと締付け回転角θが比例する関係にあることが解る。

さらに、図２の右上に記載したＮ−θ特性からトルク係数Ｋ_１が０．１５の場合、着座完了時点を越えてから耐力点ｂ_１の手前近くまでの軸力Ｎと締め付け回転角θ（締め付け時間ｔ）が比例する関係にあり、図２の右下に記載したＩ−θ特性からトルク係数Ｋ_１が０．１５の場合、着座完了時点を越えてから耐力点ｂ_２の手前近くまでのモータ電流Ｉと締付け回転角θが比例する関係にあることが解る。

そして、本発明は、Ｔ−Ｎ特性とＩ−Ｔ特性とＮ−θ特性とＩ−θ特性から着座完了時点を越えてから耐力点ｂ_１の手前近くまでのトルク係数Ｋとモータ電流上昇率Ｓが比例関係にあることと、上記したトルクＴとモータ電流Ｉが比例の関係にあり、さらにトルクＴ＝トルク係数Ｋ×ボルト径Ｄ×規定の軸力Ｎの関係式である点に着目し、ボルト３を被取付部材５に常にボルト３の弾性域で、しかも所定の軸力Ｎで締付けが行える電動トルクレンチ１の締付け方法として、次のように構成したのである。

すなわち、予め設定したトルクＴ_０でモータを制御してボルトと被取付部材との隙間がなくなる着座完了時点を越え軸力ＮとトルクＴの関係が直線的になる１〜２秒後まで一次締めを行い、その軸力ＮとトルクＴの関係が直線的になったモータ電流Ｉの上昇率Ｓを求める一方、このモータ電流上昇率Ｓからトルク係数Ｋを算出し、該トルク係数Ｋを用いて所定の軸力Ｎに達するまでのモータ電流値Ｉを計算し、そのモータ電流値Ｉに達するまでモータを制御して二次締付けを行うようにしたのである。

また、電動トルクレンチ１には、図３に示すようにモータ１ａを駆動制御する制御部１０と、制御部１０に所望する軸力Ｎを入力する軸力設定器１１と、モータ電流Ｉを検出しその検出値を制御部１０に出力するモータ電流検出器１２と、締付け回転角θ（締付け時間ｔ）を検出する締付け回転角検出器１３とを備えている。

次に本発明の作用について説明する。
まず、モータ１ａを制御して上記着座完了時点を越えてからモータ電流Ｉと締め付け回転角θの関係が直線的になる１〜２秒後まで一次締めを行う。

そして、この一次締めを行っている間に、モータ電流Ｉと締付け回転角θの関係が直線的になったときのモータ電流上昇率Ｓを求める。つまり、図２に示すように上記着座完了時点を越えてからモータ電流Ｉと締め付け回転角θの関係が直線的になる例えば２秒後までのモータ電流Ｉｗと締め付け回転角θｗをモータ電流検出器１２と締め付け回転角検出器１３によりそれぞれ測定し、これを制御部１０に入力して、制御部１０で上昇率Ｓ＝モータ電流Ｉｗ／締め付け回転角θｗの関係式より上昇率Ｓを求める。これにより、使用場所、新品或いは再使用品或いは潤滑油の有無などの使用条件の異なるボルト３の実際の締付け時におけるモータ電流上昇率Ｓをその都度求めることができる。

次に、制御部１０でその求めたモータ電流上昇率Ｓに基づいて所定の軸力Ｎに達するまでの最終モータ電流値Ｉを計算して、その電流値Ｉに達するまでモータ１ａを制御して締付けを行うのである。

これにより、例えば図２の中下に記載したＩ−θ特性に示めされているようにその求めたモータ電流上昇率Ｓが小さい場合には最終モータ電流値Ｉ_１が低くなり、また、図２の右下に記載したＩ−θ特性に示めされているようにその求めたモータ電流上昇率Ｓが大きい場合には最終モータ電流値Ｉ_２が高くなるが、いずれも所定の軸力Ｎ_１でバラツキなく締付けを行うことができる。

以上のように本発明によれば、従来のように締付け軸力に大きなバラツキが発生したり、締付け過剰ぎみとなってボルトが塑性域に入ったりすることなく、常にボルト３の弾性域で、しかも安定した軸力での締付けを行うことができる。これにより例えば自動車などのように多数のボルトによる締付けに対して均一の軸力での締付けが要求される個所での締め付けが簡単容易にかつ良好に行える。

なお、必要に応じて軸力設定器１１により耐力点近くに軸力Ｎを設定することも可能である。

また、例えばモータ１ａを制御して上記着座完了時点を越え軸力ＮとトルクＴの関係が直線的になる１〜２秒後まで、低速回転で一次締めを行い、その後、その電流値Ｉに達するまでモータ１ａを高速回転で制御して二次締めを行うようにしてもよい。このように構成すれば、モータ電流上昇率Ｓの計算をゆっくりと行うことが可能になるし、その場合、締付けるボルト１のキャリブレーションでモータ電流上昇率Ｓ（トルク係数Ｋ）の大小による時間と軸力の関係を一度求めておけば、二次締めを行う際に、キャリブレーションで求めたモータ電流上昇率Ｓ（トルク係数Ｋ）の大小による時間と軸力の関係データを基にモータ回転数を制御して上記着座完了後一定の締め付けが終了するように制御することが可能になる。

なお、上記した電動トルクレンチ１によりボルト３を締め付ける場合、電動トルクレンチ１に締め付け方向に対して反対側への反力が作用することになる。その際、小径軸のボルトについては電動トルクレンチをしっかりと握って保持することによりその反力による振動に対し対処できるけれども、大径軸のボルトについては十分に対処できなくなる場合がある。そのときには電動トルクレンチ１側に回り止め用の阻止棒を装着し、該阻止杆を例えば静止部材側の出っ張り部分に引っ掛けたり、或いは先に締結したボルト１の頭部に嵌め込んだ固定補助杆に上記回り止め用の阻止棒を引っ掛けるなどして電動トルクレンチ１が締め付け方向に対して反対方向に回転したり振動するのを阻止するようになされている。

本発明に係る電動トルクレンチによる締付方法に用いる電動トルクレンチの使用状態説明図である。ボルト締付け時の特性を示す説明図である。電動トルクレンチにおけるモータ制御の説明図である。

符号の説明

１電動トルクレンチ
１ａモータ
Ｄボルト径
Ｉモータ電流
Ｋトルク係数
Ｎ軸力
Ｓモータ電流上昇率
Ｔトルク

Claims

ボルトを被取付部材に所定の軸力で締付けて固定するモータを備えた電動トルクレンチによる締付方法であって、モータを制御してボルトと被取付部材との隙間がなくなる着座完了時点を越え軸力ＮとトルクＴの関係が直線的になる１〜２秒後まで一次締めを行い、その軸力ＮとトルクＴの関係が直線的になったモータ電流Ｉの上昇率Ｓを求める一方、このモータ電流上昇率Ｓからトルク係数Ｋを算出し、該トルク係数Ｋを用いて所定の軸力Ｎに達するまでのモータ電流値Ｉを計算し、そのモータ電流値Ｉに達するまでモータを制御して二次締付けを行うようにしたことを特徴とする電動トルクレンチによる締付け方法。